雙活塞桿雙作用活塞式液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、目錄1設(shè)計的依據(jù)、原則和步驟31.1引言31.2設(shè)計的依據(jù)31.3設(shè)計的一般原則31.4設(shè)計的一般步驟42設(shè)計的題目、技術(shù)參數(shù)、目的和要求52.1設(shè)計題目52.2設(shè)計技術(shù)參數(shù)52.3設(shè)計目的52.4設(shè)計要求53液壓缸缸體結(jié)構(gòu)形式的確定53.1結(jié)構(gòu)初型54液壓缸性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算64.1液壓缸工作負(fù)載力分析和計算64.2 液壓缸的液壓力計算和工作壓力的選擇74.3液壓缸速度比的確定74.4液壓缸速度計算和流量選擇74.5液壓缸綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)及安全系數(shù)的選擇85缸筒設(shè)計與計算95.1缸筒與缸蓋的連接形式95.2對缸筒的要求及材料選擇115.3缸筒的計算115.4缸筒加工的技術(shù)要求135.5缸筒

2、頭部法蘭厚度145.6缸筒缸蓋的連接計算155.7 缸蓋的材料和技術(shù)要求155.8缸蓋厚度的確定165.9最小導(dǎo)向長度的確定165.10缸體長度的確定166活塞組件設(shè)計166.1活塞設(shè)計166.2活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)176.3活塞桿設(shè)計176.4活塞桿及連接件強(qiáng)度校核196.5活塞桿液壓缸穩(wěn)定性校核207液壓缸油口和排氣裝置設(shè)計217.1 油口設(shè)計217.2排氣裝置設(shè)計22參考文獻(xiàn)23雙活塞桿雙作用活塞式液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計1設(shè)計的依據(jù)、原則和步驟1.1引言一部現(xiàn)代機(jī)器通常由機(jī)架、原動機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)構(gòu)四個主要部分構(gòu)成，其中機(jī)架為載體，原動機(jī)的作用是進(jìn)行能量形式的轉(zhuǎn)換，為機(jī)器提供適當(dāng)形式的動力

3、，傳動裝置的作用是進(jìn)行動力的傳遞，工作機(jī)構(gòu)即執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是消耗能量而做功。如果原動機(jī)將其他形式的能轉(zhuǎn)換成液壓能，執(zhí)行元件消耗液壓能而做功，則稱為液壓機(jī)械或液壓機(jī)。液壓機(jī)械的執(zhí)行元件即做功元件是液壓馬達(dá)和液壓缸。液壓馬達(dá)和液壓缸是通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的液壓元件，用戶或設(shè)計者在研制一部新的液壓機(jī)械時，應(yīng)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)化的液壓元件，以避免金錢的浪費(fèi)和時間、精力的消耗。但由于使用要求的千差萬別，液壓元件的專用化設(shè)計是不可避免的，其中以液壓缸設(shè)計居多。這是由于液壓缸配置的靈活性，設(shè)計、制造比較容易，維護(hù)比較方便的特點決定的。因而，相對其他液壓元件而言，液壓缸的設(shè)計是極為常見的，這也是工程技術(shù)人員必須

4、具有的一種基本技能。1.2設(shè)計的依據(jù)液壓缸與機(jī)器及機(jī)器上的機(jī)構(gòu)直接相聯(lián)系，對于不同的機(jī)構(gòu)，液壓缸的具體用途和工作性能也不同，因此設(shè)計之前，要進(jìn)行全面地分析和研究，收集必要的原始資料并加以整理作為設(shè)計的依據(jù)。（1） 了解和掌握液壓缸在機(jī)器上的用途和工作要求。（2） 了解液壓缸工作環(huán)境條件。（3） 了解外部負(fù)載情況。（4） 了解液壓缸運(yùn)動形態(tài)及安裝的約束條件。（5） 了解液壓系統(tǒng)的情況。（6） 了解有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)定和其他參考資料。1.3設(shè)計的一般原則液壓缸設(shè)計時應(yīng)注意如下問題：（1）保證液壓缸的輸出推力、拉力（或轉(zhuǎn)矩）、行程和往返運(yùn)動速度滿足要求。液壓缸的額定工作壓力（輸出力的折算值）以液壓

5、泵的額定工作壓力的70%為宜。（2）保證液壓缸的每個零件有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐用性（壽命）。（3）在保證上述兩個條件的前提下，盡量減小液壓缸的外形尺寸和重（質(zhì)）量。一般說來，在外負(fù)載一定的條件下，提高液壓缸的額定工作壓力可減小液壓缸的外形尺寸。（4）在保證液壓缸性能的前提下，盡量減少零件數(shù)量，簡化結(jié)構(gòu)。（5）盡量避免液壓缸承受橫（側(cè)）向負(fù)載和偏心負(fù)載，活塞桿工作時最好受拉力，以免產(chǎn)生縱向彎曲而引發(fā)穩(wěn)定問題。（6）液壓缸的安裝形式、活塞桿頭部與外負(fù)載的連接形式要合理，盡量減小活塞桿伸出后的有效安裝長度，避免產(chǎn)生“鱉勁”現(xiàn)象，增加液壓缸的穩(wěn)定性。（7）密封部位的設(shè)計和密封件的選用要合理，保證性能可

