液壓缸的機械鎖緊裝置理論分析和優(yōu)化設計【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設計論文】

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購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 目錄 第 1 章 緒論 ......................................................................................................... 4 題背景及研究的目的和意義 ............................................................. 4 多可行性方案的比較以及局限性分析 ............................................. 5 球式鎖緊液壓缸 ...................................................................... 5 子式鎖緊液壓缸 ...................................................................... 6 筒式鎖緊液壓缸 ...................................................................... 7 內外技術研究現(xiàn)狀 ............................................................................. 8 內研究現(xiàn)狀 .............................................................................. 8 外有關科研成果 ...................................................................... 8 文的主要研究內容 ........................................................................... 11 設計的工作原理及技術參數(shù) ................................................ 11 設計相對前文幾種可行性方案的優(yōu)勢 ................................ 12 設計的主要內容 ............................................................................... 13 錐套內外表面摩擦副的摩擦磨損試驗 ................................ 13 緊裝置理論設計計算 ............................................................ 13 緊裝置簡化模型的靜力學有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 ............ 13 緊裝置的樣機試驗 ................................................................ 13 第 2 章 摩擦副材料的選用及其摩擦磨損試驗的設計 ................................... 14 言 ....................................................................................................... 14 錐套內表面材料的選擇 .................................................................. 14 或銅合金材料作對偶件 ....................................................... 15 鐵材料作對偶件 .................................................................... 16 材料作對偶件 ........................................................................ 17 他材料作對偶件 .................................................................... 17 錐套外表 面摩擦副材料選擇 ........................................................... 17 驗方案 ............................................................................................... 19 驗器材及用品 ........................................................................ 