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摘要：本文对大粒径生物质成型设备液压缸的机械部分进行了可靠性的设计。确定了主要尺寸,对关键位置进行了强度校核,为下一步生物质成型设备的研究奠定了基础。
关键词：生物质；大粒径；液压系统；成型设备
Abstract: In this paper, the large particle size biomass molding equipment hydraulic cylinder of mechanical parts of the reliability of the design. It is sure the main size, the key position of the intensity, for the next step of biomass molding equipment to lay the foundation.
Key Words: Biomass; Large particle size; Hydraulic system; Molding equipment
中图分类号： G633文献标识码：A文章编号：
0 引言
液压系统是液压机械的一个组成部分,液压系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时,必须从实际出发,有机地结合各种传动形式,充分发挥液压传动的优点,力求设计出结构简单,工作可靠。成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。以下是此液压系统的设计思路及过程。
1成型机的总体设计
比较国内外生物质秸秆压缩成型工艺,针对现有生物质秸秆压缩成型机存在的主要问题进行分析,在对秸秆切碎和压缩成型工艺分析的基础上,对成型机总体结构进行初步设计。
1.1 设计原则
1）总体系统的适应能力强,易损件容易安装拆卸、调换,设备零部件加工简单,尽量选用标准件。
2）系统节能效果显著,机械化程度高。
3）运行平稳,工作可靠,生产过程中噪音低,满足环保要求。
1.2 总体结构
1传输带；2.曲柄滑块机构；3进料斗；4螺旋传动机构；5.液压缸 6.压缩缸体7.槽轮机构
图1.1成型机结构简图
如图1.1所示,所设计的生物质压缩成型机主要由7个部分所组成,其工作原理为：人工送料到1上,曲柄滑块机构的滑块上面安装刀具,通过滑块的上下运动带动道具运动,将秸秆切断后直接落入3(进料斗）里面,经4(螺旋传动机构）将段状秸秆传送到6(压缩缸）内,由液压缸5进行上下运动,完成压缩,待7上的卸料口与缸体一致时,通过5的二次工进,从卸料口卸料。
2 液压缸的设计
2.1安装方式
液压缸由于在工作中有摆动,根据中华人民共和国国家标准(GB9094）中《液压缸气缸安装尺寸和安装形式代号》的标准,安装方式选用头部带主销孔的活塞杆[2]。在实际当中,为了拆装方便,选择端部带外螺纹的活塞杆,再装配带内螺纹头部带柱销孔的链接件,来满足实际工作情况。
2.2液压缸型式
根据实际情况,参照《YHG型冶金设备标准液压缸》,选带衬套单耳环的液压缸型式[3]。
2.3初选系统工作压力
图2.1表示一个以液压缸为执行原件的液压系统图。压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。在载荷一定的情况下,工作压力低,要加大执行元件的结构尺寸。一般来说,对于尺寸不太受限的设备,压力可以选低一些,行走机械重载设备的压力要选高一些[7]。图2.1液压系统图
3 液压缸尺寸参数的计算
3.1液压缸的内径
本設计采用液压缸活塞铰接工作活塞杆来对生物质材料进行压缩,其作用简图如图3.1。其中D’为压缩活塞的直径,因为产出的生物质压缩材料的直径100mm,所以取D’=100mm。Fw为压缩材料时的工作压力,根据回彩娟,俞国等《影响生物质块状燃料常温高压致密成型因素的研究》将压力控制在15-35MPa之间[1],此处设计的成型机并不需要这么大的压力,因此试取Pw’=10MPa。后面求出的活塞有效行程为280mm,生物质压缩燃料厚度70mm。
图3.1活塞铰接工作活塞杆简图
d’为工作活塞杆的直径,根据设计液压缸活塞实际工况要求,取d/ D=0.7，所以d’=0.7 D’=0.7×100=70mm=0.07m。由Fw’= Pw’π(D’/2)2=10×106×3.14×(0.1/2)2=78500N。
由于液压缸的活塞杆装配是带内螺纹头部带柱销孔的链接件,所以两者可看做为一缸体,受力相等,所以有Fw=Fw’=78500N。
3.2计算液压缸的主要结构尺寸
液压缸主要涉及参数见图3.1当活塞杆受压时,F=Fw/ηm=p1A1-p2A2；活塞杆受拉时,F=Fw/ηm=p1A2-p2A1。
式中：A1= -无杆腔活塞有效作用面积(m2）；A2=-有杆腔活塞有效作用面积(m2）；
这里为使液压系统简单节约成本,且满足实际要求,选择系统的类型是回油路较短,且直接回油箱的方式,取背压力p2=0MPa。
一般,液压缸在受压状态下工作,其活塞面积为：A1=
此时确定A1 与A2的关系,且此前已经算出杆径比：φ= d/ D=0.7。
液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值按国产标准液压缸选取。由于材料厚度为70mm,设计压缩厚度为210mm。则液压缸行程s=210+70=280mm。
3.3液压缸结构参数的确定
3.3.1液压缸缸筒内径D的确定
