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液压油缸结构改进技术分析
     在工程建筑、制造业、矿山开采等多个行业中,液压设备有着十分广泛的应用。液压油缸作为液压设备的核心组成部件,其可靠运行直接影响到液压设备整体运行的可靠性。本文对液压油缸结构的改进击数进行了一定分析,希望能够在一定程度上提高液压设备运行的可靠性和稳定性。
 
液压油缸的结构及工作特点
    液压油缸主要由缸体、活塞装置、密封组件及缓冲装置构成。活塞将缸体内部结构分为2个部分,这两个部分分别连接一个油孔,当液体压缩比较小时,其中一个油孔进油,推动活塞运动,使另一个油孔出油,这样活塞就会带动活塞杆进行不停的伸缩运动。
     1.活塞装置
     液压油缸的活塞及活塞杆结构的形式较多,最常见的结构形式包括一体式、推销连接式、螺纹式及半接环式等。其中,螺纹式结构十分简单且拆卸方便,但是其中的螺帽在高压负荷下容易发生松动,因此需要做好放松措施;半环式结构较为复杂、拆卸困难,但是其工作可靠性较高。其中需要注意的是,一体式活塞与活塞杆结构主要适用于尺寸较小的液压油缸。活塞通常采用耐磨的铸铁制造,而活塞杆通常采用钢料制造。
     2.密封装置
    密封装置主要包括间隙密封、摩擦环密封及密封圈密封等形式。
    (1)间隙密封
     间隙密封主要通过运动构件之间所存在的微小间隙来防止泄漏。在一定的条件下,通过在活塞的表面制出狭小的环形凹槽提高装置的密封性能,提高油液通过间隙的阻力。间隙密封结构具有结构简单、摩擦阻力小、耐高温等特点,但是对加工工艺具有较高的要求,并且只能适用于尺寸较小、压力较低、活塞相对运动速度较慢的液压油缸中。
    (2)摩擦环密封
     摩擦环密封结构是一种套在活塞上的摩擦环,该结构摩擦阻力较小,结构稳定性较高,具有一定程度的组我补偿能力,同时还具有较高的耐高温性能,主要适用于液压油缸缸体与活塞结构之间的密封。
    (3)密封圈密封
     密封圈密封结构通常采用橡胶或塑料制作,由于橡胶及塑料材料具有较高的弹性,在使用过程中能够使密封圈与液压油缸构件紧密贴合,在发生磨损后也具有一定的自我补偿能力,可靠性较高。同时密封圈密封结构能够适用于液压油缸各个部位的密封工作。
     3.缓冲装置
     缓冲装置的工作原理是依靠活塞与缸筒能够在行程终端及活塞盖与缸盖之间封住一部分油液,从而强迫油液在小孔及缝隙间挤出,这样能够产生极大的阻力,工件的动作受到这种阻力的限制降低运动速度,从而实现缓冲作用,有效避免了活塞与缸盖之间的直接碰撞,提高液压油缸的使用寿命。
 
几种不同类型液压油缸的改进技术
    1.卡键式液压油缸结构的改进
     卡键式液压油缸是指利用活塞头和活塞杆作进行卡键式连接的液压油缸,通常需要切削掉活塞杆后端的大量外围金属,这样就只会用到活塞杆中心较细的部分。
     活塞杆通常使用锻材和轧材制作,其中心部位与表层的性能差异较大,如果对活塞杆外围的金属进行大量切削,只保留力学性能较差的中心部位,会大幅度降低活塞杆的力学性能,同时由于结构的总体强度降低,应力与液压冲击对活塞杆中心部位的集中作用,常常容易导致活塞杆从卡键槽处发生断裂。因此,在进行液压缸的设计时,最好避免使用这种结构。
     针对上述形式活塞杆结构,可以通过在活塞杆上增加卡键槽的方式进行改进,同时,活塞两端够改为卡键式连接,改进后的结构如图2所示。因为改进后的卡键槽对活塞杆的力学性能削弱程度较低,因此,也有效提高了活塞杆的可靠性。
     当活塞杆与缸体内径相差较大时,可以使用双卡键卡住活塞头;如果活塞杆与缸体内径相差较小,则可以直接使用鼓形圈对缸体的两部分结构进行密封。通过以上的改进能够有效降低活塞装置的损坏几率,同时,在拆卸过程中不需要使用专用的工具,使用和维修十分方便。
    2.螺纹式液压油缸结构的改进
    (1)导向套结构的改进
     螺纹式导向套液压油缸通常使用专用设备进行拆装,拆装效率较高,且设计及加工都极为方便,因此使用非常广泛。但是该结构还存在一定的不足,比如其中的螺纹结构容易发生损毁,经常出现烧丝及磕碰受损等现象,损坏后难以进行修复,并且油缸内部的部分重要位置需要考虑采取放松措施并考虑载荷分布对结构稳定性的影响情况。因此,在一些对设备稳定性要求较高的条件下,不宜使用螺纹式结构的液压油缸。
     由于螺纹结构在加工过程中,公差较大,定心能力差,因此,螺纹在装配时的同轴度难以得到有效保证,导向套结构在装配过程中应该以其外密封面进行定位。如果定位面的长度小于螺纹的配合长度,则要求螺纹先进入配合,然后定位面再进入配合,这样装配,容易导致第一丝发生偏移而难以进入配合,由于拆装设备的力量通常较大,在这种条件下,往往会导致螺纹损坏。
