快速上移式油压机的油缸设计
 
    目前,大多数企业生产的油压机都较好地解决了工作吨位大但重量轻、能耗低的问题,但在保证动作可靠前提下提高效率方面大都不尽人意。本文对油缸结构和参数选择与提高油压机效率、可靠性的关系方面进行了分析,提出了解决方法。并在实际应用中达到了较好的效果。

1 上移式油压机的油缸及其系统简介

  在选定液压系统其它元件的情况下,油压机的工作效率取决于油缸的快进、压制、回程三个过程中的功率利用情况。采取上移式、子母缸的结构为各厂家所共识,已较好地解决了油缸的快进、压制过程的高效工作问题,但在解决回程速度问题上,各厂家方法不同,效果都不理想。这种油缸的结构及液压系统原理图见图1,图1(a)为定量泵系统,只适用于无保压要求的工况,图1(b)为限压式变量泵系统,不论有无保压要求的工况都适用,效率高。

(a)      (b)

图1

2 现有厂家油压机油缸设计存在的问题

  下表为省内几个主要厂家的油缸结构、参数及回程速度表(以200吨油压机为例,各厂家均采用电动机Y132M-4,国产10MCY14-1B高压柱塞泵(定量泵),Q=253750mm3/s=15.255L/min。
  从下表中可以看出:A厂采用柱塞缸,为自重回程方式,结构简单,但回程速度太慢,而且受油缸柱塞和工作台自重的限制;B、C二厂都采取油压回程方式,B厂油缸动作正常,但回程速度仍比C厂慢,C厂油缸回程速度虽较理想,但使用中却经常出现回程不稳定,有时甚至活塞不能落下,有卡死的现象,动作可靠性差。
  如何进行图1系统的油缸的结构设计和参数选择,才能既保证油缸动作可靠,又能达到理想的回程速度,就是本文所要研究和解决的问题。

厂家油缸结构及回程速度 A厂 B厂 C厂
油缸 缸径D(mm) Φ360 Φ340 Φ364
活塞杆径d(mm) Φ360 Φ330 Φ360
实际回程速度mm/s 25 48 111
备注 柱塞缸

 

3 解决方法探讨

  对于图1所示采用高挂油箱提供快速上升时实现补油功能的系统,A厂采用柱塞式油缸,靠柱塞和工作台自重回程的方案是不合理的,虽然油缸结构简单,但回程速度受柱塞和工作台自重的限制,难于达到理想的效果。回程时,需满足下面的条件:

  W>f0μ+πD2Lγ/4(1)

式中:W—柱塞和工作台的重力(N);
   f0—预紧力(N);
   μ—摩擦系数,μ=0.05~0.1;
   D—缸孔直径(m);
   L—活塞行程(m);
   γ—油液的重度(N/m3)
  W越大,回程速度越快,但W的大小受结构要求的限制,不能随便加大W;而且W增大时,意味着柱塞直径也增大,缸孔直径增大,则(1)式右边第二项也增大,所以回程速度总是受限的,难于按人们的理想来提高。所以,图1所示系统不宜采用柱塞缸。
  B厂和C厂采用的油缸结构,对于图1所示系统来说,无疑是科学和合理的,但其结构参数应如何选择,才能既能保证油缸动作可靠又能达到理想的回程速度?现分析如下:
  油缸活塞在运动中密封圈摩擦力f为:

  f=(KpπDH+f0)μ

式中:K—侧压力系数,K=0.6~0.9;
   p—系统压力,MPa;
   H—密封圈与油缸的接触宽度,mm;

  其它符号意义如前述。
  理论上,要使活塞下移,则活塞下移作用力F>f,即π(D2-d2)p/4>(KpπDH+fo)μ
  D2-d2>4KDHμ+4f0μ/(πp)
因4f0μ/(πp)与4KDHμ相比小得多,略去不计,得活塞杆直径为:

(2)

略去预紧力后,为确保计算参数的安全可靠,K和μ应分别取其上限值,即K=0.9,μ=0.1。
  从式中可以看出,当设计此种类型油压机的油缸时,在已知最大工作负载条件下,选定了系统压力,油缸缸径D可随之确定,查手册可得相应的H值,d也就可以确定。
  目前,省内各主要厂家油压机大都采用上海或邵阳生产的高压柱塞泵,使用压力为20~27MPa,油缸直径D为Φ300mm~Φ360mm,采用的橡胶密封圈的宽度H=20mm,考虑回程时必须克服两个密封圈的磨擦力。
  因此,要在保证动作可靠性的前提下尽可能提高回程速度,油缸设计参数必须满足(2)式要求。

4 设计实例

  前面提及的B厂产品如按本文的方法设计,由式(2)算得d应为:

  取d=332mm。
  C厂产品如按本文的方法设计,由式(2)算得d应为:

  取d=356mm。

图2

  我们根据上述原则设计生产的200吨快速上移式油压机的油缸,选定D=328mm缸径(见图2),由式(2)算得:

  取d=320mm。
  我们仍采用10MCY14-1B泵,回程速度为:

  v回=Q/[π(D2-d2)/4]
    =253750/[3.14×(3282-3202)/4]=62mm/s

  快进速度为:

  v进=Q/(πd20/4)=253750/(3.14×802/4)=50mm/s

  最大工作压力为:

  pmax=Gmax/(πD2/4)
    =2×10/(3.14×0.3282/4)
    =23681687.8Pa≈23.68MPa

  电动机功率为:
  N=pmaxQ/(61.2η)
   =23.68×15.225/(61.2×0.85)=6.93kW
  我们同样采用Y132M-4型7.5kW电机。在实际工作中,动作平稳、可靠,较好地解决了油缸结构和速度、动作可靠性之间的关系问题,自投放市场以来,深得用户好评。
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