液压缸活塞螺纹锁紧结构分析及应用.pdf

； d o i 1 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 5 液压缸活塞螺纹锁紧结构分析及应用 磨秋莹 ， 刘 杰 1 ． 柳州柳工液压件有限公司 ， 广西 柳州5 4 5 0 0 7 ；2 ．柳工柳州传动件有限公司 ， 广西 柳州5 4 5 0 0 6 摘 要 液压缸作为液压系统的机械能输出元件 ， 直接面对作业环境和工况， 活塞与活塞杆作为液压缸的主要受力零件 ， 二者多采用螺 纹连接形式。但在冲击 、 振动和交变应力的作用下 ， 易造成活塞从活塞杆上松脱。该文主要介绍活塞与活塞杆通过螺纹连接时采用 的锁紧结构及应用， 为提高液压缸的可靠性提供参考。 关键词 活塞 ； 螺纹； 锁紧； 液压缸 中图分 类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 7 0 0 4 7 0 3 An a l y s i s a n d Ap p l i c a t i o n o f Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Th r e a d Pi s t o n Fi x t u r e MOQ i u - y i n g ， L I UE r i e 2 1 ． L i u z h o u L i u Go n g H y d r a u l i c C o mp o n e n t s C o ． ， L t d ． ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 7 ， C h i n a ； 2 ． L i u g o n g L i u z h o u Dr e v e l i n e C o ． ， L t d ． ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c y l i n d e r a s me c h a n i c a l e n e r g y a c t i o n e l e me n t f a c i n g b a d e n v i r o n me n t a n d wo r k i n g c o n d i t i o n ， wh i c h p i s t o n an d r o d c o n t a c t i n s i d e ma i n l y j o i n w i t h thr e a d a r e the ma j o r p a r t b e a r i n g f o r c e ． U n d e r t h e f u n c t i o n o f i mp a c t f o r c e ， v i b r a t i o n a n d a l t e r n a t e s t r e s s ； p i s t o n i s e a s y tak e n o ff f r o m r o d ． An a l y s i s a n d a p p l i c a t i o n o f t h r e a d p i s t o n fi x t u r e i n t h i s p a p e r m a y o f f e r U S s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e s t o i mp r o v e r e l i - a b i l i t y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r ds pi s t o n； t h r e a d； fix t ur e ；c yl i nde r O 引言 液压缸作 为液压系统的机 械能输 出元件 ， 直接 面 对作业环境和工况 ， 其失效将 导致主要 功能丧失 。