液壓油缸設(shè)計(jì)

1、液壓油缸主要幾何尺寸的計(jì)算：上圖中各個(gè)主要符號(hào)的意義： 液壓缸工作腔的壓力（Pa） 液壓缸回油腔的壓力（Pa）液壓缸無(wú)桿腔工作面積液壓缸有桿腔工作面積D液壓缸內(nèi)徑 d活塞桿直徑F 液壓缸推力 （N）v液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算根據(jù)載荷力的大小和選定的系工作統(tǒng)壓力來(lái)計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D。液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來(lái)定，對(duì)單桿缸而言，無(wú)桿腔進(jìn)油并不考慮機(jī)械效率時(shí)：有桿腔進(jìn)油并不考慮機(jī)械效率時(shí)：一般情況下，選取回油背壓 ，這時(shí)，上面兩式便可簡(jiǎn)化，即無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí) 有桿腔進(jìn)油時(shí)：設(shè)計(jì)調(diào)高油缸為無(wú)桿腔進(jìn)油。所以，按照GB/T2348-2001對(duì)液壓缸內(nèi)徑進(jìn)行圓整，取，

2、即缸內(nèi)徑可以取為。2.2活塞桿直徑d的計(jì)算在液壓油缸的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度有一定要求的情況下，活塞桿的直徑d通常根據(jù)液壓缸速度比的要求已經(jīng)缸內(nèi)徑D來(lái)確定。其中，活塞桿直徑與缸內(nèi)徑和速度比之間的關(guān)系為： 式中 D液壓缸內(nèi)徑 d活塞桿直徑 往復(fù)速度比液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25和1.15等幾種下表給出了不同往復(fù)速度比時(shí)活塞桿直徑d和液壓缸內(nèi)徑D的關(guān)系。 1.151.251.331.4620.36D0.45D0.5D0.56D0.71D液壓缸往復(fù)速度比推薦值如下表所示：液壓缸工作壓力P（MPa）101.252020往復(fù)速度比1.331.4622由于此采煤機(jī)的調(diào)高油缸的工

3、作壓力為30MPa，因此選擇往復(fù)速度比，計(jì)算得：。計(jì)算所得的活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列。按GB/T2348-2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整后，取 d = 160mm，即活塞桿直徑為160mm。2.3液壓缸活塞行程s的確定 調(diào)高油箱位于牽引部底部，兩端分別與牽引部和截割部鉸接。通過(guò)活塞桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)搖臂的擺動(dòng)。液壓缸行程s ,直接影響采煤機(jī)搖臂的擺動(dòng)范圍，進(jìn)而影響采煤機(jī)的采高。設(shè)計(jì)參數(shù)（搖臂擺角范圍）：上46.06，下17.77設(shè)計(jì)分析實(shí)例的已知數(shù)據(jù)如下： 搖臂長(zhǎng)度 搖臂回轉(zhuǎn)中心到調(diào)高油箱前鉸接點(diǎn)的距離 搖臂回轉(zhuǎn)中心到調(diào)高油箱后鉸接點(diǎn)的距離搖臂上擺角度搖臂下擺角度其中，。由上圖可求出液壓缸活塞近似行程：液

4、壓缸活塞行程s，主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求而定。但為了簡(jiǎn)化工業(yè)工藝成本，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)值。按GB/T2349-2001選擇活塞行程系列的標(biāo)準(zhǔn)值，取，即活塞行程為800mm。3液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1缸筒的結(jié)構(gòu)、材料的選取以及強(qiáng)度給定3.1.1缸筒結(jié)構(gòu)的選擇缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。主要連接形式有法蘭連接、內(nèi)螺紋連接、外螺紋連接、外半環(huán)連接、內(nèi)半環(huán)連接、拉桿連接、焊接以及鋼絲連接。a、法蘭連接：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易加工，易裝卸；缺點(diǎn)：重量比螺紋連接的大，但比拉桿連接的小，外徑較大。b、螺紋連接:優(yōu)點(diǎn)：重量較輕，外徑較??；缺點(diǎn)：端部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝卸需要專門的工具，

