一種新型的鋼球增力液壓夾具.pdf

新技術(shù)開發(fā) 一種新型的鋼球增力液壓夾具 蘇東寧,鐘康民 (濟(jì)南大學(xué),山東 濟(jì)南250000) 摘要:介紹了一種新型的鋼球增力液(氣)夾具,推出了其理論增力系數(shù)和實(shí)際增力系數(shù)的計(jì)算公式,并對(duì)它與其他兩種鋼 球增力液壓夾具的性能進(jìn)行了比較。 關(guān)鍵詞:對(duì)稱;鋼球增力機(jī)構(gòu);無(wú)桿液壓缸;增力系數(shù);夾具;壓力角;摩擦損失 中圖分類號(hào):TH13715 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1006 - 0316(2003)04 - 0066 - 03 A new kind of hydraulic fixture combined with steelball amplifier SU Dong2ning , ZHONG Kang2min (Dept1of Mechanical Engineering of Jinan University , Jinan 250002 , China) Abstract :This paper introduces a new kind of hydraulic fixture combined with steel2ball amplifier , gives the formulas of ideal force increasing ratio and actual force increasing ratio1The comparison in performance characteristics with other two kinds of hydraulic fix2 tures combined with steel2ball amplifier was also shown1 Key words :steel2ball amplifier ;rodless hydraulic cylinder ;force increasing ratio ;fixture ,symmetry;pressure angle;friction loss1 收稿日期:2003 - 01 - 13 作者簡(jiǎn)介:蘇東寧(1965 - ) ,機(jī)械工程碩士,講師。 機(jī)械增力機(jī)構(gòu)與液壓夾具相結(jié)合,能有效地降 低系統(tǒng)的工作壓力,延長(zhǎng)工作壽命,減小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 尺寸。在各種增力機(jī)構(gòu)中,鋼球增力機(jī)構(gòu)具有力傳 遞效率高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造工藝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn) 1中介紹了兩種基于鋼球增力機(jī)構(gòu)的液壓夾具,但 其僅給出了理論增力系數(shù)的計(jì)算公式,這給實(shí)際應(yīng) 用帶來(lái)不便。本文將簡(jiǎn)單介紹這兩種夾具的工作原 理,推出其實(shí)際增力系數(shù)。同時(shí)我們還要介紹一種 新型的具有雙活塞無(wú)桿液壓缸的鋼球增力液壓夾 具,給出其理論增力系數(shù)和實(shí)際增力系數(shù),最后,對(duì) 這三種增力機(jī)構(gòu)的性能作一下比較。 1 鋼球增力機(jī)構(gòu)與單活塞無(wú)桿液壓缸 111 工作原理 圖1、 圖2所示分別為文獻(xiàn)1所介紹的在液壓 夾具中與單活塞無(wú)桿液壓缸組合使用的雙鋼球和三 鋼球增力機(jī)構(gòu),其工作原理為:當(dāng)換向閥位于左位 時(shí),壓力油進(jìn)入液壓缸左腔,在壓力油的作用下,活 塞向右移動(dòng),置于活塞中部孔中的鋼球隨之推動(dòng)上 方的鋼球向上運(yùn)動(dòng)(圖2中將活塞中部銑扁,并加工 出一個(gè)通孔,工作時(shí)中間鋼球在下面的鋼球作用下 推動(dòng)上方鋼球向上運(yùn)動(dòng))。在這個(gè)過(guò)程中,鋼球?qū)⑤?入力進(jìn)行了放大,并由右上方的鋼球?qū)⒎糯蠛蟮牧?Fo傳遞出去,推動(dòng)夾具上的元件(未示出)夾緊工 件。當(dāng)換向閥位于右位時(shí),活塞向左移動(dòng),右上方鋼 球下降,夾具將工件松開。 需注意的是,圖2所示系統(tǒng)中的右上方鋼球與 右下方鋼球的中心線應(yīng)位于同一垂直線上。 