YH26YH27油壓緩沖器設計原理及計算

1、 YH5/640、YH26/830、YH27/1080油壓緩沖器設計原理及計算 河北東方機械廠 2006年12月10日目錄1 油壓緩沖器技術(shù)參數(shù) （3）2 設計原理介紹 （3）3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析 （4）4 設計計算及強度校核 （5）（1） 柱塞筒壁厚設計計算（2） 柱塞筒強度校核（3） 柱塞筒的穩(wěn)定性校核（4） 壓力缸壁厚設計計算（5） 壓力缸壁厚強度校核（6） 壓力缸焊縫強度校核（7） 導向套強度校核（8） 擋圈強度校核（9） 復位彈簧設計計算（10） 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

2、)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YH5/6401696150x1004-16200x150N68YH26/8302260200x1504-17.5250x200N68YH27/10802910200x1504-17.5250x200N68二、設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

3、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氐膭幽堋Ｅ庞徒孛娣e的設計：油壓緩沖器的制動特性主要取決于排油截面的設計。合理地設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。應用流體力學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

4、。 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，復位彈簧放在柱塞筒的內(nèi)部，油標放在壓力缸的側(cè)面。該產(chǎn)品設計時采用全封閉結(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閉的狀態(tài)，當緩沖器復位時，在復位彈簧的作用下，柱塞筒向上運動，接近復位末端時單向閥打開，使緩沖器完全復位，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

5、壓油，然后用油標測量油位，油位應在油標上、下刻線之間，旋緊螺塞和密封螺塞部件。圖2 四、設計計算及強度校核1、柱塞筒壁厚設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，可以認為柱塞筒主要受到緩沖器作用期間的制停力。首先應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=2 g（P+Q）1 （1）式中：（P+Q）1 最大沖擊質(zhì)量（kg）設定：柱塞筒外徑為D1、柱塞筒內(nèi)徑為d1、最小壁厚為1、柱塞筒橫截面積為S、材料屈服強度為s則：S=×（D12d12）/4 （2）柱塞筒

6、受最大壓應力：= F/S （3）安全系數(shù)n1=s/3.5 （4）將（1）、（2）、（3）代入式（4）整理后得：d1D1214×F/s （5）柱塞筒最小壁厚（D1d1）/2 （6）將有關數(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s=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+Q）1kg375045454545最大制停力FN735008908289082柱塞筒外徑D1mm103.84103.81103.81柱塞筒最小內(nèi)徑d1mm

7、959595柱塞筒最小壁厚 mm4.424.414.412、柱塞筒強度校核根據(jù)計算結(jié)果和實際結(jié)構(gòu)需要設計柱塞部件，所設計的柱塞筒結(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+Q）1kg375045454545最大制停力F=2 g×（P+Q）1N735008908289082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=（D1- d1）/2mm4.424.414.41柱塞橫截面積S=×（D12- d12）/4mm2

8、138013751375最大壓應力=F/SMPa53.364.864.8材料屈服應力sMPa245245245安全系數(shù)n=s/4.63.783.78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3 3、柱塞筒的穩(wěn)定性校核柱塞筒與導向套為動配合，可以認為柱塞筒相當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)=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.

9、81柱塞筒內(nèi)徑dmm959595慣性半徑R=（D2+d2）/4mm70.3770.3670.36長度系數(shù)222柔度（長徑比）=L/R20.2928.3136.55結(jié)論80，柱塞筒穩(wěn)定4、壓力缸壁厚設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)生的徑向應力r和周向（切向）應力t。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。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=×（D2d2）/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。設定：

10、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：r/P=-（K2/k2-1）/(K2-1) （10） t/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)半徑處所受應力最大，即r=R，因此k=1。將k=1代入式（10）得： r=-P式中負號說明徑向應力r為壓應力。將k=1代入式（11）得：t/P=（K2 +1）/(K2-1) （12）安全系數(shù)n=b/t3.5 （13）注：壓力缸材料選用20#鋼，根據(jù)GB8162-87，對于20#鋼取b=390(M

11、pa)，延伸率：20% ， 安全系數(shù)n取3.5。將b/t3.5和式（9）代入式（12），整理后得：d1D1×（b-3.5P）/（b+3.5P） （14）將有關數(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+Q）1kg375045454545最大制停力F=2×（P+Q）1×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=×（D2- d2）/4mm27203.37194.37194.3壓力缸內(nèi)腔

12、壓力P=F/SMPa10.2012.3812.38設定壓力缸外徑D1mm140140140壓力缸最小內(nèi)徑d1mm120120120壓力缸最小壁厚mm1010105、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)需要設計壓力缸零件，所設計的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+Q）1kg375045454545最大制停力F=2×（P+Q）1×gN735008908289082柱塞筒最小外徑Dmm103.844103.811103.

13、811節(jié)流嘴最大內(nèi)徑dmm40.1540.1540.15節(jié)流嘴環(huán)形面積S=×（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=（d 1/2）/（D1/2）0.880.880.88徑向應力r=PMPa-10.20-12.38-12.38周向（切向）應力t=P×（K2+1）/(K2-1)MPa80.2297.3497.37材料極限應力bMPa390390390材料屈服應力sMPa245245245安

14、全系數(shù)（徑向）nr=s/r24.019.819.8安全系數(shù)（切向）nt=b/t4.864.014.01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：表中徑向應力r為負號，說明徑向應力為反向應力。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，壓力缸受徑向應力和切向應力的作用，同時受到作用在導向套底面而產(chǎn)生的拉力作用，徑向應力和切向應力均小于材料的屈服應力，因此可以認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YH5/640YH26/830YH2

