液壓缸的機(jī)械鎖緊裝置理論分析和優(yōu)化設(shè)計【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

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購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 目錄 第 1 章 緒論 ......................................................................................................... 4 題背景及研究的目的和意義 ............................................................. 4 多可行性方案的比較以及局限性分析 ............................................. 5 球式鎖緊液壓缸 ...................................................................... 5 子式鎖緊液壓缸 ...................................................................... 6 筒式鎖緊液壓缸 ...................................................................... 7 內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀 ............................................................................. 8 內(nèi)研究現(xiàn)狀 .............................................................................. 8 外有關(guān)科研成果 ...................................................................... 8 文的主要研究內(nèi)容 ........................................................................... 11 設(shè)計的工作原理及技術(shù)參數(shù) ................................................ 11 設(shè)計相對前文幾種可行性方案的優(yōu)勢 ................................ 12 設(shè)計的主要內(nèi)容 ............................................................................... 13 錐套內(nèi)外表面摩擦副的摩擦磨損試驗 ................................ 13 緊裝置理論設(shè)計計算 ............................................................ 13 緊裝置簡化模型的靜力學(xué)有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 ............ 13 緊裝置的樣機(jī)試驗 ................................................................ 13 第 2 章 摩擦副材料的選用及其摩擦磨損試驗的設(shè)計 ................................... 14 言 ....................................................................................................... 14 錐套內(nèi)表面材料的選擇 .................................................................. 14 或銅合金材料作對偶件 ....................................................... 15 鐵材料作對偶件 .................................................................... 16 材料作對偶件 ........................................................................ 17 他材料作對偶件 .................................................................... 17 錐套外表 面摩擦副材料選擇 ........................................................... 17 驗方案 ............................................................................................... 19 驗器材及用品 ........................................................................ 19 驗方案 .................................................................................... 20 驗數(shù)據(jù)處理 ............................................................................ 21 章小結(jié) ............................................................................................... 