單雙作用油缸選型及計(jì)算

本文格式為Word版，下載可任意編輯——單雙作用油缸選型及計(jì)算第四章液壓油缸

第一節(jié)液壓缸的工作原理、類型和特點(diǎn)

液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它的職能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是直線速度和力。液壓缸的活塞能完成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，輸出有限的直線位移。

一、液壓缸的工作原理液壓缸的工作原理見圖4-1。

圖4-1液壓缸的工作原理

液壓缸由缸筒1、活塞2、活塞桿3、端蓋4、活塞桿密封件5等主要部件組成。6為進(jìn)出油口。其它結(jié)構(gòu)的活塞式液壓缸的主要零件如圖4-1所示結(jié)構(gòu)類似。

若缸筒固定，左腔連續(xù)地輸入壓力油，當(dāng)油的壓力足以戰(zhàn)勝活塞桿上的所有負(fù)載時(shí)，活塞以速度v1連續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，活塞桿對外界做功。

反之，往右腔輸入壓力油時(shí)，活塞以速度v2向左運(yùn)動(dòng)，活塞桿也對外界做功。這樣，完成了一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種液壓缸叫做缸筒固定缸。

若活塞桿固定，左腔連續(xù)地輸入壓力油時(shí)，則缸筒向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)往右腔連續(xù)地通入壓力油時(shí)，則缸筒右移。這種液壓缸叫活塞桿固定缸。

本章所論及的液壓缸，除特別指明外，均以缸筒固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)的液壓缸為例。由此可知，輸入液壓缸的油必需具有壓力p和流量q。壓力用來戰(zhàn)輸贏載，流量用來形成一定的運(yùn)動(dòng)速度。輸入液壓缸的壓力和流量就是給缸輸入液壓能；活塞作用于負(fù)載的力和運(yùn)動(dòng)速度就是液壓缸輸出的機(jī)械能。

因此，缸輸入的壓力p，流量q，以及輸出作用力F和速度v是液壓缸的主要性能參數(shù)。二、液壓缸的分類

為了滿足各種主機(jī)的不同用途，液壓缸有多種類型。

按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側(cè)輸入高壓油，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側(cè)輸入壓力油?；钊恼聪蜻\(yùn)動(dòng)均靠液壓力完成。

按結(jié)構(gòu)形式分，可分為活塞缸、柱塞缸、搖擺缸和伸縮套筒缸。按活塞桿的形式分，可分為

1

單活塞桿缸和雙活塞桿缸。

按缸的特別用途分，可分為串聯(lián)缸、增壓缸、增速缸、步進(jìn)缸等。此類缸都不是一個(gè)單純的缸筒，而是和其它缸筒和構(gòu)件組合而成，所以從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看，這類缸又叫組合缸。

缸的分類見表4-1。

表4-1缸的分類

其次節(jié)液壓缸基本參數(shù)的計(jì)算

一、雙活塞桿缸的計(jì)算

雙作用活塞桿缸的計(jì)算簡單見圖4-2。

圖4-2雙活塞桿缸計(jì)算簡圖

根據(jù)流量連續(xù)性定理，進(jìn)入缸的液體流量等于液流截面和流速的乘積，而缸液流的截面即是活塞的有效面積，液流的平均流速即是活塞的運(yùn)動(dòng)速度。

因此：

v?式中：

q4q(4-1)?A?(D2?d2)q——進(jìn)入缸的液體流量；

v——活塞的運(yùn)動(dòng)速度；

A——活塞的有效面積；D——活塞直徑，即缸筒內(nèi)徑；

d——活塞桿直徑。

活塞桿上理論的輸出力F等于活塞兩側(cè)有效面積和活塞兩腔壓力差的乘積。

F?

