回转窑挡轮液压缸的改进设计及其数值分析.doc

武汉理工大学硕士学位论文摘要回转窑是一种广泛应用于有色冶金、水泥、化工等行业的大型长圆筒设备。 回转窑的挡轮装置有机械挡轮和液压挡轮两种型式。液压挡轮作为一种比较先 进的挡轮装置，具有省时省力、自动化程度高等特点，是回转窑挡轮装置的主 要型式。挡轮液压缸是液压挡轮装置中的关键部件，其运行速度低、活塞杆承受径 向力的作用、环境辐射温度高、污染严重、工作条件恶劣。目前，回转窑所用 的挡轮液压缸存在的问题是内泄大、密封失效、产生爬行及使用寿命低等。由 于要经常更换挡轮液压缸且更换不便，造成人力和物力的大量浪费，严重影响 了挡轮装置性能的发挥和回转窑的运转率。因此，开发出结构合理，使用寿命 长的挡轮液压缸是回转窑设备改造的重要课题。本文针对挡轮液压缸所存在的问题，提出了改进措施。在挡轮液压缸中采 用了辅助支承；将活塞杆上的受力点置于活塞与缸盖上的导向套之间，以减小 活塞及支承环上所受的径向力；采用斯特封组合密封件，液压缸几乎无内泄； 在活塞及导向套上设置支承环，增加排气装置，可减小活塞与缸筒内孔、活塞 杆与导向套之间的机械摩擦，减小磨损，并使液压缸运行稳定、无爬行且安全 可靠。改进后的挡轮液压缸运行稳定，其使用寿命提高了十倍以上。本文采用Pro/MECHANICA有限元分析软件，建立了该挡轮液压缸的有 限元模型；通过静态结构分析，得到挡轮液压缸在径向载荷作用下的变形和应 力分布状况；通过对缸体结构的强度分析，验证了挡轮液压缸能够承受回转窑 冲击载荷的作用。此外，根据密封技术的最新发展，对挡轮液压缸密封装置进 行了正确选择和设计，这对防止挡轮液压缸的泄漏进而提高挡轮液压缸的工作 性能及可靠性具有重要意义。最后，用边界元法对挡轮液压缸流体润滑进行了 理论分析，提出了影响挡轮液压缸润滑性能的几个重要因素。改造后的挡轮液压缸可适用于温度达90C、污染大以及环境恶劣的场合。 这对于减少设备的维修量，节约维修费用，提高企业效益，具有积极地作用。 改进后的挡轮液压缸还可为其它低速运行的单作用液压缸地研制提供借鉴作 用。关键词：回转窑，挡轮液压缸，改进设计，有限元，边界元I武汉理工大学硕士学位论文AbstractGyral kiln is a long tube-shape large-scale equipment, which is widely used in non-ferrous metallurgy, cement，chemical industry and so on. There are two kinds of patterns in its block-wheel device: mechanical block-wheel and hydraulic block-wheel. As a kind of quite advanced block-wheel device the hydraulic block-wheel device saves time and manpower, and is the main type of block-wheel device in gyral kilns.The block-wheel cylinder is a key component of hydraulic block-wheel device, which is with low speed, high radiation temperature, serious pollution, bad working conditions and bears radial force on piston rod. At present, the problems of hydraulic cylinder is about serious internal leakage，seal failure crawling and the short service life.For replacing the block-wheel cylinder frequently and inconveniently, it wastes of the manpower and material resource massively，and influences seriously the role of block-wheel device and gyral kiln. Therefore, to develop the block-wheel cylinder with reasonable structure and long service life is the important topic in the transforms of equipments in gyral kiln.Against a series of questions of blocking-wheel cylinder at present, the paper proposes improvement measures. Adopting