19 驗方案 .................................................................................... 20 驗數(shù)據處理 ............................................................................ 21 章小結 ............................................................................................... 24 第 3 章 液壓缸鎖緊裝置的理論計算和設計 ................................................... 25 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 言 ...................................................................................................... 25 心零件的關鍵尺寸及基本算法 ...................................................... 25 設條件的提出 ........................................................................ 26 化模型力學求解方程的建立 ................................................ 27 簧彈力 —內錐套斜角函數(shù)關系 ............................................ 29 錐套厚度的設計計算 ....................................................................... 31 形彈簧的設計計算 .......................................................................... 33 算程序 .............................................................................. 36 章小結 ............................................................................................... 37 第 4 章 鎖緊裝置的 限元仿真優(yōu)化試驗 ........................................ 38 言 ....................................................................................................... 38 化模型的建立 ................................................................................... 39 觸組設置 ........................................................................................... 39 束設置 ............................................................................................... 40 部載荷設置 ....................................................................................... 41 載碟簧彈力 ...................................................................... 41 載活塞桿負載 F ..................................................................... 41 載施加時序 ............................................................................ 42 格劃分 ............................................................................................... 42 算結果處理 ...................................................................................... 43 錐套應力分布 ........................................................................ 44 錐套應力分布 ........................................................................ 