液压缸设计与密封

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1、缸筒内径D
按推力计算：
F1 ( p1 A1 p2 A2 )m [
D2
4 4F d 2 p2 D m ( p1 p2 ) p1 p2
( p1 p2 )
d2
4
p2 ]m
按拉力计算：
F2 ( p1 A2 p2 A1 )m [
2
D2
Fk
fA
a l 1 2 rk

2
式中： f —由材料强度决定的实验值 a — 系数
液压缸支承方式和末端系数
五、缓冲计算
• 计算缓冲时最大冲击压力，校核缸筒强 度、制动距离 • 缓冲时，背压腔内液压能E1和工作部件 机械能E2分别为
E1 pc Aclc 1 2 E2 p p Aplc m0 Ff lc 2
间隙密封(2/2)
平衡槽的作用是： （a）由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作中压 力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡 力，称液压卡紧力，它使摩擦力增大。开平衡槽后，槽 中各向油压趋于平衡，间隙的差别减小，使活塞能够自 动对中，减小了摩擦力，同时减小偏心量，这样就减少 了泄漏量。 （b）增大油液泄漏的阻力，提高了密封性能。 （c）储存油液，使活塞能自动润滑。 间隙密封的特点是结构简单、摩擦力小、耐用，但 对零件的加工精度要求较高，且难以完全消除泄漏，故 只适用于低压、小直径的快速液压缸中。
FI c Kc
• 液压缸工作时，拉杆中的拉力增大至FT，
• 拉杆的变形量的增量为
FT Fc pAp
FT FI T KT • 缸筒变形量的减少量为
c c c Lc
Fc ( h ) F c 2pAp c Ac Ec Ec Ac Ec Ac Ec
• 此式适用于活塞到达全行程的终端，活 塞力全由缸盖来承受的场合。零行程处 缸筒与缸盖分离所需的压力比规定的要 高。
七、 密封装置
1、间隙密封 间隙密封是一种常用的密封方法。它依靠相对运动零 件配合面间的微小间隙来防止泄漏。由第 3 章中环形缝隙 流量公式可知，泄漏量与间隙的三次方成正比，因此可用 减小间隙的办法来减小泄漏。一般间隙为0.01 ~ 0.05 mm， 这就要求配合面加工有很高的精度。在活塞的外圆表面一 般开几道宽0.3 ~ 0.5 mm，深0.5 ~ 1 mm、间距2 ~ 5 mm的 环形沟槽，称平衡槽。
图5.17 窄断面Y形密封圈
八、液压缸的安装、调整与维护
1.安装方法 （1）液压缸只能一端固定，另一端自由，使热 胀冷缩不受限制。 （2）地脚型和法兰型液压缸的安装螺栓不能直 接承受推力载荷。 （3）耳环型液压缸活塞杆顶端连接头的轴线方 向必须与耳轴的轴线方向一致。
图5.13 O形圈密封原理
密封
O型密封
密封圈密封(2/5)
O 形圈装入密封槽后，其截面受到压缩后变形。在无 液压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现 初始密封；当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，O 形圈挤向沟槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封 效果。任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩 量。预压缩量过小不能密封，预压缩量过大则摩擦力增大， 且易于损坏，因此，安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须 按有关手册给出的数据严格保证。在动密封中，当压力大于 10 MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在O形 圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈（图5.14），其 厚度为1.25 ~ 2.5 mm。双向受高压时，两侧都要加挡圈。
当E1=E2时，工作部件机械能全部被吸收
E2 pc Aclc
若缓冲装置为节流口可调式装置时
pc max
m pc 2 Aclc
2 0
若缓冲装置为节流口变化式装置时
E2 pc Aclc
