CN109681491A

CN109681491A - 增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构及判别方法

Info

Publication number: CN109681491A
Application number: CN201910105718.XA
Authority: CN
Inventors: 范天锦; 陈继刚; 陈国安; 蒋伟; 张宁; 于萍; 闫震
Original assignee: XUZHOU MINGSHUO MACHINERY TECHNOLOGY Co Ltd; Xuzhou Shunlong Hydraulic Technology Co Ltd
Current assignee: XUZHOU MINGSHUO MACHINERY TECHNOLOGY Co Ltd; Xuzhou Shunlong Hydraulic Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-04-26

Abstract

一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构及判别方法，主要包括油缸筒、空心活塞杆、活塞和导向套；将常规的两端焊接式杆头封闭的空心活塞杆容腔通过活塞安装端的活塞杆头上的通孔结构与油缸筒的无杆腔连通，形成充压活塞杆，增加液压缸空心活塞杆的受压抗弯曲稳定性。当空心活塞杆空腔为油路时，通过焊接活塞杆头通孔结构与油缸工作无杆腔连通实现与油缸工作最大工作压力同步充压，给出了为了提高抗弯曲稳定性空心活塞杆的充压结构型式，并给出了当内外径相同的空心杆充压与否的判别方法条件。当空心杆充压后，其材料的强度仍有一定富余条件下，充压将能有效提高细长活塞杆的抗弯曲稳定性。

Description

增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构及判别方法

技术领域

本发明涉及典型的使用了空心活塞杆的液压油缸，具体公开了一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构及判别方法，对于细长油缸充压可以较大幅度提高其轴向承载抗弯曲稳定性的能力。

背景技术

液压油缸是工程液压机械中的执行元件，大长油缸的应用愈来愈广泛，油缸行程5—12米，全伸出总长度10—24米已很常见。大长油缸在满足使用伸缩行程、推力或拉力及连接铰点、结构、尺寸、性能等条件时，必须保证组成油缸的各零部件有足够的承载能力。由于该类油缸的细长结构，根据活塞杆的受力状态，校核其受压抗弯曲稳定性即成为关键。目前油缸的设计手册规范对活塞杆的强度计算中，通常以液压缸的活塞杆端部和缸筒后盖均为耳环铰接式安装方式作为基本情况来考虑；并令活塞杆全部伸出时，活塞杆端部与负载连接点与液压缸支撑点间距离为安装距L_B；活塞杆直径为d_外，当L_B≤10d_外，液压缸为短行程，主要需验算活塞杆压缩或拉伸强度，当L_B≥(10—15)d_外时，则需考虑活塞杆的弯曲稳定性。活塞杆体通常是细长杆体，并分别有实心杆体和空心杆体二种结构，其弯曲稳定性手册提供一般按“欧拉公式”进行计算活塞杆弯曲失稳临界负荷F_K，并取适当的安全系数η_K，校核确定油缸的允许的最大推力负荷P_max。现代油缸由于许多使用场合油缸活塞杆的实际长度与直径之比甚至可达几十倍上百倍，按欧拉公式计算往往不能满足弯曲稳定性的要求。一般采取的解决方案：1)此类活塞杆大多采用空心钢管，增大活塞杆直径，并选取适当壁厚增加活塞杆的横截面积即惯性矩J；2)设计更好的安装及导向结构提高导向的精度，降低安装及导向系数K值，是提高弯曲稳定性的有效手段，但在某些结构中是很难实现的；3)用直径更大包括油缸筒活塞杆的设计来满足弯曲稳定性的要求；4)降低使用要求限定系统最高使用压力，以降低活塞杆的工作负荷，如液压起重机伸缩油缸不允许带载伸缩等。