44 塞桿應力分布 ....................................................................... 45 錐套 ...................................................... 45 錐套 .................................................. 46 據分析處理 ...................................................................................... 47 因素對根部圓弧槽最大應力的影響關系 ........................... 48 合評估 ................................................................................... 50 塞桿負載 力作用方向對內錐套應力分布的影響 .......................... 52 章小結 ............................................................................................. 54 第 5 章 液壓缸鎖緊裝置試驗臺設計 ............................................................... 55 言 ....................................................................................................... 55 機試驗主要內容 ............................................................................... 56 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 參考文獻 ............................................................................................................. 57 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 第 1章 緒論 題背景及研究的目的和意義 本項目來源于：沈陽中之杰流體控制系統(tǒng)有限公司。 在近幾年來，隨著中國工程機械的超高速迅猛發(fā)展，帶動了 中國工程機械液壓件的超快速發(fā)展。目前工程機械液壓件已占據了整個液壓行業(yè)一大半的市場份額，使工程機械液壓件在整個液壓行業(yè)占有舉足輕重的地位。通過查閱有關文獻可以總結出液壓技術擁有如下優(yōu)點： （ 1）液壓傳動可以輸出大的推力或大轉矩； （ 2）液壓傳動能很方便地實現(xiàn)無級調速； （ 3）在相同功率條件下，液壓傳動裝置體積小、重量輕、結構緊湊； （ 4）液壓傳動能使執(zhí)行元件的運動十分均勻穩(wěn)定； （ 5）操作簡單，調整控制方便，易于實現(xiàn)自動化； （ 6）液壓系統(tǒng)便于實現(xiàn)過載保護，使用安全、可靠； （ 7）液壓元件易于實現(xiàn)系列化、標 準化和通用化。 據粗略統(tǒng)計，目前國內液壓元件行業(yè)有一定生產規(guī)模的企業(yè)大約有 400 多家，盡管這些廠商生產和銷售量很高，也是一些區(qū)域經濟的支柱產業(yè)，其產值占有地方經濟收入大部分份額，但從總體來看，這些廠商的液壓元件生產都存在著兩大主要問題： （ 1）一般的普通液壓元件大量過剩，價位低，低水平競爭十分激烈； （ 2）高檔、高技術的液壓元件完全依賴進口，受人制約。 因此，推動液壓元件向著高檔、高技術的水平發(fā)展必然成為我國現(xiàn)階段液壓元件行業(yè)的發(fā)展趨勢。 液壓元件，主要包括液壓缸 /馬達、液壓泵、液壓閥三個大類。其中液壓缸是 液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件之一，它能夠將液壓能轉變?yōu)闄C械能，可以實現(xiàn)直線往復運動。液壓缸結構簡單，配置靈活，使用維修方便，所以比液壓馬達等執(zhí)行元件應用更廣泛。液壓缸能與各種傳動機構相配合，完成復雜的機械運動，從而進一步擴大了它的應用范圍。為了適應主機的需要，液壓缸的規(guī)格、品種正日趨齊全，結構在不斷改進。作為執(zhí)行元件，液壓缸是液壓系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，液壓缸性能的優(yōu)劣直接影響整機的工作性能。在液壓傳動中，無論其它液壓元件設計制造得多么精密，回路系統(tǒng)安排得多么合理，只要液壓缸設 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 計和制造得不好，就將會事倍功半，得不 到良好效果。 