浅析液压缸侧向力产生原因及解决措施.pdf

统状态监测与控管系统 ， 分别从 行走 系统 、 转 向系 统和调平系统 的原理确定 了系统状态监测的特征 信号量以及相应的判定规则 。搭建 了系统状态测试 与验证平 台， 基 于 L a b wi n d o w ／ c v I 开发 了上位机监 控 软件 ，模拟 了大型平板车辆驾驶 室的主控节点 。 验证结果表明所开发的主控制器节点， 满足 C A N总 线 网络操纵控制系统的最大速率需求 。 参考文献 [ 1 】 L i Y u n h u a ， Y a n g L i m a n ．N e t w o r k B a s e d C o o r d i n a t e d M o t i o n C o n t r o l o f L a r g e - S c a l e T r a n s p o r t a t i o n V e h i c l e s [J ] ． Me c h a t r o n i c s I E E E ／ A S ME T r a n s O n ， 2 0 0 7 2 2 0 8 2 1 5 ． 【 2 ]李运华， 杨丽曼． 船舶制造大型构件动力平板车辆的开 发研制『 J 】 ． 船舶工程， 2 0 0 5 ， 2 7 1 6 7 7 2 ． 【 3 】赵静一． 大型 自行式液压 载重车【 M] ． 北京 化学工业 出 版社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 】Mi n J i n ， X i a n g Z h o u ． R e s e a r c h o f E m b e d d e d M o t i o n C o n - t r o l l e r f o r C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y 5 t h I E E E S E C【 C 】 ． Cha ng s ha， 2 008 201 -20 6． [ 5 】邬海宏 ． 基于 F P G A的运动 控制器 设计【 D ] ． 上海 上海 交通大学 ， 2 0 1 0 ． [ 6 】潘兵． 矿运卡车液压系统状态监测与故障诊断系统的 研究【 D ] ． 成都 电子科技大学， 2 0 0 6 ． 通信地址 北京市学院路 3 7号 信箱 1 0 0 1 9 1 J 北京航空航天大学三系 3 0 3 收稿日 期 2 0 1 2 1 2 1 2 浅析液压缸侧向力产生原因及解决措施 刘邦才 ， 尹立松 ， 范华志， 李永奇 徐州徐工液压件有限公 司技术 中心 摘要 液压缸作为工程机械上主要的执行元件， 其性能的优劣直接影响到整机的使用情况 ， 而 侧向力的产生又关系着液压缸的性能。为了研究侧向力导致液压缸在使用过程中出现的～些异常情 况， 分析液压缸侧向力产生原因， 并进行初步的理论计算。以大吨位起重机液压缸为例进行探讨 ， 提出 减少或消除侧向力的相应解决措施， 为其他液压缸侧向力的分析提供一种方法和思路， 同时也可为液 压缸的设计计算和主机应用提供一定的参考和依据。 关键词 液压缸； 侧向力； 原因分析； 解决措施 随着 国内工程机械的快速发展 ， 市场对液压缸 的各种性能要求也变得越来越严格。液压缸的质量 直接影响到整机的性能， 关系到整机的工作可靠性 及其市场竞争力 ， 为此， 各主机厂也越来越多地关 注液压缸的质量。 一 般情况下 ， 液压缸都会 产生侧 向力 ， 从 而会 引发一些问题 ， 比如异 响 、 爬行 、 漏油 ， 甚 至结构件 的破坏等 ， 进而造成主机系统无法正常工作 ， 损坏 客户的利益 。