太陽能電池板耗能型風擺阻尼器的結構設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10805太陽能電池板耗能型風擺阻尼器的結構設計案例 -1-279161.1連接方式的選擇 -1-8021.1.1端蓋與缸筒的連接方式 -1-220811.1.2活塞桿與活塞的連接方式 -4-187391.2耗能型風擺阻尼器的密封 -5-261451.2.1密封方式的選擇 -5-158691.2.2密封件的選擇 -6-150131.3風擺阻尼器內(nèi)、輔缸筒的結構設計 -8-182771.4風擺阻尼器左、右端蓋的結構設計 -9-109221.4.1主缸和輔缸左端蓋的設計 -9-284731.4.2主缸和輔缸右端蓋的設計 -10-301141.4.3輔缸筒右端蓋的結構設計 -11-185821.5活塞桿的結構設計 -12-137921.6活塞的結構設計 -12-126751.7單向補償流道中零件結構設計 -14-210621.7.1閥套的結構設計 -14-231471.7.2彈簧套的結構設計 -14-210831.78KN太陽能電池板耗能型風擺阻尼器的結構組成 -15-1.1連接方式的選擇1.1.1端蓋與缸筒的連接方式通過了解液壓相關結構的設計，缸筒與端蓋的連接方式如表1.1[10]所示。表1.1[10]缸筒與端蓋連接方式首先考慮連接方式，若用法蘭連接，雖能保證足夠的強度與緊密性，但會增大其軸向尺寸，并且由于結構較為復雜，使得裝配與拆卸較復雜，不便于安裝使用之后的檢修；若是采用焊接的方式，雖然其節(jié)省材料，密封性好，但是焊接完成后不能拆卸，故不能兩端的連接方式都采用焊接的方式；螺紋連接的方式結構簡單連接可靠且便于拆卸，雖然可能會因為密封性不夠而泄露，但此問題可通過加裝密封圈來解決。綜合考慮決定采取螺紋連接與焊接結合使用的方式，這樣不僅使得阻尼器能夠拆修，還保證了風擺阻尼器的密封性。圖1.1左端蓋連接方案在本設計中，左端蓋連接方案如圖1.1，通過在左端蓋上加工凸臺，將主缸筒和輔缸筒的左端蓋合并在同一個端蓋上，實現(xiàn)一個端蓋同時對內(nèi)外兩個缸筒進行密封，通過這樣的設計，一方面可以起到減小阻尼器的軸向尺寸的作用；另一方面簡化了零件間的連接，使裝配過程更加簡便。這樣一來，在阻尼器左邊部分，只需要主將缸或輔缸其中之一與左端蓋通過螺紋連接起來即可?？紤]到粗牙螺紋自鎖性較差，在阻尼器這種振動環(huán)境中需要加裝裝防松、自鎖裝置，這樣會使得結構較為復雜，故決定在輔缸筒與左端蓋之間采用細牙螺紋進行連接，并通過加裝密封圈來保證密封性。輔缸筒與輔缸右端蓋之間用焊接的方式，如圖1.2。在阻尼器右邊將主缸右端蓋采取浮動設計，并沒有與其他零件連接，通過一個階梯與主缸筒內(nèi)壁配合實現(xiàn)徑向定位，然后將輔缸右端蓋壓在主缸右端蓋上，最后將輔缸右端蓋與輔缸筒焊接在一起，實現(xiàn)主缸筒右端蓋的軸向定位。這樣進一步減少了風擺阻尼器所需的連接處，能增強風擺阻尼器的整體強度。所以在阻尼器右邊部分也只需將輔缸與輔缸右端蓋進行焊接連接。圖1.2右端蓋連接方案這樣一來，整體的連接方式有效結合了兩種密封方式的優(yōu)點，避免了單一連接方法的缺點。1.1.2活塞桿與活塞的連接方式常見的活塞與活塞桿的連接方式[13]如表1.2所示，包括整體型、半環(huán)連接、螺紋連接等。