液壓油缸的設計方法

王占武（阜新市液壓公司，遼寧　阜新　123000）

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液壓油缸的設計方法

王占武
（阜新市液壓公司，遼寧阜新123000）

摘要：本文主要論述液壓油缸的設計方法及密封選用，裝配及試驗，簡單，方便易懂。

關鍵詞：油缸，法蘭；緩沖；活塞桿；密封

1　設計參數給定

首先給定油缸直徑、活塞桿直徑、缸外徑、油缸行程、液壓系統壓力、法蘭厚、缸筒壁厚、工作介質普通液壓油。

油缸活塞面積A =πd2/4 m2、油缸推力F = PA N

（1）法蘭安裝方式：油缸安裝方式為前端法蘭固定。

（2）緩沖機構選用：在承壓10MPa以上應當選用緩沖機構，本次設計工作壓力25MPa，因有鉆孔機構，所以前端忽略，采用后緩沖。

（3）密封裝置的選用：選用Y型軸孔通用密封圈，材質聚氨酯（PU），因壓力超過16MPa，故Y形密封圈加擋圈。

2　液壓缸的裝配

裝配前先檢查各零件尺寸，然后對各零件去除飛邊，毛刺，然后用煤油清洗，清洗完后，放在干燥環境中自然風干，或用氣泵風吹干。裝配前各滑動部位涂抹潤滑油，裝配時要輕拿輕放，不允許劃傷和碰傷。

活塞與活塞桿裝配后，應測量同軸度，圓度及圓柱度，直線度，不能超差。裝配完畢后各相對運動部件間運動靈活，無卡滯發生。

3　液壓缸各部的設計與計算方法

3.1缸筒設計

①缸筒結構的選擇：選取卡鍵式連接，參照國家標準，外形尺寸小，結構簡單。

②缸筒的要求：缸筒一般采用20#或35#，特殊要求及強度的采用特殊材質，要求在動態工作壓力下，長時間工作不變形；活塞桿要有足夠剛度，在伸出中不允許有彎曲及扭動；缸筒內表面光滑，并鍍鉻。

③缸筒材料的選取及強度給定：材料的機械性能參照機械手冊，本次設計選20號鋼，從表中得到：缸筒材料的屈服強度σs=300MP；缸筒材料抗拉強度σb=480MP；進而用屈服強度來計算得到，缸筒材料的許用應力［σ］=σs/n=320/5=64MPa。安全系數取5，參照機械設計手冊。

④缸筒的計算。1）液壓缸的效率：油缸的效率η由以下三種效率組成：（A）機械效率ηm由各運動件摩擦損失所造成，在額定壓力下，通?？扇ˇ莔≈0.9。（B）容積效率ηv由各密封件泄漏所造成，通常容積效率ηv為：裝彈性體密封圈時：ηv≈1。裝活塞環時：ηmηv≈0.98。（C）作用力效率ηd，由出油口背壓所產生的反作用力而造成。ηm=0.9、ηv=1、ηd=0.9所以η=ηmηvηd，所以總效率為0.8。2）流量計算。液壓缸流量根據機械設計手冊計算。設計要求中給定了活塞的平均速度：初定油缸進給量1-10 mm/s，所以vm=0.1m/s。容積效率：ηv=1。根據機械設計手冊得到活塞桿外推時的流量：q1= AV = 1.54*10-2m2x1*10-2*6*104= 9.24 L /min，因只使用推力，回程方向的流量忽略。3）缸筒壁厚的計算。缸筒壁厚可以根據機械設計手冊按薄壁缸筒進行計算：根據缸徑查手冊預取δ=11，此時δ/D=11/140=0.1≤0.789，滿足使用薄壁缸筒計算式的要求，缸筒最高允許使用壓力取額定壓力的1.5倍，根據給定參數P=25MP，所以：Pmax=25×1.5=37.5MPa許用應力在選取材料的時候給出：［σ］=σs/n=320/2.5=128MP，根據機械設計手冊得到壁厚：δ=13.1mm，取壁厚為15mm。缸筒的加工要求：缸筒的內表面先粗車，然后衍磨，表面粗糙度Ra為0.16，最后進行研磨；缸筒內徑D的圓度、圓柱度不大于內徑公差之半；缸筒直線度不大于0.03mm。

3.2法蘭設計

采用前法蘭，并鉆6-18孔，用來與部件連接法蘭厚度根據機械設計手冊計算：法蘭在最大內壓的情況下受到的壓力F=Pmax×A1=369600N。接下來選取其它參數：ra=135mm、dL=22mm、b=51mm。許用應力在選取材料的時候給出：［σ］=σs/n=320/2.5=128MP，根據以上各量可以得到：h=40.7mm，為保證安全，取法蘭厚度為42mm。

3.3活塞設計

①活塞結構的設計：采用分體式活塞，密封圈和導向環安裝后，兩端壓蓋夾緊。

②活塞的密封：選用進口U形密封圈，材質為橡塑復合材料和PTFE，優質的密封材質，克服了缸筒，缸頭及活塞桿裝配的誤差，能有效減少摩擦及提高運性能。

③活塞的材料：選用HT200。

④活塞的尺寸及加工公差：選擇活塞厚度為活塞桿直徑的0.8-1倍，所以計算活塞厚度近似為100mm?；钊芊馊讖郊庸ぞ?.8?；钊鈴綄瓤椎耐S度公差不大于0.02mm，端面與活塞孔軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm。

3.4活塞桿的設計

為了加強桿的強度，采用空心桿，設計形式為空心兩端加堵，焊接后，先粗車，再精車，最后磨?；钊麠U與活塞采用卡鍵連接固定，最后用外用軸用彈性擋圈鎖緊，端部加鎖緊螺母鎖死。

活塞桿的材料選用40Cr調質，調質后回火，保證其性能，本次設計中活塞桿只承受推力，磨削后電鍍，鍍層深度為表面0.03，鍍后做拋光處理?；钊麠U表面粗糙度Ra選擇為0.3μm 。

1）活塞桿的計算?；钊麠U直徑的計算：活塞桿的直徑根據速比及具體工況而定，具體計算公式參見機械手冊，所以計算得出：d=74.83mm，也可以從機械設計手冊的表格中直接查取，但此油缸為非標，所以計算得出。缸筒內徑為140mm，選取活塞桿直徑是80mm；活塞桿強度的計算?；钊麠U端部的負載連接點與與液壓缸支撐之間的距離為LB，因活塞桿LB≤10d，不屬于細長桿，參見機械手冊計算活塞桿強度。根據最大推力F，得到活塞桿的直徑：d≥72mm，強度完全符合要求。

2）活塞桿的導向、密封和防塵的選用。導向環選用聚四氟乙烯，優點是摩擦阻力小、耐側壓，強度高，耐用、且溝槽不需要高精度，拆換方便。密封：選用進口U形密封圈，材質為橡塑復合材料和PTFE，使摩擦阻力小，密封性能好，抗沖擊。防塵：使用J形加四氟防塵圈，材料是聚氨酯+PTFE。

3.5緩沖裝置

由于油缸緩沖裝置要求不高，利用間隙困油即可，前端下行為慢速，無需緩沖裝置。

參考文獻：

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［4］張書奇.液壓自動往復液壓缸的設計［J］.液壓氣動與密封，2003（10）.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.064

作者簡介：王占武（1973-），男，遼寧阜新人，技術部長，研究方向：液壓。