?4(D2?d2)(p1?p2)(4-2)

2

式中：p1——進(jìn)油壓力；

p2——回油壓力，即缸出油口的背壓。

以上計(jì)算未考慮油從活塞的一腔到另一腔的內(nèi)泄漏和端蓋與活塞桿之間的外泄漏以及活塞和缸筒、活塞桿和端蓋之間的摩擦力。

由以上公式可知，這類缸在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度和輸出力均相等。二、單活塞桿缸的計(jì)算

單活塞桿缸，又叫差動(dòng)液壓缸。其計(jì)算簡圖見圖4-3。

圖4-3單活塞桿缸計(jì)算簡圖

無桿腔活塞的有效面積為A1：A1??4D2

有桿腔活塞的有效面積為A2：A2??4(D2?d2)

當(dāng)壓力油進(jìn)入無桿腔的流量為q1時(shí)：活塞右移速度為v1、輸出力為F1：v11?qA?4q1?D2(4-3)1F1?p1A1?p2A2?(p1?p2)?4D2?p?24d2(4-4)

式中：p1—進(jìn)油壓力；p2—為回油壓力。

當(dāng)壓力油進(jìn)入有桿腔的流量為q2時(shí)，活塞左移速度為v2，輸出力為F2：v22?qA?4q2d2)(4-5)2?(D2?F2?p1A2?p2A?2?21?(p1?p2)4D?p14d(4-6)

若q1?q2?q,p1?p,p2?0,

則(4-3)、(4-4)、(4-5)、(4-6)四式將分別為：

3

v1?q14q(4-7)?A1?D2F1?pA1?p?4D2(4-8)

v2?qA2?4q(4-9)22?(D?d)F2?pA2?p(D2?d2)(4-10)

由于A1?A2，所以V1?V2,F1?F2。其意為：若分別進(jìn)入缸兩腔的流量均為q，進(jìn)口壓力均為p，則q進(jìn)入無桿腔時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度較小，而輸出力較大；q進(jìn)入有桿腔時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度較大，而輸出力較??；故常把壓力油進(jìn)入無桿腔的狀況作為工作行程，而把壓力油進(jìn)入有桿腔的狀況作為空回行程?；钊麅蓚€(gè)方向上的速度比叫液壓缸的速比，用?表示。

v2A1D2?????v1A2D2?d21(4-11)d21?()D??v2A1F1(4-12)??v1A2F2（4-11）式說明，活塞速度與活塞有效面積成反比；活塞輸出的力和活塞的有效面積成正比。

?值越接近于1，正反兩個(gè)方向上的速度越接近，?值若遠(yuǎn)大于1，則回程速度也遠(yuǎn)大于工作行

程的速度。當(dāng)兩個(gè)方向的流量均為q，D也一定時(shí)，改善活塞桿直徑可得到滿意的?值。若往單活塞桿缸的無桿腔中供壓力油，將油桿腔排出的油再接回到無桿腔，如圖4-4所示，則叫做缸油路的差動(dòng)連接或稱差動(dòng)連接缸。這時(shí)缸兩腔的壓力雖相等，活塞仍向右運(yùn)動(dòng)。

圖4-4差動(dòng)連接缸

活塞的運(yùn)動(dòng)速度v：

q?vA2?vA1

v?q4q?2(4-13)

A1?A2?d活塞的輸出力為F：

4

F?p(A1?A2)?p?d24(4-14)

將未差動(dòng)連接，往無桿腔輸油的缸和差動(dòng)連接缸比較。從(4-13)和(4-14)式可見，后者的速度比較快，但輸出力較小。若A2?A12，即D?2d，則差動(dòng)連接缸在兩個(gè)方向上的速度

相等、輸出力也相等。這是由于：設(shè)活塞左行的速度為v2，

4q??2?v(4-15)A2??d(D2?d2)4設(shè)活塞左行的輸出力為F2，

v2?F2?pA2?P?4(D2?d2)?p?4d2?F(4-16)

差動(dòng)連接缸常用于工作行程需要慢進(jìn)快退和快進(jìn)速度相等的場合。三、柱塞缸

圖4.2-4所示柱塞缸。

圖4-5往復(fù)式柱塞缸

它只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，反向運(yùn)動(dòng)要靠外力。一般成對反向布置使用。這種液壓缸中的柱塞和缸筒不接觸，運(yùn)動(dòng)時(shí)由缸蓋上的導(dǎo)向套來導(dǎo)向，因此缸筒的內(nèi)壁不須精加工。它特別適用于在行程

