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摘 要
液壓缸是液壓系統(tǒng)中最廣泛應(yīng)用的一種液壓執(zhí)行元件。液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行元件,它主要是用來(lái)輸出直線運(yùn)動(dòng)。
液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)均是以液體作為工作介質(zhì)來(lái)進(jìn)行能量傳遞的傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)主要是利用液體的壓力能來(lái)傳遞能量；而液力傳動(dòng)則主要是利用液體的動(dòng)能來(lái)傳遞能量。由于液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此，它被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建筑、石油化工、交通運(yùn)輸、軍事器械、礦山冶金、輕工、農(nóng)機(jī)、漁業(yè)、林業(yè)等各方面。同時(shí)，也被應(yīng)用到航天航空、海洋開(kāi)發(fā)、核能工程和地震預(yù)測(cè)等各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域。?
本文對(duì)液壓缸參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,建立液壓缸CAD原型軟件系統(tǒng),主要研究成果如下: 1.系統(tǒng)分析液壓缸工作原理的基礎(chǔ)上,歸納了液壓缸的工作形式及主要安裝形式。在分析液壓缸主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,建立了基于裝配的面向?qū)ο笠簤焊桩a(chǎn)品設(shè)計(jì)模型; 2.研究面向制造的產(chǎn)品特征建模技術(shù),基于產(chǎn)品建模方法和面向?qū)ο蠹夹g(shù),建立了基于特征的液壓缸產(chǎn)品模型。研究了適用于液壓缸參數(shù)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)建模方法及數(shù)據(jù)庫(kù)建模技術(shù),并據(jù)此建立了液壓缸參數(shù)化數(shù)據(jù)庫(kù)模型及基于裝配的液壓缸參數(shù)化模型; 3.建立液壓缸參數(shù)化CAD系統(tǒng)模型,基于商用CAD軟件,開(kāi)發(fā)了液壓缸參數(shù)化CAD軟件原型系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：液壓缸；液壓泵；液壓傳動(dòng)；液力傳動(dòng)
Abstract
Hydraulic cylinders are one of the hydraulic action components, which are widely used to transfer hydraulic power produced by pump to mechanical power with the manner of straight movement.
Hydraulic transmission hydraulic transmission and are based on the liquid as energy transfer medium to the drive. Mainly the use of hydraulic fluid to transmit pressure to energy; and hydraulic transmission is mainly used to transfer the kinetic energy of liquid energy. As a result of hydraulic many prominent advantages, therefore, it is widely used in machine building, construction, petrochemical, transportation, military equipment, mine metallurgy, light industry, agricultural, fisheries, forestry and so on. At the same time, also be applied to aerospace, marine development, nuclear engineering and earthquake prediction in various fields of engineering and technology.
In this paper, the parameters of the hydraulic cylinder design of the system to conduct in-depth research, the establishment of hydraulic cylinder CAD prototype software system, the main research results are as follows: 1. The working principle of hydraulic cylinder systems analysis on the basis of summed up the work of the form of hydraulic cylinder and the major form of installation. Analysis of hydraulic cylinders in the structural characteristics of the main components on the basis of the assembly based on object-oriented model of product design of hydraulic cylinder; 2. Research-oriented products feature modeling, product modeling based on object-oriented methods and technology, based on the characteristics of the hydraulic cylinder product model. Studied for parametric design of hydraulic cylinder of standard parts library and database modeling modeling techniques, and accordingly established a database of hydraulic cylinder model parameters and the hydraulic cylinder assembly based on the model parameters; 3. To establish fluid pressure cylinder of CAD system model parameters, based on the commercial CAD software, has developed a hydraulic cylinder Parametric CAD software prototype system.