5、擰端部時(shí)，有可能把密封圈擰扭。c、外半環(huán)連接：優(yōu)點(diǎn)：重量比拉桿連接的輕；缺點(diǎn)：缸體外徑要加工，半環(huán)槽削弱了缸體，相應(yīng)的要加大缸體厚度。d、內(nèi)半環(huán)連接：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；缺點(diǎn)：安裝時(shí)，端部進(jìn)入缸體較深，密封圈有可能比進(jìn)油孔邊緣處擦傷。e、拉桿連接：優(yōu)點(diǎn)：缸體最易加工，最易裝卸，結(jié)構(gòu)通用性大；缺點(diǎn)：重量較重，外形尺寸較大。f、焊接：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小；缺點(diǎn)：缸體有可能變形。g、鋼絲連接：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，尺寸小。比較各種連接形式，采用法蘭連接3.1.2缸筒主要技術(shù)要求：1）有足夠的強(qiáng)度，能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力而不致產(chǎn)生永久性變形；2）有足夠的剛度，能承受活塞閥向力

6、和安裝的反作用力而不致于產(chǎn)生彎曲；3）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(zhǎng)期工作而磨損少，有高的幾何精度，足以保證活塞密封件的密封性；4）有幾種結(jié)構(gòu)的鋼筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上法蘭或管接頭后不致于產(chǎn)生裂紋或過(guò)大的變形。3.1.3缸筒材料的選取及強(qiáng)度給定1）缸筒的材料 無(wú)縫鋼管 若能滿足要求，可以采用無(wú)縫鋼管作缸筒毛坯。一般常用調(diào)質(zhì)的45號(hào)鋼。需要焊接時(shí)，常用焊接性能較好的2035號(hào)鋼，機(jī)械粗加工后再調(diào)質(zhì)。 鑄件 對(duì)于形狀復(fù)雜的缸筒毛坯，可以采用鑄件?；诣T鐵鑄件常用HT200至HT350之間的幾個(gè)牌號(hào)，要求較高者，可采用球墨鑄鐵QT450-10、QT500-7、QT600-3

7、等。此外還可以采用鑄鋼ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570等。 鍛件 對(duì)于特殊要求的缸筒，應(yīng)采用鍛鋼。 此處選取無(wú)縫鋼管，由于調(diào)高油缸處的工作壓力較大，因此采用，材料的屈服強(qiáng)度；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度；缸筒材料的許用應(yīng)力。2）缸筒的加工要求缸筒內(nèi)徑D采用H7級(jí)配合，表面粗糙度為0.16，需要進(jìn)行研磨；熱處理：調(diào)制，；缸筒內(nèi)徑D的圓度、錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差的一半；缸筒直線度不大于0.03mm；油口的孔口及排氣口必須有倒角，不能有飛邊、毛刺；在缸內(nèi)表面鍍鉻，外表面刷防腐油漆。缸蓋的材料、技術(shù)要求 缸蓋與缸底常用45號(hào)鋼鍛造或鑄造毛坯。需要焊接結(jié)構(gòu)的，采用焊接性能較好的35號(hào)

8、鋼。中低壓缸可用HT200、HT250、HT300等灰口鑄鐵材料。此處選擇缸蓋和缸底的材料為。 缸蓋內(nèi)孔一般尺寸公差采用H7、H8的精度等級(jí)、表面粗糙度通常取為。 缸蓋內(nèi)孔與凸緣止口外徑的圓度、圓柱度誤差不大于直徑尺寸公差的一半。內(nèi)孔和凸緣止口的同軸度允差不大于0.03mm，相關(guān)端面對(duì)內(nèi)孔軸線的圓跳動(dòng)在直徑100mm上不大于 0.04mm。缸蓋和缸底采用法蘭連接的方式與缸筒相連接，所選螺栓為，材料為30CrMo，材料的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度。3.7活塞桿3.7.1活塞桿結(jié)構(gòu)活塞桿有實(shí)心桿和空心桿兩種。一般情況下多用實(shí)心桿，空心桿多用于一下幾種情況：1、缸筒運(yùn)動(dòng)的液壓缸，用來(lái)導(dǎo)通油路；2、大型液壓缸

