液压缸的典型结构及组成 液压缸的设计计算

执行元件 液压缸的设计计算
二、 液压缸校核
缸体壁厚δ校核 中低压系统，无需校核
原则〈 高压大直径时，必须校核δ
校核方法： 1、 薄壁缸体（无缝钢管） 当 D/ δ≥10 时： δ≥ pyD/2[б]
执行元件 液压缸的设计计算
缸筒材料的许用应力 [σ]=σ b/ n n为安全系数，一般n=5
2、 厚壁缸体（铸造缸体） 当 D/δ ＜10 时：δ≥D/2（√[б]+ 0.4 py/[б] -1.3py-1 ）
第四章 执行元件
4.1 概 述 4.2 液压缸的典型结构及组成 4.3 液压缸的设计计算 4.4 液压马达 4.5 气缸和气马达
4.2 液压缸
一、液压缸的典型结构
执行元件 液压缸
二、液压缸的组成
根据液压缸各部分的结构和功用，可将液压缸划分为以下几个部分： 缸体组件（缸筒和缸盖）
活塞组件（活塞和活塞杆） 密封装置 缓冲装置 排气装置
最小导向长度（H） 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离。
H L D 20 2
执行元件 液压缸的设计计算
缸筒长度（Ｌ） 原则：由液压缸最大工作行程长度、活塞宽度、活塞杆导向套长度、活塞 杆密封长度和特殊要求的其它长度确定。 其中：活塞宽度 =（0.6 —1.0）D； 最小导向长度H：H≥L/20 + D/2； D<80mm时，A=(0.6-10)D； 导向套滑动面长度A〈 D≥80mm时，A=(0.6-1)d； 为减小加工难度，一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。
执行元件 液压缸
1.缸体组件（缸筒和缸盖）
缸筒和缸盖的结构形式与其使用的材料有关：
工作压力 p（MPa）
<10
10~20
>20
材料 铸铁
无缝钢管 铸钢 锻钢
连接方式
法兰式连接 半环式连接
螺纹连接 螺纹连接 半环式连接
拉杆连接式 焊接连接式
执行元件 液压缸
法兰式连接
半环连接式
螺纹连接式
执行元件 液压缸
执行元件 液压缸
执行元件 液压缸
3. 密封装置 液压缸的密封主要是指活塞、活塞杆处的 动密封 和缸盖等处的 静密封 。用于
防止液压缸内部（活塞与缸筒内孔的配合面）和外部的泄漏。 采用的密封方式有： 间隙密封：依靠运动件间的微小间隙来 防止泄漏，仅用在尺寸较小、压力较低、 相对运动速度较高的缸筒和活塞之间；
以单杆缸为例（不考虑损失）：
无杆腔进油时
D =√4F1/π(p1-p2)-p2d2/p1-p2
有杆腔进油时
D =√4F2/π(p1-p2)+p1d2/p1-p2
若初步选取回油压力p2=0，则上面两式简化为：
无杆腔进油时 D =√4F1/πp1
有杆腔进油时
D =√4F2/πp1+d2
执行元件 液压缸的设计计算
O型圈
执行元件 液压缸
V型圈
Y型圈
4.缓冲装置
当液压缸速度较高且驱动质量较大的部件时，其惯性很大。活塞运动到液压缸 终端停止时，会产生很大的冲击和噪声，严重的可能使活塞和端盖发生撞击，使液 压元件受损。
为消除和减少冲击，防止碰撞，必须采取适当的制动和缓冲装置。 缓冲装置的工作原理 为：当活塞行程接近端盖时，利用对油液的节流作用， 增大液压缸的回油阻力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，使活塞减速，从而防 止活塞撞击缸盖。
p y —— 缸筒试验压力， 缸的额定压力pn≤16MPa， p y=1.5pn ; 缸的额定压力pn＞16MPa， p y=1.25pn ;
执行元件 液压缸的设计计算
活塞杆直径d校核
d
4F
F —— 活塞杆上的作用力；
[σ] —— 活塞杆材料的许用应力， [σ]= σ b/ 1.4 ；
注意：对于工作行程受压的活塞杆，当活塞杆长度与活塞杆直径之 比大于15时，应按材料力学有关公式对活塞进行压杆稳定性验算。
执行元件 液压缸的设计计算
液压缸盖固定螺栓直径ds校核 液压缸盖固定螺栓在工作过程中同时承受拉应力和扭应力，其螺栓
直径可按下式校核：
5.2kF
ds z
F —— 液压缸总负载；
z —— 固定螺栓个数 ；
k —— 螺纹拧紧系数，k=1.12~1.5 ； [σ] —— 螺栓材料的许用应力，
[σ]= σ s/ （1.2~1.5） ；
