卧式挤压机主缸导套设计方法研究

王鑫

（太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024）

卧式挤压机主缸导套设计方法研究

王鑫

（太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024）

挤压机主缸导套主要功能为定位和支撑主柱塞，并在主柱塞运动过程中起到导滑作用。本文从导套的功能要求、润滑原理、泄压通道要求和泄荷槽形式等方面说明了导套设计要求，并在此基础上根据动压要求、导套水平度要求和载荷要求三方面分别对导套长度进行研究，建立了导套长度和导套直径的函数关系，最后归纳了主缸导套的结构设计步骤。

卧式挤压机；主缸；导套；结构设计

对挤压机而言，安装于后梁上的主缸是其最重要的部件，是液压能和机械能转换的关键机构，尤其对大型挤压机来说，主缸使用周期的长短影响着企业效益。主缸的主要问题是漏油，其原因为密封件问题，而影响密封件寿命的原因虽然很多，但是缸体内导套的设计是影响密封件寿命的原因之一，所以分析导套受力情况，合理设计导套结构，探讨导套设计方法，为延长主缸的使用周期非常重要。

1 主缸导套设计要求

为合理设计挤压机主缸导套，首先应对其功能、工作环境及导套正常工作的影响因素进行分析。导套安装于主缸，主缸安装于后梁，如图1所示。

图1 挤压机主缸导套安装位置图

1.1 主缸导套功能要求

导套的功能是主柱塞的定位和主柱塞的支撑，在主柱塞运动时起定位和导滑作用，所以，为满足定位需求，主柱塞和导套的间隙及导套的长度之比必须满足挤压梁的水平运动要求＞0.05/1000；为满足支撑主柱塞的要求，导套承压面上的比压＜6kg/cm2；为满足导滑的要求，结构上要考虑有泄压槽。

1.2 润滑原理分析

主柱塞在运动过程中是液体润滑，主柱塞与导套的摩擦力和液体的粘度大小成正比，在主柱塞前进的方向由于动压的作用，主柱塞和导套已经隔离开，主柱塞和导套的摩擦已经由两种材料的摩擦变成液体的摩擦，在这种状况下摩擦系数非常小，磨损也非常小。而动压的产生源于液压楔的作用，主柱塞和导套之间的液压楔源于主缸的密封，其动压分布如图2所示。

图2 主缸导套动压分布图

由于主柱塞重力的原因，导套下部的动压大于上部的动压，上下部的动压差只要大于一定值，主柱塞和导套在运动中便可隔离开。主柱塞密封原理如图3所示，密封的最佳效果是主柱塞伸出时，表面带有一层薄的油膜，即液体产生的动压力和密封的预压力接近；缩回时将油膜带回，原因在于液体的摩擦，使密封腔产生负压。

图3 主缸主柱塞密封原理

1.3 导套泄压通道要求

由于主柱塞在前进过程中动压的产生，不可避免地对密封圈产生影响，为了既利用动压，又不损害密封圈，在导套上加工有各种泄压槽，以使动压的值控制在一定范围内，通常泄压槽形式如图4所示。

图4 导套泄压槽形式

如图4两种泄压通道形式，由于规格DN40-DN500的导套一般用于活塞杆的导套，活塞杆为两点支撑，导套的支撑力较小受力，所以选择4a内螺旋形泄压通道；规格DN520-DN2000的导套一般用于柱塞缸，柱塞不但重量重，而且还受偏载，故选择4b导向环开口的泄压通道。

2 主缸导套设计方法

根据导套在主缸中的作用及工作环境条件，导套的主要设计参数为导套的长度及卸荷通道的尺寸，经过实践研究，本文从根据动压要求、导套水平度要求和载荷要求三个方面分别确定导套的长度。

2.1 根据动压要求确定导套长度

导套的长度既要考虑承载的重量，还要考虑形成的动压值，根据动压值的大小确定导套的长度，首先确定导套和主柱塞间的间隙，规格DN40-DN500的配合为H8/f7，规格DN520－DN2200的配合为H7/f7，公差等级7级IT7的标准公差为