Key words：Hydraulic cylinder; hydraulic pump; hydraulic transmission; hydraulic transmission
引 言
液壓傳動(dòng)元件以其功率大，安裝布置簡(jiǎn)便，易于受控，操作方便舒適，故障率低，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，非常適于結(jié)構(gòu)形態(tài)多變，工作條件惡劣的農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用。液壓傳動(dòng)的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過(guò)液體壓力能的變化來(lái)傳遞能量，經(jīng)過(guò)各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(缸或馬達(dá))把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機(jī)械傳動(dòng)中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動(dòng)元件相類似。在液壓傳動(dòng)中，液壓油缸就是一個(gè)最簡(jiǎn)單而又比較完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，分析它的工作過(guò)程，可以清楚的了解液壓傳動(dòng)的基本原理。幾十年來(lái)，液壓技術(shù)不僅在農(nóng)機(jī)，機(jī)床，工程機(jī)械，建筑機(jī)械，航天航空設(shè)備等得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而且形成了龐大的市場(chǎng)。全世界液壓元件市場(chǎng)銷售額已超過(guò)二百億美元，我國(guó)液壓行業(yè)產(chǎn)值已近80億人民幣而液壓油缸是液壓傳動(dòng)中將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)的執(zhí)行元件，被廣泛應(yīng)用于各種液壓機(jī)械設(shè)備中。液壓油缸的設(shè)計(jì)合理性、制造質(zhì)量，直接影響整個(gè)液壓機(jī)械設(shè)備的的使用狀態(tài)，乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和生產(chǎn)的安全性。所以，液壓油缸的合理化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
50
沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
摘 要 I
Abstract II
引 言 III
目 錄 IV
第1章 液壓傳動(dòng)的概述 1
1.1簡(jiǎn)介 1
1.2應(yīng)用領(lǐng)域 1
1.3傳動(dòng)原理 1
1.4主要組成 1
1.4.1動(dòng)力元件（油泵） 1
1.4.2執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達(dá)） 2
1.4.3控制元件 2
1.4.4輔助元件 2
1.4.5工作介質(zhì) 2
1.5表達(dá)符號(hào) 2
1.6現(xiàn)狀及其展望 3
第2章 液壓缸的計(jì)算依據(jù) 4
2.1液壓缸的分類 4
2.2 主要參數(shù)及常用計(jì)算公式 6
2.2.1壓力 6
2.2.2主要尺寸及面積比 6
2.2.3液壓缸活塞的理論推理和拉力 8
2.2.4效率 9
2.2.5液壓缸負(fù)載率 10
2.2.6活塞瞬間線速度 10
2.2.7活塞作用力F 11
2.2.8活塞加速度a 12
2.2.9活塞加（減）速時(shí)間ta（td） 12
2.2.10活塞加（減）速行程Sa（Sd） 12
2.2.11液壓缸流量 13
2.2.12液壓缸功率P 13
第3章液壓缸的典型結(jié)構(gòu) 14
3.1端蓋與缸筒連接方式 14
3.1.1拉桿型液壓缸 14
3.1.2螺紋蓋型液壓缸 14
3.1.3法蘭型液壓缸 14
3.1.4安裝方式 14
3.2專用液壓缸典型結(jié)構(gòu) 16
3.2.1特殊結(jié)構(gòu)液壓缸 16
3.2.2電液伺服液壓缸 17
3.2.3特殊工質(zhì)液壓缸 18
3.2.4組合液壓缸 18
3.2.5多級(jí)液壓缸 18
第4章 液壓缸主要零部件設(shè)計(jì) 20
4.1缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.1.1主要技術(shù)要求 20
4.1.2缸筒結(jié)構(gòu) 20
4.1.4缸筒厚度計(jì)算 23
4.1.5缸筒厚度驗(yàn)算 24
4.1.6缸筒底部厚度計(jì)算 24
4.1.8缸筒材料 25
4.1.9缸筒內(nèi)壁表面加工公差和粗糙度ISO4394 26
4.2活塞件的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
4.2.1活塞結(jié)構(gòu)型式 26
4.2.2密封件溝槽尺寸，公差及粗糙度 26
4.2.3材料 26
4.2.4活塞尺寸及公差 27
4.3活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
4.3.1結(jié)構(gòu) 27
4.3.2活塞桿直徑計(jì)算 28
4.4導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算 31
4.4.1導(dǎo)向環(huán)主要優(yōu)點(diǎn) 31
4.4.2導(dǎo)向環(huán)的型式 31
4.4.3導(dǎo)向環(huán)的尺寸不同 32
4.5活塞桿導(dǎo)向套 32
4.6中隔圈的設(shè)計(jì)計(jì)算（限位圈） 33
4.7緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 34
4.7.1一般技術(shù)要求 34
4.7.2結(jié)構(gòu)型式 34
4.7.3緩沖計(jì)算 36
4.7.4調(diào)整緩沖機(jī)構(gòu)尺寸 38
