液压缸的机械锁紧装置理论分析和优化设计

目录

第1章绪论 (4)

1.1课题背景及研究的目的和意义 (4)

1.2诸多可行性方案的比较以及局限性分析 (5)

1.2.1钢球式锁紧液压缸 (5)

1.2.2滚子式锁紧液压缸 (6)

1.2.3套筒式锁紧液压缸 (7)

1.3国内外技术研究现状 (8)

1.3.1国内研究现状 (8)

1.3.2国外有关科研成果 (8)

1.4本文的主要研究内容 (11)

1.4.1本设计的工作原理及技术参数 (11)

1.4.2本设计相对前文几种可行性方案的优势 (12)

1.5本设计的主要内容 (13)

1.5.1内锥套内外表面摩擦副的摩擦磨损试验 (13)

1.5.2锁紧装置理论设计计算 (13)

1.5.3锁紧装置简化模型的静力学有限元分析及参数优化 (13)

1.5.4锁紧装置的样机试验 (13)

第2章摩擦副材料的选用及其摩擦磨损试验的设计 (14)

2.1引言 (14)

2.2 内锥套内表面材料的选择 (14)

2.2.1 铜或铜合金材料作对偶件 (15)

2.2.2铸铁材料作对偶件 (16)

2.2.3钢材料作对偶件 (17)

2.2.4其他材料作对偶件 (17)

2.3内锥套外表面摩擦副材料选择 (17)

2.4试验方案 (19)

2.4.1试验器材及用品 (19)

2.4.2试验方案 (20)

2.4.3试验数据处理 (21)

2.5本章小结 (24)

第3章液压缸锁紧装置的理论计算和设计 (25)

3.1 引言 (25)

3.2 核心零件的关键尺寸及基本算法 (25)

3.2.1假设条件的提出 (26)

3.2.2简化模型力学求解方程的建立 (27)

3.3.1弹簧弹力—内锥套斜角函数关系 (29)

3.4内锥套厚度的设计计算 (31)

3.5 碟形弹簧的设计计算 (33)

3.6 MATLAB计算程序 (36)

3.7本章小结 (37)

第4章锁紧装置的ANSYS有限元仿真优化试验 (38)

4.1引言 (38)

4.2简化模型的建立 (39)

4.3接触组设置 (39)

4.4约束设置 (40)

4.5外部载荷设置 (41)

4.5.1加载碟簧弹力F K (41)

4.5.2加载活塞杆负载F (41)

4.5.1负载施加时序 (42)

4.6网格划分 (42)

4.7 计算结果处理 (43)

4.7.1内锥套应力分布 (44)

4.7.2外锥套应力分布 (44)

4.7.3 活塞杆应力分布 (45)

4.7.4 内锥套-活塞杆接触压应力 (45)

4.7.5 内锥套-活塞杆接触摩擦应力 (46)

4.8 数据分析处理 (47)

4.8.1 各因素对根部圆弧槽最大应力的影响关系 (48)

4.8.2 综合评估 (50)

4.9 活塞杆负载力作用方向对内锥套应力分布的影响 (52)

4.10本章小结 (54)

第5章液压缸锁紧装置试验台设计 (55)

5.1引言 (55)

5.2样机试验主要内容 (56)

参考文献 (57)

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

本项目来源于：沈阳中之杰流体控制系统有限公司。

在近几年来，随着中国工程机械的超高速迅猛发展，带动了中国工程机械液压件的超快速发展。目前工程机械液压件已占据了整个液压行业一大半的市场份额，使工程机械液压件在整个液压行业占有举足轻重的地位。通过查阅有关文献可以总结出液压技术拥有如下优点：

（1）液压传动可以输出大的推力或大转矩；

（2）液压传动能很方便地实现无级调速；

（3）在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑；

（4）液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定；

（5）操作简单，调整控制方便，易于实现自动化；

（6）液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠；

（7）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。

据粗略统计，目前国内液压元件行业有一定生产规模的企业大约有400多家，尽管这些厂商生产和销售量很高，也是一些区域经济的支柱产业，其产值占有地方经济收入大部分份额，但从总体来看，这些厂商的液压元件生产都存在着两大主要问题：