对于不同种类 、 不同工况下的液压缸 ， 其侧 向力 的大小 与其影响 因素亦存在着较大 的区 别 ， 所造成的危害形式也较为繁多 。本文将结合起 重机液压缸的应用进行初步探讨 。 1 侧向力产生的原因分析 以大吨位起重机上使用的液压缸为例， 所产生 的侧 向力主要是 由液压缸本身特性所造成 的， 如工 作行程大、 结构尺寸大、 自重大及加工困难等 。而 由 于侧 向力 的存在 ， 其活塞 、 导向套就 承受 了侧 向负 载 ， 进而导致密封件的加剧磨损 ， 间隙增大 ， 泄漏的 可能性变大 ， 同时还产生 了轴 向偏载 ， 加大 了摩擦 阻力 ， 造成抖动、 爬行 、 异响等情况。 针对液压缸本身 的特点具体分析 ， 可 以将液压 缸中产生 的侧 向力归结为以下 3个方 面。 1 ． 1 外接部位的加工及安装误差所引起的侧向力 起重机中液压缸 的安装方式多为铰接式连接 ， 构成铰接副的元素多为销轴和耳环。为了保证液压 缸能有 良好的绕销轴转动特性 ， 在设计时此处 的配 合被定为间隙配合 。由于此间隙的存在 ， 在安装时 ， 就容易造成销轴的轴线和耳环孔的轴线不平行 。这 样一来 ， 在液压缸工作过程 中 ， 销轴作用在液压缸 耳环上的力就不垂直于耳环轴线 ， 即不平行 于液压 缸轴线。这个侧 向力 的大小取决于液压缸所承受 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轴 向载荷 ， 以及液压缸耳环与销轴 的加工及安装精 度 。如图 1 所示 ， 如果液压缸长期工作在这种状态 ， 不仅会产生侧向力 ， 还会造成销轴 和耳环的局部磨 损 ， 加速液压缸的破坏。 图 1 销轴与耳环孔两者轴线不平行引起 的侧 向力 如图 1 所示 ， 为 了对液压缸耳环与销轴 的受力 进行分析 ， 可取活塞杆为研究对象 ， 由于销轴和耳 环可看作线面接触 ， 销轴对耳环 的作用力 垂直于 销轴的表面。 活塞杆沿轴向受力有 F X C O S 1 活塞杆侧 向受力有 x s i n 仅 2 式 中 F为活塞杆左端所受 的轴 向载荷 ； 为销轴施 加在耳环上的力 ； 、 分别为 的轴向和侧向的 分力为； 为销轴轴线与耳环轴线之间的夹角。 由式 1 、 2 得 F x t a n 3 又有 t a n 0 [ 4 0 [ 【 L 式 中 为耳环宽度 ； 6为销轴和耳环孔同轴时的单 侧 间隙。 所 以 ， 5 L 即该侧 向力大小与轴 向载荷 、间隙成正 比， 与 耳环宽度成反比。 同时 ， 由加工引起侧 向力 的可能原因 ， 还有不 采用关节轴承等情况下的液压缸活塞 杆轴线与耳 环孔轴线 的垂直度问题 图 2 ， 以及销轴与耳环孔 一 1 2～ 图 2 活塞杆与耳环垂直度误差引起的侧向力 加工圆柱面的圆柱度及直线度等因素。 在图 2中 ， 侧向力 为 F F , x t a n fl 6 式 中 F为销轴施予耳环 的外力 ； 、 为 F的轴 向 和侧 向的分力 ； 为活塞杆轴线与耳环孔轴线 的垂 直度误差偏角 即 F 与 的夹角 。 即该侧 向力与轴 向力及垂直度偏角正相关。 1 ． 2 存在挠度变化引起的侧向力 起重机用液压缸的行程和结构尺寸都很大 ， 尤 其是伸缩液压缸，在完全伸出后长度甚至可达到 1 O ～ 2 0 m。同时活塞与缸筒的配合 、 多级杆间的配合 都会存在一定的间隙 ， 使得此时的液压缸并不是一 个可近似为刚体的系统。而液压缸外载荷及 自重又 很大 ， 所 以液压缸会有一个挠度。此 时在液压缸 的 轴线方 向上加上作用力时， 力 的传递 已经不能通过 液压缸 的轴线 ， 即液压缸不单是拉压杆 ， 同时还 承 受弯曲作用 ， 液压缸一侧受拉 ， 另一侧受压 ， 传递 到 铰接点即产生了侧 向力 。