圖1 雙鋼球增力機(jī)構(gòu) 圖2 三鋼球增力機(jī)構(gòu) 66 機(jī)械 2003年第30卷第4期 112 力學(xué)計(jì)算 在忽略了鋼球與各接觸面間的滾動(dòng)摩擦的前提 下,經(jīng)建模分析計(jì)算,圖1所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù) it與實(shí)際增力系數(shù)ip的計(jì)算公式分別為: it= Fot d2 4 p = 1 tan (1) ip= Fop d2 4 p = 1 - tan(+)tan tan(+)+ tan (2) 圖2所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it與實(shí)際增力系 數(shù)ip的計(jì)算公式分別為: it= Fot d2 4 p = 1 2tan (3) ip= Fop d2 4 p = 1 - tan(+)tan1 - tan(+)tan 2tan(+ ) 1 +tantan (4) 式中: Fot為理論輸出力; Fop為實(shí)際輸出力; d為活塞 直徑; p為液壓缸左腔壓力;為理論壓力角;為兩 鋼球間的滑動(dòng)摩擦角;為力輸出件(即右上方鋼 球)與導(dǎo)向孔間的滑動(dòng)摩擦角;為液壓缸與活塞間 的滑動(dòng)摩擦角;為中間鋼球與活塞內(nèi)孔間的滑動(dòng) 摩擦角。 2 鋼球增力機(jī)構(gòu)與雙活塞無(wú)桿液壓缸 在圖1、 圖2所示兩種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,我們研究 開發(fā)出一種新型的鋼球增力液壓夾具,即圖3所示 的具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三鋼球增力機(jī)構(gòu)與雙活塞無(wú)桿液 壓缸組合而成的液壓夾具。此機(jī)構(gòu)的工作原理同圖 1、 圖2所示系統(tǒng),區(qū)別在于結(jié)構(gòu):在圖2系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上,增添了與其對(duì)稱布置的另一增力裝置。工作時(shí), 兩邊機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作,共同完成將輸入力放大并將工 件夾緊的功能。 圖3 液壓夾具 經(jīng)分析計(jì)算,此系統(tǒng)的任一邊增力機(jī)構(gòu)的理論 增力系數(shù)的計(jì)算公式與公式(3)完全相同,即: it= Fot d2 4 p = 1 2tan (5) 系統(tǒng)任一邊實(shí)際增力系數(shù)ip的計(jì)算公式為: ip= Fop d2 4 p = 1 - tan(+)tan 2tan(+ ) 1 + tantan (6) 式中符號(hào)含義同公式(4)。 3 性能比較 311 增力效益 由公式(1)、 式(3)、 式(5)可看出,在忽略了各接 觸面的摩擦的條件下,圖1所示系統(tǒng)的理論增力系 數(shù)it是圖2、 圖3系統(tǒng)的2倍。但在考慮了滑動(dòng)摩 擦后,它們的差別并非如此大。例如,設(shè)理論壓力角 = 8,各滑動(dòng)摩擦角= 5 時(shí),由公式 (2)、 式(4)、 式(6)計(jì)算出的實(shí)際增力系數(shù)ip分別為 31076,21063,21106,即圖1所示系統(tǒng)的增力效益分 別是圖2圖3所示系統(tǒng)的1149及1146倍。上述討 論可看出,從增力效益看,圖1系統(tǒng)最佳,圖3所示 系統(tǒng)次之,圖2系統(tǒng)相對(duì)較差。 我們?cè)賮?lái)比較一下式(4)、 式(6 ) , 會(huì)發(fā)現(xiàn):它們 的區(qū)別在于式(6)中的ip表達(dá)式少了一項(xiàng)1 - tan( +)tan ,而這一項(xiàng)恰恰是因?yàn)檩敵黾撉蚺c導(dǎo)向 孔間的摩擦影響的結(jié)果。而這一結(jié)果的原因在于: 由于圖3系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性,使得系統(tǒng)的力輸 出件在水平方向的受力平衡,輸出件與導(dǎo)向孔間不 存在摩擦2,從而使得圖3所示的具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的 三鋼球增力機(jī)構(gòu)與雙活塞無(wú)桿液壓缸組合而成的液 壓夾具的增力效益較圖2所示的三鋼球增力機(jī)構(gòu)與 單活塞無(wú)桿液壓缸組合而成的液壓夾具的要高。