較長的場合。柱塞缸輸出的推力和速度分別為：

F?(p1?p2)?4d2(4-17)

v?4q(4-18)2?d式中：d—柱塞直徑；

p1—進(jìn)油壓力；

p2--另一柱塞的回油壓力。

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四、搖擺缸

圖4-6a所示單葉片式搖擺缸，它的搖擺角度較大，可達(dá)300。

(a)單葉片式(b)雙葉片式

圖4-6搖擺缸

其輸出扭矩和角速度分別為：

0T?b?(p1?p2)rdr?m?R1R2b2(R2?R12)(p1?p2)?m(4-19)2??2?n?式中：b—葉片寬度。

2q?V(4-20)22b(R2?R1)圖4-6b所示雙葉片式搖擺缸，它的擺角較小、可達(dá)150，它的輸出轉(zhuǎn)矩是單葉片式的兩倍，而角速度則是單葉片式的一半。

五、組合式液壓缸1。串聯(lián)液壓缸

圖4－7是由兩個(gè)缸組成的串連液壓缸。兩個(gè)缸分別有自己的進(jìn)油口、出油口，缸筒固定在同一個(gè)活塞桿上。兩個(gè)缸的進(jìn)油口相連，出油口也相連。串連液壓缸的輸出力是兩個(gè)缸輸出力的總和。

圖4-7串聯(lián)液壓缸

2．增壓缸

增壓缸也稱增壓器，其工作原理見圖4-8。

圖4-8不連續(xù)動(dòng)作型增壓缸

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0增壓缸在同一個(gè)活塞桿上的兩個(gè)活塞直徑不同。當(dāng)?shù)蛪河蚿1進(jìn)入缸右端時(shí)，活塞向右運(yùn)動(dòng)，輸出高壓油p2。

根據(jù)活塞桿的力平衡關(guān)系可得：

p1A1?p2A2

式中：p1―--輸入的低壓；p2―--輸出的高壓；A1―--大活塞的面積；

A2―--大活塞的面積。

p2?p1A1?p1.KA2K―--壓力放大倍數(shù)，K=A1/A2。

面積A1和A2的差越大，K值也越大，在p1一致時(shí)輸出的p2值也越大，但輸出的流量也越小。反向通油時(shí)，活塞杠左移是空回行程，無高壓油輸出，次種類型的增壓缸不能連續(xù)輸出高壓油。

若需連續(xù)輸出高壓油時(shí)需對活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)和連接方式改進(jìn)，并加上控制油路后，才能連續(xù)輸出高壓油。

3．增速缸

增速缸的原理圖見圖4－9。

圖4-9增速缸的原理圖

先從a口供油使活塞2以較快的速度右移?；钊?運(yùn)動(dòng)到某一位置后，再從b口供油，活塞2以較快的速度右移，同時(shí)輸出力也相應(yīng)增大。

4．多位液壓缸

多位液壓缸的工作原理見圖4-10。

圖4-10多位液壓缸原理

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此類缸由兩個(gè)單缸組成，有A、B、C、D4個(gè)油口。改變各油口的通斷狀況，即可得到4種缸的伸出位置，見表4－2。油口的通斷可用換向閥控制。

表4－2多位缸的行程

位置AⅠⅡⅢⅣ5．伸縮缸

－－＋＋油口的通斷狀況B＋＋－－C＋－＋－D－＋－＋0L/2L3L/2行程圖4-11示是一種雙作用式伸縮缸。伸縮缸由兩個(gè)或多個(gè)活塞缸套裝而成，前一級(jí)活塞缸的活塞是后一級(jí)活塞缸的缸筒，伸出時(shí)可獲得很長的行程，縮回時(shí)可保持很小的結(jié)構(gòu)尺寸。通入壓力油時(shí)各級(jí)活塞按有效面積大小依次先后動(dòng)作，并在輸入流量不變的狀況下輸出推力逐級(jí)減小，速度逐級(jí)加大，其值為：

Fi?p1?4Di2?mi(4-21)

vi?4q?Vi(4-22)2?Di式中:i－第i級(jí)活塞缸。

圖4-11雙作用式伸縮缸

6．齒輪齒條缸

圖4-12為一齒輪齒條缸。它由兩個(gè)柱塞缸和一套齒輪齒條傳動(dòng)裝置組成，柱塞的移動(dòng)經(jīng)齒輪齒條傳動(dòng)裝置變成齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)工作部件的往復(fù)搖擺或間隙進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