正如上文所說，液壓缸作為液壓元件之一也存在著制造水平低、嚴重依賴進口的問題，同時隨著國內工程機械行業(yè)的快速發(fā)展，目前廣泛應用的普通工程液壓缸已經不能滿足行業(yè)需求，很多領域需要使用特殊結構和功能的液壓缸，如大行程、超高壓領域需求的大型液壓缸、可以在任意位置鎖緊的自鎖式液壓缸和伺服系統(tǒng)等需求的單出桿對稱液壓缸等。而國內特種液壓缸的研發(fā)還處于起步階段，多數(shù)產品完全依賴進口，所以設計開發(fā)特種液壓缸可提升我國液壓缸制造水平，同時滿足國內市場需求。 在紛繁復雜的液壓缸中，有一類液壓缸因其具有特殊的功能而備 受關注，那就是帶有鎖緊裝置的液壓缸。常見液壓缸的鎖緊方式是靠液壓鎖來實現(xiàn)的，依靠封堵壓力油的方式來鎖緊液壓缸。另一種則是新型的液壓缸 ——自鎖式液壓缸 （即一種 帶有機械鎖緊裝置 的液壓缸）。 自鎖式液壓缸的特點就是液壓缸在工作的某點能依靠自身機械鎖自動鎖緊活塞桿，而且該機械鎖只能通過開鎖液控才能打開，它可以滿足那些要求液壓缸在工作位置有高精度，長時間停機而無任何位移變化，并在工作位置鎖緊、絕對安全可靠的特殊領域。同時，采用自鎖式液壓缸能起到簡化液壓系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性的作用。因此，對自鎖式液壓缸進行分析設計有著非 常重要的意義。 多可行性方案的比較以及局限性分析 通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)自鎖液壓缸的研究很多都是圍繞著鋼球鎖緊液壓缸而展開的。其中東南大學的倪江生先生對鋼球鎖緊式液壓缸進行了深入的設計計算，其原理圖如圖 示。 圖 球式鎖緊液壓缸結構原理 12345 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 鋼球摩擦式鎖緊缸的結構原理是：活塞桿 3 上有斜面槽，每個斜面槽內放置一個鋼球 4，并用彈簧圈擋住?；钊?2 是能游動的。當沒有液壓力作用時，如活塞桿在外力作用下有左移的趨勢，則左面鋼 球與缸體內壁相卡，如果活塞桿有右移趨勢，則右面鋼球與缸壁相卡，此為鎖緊狀態(tài)。當右面進油時，游動活塞先使左面鋼球沿槽下滑，然后推動活塞桿左移，此為解鎖狀態(tài)?？梢钥闯觯@種液壓缸在不工作時具有雙向鎖緊功能，而油路控制同普通液壓缸一樣，在工作時能自然解鎖。 鋼球摩擦式鎖緊缸具有結構簡單、解鎖方便等優(yōu)點，它不需要單獨的解鎖控制油路，因此使液壓系統(tǒng)設計得到簡化，降低了成本 [1]。不過這種結構的主要缺點是缸壁承受正壓力很大而易變形破壞，所以其承載能力較差，特別適用于外載荷不太大的場合。如果要求大載荷下雙向鎖緊功能時，這 種結構不是很合適，可考慮采用其他的結構形式 [2]。 除了鋼球式鎖緊液壓缸以外，還有許多種可行性方案，它們都有各自的特點與適用條件，同時也都存在著各自的缺陷。 在鋼球式液壓鎖緊缸（見圖 基礎上，由于其承載能力較差，不適用于負載較大的工況，使用范圍受到了很大的限制。為解決上述問題，東南大學的倪江生先生又提出了滾子式鎖緊液壓缸，并對其設計中的主要計算問題進行了深入的研究。簡單來說，鋼球與鎖緊套之間的接觸是點接觸，鋼球壓入缸壁產生犁溝效應，因此液壓缸筒壁會被擦傷 [2]；而滾子與鎖 緊套之間的接觸是線接觸，用腰鼓形滾子與缸壁的接觸面積較大，其承載能力也較大，缸壁不易受損壞，工作壽命長。因此滾子式鎖緊液壓缸相對鋼球摩擦式鎖緊液壓缸應用更廣泛一些。盡管這種鎖緊液壓缸原理比較簡單，但其鎖緊力、解鎖力的計算及液壓缸的設計非常重要，參數(shù)選擇必須準確，否則可能導致不能鎖緊、無法解鎖、缸壁受損等問題。 圖 子式單向鎖緊缸的 結構及工作原理 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 液壓缸在停止運動時承受單向外負載 P，活塞桿 1 上有斜面槽，每個斜面槽內放置一個滾子 3（腰鼓形），并用彈簧圈擋住?；钊?2 在活塞桿 1 上能游動。當左右腔沒有壓力 時，在 P 作用下，滾子與缸體壁相卡，發(fā)生摩擦自鎖，活塞桿不會發(fā)生移動，即為鎖緊狀態(tài)。當左腔有壓力時，游動活塞 2 先推動滾子右移解鎖，然后再推動活塞桿向右移動，這時與普通液壓缸的工作狀態(tài)基本相同。值得注意的是，右腔加壓時，上述液壓缸不具有鎖定功能，故為單向鎖緊缸 [3]。滾子式鎖緊液壓缸雖然較鋼球式鎖緊液壓缸表面受力情況較好，但既然是線接觸就不可避免地產生力的集中，因此面接觸的鎖緊部件才是鎖緊液壓缸更好的選擇。 套筒式鎖緊液壓缸的結構如圖 示。在活塞桿外伸部分，裝一個固定在液壓缸端 蓋上一個鎖緊套筒，其內孔與活塞桿的外圓為過盈配合，可使活塞桿被鎖緊在任意位置，鎖緊套筒內孔有螺旋槽，槽的兩端裝有密封圈。 圖 子式單向鎖緊缸的結構及工作原理 12345鎖緊套筒較薄且具有一定彈性。當解鎖高壓油進入螺旋槽后，在高壓油壓力的作用下，鎖緊套筒徑向向外膨脹從而使其與活塞桿的過盈配合變?yōu)殚g隙配合，松開活塞桿。這時活塞桿即可如普通液壓缸一樣自由移動。若解鎖壓力油卸除之后活塞桿又被立即自動鎖緊在鎖緊套筒內。 套筒式鎖緊裝置結構簡單，性能可靠，在軸線 方向和圓周方向均可鎖定，可以有很高的鎖緊負載 [2]。但由于過盈鎖緊型液壓缸的啟動壓力（摩擦阻力）比一般的液壓缸大，因此不適用于控制精度要求高的電液伺服系統(tǒng)中。更關鍵的是其材料特性和過盈量需要合理地選擇。在材料方面應主要考慮其彈性強度、摩擦系數(shù)等，盡量做到摩擦系數(shù)大、強度高、彈性好、表面耐磨性好以提高其工作性能和使用壽命。