6、靠、漏量少、摩擦力小、壽命長、更換方便。密封部位的設(shè)計是保證液壓缸性能的重要一環(huán)，對所選用的密封件，應(yīng)使其壓縮率在合理范圍內(nèi)。（8）根據(jù)液壓缸的工作條件和具體情況設(shè)置適當(dāng)?shù)呐艢狻⒕彌_和防塵措施。在工作條件惡劣的情況下應(yīng)考慮活塞桿的防護(hù)措施。（9）各種零件的結(jié)構(gòu)形式和尺寸設(shè)計，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)形式和規(guī)系列尺寸，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件。（10）液壓缸應(yīng)做到成本低、制造容易、維護(hù)方便。1.4設(shè)計的一般步驟一般情況下，應(yīng)根據(jù)已確定的工作條件和掌握的設(shè)計資料，靈活地選擇設(shè)計程序和步驟，反復(fù)推敲和計算，直到獲得滿意的設(shè)計結(jié)果。（1）根據(jù)設(shè)計依據(jù)和負(fù)載機(jī)構(gòu)的動作要求，初步確定設(shè)計方案：缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝方式、連接方式

7、等。（2）根據(jù)液壓缸承受的外部載荷作用力確定液壓缸在行程各階段上負(fù)載變化規(guī)律及必須提供的動力數(shù)據(jù)。（3）在以輸出力為主的液壓缸設(shè)計中，根據(jù)負(fù)載F和選定的額定（工作）壓力Pn，確定缸筒內(nèi)徑（即活塞外徑）D和活塞桿直徑d。（4）根據(jù)選擇活塞外徑D和活塞桿直徑d計算無桿腔面積A1和有桿腔面積A2；根據(jù)液壓缸速度u的要求，確定液壓缸所需的流量Q。（5）選擇缸筒材料，計算缸筒厚度或外徑。（6）選擇缸底和缸蓋的結(jié)構(gòu)形式，計算缸底厚度、缸筒與缸蓋的連接強(qiáng)度；確定具體安裝形式及結(jié)構(gòu)尺寸；確定缸筒上油口的位置、尺寸和連接形式。（7）活塞組件設(shè)計。（8）必要時設(shè)計緩沖和排氣裝置。（9）審定全部設(shè)計資料及其他技術(shù)文

8、件，對圖紙進(jìn)行修改和補(bǔ)充。（10） 繪制液壓缸裝配圖和零件圖，編制技術(shù)文件。2設(shè)計的題目、技術(shù)參數(shù)、目的和要求2.1設(shè)計題目本次的設(shè)計題目即設(shè)計任務(wù)是雙活塞桿雙作用活塞式液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.2設(shè)計技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)要求：（1）系統(tǒng)額定壓力：12Mpa;（2）額定負(fù)載：20KN；（3）行程：280mm；（4）安裝分類：軸線固定。2.3設(shè)計目的油缸是液壓傳動系統(tǒng)中實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動和小于360°回擺運(yùn)動的液壓執(zhí)行元件。具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，制造容易以及使用維護(hù)方便、低速穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各部門。其主要應(yīng)用有：工程機(jī)械中挖掘機(jī)和裝載機(jī)的鏟裝機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)，起重機(jī)械中汽車起重

9、機(jī)的伸縮臂和支腿機(jī)構(gòu)，礦山機(jī)械中的液壓支架及采煤機(jī)的滾筒調(diào)高裝置，建筑機(jī)械中的打樁機(jī)，冶金機(jī)械中的壓力機(jī)，汽車工業(yè)中自卸式汽車和高空作業(yè)車，智能機(jī)械中的模擬駕駛艙、機(jī)器人、火箭的發(fā)射裝置等。它們所用的都是直線往復(fù)運(yùn)動油缸，即推力油缸。所以進(jìn)一步研究和改進(jìn)液壓缸的設(shè)計制造，提高液壓缸的工作壽命及其性能，對于更好的利用液壓傳動具有十分重要的意義。通過學(xué)生自己獨立地完成指定的課程設(shè)計任務(wù)，提高理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力，學(xué)會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術(shù)文件的能力，進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計計算和制圖等基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)后成為一名出色的機(jī)械工程師打好基礎(chǔ)。2.4設(shè)計要求安課程設(shè)計要求，完

10、成設(shè)計題目規(guī)定的設(shè)計任務(wù)，學(xué)會機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計基本方法1.查科技文獻(xiàn)，2.完成方案設(shè)計和方案比較，3.完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，4.相關(guān)的計算工作，5.繪圖（三維建模、二維零件圖、裝配圖等），6.編寫課程設(shè)計說明書。3液壓缸缸體結(jié)構(gòu)形式的確定3.1結(jié)構(gòu)初型根據(jù)設(shè)計原始技術(shù)參數(shù)和設(shè)計任務(wù)書，查閱有關(guān)參考資料設(shè)計或選擇油缸的結(jié)構(gòu)初型。要求安裝分類為軸線固定，軸線固定類安裝形式的液壓缸在工作時，軸線位置固定不變。機(jī)床上的液壓缸大多是采用這種安裝形式。（1）通用拉桿式：在兩端缸蓋上鉆出通孔，用雙頭螺桿將缸和安裝座連接拉緊。一般用于短行程、壓力低的液壓缸。（2）法蘭式：用液壓缸上的法蘭將其固定在機(jī)器上。法蘭設(shè)置在活塞桿

