液壓缸設(shè)計計算

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1、第一部分 總體計算1、 壓力油液作用在單位面積上的壓強 Pa式中:F作用在活塞上的載荷,NA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期工作的壓力。最高允許壓力 ,也是動態(tài)實驗壓力,是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。通常規(guī)定為: MPa。耐壓實驗壓力,是檢驗液壓缸質(zhì)量時需承受的實驗壓力,即在此壓力下不出現(xiàn)變形、裂縫或破裂。通常規(guī)定為: MPa。液壓缸壓力等級見表1。 表1 液壓缸壓力等

2、級 單位MPa壓力范圍02.52.58816163232級 別低 壓中 壓中高壓高壓超高壓2、 流量單位時間內(nèi)油液通過缸筒有效截面的體積:L/min由于 L 則 L/min對于單活塞桿液壓缸:當(dāng)活塞桿伸出時當(dāng)活塞桿縮回時式中: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間,min;D液壓缸缸徑,m;d活塞桿直徑,m;活塞運動速度,m/min。3、速比液壓缸活塞往復(fù)運動時的速度之比: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

3、的背壓或造成因活塞桿太細導(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的理推力:N活塞桿縮回時的理論拉力: 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,主要是按實際工作需要的長度來考慮的,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。為了計算行程,應(yīng)首先計算出活塞的最大允許計算長度。因為活塞桿一般為細長桿,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。將上式簡化后 mm 由

4、于旋挖鉆機液壓缸基本上是一端耳環(huán)、一端缸底安裝,所以油缸的最大計算長度(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)品啟動壓力起動時,記錄下的油缸起動壓力為最低起動壓力.判斷基準(zhǔn)起動:壓力0.6MPa。B.內(nèi)泄漏輸入額定壓力1.31.5倍的壓力,保壓5分鐘,測定經(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1.31.5倍的壓力,保壓5分鐘. 所有零件均無松動、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

5、使其試驗壓力為公稱壓力的50%,使液壓缸作全行程動作,同時,觀看緩沖效果和緩沖長度。第二部分 缸筒計算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:結(jié)構(gòu)簡單,易加工,易拆裝。優(yōu)點:重量輕,外徑較小缺點:重量比螺紋連接的大缺點:裝卸時要用專用的工具,擰端部時,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度和沖擊韌性,對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械性能見表3。 表3 缸筒材料無縫鋼管的機械性能材料456103601427SiMn1000

6、850123、缸筒計算 缸筒要有足夠的強度,能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)實驗壓力而不致產(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,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。 對最終采

7、用的缸筒壁厚應(yīng)作三方面的驗算額定工作壓力應(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;最后還需對缸筒徑向變形量進行驗算,如果徑向變形量超過密封件允許范圍,液壓缸就會發(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,壓樁機液壓缸一般采用內(nèi)螺紋連接,螺紋處的強度計算: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1.251.5,變載

8、荷取2.54;螺紋連接的摩擦因數(shù),一般0.070.2,平均取0.12;材料的抗拉強度,MPa;安全系數(shù),取35。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長度上不大于0.1mm; d) 缸筒端面對內(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,都必須在半精加工前進行,以免精加工后焊接引起內(nèi)孔變形??傊?/p>

9、,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,同時它還是活塞的運動“軌道”。設(shè)計液壓缸缸筒時,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,運動速度和有效行程,同時還必須有一定的強度,能足夠以承受液壓力、負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、表面粗糙度和形位公差,以保證液壓缸的密封性、運動平穩(wěn)性和耐用性。第三部分 活塞桿計算1、 活塞桿結(jié)構(gòu)活塞桿一般采用實心桿,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度合金鋼?;钊麠U材料的機械性

10、能見表4。表4 活塞桿材料的機械性能材料熱處理4560034013調(diào)質(zhì)40Cr9007009調(diào)質(zhì)42CrMo100090012調(diào)質(zhì)3、 活塞桿的計算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、彎曲力和震動沖擊等多種力,必須有足夠的強度和剛度。B、活塞桿桿徑計算旋挖鉆機液壓缸一般都是差動缸,其活塞桿直徑d可根據(jù)往復(fù)運動速比來確定: m式中:D液壓缸缸徑,m;液壓缸活塞往復(fù)運動時的速度之比;計算出活塞桿直徑后,應(yīng)將尺寸圓整到標(biāo)準(zhǔn)值并校核其穩(wěn)定性。C、活塞桿的強度計算壓樁機液壓缸工作時,活塞桿承受的彎曲力矩很大,則按下式計算活塞桿的應(yīng)力。式中:F活塞桿的作用力,N;A活塞桿橫斷面積,;

11、M活塞桿承受的彎曲力矩,;W活塞桿斷面模數(shù),?;钊麠U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截面,也要進行計算。當(dāng)活塞各參數(shù)確定好后,可以對活塞桿進行三維建模,利用有限元分析軟件對活塞桿進行應(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,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,反而不利于潤滑;e) 活塞桿表面需進行鍍鉻處理,鍍層后(0.040.05)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。臺階尖角處需到圓。

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