試論滑動(dòng)副間隙的驅(qū)動(dòng)油液壓缸鉸接耳的設(shè)計(jì)

錢統(tǒng)傲

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001）

0 引言

液壓缸作為直線運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)元件，或者回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)元件在煤礦機(jī)械上被廣泛應(yīng)用。液壓缸在工作過程中，只能承受軸向載荷，而不允許承受彎矩，以避免液壓缸泄露或發(fā)生更嚴(yán)重的損壞。因此，液壓缸作為直線運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)元件時(shí)，通常伴隨設(shè)計(jì)有滑道，以承受側(cè)向彎矩，保護(hù)液壓缸，但滑道使用過程中必然存在間隙，相對應(yīng)液壓缸兩端鉸接耳與銷軸之間必須留有相應(yīng)間隙或者采取別的措施，保證液壓缸不承受彎矩，本文就鉸接耳的連接方式及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析及計(jì)算[1～3]。

1 鉸接耳的常見結(jié)構(gòu)形式

滑動(dòng)副結(jié)構(gòu)如圖1 所示，滑動(dòng)部件3 沿滑道1 運(yùn)動(dòng)，液壓缸一端與滑道2 鉸接，另一端與滑動(dòng)部件3 鉸接，液壓缸兩端鉸接耳的設(shè)計(jì)即是本文的研究內(nèi)容。

（1）按銷軸的定位方式區(qū)分。鉸鏈銷軸的軸向必須定位，銷軸的周向定位可分為周向自由和周向固定兩種方式，在礦山機(jī)械中，為了減少襯套的使用數(shù)量，一般采用銷軸周向固定的方式。銷軸的周向定位方式常采取圖2 所示的限位擋板（a）、定位螺栓（b）、蓋銷（c）、漲緊連接套（d）等方式，在周向定位的同時(shí)對銷軸的軸向也進(jìn)行定位，此外也有采用限位銷（e）等方式單獨(dú)定位銷軸周向的結(jié)構(gòu)方式。

（2）按銷軸的布置方式區(qū)分。在由滑道、滑動(dòng)部件和液壓缸組成的系統(tǒng)中，液壓缸兩端分別與滑道、滑動(dòng)部件鉸接，液壓缸兩端鉸鏈中銷軸的相對位置有平行和相交兩種方式，其中相交布置多采用垂直布置。

（3）按銷軸與液壓缸的連接方式區(qū)分。按銷軸與液壓缸的連接方式不同，可分為液壓缸銷孔內(nèi)嵌套耐磨軸套和內(nèi)嵌關(guān)節(jié)軸承兩種連接方式。

圖1 滑動(dòng)副示意圖Fig.1 The schematic of sliding pair

圖2 銷軸的周向定位方式Fig.2 The Positioning way of circumferential of pin

2 作業(yè)單元受單向側(cè)向載荷時(shí)鉸接耳的設(shè)計(jì)

作業(yè)單元在工作過程中若僅承受Z 向的軸向載荷，當(dāng)液壓缸垂直布置時(shí)，在不考慮加工誤差的前提下，載荷完全由液壓缸平衡，滑道僅起穩(wěn)定的作用，兩端鉸鏈的銷軸無論采取平行布置還是相交布置，鉸接耳的設(shè)計(jì)按常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)即可。

當(dāng)作業(yè)單元在工作過程中除了承受Z 向的軸向載荷外，還受X 或Y 向的單向側(cè)向載荷時(shí)，鉸接耳的設(shè)計(jì)與銷軸的布置方式相關(guān)，假設(shè)作業(yè)單元受Y 向的側(cè)向載荷，對鉸接耳的設(shè)計(jì)作如下分析。

（1）銷軸平行布置。若液壓缸兩端鉸鏈的銷軸沿X向平行布置時(shí)，考慮滑道與滑動(dòng)部件之間的間隙S，組件工作過程中，液壓缸的受力情況如圖3（a）所示，側(cè)向載荷FY 由滑動(dòng)部件與滑道之間的接觸力平衡，液壓缸作為二力桿只承受軸向力，鉸接耳的設(shè)計(jì)按常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)即可。

