双活塞杆双作用活塞式液压缸结构设计

1设计的依据、原则和步骤

1.1设计的依据

液压缸与机器及机器上的机构直接相联系，对于不同的机构，液压缸的具体用途和工作性能也不同，因此设计之前，要进行全面地分析和研究，收集必要的原始资料并加以整理作为设计的依据。

（1）了解和掌握液压缸在机器上的用途和工作要求。

（2）了解液压缸工作环境条件。

（3）了解外部负载情况。

（4）了解液压缸运动形态及安装的约束条件。

（5）了解液压系统的情况。

（6）了解有关国家标准、技术规定和其他参考资料。

1.2设计的一般原则

液压缸设计时应注意如下问题：

（1）保证液压缸的输出推力、拉力（或转矩）、行程和往返运动速度满足要求。液压缸的额定工作压力（输出力的折算值）以液压泵的额定工作压力的70%为宜。

（2）保证液压缸的每个零件有足够的强度、刚度和耐用性（寿命）。

（3）在保证上述两个条件的前提下，尽量减小液压缸的外形尺寸和重（质）量。一般说来，在外负载一定的条件下，提高液压缸的额定工作压力可减小液压缸的外形尺寸。

（4）在保证液压缸性能的前提下，尽量减少零件数量，简化结构。

（5）尽量避免液压缸承受横（侧）向负载和偏心负载，活塞杆工作时最好受拉力，以免产生纵向弯曲而引发稳定问题。

（6）液压缸的安装形式、活塞杆头部与外负载的连接形式要合理，尽量减小活塞杆伸出后的有效安装长度，避免产生“鳖劲”现象，增加液压缸的稳定性。

（7）密封部位的设计和密封件的选用要合理，保证性能可靠、漏量少、摩擦力小、寿命长、更换方便。密封部位的设计是保证液压缸性能的重要一环，对所选用的密封件，应使其压缩率在合理范围内。

（8）根据液压缸的工作条件和具体情况设置适当的排气、缓冲和防尘措施。在工作条件恶劣的情况下应考虑活塞杆的防护措施。

（9）各种零件的结构形式和尺寸设计，应尽量采用标准形式和规系列尺寸，尽量选用标准件。

（10）液压缸应做到成本低、制造容易、维护方便。

1.3设计的一般步骤

一般情况下，应根据已确定的工作条件和掌握的设计资料，灵活地选择设计程序和步骤，反复推敲和计算，直到获得满意的设计结果。

（1）根据设计依据和负载机构的动作要求，初步确定设计方案：缸体结构设计、安装方式、连接方式等。

（2）根据液压缸承受的外部载荷作用力确定液压缸在行程各阶段上负载变化规律及必须提供的动力数据。

（3）在以输出力为主的液压缸设计中，根据负载F和选定的额定（工作）压力Pn，确定缸筒内径（即活塞外径）D和活塞杆直径d。

（4）根据选择活塞外径D和活塞杆直径d计算无杆腔面积A1和有杆腔面积A2；根据液压缸速度u的要求，确定液压缸所需的流量Q。

（5）选择缸筒材料，计算缸筒厚度或外径。

（6）选择缸底和缸盖的结构形式，计算缸底厚度、缸筒与缸盖的连接强度；确定具体安装形式及结构尺寸；确定缸筒上油口的位置、尺寸和连接形式。

（7）活塞组件设计。

（8）必要时设计缓冲和排气装置。

（9）审定全部设计资料及其他技术文件，对图纸进行修改和补充。

（10）绘制液压缸装配图和零件图，编制技术文件。

2设计的题目、技术参数、目的和要求

2.1设计题目

本次的设计题目外圆磨床液压缸即设计任务是双活塞杆双作用活塞式液压缸结构设计。

2.2设计技术参数

技术参数要求：（1）液压缸系统系统供油：10Mpa;（2）液压缸最大行程：mm；（3）液压缸最大推力：8KN。

2.3设计要求

安课程设计要求，完成设计题目规定的设计任务，学会机械产品设计基本方法——1.查科技文献，2.完成方案设计和方案比较，3.完成结构设计，4.相关的计算工作，5.绘图（二维零件图、装配图等），6.编写课程设计说明书。

