一種新型的鋼球增力液壓夾具.pdf

新技術開發(fā) 一種新型的鋼球增力液壓夾具 蘇東寧,鐘康民 (濟南大學,山東 濟南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)和實際增力系數(shù)的計算公式,并對它與其他兩種鋼 球增力液壓夾具的性能進行了比較。 關鍵詞:對稱;鋼球增力機構;無桿液壓缸;增力系數(shù);夾具;壓力角;摩擦損失 中圖分類號:TH13715 文獻標識碼:B 文章編號: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 作者簡介:蘇東寧(1965 - ) ,機械工程碩士,講師。 機械增力機構與液壓夾具相結合,能有效地降 低系統(tǒng)的工作壓力,延長工作壽命,減小系統(tǒng)的結構 尺寸。在各種增力機構中,鋼球增力機構具有力傳 遞效率高,結構簡單,制造工藝簡便的優(yōu)點。文獻 1中介紹了兩種基于鋼球增力機構的液壓夾具,但 其僅給出了理論增力系數(shù)的計算公式,這給實際應 用帶來不便。本文將簡單介紹這兩種夾具的工作原 理,推出其實際增力系數(shù)。同時我們還要介紹一種 新型的具有雙活塞無桿液壓缸的鋼球增力液壓夾 具,給出其理論增力系數(shù)和實際增力系數(shù),最后,對 這三種增力機構的性能作一下比較。 1 鋼球增力機構與單活塞無桿液壓缸 111 工作原理 圖1、 圖2所示分別為文獻1所介紹的在液壓 夾具中與單活塞無桿液壓缸組合使用的雙鋼球和三 鋼球增力機構,其工作原理為:當換向閥位于左位 時,壓力油進入液壓缸左腔,在壓力油的作用下,活 塞向右移動,置于活塞中部孔中的鋼球隨之推動上 方的鋼球向上運動(圖2中將活塞中部銑扁,并加工 出一個通孔,工作時中間鋼球在下面的鋼球作用下 推動上方鋼球向上運動)。在這個過程中,鋼球將輸 入力進行了放大,并由右上方的鋼球將放大后的力 Fo傳遞出去,推動夾具上的元件(未示出)夾緊工 件。當換向閥位于右位時,活塞向左移動,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位于同一垂直線上。 圖1 雙鋼球增力機構 圖2 三鋼球增力機構 66 機械 2003年第30卷第4期 112 力學計算 在忽略了鋼球與各接觸面間的滾動摩擦的前提 下,經(jīng)建模分析計算,圖1所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù) it與實際增力系數(shù)ip的計算公式分別為: 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與實際增力系 數(shù)ip的計算公式分別為: 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 鋼球間的滑動摩擦角;為力輸出件(即右上方鋼 球)與導向孔間的滑動摩擦角;為液壓缸與活塞間 的滑動摩擦角;為中間鋼球與活塞內(nèi)孔間的滑動 摩擦角。 2 鋼球增力機構與雙活塞無桿液壓缸 在圖1、 圖2所示兩種系統(tǒng)的基礎上,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 的具有對稱結構的三鋼球增力機構與雙活塞無桿液 壓缸組合而成的液壓夾具。此機構的工作原理同圖 1、 圖2所示系統(tǒng),區(qū)別在于結構:在圖2系統(tǒng)的基礎 上,增添了與其對稱布置的另一增力裝置。工作時, 兩邊機構同時動作,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)分析計算,此系統(tǒng)的任一邊增力機構的理論 增力系數(shù)的計算公式與公式(3)完全相同,即: it= Fot d2 4 p = 1 2tan (5) 系統(tǒng)任一邊實際增力系數(shù)ip的計算公式為: ip= Fop d2 4 p = 1 - tan(+)tan 2tan(+ ) 1 + tantan (6) 式中符號含義同公式(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。但在考慮了滑動摩 擦后,它們的差別并非如此大。例如,設理論壓力角 = 8,各滑動摩擦角= 5 時,由公式 (2)、 式(4)、 式(6)計算出的實際增力系數(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)相對較差。 我們再來比較一下式(4)、 式(6 ) , 會發(fā)現(xiàn):它們 的區(qū)別在于式(6)中的ip表達式少了一項1 - tan( +)tan ,而這一項恰恰是因為輸出件鋼球與導向 孔間的摩擦影響的結果。而這一結果的原因在于: 由于圖3系統(tǒng)在結構上的對稱性,使得系統(tǒng)的力輸 出件在水平方向的受力平衡,輸出件與導向孔間不 存在摩擦2,從而使得圖3所示的具有對稱結構的 三鋼球增力機構與雙活塞無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構與 單活塞無桿液壓缸組合而成的液壓夾具的要高。這 一結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)分析計算,當活塞的有效水平位移相同時,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)相對較差。就行程看,圖2及圖 3( 下轉第71頁) 76 機械 2003年第30卷第4期 表1 實驗值與理論值比較 實驗裝置號1號2號 試驗 次數(shù) 測點 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 實驗值與理論值比較 實驗裝置號測點應變?nèi)螠y量應變均值2N下應變理論值 1 0 45 90 - 3913 3515 6615 - 4116 3314 6510 2 0 45 90 - 4418 3819 7211 - 4217 3619 6714 參考文獻: 1刑世建 1 材料力學實驗M.重慶:重慶大學出版社,19981 2王紹銘,熊莉,等 1 材料力學實驗指導 M.北京:中國鐵道出版 社,20001 3陳鋒,段自力,等 1 材料力學實驗 M.武漢:華中理工大學出版 社,19991 4顧立成 1 材料力學實驗M.陜西:西安地圖出版社,19941 5劉鴻文 1 材料力學上冊M.北京:高等教育出版社,19961 6鄭大素,江允正,楊淳.用優(yōu)化方法確定直角應變花貼片最佳位置 振動J .測試與診斷,1997 ,12(4) :53 - 55. (上接第67頁)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合下使用,可考慮 采用圖3所示的系統(tǒng)。 參考文獻: 1鐘康民,宋強,郭培全.鋼球增力式液壓夾具.制造技術與機床, 1999 ,11 2 Zhong Kangmin , Guo Peiqua