如 图 3所示。 拉 图 3挠度引起 的侧 向力 取活塞杆为研究对象， 其受力如图4 所示。 活塞杆受力状态方程为 l F w 7 { 8 l L 2 F w x w 9 式中 F为油压载荷 ； F W为外部载荷 ； 、 为缸筒 等对活塞杆 的支反力； L 为导向长度 ； 为活塞杆最 大挠度 。 如果把缸筒与活塞杆之间 的配合看成刚性的 ， 则最大挠度为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 4 活塞杆 的受力图 1 0 式中 肼为活塞杆的抗弯刚度， 厶为活塞杆外伸长度。 由式 7 ～式 1 0 得 ⋯ 1 ． 3 摩擦力所产 生的侧向力 作用在液压缸上的摩擦力主要来 自于两个方面。 其一是耳环和销轴之间的外部摩擦力 ； 其二是活塞与 缸筒、 活塞杆与导向套等构件间的内部摩擦力。 1 ． 3 ． 1 外部摩擦力对侧向力的影响 由于耳环与销轴间摩擦力的存在 ， 影响了液压 缸的转动。而液压缸承受的载荷又非常大， 致使在 液压缸改变角度时， 耳环和销轴间的摩擦力矩不能 忽视。为平衡该力矩 ， 必然会有一个侧 向力的存在 ， 如 图 5所示 。 图 5 外部摩擦力产 生的侧 向力 由轴向力平衡 ， 得 FF 由力矩平衡 ， 得 M F x ux R F, x L 则外部摩擦力产生的侧 向力为 1 2 1 3 孚 1 4 式中 ； F为轴向力； 为销轴对耳环的支反力 ； 为转 动时的摩擦力矩 ； 为摩擦力导致的侧向力 ； 为销 轴距支撑的长度 ； 为销轴半径； 为摩擦 因数 。 1 ． 3 ． 2 内部摩擦力对侧向力 的影响 由于起重机用液压缸的径 向尺寸都较大 ， 内部 摩擦力不能简单地简化为作用在活塞 中心轴上 的 总摩擦力 。此外 ， 由于液压缸存在一定的挠度 ， 使得 在活塞杆伸出或缩回的过程中， 活塞 的上侧和下侧 的摩擦力不相等 ， 于是产生 了一个相对活塞中心 的 摩擦力矩。为平衡该力矩 ， 又要产生一个侧 向力 ， 如 图 6所示。这种情况 同时造成 了活塞密封圈和缸筒 的局部磨损， 同样会加速液压缸的破坏。 图 6 内部摩 擦力产 生的侧 向力 针对 于活塞 与缸筒 ， 可作如下分析 假设活塞 上下顶角所受摩擦力分别为 ， 且 ， 侧 向力 作用点距活塞 中心距离为 ， 缸筒 内径为 R。由力矩 平衡得 x R - f 2 x R F x L 1 5 即 篮 巫 1 6 L 同样 ， 对于活塞杆和导向套之间因摩擦而导致 的侧向力 ， 可用类似方法分析 ， 此处不再赘述 。 2 解决措施 从 以上 的分析可 以看 出 ，为消除或减小侧 向 力 ， 应该从以下几个方面采取措施 。 2 ． 1 ／ j n - r 方面 提高液压缸的加工和安装精度。这包括耳环与 销轴问的配合精度 、 形位公差要求， 以及活塞密封 圈与缸筒的配合精度和多级杆间的配合精度等 。 保证活塞杆 的直线度 ， 加工 时注意活塞杆和活 塞的同轴度 ， 以及密封槽 的加工精度。 一 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 ． 2 挠度变形方面 允许 的情况下 ，适 当提高液压缸的导 向长度 、 耳环 的宽度及活塞杆的刚度 ， 以便增强液压缸的稳 定性 ， 减少挠度变形 。 在一些应用中， 外连接可使用球式或关节轴承 等来进行一定的受力补偿。 2 ． 3 摩擦学方面 为减小耳环 、 销轴 间的摩擦力 ， 要注重考虑降 低液压缸耳环 内壁配合面的粗糙度 ， 同时在主机操 作 时严格按照操作标准进行 。