液压缸设计优化

液压缸的设计是在对整个液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其工作压力的基础上进行的。先根据使用要求选择结构类型，然后按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要参数，再进行强度、稳定性和缓冲验算，最后进行具体结构设计。

1.液压缸设计中应注意的问题

（1）尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大载荷，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。

（2）考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲和排气装置，系统中需要有相应的措施，但并非所有的液压缸都要考虑这些问题。

（3）正确确定液压缸的安装、固定方式。液压缸只能一端定位。

（4）液压缸各部分的结构需要根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。

2.基本参数的确定

1）工作压力p

液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力等级也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3.2.2和表3.2.3来确定。负载大时选大值，负载小时选小值。

表3.2.2　液压传动系统及元件　公称压力系列节选（GB/T 2346-2003）

注：方括号中的值是非优选用的。

表3.2.3　各类液压设备常用的工作压力

2）往复运动速比λv

在供油流量一定的条件下，双活塞杆液压缸的往复运动速度相同。单活塞杆液压缸的往复运动速比λv为

如系统对液压缸的往复运动速度有要求，则需按要求设计。如无特殊要求，则速比不宜过大，以免无杆腔回油流速过高而产生较大的背压。但也不宜过小，以免因活塞杆直径相对于缸径太细，稳定性不好。λv值可参考JB/T 7939—2010选择，工作压力高的液压缸选用大值，工作压力低的则选小值。

当系统无特殊要求时，也可以根据的工作压力选择速比，表3.2.4给出了速比的推荐值。

表3.2.4　液压缸往复速比推荐值

3）缸筒内径D及活塞杆直径d

对于单活塞杆液压缸，当已知工作负载及选定的系统工作压力p和λV后，忽略回油压力，可根据式（3.2.15）和式（3.2.16）确定缸筒内径D。

式中，F1，F2——有杆腔进油和无杆腔进油时液压缸的负载；

ηm——液压缸的机械效率，通常取0.95。

计算所得的液压缸缸筒内经D和活塞杆直径d应圆整为标准系列，参见《新编液压工程手册》。

4）缸筒长度L

缸筒的长度由最大工作行程及结构上的需要确定。通常缸筒长度=活塞最大行程+活塞长度+活塞杆导向长度+活塞杆密封长度+其他长度。缸筒的长度一般不要超过其内径的20倍。

5）最小导向长度H

当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H，如图3.2.17所示。如果导向长度过短，将使液压缸的初始挠度（由间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。(www.xing528.com)

图3.2.17　液压缸的导向长度

对于一般的液压缸，其最小导向长度应满足

式中，l——活塞最大行程；

D——缸筒内径。

一般，在D＜80 mm时，取导向套滑动面的长度A=（0.6～1.0）D；在d＞80 mm时，取A=（0.6～1.0）d；活塞的宽度C=（0.6～1.0）D；其他长度是指一些特殊装置所需长度，如液压缸两端缓冲装置所需长度等。为了保证最小导向长度而过分增大A或C并不适宜，最好在导向套与活塞之间装一个隔套，其宽度B由所需的最小导向长度决定，即

采用隔套不仅能保证最小导向长度，还可以改善导向套及活塞的通用性。

3.液压缸的校核

在中、低压液压系统中，液压缸缸筒的壁厚δ、活塞杆直径d和端盖固定螺栓等常由结构工艺的要求决定，强度问题是次要的，一般都不需要校核。在高压系统中则必须进行强度校核。

1）缸筒壁厚δ

当时，称为薄壁缸筒，一般为无缝钢管，壁厚按照材料力学中薄壁圆筒的计算公式校核：

式中，pmax——缸筒内最高工作压力；

σs——缸筒材料许用应力。

当时，可用实用公式校核：

当时，称为厚壁缸筒，一般为铸铁材料，按照材料力学第二强度理论校核：

壁厚确定后，再圆整。

2）活塞杆强度及稳定性校核

活塞杆强度按下式校核：

式中，F——液压缸负载。

当活塞杆的长径比大于10时，需要进行稳定性校核。根据材料力学理论，其稳定条件为

式中，Fmax——活塞杆最大推力；

Fk——液压缸稳定临界力；

ηk——稳定性安全系数，一般取2～4。

Fk与活塞杆和缸筒的材料、结构尺寸、两端支撑状况等因素有关。可根据安装方式的不同决定活塞杆的计算长度L、末端条件系数n、挠度系数C等，如表3.2.5所示。

表3.2.5　液压缸的安装方式及有关系数

液压缸连接件还包括焊接、连接螺栓、连接螺纹、法兰盘、卡环、钢丝卡圈等，其强度计算属一般机械零件问题，可参阅相关设计手册。