液壓扳手設(shè)計

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Above the hydraulic pressure torque spanner solves the question ideal tool. This tool the high-pressure oil which produces with the necessary ultrahigh voltage hydraulic pump takes the power, automatically completes the bolt the fastening and the disassemblage work, steady, does not have the impact, safe, the assembly quality is high 摘 要. 在能源，交通，冶金，化工，礦山及其他行業(yè)的設(shè)備安裝，檢修工作中，裝拆大規(guī)格螺栓比較困難；有些螺栓安裝在空間非常窄小的地方無法用加長力臂或用錘擊的方法緊固和拆卸螺栓；有些設(shè)備長期使用在比較潮濕的地方，螺栓銹蝕嚴重?zé)o法用人工拆卸，因而難以檢修；在架空管道和高空設(shè)備構(gòu)架上緊固和拆卸螺栓，工作人員雖然戴著安全帶也難以用上力，要安全地完成工作非常困難；據(jù)設(shè)備管理權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，在設(shè)備運行故障中有50%以上是因為螺栓問題引起的，因螺栓問題而造成設(shè)備重大事故的數(shù)量也非常驚人，因此新的設(shè)備安裝和檢修規(guī)范對螺栓緊固的力矩要求比較嚴格，而用人工方法難以達到要求。 液壓扭矩扳手是解決以上問題的理想工具。該工具用配套的超高壓液壓泵產(chǎn)生的高壓油作為動力，自動完成螺栓的緊固和拆卸工作，平穩(wěn)，無沖擊，安全，裝配質(zhì)量高。 中英文關(guān)鍵詞對照 液壓扳手——Hydraulic pressure spanner 棘輪——Notch wheel 棘爪——detents 活塞缸——Piston cylinder 活塞桿——Connecting rod 彈簧——Spring 強度——Intensity 扭矩——Torque 圓周力——Circumference strength 端蓋——End cover 法蘭——Flange 快換接頭——Fast replacement attachment 目錄 前言………………………………………………………6 第一章 液壓缸的設(shè)計……………………………………………7 1.1.1缸筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………8 1.1.2單活塞液壓缸內(nèi)徑的計算……………………………9 1.1.3缸筒臂厚的計算 ……………………………………9 1.1.4缸筒臂厚的驗算 ……………………………………10 1.1.5缸筒底部厚度設(shè)計計算 ……………………………10 1.1.6缸筒端部法蘭厚度設(shè)計 ……………………………11 1.1.7缸筒端部法蘭用螺釘強度設(shè)計計算 …………………11 1.2缸筒材料 ……………………………………………13 1.3缸筒的加工要求 ………………………………………13 第二章 活塞的設(shè)計 ……………………………………13 2.2.1初步確定活塞桿直徑d ……………………………13 2.2.2活塞桿的強度計算……………………………………14 2.2.3活塞桿的加工要求……………………………………14 2.2.4活塞的導(dǎo)向環(huán) ……………………………………15 2.3活塞用導(dǎo)向環(huán)寬度計算…………………………………15 2.4活塞桿的導(dǎo)向.密封和防塵 ……………………………16 2.5中隔圈的設(shè)計 ……………………………………17 2.5.1中隔圈 ……………………………………17 2.5.2中隔圈長度的確定方法……………………………17 第三章 棘輪機構(gòu)的設(shè)計 ………………………………………17 3.1棘輪機構(gòu)的基本型式和工作原理 ………………………17 3.2棘輪機構(gòu)的特點及應(yīng)用 ……………………………18 3.3 棘輪機構(gòu)的分類方式 …………………………18 3.4.1棘輪尺寸的設(shè)計計算…………………………………19 3.4.2棘輪強度校驗 ……………………………………20 第四章 彈簧的設(shè)計 ……………………………………………21 4.1.1主動爪彈簧的設(shè)計計算 ……………………………22 4.1.2 壓縮彈簧穩(wěn)定性驗算 ………………………………24 4.1.3壓縮彈簧強度驗算……………………………………24 4.1.4共振驗算 ……………………………………………25 4.1.5普通圓柱形螺旋彈簧的技術(shù)要求………………………25 4.2.1鎖塊彈簧的設(shè)計計算 …………………………………26 4.2.2壓縮彈簧穩(wěn)定性驗算 …………………………………27 4.2.3壓縮彈簧強度驗算 …………………………………27 第五章 機殼的設(shè)計 ………………………………………………27 第六章 主被動棘爪的設(shè)計計算 …………………………………28 結(jié)論 …………………………………………………………………29 致謝……………………………………………………………………30 參考文獻 ……………………………………………………………31 相關(guān)英文資料…………………………………………………………32 相關(guān)譯文………………………………………………………………36 前 言 當(dāng)前國家對水利、水電、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度很大，在其施工、維修和改造的過程之中，大扭矩緊固件的拆裝作業(yè)必不可少同時又十分艱巨。