4.8輔件 40
第5章設(shè)計(jì)主要尺寸圖紙 44
結(jié) 論 45
參考文獻(xiàn) 46
致 謝 47
第一章 液壓傳動(dòng)的概述
1.1簡(jiǎn)介
液壓傳動(dòng)是用液體作為工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式。
液壓傳動(dòng)稱為流體傳動(dòng)，是根據(jù)17世紀(jì)帕斯卡提出的液體靜壓力傳動(dòng)原理而發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，是工農(nóng)業(yè)中廣為應(yīng)用的一門技術(shù)。如今，流體傳動(dòng)技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
1.2應(yīng)用領(lǐng)域
液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機(jī)械、壓力機(jī)械、機(jī)床等；行走機(jī)械中的工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機(jī)械、提升裝置、軋輥調(diào)整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機(jī)構(gòu)等；發(fā)電廠渦輪機(jī)調(diào)速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機(jī)械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進(jìn)器等；特殊技術(shù)用的巨型天線控制裝置、測(cè)量浮標(biāo)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機(jī)起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。
1.3傳動(dòng)原理
液壓傳動(dòng)的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過(guò)液體壓力能的變化來(lái)傳遞能量，經(jīng)過(guò)各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(液壓缸或馬達(dá))把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機(jī)械傳動(dòng)中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動(dòng)元件相類似。
在液壓傳動(dòng)中，液壓油缸就是一個(gè)最簡(jiǎn)單而又比較完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，分析它的工作過(guò)程，可以清楚的了解液壓傳動(dòng)的基本原理。
1.4主要組成
液壓系統(tǒng)主要由：動(dòng)力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。
1.4.1動(dòng)力元件（油泵）
它的作用是把液體利用原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓力能；是液壓傳動(dòng)中的動(dòng)力部分。
1.4.2執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達(dá)）
它是將液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其中，油缸做直線運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
1.4.3控制元件
包括壓力閥、流量閥和方向閥等。它們的作用是根據(jù)需要無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)液動(dòng)機(jī)的速度，并對(duì)液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
1.4.4輔助元件
除上述三部分以外的其它元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、管件各種管接頭(擴(kuò)口式、焊接式、卡套式）、高壓球閥、快換接頭、軟管總成、測(cè)壓接頭、管夾等及油箱等，它們同樣十分重要。
1.4.5工作介質(zhì)
工作介質(zhì)是指各類液壓傳動(dòng)中的液壓油或乳化液，它經(jīng)過(guò)油泵和液動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
1.5表達(dá)符號(hào)
圖1液壓系統(tǒng)表達(dá)符號(hào)
1——油箱 7——油管
2——過(guò)濾器 8——油管
3——液壓泵 9——液壓缸
4——流量控制閥 10——工作臺(tái)
5——溢流閥
6——換向閥
1.6現(xiàn)狀及其展望
液壓油缸也是基于以密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率這一原理實(shí)現(xiàn)工作目的的。目前以其可實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、過(guò)載保護(hù)以及良好的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化特點(diǎn)廣泛應(yīng)用工程領(lǐng)域。當(dāng)前正繼續(xù)向著節(jié)能、與微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合、運(yùn)行的可靠性、高度的集成化、高壓、低噪聲、提高密封性能等發(fā)展。
第2章 液壓缸的計(jì)算依據(jù)
液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的執(zhí)行元件
2.1液壓缸的分類
液壓缸主要分單作用液壓缸，雙作用液壓缸，緩沖式液壓缸，多級(jí)液壓缸，等，具體分類如表1
表1.液壓缸的分類
類別
名稱
圖形符號(hào)
