YH26、YH27油壓緩沖器設(shè)計原理與計算

.PAGE.YH5/640、YH26/830、YH27/1080油壓緩沖器設(shè)計原理及計算XX東方機械廠200目錄油壓緩沖器技術(shù)參數(shù)………………〔3設(shè)計原理介紹………………〔3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析………………〔4設(shè)計計算及強度校核………………〔5柱塞筒壁厚設(shè)計計算柱塞筒強度校核柱塞筒的穩(wěn)定性校核壓力缸壁厚設(shè)計計算壓力缸壁厚強度校核壓力缸焊縫強度校核導(dǎo)向套強度校核擋圈強度校核復(fù)位彈簧設(shè)計計算地腳螺栓強度校核一、油壓緩沖器技術(shù)參數(shù)見表1表1東方型號最大額定速度<m/s>最大沖擊速度<m/s>最小沖擊質(zhì)量<kg>最大沖擊質(zhì)量<kg>緩沖行程<mm>YH5/6403.03.4512503750YH26/8303.54.0259004545YH27/10804.04.612504545東方型號自由高度<mm>底板孔距<mm>底板孔徑<mm>底板外形尺寸<mm>液壓油牌號YH5/6401696150x1004-φ16200x150N68YH26/8302260200x1504-φ17.5250x200N68YH27/10802910200x1504-φ17.5250x200N68二、設(shè)計原理介紹油壓緩沖器是利用液體流動的阻尼,緩解轎箱或?qū)χ氐臎_擊,具有良好的緩沖性能。油壓緩沖器受到撞擊后,液壓油從壓力缸內(nèi)腔通過節(jié)流嘴與調(diào)節(jié)桿形成的環(huán)狀孔隙進入柱塞筒的內(nèi)腔,見圖1,液壓油的流量由錐形調(diào)節(jié)桿控制。隨著柱塞筒的向下運動,節(jié)流嘴與調(diào)節(jié)桿形成的環(huán)狀孔隙逐漸減小,導(dǎo)致制停力基本恒定,在接近行程末端時減速過程結(jié)束。在制停轎箱或?qū)χ剡^程中,其動能轉(zhuǎn)化為油的熱能,即消耗了轎箱或?qū)χ氐膭幽?。排油截面積的設(shè)計：油壓緩沖器的制動特性主要取決于排油截面的設(shè)計。合理地設(shè)計排油截面將使緩沖過程平穩(wěn),沖擊力小。在節(jié)流嘴內(nèi)孔確定的情況下,改變調(diào)節(jié)桿的錐度可達到合理的排油截面。應(yīng)用流體力學(xué)原理可計算出合理的排油截面,從理論上計算出來的調(diào)節(jié)桿是一連續(xù)變化的曲面,與錐面接近,但加工和測量比較困難。調(diào)節(jié)桿的實際錐度需要通過大量的試驗后才能定型,以便達到最佳效果。圖1三、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析YH5/640、YH26/830、YH27/1080:結(jié)構(gòu)與我廠現(xiàn)有定型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)基本相同,復(fù)位彈簧放在柱塞筒的內(nèi)部,油標(biāo)放在壓力缸的側(cè)面。該產(chǎn)品設(shè)計時采用全封閉結(jié)構(gòu),緩沖器作用期間無向外泄漏液壓油的現(xiàn)象。緩沖器頂部裝有密封螺塞部件,起到單向閥的作用〔此項技術(shù)在我廠的定型緩沖器產(chǎn)品中已經(jīng)采用,并獲得國家專利,在緩沖器受到撞擊時柱塞筒向下運動,此時密封螺塞部件受到內(nèi)腔壓力的作用而保持關(guān)閉的狀態(tài),當(dāng)緩沖器復(fù)位時,在復(fù)位彈簧的作用下,柱塞筒向上運動,接近復(fù)位末端時單向閥打開,使緩沖器完全復(fù)位,具體結(jié)構(gòu)見圖2。緩沖器的注油方式和油位檢查：旋下密封螺塞部件和螺塞,從頂部注入液壓油,然后用油標(biāo)測量油位,油位應(yīng)在油標(biāo)上、下刻線之間,旋緊螺塞和密封螺塞部件。圖2四、設(shè)計計算及強度校核1、柱塞筒壁厚設(shè)計計算柱塞筒受力分析：緩沖器受到撞擊后,柱塞筒內(nèi)腔壓力與壓力缸內(nèi)腔壓力相比很小,可以認(rèn)為柱塞筒主要受到緩沖器作用期間的制停力。首先應(yīng)確定撞擊油壓緩沖器的最大撞擊力和柱塞部件中柱塞筒的外徑,然后計算其壁厚。