液壓缸的設計計算簡介
液壓缸的設計是在對整個液壓系統進行了工況分析、編制了負載圖,選定了工作壓力之后,先根據使用要求選擇結構類型,然后按負載情況、運動要求,最大行程等確定其主要工作尺寸,進行強度、穩定性和緩沖驗算,最后再進行結構設計。
1.液壓缸設計中應注意的問題及設計步驟
(l)液壓缸設計中應注意的問題不同的液壓缸有不同的設計內容和要求,一般在設計液壓缸的結構時應注意以下幾個問題。
①盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態下承受最大負載,或在受壓狀態下具有良好的縱向穩定性。
②考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。缸內如無緩沖裝置和排氣裝置,系統中需有相應的措施,但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。
③根據主機的工作要求和結構設計要求,正確確定液壓缸的安裝、固定方式。但液壓缸只能一端定位。
④長行程液壓缸活塞桿伸出時,應盡量避免下垂。
⑤要有可靠的密封,防止泄漏。
⑥液壓缸各部分的結構需根據推薦的結構形式和設計標準進行設計,盡可能做到結構簡單、緊湊、加工、裝配和維修方便。
(2)液壓缸的設計步驟液壓缸的設計步驟沒有硬性規定,應根據已確定的各種條件,靈活地選擇設計程序,一般可參考以下步驟進行。
①掌握原始資料和設計依據,通常包括如下一些內容:主機的用途和工作條件;工作機構的結構特點、負載狀況、行程大小和動作要求;液壓系統所選定的工作壓力和流量;材料、配件和加工工藝的現實狀況;有關的國家標準和技術規范等。
②根據主機的動作要求和結構要求,選擇缸的類型和結構形式。
③根據機構工作力的要求,確定缸的輸出力。
④根據系統工作壓力和往返速比,確定缸的主要尺寸,如缸徑、活塞桿直徑,并按標準尺寸系列選擇適當的尺寸。
⑤根據機構運動的行程和速度要求,確定缸的長度和流量,并由此確定缸的通油口尺寸。
⑥根據工作壓力及材料,進行缸的結構設計,確定缸的壁厚尺寸,活塞桿尺寸、螺釘尺寸及端蓋結構。
⑦選擇適當的密封結構。
⑧必要時設計緩沖、排氣和防塵等裝置。繪制液壓缸裝配圖和零件圖。
⑨整理設計計算書,審定圖樣及其他技術文件。
2.液壓缸主要尺寸的確定
液壓缸的主要幾何尺寸,包括液壓缸內徑D,缸的長度L,活塞桿的直徑d和長度l等。確定上述尺寸的原始依據是液壓缸的負載F、運動速度v和行程長度s等。
(1)液壓缸內徑D和活塞桿直徑d的確定
①液壓缸內徑D液壓缸內徑D的計算通常有兩種方法。一種是根據液壓缸需要產生的推力F和系統選定的工作壓力p來計算。對單桿缸而言,無桿腔進油時,由式 (4-12)得
D= (4-23)
有桿腔進油時,由式(4-14)得
D= (4-24)
液壓缸設計中,常初步選取回油壓力p2=0,這時,上面兩式可簡化,即
無桿腔進油時
D= (4-25)
有桿腔進油時
D= (4-26)
另一種方法是根據執行機構的速度要求和選定的液壓泵流量來確定,同樣對單桿缸而言,無桿腔進油時,由式(4-11)得
D= (4-27)
有桿腔進油時,由式(4-13)得
D= (4-28)
計算所得的液壓缸內徑D(即活塞直徑)應圓整為標準系列值(可查液壓設計手冊)。
②活塞桿直徑d活塞桿直徑d可根據工作壓力或設備類型選取,見表1和表2。當液壓缸的往復速度比A,有一定要求時,由式(4-15)得
d= (4-29)
推薦液壓缸的往復速度比如表3所示。
表1 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑
液壓缸工作壓力p/MPa |
≤5 |
5~7 |
>7 |
推薦活塞桿直徑d |
(0.5~0.7)D |
(0.6~0.7)D |
0.7D |
表2 設備類型與活塞桿直徑
設備類型 |
磨床、珩磨及研磨機 |
插、拉、刨床 |
鉆、鏜、車、銑床 |
活塞桿直徑 |
(0.2~0.3)D |
0.5D |
0.7D |
表3 液壓缸往復速度比推薦值
工作壓力p/MPa |
≤10 |
1.25~20 |
>20 |
往復速度比λv |
1.33 |
1.46,2 |
2 |
計算所得的活塞桿直徑d亦應圓整為標準系列值(可查液壓設計手冊)。
(2)液壓缸長度L的確定液壓缸的長度L根據所需最大工作行程長度而定,一般長度L不大于直徑D的20~30倍。
(3)液壓缸壁厚艿的確定在一般中、低壓系統中,液壓缸的壁厚不用計算的方法確定,而是由結構和工藝上的需要來確定,在高壓系統中必須進行強度校核。
液壓缸缸筒壁厚校核時分薄壁和厚壁兩種情況。當D/δ≥10時為薄壁,壁厚按式(4-30)進行校核
δ≥PyD/2[σ] (4-30)
式中,D為缸筒內徑;py為缸筒試驗壓力,當缸的額定壓力pn≤16MPa時取py=1.5pn,當pn>16MPa時取py=1.25pn;[σ]為缸筒材料的許用應力,[σ]=σb/n,σb為材料抗拉強度,n為安全系數,一般取n=5。
當D/δ<10時,壁厚按式(4-31)進行校核
δ≥ (4-31)
在進行校核時,若液壓缸缸筒與缸蓋采用半環連接,艿應取缸筒壁厚最小處的值。
(4)液壓缸其他尺寸的確定活塞的寬度B,根據缸的工作壓力和密封方式確定,一般取B=(0.6~1.O)D;導向套滑動面的長度A,當D<80mm時取A=(0.6~1.0)D,當D>80mm時取A=(0.6~1.O)d。活塞桿的長度l可根據液壓缸的長度L、活塞的寬度B、導向套和端蓋的有關尺寸及活塞桿的連接方式確定。對長徑比l/d≥10的受壓活塞桿,應按材料力學中的有關公式進行穩定性校核計算。液壓缸的端蓋尺寸、緊固螺釘的個數和尺寸等一般由結構決定。對工作壓力高的液壓缸,應校核螺栓的強度。