24 第 3 章 液壓缸鎖緊裝置的理論計算和設(shè)計 ................................................... 25 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 言 ...................................................................................................... 25 心零件的關(guān)鍵尺寸及基本算法 ...................................................... 25 設(shè)條件的提出 ........................................................................ 26 化模型力學(xué)求解方程的建立 ................................................ 27 簧彈力 —內(nèi)錐套斜角函數(shù)關(guān)系 ............................................ 29 錐套厚度的設(shè)計計算 ....................................................................... 31 形彈簧的設(shè)計計算 .......................................................................... 33 算程序 .............................................................................. 36 章小結(jié) ............................................................................................... 37 第 4 章 鎖緊裝置的 限元仿真優(yōu)化試驗 ........................................ 38 言 ....................................................................................................... 38 化模型的建立 ................................................................................... 39 觸組設(shè)置 ........................................................................................... 39 束設(shè)置 ............................................................................................... 40 部載荷設(shè)置 ....................................................................................... 41 載碟簧彈力 ...................................................................... 41 載活塞桿負(fù)載 F ..................................................................... 41 載施加時序 ............................................................................ 42 格劃分 ............................................................................................... 42 算結(jié)果處理 ...................................................................................... 43 錐套應(yīng)力分布 ........................................................................ 44 錐套應(yīng)力分布 ........................................................................ 44 塞桿應(yīng)力分布 ....................................................................... 45 錐套 ...................................................... 45 錐套 .................................................. 46 據(jù)分析處理 ...................................................................................... 47 因素對根部圓弧槽最大應(yīng)力的影響關(guān)系 ........................... 48 合評估 ................................................................................... 50 塞桿負(fù)載 力作用方向?qū)?nèi)錐套應(yīng)力分布的影響 .......................... 52 章小結(jié) ............................................................................................. 54 第 5 章 液壓缸鎖緊裝置試驗臺設(shè)計 ............................................................... 