液壓缸設(shè)計(jì)校核

一、液壓缸的分類 液壓缸按其結(jié)構(gòu)形式，可以分為活塞缸、柱塞缸和擺動(dòng)缸三類?；钊缀椭讓?shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，擺動(dòng)缸則能實(shí)現(xiàn)小于360度的往復(fù)擺動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。液壓缸除單個(gè)使用外，還可以幾個(gè)組合起來(lái)或和其它機(jī)構(gòu)組合起來(lái)，以完成特殊的功用。 （一）活塞式液壓缸 活塞式液壓缸分為雙桿式和單桿式兩種。 1、雙桿式活塞缸 雙桿式活塞缸的活塞兩端都有一根直徑相等的活塞桿伸出，它根據(jù)安裝方式不同又可以分為缸筒固定式和活塞桿固定式兩種。如圖3-4a所示的為缸筒固定式的雙桿活塞缸。它的進(jìn)、出油口布置在缸筒兩端，活塞通過(guò)活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)，當(dāng)活塞的有效行程為時(shí)，整個(gè)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為，所以機(jī)床占地面積大，一般適用于小型機(jī)床。當(dāng)工作臺(tái)行程要求較長(zhǎng)時(shí)，可采用圖3-4b所示的活塞桿固定的形式，這時(shí)，缸體與工作臺(tái)相敬如賓連，活塞桿通過(guò)支架固定的機(jī)床上，動(dòng)力由缸體付出。這種安裝形式中，工作臺(tái)的移動(dòng)范圍只等于液壓缸有效行程的兩倍（），因此占地面積小。進(jìn)出口可以設(shè)置在固定不動(dòng)的空心的活塞桿的兩端，使油液從活塞桿中進(jìn)出，也可設(shè)置在缸體的兩端，但必須使用軟管連接。 如圖3-4雙桿式活塞缸 由于又桿活塞缸兩端的活塞桿直徑通常是相等的，因此它左、右兩腔的有效面積也相等。當(dāng)分別向左、右腔輸入相同壓力和相同流量的油液時(shí)，液壓缸左、右兩個(gè)方向的推力和速度相等，當(dāng)活塞的直徑為，活塞桿的直徑為 ，液壓缸進(jìn)、出油腔的壓力為和，輸入流量為 時(shí)，雙桿活塞缸的推力 和速度 為 （ 3-7 ） （ 3-8 ） 式中 為活塞的有效工作面積。 對(duì)桿活塞缸在工作時(shí)，設(shè)計(jì)成一個(gè)活塞桿是受拉的，而另一個(gè)活塞桿不受力，因此這種液壓缸的活塞桿可以做得細(xì)些。 2.單桿式活塞缸 如圖35所示，活塞只有一端活塞桿，單桿液壓缸也有固定和活塞桿固定兩種形式，但它們的工作臺(tái)移動(dòng)范圍都是活塞有效行程的兩倍。 單桿活塞缸由于活塞兩端有效面積不等。如果相同流量的壓力油分別進(jìn)入液壓缸的左、右腔，活塞移動(dòng)的速度與進(jìn)油腔的有效面積成反比，即油液進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)有效面積大，速度慢，進(jìn)入有桿腔時(shí)有效面積小，速度快；而活塞上產(chǎn)生的推力則進(jìn)油腔的有效面積成正比。 圖35 單桿活塞缸 如圖3-5a ，當(dāng)輸入液壓缸的油液流量為q ，液壓缸進(jìn)出油口壓力分別為和時(shí)，其活塞上所產(chǎn)生的推力和速度為 （39） （3-10） 當(dāng)油液從如圖3-5b所示的右腔（有桿腔）輸入時(shí)，其活塞上所產(chǎn)生的推力和速度為 （3-11） （3-12） 由式（3-9）式（3-12）可知，由于 ，所以 ， 。若把兩個(gè)方向上的輸出速度和的比值稱為速度比，記作 ，則 。因此，活塞桿直徑越小，越接近于1，活塞兩個(gè)方向的速度差值也就越小，如果活塞桿較粗，活塞兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的速度差值就較大。在已知 和 的情況下，也就可以較方便地確定。 如果向單桿活塞缸的左右兩腔同時(shí)通壓力油，如圖3-6所示，即所謂的差動(dòng)連接，作差動(dòng)連接的單出桿液壓缸稱為差動(dòng)液壓缸，開始工作時(shí)差動(dòng)缸左右兩腔的油液壓壓力相同，但是由于左右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使右腔中排出的油液（流量為）也進(jìn)入左腔，加大了注入左腔的流量（） , 從而也加快了活塞移動(dòng)的速度。實(shí)際上活塞在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于差動(dòng)缸兩腔間的管路中有壓力損失，所以右腔中油液的壓力稍大于左腔油液壓力。