標準氣缸的尺寸設計

1、連載講座I標準氣缸的尺寸設計徐文燦北方工業(yè)大學流體傳動與控制教研室，100041北京市石景山西黃村6278747940液壓與氣動41液壓與氣動標準氣缸是指大批量 生產(chǎn)的常規(guī)氣缸。它包括 單 作用氣缸、單活塞桿和雙活 塞桿的雙作用氣缸(含緩沖 氣缸)。標準氣 缸的尺寸設計就是根據(jù)對氣缸的工作 要求,選定氣缸的缸徑和行程。1 預選缸徑根據(jù)氣缸帶動的負載，計算氣缸的軸向負載力F, 圖1給出幾個實例。根據(jù)負載的運 動狀態(tài)及運動速度，選定氣缸的負 載率，參見表1。氣缸的運動速度越高，負載率應選 得越小。氣缸的負載率是活塞桿受到的軸向負載力F與氣缸的理論輸岀力Fo之比=F/ Fo(1)夾緊bl滑動導軌F卞

2、#液壓與氣動圖1氣缸的軸向負載力 F圖中：b) = 0 2 0 8; c) = 0 1 0 4#液壓與氣動#液壓與氣動吸油總管與油箱連通，因此將泵殼體的泄漏油管與泵 吸油口法蘭連接在一起似乎可 以等同認為是將泵殼體 的泄漏油直接引回到了油 箱。但進一步從理 論分析并 經(jīng)實驗驗證，這種配管方式存在較大缺陷。經(jīng)過列伯 努利方程計算分析，在泵的吸油口存在一定真空度。 當泵起動運行后，泵的吸油口很快形成真空從管道吸 油，由于將泵殼 體的泄漏油管直接接到泵的吸油口法 蘭上，再加上泵吸油口油液流動時對泵泄漏油管內(nèi)油 液產(chǎn)生的抽吸作用，使泵的泄漏油管內(nèi)造 成真空，進而 將起動前灌注在泵殼體內(nèi)的液壓油吸岀泵的

3、殼體，使 泵殼體內(nèi)的油液液位低于泵傳動連桿球鉸中心線，從 而造成該球鉸干摩擦燒損。這 一理論分析結(jié)果通過在 現(xiàn)場用三種實驗方法得到驗證。實驗方法一：將泵殼體的泄漏油管從泵吸油口法 蘭上斷開使其直接通油杯。另 將泵吸油口法蘭上接泄 漏油管的油口用螺塞堵住，在泵殼體內(nèi)注滿油的情況 下，起動液壓泵，在空載運行一段時間后，逐漸升壓，泵 運行一切正常，并且用點溫度計測量液壓泵殼體表面 溫度，每隔10分鐘測量一次，在泵起動運行后，泵殼體 表面溫度逐漸上升，在上升到60 左右時趨于穩(wěn)定， 并不再上升，說明泵已能穩(wěn)定運行。實驗方法二:在泵殼體的泄漏油口裝一只三通塊， 在三通塊上接上真空壓力表。在起動泵后，立即

4、發(fā)現(xiàn) 真空表指針擺動，指示真空度約為20 30 kPa。實驗方法三：將泵殼體上的泄漏油管換成透明塑 料管,按原裝配方式連接 在泵的吸油口法蘭上，在泵起 動后，立即發(fā)現(xiàn)在透明塑 料管內(nèi)形成真空氣包，且伴有 泵殼體內(nèi)的油液沿泄漏油管向泵吸油口的流動，其流 岀量遠遠大于泵的內(nèi)泄漏量。由此可見，該系統(tǒng)柱塞泵泄漏油管配管設計不合 理是造成柱塞泵中心傳動連 桿球面燒損失效 的根本原 因。后經(jīng)改造，將所有泵的泄漏油管通過一根總管直 接接回油箱，該故障現(xiàn)象即消失。目前 該設備已順利 完成調(diào)試，投入正常生產(chǎn)。從以上對A2F型柱塞泵失效 機理分析,可以得出 以下結(jié)論：在液壓系統(tǒng)配 管設計中，不僅要考慮管道布 置平

