大吨位折弯机油缸与滑块连接的分析研究

周 晶 ，程海斌

（1.天水锻压机床有限公司 国家级企业技术中心，甘肃 天水 741020；2.甘肃省制管设备自动化及信息化重点实验室，甘肃 天水 741020）

近年来，折弯机不断向大吨位发展。随着机床吨位和机床长度的增加，滑块重量增大，在折弯机滑块速度切换时，液压阀关闭，由于流体和运动部件滑块的惯性作用，使液压系统内形成很高的峰值压力，造成液压冲击和滑块的冲击。对于大型折弯机来说，冲击尤为显著，往往引发系统的振动、噪声、漏油等现象，损坏液压系统元件，特别是损坏滑块和油缸的连接螺栓等，从而造成严重影响。

1 油缸与滑块连接螺钉的断裂分析

1.1 速度切换时间短

滑块由保压向快速返程切换时，换向阀换向，下腔进油，滑块重力阻止油缸下腔进油，滑块由静止突然转为向上运动。在这个过程中，液体的动能转化为压力能，使液体的压力突然升高，系统的瞬时压力比正常压力大好几倍，迫使油缸活塞杆带动滑块瞬间返程。

1.2 滑块与油缸活塞杆连接困难

滑块太重，则与油缸活塞杆连接困难。大型折弯机的滑块重量达100多t，油缸与滑块连接需要M120的双头螺栓连接，甚至更大。由于以前受国内加工能力的限制，加工成本太高。首先加工一过渡块，通过螺钉将过渡块与油缸活塞杆连接，再通过双头螺栓将过渡块与滑块连接，如图1所示。

图1 滑块与油缸的连接方式

1.3 返程冲击大

返程冲击大，存在安全隐患。折弯机在保压后的瞬间返程（滑块由静止变化为60mm/s），造成液压系统和机械系统的冲击，冲击动载荷系数至少为静载荷的3倍，甚至更大，容易造成液压系统漏油，损坏液压系统零件。有时候滑块倾斜等，造成单侧油缸受力，过渡块与油缸活塞杆连接的螺钉，过渡块与滑块连接的双头螺栓将受到这种反复冲击应力的影响更大，再加上螺纹加工因素的影响，常常造成过渡块与油缸活塞杆连接的螺钉断裂或者过渡块与滑块连接的双头螺栓螺纹疲劳失效。引起滑块掉落，存在严重的安全隐患。降低此处冲击的最好办法是增加缓冲装置或者增长受冲击螺钉。

2 油缸与滑块的连接研究

2.1 减少螺钉，增加缓冲

减少连接螺钉，增加缓冲装置。近年来国内加工能力的大幅度提高，以及加工成本的不断降低，现在可以直接在油缸活塞杆端头加工M100螺纹。由于结构限制，加长受冲击螺钉效果并不太显著，因此增加缓冲装置成为了唯一选择。如图2所示，该连接既减少了连接螺钉又去掉了以前滑块体上的安装孔，增强了滑块的强度和刚性。

图2 增加缓冲装置的滑块与油缸连接

2.2 增加缓冲后冲击力分析

增加缓冲装置后，滑块和油缸活塞杆连接所受冲击持续时间非常短促，接触力随时间的变化很难准确分析。精确计算冲击力，根据能量守恒，大致估算冲击时的载荷、变形和应力。忽略一些变化不大的其他能量（如系统产生的热能等），根据机械能守恒定律，冲击系统的动能T和滑块势能V的变化应等于连接螺栓所受的变形能U1d和缓冲装置所吸收的变形能Uhd。即

冲击过程中连接螺栓和缓冲装置变形最大时的动载荷为Pd。将系统看成弹性系统，在服从胡克定律的情况下，冲击过程中动载荷完成的功为

2.3 对冲击力深入分析

若将连接螺栓和缓冲装置看成统一的变形构件，对滑块和油缸活塞杆连接所受冲击力进行分析。同样忽略一些变化不大的其他能量（如系统产生的热能等），根据机械能守恒定律，大致估算冲击时的载荷、变形和应力。由于冲击时，弹性系统受拉，滑块向上运动，因此冲击系统的动能T和滑块的势能V的变化应等于弹性构件的变形能Ud。即

重量为Q的滑块以静载的方式作用于此弹性构件上，构件产生的静变形和静应力为△st和σst，在动载荷Pd作用下，相应的变形和应力为△d和σd。在线弹性范围内，载荷、变形和应力成正比，故有冲击动载荷系数

由式（5）得

将式（6）代入式（4）得

由于 V=0，联立公式（3）和（7）得

联立公式（5）和（8）得

将连接螺栓和缓冲装置组成的一个整体弹性结构看成一个弹簧，取弹性模量E=200GPa，滑块重Q=1000KN，连接螺栓直径d=100mm，连接螺栓长度L=0.75m，返程时，滑块由静止变化为60mm/s。由于滑块和油缸活塞杆通过4个弹性结构连接，假设4个弹性结构受力均匀，单个弹性结构的静变形△st=1mm，将数值代入公式（9）得

因为缓冲装置与连接螺栓形成串联结构，所有连接螺栓、缓冲装置和组成的弹性结构所受的静载荷和动载荷相同，因此三者的动载荷系数Kd也相同。

单个连接螺栓的静载荷变形

代入数值得

由（5）式得单个连接螺栓的冲击变形

代入数值得

单个连接螺栓的静应力

代入数值得

由（5）式得单个连接螺栓的冲击应力

代入数值得

2.4 无缓冲装置时的分析

若无缓冲装置，对滑块和油缸活塞杆连接螺栓所受冲击力进行分析。将连接螺栓看作弹簧时，假设4个连接螺栓受力均匀，则单个连接螺栓的静变形与加缓冲装置的静变形相同△st=1.2×10-4m。

将数值代入式（9），得单个螺杆的冲击动载荷系数

将数值代入式（11），得单个螺杆的冲击变形

将数值代入式（12），得单个螺杆的静应力

将数值代入式（13），得单个螺杆的冲击应力

2.5 缓冲装置的选择

3 对缓冲碟簧的预紧

对大于550kN的负荷预紧压缩，并且安装在高空，靠拧螺母是无法实现的。如图3所示，可先将碟簧安装在支座和压盖中，利用多个螺钉单独预紧，再安装在机床上。

图3 缓冲装置

4 结论

通过油缸活塞杆和滑块连接螺栓损坏和断裂的分析，忽略一些次要因素，简化模型，引起问题的主要原因是冲击。增加相应的缓冲装置，有效解决了连接螺栓的损坏和断裂，成功应用在近几年的产品中，尤其应用在安徽某公司3600t折弯机中，经过实践验证，起到了良好的作用。

参考文献：

[1] 吉林工业大学，编.工程机械液压与液力传动[M].北京：机械工业出版社，1979：56.

[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1992：100.

[3] 成大先.机械设计手册[M].第3卷.北京：化学工业出版社，2002：11-76.