柱塞式液壓缸的設計分析

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1、柱塞式液壓缸的設計分析 指導教師：趙石巖 小組成員：平雙 孫勝偉 趙金新 黃賽 齊少銀 柱塞式與活塞式液壓缸的特點比較及結(jié)構(gòu) 一、單活塞桿液壓缸 只有一端有活塞桿。如圖所示是一種單活塞液壓缸。其

2、兩端進出口油口A和B都可通壓力油或回油，以實現(xiàn)雙向運動，故稱為雙作用缸。 單活塞桿液壓缸可以是缸筒固定，活塞運動；也可以是活塞桿固定缸筒運動。無論采用其中哪一種形式，液壓缸運動所占空間長度都是兩倍行程。（見下圖） 二、雙活塞桿液壓缸 雙活塞桿液壓缸的兩端都有活塞伸出，如圖所示。其組成與單活塞桿液壓缸基本相同。缸筒與缸蓋用法蘭連接，活塞與缸筒內(nèi)壁之間采用間隙密封。雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑通常相等，活塞兩端有效面積相同。如果供油壓力不變，那么活塞反復運動時兩個方向的作用力和速度相等。 將缸筒固定在床身上，活塞桿和工作臺相聯(lián)接時，工作臺運動所占空間長度為活塞

3、有效行程的三倍（見圖A）。一般多用于小機床；反之，將活塞桿固定在床身上，缸筒和工作臺相聯(lián)接時，工作臺運動所占空間長度為液壓缸有效行程的兩倍（見圖B），適用于中型及大型機床。 三、柱塞式液壓缸 1、它是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重，只有在是上移式液壓缸中可以靠運動部件本身的重量回程； 2.柱塞只靠缸套支承而不與 缸套接觸，這樣缸套極易加工，故適合于做長行程液壓缸，如導軌磨床，大型拉床，龍門刨床； 3、工作時柱塞總受壓，因而它必須有做夠的剛度； 4、柱塞重量往往較大，水平放置時容易自重而下垂，造成密封件和導向單邊磨損，故其垂直實

4、用更有利，有時可做成空心的。 液壓缸損壞情況及原因分析 液壓缸損壞的部位多數(shù)在法藍與缸壁連接的回弧部分，其次在缸壁向缸底過渡的圓弧部分，少數(shù)在圓筒筒壁產(chǎn)生裂紋，也有因氣蝕嚴重而破壞的。 　　從液壓缸使用情況來看，一般在損壞時都已承受了很高的工作加載次數(shù)（20萬～150萬次），裂紋是逐步形成和擴展的，屬于疲勞損壞。 一、液壓缸損壞情況 1.圓筒筒壁，一般裂紋首先出現(xiàn)于內(nèi)壁，逐漸向外發(fā)展，裂紋多為縱向分布，或與缸璧母線成45度角。 　 2.缸的法藍部分，首先在缸外部法藍過渡圓弧處出現(xiàn)裂紋，逐漸沿環(huán)向及向內(nèi)壁擴展，最后裂透，或者裂紋擴展到螺釘孔，使法藍局部脫落，個別嚴重情況，

5、甚至沿過渡圓角處法藍整圈開裂而脫落。 　 3.缸底，首先在內(nèi)部過渡圓角處開始山現(xiàn)環(huán)向裂紋，逐漸向外壁擴展乃至裂透。 　 4.氣蝕，液壓缸也有因氣蝕產(chǎn)生蜂窩狀麻點而損壞，尤其是在進水孔內(nèi)壁，容易產(chǎn)生氣蝕。 二、液壓缸損壞的原因之設計方面 影響液壓缸壽命的因素是多方面的，必須結(jié)合具體情況進行分析，但歸納起來主要有以下兒個方面 ：　 1、結(jié)構(gòu)尺寸設計得不合理，液壓機如法藍高度太小或法藍外徑過大，使綜合應力過高而損壞。如某臺20000KN鍛造液壓機，其法藍厚度僅為缸壁厚度的1.1倍，法藍處計算應力超過2500 x 1O的6次方 Pa,工作1～2年后，兩個缸先后破裂