傳統(tǒng)的人力方法拆裝，不僅勞動強度大，作業(yè)效率低，成本高，而且由于劇烈的振動和噪音，經(jīng)常使緊固件報廢，直接影響安裝，維修工期，并不可避免地損傷眥鄰的零部件，影響甚至破壞原工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡；同時難以根據(jù)設(shè)計要求準(zhǔn)確控制裝配力矩。因此，設(shè)計開發(fā)能夠輸出強大轉(zhuǎn)矩，同時操作輕便、噪聲低安全可靠和通用性強的拆裝工具——便攜式大扭矩液壓扳手，具有重要的現(xiàn)實意義。 綜合分析研究實際操作情況和多種方案，我們認為理想的設(shè)計方案是：利用液壓作為動力源，依靠棘輪棘爪機構(gòu)實現(xiàn)緊固件拆裝作業(yè)的單向間歇運動，并通過對反作用力臂和套筒的系列化設(shè)計，使該便攜式大扭矩液壓扳手能夠根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境和工作對象，廣泛應(yīng)用于水利水電、冶金、建筑、橋梁、礦山、水泥等行業(yè)中大中型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)的安裝、維修工程。 第一章 液壓缸的設(shè)計 液壓缸是液壓裝置中將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)直線往復(fù)運動或擺動往復(fù)運動的執(zhí)行元件。本設(shè)計采用拉桿型通用液壓缸。通用型液壓缸無特殊要求，結(jié)構(gòu)較簡單，零.部件符合標(biāo)準(zhǔn)化.通用化的要求。因此，用途較廣泛，適用于各種液壓系統(tǒng)。拉桿型通用液壓缸缸筒可選用鋼管廠提供的高精度冷拔管，按行程長度所相應(yīng)的尺寸切割成形，一般內(nèi)表面不需加工就可達到使用要求。前后端蓋和活塞等主要零件均為通用件。因此，拉桿型液壓缸結(jié)構(gòu)簡單.拆裝簡便.零件通用化程度高.制造成本較低.適合批量生產(chǎn)。大功率液壓扭矩扳手是通過液壓缸的推力，經(jīng)過系統(tǒng)形成力矩，帶動螺母轉(zhuǎn)動一個角度，并以此扭矩傳送到螺栓聯(lián)接上，按要求預(yù)緊螺栓，它是由扳手、套筒、高壓油泵、換向閥及其帶快速接頭的高、低壓膠管組成。 1.1液壓缸的主要形式 ： 液壓缸：將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能（執(zhí)行元件），用來驅(qū)動工作機構(gòu)作直線運動（移動液壓缸）或擺動運動（擺動液壓缸、擺動液壓馬達） 單作用式：兩腔均能進出壓力油，活塞（缸體）能作正、反兩個方向移動的液壓缸 雙作用式：只有一腔能進出壓力油，活塞（缸體）只能依靠液壓力作單向運動，回程需借助自重/外力的液壓缸 雙桿活塞式液壓缸 特點和應(yīng)用： 當(dāng)兩活塞桿直徑相同、缸兩腔的供油壓力和流量都相等時，活塞(或缸體)兩個方向的推力和運動速度也都相等，適用于要求往復(fù)運動速度和輸出力相同的工況 。 單桿活塞式液壓缸 特點和應(yīng)用： 供油壓力和流量不變時，活塞在兩個方向的運動速度和輸出推力皆不相等。A1>A2故F1>F2,V110fr f—彈簧自振頻率。 fr—強迫機械振動頻率，棘輪有15個齒，轉(zhuǎn)一圈彈簧振動15次， d—彈簧材料直徑。d=0.8mm n—彈簧有效圈數(shù)。n=3.5 D—彈簧中徑。 D= 8.5mm f=3.56*100000d/n*D*D=876HZ≧150HZ 故符合要求。 4.1.5普通圓柱形螺旋彈簧的技術(shù)要求： 彈簧材料用65Mn 經(jīng)淬火和回火熱處理彈簧硬度達HRC40-50 彈簧表面應(yīng)光滑，不允許有裂紋，氧化皮，腐蝕等缺陷。 旋向是右旋， 4.2.1鎖塊彈簧的設(shè)計計算 該彈簧為拉伸螺旋彈簧 際情況和設(shè)計要求知： 彈簧外徑為：D1=9.5mm 最大壓力：Pn=22N 彈簧材料直徑d≧1.6 許用切應(yīng)力τp根據(jù)Ⅰ Ⅱ Ⅲ類載荷按表7-2-20選取， K=(4C-1)/(4C-4)+0.615/C C=D/d,一般假定C=5-8 根據(jù)彈簧應(yīng)用的實際情況可知鎖塊彈簧是Ⅲ類彈簧,所受循環(huán)載荷作用次數(shù)在10的3次方以下，彈簧材料用65Mn，在次情況下的許用切應(yīng)力τp=570MPa。 假定C=8，K=1.184 ∴d≧1.6, d=0.96mm ，圓整得d=1mm 彈簧中徑為：D=8.5mm 彈簧內(nèi)徑為：D1=7.5mm 旋繞比C=8.5 K=1.172 查表：7-2-19得：Pd=16.5 彈簧有效圈數(shù)n= Pd /P=2.9 取n=3 彈簧剛度 P= Pd/n=5.5 4.2.2壓縮彈簧穩(wěn)定性驗算： 高徑比b=H/D應(yīng)滿足下列要求： 兩端固定 b≦5.3 一端固定一端回轉(zhuǎn) b≦3.7 兩端回轉(zhuǎn) b≦2.6 此彈簧是一端固定一端回轉(zhuǎn)故 b=H/D=0.85≦3.7此彈簧穩(wěn)定性較好。 