大噸位折彎機(jī)油缸與滑塊連接的分析研究

周 晶 ，程海斌

（1.天水鍛壓機(jī)床有限公司 國家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心，甘肅 天水 741020；2.甘肅省制管設(shè)備自動(dòng)化及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

近年來，折彎機(jī)不斷向大噸位發(fā)展。隨著機(jī)床噸位和機(jī)床長度的增加，滑塊重量增大，在折彎機(jī)滑塊速度切換時(shí)，液壓閥關(guān)閉，由于流體和運(yùn)動(dòng)部件滑塊的慣性作用，使液壓系統(tǒng)內(nèi)形成很高的峰值壓力，造成液壓沖擊和滑塊的沖擊。對(duì)于大型折彎機(jī)來說，沖擊尤為顯著，往往引發(fā)系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲、漏油等現(xiàn)象，損壞液壓系統(tǒng)元件，特別是損壞滑塊和油缸的連接螺栓等，從而造成嚴(yán)重影響。

1 油缸與滑塊連接螺釘?shù)臄嗔逊治?/h2>

1.1 速度切換時(shí)間短

滑塊由保壓向快速返程切換時(shí)，換向閥換向，下腔進(jìn)油，滑塊重力阻止油缸下腔進(jìn)油，滑塊由靜止突然轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，使液體的壓力突然升高，系統(tǒng)的瞬時(shí)壓力比正常壓力大好幾倍，迫使油缸活塞桿帶動(dòng)滑塊瞬間返程。

1.2 滑塊與油缸活塞桿連接困難

滑塊太重，則與油缸活塞桿連接困難。大型折彎機(jī)的滑塊重量達(dá)100多t，油缸與滑塊連接需要M120的雙頭螺栓連接，甚至更大。由于以前受國內(nèi)加工能力的限制，加工成本太高。首先加工一過渡塊，通過螺釘將過渡塊與油缸活塞桿連接，再通過雙頭螺栓將過渡塊與滑塊連接，如圖1所示。

圖1 滑塊與油缸的連接方式

1.3 返程沖擊大

返程沖擊大，存在安全隱患。折彎機(jī)在保壓后的瞬間返程（滑塊由靜止變化為60mm/s），造成液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的沖擊，沖擊動(dòng)載荷系數(shù)至少為靜載荷的3倍，甚至更大，容易造成液壓系統(tǒng)漏油，損壞液壓系統(tǒng)零件。有時(shí)候滑塊傾斜等，造成單側(cè)油缸受力，過渡塊與油缸活塞桿連接的螺釘，過渡塊與滑塊連接的雙頭螺栓將受到這種反復(fù)沖擊應(yīng)力的影響更大，再加上螺紋加工因素的影響，常常造成過渡塊與油缸活塞桿連接的螺釘斷裂或者過渡塊與滑塊連接的雙頭螺栓螺紋疲勞失效。引起滑塊掉落，存在嚴(yán)重的安全隱患。降低此處沖擊的最好辦法是增加緩沖裝置或者增長受沖擊螺釘。

2 油缸與滑塊的連接研究

2.1 減少螺釘，增加緩沖

減少連接螺釘，增加緩沖裝置。近年來國內(nèi)加工能力的大幅度提高，以及加工成本的不斷降低，現(xiàn)在可以直接在油缸活塞桿端頭加工M100螺紋。由于結(jié)構(gòu)限制，加長受沖擊螺釘效果并不太顯著，因此增加緩沖裝置成為了唯一選擇。如圖2所示，該連接既減少了連接螺釘又去掉了以前滑塊體上的安裝孔，增強(qiáng)了滑塊的強(qiáng)度和剛性。

圖2 增加緩沖裝置的滑塊與油缸連接

2.2 增加緩沖后沖擊力分析

增加緩沖裝置后，滑塊和油缸活塞桿連接所受沖擊持續(xù)時(shí)間非常短促，接觸力隨時(shí)間的變化很難準(zhǔn)確分析。精確計(jì)算沖擊力，根據(jù)能量守恒，大致估算沖擊時(shí)的載荷、變形和應(yīng)力。忽略一些變化不大的其他能量（如系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能等），根據(jù)機(jī)械能守恒定律，沖擊系統(tǒng)的動(dòng)能T和滑塊勢(shì)能V的變化應(yīng)等于連接螺栓所受的變形能U1d和緩沖裝置所吸收的變形能Uhd。即

