柱塞式液压缸的设计分析-(1)

柱塞式与活塞式液压缸的特点比较及结构柱塞式与活塞式液压缸的特点比较及结构 一 单活塞杆液压缸一 单活塞杆液压缸 只有一端有活塞杆 如图所示是一种单活塞液压缸 其两端进出 口油口 A 和 B 都可通压力油或回油 以实现双向运动 故称为双作 用缸 1 缸底 2 弹簧挡圈 3 套环 4 卡环 5 活塞 6 型密封圈 7 支承环 8 挡圈 9 形密封圈 10 缸筒 11 管接头 12 导向套 13 缸盖 14 防尘圈 15 活塞杆 16 定位螺钉 17 耳环 单活塞杆液压缸可以是缸筒固定 活塞运动 也可以是活塞杆固定 缸筒运动 无论采用其中哪一种形式 液压缸运动所占空间长度都 是两倍行程 见下图 单 活 塞 杆 液 压 缸 运 动 所 占 空 间 二 双活塞杆液压缸二 双活塞杆液压缸 双活塞杆液压缸的两端都有活塞伸出 如图所示 其组成 与单活塞杆液压缸基本相同 缸筒与缸盖用法兰连接 活塞与缸筒 内壁之间采用间隙密封 双活塞杆液压缸的两活塞杆直径通常相等 活塞两端有效面积相同 如果供油压力不变 那么活塞反复运动时 两个方向的作用力和速度相等 1 活塞杆 2 压盖 3 缸盖 4 缸筒 5 活塞 6 密封圈 双活塞杆液压缸结构 将缸筒固定在床身上 活塞杆和工作台相联接时 工作台运动所占 空间长度为活塞有效行程的三倍 见图 A 一般多用于小机床 反 之 将活塞杆固定在床身上 缸筒和工作台相联接时 工作台运动 所占空间长度为液压缸有效行程的两倍 见图 B 适用于中型及大 型机床 三 柱塞式液压缸三 柱塞式液压缸 1 它是一种单作用式液压缸 靠液压力只能实现一个方向的运动 柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重 只有在是上移式液压缸中可 以靠运动部件本身的重量回程 2 柱塞只靠缸套支承而不与 缸套接触 这样缸套极易加工 故适合 于做长行程液压缸 如导轨磨床 大型拉床 龙门刨床 3 工作时柱塞总受压 因而它必须有做够的刚度 4 柱塞重量往往较大 水平放置时容易自重而下垂 造成密封件和 导向单边磨损 故其垂直实用更有利 有时可做成空心的 液压缸损坏情况及原因分析液压缸损坏情况及原因分析 液压缸损坏的部位多数在法蓝与缸壁连接的回弧部分 其次在缸壁 向缸底过渡的圆弧部分 少数在圆筒筒壁产生裂纹 也有因气蚀严 重而破坏的 从液压缸使用情况来看 一般在损坏时都已承受了很高的工作 加载次数 20 万 150 万次 裂纹是逐步形成和扩展的 属于疲劳 损坏 一 液压缸损坏情况一 液压缸损坏情况 1 圆筒筒壁 一般裂纹首先出现于内壁 逐渐向外发展 裂纹 多为纵向分布 或与缸璧母线成 45 度角 2 缸的法蓝部分 首先在缸外部法蓝过渡圆弧处出现裂纹 逐 渐沿环向及向内壁扩展 最后裂透 或者裂纹扩展到螺钉孔 使法 蓝局部脱落 个别严重情况 甚至沿过渡圆角处法蓝整圈开裂而脱 落 3 缸底 首先在内部过渡圆角处开始山现环向裂纹 逐渐向外 壁扩展乃至裂透 4 气蚀 液压缸也有因气蚀产生蜂窝状麻点而损坏 尤其是在 进水孔内壁 容易产生气蚀 二 液压缸损坏的原因之设计方面二 液压缸损坏的原因之设计方面 影响液压缸寿命的因素是多方面的 必须结合具体情况进行分 析 但归纳起来主要有以下儿个方面 1 结构尺寸设计得不合理 液压机如法蓝高度太小或法蓝外 径过大 使综合应力过高而损坏 如某台 20000KN 锻造液压机 其 法蓝厚度仅为缸壁厚度的 1 1 倍 法蓝处计算应力超过 2500 x 1O 的 6 次方 Pa 工作 1 2 年后 两个缸先后破裂 更换新缸时 增大 了法蓝高度 减小法蓝外径 使用多年未坏 2 从缸壁到法蓝的过渡区结构设计不合理 液压机也会引起很 大的应力集中 如某台进口的 6300KN 水压机工作缸 由于法蓝处 过渡圆角仅为 R 4 mm 使用不久就出现裂纹 裂纹扩展后 整圈法 蓝断裂脱落 3 有些资料提供了一些光弹试验结果 说明如果把过渡区设计 成特定的流线型断面形状 应力集中系数可降低为 1 18 如做成 15 度斜线和 R35 圆弧相连结 则应力集中系数为 1 79 但从结构设计 看 圆弧和斜度也不能太大 否则法蓝与横梁接触面过小 挤压应 力太大 4 在结构允许而又可能加工的情况下 液压机过渡区应尽可能 光滑 圆弧半径也应尽可能增大 设计原则设计原则 1 尽量减少液压缸外形尺寸和质量 2 保证性能的前提下减少零件质量 3 尽量避免承受横向负载 工作时最好承受拉力 以免产生纵向 弯曲 设计依据设计依据 