4.2.3壓縮彈簧強度驗算： 安全系數(shù)S= (τp+0.75τmin)/ τmax≧Sp τmax————最大工作載荷所產(chǎn)生的最大切應(yīng)力。 τmax=(8KD Pn /πd*d*d)=337 MPa τmin————最小工作載荷所產(chǎn)生的最小切應(yīng)力。 τmin=(8KD P1/πd*d*d)=144 MPa Sp————許用安全系數(shù)Sp=1.3-2.2。 S= (τp+0.75τmin)/ τmax=1.61≦2.2. 故疲勞強度符合要求。 第五章 機殼的設(shè)計 由于機殼在整個扳手執(zhí)行機構(gòu)中所占質(zhì)量較大，因此，要求機殼材料既要有足夠的強度和硬度，本設(shè)計機殼選用高強度高硬度而且質(zhì)量較輕的鋁鎂合金制成，但考慮到含鋁材料在井下作業(yè)時的防暴問題，成型后在材料表面上噴附一層高分子材料氯化聚醚（聚氯醚CPE）以解決該問題，這種材料具有獨特的防腐性能，僅次于聚四氟乙烯，可與聚三氟乙烯相比，能耐各種酸堿和有機溶劑，在高溫下耐濃硝酸，弄雙氧水何時氯氣等，可在120下長期使用，強度剛性同時還須機構(gòu)設(shè)計簡潔，質(zhì)量輕。本設(shè)計材料采用鋁鎂合金，但考慮到比尼龍.聚甲醛等低，耐磨性優(yōu)于尼龍，吸水性小，成品收縮率小，尺寸穩(wěn)定，成品精度高，可用火焰噴鍍法涂于金屬表面。 第六章 主被動棘爪的設(shè)計計算 主被動棘爪取相同結(jié)構(gòu)，長29.6mm，寬31mm，厚12.8mm，采用淬火處理 棘爪按彎曲與壓縮組合強度計算： =1032.4Mpa(-125.2MPa)1083Mpa 式中，M----彎矩。M=; W----棘爪危險截面抗彎矩，;W= ----棘爪寬度，mm ----棘爪危險截面厚度，mm F----危險截面的面積，mm2 ----需用彎曲應(yīng)力，Mpa,見《機械零件設(shè)計手冊》第352頁表2.4-7 所以，主被動棘爪強度足夠 其他不需要力學(xué)校合的零部件具體尺寸見圖紙。 結(jié)論 本設(shè)計特點： 1. 全封閉整體機身結(jié)構(gòu)，零部件不外漏，安全性能好，且可杜絕灰塵雜物進入，保護零部件不受損傷，并可保證良好潤滑，延長適用壽命； 2. 反作用支撐臂360°范圍微調(diào)，容易找到反作用支撐點，滿足現(xiàn)場各種復(fù)雜情況，而且這種支撐方式使螺栓不受彎曲力，適合于在狹小空間工作，運動部件少，經(jīng)久耐用，維護方便； 3. 旋轉(zhuǎn)快速接頭可使液壓軟管從任何方向引入，適應(yīng)任何使用空間； 4. 輸出力矩精度高； 5. 零部件高度集成，可靠性高； 6. 一臺扳手可選配多種套筒，拆裝多種規(guī)格的螺栓； 7. 重量輕，防腐性好，可用于水下和礦井操作；關(guān)鍵部件安全系數(shù)高，安全可靠，經(jīng)久耐用； 8. 偏心液壓油缸的設(shè)計實現(xiàn)將進、出油口合并，提高操作的靈活性，極大地減輕質(zhì)量和縮小扳手的作業(yè)空間，利于多功能反力臂的布置和調(diào)整。 9. 外形美觀，內(nèi)在質(zhì)量和外觀都有良好表現(xiàn)。 創(chuàng)新與改進方向： 本設(shè)計結(jié)合采用了國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，并對同類產(chǎn)品存在的一些問題進行了具體分析并予以解決，產(chǎn)品外殼為鋁鎂合金，在礦井等地下施工條件下工作時，容易造成爆炸，本設(shè)計在此材料基礎(chǔ)上噴附一層高分子材料氯化聚醚（聚氯醚CPE）以解決該問題，這種材料具有獨特的防腐性能，僅次于聚四氟乙烯，可與聚三氟乙烯相比，能耐各種酸堿和有機溶劑，在高溫下耐濃硝酸，弄雙氧水何時氯氣等，可在120下長期使用，強度剛性比尼龍.聚甲醛等低，耐磨性優(yōu)于尼龍，吸水性小，成品收縮率小，尺寸穩(wěn)定，成品精度高，可用火焰噴鍍法涂于金屬表面。 由于設(shè)計時間緊迫，設(shè)計經(jīng)驗不足，該設(shè)計產(chǎn)品仍有許多需該井的地方，主要是材料的輕型化.成本的降低.扭矩的進一步提高等方面還需要改進。希望在以后的設(shè)計工作中能夠吸取這次的經(jīng)驗與教訓(xùn)，完善設(shè)計產(chǎn)品的性能。 致 謝 畢業(yè)設(shè)計實踐環(huán)節(jié)是完成教學(xué)計劃達到本科生培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是教學(xué)計劃中綜合性最強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對培養(yǎng)學(xué)生的思想、工作作風(fēng)及實際能力、提高畢業(yè)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。 通過這次畢業(yè)設(shè)計中的具體工作，我掌握了液壓扳手以及與其相關(guān)的液壓與機械設(shè)計方面的知識，實踐了大學(xué)期間所學(xué)到的部分知識，積累了實際設(shè)計工作中才能得到的經(jīng)驗，對我們將來從事的工作有了一定認識，并產(chǎn)生了濃厚的興趣。在此，特別感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師韓鷹老師在畢業(yè)設(shè)計期間給予我的悉心指導(dǎo)和啟發(fā)，并感謝在此期間指導(dǎo)夠我的各個專業(yè)方向的老師們，以及楊子工具廠技術(shù)支持部.