11、端的缸頭上，外側(cè)面與機(jī)械安裝面貼緊，這叫頭部外法蘭式。由于液壓缸工作時反作用力的作用，安裝螺栓承受液壓力的拉伸作用，因而安裝螺栓的直徑較大，并且要求強(qiáng)度計算。法蘭設(shè)置在活塞桿端的缸頭上，內(nèi)側(cè)面與機(jī)械安裝面貼緊，這叫頭部內(nèi)法蘭式。液壓缸工作時，安裝螺栓受力不大，主要靠安裝支承面承受，所以法蘭直徑較小，結(jié)構(gòu)較緊湊。這種安裝形式在固定安裝形式中應(yīng)用得最多。法蘭設(shè)置在缸的底部，與機(jī)械安裝面用螺栓緊固，這叫尾部法蘭式。這種安裝形式使液壓缸懸伸，安裝長度較大，穩(wěn)定性差。（3）支座式：將液壓缸頭尾兩端的凸緣與支座緊固在一起。支座可置于液壓缸左右的徑向、切向，也可置于軸向底部的前后端。徑向安裝時，安裝面與活塞

12、桿軸線在同一平面上，液壓缸工作時，安裝螺栓只承受剪切力；切向和軸向安裝時，活塞的軸線與支座底面有一定的距離，安裝螺栓既受剪切力，又承受因存在傾翻力矩而產(chǎn)生的彎曲力。切向安裝時傾翻力矩比軸向安裝時要小一些。對于支座安裝形式，GS376683的2.2.2條規(guī)定：“支座式液壓缸如不采用鍵或銷承受剪切力時，則底腳固定螺栓必須經(jīng)受全部剪切力而不致引起危險”。選擇法蘭安裝方式（頭部內(nèi)法蘭式），優(yōu)點結(jié)構(gòu)較簡單，易加工易裝卸，缺點重量比螺紋連接的大，但比拉桿連接的小，外徑較大。形式如下圖所示：4液壓缸性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算4.1液壓缸工作負(fù)載力分析和計算 計算工作負(fù)載是為了確定液壓缸所需的牽引力，液壓缸的工

13、作負(fù)載是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)載情況下，以一定的加速度起動時，對液壓缸產(chǎn)生的總阻力F或所需提供的液壓力，即F=F+Ff+Fg+F （N）式中 F工作機(jī)構(gòu)作用在活塞上的工作阻力及自重（當(dāng)油缸垂直安裝時）等對液壓缸產(chǎn)生的作用力，N；Ff工作機(jī)構(gòu)滿載起動時靜摩擦力對液壓缸產(chǎn)生的作用力，N；Fg工作機(jī)構(gòu)滿載起動時的慣性力對液壓缸產(chǎn)生的作用力，N；F液壓缸活塞及活塞桿處的密封摩擦阻力，N；通常以液壓缸的機(jī)械效率來反映，一般取機(jī)械效率=0.95。由于本次設(shè)計的液壓缸已給出額定負(fù)載20KN，因此取F=20KN。4.2 液壓缸的液壓力計算和工作壓力的選擇假定不計液壓缸回液腔壓力，液壓缸的液壓力有兩種形式：一是作用在

14、活塞上的液壓力即推力；二是作用在活塞桿側(cè)環(huán)形面積上的液壓力即拉力。液壓缸的液壓力必須大于或等于前面所分析負(fù)載力（以工作負(fù)載為主體尚有其他阻力）。當(dāng)無桿腔面積和有桿腔面積較大時，在負(fù)載相同的條件下，液壓缸所需的額定壓力較低；反之，則需要的額定壓力較高。由于液壓缸設(shè)計是液壓系統(tǒng)的一部分，液壓缸的綜合經(jīng)濟(jì)性并不能保證整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。另外，在一定的外負(fù)荷條件下，工作壓力較低則液壓缸的直徑較大，工作時有較多的油液通過，易于精確地控制流量，以獲得平穩(wěn)的低速運(yùn)動。選擇液壓缸的工作壓力也可采用類比的方法，參照其他同類機(jī)械設(shè)備的工作壓力，并按實際情況加以適當(dāng)調(diào)整。由于本次設(shè)計液壓缸已給出系統(tǒng)額定壓力12Mpa，因

15、此取p=12Mpa。4.3液壓缸速度比的確定確定速度比的主要目的是為了計算活塞桿的直徑及考慮液壓缸是否要設(shè)計緩沖裝置。速度比不宜過大，過大時，雖然活塞桿直徑也較大，有利于穩(wěn)定性，但導(dǎo)致活塞桿側(cè)環(huán)形面積變小而引起壓力升高（拉力）時，同時還導(dǎo)致液壓缸回程速度升高，容易引起壓力沖擊。反之，速度比過小時，則導(dǎo)致活塞桿較細(xì)，對穩(wěn)定性不利。速度比是在設(shè)計時要確定的重要參數(shù)之一，而的取值與工作壓力相關(guān)，一般來說，工作壓力小時可取較小的值，工作壓力高時可取較大的值。根據(jù)本次設(shè)計液壓缸的工作壓力和液壓缸類型，查國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23481993中液壓缸速比與工作壓力的關(guān)系，得=1。4.4液壓缸速度計算和流量選擇

