论文臂式高空作业平台伸缩液压缸的设计和验算，该文是关于液压缸相关开题报告范文与高空作业和液压缸和验算类本科论文范文.
摘 要：臂式高空作业平台是一种将人运到高空作业的设备.伸缩液压缸行程与缸径比值非常大,同时受自身、臂架、工作载荷等作用易弯曲.因此要求液压缸强度高、刚度大、自重轻,同时满足内泄漏几乎为零,还要求极强的稳定性和可靠性,所以对结构设计,材料选择、表面加工精度和密封都有特别高的要求.本文以某型号臂式高空平台伸缩液压缸为例,对其关键参数进行了设计及验算,尤其是缸筒的塑性变形和活塞杆的弯曲稳定,详细分析了内部密封结构的设计及推荐选型,对改进臂式高空平台油缸有所帮助.
关键词： 臂式液压缸；塑性变形；弯曲稳定；密封
一、前言
随着国民经济的迅速发展,各种施工工艺和方法也在迅速变革,传统的脚手架正逐步被高空作业平台所取代,由于高空作业平台安全、节能、高效、环保,现已广泛应用于维修、装潢、建筑、通讯等各种行业.
目前普遍使用的臂式高空作业平台,臂架通常由4 到5节开链杆件组成,每节臂架要求强度高,刚度大.对于伸缩液压缸不仅有同样的要求,而且更要求内泄漏几乎为零,运行平稳可靠.
臂式高空作业平台的伸缩方式通常有3 种：同步伸缩、顺序伸缩以及顺序加同步伸缩.同步伸缩是指用单个液压缸通过钢丝绳带动各节臂以相同的行程比率同时伸缩,目前此类型液压缸应用最为普遍；顺序伸缩是指用多个液压缸直接带动各节臂按一定顺序完成伸缩动作,伸臂顺序一般为先外后里,缩臂顺序与之相反,即先里后外；顺序加同步就是以上两者相结合.
二、设计及验算
同步伸缩系统的液压缸基本结构为活塞杆与基本臂连接,缸筒与二节臂连接.为减轻液压缸自身重量,活塞杆通常设计为空心杆,内部设有导油管,这样可省去外部软管,简化臂架内部结构.
运动时活塞杆进油,缸筒伸缩时带动二节臂伸缩.缸筒上安装的滑轮通过钢丝绳拉动其余臂架同时伸缩,完成臂架同步运动.
本文以某型号臂式高空作业平台液压缸为例,来设计及验算相关参数.对易于计算的相关参数均已设为已知,如表1：
2.1 缸筒壁厚计算：
缸筒壁厚的计算公式为
式中,δ - 缸筒壁厚
P- 油缸最大工作压力
[σ]- 缸筒材料许用应力
[σ]等于σs/n σs- 缸筒材料的屈服强度
n- 安全系数,一般n 取1.5-2.5
缸筒材料必须具有足够的耐压性、高抗拉强度、耐磨性与良好的焊接性能等,常用材料选择如表2[4-5].
25Mn 冷拔后退火能有效消除冷拔产生的应力,能防止缸筒在加工形,同时能明显提高材料的塑性和韧性,避免造成微裂纹.高空作业平台的缸筒多采用45 钢和25Mn 焊接而成.
27SiMn 由于更高的强度,通常用于大型汽车吊或大型随车吊的伸缩及变幅油缸缸筒.本设计选择缸筒材料为25Mn冷拔,安全系数取2.5：
考虑缸筒行程较大易弯曲变形和25Mn 市场冷拔管的实际供应情况,取壁厚δ等于9mm,缸筒外径为D1等于108mm.
2.2 塑性变形和弯曲稳定
为了避免缸筒在工作时发生塑性变形,液压缸的额定压力值与塑性变形压力须有一定的比例范围：
由于L ≥ 10d 设计时必须考虑活塞杆的弯曲稳定性.活塞杆截面惯性矩为：
式中： 1 I - 活塞杆截面惯性矩
d - 活塞杆径
1 d - 活塞杆中空内径取50mm
缸筒的截面惯性矩为
式中： 2 I - 缸筒截面惯性矩
1 D - 缸筒外径
D - 缸筒内径
式中： K P - 活塞杆弯曲失稳临界压缩力
n - 系数的选取见下文
E - 弹性模量取2.1×105MPa
L - 活塞杆全伸时油缸的长度
式中s n - 抗弯系数油缸的抗弯安全系数一般取1.2[2-3],因此有足够的安全余量,符合设计和实际使用要求.
