模壓波形鋼腹板的大噸位液壓機設計研究

張成凱

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710119）

1 工程概況

包茂（G65）高速公路上修建的昭君黃河特大橋，屬于包頭至東勝段改擴建工程的范疇，施工區域為包頭與鄂爾多斯交界處。黃河特大橋主橋及南北跨堤橋上部結構均采用1600型（BCSW1600/Q355D）標準波形鋼腹板，其水平折疊角度設置為30.7°，水平面寬度、波高和波長分別設置為0.4m、0.2mhe1.6m,彎折半徑設置為15t。波形鋼腹板標準波長如圖1。

圖1 波形鋼腹板標準波長（單位：mm）

本文對自由鍛造液壓機進行了全面的論述，主缸的最大負荷設置為15000kN，液壓機的構成成分有工作臺、滑塊、工作缸、上下橫梁和回程缸等。本文對液壓機的本體設計信息做出了全面的剖析，以給定的參數為依據，積極地開展了計算工作，為總體設計方案的制定提供了可靠的信息依據。受液壓機自身公稱壓力較大的影響，最終決定使用柱塞缸充當工作缸。

2 設計步驟

2.1 液壓缸的結構型式

（1）對于水壓機來說，柱塞式液壓缸的使用范圍最廣泛，在工作缸、回程缸和平衡缸等結構中得到了普遍的使用，主要優勢體現為制造方便、結構簡單；缺點體現為只能完成單方向的作用，反向運動需要借助回程缸來實現。

（2）對于中小型的液壓機來說，活塞式液壓缸的使用頻率最高，不但能夠使工作行程得到最大程度的滿足，還能使回程得以快速地實現，優化升級了液壓機的結構，活塞運動的兩個方向要保持密封的狀態，缸的內表面加工精度標準非常高，部件結構的復雜程度也很大。

（3）差動柱塞式液壓缸結構增加了一處密封，具有超強的承受偏心荷載和導向的作用，橫梁是主要的安裝位置，能夠與活動橫梁實現緊密的連接。

①計算液壓缸內徑。

柱塞的直徑計算公式：

式中，選定的液體工作壓力設置為p，單位為Pa；Dt的單位為cm。

液壓缸的內徑D1為

式中，在直徑上，柱塞與缸內壁的間隙值設置為Δt，以缸的長短和大小為依據來選擇鍛造液壓缸，鑄鋼液壓缸設置為20～30；鍛造液壓缸設置為0～15mm。缸的內半徑設置為r1，單位為cm。

在選擇材料時，要以液壓p為依據，液壓缸的材料以35號鋼為主，安全系數設置為2.3，應力允許值為[]σ=137MaP。

②液壓缸外徑計算。

③筒壁部分。

全面分析總體受力情況后發現，液壓缸是厚壁高壓容器中的一種形式。在高壓液體作用下，會有部分反作用力作用于缸底上，這些作用力借助缸壁快速的傳輸到法蘭上，借助法蘭支撐與橫梁上的支撐反作用力實現平衡。根據受力情況，液壓缸主要包括三個部分，分別是缸底、法蘭和中間厚壁圓筒，在使用理論分析和應力測試等措施后，能夠使用厚壁圓筒公式來計算強度的位置，為與法蘭支撐表面距離為1.5r2的缸筒中段。在缸底部分和法蘭部分彎曲力矩的影響下，使用厚壁圓筒計算法無法獲得精準的數據信息。在簡化缸底支承液壓缸的受力情況后，使用厚壁圓筒公式完成相關的計算工作。

