液压缸设计与密封

§4-3液压缸的设计和计算与使用•1、选择结构类型•2、确定主要工作尺寸•3、进行强度验算•4、进行稳定性验算•5、进行缓冲验算•6、进行结构设计•7、密封装置•8、液压缸的安装、调整与维护•9、液压缸常见故障和排除方法液压缸设计中应注意的问题•尽量使活塞杆受拉状态下承受最大负载，或受压状态下具有良好的纵向稳定性；•考虑制动和排气问题；•正确确定液压缸的安装、固定方式•考虑热变形，只能一端固定。•尽量作到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。BACK1、基本参数计算（1）总阻力：一、液压缸的设计计算afliFFFFF式中：Fl——工作载荷Ff——摩擦阻力Fa——惯性阻力速比：λv的选择：p↑，选λv↑;p↓,选λv↓.12vvv222dDD（2）速度和速比2114DqAqvvv)(42222dDqAqvvv对速度要求高时：由v、q,确定D；或已知v、D,确定q。对速度没有要求：由q、D、d确定v。v2、d由速比λv确定二、主要尺寸的确定•缸筒内径D：根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入流量，经计算后从GB2348—80标准中选取最近的标准值BACK1、缸筒内径D按推力计算：按拉力计算：※按国标圆整为标准尺寸。mApApF)(22111mApApF)(12212mpdppD]4)(4[22212mpdppD]4)(4[12212212221)(4pppdppFDm211221)(4pppdppFDm•活塞杆直径d按工作时受力情况决定。单杆缸按缸筒内径和速比来确定。推荐速比=1.6。2、活塞杆直径d1）按λv确定vvDd1222dDDv2）按工作压力确定※按国标圆整为标准尺寸。•缸筒长度由最大工作行程确定，缸筒长度一般不超过内径的20倍。三、强度校核•壁厚：–薄壁：时，壁厚按下式校核–厚壁：时，壁厚按下式校核10/D2Dpy10/D)13.14.0(2yyppD10/D时，为薄壁筒（无缝钢管）式中：py—实验压力（1）.缸筒壁厚δ][2Dpy结构计算和校核nypp25.1nypp5.1)16(MPapn)16(MPapnnb][n—安全系数n=5pn—缸的额定压力[σ]—许用应力，σb—抗拉强度{13.1][4.0][2yyppD21DD注意：圆整为标准壁厚1）铸造：满足最小尺寸2）无缝钢管：查手册(无缝钢管外径不需加工）10/D时，为厚壁筒（铸造）缸筒外径：•2、活塞杆直径的校核•3、缸盖螺栓直径的校核Fd4zkFds2.5BACK（2）.活塞杆的校核1）强度校核][杆AF][42dF][4Fd式中：[σ]—活塞杆材料的许用应力nb][n—安全系数n=1.4~2σb—抗拉强度四、稳定性校验–活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过保持稳定工作的临界负载，否则会发生纵向弯曲–当活塞杆的细长比时，–当活塞杆的细长比时，且时，kknFF21/krl222lEJFk21/krl120~202122)(1kkrlfAF1、稳定性校核10/dl时，强度校核即可10/dl时，要进行稳定性计算kKnFF稳定条件：式中：F—活塞杆所受最大压力Fk—活塞杆的稳定临界力nk—稳定安全系数nk=2~4ldFAJrk式中：l—活塞杆的计算长度rk—活塞杆截面最小回转半径222lEJFk21krl当细长比时：ψ1—柔性系数ψ2—末端系数（由液压缸的支承方式决定）E—弹性模量J—活塞杆截面惯性矩A—活塞杆横截面积2、稳定临界力Fk的确定：221kkrlafAF120~202121krl当时：式中：f—由材料强度决定的实验值a—系数液压缸支承方式和末端系数五、缓冲计算•计算缓冲时最大冲击压力，校核缸筒强度、制动距离•缓冲时，背压腔内液压能E1和工作部件机械能E2分别为cfcppccclFmlApElApE202121当E1=E2时，工作部件机械能全部被吸收若缓冲装置为节流口可调式装置时若缓冲装置为节流口变化式装置时ccclAEp2cccclAmpp220maxccclAEp2BACK六、拉杆计算•拉杆上预加压力与拉杆的变形量（伸长量）之间的关系为•拉杆上预加压力与缸筒的变形量（压缩量）之间的关系为TITKFcIcKF•液压缸工作时，拉杆中的拉力增大至FT，•拉杆的变形量的增量为•缸筒变形量的减少量为pcTpAFFTITTKFFccccLccpcccchccccEApAEAFEEAF2)(•拉力•压力负载系数为pITcplTpAFKKpAFF1)21(cTTTccLEALEA121•当液压缸内的压力达到规定的分离压力时，缸盖和缸筒分离，由此得到拉杆上的预加载荷为•此式适用于活塞到达全行程的终端，活塞力全由缸盖来承受的场合。