液壓缸的設計計算

1、“流體傳動與控制”課程單元探究式教學小組,組長：常樂 組員：常樂，韋城，曹杰，甘建宇,第四章 液壓缸,4.1液壓缸的類型及其特點 4.2液壓缸的設計計算,4.1液壓缸的類型及其特點,（1）液壓缸的類型,直線運動液壓缸,單作用缸,柱塞式,活塞式,彈簧復位式,多級伸縮式,雙作用缸,單活塞桿式,雙活塞桿式,多級伸縮式,特種缸 齒條傳動式,擺動液壓缸,單葉片,雙葉片,（2）常用液壓缸及其特點,1.柱塞式液壓缸,推力和運動速度計算式：,(N),(m/s),例圖：,2.活塞式液壓缸,1）單桿活塞液壓缸 （1）供油量不變時，活塞往復運動的速度不等,活塞桿伸出速度：,（m/s),活塞桿縮回速度：,（m/s）,

2、(2)活塞兩方向運動時的作用力不相等 活塞桿推力： 活塞桿拉力：,(N),(N),（3）液壓缸的差動連接 單桿活塞液壓缸在其左右兩腔相互連通并輸入壓力油時稱之為“差動連接”。 不計容積損失時，差動連接缸的伸出速度： 活塞推力：,(m/s),（N）,單桿,雙桿,3.伸縮式液壓缸,形式：單作用和雙作用 特點：總行程較長，收縮后很短，適用于空間小而行程長的場合 供油量不變，各級活塞依次伸出速度和推力： 雙作用缸各級活塞桿縮回運動速度和牽引力：,（m/s）,(N),（m/s）,(N),4.擺動液壓缸,圖（a）為單葉片擺動液壓缸，其輸出扭矩和回轉(zhuǎn)角速度為：,（Nm）,(1/s),(3)其他液壓缸及特點,

3、1.串聯(lián)液壓缸（增力缸）：用于徑向尺寸受限制且要求處理較大的情況 2.增壓液壓缸 輸入輸出壓力關系：,3.齒條液壓缸,（4）緩沖裝置,目的：避免造成機械沖擊和噪聲，引起破壞性事故或嚴重影響機械精度 原理：使活塞在接近缸蓋時，在緩沖油腔內(nèi)產(chǎn)生足夠的緩沖壓力，即增大缸的回油阻力，降低活塞的移動速度，避免撞擊缸蓋 常用緩沖裝置結構簡圖,可調(diào)式,不可調(diào)式,（5）排氣裝置,目的：為及時排除積留在缸內(nèi)的空氣，在兩端最高處設計排氣裝置以避免部件的不均勻運動和油液的氧化以及液壓裝置元件的腐蝕。,液壓缸的設計計算,一，設計依據(jù)、原則和步驟 二，基本參數(shù)計算 三，液壓缸強度計算,一，設計依據(jù)、原則和步驟,1，設計

4、依據(jù),（1）了解和掌握液壓缸在機械上的用途和動作要求。 （2）了解液壓缸的工作條件 （3）了解外部負載情況 （4）了解液壓缸的最大行程，運動速度或時間，安裝空間所允許的外形尺寸以及缸本身的動作 （5）設計已知液壓系統(tǒng)的液壓缸，應了解液壓系統(tǒng)中液壓泵的工作壓力和流量大小、管路的通徑和布置情況、各種液壓閥的控制情況。 （6）了解有關國家標準、技術規(guī)范及參考資料,2，設計原則,（1）保證缸運動的出力、速度和行程 （2）保證缸每個零件有足夠的強度、剛度和耐用性 （3）在保證以上兩個條件的前提下，盡量減小缸的外形尺寸 （4）在保證缸性能的前提下，盡量減少零件數(shù)量，簡化結構 （5）要盡量避免缸承受橫向負載

5、，活塞桿工作時最好承受拉力，以免產(chǎn)生縱向彎曲 （6）缸的安裝形式和活塞桿頭部與外部負載的連接形式要合理，盡量減小活塞桿伸出后的有效安裝長度，增加缸的穩(wěn)定性,3，設計步驟,（1）根據(jù)設計依據(jù)，初步確定設計方案，會同有關人員進行技術經(jīng)濟分析 （2）對缸進行受力分析，選擇適當?shù)慕Y構形式、安裝方式 （3）根據(jù)工作負載、重力、摩擦力和慣性力確定液壓缸在形成各階段上負載的變化規(guī)律及有關的技術數(shù)據(jù) （4）根據(jù)工作負載和選定的額定壓力，確定活塞端面面積并計算活塞直徑和缸筒外徑 （5）根據(jù)缸徑和運動速度之比或者工作負載和材料的許用應力，確定活塞桿的直徑 （6）根據(jù)運動速度、工作出力和活塞直徑，確定液壓泵的壓力和