9、的活塞桿（或柱塞桿）為了減輕重量；3、為了增加活塞桿的抗彎能力；4、d/D比值較大或桿心需安裝如位置傳感器等機(jī)構(gòu)的情況。此處選擇活塞桿的結(jié)構(gòu)為實(shí)心桿。由于調(diào)高油缸工作時(shí)軸線擺動(dòng)，桿外端采用光桿耳環(huán)，其基本尺寸設(shè)計(jì)如下圖： 3.7.2常用材料活塞桿一般用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成。對(duì)于有腐蝕性氣體場(chǎng)合采用不銹鋼制造?；钊麠U一般用棒料，現(xiàn)在大部采用冷拉棒材。為了提高硬度、耐磨性和耐腐蝕性，活塞桿的材料通常要求表面淬火處理，淬火深度為0.51mm，硬度通常為 HRC5060，然后表面再鍍硬鉻，鍍層厚度為 0.030.05mm。此處活塞桿的材料選用45號(hào)鋼。3.7.3 技術(shù)要求 活塞桿外徑尺寸公差多為f8，也

10、有采用f7、f9的。 每100mm直線度0.02。 圓度等幾何精度誤差一般不大于外徑公差的一半。 與活塞內(nèi)孔配合的軸頸與外圓的同軸度允差不能大于0.010.02mm；安裝活塞的軸肩與活塞桿軸線的垂直度允差每100mm不大于 0.04mm。 活塞桿端部的卡鍵槽、螺紋及緩沖柱塞與桿徑同軸度允差不大于0.010.02mm。緩沖柱塞最好采用活塞桿本身的端頭部。 表面粗糙度一般為，精度要求高時(shí)，取為。3.8活塞3.2.1 活塞的材料無(wú)導(dǎo)向環(huán)（支承環(huán)）的活塞選用高強(qiáng)度鑄鐵，有導(dǎo)向環(huán)（支承環(huán)）的活塞選用碳素鋼20號(hào)、35號(hào)及45號(hào)。3.2.2 活塞的技術(shù)要求 采用無(wú)密封件的間隙密封式活塞常取為f6； 采用活

11、塞環(huán)密封時(shí)常取為f6或f7； 采用橡膠、塑料密封件時(shí)，常取為f7、f8及f9； 與活塞桿配合的活塞內(nèi)孔公差等級(jí)一般取為H7； 活塞外圓的表面粗糙度要不差于 ，內(nèi)孔的表面粗糙度要不差于?；钊鈴?、內(nèi)孔的圓度，圓柱度誤差不大于尺寸公差的一半?；钊鈴綄?duì)內(nèi)孔及密封溝槽的同軸度允差不大0.02mm。 端面對(duì)軸線的垂直度允差每100mm不大于 0.04mm。2)活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)可分為整體式和裝配式，裝配式又有螺紋連接、半環(huán)連接、彈簧擋圈連接和錐銷連接等類型。液壓缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。但當(dāng)工作壓力較高或載荷較大、活塞桿直徑又較小的情況下，活塞桿的螺紋可能

