液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性研究

摘要：在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，最為關(guān)鍵和重要的一個(gè)零部件就是液壓缸，液壓缸的運(yùn)用與液壓系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)正常穩(wěn)定工作有著極為緊密的關(guān)聯(lián)。文章在這一背景下嘗試對液壓缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在對各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)的基礎(chǔ)之上分析了液壓缸的運(yùn)行特性，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞：液壓缸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)行特性；傳動(dòng)系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)參數(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH137 文章編號：1009-2374（2017）11-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.005

在整個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，液壓缸負(fù)責(zé)利用液壓油完成能量的傳遞，通過液壓缸運(yùn)動(dòng)使得液壓能夠完成向機(jī)械動(dòng)能的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械元件執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令。通常情況下，液壓缸主要是由缸體、活塞桿、端蓋以及套筒等零件組成。本文將通過對液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行特性進(jìn)行簡要分析研究，以期能夠有效提升液壓缸的運(yùn)行性能。

1 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中一項(xiàng)重要的能源執(zhí)行元件，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)特定的功能，液壓缸本身的結(jié)構(gòu)尺寸以及性能作用等均直接影響到液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸、性能作用，因此對液壓缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)人員對各因素進(jìn)行充分考量。圖1展示的就是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理。其中1代表油箱、2代表濾油器、3代表液壓泵、4代表溢流閥、5代表閥系統(tǒng)、6發(fā)表壓力表、7代表節(jié)流閥。

1.1 直徑計(jì)算與校核

1.1.1 液壓缸。圖2展示的就是液壓缸的結(jié)構(gòu)圖，如果有活塞桿并且與高壓油側(cè)通或是沒有活塞桿但直接連通油箱的情況下，活塞向右即可完成開斷。在活塞的兩側(cè)同時(shí)與高壓油相連通的情況下，鑒于兩側(cè)承壓面積存在明顯的差異性，因此此時(shí)活塞向左即可完成關(guān)閉。在計(jì)算分?jǐn)嘁约瓣P(guān)閉情況下液壓缸的缸筒直徑時(shí)，可以使用公式進(jìn)行計(jì)算，在這

一公式當(dāng)中活塞位移以及液壓缸的機(jī)械效率和直徑，分別用s、以及D進(jìn)行表示，而運(yùn)行系統(tǒng)歸化在活塞當(dāng)中的質(zhì)量則用m表示，活塞桿的直徑則用d表示，p1以及p2則分別代表有桿腔和無桿腔油壓。

1.1.2 活塞桿。鑒于活塞桿往往會在導(dǎo)向裝置當(dāng)中出現(xiàn)滑動(dòng)情況，因此需要設(shè)計(jì)出合適的活塞桿直徑避免其出現(xiàn)滑動(dòng)故障。而公式可以計(jì)算出在分?jǐn)嘁约瓣P(guān)閉狀況下液壓缸活塞的往返速度比值，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行進(jìn)一步推導(dǎo)后我們可以得出，公式

可以完成活塞桿直徑的計(jì)算，其中λ為活塞往返的速度比，而d則為活塞桿的直徑。

考慮到液壓缸在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程當(dāng)中，活塞桿通常會承受包括推力、扭轉(zhuǎn)力等在內(nèi)的各種力，并且力

值相對比較大，因此設(shè)計(jì)人員有必要利用公式

對活塞桿的強(qiáng)度、剛度等進(jìn)行檢驗(yàn)。在這一公式當(dāng)中，活塞桿承受的作用力為F，而液壓缸在進(jìn)行閉合以及開斷運(yùn)動(dòng)的過程當(dāng)中，活塞桿需要承擔(dān)的液體壓力σ壓以及拉力σ拉應(yīng)當(dāng)分別不超過其材料屈服極限σs以及抗拉強(qiáng)度σp。

