基于物-场分析的滑管式多油道液压缸的设计.pdf

基于物 一场分析的滑管式多油道液压缸的设计 赵殿 华 泰安泰 山工程机械股份有限公司 ．矿 每 摘要 针对伸缩履带式液压底盘的结构特点及液压管路布置存在的问题， 运用发明问题 解决理论 T R I Z 的物 一场分析方法及其模型变换来分析问题， 构建了滑管式多油道液压缸物 一 场模型， 基于P r o ／ E进行详细的结构设计， 并与普通液压缸进行性能比较计算。 设计的滑管式多油 道液压缸不仅实现了液压缸牵引功能和油液输送功能，而且改善了履带底架的整体刚强度以及 l 底盘外观， 保护了液压管路， 改善了工作条件， 提高了设备的性能和工作效率。 、 t 关键词 T R I Z理论 ； 物 一场分析 ； 油路 ； 液压缸； P r o ／ E 在中型履带起重机、旋挖钻机等工程机械设备 中， 广泛采用了伸缩履带式液压底盘 ， 这种底盘的履 带中心距可以改变 ， 在非工作状态下履带架缩回， 整 机宽度减小 ， 以适应窄路面或运输 时的宽度 限制 ； 在 施工作业时履带架伸出， 加大两侧履带接地跨距 ， 提 高整机稳定性。 伸缩履带式液压底盘主要 由回转支承架 称 H 形架 、 左右履带架、 四轮一带以及伸缩液压缸、 行走 驱动装置、 限位锁紧装置等组成。综合市场产品， 伸 缩履带架的驱动形式主要有两种 一种是中间液压 缸驱动，即在两个伸缩导 向架中间安装一个或两个 液压缸 ；另一种是将液压缸安装隐藏在两个伸缩导 向架中， 在外观上看不到液压缸 。前者安装简单 ， 维 修方便 ； 后者集成性好 ， 外观简洁 ， 液压缸隐藏起来 ， 减少 了液压系统的意外碰损。 行走驱动装置均采用液压马达做动力 ，其液压 管路一端连接 中心 回转接头 ， 另一端连接到马达 ， 一 般有 3路液压管 ，从 H形架的支承圆筒壁上开孔引 出 图 1 a ， 或者从伸缩导向架中间处开孔引出 图 1 b 。无论采用何种外部连接液压管的方式 ， 液压 管外露在底盘外 ， 易受到意外碰损 ， 需要包裹金属丝 网等保护层 ，履带架的伸缩加剧了液压管与接触件 之间的磨损 ； 当进行正前正后作业时， 在 H形架的前 后方向的支承 圆筒和伸缩导向架受力较大，而在此 开孔穿液压管 ， 影响了 H形架的整体刚强度 ， 易产生 应力集中现象。 l 2 3 4 5 6 7 8 a b c 1 ． 回转支承架 支承圆筒 2 ． 液压管3 ．行走马达4 ． 伸缩导向架5 ．液压管6 ． 转台7 ． 履带架总成8 ． 履带架伸缩液压缸 图 1 伸缩履带式液压底盘 作者简介 赵殿华 1 9 7 7 一 ， 男， 山东德州， 工程师， 学士， 研究方向 机械设计。 --- 4 6--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ⋯⋯⋯ 删 聃 龋 蹿 ⋯ 日 嗣鞘 ■ H鼎 日 _日 目日目 霸 ■日 目 目■ ■日捌 日 ■目 K ■ 嘲 嘲 ∞ Ⅻ 目■ ■ 磺 日 EB疆 I 重 解决因液压缸、液压管路布置产生的安全 距离 ， 产生有用效应； 机械场 F 1 的存在产生了管接 寸 为了改善底盘外观， 将液压缸内藏在伸缩 头 ．s 。 和液压软管 ．s 的密封松动问题，导致有害效 ，行走驱动装置的液压管路 由柔性软管连 应。 根据物 一场破坏原则 ， 当物 一场中的两个物质出 『 Jl生管路连接 ， 基于此 目的， 采用 T R I Z理论 现相互关联的作用并且物质的接触是必要时，可 以 吩析方法，对伸缩履带式液压底盘液压系 引入第二个场。在这里， 引入机械场 ， 以消弱有害 布置进行了分析和改进设计。 