对于起重机而言 ， 尽 量做到在变幅完成及伸展完成后再进行起重工作， 以减小液压缸在有挠度的情况下承受轴向载荷。 对于内部摩擦力 ， 由于在振动分析 中可 以看到 内部摩擦力对振动有一定 的影响 ， 所 以应尽可能地 全面考虑各种因素后再选择合理 的缸筒 内径 ， 以及 导向套等部件接触部位的粗糙度和材料特性 。 在配合运动处提高润滑效果 ， 以减少干摩擦 的 产生 。 3 结束语 通过对液压缸结构及受力 的简化 ， 展开侧 向力 的理论分析 ， 从而得出一些初步的解决对策 ， 可为 技术人员在 进行液压缸 的结构设计和制定加工工 艺时提供一定的参考。 参 考文献 【 1 】雷天觉． 液压工程手册【 M 】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ]黄安贻， 董起顺． 液压传动[ M】 ． 成都 西南交通大学出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]3 李小平 ， 邓伟． Q L Y 9型轮胎起重机[ J ] ． 工程机械 ， 2 0 1 1 1 1 7 - 9 ． f 4 】 刘鸿文． 材料力学[ MI ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 】温诗铸， 黄平． 摩擦学原理【 M】 ． 北京 清华大学出版社 ， 20 02 通信地址 江苏省徐州市经济开发区桃山路 1 8号 江苏徐州 徐工液压件有限公司 2 2 1 0 0 4 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 0 3 搅刀式与双螺带式双卧轴搅拌机的试验对比 赵悟 ， 潘旭磊 ， 田建涛 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验 室 摘要 追溯当前规模化生产混凝土的核心设备双卧轴搅拌主机的技术渊源， 对工作装置为 搅刀式和双螺带式的双卧轴搅拌机进行现场作业对比试验 ，并对试验结果和搅拌过程进行理论分析 ， 比较搅刀式与双螺带式搅拌机的综合性能， 为用户选择与使用搅拌主机提供参考。 关键词 双卧轴搅拌机 ； 搅刀式 ； 双螺带式 ； 对比试验 混凝土作为 目前用途最广 ， 用量最大 的建筑材 料 ， 其质量和性能关系重大 。混凝土搅拌机是混凝 土生产 的核心设备 ， 直接决定着混凝土的质量和性 能 。目前我 国混凝土生产行业 ， 规模 以上企业使用 的搅拌机 产能 9 0 m 3 ／ h 主要有双卧轴搅刀式 、 立轴 行星式、 连续式及涡桨式等机型， 其中搅刀式为主 流品种 ， 在市场上 占有绝大部分份额 。近几年 ， 国 内有些厂家也推出了螺带式搅拌机。本文通过现场 试验 ， 就螺带式和搅刀式双卧轴搅拌机 的使用性能 和效果进行对 比分析。 1 搅拌机发展历史的回顾 搅刀式搅拌机源于德 国 B HS公司 ，该公 司于 1 8 8 8生产出第一台双卧轴搅拌机。 经过一百多年的 发展 ， 搅刀式双卧轴搅拌机现在 已经发展为混凝土 搅拌机市场的主导机型。全球知名的混凝土搅拌机 制造商 ， 如德 国的 B H S 、 T E K A和利勃海尔 ， 日本的 K Y C， 意大利的 S I C O MA、 西 门等公司的主要产品均 为搅刀式搅拌机 ， 图 1 为部分公司生产的产品[3 1 。 螺带式搅拌机产生于 2 O世纪 7 0年代末期 ， 以 作者简介 赵悟 1 9 7 4 一 ， 男， 陕西岐山人， 副教授， 博士， 研究方向 工程机械理论研究。 --- 1 4- - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m