液压缸设计计算

第一部分第一部分 总体计算总体计算 1 1 压力 油液作用在单位面积上的压强 Pa A F P 式中 F 作用在活塞上的载荷 N A 活塞的有效工作面积 2 m 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 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 Pmax 常规定为 MPa P P 5 1 max 耐压实验压力 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 Pr 裂缝或破裂 通常规定为 MPa PN Pr 5 1 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0 2 5 2 5 8 8 16 16 32 32 级 别低 压中 压中高压高压超高压 2 2 流量 单位时间内油液通过缸筒有效截面的体积 L min t V Q 由于 L 则 L min 3 10 AtV 32 10 4 DAQ 对于单活塞杆液压缸 当活塞杆伸出时 32 10 4 DQ 当活塞杆缩回时 322 10 4 dDQ 式中 V 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 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 22 2 1 2 dD D v v 式中 活塞杆的伸出速度 m min 1 v 活塞杆的缩回速度 m min 2 v 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 N 626 11 10 4 10 pDpA F 活塞杆缩回时的理论拉力 N 6226 22 10 4 10 pdDpF F 式中 活塞无杆腔有效面积 1 A 2 m 活塞有杆腔有效面积 2 A 2 m P 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 mm k k F EI L 2 式中 活塞杆弯曲失临界压缩力 N k F E 材料的弹性模量 钢材的 E 2 1X10 MPa 5 I 活塞杆横截面惯性矩 mm 圆截面 4 4 4 049 0 64 d d I 将上式简化后 mm k k F d L 2 320 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 PD d Lk 2 4 208 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 L PD d Lk 2 4 208 行程 2 1 1l llLS 6 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 3 1 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 3 1 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 第二部分第二部分 缸筒计算缸筒计算 1 缸筒结构 缸筒结构见表 2 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 优点 重量轻 外径较小 缺点 重量比螺纹连接的大缺点 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MPa b MPa s 4561036014 27SiMn100085012 3 3 缸筒计算 缸筒要有足够的强度 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 推力 拉力 及工作压力 p 压力为已知时 1 F 2 F 则无杆腔的缸筒内径 D 为 m 31 10 4 p F D 有杆腔的缸筒内径 D 为 m 2 6 2 10 4 d p F D 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 m max max 0 33 2p Dp p 式中 缸筒内最高工作压力 MPa max p 缸筒材料的许用应力 MPa p 最后将以上式所求得的值 圆整到标准值 0 对最终采用的缸筒壁厚应作三方面的验算 额定工作压力应低于一定的极限值 以保证工作安全 n p MPa 2 1 2 2 1 35 0 D DD p s n 式中 缸筒外径 1 D 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 rLn pp 42 0 35 0 D D p srL 1 lg3 2 式中 缸筒完全发生塑性变形的压力 MPa rL p 最后还需对缸筒径向变形量进行验算 如果径向变形量超过密封件允许范围 D D 液压缸就会发生内泄 m v DD DD E DP D r 2 2 1 2 2 1 式中 缸筒材料泊松比 0 3 vv 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 螺纹处的拉应力 MPa 6 2 1 2 10 4 dD KF 螺纹处的剪应力 MPa 6 3 1 3 01 10 2 0 dD KFdK 合成应力 0 2 2 3 n b 合 式中 F 缸筒端部承受的最大推力 N D 缸筒外径 m 螺纹大径 m 1 d K 螺纹连接的拧紧系数 不变载荷取 1 25 1 5 变载荷取 2 5 4 螺纹连接的摩擦因数 一般 0 07 0 2 平均取 0 12 1 K 材料的抗拉强度 MPa b 安全系数 取 3 5 0 n 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 表面粗糙度一般在左右 m 2 0 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 以保证液压缸的密封性 运动平稳性和耐用性 第三部分第三部分 活塞杆计算活塞杆计算 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MPa b MPa s 热处理 4560034013调质 40Cr9007009调质 42CrMo100090012调质 3 3 活塞杆的计算 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 m 1 Dd 式中 D 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 p W M A F 6 10 式中 F 活塞杆的作用力 N A 活塞杆横断面积 2 m M 活塞杆承受的弯曲力矩 mN W 活塞杆断面模数 3 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塞杆进行应力分析 D 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