若液壓缸兩端鉸鏈的銷軸沿Y 向平行布置時(shí)，由于滑道與滑動(dòng)部件之間存在間隙S，假設(shè)液壓缸銷軸孔與銷軸之間間隙極小，各構(gòu)件的受力情況如圖3 （b） 所示，液壓缸在承受軸向載荷的同時(shí)，還受側(cè)向彎矩載荷的作用，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)主動(dòng)避免。

圖3 單向側(cè)向載荷-銷軸平行布置時(shí)液壓缸受力Fig.3 The mechanical model of the hydraulic cylinder under one-way lateral load and pins parallel arrangement

（2）銷軸垂直布置。若液壓缸兩端鉸鏈的銷軸垂直布置時(shí)，受力情況如圖4 所示，在摩擦力Ff 的作用下，無論是圖4（a）所示的下端縱向，上端橫向布置，還是圖4（b）所示的下端橫向，上端縱向布置，液壓缸在工作過程中都不可避免的要承受彎矩，因此工程應(yīng)用中應(yīng)盡量避免。

通過上述分析可得出，若作業(yè)單元工作過程中受單向側(cè)向載荷，液壓缸兩端鉸鏈的銷軸應(yīng)平行布置，且銷軸軸向與載荷方向垂直。

圖4 單向側(cè)向載荷-銷軸垂直布置時(shí)液壓缸受力Fig.4 The mechanical model of the hydraulic cylinder under one-way lateral load and pins vertical arrangement

3 作業(yè)單元受雙向側(cè)向載荷時(shí)鉸接耳的設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，還存在作業(yè)單元同時(shí)受X、Y、Z 三個(gè)方向載荷作用的工況。

（1）銷軸平行布置。當(dāng)作業(yè)單元同時(shí)受X、Y、Z三個(gè)方向的載荷作用，且液壓缸兩端銷軸時(shí)平行布置時(shí)，其中與銷軸軸向垂直的載荷可以被滑道與滑動(dòng)部件之間的接觸力平衡，如圖3（a）所示，其中與銷軸軸向平行的載荷則會(huì)給液壓缸的帶來彎矩載荷，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過相應(yīng)手段予以消除。

（2）銷軸垂直布置。當(dāng)作業(yè)單元同時(shí)受X、Y、Z 三個(gè)方向的載荷作用，且液壓缸兩端銷軸時(shí)垂直布置時(shí)，液壓缸的受力狀況是圖4（a）和圖4（b）的疊加，即液壓缸除受軸向拉力（壓力）外，在兩端鉸接耳處會(huì)同時(shí)受到沿銷軸方向的摩擦力和垂直于銷軸方向的彎矩，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)應(yīng)通過相應(yīng)手段將液壓缸所受彎矩予以消除。

（3）消除液壓缸彎矩的常用手段。為了消除液壓缸工作過程中所受到的彎矩，可以采用以下兩種手段： 第一種： 在液壓缸銷孔內(nèi)嵌套關(guān)節(jié)軸承；第二種： 增大液壓缸銷孔與銷軸之間的間隙。

4 通過增加間隙量對液壓缸鉸接耳的設(shè)計(jì)

當(dāng)作業(yè)單元受雙向側(cè)向載荷，且液壓缸兩端鉸鏈的銷軸平行布置時(shí)，其中與銷軸軸向垂直的載荷被滑道與滑動(dòng)部件之間的接觸力平衡，為了消除液壓缸所受彎矩，通過增大液壓缸銷孔與銷軸之間的間隙，使滑動(dòng)部件能與滑道雙線接觸，從而平衡與銷軸軸向平行的側(cè)向載荷，平衡后構(gòu)件間的位置關(guān)系如圖5 所示。

圖5 增大銷孔直徑后構(gòu)件間的位置關(guān)系Fig.5 The location of components after increased the size of the pin hole