設(shè)定緩沖器作用期間的減速度為1g,則緩沖器作用期間的制停力F=2g〔P+Q1…〔1式中：〔P+Q1——最大沖擊質(zhì)量〔kg設(shè)定：柱塞筒外徑為D1、、柱塞筒內(nèi)徑為d1、最小壁厚為δ1、柱塞筒橫截面積為S、材料屈服強度為бs則：S=π×〔D12－d12/4………〔2柱塞筒受最大壓應(yīng)力：б=F/S………〔3安全系數(shù)n1=бs/б≥3.5………〔4將〔1、〔2、〔3代入式〔4整理后得：d1≤√D12－14×F/πбs………〔5柱塞筒最小壁厚δ≥〔D1－d1/2………〔6將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式,計算結(jié)果見表2注：柱塞筒材料選用20#鋼,根據(jù)GB8162-87,對于20#鋼取бs=245<Mpa>,延伸率：20%,安全系數(shù)n1取3.5。表2項目符號單位產(chǎn)品型號YH5/640YH26/830YH27/1080最大沖擊質(zhì)量〔P+Q1kg375045454545最大制停力FN735008908289082柱塞筒外徑D1mm103.84103.81103.81柱塞筒最小內(nèi)徑d1mm959595柱塞筒最小壁厚δmm4.424.414.412、柱塞筒強度校核根據(jù)計算結(jié)果和實際結(jié)構(gòu)需要設(shè)計柱塞部件,所設(shè)計的柱塞筒結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3。按圖3尺寸對其強度校核,計算結(jié)果見表3。表3項目符號單位產(chǎn)品型號YH5/640YH26/830YH27/1080最大沖擊質(zhì)量〔P+Q1kg375045454545最大制停力F=2g×〔P+Q1N735008908289082柱塞筒最小外徑D1mm103.84103.81103.81柱塞筒最大內(nèi)徑d1mm959595柱塞筒最小壁厚δ=〔D1-d1/2mm4.424.414.41柱塞橫截面積S=π×〔D12-d12/4mm2138013751375最大壓應(yīng)力б=F/SMPa53.364.864.8材料屈服應(yīng)力бsMPa245245245安全系數(shù)n=бs/б4.63.783.78延伸率%202020最小安全系數(shù)n13.53.53.5結(jié)論合格合格合格圖33、柱塞筒的穩(wěn)定性校核柱塞筒與導(dǎo)向套為動配合,可以認(rèn)為柱塞筒相當(dāng)于一端固定另一端自由的被壓縮桿件,柱塞伸出長度L由YH5/640、YH26/830、YH27/1080產(chǎn)品圖計算得出。取長度系數(shù)μ=2,校核結(jié)果見表4。表4項目符號單位產(chǎn)品型號YH5/640YH26/830YH27/1080柱塞伸出長度Lmm7149961286柱塞筒最小外徑Dmm103.84103.81103.81柱塞筒內(nèi)徑dmm959595慣性半徑R=√〔D2+d2/4mm70.3770.3670.36長度系數(shù)μ222柔度〔長徑比λ=μL/R20.2928.3136.55結(jié)論λ≯80,柱塞筒穩(wěn)定4、壓力缸壁厚設(shè)計計算壓力缸受力分析：在緩沖器作用期間,壓力缸壁受內(nèi)腔壓力產(chǎn)生的徑向應(yīng)力бr和周向〔切向應(yīng)力бt。見圖4。根據(jù)柱塞部件的尺寸計算節(jié)流嘴的環(huán)形面積S,在根據(jù)緩沖器作用期間的制停力F計算壓力缸內(nèi)腔壓力P〔受力分析見圖5,然后計算壓力缸壁厚δ。圖4壓力缸壁壓力缸內(nèi)腔壓力P=F/S………〔7節(jié)流嘴環(huán)形面積S=π×〔D2－d2/4………〔8圖5受力分析式中：D—柱塞筒最小外徑。d—節(jié)流嘴最大內(nèi)徑。設(shè)定：壓力缸外徑為D1、壓力缸內(nèi)徑為d1、半徑比為K。K=〔d1/2/〔D1/2=d1/D1………〔9在內(nèi)壓單獨作用下,厚壁圓筒的計算式：бr/P=-〔K2/k2-1/<K2-1>………〔10бt/P=〔K2/k2+1/<K2-1>………〔11式中：k=r/R;r—所求點半徑、R—壓力缸內(nèi)半徑。壓力缸內(nèi)半徑處所受應(yīng)力最大,即r=R,因此k=1。將k=1代入式〔10得：бr=-P式中負(fù)號說明徑向應(yīng)力бr為壓應(yīng)力。