效应 ， 加强有用效应， 物 一 场模型如图 3 。在这个机 ，、 械场的作用下， 液压软管能够实现输送距离的变化， ⋯ 以适应履带架伸缩的变化 ，可以认为液压软管成为 ； 依据 可伸缩的管子 ， 两端的管接头为固定端。 可伸缩这种 场模型是 T R I Z理论 中重要 的问题描述 和 所需特性与实际 中的液压缸相符 ，再根据物 一场破 ，用以建立与 已经存在的系统或新技术系 坏原则 ， 把易控的、 具有所需特性的补充物引入到物 联系的功能模型。所有的功能都可分解为 质外部， 形成外部复合物 一 场， 引人物质 |s ， 液压缸， 圾一种场，即一种功能由两种物质及一种 建成新的物 一 场模型， 如图 4 。为了便于对液压管、 件 组成。 产品是功能的一种实现 ， 依据该模 液压缸进行有效控制 ， 增强其有用效应 ， 扩展物 一场 『 ． 7 6 种标准解， 并分为 5 类 1 不改变或仅 模型， 将 S 、 S 和 构建成系统的一个链式物一场， _ 已有系统 1 3种标准解 ； 2 改变已有 系统 演变成如图 5的最终物 一场模型。 解 ； 3 系统传递 6 种标准解； 4 检查与测 F 、 际准解； 5 简化与改善策略 1 7 种标准解。 ＼ ＼ 决问题的过程中， 可以根据物一 场模型分 ＼ ＼ 4 1 1 亡 ， r 1日 甫 忙 正 细冲 ‘订 由 细冲 ＼ c ＼ t-, ． 场 分 析 ／ ／ 一j 义 系 统 ／ 露 压管定义为系统，主要包括液压软管及其 F 要素，液压管的输送性能取决于软管的材 图3 物一场模型A 接头密封性能，在有外负载或周期负载作 、 受力发生弯曲，软管材料内部、接头与软 ＼ 一／ ＼ 一 _位受力不均， 力作用时间持续够长后， 材料 ＼ 斩 管 砖 榀导 翦 滴 乐油 外 漏 ＼ ⋯ u● 一 场模型的构建 管 的输送性能是通过管接头及液压软管这 图5 最终物一 场模型譬 溪 之间的连接和机械场共同作用实现的。 根据图5 物一场模型，为了强化系统的有用效0 ．物 一 场初期模型如图2 。 应的同时消弱有害效应， 综合液压管、 液压缸和伸缩l l 功能关键点 ， 求解标准解可得到 使系统更具柔性或 ＼ 适应性 ， 通过方式是由刚性变为一个铰接， 或成为连 ＼ 续柔性系统。 ＼ 1 ． 3 解决方案 S 管 接 头 ； S 液 压 软 管 ； F广～机 械 场 图 2 物 一场初期模型 1 ． 2 _ 3 物 一场模型的变型 管接头 s 连接液压软管 Js 延长了液体的输送 式液压底盘的结构特点， 将液压缸进行功能复合， 即 将液压管的输送功能、 伸缩功能集成到液压缸上， 使 液压缸在伸缩工作的同时能够输送油液 ，而液压缸 的输入、 输出液压管路可以采用钢管或金属软管， 基 于此 目的， 在 P r o ／ E平台上建模， 设计了滑管式多油 - - - 4 7--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 道液压缸。 2 设计 2 ． 1 结构设计 滑管式 多油 道液压 缸 的建 模平 台采 用 P r o ／ E Wi l d fi r e 4 ． 0 ， 液压缸为伸缩履带架所用 ， 在此基础上 进行局部结构改进 ， 根据行走马达所需油道数量 ， 增 加滑管及其密封装置， 实现液压管的伸缩功能。 2 ． 1 ． i 方案 滑管式多油道液压缸的设计方案如图 6 以双 A A B 1 底 座2 ． 活塞杆3 ． 导向及其密封装置4 ． 缸体5 ． 活塞密 封装置6 ． 滑管密封装置7 ． 滑管8 ． 