16、這里所說的速度是指液壓缸穩(wěn)定工作速度（為方便，記為u）。液壓缸的速度要適當(dāng)，速度過高時常常會引起密封件的過熱和磨損，同時也會加劇活塞桿、導(dǎo)向套和缸筒的磨損；速度過低時，則容易產(chǎn)生爬行等不穩(wěn)定情況。采用橡膠密封件時，液壓缸的最快速度一般不宜超過（2430）m/min即（0.40.5）m/s,也不宜低于6m/min（0.1m/s）；參照同類液壓缸的速度取值是一種穩(wěn)妥的方法。本次設(shè)計的液壓缸通過參照同類液壓缸的速度，速度取為8m/min，則液壓缸相應(yīng)的供液量為0.01m3/min。4.5液壓缸綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)及安全系數(shù)的選擇1.液壓缸綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)已知液壓缸的活塞行程為280mm，查機(jī)械設(shè)計手冊液壓缸的綜

17、合結(jié)構(gòu)參數(shù)得：油口直徑為12mm，導(dǎo)向距離大于20mm。2.安全系數(shù)的選擇安全系數(shù)的選擇并沒有硬性規(guī)定，但必須在保證安全的條件下，盡量選擇較小的數(shù)值。安全系數(shù)過大，不僅造成不必要的浪費(fèi)，提高了成本，而且導(dǎo)致所設(shè)計的液壓缸外形尺寸大，重量也較大，常常不能適應(yīng)工作要求。但安全系數(shù)也不能取得太低，以免發(fā)生事故。（1）液壓沖擊n1 有輕度的液壓沖擊安全系數(shù)取1.25-1.5,；（2）機(jī)械沖擊n2 有輕度的機(jī)械沖擊安全系數(shù)取2-3；（3）材料n3 采用塑性材料安全系數(shù)取1.5；（4）其他因素n4 （5）不可預(yù)見因素n5。因此液壓缸的綜合安全系數(shù)N=n1n2n3n4n57.3。5缸筒設(shè)計與計算5.1缸筒與

18、缸蓋的連接形式對于雙活塞液壓缸來說，缸體包括缸筒和左右端蓋三個零件。缸體的結(jié)構(gòu)形式即缸筒與端蓋的連接方式，它與液壓缸的用途、工作壓力、使用環(huán)境及安裝要求等因素有關(guān)。端蓋分為前端蓋和后端蓋。前端蓋將活塞桿腔封閉，并起著為活塞桿導(dǎo)向、密封和防塵之作用，后端蓋即缸底將缸筒內(nèi)腔一端封閉，并通常起著將液壓缸與其他機(jī)件連接的作用。雙活塞桿式液壓缸的前、后端蓋的結(jié)構(gòu)幾乎是相同的。缸筒與缸蓋的常見連接方式有：（1）法蘭連接 缸筒端部設(shè)計有法蘭，用螺栓將其與端蓋連接起來。法蘭連接結(jié)構(gòu)簡單，加工和裝拆都很方便，只是外形尺寸和重量都較大。法蘭與缸筒為整體式（見圖1-a）的多為鑄件和鑄件缸筒，加工余量較大，浪費(fèi)材料；

19、焊接法蘭式（見圖1-b）多為鋼質(zhì)缸筒，將無縫鋼管制成的缸筒與法蘭焊接在一起，其焊縫要進(jìn)行強(qiáng)度計算。法蘭連接是液壓缸中使用最普遍的結(jié)構(gòu)形式。（2）螺釘連接 將缸蓋用螺釘固定在缸筒端部（見圖1-c）。這種連接方式簡單，但因缸筒壁薄，需要數(shù)量較多的螺釘才能承受液壓力。這種方式多用于柱塞液壓缸和低壓液壓缸。（3）外螺紋連接 這種方式裝拆方便，但需要專用工具。它使缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，螺紋要與缸筒的內(nèi)徑同心。螺紋對缸筒壁厚尺寸要求不大，很適合無縫鋼管做缸筒的液壓缸。密封槽一般都設(shè)置在缸筒端面或端蓋上，以免削弱缸筒強(qiáng)度。為了防止螺紋因沖擊震動而松動，往往增加鎖緊螺母或緊定螺釘，如圖1-d所示。（4）內(nèi)螺紋連

20、接 在缸筒端部加工出內(nèi)螺紋和退刀槽，雖然會削弱缸筒強(qiáng)度，而且螺紋與缸筒要求同心，但其結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，不易損壞。連接螺紋可以設(shè)計在端蓋上，也可以用螺紋壓圈緊固，如圖1-e所示。 圖1 缸筒與端蓋連接簡圖（5）外卡鍵連接這種連接的強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，裝拆容易，但缸筒端部要切出卡鍵槽，使強(qiáng)度有所降低。外卡鍵一般由兩個半環(huán)卡鍵組成，固定卡鍵可以用卡鍵帽，如圖1-f所示。（6）內(nèi)卡鍵連接這種連接方式的優(yōu)缺點同外卡鍵差不多，但裝拆不便。為了便于裝拆，卡鍵一般由三瓣組成，第三瓣的剖切口平面必須與軸線平行，否則是裝不進(jìn)去的。裝配卡鍵時，端蓋外端面不能高出卡鍵槽，裝好卡鍵后，端蓋才能裝到位，如圖1-g

