液压缸设计计算

液压缸设计计算
第四章液压缸的设计计算
在上一章液压系统的设计中，已对液压缸的主要结构尺寸作了计算，本章继续对液压缸的其余主要尺寸及结构进行设计计算。

液压缸是液压传动的执行元件，它和主机工作机构有直接的联系，对于不同的机种和机构，液压缸具有不同的用途和工作要求。

因此，在设计液压缸之前，必须对整个液压系统进行工况分析，编制工况图，选定系统的工作压力(详见第三章)，然后根据使用要求进行结构设计。

本章只对抬升缸做上述设计计算。

4.1计算液压缸的结构尺寸
液压缸的结构尺寸主要有三个:缸筒内径D、活塞杆外径d和缸筒长度L。

在上一章中已经作过缸筒内径D及活塞杆外径的计算，此处从略。

缸筒内径D—80?
活塞杆外径d—45?(详见第三章)
4.1.1缸筒长度L
缸筒长度由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即:
L=l+B+A+M+C (4-1) 式中: l—活塞的最大工作行程;l=450?
B—活塞宽度，一般为(0.6-1)D;取B=1×80=80?
A—活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;取A=1×80=80?
M—活塞杆密封长度，由密封方式定;
C—其他长度，取C=35?
故缸筒长度为:L=80+35+450+80+15=660?
4.2.2.最小导向长度的确定
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称为最小导向长度H(如图4-1所示)。

如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一最小导向长度。

图4-1 油缸的导向长度
对于一般的液压缸，其最小导向长度应满足下式:
H?L/20+D/2 (4-2)
式中: L—液压缸最大工作行程(m);L=0.45m
D—缸筒内径(m)，D=0.08m。

故最小导向长度H?62.5?
4.2.液压缸主要零部件设计
4.2.1缸筒
1.缸筒结构
缸筒与缸头的连接用法兰连接，其优点是:结构简单，易加工，易装卸;缺点是重量比螺纹连接的大，但比拉杆连接的小;外径较大。

图4.1 缸筒的法兰连接
2.缸筒材料
一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。

故选用30钢的无缝钢管。

3.对缸筒的要求
1)有足够的强度，能长期承受最高工作压力和短期动态试验压力而不致产生永久变形; 2)有足够的刚度，能承受活塞的侧向力和安装的反作用力而不致弯曲; 3)内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而摩擦少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性;
4)需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便再焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形。

总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖，缸底，油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油液，同时它还是活塞运动的“轨道”。

设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分尺寸，保证液压缸有足够的输出力，运动速度和有效行程。

同时必须具有一定的强度，能足以承受液压力，负载力和意外的冲击力，缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级，以保证液压缸的密封性，运动平稳性和耐用性。

4.缸筒计算
1)缸筒外径
按《机械设计手册》第四卷P212 表19-6-12 缸筒厚度δ计算公式
δ= δ0 + C1 + C2 (,) (4-3)
式中: δ0 ——为缸筒材料强度要求的最小值(,);
C1 ——缸筒外径公差余量(,);
C2 ——腐蚀余量(,);
经分析δ/D ? 0.08，可用薄壁缸筒的实用计算式:
δ? Pmax×D/(2[б]) (m) (4-4)
式中:Pmax ——缸筒内最大工作压力(Mpa);Pmax=20.2Mpa
[б] ——缸筒材料的许用应力(Mpa);
[б] = б/n b
б——缸筒材料的抗拉强度(Mpa);б=500 Mpa b b
n ——安全系数，通常取n = 5
计算得:δ= 0.00808 (m)
缸筒的外径为 D1 =D，2δ=96(mm)
按《机械设计手册》第四卷P214 表19-6-13活塞缸外径尺寸系列
取D1 =102(mm)
2)缸筒壁厚度验算
对最终采用的缸筒厚度主要应做两方面的验算:
?、额定工作压力Pn 应低于一定的极限值，以保证工作安全:
Pn ? 0.35δs (D1? – D0?)/D1? (MPa) (4-5)
= 0.35×290×(0.102? – 0.08?)/0.102?
= 39.0(MPa)
δs ——为缸筒材料的屈服强度(MPa)，δs=290(MPa)
由于7MPa <39.0 MPa所以上述参数选择合理
?、额定工作压力也应与完全塑性变形有一定的比例范围，以免塑性变形的发生:
Pn ?(0.35 , 0.42)PPL (MPa) (4-6)
PPL ——缸筒发生完全塑性变形的压力
δ=18%。

PPL = 2.3δslog D1/ D0
= 68.9 MPa
Pn ?(0.35 , 0.42)×68.9
= (26.52 , 33.08) MPa
由于7MPa <(26.52 , 33.08) MPa，所以选择参数合理。

4.2.2.活塞
经以上计算活塞杆直径d=45?，缸筒内径D=80?。

故活塞与活塞杆加工为一体，材料为45钢。

在外径套尼龙6的活塞套以增强耐磨性。

其结构设计如下:
图4.2 活塞的密封
密封方式采用Yx形密封圈，使用压力可达32 Mpa，密封性能较好。

杆外端，由于工作时轴线固定不动，故采用小螺柱头。

图4.3 小螺柱头
4.2.3.活塞杆的导向套和密封
活塞杆导向套装载液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封，外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质，灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。

导向套的结构型式，有轴套式和端盖式两种。

此处采用
轴套式。

图4.4 导向套结构
其优点是导向套一般安装在密封圈与缸筒油腔之间，以利用缸内的压力油对导向套进行润滑。

4.2.4.缓冲装置
液压缸一般都设置缓冲装置，特别是对大型、高速或要求高的液压缸，为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，则必须设置缓冲装置。

缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。

图4.5 缓冲原理
如图4.5为恒节流面积缓冲装置。

当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙δ排出，使活塞速度降低。

由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。

4.2.
5. 放气装置
液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。

一般可在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置如图4-6(a)所示的放气孔或专门的放气阀〔见图4-6(b)、(c)〕。

图4.6 放气装置
4.2.6.油口
油口包括油口孔和油口连接螺纹。

油缸的进，出油口均可布置在端盖或缸筒上，此处布
置在缸筒上。

由《机械设计手册(第四卷)》P19-230表19-6-29选取M27×2油口。

4.3.液压缸整体结构
液压缸总体结构如图4.7所示:
图4.7 液压缸结构图
1-活塞杆;2-防尘圈;3-端盖;4-Yx形密封圈;5-导向套;6-缸头;
7-缸筒;8-Yx形密封圈;9-活塞套;10-油口;11-放气阀。