《液壓缸設(shè)計校核》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《液壓缸設(shè)計校核(16頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、 一、液壓缸的分類
液壓缸按其結(jié)構(gòu)形式,可以分為活塞缸、柱塞缸和擺動缸三類?;钊缀椭讓崿F(xiàn)往復(fù)運動,輸出推力和速度,擺動缸則能實現(xiàn)小于360度的往復(fù)擺動,輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。液壓缸除單個使用外,還可以幾個組合起來或和其它機(jī)構(gòu)組合起來,以完成特殊的功用。
(一)活塞式液壓缸
活塞式液壓缸分為雙桿式和單桿式兩種。
1、雙桿式活塞缸
雙桿式活塞缸的活塞兩端都有一根直徑相等的活塞桿伸出,它根據(jù)安裝方式不同又可以分為缸筒固定式和活塞桿固定式兩種。如圖3-4a所示的為缸筒固定式的雙桿活塞缸。它的進(jìn)、出油口布置在缸筒兩端,活塞通過活塞桿帶動工作臺的移動,當(dāng)活塞的有效行程為時,整個工作
2、臺的運動范圍為,所以機(jī)床占地面積大,一般適用于小型機(jī)床。當(dāng)工作臺行程要求較長時,可采用圖3-4b所示的活塞桿固定的形式,這時,缸體與工作臺相敬如賓連,活塞桿通過支架固定的機(jī)床上,動力由缸體付出。這種安裝形式中,工作臺的移動范圍只等于液壓缸有效行程的兩倍(),因此占地面積小。進(jìn)出口可以設(shè)置在固定不動的空心的活塞桿的兩端,使油液從活塞桿中進(jìn)出,也可設(shè)置在缸體的兩端,但必須使用軟管連接。
如圖3-4雙桿式活塞缸
由于又桿活塞缸兩端的活塞桿直徑通常是相等的,因此它左、右兩腔的有效面積也相等。當(dāng)分別向左、右腔輸入相同壓力和相同流量的油液時,液壓缸左、右兩個方向的推力和速度相等,當(dāng)活塞的
3、直徑為,活塞桿的直徑為 ,液壓缸進(jìn)、出油腔的壓力為和,輸入流量為 時,雙桿活塞缸的推力 和速度 為
( 3-7 )
( 3-8 )
式中 為活塞的有效工作面積。
對桿活塞缸在工作時,設(shè)計成一個活塞桿是受拉的,而另一個活塞桿不受力,因此這種液壓缸的活塞桿可以做得細(xì)些。
2.單桿式活塞缸
如圖3-5所示,活塞只有一端活塞桿,單桿液壓缸也有固定和活塞桿固定兩種形式,但它們的工作臺移動范圍都是活塞有效行程的兩倍。
單桿活塞缸由于活塞兩端有效面積不等。如果相同流量的壓力油分別進(jìn)入液壓缸的左、右腔,活塞移動的速度與進(jìn)油腔的有效面積成反比,即油液進(jìn)入無桿腔時有效面積大
4、,速度慢,進(jìn)入有桿腔時有效面積小,速度快;而活塞上產(chǎn)生的推力則進(jìn)油腔的有效面積成正比。
圖3-5 單桿活塞缸
如圖3-5a ,當(dāng)輸入液壓缸的油液流量為q ,液壓缸進(jìn)出油口壓力分別為和時,其活塞上所產(chǎn)生的推力和速度為
(3-9)
(3-10)
當(dāng)油液從如圖3-5b所示的右腔(有桿腔)輸入時,其活塞上所產(chǎn)生的推力和速度為
(3-11)
(3-12)
由式(3-9)—式(3-12)可知,由于 ,所以 , 。若把兩個方向上的輸出速度和的比值稱為速度比,記作 ,則 。因此,活塞桿直徑越小,越接近于1,活塞兩個方向的速度差值也就越小,如果活塞桿較粗,活塞兩
5、個方向運動的速度差值就較大。在已知 和 的情況下,也就可以較方便地確定。
如果向單桿活塞缸的左右兩腔同時通壓力油,如圖3-6所示,即所謂的差動連接,作差動連接的單出桿液壓缸稱為差動液壓缸,開始工作時差動缸左右兩腔的油液壓壓力相同,但是由于左右運動,同時使右腔中排出的油液(流量為)也進(jìn)入左腔,加大了注入左腔的流量() , 從而也加快了活塞移動的速度。實際上活塞在運動時,由于差動缸兩腔間的管路中有壓力損失,所以右腔中油液的壓力稍大于左腔油液壓力。而這個差值一般都較小可以忽略不計,則差動貢獻(xiàn)力量活塞推力和運動速度為
(3-13)
即
(3-14)
由式(3-13)、式(3
6、-14)可知,差動連接時液壓缸的推力比非差動連接時小,速度比非差動連接時大,正好利用這一點,可使在不加大油源流量的情況下得到較快的運動速度,這種連接方式被廣泛應(yīng)用于組合機(jī)床的液壓動力滑臺和工春它機(jī)械設(shè)備的快速運動中。
如果要求快速運動和快速既定回速度相等,即使 , 則由式(3-12)、式(3-14)可得。
(二)柱塞缸
柱塞缸是一種單作用液壓缸 , 其工作原理如圖3 -7a所示 :
圖3 -7 柱塞缸
柱塞與工作部件連接,缸筒固定在機(jī)體上,當(dāng)壓力油進(jìn)入缸筒時 , 推動柱塞帶動運動部件向右運動,但反向退回時必須靠其它外力或自重驅(qū)動。柱塞缸通常成對反向布置使用 , 如圖3-