1.2 厚度計(jì)算與校核

1.2.1 缸筒壁。為方便表述本文將用δ與D分別表示液壓缸的壁厚與直徑，如果二者的比值不超過0.1，則代表液壓缸缸筒為薄壁類型；如果二者的比值超過0.1則代表液壓缸缸筒為厚壁類型。在進(jìn)行液壓缸缸筒壁厚度計(jì)算的過程當(dāng)中，如果其為薄壁類型則需要使用公式，如果其為厚壁類型則需要使用公式

進(jìn)行計(jì)算。式中：[σ]表示許用應(yīng)力；液壓缸的試驗(yàn)壓力以及安全系數(shù)則分別用p和n進(jìn)行表示；K代表系數(shù)；液壓系統(tǒng)的額定工作壓力與缸筒材料的抗拉強(qiáng)度則用pN以及σb進(jìn)行表示。

檢驗(yàn)液壓缸缸筒壁厚度是有效保障液壓缸進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，避免其出現(xiàn)爆缸等問題的關(guān)鍵所在，因此需要設(shè)計(jì)人員使用公式對液壓系統(tǒng)的額定工作壓力進(jìn)行限制，如果使用PrL表示可以引發(fā)液壓缸缸筒出現(xiàn)形變的壓力，則液壓缸的額定工作壓力應(yīng)當(dāng)保持在pN≤（0.35～0.24）PrL這一范圍之內(nèi)。

1.2.2 缸底。在進(jìn)行缸底厚度設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，可以使用公式進(jìn)行厚度計(jì)算。式中：D2表示的就是缸底內(nèi)徑，單位為mm。如果缸底厚度無法有效與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及要求相符合，則當(dāng)液壓缸需要承受的系統(tǒng)油壓一旦超過大氣壓，則極有可能引發(fā)爆缸事故。

1.3 長度計(jì)算與校核

活塞桿需要安裝在導(dǎo)向套的內(nèi)部，并在此完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)向套過長和過短將分別有可能導(dǎo)致液壓缸體積陡增或是弱化導(dǎo)向效果的情況，因此設(shè)計(jì)人員需要利用公式進(jìn)行導(dǎo)向套的長度計(jì)算與設(shè)計(jì)。如果在對導(dǎo)向套的檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向套過長，則可以通過增加隔離套的方式適當(dāng)縮短其長度，一般情況下隔離套的寬度。式中：導(dǎo)向套的長度與動(dòng)面長度分別為L1與L2；活塞寬度則為L3。

2 液壓缸輔件設(shè)計(jì)

2.1 端蓋

除了液壓缸的缸底以及缸筒之外，還需要使用端蓋才能保證壓力容腔完整且具有較好的密閉性，而活塞桿以及導(dǎo)向套、防塵圈等均安裝在端蓋當(dāng)中，這也要求液壓缸的端蓋一定要具有較高的連接強(qiáng)度。通常情況下會設(shè)計(jì)使用拉桿連接的方式連接缸體端部，這主要是由于此種連接方式能夠使得液壓缸具有更高的通用性和便捷性。

2.2 套筒

液壓缸中的套筒負(fù)責(zé)支撐活塞桿，并保障缸筒等能夠充分發(fā)揮其應(yīng)有作用，當(dāng)伸出液壓缸時(shí)，其與缸筒表面將發(fā)生接觸作用。在進(jìn)行套筒設(shè)計(jì)時(shí)最好能夠使用O形密封圈密封套筒外圓和缸體內(nèi)壁。圖3展示的就是液壓缸中的套筒：

