液压缸的优化设计

课程（论文）题目：液压缸的优化设计及仿真分析 内容：

摘 要

对于一种工程中常用的液压缸，提出了有针对性的设计指标，并介绍了这种液压缸结构参数的优化设计方法。在pro/MECHANICA 5.0平台上，对优化结果给予了仿真分析，得出优化后的参数有一定的可靠性，为油缸设计制造起到了理论指导作用。 一、前言

液压缸是重要的液压元件之一，它的类型很多，本文所讨论的是一种带有反柱结构的液压缸，如图1-1,1-2所示。

图1-1 液压缸三维图

R 1

R 2R 3R 4R 5R 6P p

缸体活柱反向柱

图1-2 液压缸二维图

图中，R1，R1为缸体的内外径，R3，R4为活柱的内外径，R5，R6为反向柱的内外径。p 为液体的工作压力，P 为液压缸的推力。这种液压缸有以下特点： （1）在缸径相同的条件下，液压缸的推力大于普通形式的液压缸，即

2222

2452()P R R R p R p

ππ=+->

（2）活柱受到的轴向压力小于普通液压缸，这有利于液压缸的工作稳定性，即

2225()R R p P

π-<

（3）在该液压缸的基础上，再增加一个外缸体，即可构成双伸缩液压缸。这种双伸

编写好程序后，直接在MATLAB 里调用程序，并将所得解取整，如表5-2所示：

R1/mm R2/mm R3/mm R4/mm R5/mm R6/mm 参数

优化

优化结果过109.14 91.21 82.65 64.79 51.06 44.55 取整110 90 82 65 50 45

表5-2

优化后液压缸的结构如下图所示：

图5-2

这种液压缸的缸径参数较多，用优化设计方法实际是合理有效的。对以上结果过进行分析，可看到在推力为1400KN时，这种液压缸优化设计结果，使重量减少了5%~10%，外径减少了10%~15%。本文所提出的优化模型是可行的，对工程设计有一定的参考价值。在实际工程设计中，可参照前述数学模型，选择不同目标函数形式及个数，并根据具体结构要求增减约束条件及合理地选择必要的结构限制尺寸。

六、优化结果仿真分析

下面我们对液压缸的优化结果在pro/MECHANICAN5.0平台上进行分析，模拟其在工作条件下的应力位移大小及分布。

(1)建立力学计算模型

按照优化后的尺寸建立液压缸几何模型，液压缸在工作时受到液压油的压力p=45MPa,以及液压缸的推力P=1400KN，分别建立缸体、活柱、反向柱力学计算模型如下图所示：

图6-1 缸体力学模型

图6-2 活柱力学模型

图6-3 反向柱力学模型（2）分析结果（单位MPa）

图6-4 缸体应力分布

图6-5 活柱应力分布

图6-5 反向柱应力分布

通过仿真分析，得到了缸体、活柱、反向柱的应力分布，下面查看各零件的最大应力是否超出许用应力，结果比较如下表所示：

零件屈服极限

(σs)/MPa

安全系数

（n）/MPa

许用应力

（σ）/MPa

仿真最大

应力/MPa

是否满足

要求

缸桶840 3 280 271 是

活柱840 2 420 386 是

反向柱840 2 420 331 是

从上表可得，仿真结果小于零件的许用应力，说明了此液压缸的优化设计有一定的可靠性，为设计设计油缸提高了理论参考。