由于在截面面积相等的情况下，空心活塞杆的抗弯强度及稳定性皆高于实心活塞杆，然而对两根内外径相同的空心杆来说，其杆腔充压与否在承载能力上有何差别，本发明给出了充压好否的条件定量的判别方法及增加液压缸稳定性充压活塞杆的结构设计。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提出增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，在空心杆内外径相同，截面积已定的条件下，通过设定的充压条件、方法及结构提高活塞杆抗弯曲稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，包括油缸筒、空心活塞杆、活塞、导向套、活塞用密封及导向组件、活塞杆用密封及导向组件；所述空心活塞杆的活塞杆头固连运动活塞，活塞将油缸筒分隔成有杆腔和无杆腔；所述油缸筒设有进油口和回油口，压力油p_A和油缸筒无杆腔接通，回油p_B和有杆腔接通，其特征在于，将常规的两端焊接式杆头封闭的空心活塞杆容腔通过活塞安装端的活塞杆头上的通孔结构与油缸筒的无杆腔连通，形成充压活塞杆，增加液压缸空心活塞杆的受压抗弯曲稳定性。

所述活塞杆头的通孔设置单向阀，该单向阀在压力油p_u的作用下打开，保持油缸无杆腔和空心活塞杆的容腔接通，由于压力油p_u随工作负载变化，当工作负载是变量，且负载随油缸行程变化，空心活塞杆空腔内压力油p_u为一段时间内油缸工作行程最大时的压力值p_uamix，当系统工作压力小于工作压力最大值p_uamix时，单向阀在已充空心活塞杆腔最大油压p_uamix作用下关闭阀口，直到更大的工作压力推开单向阀，连通空心活塞杆的容腔，单向阀记忆工作的最大压力p_uamix值，当伸缩行程最大或负载有震动载荷变化时，能够保证空心活塞杆获得最大的稳定性安全系数；该单向阀闭锁压力的时间仅存在于工作作业过程的有限时间内，装置不工作则阀的微小渗漏将导致压力归零，保证装置的安全性。

所述单向阀包括阀体和锥阀芯，锥阀芯导向圆柱部分周向均布轴向油道，锥阀芯通过弹簧复位，并在杆腔压力油的作用下锥阀芯与阀座阀口形成密封，记忆单向阀部件与活塞杆头连接。

所述空心活塞杆的外连接杆头处设置排气塞，用于充油开始阶段的排气，保证空心活塞杆充满油液。

所述空心活塞杆的活塞杆头中心轴向开设油道，所述油道与空心活塞杆的腔体连接；所述空心活塞杆外焊接杆头上开设有进油口和回油口，进油口连通空心活塞杆的容腔以及油缸筒的无杆腔，形成压力油通道，使空心活塞杆成为充压活塞杆；所述活塞杆腔体内轴向设有空心通液管，空心通液管接近活塞的一端通过弯头与空心活塞杆上开设的孔焊接，并由该孔伸出，连通油缸筒有杆腔，另一端与回油口连接，形成回油通路；所述通液管的外部沿其轴向设有若干支承环，支承环上留有过油通孔；通液管的弯头处形成半圆形弯曲，具有弹性减震功能，保证焊缝受力安全。

一种判断增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构是否需要充压的判别方法：通常非充压空心活塞杆的抗压弯曲稳定性是用“欧拉公式”进行计算的，活塞杆弯曲失稳临界负荷F_K的计算公式为

其中，活塞杆最大工作负荷按验证；n_K为安全系数，E为活塞杆材料弹性模量，钢材：E＝210×103(MPa)为常量，J是活塞杆横截面惯性矩(m⁴)此处总常量，K为安装导向系数，L_B为安装距；常规的欧拉公式是没有考虑充压条件的验算公式，在结构已经确定的条件下，内外径相同的空心活塞杆，其充压与否在承载能力上有何差别，并得出充压好否的条件，判别是否需要充压及在不同长度的情况下充压所获得的稳定性承载能力增加值，是本发明的内容，由于充压后抗弯稳定性会提高，但是充压后杆的强度会降低，判别条件是：按活塞杆的柔度系数，即长度与外径之比λ进行判别，实际计算柔度为λ，λ₁、λ₂为充压安全条件，由此得知，1)短粗空心活塞杆λ≤λ₂不存在稳定性问题，充压后其承载能力将降低，不应充压；2)细长空心活塞杆λ≥λ₁稳定性问题已上升为主要矛盾，则充压后可提高其承载能力，且承载能力有较大提高，充压性好；3)对中长空心活塞杆λ₂≤λ≤λ₁则需分析计算充压后提高承载能力的条件及增加对百分比，若增加比例不大，充压后好处不则不必充压。

