液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算

第一部分 總體計(jì)算1、 壓力油液作用在單位面積上的壓強(qiáng) Pa式中：F作用在活塞上的載荷，NA活塞的有效工作面積，從上式可知，壓力值的建立是載荷的存在而產(chǎn)生的。在同一個(gè)活塞的有效工作面積上，載荷越大，克服載荷所需要的壓力就越大。換句話說，如果活塞的有效工作面積一定，油液壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大。額定壓力（公稱壓力）PN,是指液壓缸能用以長期工作的壓力。最高允許壓力 ，也是動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。通常規(guī)定為： MPa。耐壓實(shí)驗(yàn)壓力，是檢驗(yàn)液壓缸質(zhì)量時(shí)需承受的實(shí)驗(yàn)壓力，即在此壓力下不出現(xiàn)變形、裂縫或破裂。通常規(guī)定為： MPa。液壓缸壓力等級(jí)見表1。 表1 液壓缸壓力等級(jí) 單位MPa壓力范圍02.52.58816163232級(jí) 別低 壓中 壓中高壓高壓超高壓2、 流量單位時(shí)間內(nèi)油液通過缸筒有效截面的體積：L/min由于 L 則 L/min對(duì)于單活塞桿液壓缸：當(dāng)活塞桿伸出時(shí)當(dāng)活塞桿縮回時(shí)式中：V液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積，L；t液壓缸活塞一次行程所需的時(shí)間，min；D液壓缸缸徑，m；d活塞桿直徑，m；活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/min。3、速比液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度之比：式中：活塞桿的伸出速度，m/min；活塞桿的縮回速度，m/min；D液壓缸缸徑，m；d活塞桿直徑，m。計(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和是否設(shè)置緩沖裝置。速比不宜過大或過小，以免產(chǎn)生過大的背壓或造成因活塞桿太細(xì)導(dǎo)致穩(wěn)定性不好。4、液壓缸的理論推力和拉力活塞桿伸出時(shí)的理推力：N活塞桿縮回時(shí)的理論拉力： N式中：活塞無桿腔有效面積，；活塞有桿腔有效面積，；P工作壓力，MPa；D液壓缸缸徑，m；d活塞桿直徑，m。5、液壓缸的最大允許行程 活塞行程S，在初步確定時(shí)，主要是按實(shí)際工作需要的長度來考慮的，但這一工作行程并不一定是油缸的穩(wěn)定性所允許的行程。為了計(jì)算行程，應(yīng)首先計(jì)算出活塞的最大允許計(jì)算長度。因?yàn)榛钊麠U一般為細(xì)長桿，由歐拉公式推導(dǎo)出： mm式中：活塞桿彎曲失臨界壓縮力，N；E材料的彈性模量。鋼材的E=2.1X10MPa；I活塞桿橫截面慣性矩，mm；圓截面。將上式簡化后 mm 由于旋挖鉆機(jī)液壓缸基本上是一端耳環(huán)、一端缸底安裝，所以油缸的最大計(jì)算長度（安全系數(shù)取3）式中：P油缸的工作壓力；油缸安裝形式如圖1。圖1 液壓缸安裝形式 L= 行程 6、液壓缸主要參數(shù)A.液壓缸產(chǎn)品啟動(dòng)壓力起動(dòng)時(shí)，記錄下的油缸起動(dòng)壓力為最低起動(dòng)壓力.判斷基準(zhǔn)起動(dòng)：壓力<0.6MPa。B.內(nèi)泄漏輸入額定壓力1.31.5倍的壓力,保壓5分鐘,測定經(jīng)活塞泄至未加壓腔的泄漏量。C.外泄漏全程往復(fù)運(yùn)行多次,觀察焊接各處及活塞桿密封處及各結(jié)合面處的漏油、掛油、帶油。D. 耐壓輸入額定壓力1.31.5倍的壓力,保壓5分鐘. 所有零件均無松動(dòng)、異常磨損、破壞或永久變形異?，F(xiàn)金蟬脫殼的外滲漏現(xiàn)象。E.緩沖調(diào)整溢流閥使其試驗(yàn)壓力為公稱壓力的50%，使液壓缸作全行程動(dòng)作，同時(shí)，觀看緩沖效果和緩沖長度。第二部分 缸筒計(jì)算1、 缸筒結(jié)構(gòu)缸筒結(jié)構(gòu)見表2。表2 缸筒結(jié)構(gòu)缸頭法蘭連接缸頭內(nèi)螺紋連接優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，易加工，易拆裝。優(yōu)點(diǎn)：重量輕，外徑較小缺點(diǎn)：重量比螺紋連接的大缺點(diǎn)：裝卸時(shí)要用專用的工具，擰端部時(shí)，有可能把O形圈擰扭曲。缸筒跟缸底采用焊接連接2、缸筒材料缸筒材料要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，對(duì)焊接缸筒還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熱扎無縫鋼管。缸筒材料無縫鋼管的機(jī)械性能見表3。 表3 缸筒材料無縫鋼管的機(jī)械性能材料456103601427SiMn1000850123、缸筒計(jì)算 缸筒要有足夠的強(qiáng)度，能長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)生永久變形；有足夠的剛度，能承受側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲；內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作而磨損少。A、 缸筒內(nèi)徑當(dāng)油缸的作用力F(推力、拉力)及工作壓力p壓力為已知時(shí)，則無桿腔的缸筒內(nèi)徑D為 m 有桿腔的缸筒內(nèi)徑D為 m 最后將以上各式所求得的D值，選擇其中最大者，圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 B、 缸筒壁厚在不考慮缸筒外徑公差余量和腐蝕余量的情況下，缸筒壁厚可按下式計(jì)算m式中：缸筒內(nèi)最高工作壓力，MPa；缸筒材料的許用應(yīng)力，MPa； 最后將以上式所求得的值，圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 對(duì)最終采用的缸筒壁厚應(yīng)作三方面的驗(yàn)算額定工作壓力應(yīng)低于一定的極限值，以保證工作安全：MPa式中：缸筒外徑； 額定工作壓力也應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑性變形的發(fā)生： 式中：缸筒完全發(fā)生塑性變形的壓力，MPa；最后還需對(duì)缸筒徑向變形量進(jìn)行驗(yàn)算，如果徑向變形量超過密封件允許范圍，液壓缸就會(huì)發(fā)生內(nèi)泄。 