7、7b所示。當(dāng)柱塞的直徑為,輸入液壓油的流量為 ,壓力為時,其柱塞上所產(chǎn)生的推力和速度為
(3-15)
(3-16)
柱塞式液壓缸的主要特點柱塞與缸筒無配合要求,缸筒內(nèi)孔不需精加工工業(yè),甚至可以不加工。運動時由缸蓋上的導(dǎo)向套來導(dǎo)向,所以它特別適用在行程較長的場合。
(三)擺動缸
擺動式液壓缸也稱擺動液壓馬達(dá)。當(dāng)它通入壓力油時,它的主軸能輸出小于 的擺動運動,常用于工夾緊裝置、送料裝置、轉(zhuǎn)位裝置以及需要周期性進(jìn)給的系統(tǒng)中。
圖3-8a 所示為單葉片式擺動缸,它的擺動角度較大,可達(dá)。當(dāng)擺動缸進(jìn)出油口壓力為和,輸入流量為時,它的輸出轉(zhuǎn)矩 和角度 各為
(3-17)
8、
(3-18)
式中 為葉片的寬度,、為葉片底部、頂部的回轉(zhuǎn)半徑。 圖3-18b示為雙葉片式擺動缸,它的擺動角度較小,可達(dá),它的輸出轉(zhuǎn)矩是單葉片式的兩倍,而角速度則是單葉片式的一半
(四)其它液壓缸
1.增壓缸
增壓液壓缸又稱增壓器。在某些短時或局部需要高壓液體的液壓系統(tǒng)中,常用增壓缸與低壓流量泵配合作用,單作用增壓缸的工作原理如圖3-8a所法,它有單作用和雙作用兩種型式,當(dāng)?shù)蛪簽榈挠鸵和苿釉鰤焊椎拇蠡钊麜r,大活塞推動與其連成一體的小活塞輸出壓力為的高壓液體,當(dāng)大活塞直徑為,小活塞直徑為時
(3-19)
式中 ,稱為增壓比,它代表其增壓能力。顯然增壓能力是在
9、降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的,也就是說增壓缸僅僅是增大輸出的壓力,并不能增大輸出的能量。
圖3-9增壓缸
單作用增壓缸在小活塞運動到終點時,不能再輸出高壓液體,需要將活塞退回到左端位軒,再向右行時才又輸出高壓液體,即只能在一次行程中輸出高壓液體,為了克服這一缺點,可采用雙作用增壓缸,如圖3-8b所示,由一兩個高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油。
2.伸縮缸
伸縮式液壓缸由兩個或多個活塞式液壓缸套裝而成,前一級活塞缸的活塞是后一級活塞缸的缸筒。伸出時可恥下場獲得很長的工作行程,縮回時可保持很小的結(jié)構(gòu)尺寸,伸縮缸被廣泛用于超重運輸車輛上。
圖3-9是套筒式伸縮缸的原理圖,外伸動作是逐級
10、進(jìn)行的。首先是最大的剛筒以最低的油液壓力開始外伸,當(dāng)?shù)竭_(dá)行程終點后,稍小直徑的缸筒開始外伸,直徑最小的末級最后伸出。隨著工作級數(shù)增多,外伸缸筒直徑越來越小,工作油液壓力隨之升高,工作速度變快。伸縮缸可以是圖3-9a所示的單作用式,也可以是圖 3-9b 所示的雙作用式,前者靠外力回程,而后者靠液壓回程。
圖 3-10伸縮缸
3.齒輪缸
齒輪式液壓缸又稱無桿式活塞缸,它上兩個柱塞和一套齒輪條傳動裝置組成,如圖3-11所示,當(dāng)壓力油推動活塞左右往復(fù)運動時,齒條就推動齒輪件私利旋轉(zhuǎn),從而齒輪驅(qū)動工作部件(如組合機(jī)床中的旋轉(zhuǎn)工作臺)作周期性的確良往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動。
液壓缸的設(shè)計和計算
11、
液壓缸的設(shè)計是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一,由于液壓缸是液壓傳動的執(zhí)行元件,它和主機(jī)工作機(jī)構(gòu)有直接的聯(lián)系,對于不同的機(jī)械設(shè)備及其機(jī)械機(jī)構(gòu),液壓缸具有不同的用途和工作要求 ,因此在設(shè)計液壓缸之前,必須對整個液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析,編制負(fù)載圖,選定系統(tǒng)的工作壓力(祥見第八章)然后根據(jù)使用要求選擇結(jié)構(gòu)類型,按負(fù)載情況、運動要求、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
不同的液壓缸有不同的內(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
12、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)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.液壓缸主要尺寸的確定