21、所示?？ㄦI與卡鍵槽的配合精度要適當(dāng)，間隙過大，缸筒卡鍵槽處會因受到?jīng)_擊而產(chǎn)生剪切破壞。（7）彈性卡圈式 彈性卡圈有孔用彈性卡圈和鋼絲彈性卡圈兩種，如圖1-h和圖1-i所示。由于它們都是標(biāo)準(zhǔn)件，因此使用方便，裝拆容易。但因厚度較薄，只能用于中低壓缸筒上。（8）焊接式如圖1-j所示，將端蓋直接焊在缸筒上，強(qiáng)度高，制造簡單，但容易引起焊接變形，維修時需破壞端蓋才行。（9）銷釘式如圖1-k所示，將端蓋裝入缸筒后，相配鉆鉸，裝上銷釘。這種連接方式簡單方便，但銷釘承受的剪切力較大，要校核強(qiáng)度和銷釘數(shù)量。（10）拉桿式如圖1-l所示，起結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，通用性大，但端蓋的體積和重量較大，拉桿受力后會拉伸變

22、長，影響密封效果，只適用于中低壓液壓缸。通過對以上幾種連接方式綜合對比采用法蘭連接。具體形式如下圖所示：5.2對缸筒的要求及材料選擇缸筒是液壓缸的主要零件，有時還是液壓缸的直接做功部件；它與端蓋、活塞構(gòu)成密封容腔，用以容納壓力油液、驅(qū)動負(fù)載而做功，因而要有足夠的強(qiáng)度、足夠的剛度、可靠的密封性及良好的可焊性。精密冷拔鋼管是缸體最常用的材料，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 87131988液壓與氣動缸筒用精密無縫鋼管（高于ISO4394/I1980的規(guī)定）有明確的技術(shù)規(guī)定。在此選用調(diào)質(zhì)45號鋼的精密冷拔鋼管，通過查機(jī)械手冊得：b610/Mpa；s360/Mpa；514 (%)；硬度230HB； 0.2750/Mpa

23、；粗糙度Ra0.8um；直線度缸筒內(nèi)徑90mm時0.3mm/m,>90mm時0.5mm/m?，F(xiàn)在利用屈服強(qiáng)度來引申出缸筒材料的許用應(yīng)力= s/n=360/8=45Mpa。其中8是選取的安全系數(shù)，來源于下表：液壓缸的安全系數(shù)材料名稱靜載荷交變載荷沖在載荷不對稱對稱鋼，鍛鐵344125.3缸筒的計算對于負(fù)載較大的工程、礦山機(jī)械用的油缸，在系統(tǒng)給定的工作壓力情況下，常以保證油缸有足夠的牽引力，能驅(qū)動工作負(fù)載為確定缸筒內(nèi)徑的重要條件，如果尚有運(yùn)動速度要求時，則往往在校核時通過選擇適當(dāng)流量油泵的辦法來解決。對于雙出桿雙作用液壓缸，可根據(jù)下式計算缸筒內(nèi)徑并把它圓整到規(guī)定的系列尺寸上。D=4Fp式中

24、D缸筒內(nèi)徑，m；F推力負(fù)載（取最大負(fù)載值即額定負(fù)載），N；p供液壓力（假定回液壓力為大氣壓），Pa；機(jī)械效率（初算時可取=0.9-0.95）。代入數(shù)值計算后D=0.0485m，根據(jù)GB/T2348-1993取D=63mm。經(jīng)查機(jī)械設(shè)計手冊初步確定該液壓缸為中等壁厚的液壓缸/D=0.08-0.3，缸筒壁厚的計算公式為pmaxD2-3pmax，式中=sns，代入數(shù)值計算后得9.375mm。查機(jī)械設(shè)計手冊中典型液壓缸系列產(chǎn)品的缸筒壁厚尺寸取=10mm。由此可得液壓缸缸筒外徑D1=83mm。計算求得缸筒壁厚值后，還應(yīng)進(jìn)行以下4個方面的驗算，以保證液壓缸安全可靠的工作。（1）液壓缸的額定工作壓力pn應(yīng)低

25、于一定的極限值，以保證工作安全，即pn0.35s（D12-D2）D2，式中D1，D液壓缸外徑和內(nèi)徑，m或cm；s缸筒材料的屈服強(qiáng)度，Mpa。代入數(shù)值計算得pn92.7Mpa,滿足條件。（2）為避免缸筒工作時發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力pn應(yīng)與塑性變形壓力prL有一定的比例關(guān)系：pn（0.35-0.42）prLprL2.3slgD1D代入數(shù)值計算得prL99.14Mpa，pn（34.70-41.64）Mpa，滿足條件。 （3）缸筒的徑向變形量D值應(yīng)在允許范圍內(nèi)，而不能超過密封件允許的范圍：D=prDE(D12+D2D12-D2+v)，式中pr液壓缸耐壓試驗壓力（各國規(guī)范多數(shù)規(guī)定為當(dāng)額定壓力

26、小于16Mpa時為1.5倍的額定壓力），Mpa；E缸筒材料的彈性模數(shù)，Mpa；v缸筒材料的泊松比，鋼材為0.3。代入數(shù)值計算后得滿足條件。（4）為確保液壓缸安全的使用，缸筒的爆裂壓力pE應(yīng)大于耐壓實驗壓力pr：pE=2.3blgD1D>pr，代入數(shù)值計算求得pE=168Mpa,其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于pr=18Mpa值，滿足條件。綜上所得，本次選取的缸筒壁厚滿足要求。5.4缸筒加工的技術(shù)要求缸筒是液壓缸中最難加工的零件，因此其技術(shù)要求要合理，過高時將會導(dǎo)致制造成本的大幅提高，過低時又將影響液壓缸的工作性能和使用壽命。 缸筒內(nèi)徑公差等級和表面粗糙度 缸筒與活塞一般采用基孔制的間隙配合?；钊捎孟鹉z、塑