而這個(gè)差值一般都較小可以忽略不計(jì)，則差動(dòng)貢獻(xiàn)力量活塞推力和運(yùn)動(dòng)速度為 （3-13） 即 （3-14） 由式（3-13）、式（3-14）可知，差動(dòng)連接時(shí)液壓缸的推力比非差動(dòng)連接時(shí)小，速度比非差動(dòng)連接時(shí)大，正好利用這一點(diǎn)，可使在不加大油源流量的情況下得到較快的運(yùn)動(dòng)速度，這種連接方式被廣泛應(yīng)用于組合機(jī)床的液壓動(dòng)力滑臺(tái)和工春它機(jī)械設(shè)備的快速運(yùn)動(dòng)中。 如果要求快速運(yùn)動(dòng)和快速既定回速度相等，即使 ， 則由式（3-12）、式（3-14）可得。（二）柱塞缸 柱塞缸是一種單作用液壓缸 , 其工作原理如圖3 -7a所示 ：圖3 -7 柱塞缸 柱塞與工作部件連接,缸筒固定在機(jī)體上,當(dāng)壓力油進(jìn)入缸筒時(shí) , 推動(dòng)柱塞帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件向右運(yùn)動(dòng),但反向退回時(shí)必須靠其它外力或自重驅(qū)動(dòng)。柱塞缸通常成對(duì)反向布置使用 , 如圖3-7b所示。當(dāng)柱塞的直徑為，輸入液壓油的流量為 ，壓力為時(shí)，其柱塞上所產(chǎn)生的推力和速度為 （3-15） （3-16） 柱塞式液壓缸的主要特點(diǎn)柱塞與缸筒無(wú)配合要求，缸筒內(nèi)孔不需精加工工業(yè)，甚至可以不加工。運(yùn)動(dòng)時(shí)由缸蓋上的導(dǎo)向套來(lái)導(dǎo)向，所以它特別適用在行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。 （三）擺動(dòng)缸 擺動(dòng)式液壓缸也稱擺動(dòng)液壓馬達(dá)。當(dāng)它通入壓力油時(shí)，它的主軸能輸出小于 的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，常用于工夾緊裝置、送料裝置、轉(zhuǎn)位裝置以及需要周期性進(jìn)給的系統(tǒng)中。 圖3-8a 所示為單葉片式擺動(dòng)缸，它的擺動(dòng)角度較大，可達(dá)。當(dāng)擺動(dòng)缸進(jìn)出油口壓力為和，輸入流量為時(shí)，它的輸出轉(zhuǎn)矩 和角度 各為 （3-17） （3-18） 式中 為葉片的寬度，、為葉片底部、頂部的回轉(zhuǎn)半徑。 圖3-18b示為雙葉片式擺動(dòng)缸，它的擺動(dòng)角度較小，可達(dá)，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（四）其它液壓缸 1.增壓缸 增壓液壓缸又稱增壓器。在某些短時(shí)或局部需要高壓液體的液壓系統(tǒng)中，常用增壓缸與低壓流量泵配合作用，單作用增壓缸的工作原理如圖3-8a所法，它有單作用和雙作用兩種型式，當(dāng)?shù)蛪簽榈挠鸵和苿?dòng)增壓缸的大活塞時(shí)，大活塞推動(dòng)與其連成一體的小活塞輸出壓力為的高壓液體，當(dāng)大活塞直徑為，小活塞直徑為時(shí) （3-19） 式中 ，稱為增壓比，它代表其增壓能力。顯然增壓能力是在降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的，也就是說(shuō)增壓缸僅僅是增大輸出的壓力，并不能增大輸出的能量。圖3-9增壓缸 單作用增壓缸在小活塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，不能再輸出高壓液體，需要將活塞退回到左端位軒，再向右行時(shí)才又輸出高壓液體，即只能在一次行程中輸出高壓液體，為了克服這一缺點(diǎn)，可采用雙作用增壓缸，如圖3-8b所示，由一兩個(gè)高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油。 2.伸縮缸 伸縮式液壓缸由兩個(gè)或多個(gè)活塞式液壓缸套裝而成，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)可恥下場(chǎng)獲得很長(zhǎng)的工作行程，縮回時(shí)可保持很小的結(jié)構(gòu)尺寸，伸縮缸被廣泛用于超重運(yùn)輸車輛上。 圖3-9是套筒式伸縮缸的原理圖，外伸動(dòng)作是逐級(jí)進(jìn)行的。