說(shuō)明
單 作 用 液 壓 缸
單作用活塞液壓缸（無(wú)彈簧）
活塞僅作單向外伸運(yùn)動(dòng)，其反向內(nèi)縮運(yùn)動(dòng)由外力來(lái)完成
單作用活塞液壓缸（彈簧回程）
活塞僅作單向運(yùn)動(dòng)，其反向運(yùn)動(dòng)由彈簧力來(lái)完成
單作用伸縮液壓缸（單作用多級(jí)液壓缸）
有多個(gè)單向依次外伸運(yùn)動(dòng)的活塞（柱塞），各活塞（柱塞）逐次運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度和推力均是變化的。其反向內(nèi)縮運(yùn)動(dòng)由外力來(lái)完成
單作用柱塞液壓缸
柱塞僅作單向外伸運(yùn)動(dòng)，其反向內(nèi)縮運(yùn)動(dòng)由外力來(lái)完成。其工作行程比單作用活塞液壓缸長(zhǎng)
類別
名稱
圖形符號(hào)
說(shuō)明
雙 作 用 液 壓 缸
雙作用無(wú)緩沖式液壓缸
活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生推，拉力。活塞在行程終了時(shí)不減速
不可調(diào)單向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生推，拉力?；钊谝粋?cè)形成終了時(shí)減速制動(dòng)，其減速值不可調(diào)。另一側(cè)行程終了時(shí)不減速
不可調(diào)雙向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生推，拉力，活塞在雙側(cè)行程終了時(shí)均減速制動(dòng)，其減速值不可調(diào)
可調(diào)單向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生推，拉力。活塞在一側(cè)形成終了時(shí)減速制動(dòng)，其減速值可調(diào)。另一側(cè)行程終了時(shí)不減速
可調(diào)雙向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生推，拉力，活塞在雙側(cè)行程終了時(shí)均減速制動(dòng)，其減速值可調(diào)
雙活塞桿液壓缸
活塞兩端桿徑相同，活塞作正，反運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度和推（拉）力均相等
雙作用伸縮液壓缸（雙作用多級(jí)液壓缸）
有多個(gè)雙向依次運(yùn)動(dòng)的活塞，各活塞逐次運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度和推，拉力均是變化的
以上列出的是常見(jiàn)的液壓缸分類，未包括一些結(jié)構(gòu)或用途特殊的液壓缸。
2.2 主要參數(shù)及常用計(jì)算公式
2.2.1壓力
1.額定壓力Pn，也稱公稱壓力，是液壓缸能用以長(zhǎng)期工作的壓力。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2346-80規(guī)定了液壓缸的公稱壓力系列如表2
表2 液壓缸公稱壓力（MPa）
2.最高允許壓力Pmax，也是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國(guó)規(guī)范通常規(guī)定為：Pmax≤1.5Pn（MPa） （1-1-1）
3耐壓試驗(yàn)壓力Pt，是液壓缸在檢查質(zhì)量時(shí)需承受的壓力試驗(yàn)，在此壓力下不出現(xiàn)變形或破裂。各國(guó)規(guī)范多數(shù)規(guī)定為：Pt=1.5Pn（MPa） （1-1-2）
軍品規(guī)范為：Pt=(2-2.5) Pn (MPa) （1-1-3）
2.2.2主要尺寸及面積比
1、缸內(nèi)徑D
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2348-80（等效于ISO3320）規(guī)定了液壓缸內(nèi)徑系列如表3
表3缸內(nèi)徑D（mm）
2、活塞桿內(nèi)徑d
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2349-80規(guī)定了活塞桿直徑的基本系列（見(jiàn)表4）
表4活塞桿直徑d（mm）
3、活塞行程S
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2349-80規(guī)定了活塞行程S的基本系列（見(jiàn)表5）
表5活塞桿行程S
4、面積比（即速度比）
= (1-1-4)
A1=/4
A2=/4()
式中 A1——活塞無(wú)桿側(cè)有效面積（）
A2——活塞有桿側(cè)有效面積（）
——活塞桿伸出速度（）
——活塞桿退出速度（）
D——活塞直徑（m2）
d——活塞桿直徑（m2）
值系列案ISO7181規(guī)定，如表6
2.2.3液壓缸活塞的理論推理和拉力
以雙作用單活塞液壓缸為例，液壓油作用在活塞上F1：
（1-1-5）
當(dāng)活塞桿退回時(shí)的理論拉力F2：
（1-1-6）
表6面積比
當(dāng)活塞桿差動(dòng)前進(jìn)時(shí)（即活塞的兩側(cè)同時(shí)進(jìn)壓力相同的液壓油）的理論推力
（1-1-7）
以上三式中
D——活塞直徑（即液壓缸內(nèi)徑）（m）
d——活塞桿直徑（m）
Pi——供油壓力（MPa）
2.2.4效率t
1、 機(jī)械效率，由各運(yùn)動(dòng)件摩擦損失所造成。在額定壓力下，通?？扇?.9。
2、容積效率，由各密封件泄露所造成，通常容積效率為：
圖2 液壓缸活塞受力示意圖
裝彈性體密封圈時(shí)：1
裝活塞環(huán)時(shí)： 0.98
3、作用力效率：由排出口背壓所產(chǎn)生的反向作用力而造成。
活塞外推時(shí)： （1-1-8）
活塞向內(nèi)拉時(shí)： （1-1-9）
式中 ——當(dāng)活塞外推時(shí)，為進(jìn)油壓力；當(dāng)活塞向內(nèi)拉時(shí),為排油壓力（MPa）；
——當(dāng)活塞桿外推時(shí)，為排油壓力；當(dāng)活塞環(huán)內(nèi)拉時(shí)，為進(jìn)油壓力（MPa）；
——同前。
當(dāng)排油直接回油箱時(shí)： 1.