5、直美觀，盡量縮短管道長度及避免管道通流截面 的突變，以減少液體在管 道中的壓力損失，更需考慮液 壓元件的安裝及使用要求。對于上述 A2F型柱塞泵來 說,泵殼體泄漏油管內(nèi)(即殼體內(nèi))壓力過高，將會損壞 泵的軸封或縮短軸封的壽命，泵殼體內(nèi)壓力過低,特別 是形成真空，將會引起泵體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件 燒損。因此，正確合理的 配管設計,是確保液壓系統(tǒng)中 各元件正常工作的前提條件。42液壓與氣動#液壓與氣動獅 畑 刑 卿 jox 垣怙Jtm恤世曲訕3 0I I 曲JR草中I I Jtn2.U二左睪聞曲 血 C w lHtfi 屋也越陸髯匪丿3電泗逝 血l-OK“論心皿！-S二直苗舉椿2 mW W SU

6、M 咖-J nun； JI t-m7 7h八 I旳j啲 徊 血碘現(xiàn)世墓冷理嵐“/g二星整3-fa-5 fl- 或7 7-d.2W1 urwi卿 1-WM涼u站）sjMTr-anfe Sa-ttAu左X立-9圖2氣缸的理論基準速度氣缸的理論輸岀力 Fo的計算式如下。單作用氣缸(彈簧壓回型)推力 F 0= D2p- f 2( 2)拉力 F o= f i(3)單作用氣缸(彈簧壓岀型)推力F0=f i(3)拉力Fo= ( D2-d2)p- f 2(4)雙作用氣缸(單活塞桿)推力F0=D2p(5)拉力Fo= ( D2-d2)p(6)雙作用氣缸(雙活塞桿)推力或拉力Fo=(d2- d2) p( 6)以上各

7、式中Fo理論輸出力(N)1998 年第聯(lián)1 期?h. jD缸徑(mm)d活塞桿徑(mm)估算時,單作用缸可令d = 0 5D ;雙作用缸,可令 d= (0 3 0 4) Dp使用壓力(MPa)fi單作用缸復位彈簧的預緊 力(N)f2 復位彈簧的預壓量加行程所產(chǎn)生的彈簧 力表1氣缸的運動狀態(tài)和負載率靜負載運動負載的運動速度uu= 50 5000 mm/ su 5000 mm/ s0 70 50 3氣缸的使用壓力常選為0 40 5 MPa。已知F、及p后，由式(1)至(6),可算出缸徑D。按計算值取標準缸徑即為預選缸徑。_工：，rcsrwd. hilpWMnk2預選行程按氣缸的工作 要求的行程加上

8、適當余量，依此值 選取相近的標準行程作為預選行程。3驗算緩沖能力活塞運動到行 程終端的速度較大，為防止活塞撞 缸蓋造成氣缸 損傷，并降低撞擊噪聲，在行程終端，常 設有緩沖器以吸收動能。已知氣缸的行程L、氣缸的動作時間t（從控制氣 缸的換向閥切換起，到活塞到達行程終端的時間），負 載率 和氣缸是產(chǎn) 生推力還是拉力，可從圖2a h查 得氣缸的理論基準速度 U0。理論基準速度是指氣缸不 承受外負載，且氣缸排氣 側(cè)為聲速排氣時的氣缸速度， 其值可按下式計算：4驗算活塞桿承載能力1）檢驗橫向負載為了防止缸蓋的襯套過 早磨損及活塞桿 伸岀時的 下彎量過大，活塞桿上承受的橫向負載必須受限制。 活塞桿縮回時，

9、桿端能承受的橫向負載應小于理論輸 出力的5%?；钊麠U伸出時，桿端能承受 的橫向負 載應 查產(chǎn)品樣本。圖4給岀某氣缸承受的橫向負載與行程 的關(guān)系，在虛線行程范圍內(nèi)應設置導 軌承載。表3某系列氣缸不失去穩(wěn)定性的最大行程（cm）uo= 244 5 S/D2（ 7）式中uo理論基準速度（m/s）S氣缸的充（排）氣流路的有效截面積（mm2）D缸徑（mm）已知負載率及推力或拉力，由圖3可查得氣缸的最高速度Um與理論基準速度Uo之比 值，則可求 得氣缸的最高速度Um。這樣，便可求得氣缸的最大動圖3氣缸的最大速度與理論基準速度之比緩沖能力滿足要求的條件是：1 2 mu m Ed（8）式中 m氣缸運動部分的質(zhì)量