首先是最大的剛筒以最低的油液壓力開始外伸，當(dāng)?shù)竭_(dá)行程終點(diǎn)后，稍小直徑的缸筒開始外伸，直徑最小的末級(jí)最后伸出。隨著工作級(jí)數(shù)增多，外伸缸筒直徑越來(lái)越小，工作油液壓力隨之升高，工作速度變快。伸縮缸可以是圖3-9a所示的單作用式，也可以是圖 3-9b 所示的雙作用式，前者靠外力回程，而后者靠液壓回程。圖 3-10伸縮缸 3.齒輪缸 齒輪式液壓缸又稱無(wú)桿式活塞缸，它上兩個(gè)柱塞和一套齒輪條傳動(dòng)裝置組成，如圖3-11所示，當(dāng)壓力油推動(dòng)活塞左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒條就推動(dòng)齒輪件私利旋轉(zhuǎn)，從而齒輪驅(qū)動(dòng)工作部件（如組合機(jī)床中的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)）作周期性的確良往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 液壓缸的設(shè)計(jì)是整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，由于液壓缸是液壓傳動(dòng)的執(zhí)行元件，它和主機(jī)工作機(jī)構(gòu)有直接的聯(lián)系,對(duì)于不同的機(jī)械設(shè)備及其機(jī)械機(jī)構(gòu),液壓缸具有不同的用途和工作要求 ,因此在設(shè)計(jì)液壓缸之前,必須對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析,編制負(fù)載圖,選定系統(tǒng)的工作壓力(祥見第八章)然后根據(jù)使用要求選擇結(jié)構(gòu)類型,按負(fù)載情況、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)定性和緩沖驗(yàn)算，最后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 1.液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 不同的液壓缸有不同的內(nèi)容和要求，一般在設(shè)計(jì)液壓缸的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題： (1)盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(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(wèn)題和液壓缸的排氣問(wèn)題。缸內(nèi)如無(wú)緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應(yīng)的措施，但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問(wèn)題。 (3)根據(jù)主機(jī)的工作要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)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(jiǎn)單、緊湊、加工、裝配和維修方便。 2.液壓缸主要尺寸的確定 缸筒內(nèi)徑D液壓缸的缸筒內(nèi)徑D,是根據(jù)負(fù)載的大小和選定的工作壓力，或運(yùn)動(dòng)速度和輸入阻抗的流量，依式（3-7）式（3-19）有關(guān)節(jié)公式計(jì)算之后。再?gòu)腉B2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的輸入值而得出的。 (1)活塞桿直徑d液壓缸活塞桿直徑d通常先滿足液壓缸速度或速比的要求來(lái)選擇，然后校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，若速比為，則 （3-20） (2)液壓缸缸筒長(zhǎng)度L液壓缸的缸筒長(zhǎng)度決定，缸筒的長(zhǎng)度一般最好不起過(guò)其內(nèi)徑的20倍。 (3)最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H（如圖3-17）。