12、過(guò)載。另外工作機(jī)械振動(dòng)較大時(shí)，固定活塞的螺母有可能振動(dòng)，因此需要采用非螺紋連接，采用半環(huán)連接。3)活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu)活塞與缸體之間既有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又需要使液壓缸兩腔之間不漏油，因此在結(jié)構(gòu)之上應(yīng)慎重考慮，選擇密封圈密封。3.2活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)及密封活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋或?qū)蛱椎慕Y(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可做成與端蓋分開(kāi)的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)，后者導(dǎo)向套磨損后便于更換，所以應(yīng)用較普遍。導(dǎo)向套的位置可安裝在密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以裝在外側(cè)，工程機(jī)械中一般采用裝在內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導(dǎo)向套的潤(rùn)滑；而油壓機(jī)常采用裝在外側(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時(shí)，使密

13、封圈有足夠的油壓將唇邊張開(kāi)，以提高密封性能。a、端蓋直接導(dǎo)向：端蓋與活塞桿直接接觸導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但磨損后只能更換整個(gè)缸蓋；端蓋與活塞桿的密封常用O型，Y型等密封圈，防塵圈用無(wú)骨架的防塵圈。 b、導(dǎo)向套導(dǎo)向： 導(dǎo)向套與活塞桿接觸支承導(dǎo)向，磨損后便于更換，導(dǎo)向套也可用耐磨材料；端蓋與活塞桿的密封常用Y型等密封裝置，密封可靠，適用于中高壓液壓缸；防塵方式常用J型或三角形防塵裝置。利用導(dǎo)向套導(dǎo)向，在導(dǎo)向套磨損后便于更換，因此選用與端蓋分開(kāi)的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。活塞桿與端蓋之間通過(guò)密封圈和防塵圈來(lái)防止油的泄露和防塵的。缸內(nèi)泄漏會(huì)引起容積效率下降，達(dá)不到所需的工作壓力；缸外泄露則造成工作介質(zhì)的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。

14、因此活塞桿與端蓋之間的密封通過(guò)格來(lái)圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于活塞桿外伸部分來(lái)說(shuō)，它容易把臟物帶入液壓缸，使油液受污染，密封件被磨損，因此活塞桿和缸蓋之間采用Z形Turcon防塵圈。3.3活塞及活塞桿處密封圈的選用活塞及活塞桿處的密封圈的選用，根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運(yùn)動(dòng)速度的范圍不同而選擇不同類型的密封圈。常用的密封圈類型有O形圈、Y形圈、V型和活塞環(huán)。O形圈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性好，安裝空間小，摩擦力小，易于制造，所以應(yīng)用較廣，但運(yùn)動(dòng)速度不能太大。Y形圈適用于壓力在20MPa以下、往返速度較高的液壓缸，密封性能可靠。V形圈耐高壓性能好，耐久性也好，缺點(diǎn)是安裝空間大，調(diào)整困難，摩擦阻力大，只適用于運(yùn)

15、動(dòng)速度較低的液壓缸?；钊h(huán)壽命長(zhǎng)，不容易損壞，常常用在不便于拆卸的液壓缸中，缺點(diǎn)是泄漏較大，必須成組使用，加工工藝比較復(fù)雜，所以成本較高。采煤機(jī)搖臂在調(diào)高過(guò)程中，調(diào)高油缸的工作壓力為30MPa，速度0.5m/s，因此選用活塞與活塞桿的的密封形式為O形圈的密封形式。3.4液壓缸的緩沖裝置緩沖裝置是利用活塞或缸筒移動(dòng)到接近終點(diǎn)時(shí)，將活塞和缸蓋之間的一部分油液封住，迫使油液從小孔或縫隙中擠出，從而產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件平穩(wěn)制動(dòng)，并避免活塞和缸蓋的相互碰撞。常用的緩沖裝置結(jié)構(gòu)有：1）環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置，它適用于運(yùn)動(dòng)慣性不大、運(yùn)動(dòng)速度不高的液壓系統(tǒng)。2）三角槽式節(jié)流緩沖裝置，它是利用被封閉液體的