整體式[14]雖結構簡單，但由于其更換成本較高，而且，對活塞內(nèi)外徑、活塞桿直徑及斷面接合處的四個面的同軸度。垂直度要求較高,不予考慮。另外本設計中活塞桿只受軸向力的作用，載荷不大，且半環(huán)連接結構較為復雜，存在軸向竄動，多應用于負載較大、振動存在的場合，因此，不選用半環(huán)連接。銷連接由于承載力較小，且加工難。螺紋連接雖螺紋的加工和裝配比較麻煩，但其連接穩(wěn)固可靠，活塞與活塞桿之間無軸向公差要求。綜合比較各種連接方式的優(yōu)缺點，結合阻尼器的尺寸要求、強度、加工工藝以及裝配等各方面的原因，選擇螺紋連接的方式。表1.2[13]活塞與活塞桿連接方式1.2耗能型風擺阻尼器的密封1.2.1密封方式的選擇在液壓系統(tǒng)中，保持油腔的獨立封閉是極其重要的，若是發(fā)生外漏會造成工作介質的浪費，若發(fā)生嚴重外漏，會直接導致液壓系統(tǒng)無法正常工作，甚至引起機械操作失靈及設備人身事故；內(nèi)漏會引起液壓系統(tǒng)容積效率急劇下降，達不到所需要的工作壓力，影響工作性能；而從外界侵入系統(tǒng)中的微小灰塵顆粒，會引起或加劇液壓元件摩擦副的磨損，進而導致泄漏的發(fā)生。密封裝置則是用來防止工作介質的泄漏及外界灰塵和異物的侵入，制造一個封閉的油腔，以保證液壓系統(tǒng)正常的工作性能。因此，密封件和密封裝置是液壓設備的一個重要組成部分。它工作的可靠性和使用壽命，是衡量液壓系統(tǒng)好壞的一個重要指標。液壓缸常見的密封形式如表1.3[15]所示：表1.3常見的密封方式密封形式密封原理特點間隙密封依靠兩相對運動的配合面間保持一很小的間隙，使其產(chǎn)生液體摩擦阻力來防止泄漏的一種密封方法?；钊祥_截面為三角形、深0.3~0.5mm的環(huán)形槽，環(huán)形槽中的油液形成等壓區(qū)，平衡活塞上的徑向液壓力，使活塞自動對中，從而減小活塞與油缸配合面之間的摩擦，減少油液泄漏。只適于直徑較小、壓力較低的液壓缸與活塞間密封。優(yōu)點：結構簡單，摩擦力小；缺點：不能隨壓力的增大而自動提高密封性能，且不能自動補償磨損。橡膠密封圈密封按密封圈的結構形式不同有O型、Y型、Yx型和Ｖ型密封圈，O形密封圈密封原理是依靠O形密封圈的預壓縮，消除間隙而實現(xiàn)密封。Y型、Yx型和V型密封圈是依靠密封圈唇口受液壓力作用變形，使唇口貼緊密封面而進行密封。優(yōu)點：結構簡單，密封可靠，磨損自動補償，密封性能隨壓力的增大而提高。橡塑組合密封裝置由O型密封圈和聚四氟乙烯做成的格來圈或斯特圈組合而成。這種組合密封裝置是利用O型密封圈的良好彈性變形性能，通過預壓縮所產(chǎn)生的預壓力將格來圈或斯特圈緊貼在密封面上起密封作用。優(yōu)點：密封可靠、摩擦力低而穩(wěn)定，具有極低的摩擦因素，具有自潤滑性。在液壓系統(tǒng)中，密封裝置包括密封圈、導向環(huán)、防塵圈，在設計時必須根據(jù)具體的工作條件來選擇與之匹配適合的密封[16]。對比表1.3中的幾種密封形式，間隙密封密封性能較差，不能用于大壓力情況下的密封。密封圈密封結構簡單、使用方便，具有較好的密封性能，它能夠自動補償活塞桿和端蓋之間的磨損，在不同的壓力下，有不同的密封性能，能盡可能減少油液的泄露，提高密封性和整個裝置的使用壽命，因此選擇密封圈密封是較為合適的。1.2.2密封件的選擇本設計中左端蓋與活塞桿之間存在相對運動，需采用活塞桿動密封。