1 了解和掌握液压缸在机械上的用途和动作要求 液压翻斗汽车 2 了解液压缸的工作条件 条件不同液压缸的结构和设计参数也 不尽相同 比如煤矿工作面上 粉尘大 工作条件恶劣 震动冲 击大 要考虑防尘措施 并且柱塞和缸体的结构和稳定性要绝对 可靠 安全系数要取大一些 3 了解外部负载质量 大小 形状 运动轨迹 摩擦阻力以及连 接形式 比如翻斗汽车 外部负载时翻斗和所装货物 翻斗上升 倾斜时 缸轴线也发生变化 要求液压缸与车身安装形式以及活 塞杆头部与翻斗的连接形式采用耳环式或者销轴式 4 了解缸的最大行程 运动速度和时间 安装空间所允许的外形 尺寸以及液压缸本身的动作 以作用力为主要要求和以运动速度 或之间为主要要求的缸设计时出发点不一样 5 设计已知液压系统的液压缸应了解液压系统中液压泵的工作压 力和流量的大小 管路的通径和布置情况 各种液压阀的控制情 况 设计步骤设计步骤 1 根据设计依据初步确定设计方案 2 对液压缸进行受力分析 选择适当的结构形式和安装形式 3 根据负载 重力 摩擦力和惯性力确定液根据压缸在行程各阶 段上负载的变化规律以及有关的技术数据 4 根据工作负载和设定的额定工作压力 确定活塞端面面积并计 算活塞直径 缸筒内经 缸筒外径 5 根据根据缸径和运动速度之比或者工作负载和材料的许用应力 确定活塞杆直径 6 根据运动速度 工作压力 活塞直径液压泵的压力 流量 7 选择液压缸的结构形式计算强度 8 确定密封结构 设计缓冲 排气和防尘装置 9 绘制装配图 零件图 和技术条件 液压缸的设计过程液压缸的设计过程 液压缸的设计包括结构设计 安装形式 和技术参数与尺寸设 计 其中结构设计的灵活性很大 其设计原则是力求液压缸的结构 简单而又满足要求 性能良好而又安全可靠 经济合理而又制造容 易 维护拆修方便 一 工作压力的选取 根据液压缸的实际工况 计算出外负载大小 然后参考下表选取 适当的工作力 液压缸工作压力的确定 负载 缸工作压力 P1 b a r 0 0 7 6 0 7 0 1 4 0 1 0 0 1 4 0 1 4 0 2 5 0 1 8 0 2 1 0 2 5 0 3 2 0 二 液压缸筒的设计和计算 1 内径计算 1 根据液压缸的载荷和系统工作压力计算 P F D 2 1057 3 式中 D 内径 P 选定系统工作压力 F 液压缸的推力 2 根据执行机构的速度和选定的液压泵流量计算 v Q D74 8 式中 Q 流量 v 液压缸的输出速度 所求数值需要进行圆整参照 GB T2348 93 活塞缸内径系列 2 壁厚计算 缸筒最薄处壁厚 t pyD 2 t 缸筒壁厚 D 缸筒内径 py 缸筒度验压力 当额定压 Pn 160 x105Pa 时 Py 1 25Pn 缸 筒材料许用应力 b n 三 工作行程的确定 工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定 并参 照 GB2349 80 选择标准值 四 导向套的设计与计算 1 最小导向长度 220 DL H L 为最大工作行程 D 为缸筒内径 2 导向套结构 a 普通结构 b 已拆结构 c 球面结构 d 静 压结构 五 端盖和缸底的设计和计算 有活塞杆通过的叫端面 无活塞杆通过的叫缸底 1 端盖的设计计算 端盖厚度 h 为 cp cp d dDp h 3 1 式中 D1 螺钉孔分布直径 p 液压力 d 密封环形端面平均直径 为材料 的许用应力 2 缸底的设计 缸底分为平缸底 椭圆缸底 半球形缸底 六 缸体长度设计 内部长度应该等于活塞的行程与活塞的宽度之和 不应大于 缸体内径的 20 30 倍 缸筒长度根据所需最大工作行程而定 活 塞杆长度根据缸筒长度而定 对于工作行程受压的活塞杆 当活 塞杆长度与活塞杆直径之比大于 15 时 应按材料力学有关公式 对活塞进行压杆稳定性验算 七 缓冲装置 当速度小于 6 米每分钟时不设计缓冲装置 大于 12 米每分钟 时必须设计缓冲装置 缓冲装置的原理 当活塞或柱塞到达行程终端之前的一定距离内 设法把排油腔内的油液的一部分或全部封闭起来 通过节流小口 排出使油液产生适当的缓冲压力作用在柱塞的排油一侧上 与缓 冲力相对抗 达到减速缓冲的目的 分类 根据节流小口的通流面积在缓冲过程中能否自动改变分为 恒节流型和 变节流型 八 排气装置 水平安装 设在缸体两腔端部的上方 垂直安装 设计在端盖的上方 分类 整体排气塞 由螺纹与缸筒连接 组合排气塞 由螺 塞与锥阀组成 九 密封件 D 形 O 形 V 形 J 形