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圖4-12齒輪齒條缸

第三節(jié)液壓缸的典型結(jié)構(gòu)

一、液壓缸典型結(jié)構(gòu)舉例

圖4-13所示是一個(gè)雙作用單桿活塞液壓缸的結(jié)構(gòu)圖。

圖4-13雙作用單桿活塞液壓缸的結(jié)構(gòu)

1-螺釘；2-缸底；3-彈簧卡圈；4-擋環(huán)；5－卡環(huán)（由2個(gè)半圓組成）;6-密封圈；7-擋圈；

8-活塞；9-支承環(huán)；10-活塞與活塞桿之間的密封圈；11-缸筒；12-活塞桿；13-導(dǎo)向套；14-導(dǎo)向套和缸筒之間的密封圈；15—端蓋；16—導(dǎo)向套和活塞桿之間的密封圈；17—擋圈；18—鎖緊螺釘；19—防塵圈；20—鎖緊螺帽；21—耳環(huán)；22—耳環(huán)襯套圈

此缸是工程機(jī)械中的常用缸。它的主要零件是缸底2、活塞8、缸筒11、活塞桿12、導(dǎo)向套13和端蓋15。此缸結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是活塞和活塞桿用卡環(huán)連接，因而拆裝便利；活塞上的支承環(huán)9由聚四氟乙烯等耐磨材料制成，摩擦力也較小；導(dǎo)向套可使活塞桿在軸向運(yùn)動(dòng)中不致歪斜，從而保護(hù)了密封件；缸的兩端均有縫隙式緩沖裝置、可減少活塞在運(yùn)動(dòng)到端部時(shí)的沖擊和噪聲。此類缸的工作壓力為12—15MPa。以下將介紹缸主要零件的幾種常見結(jié)構(gòu)。

二、液壓缸的組成

從上面的圖示結(jié)構(gòu)可以看到，液壓缸的結(jié)構(gòu)組成基本上可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個(gè)部分，分述如下。

1.缸筒和缸蓋

一般地說，缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)形式和其使用的材料有關(guān)。

工作壓力p?100?10Pa時(shí)使用鑄鐵；在p?200?10Pa時(shí)使用無縫鋼管；

55p?200?105Pa時(shí)使用鑄鋼或鍛鋼。

圖4-14所示為常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)形式。

圖a為法蘭連接式，這種連接結(jié)構(gòu)簡單、簡單加工，也簡單裝拆，但外型尺寸和重量都較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。

圖b為半環(huán)連接式，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種型式。它的缸筒壁部因開了

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環(huán)形槽而減弱了強(qiáng)度，為此有時(shí)要加厚缸壁。它簡單加工和裝拆、重量較輕，半環(huán)連接是一種應(yīng)用較普遍的型式，常用于無縫鋼管或鍛鋼制的鋼筒上。

圖c為螺紋連接式，這種連接有外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩種方式，它的缸筒端部結(jié)構(gòu)繁雜，外徑加工時(shí)要求保證內(nèi)外徑同心，裝拆要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都較小、

圖4-14常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)緊湊，常用無縫鋼管或鍛鋼制的鋼筒上。

圖ｄ為拉桿連接式，這種連接結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好、通用性強(qiáng)、易于裝拆，但端蓋的體積和重量較大，拉杠受力后會(huì)拉伸變長，影響密封效果，僅適用于長度不大的中低壓缸。

圖ｅ為焊接式連接，這種連接強(qiáng)度高、制造簡單，但焊接時(shí)簡單引起缸筒變形。2.活塞和活塞桿

活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式好多，常見的有一體式、錐銷式連接外、還有螺紋式連接和半環(huán)式連接等多種型式，見圖4－15所示。

螺紋式連接結(jié)構(gòu)簡單，裝拆便利，但在高壓大負(fù)載下需備有螺帽防松裝置。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)較繁雜，裝拆不便，但工作較可靠。

此外，活塞和活塞桿也有制成整體式結(jié)構(gòu)的，但它只適用于尺寸較小的場合?；钊话阌媚湍ヨT鐵制造，活塞桿則不管是空心的還是實(shí)心，大多用鋼料制造。

