第3章 课程设计参考资料
3.1 液压缸
液压缸是液压与气压传动的执行元件，它与主机及主机的工作结构有着直接的联系。不同的机型和工作机构对液压缸则有不同的工作要求。因此在设计液压缸之前，应了解主机的用途和工作条件，工作机构的结构特点、负载值、速度、行程大小和动作要求，液压系统所选定的工作压力和流量等，以作为设计的原始依据。由于工作条件的不同和要求的多样也很难标准化。一般均要进行专门的设计和计算，其步骤如下：
（1）根据总体设计的要求，选择液压缸的类型和安装形式； （2）根据外负载大小，确定液压缸的工作压力；
（3）根据液压缸(或系统)工作压力和住复运动速比，确定液压缸的主要尺寸(如内径、活塞杆直径、缸壁厚度等)；
（4）根据机构运动的行程和速度的要求，确定液压缸的长度和流量以及进出口的尺寸；
（5）根据工作压力及选用的材料，进行液压缸结构设计(确定缸盖、活塞的连接形式和结构尺寸等)；
（6）确定导向、密封、防尘、缓冲和排气等装置的形式；
（7）整理设计计算说明书，绘制装配图和零件工作图。
3.1.1 液压缸安装形式
液压缸的安装形式很多，但大致可分为两类： 1、轴线固定类
这类安装形式的液压缸在工作时，轴线位置固定不变。机床上的液压缸大多是采用这种安装形式。
（1）通用拉杆式
在两端缸盖上钻出通孔，用双头螺杆将缸和安装座连接拉紧。一般用于短行程、压力低的液压缸。
（2）法兰式
用液压缸上的法兰将其固定在机器上。法兰设置在活塞杆端的缸头上，外侧面与机械安装面贴紧，这叫头部外法兰式。由于液压缸工作时反作用力的作用，安装螺栓承受液压力的拉伸作用，因而安装螺栓的直径较大，并且要求强度计算。
法兰设置在活塞杆端的缸头上，内侧面与机械安装面贴紧，这叫头部内法兰式。液压缸工作时，安装螺栓受力不大，主要靠安装支承面承受，所以法兰直径较小，结构较紧凑。这种安装形式在固定安装形式中应用得最多。
法兰设置在缸的底部，与机械安装面用螺栓紧固，这叫尾部法兰式。这种安装形式使液压缸悬伸，安装长度较大，稳定性差。
（3）支座式
将液压缸头尾两端的凸缘与支座紧固在一起。支座可置于液压缸左右的径向、切向，也可置于轴向底部的前后端。径向安装时，安装面与活塞杆轴线在同一平面上，液压缸工作时，安装螺栓只承受剪切力；切向和轴向安装时，活塞的轴线与支座底面有一定的距离，安装螺栓既受剪切力，又承受因存在倾翻力矩而产生的弯曲力。切向安装时倾翻力矩比轴向安装时要小一些。
2、轴线摆动类
液压缸在往复运动时，由于机构的相互作用使其轴线产生摆动，达到调整位置和方向的要求。
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安装这类液压缸，安装形式也只能采用使其能摆动的铰接方式。工程机械、农业机械、翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式。
（1）耳轴式
将固定在液压缸上的铰轴安装在机械的轴座内，使液压缸轴线能在某个平面内自由摆动。 耳轴设置在液压缸头部的叫头部耳轴式。这种安装形式的液压缸，摆动幅度较小，但稳定性较好。
耳轴设置在液压缸尾部的尾部耳轴式。这种安装形式的液压缸，摆动幅度较大，但稳定性较差。 耳轴设置在液压缸中部的叫中间耳轴式，其摆动幅度和稳定性一般。 （2）耳环式
将液压缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起，使液压缸能在某个平面内自由摆动。耳环在液压缸的尾部，可以是单耳环，也可以是双耳环，还可以做成带关节轴承的单耳环或双耳环。
（3） 球头式
将液压缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起，使液压缸能在一定的空间锥角范围内任意摆动。这种安装形式自由度大，但稳定性差。船舶起货吊杆液压缸多用这种形式。
应该指出，轴线摆动安装的液压缸往往工作时都是倾斜的，随着活塞杆的逐渐伸出，轴线与水平面的夹角也逐渐变化，其工作出力随着夹角的变化而变化，因此，计算液压缸的有效工作出力时，一定要以夹角处于最小时能推动的负载为依据。
3.1.2 液压缸主要参数及尺寸的确定
3.1.2.1 液压缸工作压力的确定
（1）液压缸的载荷的组成和计算
液压缸的载荷的组成和计算见第2章2.2.1.1。 （2）液压缸工作压力的选定
当系统的工作压力尚未确定的时候，必须首先根据负载的大小或机械设备类型合理地选择油缸的工作压力（表2.2-2或2.2-3），选定的工作压力应符合GB/T7938-1987的规定值（表3.1-1）。
表3.1-1 液压缸的公称压力pn（摘自GB/T7938-1987） 单位：MPa
0.63 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 31.5 40.0 3.1.2.2 液压缸内径及活塞杆直径的确定
（1) 内径计算
对于双作用单杆活塞缸，当压力油输入无杆腔，活塞杆以推力驱动工作负载时，其推力为
F??4[(p?p0)D2?p0d2]?cm
由此得缸筒内径
p0d24F? D? （m）
?(p?p0)?cmp?p0式中P——工作压力（Pa）；
，若回油直接通油箱，可取P0≈0； P0——回油背压（Pa）
?cm——机械效率，考虑密封件的摩擦阻力损失，橡胶密封通常取?m?0.92；
d——活塞杆直径（m），通常d?(0.2~0.7)D 。
当活塞杆以拉力驱动负载时，则压力油进入有杆腔，其拉力为
R?