滑管导向及其密封装置 图 6 滑管式多油道液压缸模型 图 油道为例 ， 是在普通双作用液压缸的基础上进行改 进设计的， 它包含了双作用液压缸基本元件的同时 ， 还主要包括底座 1 、 活塞杆 2 、 活塞杆导向及其密封 装置 3 、 缸体 4 、 活塞密封装置 5 、 滑管 7 、 滑管密封装 置 6 、 滑管导向及其密封装置 8等。液压缸的伸缩驱 动液压接 口为 P 1 ， P 2 ，滑管的油道有 AA ’ ， BB ’ 两路。 滑管固定在缸体底端上 ，伸入到活塞杆 内， 当液压缸伸缩工作时 ，滑管在活塞杆内部的滑道 内 滑动。 2 ． 1 ． 2 滑管设计 滑管焊接在缸体底端 ， 入口端安装管接头连接 A ， B 图6 ， 另一端伸人到活塞杆内。 为了实现滑管 伸缩滑动功能的同时， 必须进行密封 ， 防止滑管内 的油液渗漏到液压缸内发生混油 ， 导致系统油路紊 乱 ， 因此特在滑管的伸入端加导向环和密封环 8 ， 在 液压缸活塞杆的活塞端 内部滑动孔 中加三级密封 装置 6 密封环、 双向密封件等。根据行走马达液压 系统压力的不 同， 选择合适 的密封件来实现滑管的 密封和导向功能。 - 48-- - 2 ． 2 应用特点 可根据实际需要设计滑管式多油道液压缸内的 油道数量 ，根据系统压力选择合适的滑管密封导向 件， 在实现功能的同时提高部件工作可靠性。 这种液 压缸应用到伸缩履带式液压底盘中，除了满足履带 架伸缩和底盘行走功能不受影响外 ， 还可避免 H形 架的支承圆筒壁上和伸缩导向架上开孔 ，提高 了 H 形架的整体刚强度。如果液压缸安装在伸缩导向架 内， 看不到外露的各种液压管路， 显著改善了底盘外 观， 同时也对液压管路起到保护作用。 但从系统复杂 程度与可靠性分析 ，滑管式多油道液压缸增加了系 统复杂程度 ， 降低了一点性能和可靠性 ， 目前只有通 过采用具有成熟技术的液压缸配套件 、可靠性高的 密封件来提高系统的可靠性，以减少保养维修造成 的功效损失 。 推广开来 ， 滑管式多油道液压缸可以应 用到其他类似工作状况的设备 中， 以改善工作条件、 提高设备的性能和工作效率。 3 结束语 针对伸缩履带式液压底盘的结构特点及液压管 路布置存在的问题 ， 运用发明问题解决理论 T R Y 的 物 一场分析方法及其模型变换来分析问题 ，构建了 物 一 场模型，基于物 一 场分析方法和 T R I Z 标准解法 进行了滑管式多油道液压缸关键结构的分析概括 ， 在 P r o ／ E中进行详细的结构设计 ， 阐述了液压缸内的 滑管结构、 密封和导 向等特点 ， 并与普通液压缸进行 性能比较计算 ，设计的滑管式多油道液压缸不仅实 现了液压缸牵引功能和油液输送功能 ，而且改善了 履带底架的整体刚强度以及底盘外观，改善了工作 条件 、 提高了设备的性能和工作效率。 参考文献 【 1 】张质文． 起重杌设计手册 北京 中国铁道出版社， 1 9 9 7 ． 【 2 ]赵树军． 技术创新理论 T R I Z 及应用【 M 】 ． 北京 化学工 业 出版社， 2 0 0 4 ． 【 3 ] 成大先． 机械设计手册 第 3卷 4版眦] ． 北京 化学工 业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 4 ] 徐灏． 机械设计手册 第 4卷 2版【 M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 0 ． 通信地址 山东泰安泰安泰山工程机械股份有限公司 2 7 1 0 3 9 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m