超高压油缸的设计与应用

文章编号：!"#!—$%&’（&$$&）$&—$$’%—$’超高压油缸的设计与应用!黄维亚（重庆工业职业技术学院，重庆’$$$($""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""####）摘要：介绍了在大型变压器的装配生产中所使用的装配工具———超高压油缸)*+,"-及其液压系统的设计。

同时就设计中一些技术问题和如何提高产品的可靠性、准确性、经济性等方面进行了探讨。

关键词：超高压油缸；结构设计；液压系统；密封；保压系统中图分类号：./!-#0%文献标识码：1$引言为了解决大型变压器生产中硅钢片装配难的问题，特设计了这种超高压油缸，以便支撑起整个变压器进行装配。

一台变压器重约’2吨。

单台变压器的装配同时需要’个油缸支撑。

要求单只油缸的工作压力34’$56，属于超高压，也就是每个油缸的推力应为!&吨，即活塞杆推力74!&吨，由于装配平台与变压器的最底面的高度不能超过%-88，即所设计的油缸高度/加上最大行程*不能大于%-88，/9*$%-88。

根据现场测试，活塞杆的最大行程*不能超过&$88，即*4&$88。

由于安装现场位置的局限，要求油缸体积越小越好，但同时又要满足有足够的强度和刚性。

这些客观条件给设计带来了一定的难度。

笔者重点就设计中一些技术问题和如何提高产品的可靠性、准确性、经济性等方面作一些探讨。

!液压系统的设计特点在工程应用中，液压系统的高压是指在-(56以下，超过这个压力系统，称为超高压系统。

设计时要特别注意。

由于用户要求执行器的功率密度大（指出力与允许的体积之比）。

所以我们采用了超高压技术。

液压系统的特点如图!液压系统原理图所示，该液压系统由电机启动，双泵供油。

大、小油泵采用通轴式结构。

电机轴联接大泵轴，大泵轴联接小泵轴。

大泵溢流阀采用遥控溢流阀，其压力的设定由小泵的压力油控制。

当小泵压力高于某一值时，控制大泵的溢流阀开启，大泵卸荷，以低压流回油箱。

大泵压力设定为(56。

压力继续升高以后，小泵的溢流阀，其控制压力为"$56。

该液压系统大泵采用的是:),)’高压齿轮泵，小泵采用的是阀配流式轴向柱塞泵。

系统能达到的压力：小泵2$56大泵&$56根据需要，调定压力为：小泵"$56大泵(56流量：低压$(56，;4’02<／8=>高压(,"$56时，;4$02<／8=>。

图!中，两支单向阀是为了防止液压冲击损坏泵而设置。

由于外负载的变化，系统有可能在某个时候，超过泵的压力而导致高压油回流而损坏泵。

这种负载外力，往往时间很短或瞬间，故也称之为“冲击”。

时间之短，溢流阀反应滞后，所以泵的出口往往设有单向阀。

这种液压系统，一般只设左边!个，保护大泵；本系统由于是超高压，有必要保护贵重的小泵，所以设计了两个单向阀。

有时，为了更保险，在换向阀前再设!个，若有-个单向阀进行泵及油路的超压保护，这也是超高压技术的特点。

!收稿日期：&$$&?$!?!!作者简介：黄维亚（!%"-?），男（汉族），云南昆明人，讲师，主要从事机械制造工艺及设备研究0图!液压系统原理图!、油箱"、滤油器#、小泵（轴向柱塞泵）$、大泵（齿轮泵）%、低压液流阀（遥控式）&、单向阀’、压力表开关(、压力表（!))*+）,、电磁换向阀（德国技术，高压球阀）!)、超高压油缸!!、高压溢流阀!"、电机（!-%./）!#、联轴器"结构设计及材料的选定油缸由以上设计的液压系统供油，因受结构尺寸限制，所以设计为一个进出油口，单活塞杆、单作用油缸。

