CDZ50米登高平台消防车液压缸设计

1、CDZ50 米登高平台消防车液压缸设计一、概述液压缸是液压系统中的执行机构， 在工程机械， 登高平台消防车及高空作业车等多种类型机械中获得广泛 应用。 CDZ50 米登高平台消防车（以下称 CDZ50 ）的伸缩、 变幅、折臂、支腿机构都是由液压缸执行。为了使登高平台 消防车既有尽可能小的纵向尺寸，又有可能大的作业范围， 它的臂架具有伸缩功能，犹如电视机的伸缩天线，只是臂架 断面是四边形，它们是由一只伸缩液压缸和钢丝绳滑轮组成 机构完成五节臂同步伸缩。变幅液压缸可使登高平台消防车 臂架作俯仰动作，以改变作业平台到回转中心的距离（幅 度），这就叫变幅。折臂液压缸是调整作业平台的工作位置。 支腿通常

2、由水平液压缸的垂直液压缸构成，称“H ”型支腿，它由八个液压油缸分别驱动。支腿不仅能承受作业时的总 重，还能大大提高整机作业时的稳定性。如图1 上述四种机构所用的液压缸原理基本相同，本文主要通过对 CDZ50 变 幅液压缸原理的分析和设计找到液压缸设计的方法。二、液 压缸的形式直线运动的液压缸有两类即活塞式（图2a）和柱塞式（图2b）。活塞式液压缸多是双作用的，即活塞的伸出 和缩回均靠液压力作用，双作用液压缸又分单活塞杆和双活 塞杆的。柱塞式液压缸只能是单作用的，即柱塞伸出靠液压 力而缩回则靠负载自重、重物或弹簧等。登高平台消防车大 都采用双作用活塞式单杆液压缸。三、液压缸的结构图 2a 所示

3、为 CDZ50 变幅液压缸结构，它是由缸底 2、缸筒 8、缸 盖 16 、导向套 15 以及活塞 7 和活塞杆 9 等主要部件组成。 缸筒一端与缸底焊接，另一端则与缸盖采用螺纹连接，以便 拆装检修，两端设有油口 A和B。活塞与活塞杆采用螺纹连 接，结构紧凑便于装卸。 缸筒内壁表面粗糙度要求较高 （ 0.4）， 为了避免与活塞直接发生摩擦而造成拉缸事故，活塞上套有 支承环 4，它通常是由聚四氟乙烯或尼龙等耐磨材料制成， 但不起密封作用。 缸内两腔之间的密封是靠活塞内孔的 O 形 密封 6，以及外缘安置的两个组合密封（格来圈）来保证， 活塞杆表面同样具有较高粗糙度（ 0.2），为了确保活塞杆的 移

4、动不偏离中心线，以免损伤缸壁和密封件，并改善活塞杆 与缸盖孔的摩擦， 特在缸盖一端设置导向套 15，导向套内孔 上套有支承环 10，还有防止油液外漏的组合密封（斯特封） 12 和 YX 型密封圈 13，这两道密封可以防止由于加工误差造 成活塞杆渗油现象。考虑到活塞杆外露部分会粘附尘土，故 缸盖孔口处设有防尘圈 17。在缸底和活塞杆顶端上安装有油 嘴 1，为工作机构连接用的销轴提供润滑油。此外为了减轻 活塞在行程终了时对缸底的冲击，缸底端设有缝隙节流缓冲 装置，当活塞快速运行临近缸底时，缸底端部的缓冲柱塞将 回流堵住，迫使剩余油液只能从柱塞周围的缝隙挤出，于是 活塞速度迅速减慢实现缓冲。四、液压

