液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算
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第一部分 總體計(jì)算 1、 壓力 油液作用在單位面積上的壓強(qiáng) Pa 式中: F——作用在活塞上的載荷,N A——活塞的有效工作面積, 從上式可知,壓力值的建立是載荷的存在而產(chǎn)生的。在同一個(gè)活塞的有效工作面積上,載荷越大,克服載荷所需要的壓力就越大。換句話說,如果活塞的有效工作面積一定,油液壓力越大,活塞產(chǎn)生的作用力就越大。 額定壓力(公稱壓力)PN,是指液壓缸能用以長(zhǎng)期工作的壓力。 最高允許壓力 ,也是動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力,是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。通常規(guī)定為: MPa。 耐壓實(shí)驗(yàn)壓力,是檢驗(yàn)液壓缸質(zhì)量時(shí)需承受的實(shí)驗(yàn)壓力,即在此壓力下不出現(xiàn)變形、裂縫或破裂。通常規(guī)定為: MPa。 液壓缸壓力等級(jí)見表1。 表1 液壓缸壓力等級(jí) 單位MPa 壓力范圍 0~2.5 >2.5~8 >8~16 >16~32 >32 級(jí) 別 低 壓 中 壓 中高壓 高壓 超高壓 2、 流量 單位時(shí)間內(nèi)油液通過缸筒有效截面的體積: L/min 由于 L 則 L/min 對(duì)于單活塞桿液壓缸: 當(dāng)活塞桿伸出時(shí) 當(dāng)活塞桿縮回時(shí) 式中: V——液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積,L; t——液壓缸活塞一次行程所需的時(shí)間,min; D——液壓缸缸徑,m; d——活塞桿直徑,m; ——活塞運(yùn)動(dòng)速度,m/min。 3、速比 液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度之比: 式中: ——活塞桿的伸出速度,m/min; ——活塞桿的縮回速度,m/min; D——液壓缸缸徑,m; d——活塞桿直徑,m。 計(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和是否設(shè)置緩沖裝置。速比不宜過大或過小,以免產(chǎn)生過大的背壓或造成因活塞桿太細(xì)導(dǎo)致穩(wěn)定性不好。 4、液壓缸的理論推力和拉力 活塞桿伸出時(shí)的理推力: N 活塞桿縮回時(shí)的理論拉力: N 式中: ——活塞無桿腔有效面積,; ——活塞有桿腔有效面積,; P——工作壓力,MPa; D——液壓缸缸徑,m; d——活塞桿直徑,m。 5、液壓缸的最大允許行程 活塞行程S,在初步確定時(shí),主要是按實(shí)際工作需要的長(zhǎng)度來考慮的,但這一工作行程并不一定是油缸的穩(wěn)定性所允許的行程。為了計(jì)算行程,應(yīng)首先計(jì)算出活塞的最大允許計(jì)算長(zhǎng)度。因?yàn)榛钊麠U一般為細(xì)長(zhǎng)桿,由歐拉公式推導(dǎo)出: mm 式中: ——活塞桿彎曲失臨界壓縮力,N; E——材料的彈性模量。鋼材的E=2.1X10MPa; I——活塞桿橫截面慣性矩,mm;圓截面 。 將上式簡(jiǎn)化后 mm 由于旋挖鉆機(jī)液壓缸基本上是一端耳環(huán)、一端缸底安裝,所以油缸的最大計(jì)算長(zhǎng)度(安全系數(shù)取3) 式中: P——油缸的工作壓力; 油缸安裝形式如圖1。 圖1 液壓缸安裝形式 L= 行程 6、液壓缸主要參數(shù) A.液壓缸產(chǎn)品啟動(dòng)壓力 起動(dòng)時(shí),記錄下的油缸起動(dòng)壓力為最低起動(dòng)壓力.判斷基準(zhǔn)起動(dòng):壓力<0.6MPa。 B.內(nèi)泄漏 輸入額定壓力1.3~1.5倍的壓力,保壓5分鐘,測(cè)定經(jīng)活塞泄至未加壓腔的泄漏量。 C.外泄漏 全程往復(fù)運(yùn)行多次,觀察焊接各處及活塞桿密封處及各結(jié)合面處的漏油、掛油、帶油。 D. 耐壓 輸入額定壓力1.3~1.5倍的壓力,保壓5分鐘. 所有零件均無松動(dòng)、異常磨損、破壞或永久變形異?,F(xiàn)金蟬脫殼的外滲漏現(xiàn)象。 E.