液压缸的设计选用

某工厂需要一个单杆液压缸，材料为45钢，快进时差动连接，快退时有杆腔进压力油，快进、快退速度都是v＝0．1m/s，工进时需产生推力F＝25 000N。已知输入流量q＝25L/min，背压p2＝0．2MPa，试设计选用：

（1）缸筒内径D和活塞杆直径d；

（2）缸筒壁厚是多少？

（3）确定液压缸厂家型号（活塞杆铰接，缸筒固定）。

1．选液压缸种类

液压缸除了常用的单杆活塞缸外，还有双杆活塞缸、柱塞缸、伸缩缸、齿条缸、增压缸、数字缸等，它们与机械机构配合，可完成各种功能的动作，如图4－2所示。

图4－2 液压缸与不同机械机构的配合

1）双作用双活塞杆式液压缸

双作用双活塞杆式液压缸（见图4－3）与单杆液压缸相似，不同的是活塞两端都有活塞杆和两个端盖。

图4－3 双作用双活塞杆式液压缸

1—活塞杆；2—缸盖；3—缸底；4—缸筒；5—活塞；6—密封圈

由于两边活塞杆直径相同，所以活塞两端的有效作用面积相同。若左、右两端分别输入相同压力和流量的油液，则活塞上产生的推力和往返速度也相等。这种液压缸常用于往返速度相同且推力不大的场合，如用来驱动外圆磨床的工作台等。

双作用双活塞杆式液压缸的安装方式有缸体固定和活塞杆固定两种，常用于中、大型设备上。

2）柱塞式液压缸

柱塞式液压缸只能实现一个方向的运动，回程靠重力或弹簧力或其他力来推动，如图4－4所示。为了得到双向运动，通常对其成对、反向的布置使用。柱塞靠导向套来导向，柱塞与缸体不接触，因此缸体内壁不需精加工。柱塞是端部受压，为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，柱塞一般较粗，质量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸宜垂直安装。水平安装使用时，宜用无缝钢管制成柱塞。

图4－4 柱塞式液压缸

设柱塞面积为A，柱塞缸输出力F＝pA，输出速度v＝。

这种液压缸常用于长行程机床，如龙门刨床、导轨磨床、大型拉床等。

3）伸缩式液压缸

伸缩式液压缸主要的组成零件有缸体、活塞、套筒活塞等。如图4－5所示，当进油时，先推动面积大的活塞向右运动，速度低、推力大；然后次级面积较小的活塞继续向右运动，速度较快、推力较小。套筒活塞既是前级活塞又是后级活塞的缸体，退回则相反。

图4－5 伸缩式液压缸

伸缩式液压缸的特点是活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车、起重机的伸缩臂等。

4）齿条液压缸

齿条液压缸（见图4－6）活塞杆上加工出齿条，齿轮与传动轴连成一体，齿条带动齿轮旋转。齿条液压缸的最大特点是将直线运动转换为回转运动，常用于机械手和磨床的进刀机构、组合机床的回转工作台、回转夹具及自动线的转位机构。

5）增压缸

增压缸（见图4－7）可实现液压能的传递和增压，是活塞缸和柱塞缸的复合缸。增压后压力为

图4－6 齿条液压缸

图4－7 增压缸

2．初定液压缸工作压力

根据主机所需的操作力即总负载计算确定工作压力，或者使用推荐值。

以单杆液压缸为例，设活塞左、右两端的有效作用面积分别为A1和A2，如图4－8所示。若进入左、右两腔的液压力p1相等，回油压力p2≈0，则活塞向右和向左的推力分别为（缸的机械效率ηm≈1）

