四柱萬能液壓機主缸設計探討

劉偉

[摘要]四柱萬能液壓機是用液體作為介質傳遞能量的鍛壓機器，廣泛適用于可塑性材料的壓制工藝。本文分析了四柱萬能液壓機主缸設計的相關內容。

[關鍵詞]四柱萬能液壓機 主缸 設計

四柱液壓機一般由機身、主缸、頂出缸、油箱、液壓動力機構及電控裝置等組成，用液壓管道及電線等連接。四柱萬能液壓機可實現活動橫梁的空程快速下降、減速下降、工作壓制、保壓延時、快速回程及停止等動作，其工作壓力，壓制速度，空程下降的行程范圍及減速的行程范圍均可以根據工藝要求進行調整。該液壓機包含了主缸和頂出缸兩個液壓缸。主缸的作用在于高壓液體進入主缸后，作用活塞上，經過活動橫梁將力傳給工件，使工件產生塑性變形。主缸是液壓機的主要部件之一。頂出缸主要用于工件的浮動壓邊和頂出。

該液壓機主缸采用活塞式結構，為單活塞桿式雙作用液壓缸，主要由缸體、活塞、導向套等組成。缸筒與缸底焊接成一體。缸體的上端設有兩個進油孔，側壁安有一個進有孔，分別為液壓機空載下行和工作行程和回程時提高油壓。缸體與上橫梁用法蘭固定，用緊鎖螺母5鎖緊。法蘭與缸筒的連接形式通常有整體、焊接、螺紋等連接形式，該液壓缸選用整體形式。但液壓機空載下行或工作時，高壓液體進入缸內，為防止缸筒向下或向上移動，可通過法蘭與上橫梁的接觸面將反作用力傳給法蘭，迫使缸筒固定在原位置。活塞為組裝件，由活塞桿6和活塞頭4組成，由螺釘固緊。活塞桿由導向套7導向。缸內兩腔間的密封靠活塞內孔與活塞桿配合處的密封圈以及反方向安裝在活塞外緣上的密封圈來保證。為防止油液外泄，導向套7的外緣安裝有密封圈，內孔由密封圈和擋圈進行密封。活塞桿可通過螺紋連接與動橫梁連接。

一、主缸主要零部件的結構和材料

（一）缸筒

該液壓缸需要固定在上橫梁上，所以如前面所述，在缸筒上設計有法蘭，通過法蘭固定。缸筒的材料常用35號，45號無縫鋼。在承受負荷很大的情況下，也可以采用高強度合金無縫鋼管作缸筒。該液壓缸采用45號鋼，并調質到HB241～285，以改善其加工性能和強度。

（二）活塞和活塞桿

活塞與活塞桿的結構主要包括活塞與活塞桿的連接結構、活塞桿端部的連接結構、活塞與活塞桿及缸筒的密封結構等。

（1）活塞與活塞桿的連接結構。活塞與活塞桿的連接結構可分為整體式和裝配式。裝配式又有螺紋連接、半環連接、彈簧擋圈連接和推銷連接等類型。液壓缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接，其結構簡單，拆裝方便。該液壓缸采用的螺釘連接，為了防止工作機械振動較大時螺釘松動，在螺釘上還裝有一螺母。

（2）活塞桿的主體結構和端部連接結構。活塞桿主體有實心和空心兩種。一般情況下多采用實心桿；為了減輕大型液壓缸的重量或桿固定而缸筒帶動工作機構運動等情況，則采用空心桿。該主缸采用實心桿。活塞桿端部與工作機械的連接結構可根據不同的使用要求來定。主要有焊接式單耳環、整體式單耳環、光滑端部、雙耳環、球頭、外螺紋連接、內螺紋連接等形式。該主缸采用外螺紋連接形式，并通過壓環與活動橫梁固接。

（3）活塞和活塞杼的材料。活塞的材料通常采用鋼，耐磨鑄鐵，灰鐵HT15-33，HT20-40和鋁合金等。實心活塞桿的材料通常為35號，45號鋼，活塞桿粗加工后要調質到硬度229～285HB，必要時再經高頻淬火，硬度達到45-55HRC。

（三）導套及密封圈的選用

（1）導套。導套在活塞桿往復運動中起導向作用。該導套為軸套式，材料選用抗壓耐磨的ZQSn6-6-3青銅鑄造。導套的長度可查相關手冊，原機械部已擬定了柱塞式液壓缸的導套標準JB2003-76。導套過短將使缸因配合間隙引起的初始撓度增大，影響缸的工作性能和穩定性。因此在設計時必須保證缸有一定的最小導向長度。

（2）密封圈。密封件的作用是用來防止高壓液體的泄露。它是易損件，如質量不好，會嚴重影響液壓機的正常工作。因此要求密封件密封性好，能隨液體壓力增高而提高其密封性能，摩擦阻力小、磨損小、壽命長、使用維護簡單、易拆換、成本低、容易制造。在選擇密封件的材料時，要求在一定范圍內有較好的化學穩定性，不溶于工作介質，與金屬材料接觸時不相互作用（如腐蝕、粘著等），不軟化或硬化，彈性好，永久變形小，有適當的機械強度，耐磨性好，摩擦系數小，易壓制成型等。

密封圈的材料通常選用聚胺酯橡膠，在各種液壓缸中應用較為廣泛。密封圈有V型、u型、Y型、O型等型式。液壓機的密封可分為相對運動件表面之間的動密封和固定件表面之間的靜密封。活塞內孔與活塞桿配合處的密封圈選用O型，活塞頭外緣上的密封圈選用Yx型，導向套7的外緣安裝O型密封圈，其內孔的密封圈選用Yx型。

二、主缸基本參數

（一）工作負載和工作壓力

液壓機的工作負載是指工作機構在滿負荷的情況下，以一定的加速度起動時，對液壓缸產生的總阻力。根據設計要求，該液壓缸的工作負載為2500kN。液壓缸的工作壓力是指作用在活塞上克服最大工作負載所需的液體壓力。根據設計要求，液壓缸工作壓力可選用25MPa。

（二）工作速度和速比

液壓缸的工作速度與供液流量和活塞的有效作用面積相關。可根據選定的液壓泵流量、液壓缸缸筒內徑和活塞稈直徑來確定。

液壓缸的速比與缸筒內徑和活塞桿直徑有關。速比一般不宜過大，否則無桿腔回液流速過高而形成很大的背壓。但也不宜過小，否則活塞稈直徑相對于缸筒內徑太細，穩定性差。

該主缸工作壓力為25Mpa，所以選等于2。

（三）缸筒內徑和活塞桿直徑

缸筒內徑按GB2348-80規定的液壓缸筒內徑尺寸系列圓整得D=40rm；活塞桿直徑按GB2348-80規定的活塞桿直徑系列尺寸圓整d=32mm。

（四）最大工作行程和最小導向長度

最大工作行程是指活動橫梁位于上限位置時，活動橫梁的立柱導套下表面到立柱限程套上平面的距離。前面已選出，s=710mm。

主缸的最小導向長度是指活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導向套滑動面中點的距離。

（五）缸筒壁厚和外徑

缸筒相當于一個兩端封閉的圓筒形受壓容器，由材料力學知，其應力狀態是隨著缸筒內徑和壁厚的比值D/的改變而變化的。因此在計算缸壁的合成應力和厚度時，必須考慮不同的比值D/和材質。