液壓缸的設(shè)計計算簡介
液壓缸的設(shè)計是在對整個液壓系統(tǒng)進(jìn)行了工況分析、編制了負(fù)載圖，選定了工作壓力之后，先根據(jù)使用要求選擇結(jié)構(gòu)類型，然后按負(fù)載情況、運(yùn)動要求，最大行程等確定其主要工作尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖驗算，最后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1．液壓缸設(shè)計中應(yīng)注意的問題及設(shè)計步驟
(l)液壓缸設(shè)計中應(yīng)注意的問題不同的液壓缸有不同的設(shè)計內(nèi)容和要求，一般在設(shè)計液壓缸的結(jié)構(gòu)時應(yīng)注意以下幾個問題。
①盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下具有良好的縱向穩(wěn)定性。
②考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。缸內(nèi)如無緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應(yīng)的措施，但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。
③根據(jù)主機(jī)的工作要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，正確確定液壓缸的安裝、固定方式。但液壓缸只能一端定位。
④長行程液壓缸活塞桿伸出時，應(yīng)盡量避免下垂。
⑤要有可靠的密封，防止泄漏。
⑥液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)需根據(jù)推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、加工、裝配和維修方便。
(2)液壓缸的設(shè)計步驟液壓缸的設(shè)計步驟沒有硬性規(guī)定，應(yīng)根據(jù)已確定的各種條件，靈活地選擇設(shè)計程序，一般可參考以下步驟進(jìn)行。
①掌握原始資料和設(shè)計依據(jù)，通常包括如下一些內(nèi)容：主機(jī)的用途和工作條件；工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、負(fù)載狀況、行程大小和動作要求；液壓系統(tǒng)所選定的工作壓力和流量；材料、配件和加工工藝的現(xiàn)實狀況；有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等。
②根據(jù)主機(jī)的動作要求和結(jié)構(gòu)要求，選擇缸的類型和結(jié)構(gòu)形式。
③根據(jù)機(jī)構(gòu)工作力的要求，確定缸的輸出力。
④根據(jù)系統(tǒng)工作壓力和往返速比，確定缸的主要尺寸，如缸徑、活塞桿直徑，并按標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列選擇適當(dāng)?shù)某叽纭?span lang="EN-US">
⑤根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的行程和速度要求，確定缸的長度和流量，并由此確定缸的通油口尺寸。
⑥根據(jù)工作壓力及材料，進(jìn)行缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定缸的壁厚尺寸，活塞桿尺寸、螺釘尺寸及端蓋結(jié)構(gòu)。
⑦選擇適當(dāng)?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)。
⑧必要時設(shè)計緩沖、排氣和防塵等裝置。繪制液壓缸裝配圖和零件圖。
⑨整理設(shè)計計算書，審定圖樣及其他技術(shù)文件。
2．液壓缸主要尺寸的確定
液壓缸的主要幾何尺寸，包括液壓缸內(nèi)徑D，缸的長度L，活塞桿的直徑d和長度l等。確定上述尺寸的原始依據(jù)是液壓缸的負(fù)載F、運(yùn)動速度v和行程長度s等。
(1)液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定
①液壓缸內(nèi)徑D液壓缸內(nèi)徑D的計算通常有兩種方法。一種是根據(jù)液壓缸需要產(chǎn)生的推力F和系統(tǒng)選定的工作壓力p來計算。對單桿缸而言，無桿腔進(jìn)油時，由式 (4-12)得
D=
(4-23)
有桿腔進(jìn)油時，由式(4-14)得
D=
(4-24)
液壓缸設(shè)計中，常初步選取回油壓力p2=0，這時，上面兩式可簡化，即
無桿腔進(jìn)油時
D=
(4-25)
有桿腔進(jìn)油時
D=
(4-26)
另一種方法是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來確定，同樣對單桿缸而言，無桿腔進(jìn)油時，由式(4-11)得
D=
(4-27)
有桿腔進(jìn)油時，由式(4-13)得
D=
(4-28)
計算所得的液壓缸內(nèi)徑D（即活塞直徑）應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列值（可查液壓設(shè)計手冊）。
②活塞桿直徑d活塞桿直徑d可根據(jù)工作壓力或設(shè)備類型選取，見表1和表2。當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比A，有一定要求時，由式(4-15)得
d=
(4-29)
推薦液壓缸的往復(fù)速度比如表3所示。
表1 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑
|
液壓缸工作壓力p/MPa |
≤5 |
5～7 |
＞7 |
|
推薦活塞桿直徑d |
（0.5～0.7）D |
(0.6～0.7)D |
0.7D |
表2 設(shè)備類型與活塞桿直徑
|
設(shè)備類型 |
磨床、珩磨及研磨機(jī) |
插、拉、刨床 |
鉆、鏜、車、銑床 |
|
活塞桿直徑 |
（0.2～0.3）D |
0.5D |
0.7D |
表3 液壓缸往復(fù)速度比推薦值
|
工作壓力p/MPa |
≤10 |
1.25～20 |
＞20 |
|
往復(fù)速度比λv |
1.33 |
1.46，2 |
2 |
計算所得的活塞桿直徑d亦應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列值（可查液壓設(shè)計手冊）。
(2)液壓缸長度L的確定液壓缸的長度L根據(jù)所需最大工作行程長度而定，一般長度L不大于直徑D的20～30倍。
(3)液壓缸壁厚艿的確定在一般中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸的壁厚不用計算的方法確定，而是由結(jié)構(gòu)和工藝上的需要來確定，在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。
液壓缸缸筒壁厚校核時分薄壁和厚壁兩種情況。當(dāng)D/δ≥10時為薄壁，壁厚按式(4-30)進(jìn)行校核
δ≥PyD/2[σ] (4-30)
式中，D為缸筒內(nèi)徑；py為缸筒試驗壓力，當(dāng)缸的額定壓力pn≤16MPa時取py=1.5pn，當(dāng)pn>16MPa時取py=1.25pn；[σ]為缸筒材料的許用應(yīng)力，[σ]=σb/n，σb為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n=5。
當(dāng)D/δ＜10時，壁厚按式(4-31)進(jìn)行校核
δ≥
（4-31）
在進(jìn)行校核時，若液壓缸缸筒與缸蓋采用半環(huán)連接，艿應(yīng)取缸筒壁厚最小處的值。
(4)液壓缸其他尺寸的確定活塞的寬度B，根據(jù)缸的工作壓力和密封方式確定，一般取B=(0.6～1.O)D；導(dǎo)向套滑動面的長度A，當(dāng)D＜80mm時取A=(0.6～1.0)D，當(dāng)D＞80mm時取A=(0.6～1.O)d?；钊麠U的長度l可根據(jù)液壓缸的長度L、活塞的寬度B、導(dǎo)向套和端蓋的有關(guān)尺寸及活塞桿的連接方式確定。對長徑比l/d≥10的受壓活塞桿，應(yīng)按材料力學(xué)中的有關(guān)公式進(jìn)行穩(wěn)定性校核計算。液壓缸的端蓋尺寸、緊固螺釘?shù)膫€數(shù)和尺寸等一般由結(jié)構(gòu)決定。對工作壓力高的液壓缸，應(yīng)校核螺栓的強(qiáng)度。