auxiliary bearing components and changing the action point which push rod exert at piston rod located between the piston and guide sleeve can reduce the radial strength of the piston and support ring received at. With the use of Sitefeng seals，the cylinder does not release nearly. Putting on support ring in the piston and guide sleeve, increasing the air exhaust device，may reduce mechanical friction and the attrition between the piston and in the cylinder tube, as well as between the piston rod and guide sleeve, and causes the hydraulic cylinder moving stable, non-crawling and reliable. The improved blocking-wheel cylinder run steadily and may enhance its service life for ten timesThe paper sets up a finite element model of blocking-wheel cylinder in Pro/MECHANICA. The deformation and stress distribution of the cylinder undernradial force are obtained by static structure analysis. Through the strength analysis of the main body, it verifies that blocking-wheel cylinder can bear impact loads by the gyral kilns. In addition，we pay attention closely to the most recent development in the seal technology, the correct choice, the installment and the use of seal 9 which have the great significance to prevent cylinders divulging and the pollution causes from the former and enhance the operating performance and reliability of hydraulic cylinder. Finally, this paper makes the theoretical analysis to fluid lubrication BEM in the block-wheel cylinder, and proposed several important factors which influence the lubricity.After the transformation, the block-wheel cylinder can be suitable for the situation with the temperature 90C, serious pollution，bad working conditions. This affects positively to reduce maintenance amount, save the maintenance cost, raise the benefit of enterprises. This new hydraulic cylinder may also provide reference for other single-acting cylinders with low speed.Keywords: Gyral Kiln; Blocking-wheel Cylinder; Improved Design; FEM; BEMm 独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：b 期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被査 阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同 时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定）武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1选题背景回转窑是一种广泛应用于有色冶金、水泥、化工等行业的大型长圆筒设备， 其筒体倾斜放置在托轮支承装置上。