活 塞与活塞杆作为液压缸的主要受力零件， 多采用螺纹 连接形式 ， 但在冲击、 振动和交变应力的作用下， 易造 成活塞从活塞杆上松脱。所以活塞与活塞杆的螺纹连 接应设有锁紧结构， 以保证二者连接可靠。 1 活塞装配要求及松脱 的原因 1 ． 1 活塞的装配要求 活塞与活塞杆的主要连接形式有螺纹连接与卡件 连接。 螺 纹连接设 计时 ， 需要计算 螺母 的拧 紧力 矩和活 塞杆强度 ， 并进行螺纹强度校核。装配拧紧是决定螺 栓联接功能和防松有效性的关键。单纯靠螺纹摩擦力 锁紧活塞时， 螺母需要达到与工作压力相匹配的预紧 力 ， 此 时对其施加 的拧 紧力 矩很大 ， 无法 实现手动 拧 紧。需要专门的螺母拧紧设备与工装。拧紧力矩得到 保证， 但成本较高， 在维修现场拆装较困难。一般应用 于复杂受力和恶劣工况的液压缸。 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 0 作者简介 艚 秋莹 1 9 8 7 一 ， 女 ， 广西河池人 ， 助理T程师， 本科 ， 主要从 事液压缸设计 T作。 卡件连接设计时， 需要计算活塞杆强度， 并进行卡 件强度校核。卡件一般为弹簧圈、 挡圈、 卡环等。加工 和装配较为简单， 成本也较低 ， 但应用范围较小， 主要 应用于受轴向力的单作用升降液压缸。 1 ． 2 活塞松脱的原 因 活塞与活塞杆松脱的主要原因有高能量冲击载荷 造成连接形式的机械破坏和承受多次 的规律或不规律 的扰动应力 的疲劳破坏 。为避免 以上形式 的破坏 ， 除 零件的强度达到设计要求外 ， 增加锁紧结构尤为重要 。 2 活塞连接及锁紧结构 2 ． 1 螺纹连接形式 多采 用的单线普通用螺纹 ， 螺纹升角 西 1 。 4 0 ～ 3 。 3 0 小于螺旋副的当量摩擦角 咖 6 ．5 。 一1 0 ．5 。 ， 能 够满足 自锁条件 ， 在一定的预紧力作用下 ， 在静载荷时 是不会松脱的。但在冲击、 振动或变载荷的作用下， 螺 纹连接副不可避免地存在轴向和径向窜动， 联接会松 动 ； 而在高温或温度变化较大的情况下， 螺纹联接件材 料发生蠕变和应力松弛， 也会导致内外螺纹间的摩擦 阻力会出现瞬时减小甚至消失 ， 进而导致螺纹连接失 效。该现象在液压缸上普遍存在， 因此， 液压缸的活塞 采用螺纹联接时应增加锁紧结构。 2 ．2 自 锁螺母锁紧 自锁螺母是非常有效的摩擦防松形式 ， 可 以省去 4 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 5年 第 0 7期 其他防松零件， 零件数量少， 使用方便。其中尼龙锁紧 螺母和施必牢螺母防松效果 良好 。而尼龙锁紧螺母应 用最为广泛， 该结构需要考虑足够的装配空间。 尼龙锁紧螺母的尾部嵌有尼龙圈 见图 1 ， 未拧人 时 ， 尼龙 圈上没有螺 纹 ； 拧人后 ， 由于尼龙圈 内径小于 螺纹外径 ， 螺母 内的尼龙圈内孔被胀大 ， 尼龙的弹性变 形使其抱紧活塞杆的外螺纹 ， 产生非常大的摩擦力 ， 限 制 了二者的相对运动 ， 抗振放松效果 明显 。即使在没 有螺母与支撑面摩擦力 的时候 ， 螺母 的拧入与拧 出均 需要一定 的扭矩 ， 该扭矩可有效组织螺母的快送松脱 ， 便于及时检查和重新紧固。 卜尼龙圈2 一 螺母 图 1尼龙锁紧螺母 施必牢防松螺母与标准螺母不同在即其螺纹底径 上有一 3 O o 锥 面 见图 2 ， 而相配合 的螺栓的螺纹形状 仍保持标准的三角形。当螺母拧紧在螺栓上时， 外螺 纹的牙顶紧紧地楔入内螺纹牙根 3 O 。 锥面 ， 产生很大的 径向锁 紧力 ， 并且在整个螺纹结合长度上大于标 准螺 母 见 图3 ， 使螺母具有很强的抗轴 向振动的能力 ， 而 这种轴向振动正是导致螺纹松动的主要原因。 卜尼龙锁 紧螺母2 一 活塞3 一 活塞杆 图 2 活塞用尼龙锁紧螺母锁紧 图 3 施必牢螺母 2 ． 3 双螺母锁紧 2 个对顶螺母拧紧后 ， 在 2 个螺母 与螺栓组成 的螺 纹副 中螺牙侧面受 到轴线方 向的压力方向相反 ， 从而 当外力使螺纹副中螺牙上的压力减少成为不可能 见 图4 。外力使一方压力减少， 而另一方压力必然上升， 从而保证 了在螺纹副螺牙上 的总压力不变 ， 也 即防松 总阻力距不变。 