27、料、皮革材質(zhì)密封件時，缸筒內(nèi)孔可采用H8、H9公差等級，與活塞組成、等不同的間隙配合。缸筒內(nèi)孔表面粗糙度取Ra=0.400.10m。采用活塞環(huán)密封時，缸筒內(nèi)孔的公差等級一般取H7，它可與活塞組成、等不同的間隙配合，內(nèi)孔表面粗糙度取Ra=0.400.20m。采用間隙密封，缸筒內(nèi)孔的公差等級一般取H6，與活塞組成的間隙配合，表面粗糙度取 Ra=0.100.05m。選用配合，表面粗糙度取0.7m。（2）缸筒的形位公差 缸筒內(nèi)徑的圓度、錐度、圓柱度誤差不大于直徑尺寸公差的一半；缸筒軸線的直線度誤差在500mm長度上不大于0.03mm；缸筒端面對軸線的圓跳動在100mm的直徑上不大于0.04mm。 安裝

28、部位的技術(shù)要求 缸筒端面和缸蓋接合面對液壓缸軸線的垂直度誤差，按直徑每100mm不得超過0.04mm，缸筒安裝缸蓋的螺紋應(yīng)采用2a級精度的公制螺紋，采用耳環(huán)安裝方式時，耳環(huán)孔的軸線對缸筒軸線的位置度誤差不大于0.03mm，垂直度誤差在100mm長度上不大于0.1mm。采用軸銷式安裝方法時，軸銷的軸線與缸筒軸線的位置度誤差不大于0.1mm，垂直度誤差在100mm長度上不大于0.1mm。 其他技術(shù)要求 缸筒內(nèi)徑端部倒角15°30°，或倒R3以上的圓角；表面粗糙度不低于Ra=0.8m，以免裝配時損傷密封件；缸筒端部需焊接時，缸筒內(nèi)部的工作表面距離焊縫不得小于20mm；熱處理調(diào)質(zhì)硬

29、度一般為HB241285；為了防止缸筒腐蝕、提高壽命，缸筒內(nèi)徑可以鍍鉻，鍍層厚度一般為0.030.05mm，然后進(jìn)行珩磨或拋光；缸筒外露表面可涂耐油油漆，顏色按照具體要求。5.5缸筒頭部法蘭厚度采用螺釘連接法蘭，結(jié)構(gòu)如圖2所示其法蘭厚度h為：h=3F(D0-dcp)dcp圖2 螺釘連接法蘭式中 h法蘭厚度，mm；F法蘭受力總和，N，F(xiàn)=4d2p+4(dH2-d2)q；dcp密封環(huán)平均直徑，m，dcp=12d+dH；p工作壓力，pa；d密封環(huán)內(nèi)徑，m；dH密封環(huán)外徑，m；q附加密封壓力，pa,若采用金屬材料時，q值即屈服極限點；D0螺釘孔分布圓直徑，m；法蘭材料的許用應(yīng)力，pa。其中d=63mm

30、，dH=57mm，dcp=52mm，p=18Mpa，q=3Mpa，F(xiàn)=29KN，=90Mpa，D0=73mm，D=83mm，代入計算后得h=6.88mm，為能保證安全，取h=10mm。5.6缸筒缸蓋的連接計算缸筒與缸蓋采用螺栓連接，連接如下圖所示：螺紋處拉應(yīng)力為：=4KFd12Z；螺紋處的切應(yīng)力為=K1KFd020.2d12Z；合應(yīng)力為：n=2+32。式中Z螺栓數(shù)目，取8；d1螺紋內(nèi)徑，m；d0螺紋外徑，m。螺紋外徑和內(nèi)徑的選擇：=6mm，=4.8mm；系數(shù)選擇：考慮到載荷可能有變化，為了安全，選?。篕=3，=0.12。根據(jù)式得到螺紋處的拉應(yīng)力為：=207Mpa；螺紋處的剪應(yīng)力為：=3515p

31、a；合成應(yīng)力為：=207Mpa。由以上運(yùn)算結(jié)果知，應(yīng)選擇螺栓等級為9.8級，查表的得：抗拉強(qiáng)度極限=900Mpa；屈服極限強(qiáng)度=720Mpa。不妨取安全系數(shù)n=2，可以得到許用應(yīng)力值：=/n=720/2=360Mpa。再次使用式得到： 成立證明選用螺栓等級合適。5.7 缸蓋的材料和技術(shù)要求缸蓋常用45號鋼鍛造或鑄造毛坯，需要焊接結(jié)構(gòu)的，采用焊接性能較好的35號鋼，中低壓缸可用HT200、HT250、HT300等灰口鑄鐵材料，在此選用45號鋼鍛造。缸蓋內(nèi)孔一般尺寸公差采用H7、H8的精度等級、表面粗糙度通常取為Ra1.63.2m。缸蓋內(nèi)孔與凸緣止口外徑的圓度、圓柱度誤差不大于直徑尺寸公差的一半。