由中华人民共和国机械行业标准(JB/T 5123-1991）,取D=100mm,则活塞杆外径d=70mm。
3.3.2液压缸工作压力的确定
前面已经确定Fw=78.5KN,液压缸的工作压力为：P1==。
根据《现代综合设计手册》中液压泵的选择方法,我们选择型号为DKBZL100,额定压力为15MPa的泵,含有单向定量功能[4]。
3.3.3验证最小有效面积
根据确定条件,D=100mm可得活塞面积：
故必须进行最小稳定速度的验算,要保证液压缸工作面积A必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积：
式中：qmin-流量阀的最小稳定流量,取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。Vmin-液压缸的最小速度,取决于运动机构要求的最小工作速度。
前面已经确定s快进=70mm,s工进=210mm,s回程=280mm则由液压缸活塞实际工况得,t快进=0.2s,t工进=0.5s,t快退=0.5s,那么：
同理得：,
由以上可知,快退时的流量最大,快进时的流量最大,且vmin=350mm/s=21000mm/min所选用的调速阀的型号为AXQF3。
则＜A,符合设计要求＞。
由已知条件,活塞材料可选45#钢,可查表知,45钢的屈服强度：s=355MPa
按强度条件校核：mm＜70mm符合要求[6]。
3.3.4液压缸壁厚的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。本设计按照薄壁圆筒设计,其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：。其中则。
当采用无缝钢管时：[]=100-110,取[]=100，。
由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小,使缸体的刚度不够,如在切削加工过程中的变形,安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：δ=20mm。
3.3.5缸体外径尺寸的计算
缸体外径。
3.3.6液压缸工作行程的确定
根据执行机构实际工作的最大长度确定工作行程为s=280mm。
3.3.7缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖,其有效厚度按强度要求用下式进行近似计算：
由于回油直接回油箱,则出口压力为零,机械效率取0.95,则Pη=10×0.95MPa=9.5MPa。
那么。为安全取整得T=15mm。
3.3.8最小导向长度的确定
当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为H,称为最小导向长度。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度增大,影响液压缸的稳定性,因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸,最小导向长度H应满足：取H=70mm。
式中：L-液压缸的最大行程(mm)；D-液压缸内径(mm)。
3.3.9活塞宽度B的确定
活塞的宽度B一般取B=(0.6-1.0）D，即B=(0.6-1.0）×100=(60-100）mm，取B=80mm。
3.3.10缸体长度的确定
一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D的20-30倍。缸体内部长度为：s+B=280+80=360mm≤(20-30）D=(20-30）×100=(2000-3000）mm，即取缸体长度为:L3-L5=350+280-138=492mm。
3.3.11液压缸进、出油口尺寸的确定
液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上,进、出油口处的流速不大于5m/s,油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。
根据液压缸螺纹连接的油口尺寸根据单杆液压缸油口安装尺寸(ISO8138-1986）确定。进出油口的尺寸为M16x1.5。连接方式为螺纹连接。
3.4液压缸的装配
液压缸主要由12个零部件所组成。要求装配后不漏油,进行空载试验时,能够使活塞杆连续运动。
图3.2 液压缸装配图
4 液压泵的选择
4.1液压泵工作情况的计算
工进时：,，
快进时：
快退时：,，
据计算确定我们选用的DKBZL100型泵符合要求,其排量為15mL/r,该泵的压力调节范围为(5-20)MPa,额定转速1500r/min。电机和泵关联,无须再设计选取。
5 结束语
本文主要对大粒径秸秆压缩成型设备液压系统机械部分做了可靠性的设计及其优化,确定液压系统中各个机构的尺寸参数,。除此之外还要进行液压缸的密封设计、支承导向的设计、防尘圈的设计以及液压缸材料的选用等。所有对液压缸可靠性有影响的参数都要考虑,这样才能进行下一步的优化设计。
参考文献：
[1] 回彩娟,俞国等.影响生物质块状燃料常温高压致密成型因素的研究[J].林业机械与木工设备,2005(11):10-14.
[2] GB9094-88,液压缸气缸安装尺寸和安装形式代号[S].
[3] ISO6020/1-1981,系列液压缸安装连接型式[S].
[4] 彭荣济等.现代综合设计手册[M].北京出版社,1999(1):2419-2432.
