便携式液压扳手设计
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便携式液压扳手设计
王彬彬
摘 要:介绍便携式液压扳手系统组成及工作原理,讨论扳手往复运动机构、机壳的结构特点,引入偏心液压缸的设计理念,并进行创新设计。
关键词:液压扳手;摇臂;超高强度工程材料;液压系统;偏心液压缸
一、引言
对于拆、装力矩很大的紧固件,传统的人工作业由于剧烈的振动和噪声,极易损伤毗邻的零部件,影响甚至破坏原结构的力学平衡;同时,难以根据设计要求准确地控制装配力矩。
研制便于紧固件装卸的现代化工程实用工具 便携式大转矩液压扳手,具有很大的应用前景和市场潜力,可广泛应用于化工、水利水电,建筑、桥梁、水泥、矿山等行业中大中型机械设备及钢结构。
二、组成和工作原理
综合分析研究实际打操作情况和多种方案,我们认为理想的设计方案是:利用液压作为支力源,依靠棘轮棘爪机构实现紧固件折装作业的单向间歇运动,并通过对反作用力臂10和套筒的系列优化设计,使该便携式大扭矩扳手根据不同的作业环境和工作对像,组成如图2-1
所示。
图2-1 液压扳手组装图
液压扳手由电机组合泵站和执行机构两大部分组成。
工作时调整好多功能反力臂,液压泵站的高压油通过旋转油管接头进入液压缸9,活塞杆7推动连接叉并带动销轴5在机壳内壁的滑道中移动,从而使摇臂组合机构3摆动,由方轴输出力矩,完成紧固件的拆、装作业。
三、液压系统设计
目前,我国以大于32Mpa 为超高液压压力界限值,在现代技术领域和工业生产中,超高压液压技术已是不可缺少。
其主要技术特点和要求是严格的密封,超高压小流量,要求专用液压介质。
液压系统以一定的功率工作时,由于压力很高,所以流量就很小,其流量一般在3L/min 以下。
普通液压油在超高压力下流动性锐减,极大程度上影响着液压系统的容积效率,体积压缩量不能忽略。
应选用特殊专用介质,采用柱塞副结构,由于柱塞副对超高压力下的密封具有良好的适应性,并有强大的构件强度和刚度。
360度/180度旋转油管接头,可在扳手上顶面360度旋转,在立面180度旋转,满足不同作业环境及定位方向的要求,减小作业空间。
四、结构和运动机构的设计1、定位方案
由于大直径螺栓的拆装扭矩巨大,液压缸的反
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作用力很大,执行机构尾部应有安全可靠的定位方案如图4-1所示。
液压缸的缸体通过顶端凸台及销轴与机壳配合,又与反作用力臂内筒配合,反作用力臂前端受油缸油口凸台轴向约束,同时可360度旋转,满足多种作业环境的要求。
在反作用力臂顶
部开一条环形减力槽。
图4-1 定位方案
2、摇臂设计(1)摇臂运动方案
活塞杆推动销轴并带动摇臂转动,对活塞杆会产生侧向力,对液压油缸的密封及活塞杆的稳定性十分不利,因此在机壳内壁两侧沿活塞缸轴向设计一对平行滑道,销轴在平行滑道内沿活塞杆轴线严格按照直线运动,同时将摇壁的销轴设计成长孔,以满足作业过程中,销轴和棘轮的中心距不断变化的
要求。
图4-2 摇臂运动方案
(2)摇臂的材料特性:
因为装、拆力矩巨大,为大幅度减轻执行机构的重量,应采用超高强度材料,同时充分考虑材料的韧性、塑料和加工工艺性能以及市场供应、经济成本等因素。
摇臂在中间位置时作为分析计算工况。
由于装、拆力矩巨大,为大幅度减轻执行机构的重量,应采用超高强度材料,同时充分考虑材料的韧性、塑性和加工工艺性能以及市场供应,经济成本等因素。
摇臂的材料选用目前使用较广的低合金超高强度钢30CrMnSiN i2A,弹性模量E=207Gpa,泊松比u=0.3,强度极限=1600-1800M pa 。