(a)螺紋式連接(b)半環(huán)式連接

圖4-15活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)

3.密封裝置

液壓缸中常見的密封裝置如圖4-16所示。

圖4-16密封裝置

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圖a為間隙密封，它依靠運(yùn)動(dòng)件間的微小間隙來防止泄漏。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面上制出幾條細(xì)小的環(huán)形槽，以增大油液通過間隙時(shí)的阻力。它結(jié)構(gòu)簡單，摩擦阻力小，可耐高溫，但泄漏大，加工要求高，磨損后無法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸較小、壓力較低、相對運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。

圖b為摩擦環(huán)密封，它依靠套在活塞上的摩擦環(huán)（尼龍或其他高分子材料制成）在O形圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄露。這種材料效果較好，摩擦阻力較小且穩(wěn)定，可耐高溫，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，但加工要求高，裝拆較不便，適用于缸筒和活塞之間的密封。

圖c、d為密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡膠或塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)協(xié)同面之間來防止泄漏。它結(jié)構(gòu)簡單、制造便利。磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。

對于活塞桿外伸部分來說，由于它很簡單把臟物帶入液壓缸，使油液受污染，使密封件磨損，因此常需要在活塞桿密封處增加防塵圈，并放在向著活塞桿外伸的一段。

4.緩沖裝置

液壓缸中緩沖裝置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)在活塞和缸蓋之間封住一部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，產(chǎn)生很大的阻力、使工作部件受到制動(dòng)、逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。

液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式和節(jié)流口變化式兩種，它們的主要性能和特點(diǎn)見表4-3。

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表4-3液壓缸中常用的緩沖裝置

名稱和工作原理圖

題4-1試推導(dǎo)表4-1中緩沖裝置的各個(gè)特性式。解

1）節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置

這種裝置中節(jié)流面積Ar為常值。緩沖開始后，活塞產(chǎn)生減速度，考慮到v?dxdt，則其運(yùn)動(dòng)方程和節(jié)流口流量連續(xù)方程分別為

特點(diǎn)說明1、被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)針形節(jié)流閥流出2、節(jié)流閥開口可根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)理3、起始緩沖效果大，隨著活塞的行進(jìn)，緩沖效果逐漸減弱，故制動(dòng)行程長。4、緩沖腔中的沖擊壓力大5、緩沖性能受油溫影響6、適用范圍廣1、被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)活塞上的軸向節(jié)流閥流出2、緩沖過程中節(jié)流口通流截面不斷減小，當(dāng)軸向的橫截面為矩形，縱截面為拋物線時(shí)，緩沖腔可保持恒壓3、緩沖作用均勻，緩沖腔壓力較小，制動(dòng)位置精度高v2d()dv2(1)pcAc??m??mdtdtqc?Acv?CdAT2?p??CdAT2pc?(2)

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式中：pc—緩沖腔壓力；Ac—緩沖腔工作面積；m—活塞等移動(dòng)件質(zhì)量；v—移動(dòng)件速度；

Ar—節(jié)流口通流截面積，Cd—節(jié)流口流量系數(shù)；?—油液密度；x—移動(dòng)件位移。

式(1)代入式(2)，經(jīng)整理、積分、化簡，并使用x?0時(shí)v?v0（v0為緩沖開始時(shí)的速度）的條件，得v?v0exp[?Ac?Ac2()x](3)2mCdAT式（3）代入式(1)，并使用x?0時(shí)a?a0,pc?p0的條件（a0為緩沖開始時(shí)的加速度，，得pc?p0exp[?p0為緩沖起始時(shí)的緩沖壓力）

2）節(jié)流口變化式緩沖裝置

Acp0x](4)2mv

這種裝置中Ar為變量。由于要求pc（因而亦有減速度a）在整個(gè)緩沖裝置過程保持常值，

2由于v2?v0?2a0x，則v?v01?2a0

(5)x2v0(1?2a0)?2v02pc將上式代入式（ⅱ），整理后得AT?Acv0Cd

(6)