（1）一般的普通液压元件大量过剩，价位低，低水平竞争十分激烈；

（2）高档、高技术的液压元件完全依赖进口，受人制约。

因此，推动液压元件向着高档、高技术的水平发展必然成为我国现阶段液压元件行业的发展趋势。

液压元件，主要包括液压缸/马达、液压泵、液压阀三个大类。其中液压缸是液压系统中最重要的执行元件之一，它能够将液压能转变为机械能，可以实现直线往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，使用维修方便，所以比液压马达等执行元件应用更广泛。液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，从而进一步扩大了它的应用范围。为了适应主机的需要，液压缸的规格、品种正日趋齐全，结构在不断改进。作为执行元件，液压缸是液压系统的最后一个环节，液压缸性能的优劣直接影响整机的工作性能。在液压传动中，无论其它液压元件设计制造得多么精密，回路系统安排得多么合理，只要液压缸设

计和制造得不好，就将会事倍功半，得不到良好效果。

正如上文所说，液压缸作为液压元件之一也存在着制造水平低、严重依赖进口的问题，同时随着国内工程机械行业的快速发展，目前广泛应用的普通工程液压缸已经不能满足行业需求，很多领域需要使用特殊结构和功能的液压缸，如大行程、超高压领域需求的大型液压缸、可以在任意位置锁紧的自锁式液压缸和伺服系统等需求的单出杆对称液压缸等。而国内特种液压缸的研发还处于起步阶段，多数产品完全依赖进口，所以设计开发特种液压缸可提升我国液压缸制造水平，同时满足国内市场需求。

在纷繁复杂的液压缸中，有一类液压缸因其具有特殊的功能而备受关注，那就是带有锁紧装置的液压缸。常见液压缸的锁紧方式是靠液压锁来实现的，依靠封堵压力油的方式来锁紧液压缸。另一种则是新型的液压缸——自锁式液压缸（即一种带有机械锁紧装置的液压缸）。

自锁式液压缸的特点就是液压缸在工作的某点能依靠自身机械锁自动锁紧活塞杆，而且该机械锁只能通过开锁液控才能打开，它可以满足那些要求液压缸在工作位置有高精度，长时间停机而无任何位移变化，并在工作位置锁紧、绝对安全可靠的特殊领域。同时，采用自锁式液压缸能起到简化液压系统，提高系统可靠性的作用。因此，对自锁式液压缸进行分析设计有着非常重要的意义。

1.2诸多可行性方案的比较以及局限性分析

1.2.1钢球式锁紧液压缸

通过查阅文献发现自锁液压缸的研究很多都是围绕着钢球锁紧液压缸而展开的。其中东南大学的倪江生先生对钢球锁紧式液压缸进行了深入的设计计算，其原理图如图1.1所示。

图1.1 钢球式锁紧液压缸结构原理

1-缸；2-活塞；3-活塞杆；4-钢球；5-弹簧圈

钢球摩擦式锁紧缸的结构原理是：活塞杆3上有斜面槽，每个斜面槽内放置一个钢球4，并用弹簧圈挡住。活塞2是能游动的。当没有液压力作用时，如活塞杆在外力作用下有左移的趋势，则左面钢球与缸体内壁相卡，如果活塞杆有右移趋势，则右面钢球与缸壁相卡，此为锁紧状态。当右面进油时，游动活塞先使左面钢球沿槽下滑，然后推动活塞杆左移，此为解锁状态。可以看出，这种液压缸在不工作时具有双向锁紧功能，而油路控制同普通液压缸一样，在工作时能自然解锁。

钢球摩擦式锁紧缸具有结构简单、解锁方便等优点，它不需要单独的解锁控制油路，因此使液压系统设计得到简化，降低了成本[1]。不过这种结构的主要缺点是缸壁承受正压力很大而易变形破坏，所以其承载能力较差，特别适用于外载荷不太大的场合。如果要求大载荷下双向锁紧功能时，这种结构不是很合适，可考虑采用其他的结构形式[2]。

