液壓缸的設計計算簡介

    液壓缸的設計是在對整個液壓系統進行了工況分析、編制了負載圖，選定了工作壓力之后，先根據使用要求選擇結構類型，然后按負載情況、運動要求，最大行程等確定其主要工作尺寸，進行強度、穩定性和緩沖驗算，最后再進行結構設計。

    1．液壓缸設計中應注意的問題及設計步驟

    (l)液壓缸設計中應注意的問題不同的液壓缸有不同的設計內容和要求，一般在設計液壓缸的結構時應注意以下幾個問題。

    ①盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態下承受最大負載，或在受壓狀態下具有良好的縱向穩定性。

    ②考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。缸內如無緩沖裝置和排氣裝置，系統中需有相應的措施，但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。

    ③根據主機的工作要求和結構設計要求，正確確定液壓缸的安裝、固定方式。但液壓缸只能一端定位。

    ④長行程液壓缸活塞桿伸出時，應盡量避免下垂。

    ⑤要有可靠的密封，防止泄漏。

    ⑥液壓缸各部分的結構需根據推薦的結構形式和設計標準進行設計，盡可能做到結構簡單、緊湊、加工、裝配和維修方便。

    (2)液壓缸的設計步驟液壓缸的設計步驟沒有硬性規定，應根據已確定的各種條件，靈活地選擇設計程序，一般可參考以下步驟進行。

    ①掌握原始資料和設計依據，通常包括如下一些內容：主機的用途和工作條件；工作機構的結構特點、負載狀況、行程大小和動作要求；液壓系統所選定的工作壓力和流量；材料、配件和加工工藝的現實狀況；有關的國家標準和技術規范等。

    ②根據主機的動作要求和結構要求，選擇缸的類型和結構形式。

    ③根據機構工作力的要求，確定缸的輸出力。

    ④根據系統工作壓力和往返速比，確定缸的主要尺寸，如缸徑、活塞桿直徑，并按標準尺寸系列選擇適當的尺寸。

    ⑤根據機構運動的行程和速度要求，確定缸的長度和流量，并由此確定缸的通油口尺寸。

    ⑥根據工作壓力及材料，進行缸的結構設計，確定缸的壁厚尺寸，活塞桿尺寸、螺釘尺寸及端蓋結構。

    ⑦選擇適當的密封結構。

    ⑧必要時設計緩沖、排氣和防塵等裝置。繪制液壓缸裝配圖和零件圖。

    ⑨整理設計計算書，審定圖樣及其他技術文件。

    2．液壓缸主要尺寸的確定

    液壓缸的主要幾何尺寸，包括液壓缸內徑D，缸的長度L，活塞桿的直徑d和長度l等。確定上述尺寸的原始依據是液壓缸的負載F、運動速度v和行程長度s等。

    (1)液壓缸內徑D和活塞桿直徑d的確定

    ①液壓缸內徑D液壓缸內徑D的計算通常有兩種方法。一種是根據液壓缸需要產生的推力F和系統選定的工作壓力p來計算。對單桿缸而言，無桿腔進油時，由式 (4-12)得

                          D=                (4-23)

    有桿腔進油時，由式(4-14)得

                          D=                (4-24)

液壓缸設計中，常初步選取回油壓力p₂=0，這時，上面兩式可簡化，即

    無桿腔進油時

                                D=                     (4-25)

有桿腔進油時

                         D=                   (4-26)

另一種方法是根據執行機構的速度要求和選定的液壓泵流量來確定，同樣對單桿缸而言，無桿腔進油時，由式(4-11)得

                             D=                     (4-27)

有桿腔進油時，由式(4-13)得

                          D=                  (4-28)

計算所得的液壓缸內徑D（即活塞直徑）應圓整為標準系列值（可查液壓設計手冊）。

②活塞桿直徑d活塞桿直徑d可根據工作壓力或設備類型選取，見表1和表2。當液壓缸的往復速度比A，有一定要求時，由式(4-15)得

                             d=                     (4-29)

推薦液壓缸的往復速度比如表3所示。

 

表1  液壓缸工作壓力與活塞桿直徑

 

表2  設備類型與活塞桿直徑

 

表3  液壓缸往復速度比推薦值

 

計算所得的活塞桿直徑d亦應圓整為標準系列值（可查液壓設計手冊）。

(2)液壓缸長度L的確定液壓缸的長度L根據所需最大工作行程長度而定，一般長度L不大于直徑D的20～30倍。

(3)液壓缸壁厚艿的確定在一般中、低壓系統中，液壓缸的壁厚不用計算的方法確定，而是由結構和工藝上的需要來確定，在高壓系統中必須進行強度校核。

液壓缸缸筒壁厚校核時分薄壁和厚壁兩種情況。當D/δ≥10時為薄壁，壁厚按式(4-30)進行校核

                         δ≥P_yD/2[σ]                       (4-30)

式中，D為缸筒內徑；p_y為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力p_n≤16MPa時取p_y=1.5p_n，當p_n>16MPa時取p_y=1.25p_n；[σ]為缸筒材料的許用應力，[σ]=σ_b/n，σ_b為材料抗拉強度，n為安全系數，一般取n=5。

當D/δ＜10時，壁厚按式(4-31)進行校核

                    δ≥                 （4-31）

在進行校核時，若液壓缸缸筒與缸蓋采用半環連接，艿應取缸筒壁厚最小處的值。

(4)液壓缸其他尺寸的確定活塞的寬度B，根據缸的工作壓力和密封方式確定，一般取B=(0.6～1.O)D；導向套滑動面的長度A，當D＜80mm時取A=(0.6～1.0)D，當D＞80mm時取A=(0.6～1.O)d。活塞桿的長度l可根據液壓缸的長度L、活塞的寬度B、導向套和端蓋的有關尺寸及活塞桿的連接方式確定。對長徑比l/d≥10的受壓活塞桿，應按材料力學中的有關公式進行穩定性校核計算。液壓缸的端蓋尺寸、緊固螺釘的個數和尺寸等一般由結構決定。對工作壓力高的液壓缸，應校核螺栓的強度。