將k=1代入式〔11得：бt/P=〔K2+1/<K2-1>……〔12安全系數(shù)n=бb/бt≥3.5……〔13注：壓力缸材料選用20#鋼,根據(jù)GB8162-87,對于20#鋼取бb=390<Mpa>,延伸率：20%,安全系數(shù)n取3.5。將бb/бt≥3.5和式〔9代入式〔12,整理后得：d1≤D1×√〔бb-3.5P/〔бb+3.5P……〔14將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式,計算結(jié)果見表5。表5項目符號單位產(chǎn)品型號YH5YH26YH27最大沖擊質(zhì)量〔P+Q1kg375045454545最大制停力F=2×〔P+Q1×gN735008908289082柱塞筒最小外徑Dmm103.844103.811103.811節(jié)流嘴最大內(nèi)徑dmm40.1540.1540.15節(jié)流嘴環(huán)形面積S=π×〔D2-d2/4mm27203.37194.37194.3壓力缸內(nèi)腔壓力P=F/SMPa10.2012.3812.38設(shè)定壓力缸外徑D1mm140140140壓力缸最小內(nèi)徑d1mm120120120壓力缸最小壁厚δmm1010105、壓力缸壁厚強度校核根據(jù)壓力缸壁厚計算結(jié)果和實際結(jié)構(gòu)需要設(shè)計壓力缸零件,所設(shè)計的YH5/640、YH26/830、YH27/1080壓力缸結(jié)構(gòu)及尺寸見圖8。按圖6尺寸對其強度校核,計算結(jié)果見表6。表6項目符號單位產(chǎn)品型號YH5YH26YH27最大沖擊質(zhì)量〔P+Q1kg375045454545最大制停力F=2×〔P+Q1×gN735008908289082柱塞筒最小外徑Dmm103.844103.811103.811節(jié)流嘴最大內(nèi)徑dmm40.1540.1540.15節(jié)流嘴環(huán)形面積S=π×〔D2-d2/4mm27203.37194.37194.3壓力缸內(nèi)腔壓力P=F/SMPa10.2012.3812.38壓力缸最小外徑D1mm136.815136.797136.797壓力缸內(nèi)徑d1mm120120120半徑比K=〔d1/2/〔D1/20.880.880.88徑向應(yīng)力бr=PMPa-10.20-12.38-12.38周向〔切向應(yīng)力бt=P×〔K2+1/<K2-1>MPa80.2297.3497.37材料極限應(yīng)力бbMPa390390390材料屈服應(yīng)力бsMPa245245245安全系數(shù)〔徑向nr=бs/бr24.019.819.8安全系數(shù)〔切向nt=бb/бt4.864.014.01延伸率%202020最小安全系數(shù)n3.53.53.5結(jié)論合格合格合格注：表中徑向應(yīng)力бr為負(fù)號,說明徑向應(yīng)力為反向應(yīng)力。6、壓力缸焊縫強度校核圖6產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)見圖4、圖5,壓力缸受徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用,同時受到作用在導(dǎo)向套底面而產(chǎn)生的拉力作用,徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力,因此可以認(rèn)為壓力缸與底板焊接處的焊縫只受向上的拉力作用。彎頭屬于厚壁管結(jié)構(gòu),可以認(rèn)為彎頭只受到拉力的作用。壓力缸與底板焊接處的焊縫強度校核見表7：表7項目符號單位產(chǎn)品型號YH5/640YH26/830YH27/1080最大沖擊質(zhì)量〔P+Q1kg375045454545壓力缸內(nèi)腔壓力P=F/SMPa10.2012.3812.38壓力缸焊接處外徑D1mm136.815136.797136.797導(dǎo)向套環(huán)形面積S1=π〔d22-d12/4mm23776.983581.423581.42壓力缸所受拉力F1=S1×PN385254433844338焊縫長度L1=π×D1mm429.8429.8429.8焊縫高度Hmm555焊縫受拉截面積S=L1×Hmm2214921492149焊縫拉應(yīng)力б=F1/SMPa17.9320.6320.63材料屈服應(yīng)力бsMPa245245