30MN试管水压机主推力油缸参数的确定

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主推力油缸采用柱塞缸形式，缸内压力通过比例系统可随钢管内部压力的变化而变化，保证其压力和钢管试验压力的平衡。柱塞和缸体为整体铸锻件，柱塞、缸体表面要氮化防锈处理，并有很高光洁度；柱塞缸内的密封(V型组合密封圈)与防尘圈采用标准密封圈。2012年我们为山东胜利钢管有限公司湘潭 1422机组设计制造了30MN试管水压机。

1 主推力油缸基本参数的确定试管水压机主推力油缸的内径、活塞杆外径尺寸、额定压力是其设计时的基本参数。计算这些参数，就要知道试压钢管的压力值 ，知道钢管试压时对试压封头的最大堵力，从而反推油缸参数。为使引用方便，文中算式均进行了简化。现以山东胜利钢管有限公司湘潭1422机组的30MN水压机为例演算说明。钢管参数：管径325- 1 422 mm；管长8-12.5 m；壁 厚 5～25.4 mm；钢 级 X40～X70(美 国 API标准 )。

1.1 管内应力的受力分析图1 试压钢管见图l， 为径向力，因管壁相对于管子直径是很小的，因此 PuP·D ·。

式中：P为钢管内试验压力，krdcIn ；Dd为钢管内径，mm；L为钢管长度，mm。由于 作用于两个 上，则径向应力为：O"u旦 pDdL2Fu . (1) -式中：F 为钢管横切面 ； 为s·L，mm。；s为钢管壁厚，mm；o- 为径向应力，kg/mm 。

1.2 钢管试验压力的计算由式(1)可推出钢管试验压力：P200a s/Da(kg/mm ). (2)式中：对单面焊 0.4or ，其 为管材的抗拉强度；对双面焊or 0.80- ，其or 为管材的屈服极限。选取X70材质( 483 kg/mm ， 6565 kg/mm 都取下限值)、外径 1 067 mm、壁厚 25.4 mm时 ，钢 管双 面焊 P200O"us/D (200×0.8×483X25.4)/(1016.2×100)193 MPa。而实际上API标准里同规格的钢管试压压力值为20.6 MPa，略有差值是因为系数取值略有不同(API标准里系数取0.9)。实际应用中，由于执行标准的部门和国家不同，钢管试验压力算式略有不同 ，见表1。若将钢管参数代人算式中，考虑到各个标准取值时的误差，在相同材质、壁厚、管径的情况下钢管试验压力值是基本相同的。

表1 执行标准不同时的钢管试验压力算式中国原冶 中国原石化 日本标准 英国标准金部标准 部标准P -200百.K-aS P P：-200-aS P：-380-00 s3D D为系数K35% K为系数 为管材抗拉 D为钢管外为管材抗拉 K40% 强度 径/mm 强度 为管材抗拉强度 下限/(kg/mm )S为钢管壁 下限/(kg/mm ) D 为钢管内径 厚/mm S为钢管壁厚 下限/(kg/mm ) /m m /mm D为钢管外径/mm 参考英国标 D为钢管外径 为钢管壁Ii/mm S为钢管壁厚 准3601/mm/mm钢管选取X60材质( 415 kg/mm 520 kg/mm )、 1 220 mm外径、16mm壁厚时P4.8 MPa P5.5 MPa P4.7 MPa P5MPa1.3 主推力缸总承受力的确定钢管参数选取材质X70、最大壁厚s25.4 mm、管径D 1 422 mm时试管压力值为l9-3 MPa，此压力值也是此水压机试压钢管最大压力 ，钢管 内径 D 1 371.2mm。

F0.25 ； 0.25x3.14x1371.2 ×19328.5 MN.(3)这个主推力缸总承受力就是钢管试压时水对封头的最大堵力。

1.4 主推力缸柱塞直径的确定根据油水平衡原理，油缸推力应大于封头的最大收稿日期：2013-03-22作者简介：俞文奕(1974-)，男，山西太原人 ，工程师，本科，主要从事焊管设备的设计工作。

· 55 ·第4期(总第134期) 机 械 管 理 开 发 2013年 8月堵力，并且考虑到机械效率的损失。F油1.05F1.05x28.5030.0MN。

因为：F油：0.25'rD P油，F油为油缸推力，N；p油为液压系统工作压力(25MPa)。

则D / 4x3-140 ×250 00-1 236 mm.(4)式中：D为油缸缸径 ，mm；依照液压缸内径系列标准可以初步选取 l 280 mm为油缸缸径。根据机构运动和结构的要求，选取缸的作用方式为单作用柱塞缸。因此柱塞直径取为1 280 mm。

柱塞直径的验算：因为油缸行程为1 500 mm，远小于1O倍柱塞直径；根据机构运动和结构要求，选用柱塞材料为35CrMo(or 390 kg/mm ，Or 6590 kg/mm )。

则 (5)式中：d为柱塞直径，mm；盯。/S，S为安全系数≥1.4；Js取3，则 Or。130kg/mm。。

则 d≥ 4x 30 000 000-，即d i>542 mm.说明柱塞直径1 280mm符合设计要求 。

1.5 油缸 内径的确定根据机构运动和结构要求，选取缸体材质为20Mn-Mo( 275 kg/mm )，or 470 kg/mm )，选取V型组合密封圈作为油密封，查手册可选V型组合密封圈为d1280D1 330x100，因此缸内径最后定为1 330 mm。

1.6 油缸壁厚的确定油缸壁厚应满足 ≥ [、/ 圭 -1]m.(6)式 中：P 为液压系统压力 (25MPa)；D为油缸 内径(mm)； p Ob，其 Or 为缸体材质抗拉强度；S为安全系数，取5≥3。