4、總效率
=
2.2.5液壓缸負(fù)載率
為實(shí)際使用推力（或拉力）與理論額定推力（或拉力）的比值：
=實(shí)際使用推力（或拉力）/理論額定推力（或拉力） (1-1-11)
這值是用以衡量液壓缸在工作時(shí)的負(fù)載，通常采用0.5～0.7，但對(duì)有些用途也可取0.45～0.75
2.2.6活塞瞬間線速度
活塞瞬間線速度
= （m/s） (1-1-12)
式中 ——液壓缸瞬時(shí)體積流量（）
A——活塞的有效作用面積
當(dāng) =常數(shù)時(shí)，v=常數(shù)。但實(shí)際上，活塞在行程兩端各有一個(gè)加速階段或一個(gè)減速階段，見(jiàn)圖3
圖3 活塞線速度隨時(shí)間的變化
2活塞最高時(shí)線速度
當(dāng)流量保持不變時(shí)，活塞在行程的中間大部分保持恒速，在活塞桿外推時(shí)，活塞的最高線速度為Vmax為
（1-1-13）
式中 ——桿外推時(shí)的體積流量
活塞桿內(nèi)拉時(shí)
（1-1-14）
式中 ——桿內(nèi)拉時(shí)的體積流量
3活塞平均線速度
（1-1-15）
式中 S——活塞行程（m）
T——活塞在單一方向的全行程時(shí)間（s）
活塞最高線速度與平均線速度可按下式計(jì)算
= （） （1-1-16）
式中 ——活塞線速度系數(shù)
活塞最高線速度受活塞和活塞桿密封圈以及行程末端緩沖機(jī)構(gòu)所能承受的動(dòng)能所限制。
過(guò)低的最大線速度可能造成爬行，不利于正常工作，故應(yīng)大于0.1～0.2。
2.2.7活塞作用力F
液壓缸在工作適，活塞的作用力F，必須克服各項(xiàng)阻力，F(xiàn)的大小為；
F （N） （1-1-17）
式中 ——外負(fù)載阻力（包括外摩擦阻力在內(nèi)） （N）；
——回油阻力（N），當(dāng)油流會(huì)郵箱時(shí)，可以近似取=0，如果回油存在背壓，則當(dāng)桿外推時(shí)，可按式（1.1.6），計(jì)算當(dāng)桿內(nèi)拉時(shí)，可按式（1-1-5）計(jì)算；當(dāng)活塞差動(dòng)前進(jìn)時(shí)，在推力中已考慮了在內(nèi)，故此不必計(jì)算；
——密封圈摩擦阻力 （N）；
——活塞在啟動(dòng)，制動(dòng)或換向時(shí)的慣性力（N）， 在加速時(shí)，取+，在減速時(shí)，取-，在恒速時(shí)，取=0。
密封圈摩擦阻力為活塞密封和活塞桿密封摩擦阻力之和，即
（N） （1-1-18）
式中 ——密封圈摩擦系數(shù)，按不同潤(rùn)滑條件，
可以取=0.05～0.2；
——密封圈兩側(cè)壓力差 （Mpa）；
——分別為活塞及活塞桿密封圈寬度 (m)；
——分別為活塞和活塞桿密封圈摩擦修正系數(shù)，
“O”型密封圈；0.15
壓緊型密封圈；0.2
唇型密封圈；0.25
2.2.8活塞加速度a
活塞加速度或減速度a為 （1-1-19）
式中 m——為活塞及負(fù)載重量（kg）
——為活塞及負(fù)載慣性力（N）
活塞加速度a的符號(hào)為“+”，減速度為“-”。
2.2.9活塞加（減）速時(shí)間ta（td）
如圖2作為活塞簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則活塞的加速度和減速度時(shí)間分別為
（s） （1-1-20）
（s） （1-1-21）
2.2.10活塞加（減）速行程Sa（Sd）
如仍以圖2作為活塞簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)規(guī)律，活塞的加速及減速行程分別為
（m） (1-1-22)
(m) （1-1-23）
裝有緩沖裝置的液壓缸的活塞加速或減速行程與緩沖裝置節(jié)流行程有關(guān)（見(jiàn)1-1-23）
2.2.11液壓缸流量
當(dāng)活塞桿外推時(shí)；
(1-1-24)
當(dāng)活塞桿內(nèi)拉時(shí)；
（1-1-25）
對(duì)于彈性物密封圈； 對(duì)于金屬活塞壞；
2.2.12液壓缸功率P
當(dāng)活塞桿外推時(shí)；
（w） （1-1-26）
當(dāng)活塞桿內(nèi)拉時(shí)；
（w） (1-1-27)
以上各式中凡未加說(shuō)明的代號(hào)，其意義和單位均與前相同。
第3章液壓缸的典型結(jié)構(gòu)
通用液壓缸用途較廣，適用用與機(jī)床，車輛，重型機(jī)械，自動(dòng)控制等用途。已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其安裝尺寸。此類液壓缸的結(jié)構(gòu)可從端蓋與缸筒的連接方式和安裝方式敘述。
3.1端蓋與缸筒連接方式
3.1.1拉桿型液壓缸
兩端蓋和缸筒用多根長(zhǎng)拉桿來(lái)連接，通常兩端蓋均為正方形或長(zhǎng)方形，用四根拉桿拉緊（圖4）
圖4拉桿式液壓缸
3.1.2螺紋蓋型液壓缸