④缸底部分。

在分析液壓機的資料里，平底缸與受平均荷載影響且四周剛性比較固定的中心有孔圓板的分析原理一致，最大彎曲應力出現的常見位置為圓板周邊位置處，缸底進液孔的半徑位置為ra。液壓缸上油孔直徑尺寸的計算。在詳細分析工作缸的結構后，決定在缸底位置處設置工作缸進油口，在工作缸下部位置設置下油口，從而使安裝施工變得更加方便。在選擇油口尺寸時，以油管直徑為依據，油管通油直徑的流速設置為3m/s左右，使壓力損失降到最低，將噪音和振動控制到最少。在分析管道內油流動速度時，需要滿足以下條件。吸油管道的流動速度保持在2m/s以內，壓油管道的流動速度保持在5m/s，如果壓力比較高，油流動速度也會隨之升高；反之，油流動速度就會降低。對于管道的局部收縮位置來說，其取值要保持在5～7m/s；回油管道的取值要保持在1.5～2m/s，活塞工作速度設置為10mm/s。依據上述數據來完成油孔直徑計算，快速進入時的速度為300mm/s，缸底進油口的內徑使用以上公式計算：即

式中，V為空行程速度

Dt為柱塞直徑

缸底進油口直徑為?244mm

式中，缸內液體壓力設置為p；缸的內半徑設置為r1；缸底厚度設置為T；缸底因開孔而引入的削弱系數設置為?。

按這種方法計算，許用應力為[σ]= 1 60MPa。

所以σ≤[σ]。

2.2 液壓缸的支承型式

（1）法蘭支承：在橫梁上安裝液壓缸時，使用法蘭支撐完成安裝施工，確保缸外壁上環形面積與橫梁保持緊密接觸。在缸內進入高壓液體后，通過橫梁與法蘭的接觸面，使得反作用力及時地傳輸到橫梁上，在橫梁上固定液壓缸時，使用法蘭完成施工。對于有些液壓機來說，橫梁上嵌著缸的法蘭，使用壓環將其固定結實，將法蘭上開螺栓孔的問題被徹底地避免掉，高效地控制法蘭外徑，法蘭受力到達到最佳狀態，但是，在檢查橫梁與法蘭的接觸情況時，則會十分的麻煩。

取法蘭外徑Df=1600mm。

（2）缸底支承：在橫梁上固定液壓缸時，需要設置法蘭，將法蘭過渡區應力集中的問題徹底地解決，將缸體毛坯的尺寸控制到最小。當壓機高度發生改變后，橫梁與缸底接觸的情況無法做到高效的控制。有些液壓機使用柱塞或者是活塞來固定，活動橫梁與液壓缸共同運動也被劃分到缸底支承的范圍里。

（3）對于柱塞與活動橫梁來說，連接形式主要有兩種，分別為球面支承連接和剛性連接。將剛性連接的結構柱塞下端插入活動橫梁中，二者之間不會有相對運動的情況出現，在偏心加載時，活動橫梁和柱塞在失去平衡后，活動橫梁的部分偏心力矩會被傳遞到液壓缸的導向位置處，使得部分側向水平推力也會隨之傳遞到導向部分位置處，使得密封和導向銅套的磨損變得越來越嚴重。

2.3 導套及密封

在柱塞反復運動的過程中，導套起到了積極的導向作用，使用抗壓耐磨青銅來鑄造導套。在柱塞式缸里，工作柱塞直徑與導套長度的比值通常為0.5～1.0，大液壓缸數達到最小值。對于密封材料來說，其性能要滿足以下條件。在一定的溫度范圍內始終保持穩定性，與工作介質不相溶，接觸金屬以后，不會出現任何的反應，永久變形的概率比較小，具有較好的彈性。對于密封材料來說，其種類非常多，常見的有耐油橡膠、聚氨酯橡膠、氯乙烯和夾布橡膠等。

（1）如今使用的液壓缸材料中，最普遍的新型橡膠材料為聚氨酯橡膠，其化學性比較穩定，具有超強的彈性和強度，且耐油、耐高溫、耐高壓。

（2）在使用的耐油橡膠和夾布橡膠中，丁腈橡膠的使用范圍最廣泛，彈性比較好，夾布橡膠主要使用在水壓機中。

（3）氯乙烯具有較強的耐磨性，強度比較大，摩擦力比較小，但是，其彈性不是很理想。液壓機密封主要包括相對運動件表面間的動密封和固定件表面間的靜密封兩種形式，靜密封主要使用于組合式缸、閥套與閥座、管接頭等接縫位置處；動密封主要使用于柱塞、閥、液壓泵柱塞或者是活塞與缸等位置處。密封件的型式比較多，最常見的有O形、Y形、U 形、V形等，在這里選用Y形夾布橡膠。

