臥式擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套設(shè)計(jì)方法研究

王鑫

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

臥式擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套設(shè)計(jì)方法研究

王鑫

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套主要功能為定位和支撐主柱塞，并在主柱塞運(yùn)動(dòng)過程中起到導(dǎo)滑作用。本文從導(dǎo)套的功能要求、潤(rùn)滑原理、泄壓通道要求和泄荷槽形式等方面說明了導(dǎo)套設(shè)計(jì)要求，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)動(dòng)壓要求、導(dǎo)套水平度要求和載荷要求三方面分別對(duì)導(dǎo)套長(zhǎng)度進(jìn)行研究，建立了導(dǎo)套長(zhǎng)度和導(dǎo)套直徑的函數(shù)關(guān)系，最后歸納了主缸導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟。

臥式擠壓機(jī)；主缸；導(dǎo)套；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)擠壓機(jī)而言，安裝于后梁上的主缸是其最重要的部件，是液壓能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，尤其對(duì)大型擠壓機(jī)來說，主缸使用周期的長(zhǎng)短影響著企業(yè)效益。主缸的主要問題是漏油，其原因?yàn)槊芊饧栴}，而影響密封件壽命的原因雖然很多，但是缸體內(nèi)導(dǎo)套的設(shè)計(jì)是影響密封件壽命的原因之一，所以分析導(dǎo)套受力情況，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，探討導(dǎo)套設(shè)計(jì)方法，為延長(zhǎng)主缸的使用周期非常重要。

1 主缸導(dǎo)套設(shè)計(jì)要求

為合理設(shè)計(jì)擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套，首先應(yīng)對(duì)其功能、工作環(huán)境及導(dǎo)套正常工作的影響因素進(jìn)行分析。導(dǎo)套安裝于主缸，主缸安裝于后梁，如圖1所示。

圖1 擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套安裝位置圖

1.1 主缸導(dǎo)套功能要求

導(dǎo)套的功能是主柱塞的定位和主柱塞的支撐，在主柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)起定位和導(dǎo)滑作用，所以，為滿足定位需求，主柱塞和導(dǎo)套的間隙及導(dǎo)套的長(zhǎng)度之比必須滿足擠壓梁的水平運(yùn)動(dòng)要求＞0.05/1000；為滿足支撐主柱塞的要求，導(dǎo)套承壓面上的比壓＜6kg/cm2；為滿足導(dǎo)滑的要求，結(jié)構(gòu)上要考慮有泄壓槽。

1.2 潤(rùn)滑原理分析

主柱塞在運(yùn)動(dòng)過程中是液體潤(rùn)滑，主柱塞與導(dǎo)套的摩擦力和液體的粘度大小成正比，在主柱塞前進(jìn)的方向由于動(dòng)壓的作用，主柱塞和導(dǎo)套已經(jīng)隔離開，主柱塞和導(dǎo)套的摩擦已經(jīng)由兩種材料的摩擦變成液體的摩擦，在這種狀況下摩擦系數(shù)非常小，磨損也非常小。而動(dòng)壓的產(chǎn)生源于液壓楔的作用，主柱塞和導(dǎo)套之間的液壓楔源于主缸的密封，其動(dòng)壓分布如圖2所示。

圖2 主缸導(dǎo)套動(dòng)壓分布圖

由于主柱塞重力的原因，導(dǎo)套下部的動(dòng)壓大于上部的動(dòng)壓，上下部的動(dòng)壓差只要大于一定值，主柱塞和導(dǎo)套在運(yùn)動(dòng)中便可隔離開。主柱塞密封原理如圖3所示，密封的最佳效果是主柱塞伸出時(shí)，表面帶有一層薄的油膜，即液體產(chǎn)生的動(dòng)壓力和密封的預(yù)壓力接近；縮回時(shí)將油膜帶回，原因在于液體的摩擦，使密封腔產(chǎn)生負(fù)壓。

圖3 主缸主柱塞密封原理

1.3 導(dǎo)套泄壓通道要求

由于主柱塞在前進(jìn)過程中動(dòng)壓的產(chǎn)生，不可避免地對(duì)密封圈產(chǎn)生影響，為了既利用動(dòng)壓，又不損害密封圈，在導(dǎo)套上加工有各種泄壓槽，以使動(dòng)壓的值控制在一定范圍內(nèi)，通常泄壓槽形式如圖4所示。