缸筒内径（D） 根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定 无杆腔进油时： D=√4q/πv1 有杆腔进油时： D=√4q/πv2+ d2
计算所得液压缸的内径（即活塞直径）应圆整为标准系列值。
执行元件 液压缸的设计计算
活塞杆直径（d） 原则：活塞杆直径可根据工作压力或设备类型选取。 当液压缸的往复速度比有一定要求时，d = D√（λv-1）/λv 计算所得活塞杆直径d亦应圆整为标准系列值。
执行元件 液压缸
活塞环密封：依靠在活塞上的活塞环在O形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止 泄漏。适用于高速、高压且不要求保压的液压缸密封；
执行元件 液压缸
l-缸筒;2-螺母;3-活塞;4-活塞杆;5-活塞环
密封件密封：利用橡胶和塑料的弹性使各种截面的环形圈（有O型，Y型、 V型圈等 ）紧贴在静、动配合面之间来防止泄漏。其应用最广泛。
液压缸的设计和计算是在对整个液压系统进行工况分析 ，计算了最大负 载力，确定了工作压力的基础上进行的。
设计过程中，首先根据使用要求选择液压缸的结构类型，然后按负载情 况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲 验算，最后再进行结构设计。
执行元件 液压缸的设计计算
液压缸的设计计算的主要内容包括两方面：
执行元件 液压缸的设计计算
缓冲计算
液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时液压缸内出现的最大冲击压力，以便用来校 核缸筒强度、制动距离是否负荷要求。
液压缸在缓冲时，缓冲腔内产生的液压能（E1）和工作部件产生的机械能（E2）分别为：
E1 pc Aclc
E2
p p Aplc
1 2
mv02
Ff lc
l c —— 缓冲长度； pc —— 缓冲腔中的平均缓冲压力；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
液压缸主要尺寸的确定
液压缸内径（D） 活塞杆直径（d） 液压缸缸体长度（L） 液压缸最小导向长度（H）
缸体壁厚δ校核
液 压 缸 校 核 活塞杆直径d校核
液压缸盖固定螺栓直径d s校核
执行元件 液压缸的设计计算
一、 液压缸主要尺寸的确定
缸筒内径（D）
1 根据最大总负载和选取的工作压力来确定
执行元件 液压缸的设计计算
执行元件 液压缸
常用缓冲装置类型：
(a)圆柱环形缝隙式
执行元件
(c)可变节流槽式
液压缸
(b)圆锥环形缝隙式 (d)可调节流孔式
5.排气装置 通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管道连接排 气阀进行排气；另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。
执行元件 液压缸
4.3 液压缸的设计计算
Ff —— 摩擦力；
pp —缓—冲计高算压中腔，中如油发液现压工力作；腔中的V液0 —压—能和工工作作部部件件运的动动速能度不；能m全—部—被缓工冲作腔部缩件吸总收质时量，； 制动时就可能产生活塞和缸盖相碰现象。
Ac 、Ap —— 缓冲腔、高压腔中的有效工作面积；
执行元件 液压缸的设计计算
3. 液压缸设计中应注意的问题 ① 尽量使活塞杆，在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下，具 有良好的纵向稳定性。 ② 考虑液压缸的行程终了处的缓冲问题和液压缸的排气问题。 ③ 正确确定液压缸的安装、固定方式。 ④ 液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽 可能做到结构简单、紧凑、加工和装配、维修方便。
拉杆式连接
焊接连接式
2. 活塞组件（活塞和活塞杆）
活塞一般用耐磨铸铁制造，也可用钢或铝合金制造；活塞杆则大多采用 钢制造。
活塞应有一定的导向长度，一般取活塞长度为缸筒内径的（0.6～1.0） 倍。
其最常用的连接方式有： ① 半环式连接，包括单半环及双半环形式。 ② 螺纹式连接。
在高压大负载下，螺纹式连接必须设置有锁紧装置。