沖擊過程中連接螺栓和緩沖裝置變形最大時(shí)的動(dòng)載荷為Pd。將系統(tǒng)看成彈性系統(tǒng)，在服從胡克定律的情況下，沖擊過程中動(dòng)載荷完成的功為

2.3 對(duì)沖擊力深入分析

若將連接螺栓和緩沖裝置看成統(tǒng)一的變形構(gòu)件，對(duì)滑塊和油缸活塞桿連接所受沖擊力進(jìn)行分析。同樣忽略一些變化不大的其他能量（如系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能等），根據(jù)機(jī)械能守恒定律，大致估算沖擊時(shí)的載荷、變形和應(yīng)力。由于沖擊時(shí)，彈性系統(tǒng)受拉，滑塊向上運(yùn)動(dòng)，因此沖擊系統(tǒng)的動(dòng)能T和滑塊的勢(shì)能V的變化應(yīng)等于彈性構(gòu)件的變形能Ud。即

重量為Q的滑塊以靜載的方式作用于此彈性構(gòu)件上，構(gòu)件產(chǎn)生的靜變形和靜應(yīng)力為△st和σst，在動(dòng)載荷Pd作用下，相應(yīng)的變形和應(yīng)力為△d和σd。在線彈性范圍內(nèi)，載荷、變形和應(yīng)力成正比，故有沖擊動(dòng)載荷系數(shù)

由式（5）得

將式（6）代入式（4）得

由于 V=0，聯(lián)立公式（3）和（7）得

聯(lián)立公式（5）和（8）得

將連接螺栓和緩沖裝置組成的一個(gè)整體彈性結(jié)構(gòu)看成一個(gè)彈簧，取彈性模量E=200GPa，滑塊重Q=1000KN，連接螺栓直徑d=100mm，連接螺栓長度L=0.75m，返程時(shí)，滑塊由靜止變化為60mm/s。由于滑塊和油缸活塞桿通過4個(gè)彈性結(jié)構(gòu)連接，假設(shè)4個(gè)彈性結(jié)構(gòu)受力均勻，單個(gè)彈性結(jié)構(gòu)的靜變形△st=1mm，將數(shù)值代入公式（9）得

因?yàn)榫彌_裝置與連接螺栓形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所有連接螺栓、緩沖裝置和組成的彈性結(jié)構(gòu)所受的靜載荷和動(dòng)載荷相同，因此三者的動(dòng)載荷系數(shù)Kd也相同。

單個(gè)連接螺栓的靜載荷變形

代入數(shù)值得

由（5）式得單個(gè)連接螺栓的沖擊變形

代入數(shù)值得

單個(gè)連接螺栓的靜應(yīng)力

代入數(shù)值得

由（5）式得單個(gè)連接螺栓的沖擊應(yīng)力

代入數(shù)值得

2.4 無緩沖裝置時(shí)的分析

若無緩沖裝置，對(duì)滑塊和油缸活塞桿連接螺栓所受沖擊力進(jìn)行分析。將連接螺栓看作彈簧時(shí)，假設(shè)4個(gè)連接螺栓受力均勻，則單個(gè)連接螺栓的靜變形與加緩沖裝置的靜變形相同△st=1.2×10-4m。

將數(shù)值代入式（9），得單個(gè)螺桿的沖擊動(dòng)載荷系數(shù)

將數(shù)值代入式（11），得單個(gè)螺桿的沖擊變形

將數(shù)值代入式（12），得單個(gè)螺桿的靜應(yīng)力

將數(shù)值代入式（13），得單個(gè)螺桿的沖擊應(yīng)力

2.5 緩沖裝置的選擇

3 對(duì)緩沖碟簧的預(yù)緊

對(duì)大于550kN的負(fù)荷預(yù)緊壓縮，并且安裝在高空，靠擰螺母是無法實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示，可先將碟簧安裝在支座和壓蓋中，利用多個(gè)螺釘單獨(dú)預(yù)緊，再安裝在機(jī)床上。

圖3 緩沖裝置

4 結(jié)論

通過油缸活塞桿和滑塊連接螺栓損壞和斷裂的分析，忽略一些次要因素，簡化模型，引起問題的主要原因是沖擊。增加相應(yīng)的緩沖裝置，有效解決了連接螺栓的損壞和斷裂，成功應(yīng)用在近幾年的產(chǎn)品中，尤其應(yīng)用在安徽某公司3600t折彎機(jī)中，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，起到了良好的作用。

參考文獻(xiàn)：

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