由于回转窑筒体倾斜放置，在自重分力的 作用下，回转窑回转时，其筒体必然要下滑。为了限制其筒体下滑，使各滚圈 与托轮、大齿圈与小齿轮在全宽度范围内均勻磨损，提高回转窑的直线性，在 回转窑上均要设置挡轮装置1。回转窑的挡轮装置有机械挡轮和液压挡轮两种型式2。机械挡轮是通过人 工调窑的方式来实现。人工调窑即通过调节托轮的斜度，采取在托轮上涂油、 洒石灰等方式，通过螺旋效应使回转窑上下“游动”。这种调窑方式效率低，且 费时费力，效果并不理想。如在机械调窑的基础上加装液压挡轮装置，利用挡 轮液压缸所产生的液压力使回转窑上下“游动”，达到减小托轮的机械磨损，延 长设备使用寿命的目的。这种方法省时省力、自动化程度高，是回转窑挡轮装 置的主要型式3。液压挡轮装置结构形式较多，但都大同小异。液压挡轮装置由挡轮、导向 轴、滑座、前后支承和挡轮液压缸等零部件组成。挡轮安装在具有两个导向套 筒的滑座上，两根导向轴穿过滑座两侧的套筒，导向轴和挡轮液压缸都安装在 前后支座上，滑座可沿导向轴作往复移动。其工作原理为：由挡轮液压缸中的 活塞杆推动挡轮，挡轮与滚圈的侧斜面接触，从而推动滚圈并带动回转窑筒体 上移。活塞上移靠液压力推动，下移则依靠筒体自重分力的作用。挡轮液压缸是液压挡轮装置中的关键部件，其运行速度低、活塞杆承受偏 心载荷、环境辐射温度高、污染严重、工作条件恶劣。在以往挡轮液压缸中的 活塞与活塞杆采用螺纹联接成一体，由活塞及活塞杆直接承受回转窑的下滑力 和周期性冲击力的作用；当回转窑运行至下极限位置时，有时会出现活塞端部 直接与缸底接触，由缸底直接承受回转窑的下滑力及周期性冲击力的作用。回 转窑属重型设备，由于挡轮装置上的导向轴等零件安装精度不易保证、磨损大， 使得挡轮作用在活塞及活塞杆上的径向力过大，过大的径向力使活塞杆与导向 套之间的接触面不能形成油膜，从而使导向套磨损严重；过大的径向力还会使 活塞与活塞杆相对于缸筒的轴心线有较大地偏转，以至于出现拉缸、密封损坏、 内泄大、端盖处有外泄等现象；当回转窑运行至下极限位置，活塞端部直接与 缸底接触时，回转窑的下滑力以及周期性冲击力会导致缸底与缸筒联接螺钉断 裂，从而加大了液压缸的维修量，降低了使用寿命，严重影响了回转窑的运转 平稳性。目前，挡轮液压缸存在的问题是内泄大、密封失效、产生爬行等。据统计, 挡轮液压缸的使用寿命短的只几天时间，长的也不超过3个月。由于要经常更 换挡轮液压缸且更换不便，造成人力和物力的大量浪费，严重影响了液压挡轮 性能的发挥和回转窑的运转率4。因此，开发出结构合理，使用寿命长的挡轮 液压缸是回转窑设备改造的重要课题。1.2 国内外发展状况近年来，随着设备制造、加工工艺、工程材料等相关领域的技术进步，特 别是电子技术、测量与检测技术的日新月异，液压缸在高压、大流量、高可控 性、高响应、对环境的适应性等方面得到了快速发展，能满足用户对液压缸提 出的越来越高的要求。1) 高压液压缸随着液压元件的高压化，液压缸也得到了不断地改进，以满足高压化的要 求。在高压液压缸研制时，首先要选择具有足够强度的缸筒材料和满足高压要 求的密封；其次，要能从工艺上保证缸筒与活塞、缸盖与活塞杆之间的间隙处 于正常范围内。目前，常规液压缸的工作压力可达32MPa。对于一些特殊液压 缸，其工作压力可达70MPa5】。2) 大缸径液压缸随着用户对重型液压缸的要求，液压缸的缸径也越来越大。增大缸径主要 解决如下几个技术难点：(1) 要有足够大的毛坯材料；(2) 要有加工大缸径的设备；(3) 当毛坯材料长度与直径比较大时，装夹和支承将是一大难点。3武汉理工大学硕士学位论文美国伊顿公司所生产出的大缸径液压缸，缸径达1500 mm,杆径为1270mm。3) 长行程液压缸目前，液压缸行程可达20多米。加工长行程液压缸要有专用设备，伊顿公 司有可加工22m长的数控车床。在长行程液压缸的加工过程中，应保证工件的 直线度，保证工件不弯曲，并采用专门的导向和珩磨工艺，保证工件的加工精 度。4) 陶瓷活塞杆液压缸在海洋平台、挖泥船、土建工程、化学和石化工程中，液压缸常常是处在 海水等腐蚀性很强的环境中。常规液压缸的镀硬铬活塞杆往往在这种环境下不 能胜任，于是研制开发了抗腐蚀性更强的陶瓷活塞杆液压缸6。上世纪90年代，工程陶瓷(简称陶瓷)涂层应用到活塞杆上，比镀铬层具有 更好的耐腐蚀性和抗磨性。适应于工作环境恶劣、腐蚀性强及海水等条件下使 用。1996年，我国首次引进了该技术并在福建沙溪口水电站应用。近年来在二 滩、大朝山、小浪底、三峡等水电工程都有应用。5) 带行程测量液压缸近年来，要求液压缸精确定位及控制液压缸速度和加速度的场合越来越多。 过去多采用液压缸外置行程测量传感器，如光电编码器、差动变压器式位移传 感器、光栅、磁尺等。