有益效果：本发明通过对油缸工作时的活塞杆进行充压，提高了其抗弯稳定性以及承栽能力，尤适用于细长空心活塞杆。

附图说明

图1是本发明一种两端铰接充压空心活塞双作用液压缸结构图。

图2是本发明一种细长两端铰轴固定并导向的伸缩臂双作用液压缸结构图。

图1中，1.缸底耳环，2.油缸筒，3.活塞杆头，4.活塞，5.活塞密封及导向组件，6.导向套，7.活塞杆密封及导向组件，8.空心活塞杆，9.铰接耳环杆头，10.放气塞，11.单向阀，P_A.进油口，P_B.回油口。

图2中，1’.焊接杆头，2’.空心活塞杆，3’.铰轴座，4’.杆密封及导向组件，5’.油缸筒，6’.通液管，7’.活塞杆头，8’.活塞密封及导向组件，9’.活塞，10’.支撑圈，11’.导向套，12’.导向套压盖，13.运动导向装置，P_A’.进油口，P_B’.回油口。

具体实施式

下面将结合附图1、附图2，对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，油缸筒组件：由油缸筒2右端焊接法兰盘，左端焊接缸底耳环1组成；活塞杆组件：由空心活塞杆8、铰接耳环杆头9、活塞杆头3焊接加工组成；组成油缸总成的还有活塞4及压紧螺母，活塞用密封及导向组件5；导向套6通过油缸筒右端法兰连接，导向套安装有活塞杆密封及导向组件7；油缸往复运动进回油口：P_A为进油口，P_B为回油口，活塞杆外径为d_外，内径d_内，活塞杆头8设计成通孔并在通孔上设单向阀11；压力油p_A可进入活塞杆8空心腔并充满，杆头处设置初始使用的排气塞10。该结构最大安装距L_B如图1所示，其安装导向系数k＝1.5，本发明与常规油缸结构的不同之处就在于将活塞杆头3通过通孔将油缸筒2腔体内的高压油压入空心活塞杆8腔体，使其成为充压活塞杆，活塞杆头3装有特制的单向阀11用以记忆并锁定活塞杆8腔体，保持工作的最高压力油p_uamix，以增加稳定性提高的比例，活塞杆8右端铰接耳环杆头9设有活塞杆8初始充油放气塞10。

如图1结构的油缸L_B的计算长度一般约为活塞杆长度的2倍；活塞杆8的外径为d_外，内径为d_内，空心活塞杆8承受的最大轴向压力也就是液压缸的推力F是由负载决定的；最大值由油缸筒2的直径D和允许最大工作压力p_uamix决定。在截面积相等的情况下空心活塞杆8的抗弯强度及稳定性皆高于实心杆，然而对于两根内外径相同的空心杆，其充压与否的判别原则及充压稳定性提高的程度，运用塑性力学中的米塞斯(Von.Mises)屈服条件和屈雷斯加(Tresea)屈服条件及材料力学、弹性理论分析计算得出定性定量的结论。

设定活塞杆的实际计算柔度为λ，该活塞杆必须满足稳定安全系数η_w和强度安全系数η_b，通常η_w＞η_b，此处设λ₃为充压条件柔度常数，是由材料常数及安全系数待定常数，其值随之增加而线性减少。对优质钢进行计算：

若选时，λ₃＝100＝λ₁；

若选时，λ₃＝60＝λ₂；

因此，1)对短粗空心杆活塞杆λ≤λ₂而言，不在存稳定性问题，充压后其承载能力将降低，不应充压；

2)对细长空心活塞杆λ≥λ₁而言，稳定性问题已上升为主要矛盾，则充压后可提高其承载能力，且承载能力有较大提高，承载能力增架后，相应的油压增量Δp_u需同时满足：

即Δp_u≤Δp_umax＝(Δp_u1.Δp_u2)_min，其承载能力最大可增加

3)对中长空心活塞杆λ₂≤λ≤λ₁而言，只有当时，充压后才能提高其承载能力；同理，承载能力增加后，相应的油压增量亦须同时满足：

即Δp_u≤P_umax＝(ΔP_u3，ΔP_u4)_min，

其承载能力最大可增加

实施例1

如图1所示，空心活塞杆的内径为d_内＝65mm，d_外＝110mm，材料为优质钢，即a＝469N/mm²，b＝2.618N/mm²，长度系数σ_S＝312N/mm²，长度系数μ＝1，取η_W＝3，η＝2，分析确定活塞杆的计算长度l分别为2715mm，2868mm，3000mm，3194mm，5000mm时，活塞杆内是否需要充压，为简便计算，将计算结果列于表1。