3液压缸缸体结构形式的确定

3.1结构初型

根据设计原始技术参数和设计任务书，查阅有关参考资料设计或选择油缸的结构初型。要求安装分类为轴线固定，轴线固定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。

（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。对于支座安装形式，GS—83的2.2.2条规定：“支座式液压缸如不采用键或销承受剪切力时，则底脚固定螺栓必须经受全部剪切力而不致引起危险”。

4.1液压缸工作负载力分析和计算

4.2液压缸的液压力计算和工作压力的选择

确定速度比的主要目的是为了计算活塞杆的直径及考虑液压缸是否要设计缓冲装置。速度比不宜过大，过大时，虽然活塞杆直径也较大，有利于稳定性，但导致活塞杆侧环形面积变小而引起压力升高（拉力）时，同时还导致液压缸回程速度升高，容易引起压力冲击。

4.4液压缸速度计算和流量选择

这里所说的速度是指液压缸稳定工作速度（为方便，记为u）。液压缸的速度要适当，速度过高时常常会引起密封件的过热和磨损，同时也会加剧活塞杆、导向套和缸筒的磨损；速度过低时，则容易产生爬行等不稳定情况。采用橡胶密封件时，液压缸的最快速度一般不宜超过（24—30）m/min即（0.4—0.5）m/s,也不宜低于6m/min（0.1m/s）；参照同类液压缸的速度取值是一种稳妥的方法。

4.5液压缸综合结构参数及安全系数的选择

1.液压缸综合结构参数

已知液压缸的活塞行程为mm，计算可得液压缸结构参数得：油口直径为7mm。

2.安全系数的选择

安全系数的选择并没有硬性规定，但必须在保证安全的条件下，尽量选择较小的数值。安全系数过大，不仅造成不必要的浪费，提高了成本，而且导致所设计的液压缸外形尺寸大，重量也较大，常常不能适应工作要求。但安全系数也不能取得太低，以免发生事故。

5缸筒设计与计算

5.1缸筒与缸盖的连接形式

对于双活塞液压缸来说，缸体包括缸筒和左右端盖三个零件。缸体的结构形式即缸筒与端盖的连接方式，它与液压缸的用途、工作压力、使用环境及安装要求等因素有关。端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将活塞杆腔封闭，并起着为活塞杆导向、密封和防尘之作用，双活塞杆式液压缸的前、后端盖的结构几乎是相同的。

5.2对缸筒的要求及材料选择

缸筒是液压缸的主要零件，有时还是液压缸的直接做功部件；它与端盖、活塞构成密封容腔，用以容纳压力油液、驱动负载而做功，因而要有足够的强度、足够的刚度、可靠的密封性及良好的可焊性。

5.3缸筒的计算

对于负载较大的工程、矿山机械用的油缸，在系统给定的工作压力情况下，常以保证油缸有足够的牵引力，能驱动工作负载为确定缸筒内径的重要条件，如果尚有运动速度要求时，则往往在校核时通过选择适当流量油泵的办法来解决。对于双出杆双作用液压缸，可根据下式计算缸筒内径并把它圆整到规定的系列尺寸上。

5.4缸筒加工的技术要求

缸筒是液压缸中最难加工的零件，因此其技术要求要合理，过高时将会导致制造成本的大幅提高，过低时又将影响液压缸的工作性能和使用寿命。

5.5缸筒—缸盖的连接计算

5.6缸盖的材料和技术要求

缸盖常用45号钢锻造或铸造毛坯，需要焊接结构的，采用焊接性能较好的35号钢，中低压缸可用HT、HT、HT等灰口铸铁材料，在此选用45号钢锻造。缸盖内孔一般尺寸公差采用H7、H8的精度等级、表面粗糙度通常取为Ra1.6～3.2μm。缸盖内孔与凸缘止口外径的圆度、圆柱度误差不大于直径尺寸公差的一半。内孔和凸缘止口的同轴度允差不大于0.03mm，相关端面对内孔轴线的圆跳动在直径mm上不大于0.04mm。

