液压缸的机械锁紧装置理论分析和优化设计

目录

第1章绪论 (4)

1.1课题背景及研究的目的和意义 (4)

1.2诸多可行性方案的比较以及局限性分析 (5)

1.2.1钢球式锁紧液压缸 (5)

1.2.2滚子式锁紧液压缸 (6)

1.2.3套筒式锁紧液压缸 (7)

1.3国内外技术研究现状 (8)

1.3.1国内研究现状 (8)

1.3.2国外有关科研成果 (8)

1.4本文的主要研究内容 (11)

1.4.1本设计的工作原理及技术参数 (11)

1.4.2本设计相对前文几种可行性方案的优势 (12)

1.5本设计的主要内容 (13)

1.5.1内锥套内外表面摩擦副的摩擦磨损试验 (13)

1.5.2锁紧装置理论设计计算 (13)

1.5.3锁紧装置简化模型的静力学有限元分析及参数优化 (13)

1.5.4锁紧装置的样机试验 (13)

第2章摩擦副材料的选用及其摩擦磨损试验的设计 (14)

2.1引言 (14)

2.2 内锥套内表面材料的选择 (14)

2.2.1 铜或铜合金材料作对偶件 (15)

2.2.2铸铁材料作对偶件 (16)

2.2.3钢材料作对偶件 (17)

2.2.4其他材料作对偶件 (17)

2.3内锥套外表面摩擦副材料选择 (17)

2.4试验方案 (19)

2.4.1试验器材及用品 (19)

2.4.2试验方案 (20)

2.4.3试验数据处理 (21)

2.5本章小结 (24)

第3章液压缸锁紧装置的理论计算和设计 (25)

3.1 引言 (25)

3.2 核心零件的关键尺寸及基本算法 (25)

3.2.1假设条件的提出 (26)

3.2.2简化模型力学求解方程的建立 (27)

3.3.1弹簧弹力—内锥套斜角函数关系 (29)

3.4内锥套厚度的设计计算 (31)

3.5 碟形弹簧的设计计算 (33)

3.6 MATLAB计算程序 (36)

3.7本章小结 (37)

第4章锁紧装置的ANSYS有限元仿真优化试验 (38)

4.1引言 (38)

4.2简化模型的建立 (39)

4.3接触组设置 (39)

4.4约束设置 (40)

4.5外部载荷设置 (41)

4.5.1加载碟簧弹力F K (41)

4.5.2加载活塞杆负载F (41)

4.5.1负载施加时序 (42)

4.6网格划分 (42)

4.7 计算结果处理 (43)

4.7.1内锥套应力分布 (44)

4.7.2外锥套应力分布 (44)

4.7.3 活塞杆应力分布 (45)

4.7.4 内锥套-活塞杆接触压应力 (45)

4.7.5 内锥套-活塞杆接触摩擦应力 (46)

4.8 数据分析处理 (47)

4.8.1 各因素对根部圆弧槽最大应力的影响关系 (48)

4.8.2 综合评估 (50)

4.9 活塞杆负载力作用方向对内锥套应力分布的影响 (52)

4.10本章小结 (54)

第5章液压缸锁紧装置试验台设计 (55)

5.1引言 (55)

5.2样机试验主要内容 (56)

参考文献 (57)

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

本项目来源于：沈阳中之杰流体控制系统有限公司。

在近几年来，随着中国工程机械的超高速迅猛发展，带动了中国工程机械液压件的超快速发展。目前工程机械液压件已占据了整个液压行业一大半的市场份额，使工程机械液压件在整个液压行业占有举足轻重的地位。通过查阅有关文献可以总结出液压技术拥有如下优点：

（1）液压传动可以输出大的推力或大转矩；

（2）液压传动能很方便地实现无级调速；

（3）在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑；

（4）液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定；

（5）操作简单，调整控制方便，易于实现自动化；

（6）液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠；

（7）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。

据粗略统计，目前国内液压元件行业有一定生产规模的企业大约有400多家，尽管这些厂商生产和销售量很高，也是一些区域经济的支柱产业，其产值占有地方经济收入大部分份额，但从总体来看，这些厂商的液压元件生产都存在着两大主要问题：

（1）一般的普通液压元件大量过剩，价位低，低水平竞争十分激烈；

（2）高档、高技术的液压元件完全依赖进口，受人制约。

因此，推动液压元件向着高档、高技术的水平发展必然成为我国现阶段液压元件行业的发展趋势。

液压元件，主要包括液压缸/马达、液压泵、液压阀三个大类。其中液压缸是液压系统中最重要的执行元件之一，它能够将液压能转变为机械能，可以实现直线往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，使用维修方便，所以比液压马达等执行元件应用更广泛。液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，从而进一步扩大了它的应用范围。为了适应主机的需要，液压缸的规格、品种正日趋齐全，结构在不断改进。作为执行元件，液压缸是液压系统的最后一个环节，液压缸性能的优劣直接影响整机的工作性能。在液压传动中，无论其它液压元件设计制造得多么精密，回路系统安排得多么合理，只要液压缸设

计和制造得不好，就将会事倍功半，得不到良好效果。

正如上文所说，液压缸作为液压元件之一也存在着制造水平低、严重依赖进口的问题，同时随着国内工程机械行业的快速发展，目前广泛应用的普通工程液压缸已经不能满足行业需求，很多领域需要使用特殊结构和功能的液压缸，如大行程、超高压领域需求的大型液压缸、可以在任意位置锁紧的自锁式液压缸和伺服系统等需求的单出杆对称液压缸等。而国内特种液压缸的研发还处于起步阶段，多数产品完全依赖进口，所以设计开发特种液压缸可提升我国液压缸制造水平，同时满足国内市场需求。

在纷繁复杂的液压缸中，有一类液压缸因其具有特殊的功能而备受关注，那就是带有锁紧装置的液压缸。常见液压缸的锁紧方式是靠液压锁来实现的，依靠封堵压力油的方式来锁紧液压缸。另一种则是新型的液压缸——自锁式液压缸（即一种带有机械锁紧装置的液压缸）。

自锁式液压缸的特点就是液压缸在工作的某点能依靠自身机械锁自动锁紧活塞杆，而且该机械锁只能通过开锁液控才能打开，它可以满足那些要求液压缸在工作位置有高精度，长时间停机而无任何位移变化，并在工作位置锁紧、绝对安全可靠的特殊领域。同时，采用自锁式液压缸能起到简化液压系统，提高系统可靠性的作用。因此，对自锁式液压缸进行分析设计有着非常重要的意义。

1.2诸多可行性方案的比较以及局限性分析

1.2.1钢球式锁紧液压缸

通过查阅文献发现自锁液压缸的研究很多都是围绕着钢球锁紧液压缸而展开的。其中东南大学的倪江生先生对钢球锁紧式液压缸进行了深入的设计计算，其原理图如图1.1所示。

图1.1 钢球式锁紧液压缸结构原理

1-缸；2-活塞；3-活塞杆；4-钢球；5-弹簧圈