55 言 ....................................................................................................... 55 機(jī)試驗主要內(nèi)容 ............................................................................... 56 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 57 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 第 1章 緒論 題背景及研究的目的和意義 本項目來源于：沈陽中之杰流體控制系統(tǒng)有限公司。 在近幾年來，隨著中國工程機(jī)械的超高速迅猛發(fā)展，帶動了 中國工程機(jī)械液壓件的超快速發(fā)展。目前工程機(jī)械液壓件已占據(jù)了整個液壓行業(yè)一大半的市場份額，使工程機(jī)械液壓件在整個液壓行業(yè)占有舉足輕重的地位。通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)可以總結(jié)出液壓技術(shù)擁有如下優(yōu)點： （ 1）液壓傳動可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩； （ 2）液壓傳動能很方便地實現(xiàn)無級調(diào)速； （ 3）在相同功率條件下，液壓傳動裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊； （ 4）液壓傳動能使執(zhí)行元件的運(yùn)動十分均勻穩(wěn)定； （ 5）操作簡單，調(diào)整控制方便，易于實現(xiàn)自動化； （ 6）液壓系統(tǒng)便于實現(xiàn)過載保護(hù)，使用安全、可靠； （ 7）液壓元件易于實現(xiàn)系列化、標(biāo) 準(zhǔn)化和通用化。 據(jù)粗略統(tǒng)計，目前國內(nèi)液壓元件行業(yè)有一定生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)大約有 400 多家，盡管這些廠商生產(chǎn)和銷售量很高，也是一些區(qū)域經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值占有地方經(jīng)濟(jì)收入大部分份額，但從總體來看，這些廠商的液壓元件生產(chǎn)都存在著兩大主要問題： （ 1）一般的普通液壓元件大量過剩，價位低，低水平競爭十分激烈； （ 2）高檔、高技術(shù)的液壓元件完全依賴進(jìn)口，受人制約。 因此，推動液壓元件向著高檔、高技術(shù)的水平發(fā)展必然成為我國現(xiàn)階段液壓元件行業(yè)的發(fā)展趨勢。 液壓元件，主要包括液壓缸 /馬達(dá)、液壓泵、液壓閥三個大類。其中液壓缸是 液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件之一，它能夠?qū)⒁簤耗苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，可以實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件應(yīng)用更廣泛。液壓缸能與各種傳動機(jī)構(gòu)相配合，完成復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。為了適應(yīng)主機(jī)的需要，液壓缸的規(guī)格、品種正日趨齊全，結(jié)構(gòu)在不斷改進(jìn)。作為執(zhí)行元件，液壓缸是液壓系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，液壓缸性能的優(yōu)劣直接影響整機(jī)的工作性能。在液壓傳動中，無論其它液壓元件設(shè)計制造得多么精密，回路系統(tǒng)安排得多么合理，只要液壓缸設(shè) 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 計和制造得不好，就將會事倍功半，得不 到良好效果。 正如上文所說，液壓缸作為液壓元件之一也存在著制造水平低、嚴(yán)重依賴進(jìn)口的問題，同時隨著國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的普通工程液壓缸已經(jīng)不能滿足行業(yè)需求，很多領(lǐng)域需要使用特殊結(jié)構(gòu)和功能的液壓缸，如大行程、超高壓領(lǐng)域需求的大型液壓缸、可以在任意位置鎖緊的自鎖式液壓缸和伺服系統(tǒng)等需求的單出桿對稱液壓缸等。而國內(nèi)特種液壓缸的研發(fā)還處于起步階段，多數(shù)產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口，所以設(shè)計開發(fā)特種液壓缸可提升我國液壓缸制造水平，同時滿足國內(nèi)市場需求。 在紛繁復(fù)雜的液壓缸中，有一類液壓缸因其具有特殊的功能而備 受關(guān)注，那就是帶有鎖緊裝置的液壓缸。常見液壓缸的鎖緊方式是靠液壓鎖來實現(xiàn)的，依靠封堵壓力油的方式來鎖緊液壓缸。另一種則是新型的液壓缸 ——自鎖式液壓缸 （即一種 帶有機(jī)械鎖緊裝置 的液壓缸）。 自鎖式液壓缸的特點就是液壓缸在工作的某點能依靠自身機(jī)械鎖自動鎖緊活塞桿，而且該機(jī)械鎖只能通過開鎖液控才能打開，它可以滿足那些要求液壓缸在工作位置有高精度，長時間停機(jī)而無任何位移變化，并在工作位置鎖緊、絕對安全可靠的特殊領(lǐng)域。同時，采用自鎖式液壓缸能起到簡化液壓系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性的作用。因此，對自鎖式液壓缸進(jìn)行分析設(shè)計有著非 常重要的意義。 多可行性方案的比較以及局限性分析 通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)自鎖液壓缸的研究很多都是圍繞著鋼球鎖緊液壓缸而展開的。