3 液壓缸的運(yùn)行特性分析

當(dāng)液壓缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會輸入液壓能，而運(yùn)動(dòng)行程以及時(shí)間將會發(fā)生相應(yīng)變化，此時(shí)速度則能夠充分表示液壓缸的運(yùn)動(dòng)特性。因此本文通過使用仿真實(shí)驗(yàn)的方式，假設(shè)液壓系統(tǒng)有30MPa的供油壓力，兩側(cè)液壓缸分別有2044mm2和2826mm2的承壓面積，將液壓缸機(jī)械效率設(shè)定在0.95。通過實(shí)驗(yàn)可以得知，液壓缸在開斷的狀態(tài)下，只在有桿側(cè)系統(tǒng)工作的油壓作用之下，液壓缸活塞才會進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)油箱負(fù)責(zé)提供比系統(tǒng)工作壓力要小，但基本等同于大氣壓的無桿側(cè)油壓。而如果是在閉合狀態(tài)下，則兩側(cè)液壓缸的活塞將同時(shí)與高壓油連通，不同的承壓面積將導(dǎo)致活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從活塞的極限速度最高值中可以看出，液壓缸處于開斷狀態(tài)下的速度值明顯高于其處于閉合狀態(tài)時(shí)，因此可以認(rèn)為液壓缸具有速度越大、加速越大、動(dòng)作時(shí)間越短的運(yùn)動(dòng)特性。

如果供油壓力是由不同系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供，那么通過仿真實(shí)驗(yàn)可以得知，液壓缸會因?yàn)橐簤合到y(tǒng)在工作過程中不斷增加的油壓而使其活塞的極限速度最高值也跟著不斷增加，此時(shí)加速度將隨之增加，而液壓缸的動(dòng)作時(shí)間反而有所降低。

在進(jìn)行影響液壓缸活塞速度以及時(shí)間特性的仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，通過將變化對象設(shè)定為與活塞聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)歸化質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)無論歸化質(zhì)量如何發(fā)生改變，極限速度的最高值均不會發(fā)生任何影響，即始終保持一個(gè)穩(wěn)定的、固定的數(shù)值，但此時(shí)歸化質(zhì)量在變化過程中，加速度將發(fā)生相反變化。也就是說如果歸化質(zhì)量在不斷增加，那么加速度則會不斷減小，此時(shí)極限速度達(dá)到最高值的時(shí)間將被迫隨之增加，使得液壓缸的動(dòng)作時(shí)間較以往相比有所增加。在通過對相關(guān)研究資料進(jìn)行進(jìn)一步分析的過程當(dāng)中，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前許多研究人員認(rèn)為，如果能夠在實(shí)際使用液壓缸的過程當(dāng)中，選擇使用質(zhì)量比較輕但強(qiáng)度比較高的材料，譬如說鋁合金等，再盡可能簡化傳統(tǒng)流程，去掉不必要的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，能夠有效控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，并達(dá)到實(shí)現(xiàn)其最小化的目的。

在利用仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)活塞直徑是否會影響液壓缸運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的過程當(dāng)中，可以發(fā)現(xiàn)如果閥口通流面積相對固定，增加活塞的承壓面積，將大大增加液壓缸的驅(qū)動(dòng)力以及加速度。不僅如此，隨著閥口流通量的相應(yīng)增加，液壓缸活塞的背壓阻力也隨之相應(yīng)增加，此時(shí)極限速度最高值將得到有效控制。因此可以認(rèn)為，如果液壓缸的活塞直徑越大，那么加速度也將越大，但活塞的極限速度最小值反而會越來越小。

4 結(jié)語

總而言之，通過本文的分析研究可以得知，液壓缸主要是由缸體、活塞桿、端蓋以及套筒等組合而成，而通過相應(yīng)計(jì)算可以得知，通過適當(dāng)將液壓缸的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行縮小，可以有效完成對加速度的調(diào)節(jié)，并且不會對極限速度最大值造成任何實(shí)質(zhì)性的影響。另外，液壓缸的活塞直徑在與節(jié)流閥口的通流面積參數(shù)進(jìn)行相互配合之下，能夠使其具有較高的運(yùn)動(dòng)性能尤其是輸出

性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉曉明，葉瑋.液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2013，（7）.

[2] 畢雷.新型旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性研究[D].武漢工程大學(xué)，2013.

[3] 劉明生，鄭攀.基于運(yùn)行可靠性的車載液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015，（4）.

[4] 宋晨.再制造液壓缸性能檢測技術(shù)的研究[D].浙江大學(xué)，2016.

作者簡介：朱朝霞（1985-），女，湖南湘潭人，湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理工程師，研究方向：液壓與氣壓傳動(dòng)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）