6、。更換新缸時，增大了法藍高度，減小法藍外徑，使用多年未壞。 　　2、從缸壁到法藍的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)設計不合理，液壓機也會引起很大的應力集中，如某臺進口的6300KN水壓機工作缸，由于法藍處過渡圓角僅為R= 4 mm,使用不久就出現(xiàn)裂紋，裂紋擴展后，整圈法藍斷裂脫落。 　　3、有些資料提供了一些光彈試驗結(jié)果，說明如果把過渡區(qū)設計成特定的流線型斷面形狀，應力集中系數(shù)可降低為1.18，如做成15度斜線和R35圓弧相連結(jié)，則應力集中系數(shù)為1.79。但從結(jié)構(gòu)設計看，圓弧和斜度也不能太大，否則法藍與橫梁接觸面過小，擠壓應力太大。 4、在結(jié)構(gòu)允許而又可能加工的情況下，液壓機過渡區(qū)應盡可能光滑，圓弧半

7、徑也應盡可能增大。 設計原則 1、盡量減少液壓缸外形尺寸和質(zhì)量 2、保證性能的前提下減少零件質(zhì)量 3、盡量避免承受橫向負載，工作時最好承受拉力，以免產(chǎn)生縱向 彎曲。 設計依據(jù) 1.了解和掌握液壓缸在機械上的用途和動作要求。（液壓翻斗汽車） 2.了解液壓缸的工作條件，條件不同液壓缸的結(jié)構(gòu)和設計參數(shù)也不盡相同。比如煤礦工作面上，粉塵大，工作條件惡劣，震動沖擊大，要考慮防塵措施，并且柱塞和缸體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性要絕對可靠，安全系數(shù)要取大一些。 3.了解外部負載質(zhì)量，大小，形狀，運動軌跡，摩擦阻力以及連接形式，比如翻斗汽車，外部負載時翻斗和所裝貨物，翻斗上升傾斜時，缸軸

8、線也發(fā)生變化，要求液壓缸與車身安裝形式以及活塞桿頭部與翻斗的連接形式采用耳環(huán)式或者銷軸式。 4.了解缸的最大行程，運動速度和時間，安裝空間所允許的外形尺寸以及液壓缸本身的動作，以作用力為主要要求和以運動速度或之間為主要要求的缸設計時出發(fā)點不一樣。 5.設計已知液壓系統(tǒng)的液壓缸應了解液壓系統(tǒng)中液壓泵的工作壓力和流量的大小，管路的通徑和布置情況，各種液壓閥的控制情況。 設計步驟 1.根據(jù)設計依據(jù)初步確定設計方案 2.對液壓缸進行受力分析，選擇適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式和安裝形式 3.根據(jù)負載，重力，摩擦力和慣性力確定液根據(jù)壓缸在行程各階段上負載的變化規(guī)律以及有關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù) 4.根據(jù)工作負載和設定

9、的額定工作壓力，確定活塞端面面積并計算活塞直徑（缸筒內(nèi)經(jīng)），缸筒外徑。 5.根據(jù)根據(jù)缸徑和運動速度之比或者工作負載和材料的許用應力確定活塞桿直徑 6.根據(jù)運動速度，工作壓力，活塞直徑液壓泵的壓力，流量 7.選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)形式計算強度 8.確定密封結(jié)構(gòu)，設計緩沖，排氣和防塵裝置 9.繪制裝配圖，零件圖，和技術(shù)條件 液壓缸的設計過程 液壓缸的設計包括結(jié)構(gòu)設計（安裝形式）和技術(shù)參數(shù)與尺寸設計，其中結(jié)構(gòu)設計的靈活性很大，其設計原則是力求液壓缸的結(jié)構(gòu)簡單而又滿足要求，性能良好而又安全可靠，經(jīng)濟合理而又制造容易，維護拆修方便。 一、工作壓力的選取 根據(jù)液壓缸的實際工況，