2.4 橫梁的結構設計

對于橫梁結構而言，主要包括活動橫梁、下橫梁和上橫梁等三種形式。橫梁結構的主要類型為上封閉、下封閉的箱形，在立柱、柱塞和缸等位置處，通常會使用圓筒形，使用筋板將其與橫梁面板緊緊地連接在一起。承載比較大的位置處，筋板的密度也會隨之增加，不斷提升橫梁的剛度，將局部應力降到最小，輻射形和網格形是筋板布置的主要類型。為了使橫梁構件變形得以高效地控制，不管是焊接結構，還是鑄造結構，都需要使用熱處理的方法進行處理，從而使內應力得到有效的消除。整體結構形式是中小型液壓機橫梁的主要形式，大型液壓機的橫梁會受到制造情況和運輸能力的制約，會以組合的形式存在，使用拉緊螺栓將其有機地連接在一起。鑄造結構的橫梁要控制好各部分的厚度，不能出現突然的變化，要科學合理地設置鑄造技術所需要使用到的出砂孔。橫梁出現疲勞裂縫的主要原因為出砂孔四周的應力過于集中，橫梁中性層是布置出砂孔的主要位置，盡管此處的彎曲應力不存在，但是，剪應力卻比較大。以開有長圓孔的小單元體為例進行分析，該單元體在剪切變形后，受力的主傳力筋上最好不要設置出砂孔，同時，確保出砂孔與應力最大的區域保持一定的距離，尺寸要合理地控制，以圓形為主，增設加強圈在孔邊位置處。

2.5 壓套導向

從運動學方面出發，受油缸和導軌面的影響，沿著導軌長度方向的一個自由度上會有滑塊和活塞存在。一般情況下，會在橫梁上固定油缸，油缸孔與活塞有效地配合，所以不能對其進行任何的調節。在滑塊導向位置處設置能夠使滑塊前后、左右調節的功能，其調整范圍使累計誤差給精度造成的影響得到高效的補償。在設計導軌時，要采取有效的措施對沿運動方向的旋轉進行控制。從導軌受力的角度來分析，導軌面上承受的力主要是機架在受力變形后，給導軌面造成的偏心力和水平力等，還包括在該力影響下的附加水平力在其中，因此，導軌的寬度和長度要滿足設計的標準，確保導軌面上的比壓值要始終保持在允許值的標準中。與其他機身導軌的設計理念相同，要將導軌的潤滑問題和材料選擇問題放在重要的位置上，對于校正壓裝液壓機、粉末冶金、塑料制品等高壓行程較小、高壓行程速度控制在20mm/s的液壓機來說，油杯加油潤滑的方法比較常見。對于高速沖裁、薄板拉伸和金屬擠壓等高壓行程較長、高壓行程速度較大的全自動或者是半自動液壓機來說，通常會采取稀油強制潤滑的方法。與此同時，在開展設計工作時，要高度重視工藝過程中出現的熱變形問題，熱變形會給導軌間隙帶來不同程度的影響。

3 結語

隨著我國鋼結構橋梁的廣泛建設，大、中、小型波形鋼腹板橋梁更加普遍，對產品品種的需求也越來越多，為了使中小批量生產得到滿足，加工設備要盡量調整到最佳的狀態下，在所有的成型工藝設備中，將液壓機打造成最理想的設備。液壓機系統的壓力和行程速度能夠單獨調整后，為復雜工件和不對稱工件的制作創造了最佳的機會，且廢品率比較低，同時，也實現了對高強度、難成型、長行程材料的加工制作。與機械加工系統進行比較，液壓機系統的優越性比較高，將加工時間縮減到最少，能夠依據需要調整動力組合模式。