校工廠等為我們提供過技術(shù)咨詢與技術(shù)指導(dǎo)的單位和部門。 參考文獻 《新編液壓工程手冊》 主編：雷天覺 北京理工大學(xué)出版社 1998年12月 《機械設(shè)計手冊（新版）》主編：王文斌 機械工業(yè)出版社 2004年8月第三版 《機械設(shè)計手冊單行本》 主編：成大先 化學(xué)工業(yè)出版社 2004年1月 《機械設(shè)計便覽》 主編：郭芝俊.左金山.張建芳.張金興 天津科學(xué)技術(shù)出版社 1988年9月 《機械零件設(shè)計手冊（修訂版）》 主編：楊黎明.黃凱.李恩至.陳優(yōu)賢 國防工業(yè)出版社 1993年8月 《工程材料及熱加工基礎(chǔ)》 王毓敏 華中科技大學(xué)出版社 1998年9月 Great torque portable type hydraulic pressure spanner The great torque portable type hydraulic pressure spanner is for satisfy the enterprise to service the tool the special request but to design, it has the output torque in a big way, does not have the impact, can the accurate control want the tight strength, the easy to operate structure is compact, is suitable for many kinds of large-scale equipments bearing bolt loading and unloading. In order to facilitate in order to take the M30*2 bolt assembly as the example, introduces the great torque portable type hydraulic pressure spanner the structural design, the principle of work and the main characteristic. 1st, overall structure and principle of work But designs for great torque portable type hydraulic pressure spanner which M30*2 bolt loading and unloading, its basic parameter as follows: The bolt size is M30*2 screws tight the moment of force is most greatly 1,005 Nm hydraulic cylinder most tremendous pressure is 32 Mpa hydraulic pump fixed working pressure is 50Mpa, overall structure like chart 1 shows. The great torque portable type hydraulic pressure spanner overall is composed by two parts: Hydraulic pressure spanner (portable-type bolt hydraulic cylinder) and hydraulic system (hydraulic pressure pumping station, hydraulic pressure return route and control line). (1) the hydraulic pressure spanner portable bolt type hydraulic cylinder is the spanner main body, by the special piston screw rod, the cylinder jacket, the cylinder cover stick control switch and each kind of seal and the bridge piece and so on is composed. It turns through the transmission thread the piston straight reciprocating main motion disassembles and assembles the nut the rotary motion, thus realization thread loading and unloading. (2) the hydraulic system hydraulic system is the entire spanner main center control system. Needs the pressure according to the new system, selects the DBD0.8K series combination to pump with the hydraulic control valve, the low pressure electricity setting of switch on a car, through four steel wires hoses and electrical control line and bolt type hydraulic cylinder connection. The screw rod is reversing by a three illicit intercourses solenoid valves control, by the hydraulic pressure spanner handle on Niu type switch control solenoid valve, the realization hydraulic pressure spanner clockwise which may facilitate, reverses and stops. 