除了钢球式锁紧液压缸以外，还有许多种可行性方案，它们都有各自的特点与适用条件，同时也都存在着各自的缺陷。

1.2.2滚子式锁紧液压缸

在钢球式液压锁紧缸（见图1.2）的基础上，由于其承载能力较差，不适用于负载较大的工况，使用范围受到了很大的限制。为解决上述问题，东南大学的倪江生先生又提出了滚子式锁紧液压缸，并对其设计中的主要计算问题进行了深入的研究。简单来说，钢球与锁紧套之间的接触是点接触，钢球压入缸壁产生犁沟效应，因此液压缸筒壁会被擦伤[2]；而滚子与锁紧套之间的接触是线接触，用腰鼓形滚子与缸壁的接触面积较大，其承载能力也较大，缸壁不易受损坏，工作寿命长。因此滚子式锁紧液压缸相对钢球摩擦式锁紧液压缸应用更广泛一些。尽管这种锁紧液压缸原理比较简单，但其锁紧力、解锁力的计算及液压缸的设计非常重要，参数选择必须准确，否则可能导致不能锁紧、无法解锁、缸壁受损等问题。

图1.2 滚子式单向锁紧缸的结构及工作原理

液压缸在停止运动时承受单向外负载P，活塞杆1上有斜面槽，每个斜面槽内放置一个滚子3（腰鼓形），并用弹簧圈挡住。活塞2在活塞杆1上能游动。当左右腔没有压力时，在P作用下，滚子与缸体壁相卡，发生摩擦自锁，活塞杆不会发生移动，即为锁紧状态。当左腔有压力时，游动活塞2先推动滚子右移解锁，然后再推动活塞杆向右移动，这时与普通液压缸的工作状态基本相同。值得注意的是，右腔加压时，上述液压缸不具有锁定功能，故为单向锁紧缸[3]。滚子式锁紧液压缸虽然较钢球式锁紧液压缸表面受力情况较好，但既然是线接触就不可避免地产生力的集中，因此面接触的锁紧部件才是锁紧液压缸更好的选择。

1.2.3套筒式锁紧液压缸

套筒式锁紧液压缸的结构如图1.3所示。在活塞杆外伸部分，装一个固定在液压缸端盖上一个锁紧套筒，其内孔与活塞杆的外圆为过盈配合，可使活塞杆被锁紧在任意位置，锁紧套筒内孔有螺旋槽，槽的两端装有密封圈。

图1.3 滚子式单向锁紧缸的结构及工作原理

1-缸体；2-活塞杆；3-锁紧套筒；4-密封；5-油孔

锁紧套筒较薄且具有一定弹性。当解锁高压油进入螺旋槽后，在高压油压力的作用下，锁紧套筒径向向外膨胀从而使其与活塞杆的过盈配合变为间隙配合，松开活塞杆。这时活塞杆即可如普通液压缸一样自由移动。若解锁压力油卸除之后活塞杆又被立即自动锁紧在锁紧套筒内。

套筒式锁紧装置结构简单，性能可靠，在轴线方向和圆周方向均可锁定，可以有很高的锁紧负载[2]。但由于过盈锁紧型液压缸的启动压力（摩擦阻力）比一般的液压缸大，因此不适用于控制精度要求高的电液伺服系统中。更关键的是其材料特性和过盈量需要合理地选择。在材料方面应主要考虑其弹性强度、摩擦系数等，尽量做到摩擦系数大、强度高、弹性好、表面耐磨性好以提高其工作性能和使用寿命。在过盈量方面，不仅仅是装配较为困难，对于一些环境温度变化较大的场合如一些军用设备要求液压缸在环境下可靠工作必须考虑温

度变化对锁紧力和开锁压力的影响。因其过盈量很小而温度变化可能导致过盈量的大小变化从而引起开锁压力和锁紧力的变化[4]，应用范围有所局限。

1.3国内外技术研究现状

1.3.1国内研究现状

在冶金、煤矿等众多机械领域，液压设备为了使工作部件能在任意位置停留，以及在停止工作时，防止在外力或自重（液压缸立放）作用下发生移动，需要将液压缸锁紧。虽然在20世纪80～90年代，我国对液压行业进行了重点改造，先后引进许多项国外技术，提高国内水平，但由于缺乏自主创新，液压技术发展比较缓慢，与国外先进水平还有很大的差距。

目前国内的锁紧液压缸结构比较简单，主要都是通过液压回路锁紧来实现的。目前常用的锁紧回路有换向阀锁紧回路、单向顺序阀锁紧回路及液控单向阀锁紧回路等[5]。图1.4

1.3.2国外有关科研成果

液压缸的锁紧装置在国外已有了相当成熟的发展，产品品类丰富、应用广泛，本文列举几例仅供参考。如汉臣Ratio-Clamp 锁紧装置（如图1.5、图1.6所示）可以有效工作在：注塑机、金属压力模压机、铸造炉、飞机牵引机、冲击吸收器和轮胎测试机和其他方面。