圖4 導(dǎo)套泄壓槽形式

如圖4兩種泄壓通道形式，由于規(guī)格DN40-DN500的導(dǎo)套一般用于活塞桿的導(dǎo)套，活塞桿為兩點(diǎn)支撐，導(dǎo)套的支撐力較小受力，所以選擇4a內(nèi)螺旋形泄壓通道；規(guī)格DN520-DN2000的導(dǎo)套一般用于柱塞缸，柱塞不但重量重，而且還受偏載，故選擇4b導(dǎo)向環(huán)開口的泄壓通道。

2 主缸導(dǎo)套設(shè)計(jì)方法

根據(jù)導(dǎo)套在主缸中的作用及工作環(huán)境條件，導(dǎo)套的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為導(dǎo)套的長(zhǎng)度及卸荷通道的尺寸，經(jīng)過實(shí)踐研究，本文從根據(jù)動(dòng)壓要求、導(dǎo)套水平度要求和載荷要求三個(gè)方面分別確定導(dǎo)套的長(zhǎng)度。

2.1 根據(jù)動(dòng)壓要求確定導(dǎo)套長(zhǎng)度

導(dǎo)套的長(zhǎng)度既要考慮承載的重量，還要考慮形成的動(dòng)壓值，根據(jù)動(dòng)壓值的大小確定導(dǎo)套的長(zhǎng)度，首先確定導(dǎo)套和主柱塞間的間隙，規(guī)格DN40-DN500的配合為H8/f7，規(guī)格DN520－DN2200的配合為H7/f7，公差等級(jí)7級(jí)IT7的標(biāo)準(zhǔn)公差為

公差等級(jí)8級(jí)IT8的標(biāo)準(zhǔn)公差為

偏差為

導(dǎo)套直徑為Dmm，導(dǎo)套長(zhǎng)度為L(zhǎng)mm，導(dǎo)套和柱塞的間隙值取配合間隙的平均值，所以配合為H8/f7導(dǎo)套和柱塞間隙的平均值為

配合為H7/f7導(dǎo)套和柱塞間隙的平均值為

導(dǎo)套和主柱塞的實(shí)際情況一定是處于偏心狀況，在運(yùn)行時(shí)油膜厚度隨時(shí)發(fā)生變化，為計(jì)算方便，在動(dòng)壓公式中，取油膜厚度

hs=Hs

由動(dòng)壓計(jì)算公式得

式中：η——?jiǎng)恿φ扯?，kg/ms；

v——運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

ρ——油液密度，kg/m3；

γ——運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

由于導(dǎo)套和主柱塞在運(yùn)動(dòng)過程中各處的間隙不一樣，所以動(dòng)壓的分布不同；隨著速度和間隙的不同，動(dòng)壓的分布也不同，而三者是相互關(guān)聯(lián)的。

在油膜厚度一定的條件下，將式（4）、（5）代入式（6）可得導(dǎo)套直徑與導(dǎo)套長(zhǎng)徑比的關(guān)系如圖5所示。

隨著D的增大，L/D的比值變化并不大，D從 500～2000mm變化，L/D的變化為0.34～0.52，所以導(dǎo)套長(zhǎng)度L可用上式計(jì)算，然后圓整。

圖5 導(dǎo)套長(zhǎng)徑比L/D與直徑D關(guān)系圖

2.2 根據(jù)水平度確定導(dǎo)套長(zhǎng)度

導(dǎo)套和主柱塞配合為 的情況下，取配合間隙的平均值如式（5）所示。取在配合間隙的為平均值的情況下，主柱塞的水平度為0.22/1000mm，則導(dǎo)套的長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)

推導(dǎo)得

可得導(dǎo)套長(zhǎng)度L與導(dǎo)套直徑D之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 導(dǎo)套長(zhǎng)度L與直徑D關(guān)系圖

隨著D的增大，長(zhǎng)徑比L/D→0.5，在此情況下，只要擠壓桿的水平度在0.15/1000范圍內(nèi)，主柱塞在運(yùn)行過程中便不會(huì)影響導(dǎo)套，即與導(dǎo)套發(fā)生偏摩。

2.3 根據(jù)載荷確定導(dǎo)套長(zhǎng)度

由于導(dǎo)套上的載荷不是均勻分布的，為了設(shè)計(jì)的可性行，設(shè)定一個(gè)導(dǎo)套材料的面壓值為

受壓面積為

載荷為主柱塞的重量M；

導(dǎo)套的長(zhǎng)度為

可得導(dǎo)套直徑 與導(dǎo)套長(zhǎng)徑比 間在不同比壓下的關(guān)系如圖7所示?？梢姶蟮闹麘?yīng)選擇大的比壓。

3 導(dǎo)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7 導(dǎo)套長(zhǎng)徑比L/D與直徑D關(guān)系圖