在過盈量方面，不僅僅是裝配較為困難，對于一些環(huán)境溫度變化較大的場合如一些軍用設備要求液壓缸在環(huán)境下可靠工作必須考慮溫 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 度變化對鎖緊力和開鎖壓力的影響。因其過盈量很小而溫度變化可能導致過盈量的大 小變化從而引起開鎖壓力和鎖緊力的變化 [4]，應用范圍有所局限。 內外技術研究現(xiàn)狀 在冶金、煤礦等眾多機械領域，液壓設備為了使工作部件能在任意位置停留，以及在停止工作時，防止在外力或自重（液壓缸立放）作用下發(fā)生移動，需要將液壓缸鎖緊。雖然在 20 世紀 80～ 90 年代，我國對液壓行業(yè)進行了重點改造，先后引進許多項國外技術，提高國內水平，但由于缺乏自主創(chuàng)新，液壓技術發(fā)展比較緩慢，與國外先進水平還有很大的差距。 目前國內的鎖緊液壓缸結構比較簡單，主要都是通過液壓回路鎖緊來實現(xiàn)的。目前常用 的鎖緊回路有換向閥鎖緊回路、單向順序閥鎖緊回路及液控單向閥鎖緊回路等 [5]。圖 國外有關科研成果 液壓缸的鎖緊裝置在國外已有了相當成熟的發(fā)展，產品品類豐富、應用廣泛，本文列舉幾例僅供參考。如漢臣 緊裝置（如圖 以有效工作在：注塑機、金屬壓力模壓機、鑄造爐、飛機牽引機、沖擊吸收器和輪胎測試機和其他方面。 圖 臣 (緊裝置產品 [6] 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 圖 臣 (緊裝置與標準液壓缸組合產品 [7] 在對大型構件的滑移過程中，傳統(tǒng)的水平滑移手段主要是采用卷揚機鋼絲繩牽引，其牽引力、牽引速度難以控制，平移穩(wěn)定性和安全性較差，而自鎖型液壓爬行機器人，通過爬行器液壓缸伸缸時，其自鎖機構夾持于地面軌道，靠自鎖產生的反作用力推動構件在軌道上滑移，能實現(xiàn)平穩(wěn)速度連續(xù)滑移并且推力速度可測可控，有效地解決傳統(tǒng)滑移方式的缺陷，并且省時省力，滑移平穩(wěn)性好，就位精度高。目前已成功應用在許多大型構件滑移施工中。 圖 示裝置 (法國 )，結構簡單，工作可靠。它可用于將液壓缸活塞桿固定在行程長 度的某點位置，并保持在此位置上。在帶間隙的活塞 1 的活塞桿 13上，裝有聚合物材料制的襯套 8 和帶切口的薄壁金屬套 6。沿襯套 8 的兩端設置墊圈 3、 4 和 11、 12，且其錐端面彼此相對，并設有彈性材料制的密封圈 5 和 10。壓力油或空氣可通過活塞桿 13 內的通道 14 和 9 供入腔 7 內。此時，帶切口的薄壁襯套 6 將壓向缸體 2 的內壁鎖緊，并將活塞桿可靠固定 [8]。 圖 將活塞桿固定在某點位置的機械鎖裝置 [9] 圖 圖 示為美國專利 [10]： 一種對圓柱桿的摩擦夾緊機構。該夾緊機構的工作原理是通過滑動活塞 50 在油口 60 的壓力油的作用下壓緊可壓縮鎖緊環(huán) 22，通過可壓縮鎖緊環(huán)被壓縮而產生向圓柱桿 20 的夾緊力，從而實現(xiàn)機械鎖緊；在油口 60 的壓力油卸載后，在可壓縮鎖緊環(huán)的彈力作用下，推動滑動活 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 塞 50 回到最初位置，從而實現(xiàn)解鎖。該專利中還介紹了這種裝置在鑄模機中的應用。這種裝置在鎖緊時需要通入壓力油，不適用于長時間的鎖緊，但這種機構為本設計提供了非常好的設計思路，在本設計中將引入碟形彈簧存儲長期鎖緊所需的彈性能，從而實現(xiàn)了對上述機構的改進和創(chuàng)新。 圖 種對圓柱桿的摩擦夾緊機構結構示意圖 圖 種對圓柱桿的 摩擦夾緊機構鎖緊環(huán)三維圖 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 文的主要研究內容 在本設計中，鎖緊裝置需要做到在任意位置都可以對活塞桿進行可靠的機械鎖緊。在設計思想上，本設計與圖 示的夾緊機構類似，都是利用沿軸向運動的活塞推動圓錐鎖緊環(huán)來實現(xiàn)鎖緊。具體實現(xiàn)方法如圖 示。 圖 壓缸鎖緊裝置結構圖 1—內錐套； 2—外錐套組件； 3—活塞桿； 4—碟形彈簧 A 口 —解鎖油口； B 口 —泄油口； C 口 —接近開關接口 碟形彈簧 4 在鎖緊裝置裝配時需要有一個預壓縮量，這個值是可計算的。在 A 口不通入 解鎖壓力油時，外錐套 2 在碟形彈簧 4 的作用下有向左運動的趨勢，通過內錐套 1 的圓錐面將向左的力轉化為向活塞桿的徑向力，從而實現(xiàn)對活塞桿的機械鎖緊。當 A 口通入解鎖壓力油時，碟簧被壓縮，外錐套 2 在壓力油的作用下向右運動，直至外錐套 2 與內錐套 1 的相互作用力逐漸減小直到兩者脫離接觸，內錐套 1 也與活塞桿 3 脫離接觸。這時活塞桿處于解鎖狀態(tài)，在液壓缸兩個油口壓力油的作用下，活塞桿可以向右或向左自由移動。鎖緊力的大小可以通過改變調整墊片的厚度來調節(jié)。這種結構，活塞所受鎖緊力比較均勻，夾緊可靠 [11]。 根據沈陽中之杰流體控制有 限公司相關技術人員的要求，最終確定了液壓缸鎖緊裝置的技術參數(shù)如下所示： 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 （ 1）額定供油壓力： 18 （ 2）活塞桿直徑： 40列 ； （ 3）鎖緊力： 75 （ 4）最小解鎖壓力： 與額定供油壓力相匹配為最佳； （ 5）活塞速度： ≤1m/s； （ 6）工作溫度 ： ~+80°C； （ 7）外部密封性： 外部不允許漏油 ； （ 8）鎖緊可靠性要求： 在 額定壓力下保持 3永久變形和可見的外部滲油； （ 9）介質： 抗磨液壓油。 