5.7缸盖厚度的确定

5.8最小导向长度的确定

5.9缸体长度的确定

液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和，缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于内径的20—30倍。缸体长度取为mm。

6活塞组件设计

6.1活塞设计

（1）活塞的结构形式和密封件形式

活塞的密封件形式要根据液压缸的设计（额定）压力、速度和温度等工作条件来选择，而选择的密封件形式则决定了活塞的结构形式。活塞常用的结构形式可分为整体式和分体（组合）式两种。整体式活塞要在活塞圆周上开沟槽以安装密封件和支承环，结构简单，但活塞加工困难，另外密封件安装时也容易拉伤和扭曲，影响密封性能和密封件使用寿命。分体（组合）式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。在通常情况下，支承环是活塞件的不可或缺的结构元件，它不但可以精确导向，还可以吸收活塞运动时随时产生的侧向力，因而大多数密封件都与支承环联合使用，大大减低了活塞加工成本。在此活塞的结构形式选为整体式。O形密封圈和格来圈等适用整体式活塞，在此选择O形密封圈，此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。

（2）活塞的材料选择

活塞材料选用的依据主要从活塞的结构形式来考虑，因为活塞为整体式并有支承环，选用45号优质碳素钢。

（3）活塞的结构设计和技术要求

活塞的宽度B一般为活塞外径D的（0.6-1）倍，因为活塞的外径D等于缸筒的内径，所以活塞的宽度B取为80mm。另外也要根据密封件的形式、数量、安装导向环的沟槽尺寸进一步细化，使上述元件间距适当。由于采用橡胶密封件，活塞外径的公差等级取f9，与活塞杆配合的内孔公差等级取H7。活塞外圆的表面粗糙度要优于Ra0.32μm，内孔粗糙度要优于Ra0.08μm。活塞外径对内孔及密封沟槽的同轴度允差不大于0.02mm；活塞外径、内孔的圆度、同轴度不大于尺寸公差的一半，断面对轴线的垂直度允差不大于0.04mm/mm。活塞与活塞杆轴肩的接合面粗糙度可在Ra1.6μm左右，但与内孔轴线的垂直度一定要在允差的范围之内。活塞的具体结构参数为：外径mm；内径11mm；宽度80mm。

6.2活塞与活塞杆的连接结构

活塞与活塞杆的连接采用螺纹连接，这种结构简单，拆装方便，活塞借助径向间隙有少量浮动，不易卡滞，但活塞与活塞杆之间有轴向公差，该轴向公差会造成活塞与活塞杆的不必要的窜动，但这种结构在低速液压缸中得到广泛使用。

6.3活塞杆设计

（1）活塞杆直径的确定

在无速度比要求的情况下，且液压缸为推力负载，活塞杆直径可按d=（1/5-1/3）D取值，然后校核活塞杆强度并圆整至国家标准的规定。代入数值计算并根据国家标准最后暂取d=36mm。

（3）活塞杆的材料和技术要求

实心活塞杆多采用优质碳素钢冷拔材料35号钢、45号钢、55号钢制成，以减少切削加工。

（4）活塞杆外端（头部）结构形式

（5）活塞杆的导向

（6）活塞杆的密封与防尘

6.5活塞杆液压缸稳定性校核

活塞杆的稳定性即液压缸的稳定性。长行程的液压缸，特别是两端采用铰链结构的液压缸，当液压缸安装（计算、支承）长度L与活塞杆直径d之比大于10时，并且活塞杆承受压负荷（液压缸输出推举液压力）必须进行稳定性校核。液压缸承受的压负荷F不能大于液压缸保持工作的稳定性所允许的临界负荷，否则活塞缸将失去平衡状态，以致破坏。

7液压缸油口和排气装置设计