液压缸设计计算.pdf

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1、.第一部分总体计算第一部分总体计算1 1、压力油液作用在单位面积上的压强P F式中：F作用在活塞上的载荷,NA活塞的有效工作面积,m2A Pa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Pmax,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：Pmax1.5P MPa。耐压实验压力Pr,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

2、：Pr1.5PN MPa。液压缸压力等级见表 1。表表 1 1液压缸压力等级液压缸压力等级单位 MPa压力范围级 别02.5低 压2.58中 压816中高压1632高压32超高压2 2、流量单位时间内油液通过缸筒有效截面的体积：Q VtL/min由于V At 103 L则Q A 4D2103 L/min对于单活塞杆液压缸：当活塞杆伸出时Q 44D2103当活塞杆缩回时Q 式中：(D2d2)103V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；1/8.D液压缸缸径,m；d活塞杆直径,m；活塞运动速度,m/min。3 3、速比液压缸活塞往复运动时的速度之比：式中

3、：v1活塞杆的伸出速度,m/min；v2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 4、液压缸的理论推力和拉力活塞杆伸出时的理推力：活塞杆缩回时的理论拉力：式中：A1活塞无杆腔有效面积,m；A2活塞有杆腔有效面积,m；2626F1 A1p10 4D p106F2 F2p10 N4(D2 d2)p106 N2P工作压力,MPa；D液压缸缸径,m；d活塞杆直径,m。5 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

4、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：Lk2EIFk mm式中：Fk活塞杆弯曲失临界压缩力,N；E材料的弹性模量。钢材的E=2.1X105MPa；2/8.I活塞杆横截面惯性矩,mm；圆截面I 4d464 0.049d4。将上式简化后Lk 320d2Fk 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。图图 1 1液压缸安装形式液压缸安装形式d2 L=Lk 208.4D P行程S 1(L l1ll)

5、26 6、液压缸主要参数、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 1.31.5 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 1.31.5 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。第二部分缸筒计算第二部分缸筒计算1、缸筒结构

6、缸筒结构见表 2。3/8.表表 2 2缸筒结构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。缺点：重量比螺纹连接的大优点：重量轻,外径较小缺点：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 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。表表 3 3缸筒材料无缝钢管的机械性能缸筒材料无缝钢管的机械性能材料4527SiMnb/MPa6101000s/MPa360850/%14123 3、缸筒计算缸

7、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 A、缸筒内径当油缸的作用力 F及工作压力 p 压力为已知时,则无杆腔的缸筒内径 D 为D 4F1103 mp有杆腔的缸筒内径 D 为D 4F22 d m6p10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 B、缸筒壁厚0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4/8.0式中：pmaxDm2.3p3pmaxpmax缸筒内最高工作压力,MPa；p缸筒材料的许

8、用应力,MPa；最后将以上式所求得的0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pn应低于一定的极限值,以保证工作安全：pn 0.35式中：s(D12 D2)D12MPaD1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：prL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D进行验算,如果径向变形量D超过密封件允许范围,液压缸就会发生内泄。2PrDD1 D22 mD v2ED1 D式中：v缸筒材料泊松比,v=0.3；C 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

9、应力4KF610MPa22(D d1)螺纹处的剪应力K1KFd00.2(D3d1)合成应力3106MPa式中：5/8.F缸筒端部承受的最大推力,N；D缸筒外径,m；d1螺纹大径,m；K螺纹连接的拧紧系数,不变载荷取 1.251.5,变载荷取 2.54；K1螺纹连接的摩擦因数,一般 0.070.2,平均取 0.12；b材料的抗拉强度,MPa；n0安全系数,取 35。D 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0.2m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

10、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

11、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第三部分活塞杆计算1 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 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。表表 4 4活塞杆材料的机械性能活塞杆材料的机械性能材料4540Cr42CrMob/MPa6009001000s/MPa340700900/%13912热处理调质调质调质3 3、活塞杆的计算6/8.A 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

12、刚度。B 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：d D式中：1mD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 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；M活塞杆承受的弯曲力矩,N m；W活塞杆断面模数,m。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

13、塞杆进行应力分析。32D 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0.2m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0.040.05mm,镀铬前活塞杆表面需要高频淬火处理；7/8.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。8/8