5、缸的细部构造液压缸主要由缸筒、缸底、缸盖、活塞、活塞杆、导向套和缓冲装置等构成。如图 2a ，下面我们介绍液压缸主要零部件的材 料选择、工艺要求、构造特点。 1、缸筒活塞式液压缸缸筒 内壁要求精加工，所以它的工艺要求较高，具有一定难度。 目前国内缸筒内孔的加工，主要采用热轧无缝钢管的镗削工 艺和冷拨无缝钢管的珩磨工艺。热轧管材的镗削加工工艺过 程为：粗镗T精镗T浮镗T滚压（简称三镗一滚） ，国内同行业缸筒的加工普遍采用这种工艺过程。工艺要求如图 3 所示，缸筒内径一般用 H8 配合，表面粗糙度 0.4。外表面 一般不加工。装配作业时为了不损伤活塞和导向套上的密封 圈，在缸筒的入口处和有密封圈滑

6、过的孔槽口均做成15的坡口。坡口口径 D要保证大于密封圈的自由尺寸。缸筒的 材料通常采用 45 号无缝钢管。 45 号钢的切削性能较好，但 焊接性能较差，焊接时必须严格执行焊接工艺。此外，缸筒 内径 D 的圆度， 圆柱度不大于公差直径的一半， 缸筒内表面 直线度在 500mm 长度上不大于 0.03mm 。对形位公差和表面 粗糙度和控制能有效避免液压缸的泄漏。因为目前大多数密 封都属于挤压形密封，缸筒超差后直接影响密封件的压缩 量，压缩量的不均匀可导致密封渗漏。2、缸底缸底可用 35号或 45 号钢的锻件、铸件、圆钢或焊接件制作，缸底与缸 筒的主要连接形式有：焊接式、螺纹式。如图 4， CDZ

7、50 变 幅压缸的缸底连接形式采用焊接式。缸底材料主要以 45 号钢锻造成型。图 4a 为焊接形式其特点是构造简单，易加工， 尺寸小，工作可靠。为了控制焊接变形，缸底嵌入缸筒的部 分应采用较紧的过渡配合（ H7/K6 ）活塞终点要离开焊缝一 定的距离约（ 20mm 以上）。图 4b 是螺纹连接，尺寸略大， 不适宜大口径连接，但可拆，清洗方便。3、导向套导向套可选用球墨铸铁、铝青铜或 45 号钢加支承环制成，从降低 成本角度考虑目前导向套大都采用钢材经加工后内孔安装 支承环。导向套在结构上不仅要解决与缸筒的密封问题，而 且必须考虑与活塞杆的密封和防尘问题，它能保证活塞往复 运动过程中不偏离轴心线

8、，以免产生“拉缸”现象，并保证 活塞和活塞杆密封件能正常工作。导向套滑动支承面的长度 通常取活塞杆直径的 0.61.0倍。图5是导向套的三种形式。 图 5a 是导向套与缸筒用卡键连接，图 5b 通过缸盖外螺纹与 缸筒连接，图 5c 是缸筒与导向套内螺纹连接。4、活塞杆无论是柱塞式还是活塞式液压缸，它们的活塞杆（或柱塞）都 有较高的加工精度， 其表面还有 0.03mm0.05mm 厚的镀铬 层以提高耐磨性和抗腐蚀性。对于工作条件恶劣的环境，活 塞杆表面先进行表面淬火后再镀铬，以提高表面硬度，抵御 外来的撞击。活塞杆常用 45 号元钢或无缝钢管做成实心杆 或空心杆，活塞杆强度一般是足够的，主要是考

9、虑细长活塞 杆在受压时的稳定性，大多活塞杆采用空心杆增大断面模 数，空心活塞杆一端留出焊接和热处理用的通气孔。活塞杆 外径公差是f9。如图6, CDZ50变幅液压缸选用如图 6b的 结构形式。 5、活塞活塞也有多种结构，通常是通过螺纹或 卡键与活塞杆相连。图7a是整体式活塞，它的表面直接与缸 筒壁配合，兼起导向作用，工艺上有一定要求且必须是铜或 铸铁等耐磨材料，尽管它的结构简单，由于摩擦力较大，寿 命较短等原因已逐渐少用。图 7b 是组合式活塞；活塞本体 与缸壁不接触，通过与它组合在一起的耐磨材料尼龙或聚四 氟已烯与缸筒接触，并起导向支承作用。导向材料对称安装 在活塞两端， 同时在 O 形密封