活塞杆靠压缩弹簧复位。

"-!确定油缸的内径0根据油缸的工作压力12$)*+，推力32!"吨；由公式32!（0"／$）1402$3／（!1!）2（$5!")))）6（#-!$5$)!）2 &-"（78）取内径为标准缸缸径，即取02&#88。

"-"确定活塞杆9及活塞的结构如果按标准，油缸的活塞杆取值应为92#%88，由于油腔内除了活塞杆外，还有压缩弹簧。

对于工作压力为$)*+的油缸，回复力也较大，如果9取#%88，弹簧直径就太小，强度和回复力不够，活塞杆就不能很好复位；但弹簧直径也不能取得太大，否则活塞杆的直径就要变小；活塞杆太小，推力3太大，其强度有可能不够。

经综合评定后，取活塞杆直径92#)88。

经强度验算后，弹簧簧丝直径$88，即9弹2$88；中径0弹2$#-%88，工作圈:总2%。

展开长度;展2 &&’-%88。

材料选用&%*:。

由于整个油缸轴向尺寸<=>",#88，而行程>2")88。

4油缸的高度<只能取’#88，即<2’#88。

根据这一特殊情况，最好把活塞杆与活塞设计成一个整体。

从材料的强度、淬透性、经济性等方面考虑，材料选用$)?@钢。

$)?@有较高的强度和淬透性，经淬火及高温回火后，能得到良好的综合机械性能，能承受交变应力的作用，无回火脆性。

"-#确定油缸壁厚"考虑到整个油缸的轴向尺寸太小，决定缸筒采用整体结构形式。

整个油缸受力最大的是缸筒底部。

所以重点效核底部的强度。

缸筒材料选用$%钢。

由于缸筒轴向尺寸的限定，底部厚度"不能取得太大。

其厚度设计计算如下：当!&#0／"##-"时，"210／｛"-#［#］A1）$｝=?式中：［#］———缸体的许用应力，［#］2#B／:；#B———缸体材料的抗拉强度；:———安全系数，取:2#-%；$———强度系数，（当为无缝钢管时，$2!）；?———计入壁厚公差及附加厚度（一般把壁厚圆整到标准厚度值）。

C#B2&))*+4〔#〕2#／:2&))／#-%2!’!（D E／78"）"210／｛"-#〔#〕A+）%｝=72（$)5&-#）／〔（"-#5!’!A$)）5,〕=?)%$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$重庆工学院学报!"#$%&’(（)*）取(!"#"+$园整,!!+**故缸筒底部厚度!取+**，缸筒外径取-."**，周围厚度就是%&#/**。

符合强度要求。

&密封件和导向件的确定&#%活塞的密封与导向对于一般的密封圈在高压下性能较差，所以选用近年来在国际上较为先进的密封材料格来圈（即(0矩形封，见图1中件/）。

它是一种组合圈，其材料结构为：聚四氟乙烯（俗称塑料王）为基体，以石墨和铜粉作为填充剂。

这种材料能耐高温、高压和腐蚀。

比巴氏合金性能更好，使用也较方便。

活塞采用导向环导向（见图1中件.）。

导向环的材料是23复合材料。

其基体是聚四氟乙烯，填充青铜粉，经压铸而成，制造简单，使用方便，是目前国际上最常用的一种新型导向材料。

矩形封（即格来圈）与导向环比较，其硬度更高，密封性更好。

&#1前盖的密封与导向因为该油缸的轴向尺寸太小，在前盖上把导向与密封分开设计几乎是不可能。

油缸的前腔无压力油，而导向环又具备一定的密封性。

所以就采用一个导向环（见图1中件%"），使密封与导向合二为一。

考虑到油缸运行的准确性和稳定性，在油缸前设计了一个消气孔，镶入消气粉片（材料由铜粉烧结，压铸成型），使腔内空气能畅通，又无灰尘进入前腔。

该油缸由于采用了以上密封材料和结构特点，在使用过程中从未发生任何泄漏和爬行现象。

工作稳定、可靠。

3整体结构及零件设计整体结构设计参见图%。

零件设计参见图1、图&。

图1超高压油缸45678&装配图%、油缸1、消气片&、螺钉3、挡片/、格来圈（(0矩形封）8、弹簧$、活塞杆+、端盖.、导向环%%"、导向环1%/! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!黄维亚：超高压油缸的设计与应用图!活塞杆零件图"保压试验用户特别强调该设备的安全和可靠性，产品制成以后，我们进行了保压试验。