对于其它的验算如螺纹强度和焊缝强度,本文不在详细叙述.
三、内部密封设计
臂式高空作业平台液压缸内部密封设计时重点考虑活塞和端部的密封,尽最大可能平衡自身重量,臂架重量和工作载荷所产生的侧向力对密封件的破坏[4-6].工作时液压缸活塞杆与第一臂固定,缸筒带动第二臂往复运动,其余臂通过钢丝绳牵引运动.活塞杆和缸筒放大的弯曲形变如图1 所示.
从图1 可以看出液压缸在侧向力作用时,其支点位置就在活塞杆的密封位置,设计时需综合考虑支承、导向、密封、配合间隙及表面粗糙度.活塞杆具体的密封布置如图2 所示.
活塞两侧各设有一条导向带,其主要作用是防止液压缸活塞与缸筒的内壁在运动过程中的接触摩擦磨损,同时还能吸收部分作用于压缸的侧向力,确保液压缸的运动精度.
导向带的常用材质有：1 聚四氟乙烯＋铜粉,2 聚甲醛,3 聚酰胺＋玻璃纤维,4 酚醛树脂＋夹织物纤维.目前以聚四氟乙烯为基体经过填充铜粉、石墨等材料进行物理改性的聚四氟乙烯导向带已得到广泛的应用[7].非金属材料能有效避免金属之间的直接摩擦磨损；具有超强的耐磨性和补偿能力；具有一定的吸收振动的功能；承载和抗污能力极强且能允许异物嵌入；同时摩擦系数小无爬行；弹性保持好,可以一直使用直至断裂.结合臂式液压缸运动速度,使用环境工况及侧向受力情况,导向带优先选用聚四氟乙烯＋铜粉.
在臂式高空作业平台伸缩油缸内设置支承环显得尤为重要,需在活塞的前部设置两个支承环,前部两个支承环相当与支点,起承载和支承作用,更容易磨损,因此设计两个支承环.同时需后部设置一个支承环[8].
推荐使用特瑞堡( 原德国宝色霞板B+S)Orkot C380 支承环,其主要技术数据为： 速度可达1m/s；往复运动的使用温度可达-50℃至+130℃ ；最大许应承载力超过300N/mm2 ；
25℃时动态许应承载力超过100N/mm2,具体极好的耐磨性能,同时其环状结构,可以非常轻松的安装在油缸沟槽中.
活塞的主密封采用双向挡圈和Y 型密封圈设计,确保往复运动时没有内泄漏.
推荐使用日本阪上GPY 型孔用Y 型密封圈,其工作温度-30 ℃ ~+100 ℃, 适用压力： ≤ 30Mpa, 最高线速度1m*2.5s,GPY 型活塞杆孔用密封件,截面比SKY 型大, 有利于提高耐磨性和偏心追随性.
液压缸端部密封的布置如图3 所示.
防尘圈挡圈和防尘圈就不在详细介绍,主密封同样推荐使用日本阪上GNY 杆用密封件,其特性与GPY 相似,端部滑动轴套应选用自润滑含油轴套,具有低摩擦系数及极强的耐磨性,同时要有一定的长度.
四、结语
由于臂式高空平台起源和发展都在国外,国内才刚刚进入这个行业,目前我们可以对机构及结构进行有效设计及计算,加工精度也能满足要求,但关键密封件的选择依然推荐使用日本NOK,日本阪上,美国parker,德国的特瑞堡等,他们具有较丰富的实践经验.希望本文对您设计及改进臂式高空作业平台液压缸有所帮助.
参考文献
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[4] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社出版,2010.
[5] 雷天觉. 新编液压工程手册下册[M]. 北京: 北京理工大学出版,1998.
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[7] 金治勇. 共话高空作业机械发展[J]. 建筑机械化,2012,02: 22-23.
[8] 卢青梅. 高空作业车不同简化模型对比分析研究[D]. 大连: 大连理工大学,2012.
（本文系国家科技型中小企业科技创新基金,项目名称：智能移动起升特种车,立项代码：16C26213201052）
（作者单位：王迎晖,昆山登云科技职业学院；陈立锋、阳平,江苏东迈重工机械有限公司）
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参考文献：
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