245安全系數(shù)n=бs/б13.711.911.9結(jié)論安全系數(shù)大于3.5,滿足設(shè)計要求彎頭與壓力缸焊接處的焊縫強度校核見表8：表8項目符號單位產(chǎn)品型號YH5/640YH26/830YH27/1080最大沖擊質(zhì)量〔P+Q1kg375045454545壓力缸內(nèi)腔壓力P=F/SMPa10.2012.3812.38彎頭焊接處外徑D2mm223434彎頭內(nèi)孔面積S1=π×d12/4mm278.54176.6176.6彎頭所受拉力F1=S1×PN801.112181.012181.01焊縫長度L1=π×D2mm69.12106.81106.81焊縫高度Hmm333焊縫受拉截面積S=L1×Hmm2207.36320.43320.43焊縫拉應(yīng)力б=F1/SMPa3.866.816.81材料屈服應(yīng)力бsMPa245245245安全系數(shù)n=бs/б63.4735.9835.98結(jié)論安全系數(shù)大于3.5,滿足設(shè)計要求7、導(dǎo)向套強度校核導(dǎo)向套所受壓力為壓力缸內(nèi)腔油壓作用在導(dǎo)向套底部的力。即F1=P×S。導(dǎo)向套與壓力缸的配合為過盈配合,上端由孔用擋圈限制其向上運動,導(dǎo)向套受向上的壓力和底部壓力產(chǎn)生的剪切力的作用。導(dǎo)向套所受最大壓應(yīng)力：在壁厚最小處。最大剪應(yīng)力：剪切面在內(nèi)外徑之間,剪切面長度等于最小導(dǎo)向套長度,剪切面積≈π×〔D-d/2×L,式中D—導(dǎo)向套外徑、d—導(dǎo)向套內(nèi)徑。根據(jù)導(dǎo)向套的受力分析和圖紙尺寸〔見圖7對其強度進行校核,計算結(jié)果見表9。項目符號單位產(chǎn)品型號YH5YH26YH27壓力缸內(nèi)腔壓力PMPa10.2012.3812.38導(dǎo)向套最大外徑Dmm126.106125.103125.103導(dǎo)向套端面最小內(nèi)徑dmm104104.040104.040導(dǎo)向套底部環(huán)形面積S1=π×〔D2-d2/4mm23995.13790.73790.7導(dǎo)向套最小長度Lmm305555導(dǎo)向套剪切面積S2=π×L×〔D+d/2mm210843.519796.519796.5底面壓力F=S1×PN40750.0246928.8746928.87剪切應(yīng)力бt=F/S2MPa3.7582.372.37導(dǎo)向套最大內(nèi)徑d2mm114113.5113.5導(dǎo)向套最小外徑D2mm125124124導(dǎo)向套最小橫截面積S3=π×<D22-d22>/4mm22064.81958.61958.6導(dǎo)向套最大壓應(yīng)力бc=F/S3MPa19.73523.9623.96材料極限拉應(yīng)力бbMPa145145145材料極限壓應(yīng)力бbcMPa635635635剪應(yīng)力安全系數(shù)nb=бb/бt38.5861.1861.18壓應(yīng)力安全系數(shù)nc=бbc/бc32.1726.5026.50最小安全系數(shù)101010結(jié)論合格合格合格表98、擋圈強度校核擋圈受剪切力的作用,是由壓力缸內(nèi)腔的壓力作用在導(dǎo)向套底端面上,而傳遞到擋圈的。擋圈GB893.1-86〔DIN472N-440HV-B,材料為65Mn,屈服應(yīng)力бs=785Mpa。圖7導(dǎo)向套〔上圖7.2導(dǎo)向套〔中圖7.3導(dǎo)向套〔下強度校核過程見表10。擋圈圖紙尺寸見圖8。表10項目符號單位產(chǎn)品型號YH5YH26YH27壓力缸內(nèi)腔壓力PMPa10.2012.3812.38導(dǎo)向套最大外徑Dmm126125.088125.088導(dǎo)向套最小內(nèi)徑dmm113.5104.040104.040導(dǎo)向套環(huán)形面積S1=π×〔D2-d2/4mm22351.33787.73787.7擋圈受剪切力F=P×S1N23983.346891.746891.7擋圈厚度Hmm333擋圈受剪切面積S2=π×D×Hmm21187.51178.91178.9剪切應(yīng)力бt=F/S2MPa20.2039.7839.78材料屈服應(yīng)力бsMPa785785785安全系數(shù)n=бs/бt38.8619.7319.73最小安全系數(shù)555延伸率E%≥8≥8≥8結(jié)論合格合格合格表圖8擋圈擋圈代號<PartNo.