F1＝p1A1（或p1A1ηm） 　（4－2）

F2＝p1A2（或p1A2ηm） 　（4－3）

图4－8 单杆液压缸计算简图

若输入液压缸左、右两腔的流量q相等，则活塞向右和向左运动的速度v1和v2分别为（缸的容积效率ηv≈1）

左、右腔同时通压力油的单杆液压缸称为差动缸，但无杆腔面积大，差动缸在压力p1的作用下向右运动，输出的推力F3和速度v3为

F3＝p1（A1－A2）＝p1πd2/4＝p1A3 　（4－6）

v3A1＝v3A2＋q （连续性原理）

v3＝q/A3 　（4－7）

式中：A3＝d2/4为活塞杆面积（ηm、ηv≈1），退、进速度之比λ＝v2/v1，称为液压缸速比；如果v3＝v2，则可求得活塞直径D＝。

单杆液压缸的特点符合工程需要，因此使用广泛。

（1）往复运动速度不同，v1＜v2，用于实现慢速进给和快速退回。

（2）输出推力不相等。无杆腔进油时，工作为进给运动（克服较大的外负载）。有杆腔进油时，驱动工作部件做快速退回运动（只克服摩擦力的作用）。

（3）工作台运动范围为活塞杆有效行程的两倍。

3．液压缸主要尺寸计算

液压缸一般是标准件，但有时需要选用计算或设计及强度校核等，液压缸尺寸如图4－9所示。

1）液压缸内径D

液压缸内径要根据总负载F和初定的工作压力来确定。一般不考虑机械效率，回油背压小也不考虑，常由无杆腔进油，则由式（4－2）和式（4－3）得

也可根据油缸运动速度和输入流量来计算确定液压缸内径D。

2）活塞杆直径

根据液压缸往返速比λ计算出活塞杆直径d＝。

液压缸工作压力与活塞杆直径的关系如表4－1所示。

表4－1 液压缸工作压力与活塞杆直径的关系

D、d的计算结果需按国标圆整。

必要时活塞杆直径d需按强度校核，［σ］为活塞杆材料的许用应力，则

3）缸筒壁厚选择或校核计算

常用中、高压无缝钢管薄壁缸筒（δ/D≤0．1），则壁厚δ为

式中：［σ］为活塞杆材料的许用应力；pmax为缸筒的最大压力。

图4－9 液压缸尺寸

4）缸筒长度确定

缸筒长度主要由液压缸最大行程L、活塞宽度、导向套长度等相加确定，一般不大于内径的20～30倍。

活塞宽度为

B＝（0．6～1．0）D

4．缓冲装置的考虑

活塞接近终端时，缓冲装置可增大回油阻力，减缓运动件的运动速度，避免冲击。缓冲装置有节流缓冲、间隙缓冲、缓冲阀等。

可调节流缓冲装置如图4－10（a）所示。当活塞上的凸台进入端盖凹腔时，排油只能从可调的针形节流阀流出，于是活塞获得缓冲。

图4－10 缓冲装置

可变节流缓冲装置如图4－10（b）所示。活塞两端均开有节流口面积可随活塞移动而变化的轴向节流沟槽，可实现节流缓冲。当活塞启动时，压力油顶开钢球，进入缸内，推动活塞向前运动，保证启动迅速。

间隙缓冲装置如图4－10（c）、（d）所示，油液从间隙挤出时压力升高形成缓冲。

5．密封装置的考虑

密封装置用来防止系统油液的内外泄漏，以及外界灰尘和异物的侵入，保证系统建立必要压力。

对密封装置的要求是具有良好的密封性能；与运动件之间摩擦系数要小；寿命长，不易老化，抗腐蚀能力强；维护使用方便。

常用的密封有金属密封（间隙为0．02～0．05mm），O形密封圈，唇形密封（如Y形、Yx形、V形），组合密封装置等。

6．排气装置的考虑

液压系统在安装过程中或长时间不工作后会渗入空气，油液中也会混有空气。由于气体有很大的可压缩性，使液压缸产生爬行、噪声和发热等一系列不良现象。因此，在设计液压缸时，要保证能及时排除积留在缸内的气体。

利用空气较轻的这一特点，可在最高处设置油口、放气孔或专门的放气阀等排气装置。

7．连接结构的考虑

缸体与端盖连接有法兰、拉杆、焊接、螺纹、半环连接等多种形式。

活塞与活塞杆连接有螺纹、卡键和整体连接形式。螺纹连接最常用，卡键连接用于压力较高、工作机械振动较大的场合，小缸则采用整体连接。

8．头部结构的考虑

活塞杆头部与工作机械连接形式有单耳环、双耳环、球头、内外螺纹等。

9．确定型号

液压缸的型号可参考有关资料。