32、內(nèi)孔和凸緣止口的同軸度允差不大于0.03mm，相關(guān)端面對內(nèi)孔軸線的圓跳動在直徑100mm上不大于 0.04mm。5.8缸蓋厚度的確定一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求可用以下式子做近似計算：無孔時t0.433D2py；有孔時t0.433D2pyD2(D2-d0)；式中t缸蓋有效厚度（m）；D2缸蓋止口內(nèi)徑（m）；d0缸蓋孔的直徑（m）。5.9最小導(dǎo)向長度的確定當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度（如圖所示），若導(dǎo)向長度太小，將使油缸因間隙引起的初始撓度增大，從而影響油缸的工作穩(wěn)定性。對于一般油缸，其最小導(dǎo)向長度H應(yīng)滿足下式要求： (m)；式中

33、 -油缸最大工作行程 (m)；-缸筒內(nèi)徑 (m)。代入數(shù)值計算后得H30mm。活塞的寬度B一般取B=（0.61.0）D；缸蓋滑動支承面的長度A，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑而定，當(dāng)D小于80mm時，取A=（0.61.0）D；當(dāng)D大于80 mm時，取A=（0.61.0）d。為了保證最小導(dǎo)向長度而過份地增大導(dǎo)向套長度和活塞寬度都是不適宜的。最好的方法是在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套K，其長度由所需的最小導(dǎo)向長度決定。采用隔套不僅能保證最小導(dǎo)向長度，而且可以擴(kuò)大導(dǎo)向套及活塞的通用性，即。5.10缸體長度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般液壓缸缸體的長度

34、不應(yīng)大于內(nèi)徑的2030倍。缸體長度取為410mm。6活塞組件設(shè)計6.1活塞設(shè)計（1）活塞的結(jié)構(gòu)形式和密封件形式活塞的密封件形式要根據(jù)液壓缸的設(shè)計（額定）壓力、速度和溫度等工作條件來選擇，而選擇的密封件形式則決定了活塞的結(jié)構(gòu)形式?；钊Ｓ玫慕Y(jié)構(gòu)形式可分為整體式和分體（組合）式兩種。整體式活塞要在活塞圓周上開溝槽以安裝密封件和支承環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，但活塞加工困難，另外密封件安裝時也容易拉傷和扭曲，影響密封性能和密封件使用壽命。分體（組合）式活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長。在通常情況下，支承環(huán)是活塞件的不可或缺的結(jié)構(gòu)元件，它不但可以精確導(dǎo)向，還可以吸收活塞運(yùn)動時隨時產(chǎn)生的側(cè)向力，因而大多數(shù)密封

35、件都與支承環(huán)聯(lián)合使用，大大減低了活塞加工成本。在此活塞的結(jié)構(gòu)形式選為整體式。O形密封圈和格來圈等適用整體式活塞，在此選擇O形密封圈，此整體式活塞中，密封環(huán)和導(dǎo)向套是分槽安裝的。結(jié)構(gòu)形式如下圖：注：1-擋圈，2-密封件，3-支承（導(dǎo)向）環(huán)（2）活塞的材料選擇活塞材料選用的依據(jù)主要從活塞的結(jié)構(gòu)形式來考慮，因為活塞為整體式并有支承環(huán)，選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼。（3）活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)要求活塞的寬度B一般為活塞外徑D的（0.6-1）倍，因為活塞的外徑D等于缸筒的內(nèi)徑，所以活塞的寬度B取為50mm。另外也要根據(jù)密封件的形式、數(shù)量、安裝導(dǎo)向環(huán)的溝槽尺寸進(jìn)一步細(xì)化，使上述元件間距適當(dāng)。由于采用橡膠密封件，活塞

36、外徑的公差等級取f9，與活塞桿配合的內(nèi)孔公差等級取H7?；钊鈭A的表面粗糙度要優(yōu)于Ra0.32m，內(nèi)孔粗糙度要優(yōu)于Ra0.08m?；钊鈴綄?nèi)孔及密封溝槽的同軸度允差不大于0.02mm；活塞外徑、內(nèi)孔的圓度、同軸度不大于尺寸公差的一半，斷面對軸線的垂直度允差不大于0.04mm/100mm?；钊c活塞桿軸肩的接合面粗糙度可在Ra1.6m左右，但與內(nèi)孔軸線的垂直度一定要在允差的范圍之內(nèi)?；钊木唧w結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外徑61mm；內(nèi)徑11mm；寬度50mm。6.2活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)活塞與活塞桿的連接采用卡環(huán)（鍵）型，這種結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，活塞借助徑向間隙有少量浮動，不易卡滯，但活塞與活塞桿之間有軸向

37、公差，該軸向公差會造成活塞與活塞桿的不必要的竄動，但這種結(jié)構(gòu)在低速液壓缸中得到廣泛使用。形式如下圖所示：6.3活塞桿設(shè)計（1）活塞桿直徑的確定在無速度比要求的情況下，且液壓缸為推力負(fù)載，活塞桿直徑可按d=（1/5-1/3）D取值，然后校核活塞桿強(qiáng)度并圓整至國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。代入數(shù)值計算并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)最后暫取d=14mm。（2）活塞桿基本結(jié)構(gòu)活塞桿有實心桿和空心桿兩種，選用實心桿，這種桿強(qiáng)度較高，加工簡單。大致形式如下圖所示：（3）活塞桿的材料和技術(shù)要求實心活塞桿多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼冷拔材料35號鋼、45號鋼、55號鋼制成，以減少切削加工。選用45號鋼為該活塞桿的材料，查機(jī)械設(shè)計手冊得：抗拉強(qiáng)度b/M