     针对上述情况,可以在设计过程中使螺纹定位面的长度稍大于螺纹的配合长度,这样能够使定位面先进入配合。通过这样的结构改进,可以有效保证导向套在安装和拆卸过程中的同轴度,同时还能够使活塞杆的大部分径向分力由导向套的定位部位来承受,从而有效降低螺纹承受的额外径向力,提高螺纹的抗疲劳性能。
   (2)螺纹式立柱外缸结构的改进
     部分型号液压支架的立柱常常会发生导向套被液压力打出的情况,这极易导致缸体螺纹发生损坏,影响液压油缸的使用安全。通常在这种情况下,缸体及导向套上的螺纹都是齿尖部分发生损坏,外缸缸口的密封面尺寸超过2mm,并且椭圆在1mm以上。下面根据图3所示立柱导向套及缸体的装配示意图对缸体的受力情况进行分析,在活柱伸出后,一般会受到侧向载荷及弯矩作用,径向的分作用力及弯矩作用会通过导向套传递给缸体,因为导向套的装配通常需要以d段进行定位,导向套与缸体之间的配合间隙通常会小于螺纹,因此会将大部分分作用力及弯矩传递给外缸缸体,同时由于外缸港口本身刚度较小以及立柱本身的缸壁较薄,大部分厚度小于10mm,在作用力下缸口极易发生变形,这时需要由螺纹承受力矩,对螺纹造成非常大的损害。
     另外,该结构导向套的密封在罗伟之后,螺纹配合免之间充满高压液体,当立柱上腔进液或回液时,腔体内部压力会上升,由于缸体螺纹部分的壁厚较薄,会发生较大程度的弹性变形。以ZFS6200/17/35液压支架为例,其立柱螺纹的大径为245mm,缸体外径273mm,结合相关资料。
     当上腔压力达到40MPa时,缸体螺纹部分的的径向弹性变形达到0.46mm左右,而当压力上升到90MPa时,缸口螺纹区域将达到完全塑性变形的状态。而此时立柱的活塞腔对活塞杆腔的增压做作用在6倍作用,如果活塞腔的压力为30MPa,当回液不畅或者回液截止阀未打开的情况下,活塞刚强的最大压力可以达到180MPa,这一压力远远超过螺纹部分的抗变形能力,导致螺纹部分发生损坏。另外,由于螺纹加工公差较大以及立柱缸体和导向套结构在多次应力作用及拆卸,会导致连接强度大幅度下降。由于立柱的活柱外径尺寸与外缸内径尺寸较为接近,如果使外缸第外面及螺纹部分的厚度增加,必然会降低导向套的厚度,这就会导致导向套在加工及应用过程中极易发生变形。
     为了解决上述两种问题,可以对外缸的结构进行改进,采用外径较大的钢管与缸体进行焊接形成缸口,这样可以有效增加缸体定位面及螺纹部分厚度,还能够改变螺纹部分文职,使螺纹之间不会受到液压力的作用,从而提高其抗变形能力。
液压油缸结构改进技术
    1.焊缝的改进
    千斤顶在使用过程中,其液压油缸缸底焊缝结构极易发生开裂问题,这主要是由于千斤顶通常采用中间二周进行连接,缸体焊缝结构需要承受液体的周向力及轴向力的同时作用,导致焊缝的抗裂强度不足。传统的液压油缸,缸底厚度设计较大,这也使焊接过程中缸底与缸筒壁厚度差异过大而发生不均匀的热传导,导致缸底与缸筒难以良好融合,容易发生焊缝开裂的现象。针对这一问题,可以通过改进缸底焊缝结构来解决,通过将焊缝结构由传统的V型改为U型,可以减少缸底与缸筒的焊接厚度,从而提高散热的均衡性,这样能够有效降低界面的图变量及应力集中的情况,使焊缝的质量得到大幅度提升。
    2.半环式液压油缸的改进
    半环式液压油缸在使用后可能会发生导向套与半环压得较劲或者半环出现变形而难以取出的问题,针对这一问题,可以通过在半环的头部制作出大约65°左右的斜面,这样在半环被压紧或变形后,可以利用尖锥类工具从斜面中挑出半环,避免对结构造成破坏。另外,半环式液压油缸在拆装过程中由于防尘面与缸体配合间隙较小,在使用后,容易产生煤尘和锈蚀,而且拆卸方式相对较为复杂。针对这一问题,可以通过改造活塞杆及缸体内部空间、改造压盖的方式进行解决,可以有效提高拆装的方便性,也避免了对其它部件造成损伤。
    3.锁紧螺母式连接的活塞杆的改进
     在液压支架的设计过程中,大部分活塞与活塞杆采用螺纹连接方式是进行连接,这种连接方式通常会使用2个粗牙的对顶螺母保证连接的紧密性,但是对顶螺母的放松效果较差,在载荷发生大幅度变化及液压的冲击下极易发生失效,导致螺纹损坏,而且还可能出现螺母被压碎而难以拆除的情况。针对这一问题,可以将螺纹设计为细牙螺纹,同时在连接处加一个防转顶丝,这样可以有效提高放松效果和强度。
     液压油缸在工业生产中的设计应用十分广泛,但是存在的问题也十分普遍。这需要击数人员在实践与发展的过程中对液压油缸的结构进行不断改进和优化,这样才能有效提高液压油缸整体结构的稳定性和可靠性,降低设备损坏事故的发生,同时也有效降低了设备的运行和维修成本,对促进现代工业生产的发展具有重要意义。
                                                               ——来源于《第一装备网》
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