15、7/1080最大沖擊質(zhì)量（P+Q）1kg375045454545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導向套環(huán)形面積S1=（d22-d12）/4mm23776.983581.423581.42壓力缸所受拉力F1=S1×PN385254433844338焊縫長度L1=×D1mm429.8429.8429.8焊縫高度Hmm555焊縫受拉截面積S=L1×Hmm2214921492149焊縫拉應力=F1/SMPa17.9320.6320.63材料屈服應力sMPa245245245安全系

16、數(shù)n=s/13.711.911.9結(jié)論安全系數(shù)大于3.5，滿足設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+Q）1kg375045454545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=×d12/4mm278.54176.6176.6彎頭所受拉力F1=S1×PN801.112181.012181.01焊縫長度L1=×D2mm69.12106.81106.81焊縫高度Hmm333焊縫受拉截面積S=L1

17、5;Hmm2207.36320.43320.43焊縫拉應力=F1/SMPa3.866.816.81材料屈服應力sMPa245245245安全系數(shù)n=s/63.4735.9835.98結(jié)論安全系數(shù)大于3.5，滿足設計要求7、導向套強度校核導向套所受壓力為壓力缸內(nèi)腔油壓作用在導向套底部的力。即F1=P×S。導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，導向套受向上的壓力和底部壓力產(chǎn)生的剪切力的作用。導向套所受最大壓應力：在壁厚最小處。最大剪應力：剪切面在內(nèi)外徑之間，剪切面長度等于最小導向套長度，剪切面積×（D-d）/2×L，式中D導向套外徑、d導向套內(nèi)

18、徑。根據(jù)導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導向套最大外徑Dmm126.106125.103125.103導向套端面最小內(nèi)徑dmm104104.040104.040導向套底部環(huán)形面積S1=×（D2- d2）/4mm23995.13790.73790.7導向套最小長度Lmm305555導向套剪切面積S2=×L×（D+ d）/2mm210843.519796.519796.5底面壓力F=S1×PN40750.0246928.8746

19、928.87剪切應力t=F/S2MPa3.7582.372.37導向套最大內(nèi)徑d2mm114113.5113.5導向套最小外徑D2mm125124124導向套最小橫截面積S3=×(D22-d22)/4mm22064.81958.61958.6導向套最大壓應力c=F/ S3MPa19.73523.9623.96材料極限拉應力bMPa145145145材料極限壓應力bcMPa635635635剪應力安全系數(shù)nb=b/t38.5861.1861.18壓應力安全系數(shù)nc=bc/c32.1726.5026.50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

20、壓力缸內(nèi)腔的壓力作用在導向套底端面上，而傳遞到擋圈的。擋圈GB893.1-86（DIN472N-440HV-B），材料為65Mn,屈服應力s=785Mpa。圖7導向套（上）圖7.2導向套（中） 圖7.3導向套（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導向套最大外徑Dmm126125.088125.088導向套最小內(nèi)徑dmm113.5104.040104.040導向套環(huán)形面積S1=×（D2- d2）/4mm22351.33787.73787.7擋圈受剪切力F=P×S1N2

21、3983.346891.746891.7擋圈厚度Hmm333擋圈受剪切面積S2=×D×Hmm21187.51178.91178.9剪切應力t=F/S2MPa20.2039.7839.78材料屈服應力sMPa785785785安全系數(shù)n=s/t38.8619.7319.73最小安全系數(shù)555延伸率E%888結(jié)論合格合格合格表圖8 擋圈擋圈代號(Part No.):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、復位彈簧設計計算復位

22、彈簧的設計，主要考慮產(chǎn)品標準中對復位時間的要求，緩沖器復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、接近復位終端柱塞筒內(nèi)部空氣產(chǎn)生負壓須打開單向閥的力、美國CSME標準中要求20kg力壓縮后復位所須的力。根據(jù)上述所須力的要求，初步設定緩沖器組裝后的彈簧預壓力為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)品的復位彈簧圖見圖9，計算結(jié)果見表11。圖9 復位彈簧表11 項目符號單位產(chǎn)品型號YH5YH26YH27自由高度Lfmm156022653075預載

23、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彈簧預載荷Fp=K*( Lf - LP)N586722800彈簧指數(shù)c=D/d11.5711.5711.57剪應力修正系數(shù)k=(4*c-1)/(4*c-4)+0.65/c1.1271.1271.127最大載荷Fmax=K*( Lf Lc

24、)N124513701447最大剪應力Ss=k*(8* Fmax*D)/(*d3)MPa844928981極限拉伸強度SutMPa137016181618材料屈服應力SypMPa116513751375許用剪切應力=0.65* SutMPa89010511051延伸率E%555結(jié)論在設定剪切應力系數(shù)=0.65的前提下，最大剪應力均小于許用剪切應力。YH5、YH26、YH27三種型號緩沖器的復位彈簧均以柱塞筒內(nèi)孔導向，對其復位彈簧的穩(wěn)定性可以不進行校核。10、地腳螺栓強度校核按照標準ASME A17.12000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

25、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。1M16規(guī)格螺栓機械性能基本數(shù)據(jù)（1） 性能等級8.8（2） 屈服強度0.2=640N/mm2（3） 最小拉力載荷67400N（4） 保證載荷48900N（5） 公稱應力截面積AS=84.3 mm22水平方向震動螺栓受力F1、F2的計算設定：緩沖器受到水平方向加速度產(chǎn)生的力為FH M= FH×E =2（F1×25）+2（F2×175） =50F1+350F2 （1）求解F1與F2的倍數(shù)關系：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=7 F2 （2）將（2）代入（1）化簡后得：F2= （FH×E）/700 （3）式中FH= m×g、m=