柱塞式液壓缸的設(shè)計(jì)分析

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1、柱塞式液壓缸的設(shè)計(jì)分析 指導(dǎo)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(diǎn)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(jìn)出口油口A和B都可通壓力油或回油，以實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，故稱為雙作用缸。 單活塞桿液壓缸可以是缸筒固定，活塞運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定缸筒運(yùn)動(dòng)。無論采用其中哪一種形式，液壓缸運(yùn)動(dòng)所占空間長(zhǎng)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(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)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(tái)相聯(lián)接時(shí)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)所占空間長(zhǎng)度為活塞

3、有效行程的三倍（見圖A）。一般多用于小機(jī)床；反之，將活塞桿固定在床身上，缸筒和工作臺(tái)相聯(lián)接時(shí)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)所占空間長(zhǎng)度為液壓缸有效行程的兩倍（見圖B），適用于中型及大型機(jī)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(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)行程液壓缸，如導(dǎo)軌磨床，大型拉床，龍門刨床； 3、工作時(shí)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(shí)容易自重而下垂，造成密封件和導(dǎo)向單邊磨損，故其垂直實(shí)

4、用更有利，有時(shí)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(lán)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(yán)重而破壞的。 　　從液壓缸使用情況來看，一般在損壞時(shí)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(kuò)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(lán)部分，首先在缸外部法藍(lán)過渡圓弧處出現(xiàn)裂紋，逐漸沿環(huán)向及向內(nèi)壁擴(kuò)展，最后裂透，或者裂紋擴(kuò)展到螺釘孔，使法藍(lán)局部脫落，個(gè)別嚴(yán)重情況，

5、甚至沿過渡圓角處法藍(lán)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(kuò)展乃至裂透。 　 4.氣蝕，液壓缸也有因氣蝕產(chǎn)生蜂窩狀麻點(diǎn)而損壞，尤其是在進(jìn)水孔內(nèi)壁，容易產(chǎn)生氣蝕。 二、液壓缸損壞的原因之設(shè)計(jì)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(jìn)行分析，但歸納起來主要有以下兒個(gè)方面 ：　 1、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)得不合理，液壓機(jī)如法藍(lán)高度太小或法藍(lán)外徑過大，使綜合應(yīng)力過高而損壞。如某臺(tái)20000KN鍛造液壓機(jī)，其法藍(lán)厚度僅為缸壁厚度的1.1倍，法藍(lán)處計(jì)算應(yīng)力超過2500 x 1O的6次方 Pa,工作1～2年后，兩個(gè)缸先后破裂

6、。更換新缸時(shí)，增大了法藍(lán)高度，減小法藍(lán)外徑，使用多年未壞。 　　2、從缸壁到法藍(lán)的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，液壓機(jī)也會(huì)引起很大的應(yīng)力集中，如某臺(tái)進(jìn)口的6300KN水壓機(jī)工作缸，由于法藍(lán)處過渡圓角僅為R= 4 mm,使用不久就出現(xiàn)裂紋，裂紋擴(kuò)展后，整圈法藍(lán)斷裂脫落。 　　3、有些資料提供了一些光彈試驗(yàn)結(jié)果，說明如果把過渡區(qū)設(shè)計(jì)成特定的流線型斷面形狀，應(yīng)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(yīng)力集中系數(shù)為1.79。但從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看，圓弧和斜度也不能太大，否則法藍(lán)與橫梁接觸面過小，擠壓應(yīng)力太大。 4、在結(jié)構(gòu)允許而又可能加工的情況下，液壓機(jī)過渡區(qū)應(yīng)盡可能光滑，圓弧半