利用如上推導(dǎo)的主缸導(dǎo)套長(zhǎng)度計(jì)算公式及泄油槽選用方式，結(jié)合JB/T2001-3《水系統(tǒng) 導(dǎo)套 形式與尺寸》，即可進(jìn)行主缸導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

STEP1：導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù) JB/T2001-3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格尺寸確定。

STEP2：長(zhǎng)度尺寸 及泄壓槽尺寸根據(jù)以下的分析確定：①柱塞和導(dǎo)套的間隙及柱塞的水平度確定；②柱塞的重量和導(dǎo)套的比壓確定。

綜合以上要求確定導(dǎo)套的長(zhǎng)度尺寸為：

導(dǎo)套DN40-DN300的高度L=0.4D

導(dǎo)套DN320-DN500的高度L=0.55D

導(dǎo)套DN520-DN2000的高度L=0.65D

STEP3：泄壓槽的導(dǎo)套DN DN40-DN500的泄壓通道為螺旋形；導(dǎo)套DN DN520-DN2000的泄壓通道為直槽形。

STEP4：導(dǎo)套DN DN40-DN300的泄壓通道為螺旋形，螺旋角升角10°，單線；導(dǎo)套DN DN320-DN500的泄壓通道為螺旋形，螺旋角升角10°，雙線。

STEP5：導(dǎo)套DN DN520-DN2000的泄壓通道為直槽形。

圖8 導(dǎo)套三維設(shè)計(jì)模型

4 結(jié)論

（1）總結(jié)歸納了擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套的功能，分析了導(dǎo)套的設(shè)計(jì)要求。

（2）分別根據(jù)主缸導(dǎo)套的動(dòng)壓要求、導(dǎo)套水平度要求和載荷要求三個(gè)方面分別確定導(dǎo)套的長(zhǎng)度進(jìn)行研究。

（3）歸納了主缸導(dǎo)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟。

綜合以上對(duì)導(dǎo)套的分析，導(dǎo)套對(duì)擠壓機(jī)調(diào)整，即主柱塞和導(dǎo)套的同心度有直接的影響，本文設(shè)計(jì)方法尤其對(duì)大型擠壓機(jī)主缸導(dǎo)套的設(shè)計(jì)具有參考意義。

[1]魏 軍．金屬擠壓機(jī)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．.

[2] Laue，K．Extrusion（美）[M]．American Society for Metals，1976．

[3] Pearson，C.E．The Extrusion of Metals[M]．John Wiley，New York，1944.

[4]徐秉業(yè)，劉信聲．應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1995.

[5]張志涌，劉瑞楨.掌握和精通MATLAB[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997．

[6] 趙長(zhǎng)財(cái)，張 濤.液壓機(jī)立柱導(dǎo)套接觸應(yīng)力研究[J].重型機(jī)械，1995，（4）：14-16.

[7] 郭立新.鍛壓機(jī)導(dǎo)套對(duì)立柱作用反力的分析研究[J].冶金設(shè)備，2000，（3）：5-8.

[8] 岳竹墅.柱塞缸導(dǎo)套的尺寸檢驗(yàn)[J].工業(yè)加熱，1990，（4）：32-35.

[9]姚 明，董 吉.導(dǎo)柱導(dǎo)套定位精度對(duì)壓力機(jī)精度的影響[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1998，33（4）：17-18.

[10] 譚永康.對(duì)導(dǎo)套內(nèi)徑選擇的探討[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1992，（5）.

Study on design method of guide sleeve for main cylinder in horizontal extrusion press

WANG Xin
（Technology Center,Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd,Taiyuan 030024,Shanxi China）

The design requirements of the guide sleeve have been discussed in the text from the aspects of the functional requirements,lubrication principle,pressure relief channel requirement and the discharge groove form.On the basis of this,the guide sleeve length has been studied according to the requirement of dynamic pressure,the guide sleeve levelness and the load.The function relation between the guide sleeve length and the diameter has been established.Finally,the structural design steps of the guide sleeve for main cylinder have been summarized.

Horizontal extrusion press;Guide sleeve of main cylinder;Structure design

TG375

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.013

1672-0121（2017）01-0054-04

2016-10-12；

2016-12-06

王 鑫（1984-），男，碩士，工程師，從事液壓機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail：wangxin19840827@163.com