10、圈外面套一个与支承环同样材 料的摩擦环， 使 O 形密封圈脱离与缸壁的滑动摩擦， 基本上 成为固定密封，故提高了密封件的使用寿命。活塞与活塞杆 之间为间隙配合， 配合面之间的密封为固定密封， 采用 O 形 圈密封，密封槽通常开设在活塞杆上，这样加工比较方便。 6、缓冲装置液压缸在运动速度高或负载质量大的情况下， 当活塞快速制动或换向时，会产生液压冲击。冲击时的压力 可达工作压力的二至四倍，液压冲击会引起整机的振动和噪 声，甚至引起有关机械的破坏。因此在设计液压缸时常用节 流原理在缸体里设置缓冲装置。如图 8，当活塞移至其端部 时缓冲柱塞开始插入杆端的缓冲孔槽，活塞杆尾部与缸筒之 间形成封闭空间

11、 A， A 腔中受困挤的剩余油液只能从缓冲柱 塞与孔槽之间的节流环缝中挤出， 因而在 A 腔形成一个高压 区迫使液压缸降低速度实现液压缓冲。图 9 是缓冲柱塞和缓冲腔压力的曲线。五、液压缸的密封漏油是液压传动的多发 病，漏油有内泄和外漏之分。所谓内泄是发生在液压缸内部 的漏损，如高压无杆腔的压力油通过活塞与缸壁间的间隙流 向低压的有杆腔进入油箱，外漏则是油液漏出液压缸外部。 如油液沿活塞杆漏到液压缸的外部。内泄和外漏都是不允许 的。目前防外漏的办法是采用各种形式的密封装置，密封形 式很多选择主要介绍。 1、间隙密封间隙密封是利用相对运 动件之间的微小间隙起密封作用的。液压统中的液压泵和各 种控

12、制阀大多采用这类密封，液压缸基本不使用这种密封。 在这里不再过多叙述。 2、接触密封接触密封又叫填料密封， 填料被充填在两个需要密封的零件之间，靠密封件本身的弹 性变形实现密封。在一定压力范围内，其密封能力随压力升 高而提高。在磨损后还有一定的自动补偿能力。接触密封的 形式颇多，仅介绍液压缸中使用的几种密封。0形密封圈O 形密封圈断面为圆形，它由耐油橡胶等材料制成。它可以 用在两个固定面之间也可用在两个相对运动面之间起密封 作用。图 10是它的密封机理， 0 形圈装入密封槽后，由于 槽深 H 小于 0 形圈断面直径 d0 使 0 形圈受压缩状态， 见图 10a,此时靠0形圈自身的弹性接触压力自

13、行密封；当弹性 接触压力 Pm 比流体压力 P1 大时， 就不会造成泄漏。 避免液 压过高时 0 形圈被挤入密封槽的间隙中损坏。 当 0 形圈用作 运动密封时液体压力超过 10MPa。若O形圈是单向受压的，在它的非受压侧加一个挡圈，若是双向受压，则在它的两侧 各加一个挡圈，见图10b、c,用在端面固定密圭寸时，由于间 隙 C 较小液体压力没超过 30Mpa 时，一般不加挡圈。 O 形 圈及其挡圈的规格以及沟槽尺寸均有标准，可从有关设计手 册中查阅。由于 O 形圈密圭阻力较大，自动补偿能力差，在 液压缸中常常用于固定密圭，运动面间密圭大多采用唇形密 封。 唇形密封圈唇形密封圈也有多种形式，现以常

14、用的 YX 形密圭圈来说明它们的机理。 YX 形密圭分轴用和孔用两 种，孔用密封圈用于活塞与缸筒之间的密封，轴用密封圈用 于活塞杆与导向套之间的密封， YX 形密封中间有一个凹座， 凹座朝向被密封的液体，因此液压就通过唇部直接作用于部 分密封面上。通常其底部不与周围的部件接触，且密封圈侧 面自底部至唇部开始是相平行。压力升高时，唇口在压力作 用下向外扩展，使唇边更紧地贴合密封面，随着压力的进一 步升高，更大部分的密封面与周围部件相接触。图 11 画出 各种压力作用下唇形密封圈的典型变形率。组合密封组合密封是一种较理想的密封，通常将改性的聚四氟乙烯制 成滑环和0型圈一起安装在密封槽里组成。 滑环