首先是防塵圈的選擇，參照派克密封件里的防塵圈，綜合比較各型導向環(huán)之間的優(yōu)缺點和適用范圍，決定選用A1型防塵圈，A1型防塵圈除了具有防止灰塵、污物、沙粒及金屬屑的基本功能，還通過特殊的設計，防止刮傷，保護導向零件，延長了密封件的工作壽命，并它的直徑尺寸有一定的過盈量可保證密封件緊緊裝入溝槽中，從而防止更細微的雜質微粒和濕氣的侵入，另外A1型防塵圈無需螺釘和托架，不必要嚴格的公差，也無金屬插件，防止了像金屬骨架防塵圈可能發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。其次是密封圈的選擇，參考派克密封件里的密封件，在綜合比對各型密封圈的優(yōu)缺點后，結合設計要求決定選用C1型防塵圈，C1型密封件滿足液壓設備中小結構密封件的需求，盡管密封件截面和高度很小，但密封效果極佳。由于密封件接觸面小，摩擦力極小，并且由于特殊設計，因而不需要擋圈。另外C1型密封圈可以很容易地裝人溝槽，且其外徑大于正常尺寸，可確保所需的緊固安裝最后是導向環(huán)的選擇，參考派克密封件里的導向元件，在綜合比對各型導向環(huán)的優(yōu)缺點后，結合設計要求，選用FR型導向環(huán)，F(xiàn)R型導向環(huán)為開口式結構，使用這種結構可簡化活塞的設計。FR型導向環(huán)在安裝扣緊時簡易便捷，不需要任何工具輔助安裝，另外，F(xiàn)R型導向環(huán)的徑向負荷承載能力比熱塑性材料更高，且能在沒有足夠潤滑的情況也能有很好的工作性能。最后左端蓋與活塞桿之間的密封如圖1.11—活塞桿；2—FR型導向環(huán)；3—左端蓋；4—C1型密封圈；5—A1型防塵圈圖1.3左端蓋與活塞桿之間的密封在活塞與主缸筒之間需要活塞密封，主要起到兩方面作用，一面是把兩個右腔隔開，防止油液內(nèi)漏；另一方面是為了對活塞的運動進行導向。其導向環(huán)仍選用FR型，但與活塞桿密封不同的是，活塞上需要用到兩個導向環(huán)，在密封圈兩側對稱分布，一次來保證活塞正常運行的軌道。密封圈則選用KR密封圈，其適用的壓力范圍最大可達300bar，這種密封件有特高的動、靜態(tài)密封性能，適用于單向作用，具有極好的耐磨性，在整個工作時間內(nèi)均可保持低摩擦運極高的抗擠壓性，可簡單地裝在整體活塞上等優(yōu)點。除了上述的部位以外，在螺紋連接處及各個配合面之間也需要密封，用來防止油液的內(nèi)泄與外泄，這些部位的密封均選用O型圈來進行密封。另外，在左端蓋與主缸筒之間的密封，由于左端蓋會受到活塞的沖擊，密封圈受到來自右方的沖擊，會承受較大的不均勻載荷，此時就需要用到O型圈加擋圈的結構，給O型圈受力方向安裝一個擋圈，來減小O型圈受到的沖擊，減少損耗，延長使用壽命。1.3風擺阻尼器內(nèi)、輔缸筒的結構設計在此風擺阻尼器中存在內(nèi)外兩個缸筒，其中內(nèi)缸筒是工作缸筒，為主缸筒，內(nèi)部被油液充滿，和普通液壓缸缸筒相似，需要承受一定壓力的，工作環(huán)境較為惡劣，對缸筒強度要求較高。結合風擺阻尼器的尺寸要求、強度、加工工藝以及裝配等各方面的原因，決定在右側直接將輔缸筒與輔缸右端蓋焊接起來，以此來保證連接強度與密封性。在輔缸筒的左側采用內(nèi)螺紋與左端蓋連接，方便加工與拆卸，以便于使用后的拆修，之所以采取內(nèi)螺紋，是為了避免外螺紋連接時端蓋容易卡死在缸筒內(nèi)[11]。