活塞桿側(cè)的前端蓋制有螺紋以旋入相應(yīng)的缸筒螺紋內(nèi)，后端蓋則多數(shù)是焊接在缸桶后端
這類液壓缸暴露在外面的零件較少，外表光潔，外形尺寸較小，能承受一定的沖擊負(fù)載和嚴(yán)酷的外界環(huán)境條件。但由于前端蓋螺紋強(qiáng)度和預(yù)緊端蓋的操作的限制，因此不能用與過(guò)大的缸內(nèi)直徑和太高的額定工作壓力，通常用與內(nèi)徑d
這類液壓缸多用與車輛，船舶，礦業(yè)等室外作業(yè)機(jī)械上。
3.1.3法蘭型液壓缸
兩端蓋均有法蘭，用多個(gè)螺釘分別與鋼筒相應(yīng)的法蘭連接
3.1.4安裝方式
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6099—1985初步規(guī)定了51種安裝方式，分為七類，并用字母和數(shù)字表示。字母為M，表示安裝方式，后面為字母和數(shù)字。字母的定義如下：
M——安裝 R——螺栓端
D——雙活塞桿 S——第腳
E——前端或后端 T——耳軸
F——法蘭（可拆的） X——雙頭螺栓或拉桿
P——圓柱銷
實(shí)用上多限于6-12種，如目前采用較廣泛的三項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定7-12種安裝方式（見(jiàn)表7）
表7各類液壓缸的安裝方式代號(hào)
國(guó)際
標(biāo)準(zhǔn)
液壓缸類型
工作壓力
安裝方式代號(hào)
安裝方式
數(shù)目
ISO6020/1
單活塞桿——中型系列
16
MF1。MF2，MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT1，MT2，MT3
11
ISO6020/2
單活塞桿——小型系列
16
ME5，ME6，MP1，MP3，MP5，MS2，MT1，MT2，MT4，MX1，MX2，MX3
12
ISO6022
單活塞桿
25
MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT4
7
表7中各種規(guī)定了7-12種安裝方式代號(hào)所代表的意義如下：
端蓋類：ME5——前端矩形端蓋安裝
ME6——后端矩形端蓋安裝
法蘭類：MF1——前端矩形法蘭安裝
MF2——后端矩形法蘭安裝
MF3——前端圓形法蘭安裝
MF4——后端圓形法蘭安裝
耳環(huán)類：MP1——后端固定式雙耳環(huán)安裝
MP3——后端固定式單耳環(huán)安裝
MP4——后端可拆式單耳環(huán)安裝
MP5——后端固定式球鉸耳環(huán)安裝
MP3——后端可拆式球鉸耳環(huán)安裝
底座類：MS2——側(cè)底座安裝
耳軸類：MT1——前端整體式耳軸安裝
MT2——后端整體式耳軸安裝
MT3——中間固定或可移式耳軸安裝
MT4——中間固定或可拆式耳軸安裝
螺栓螺孔類：
MX1——兩端四雙頭螺栓式安裝
MX2——后端四雙頭螺栓式安裝
MX3——前端四雙頭螺栓式安裝
上表中各種安裝方式的安裝尺寸，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸時(shí)，可查閱表中有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3.2專用液壓缸典型結(jié)構(gòu)
專用液壓缸指專門為某一用途而設(shè)計(jì)的液壓缸，以滿足該用途的特殊要求，為此在結(jié)構(gòu)，材料，精度，組合型式方面均較為特殊。這些液壓缸中有些已形成系列并投入批產(chǎn)。
3.2.1特殊結(jié)構(gòu)液壓缸
（1）重型液壓缸
重型機(jī)械如軋鋼機(jī)，冶煉電爐等用的液壓必須在高溫，多塵，蒸汽等惡劣環(huán)境下工作，須連續(xù)作業(yè)，并承受猛烈的沖擊負(fù)載。
（2）控速液壓缸
為適應(yīng)活塞高速下工作，并能在行程末端進(jìn)入緩沖區(qū)時(shí)避免壓力沖擊，須在加速和減速階段控制活塞的速度和加，減速度，達(dá)到無(wú)級(jí)緩沖的效果。
（3）自鎖液壓缸
這類液壓缸裝有自鎖機(jī)構(gòu)，可按要求將活塞桿鎖定在要求的位置上。
自鎖機(jī)構(gòu)分兩種：
液壓鎖
優(yōu)點(diǎn)：無(wú)級(jí)鎖定，鎖定位置可任意調(diào)定，鎖定可靠，不會(huì)移位，可以遙控，只要操縱壓力油壓流向，即可鎖定或松鎖。
機(jī)械鎖
機(jī)械鎖多用在行程方向上的鎖定，包括液壓缸自帶機(jī)械鎖和液壓缸外部對(duì)活塞桿的機(jī)械鎖。液壓缸自帶機(jī)械鎖又可分為活塞機(jī)械鎖和活塞桿機(jī)械鎖，也可分為無(wú)級(jí)機(jī)械鎖和端位機(jī)械鎖。
（4）鋼索液壓缸