10、計算出外負載大小，然后參考下表選取適當?shù)墓ぷ髁? 二、液壓缸筒的設計和計算 1、內(nèi)徑計算 （1）、根據(jù)液壓缸的載荷和系統(tǒng)工作壓力計算 式中：D-內(nèi)徑 P-選定系統(tǒng)工作壓力 F-液壓缸的推力 （2）、根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的速度和選定的液壓泵流量計算 式中 Q-流量 v-液壓缸的輸出速度 所求數(shù)值需要進行圓整參照GB/T2348-93活塞缸內(nèi)徑系列 2、壁厚計算 缸筒最薄處壁厚：t≥pyD/2(σ) t—缸筒壁厚；D—缸筒內(nèi)徑； py—缸筒度驗壓力，當額定壓Pn>

11、160x105Pa時，Py=1.25Pn ； (σ)—缸筒材料許用應力。(σ)=σb/n 三、工作行程的確定 工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)實際工作的最大行程確定，并參照GB2349-80選擇標準值。 四、導向套的設計與計算 1、最小導向長度 L為最大工作行程 D為缸筒內(nèi)徑 2、導向套結(jié)構(gòu)：a、普通結(jié)構(gòu) b、已拆結(jié)構(gòu) c、球面結(jié)構(gòu) d、靜壓結(jié)構(gòu) 五、端蓋和缸底的設計和計算 有活塞桿通過的叫端面，無活塞桿通過的叫缸底。 1、端蓋的設計計算 端蓋厚度h為：

12、 式中：D1 – 螺釘孔分布直徑 p-液壓力 d- 密封環(huán)形端面平均直徑 -為材料的許用應力 2、缸底的設計 缸底分為平缸底，橢圓缸底，半球形缸底 六、缸體長度設計 內(nèi)部長度應該等于活塞的行程與活塞的寬度之和，不應大于缸體內(nèi)徑的20-30倍。缸筒長度根據(jù)所需最大工作行程而定?；钊麠U長度根據(jù)缸筒長度而定。對于工作行程受壓的活塞桿，當活塞桿長度與活塞桿直徑之比大于15時，應按材料力學有關(guān)公式對活塞進行壓桿穩(wěn)定性驗算。 七

13、、緩沖裝置 當速度小于6米每分鐘時不設計緩沖裝置，大于12米每分鐘時必須設計緩沖裝置 緩沖裝置的原理：當活塞或柱塞到達行程終端之前的一定距離內(nèi)，設法把排油腔內(nèi)的油液的一部分或全部封閉起來，通過節(jié)流小口排出使油液產(chǎn)生適當?shù)木彌_壓力作用在柱塞的排油一側(cè)上，與緩沖力相對抗，達到減速緩沖的目的。 分類：根據(jù)節(jié)流小口的通流面積在緩沖過程中能否自動改變分為恒節(jié)流型和 變節(jié)流型 八、排氣裝置 水平安裝：設在缸體兩腔端部的上方 垂直安裝：設計在端蓋的上方 分類：整體排氣塞（由螺紋與缸筒連接）、組合排氣塞（由螺塞與錐閥組成） 九、密封件 D形、O形、V形、J形、L形、Y形 除了D形其余都是唇形密封圈，D形用于靜密封的部位 十、防塵圈 置于柱塞密封外側(cè) 其尺寸要求查GB/T 10708.3-2000 十一、液壓缸的安裝連接機構(gòu) 1、安裝形式 （1）、軸線固定類：工作時軸線位置固定 a、通用拉桿式 b、法蘭式 c、與坐式 （2）、軸線擺動類： a、銷軸式 b、耳環(huán)式 c、球頭式 2、油口 GB/T 2678-93規(guī)定了油口螺紋以及連接的油口尺寸系列