38、Pa600；屈服強(qiáng)度s/MPa340；延伸率(%)13；熱處理：調(diào)質(zhì)或加高頻淬火；表面處理：鍍鉻2030m。活塞桿外徑尺寸公差選為f8，表面粗糙度Ra=（0.160.63）m，直線度0.02100mm，圓度等幾何精度誤差不大于外徑公差的一半，與活塞內(nèi)孔配合的軸頸與外圓的同軸度允差不能大于0.010.02mm，安裝活塞的軸肩與活塞桿軸線的垂直度允差不大于 0.04/100mm，活塞桿端部的卡鍵槽、螺紋及緩沖柱塞與桿徑同軸度允差不大于0.010.02mm，緩沖柱塞最好采用活塞桿本身的端頭部。（4）活塞桿外端（頭部）結(jié)構(gòu)形式活塞桿外端是液壓缸與負(fù)載的連接部位，根據(jù)液壓缸的安裝和負(fù)載連接方式選擇。由于

39、液壓缸軸線固定，因此采用外螺紋式的活塞桿端部，螺紋直徑與螺距為M12×1.25，螺紋長度等于20mm。（5）活塞桿的導(dǎo)向在液壓缸的前、后端蓋的內(nèi)部，安裝有對活塞桿導(dǎo)向的導(dǎo)向套（環(huán)）和對缸筒有桿腔進(jìn)行密封的密封件及防止活塞桿內(nèi)縮時將灰塵、水分和雜質(zhì)帶入密封件的防塵圈。活塞桿導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式有：無導(dǎo)向套（環(huán)）、金屬導(dǎo)向套（環(huán)）和非金屬導(dǎo)向套（環(huán)）三種。選擇金屬導(dǎo)向套（環(huán)），用青銅QAL9-4耐磨材料做成，這種形式的導(dǎo)向套（環(huán)）的優(yōu)點是節(jié)約耐磨金屬材料，承載能力強(qiáng)，但加工復(fù)雜，磨損后修復(fù)困難。導(dǎo)向支承長度是端蓋長度減去防塵圈溝槽的長度之后的剩余部分，在這個支承長度上，安裝有密封件和導(dǎo)向套（環(huán)

40、）。根據(jù)經(jīng)驗，活塞桿在液壓缸的最小支承長度L應(yīng)大于缸內(nèi)徑D和活塞桿半徑d的一半之和，即LD+0.5d。帶入數(shù)值計算后得L64mm，圓整后取L=70mm。導(dǎo)向套（環(huán)）外圓與端蓋內(nèi)孔配合為H8/f7，內(nèi)孔與活塞桿配合為H9/f9。外圓與內(nèi)孔的同軸度不小于0.03mm，圓度和圓柱度不大于直徑公差之半。（6）活塞桿的密封與防塵活塞桿處的密封形式有O形、V形、Y形等密封圈，為了清除活塞桿處外露部分沾附的灰塵，保證油液清潔及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。常用的有無骨架防塵圈和J形橡膠密封圈，也可用毛氈圈防塵。選擇O形軸用密封圈，優(yōu)點是密封部位結(jié)構(gòu)簡單，安裝部位緊湊，重量輕，密封性能好，成本低。為防止外界

41、污物浸入液壓缸內(nèi)部導(dǎo)致油液污染和往復(fù)遠(yuǎn)動副的磨損，選擇A型防塵圈，呈唇形結(jié)構(gòu)，材料為聚氨酯橡膠。6.4活塞桿及連接件強(qiáng)度校核（1）活塞桿強(qiáng)度校核活塞桿的直徑強(qiáng)度按下式進(jìn)行校核：，式中 液壓缸負(fù)載，N;材料許用應(yīng)力，=b/n，b為材料抗拉強(qiáng)度，單位為pa，n為安全系數(shù)，一般為n=1.4。代入數(shù)值計算后得d5.45mm，因此強(qiáng)度符合要求。（2）活塞桿軸肩、螺紋及卡環(huán)（鍵）強(qiáng)度活塞桿軸肩的擠壓強(qiáng)度計算公式為=F4(d-2c2)2-d2+2c12，式中活塞桿軸肩擠壓應(yīng)力，Pa；F活塞桿作用力，N；d活塞桿直徑，m；d2活塞內(nèi)孔內(nèi)徑，m；c1活塞孔部倒角，m；c2活塞桿軸肩倒角，m；軸肩的許用應(yīng)力，Pa。代入數(shù)值計算后滿足條件。即活塞桿軸肩符合擠壓強(qiáng)度。活塞桿的螺紋連接及卡鍵連接強(qiáng)度的校核較麻煩，在此省略其校核過程，但經(jīng)過有關(guān)手冊的查詢再加上數(shù)據(jù)可靠性，滿足條件。6.5活塞桿液壓缸穩(wěn)定性校核活塞桿的穩(wěn)定性即液壓缸的穩(wěn)定性。長行程的液壓缸，特別是兩端采用鉸鏈結(jié)構(gòu)的液壓缸，當(dāng)液壓缸安裝（計算、支承）長度L與