零行程处缸筒与缸盖分离所需的压力比规定的要高。spIpAF)1(1、间隙密封间隙密封是一种常用的密封方法。它依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏。由第3章中环形缝隙流量公式可知，泄漏量与间隙的三次方成正比，因此可用减小间隙的办法来减小泄漏。一般间隙为0.01~0.05mm，这就要求配合面加工有很高的精度。在活塞的外圆表面一般开几道宽0.3~0.5mm，深0.5~1mm、间距2~5mm的环形沟槽，称平衡槽。七、密封装置间隙密封(2/2)平衡槽的作用是：（a）由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作中压力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡力，称液压卡紧力，它使摩擦力增大。开平衡槽后，槽中各向油压趋于平衡，间隙的差别减小，使活塞能够自动对中，减小了摩擦力，同时减小偏心量，这样就减少了泄漏量。（b）增大油液泄漏的阻力，提高了密封性能。（c）储存油液，使活塞能自动润滑。间隙密封的特点是结构简单、摩擦力小、耐用，但对零件的加工精度要求较高，且难以完全消除泄漏，故只适用于低压、小直径的快速液压缸中。活塞环密封(1/1)2、活塞环密封活塞环密封是依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封。如图5.12所示。它的密封效果较间隙密封好，适应的压力和温度范围很宽，能自动补偿磨损和温度变化的影响，能在高速中工作，摩擦力小，工作可靠，寿命长，但在活塞环的接口处不能完全密封。活塞环的加工复杂，缸筒内表面加工精度要求高，一般用于高压、高速和高温的场合。图5.12活塞环密封密封圈密封(1/5)3、密封圈密封（a）O形密封圈。O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封和滑动密封（转动密封用得较少）。其结构简单紧凑，摩擦力较其他密封圈小，安装方便，价格便宜，可在－40℃～120℃温度范围内工作。但与唇形密封圈（如Y形圈）相比，其寿命较短，密封装置机械部分的精度要求高，启动阻力较大。O形圈的使用速度范围为0.005~0.3m/s。O形圈密封原理如图5.13所示。图5.13O形圈密封原理密封O型密封O形圈装入密封槽后，其截面受到压缩后变形。在无液压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始密封；当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，O形圈挤向沟槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封效果。任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩量。预压缩量过小不能密封，预压缩量过大则摩擦力增大，且易于损坏，因此，安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。在动密封中，当压力大于10MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈（图5.14），其厚度为1.25~2.5mm。双向受高压时，两侧都要加挡圈。密封圈密封(2/5)图5.14O形圈密封挡圈设置密封圈密封(3/5)（b）V形密封圈。V形圈的截面为V形。