图1.5 汉臣(H?nchen) Ratio-Clamp 锁紧装置产品[6]

图1.6 汉臣(H?nchen) Ratio-Clamp 锁紧装置与标准液压缸组合产品[7]

在对大型构件的滑移过程中，传统的水平滑移手段主要是采用卷扬机钢丝绳牵引，其牵引力、牵引速度难以控制，平移稳定性和安全性较差，而自锁型液压爬行机器人，通过爬行器液压缸伸缸时，其自锁机构夹持于地面轨道，靠自锁产生的反作用力推动构件在轨道上滑移，能实现平稳速度连续滑移并且推力速度可测可控，有效地解决传统滑移方式的缺陷，并且省时省力，滑移平稳性好，就位精度高。目前已成功应用在许多大型构件滑移施工中。

图1.7所示装置(法国)，结构简单，工作可靠。它可用于将液压缸活塞杆固定在行程长度的某点位置，并保持在此位置上。在带间隙的活塞1的活塞杆13上，装有聚合物材料制的衬套8和带切口的薄壁金属套6。沿衬套8的两端设置垫圈3、4和11、12，且其锥端面彼此相对，并设有弹性材料制的密封圈5和10。压力油或空气可通过活塞杆13内的通道14和9供入腔7内。此时，带切口的薄壁衬套6将压向缸体2的内壁锁紧，并将活塞杆可靠固定[8]。

图1.7 可将活塞杆固定在某点位置的机械锁装置[9]

图1.8和图1.9所示为美国专利[10]：一种对圆柱杆的摩擦夹紧机构。该夹紧机构的工作原理是通过滑动活塞50在油口60的压力油的作用下压紧可压缩锁紧环22，通过可压缩锁紧环被压缩而产生向圆柱杆20的夹紧力，从而实现机械锁紧；在油口60的压力油卸载后，在可压缩锁紧环的弹力作用下，推动滑动活

塞50回到最初位置，从而实现解锁。该专利中还介绍了这种装置在铸模机中的应用。这种装置在锁紧时需要通入压力油，不适用于长时间的锁紧，但这种机构为本设计提供了非常好的设计思路，在本设计中将引入碟形弹簧存储长期锁紧所需的弹性能，从而实现了对上述机构的改进和创新。

图1.8 一种对圆柱杆的摩擦夹紧机构结构示意图

图1.9 一种对圆柱杆的摩擦夹紧机构锁紧环三维图

1.4本文的主要研究内容

1.4.1本设计的工作原理及技术参数

在本设计中，锁紧装置需要做到在任意位置都可以对活塞杆进行可靠的机械锁紧。在设计思想上，本设计与图1.8所示的夹紧机构类似，都是利用沿轴向运动的活塞推动圆锥锁紧环来实现锁紧。具体实现方法如图1.10所示。

图1.10 液压缸锁紧装置结构图

1—内锥套；2—外锥套组件；3—活塞杆；4—碟形弹簧

A口—解锁油口；B口—泄油口；C口—接近开关接口

碟形弹簧4在锁紧装置装配时需要有一个预压缩量，这个值是可计算的。在A口不通入解锁压力油时，外锥套2在碟形弹簧4的作用下有向左运动的趋势，通过内锥套1的圆锥面将向左的力转化为向活塞杆的径向力，从而实现对活塞杆的机械锁紧。当A口通入解锁压力油时，碟簧被压缩，外锥套2在压力油的作用下向右运动，直至外锥套2与内锥套1的相互作用力逐渐减小直到两者脱离接触，内锥套1也与活塞杆3脱离接触。这时活塞杆处于解锁状态，在液压缸两个油口压力油的作用下，活塞杆可以向右或向左自由移动。锁紧力的大小可以通过改变调整垫片的厚度来调节。这种结构，活塞所受锁紧力比较均匀，夹紧可靠[11]。