緩沖 調(diào)整溢流閥使其試驗(yàn)壓力為公稱壓力的50%,使液壓缸作全行程動(dòng)作,同時(shí),觀看緩沖效果和緩沖長(zhǎng)度。 第二部分 缸筒計(jì)算 1、 缸筒結(jié)構(gòu) 缸筒結(jié)構(gòu)見表2。 表2 缸筒結(jié)構(gòu) 缸頭法蘭連接 缸頭內(nèi)螺紋連接 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易加工,易拆裝。 優(yōu)點(diǎn):重量輕,外徑較小 缺點(diǎn):重量比螺紋連接的大 缺點(diǎn):裝卸時(shí)要用專用的工具,擰端部時(shí),有可能把O形圈擰扭曲。 缸筒跟缸底采用焊接連接 2、缸筒材料 缸筒材料要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性,對(duì)焊接缸筒還要求有良好的焊接性能,缸筒主要材料有,45、27SiMn。缸筒毛坯采用退火的冷拔或熱扎無縫鋼管。缸筒材料無縫鋼管的機(jī)械性能見表3。 表3 缸筒材料無縫鋼管的機(jī)械性能 材料 45 610 360 14 27SiMn 1000 850 12 3、缸筒計(jì)算 缸筒要有足夠的強(qiáng)度,能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力而不致產(chǎn)生永久變形;有足夠的剛度,能承受側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲;內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下,能長(zhǎng)期工作而磨損少。 A、 缸筒內(nèi)徑 當(dāng)油缸的作用力F(推力、拉力)及工作壓力p壓力為已知時(shí), 則無桿腔的缸筒內(nèi)徑D為 m 有桿腔的缸筒內(nèi)徑D為 m 最后將以上各式所求得的D值,選擇其中最大者,圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 B、 缸筒壁厚 在不考慮缸筒外徑公差余量和腐蝕余量的情況下,缸筒壁厚可按下式計(jì)算 m 式中: ——缸筒內(nèi)最高工作壓力,MPa; ——缸筒材料的許用應(yīng)力,MPa; 最后將以上式所求得的值,圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 對(duì)最終采用的缸筒壁厚應(yīng)作三方面的驗(yàn)算 額定工作壓力應(yīng)低于一定的極限值,以保證工作安全: MPa 式中: ——缸筒外徑; 額定工作壓力也應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍,以避免塑性變形的發(fā)生: 式中: ——缸筒完全發(fā)生塑性變形的壓力,MPa; 最后還需對(duì)缸筒徑向變形量進(jìn)行驗(yàn)算,如果徑向變形量超過密封件允許范圍,液壓缸就會(huì)發(fā)生內(nèi)泄。 m 式中: ——缸筒材料泊松比,=0.3; C、缸筒螺紋 缸筒與缸頭部分采用螺紋,壓樁機(jī)液壓缸一般采用內(nèi)螺紋連接,螺紋處的強(qiáng)度計(jì)算: 螺紋處的拉應(yīng)力 MPa 螺紋處的剪應(yīng)力 MPa 合成應(yīng)力 式中: F——缸筒端部承受的最大推力,N; D——缸筒外徑,m; ——螺紋大徑,m; K——螺紋連接的擰緊系數(shù),不變載荷取1.25~1.5,變載荷取2.5~4; ——螺紋連接的摩擦因數(shù),一般0.07~0.2,平均取0.12; ——材料的抗拉強(qiáng)度,MPa; ——安全系數(shù),取3~5。 D、 缸筒技術(shù)要求 缸筒技術(shù)要求如下: a) 缸筒內(nèi)孔一般采用H8級(jí)公差,表面粗糙度一般在左右; b) 缸筒內(nèi)徑的錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差的三分之一; c) 缸筒直線度公差在1000mm長(zhǎng)度上不大于0.1mm; d) 缸筒端面對(duì)內(nèi)徑的垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm。 為便于裝配和不損壞密封件,缸筒內(nèi)孔口應(yīng)倒20角,寬度根據(jù)內(nèi)徑大小來選取。通往油口的內(nèi)孔口必須倒角或開避讓槽,過度處需拋光,以免劃傷密封件。缸筒上有焊接件時(shí),都必須在半精加工前進(jìn)行,以免精加工后焊接引起內(nèi)孔變形。 