為節(jié)省液壓缸的軸向空間，實(shí)現(xiàn)特長(zhǎng)行程之用，所帶動(dòng)的負(fù)載是較輕的。這種缸也稱無(wú)桿液壓缸。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：液壓缸的兩端蓋外各裝有一個(gè)鋼索滑輪?；钊麤](méi)有活塞桿，活塞的兩側(cè)面分別與鋼索的一端相聯(lián)。活塞移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鋼索作同方向移動(dòng)。
（5）浸水液壓缸
用于浸在水中作業(yè)。液壓缸不僅要防止工作油液泄露帶外部，還要防止外部的水滲漏到缸內(nèi)。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：除活塞桿的密封件外，另外還裝有外向密封圈，在外面再加一防塵圈。內(nèi)和外向密封圈之間有一個(gè)低壓腔，用于回油管把低壓腔與油箱連接，以防止油液向外泄露。外露零件用不銹鋼制成。
（6）開(kāi)關(guān)式限位液壓缸
為限制行程末端位置，當(dāng)活塞桿到達(dá)調(diào)定的極限位置時(shí)，由桿帶動(dòng)的滑塊觸動(dòng)行程開(kāi)并發(fā)出電信號(hào)，控制液壓系統(tǒng)方向閥的電磁鐵，使活塞停下來(lái)作反向運(yùn)動(dòng)。
（7）位置傳感液壓缸
此種液壓缸能傳感活塞在行程中的任一位置，并發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：這種液壓缸一般是差動(dòng)式，活塞桿直徑較大，內(nèi)鉆長(zhǎng)孔，使位置傳感器的探測(cè)桿能深入，目前采用的位移傳感器多屬非接觸式。
3.2.2電液伺服液壓缸
為達(dá)到較高控制精度，縮短連接油管道長(zhǎng)度以達(dá)到較的頻率響應(yīng)，在液壓缸中集成了控制壓力油的壓力或流量的電液伺或比例閥和負(fù)載反饋傳感器此種液壓缸用于伺服控制操作系統(tǒng)，根據(jù)控制信號(hào)的類型，其結(jié)構(gòu)型式可分為下列兩類：
模擬式電液伺服液壓缸
負(fù)載反饋傳感器是一個(gè)表示負(fù)載移動(dòng)量的位移傳感器，裝在后端蓋外，其探測(cè)桿伸入活塞桿中心孔內(nèi)。
技術(shù)要求：低摩擦，無(wú)爬行，有較高的頻率響應(yīng)，低內(nèi)外泄露。
通常對(duì)其摩擦副作特殊處理如下：
缸筒：內(nèi)摩擦面鍍硬鉻后拋光；
活塞密封：用玻璃微珠填充的聚四氟乙烯制的O形或唇形密封圈，也有外圓帶很小圓錐度的活塞靜動(dòng)壓密封；
活塞桿密封：用丁腈橡膠制預(yù)加壓唇形密封圈，也有內(nèi)圓帶很小圓錐度的導(dǎo)向套靜動(dòng)壓密封；
活塞桿導(dǎo)向套：用高耐磨和高硬度的FeN鑄鐵；
防塵圈：用雙金屬型，并預(yù)先磨成刃口形；
油管：伺服閥與液壓缸之間的油管用過(guò)度塊內(nèi)直接鉆孔的通道和預(yù)裝的厚壁剛性短管。
電液伺服液壓缸用途較廣：飛機(jī)的起落架，薄鋼板軋機(jī)，材料疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，機(jī)械手等，作為力或位置速度伺服之用。
數(shù)字式電液伺服液壓缸
這種液壓缸也稱脈沖液壓缸，能直接接收數(shù)字信號(hào)以轉(zhuǎn)換為精確的線性機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
這類液壓缸的優(yōu)點(diǎn)：
頻率響應(yīng)高，起動(dòng)頻率高；
單位功率的成本低，容易達(dá)到很大輸出力；
傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，無(wú)游隙，精度高；
只需要小功率的脈沖電源，
動(dòng)態(tài)流量計(jì)量液壓缸
作為液壓元件或系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)流量之用
這種液壓崗的技術(shù)要求是：能迅速對(duì)流量的變化作出反應(yīng)，因此對(duì)內(nèi)漏不必作過(guò)分嚴(yán)格的的控制而運(yùn)動(dòng)件的摩擦力應(yīng)極小，無(wú)爬行，頻響高，慣量極小。
這類液壓缸的動(dòng)態(tài)流量測(cè)量精度可達(dá)0.5%，頻率響應(yīng)達(dá)1000Hz。
3.2.3特殊工質(zhì)液壓缸
高水基液壓缸
這類缸用高水基液作為工作介質(zhì)。高水基液在節(jié)流處容易產(chǎn)生氣蝕，其粘度很低以致泄露率比石油激液高5倍以上，液膜承載能力也很低，因而造成摩擦副劇烈磨損。因此這種液壓缸的工作最高壓力目前只限于7MPa。
水質(zhì)液壓缸
采用水作為介質(zhì)。工作情況比高水基更惡劣，因此工作最高壓力多限在3.5MPa以內(nèi)。
主要零件的材料要求更加耐腐蝕：活塞用青銅，活塞桿用不銹鋼制。
3.2.4組合液壓缸
由液壓缸，電動(dòng)機(jī)，液壓泵，油箱，濾油器，蓄能器，控制液壓閥組合的總成。