?4[(p?p0)D2?pd2]??m
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由此得缸筒内径
4Rpd2? D? (m)
?(p?p0)?cmp?p0由上式计算所得的缸筒内径，需按GB/T2348-1993规定的液压缸内径尺寸系列圆整成标准值。（表3.1-2）
表3.1-2 液压缸内径尺寸系列（GB/T2348-1993） 单位：mm 8 80 10 （90） 13 16 20 125 400 25 （140） （450） 32 160 500 40 （180） 50 200 63 （220） 100 （110） 250 （280） 320 （360） 注：括号内尺寸为非优先选用者。 (2)活塞杆直径
活塞杆的直径可根据工作压力或设备类型选取，见表3.1-3和表3.4-4。当液压缸的往复运动速度比有一定要求时，可按速比?的关系式求出活塞杆的直径为
d???1D ?式中的?值过大会使无杆腔产生过大的背压，速度比?过小则活塞杆太细，稳定性不好，推荐液压缸的速度比?如表3.1-5。
表3.1-3 液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压力p（MPa） 推荐活塞杆直径d 表3.1-4 设备类型与活塞杆直径 设备类型 活塞杆直径d 表3.1-5 液压缸往复速度比推荐值 液压缸工作压力p（MPa） 往复速度比? 以上计算所得的活塞杆直径，均需按GB/T2348-93规定的活塞杆外径尺寸系列圆整成标准值。（表3.1-6）
表3.1-6 液压缸活塞杆外径（杆径）尺寸系列（摘自GB/T2348-93）单位：mm 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 ≤10 1.33 1.25~20 1.46，2 >20 2 磨床、研磨机 （0.2~0.3D） 插、拉、刨床 0.5D 钻、镗、车、铣床 0.7D <5 （0.5~0.55）D 5~7 （0.6~0.7）D >7 0.7D 3.1.2.3 液压缸活塞行程的确定
液压缸活塞的行程长度，可按照执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表3.1-7中的系
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列尺寸来选取标准值。
表3.1-7 液压缸活塞行程参数系列（GB/T2349-80） 单位：mm I II 25 500 40 550 240 Ш 750 2400
50 630 63 700 260 850 2600 80 800 90 900 300 950 3000 100 1000 110 1100 340 1050 3400 125 1250 140 1400 380 1200 3800 160 1600 180 1800 420 1300 200 2000 220 2200 480 1500 250 2500 280 2800 530 1700 320 3200 360 3900 600 1900 400 4000 450 650 2100 注：液压缸活塞行程参数依I、II、III次序优先选用。
3.1.2.4 活塞杆强度和液压缸稳定性计算
（1）活塞杆强度计算
活塞杆的直径d按下式进行校核
d?4F ?[?]式中，F—活塞杆上的作用力；
[?]—活塞杆材料的许用应力，[?]=?b/1.4。
（2）液压缸稳定性计算
活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载Fk，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。Fk的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆稳定性的校核依下式进行
F?式中，nk为安全系数，一般取nk=2~4。
当活塞杆的细长比l/rk??1Fk nk Fk?当活塞杆的细长比l/rk??1?2时
?2?2EJl2
?2时
fA
al21?()?2rkFk?式中，l为安装长度，其值与安装方式有关，见表3.1-8；rk为活塞杆横截面最小回转半径，
rk?J/A；?1为柔性系数，其值见表3-11；?2 为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表
1；E为活塞杆材料的弹性模量，对钢取E?2.06?10N/m；J为活塞杆横截面惯性矩；A为活塞杆横截面积；f为由材料强度决定的实验值，?为系数，具体数值见表3.1-9。
表3.1-8 液压缸支承方式和末端系数?2的值 支承方式 支承说明 末端系数?2 112 31
一端自由一端固定 1 4两端铰接 1 一端铰接一端固定 2 两端固定 表3.1-9 f、?、?1的值
材料 铸铁 锻铁 钢
4 f?108N/m2 5.6 2.5 4.9 ? 1/1600 1/9000 1/5000 ?1 80 110 85 3.1.2.5 液压缸缸筒长度及壁厚的确定
（1）液压缸的缸筒长度
液压缸的缸筒长度L由液压缸最大行程、活塞宽度、活塞杆导向套长度、活塞什密封长度和特殊要求的其它长度确定。其中，活塞宽度B＝(0.6~1.0)D；导向套长度C：当D<80mm时，C＝(0.6~1.0)D；当D≥80mm时，C= (0.6~1.0)d。为减小加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20~30倍。
（2）缸筒壁厚和外径计算
缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况。当D/??10时为薄壁，壁厚按下式进行校核
??pyD2[?]
式中，D为缸筒内径；py为缸筒试验压力，当缸的额定压力pn?16MPa时，取py=1.5pn；而当
pn?16MPa时，取py=1.25pn；[?]为缸筒材料的许用应力，[?]=?b/n，?b为材料抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5。
当D/??10时，壁厚按下式进行校核
D[?]?0.4py??(?1)
2[?]?1.3py在壁厚和内径确定的基础上，求出缸筒的计算外径：
D0?D?2?
然后圆整为标准外径。
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