16、節(jié)流產(chǎn)生的液壓阻力來(lái)緩沖的。3）可調(diào)節(jié)流緩沖裝置，它調(diào)節(jié)針形節(jié)流閥的流通面積，就可改變緩沖作用的強(qiáng)弱和效果。由于采煤機(jī)調(diào)高油缸運(yùn)動(dòng)慣性不大、速度也不高，因此選用圓柱形環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置或者不使用緩沖裝置。4液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)4.1液壓缸的效率油缸的效率由以下兩種效率組成：a.機(jī)械效率，由各運(yùn)動(dòng)件摩擦損失所造成，在額定壓力下，通?？扇?0.95。b.容積效率，由各封密件泄露所造成，通常容積效率為：裝彈性體密封圈時(shí) =1裝活塞環(huán)時(shí) =0.98所以取： 所以總效率為。4.2缸筒壁厚的計(jì)算液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。液壓缸的壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒

17、，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。工程機(jī)械的液壓缸，一般是用無(wú)縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算： 式中: 液壓缸壁厚(m)； 液壓缸內(nèi)徑(m)； 試驗(yàn)壓力；當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取， 時(shí)，取； 此處取。 缸筒材料的許用應(yīng)力，無(wú)縫鋼管。因此：缸厚結(jié)果不滿足的條件，因此，此缸筒缸壁厚度滿足的條件，即按照厚壁圓筒公式進(jìn)行計(jì)算：通過(guò)計(jì)算得：，對(duì)缸筒壁厚進(jìn)行圓整得：。即缸筒外徑為。4.4缸底厚度計(jì)算平形缸底，當(dāng)缸底無(wú)油孔時(shí) 式中: h 缸底厚度（m）D 液壓缸內(nèi)徑（m）p試驗(yàn)壓力；當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取， 時(shí)，取； 此處取。 缸底材料15MnV

18、n無(wú)縫鋼管的許用應(yīng)力（無(wú)縫鋼管：）所以，由公式得 圓整為。4.5最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支承面中點(diǎn)的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足以下要求： 式中 L液壓缸的最大行程； D液壓缸的內(nèi)徑。計(jì)算得： 活塞的寬度B一般取；此處取活塞的寬度為：缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定；當(dāng)時(shí)，取；當(dāng)時(shí)，取。因此，缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度：。為保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，若過(guò)分增大和B都是不適宜的，必要時(shí)可在缸蓋與活塞之間增加

19、一隔套來(lái)增加最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的值。隔套的長(zhǎng)度C由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即 因此不需要隔套來(lái)保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的2030倍。因此液壓缸內(nèi)部長(zhǎng)度為：。5.關(guān)鍵部件校核5.1活塞桿強(qiáng)度的校核對(duì)于活塞桿強(qiáng)度的驗(yàn)算主要取決于其直徑是否滿足要求，其計(jì)算公式如下： 式中 F活塞桿上的作用力（選取最大值） 活塞桿材料的許用應(yīng)力，。 d 活塞桿直徑活塞桿的材料選為45號(hào)鋼，材料的屈服強(qiáng)度；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度；缸筒材料的許用應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算得： 在上文中計(jì)算所得的活塞桿直徑，因此活塞桿直徑滿足強(qiáng)度要求。5.2缸筒壁厚的驗(yàn)算額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值以保證工作安全。下面從以下三個(gè)方面進(jìn)行缸筒壁厚的驗(yàn)算：1、液壓缸的工作油壓值應(yīng)低于一定的極限值，保證工作安全： 式中：液壓缸的工作油壓 液壓缸的外徑 液壓缸的內(nèi)徑 的屈服強(qiáng)度經(jīng)計(jì)算得： 顯然，工作油壓，滿足條件。2、為了避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的工作壓力值應(yīng)與塑性變形壓力有一定的比例范圍，其中塑性變形壓力：經(jīng)計(jì)算得： 液壓缸的工作壓力值應(yīng)與塑性變形壓力之間的關(guān)系為： 計(jì)算得：由于工作壓力,滿足條件。3、為了確保液壓缸安全