輔缸筒結構示意圖如圖1.2所示：圖1.4輔缸筒結構輔缸筒左側加工有M115×1.5的細牙螺紋以便于與左端蓋的連接，在螺紋之后的地方開有螺紋退刀槽，為了便于輔缸筒與左端蓋之間O型圈的安裝，在兩端螺紋退刀槽結束的地方加工15°倒角，15°倒角可以使O型圈更為順滑的裝入其中，其徑向長度必須大于O型圈的壓縮量，這是為了避免在裝配時一部分的O型圈被截掉。輔缸筒主要用于儲油，內(nèi)壁無需加工。主缸筒結構如圖1.3所示：圖1.5主缸筒結構主缸筒結構較為簡單，只是在主缸筒內(nèi)壁加工15°倒角，便于主缸筒與左右端蓋之間O型圈的安裝。主缸筒外壁無任何配合，對其技術要求較低，無需精加工，但主缸筒內(nèi)壁與活塞存在相對運動，為保證活塞能長時間正常運動，對主缸筒內(nèi)壁的表面粗糙度、直線度、圓度、圓柱度有較高的要求。1.4風擺阻尼器左、右端蓋的結構設計1.4.1主缸和輔缸左端蓋的設計端蓋被運用在許多液壓元器件上，包括但不限于液壓缸、緩沖器、阻尼器等，它所起的作用主要有兩個方面[12]：1.制造一個封閉的油腔，一方面防止油腔內(nèi)的油液發(fā)生泄露，導致油腔壓力變化而無法產(chǎn)生足夠阻尼力，另一方面防止外部灰塵、雜質等異物進入工作腔，影響阻尼器的正常工作；2.對活塞桿的運動起導向的用，保證活塞桿運動時的直線度，保證風擺阻尼器的正常工作。在本設計中，通過在左端蓋上加工凸臺，將主缸筒和輔缸筒的左端蓋合并在同一個端蓋上，實現(xiàn)一個端蓋同時對內(nèi)外兩個缸筒進行密封，通過這樣的設計，一方面可以起到減小阻尼器的軸向尺寸的作用；另一方面簡化了零件間的連接，使裝配過程更加簡便。此外，左端蓋還要對活塞桿進行導向和密封，因此，設計左端蓋時不僅要考慮右端蓋與缸筒連接方式的問題，還要考慮主缸筒、輔缸筒、活塞桿這些結構之間的密封、防塵和導向問題，需要在左端蓋內(nèi)孔開三個溝槽，分別用于防塵圈、密封圈以及導向套的安裝。由于左端蓋凸臺與主缸筒之間有配合關系，需要采取密封措施，且左端蓋與輔缸筒通過螺紋連接，而螺紋不具備密封的功能，故左端蓋與輔缸筒之間也需密封。最后設計出左端蓋結構如圖1.4。圖1.6左端蓋結構在左端蓋最外側加工M115×1.5的細牙螺紋，用于與輔缸筒的連接，在螺紋后側及凸臺上加工溝槽用于安裝O型圈。從左到右在內(nèi)孔分別開三個溝槽，分別用于防塵圈、密封圈以及導向套的安裝，最后，考慮到當活塞運動到與左端蓋相接觸時，活塞桿上單向流道的出油口會被左端蓋堵住，故在左端蓋內(nèi)部右側沿軸向方向切掉一部分，使左端蓋與活塞桿之間存在間隙，這樣當活塞運動到極限位置時，油液仍然能通過間隙進入活塞桿中的流道，保證活塞桿在整個行程中都能有效工作。1.4.2主缸和輔缸右端蓋的設計在本設計中，一大創(chuàng)新點即使將主缸右端蓋采取浮動設計，并沒有與其他零件連接，通過一個階梯與主缸筒內(nèi)壁配合實現(xiàn)徑向定位，然后將輔缸右端蓋壓在主缸右端蓋上，最后將輔缸右端蓋與輔缸筒焊接在一起，實現(xiàn)主缸筒右端蓋的軸向定位。這樣進一步減少了風擺阻尼器所需的連接處，能增強風擺阻尼器的整體強度。本設計中右端蓋結構如圖1.5。圖1.7右端蓋結構輔缸右端蓋除了需要在外側在開出安裝O型圈的溝槽，其內(nèi)部也是需要有油液通過，需要在內(nèi)部開阻尼孔，用于補充油腔的油液，提供一定阻尼力。