10、（kg）Um氣缸的最高速度（m/s）Ed氣缸的允許吸收功能（N m）（查產(chǎn)品樣本可得）表2列岀某系列氣缸的允許吸收功能。表2某系列氣缸的允許吸收功能缸徑（mm）3240506380100允許吸收動能（N m）2 23 45 9112029VHU a.E6 -1 6715 4M 8 418 84 號 M r-J-丁 546M27142朋則17 83 7 4Tt- 11 I6昭6is2 144 3- 2|36炬半QU注 L-腳架式 F-有桿端法蘭式G-無桿端法蘭式G耳環(huán) 式 T-耳軸式2）檢驗軸向壓負載活塞桿受軸向 壓負載時，必須限制桿縱向彎曲變 形在一定范圍內(nèi)，以防桿失去穩(wěn)定性。不失 去穩(wěn)定性4

11、3液壓與氣動的最大行程與 許多因素有關(guān)，可查產(chǎn)品樣本。表3列 岀某系列氣缸的不失去穩(wěn)定性的最大行程。在驗算緩沖能 力及活塞承載能力均合格后,才算 最終選定了缸徑和行程。圖4 某氣缸橫向負載與行程的關(guān)系例：氣缸推動小 車運動如圖1C所示。已知小車 等運動件質(zhì)量 m= 150 kg,小車與臺面間的摩擦系數(shù)=0 3,氣缸行程L = 300 mm,動作 時間t= 0 08 s,使 用壓力p= 0 5 MPa,試選定缸徑,并檢驗活塞桿承載 能力。解： 氣缸軸向負載力F = mg= 0 31509 8=450 N。氣缸平均速度 u= L/t= 300/ 0. 8= 375 mm/ s,按 表1,選負載率

12、=0 5。理論輸出力F0= F/ = 450/ 0. 5= 900 N。利用式(5 ),可算得缸徑 D =, 4F0( p)=.4 90C/ (0 5)= 47 9 mm。故預選缸徑 D = 50mm。已知氣缸為推力，=0 5、動作時間t= 0. 8 s、行 程L = 300 mm,由圖2e,查得理論基 準速度u = 750 mm/ So已知氣缸為推力，=0 5,由圖3查得系數(shù)=0.98,則最高速度 um= 0. 98 750= 735 mm/So 氣一 1 2 1 2 缸的最大動能 Em= mu m= 1500 735 = 40. 5N mo表2列出的氣缸系列，當缸徑為50 mm時，其允許

13、吸收能為5 9 N m,遠小于最大動能40 5 N m,可見缸 徑50 mm的氣缸緩沖能力不能滿足要求。重選缸徑 D = 80 mm,貝U = F/F。= f/(D、)4廠2= 450/( 0. 785 800. 5) = 0. 179。已知 t= 0. 8 s, L=300 mm,由圖2a查得u= 360 mm/s;由圖2c查得 U0= 500 mm/so 按 = 0 179,插值求得 U0= 460 mm/So已知 =0.179,對推力，由圖3查得 = 1.065,得 um = u0= 1.065460= 490 mm/ s最大功能 Em= 1 mum= -1 150 0 4彳=18 N2 2mo表2查得80 mm氣缸的允許吸 收動能 Ed = 20 N m,可見緩中能力滿足要求?；钊麠U伸岀時，氣缸的橫向負載為150 kg,但這個 負載由臺面承受，而不是由缸蓋內(nèi)的襯套承受，故無需 檢驗橫向負載。氣缸將小車 回拉時,活塞桿受軸向壓負載。對腳 架式氣缸沿平臺拉動小車的狀況 ，當p= 0.5 MPa, D = 80 mm時,由表3