根据沈阳中之杰流体控制有限公司相关技术人员的要求，最终确定了液压缸锁紧装置的技术参数如下所示：

（1）额定供油压力：18MPa；

（2）活塞杆直径：40-140mm系列；

（3）锁紧力：75kN；

（4）最小解锁压力：与额定供油压力相匹配为最佳；

（5）活塞速度：≤1m/s；

（6）工作温度：-10°C~+80°C；

（7）外部密封性：外部不允许漏油；

（8）锁紧可靠性要求：在1.5倍额定压力下保持3min，无永久变形和可见的外部渗油；

（9）介质：L-HM32号抗磨液压油。

以上为本设计需要达到的技术指标，在保证以上要求的同时，还需要将锁紧装置的尺寸做的尽可能小，避免与标准液压缸匹配时出现头重脚轻的情况。

锁紧力是本设计的重要参数之一，必须大小合适；若锁紧力过小将锁不紧，锁紧力过大将难解锁。影响锁紧力的因素很多，例如碟簧、锁紧套、活塞杆的材料、尺寸、锁紧套与活塞杆的间隙，碟簧的压缩量等[12]。

1.4.2本设计相对前文几种可行性方案的优势

首先，碟形弹簧作为一种非线性减振元件,能在很小的变形条件下,承受范围变化很大的载荷[13]。另外其几何尺寸较小，在石油、化工、矿山和冶金等行业的低速重载设备中得到了广泛应用[14]。由于碟簧的具有如此的特性，可以将锁紧装置做得轴向尺寸很小，方便对普通液压缸进行改进升级。

另外，锥面-碟簧式锁紧液压缸结构较为简单，另外其加工工艺性要求不是很高，对整体材料要求并不严苛，只是需要对锁紧套部分的材料进行详细分析即可。

最后，由于这种设计采用内锥套对活塞杆面接触，因此锁紧力在活塞杆圆周上分布十分均匀，无钢球式或滚子式锁紧液压缸的“犁沟效应”，使用寿命较长，锁紧较可靠。与此同时，由于通过通过碟簧存储的弹性能来实现锁紧，不存在套筒式锁紧液压缸的过盈配合，使得本设计能够适应比套筒式锁紧液压缸大得多的温差变化，应用范围更加广泛。与沈阳中之杰流体控制系统有限公司交流协商，考虑到其生产加工的实际情况，认为锥环-碟簧式液压锁紧缸是最好的方案。

1.5本设计的主要内容

1.5.1内锥套内外表面摩擦副的摩擦磨损试验

通过查询有关文献和书籍，选择适合加工内外锥套的材料，并进行配对、分组进行摩擦磨损试验。通过摩擦磨损试验可以得到不同材料之间的实际力学性能，如摩擦系数、磨损量等等，这些数据可以作为理论设计计算的重要依据。

1.5.2锁紧装置理论设计计算

在收集了足够的相关资料之后，对液压缸锁紧装置的关键零件—内锥套进行理论分析，明确了理论设计的基本流程。通过建立锁紧装置的简化数学模型进行MATLAB编程计算，将内锥套的几个关键的尺寸确定在一个比较小的范围，为后面的有限元分析做好准备。

1.5.3锁紧装置简化模型的静力学有限元分析及参数优化

在得到了内锥套的几个关键尺寸的范围之后，把这几个关键尺寸当作几个影响因素，在范围之内取几个不同的数值作为不同的水平。利用正交分析法对这几个关键尺寸进行分组试验，将试验结果填入标准正交试验表中，然后通过极差分析法和综合评分法分析各个尺寸的变化对分析结果的影响关系，最后确定最优的尺寸参数，完成对液压缸锁紧装置的优化设计。

1.5.4锁紧装置的样机试验

在得到了最优尺寸参数之后，可以完成整个液压缸锁紧装置的结构设计，并设计出合理的试验装置。在样机试验中，重点对锁紧力、最小解锁压力和使用寿命进行测试，对测试的结果进行分析、讨论，再根据实际出现的问题进行方案的修改。

第2章摩擦副材料的选用及其摩擦磨损试验的设计2.1引言

根据本设计的要求，需要对摩擦副表面材料进行选择。对于内锥套内表面，由于该位置承受所有的负载力，因此毋庸置疑地需要大摩擦系数的、高强度的材料来满足锁紧器性能的要求；而对于内锥套外表面，由于该位置主要是以传递正压力为主，因此希望它与外锥套内表面的摩擦越小越好。基于以上两点，需要选择不同性能的材料，并分别对内锥套内表面与活塞杆、内锥套外表面与外锥套内表面两个摩擦副进行摩擦磨损试验，将试验结果中最优的材料的系列数据代入到理论计算中，从而实现优化设计。