這說明節(jié)流槽縱截面必需呈拋物線形。

5.排氣裝置

液壓缸中的排氣裝置尋常有兩種形式：一種是在缸蓋的最高部位處開排氣孔，用長管道接向遠(yuǎn)處排氣閥排氣（圖4-17a）；另一種是在缸蓋最高部位安裝排氣塞（圖4-17b）。兩種排氣裝置都是在液壓缸排氣時(shí)開啟（讓它全行程往復(fù)移動(dòng)數(shù)次），排氣完畢關(guān)閉。

（a）(b)

圖4-17排氣裝置

排氣裝置在液壓缸中是十分必要的，這是由于油液中混入的空氣或液壓缸長期不使用外界侵入的空氣都積聚在缸內(nèi)最高部位處，影響液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性——低速時(shí)引起爬行，啟動(dòng)時(shí)造成沖擊，換向時(shí)降低精度等等。

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第四節(jié)液壓缸的計(jì)算

液壓缸的設(shè)計(jì)是在對整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了工況分析、編制了負(fù)載圖，選定了工作壓力之后進(jìn)行的：先根據(jù)使用要求選擇結(jié)構(gòu)類型，然后按負(fù)載狀況、運(yùn)動(dòng)要求、最大行程等確定其主要工作尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖演算，最終再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

1)盡量使活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下具有良好的縱向穩(wěn)定性。2)考慮液壓缸行程終了處的制動(dòng)問題和液壓缸的排氣問題。缸內(nèi)如無緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需要有相應(yīng)的措施。但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。

3)正確確定液壓缸的安裝、固定方式。液壓缸只能一端定位。

4)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)需根據(jù)推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，加工、裝配和維修便利。

二、液壓缸主要尺寸的確定

1.缸筒內(nèi)徑D液壓缸的缸筒內(nèi)徑D是根據(jù)負(fù)載大小和選定的工作壓力，或運(yùn)動(dòng)速度和輸入的流量，依式（4-1）～（4-22）有關(guān)算式計(jì)算之后，再從GB2348-80（見表4-4)標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的標(biāo)準(zhǔn)值而得出的。

表4－4缸筒內(nèi)徑D系列（GB2348－80）mm

880

2.活塞桿直徑d液壓缸活塞桿直徑d按工作時(shí)的受力狀況來決定，如表4-5所示。計(jì)算出的活塞桿直徑d按表4－6圓整。

表4-5液壓缸活塞桿直徑推薦值

活塞桿受力狀況活塞桿直徑

14

101001212516160202002525032320404005063受拉伸P1≦5受壓縮，工作壓力P1(MPa)5≦P17（0.3-0.5）D（0.5-0.55）D（0.6-0.7）D0.7D表4－6活塞桿直徑d系列（GB2348－80）mm

422702205258025062890280832100320103611036012401251445140165016018561802063200單活塞缸中的d值也可由D和?v來決定。為了不使往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度相差太大一般推薦

?v?1.6。

3.設(shè)計(jì)壓力p

液壓件的額定壓力是在指定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下液壓件能長期正常工作的壓力，又稱為公稱壓力。液壓件的工作壓力是指在系統(tǒng)中所承受的壓力，若負(fù)載變化工作壓力的大小也隨之變化。在使用中，不希望工作壓力高于額定壓力。但在特別狀況下，也允許在極短的時(shí)間內(nèi)工作壓力超過額定壓力。

元件的試驗(yàn)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定壓力；缸的設(shè)計(jì)壓力的數(shù)值等于額定壓力。若系統(tǒng)的額定壓力已確定，則取系統(tǒng)壓力為設(shè)計(jì)壓力。

若系統(tǒng)的額定壓力尚未確定，可參照或類比一致的主機(jī)選定缸的設(shè)計(jì)壓力，見表4-7。

表4-7各類主機(jī)常用系統(tǒng)壓力

主機(jī)類型系統(tǒng)壓力(MPa)精工加機(jī)床半精工加機(jī)床粗加工或重型機(jī)械農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械、工程機(jī)械的輔助機(jī)構(gòu)液壓機(jī)、重型機(jī)械、超重機(jī)、大中型工程機(jī)械0.8~23-55-1010-1620-324缸筒長度l液壓缸的缸筒長度l由最大工作行程決定，缸筒的長度一般最好不超過其內(nèi)徑的20倍。