[5] 陈启松.液压传动与控制手册[M].上海科学技术出版社,2006(1):231-288.
[6] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社,2001(7):4-32.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：生物质；大粒径；液压系统；成型设备
Abstract: In this paper, the large particle size biomass molding equipment hydraulic cylinder of mechanical parts of the reliability of the design. It is sure the main size, the key position of the intensity, for the next step of biomass molding equipment to lay the foundation.
Key Words: Biomass; Large particle size; Hydraulic system; Molding equipment
中图分类号： G633文献标识码：A文章编号：
0 引言
液压系统是液压机械的一个组成部分,液压系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时,必须从实际出发,有机地结合各种传动形式,充分发挥液压传动的优点,力求设计出结构简单,工作可靠。成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。以下是此液压系统的设计思路及过程。
1成型机的总体设计
比较国内外生物质秸秆压缩成型工艺,针对现有生物质秸秆压缩成型机存在的主要问题进行分析,在对秸秆切碎和压缩成型工艺分析的基础上,对成型机总体结构进行初步设计。
1.1 设计原则
1）总体系统的适应能力强,易损件容易安装拆卸、调换,设备零部件加工简单,尽量选用标准件。
2）系统节能效果显著,机械化程度高。
3）运行平稳,工作可靠,生产过程中噪音低,满足环保要求。
1.2 总体结构
1传输带；2.曲柄滑块机构；3进料斗；4螺旋传动机构；5.液压缸 6.压缩缸体7.槽轮机构
图1.1成型机结构简图
如图1.1所示,所设计的生物质压缩成型机主要由7个部分所组成,其工作原理为：人工送料到1上,曲柄滑块机构的滑块上面安装刀具,通过滑块的上下运动带动道具运动,将秸秆切断后直接落入3(进料斗）里面,经4(螺旋传动机构）将段状秸秆传送到6(压缩缸）内,由液压缸5进行上下运动,完成压缩,待7上的卸料口与缸体一致时,通过5的二次工进,从卸料口卸料。
2 液压缸的设计
2.1安装方式
液压缸由于在工作中有摆动,根据中华人民共和国国家标准(GB9094）中《液压缸气缸安装尺寸和安装形式代号》的标准,安装方式选用头部带主销孔的活塞杆[2]。在实际当中,为了拆装方便,选择端部带外螺纹的活塞杆,再装配带内螺纹头部带柱销孔的链接件,来满足实际工作情况。
2.2液压缸型式
根据实际情况,参照《YHG型冶金设备标准液压缸》,选带衬套单耳环的液压缸型式[3]。
2.3初选系统工作压力
图2.1表示一个以液压缸为执行原件的液压系统图。压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。在载荷一定的情况下,工作压力低,要加大执行元件的结构尺寸。一般来说,对于尺寸不太受限的设备,压力可以选低一些,行走机械重载设备的压力要选高一些[7]。图2.1液压系统图
3 液压缸尺寸参数的计算
3.1液压缸的内径
本設计采用液压缸活塞铰接工作活塞杆来对生物质材料进行压缩,其作用简图如图3.1。其中D’为压缩活塞的直径,因为产出的生物质压缩材料的直径100mm,所以取D’=100mm。Fw为压缩材料时的工作压力,根据回彩娟,俞国等《影响生物质块状燃料常温高压致密成型因素的研究》将压力控制在15-35MPa之间[1],此处设计的成型机并不需要这么大的压力,因此试取Pw’=10MPa。后面求出的活塞有效行程为280mm,生物质压缩燃料厚度70mm。
图3.1活塞铰接工作活塞杆简图
d’为工作活塞杆的直径,根据设计液压缸活塞实际工况要求,取d/ D=0.7，所以d’=0.7 D’=0.7×100=70mm=0.07m。由Fw’= Pw’π(D’/2)2=10×106×3.14×(0.1/2)2=78500N。
由于液压缸的活塞杆装配是带内螺纹头部带柱销孔的链接件,所以两者可看做为一缸体,受力相等,所以有Fw=Fw’=78500N。
3.2计算液压缸的主要结构尺寸
液压缸主要涉及参数见图3.1当活塞杆受压时,F=Fw/ηm=p1A1-p2A2；活塞杆受拉时,F=Fw/ηm=p1A2-p2A1。
式中：A1= -无杆腔活塞有效作用面积(m2）；A2=-有杆腔活塞有效作用面积(m2）；
这里为使液压系统简单节约成本,且满足实际要求,选择系统的类型是回油路较短,且直接回油箱的方式,取背压力p2=0MPa。
一般,液压缸在受压状态下工作,其活塞面积为：A1=
此时确定A1 与A2的关系,且此前已经算出杆径比：φ= d/ D=0.7。
液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值按国产标准液压缸选取。由于材料厚度为70mm,设计压缩厚度为210mm。则液压缸行程s=210+70=280mm。
3.3液压缸结构参数的确定
3.3.1液压缸缸筒内径D的确定
由中华人民共和国机械行业标准(JB/T 5123-1991）,取D=100mm,则活塞杆外径d=70mm。
3.3.2液压缸工作压力的确定