2.2 内锥套内表面材料的选择

内锥套内表面与活塞杆摩擦副是本设计中最为关键的一环，其摩擦副配对性能的好坏直接影响着锁紧器装置性能的优劣，现对其材料的筛选提出几点基本要求：

（1）由于希望在同样大的压力下产生更大的静摩擦力，希望与活塞杆之间要有尽可能大的摩擦系数；

（2）由于同时受到很大压应力和表面剪切应力，因此希望其具有很高的力学性能；

（3）由于长时间工作在油介质中，希望其具有较强的耐腐蚀性；

（4）由于锁紧装置长时间锁紧，希望其力学性能和摩擦系数等参数长时间保持稳定；

（5）如果该材料需要铸造在内锥套基体内圆柱表面上，希望其具有较好的铸造性能和切削性能。

（6）如果内锥套整体都是由一种材料制成，则希望其能够承受较大的弹性变形。

由于活塞杆材料为厂家给定：45钢，表面高频淬火，镀硬铬，HRC>50，表面粗糙度Ra0.8，只需要选择其对偶件。常见的与摩擦副有钢-铜、钢-铸铁、钢-钢等摩擦副组合。

2.2.1 铜或铜合金材料作对偶件

铜及铜合金是解决400℃以下工业摩擦学问题的主要材料[15]。

（1）锡青铜QSn6.5-0.1

高的强度、弹性、耐磨性和抗磁性，在冷热态压力加工性良好，可焊接和钎焊，切削性好，具有较好的耐蚀性。主要用于弹簧和导电性好的弹簧接触片，精密仪器中的耐磨零件，如齿轮、电刷盒、接触器。

根据航天工业标准[16]，锡青铜QSn6.5-0.1的热处理方式为：

不完全再结晶退火：温度380~420℃，退火时间60~120min，空冷；

去应力退火：温度150~180℃，退火时间120min，空冷。

（2）锡青铜QSn7-0.2

强度高，弹性和耐磨性好，易焊接和钎焊，在大气、淡水和海水中耐蚀性好，切削性良好，适于热加工。用于中等负荷、中等滑动速度下承受摩擦的零件，如抗磨垫圈、轴承、轴套、蜗轮等，还可用于弹簧、簧片等。

根据航天工业标准[16]，锡青铜QSn7-0.2的热处理方式为：

去应力退火：温度180~200℃，退火时间120min，空冷。

（3）铍青铜QBe2

是含有少量镍的铍青铜。是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。经淬火调质后，具有高的强度、硬度、弹性、耐磨性、疲劳极限。易于焊接和钎焊，在大气、淡水和海水中耐蚀性极好。用于各种精密仪表、仪器中的弹簧和弹性元件，各种耐磨零件以及在高速、高压下工作的轴承、衬套。

铍青铜QBe2的热处理方式为：

固溶处理：在氨分解气中加热到800℃，保温10min，在水中快速冷却[17]；

时效处理：将固溶处理后零件加热至325℃，保温2.5h后空冷[18]。

（4）铝青铜QAl10-4-4

含有铁、锰元素的铝青铜。有高的强度和耐磨性，经淬火回火后可提高硬度，有较好的耐蚀性和抗氧化性，切削性尚可，可焊接但不易钎焊，热态下压力加工性良好。用于高温条件下工作的耐磨零件盒各种标准件，如齿轮、轴承、衬套等。

热处理方式：

固溶处理：将零件加热至850℃，保温0.5h，在100℃水中冷却；

时效处理：将固溶处理后零件加热至350℃，保温1h后空冷[19]。

（5）铸造铝黄铜ZHAl66-6-3-2

为耐磨合金，具有高的强度、硬度和耐磨性，耐蚀性也较好。用于高强、耐磨零件，如桥梁支承板、螺母、螺杆、耐磨板、滑块和蜗轮等。

根据航天工业标准[16]，铸造铝黄铜ZHAl66-6-3-2的热处理方式为：

去应力退火：温度300~350℃，保温120min ，空冷或炉冷。值得注意的是，去应力退火一般安排在冷变形或机械加工后进行，目的是为了消除冷变形和机械加工产生的残余应力，防止自裂，稳定尺寸和性能[20]。

