1、一种双向三级等推力液压油缸的设计 张国勇 叶邦正 任小鸿 高朝祥 四川化工职业技术学院机械工程系 泸州市龙马潭区长江液压件有限公司 摘 要： 针对传统多级液压油缸工作压力小, 各级推力小且不等, 活塞杆单向伸出距离长、挠度大, 工作时稳定性和可靠性差、使用寿命短等缺陷, 对其整体结构进行重新设计。采用不同的缸径和活塞杆直径, 通过内部配油座合理排列组合, 实现了三级等推力且推力较大;采用活塞杆双向伸出结构, 使活塞杆单向伸出长度短, 伸出挠度小, 防止部件被啃伤。通过以上的改进, 液压油缸的稳定性及使用寿命大大提高。设计的产品已获发明专利 (ZL201310691041.5) 。关键词： 三级
2、等推力; 液压油缸; 双向伸出; 作者简介：张国勇 (1981) , 男, 学士, 副教授, 主要从事机械设计及控制技术方面的科研和教学工作。E-mail:。作者简介：高朝祥, E-mail:。收稿日期：2016-06-15Design of a Two-way Three-level Thrust Hydraulic CylinderZHANG Guoyong YE Bangzheng REN Xiaohong GAO Chaoxiang Department of Mechanical Engineering, Sichuan Chemical Vocational and Technic
3、al College; Changjiang Hydraulic Co., Ltd., in Longmatan District of Luzhou City; Abstract： The traditional multistage hydraulic cylinder has many disadvantages, such as working pressure is small, thrusts at all levels are small and unequal, one way out distance of piston rod is long, deflection is
4、large, stability and reliability at work are poor, service life is short and etc.To overcome the defects, the whole structure was redesigned.Different cylinder diameters and piston rod diameters were adopted, through reasonable arrangement and combination of internal oil distribution base, three sta
5、ge equal thrust was achieved and the thrust was larger.Bidirectional extended structure of piston rod was adopted, then one-way out length of the piston rod was short, the out deflection was small, to prevent the parts to be injured.Through the above improvement, the stability and the service life o
6、f the hydraulic oil cylinder are greatly increased.This product has won a patent for invention (ZL201310691041.5) .Keyword： Three level equal thrust; Hydraulic cylinder; Two-way stretch; Received： 2016-06-15随着科学技术的进步, 大批高速公路、高速铁路、地下轨道交通、给排水、地下管网等工程的建设要求越来越高, 对隧道施工工程建设中非开挖施工所需的多级液压式顶管设备的需求量也大大增加, 同时也
7、要求顶管设备中的多级液压油缸具有更高的工作压力、推力及更小的尺寸1-3。多级液压油缸的工作压力不能低于 40 MPa, 推力不能低于 2 800 k N。作者针对传统多级液压油缸存在的问题, 设计出一种高性能双向三级等推力液压油缸, 满足使用要求。1 传统多级液压油缸存在的问题目前大部分多级液压缸采用缸筒中套缸筒的方式且单向伸出4, 如图 1 所示。每个缸筒与缸筒中间均有一个类似缸底作用的零件, 而该零件具有一定的厚度, 增加了液压缸总体的长度, 在工作井限定液压缸总体长度一定的情况下, 行程可能不满足推进要求;当多级液压缸活塞杆伸出时, 活塞杆挠度随行程增加而增大, 增大了啃伤活塞杆表面的风
8、险。大多数多级液压油缸还不能满足整个推进过程中保证每一级的推力相等, 如果要保证每一级推力相等, 必须增加后面一级的工作压力来满足, 因此后一级缸筒的壁厚也随之增加, 导致油缸的体积增大、制造成本增加, 使用时笨重、不方便。图 1 传统多级液压油缸实物图 下载原图作为目前顶管设备主要执行元件的各类液压缸 (包括单级液压缸、普通多级液压缸及双级等推力液压缸等) 5-9, 其行程受到活塞杆稳定性的影响, 特别是细长杆, 当行程达到一定值后, 活塞杆会发生较大弯曲变形, 从而影响顶管等设备的前行推移。当安装距加上行程的和等于或大于 10 倍活塞杆直径时还要进行稳定性验算, 当临界力 Wk除以安全系数