外置传感器要单独设计一套传感器装置，而且要占用一 定的液压缸外空间，传感器还易被碰撞损坏。在此介绍两种新型内置式液压缸 行程测量方式。行程传感液压缸是当今液压缸的发展方向，国外巳有产品，并在液压挖掘 机上进行了试验。国内（如浙江大学流体传动与控制国家重点实验室等）也开 展了这方面的研究工作。 、Herman Hemscheldt Maschinenfabrik(德国）研制出内置式行程测量液压缸， 带有检测活塞杆行程的数字系统，工作稳定可靠。在活塞杆的中心孔内置回转 轴，其上开有螺旋槽，可与固定在活塞上的销相互作用，回转轴的长度等于活 塞的行程。当活塞移动一行程长度时，回转轴将转动若干转，并通过蜗杆减速 传动装置与计算装置的编码盘相联。编码盘配置在两板之间，其中一板上安装 辐射器，另一板上安装发光二极管。编码盘上设有若干孔，当它作微小角位移 武汉理工大学硕士学位论文时可改变发光二极管的数量。减速传动装置可保证编码盘在活塞完成全行程时 回转360。活塞的移动以二进制码输出的数字信息反映【7。当前，在液压缸设计中一般采用类比、验证的设计方法，即首先根据经验 并参考已有的产品确定出所要设计的液压缸的大致方案，再根据常见的材料力 学公式进行必要的强度、刚度验证，最后确定出设计方案。它是以现有产品的 可靠运行作为设计的出发点，设计出的产品可靠性好，安全系数大，但产品的 重量往往过大，造价较高。同时，采用传统的材料力学方法进行强度、刚度计 算的误差较大，难以反映真实的应力、应变情况。1992年，由山东工业大学机械系CAD室与济南试验机厂合作，采用美国 SWANSON公司的ANSYS有限元分析软件，在APOLLO-DN580工作站上对 液压缸进行了原设计与改变设计二种情况的有限元分析。计算结果从多方面反 映了液压缸的静力学特性，这对于了解液压缸的应力和应变情况、校验其强度 与刚度、提高设计的合理性具有重要意义8。国内研究者釆用不同的方法对0形圈进行了有限元力学分析，得出了不同 条件下的应力分布情况。西北工业大学利用大型有限元软件 MARC/Mentat320,对0形圈安装状态和油压为6.8 MPa情况下的力学性能进 行了分析9，求得了轴和密封接触面上的接触压力分布。北京理工大学采用 ANSYS软件对橡胶圈进行了研究，得出了无油压和0.5 MPa油压下下0形圈的 变形图求出了 0形圈与轴、孔之间的具体接触压力，并绘制了几种不同型 号的0形圈在无油压时压缩率和最大接触压力的变化关系曲线。这对解决密封 问题提供了极大的参考价值【1】。在工程应用领域，许多生产厂家将液压缸的研究成果应用到水泥，石灰， 冶金等行业的液压系统挡轮装置中，形成了具有特殊功能的挡轮液压缸。1.3研究目的和意义1.3.1 研究目的通过分析回转窑的负载特点及环境条件，针对当前国内挡轮液压缸所存在 的问题，研制出适合于回转窑的工作状况、结构合理、内泄漏极小、无外泄、 使用寿命长的挡轮液压缸。并采用有限元及边界元方法，确定出挡轮液压缸的 模型，分析液压缸的关键性能指标，使挡轮液压缸的结构进一步优化。1.3.2研究意义(1) 研究方法先进。挡轮液压缸的设计采用数理数值解析方法来研究。拟 采用有限元及边界元方法分析液压缸的活塞杆，缸体及紧固件的强度，解决活 塞及活塞杆上径向力过大，冲击力导致缸底与缸筒联接螺钉断裂等问题；然后 利用边界元方法对液压缸内部的密封和润滑问题进行分析，解决内泄及端盖泄 漏大的问题。(2) 研制的挡轮液压缸对提髙回转窑的运转率具有积极作用，提高了生产 效率，同时保障了安全生产的顺利进行。(3) 设计出的液压缸结构新颖，为其它型式的液压缸，尤其是具有偏心载 荷液压缸的设计提供借鉴作用。1.4本章小结本章提出了选题的背景和意义，并通过查阅大量相关资料，分析了国内外 挡轮液压的发展状况，最后提出了本文的研究目的和研究意义。5武汉理工大学硕士学位论文第2章挡轮液压缸的改进设计 2.1回转窑简介2.1.1 回转窑主体结构回转窑是一种广泛应用于有色冶金、水泥、化工等行业的重型非标准设备， 自重可达1000吨，还配有液压挡轮系统、液压挡轮装置、承托装置、回转传动 装置和窑内热交换装置等大型部件。如图2-1是回转窑常见结构简图。#2 3 4 5D1.6图2-1回转窑结构简图1 一容尾密封装置；2回转窑筒体；3、6、9滚圈；4一大齿圈；5、7、8、15、16 一主传动装置；13、14、18托轮；10窑头密封装置；11一窑头罩；12燃烧器；17小齿轮m,7.219 17 16 15 14回转窑的筒体倾斜放置在若干挡轮、托轮支承装置上，如图2-1所示。由 于回转窑筒体倾斜放置，在自重分力的作用下，回转窑回转时，其筒体2必然 要下滑。为了限制其筒体下滑，使滚圈3、6、9与托轮13、14、18、大齿圈4 与小齿轮17在全宽度范围内均匀磨损，延长设备的使用寿命，在回转窑上设置 了挡轮装置12。回转窑结构复杂，占地面积大，基建投资大，操作技术要求高，其运转率 直接影响企业经济效益。因此，提髙回转窑的直线性，改善回转窑的运行状况， 对于减小维修费用，提高企业经济效益具有重要的现实意义。