總之,缸筒是液壓缸的主要零件,它與缸頭、缸底、油口等零件構(gòu)成密封容腔,用以容納壓力油液,同時(shí)它還是活塞的運(yùn)動(dòng)“軌道”。設(shè)計(jì)液壓缸缸筒時(shí),應(yīng)該正確確定各部分的尺寸,保證液壓缸有足夠的輸出力,運(yùn)動(dòng)速度和有效行程,同時(shí)還必須有一定的強(qiáng)度,能足夠以承受液壓力、負(fù)載力和意外的沖擊力;缸筒的內(nèi)表面應(yīng)具有合適的配合公差等級(jí)、表面粗糙度和形位公差,以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和耐用性。 第三部分 活塞桿計(jì)算 1、 活塞桿結(jié)構(gòu) 活塞桿一般采用實(shí)心桿,跟桿頭耳環(huán)采用焊接或螺紋連接的形式。 2、 活塞桿材料 一般用中碳鋼,調(diào)質(zhì)處理。在旋挖鉆機(jī)液壓缸中大多數(shù)采用45鋼,在受力特別大的情況也可采用高強(qiáng)度合金鋼。活塞桿材料的機(jī)械性能見表4。 表4 活塞桿材料的機(jī)械性能 材料 熱處理 45 600 340 13 調(diào)質(zhì) 40Cr 900 700 9 調(diào)質(zhì) 42CrMo 1000 900 12 調(diào)質(zhì) 3、 活塞桿的計(jì)算 A、慨述 活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件,它承受拉力、壓力、彎曲力和震動(dòng)沖擊等多種力,必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。 B、活塞桿桿徑計(jì)算 旋挖鉆機(jī)液壓缸一般都是差動(dòng)缸,其活塞桿直徑d可根據(jù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速比來確定: m 式中: D——液壓缸缸徑,m; ——液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度之比; 計(jì)算出活塞桿直徑后,應(yīng)將尺寸圓整到標(biāo)準(zhǔn)值并校核其穩(wěn)定性。 C、活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算 壓樁機(jī)液壓缸工作時(shí),活塞桿承受的彎曲力矩很大,則按下式計(jì)算活塞桿的應(yīng)力。 式中: F——活塞桿的作用力,N; A——活塞桿橫斷面積,; M——活塞桿承受的彎曲力矩,; W——活塞桿斷面模數(shù),。 活塞桿與活塞一般都靠螺紋連接,所以都設(shè)有螺紋、退刀槽等結(jié)構(gòu)。這些部位往往是活塞上的危險(xiǎn)截面,也要進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)活塞各參數(shù)確定好后,可以對(duì)活塞桿進(jìn)行三維建模,利用有限元分析軟件對(duì)活塞桿進(jìn)行應(yīng)力分析。 D、 活塞桿技術(shù)要求 活塞桿技術(shù)要求如下: a) 活塞桿在導(dǎo)向套中滑動(dòng),一般采用H8/f7配合。太緊了,摩擦力大,太松了,容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損; b) 其圓度和圓柱度不大于直徑公差的三分之一,.外圓直線度公差在1000mm長(zhǎng)度上不大于0.02mm; c) 安裝活塞的軸勁與外圓的同軸度公差不大于0.02mm,軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm,以保證活塞安裝后不產(chǎn)生歪斜; d) 活塞桿外圓粗糙度一般在左右,太光滑了,表面形成不了油膜,反而不利于潤(rùn)滑; e) 活塞桿表面需進(jìn)行鍍鉻處理,鍍層后(0.04~0.05)mm, 鍍鉻前活塞桿表面需要高頻淬火處理; f) 活塞桿端的螺紋和緩沖柱塞也要保證與軸線的同軸度。 便于裝配和不損壞密封件,活塞桿安裝缸頭的一端倒20角,寬度根據(jù)內(nèi)徑大小來選取,過度處需拋光,以免劃傷密封件。臺(tái)階尖角處需到圓。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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