9、小于推力 W 时, 将会出现活塞杆运行不稳定的状况, 严重制约产品性能及使用寿命, 施工成本居高不下。2 双向三级等推力液压油缸设计的技术方案针对传统多级液压油缸所存在的不足, 对其整体结构进行重新设计。重新设计后的双向三级等推力液压油缸结构示意图如图 2 所示, 实物图如图 3 所示。图 2 重新设计后的液压油缸结构示意图 下载原图图 3 重新设计后的液压油缸实物图 下载原图具体设计方案如下:重新设计后的双向三级等推力液压油缸由外缸体 1、一级活塞缸体 2、二级活塞缸体 3、三级活塞缸体 4、内缸体 5、前端盖 6、导向套 7、后密封端板 8、缸底 9、活塞杆 10、前密封端板 11、密封座
10、 12、活塞 13、配油座 14、定位螺母 15、油孔 16、后顶板 17、一级伸出油路 18、内部伸出油路19、伸出油孔 20、油管 21、一级缩回油路 22、内部缩回油路 23 以及缩回油孔24、25、26 组成。使用时, 将液压油缸安装到推进台架上的滑槽内, 再将后顶板 17 与靠背固定, 如图 4 所示。图 4 液压油缸工作原理图 下载原图当对一级伸出油路 18 通油时, 一级活塞缸体 2 无法伸出, 从而通过导向套 7、前端盖 6 反向推动外缸体 1 向前运动, 其推力面积为外缸体 1 与内缸体 5 之间腔体的横截面积, 直至外缸体 1 运动到行程终点;再对内部伸出油路 19 通油时
11、, 压力油经伸出油孔 20 进入缸底 9 前方的腔体, 并经配油座 14 内的油孔 16 及油管 21 进入配油座前方的腔体和活塞 13 前方的腔体, 先推动二级活塞缸体 3、配油座 14、活塞杆 10 和三级活塞缸体 4 一起向前方伸出, 此时推力面积为内缸体 5 内腔的横截面积, 直至二级活塞缸体 3 走完行程;压力油再推动三级活塞缸体 4 向前方伸出, 此时推力面积为二级活塞缸体 3 与活塞杆 10 之间腔体横截面积加上三级活塞缸体 4 内腔横截面积之和;通过设置一级活塞缸体 2 的内外径、内缸体 5 的内径、三级活塞缸体 4 的内径和活塞杆 10 的外径, 可实现三级活塞杆伸出时的等推
12、力, 无需调整工作压力及增加缸筒厚度, 使用方便, 制造成本较低;且三级活塞杆挠度分配在外缸体 1 两侧的方向上, 挠度不会叠加, 伸出挠度较小, 能防止部件被啃伤, 延长使用寿命;需收回各活塞缸体时, 先对内部缩回油路 23 通油, 压力油经缩回油孔 26、缩回油孔 25、缩回油孔 24 进入三级活塞缸体 4 与活塞杆 10 之间腔体, 先推动三级活塞缸体 4 收回, 再收回二级活塞缸体 3 (因三级活塞缸体 4 与活塞杆 10 之间腔体的横截面面积大于内缸体 5 与二级活塞缸体 3 之间腔体的横截面面积) , 再对一级缩回油路 22 通油, 收回一级活塞缸体 2, 可实现三级活塞缸体的依次
13、收回, 不会出现乱级现象, 具有工况稳定、可靠性好的优点;由于配油座 14 相对于内缸体 5 固定不动, 起到了类似缸底的隔离作用, 二级活塞缸体 3 内的油道变得简单, 不需要对三级活塞缸体 4 进行油道加工, 既减少了液压缸的总体长度, 具有更大的行程, 又减少了二级活塞缸体和三级活塞缸体的加工量, 制造成本较低。3 实验过程通过技术设计、产品试制 (初试、中试、终试) 、台架试验、出厂实验等环节, 最终生产的产品参数符合标准要求, 具体参数如表 1 所示。表 1 产品各阶段实验参数 下载原表 4 与同类产品性能指标对比此产品与其他同类产品指标的对比, 具体如表 2 所示。重新设计后的双向
14、三级等推力液压油缸具有以下优点:(1) 在工作压力及缸筒厚度不变的情况下, 通过设置不同的缸径和活塞杆直径, 实现三级推力相等。(2) 安装距为 1 500 mm, 与现行各类液压缸相比, 所需工作井和吸收井面积大幅减少, 能够充分适应非开挖施工隧道工程施工所需的环保、低成本、施工场地有限等特殊要求。(3) 如图 4 所示, 在液压缸工作时, 活塞杆向缸筒两端作双向运动, 在推进台架靠背的反作用力下, 缸套沿滑槽前行一级活塞杆距离, 然后伸出二、三级, 减少了活塞杆推出时的长度, 从而增加了活塞杆的稳定性, 减少了活塞杆伸出挠度, 大幅提升了产品的性能、可靠性及使用寿命。表 2 此产品与其他同
15、类产品指标对比 下载原表 5 应用效果该产品在浙江省隧道工程公司、武汉华浔建筑工程公司、云南文山斗南锰矿公司、江阴恒远管道工程公司、宁波海辰液压有限公司、中煤科工集团上海研究所、上海浦东久恒金属结构公司、上海市政公司、中铁上海工程局等单位得到了广泛的应用, 应用效果显著。6 结束语重新设计后的液压缸, 具有总体长度较小、行程长的优点, 且活塞杆的伸出挠度较小并实现每一级推力相等, 能防止部件被啃伤, 延长使用寿命。重新设计后的产品应用于隧道工程液压顶管机液压系统中, 工作压力达 46.5 MPa, 推力达 3 000 k N, 行程达 3 000 mm, 使用寿命提高了 2.5 倍, 满足设计
16、要求。参考文献1宋超, 邹云, 杜碧华.地下顶管用液压设备液压油缸设计计算J.机床与液压, 2013, 41 (17) :129-130, 99.SONG C, ZOU Y, DU B H.Design of Hydraulic Cylinder of Hydraulic Equipment Used for Underground Pipeline ConstructionJ.Machine Tool&Hydraulics, 2013, 41 (17) :129-130, 99. 2于贵文, 臧克江, 林晶.双作用多级液压缸的设计J.中国工程机械学报, 2007, 5 (4) :35-36.
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