6、流量,（7）選擇缸蓋的結構形式，計算厚度和強度 （8）審定全部設計計算資料，進行修改補充 （9）選擇適當?shù)拿芊饨Y構，設計緩沖、排氣和防塵等裝置 （10）繪制裝配圖和零件圖，編制技術文件,二，基本參數(shù)計算,1. 工作負載 缸的工作負載包括機構穩(wěn)定功能工作狀態(tài)下的靜負載 摩擦阻力 、和啟動慣性阻力 各項載荷均應在滿負荷狀態(tài)下計算，其中摩擦阻力按啟動狀靜摩擦阻力計算。缸自身的摩擦阻力已經(jīng)用機械效率 的形式在牽引力計算中加以考慮，故不再計入。缸的牽引力等于工作負載。,2，速比,速比是指雙作用單桿液壓缸活塞桿縮回速度 與伸出速度 之比。 可按JB 106867系列標準，根據(jù)不同的壓力級別，從下表中選取推

7、薦值。,3，缸筒內(nèi)徑,（1）動力較大的液壓設備（如拉床、刨床、車床、組合機床、工程機械及礦山機械等）的缸筒內(nèi)徑，通常根據(jù)最大牽引力 來確定。然后再按速度要求計算所需流量，或者按已經(jīng)選定的流量來驗算速度。 對于無桿腔 ： 對于有桿腔：,兩式中， 為缸的最大推力，N； 為缸的機械效率，通常取 =0.95； 為回油背壓，MPa；p為進口工作壓力，MPa；d為活塞桿直徑，m。 活塞干的直徑選擇,（2）動力較小的液壓設備（如磨床、珩床及研磨類機床等），常根據(jù)缸的流量q和活塞的運動速度V來決定，即 式中，q為缸所需流量，； 、 為活塞的伸出、縮回運動速度，/s。,4.活塞桿直徑d,活塞桿直徑通常是先按選定

8、的速比和鋼筒的內(nèi)徑D初算，然后再檢驗算其強度和穩(wěn)定性。 計算結果亦應按有關標準圓整。,5.最小導向長度H,最小導向長度是在活塞桿全部伸出時，導向套滑動面中點到活塞支撐面中點的距離。導向長度的大小影響缸的初始撓度、穩(wěn)定性和活塞桿的強度，因此必須使其不小于規(guī)定的最小值H。關于最小導向長度的精確計算方法，還有待于進一步實驗研究，目前對于一般的液壓缸，可用下面的經(jīng)驗公式計算，即 式中，L為缸的最大工作行程。,三，液壓缸強度計算,1. 缸筒壁厚和外徑 缸筒壁厚 （或缸外徑 ）由缸的強度條件來確定。由材料力學可知，受內(nèi)力的圓筒，其內(nèi)應力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。 薄壁圓筒計算公式： 厚壁圓筒計算公式：,

9、式中： 為實驗壓力 為缸筒材料許用應力。,缸筒的壁厚計算出來以后，便可得到缸筒的外徑： 通過上式得到缸體的外徑 后通過查表，將計算出的外徑圓整到標準系列中去，并向大的方向圓整。,2，活塞桿的計算,1，活塞桿的強度計算活塞桿主要受拉力和壓力作用，因此：,式中： 為液壓缸負載，N; 為活塞桿的直徑，m； 為活塞桿材料的 許用應力，Mpa。,2，穩(wěn)定性驗算,活塞桿所能承受的負載 ，應該小于它穩(wěn)定工作時的臨界負載 。另外， 的取值與活塞桿的材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長度，以及缸體的安裝方式有關，可按材料力學中的公式計算： 式中： 為安全系數(shù)， 。,1，當活塞桿的細長比 時：,2，當活塞桿的細長比 時：,3，端蓋厚度計算,法蘭端蓋厚度計算：,4,缸底厚度計算,1