经!#小时#$%&超高压保压试验，无任何泄漏、爬行，运行正常。

’生产应用该设备经验收合格交付投入了使用。

在使用过程中，其中有一只油缸曾出现活塞沟槽处发生断裂的情况，经对断裂处的观察分析，发现是由于在加工制造过程中，热处理温度过高以及沟槽处的尺寸公差处理不当造成的。

经过重新加工，把装导向带的沟槽尺寸偏差由"($)$*$调整为"($)$+$，经使用效果良好。

这一问题也就得到了圆满解决。

,结束语从设计制造到生产使用，满足了用户的特殊要求。

通过这次实践，体会到，设计时应把安全可靠放在第一位，同时也不可忽视它的经济性和效率。

该设备通过使用，反应良好。

为以后类似高压设备的设计提供了可行性依据和经验。

参考文献：［+］赵如福)金属机械加工工艺人员手册［-］)上海：上海科学技术出版社，+..$)［*］上海煤矿机械研究所)液压传动设计手册［-］)上海：上海人民出版社，+.,’)（下转第"’页）*"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!重庆工学院学报!"#$%&’&(")*+,#"-./(!($’0#,123%"#4’15(&’+’("’"06#4*"#$%&’()（*+,-./+,(012.3+4,/.),，5-6)78()79.+0-.4’1:)(;.41(,<，5-6)78()7=>>>=?，5-()+）!7&+,#1+：@),-.A +1(16B 3+3.4C ，,-(13+3.4D .B ().16E (7+40-’1061,+D ;+),+7.，D (10F 11.1,-.D <)+/(0361(,(6)()77+/.6B ,G 66E (7+40-1F )D .4,-.06)D (,(6)G -.4.,-.(4361(,(6)1+4.)6,B (H .D ()E ().+4/+4I .,，+)D +44(;.1+,,-.(4A +E J +)0.D 361(,(6)K (+)DA +E +)0.D 346B (,!(（!>）(L C ，M ，6)06)D (,(6),-+,,-.,G 66E (7+40-1-+;.061,+D ;+),+7.，+)D ,-.4.B 64.N .,4+)D 3+4+D 6H (1/64.4.+16)+A E <.H 3E +().D O8*%/(,-&：N .,4+)D 7+/.；361(,(6)()71,4+,.7<；061,+D ;+),+7.；6E (7+40-（责任编辑""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""黄忠国）（上接第P M 页）.2*3*&’0"#"-!99$’1#+’("(:;<9*,9,*&&<,*=%-,(1%$’"-*,Q :$%&R .(!<+（5-6)78()7S 6E <,.0-)(056E E .7.，5-6)78()7=>>>C P ，5-()+）!7&+,#1+：9-(13+3.4(),46D F 0.1,-.D .1(7)6B 1F 3.434.11F 4.-<D 46!0<E ()D .4N T U!V W+)D (,1-<D 4+F E (034.11F 4.1<1,./———,-.+11./A E ()7,66E 1F 1.D (),-.+11./A E <+)D346D F 0,(6)6B E +47.!10+E .,4+)1B 64/.41O #),-./.+)J ,(/.，(,D (10F 11.116/.,.0-)(0+E 346A E ./1(),-.D .1(7)+)D ,-.G +<1,6(/346;.,-.E (+A (E (,<，+00F 4+0<，+)D .06J )6/(03.4B 64/+)0.6B 346D F 0,1O 8*%/(,-&：1F 3.434.11F 4.-<D 460<E ()D .4；1,4F 0,F 4.D .1(7)；-<D 4+F E (034.11F 4.1<1,./；1.+E ()7；34.11F 4.!/+()J ,+()()71<1,./（责任编辑黄忠国）VP #############################################################重庆工学院学报。