武汉理工大学硕士学位论文2.1.2 回转窑液压挡轮系统图2-2为所设计回转窑挡轮液压系统原理图。该液压系统驱动6台回转窑， 每台回转窑上设置了 2只挡轮液压缸。2只挡轮液压缸并联驱动挡轮机构，使 回转窑筒体上下移动。6台回转窑上的12只挡轮液压缸由一台恒压变量轴向柱 塞泵供油，系统中采用了两套液压泵电机组；其中一套运行，另一套备用。图 中泵电机组2处于工作状态，泵电机组3备用。当选择阀5的电磁线圈通电时， 泵电机组3处于工作状态，泵电机组2处于备用工况13。03-23 fT=i- 24n3-25 r3-2B图2-2回转窑挡轮液压系统原理图1、4、6、18、21、32.过滤器2、3.主泵电机组7、17、19、20、22.单向阀5.选择 阀8.溢流阀9.截止阀10.蓄能器11、12、13、14.调速阀15、16.电磁换向阀23、 24、25、26.挡轮液压缸27.冷却用泵电机组28.冷却器29.电磁水阀30.数显温控 仪31.电触点液位计33.加热器34.电触点压力表系统中电磁换向阀15、16控制挡轮液压缸的运动方向。当电磁线圈1DT 通电，电磁换向阀15处于左工位时，液压泵供给的液压油经选择阀5、高压过 滤器6、单向阀7、调速阀11、电磁换向阀15的左工位、单向阀17进入两并 联挡轮液压缸的无杆腔，活塞杆外伸，通过挡轮驱动机构推动回转窑筒体向上 移动。当回转窑筒体向上移动一定距离后，压下上行程限位开关(图中未示出)， 电磁换向阀15的电磁线圈1DT断电、2DT通电，阀15处于右工位，液压缸回油路导通，在下滑力的作用下，回转窑筒体向下移动，两并联液压挡轮缸无杆 腔的液压油经单向阀19、过滤器18、阀15的右工位、调速阀12返回油箱。当 回转窑筒体向下移动一定距离后，压下下行程限位开关(图中未示出)，电磁换 向阀15换向，回转窑筒体又向上移动14。如此循环，使回转窑筒体保持缓慢 不停地上下往复移动，从而使滚圈与托轮、大齿圈与小齿轮在全宽度范围内均 匀磨损。回转窑筒体向上移动的速度由调速阀11调整。调速阀11与恒压变量轴向 柱塞泵构成容积2节流联合调速。这种调速方式具有流量自适应性质，即液压 泵供油由调速阀开度确定，系统无溢流损失。窑体的下滑力很大，下滑时则需 平衡和限速，否则将会产生严重后果。系统中的调速阀12对回转窑筒体下移起 平衡与限速作用。回转窑筒体下移速度通常调整为筒体上移速度的1/2,最小 移动速度可调至O.lmm/min。由于采用调速阀调速，回转密筒体上下移动速度 与筒体的负载变化无关。本系统采用可编程控制器控制，可编程控制器可以很好地实现：主泵电 机组的工作选择、连锁控制、起停控制、连续/间断工作控制、过载保护；驱 动挡轮液压缸的升降停控制、自动循环控制及手动控制；系统油温控制(包括 冷却电机及电磁水阀控制)；油箱的液位控制；系统的工作压力控制及系统 保护；过滤器的堵塞报警及相应控制。使用表明，该系统自动化程度高，工 作可靠，可为回转窑长期安全运行发挥重要作用。图2-3液压挡轮装置典型结构 1液压挡轮缸；2活塞杆；3挡轮；4一滚圈：5滑座；导向轴；7支座2.1.3 液压挡轮装置液压挡轮装置是回转窑挡轮装置的一种主要形式，其结构型式较多，但都 大同小异，图2-3所示为液压挡轮装置的典型结构。图中挡轮液压缸1的活塞 杆2推动挡轮3,挡轮与滚圈4的侧斜面接触，从而推动滚圈带动回转窑筒体 上移15。挡轮装在具有两个导向套筒的滑座5上，滑座沿导向轴6往复移动。 挡轮液压缸和挡轮都装在支座7上。活塞左移靠液压力推动，右移靠筒体自重 分力作用【16。为了保证活塞杆不憋劲，其头部加工成球面，以实现自动调心。2.2 常用挡轮液压缸的结构型式与存在的问题挡轮液压缸的工作特点是运行速度低、活塞杆上有偏心负载、回转窑辐射 温度髙、污染大、运行环境恶劣。目前，许多厂家的回转窑挡轮液压缸所广泛 采用的结构型式如图2*4所示。1234 5 6 7 81-缸筒；2、6-Yx形圈；3-活塞；4缸盖；5-导向套；7-活塞杆；8-导向杆图24所示的液压缸为单作用缸，活塞杆的伸出由液压力驱动，依靠回转 容的下滑力回程。液压缸的缸径为360mm，活塞杆径为110mm，工作行 程为120mm，额定工作压力为6.3MPa。图24中活塞与缸筒的内表面采用Yx 形圈或0形圈（图中所示为Yx形圈）密封；活塞杆与缸盖之间采用铜套作导 向套，采用Yx形圈密封；Yx形圈或0形圈的材料为聚氨脂或丁腈橡胶；为了 减小活塞杆作用在导向套上的径向力，在挡轮装置上液压缸的两侧安装了两根 导向杆，以此来引导挡轮的运动，减小作用在活塞杆上的径向力。实践表明， 这种结构型式的挡轮液压缸使用效果不佳。所存在的问题是导向套磨损严重， 密封失效，内泄大，液压缸端盖处有外泄，液压缸无法排气以及爬行等。据统 计，挡轮液压缸的使用寿命短的只几天时间，长的也不超过三个月。由于要经 常维修且维修不便，造成了人力和物力的大量浪费，严重影响了挡轮液压缸的 使用寿命和液压挡轮性能的发挥17】。造成挡轮液压缸寿命低的原因，归纳起来有如下五种情况。1) 径向力过大，导向套磨损严重如果图24中的导向杆安装误差小，且工作状况良好，是能够保证活塞杆 上所受的径向力小，避免造成导向套过快和过度磨损。