三、強(qiáng)度校核

液壓缸的缸筒壁厚?、活塞桿直徑d和缸蓋處固定螺栓的直徑，在高壓系統(tǒng)中必需進(jìn)行強(qiáng)度校核。其它零件如活塞、導(dǎo)向套、端蓋、放氣閥、管接頭、密封件不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，可參閱

15

有關(guān)設(shè)計(jì)手冊直接選用。

1.缸筒壁厚缸筒壁厚校核時(shí)分薄壁和厚壁兩種狀況。當(dāng)D??10時(shí)為薄壁，壁厚按下式進(jìn)行校核：??pyD2[?](4-23)

式中:D為缸筒直徑；py為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力pn≤16MPa時(shí)取py?1.5pn；而當(dāng)pn≥16MPa時(shí)取py?1.25pn；[?]為缸筒材料的許用壓力，[?]??bn,?b為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n?5。

當(dāng)D??10時(shí)，壁厚按下式進(jìn)行校核：??D[?]?0.4py(?1)(4-24)2[?]?1.3py2.活塞桿直徑d活塞桿的直徑d按下式進(jìn)行校核：

d?4F?[?]

(4-25)

式中：F——活塞桿上的作用力；

[?]——活塞桿材料的許用應(yīng)力，[?]??b/1.4。

3.固定螺栓直徑ds液壓缸固定螺栓直徑按下式計(jì)算：ds?式中：F——為液壓缸負(fù)載；

5.2kF(4-26)

?Z[?]Z——固定螺栓個(gè)數(shù)；

k——螺紋擰緊系數(shù)，k?1.12~1.5；[?]??s(1.2~2.5)；

?s——材料屈服極限。

四、穩(wěn)定性校核

活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力F不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載Fk，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。Fk的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。

活塞桿穩(wěn)定性的校核依下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行：F?式中：nk為安全系數(shù)，一般取nk?2~4。當(dāng)活塞桿的修長比lrk??1

Fknk

(4-27)

?2時(shí),Fk??2?2EJl16

2

(4-28)

當(dāng)活塞桿的修長比lrk??1?2時(shí)，且?1?2?20~120，則

fA(4-29)

al21?()?2rkFk?式中：l——安裝長度，其值與安裝方式有關(guān)，見表4-6；

rk——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑，rk?JA；

?1——柔性系數(shù)，其值見表4-7；

?2——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，其值見表4-5；

E——活塞桿材料的彈性模量，對鋼取E?2.06?1011Nm2；

J——活塞桿橫截面慣性矩；A為活塞桿橫截面積；

f——由材料強(qiáng)度決定的試驗(yàn)值、a為系數(shù)，具體數(shù)值均見表4-7。

表4-8液壓缸支承方式和末端系數(shù)ψ2的值支承方式(有圖)五、緩沖計(jì)算

液壓缸的緩沖計(jì)算主要是估計(jì)緩沖時(shí)缸內(nèi)出現(xiàn)的最大緩沖壓力，以便用來校核缸筒強(qiáng)度、

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支承說明一端自由一端固定末端系數(shù)ψ21/4兩端餃結(jié)1一端餃結(jié)一端固定2兩端固定4表4-9f、α、ψ1的值

材料鑄鐵f×108N/m25.6αψ180116001900017500鍛鋼2.5110軟鋼3.490硬鋼4.91500085

制動(dòng)距離是否符合要求。緩沖計(jì)算中如發(fā)現(xiàn)工作腔中的液壓能和工作部件的動(dòng)能不能全部被緩沖腔所吸收時(shí)，制動(dòng)中就可能產(chǎn)生活塞和缸蓋相碰現(xiàn)象。

液壓缸在緩沖時(shí)，背壓腔內(nèi)產(chǎn)生的液壓能E1和工作部件產(chǎn)生的機(jī)械能E2分別為（見表4-3附圖）

E1?pcAclc(4-30)

12E2?pPAPlc?mv0?Fflc(4-31)