另外，由于內(nèi)部需要安裝單向閥，這樣還需要考慮到單向閥的徑向定位，經(jīng)過查閱相關資料，決定利用內(nèi)六角螺堵來固定單向閥，這樣就需要在右端蓋內(nèi)部開出用于與內(nèi)六角螺堵連接的螺紋。在M10×1.5的螺紋后開有螺紋退刀槽，之后開的槽用于單向閥的安裝，在保證零件強度及阻尼孔長度的前提下，為了減小體積，減輕重量，在右端蓋右邊加工出凸臺。1.4.3輔缸筒右端蓋的結構設計輔缸右端蓋的結構如圖1.8圖1.8輔缸右端蓋的結構此輔缸右端蓋直接與右耳環(huán)焊接在一起，并在輔缸右端蓋左側加工出一圈環(huán)形凸臺壓在右端蓋上，在外側與輔缸筒焊接之后，從而將右端蓋壓死固定，另外在環(huán)形凸臺在開出兩通孔作為輔助油箱的進出油口。1.5活塞桿的結構設計活塞桿有實心桿與空心桿之分，在以下情況：1.在缸筒運動的液壓缸，用實心桿來疏通油道；2.大型液壓缸的活塞桿用于減輕重量；1.為了增加活塞桿抗彎能力；4.在d/D值較大或桿心需安裝傳感器等情況是用空心桿，其他情況一般采用實心桿，在本設計中采用實心桿。其具體結構如圖1.6。圖1.9活塞桿結構在活塞桿左側內(nèi)部加工有螺紋，用于與左耳環(huán)的連接，在活塞桿右側外部加工有外螺紋，用于與活塞桿的連接，并在螺紋后有螺紋退刀槽，在退刀槽后的一段階梯是與活塞的配合面，隨后是用于安裝O型圈的溝槽。在活塞右側內(nèi)部，加工有流道以及安裝單向流道結構的孔。1.6活塞的結構設計在液壓傳動的設計中，液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關，但活塞直徑應與缸簡內(nèi)徑一致。這樣一來，設計活塞時的主要任務就是確定活塞的結構型式?；钊Y構形式通常分為整體活塞和組合式活塞兩類[13]，如表1.4。整體活塞只需要活塞圓周上開出溝槽，安置密封圈，結構簡單，但給活塞的加工帶來困難，密封圈安裝時也容易拉傷和扭曲。組合式活塞結構多樣，主要受密封型式?jīng)Q定。組合式活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長。隨著耐磨的導向環(huán)大量的使用，多數(shù)密封圈與導向環(huán)聯(lián)合使用，大大降低了活塞加工成本。表1.4活塞結構形式在本設計中，考慮到組合式活塞的結構較為復雜，給裝配以及拆修帶來了困難，故采取了整體活塞的結構形式，如圖1.7。圖1.10活塞結構在活塞圓周開有三個溝槽，用于導向環(huán)與密封圈的安裝，兩邊溝槽安裝導向環(huán)，中間溝槽用于密封圈的安裝。并且活塞上開有阻尼孔，并在阻尼孔兩端開槽來確保阻尼孔的固定的長度。在活塞中間加工有螺紋來與活塞連接，因螺紋連接本身不具有導向性和密封性，需在活塞內(nèi)側與活塞桿接觸的部分安裝O型圈來起到導向和密封的作用，這樣就不能直接打通螺紋孔，需要一個配合面來安裝O型圈，并在加工15°倒角便于O型圈的裝配。1.7單向補償流道中零件結構設計1.7.1閥套的結構設計閥套外表面與活塞桿配合，實現(xiàn)徑向定位，在裝配時先將彈簧與彈簧套裝入閥套內(nèi)部，再將閥套整體裝入活塞桿，最后在活塞桿與活塞連接后利用活塞實現(xiàn)軸向定位，閥套結構如圖1.11。圖1.11單向補償流道閥套結構考慮到密封的要求，保證單向補償流道