实际上，由于挡轮装置 及其导向杆的装配是靠人的经验来完成的，导向杆又较长，其安装精度不易保 证，安装误差也不易测量；同时，挡轮装置经过多年运行，与导向杆相配合的 铜套（图中未示出）磨损严重，间隙大。因此，挡轮装置上的导向杆不能起到 正确地导向作用，使得挡轮作用在活塞杆上的径向力过大。过大的径向力使活 塞杆与导向套之间的接触面不能形成油膜，从而造成导向套磨损严重。图24 所示液压缸中的无杆缸无油压，Yx形圈的唇边无法张开贴紧在与之相配合的端 盖内孔上，不能形成可靠的密封，因而出现外泄漏现象。同时，环境辐射温度 高以及外界的污染等因素，都会使内泄和外泄现象更加严重。2) 密封件选择不当密封件的选择应根据液压缸的使用环境、负载情况、工作压力、工作速度 的大小和变化情况等具体要求，正确选择与之相匹配的密封件结构形式。目前， 国内厂家所使用的挡轮液压缸均选用Yx形圈或0形圈。由于挡轮液压缸输入 流量小（不超过15mL/min)，运行速度低（不超过0.30.5mm/min)，因此，要 求所选择的密封件内泄漏极小，最好为无泄漏，而Yx形圈或0形圈的泄漏量 较大，其结构形式不能满足使用要求。此外，挡轮液压缸所选Yx形圈或0形 圈材料为聚氨脂或丁腈橡胶，其使用温度般不超过80C，而挡轮液压缸所处 环境的辐射温度就已接近70C,在此温度下，Yx形圈或0形圈必然发生一定 程度的“软化”，不耐磨，易蠕变，使密封处的实际预压力小于设计预压力，从 而使液压缸的内泄漏量更大。3) 挡轮液压缸活塞上未设置支承环挡轮液压缸密封采用的是Yx形圈或0形圈，势必要求缸筒内孔与活塞的 配合间隙很小（通常不超过0.11mm)。当活塞杆上存在偏心负载并有弯矩作用 时，活塞中心线必然与缸筒中心线有相对偏转，一侧间隙变小，另一侧间隙变 大。间隙变小的一侧，会引起活塞与缸筒之间磨损严重，有可能出现拉缸现象； 间隙变大的一侧会使密封圈挤入缝隙中，使密封件切边，破坏密封件，缩短了 密封件的使用寿命。4) 活塞上未设置限位装置目前，回转窑筒体上、下运行的极限位置是依靠限位开关和在导向杆的两 端加死挡铁限位。但在实际运行中，会出现液压油站停机而使限位开关不起作 用；或者由于安装不当，在导向杆的下端死挡铁厚度不够，出现筒体下端位置 由某一个挡轮液压缸限位。在此情况下，液压缸中活塞与缸底接触，由缸底直 接承受回转窑的下滑力。由于存在较大的导向误差，在回转窑的下滑力及周期 性冲击力的作用下，活塞出现一定程度的偏转，在外力的作用下，活塞两端面 相对应的外圆部位会镶入缸筒的内表面中，出现半圆弧的凹槽，使缸筒损坏， 且难以修复。5) 挡轮液压缸上未设置排气装置液压缸进油口设置在缸底的中心处，液压缸上部又未设置排气装置，因此， 液压缸中的空气无法排出，液压缸出现爬行现象。此外，一旦液压缸中保持压 力，而油管接头松动或拆卸管接头时，大量的高压空气夹杂着油液会喷射而出， 造成安全隐患。2.3 挡轮液压缸基本参数的确定2.3.1工作负载与液压缸推力液压缸的工作负载巧是指工作机构在满负荷情况下，以一定速度起动时对液压缸产生的总阻力18。即Fr=i+/+ Fg(2-1)工作机构的负载、自重等对液压缸产生的作用力，N; 工作机构在满负载下起动时的静摩擦力，N;FfFg 工作机构满负载起动时的惯性力，N。液压缸的推力F应等于或略大于其工作时的总阻力。经计算得，回转窑挡轮液压缸的最大推力为640kN。2.3.2 运动速度液压缸的运动速度与其输入流量和活塞、活塞杆的面积有关。如果工作机 构对液压缸的运动速度有一定要求，应根据所需的运动速度和缸径来选择液压 泵；在速度没有要求时，可根据已选定的泵流量和缸径来确定运动速度19。根据挡轮液压缸装置设计要求，液压缸工作行程为140mm，活塞六小时往 返一次，则运动速度应为0.778mm/min。2.3.3缸筒内径缸筒内径是挡轮液压缸的主要技术参数，可根据以下原则确定。按推力F计算缸筒内径D 在液压系统给定的工作压力P后（设回油背 压为零)，应满足以下关系式(2-2)一液压缸的最大推力，N; 一液压缸的最大工作压力，Pa。计算可知，D=0.3596m，即 359.6mm。按JB218377中所列的液压缸内径系列圆整为标准值，圆整后,D=360mm。2.4 挡轮液压缸的改进设计要减小挡轮液压缸的径向力和内泄，彻底消除外泄，提高其使用寿命和安 全性能，必须对液压缸的结构和密封型式加以改进。1 2 3 4 56 7图2-5 改进设计后的挡轮液压缸 1-缸底；2-活塞；3-活塞杆；4-凹面球塞；5-导向套；6-滑动焊接组件（盖）；7-辅助支 承组件；8、14-支承环；9、12-斯特封密封件；10-缸筒；11-推杆；15-0型圈；16隔套图2-5所示为改进后挡轮液压缸的结构。该液压缸由缸底、排气装置、活 塞、活塞杆、凹面球塞、推杆、辅助支承组件以及前端导向套等零件组成。其 工作原理为，液压油站输出的压力油由缸底上的进油口输入，所产生的液压力 使活塞、活塞杆、推杆、辅助支承组件等零件伸出；回转窑的下滑力通过挡轮 后的连接杆（图中未示出）作用在辅助支承组件右端球面上，再通过推杆作用 在凹面球塞上，与液压力相平衡2()。