2nd, the major component design and selects (1) the screw type hydraulic cylinder (hydraulic pressure spanner) for causes the ease of operation at in the entire design process, the structure to be supposed compact to be as far as possible simple, reduces the functional element as far as possible the volume and the weight, thus reduces the cost, at the same time embarks as convenient in the service angle, considered will be able to occur to the main attrition in the thread vice- on, the main service object could be a screw rod, but the screw rod cost will be higher than the piston by far, therefore decided did not consider the piston the attrition, will make the piston and the screw rod a body, the use integral type design, on the piston does not mount the guidance to fill. Considers high to the hydraulic cylinder pressure although but the piston motion speed low, thus has not used the cushion organization, the screw rod used the 45th cylinder, the cylinder jacket has used the 35CrMo steel by to reduce its diameter, the beginnings and ends end cover and the cylinder jacket uses the thread joint, because hydraulic cylinder internal pressure quite high, thus used the ability ultrahigh voltage combination in a screw rod end to show the seal packing collar, effectively has solved this difficult problem which the high-pressured cylinder was easy to reveal. Used two O seal packing collar on the piston by to divide two power oils cavities. Each important spare part intensity has all carried on the strict place examination and the design revision (for example screw rod intensity, thread tooth intensity, hydraulic cylinder wall thickness computation determined that, cylinder jacket outer diameter indeed grades), meets the design requirements completely. (2) hydraulic system design this spanner hydraulic system control loop like chart 3 shows. This hydraulic pressure spanner hydraulic system request pressure high, thus the request current capacity is small, and can realize the short time to guarantee the pressure. According to the above request, we make every effort the system in the design to be simple, explicit. Reduces the valve body as far as possible selection, r