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六、拉杆计算
• 拉杆上预加压力与拉杆的变形量（伸长 量）之间的关系为
FI T KT
• 拉杆上预加压力与缸筒的变形量（压缩 量）之间的关系为
结构计算和校核
（1）.缸筒壁厚δ
D / 10
时，为薄壁筒（无缝钢管）

2[ ]
( pn 16MPa) ( pn 16MPa)
py D
式中：py — 实验压力
{p
[ ]
py 1.5 pn
y
1.25pn
pn — 缸的额定压力
b
n [σ]— 许用应力，σb— 抗拉强度
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一、液压缸的设计计算
1、基本参数计算 （1）总阻力：
F Fi Fl Ff Fa
式中：Fl ——工作载荷 Ff —— 摩擦阻力 Fa —— 惯性阻力
（2）速度和速比
qv 4qv v1 A1 D2 qv 4qv v2 A2 ( D 2 d 2 )
图5.14 O形圈密封挡圈设置
密封圈密封(3/5)
（b）V形密封圈。V形圈的截面为 V形。如图5.15所示 的V形密封装置是由压环、V形圈（也称密封环）和支承环 组成。当工作压力高于10 MPa时，可增加V形圈的数量， 提高密封效果。安装时， V 形圈的开口应面向压力高的一 侧。 V 形圈密封性能良好，耐高压，寿命长，通过调节压 紧力，可获得最佳的密封效果，但 V 形密封装置的摩擦阻 力及结构尺寸较大，主要用于活塞及活塞杆的往复运动密 封。它适宜在工作压力为 p ≤50 MPa 、温度为－ 40℃ ~ +80℃的条件下工作。
• 拉力
(1 2 ) pAp FT Fl FI pAp Kc 1 KT
• 压力负载系数为
1 2 Ac Ec LT 1 AT ET Lc
• 当液压缸内的压力达到规定的分离压力 时，缸盖和缸筒分离，由此得到拉杆上 的预加载荷为
FI Ap (1 ) ps
Fk
l 2 1 ( ) 2 rk
fA
1、稳定性校核
l / d 10 时，强度校核即可 l / d 10 时，要进行稳定性计算
F
FK 稳定条件： F nk
式中：F — 活塞杆所受最大压力 Fk — 活塞杆的稳定临界力 nk — 稳定安全系数 nk = 2 ~ 4
dБайду номын сангаас
l
2、稳定临界力Fk 的确定：
4
( p1 p2 )
d2
4
p1 ]m
4F d p1 D m ( p1 p2 ) p1 p2
※按国标圆整为标准尺寸。
• 活塞杆直径d按工作时受力情况决定。单杆 缸按缸筒内径和速比来确定。推荐速比 <=1.6。
2、活塞杆直径 d
1）按λv 确定
D v 2 D d2
• 2、活塞杆直径的校核
d

4F
• 3、缸盖螺栓直径的校核
5.2kF ds z
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（2）.活塞杆的校核
1）强度校核
F [ ] A杆
F d2 4 [ ]
4F d [ ]
b
式中：[σ]— 活塞杆材料的许用应力
n σb— 抗拉强度
n — 安全系数 n = 1.4 ~ 2
l 当细长比 1 2 时： rk
Fk
2 2 EJ
l2
式中： l —活塞杆的计算长度 J rk —活塞杆截面最小回转半径 rk A ψ1 —柔性系数 ψ2 —末端系数（由液压缸的支承方式决定） E — 弹性模量 J —活塞杆截面惯性矩 A —活塞杆横截面积
l 当 1 2 1 2 20 ~ 120 时： rk
图5.15 V形密封圈
组合密封
缸体 活塞 聚四氟乙烯密封圈 O形密封圈
V形密封圈
（a) 支撑环
（b)密封环
V形密封圈的调整装置
调节螺钉
（c)压环 调节垫片
(a)
(b)
密封圈密封(4/5)
（c）Y形密封圈。Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封 圈。它是一种密封性、稳定性和耐压性较好、摩擦阻力小、 寿命较长的密封圈，故应用也很普遍。Y形圈主要用于往复运 动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和 窄断面两种形式，图5.16所示为宽断面Y形密封圈。 Y 形圈的密封作用依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触， 并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。当 液压力升高时，唇边与偶合面贴得更紧，接触压力更高，密 封性能更好。 Y 形圈安装时，唇口端应对着液压力高的一侧。当压力 变化较大、滑动速度较高时，要使用支承环，以固定密封圈。 如图5.16（b）所示。