以上為本設計需要達到的技術指標，在保證以上要求的同時 ，還需要將鎖緊裝置的尺寸做的盡可能小，避免與標準液壓缸匹配時出現(xiàn)頭重腳輕的情況。 鎖緊力是本設計的重要參數(shù)之一，必須大小合適；若鎖緊力過小將鎖不緊，鎖緊力過大將難解鎖。影響鎖緊力的因素很多，例如碟簧、鎖緊套、活塞桿的材料、尺寸、鎖緊套與活塞桿的間隙，碟簧的壓縮量等 [12]。 首先，碟形彈簧作為一種非線性減振元件 ,能在很小的變形條件下 ,承受范圍變化很大的載荷 [13]。另外其幾何尺寸較小，在石油、化工、礦山和冶金等行業(yè)的低速重載設備中得到了廣泛應用 [14]。由于碟簧 的具有如此的特性，可以將鎖緊裝置做得軸向尺寸很小，方便對普通液壓缸進行改進升級。 另外，錐面 外其加工工藝性要求不是很高，對整體材料要求并不嚴苛，只是需要對鎖緊套部分的材料進行詳細分析即可。 最后，由于這種設計采用內錐套對活塞桿面接觸，因此鎖緊力在活塞桿圓周上分布十分均勻，無鋼球式或滾子式鎖緊液壓缸的 “犁溝效應 ”，使用壽命較長，鎖緊較可靠。與此同時，由于通過通過碟簧存儲的彈性能來實現(xiàn)鎖緊，不存在套筒式鎖緊液壓缸的過盈配合，使得本設計能夠適應比套筒式鎖緊液壓缸大得多的溫差變化， 應用范圍更加廣泛。與 沈陽中之杰流體控制系統(tǒng)有限公司交流協(xié)商，考慮到其生產加工的實際情況，認為錐環(huán) 最好的方案。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 設計的主要內容 通過查詢有關文獻和書籍，選擇適合加工內外錐套的材料，并進行配對、分組進行摩擦磨損試驗。通過摩擦磨損試驗可以得到不同材料之間的實際力學性能，如摩擦系數(shù)、磨損量等等，這些數(shù)據可以作為理論設計計算的重要依據。 在收集了足夠的相關資料之后，對液壓缸鎖緊裝置的關鍵零件 —內錐套進行理論分析， 明確了理論設計的基本流程。通過建立鎖緊裝置的簡化數(shù)學模型進行 程計算，將內錐套的幾個關鍵的尺寸確定在一個比較小的范圍，為后面的有限元分析做好準備。 在得到了內錐套的幾個關鍵尺寸的范圍之后，把這幾個關鍵尺寸當作幾個影響因素，在范圍之內取幾個不同的數(shù)值作為不同的水平。利用正交分析法對這幾個關鍵尺寸進行分組試驗，將試驗結果填入標準正交試驗表中，然后通過極差分析法和綜合評分法分析各個尺寸的變化對分析結果的影響關系，最后確定最優(yōu)的尺寸參數(shù)，完成對液壓 缸鎖緊裝置的優(yōu)化設計。 在得到了最優(yōu)尺寸參數(shù)之后，可以完成整個液壓缸鎖緊裝置的結構設計，并設計出合理的試驗裝置。在樣機試驗中，重點對鎖緊力、最小解鎖壓力和使用壽命進行測試，對測試的結果進行分析、討論，再根據實際出現(xiàn)的問題進行方案的修改。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 第 2章 摩擦副材料的選用及其摩擦磨損試驗的設計 言 根據本設計的要求，需要對摩擦副表面材料進行選擇。對于內錐套內表面，由于該位置承受所有的負載力，因此毋庸置疑地需要大摩擦系數(shù)的、高強度的材料來滿足鎖緊器性能的要求；而對于內錐套外表面， 由于該位置主要是以傳遞正壓力為主，因此希望它與外錐套內表面的摩擦越小越好?；谝陨蟽牲c，需要選擇不同性能的材料，并分別對內錐套內表面與活塞桿、內錐套外表面與外錐套內表面兩個摩擦副進行摩擦磨損試驗，將試驗結果中最優(yōu)的材料的系列數(shù)據代入到理論計算中，從而實現(xiàn)優(yōu)化設計。 錐套內表面材料的選擇 內錐套內表面與活塞桿摩擦副是本設計中最為關鍵的一環(huán)，其摩擦副配對性能的好壞直接影響著鎖緊器裝置性能的優(yōu)劣，現(xiàn)對其材料的篩選提出幾點基本要求： （ 1）由于希望在同樣大的壓力下產生更大的靜摩擦力，希望與活塞桿之間要有盡 可能大的摩擦系數(shù)； （ 2）由于同時受到很大壓應力和表面剪切應力，因此希望其具有很高的力學性能； （ 3）由于長時間工作在油介質中，希望其具有較強的耐腐蝕性； （ 4）由于鎖緊裝置長時間鎖緊，希望其力學性能和摩擦系數(shù)等參數(shù)長時間保持穩(wěn)定； （ 5）如果該材料需要鑄造在內錐套基體內圓柱表面上，希望其具有較好的鑄造性能和切削性能。 （ 6）如果內錐套整體都是由一種材料制成，則希望其能夠承受較大的彈性變形。 由于活塞桿材料為廠家給定： 45 鋼，表面高頻淬火，鍍硬鉻， 0，表面粗糙度 需要選擇其對偶件。常見 的與摩擦副有鋼 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 或銅合金材料作對偶件 銅及銅合金是解決 400℃ 以下工業(yè)摩擦學問題的主要材料 [15]。 （ 1）錫青銅 的強度、彈性、耐磨性和抗磁性，在冷熱態(tài)壓力加工性良好，可焊接和釬焊，切削性好，具有較好的耐蝕性。主要用于彈簧和導電性好的彈簧接觸片，精密儀器中的耐磨零件，如齒輪、電刷盒、接觸器。 根據航天工業(yè)標準 [16]，錫青銅 熱處理方式為： 不完全再結晶退火：溫度 380~420℃ ，退火時間 60~120冷； 去應力退火：溫度 150~180℃ ，退火時間 120冷。 （ 2）錫青銅 度高，彈性和耐磨性好，易焊接和釬焊，在大氣、淡水和海水中耐蝕性好，切削性良好，適于熱加工。用于中等負荷、中等滑動速度下承受摩擦的零件，如抗磨墊圈、軸承、軸套、蝸輪等，還可用于彈簧、簧片等。 根據航天工業(yè)標準 [16]，錫青銅 熱處理方式為： 去應力退火：溫度 180~200℃ ，退火時間 120冷。 （ 3）鈹青銅 含有少量鎳的鈹青銅。是力學、物理、化學綜合性能良好的一種合金。經淬火調 質后，具有高的強度、硬度、彈性、耐磨性、疲勞極限。易于焊接和釬焊，在大氣、淡水和海水中耐蝕性極好。用于各種精密儀表、儀器中的彈簧和彈性元件，各種耐磨零件以及在高速、高壓下工作的軸承、襯套。 鈹青銅 熱處理方式為： 固溶處理：在氨分解氣中加熱到 800℃ ，保溫 10水中快速冷卻 [17]； 時效處理：將固溶處理后零件加熱至 325℃ ，保溫 空冷 [18]。 （ 4）鋁青銅 有鐵、錳元素的鋁青銅。有高的強度和耐磨性，經淬火回火后可提高硬度，有較好的耐蝕性和抗氧化性，切削性尚可， 可焊接但不易釬焊，熱態(tài)下壓力加工性良好。用于高溫條件下工作的耐磨零件盒各種標準件，如齒輪、軸承、襯套等。 熱處理方式： 固溶處理：將零件加熱至 850℃ ，保溫 100℃ 水中冷卻； 時效處理：將固溶處理后零件加熱至 350℃ ，保溫 1h 后空冷 [19]。 （ 5）鑄造鋁黃銅 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 為耐磨合金，具有高的強度、硬度和耐磨性，耐蝕性也較好。用于高強、耐磨零件，如橋梁支承板、螺母、螺桿、耐磨板、滑塊和蝸輪等。 根據航天工業(yè)標準 [16]，鑄造鋁黃銅 熱處理方式為： 去應力退火： 溫度 300~350℃ ，保溫 120冷或爐冷。值得注意的是，去應力退火一般安排在冷變形或機械加工后進行，目的是為了消除冷變形和機械加工產生的殘余應力，防止自裂，穩(wěn)定尺寸和性能 [20]。 （ 6）錳黃銅 較高的力學性能和耐蝕性，耐磨性較好，切削性能良好。用于一般用途的結構件，船舶、儀表等使用外形簡單的之間，如套筒、襯套、軸瓦、滑塊等。 根據航天工業(yè)標準 [16]，錳黃銅 熱處理方式為： 去應力退火：溫度 300~350℃ ，保溫 120冷或爐冷。 件 （ 1） 球墨鑄鐵 高的強度和耐磨性，較高的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度和一定的韌性。用于內燃機曲軸、凸輪軸和汽車上的圓錐齒輪、轉向節(jié)、傳動軸及拖拉機的減速齒輪、農機具 [20]。 力學性能參數(shù)僅供參考：抗拉強度 σb=900服強度 00長率 2%?? ，硬度 360~280?21]。 熱處理方式： 840~880℃ 加熱，在 250~350℃ 鹽浴中淬火，獲得綜合力學性能，尤其能提高強度、韌性與耐磨性。 （ 2） 中錳抗磨球墨鑄鐵 錳抗磨球墨鑄鐵的基體組織以馬氏體和奧氏體為主，具有承受沖擊載荷的能力，以及制造工藝簡單、靈活、單位質量的疲勞強度高、韌性好、能鑄出較薄零件（ 質量穩(wěn)定可靠性高和經濟性好等優(yōu)點?？纱娓咤i鋼和鍛鋼，可制作耐磨零件，如用于選礦用螺旋分級機葉片、磨機襯板、煤粉機錘頭、農機和水泥機械的耐磨件等。李合非 , 王彩云 , 隋勇 [22]等人對不同熱處理狀態(tài)下球墨鑄鐵的耐磨性能以及它在旋耕機刀片上的應用做了許多研 究，對本設計的材料選擇很有參考意義。 熱處理方式： ℃ 保溫后油淬， ℃ 回火。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 （ 1） 高碳鉻軸承鋼 高碳鉻軸承鋼代表鋼種，綜合性能良好，淬火與回火后具有高而均勻的硬度，良好的耐磨性和高的接觸疲勞壽命，熱加工變形性能和切削加工性能均好。主要用于各種軸承套圈、滾動體，也用于制造模具、精密量具以及其他要求高耐磨性、高彈性極限和 高接觸疲勞強度的機械零部件 [20]。 高碳鉻軸承鋼 熱處理方式為： 870℃ 淬火并在液氮中深冷處理的鋼具有較高的耐磨性 [23]。 （ 1） 銅基濕式摩擦材料 用粉末冶金技術制備摩擦片，不但性能優(yōu)良，而且容意靈活的選擇材料的組分和樣式。采用粉末冶金方法可以任意改變材料的組分，可以避免傳統(tǒng)鑄造工藝中的氣孔、疏松、成分偏析及晶粒長大等缺陷，有助于提高材料的綜合機械性能 [24]。其中銅基粉末冶金材料大多數(shù)用于有液體潤滑的工作條件下 [25]，與本設計工況相符合。 該材料用于船 用齒輪箱系列離合器、拖拉機主離合器、載重汽車及工程機械等濕式離合器。 （ 2） 基體表面等離子噴涂 納米材料與表面涂層技術相結合，可擴大納米材料的應用范圍，并給常規(guī)涂層技術的提高創(chuàng)造了條件。其中 陶瓷涂層的應用領域很廣 [25]。納米涂層的研究己取得一定的進展，并在軍事上獲得應用，美國海軍已將熱噴涂米涂層作為新型抗摩擦磨損材料應用于船舶和艦艇。目前個系列更是研究的熱點之一，其具有優(yōu)越的耐磨性、抗腐蝕性及較高的硬度 [26]。 錐套 外表面摩擦副材料選擇 內錐套外表面摩擦副同樣很重要，在這里對其材料篩選作一下要求： （ 1） 由于主要傳遞較大正壓力，因此表面要具有較高的抗壓強度。 （ 2） 內錐套外表面之間要做到盡可能小的摩擦系數(shù)，因為兩者之間摩擦力越大，彈簧則需要更大的力來克服，對整個裝置的設計非常不利。