前面已经确定Fw=78.5KN,液压缸的工作压力为：P1==。
根据《现代综合设计手册》中液压泵的选择方法,我们选择型号为DKBZL100,额定压力为15MPa的泵,含有单向定量功能[4]。
3.3.3验证最小有效面积
根据确定条件,D=100mm可得活塞面积：
故必须进行最小稳定速度的验算,要保证液压缸工作面积A必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积：
式中：qmin-流量阀的最小稳定流量,取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。Vmin-液压缸的最小速度,取决于运动机构要求的最小工作速度。
前面已经确定s快进=70mm,s工进=210mm,s回程=280mm则由液压缸活塞实际工况得,t快进=0.2s,t工进=0.5s,t快退=0.5s,那么：
同理得：,
由以上可知,快退时的流量最大,快进时的流量最大,且vmin=350mm/s=21000mm/min所选用的调速阀的型号为AXQF3。
则＜A,符合设计要求＞。
由已知条件,活塞材料可选45#钢,可查表知,45钢的屈服强度：s=355MPa
按强度条件校核：mm＜70mm符合要求[6]。
3.3.4液压缸壁厚的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。本设计按照薄壁圆筒设计,其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：。其中则。
当采用无缝钢管时：[]=100-110,取[]=100，。
由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小,使缸体的刚度不够,如在切削加工过程中的变形,安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：δ=20mm。
3.3.5缸体外径尺寸的计算
缸体外径。
3.3.6液压缸工作行程的确定
根据执行机构实际工作的最大长度确定工作行程为s=280mm。
3.3.7缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖,其有效厚度按强度要求用下式进行近似计算：
由于回油直接回油箱,则出口压力为零,机械效率取0.95,则Pη=10×0.95MPa=9.5MPa。
那么。为安全取整得T=15mm。
3.3.8最小导向长度的确定
当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为H,称为最小导向长度。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度增大,影响液压缸的稳定性,因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸,最小导向长度H应满足：取H=70mm。
式中：L-液压缸的最大行程(mm)；D-液压缸内径(mm)。
3.3.9活塞宽度B的确定
活塞的宽度B一般取B=(0.6-1.0）D，即B=(0.6-1.0）×100=(60-100）mm，取B=80mm。
3.3.10缸体长度的确定
一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D的20-30倍。缸体内部长度为：s+B=280+80=360mm≤(20-30）D=(20-30）×100=(2000-3000）mm，即取缸体长度为:L3-L5=350+280-138=492mm。
3.3.11液压缸进、出油口尺寸的确定
液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上,进、出油口处的流速不大于5m/s,油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。
根据液压缸螺纹连接的油口尺寸根据单杆液压缸油口安装尺寸(ISO8138-1986）确定。进出油口的尺寸为M16x1.5。连接方式为螺纹连接。
3.4液压缸的装配
液压缸主要由12个零部件所组成。要求装配后不漏油,进行空载试验时,能够使活塞杆连续运动。
图3.2 液压缸装配图
4 液压泵的选择
4.1液压泵工作情况的计算
工进时：,，
快进时：
快退时：,，
据计算确定我们选用的DKBZL100型泵符合要求,其排量為15mL/r,该泵的压力调节范围为(5-20)MPa,额定转速1500r/min。电机和泵关联,无须再设计选取。
5 结束语
本文主要对大粒径秸秆压缩成型设备液压系统机械部分做了可靠性的设计及其优化,确定液压系统中各个机构的尺寸参数,。除此之外还要进行液压缸的密封设计、支承导向的设计、防尘圈的设计以及液压缸材料的选用等。所有对液压缸可靠性有影响的参数都要考虑,这样才能进行下一步的优化设计。
参考文献：
[1] 回彩娟,俞国等.影响生物质块状燃料常温高压致密成型因素的研究[J].林业机械与木工设备,2005(11):10-14.
[2] GB9094-88,液压缸气缸安装尺寸和安装形式代号[S].
[3] ISO6020/1-1981,系列液压缸安装连接型式[S].
[4] 彭荣济等.现代综合设计手册[M].北京出版社,1999(1):2419-2432.
[5] 陈启松.液压传动与控制手册[M].上海科学技术出版社,2006(1):231-288.
[6] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社,2001(7):4-32.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。