在装配时， 主螺母预紧力 是按照工况计算出的 联接要求达到的预紧力； 副螺母预紧力 F 。F o ， F o 为拧紧副螺母使主螺母轴向的预紧力消失后， 而另外 使主螺母与螺栓组成的螺纹副中螺牙侧面产生防松要 求达到的轴向力。 副螺母和螺栓受力 不得大于二者材料屈服极 限的8 0 ％。由此校验螺纹强度。 2 ． 4 机械破坏锁紧 通过破坏活塞形状使其嵌入活塞杆 中 ， 防止活塞 转动 ， 从而达到锁 紧的 目的。活塞结构形式如图 5 ， 活 塞螺纹装 配的后端面有一 圈槽 ， 槽 内径与活塞 内螺纹 形成一圈窄边。将活塞按照预紧力拧紧后 ， 用 冲子将 该窄边打人活塞杆凹槽中。该锁紧方式简单易行 ， 成 本低廉 ， 可在较小的安装空间中实现 ； 但不宜拆卸与维 修 ， 拆卸后可 能 由于活塞变形量大而导致不能重复使 用。一般运用于液压缸小腔工作压力不大或负载变化 不大的情况下。 1 一 主螺母2 一 副螺母 卜活 塞2 一 活塞杆 3 一 活塞4 一 活塞杆 3 一 活 塞窄边4 一 活塞杆卡槽 图4活塞用双螺母锁紧 图5活塞机械破坏锁紧 2 ． 5 紧定螺钉紧固 利用拧入零件螺纹孔 中的螺纹末端顶住活塞杆螺 纹或槽 中， 以固定活塞与活塞杆的轴 向位置 。结构形 式如图 6 ， 由于可采用螺母和活塞内螺纹形式 ， 因此 紧 定螺钉安装的位置可以不一样 ， 但 均固定在 活塞杆螺 纹上 。紧定螺钉 的拧紧力矩可参照标准 J B 厂 I 6 0 4 0 执 行 。该锁紧结构简单 ， 成本也较低 ， 应用范 围广泛 ， 如 图6 与图7 。 卜 紧定螺钉2 一 螺母 1 一 紧定螺钉 3 一 活塞4 一 活塞杆 2 一 活塞3 一 活塞杆 图6 活塞螺母紧定螺钉锁紧 图7活塞紧定螺钉锁紧 当考虑到冲击 、 振动或变载荷的作用下 ， 紧定螺钉 也会 出现松脱 的情况时 ， 则其也需要锁紧 。此时 ， 可选 择双紧定螺钉锁紧和偏心紧定螺钉锁紧。 双紧定螺 钉锁 紧形式原理 见 图 8 与双螺母锁紧 原理相 同， 在拧紧螺母后 ， 往螺母径 向螺纹孔 中先装配 锥头紧定螺钉， 后装配平头紧定螺钉， 拧紧力矩可参照 标准J B ／ 1 r 6 0 4 0 执行 。 偏心 紧定螺钉锁紧 ， 从螺 纹后端对螺钉孔进行剖 面如图9 ， 紧定螺钉孔 中心线偏离径 向中心线有一较大 的偏角 。当活塞松脱逆时针旋转时， 紧定螺钉受到活 塞对其 向下 的力 ， 从而使螺钉达到 自锁的 目的。 下转第 5 1 页 及螺钉强制 回程 。 4 结论 对于不同负载 的轴向柱塞泵 ， 滑靴一 斜盘 、 配油盘一 缸体 的预紧形式是不同的。在设计预紧结构时需要考 虑柱塞泵的使用工况 、 整体结构尺寸要求等。对于中等 负载及以下的柱塞泵可使用单一 的螺旋形弹簧或碟形 弹簧组 ， 以及螺旋形弹簧与长销钉组合来实现中心预 紧 ； 对于中等排量 结构尺寸一般 、 压力较高的柱塞泵 可选择螺旋形弹簧与碟形弹簧组配合使用， 进行预紧； 对 于高压 、 大排量 的大负载轴 向柱塞泵 ， 由于柱塞组件 回程力及尺寸较大， 采用强制回程加轴向均布多个弹簧 进行预紧的形式对柱塞泵轴向力平衡更为有利。 参考文献 【 1 ] 徐绳武． 柱塞式液压泵【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． 【 2 ] 雷天觉． 液压工程手册【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 8 ． 【 3 ] 张志鹏， 等． 基于斜盘式轴向柱塞泵结构优化的应用研究[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 l ， 7 2 2 2 6 ． 【 4 】 成大先． 机械设计手册 第 四版 【 M】 ． 北京 化学工业 出版社， 2 oo 2． 【 5 】 陈志刚． 6 3 C Y1 4 1 B轴向柱塞泵结构改进设计[ J 1 ． 机械设计 与制造， 2 0 1 0 ， 1 1 1 l l 一 1 l 2 ． 