其中東南大學(xué)的倪江生先生對鋼球鎖緊式液壓缸進(jìn)行了深入的設(shè)計計算，其原理圖如圖 示。 圖 球式鎖緊液壓缸結(jié)構(gòu)原理 12345 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 鋼球摩擦式鎖緊缸的結(jié)構(gòu)原理是：活塞桿 3 上有斜面槽，每個斜面槽內(nèi)放置一個鋼球 4，并用彈簧圈擋住?；钊?2 是能游動的。當(dāng)沒有液壓力作用時，如活塞桿在外力作用下有左移的趨勢，則左面鋼 球與缸體內(nèi)壁相卡，如果活塞桿有右移趨勢，則右面鋼球與缸壁相卡，此為鎖緊狀態(tài)。當(dāng)右面進(jìn)油時，游動活塞先使左面鋼球沿槽下滑，然后推動活塞桿左移，此為解鎖狀態(tài)。可以看出，這種液壓缸在不工作時具有雙向鎖緊功能，而油路控制同普通液壓缸一樣，在工作時能自然解鎖。 鋼球摩擦式鎖緊缸具有結(jié)構(gòu)簡單、解鎖方便等優(yōu)點，它不需要單獨(dú)的解鎖控制油路，因此使液壓系統(tǒng)設(shè)計得到簡化，降低了成本 [1]。不過這種結(jié)構(gòu)的主要缺點是缸壁承受正壓力很大而易變形破壞，所以其承載能力較差，特別適用于外載荷不太大的場合。如果要求大載荷下雙向鎖緊功能時，這 種結(jié)構(gòu)不是很合適，可考慮采用其他的結(jié)構(gòu)形式 [2]。 除了鋼球式鎖緊液壓缸以外，還有許多種可行性方案，它們都有各自的特點與適用條件，同時也都存在著各自的缺陷。 在鋼球式液壓鎖緊缸（見圖 基礎(chǔ)上，由于其承載能力較差，不適用于負(fù)載較大的工況，使用范圍受到了很大的限制。為解決上述問題，東南大學(xué)的倪江生先生又提出了滾子式鎖緊液壓缸，并對其設(shè)計中的主要計算問題進(jìn)行了深入的研究。簡單來說，鋼球與鎖緊套之間的接觸是點接觸，鋼球壓入缸壁產(chǎn)生犁溝效應(yīng)，因此液壓缸筒壁會被擦傷 [2]；而滾子與鎖 緊套之間的接觸是線接觸，用腰鼓形滾子與缸壁的接觸面積較大，其承載能力也較大，缸壁不易受損壞，工作壽命長。因此滾子式鎖緊液壓缸相對鋼球摩擦式鎖緊液壓缸應(yīng)用更廣泛一些。盡管這種鎖緊液壓缸原理比較簡單，但其鎖緊力、解鎖力的計算及液壓缸的設(shè)計非常重要，參數(shù)選擇必須準(zhǔn)確，否則可能導(dǎo)致不能鎖緊、無法解鎖、缸壁受損等問題。 圖 子式單向鎖緊缸的 結(jié)構(gòu)及工作原理 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 液壓缸在停止運(yùn)動時承受單向外負(fù)載 P，活塞桿 1 上有斜面槽，每個斜面槽內(nèi)放置一個滾子 3（腰鼓形），并用彈簧圈擋住?；钊?2 在活塞桿 1 上能游動。當(dāng)左右腔沒有壓力 時，在 P 作用下，滾子與缸體壁相卡，發(fā)生摩擦自鎖，活塞桿不會發(fā)生移動，即為鎖緊狀態(tài)。當(dāng)左腔有壓力時，游動活塞 2 先推動滾子右移解鎖，然后再推動活塞桿向右移動，這時與普通液壓缸的工作狀態(tài)基本相同。值得注意的是，右腔加壓時，上述液壓缸不具有鎖定功能，故為單向鎖緊缸 [3]。滾子式鎖緊液壓缸雖然較鋼球式鎖緊液壓缸表面受力情況較好，但既然是線接觸就不可避免地產(chǎn)生力的集中，因此面接觸的鎖緊部件才是鎖緊液壓缸更好的選擇。 套筒式鎖緊液壓缸的結(jié)構(gòu)如圖 示。在活塞桿外伸部分，裝一個固定在液壓缸端 蓋上一個鎖緊套筒，其內(nèi)孔與活塞桿的外圓為過盈配合，可使活塞桿被鎖緊在任意位置，鎖緊套筒內(nèi)孔有螺旋槽，槽的兩端裝有密封圈。 圖 子式單向鎖緊缸的結(jié)構(gòu)及工作原理 12345鎖緊套筒較薄且具有一定彈性。當(dāng)解鎖高壓油進(jìn)入螺旋槽后，在高壓油壓力的作用下，鎖緊套筒徑向向外膨脹從而使其與活塞桿的過盈配合變?yōu)殚g隙配合，松開活塞桿。這時活塞桿即可如普通液壓缸一樣自由移動。若解鎖壓力油卸除之后活塞桿又被立即自動鎖緊在鎖緊套筒內(nèi)。 套筒式鎖緊裝置結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，在軸線 方向和圓周方向均可鎖定，可以有很高的鎖緊負(fù)載 [2]。但由于過盈鎖緊型液壓缸的啟動壓力（摩擦阻力）比一般的液壓缸大，因此不適用于控制精度要求高的電液伺服系統(tǒng)中。更關(guān)鍵的是其材料特性和過盈量需要合理地選擇。在材料方面應(yīng)主要考慮其彈性強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等，盡量做到摩擦系數(shù)大、強(qiáng)度高、彈性好、表面耐磨性好以提高其工作性能和使用壽命。在過盈量方面，不僅僅是裝配較為困難，對于一些環(huán)境溫度變化較大的場合如一些軍用設(shè)備要求液壓缸在環(huán)境下可靠工作必須考慮溫 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 度變化對鎖緊力和開鎖壓力的影響。因其過盈量很小而溫度變化可能導(dǎo)致過盈量的大 小變化從而引起開鎖壓力和鎖緊力的變化 [4]，應(yīng)用范圍有所局限。 內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀 在冶金、煤礦等眾多機(jī)械領(lǐng)域，液壓設(shè)備為了使工作部件能在任意位置停留，以及在停止工作時，防止在外力或自重（液壓缸立放）作用下發(fā)生移動，需要將液壓缸鎖緊。雖然在 20 世紀(jì) 80～ 90 年代，我國對液壓行業(yè)進(jìn)行了重點改造，先后引進(jìn)許多項國外技術(shù)，提高國內(nèi)水平，但由于缺乏自主創(chuàng)新，液壓技術(shù)發(fā)展比較緩慢，與國外先進(jìn)水平還有很大的差距。 目前國內(nèi)的鎖緊液壓缸結(jié)構(gòu)比較簡單，主要都是通過液壓回路鎖緊來實現(xiàn)的。目前常用 的鎖緊回路有換向閥鎖緊回路、單向順序閥鎖緊回路及液控單向閥鎖緊回路等 [5]。圖 國外有關(guān)科研成果 液壓缸的鎖緊裝置在國外已有了相當(dāng)成熟的發(fā)展，產(chǎn)品品類豐富、應(yīng)用廣泛，本文列舉幾例僅供參考。如漢臣 緊裝置（如圖 以有效工作在：注塑機(jī)、金屬壓力模壓機(jī)、鑄造爐、飛機(jī)牽引機(jī)、沖擊吸收器和輪胎測試機(jī)和其他方面。 