圖5 中： a—滑動(dòng)部件的寬度；b1—液壓缸與滑道鉸接處銷孔深度；b2—液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔深度；S—滑動(dòng)部件與滑道之間的單邊間隙；L1—滑動(dòng)部件與滑道之間的搭接長度；L2—滑動(dòng)部件銷孔距端部的距離；L3—液壓缸的長度；θ—滑動(dòng)部件的偏轉(zhuǎn)角；α—液壓缸的偏轉(zhuǎn)角；Δd1—液壓缸與滑道鉸接處銷孔與銷軸的間隙量；Δd2—液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔與銷軸的間隙量。通過分析可得滑動(dòng)部件的偏轉(zhuǎn)角θ 為：

液壓缸上鉸接點(diǎn)相對于初始位置（圖3（b））的水平偏離量L 為：

液壓缸相對于初始位置的偏轉(zhuǎn)角α 為：

液壓缸與滑道鉸接處銷孔與銷軸的最小間隙量Δd1：

滑動(dòng)部件與液壓缸的夾角相對于初始位置變化量γ：

液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔與銷軸的最小間隙量Δd2 為：

聯(lián)合式（1）~式（4）整理可得Δd1 為：

聯(lián)合式（1）～（3）及（5）和（6）整理可得Δd2 為：

為了求得Δd1 和Δd2 的最大值，式（7）、式（8）中L3應(yīng)取液壓缸的最大長度，L1 取滑動(dòng)部件與滑道之間的最小搭接長度。

當(dāng)作業(yè)單元受雙向側(cè)向載荷，且液壓缸兩端鉸鏈的銷軸垂直布置時(shí)，液壓缸與滑道鉸接處銷孔按式（7）增大相應(yīng)間隙，液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔按式（8）增大相應(yīng)間隙。

作業(yè)單元受單向側(cè)向載荷，液壓缸兩端銷軸平行布置，當(dāng)銷軸軸向與載荷方向平行時(shí)，液壓缸與滑道鉸接處銷孔按式（7）增大相應(yīng)間隙，液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔按式（8）增大相應(yīng)間隙；當(dāng)銷軸軸向與載荷方向垂直時(shí)，液壓缸兩端銷孔公稱尺寸與銷軸相同。

作業(yè)單元受單向側(cè)向載荷，液壓缸兩端銷軸垂直布置，當(dāng)液壓缸與滑道鉸接處銷軸軸向與載荷平行時(shí)，液壓缸與滑道鉸接處銷孔按式（7）增大相應(yīng)間隙量，液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔公稱尺寸與銷軸相同；當(dāng)液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷軸軸向與載荷平行時(shí)，液壓缸與滑動(dòng)部件鉸接處銷孔按式（8）增大相應(yīng)間隙量，液壓缸與滑道鉸接處銷孔公稱尺寸與銷軸相同。

5 結(jié)論

本文對含有間隙的滑動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)油液壓缸進(jìn)行了充分分析，得出了以下結(jié)論：

（1）得出不同載荷類型、不同銷軸布置方式下的液壓缸的受力模型。

（2）當(dāng)作業(yè)單元受單向側(cè)向載荷時(shí)，液壓缸兩端鉸鏈的銷軸應(yīng)平行布置，且銷軸軸向與載荷方向垂直；當(dāng)液壓缸兩端銷軸無法做到軸向與載荷方向垂直布置時(shí)，應(yīng)在銷軸與銷孔之間增加關(guān)節(jié)軸承，或者增大液壓缸銷孔的公稱尺寸。

（3）當(dāng)作業(yè)單元受雙向側(cè)向載荷時(shí)，無論液壓缸兩端銷軸怎么布置，銷軸與液壓缸銷孔之間需增加關(guān)節(jié)軸承，或者增大液壓缸銷孔的公稱尺寸。

（4）當(dāng)通過增大液壓缸銷孔與銷軸之間的間隙的方式消除液壓缸彎矩載荷時(shí)，本文推導(dǎo)得出了各種工況下，銷孔公稱直徑的最小增加量。

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[2] 董磊，任家駿，王喜勝，等. 懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的建模與動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，6.

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