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(chēng)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(wú)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(mén)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(guò)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(lái)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(wàn)～150萬(wàn)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(guò)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(guò)渡圓角處法藍(lán)整圈開(kāi)裂而脫落。 　 3.缸底，首先在內(nèi)部過(guò)渡圓角處開(kāi)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(lái)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(guò)大，使綜合應(yīng)力過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)明如果把過(guò)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(guò)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(guò)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(chē)） 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(chē)，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(chē)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(xiāo)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(guò)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(guò)的叫端面，無(wú)活塞桿通過(guò)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。活塞桿長(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(lái)，通過(guò)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(lèi)：根據(jù)節(jié)流小口的通流面積在緩沖過(guò)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(lèi)：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(lèi)：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(lèi)： a、銷(xiāo)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