n — 安全系数 n=5
D / 10 时，为厚壁筒（铸造）
[ ] 0 . 4 p D y 1 2 [ ] 1 . 3 p y
缸筒外径：D1 D 2
注意：圆整为标准壁厚 1）铸造：满足最小尺寸 2）无缝钢管：查手册 (无缝钢管外径不需加工）
活塞环密封(1/1)
2、活塞环密封 活塞环密封是依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧 贴缸筒内壁实现密封。如图5.12所示。它的密封效果较间 隙密封好，适应的压力和温度范围很宽，能自动补偿磨损 和温度变化的影响，能在高速中工作，摩擦力小，工作可 靠，寿命长，但在活塞环的接口处不能完全密封。活塞环 的加工复杂，缸筒内表面加工精度要求高，一般用于高压、 高速和高温的场合。
§4-3液压缸的设计和计算与使用
• • • • • • • • • 1、选择结构类型 2、确定主要工作尺寸 3、进行强度验算 4、进行稳定性验算 5、进行缓冲验算 6、进行结构设计 7、密封装置 8、液压缸的安装、调整与维护 9、液压缸常见故障和排除方法
液压缸设计中应注意的问题
• 尽量使活塞杆受拉状态下承受最大负 载，或受压状态下具有良好的纵向稳 定性； • 考虑制动和排气问题； • 正确确定液压缸的安装、固定方式 • 考虑热变形，只能一端固定。 • 尽量作到结构简单、紧凑、加工、装 配和维修方便。
[ ]
四、稳定性校验
– 活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过
Fk F nk
保持稳定工作的临界负载，否则会发生纵向弯 曲 – 当活塞杆的细长比
l / rk 1 2
时，
Fk
2 2 EJ
l2
– 当活塞杆的细长比
l / rk 1 2
时，
时，且
1 2 20 ~ 120
v 1 d D v
2）按工作压力确定
2
※按国标圆整为标准尺寸。
• 缸筒长度由最大工作行程确定，缸筒长度 一般不超过内径的20倍。
三、强度校核
• 壁厚：
– 薄壁： 核
D / 10 pyD 2 D / 10
时，壁厚按下式校
– 厚壁： 核
时，壁厚按下式校
D 0.4 p y ( 1) 2 1.3 p y
对速度要求高时：由v、q ,确定D ； 或已知v、D ,确定q 。 对速度没有要求：由q、D、d 确定v 。
v2、d 由速比λv 确定
D v2 速比：v D2 d 2 v1
2
λv的选择：p↑，选λv ↑; p ↓,选λv↓.
二、主要尺寸的确定
• 缸筒内径D：根据负载大小和选定的工 作压力，或运动速度和输入流量，经 计算后从GB2348—80标准中选取最近 的标准值
图5.12 活塞环密封
密封圈密封(1/5)
3、密封圈密封 （a）O形密封圈。O形密封圈的截面为圆形，主要 用于静密封和滑动密封（转动密封用得较少）。其结构 简单紧凑，摩擦力较其他密封圈小，安装方便，价格便 宜，可在－40 ℃～120 ℃温度范围内工作。但与唇形密 封圈（如Y形圈）相比，其寿命较短，密封装置机械部 分的精度要求高，启动阻力较大。O形圈的使用速度范 围为0.005 ~ 0.3 m/s。O形圈密封原理如图5.13所示。
图5.16 宽断面Y形密封圈
Y型密封
（a）等唇高通用型
（b）轴用
（c）孔用
等唇高Y型密封圈的安装
密封圈密封(5/5)
宽断面Y形圈一般适用于工作压力p ≤20 MPa、工作温 度－30℃ ~ +100℃、使用速度 ≤0.5 m/s的场合。 窄断面Y形圈如图5.17所示。窄断面Y形圈是宽断面Y 形圈的改型产品，其截面的长宽比在2倍以上，因而不易翻 转，稳定性好，它有等高唇Y形圈和不等高唇Y形圈两种。 后者又有孔用和轴用之分，其短唇与运动表面接触，滑动摩 擦阻力小，耐磨性好，寿命长；长唇与非运动表面接触有较 大的预压缩量，摩擦阻力大，工作时不窜动。 窄断面Y形圈一般适用于工作压力p ≤32 MPa，使用温 度为－30℃ ~ +100℃的条件下工作。