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液压缸设计计算

精品资料
第一部分 总体计算
1、 压力
油液作用在单位面积上的压强
Pa
式中：
F——作用在活塞上的载荷，N
A——活塞的有效工作面积，
从上式可知，压力值的建立是载荷的存在而产生的。在同一个活塞的有效工作面积上，载荷越大，克服载荷所需要的压力就越大。换句话说，如果活塞的有效工作面积一定，油液压力越大，活塞产生的作用力就越大。
额定压力（公称压力） PN,是指液压缸能用以长期工作的压力。
最高允许压力 ，也是动态实验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。通常规定为： MPa。
耐压实验压力，是检验液压缸质量时需承受的实验压力，即在此压力下不出现变形、裂缝或破裂。通常规定为： MPa。
液压缸压力等级见表1。
表1 液压缸压力等级 单位MPa
压力范围
0～2.5
＞2.5～8
＞8～16
＞16～32
＞32
级 别
低 压
中 压
中高压
高压
超高压

2、 流量
单位时间内油液通过缸筒有效截面的体积：
　　　　　　　　L/min
由于 L 则　　 L/min
　对于单活塞杆液压缸：
当活塞杆伸出时　　　
　当活塞杆缩回时　　
式中：
V——液压缸活塞一次行程中所消耗的油液体积，L；
t——液压缸活塞一次行程所需的时间，min；
D——液压缸缸径，m；
d——活塞杆直径，m；
——活塞运动速度，m/min。
3、速比
液压缸活塞往复运动时的速度之比：

式中：
——活塞杆的伸出速度，m/min；
——活塞杆的缩回速度，m/min；
D——液压缸缸径，m；
d——活塞杆直径，m。
计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和是否设置缓冲装置。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。
4、液压缸的理论推力和拉力
活塞杆伸出时的理推力：　　　N
　　活塞杆缩回时的理论拉力：　 N
式中：
——活塞无杆腔有效面积，；
——活塞有杆腔有效面积，；
P——工作压力，MPa；
D——液压缸缸径，m；
d——活塞杆直径，m。
5、液压缸的最大允许行程
活塞行程S，在初步确定时，主要是按实际工作需要的长度来考虑的，但这一工作行程并不一定是油缸的稳定性所允许的行程。为了计算行程，应首先计算出活塞的最大允许计算长度。因为活塞杆一般为细长杆，由欧拉公式推导出：
　　　　　　　　　　 mm
式中：
——活塞杆弯曲失临界压缩力，N；
E——材料的弹性模量。钢材的E=2.1X10MPa；
I——活塞杆横截面惯性矩，mm；圆截面　。
将上式简化后　　　 mm　
由于旋挖钻机液压缸基本上是一端耳环、一端缸底安装，所以油缸的最大计算长度（安全系数取3）

式中：
P——油缸的工作压力；
油缸安装形式如图1。

图1 液压缸安装形式
　　　 L=
行程
6、液压缸主要参数
A.液压缸产品启动压力
起动时，记录下的油缸起动压力为最低起动压力.判断基准起动：压力<0.6MPa。
B.内泄漏
输入额定压力1.3~1.5倍的压力,保压5分钟,测定经活塞泄至未加压腔的泄漏量。
C.外泄漏
全程往复运行多次,观察焊接各处及活塞杆密封处及各结合面处的漏油、挂油、带油。
D. 耐压
输入额定压力1.3~1.5倍的压力,保压5分钟. 所有零件均无松动、异常磨损、破坏或永久变形异常现金蝉脱壳的外渗漏现象。
E.缓冲
调整溢流阀使其试验压力为公称压力的50%，使液压缸作全行程动作，同时，观看缓冲效果和缓冲长度。

第二部分 缸筒计算
1、 缸筒结构
缸筒结构见表2。
表2 缸筒结构
缸头法兰连接
缸头内螺纹连接

优点：结构简单，易加工，易拆装。
优点：重量轻，外径较小
缺点：重量比螺纹连接的大
缺点：装卸时要用专用的工具，拧端部时，有可能把O形圈拧扭曲。
缸筒跟缸底采用焊接连接
2、缸筒材料
缸筒材料要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接缸筒还要求有良好的焊接性能，缸筒主要材料有，45、27SiMn。缸筒毛坯采用退火的冷拔或热扎无缝钢管。缸筒材料无缝钢管的机械性能见表3。
　　　　　　　　　 表3 缸筒材料无缝钢管的机械性能
材料