圖 臣 (緊裝置產(chǎn)品 [6] 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 圖 臣 (緊裝置與標(biāo)準(zhǔn)液壓缸組合產(chǎn)品 [7] 在對大型構(gòu)件的滑移過程中，傳統(tǒng)的水平滑移手段主要是采用卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引，其牽引力、牽引速度難以控制，平移穩(wěn)定性和安全性較差，而自鎖型液壓爬行機(jī)器人，通過爬行器液壓缸伸缸時，其自鎖機(jī)構(gòu)夾持于地面軌道，靠自鎖產(chǎn)生的反作用力推動構(gòu)件在軌道上滑移，能實現(xiàn)平穩(wěn)速度連續(xù)滑移并且推力速度可測可控，有效地解決傳統(tǒng)滑移方式的缺陷，并且省時省力，滑移平穩(wěn)性好，就位精度高。目前已成功應(yīng)用在許多大型構(gòu)件滑移施工中。 圖 示裝置 (法國 )，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。它可用于將液壓缸活塞桿固定在行程長 度的某點位置，并保持在此位置上。在帶間隙的活塞 1 的活塞桿 13上，裝有聚合物材料制的襯套 8 和帶切口的薄壁金屬套 6。沿襯套 8 的兩端設(shè)置墊圈 3、 4 和 11、 12，且其錐端面彼此相對，并設(shè)有彈性材料制的密封圈 5 和 10。壓力油或空氣可通過活塞桿 13 內(nèi)的通道 14 和 9 供入腔 7 內(nèi)。此時，帶切口的薄壁襯套 6 將壓向缸體 2 的內(nèi)壁鎖緊，并將活塞桿可靠固定 [8]。 圖 將活塞桿固定在某點位置的機(jī)械鎖裝置 [9] 圖 圖 示為美國專利 [10]： 一種對圓柱桿的摩擦夾緊機(jī)構(gòu)。該夾緊機(jī)構(gòu)的工作原理是通過滑動活塞 50 在油口 60 的壓力油的作用下壓緊可壓縮鎖緊環(huán) 22，通過可壓縮鎖緊環(huán)被壓縮而產(chǎn)生向圓柱桿 20 的夾緊力，從而實現(xiàn)機(jī)械鎖緊；在油口 60 的壓力油卸載后，在可壓縮鎖緊環(huán)的彈力作用下，推動滑動活 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 塞 50 回到最初位置，從而實現(xiàn)解鎖。該專利中還介紹了這種裝置在鑄模機(jī)中的應(yīng)用。這種裝置在鎖緊時需要通入壓力油，不適用于長時間的鎖緊，但這種機(jī)構(gòu)為本設(shè)計提供了非常好的設(shè)計思路，在本設(shè)計中將引入碟形彈簧存儲長期鎖緊所需的彈性能，從而實現(xiàn)了對上述機(jī)構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新。 圖 種對圓柱桿的摩擦夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 圖 種對圓柱桿的 摩擦夾緊機(jī)構(gòu)鎖緊環(huán)三維圖 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 文的主要研究內(nèi)容 在本設(shè)計中，鎖緊裝置需要做到在任意位置都可以對活塞桿進(jìn)行可靠的機(jī)械鎖緊。在設(shè)計思想上，本設(shè)計與圖 示的夾緊機(jī)構(gòu)類似，都是利用沿軸向運(yùn)動的活塞推動圓錐鎖緊環(huán)來實現(xiàn)鎖緊。具體實現(xiàn)方法如圖 示。 圖 壓缸鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖 1—內(nèi)錐套； 2—外錐套組件； 3—活塞桿； 4—碟形彈簧 A 口 —解鎖油口； B 口 —泄油口； C 口 —接近開關(guān)接口 碟形彈簧 4 在鎖緊裝置裝配時需要有一個預(yù)壓縮量，這個值是可計算的。在 A 口不通入 解鎖壓力油時，外錐套 2 在碟形彈簧 4 的作用下有向左運(yùn)動的趨勢，通過內(nèi)錐套 1 的圓錐面將向左的力轉(zhuǎn)化為向活塞桿的徑向力，從而實現(xiàn)對活塞桿的機(jī)械鎖緊。當(dāng) A 口通入解鎖壓力油時，碟簧被壓縮，外錐套 2 在壓力油的作用下向右運(yùn)動，直至外錐套 2 與內(nèi)錐套 1 的相互作用力逐漸減小直到兩者脫離接觸，內(nèi)錐套 1 也與活塞桿 3 脫離接觸。這時活塞桿處于解鎖狀態(tài)，在液壓缸兩個油口壓力油的作用下，活塞桿可以向右或向左自由移動。鎖緊力的大小可以通過改變調(diào)整墊片的厚度來調(diào)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)，活塞所受鎖緊力比較均勻，夾緊可靠 [11]。 根據(jù)沈陽中之杰流體控制有 限公司相關(guān)技術(shù)人員的要求，最終確定了液壓缸鎖緊裝置的技術(shù)參數(shù)如下所示： 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 （ 1）額定供油壓力： 18 （ 2）活塞桿直徑： 40列 ； （ 3）鎖緊力： 75 （ 4）最小解鎖壓力： 與額定供油壓力相匹配為最佳； （ 5）活塞速度： ≤1m/s； （ 6）工作溫度 ： ~+80°C； （ 7）外部密封性： 外部不允許漏油 ； （ 8）鎖緊可靠性要求： 在 額定壓力下保持 3永久變形和可見的外部滲油； （ 9）介質(zhì)： 抗磨液壓油。 以上為本設(shè)計需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，在保證以上要求的同時 ，還需要將鎖緊裝置的尺寸做的盡可能小，避免與標(biāo)準(zhǔn)液壓缸匹配時出現(xiàn)頭重腳輕的情況。 鎖緊力是本設(shè)計的重要參數(shù)之一，必須大小合適；若鎖緊力過小將鎖不緊，鎖緊力過大將難解鎖。影響鎖緊力的因素很多，例如碟簧、鎖緊套、活塞桿的材料、尺寸、鎖緊套與活塞桿的間隙，碟簧的壓縮量等 [12]。 首先，碟形彈簧作為一種非線性減振元件 ,能在很小的變形條件下 ,承受范圍變化很大的載荷 [13]。另外其幾何尺寸較小，在石油、化工、礦山和冶金等行業(yè)的低速重載設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用 [14]。