m式中：缸筒材料泊松比，=0.3；C、缸筒螺紋缸筒與缸頭部分采用螺紋，壓樁機(jī)液壓缸一般采用內(nèi)螺紋連接，螺紋處的強(qiáng)度計(jì)算：螺紋處的拉應(yīng)力 MPa螺紋處的剪應(yīng)力 MPa合成應(yīng)力 式中：F缸筒端部承受的最大推力，N；D缸筒外徑，m；螺紋大徑，m；K螺紋連接的擰緊系數(shù)，不變載荷取1.251.5，變載荷取2.54；螺紋連接的摩擦因數(shù)，一般0.070.2，平均取0.12；材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；安全系數(shù)，取35。D、缸筒技術(shù)要求缸筒技術(shù)要求如下：a) 缸筒內(nèi)孔一般采用H8級(jí)公差，表面粗糙度一般在左右； b) 缸筒內(nèi)徑的錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差的三分之一； c) 缸筒直線度公差在1000mm長度上不大于0.1mm； d) 缸筒端面對(duì)內(nèi)徑的垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm。為便于裝配和不損壞密封件，缸筒內(nèi)孔口應(yīng)倒20角，寬度根據(jù)內(nèi)徑大小來選取。通往油口的內(nèi)孔口必須倒角或開避讓槽，過度處需拋光，以免劃傷密封件。缸筒上有焊接件時(shí)，都必須在半精加工前進(jìn)行，以免精加工后焊接引起內(nèi)孔變形?？傊?，缸筒是液壓缸的主要零件，它與缸頭、缸底、油口等零件構(gòu)成密封容腔，用以容納壓力油液，同時(shí)它還是活塞的運(yùn)動(dòng)“軌道”。設(shè)計(jì)液壓缸缸筒時(shí)，應(yīng)該正確確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力，運(yùn)動(dòng)速度和有效行程，同時(shí)還必須有一定的強(qiáng)度，能足夠以承受液壓力、負(fù)載力和意外的沖擊力；缸筒的內(nèi)表面應(yīng)具有合適的配合公差等級(jí)、表面粗糙度和形位公差，以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和耐用性。第三部分 活塞桿計(jì)算1、 活塞桿結(jié)構(gòu)活塞桿一般采用實(shí)心桿，跟桿頭耳環(huán)采用焊接或螺紋連接的形式。2、 活塞桿材料一般用中碳鋼，調(diào)質(zhì)處理。在旋挖鉆機(jī)液壓缸中大多數(shù)采用45鋼,在受力特別大的情況也可采用高強(qiáng)度合金鋼?；钊麠U材料的機(jī)械性能見表4。表4 活塞桿材料的機(jī)械性能材料熱處理4560034013調(diào)質(zhì)40Cr9007009調(diào)質(zhì)42CrMo100090012調(diào)質(zhì)3、 活塞桿的計(jì)算A、慨述活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件，它承受拉力、壓力、彎曲力和震動(dòng)沖擊等多種力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。B、活塞桿桿徑計(jì)算旋挖鉆機(jī)液壓缸一般都是差動(dòng)缸，其活塞桿直徑d可根據(jù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速比來確定： m式中：D液壓缸缸徑，m；液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度之比；計(jì)算出活塞桿直徑后，應(yīng)將尺寸圓整到標(biāo)準(zhǔn)值并校核其穩(wěn)定性。C、活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算壓樁機(jī)液壓缸工作時(shí)，活塞桿承受的彎曲力矩很大，則按下式計(jì)算活塞桿的應(yīng)力。式中：F活塞桿的作用力，N；A活塞桿橫斷面積，；M活塞桿承受的彎曲力矩，；W活塞桿斷面模數(shù)，?；钊麠U與活塞一般都靠螺紋連接，所以都設(shè)有螺紋、退刀槽等結(jié)構(gòu)。這些部位往往是活塞上的危險(xiǎn)截面，也要進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)活塞各參數(shù)確定好后，可以對(duì)活塞桿進(jìn)行三維建模，利用有限元分析軟件對(duì)活塞桿進(jìn)行應(yīng)力分析。D、 活塞桿技術(shù)要求活塞桿技術(shù)要求如下：a) 活塞桿在導(dǎo)向套中滑動(dòng)，一般采用H8/f7配合。太緊了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損；b) 其圓度和圓柱度不大于直徑公差的三分之一，.外圓直線度公差在1000mm長度上不大于0.02mm；c) 安裝活塞的軸勁與外圓的同軸度公差不大于0.02mm,軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保證活塞安裝后不產(chǎn)生歪斜；d) 活塞桿外圓粗糙度一般在左右，太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于潤滑；e) 活塞桿表面需進(jìn)行鍍鉻處理，鍍層后（0.040.05）mm, 鍍鉻前活塞桿表面需要高頻淬火處理；f) 活塞桿端的螺紋和緩沖柱塞也要保證與軸線的同軸度。便于裝配和不損壞密封件，活塞桿安裝缸頭的一端倒20角，寬度根據(jù)內(nèi)徑大小來選取，過度處需拋光，以免劃傷密封件。臺(tái)階尖角處需到圓。