（6）锰黄铜ZHMn58-2

有较高的力学性能和耐蚀性，耐磨性较好，切削性能良好。用于一般用途的结构件，船舶、仪表等使用外形简单的之间，如套筒、衬套、轴瓦、滑块等。

根据航天工业标准[16]，锰黄铜ZHMn58-2的热处理方式为：

去应力退火：温度300~350℃，保温120min ，空冷或炉冷。

2.2.2铸铁材料作对偶件

（1）球墨铸铁 QT900-2

有高的强度和耐磨性，较高的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和一定的韧性。用于内燃机曲轴、凸轮轴和汽车上的圆锥齿轮、转向节、传动轴及拖拉机的减速齿轮、农机具[20]。

力学性能参数仅供参考：抗拉强度σb =900MPa ，屈服强度σ0.2=600MPa ，伸长率2%=δ，硬度360~280=HB [21]。

热处理方式：840~880℃加热，在250~350℃盐浴中淬火，获得综合力学性能，尤其能提高强度、韧性与耐磨性。

（2）中锰抗磨球墨铸铁MQTMn6

中锰抗磨球墨铸铁的基体组织以马氏体和奥氏体为主，具有承受冲击载荷的能力，以及制造工艺简单、灵活、单位质量的疲劳强度高、韧性好、能铸出较薄零件（0.2~2mm ）、质量稳定可靠性高和经济性好等优点。可代替高锰钢和锻钢，可制作耐磨零件，如用于选矿用螺旋分级机叶片、磨机衬板、煤粉机锤头、农机和水泥机械的耐磨件等。李合非, 王彩云, 隋勇[22]等人对不同热处理状态下球墨铸铁的耐磨性能以及它在旋耕机刀片上的应用做了许多研究，对本设计的材料选择很有参考意义。

热处理方式：min 40900?℃保温后油淬，h 1350?℃回火。

2.2.3钢材料作对偶件

（1）高碳铬轴承钢GCr15

为高碳铬轴承钢代表钢种，综合性能良好，淬火与回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均好。主要用于各种轴承套圈、滚动体，也用于制造模具、精密量具以及其他要求高耐磨性、高弹性极限和高接触疲劳强度的机械零部件[20]。

高碳铬轴承钢GCr15的热处理方式为：

870℃淬火并在液氮中深冷处理的钢具有较高的耐磨性[23]。

2.2.4其他材料作对偶件

（1）铜基湿式摩擦材料F1111S

采用粉末冶金技术制备摩擦片，不但性能优良，而且容意灵活的选择材料的组分和样式。采用粉末冶金方法可以任意改变材料的组分，可以避免传统铸造工艺中的气孔、疏松、成分偏析及晶粒长大等缺陷，有助于提高材料的综合机械性能[24]。其中铜基粉末冶金材料大多数用于有液体润滑的工作条件下[25]，与本设计工况相符合。

该材料用于船用齿轮箱系列离合器、拖拉机主离合器、载重汽车及工程机械等湿式离合器。

（2）基体表面等离子喷涂Al2O3-13%TiO2

将纳米材料与表面涂层技术相结合，可扩大纳米材料的应用范围，并给常规涂层技术的提高创造了条件。其中Al2O3基陶瓷涂层的应用领域很广[25]。纳米涂层的研究己取得一定的进展，并在军事上获得应用，美国海军已将热喷涂Al2O3/TiO2纳米涂层作为新型抗摩擦磨损材料应用于船舶和舰艇。目前Al2O3/TiO2这个系列更是研究的热点之一，其具有优越的耐磨性、抗腐蚀性及较高的硬度[26]。

2.3内锥套外表面摩擦副材料选择

内锥套外表面摩擦副同样很重要，在这里对其材料筛选作一下要求：

（1）由于主要传递较大正压力，因此表面要具有较高的抗压强度。

（2）内锥套外表面之间要做到尽可能小的摩擦系数，因为两者之间摩擦力越大，弹簧则需要更大的力来克服，对整个装置的设计非常不利。

（3）由于长时间工作在油介质中，希望其具有较强的耐腐蚀性。

根据以上几点要求，通过查找资料得到如下几个外锥套内表面可选方案。

值得一提的是，由于外锥套需要较高的强度和刚度，根据其性能要求和厂家实际生产能力，在本设计中采用40Cr作为外锥套基体的材料，在表面摩擦上来看40Cr可能无法满足以上摩擦副的设计要求，可以考虑将外锥套内表面加工成圆柱面，再选择合适的材料制成内表面为圆锥面的衬套，两者通过过盈配合镶嵌在一起，在端部用挡片、螺栓轴向固定。具体方案如图2.1所示