由于碟簧 的具有如此的特性，可以將鎖緊裝置做得軸向尺寸很小，方便對普通液壓缸進(jìn)行改進(jìn)升級。 另外，錐面 外其加工工藝性要求不是很高，對整體材料要求并不嚴(yán)苛，只是需要對鎖緊套部分的材料進(jìn)行詳細(xì)分析即可。 最后，由于這種設(shè)計采用內(nèi)錐套對活塞桿面接觸，因此鎖緊力在活塞桿圓周上分布十分均勻，無鋼球式或滾子式鎖緊液壓缸的 “犁溝效應(yīng) ”，使用壽命較長，鎖緊較可靠。與此同時，由于通過通過碟簧存儲的彈性能來實現(xiàn)鎖緊，不存在套筒式鎖緊液壓缸的過盈配合，使得本設(shè)計能夠適應(yīng)比套筒式鎖緊液壓缸大得多的溫差變化， 應(yīng)用范圍更加廣泛。與 沈陽中之杰流體控制系統(tǒng)有限公司交流協(xié)商，考慮到其生產(chǎn)加工的實際情況，認(rèn)為錐環(huán) 最好的方案。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 設(shè)計的主要內(nèi)容 通過查詢有關(guān)文獻(xiàn)和書籍，選擇適合加工內(nèi)外錐套的材料，并進(jìn)行配對、分組進(jìn)行摩擦磨損試驗。通過摩擦磨損試驗可以得到不同材料之間的實際力學(xué)性能，如摩擦系數(shù)、磨損量等等，這些數(shù)據(jù)可以作為理論設(shè)計計算的重要依據(jù)。 在收集了足夠的相關(guān)資料之后，對液壓缸鎖緊裝置的關(guān)鍵零件 —內(nèi)錐套進(jìn)行理論分析， 明確了理論設(shè)計的基本流程。通過建立鎖緊裝置的簡化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 程計算，將內(nèi)錐套的幾個關(guān)鍵的尺寸確定在一個比較小的范圍，為后面的有限元分析做好準(zhǔn)備。 在得到了內(nèi)錐套的幾個關(guān)鍵尺寸的范圍之后，把這幾個關(guān)鍵尺寸當(dāng)作幾個影響因素，在范圍之內(nèi)取幾個不同的數(shù)值作為不同的水平。利用正交分析法對這幾個關(guān)鍵尺寸進(jìn)行分組試驗，將試驗結(jié)果填入標(biāo)準(zhǔn)正交試驗表中，然后通過極差分析法和綜合評分法分析各個尺寸的變化對分析結(jié)果的影響關(guān)系，最后確定最優(yōu)的尺寸參數(shù)，完成對液壓 缸鎖緊裝置的優(yōu)化設(shè)計。 在得到了最優(yōu)尺寸參數(shù)之后，可以完成整個液壓缸鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并設(shè)計出合理的試驗裝置。在樣機(jī)試驗中，重點對鎖緊力、最小解鎖壓力和使用壽命進(jìn)行測試，對測試的結(jié)果進(jìn)行分析、討論，再根據(jù)實際出現(xiàn)的問題進(jìn)行方案的修改。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 第 2章 摩擦副材料的選用及其摩擦磨損試驗的設(shè)計 言 根據(jù)本設(shè)計的要求，需要對摩擦副表面材料進(jìn)行選擇。對于內(nèi)錐套內(nèi)表面，由于該位置承受所有的負(fù)載力，因此毋庸置疑地需要大摩擦系數(shù)的、高強(qiáng)度的材料來滿足鎖緊器性能的要求；而對于內(nèi)錐套外表面， 由于該位置主要是以傳遞正壓力為主，因此希望它與外錐套內(nèi)表面的摩擦越小越好。基于以上兩點，需要選擇不同性能的材料，并分別對內(nèi)錐套內(nèi)表面與活塞桿、內(nèi)錐套外表面與外錐套內(nèi)表面兩個摩擦副進(jìn)行摩擦磨損試驗，將試驗結(jié)果中最優(yōu)的材料的系列數(shù)據(jù)代入到理論計算中，從而實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。 錐套內(nèi)表面材料的選擇 內(nèi)錐套內(nèi)表面與活塞桿摩擦副是本設(shè)計中最為關(guān)鍵的一環(huán)，其摩擦副配對性能的好壞直接影響著鎖緊器裝置性能的優(yōu)劣，現(xiàn)對其材料的篩選提出幾點基本要求： （ 1）由于希望在同樣大的壓力下產(chǎn)生更大的靜摩擦力，希望與活塞桿之間要有盡 可能大的摩擦系數(shù)； （ 2）由于同時受到很大壓應(yīng)力和表面剪切應(yīng)力，因此希望其具有很高的力學(xué)性能； （ 3）由于長時間工作在油介質(zhì)中，希望其具有較強(qiáng)的耐腐蝕性； （ 4）由于鎖緊裝置長時間鎖緊，希望其力學(xué)性能和摩擦系數(shù)等參數(shù)長時間保持穩(wěn)定； （ 5）如果該材料需要鑄造在內(nèi)錐套基體內(nèi)圓柱表面上，希望其具有較好的鑄造性能和切削性能。 （ 6）如果內(nèi)錐套整體都是由一種材料制成，則希望其能夠承受較大的彈性變形。 由于活塞桿材料為廠家給定： 45 鋼，表面高頻淬火，鍍硬鉻， 0，表面粗糙度 需要選擇其對偶件。常見 的與摩擦副有鋼 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 或銅合金材料作對偶件 銅及銅合金是解決 400℃ 以下工業(yè)摩擦學(xué)問題的主要材料 [15]。 （ 1）錫青銅 的強(qiáng)度、彈性、耐磨性和抗磁性，在冷熱態(tài)壓力加工性良好，可焊接和釬焊，切削性好，具有較好的耐蝕性。主要用于彈簧和導(dǎo)電性好的彈簧接觸片，精密儀器中的耐磨零件，如齒輪、電刷盒、接觸器。 根據(jù)航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [16]，錫青銅 熱處理方式為： 不完全再結(jié)晶退火：溫度 380~420℃ ，退火時間 60~120冷； 去應(yīng)力退火：溫度 150~180℃ ，退火時間 120冷。 （ 2）錫青銅 度高，彈性和耐磨性好，易焊接和釬焊，在大氣、淡水和海水中耐蝕性好，切削性良好，適于熱加工。用于中等負(fù)荷、中等滑動速度下承受摩擦的零件，如抗磨墊圈、軸承、軸套、蝸輪等，還可用于彈簧、簧片等。 根據(jù)航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [16]，錫青銅 熱處理方式為： 去應(yīng)力退火：溫度 180~200℃ ，退火時間 120冷。 （ 3）鈹青銅 含有少量鎳的鈹青銅。是力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能良好的一種合金。經(jīng)淬火調(diào) 質(zhì)后，具有高的強(qiáng)度、硬度、彈性、耐磨性、疲勞極限。易于焊接和釬焊，在大氣、淡水和海水中耐蝕性極好。用于各種精密儀表、儀器中的彈簧和彈性元件，各種耐磨零件以及在高速、高壓下工作的軸承、襯套。 鈹青銅 熱處理方式為： 固溶處理：在氨分解氣中加熱到 800℃ ，保溫 10水中快速冷卻 [17]； 時效處理：將固溶處理后零件加熱至 325℃ ，保溫 空冷 [18]。 （ 4）鋁青銅 有鐵、錳元素的鋁青銅。有高的強(qiáng)度和耐磨性，經(jīng)淬火回火后可提高硬度，有較好的耐蝕性和抗氧化性，切削性尚可， 可焊接但不易釬焊，熱態(tài)下壓力加工性良好。用于高溫條件下工作的耐磨零件盒各種標(biāo)準(zhǔn)件，如齒輪、軸承、襯套等。 熱處理方式： 固溶處理：將零件加熱至 850℃ ，保溫 100℃ 水中冷卻； 時效處理：將固溶處理后零件加熱至 350℃ ，保溫 1h 后空冷 [19]。 （ 5）鑄造鋁黃銅 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 為耐磨合金，具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，耐蝕性也較好。用于高強(qiáng)、耐磨零件，如橋梁支承板、螺母、螺桿、耐磨板、滑塊和蝸輪等。 根據(jù)航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [16]，鑄造鋁黃銅 熱處理方式為： 去應(yīng)力退火： 溫度 300~350℃ ，保溫 120冷或爐冷。值得注意的是，去應(yīng)力退火一般安排在冷變形或機(jī)械加工后進(jìn)行，目的是為了消除冷變形和機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止自裂，穩(wěn)定尺寸和性能 [20]。 （ 6）錳黃銅 較高的力學(xué)性能和耐蝕性，耐磨性較好，切削性能良好。用于一般用途的結(jié)構(gòu)件，船舶、儀表等使用外形簡單的之間，如套筒、襯套、軸瓦、滑塊等。 根據(jù)航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [16]，錳黃銅 熱處理方式為： 去應(yīng)力退火：溫度 300~350℃ ，保溫 120冷或爐冷。 件 （ 1） 球墨鑄鐵 高的強(qiáng)度和耐磨性，較高的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和一定的韌性。用于內(nèi)燃機(jī)曲軸、凸輪軸和汽車上的圓錐齒輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、傳動軸及拖拉機(jī)的減速齒輪、農(nóng)機(jī)具 [20]。 力學(xué)性能參數(shù)僅供參考：抗拉強(qiáng)度 σb=900服強(qiáng)度 00長率 2%?? ，硬度 360~280?21]。 熱處理方式： 840~880℃ 加熱，在 250~350℃ 鹽浴中淬火，獲得綜合力學(xué)性能，尤其能提高強(qiáng)度、韌性與耐磨性。 （ 2） 中錳抗磨球墨鑄鐵 錳抗磨球墨鑄鐵的基體組織以馬氏體和奧氏體為主，具有承受沖擊載荷的能力，以及制造工藝簡單、靈活、單位質(zhì)量的疲勞強(qiáng)度高、韌性好、能鑄出較薄零件（ 質(zhì)量穩(wěn)定可靠性高和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點?？纱娓咤i鋼和鍛鋼，可制作耐磨零件，如用于選礦用螺旋分級機(jī)葉片、磨機(jī)襯板、煤粉機(jī)錘頭、農(nóng)機(jī)和水泥機(jī)械的耐磨件等。李合非 , 王彩云 , 隋勇 [22]等人對不同熱處理狀態(tài)下球墨鑄鐵的耐磨性能以及它在旋耕機(jī)刀片上的應(yīng)用做了許多研 究，對本設(shè)計的材料選擇很有參考意義。 熱處理方式： ℃ 保溫后油淬， ℃ 回火。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 （ 1） 高碳鉻軸承鋼 高碳鉻軸承鋼代表鋼種，綜合性能良好，淬火與回火后具有高而均勻的硬度，良好的耐磨性和高的接觸疲勞壽命，熱加工變形性能和切削加工性能均好。主要用于各種軸承套圈、滾動體，也用于制造模具、精密量具以及其他要求高耐磨性、高彈性極限和 高接觸疲勞強(qiáng)度的機(jī)械零部件 [20]。 高碳鉻軸承鋼 熱處理方式為： 870℃ 淬火并在液氮中深冷處理的鋼具有較高的耐磨性 [23]。 （ 1） 銅基濕式摩擦材料 用粉末冶金技術(shù)制備摩擦片，不但性能優(yōu)良，而且容意靈活的選擇材料的組分和樣式。采用粉末冶金方法可以任意改變材料的組分，可以避免傳統(tǒng)鑄造工藝中的氣孔、疏松、成分偏析及晶粒長大等缺陷，有助于提高材料的綜合機(jī)械性能 [24]。其中銅基粉末冶金材料大多數(shù)用于有液體潤滑的工作條件下 [25]，與本設(shè)計工況相符合。 該材料用于船 用齒輪箱系列離合器、拖拉機(jī)主離合器、載重汽車及工程機(jī)械等濕式離合器。 （ 2） 基體表面等離子噴涂 納米材料與表面涂層技術(shù)相結(jié)合，可擴(kuò)大納米材料的應(yīng)用范圍，并給常規(guī)涂層技術(shù)的提高創(chuàng)造了條件。其中 陶瓷涂層的應(yīng)用領(lǐng)域很廣 [25]。納米涂層的研究己取得一定的進(jìn)展，并在軍事上獲得應(yīng)用，美國海軍已將熱噴涂米涂層作為新型抗摩擦磨損材料應(yīng)用于船舶和艦艇。目前個系列更是研究的熱點之一，其具有優(yōu)越的耐磨性、抗腐蝕性及較高的硬度 [26]。 錐套 外表面摩擦副材料選擇 內(nèi)錐套外表面摩擦副同樣很重要，在這里對其材料篩選作一下要求： （ 1） 由于主要傳遞較大正壓力，因此表面要具有較高的抗壓強(qiáng)度。 （ 2） 內(nèi)錐套外表面之間要做到盡可能小的摩擦系數(shù)，因為兩者之間摩擦力越大，彈簧則需要更大的力來克服，對整個裝置的設(shè)計非常不利。 