>:GB/T893.1-1986<DIN472N-440HV-B>所屬產(chǎn)品型號YH5/640YH26/830YH27/1080擋圈規(guī)格125125125擋圈外徑D132132132擋圈厚度H3339、復(fù)位彈簧設(shè)計計算復(fù)位彈簧的設(shè)計,主要考慮產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對復(fù)位時間的要求,緩沖器復(fù)位所須的力主要包括：克服柱塞筒部件自身的重量、柱塞筒部件與O形密封圈的摩擦阻力、液壓油從壓力缸內(nèi)腔進入柱塞筒內(nèi)腔的阻尼力、接近復(fù)位終端柱塞筒內(nèi)部空氣產(chǎn)生負(fù)壓須打開單向閥的力、美國CSME標(biāo)準(zhǔn)中要求20kg力壓縮后復(fù)位所須的力。根據(jù)上述所須力的要求,初步設(shè)定緩沖器組裝后的彈簧預(yù)壓力為720N、800N,緩沖器完全壓縮后的彈簧壓力為1365N、1447N,兩型號緩沖器選取不同的彈簧壓力。兩種型號產(chǎn)品的復(fù)位彈簧圖見圖9,計算結(jié)果見表11。圖9復(fù)位彈簧表11項目符號單位產(chǎn)品型號YH5YH26YH27自由高度Lfmm156022653075預(yù)載荷長度LPmm99113391739壓縮后長度Lcmm351509659彈簧鋼絲直徑dmm777彈簧外徑ODmm888888彈簧內(nèi)徑ID=OD-2*dmm747474彈簧中徑D=<OD+ID>/2mm818181有效圈數(shù)n435774剪切彈性摸量GMPa784807848078480彈簧剛度K=<d4*G>/<8*D3*n>N/mm1.0310.5990.599彈簧預(yù)載荷Fp=K*<Lf-LP>N586722800彈簧指數(shù)c=D/d11.5711.5711.57剪應(yīng)力修正系數(shù)k=<4*c-1>/<4*c-4>+0.65/c1.1271.1271.127最大載荷Fmax=K*<Lf–Lc>N124513701447最大剪應(yīng)力Ss=k*<8*Fmax*D>/<π*d3>MPa844928981極限拉伸強度SutMPa137016181618材料屈服應(yīng)力SypMPa116513751375許用剪切應(yīng)力τ=0.65*SutMPa89010511051延伸率E%≥5≥5≥5結(jié)論在設(shè)定剪切應(yīng)力系數(shù)=0.65的前提下,最大剪應(yīng)力均小于許用剪切應(yīng)力。YH5、YH26、YH27三種型號緩沖器的復(fù)位彈簧均以柱塞筒內(nèi)孔導(dǎo)向,對其復(fù)位彈簧的穩(wěn)定性可以不進行校核。10、地腳螺栓強度校核按照標(biāo)準(zhǔn)ASMEA17.1—2000中.3的要求,對固定緩器底板的地腳螺栓強度進行計算,垂直方向加速度0.5g,水平方向加速度1g。三種型號緩沖器,YH27/1080緩沖器的高度和重量較大,地腳螺栓的受力最大,因此只對YH27/1080緩沖器進行地腳螺栓強度校核,受力分析見圖10圖10用4只M16螺栓將緩沖器底板固定在電梯底坑連接板上,見上面示意圖,緩沖器受到水平方向震動后將產(chǎn)生水平力和翻轉(zhuǎn)力矩M的作用,通過對緩沖器底板邊長尺寸大小的分析,底板短邊尺寸方向的水平震動螺栓受力最大,在翻轉(zhuǎn)力矩的作用下底板將以E點為支點,產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力,螺栓受力為F1、F2。1．M16規(guī)格螺栓機械性能基本數(shù)據(jù)性能等級—8.8屈服強度—б0.2=640N/mm2最小拉力載荷—67400N保證載荷—48900N公稱應(yīng)力截面積—AS=84.3mm22．水平方向震動螺栓受力F1、F2的計算設(shè)定：緩沖器受到水平方向加速度產(chǎn)生的力為FHM=FH×E=2〔F1×25+2〔F2×175=50F1+350F2……………〔1求解F1與F2的倍數(shù)關(guān)系：以E點為旋轉(zhuǎn)點,根據(jù)內(nèi)力矩平衡原理有：F1×25=F2×175則：F1=175/25×F2=7F2……………〔2將〔2代入〔1化