算得t≥105 mm.根据机构运动和结构要求(在缸体外有-圈50 mm厚钢圆筒支撑件)最终选取缸体壁厚 100mm。

油方式 、且油缸推力巨大，当缸体底部厚度不够时会发生变形，而使油缸底部的密封圈失效产生泄漏；为了抵消应力集中的问题，设计时必须考虑缸体底部有足够的刚性。见图2，因经缸体直径处的变形. 56。

图2 缸体底部受力图力是最大的，故以直径处截面积作为计算对象。

Or ≤[叮]. (7)式中：F油为油缸推力，MN；A为油缸底部过直径处截面积，mm ，Ad x6； 为油缸缸底厚度，mm；[ ]为油缸底部所受应力 ，kg/mm ；or 为油缸底部材料屈服极限，kg/mm ；[ ] /n；其中 为275 kg/mm ；n为安全系数，取4；d1 330 mm；F油30 MN；[叮] 68.8 kg/mm 。

327 mm.安全系数足够大，最终 取 缸底 厚 度 320 mm。

最后 确定了主推力缸外径 1 530 mm、内径 1 330mm、柱塞外径 1 280 mm、缸底厚度320 mm，见图3。

1.8 主推力缸油压的选定油缸设计 中，低的油压虽会提高安全性能和降低液压元件成本 ，但是造1-缸体 ；2-柱塞；3-密封圈；4-压圈；5-防尘圈；6-缸体支撑件图3 主力缸结构图成缸体和柱塞的体积过于庞大，不利于制造、运输，材料费用也会上升；但过高油压则要求缸体和柱塞有很高机械性能，也不利于加工和焊接。综合考虑选取系统额定压力为25 MPa，既便于液压元件的选择，也利于管路的设计。

2 主推力油缸的安装方式根据机架结构要求，主推力缸采用了头部法兰形式，穿过机架试压中心与机架用螺栓连接在-起，这有以下几点好处：1)通过机架将油缸的推力分解到4根拉力梁上边，使推力成为水压机内力，消除了对基础的倾翻力矩。2)可随移动机架-起行走，满足不同长度钢管的试压需要。3)结构简单，安装方便。

3 主推力油缸的材料和技术要求1)材料要求。由于油缸产生巨大压力 ，选用机械性能较好及焊接性能较好的合金钢材料 ，常选用的有20MnMo、30CrMo、35CrMo等 ，并须采用锻钢、铸钢制造。30MN试管水压机主推力缸的缸体材料选为20MnMo，柱塞材料选为35CrMo。2)技术要求。(1)缸体内径采用H4配合；用橡胶密封圈时，取0.8～0.2；用密封环密封时，取0.8～0.4；都要进行研磨。(2)缸内径D的椭圆度、圆柱度不大于公差直径-半。缸体内表面的弯曲度长度，上不大于0.03 mm。(3)为防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面可以镀铬，镀层厚度30-40 Ixm，镀铬后缸体内表面要研磨或抛光。

4 结束语合理优化的主推力缸设计，既能节省成本、又能提(下转第58页) ≥d 第4期(总第134期) 机 械 管 理 开 发3 锥度设计的主要因数通常圆锥公差的给定方法有三种：1)给定圆锥直径公差 TD，此时锥角偏差和圆锥形状误差都限制在由圆锥直径公差 TD所形成的圆锥公差带空间内。

图4 给定圆锥截面直径公差%。和圆锥角公差AT的关系2)在给定圆锥直径公差TD的同时，再给定锥角公差AT或圆锥形状公差。

3)同时给定圆锥截面直径公差 。和锥角公差AT(锥角公差不包容在圆锥截面直径公差内)，两种公差相互独立，分别满足要求。由图4可知，当圆锥在给定截面上具有最蝎限尺寸时，其圆锥角公差带为图中下面两条实线限定的两对顶三角形区域；当圆锥在给定截面上具有最大极限尺寸时，其圆锥角公差带为图中上面两条实线限定的两对顶三角形区域 ；当圆锥在给定截面上具有特定尺寸时，其圆锥角公差带为图中中间两条虚线限定的两对顶三角形区域 1目前，我公司加工的产品多采用最后-种给定方法。通过分析发现 ，影响锥面尺寸的因素有：(1)基面直径的公差To ；(2)锥角的公差AT；(3)基面距的公差。 其中，基面直径公差 占主导因素，是检具设计主要考虑的因素 。

4 检具的结构设计4.1 齿轮 内锥的设计基于以上分析 ，设计检具如图l所示，该检具由锥度心轴、对表样件、弹簧套、紧定螺钉、百分表(根据实际情况可选用千分表)组成 。

4.2 齿轮外锥的设计外锥面尺寸检具的设计相对内锥面尺寸检具的设计要考虑的问题多-些，还要考虑到要同时满足不同的产品在这-检具上同时使用，因此设计的检具如图2所示。该检具由底座 、心轴、定位板、支架、垫片、表架、弹簧套、螺钉、垫、定位套、圆柱头内六角螺钉、垫圈、螺母、锥度环规、对表样件、百分表(根据实际情况可选用千分表)等组成H 。在此检具 中对应每-种产品分别对应有-套对表样件和锥度环规来实现检具的通用性。

5 结 论经使用证明，内外锥尺寸检具检测效果好，操作方便。在批量生产中，该检具对稳定产品质量、提高产品检验，起到了事半功倍的作用。另外，只需对相关的结构尺寸及对表样件和锥度环规稍作调整，即可满足不同产品(如变速箱齿轮、发动机齿轮、锥环、同步环)锥面尺寸的检测。