公差等级8级IT8的标准公差为

偏差为

导套直径为Dmm，导套长度为Lmm，导套和柱塞的间隙值取配合间隙的平均值，所以配合为H8/f7导套和柱塞间隙的平均值为

配合为H7/f7导套和柱塞间隙的平均值为

导套和主柱塞的实际情况一定是处于偏心状况，在运行时油膜厚度随时发生变化，为计算方便，在动压公式中，取油膜厚度

hs=Hs

由动压计算公式得

式中：η——动力粘度，kg/ms；

v——运动速度，m/s；

ρ——油液密度，kg/m3；

γ——运动粘度，m2/s。

由于导套和主柱塞在运动过程中各处的间隙不一样，所以动压的分布不同；随着速度和间隙的不同，动压的分布也不同，而三者是相互关联的。

在油膜厚度一定的条件下，将式（4）、（5）代入式（6）可得导套直径与导套长径比的关系如图5所示。

随着D的增大，L/D的比值变化并不大，D从 500～2000mm变化，L/D的变化为0.34～0.52，所以导套长度L可用上式计算，然后圆整。

图5 导套长径比L/D与直径D关系图

2.2 根据水平度确定导套长度

导套和主柱塞配合为 的情况下，取配合间隙的平均值如式（5）所示。取在配合间隙的为平均值的情况下，主柱塞的水平度为0.22/1000mm，则导套的长度为L时

推导得

可得导套长度L与导套直径D之间的关系如图6所示。

图6 导套长度L与直径D关系图

随着D的增大，长径比L/D→0.5，在此情况下，只要挤压杆的水平度在0.15/1000范围内，主柱塞在运行过程中便不会影响导套，即与导套发生偏摩。

2.3 根据载荷确定导套长度

由于导套上的载荷不是均匀分布的，为了设计的可性行，设定一个导套材料的面压值为

受压面积为

载荷为主柱塞的重量M；

导套的长度为

可得导套直径 与导套长径比 间在不同比压下的关系如图7所示。可见大的柱塞应选择大的比压。

3 导套结构设计

图7 导套长径比L/D与直径D关系图

利用如上推导的主缸导套长度计算公式及泄油槽选用方式，结合JB/T2001-3《水系统 导套 形式与尺寸》，即可进行主缸导套的结构设计，具体设计步骤如下：

STEP1：导套的结构尺寸根据 JB/T2001-3标准的规格尺寸确定。

STEP2：长度尺寸 及泄压槽尺寸根据以下的分析确定：①柱塞和导套的间隙及柱塞的水平度确定；②柱塞的重量和导套的比压确定。

综合以上要求确定导套的长度尺寸为：

导套DN40-DN300的高度L=0.4D

导套DN320-DN500的高度L=0.55D

导套DN520-DN2000的高度L=0.65D

STEP3：泄压槽的导套DN DN40-DN500的泄压通道为螺旋形；导套DN DN520-DN2000的泄压通道为直槽形。

STEP4：导套DN DN40-DN300的泄压通道为螺旋形，螺旋角升角10°，单线；导套DN DN320-DN500的泄压通道为螺旋形，螺旋角升角10°，双线。

STEP5：导套DN DN520-DN2000的泄压通道为直槽形。

图8 导套三维设计模型

4 结论

（1）总结归纳了挤压机主缸导套的功能，分析了导套的设计要求。

（2）分别根据主缸导套的动压要求、导套水平度要求和载荷要求三个方面分别确定导套的长度进行研究。

（3）归纳了主缸导套结构设计的步骤。

综合以上对导套的分析，导套对挤压机调整，即主柱塞和导套的同心度有直接的影响，本文设计方法尤其对大型挤压机主缸导套的设计具有参考意义。

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Study on design method of guide sleeve for main cylinder in horizontal extrusion press

WANG Xin
（Technology Center,Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd,Taiyuan 030024,Shanxi China）

The design requirements of the guide sleeve have been discussed in the text from the aspects of the functional requirements,lubrication principle,pressure relief channel requirement and the discharge groove form.On the basis of this,the guide sleeve length has been studied according to the requirement of dynamic pressure,the guide sleeve levelness and the load.The function relation between the guide sleeve length and the diameter has been established.Finally,the structural design steps of the guide sleeve for main cylinder have been summarized.

Horizontal extrusion press;Guide sleeve of main cylinder;Structure design

TG375

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.013

1672-0121（2017）01-0054-04

2016-10-12；

2016-12-06

王 鑫（1984-），男，硕士，工程师，从事液压机设计。E-mail：wangxin19840827@163.com