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度過(guò)（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)必須保證有一最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)于一般的液壓缸，當(dāng)液壓缸的最大行程為 L ，缸筒直徑為 D 時(shí)，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為 （3-21） 活塞的寬度，一般取 ；導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度，在時(shí)取,在時(shí)取 。為保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，過(guò)分增大和都是不適宜的，必要時(shí)可以導(dǎo)向套與活塞這間裝一隔套（圖中零件K），隔套的長(zhǎng)度C由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即 （3-223.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)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。 （1）缸筒壁厚校核 液壓缸缸筒壁厚校核時(shí)分薄壁和厚壁兩種情況。當(dāng)時(shí)為薄壁，壁厚按下式進(jìn)行校核 （323） 式中D為缸筒內(nèi)徑；為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)取當(dāng)時(shí)取 ； ， 為材料抗拉強(qiáng)度，為安全系統(tǒng)，一般取 。 當(dāng)時(shí)，壁厚按下式進(jìn)行校核 （324） 在使用式（3-23）、式（3-24）進(jìn)行校核時(shí)，若液壓缸缸筒與缸蓋采用半環(huán)連接，應(yīng)取缸筒壁厚最小處的值。 (2)活塞桿直徑校核 活塞植直徑的校核按下式進(jìn)行 （325） 式中 F 為淤塞桿上的作用力；為活塞桿材料的許用應(yīng)力， 。 （3）液壓缸蓋固定螺栓直徑校核 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過(guò)程中同時(shí)承受拉應(yīng)力和扭應(yīng)力，其螺栓直徑可按下式校核 （326） 式中為液壓缸負(fù)載，固定螺栓個(gè)數(shù)； 為螺紋擰緊， ； ， 為材料的屈服點(diǎn)。 4. 緩沖計(jì)算 液壓缸的緩沖計(jì)算主要是估計(jì)緩沖時(shí)液壓缸內(nèi)出現(xiàn)在最大沖擊壓力，以便用來(lái)校核缸筒強(qiáng)度、制動(dòng)距離是還條例要求。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支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)，緩沖腔內(nèi)產(chǎn)生的液壓能和工作部件產(chǎn)生的機(jī)械能分別為 （327） （328） 式中 為緩沖長(zhǎng)度；為緩沖腔中的平均緩沖壓力；為高壓腔中油液壓力；、為緩沖腔、高壓腔的有效工作面積；為工作部件總質(zhì)量；為工作部件運(yùn)動(dòng)速度；為摩擦力 。式(3-28)中右邊第一項(xiàng)為高壓腔中的液壓能 , 第二項(xiàng)為工作部件的動(dòng)能 , 第三項(xiàng)為摩擦能。 當(dāng)時(shí) , 工作部件的機(jī)械能全部被緩沖液體所吸收 , 由上兩式得 (329) 若緩沖裝置為節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置,在緩沖過(guò)程中的緩沖壓力逐漸降低, 假定緩沖壓力線性地降低, 則最大的緩沖壓力即沖擊壓力 。 (330) 若緩沖裝置為節(jié)流口變化式緩沖裝置，則由于緩沖壓力Pc始終不變，最大緩沖力的值即如式（3-29）所示。 5、缸穩(wěn)定性校核 對(duì)受壓的活塞桿來(lái)說(shuō),一般其直徑應(yīng)不小于長(zhǎng)度的。當(dāng)時(shí)，須進(jìn)行穩(wěn)定性校核，應(yīng)使活塞桿所承受的負(fù)載力小于使其保持穩(wěn)定的臨界負(fù)載力，的值與活塞桿的材料，截面形狀、直徑和長(zhǎng)度，以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。驗(yàn)算可按材料力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行，此處不再撰述。