图2-5所示挡轮液压缸的结构特点主要表现在如下六个方面。1)采用了辅助支承如上所述，由于挡轮装置的安装误差以及导向杆的导向误差，使得挡轮通 过连接杆作用在辅助支承组件右端球面上的负载力F与缸筒轴线呈a角，如图 2-6所示，负载力F产生的径向力Fintx由辅助支承组件承受，因而活塞杆不 会直接受到负载力F所产生径向力的作用，从而减小了活塞与缸筒内孔、活塞 杆与支承环处的磨损。辅助支承组件上的外圈为铜套，采用脂润滑。铜套及前 端导向套为可更换件，便于维修。2) 改变了推杆作用在活塞杆上的作用点图2-5中活塞杆的右端为空心结构，推杆与活塞杆左端内孔的单面间隙为 7.5mm。推杆作用在活塞杆上的作用点位于活塞及端盖上导向套之间，这样可 进一步减小活塞杆与端盖上导向套之间的相互作用力，具体分析见第3章。采用将作用点移至活塞与端盖上的导向套之间，有利于减小活塞杆与端盖 上的导向套之间的相互作用力，从而减小了该摩擦副之间的磨损，有利于消除 油液的外泄。3) 采用新型组合密封件目前，新型组合密封件的种类较多，并在液压液压缸中的使用日益广泛。 针对挡轮液压缸输入流量小、工作速度低以及环境温度高等特点，选用内泄漏 量极小、耐高温的斯特封密封件能够满足挡轮液压缸的使用要求。图2中的斯 特封密封件是利用高弹性的橡胶制成压环，利用改性聚四氟乙烯（PTFE)制成 阶梯型的滑环，然后按一定结构形式装配起来的往复密封【21。斯特封密封件是目前密封效果最好的一种组合密封件。滑环在“0形”压环 预应力作用下，始终保持与缸筒内孔产生接触压力来保证密封。斯特封件密封效果好除表现在其结构形式上以外，其密封材料性能好也是 个很重要的原因。斯特封密封件中的滑环采用改性聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE 俗称“塑料王”，有很好的抗蚀性、耐酸碱性、不粘性，并有突出的耐高低温性 能，其使用温度为一100250C。压环材料选用氟橡胶，氟橡胶有恒定的压缩 永久变形小、弹性好、应力松弛慢，使用温度为一20+23(TC。由此可见，挡 轮液压缸所处的环境温度高不会引起密封失效。此外，将图2-5中的活塞杆直径增至140mm,可减小支承环上的比压， 提高支承环的使用寿命。4) 在活塞及导向套上设置支承环图2-5中的支承环又称耐磨环，它是先进密封系统的一个重要组成部分。 支承环能保持活塞与缸筒内孔、活塞杆与导向套之间金属表面的分离，因此可 增大液压缸密封系统的径向间隙。支承环材料为尼龙，其耐压强度可达80MPa， 连续使用温度为105_C左右，因此，可承受活塞杆上偏心负载所引起的弯矩， 减小磨损，提高液压缸的使用寿命。使用表明，采用二个斯特封与二个支承环组合使用，可保证“绝对无泄漏”。5) 在液压缸端盖上设置限位面图2-5所示液压缸端盖上有限位面。一旦当限位开关失去作用或导向杆上 限位挡块厚度不够时，负载力使辅助支承的左端面紧压在端盖的限位面上，起 到限位作用，此时活塞左端部与缸底有10mm的间隙，活塞及活塞杆不受外力 作用，因而不会出现由于负载力以及周期性的冲击力而使活塞及活塞杆偏转， 出现损坏活塞及缸筒内表面的现象。6) 设置排气装置在挡轮液压缸上部设置排气装置，可消除“爬行现象，提高安全性能。此外，在液压缸上设置护罩，并在护罩中通入循环水，有利于降低油温， 减小内泄；在液压缸端部安装防尘罩，可有效地阻止污染物地侵入，提髙密封 件的寿命。改进后的挡轮液压缸应用于中铝山西分公司与武汉理工大学合作开发的回 转窑项目。图2-6所示为该挡轮液压缸的实际运行状况。自投入运行以来，使 用状况良好，提高了企业效益，具有积极的作用。图2-6 改进后挡轮液压缸运行状况2.5本章小结本章主要内容为：1. 介绍了回转窑的结构，其中包括回转窑的主体结构，挡轮液压系统，液 压挡轮装置及其关键部件挡轮液压缸。2. 分析了传统挡轮液压缸结构型式与存在的问题，归纳出造成挡轮液压缸 寿命低的五大原因。3. 根据基本设计计算，确定挡轮液压缸的基本参数，给出了计算挡轮液压 缸基本结构的计算方法。4针对以上存在问题，根据挡轮液压缸设计计算给出的基本参数，设计出 符合现场实际的挡轮液压缸；并归纳出改进后的液压缸的结构特点。武汉理工大学硕士学位论文第3章挡轮液压缸结构强度的有限元分析在许多重型工程设备中，例如回转窑、冷却机等，都要用到液压挡轮装置。 其中液压挡轮液压缸起着相当重要的作用，它的使用情况直接关系到安全生产 的顺利进行，影响到整个设备的使用寿命。因此，对挡轮液压缸的受力状况及 结构强度进行分析研究，提高其使用性能，无论是从经济角度，还是从安全角 度来考虑，有着极其重要的意义。实践表明，传统结构形式的液压缸使用效果不佳，所存在的问题是密封失 效、内泄大、导向套磨损严重、易拉缸以及缸端盖处有外泄等。这一系列问题， 从根本上来说都是径向力引起的。由于传统挡轮液压缸基本上不能承受径向力， 对其进行结构上的改造是必需之举。3.1挡轮液压缸受力分析图3-1为活塞及活塞杆推动负载到某一位置时的受力分析图。