缸筒內(nèi)徑D液壓缸的缸筒內(nèi)徑D,是根據(jù)負(fù)載的大小和選定的工作壓力,或運動速度和輸入阻抗的流量,依式(3-7)—式(3-19)有關(guān)節(jié)公式計算之后。再從GB2348-
13、80標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的輸入值而得出的。
(1)活塞桿直徑d液壓缸活塞桿直徑d通常先滿足液壓缸速度或速比的要求來選擇,然后校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,若速比為λ,則
(3-20)
(2)液壓缸缸筒長度L液壓缸的缸筒長度決定,缸筒的長度一般最好不起過其內(nèi)徑的20倍。
(3)最小導(dǎo)向長度 當(dāng)活塞桿全部外伸時,從活塞支承中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度H(如圖3-17)。如果導(dǎo)向長度過小,將使液壓缸的初始撓度過(間隙引起的撓度)增大,影響液壓缸的穩(wěn)定性,因此設(shè)計時必須保證有一最小導(dǎo)向長度。對于一般的液壓缸,當(dāng)液壓缸的最大行程為 L ,缸筒直徑為 D 時,最小導(dǎo)向長度為
14、
(3-21)
活塞的寬度,一般取 ;導(dǎo)向套滑動面的長度,在時取,在時取 。為保證最小導(dǎo)向長度,過分增大和都是不適宜的,必要時可以導(dǎo)向套與活塞這間裝一隔套(圖中零件K),隔套的長度C由需要的最小導(dǎo)向長度H決定,即
(3-22
3.強(qiáng)度校核
液壓缸的缸筒壁厚δ、活塞桿直徑d和缸蓋處固定螺栓的直徑,在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(1)缸筒壁厚校核 液壓缸缸筒壁厚校核時分薄壁和厚壁兩種情況。當(dāng)時為薄壁,壁厚按下式進(jìn)行校核
(3-23)
式中D為缸筒內(nèi)徑;為缸筒試驗壓力,當(dāng)缸的額定壓力時取當(dāng)時取 ; , 為材料抗拉強(qiáng)度,為安全系統(tǒng),一般取 。
當(dāng)時,壁厚按下式
15、進(jìn)行校核
(3-24)
在使用式(3-23)、式(3-24)進(jìn)行校核時,若液壓缸缸筒與缸蓋采用半環(huán)連接,應(yīng)取缸筒壁厚最小處的值。
(2)活塞桿直徑校核 活塞植直徑的校核按下式進(jìn)行
(3-25)
式中 F 為淤塞桿上的作用力;為活塞桿材料的許用應(yīng)力, 。
(3)液壓缸蓋固定螺栓直徑校核 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中同時承受拉應(yīng)力和扭應(yīng)力,其螺栓直徑可按下式校核
(3-26)
式中為液壓缸負(fù)載,固定螺栓個數(shù); 為螺紋擰緊, ; , 為材料的屈服點。
4. 緩沖計算
液壓缸的緩沖計算主要是估計緩沖時液壓缸內(nèi)出現(xiàn)在最大沖擊壓力
16、,以便用來校核缸筒強(qiáng)度、制動距離是還條例要求。緩沖計算中如發(fā)現(xiàn)工作腔中的液壓能和工作部件的支能不能全部被緩沖腔所吸收時,制動中就可能產(chǎn)生活塞和缸蓋相碰現(xiàn)象。
液壓缸在緩沖時,緩沖腔內(nèi)產(chǎn)生的液壓能和工作部件產(chǎn)生的機(jī)械能分別為
(3-27)
(3-28)
式中 為緩沖長度;為緩沖腔中的平均緩沖壓力;為高壓腔中油液壓力;、為緩沖腔、高壓腔的有效工作面積;為工作部件總質(zhì)量;為工作部件運動速度;為摩擦力 。式(3-28)中右邊第一項為高壓腔中的液壓能 , 第二項為工作部件的動能 , 第三項為摩擦能。
當(dāng)時 , 工作部件的機(jī)械能全部被緩沖液體所吸收 , 由上兩式得
(3-29)
若緩沖裝置為節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置,在緩沖過程中的緩沖壓力逐漸降低, 假定緩沖壓力線性地降低, 則最大的緩沖壓力即沖擊壓力 。
(3-30)
若緩沖裝置為節(jié)流口變化式緩沖裝置,則由于緩沖壓力Pc始終不變,最大緩沖力的值即如式(3-29)所示。
5、缸穩(wěn)定性校核
對受壓的活塞桿來說,一般其直徑應(yīng)不小于長度的。當(dāng)時,須進(jìn)行穩(wěn)定性校核,應(yīng)使活塞桿所承受的負(fù)載力小于使其保持穩(wěn)定的臨界負(fù)載力,的值與活塞桿的材料,截面形狀、直徑和長度,以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。驗算可按材料力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行,此處不再撰述。