3、棘轮棘爪机构
螺栓(螺钉)拆装作业的单向间歇运动由特殊设计的棘轮棘爪机构实现。
由于拆装扭矩巨大,通常的单齿啮合棘轮棘爪结构不能满足强度要求。
因此,考虑多齿同时啮合、共同传递扭转的棘轮棘爪结构。
具体方案为:采用多齿数小模数的棘轮和整体型棘爪;工作时,由三个棘轮轮齿同时参与传递扭转,三个棘轮和轮齿与加工有同棘轮轮齿精密配合
的三个内齿的整体型棘爪相啮合;摇臂通过棘爪推动棘轮转动,棘轮与输出方轴由渐开线花键联接,从而使方轴并带动螺栓(螺钉)转动,完成拆装作业的单向间歇运动。
为保证棘轮和整体型棘爪的充分啮合,在摇臂的棘爪腔上平面设计一组弹簧。
对于棘轮的齿,当作用力作用于齿顶时最为不利,为保证外啮合棘轮的齿根不被折断,需满足弯曲强度条件:
=
M max W =[ ];M n =M
n !k
式中:M max 单个棘轮轮齿所受最大力矩;M n 单个棘轮轮齿的分配力矩;W 单个棘轮轮齿的截面抵抗矩;M 棘轮传递的力矩;
n 参与传递力矩的棘轮齿数。
式中k 是考虑当多齿同时啮合时,实际载荷在各棘轮齿上分布不均匀影响的载荷不均系数。
由于现没有参考数据,可按花键连接的载荷不均系数上限值取用。
单个棘轮的轮齿所受的力P 由分配力矩M n 产生,P =2M n /D,其中,齿顶圆直径D =m !Z 。
由于:M max =P !h =2M n !m /mZ =2M n /Z;W =a ^2!b/6=(1.5m)^2!b/6=0.375m ^2!b 式中:m 棘轮模数;
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Z 棘轮齿数;H 齿高,取h =m;a 齿根宽,a =1.5m b 齿宽。
因此:将(2)、(3)式代入(1)式:M max /W =2M n /0.375m ^2!b !z =5.33!M n /m ^2!b !Z ∀[ ]所以:m #2.31!M n
b !Z ![ ]
=2.31
M n
b !Z ![ ]n !k
4、偏心液压油缸
偏心液压油缸采取了特殊的结构形式,引入新型设计理念,其设计特点如下:
(1)、液压缸一般是进、出油口分置,并分别配置接头和油管。
现将进出油口合并,慢速推进时统一由旋转油管接头将液压泵站的液压油输入给液压缸的无杆腔,同时将有杆腔的液压油输回油箱。
快速退回时,由旋转油管接头将液压泵站的液压油输入给液压缸的有杆腔
,同时又将无杆腔的液压油输回油箱。
这样,不仅减轻重量,提高操作的灵活性,极大地缩小扳手的作业空间,而且十分有利于多功能反力臂的布置和调整;
图4-3 偏心液压油缸
(2)、缸筒截面的外圆与内圆圆心之间设计偏心e,即形成不均匀壁厚,由于采用超高压液压系统,作业时,缸壁油道和缸筒内壁都会受到很大的内压力的作用,因此采用偏心液压缸,能很大程度的改善缸筒整体的内力分布和减小缸筒的平均应变;另外缸筒与缸盖一体成型,这样能够简化结构,减小扳手的外廓尺寸,同时增强液压缸的整体刚度,降低变形。
参考文献:
[1]申勇胜.机械原理[M ].清华大学出版社.1999.[2]姜继海.液压与气压传动[M ].北京:高等教育出版社.2002.
[3]徐灏.机械设计手册(第4卷)[M ].北京:机械工业出版社.2000.
[4]沈莲.机械工程材料[M ].北京
:机械工业出版社.1999.
(作者单位:安徽苏东石化电力设备制造集团有限公司)
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