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 （ 3） 由于長時間工作在油介質中，希望其具有較強的耐腐蝕性。 根據以上幾點要求，通過查找資料得到如下幾個外錐套內表面可選方案。 值得一提的是，由于外錐套需要較高的強度和剛度，根據其性能要求和廠家實際生產能力，在本設計中采用 40為外錐套基體的材料，在表面摩 擦上來看 40能無法滿足以上摩擦副的設計要求，可以考慮將外錐套內表面加工成圓柱面，再選擇合適的材料制成內表面為圓錐面的襯套，兩者通過過盈配合鑲嵌在一起，在端部用擋片、螺栓軸向固定。具體方案如 圖 示 圖 錐套組件設計方案 1— 擋片； 2— 內六角圓螺釘； 3:— 鑲嵌銅套： 4— 外錐套 造鉛青銅 滑性能、耐磨性能和耐蝕性能好，適合作為雙金屬鑄造材料。主要用于表面壓力高、又存在側向壓力的滑動軸承，負荷峰值 60受沖擊零件，最高峰值達 100內燃機雙金屬軸 瓦，以及活塞銷套等 [20]。 造錫青銅 有較高的強度，良好的抗滑動磨擦性，優(yōu)良的切削性能和良好的焊接性能，在大氣、淡水中有良好的耐腐蝕性能。主要用于制造航空、汽車及其它工業(yè)部門中承受磨擦的零件，如汽缸活塞銷襯套、軸承和襯套的內襯、副連桿襯套、圓盤和墊圈等 [20]。 造鋁青銅 有良好的切削磨削性能，可焊接，易熱加工成型。合金主要用于制造支 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 架、齒輪、軸套、襯套、接管嘴、法蘭盤、搖臂、導閥、泵桿、凸輪、固定螺母等高強度和耐磨的結構零件 [20]。 驗方案 根據廠家所提供的活塞桿材料制作統(tǒng)一的下試塊，保證其加工、處理等方式與液壓缸活塞桿完全相同；將上試塊用查文獻或手冊得到的材料分別制成，然后依據科學的試驗方法進行摩擦磨損試驗。通過對試驗過程中摩擦系數(shù)的變化和試驗前后試件質量差（即磨損量）的測定，分析影響摩擦磨損的因素，進而確定各因素對各個摩擦副摩擦磨損影響程度的大小。 1） 擦磨損試驗機，往復行程 25大加載力 1200N，示。 圖 擦磨損試驗機 2） 精度電子天平，精度 量范圍 220g，如圖 示。 3）超聲波清洗機，如圖 示。 圖 子天平 圖 聲波清洗機 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 4） 抗磨液壓油，性質如表 示。 表 驗油液性質 [27] 試驗油液 閃點 傾點 比重 黏度指數(shù) 40℃ 運動黏度 抗磨液壓油 203（ ℃ ） ℃ ） 00 5） 試驗試件，材料及處理方式如表 示。 表 驗試件材料及熱處理 材料 熱處理方式 45 （ 1） 表面高頻淬火； （ 2） 鍍硬鉻， 50。 30 1） 900淬火，油冷； （ 2） 690℃ 回火，空冷至室溫； （ 3）滲氮 1）固溶處理：將零件加熱至 850℃ ，保溫 100℃ 水中冷卻； （ 2）時效處理：將固溶處理后零件加熱至 350℃ ，保溫 1h 后空冷。 1）不完全再結晶退火：溫度 380~420℃ ，退火時間 60~120冷； （ 2）去應力退火：溫度 150~180℃ ，退火時間 120冷。 1） 熱加工溫度 650～ 850℃ ； （ 2） 退火溫度 600～ 700℃ ； （ 3） 消除內應力的低溫退火溫度 270～ 300℃ 。 1）去應力退火溫度 300~350℃ ，保溫 120冷或爐冷。 6） 其他輔助用品，包括吹風機，棉簽，干布，鑷子，丙酮，無水酒精等。 試驗采用控制變量法進行安排，試驗結果采用直觀分析法進行分析。分析因素選擇為配對的兩種材料的表面粗糙度 ，上試塊的材料類型， 試驗時間，評論指標選擇為摩擦系數(shù)和磨損量以及摩擦系數(shù)隨磨損量的變化趨勢。 試驗中的其他因素保持同一水平，這里主要指環(huán)境溫度，試驗摩擦相對速 度等。 試驗機使用較為簡單的曲柄滑塊機構，試驗電機的工作頻率為 以模擬內錐套內表面摩擦副的緩慢摩擦的工作情況。由于實際鎖緊裝置在解鎖和鎖緊過程中活塞桿與內錐套內表面由于加工精度的關系不可避免地發(fā)生接觸和相對滑動，通過這種試驗方法很好地模擬了鎖緊裝置多次執(zhí)行鎖緊 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖紙 并得到摩擦系數(shù)、磨損量等參數(shù)隨摩擦時間的變化情況，最終得到各材料配副的綜合性能評價，同時也有效地評估了鎖緊裝置工作的可靠性。由于這種往復式摩擦試驗方法具有結構簡單、研究成本相對較低、試驗試件的加工處理容易實現(xiàn)的優(yōu)點，目前被廣泛采 用。 本試驗總摩擦時間確定為 2 小時，每到 15間點測取 5 個循環(huán)周期的摩擦系數(shù)的平均值作為這個時間點的摩擦系數(shù)，這樣能夠一定程度地減小試驗的隨機誤差。將每個時間點的摩擦系數(shù)記錄在對應的表格中并繪制摩擦系數(shù)隨時間變化折線圖。 評價磨損效果好壞需要在摩擦試驗前、后對材料的磨損程度進行測量，根據試驗前后試件重量的變化來量化該組配對材料的抗磨損能力。常用的測量方法有稱重法、長度測量法、壓痕或切槽法、表面輪廓法、化學分析法等。由于稱重法操作簡單且結果可靠，因此被廣泛采用。所謂稱重法，即用 子天平（精度為 量試件在試驗前后的重量，從重量變化來確定磨損量的方法。為確保稱重的準確性，試驗前后的試件都采用丙酮擦拭配合用無水酒精在超聲波清洗機中清洗的方式進行，除掉試驗前試件表