表1

l(mm)	2715	2868	3000	3194	5000
						λ	85≤λ<sub>3</sub>	89.8＝λ<sub>3</sub>	93.92＞λ<sub>3</sub>	100＞λ<sub>3</sub>	156.53＞λ<sub>1</sub>＞λ<sub>3</sub>
充压后的承载能力	减小	不变	增加	增加	增加
						Δp<sub>u1</sub>(N/mm<sup>2</sup>)	—	—	—	24.12	9.85
Δp<sub>u2</sub>(N/mm<sup>2</sup>)	—	—	—	5.80	32.4
						Δp<sub>u3</sub>(N/mm<sup>2</sup>)	28.69	27.22	25.97	—	—
Δp<sub>u4</sub>(N/mm<sup>2</sup>)	-2.705	0	2.36	—	—
						Δp<sub>umax</sub>(N/mm<sup>2</sup>)	-2.705	0	2.36	5.80	9.85
ΔP<sub>max</sub>(N)	-25706	0	22428	55120	93608
						P(N)	508140	482125	460000	427310	174400
η(％)	-5.06	0	4.88	12.9	53.7

表1中λ为空心活塞杆的实际柔度，其值为：

P为不充压时，活塞杆之稳定许用载荷，其值为

η为充压后承载能力增加的百分比，即

从以上计算结果可以看出，在上述材料中，截面尺寸和安全系数一定的前提下，当l＞2868mm时，充压后可以提高其承载能力；当2868＜l＜3000mm，充压后承载能力的增加不超过5％，即充压后带来的好处不多，故可不必充压；当l＞3000mm时，充压后其承载能力有较大的提高，则以充压为好。

如图1所示活塞杆头3的充压孔安装特定单向阀11，其作用可记忆工作时的最大充压值P_amix，油压工作负荷伸出时可能是一变量，甚至处于最小值时P_a却为最大值，此时设此单向阀11将记忆工作最大压力P_amix并将此压力油困在空心活塞杆8的杆腔内，当L_B伸缩变化至最大值时或负载有震动变化时，可保证充压活塞杆8始终获得最大的稳定性安全系数，该压力记忆单向阀闭锁压力的时间仅存于工作过程中有限时间内，装置不工作，活塞杆8不承压时，则单向阀11的微小渗漏将导致压力归零，该设计性能对保证装置的安全性是有益的。

如图2所示是一种细长伸缩双作用液压缸，空心活塞杆3’的长度，如液压起重起重机伸缩臂油缸一般可选8-12M；该空心活塞杆3’组建通过铰轴式焊接杆头1’固定，油缸筒组件通过焊接式铰轴座4’与伸缩结构相连，在压力油的作用下，缸筒组件在运动导向装置13约束下实现往复运动，安装计算长度L_B基本就是活塞杆3’的长度。

如图2所示，该油缸空心活塞杆2’内腔本身与销轴式焊接杆头1’上的进油口P_A’相连通，另一端通过活塞杆头7’中心的油道与油缸筒5’的无杆腔相连通，形成压力油通道。通液管6’一端与销轴式焊接杆头1’上的回油口P_B’相连通，另一端通过弯头与活塞杆3’壁孔焊接，接通油路至油缸筒5’有杆腔。为防止焊接通液管6’振动设若干个支撑环10’。

而常规进油口P_A’与通液管6’焊接连接，并通过活塞杆头7’中间通孔直接与油缸筒5’无杆腔相连，活塞杆头7’端部与通液管6’焊接相连，通液管6’是直管，在空心活塞杆2’端部的杆头处打孔，将油缸筒5’有杆腔与回油口P_B’以及空心活塞杆2’内腔相通，此时空心活塞杆2’内腔仅为回油通路不能形成充压状态。

