任务三：液压缸的设计计算

项目四：液压执行元件任务三：液压缸的设计计算授课教师：掌握液压缸设计的要点及主要尺寸的计算方法，了解液压缸的强度与刚度的校核。任务概述知识与技能在工程实际应用中，应优先选用推荐的标准系列液压缸，但常常还需自行设计一些非标准液压缸。不同使用场合的液压缸有着不同的设计内容和要求，一般设计液压缸时可参考以下步骤进行。确定液压缸结构类型和各部分的连接形式01液压缸基本参数和结构尺寸的计算02目录CONTENT液压缸主要零部件强度的校核0301确定液压缸结构类型和各部分的连接形式一、确定液压缸结构类型和各部分的连接形式(1)确定液压缸结构类型、安装方式；确定缸体和缸盖连接形式；(2)(4)确定密封、防尘、缓冲、排气装置。确定活塞与活塞杆连接形式；(3)连接形式02液压缸基本参数和结构尺寸的计算二、液压缸基本参数和结构尺寸的计算液压缸的基本参数主要有缸筒内径D、活塞杆直径d和缸筒长度L等。液压系统压力的大小主要由负载大小或设备类型来定，还要考虑装配空间、成本等条件。负载一定时，工作压力低，要加大执行元件的结构尺寸，材料消耗加大；若压力太高，泵、缸、阀的材质、密封、制造精度等也要求高，提高设备成本。液压缸内径的确定分两种情况，下面以单杆活塞缸为例进行讲解。以下公式中的参数见图4.5。液压缸的内径D1图4.5柱塞式液压缸（a）单柱塞（b）双柱塞（c）图形符号①动力较大的设备液压缸的内径D常由最大负载F和选取的工作压力P1确定。对于单杆缸，初算时常设回油背压P2=0。（4-15）

（4-16）

①动力较小的设备对于轻载高速设备，液压缸的内径D常由液压缸运动速度和液压泵的流量确定。（4-17）无杆腔进油时，由公式（4-1）得

（4-18）有杆腔进油时，由公式（4-3）得

活塞杆直径d2

（4-19）

②当按工作压力或设备类型确定活塞杆直径时，可按表4.1、表4.2选取d。工作压力p/MPa5〜7>7推荐活塞杆直径d(0.5~0.55)D(0.6〜0.7)D0.7D表4.1液压缸工作压力与活塞杆直径设备类型磨床、珩磨、研磨插、拉、刨钻、镗、车、铣活塞杆直径d(0.2〜0.3)D0.5D0.7D表4.2设备类型与活塞杆直径为了便于与活塞、活塞杆的密封件的选用，计算所得的D和刀都要圆整为标准值，见表4.3和表4.4。表4.3液压缸内径尺寸系列单位：mm810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250(280)320(360)400(450)500

表4.4活塞杆直径尺寸系列单位：mm456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360

注：括号内值为非优先选用值。液压缸长度的确定3如图4.26所示液压缸的缸筒长度L应根据活塞所需最大工作行程、活塞宽度、导向长度和活塞杆密封长度等而定。图4.26液压缸缸筒长度但从制造工艺考虑，为减小加工难度，缸筒长度不能太长，一般取L≤(20〜30)D。图中活塞宽度B=(0.6~1)D。当D≤80时，导向套导向长度取C=(0.6〜1)D，当D＞80时，C=(06〜l)d，活塞工作行程的系列标准如表4.5所列。表4.5液压缸活塞行程系列单位：mm第一系列2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000第二系列406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600

第三系列240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800

注：行程参数依次按第一、第二、第三系列顺序优先选用。03液压缸主要零部件强度的校核三、液压缸主要零部件强度的校核液压缸壁厚σ的校核1在低压系统中，缸筒壁厚σ主要由结构要求确定，一般壁厚能满足强度要求，不作校核。在中、高压系统中，可分几种情况进行壁厚校核。

（4-20）

（4-21）

（4-22）

式中

D——

缸筒内径，m；[

σ

]——缸筒材料的许用应力，MPa。[σ

]=σb/n,σb

为材料的抗拉强度，n为安全系

数，取n=3.5〜5。一般锻钢[σ

]=100〜120MPa；铸钢[σ

]=100〜110MPa；钢管[σ

]=

100〜110MPa；铸铁[σ

]=60MPa。缸筒的壁厚确定之后，则缸筒的外径为

（4-23）δ——缸筒壁厚，m；表4.6液压缸外径系列系列单位：mm工程机械缸内径4050638090100110125140160180200缸外径5060769510812113314616819421924520MPa5060769510812113314616819421924525MPa50608310210812113315216819421924531.5MPa5463.583102114127140152168194219245重型

机械缸内径3240506080100125150180200

缸外径52607585105120150180215240

运输机械缸内径405060708090100110125140160180缸外径5063.5708395102114127140159180200液压缸缸盖固定螺栓直径d1校核2缸体与缸盖连接的固定螺栓在工作中要承受拉应力和剪切应力，其螺栓直径可按下式（4-24）

式中d1——螺栓小径，m；K——螺纹拧紧系数，可取K=1.25〜1.5；F——缸筒端部承受的最大推力，N；Z——螺栓个数；[σ

]——螺栓材料的许用应力，MPa。[σ

]=σs⁄n，σs为螺栓材料的屈服极限，n为安全系数，一般取n=l.5〜2.5。活塞杆直径d及稳定性的校核3活塞杆直径的校核（1）活塞杆直径d确定了之后，要用下式校核其强度（4-23）

式中F——活塞杆上的作用力，N；[σ

]——活塞杆材料的许用应力，Pa。[σ

]=

σb⁄n，n为安全系数，一般取n≥1.4。活塞杆稳定性的校核（2）

技能训练训练6设计某一机床液压系统中的液压缸，要求机床快进、快退速度均为6m/min，工进时活塞杆受压，推力为30kN，背压为0.2MPa，液压缸的输入流量为30L/min，液压缸材料为45钢。计算活塞杆直径、液压缸内径和缸筒的壁厚。解：(1)活塞杆直径因快进和快退的速度相等，所以在快进时采用差动连接，由公式（4-5）则得活塞杆直径为

根据表4.4把活塞杆直径圆整为标准值80mm。(2)液压缸内径因是差动连接，且往返速度相等，由公式（4-7）则缸筒内径为

根据表4.3把缸筒内径圆整为标准值110mm。解：(3)缸筒壁厚参考图4.2（a）工进时活塞杆受力平衡方程为

则得液压缸的工作压力为