液压缸的设计计算简介
液压缸的设计是在对整个液压系统进行了工况分析、编制了负载图,选定了工作压力之后,先根据使用要求选择结构类型,然后按负载情况、运动要求,最大行程等确定其主要工作尺寸,进行强度、稳定性和缓冲验算,最后再进行结构设计。
1.液压缸设计中应注意的问题及设计步骤
(l)液压缸设计中应注意的问题不同的液压缸有不同的设计内容和要求,一般在设计液压缸的结构时应注意以下几个问题。
①尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载,或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。
②考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲装置和排气装置,系统中需有相应的措施,但是并非所有的液压缸都要考虑这些问题。
③根据主机的工作要求和结构设计要求,正确确定液压缸的安装、固定方式。但液压缸只能一端定位。
④长行程液压缸活塞杆伸出时,应尽量避免下垂。
⑤要有可靠的密封,防止泄漏。
⑥液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计,尽可能做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。
(2)液压缸的设计步骤液压缸的设计步骤没有硬性规定,应根据已确定的各种条件,灵活地选择设计程序,一般可参考以下步骤进行。
①掌握原始资料和设计依据,通常包括如下一些内容:主机的用途和工作条件;工作机构的结构特点、负载状况、行程大小和动作要求;液压系统所选定的工作压力和流量;材料、配件和加工工艺的现实状况;有关的国家标准和技术规范等。
②根据主机的动作要求和结构要求,选择缸的类型和结构形式。
③根据机构工作力的要求,确定缸的输出力。
④根据系统工作压力和往返速比,确定缸的主要尺寸,如缸径、活塞杆直径,并按标准尺寸系列选择适当的尺寸。
⑤根据机构运动的行程和速度要求,确定缸的长度和流量,并由此确定缸的通油口尺寸。
⑥根据工作压力及材料,进行缸的结构设计,确定缸的壁厚尺寸,活塞杆尺寸、螺钉尺寸及端盖结构。
⑦选择适当的密封结构。
⑧必要时设计缓冲、排气和防尘等装置。绘制液压缸装配图和零件图。
⑨整理设计计算书,审定图样及其他技术文件。
2.液压缸主要尺寸的确定
液压缸的主要几何尺寸,包括液压缸内径D,缸的长度L,活塞杆的直径d和长度l等。确定上述尺寸的原始依据是液压缸的负载F、运动速度v和行程长度s等。
(1)液压缸内径D和活塞杆直径d的确定
①液压缸内径D液压缸内径D的计算通常有两种方法。一种是根据液压缸需要产生的推力F和系统选定的工作压力p来计算。对单杆缸而言,无杆腔进油时,由式 (4-12)得
D= (4-23)
有杆腔进油时,由式(4-14)得
D= (4-24)
液压缸设计中,常初步选取回油压力p2=0,这时,上面两式可简化,即
无杆腔进油时
D= (4-25)
有杆腔进油时
D= (4-26)
另一种方法是根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定,同样对单杆缸而言,无杆腔进油时,由式(4-11)得
D= (4-27)
有杆腔进油时,由式(4-13)得
D= (4-28)
计算所得的液压缸内径D(即活塞直径)应圆整为标准系列值(可查液压设计手册)。
②活塞杆直径d活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取,见表1和表2。当液压缸的往复速度比A,有一定要求时,由式(4-15)得
d= (4-29)
推荐液压缸的往复速度比如表3所示。
表1 液压缸工作压力与活塞杆直径
液压缸工作压力p/MPa |
≤5 |
5~7 |
>7 |
推荐活塞杆直径d |
(0.5~0.7)D |
(0.6~0.7)D |
0.7D |
表2 设备类型与活塞杆直径
设备类型 |
磨床、珩磨及研磨机 |
插、拉、刨床 |
钻、镗、车、铣床 |
活塞杆直径 |
(0.2~0.3)D |
0.5D |
0.7D |
表3 液压缸往复速度比推荐值
工作压力p/MPa |
≤10 |
1.25~20 |
>20 |
往复速度比λv |
1.33 |
1.46,2 |
2 |
计算所得的活塞杆直径d亦应圆整为标准系列值(可查液压设计手册)。
(2)液压缸长度L的确定液压缸的长度L根据所需最大工作行程长度而定,一般长度L不大于直径D的20~30倍。
(3)液压缸壁厚艿的确定在一般中、低压系统中,液压缸的壁厚不用计算的方法确定,而是由结构和工艺上的需要来确定,在高压系统中必须进行强度校核。
液压缸缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况。当D/δ≥10时为薄壁,壁厚按式(4-30)进行校核
δ≥PyD/2[σ] (4-30)
式中,D为缸筒内径;py为缸筒试验压力,当缸的额定压力pn≤16MPa时取py=1.5pn,当pn>16MPa时取py=1.25pn;[σ]为缸筒材料的许用应力,[σ]=σb/n,σb为材料抗拉强度,n为安全系数,一般取n=5。
当D/δ<10时,壁厚按式(4-31)进行校核
δ≥ (4-31)
在进行校核时,若液压缸缸筒与缸盖采用半环连接,艿应取缸筒壁厚最小处的值。
(4)液压缸其他尺寸的确定活塞的宽度B,根据缸的工作压力和密封方式确定,一般取B=(0.6~1.O)D;导向套滑动面的长度A,当D<80mm时取A=(0.6~1.0)D,当D>80mm时取A=(0.6~1.O)d。活塞杆的长度l可根据液压缸的长度L、活塞的宽度B、导向套和端盖的有关尺寸及活塞杆的连接方式确定。对长径比l/d≥10的受压活塞杆,应按材料力学中的有关公式进行稳定性校核计算。液压缸的端盖尺寸、紧固螺钉的个数和尺寸等一般由结构决定。对工作压力高的液压缸,应校核螺栓的强度。