這 一結(jié)論在較大載荷工作情況下尤顯其意義。 312 輸出件的行程 經(jīng)分析計(jì)算,當(dāng)活塞的有效水平位移相同時(shí),圖 2與圖3所示系統(tǒng)力輸出件的輸出位移相等,是圖1 所示系統(tǒng)的兩倍。即圖1所示系統(tǒng)的增力效益雖 佳,但它的行程卻不如圖2與圖3所示系統(tǒng)。 4 結(jié)論 上述所介紹的三種鋼球增力液壓夾具,從增力 效益看,圖1系統(tǒng)最佳,圖3所示系統(tǒng)次之,圖2系 統(tǒng)相對(duì)較差。就行程看,圖2及圖 3( 下轉(zhuǎn)第71頁(yè)) 76 機(jī)械 2003年第30卷第4期 表1 實(shí)驗(yàn)值與理論值比較 實(shí)驗(yàn)裝置號(hào)1號(hào)2號(hào) 試驗(yàn) 次數(shù) 測(cè)點(diǎn) 載荷 0 差值 45 差值 90 差值 0 差值 45 差值 90 差值 1 2N- 384066- 434070 4N- 76- 38763613266- 89- 46783814373 6N- 116- 401113519664- 134- 451163821572 8N- 154- 381463526670- 178- 441553928772 10N- 192- 381823633266- 223- 451954035871 差值均值- 381535156615- 451038187210 2 2N- 39103566- 444174 4N- 79- 40713613165- 89- 45803914773 6N- 118- 391083719867- 134- 451183821871 8N- 158- 401423426365- 180- 461584029072 10N- 198- 401773533168- 230- 431973936373 差值均值- 391835156613- 441839107215 3 2N- 4036- 4036- 444277 4N- 79- 3971- 79- 3971- 89- 45813914871 6N- 118- 39107- 118- 39107- 134- 451193822173 8N- 157- 39144- 157- 39144- 178- 441594029170 10N- 196- 39179- 196- 39179- 223- 451973836574 差值均值- 391035186718- 441838187210 表2 實(shí)驗(yàn)值與理論值比較 實(shí)驗(yàn)裝置號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?nèi)螠y(cè)量應(yīng)變均值2N下應(yīng)變理論值 1 0 45 90 - 3913 3515 6615 - 4116 3314 6510 2 0 45 90 - 4418 3819 7211 - 4217 3619 6714 參考文獻(xiàn): 1刑世建 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)M.重慶:重慶大學(xué)出版社,19981 2王紹銘,熊莉,等 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) M.北京:中國(guó)鐵道出版 社,20001 3陳鋒,段自力,等 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) M.武漢:華中理工大學(xué)出版 社,19991 4顧立成 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)M.陜西:西安地圖出版社,19941 5劉鴻文 1 材料力學(xué)上冊(cè)M.北京:高等教育出版社,19961 6鄭大素,江允正,楊淳.用優(yōu)化方法確定直角應(yīng)變花貼片最佳位置 振動(dòng)J .測(cè)試與診斷,1997 ,12(4) :53 - 55. (上接第67頁(yè))所示系統(tǒng)的行程是圖1所示系統(tǒng)的2 倍。若在承受較大工作載荷的場(chǎng)合下使用,可考慮 采用圖3所示的系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn): 1鐘康民,宋強(qiáng),郭培全.鋼球增力式液壓夾具.制造技術(shù)與機(jī)床, 1999 ,11 2 Zhong Kangmin , Guo Peiqua