2

高壓腔中工作部件摩擦能的液壓能的動(dòng)能

式中:pc——緩沖腔中的平均緩沖壓力；

pP——高壓腔中的油液壓力；

Ac、AP——緩沖腔、高壓腔的有效工作面積；lc——緩沖行程長度；

m——工作部件質(zhì)量；v0——工作部件運(yùn)動(dòng)速度；

Ff——摩擦力。

當(dāng)E1?E2時(shí)，工作部件的機(jī)械能全部被緩沖腔液體所吸收，由上兩式得

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pc?E2Aclc

(4-32)

如緩沖裝置為節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置，在緩沖過程中的緩沖壓力逐漸低，假定緩沖壓力線性地降低，則最大緩沖壓力即沖擊壓力等于

pcmax2mv0?pc?2Aclc

(4-33)

如緩沖裝置為節(jié)流口變化式緩沖裝置，則由于緩沖壓力pc始終不變，最大緩沖壓力的值即如式（4-33）所示。

思考題與習(xí)題

4-1圖示三種結(jié)構(gòu)形式的液壓缸，直徑分別為D、d，如進(jìn)入缸的流量為q，壓力為p，分析各

缸產(chǎn)生的推力、速度大小以及運(yùn)動(dòng)的方向。

題4-1圖

4-2圖示兩個(gè)結(jié)構(gòu)一致相互串聯(lián)的液壓缸，無桿腔的面積A1=100cm，有桿腔面積A2=80cm，缸1

輸入壓力P1=9×10Pa，輸入流量q1=12L/min，不計(jì)損失和泄漏，求：1)兩缸承受一致負(fù)載時(shí)（F1=F2），該負(fù)載的數(shù)值及兩缸的運(yùn)動(dòng)速度；2)缸2的輸入壓力是缸1的一半時(shí)（p2=p1/2），兩缸各能承受多少負(fù)載？3)缸1不受負(fù)載時(shí)(F1=0)，缸2能承受多少負(fù)載？

題4-2圖

19

5

2

2

4-3圖示兩液壓缸，缸內(nèi)徑D，活塞桿直徑d均一致，若輸入缸中的流量都是q，壓力為p，出

口處的油直接通油箱，且不計(jì)一切摩擦損失，比較它們的推力、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。

題4-3圖

4-4圖示一與工作臺(tái)相連的柱塞缸，工作臺(tái)重980Kg，如缸筒柱塞間摩擦阻力為Ff=1960N，D=100mm，

d=70mm，d0=30mm，求工作臺(tái)在0.2s時(shí)間內(nèi)從靜止加速到最大穩(wěn)定速度v=7m/min時(shí)，泵的供油壓力和流量各為多少？

題4-4圖

4-5圖示兩個(gè)單柱塞缸，缸內(nèi)徑D，柱塞直徑d，其中一個(gè)柱塞缸固定，柱塞戰(zhàn)輸贏載而移動(dòng)，

另一個(gè)柱塞固定，缸筒戰(zhàn)輸贏載而運(yùn)動(dòng)。假使在這兩個(gè)柱塞缸中輸入同樣流量和壓力的油液，它們產(chǎn)生的速度和推力是否相等？為什么？

題4-5圖

4-6圖示液壓缸，節(jié)流閥裝在進(jìn)油路上，設(shè)缸內(nèi)徑D=125mm，活塞桿直徑d=90mm、節(jié)流閥流量調(diào)

節(jié)范圍為0.05~10L/min，進(jìn)油壓力p1=40×10Pa，回油壓力p2=10×10Pa，求活塞最大，最小運(yùn)動(dòng)速度和推力。

5

5

題4-6圖

20

4-7缸徑D=63mm，活塞桿徑d=28mm，采用節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置，環(huán)形緩沖腔小徑dc=35mm，求

緩沖行程lc=25mm，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m=2000Kg，運(yùn)動(dòng)速度v0=0.3m/s，摩擦力Ff=950N工作腔壓力Pp=70×10Pa時(shí)的最大緩沖壓力。如缸筒強(qiáng)度不夠時(shí)該怎么辦？

5

4-8設(shè)計(jì)一差動(dòng)連接的液壓缸，泵的流量為q=25L/min，壓力為63×105Pa，工作臺(tái)快進(jìn)、快退速

度為5m/min，試計(jì)算液