7、徑也應(yīng)盡可能增大。 設(shè)計(jì)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(fù)載，工作時(shí)最好承受拉力，以免產(chǎn)生縱向 彎曲。 設(shè)計(jì)依據(jù) 1.了解和掌握液壓缸在機(jī)械上的用途和動(dòng)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(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)可靠，安全系數(shù)要取大一些。 3.了解外部負(fù)載質(zhì)量，大小，形狀，運(yùn)動(dòng)軌跡，摩擦阻力以及連接形式，比如翻斗汽車，外部負(fù)載時(shí)翻斗和所裝貨物，翻斗上升傾斜時(shí)，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(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間，安裝空間所允許的外形尺寸以及液壓缸本身的動(dòng)作，以作用力為主要要求和以運(yùn)動(dòng)速度或之間為主要要求的缸設(shè)計(jì)時(shí)出發(fā)點(diǎn)不一樣。 5.設(shè)計(jì)已知液壓系統(tǒng)的液壓缸應(yīng)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(shè)計(jì)步驟 1.根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)初步確定設(shè)計(jì)方案 2.對(duì)液壓缸進(jìn)行受力分析，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式和安裝形式 3.根據(jù)負(fù)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(fù)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(fù)載和設(shè)定

9、的額定工作壓力，確定活塞端面面積并計(jì)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(yùn)動(dòng)速度之比或者工作負(fù)載和材料的許用應(yīng)力確定活塞桿直徑 6.根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(jì)算強(qiáng)度 8.確定密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程 液壓缸的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（安裝形式）和技術(shù)參數(shù)與尺寸設(shè)計(jì)，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性很大，其設(shè)計(jì)原則是力求液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又滿足要求，性能良好而又安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理而又制造容易，維護(hù)拆修方便。 一、工作壓力的選取 根據(jù)液壓缸的實(shí)際工況，

10、計(jì)算出外負(fù)載大小，然后參考下表選取適當(dāng)?shù)墓ぷ髁? 二、液壓缸筒的設(shè)計(jì)和計(jì)算 1、內(nèi)徑計(jì)算 （1）、根據(jù)液壓缸的載荷和系統(tǒng)工作壓力計(jì)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(jī)構(gòu)的速度和選定的液壓泵流量計(jì)算 式中 Q-流量 v-液壓缸的輸出速度 所求數(shù)值需要進(jìn)行圓整參照GB/T2348-93活塞缸內(nèi)徑系列 2、壁厚計(jì)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(yàn)壓力，當(dāng)額定壓Pn>

11、160x105Pa時(shí)，Py=1.25Pn ； (σ)—缸筒材料許用應(yīng)力。(σ)=σb/n 三、工作行程的確定 工作行程長(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照GB2349-80選擇標(biāo)準(zhǔn)值。 四、導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1、最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 L為最大工作行程 D為缸筒內(nèi)徑 2、導(dǎo)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(shè)計(jì)和計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)力 2、缸底的設(shè)計(jì) 缸底分為平缸底，橢圓缸底，半球形缸底 六、缸體長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)該等于活塞的行程與活塞的寬度之和，不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑的20-30倍。缸筒長(zhǎng)度根據(jù)所需最大工作行程而定?；钊麠U長(zhǎng)度根據(jù)缸筒長(zhǎng)度而定。對(duì)于工作行程受壓的活塞桿，當(dāng)活塞桿長(zhǎng)度與活塞桿直徑之比大于15時(shí)，應(yīng)按材料力學(xué)有關(guān)公式對(duì)活塞進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 七

13、、緩沖裝置 當(dāng)速度小于6米每分鐘時(shí)不設(shè)計(jì)緩沖裝置，大于12米每分鐘時(shí)必須設(shè)計(jì)緩沖裝置 緩沖裝置的原理：當(dāng)活塞或柱塞到達(dá)行程終端之前的一定距離內(nèi)，設(shè)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(dāng)?shù)木彌_壓力作用在柱塞的排油一側(cè)上，與緩沖力相對(duì)抗，達(dá)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(dòng)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(shè)在缸體兩腔端部的上方 垂直安裝：設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu) 1、安裝形式 （1）、軸線固定類：工作時(shí)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(dòng)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