用碟形弹簧， 要求球铰部分的径向尺寸较螺旋形弹簧 大， 而螺旋形弹簧要求轴向尺寸较大， 这两种结构一般 用在中等负载或以下级别 的对径 向及有足够的轴向空 间的轴 向柱塞泵中。 本文第 2 ． 5 节 ， 通过 中心螺旋形弹簧与长销钉组合 对滑靴一 斜盘、 缸体一 配油盘进行预紧， 结构紧凑、 简单 ， 但由于弹簧产生的预紧力需要通过几个均布的长销钉 进行传递， 且传动轴与缸体之间花键配合使得长销钉 的直径一般不会太大 ， 因此该结构也一般用于 中等负 载以下 、 结构紧凑的轴 向柱塞泵 中。 在部分高压的大负载轴向柱塞泵中， 使用第2 ．3 节 的预紧结构， 通过缸体中的中心弹簧及碟形弹簧同时 对缸体一 配油盘进行预紧， 利用缸体的中空结构 ， 节约 轴向空间， 同时使用规格较小的碟形弹簧设置在缸体 与球铰间 ， 通过保持架对滑靴一 斜盘进行预紧。 对于高压力 、 大排量的大负载轴 向柱塞泵 ， 由于径 向及轴向结构尺寸都很大， 使用中心螺旋形或碟形弹 簧进行预紧效果不佳。而是采用如第 2 ．4 节所示的浮 动式配油盘及浮动式缸体结构， 在配油盘底面及球铰 低端采用多个圆周上均布的螺旋形弹簧分别进行预 紧 ， 同时柱塞组件中的滑靴 回程需要依靠 限位块 、 压板 - - - - - - - - - - - - - - - - - - t - 接第4 8 页 卜平头 紧定 螺钉2 一 锥头 紧定螺 钉 卜活塞 3 一 螺母4 一 活塞5 一 活塞杆 2 一 紧定螺钉螺纹孔3 一 活塞杆 图8活塞双紧定螺钉锁紧 图9活塞偏心紧定螺钉锁紧 2 ． 6 挡圈锁紧 活塞采用螺纹连接 见 图 1 0 ， 在 活塞后端增加标 准件轴用弹性挡圈锁紧， 与紧定螺钉的“ 点防松” 不同， 该结构为“ 面防松” ， 提高了防松效果 ， 结构简单 ， 锁紧 可靠。加工 、 装配与维修均较为方便。 1 一 轴用弹性挡圈2 一 活塞3 一 活塞杆 图1 0活塞挡圈锁紧 3 总述 活塞与活塞杆作为液压缸的主要受力零件 ， 其连 接的可靠性应得以保证。螺纹连接加工简单 ， 除施加 - - - - ● 一- - 十 一 - - ● 一- - - - - - - - - - - 一- - 1 一- 一 - - 一 设计要求的拧紧力矩使其产生的预紧力外 ， 还需加设 防松锁 紧结构 ， 以保证在冲击 、 振动和交变应力下 ， 活 塞不发生松脱。活塞的螺纹锁紧结构将能提高液压缸 的可靠性， 且在大型液压缸中该结构必不可少。 参考文献 【 1 】 雷天觉．新编液压工程手册 下册 【 M】 ． 北京 北京理工大学出 版社， 1 9 9 8 ． 【 2 ] 鲁绪芝． 金玉萍， 等． 双螺母防松时螺栓的受载分析[ J 】 ． 矿山机 械， 2 0 0 7 ， 4 ． 【 3 】 金玉萍．黄朗宁， 等． 双螺母放松时螺栓联接装配拧紧T艺的 初步理论分析[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 9 ， 5 ． 【 4 ]4 赵勇， 杨刚雷， 尚海红， 等． 螺纹连接的防松【 j 】 ． 煤矿机械， 2 0 0 9 ， 1 2 ． 【 5 ] 陶 志 凯， 等． 一 种 液 压 机 油 缸 活 塞 头 锁 紧 结 构 中 国， 2 0 2 6 1 2 2 6 3 U [ P ] ． 2 0 1 2 1 2 1 9 ． [ 6 ]6 杜兰林， 等． 工程油缸活 塞防松脱机构 中国， 2 0 2 7 1 8 9 6 4 U [ P ] ． 2 0 1 3 0 2 0 6 ． 【 7 】 段 叶杰， 等． 一 种 活塞 螺纹 连接 结构 中国， 2 0 3 7 4 3 1 2 4 U [ P ] ． 2 0 1 4 0 7 3 0 ． 【 8 1 楼 天 汝， 等． 一 种 防 脱 落 油 缸 活 塞 中 国， 2 0 1 8 1 8 7 8 2 U [ P ] ． 2 0 1 1 一 O 5 0 4 ． [ 9 1 段叶杰， 等． 一种活塞螺纹连接的防松结构 中国， 2 0 3 7 4 3 1 2 1 U [ P ] ． 2 0 1 4 0 7 3 0 ． 51