图3-l(a)所 示为对普通液压缸负载力作用点位于活塞杆端部的受力状况；图3-l(b)所示为 改进后挡轮液压缸推杆施加于活塞杆上反力的作用点位于活塞与端盖上导向套 之间的受力状况。图3-l(b)中活塞杆的右端为空心结构，推杆与活塞杆左端内孔的单面间隙 为7.5mm。推杆作用在活塞杆上的作用点位于活塞及端盖上导向套之间，这样 可进一步减小活塞杆与端盖上导向套之间的相互作用力，具体分析如下。如果图3-l(a)中的导向套磨损或者图3-l(b)中的辅助支承组件上的铜套磨 损，都会导致作用在活塞杆上的作用力与缸筒的中心线呈一定的角度。如果忽略活塞及活塞杆的重力及所受的摩擦力，图3-l(a)所示活塞及活塞 杆的受力平衡方程式为Fx=Fsma + F2(3.1)F2 L-x)-Fsna x(3-2)图3-1挡轮液压缸受力分析图 (a)负载力作用点位于活塞杆端部的受力状况；（b)推杆施加于活塞杆上反力的作用点 位于活塞与端盖上导向套之间的受力状况由式（3-1)和式（3-2)可得Fsmax(3-3)-Fsincrf X(3-4)图3-l(b)所示活塞及活塞杆的整体受力平衡方程式为(3-5)F = F cos aFsma = F；+F； + F；(3.6)以球套凹槽为参考点，单独对左边活塞组件进行力矩分析：F2*y = FiL- x- y)(3-7)以球套凹槽为参考点，单独对右边滑动活塞杆组件进行力矩分析：#武汉理工大学硕士学位论文F*(L -y)sna = FA(L-y- z)(3-8)由方程（3-6) , (3-7)和（3-8)联解得：P = Fsma(3-9)(L-x)(L-y-z)F2=z(LXy)- -Fsinar(3-10)1 (L-x)(L-y-2)F. -Fsina(3-11)(L-y-z)在液压缸的实际设计中，与I相比，z极小，约为1/20Z; x, y约为1/31。 在这种情况下，F/仅为F)的1/37，打仅为巧的3/37，这样极大地减小了端盖1a40处的承受力。计算可知， =Fsincr, F2 Fsincr, F4 = Fsma0747437显然，偏心载荷主要由端盖组焊件的支撑力F/承受。通过以上分析表明，挡轮液压缸改进后，极大地减小活塞杆与端盖上导向套之间的相互作用力，同时极大地减小了缸体对活塞的支撑力；有利于改善密封件的受力情况，从而改善密封性能。需要指出的是，在这种情况下，缸体除了受内部的液压力外，径向力也主要由缸体本身承受，其强度有待进一步分析。3.2 软件介绍Pro/ENGINEER 是美国参数技术公司（Para2 metric Technology Corporation,简称PTC)出品的三维设计软件，是一套由设计至生产全面覆盖的 机械自动化软件。目前市场上绝大多数的FEA软件的几何建模功能很弱，一 般是利用几何建模功能强的CAD软件创建几何模型，然后以IGES、PARA、 STL等文件格式将数据导入FEA软件进行FEM分析。这样做的最大弊端是数 据的丢失，导致分析结果的可信度降低，因此分析人员常常花大量的时间精力 进行几何模型的修复。而Pro/MECHANICA完全实现了几何建模和有限元分析 的无缝集成，成功解决了数据丢失的问题。用户在Pro/ENGINEER环境下完成 零件几何建模后，不用退出设计环境就能切换到Pro/MECHANICA环境进行 FEM分析。Pro/ENGINEER基于全参数化的设计理念贯穿于设计的整个过程, 用户利用Pro/MECHANICA还可以方便地进行模型的灵敏度分析和优化设计。 Pro/ ENGINEER因Pro/MECHANICA等集成模块的优越功能，在工程设计领 域中占有重要地位22【25。Pro/MECHANICA (简称Pro/ M)包括三部分:结构(Structure),热学 (Thermal),机构运动(Motion)。Pro/M Structure是集静态、动态结构分析于一 体的有限元模块，能够模拟真实环境为模型施加约束及载荷，进行静力分析、 屈曲分析、模态分析等。野火版Pro/ENGINEER包含Pro/M的安装，它可以在 集成或独立模式下运行。3.2.1 Pro/MECHANICA 的工作模式Mechanica有两种工作模式：独立工作模式、集成工作模式。独立工作模 式中，系统使用独立、完全特征化的Mechanica用户界面，可以进行几何建模， 进行FEM分析及完成设计研究；也可通过相应的文件格式导入Pro/Engineer模 型，并完成FEA工作。集成工作模式又有两个子模式:FEM Mode和Advanced。 在FEMMode下，采用P方法划分网格，并通过NASTRAN、ANSYS等第三 方求解器进行有限元计算及后处理。在Advanced下，Mechanica采用P方法 划分网格，并使用自带的自适应求解器进行FEA工作。3.2.2 Pro/MECHANICA 的 FEM 收敛方式只有在收敛性得到保障的前提下，FEA结果才是可信的。Pro/MECHANICA 有三种检验收敛性的选项：Quick Check (快速检查)，单元内插值多项式的阶 数P-3(所有单元一样)，其计算是结果不可信的，但可据此大致判断模型中是