15、在0形密封 圈预应力作用下，始终保持与密封面产生接触压力保证密 封。组合密封分孔用组合滑环（格莱圈）如图12a和轴用组合滑环（斯特圭寸）如图12b，组合密圭寸的结构形式，密圭寸机 理，材料选择都与其它密封不同，是一种较新的密封形式。目前国内外大多数厂家普遍采用这种密封。有关沟槽尺寸可以从产品样本中查到。六、液压缸设计计算1、液压缸的作用力和布置方式根据总体设计， CDZ50 登高平台消防车用于 改变臂架幅度的变幅液压缸的最大推力 F1=61191.98kg ，液 压缸系两端铰支，液压缸全缩时两端铰点距离 L1=2242mm ， 工作行程 L2=2087mm ，臂架停止动作时变幅液压缸进出口 闭

16、死，此时液压缸内的封闭压力叫闭锁压力。2、液压缸缸径的计算液压缸的缸径指缸筒的内径，它决定了液压缸的推 力和推出速度。工作时因回油管直接与液压油箱相通，回油 压力PO=0，液压系统最高工作压力 P=21Mpa ,则缸筒内径：D=19.762cm = 197.62mm 取 D=200mm 其中：D 缸筒的 内径F1液压缸最大推力P液压缸最高工作压力n 液压缸总效率，通常取 n =95%3、液压缸壁厚计算：当壁厚3大于缸径的即8 时，按厚壁筒公式计算： 8 =当臂厚8小于或等于缸径 D的时，按薄壁筒公式计算，8 = 式中：P液压缸最大工作压力（ MPa） a 许用应力 （Mpa） a =,其中，a

17、 b为材料强度极限，n为安全系数； 通常取n=3.55, 8 缸筒的壁厚（mm） 45号钢的强度 极限a b=650Mpa，对于臂架式登高平台消防车，属中型工况，故安全系数为4，对应的a =。变幅缸闭锁压力：P=闭锁 压力P小于最高工作压力 P=21Mpa，所以计算壁后应以 P 作为最大工作压力，闭锁压力小于工作压力常采用薄壁公式计算：8 =用薄壁筒公式正确。参照无缝钢管系列(YB231-77 )，并考虑留有加工余量，选用$ 245 X 25无缝钢管。4、活塞杆计算通常由速比 卩算出，速比是液压缸 缩回速度与伸出速度之比即 卩=。速比总大于1,速度比越大， 活塞杆径越大，越有利于活塞杆稳定性通

18、常在1.252范围内变化。考虑到活塞杆的稳定性和强度，常取卩=2d=Dmm式中：d活塞杆外径 D 缸筒内径 卩一一速度比取 d=140mm；参照无缝钢管系列，选用$ 152 X 25钢管5、最小导向长度 H 的确定： 活塞杆全伸时， 活塞支承面中点到导 向套滑动面中点的距离叫最小导向长度H (见图13)。通常H +。图中活塞支承面长度B= (0.61.0) D，导向套滑动面长度A= (0.61.0) d,中间隔套C可在不过分增加 A和 B 的情况下保证最小导向长度。 CDZ50 变幅液压缸最小导向 长度：H mm其中：L2 液压缸工作行程 D液压缸 缸筒内径H最小导向长度 6、活塞杆稳定性校核：当受压作用液压缸的活塞杆直径 d 小于液压缸安装长度 L 的十分 之一时，须进行压杆稳定性校核，要求达到：F1 V式中：F1 液压缸承受的最大压力Fk液压缸不失稳的临界负载n k安全系数，n k=24当书=时，用欧拉公式计算临界力FkFk=(N)当书&It;书2时，按下式计算：Fk=(N)CDZ50 变幅缸： L=L1+L2=2242+2087=4329(mm)