這類液壓缸有較多優(yōu)點(diǎn)：集成程度高，體積小，可以在車間全部裝配好和調(diào)試好，不必在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，從而保證安裝和調(diào)試質(zhì)量，避免污染。同時(shí)省出常規(guī)液壓系統(tǒng)的管系，能減少泄露和管道的壓力損耗，提高響應(yīng)頻率，節(jié)省能源，使維修和保養(yǎng)工作作減到最少。
3.2.5多級(jí)液壓缸
多級(jí)液壓缸是用多個(gè)相套的不同直徑的套筒作為活塞，最小一級(jí)的套筒則封底。
優(yōu)點(diǎn)：
套筒全部?jī)?nèi)縮時(shí)，長(zhǎng)度較小，當(dāng)各級(jí)套筒全部外伸時(shí)，工作行程為單級(jí)行程乘級(jí)數(shù)的積，因此能節(jié)省較多地位。
缺點(diǎn)：
套筒由于空間布置關(guān)系而不能過(guò)大的壁厚，故工作壓力一般不超過(guò)10MPa，行程短而級(jí)數(shù)少的缸則可用到25MPa的工作壓力。
舉升多級(jí)液壓缸
在供油時(shí)各級(jí)套筒外伸，不供油時(shí)，在負(fù)載或重力作用下，各級(jí)套筒內(nèi)縮，因此可用但作用缸，也有最小一級(jí)用雙作用以加速內(nèi)縮速度。對(duì)這類缸，通常要求能提供恒定的舉升功率，在全行程中均勻舉升，在供油軟管爆裂時(shí)各套筒的內(nèi)縮速度不至于過(guò)大等。
起重機(jī)伸縮臂多級(jí)液壓缸
起重機(jī)伸縮臂的多級(jí)液壓缸工作方式要求在外伸和內(nèi)縮時(shí)都能帶動(dòng)負(fù)載。此外，其行程特別長(zhǎng)，故鋼筒和套筒都應(yīng)有足夠的剛性，防止中間彎曲。
第4章 液壓缸主要零部件設(shè)計(jì)
4.1缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1.1主要技術(shù)要求
1）有足夠的強(qiáng)度，能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力而不致產(chǎn)生永久性變形；
2）有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致于產(chǎn)生彎曲；
3）內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長(zhǎng)期工作而磨損少，有高的幾何精度，足以保證活塞密封件的密封行；
4）有幾種結(jié)構(gòu)的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上法蘭或管接頭后不致于產(chǎn)生裂紋或過(guò)大的變形。
4.1.2缸筒結(jié)構(gòu)
常用的缸筒結(jié)構(gòu)有八類，表8列舉21種采用較多的結(jié)構(gòu)。通常根據(jù)缸筒與端蓋的連續(xù)型式選用其結(jié)構(gòu)，而連接型式又取決于額定工作壓力，用途，使用環(huán)境等因素。
表8 常用的缸筒與缸蓋的連接型式
4.1.3缸筒計(jì)算
缸筒內(nèi)徑計(jì)算
a當(dāng)液壓缸的理論作用力F及供油壓力為已知時(shí)，則缸筒內(nèi)徑D按下式計(jì)算（無(wú)活塞桿側(cè)）得：
(3-1-1)
有活塞桿側(cè)：
(3-1-2)
式中 d——活塞桿直徑（m）；
——供油壓力（MPa）；
、——分別為液壓缸的理論推力和拉力（N）。
液壓缸的理論作用力F，按下式確定：
（N） (3-1-3)
式中 ——活塞桿上的實(shí)際作用力（N）；
——負(fù)載率，一般取=0.5～0.7；
——液壓缸的總效率。
b當(dāng)活塞差動(dòng)前進(jìn)的理論推力：
= (3-1-4)
我們知道液壓系統(tǒng)的最大推力為47.124N，=25MPa，液壓缸的無(wú)腔工作面積為有腔工作面積的兩倍，即活塞桿直徑d與缸筒直徑D的關(guān)系為d=0.543D，背壓=25MPa。
= =
得 =314.16c
D==0.0198m (3-1-5)
按GB/T2348—1980將直徑圓整成標(biāo)準(zhǔn)值是得：
D=0.02m=200mm
4.1.4缸筒厚度計(jì)算
缸筒厚度為：
=++ (3-1-6)
式中 ——為缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值（m）；
——為缸筒外徑公差余量（m）
——腐蝕余量（m）
關(guān)于的值，可按下列情況分別進(jìn)行計(jì)算：
當(dāng)/D≤0.008時(shí)，可用薄壁缸筒的實(shí)用計(jì)算式：
（m） （3-1-7）
我們?nèi)?0.0384，這時(shí)候/D=0.16在0.08～0.3之間，所以選用實(shí)用公式：
（m） (3-1-8)
其中p1.5MPa，我們選用45號(hào)鋼，它的許用應(yīng)力=/n=600/2=300N/