图2所示油缸有关充压后强度及抗弯曲稳定性的分析结构与图1所示结构相同，只是该类油缸多为细长油缸，充压提高稳定性的效果非常显著。

Claims

1.一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，包括油缸筒、空心活塞杆、活塞、导向套、活塞用密封及导向组件、活塞杆用密封及导向组件；所述空心活塞杆的活塞杆头固连运动活塞，活塞将油缸筒分隔成有杆腔和无杆腔；所述油缸筒设有进油口和回油口，压力油p_A和油缸筒无杆腔接通，回油p_B和有杆腔接通，其特征在于，将常规的两端焊接式杆头封闭的空心活塞杆容腔通过活塞安装端的活塞杆头上的通孔结构与油缸筒的无杆腔连通，形成充压活塞杆，增加液压缸空心活塞杆的受压抗弯曲稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，其特征在于，所述活塞杆头的通孔设置单向阀，该单向阀在压力油p_u的作用下打开，保持油缸无杆腔和空心活塞杆的容腔接通，由于压力油p_u随工作负载变化，当工作负载是变量，且负载随油缸行程变化，空心活塞杆空腔内压力油p_u为一段时间内油缸工作行程最大时的压力值p_uamix，当系统工作压力小于工作压力最大值p_uamix时，单向阀在已充空心活塞杆腔最大油压p_uamix作用下关闭阀口，直到更大的工作压力推开单向阀，连通空心活塞杆的容腔，单向阀记忆工作的最大压力p_uamix值，当伸缩行程最大或负载有震动载荷变化时，能够保证空心活塞杆获得最大的稳定性安全系数；该单向阀闭锁压力的时间仅存在于工作作业过程的有限时间内，装置不工作则阀的微小渗漏将导致压力归零，保证装置的安全性。

3.根据权利要求2所述的一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，其特征在于，所述单向阀包括阀体和锥阀芯，锥阀芯导向圆柱部分周向均布轴向油道，锥阀芯通过弹簧复位，并在杆腔压力油的作用下锥阀芯与阀座阀口形成密封，记忆单向阀部件与活塞杆头连接。

4.根据权利要求2所述的一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，其特征在于，所述空心活塞杆的外连接杆头处设置排气塞，用于充油开始阶段的排气，保证空心活塞杆充满油液。

5.根据权利要求1所述的一种增加液压缸空心活塞杆弯曲稳定性的充压结构，其特征在于，所述空心活塞杆的活塞杆头中心轴向开设油道，所述油道与空心活塞杆的腔体连接；所述空心活塞杆外焊接杆头上开设有进油口和回油口，进油口连通空心活塞杆的容腔以及油缸筒的无杆腔，形成压力油通道，使空心活塞杆成为充压活塞杆；所述活塞杆腔体内轴向设有空心通液管，空心通液管接近活塞的一端通过弯头与空心活塞杆上开设的孔焊接，并由该孔伸出，连通油缸筒有杆腔，另一端与回油口连接，形成回油通路；所述通液管的外部沿其轴向设有若干支承环，支承环上留有过油通孔；通液管的弯头处形成半圆形弯曲，具有弹性减震功能，保证焊缝受力安全。

6.判断权利要求1-5任意一项权利要求所述的充压结构是否需要充压的判别方法，其特征在于，在结构已经确定的条件下，内外径相同的空心活塞杆，其充压与否在承载能力上有何差别，运用塑性力学的屈服条件及材料力学弹性理论分析，推导给出定性的判别方法和定量的计算公式，并得出充压好否的条件，判别是否需要充压及在不同长度的情况下充压所获得的稳定性承载能力增加值，即：

按活塞杆的柔度系数，长度与外径之比λ进行判别，实际计算柔度为λ，λ₁、λ₂为充压安全条件，结论是，1)短粗空心活塞杆λ≤λ₂不存在稳定性问题，充压后其承载能力将降低，不应充压；2)细长空心活塞杆λ≥λ₁稳定性问题已上升为主要矛盾，则充压后可提高其承载能力，且承载能力有较大提高，充压性好；3)对中长空心活塞杆λ₂≤λ≤λ₁则需分析计算充压后提高承载能力的条件及增加对百分比，若增加比例不大，充压后好处不则不必充压。