如图5.15所示的V形密封装置是由压环、V形圈（也称密封环）和支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。V形圈密封性能良好，耐高压，寿命长，通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果，但V形密封装置的摩擦阻力及结构尺寸较大，主要用于活塞及活塞杆的往复运动密封。它适宜在工作压力为p≤50MPa、温度为－40℃~+80℃的条件下工作。图5.15V形密封圈V形密封圈的调整装置组合密封聚四氟乙烯密封圈缸体活塞O形密封圈V形密封圈（a)支撑环（b)密封环（c)压环(a)调节螺钉(b)调节垫片密封圈密封(4/5)（c）Y形密封圈。Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种密封性、稳定性和耐压性较好、摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，故应用也很普遍。Y形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图5.16所示为宽断面Y形密封圈。Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。当液压力升高时，唇边与偶合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。Y形圈安装时，唇口端应对着液压力高的一侧。当压力变化较大、滑动速度较高时，要使用支承环，以固定密封圈。如图5.16（b）所示。图5.16宽断面Y形密封圈（a）等唇高通用型（b）轴用（c）孔用等唇高Y型密封圈的安装Y型密封宽断面Y形圈一般适用于工作压力p≤20MPa、工作温度－30℃~+100℃、使用速度≤0.5m/s的场合。窄断面Y形圈如图5.17所示。窄断面Y形圈是宽断面Y形圈的改型产品，其截面的长宽比在2倍以上，因而不易翻转，稳定性好，它有等高唇Y形圈和不等高唇Y形圈两种。后者又有孔用和轴用之分，其短唇与运动表面接触，滑动摩擦阻力小，耐磨性好，寿命长；长唇与非运动表面接触有较大的预压缩量，摩擦阻力大，工作时不窜动。窄断面Y形圈一般适用于工作压力p≤32MPa，使用温度为－30℃~+100℃的条件下工作。密封圈密封(5/5)图5.17窄断面Y形密封圈八、液压缸的安装、调整与维护1.安装方法（1）液压缸只能一端固定，另一端自由，使热胀冷缩不受限制。（2）地脚型和法兰型液压缸的安装螺栓不能直接承受推力载荷。（3）耳环型液压缸活塞杆顶端连接头的轴线方向必须与耳轴的轴线方向一致。2.液压缸的调整（1）排气装置的调整（2）缓冲装置的调整（3）注意事项3.液压缸的维护（1）在拆卸液压缸前，先松开溢流阀，将系统压力降为零，再切断电源。（2）放掉液压缸两腔油液，一般应先松开端盖的连接螺栓，然后按顺序拆卸。（3）拆卸时，不能损伤进、出油口螺纹，活塞杆表面和头部螺纹。（4）拆卸后，应检查各配合表面及密封。（5）组装液压缸前，将各部分用汽油或煤油洗净晾干。（6）组装液压缸时特别注意密封元件的安装。（7）耐压试验后应再次紧固有关螺栓。九、液压缸常见故障和排除方法故障现象产生原因排除方法爬行1．外界空气进入缸内2．密封压得太紧3．活塞与活塞杆不同轴4．活塞杆弯曲变形5．缸筒内壁拉毛，局部磨损严重或腐蚀6．安装位置有误差7．双活塞杆两端螺母拧得太紧8．导轨润滑不良1．开动系统，打开排气塞（阀）强迫排气2．调整密封，保证活塞杆能用手拉动而试车时无泄漏即可3．校正或更换，使同轴度小于ф0.04mm4．校正活塞杆，保证直线度小于0.1/10005．适当修理，严重者重磨缸孔，按要求重配活塞6．校正7．调整8．适当增加导轨润滑油量故障现象产生原因排除方法推力不足，速度不够或逐渐下降1．缸与活塞配合间隙过大或Ｏ形密封圈破坏2．工作时经常用某一段，造成局部几何形状误差增大，产生泄漏3．缸端活塞杆密封压得过紧，摩擦力太大4．活塞杆弯曲，使运动阻力增加1．更换活塞或密封圈，调整到合适间隙2．镗磨修复缸孔内径，重配活塞3．放松、调整密封4．校正活塞杆冲击1．活塞与缸筒间用间隙密封