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 （ 3） 由于長時間工作在油介質(zhì)中，希望其具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。 根據(jù)以上幾點要求，通過查找資料得到如下幾個外錐套內(nèi)表面可選方案。 值得一提的是，由于外錐套需要較高的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)其性能要求和廠家實際生產(chǎn)能力，在本設(shè)計中采用 40為外錐套基體的材料，在表面摩 擦上來看 40能無法滿足以上摩擦副的設(shè)計要求，可以考慮將外錐套內(nèi)表面加工成圓柱面，再選擇合適的材料制成內(nèi)表面為圓錐面的襯套，兩者通過過盈配合鑲嵌在一起，在端部用擋片、螺栓軸向固定。具體方案如 圖 示 圖 錐套組件設(shè)計方案 1— 擋片； 2— 內(nèi)六角圓螺釘； 3:— 鑲嵌銅套： 4— 外錐套 造鉛青銅 滑性能、耐磨性能和耐蝕性能好，適合作為雙金屬鑄造材料。主要用于表面壓力高、又存在側(cè)向壓力的滑動軸承，負(fù)荷峰值 60受沖擊零件，最高峰值達(dá) 100內(nèi)燃機(jī)雙金屬軸 瓦，以及活塞銷套等 [20]。 造錫青銅 有較高的強(qiáng)度，良好的抗滑動磨擦性，優(yōu)良的切削性能和良好的焊接性能，在大氣、淡水中有良好的耐腐蝕性能。主要用于制造航空、汽車及其它工業(yè)部門中承受磨擦的零件，如汽缸活塞銷襯套、軸承和襯套的內(nèi)襯、副連桿襯套、圓盤和墊圈等 [20]。 造鋁青銅 有良好的切削磨削性能，可焊接，易熱加工成型。合金主要用于制造支 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 架、齒輪、軸套、襯套、接管嘴、法蘭盤、搖臂、導(dǎo)閥、泵桿、凸輪、固定螺母等高強(qiáng)度和耐磨的結(jié)構(gòu)零件 [20]。 驗方案 根據(jù)廠家所提供的活塞桿材料制作統(tǒng)一的下試塊，保證其加工、處理等方式與液壓缸活塞桿完全相同；將上試塊用查文獻(xiàn)或手冊得到的材料分別制成，然后依據(jù)科學(xué)的試驗方法進(jìn)行摩擦磨損試驗。通過對試驗過程中摩擦系數(shù)的變化和試驗前后試件質(zhì)量差（即磨損量）的測定，分析影響摩擦磨損的因素，進(jìn)而確定各因素對各個摩擦副摩擦磨損影響程度的大小。 1） 擦磨損試驗機(jī)，往復(fù)行程 25大加載力 1200N，示。 圖 擦磨損試驗機(jī) 2） 精度電子天平，精度 量范圍 220g，如圖 示。 3）超聲波清洗機(jī)，如圖 示。 圖 子天平 圖 聲波清洗機(jī) 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 4） 抗磨液壓油，性質(zhì)如表 示。 表 驗油液性質(zhì) [27] 試驗油液 閃點 傾點 比重 黏度指數(shù) 40℃ 運(yùn)動黏度 抗磨液壓油 203（ ℃ ） ℃ ） 00 5） 試驗試件，材料及處理方式如表 示。 表 驗試件材料及熱處理 材料 熱處理方式 45 （ 1） 表面高頻淬火； （ 2） 鍍硬鉻， 50。 30 1） 900淬火，油冷； （ 2） 690℃ 回火，空冷至室溫； （ 3）滲氮 1）固溶處理：將零件加熱至 850℃ ，保溫 100℃ 水中冷卻； （ 2）時效處理：將固溶處理后零件加熱至 350℃ ，保溫 1h 后空冷。 1）不完全再結(jié)晶退火：溫度 380~420℃ ，退火時間 60~120冷； （ 2）去應(yīng)力退火：溫度 150~180℃ ，退火時間 120冷。 1） 熱加工溫度 650～ 850℃ ； （ 2） 退火溫度 600～ 700℃ ； （ 3） 消除內(nèi)應(yīng)力的低溫退火溫度 270～ 300℃ 。 1）去應(yīng)力退火溫度 300~350℃ ，保溫 120冷或爐冷。 6） 其他輔助用品，包括吹風(fēng)機(jī)，棉簽，干布，鑷子，丙酮，無水酒精等。 試驗采用控制變量法進(jìn)行安排，試驗結(jié)果采用直觀分析法進(jìn)行分析。分析因素選擇為配對的兩種材料的表面粗糙度 ，上試塊的材料類型， 試驗時間，評論指標(biāo)選擇為摩擦系數(shù)和磨損量以及摩擦系數(shù)隨磨損量的變化趨勢。 試驗中的其他因素保持同一水平，這里主要指環(huán)境溫度，試驗?zāi)Σ料鄬λ?度等。 試驗機(jī)使用較為簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，試驗電機(jī)的工作頻率為 以模擬內(nèi)錐套內(nèi)表面摩擦副的緩慢摩擦的工作情況。由于實際鎖緊裝置在解鎖和鎖緊過程中活塞桿與內(nèi)錐套內(nèi)表面由于加工精度的關(guān)系不可避免地發(fā)生接觸和相對滑動，通過這種試驗方法很好地模擬了鎖緊裝置多次執(zhí)行鎖緊 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 并得到摩擦系數(shù)、磨損量等參數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化情況，最終得到各材料配副的綜合性能評價，同時也有效地評估了鎖緊裝置工作的可靠性。由于這種往復(fù)式摩擦試驗方法具有結(jié)構(gòu)簡單、研究成本相對較低、試驗試件的加工處理容易實現(xiàn)的優(yōu)點，目前被廣泛采 用。 本試驗總摩擦?xí)r間確定為 2 小時，每到 15間點測取 5 個循環(huán)周期的摩擦系數(shù)的平均值作為這個時間點的摩擦系數(shù)，這樣能夠一定程度地減小試驗的隨機(jī)誤差。將每個時間點的摩擦系數(shù)記錄在對應(yīng)的表格中并繪制摩擦系數(shù)隨時間變化折線圖。 評價磨損效果好壞需要在摩擦試驗前、后對材料的磨損程度進(jìn)行測量，根據(jù)試驗前后試件重量的變化來量化該組配對材料的抗磨損能力。常用的測量方法有稱重法、長度測量法、壓痕或切槽法、表面輪廓法、化學(xué)分析法等。由于稱重法操作簡單且結(jié)果可靠，因此被廣泛采用。所謂稱重法，即用 子天平（精度為 量試件在試驗前后的重量，從重量變化來確定磨損量的方法。為確保稱重的準(zhǔn)確性，試驗前后的試件都采用丙酮擦拭配合用無水酒精在超聲波清洗機(jī)中清洗的方式進(jìn)行，除掉試驗前試件表