图2.1 外锥套组件设计方案

1—挡片；2—内六角圆螺钉；3:—镶嵌铜套：4—外锥套

2.3.1铸造铅青铜ZQPb10Sn10

润滑性能、耐磨性能和耐蚀性能好，适合作为双金属铸造材料。主要用于表面压力高、又存在侧向压力的滑动轴承，负荷峰值60MPa的受冲击零件，最高峰值达100MPa的内燃机双金属轴瓦，以及活塞销套等[20]。

2.3.2铸造锡青铜ZCuSn5Pb5Zn5

具有较高的强度，良好的抗滑动磨擦性，优良的切削性能和良好的焊接性能，在大气、淡水中有良好的耐腐蚀性能。主要用于制造航空、汽车及其它工业部门中承受磨擦的零件，如汽缸活塞销衬套、轴承和衬套的内衬、副连杆衬套、圆盘和垫圈等[20]。

2.3.3铸造铝青铜ZQAl9-4-4-2

具有良好的切削磨削性能，可焊接，易热加工成型。合金主要用于制造支

架、齿轮、轴套、衬套、接管嘴、法兰盘、摇臂、导阀、泵杆、凸轮、固定螺母等高强度和耐磨的结构零件[20]。

2.4试验方案

根据厂家所提供的活塞杆材料制作统一的下试块，保证其加工、处理等方式与液压缸活塞杆完全相同；将上试块用查文献或手册得到的材料分别制成，然后依据科学的试验方法进行摩擦磨损试验。通过对试验过程中摩擦系数的变化和试验前后试件质量差（即磨损量）的测定，分析影响摩擦磨损的因素，进而确定各因素对各个摩擦副摩擦磨损影响程度的大小。

2.4.1试验器材及用品

1）MWF-10摩擦磨损试验机，往复行程25mm，最大加载力1200N，如图2.2所示。

图2.2 NWF-10摩擦磨损试验机

2）FA224高精度电子天平，精度0.1mg，称量范围220g，如图2.3所示。

3）超声波清洗机，如图2.4所示。

图2.3 FA224电子天平图2.4 超声波清洗机

4）抗磨液压油，性质如表2.1所示。

表2.1 试验油液性质[27]

试验油液闪点倾点比重黏度指数40℃运动黏度L-HM32号抗磨液压油203（℃）-11（℃）0.86 100 33.40（cSt）5）试验试件，材料及处理方式如表2.2所示。

表2.2 试验试件材料及热处理

材料热处理方式

45 （1）表面高频淬火；（2）镀硬铬，HRC > 50。

30Cr2MoV A （1）900-920℃淬火，油冷；（2）690℃回火，空冷至室温；（3）渗氮0.4-0.6mm。

QAl10-4-4 （1）固溶处理：将零件加热至850℃，保温0.5h，在100℃水中冷却；（2）时效处理：将固溶处理后零件加热至350℃，保温1h后空冷。

QSn6.5-0.1 （1）不完全再结晶退火：温度380~420℃，退火时间60~120min，空冷；（2）去应力退火：温度150~180℃，退火时间120min，空冷。

H62 （1）热加工温度650～850℃；

（2）退火温度600～700℃；

（3）消除内应力的低温退火温度270～300℃。

HMn58-2 （1）去应力退火温度300~350℃，保温120min，空冷或炉冷。

6）其他辅助用品，包括吹风机，棉签，干布，镊子，丙酮，无水酒精等。

2.4.2试验方案

试验采用控制变量法进行安排，试验结果采用直观分析法进行分析。分析因素选择为配对的两种材料的表面粗糙度，上试块的材料类型，试验时间，评论指标选择为摩擦系数和磨损量以及摩擦系数随磨损量的变化趋势。试验中的其他因素保持同一水平，这里主要指环境温度，试验摩擦相对速度等。

试验机使用较为简单的曲柄滑块机构，试验电机的工作频率为0.3Hz，用以模拟内锥套内表面摩擦副的缓慢摩擦的工作情况。由于实际锁紧装置在解锁和锁紧过程中活塞杆与内锥套内表面由于加工精度的关系不可避免地发生接触和相对滑动，通过这种试验方法很好地模拟了锁紧装置多次执行锁紧-解锁循环，