45
610
360
14
27SiMn
1000
850
12
3、缸筒计算
缸筒要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久变形；有足够的刚度，能承受侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲；内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少。
A、 缸筒内径
当油缸的作用力F(推力、拉力)及工作压力p压力为已知时，
则无杆腔的缸筒内径D为
　　　　　　　 m
　 有杆腔的缸筒内径D为
　　　　　　　　　　 m
　 最后将以上各式所求得的D值，选择其中最大者，圆整到标准值。
B、 缸筒壁厚
　　在不考虑缸筒外径公差余量和腐蚀余量的情况下，缸筒壁厚可按下式计算
　m
式中：
——缸筒内最高工作压力，MPa；
——缸筒材料的许用应力，MPa；
　 最后将以上式所求得的值，圆整到标准值。
　 对最终采用的缸筒壁厚应作三方面的验算
额定工作压力应低于一定的极限值，以保证工作安全：
　MPa
式中：
——缸筒外径；
额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生：

式中：
——缸筒完全发生塑性变形的压力，MPa；
最后还需对缸筒径向变形量进行验算，如果径向变形量超过密封件允许范围，液压缸就会发生内泄。
m
式中：
——缸筒材料泊松比，=0.3；
C、缸筒螺纹
缸筒与缸头部分采用螺纹，压桩机液压缸一般采用内螺纹连接，螺纹处的强度计算：
螺纹处的拉应力
MPa
螺纹处的剪应力
MPa
合成应力

式中：
F——缸筒端部承受的最大推力，N；
D——缸筒外径，m；
——螺纹大径，m；
K——螺纹连接的拧紧系数，不变载荷取1.25～1.5，变载荷取2.5～4；
——螺纹连接的摩擦因数，一般0.07～0.2，平均取0.12；
——材料的抗拉强度，MPa；
——安全系数，取3～5。
D、　缸筒技术要求
缸筒技术要求如下：
a) 缸筒内孔一般采用H8级公差，表面粗糙度一般在左右；
　 b) 缸筒内径的锥度、圆柱度不大于内径公差的三分之一；
　 c) 缸筒直线度公差在1000mm长度上不大于0.1mm；
　 d) 缸筒端面对内径的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。
　　为便于装配和不损坏密封件，缸筒内孔口应倒20°角，宽度根据内径大小来选取。通往油口的内孔口必须倒角或开避让槽，过度处需抛光，以免划伤密封件。缸筒上有焊接件时，都必须在半精加工前进行，以免精加工后焊接引起内孔变形。
总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸头、缸底、油口等零件构成密封容腔，用以容纳压力油液，同时它还是活塞的运动“轨道”。设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力，运动速度和有效行程，同时还必须有一定的强度，能足够以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级、表面粗糙度和形位公差，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。

第三部分 活塞杆计算
1、 活塞杆结构
活塞杆一般采用实心杆，跟杆头耳环采用焊接或螺纹连接的形式。
2、 活塞杆材料
一般用中碳钢，调质处理。在旋挖钻机液压缸中大多数采用45钢,在受力特别大的情况也可采用高强度合金钢。活塞杆材料的机械性能见表4。
表4 活塞杆材料的机械性能
材料

热处理
45
600
340
13
调质
40Cr
900
700
9
调质
42CrMo
1000
900
12
调质

3、 活塞杆的计算
A、慨述
活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和震动冲击等多种力，必须有足够的强度和刚度。
B、活塞杆杆径计算
旋挖钻机液压缸一般都是差动缸，其活塞杆直径d可根据往复运动速比来确定：
　　　　 　　m
式中：
D——液压缸缸径，m；
——液压缸活塞往复运动时的速度之比；
　计算出活塞杆直径后，应将尺寸圆整到标准值并校核其稳定性。
C、活塞杆的强度计算
压桩机液压缸工作时，活塞杆承受的弯曲力矩很大，则按下式计算活塞杆的应力。

式中：
F——活塞杆的作用力，N；
A——活塞杆横断面积，；
M——活塞杆承受的弯曲力矩，；
W——活塞杆断面模数，。
活塞杆与活塞一般都靠螺纹连接，所以都设有螺纹、退刀槽等结构。这些部位往往是活塞上的危险截面，也要进行计算。当活塞各参数确定好后，可以对活塞杆进行三维建模，利用有限元分析软件对活塞杆进行应力分析。
D、 活塞杆技术要求
活塞杆技术要求如下：
a) 活塞杆在导向套中滑动，一般采用H8/f7配合。太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损；
b) 其圆度和圆柱度不大于直径公差的三分之一，.外圆直线度公差在1000mm长度上不大于0.02mm；
c) 安装活塞的轴劲与外圆的同轴度公差不大于0.02mm,轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保证活塞安装后不产生歪斜；
d) 活塞杆外圆粗糙度一般在左右，太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑；
e) 活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层后（0.04～0.05）mm, 镀铬前活塞杆表面需要高频淬火处理；
f) 活塞杆端的螺纹和缓冲柱塞也要保证与轴线的同轴度。
便于装配和不损坏密封件，活塞杆安装缸头的一端倒20°角，宽度根据内径大小来选取，过度处需抛光，以免划伤密封件。台阶尖角处需到圆。

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