缸筒

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第1392页（7344字）

(1)缸筒的结构

缸筒的结构和端盖的连接形式、液压缸的用途、工作压力、使用环境以及安装要求等因素有关。

端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将液压缸的活塞杠(柱塞)腔封闭，并起着为活塞杆导向，防尘和密封的作用。后端盖将缸筒内腔一端封闭，并常常起着将液压缸与其他机件连接的作用。双活塞杆的液压缸则前、后端盖其结构几乎是相同的(杆径相同的情况)。

常用的缸筒与端盖的连接有拉杆、法兰、焊接、外螺纹、外卡环、内螺纹、内卡环和挡圈等八种连接型式。其中焊接连接型式只用于缸筒与后端盖的连接。

表23．3－1列举各种连接型式的缸筒端部结构。

表23．3－1 各种连接型式的缸筒端部结构

(2)缸筒计算

A．单活塞杆液压缸缸筒内径(缸径)计算

据液压缸的供油压力和负载(推力或拉力)，缸筒内径D可按下列公式初步计算：

液压缸的负载为推力

液压缸的负载为拉力

注：双活塞杆液压缸其缸筒内径D由式23．3－2计算。

式中 F₀₁、F₀₂——液压缸实际使用推力，拉力(N)；

ψ——液压缸的负载率［见式(23．1－8)］一般取ψ=0．5～0．7；

η——液压缸的总效率［见式(23．1－24)］一般取η=0．7～0．9；

P——液压缸的供油压力，一般为系统压力。(MPa)；

d——活塞杆直径(m)。

由上式求得缸筒内径D值，据已知活塞的速度来计算液压缸输入流量q［式(23．1－25)或式(23．1－26)］。

如有速度比(面积比)φ的要求，则应根据表23．1－6进行调整D和d值。

最后，确定的缸筒内径D值应根据表23．1－4“液压缸缸筒内径尺寸系列”圆整为标准值。

B．缸筒壁厚计算

缸筒壁厚δ值，可按下列情况分别进行计算：

当δ／D≤0．08时(可用薄壁缸筒的实用计算式)

当δ／D=0．08～0．3时

当δ／D≥0．3时

式中 D——缸筒内径(m)；

p_max——最高允许压力(MPa)(见表23．1．2和式(23．1－1)－(1)－(B))；

［σ］——缸筒材料的许用应力(MPa)

σ_s——缸筒材料的屈服强度(MPa)；

n——安全系数。

通常取n=1．5～2．5根据液压缸的重要程度和工作压力大小等因素选取(工作压力大，n可选取小一些)。

表23．3－2为典型的液压缸系列产品其缸筒的壁厚δ值，供参考。

表23．3－2 缸筒壁厚δ 单位：mm

C．缸简壁厚验算

计算求得的缸筒壁厚δ值后，应作以下四个方面的验算，以保证液压缸安全的工作。

(A)液压缸的额定压力p_n值应低于一定的极限值，保证工作安全：

(B)为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力p_n值应与塑性变形压力有一定的比例范围：

p_n≤(0．35～0．42)p_pL (MPa) (23．3－9)

(C)缸筒径向变形△D值应在允许范围内，而不应超过密封件允许范围：

(D)为了确保液压缸安全的使用，缸筒的爆裂压力p_E应大于耐压试验压力p_T：

同样，也可用费帕尔(Faupel)公式来计算缸筒的爆裂压力p_E值：

计算求得p_E值，应远超过耐压试验压力p_T值时，才可保证液压缸安全的使用。

p_E》p_T

式中 D——缸筒内径(m)；

D₁——缸筒外径(m)；

p_n——液压缸的额定压力(MPa)；

p_pL——缸筒发生完全塑性变形的压力(MPa)；

p_T——液压缸耐压试验压力(MPa)；

p_E——缸筒发生爆裂时压力(MPa)；

σ_B——缸筒材料的抗拉强度(MPa)；

σ_S——缸筒材料的屈服强度(MPa)；

E——缸筒材料的弹性模数(MPa)；

v——缸筒材料的泊桑系数

钢材：v=0．3

D．缸筒底部厚度计算

缸筒底部为平面时，其厚度δ可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似的计算(图23．3－1)：

图23．3－1 缸筒平面底部

式中 δ——缸筒底部厚度(m)；

D₀——计算厚度处的直径(m)；

p_n——液压缸的额定压力(MPa)；

［σ］——缸筒底部材料的许用应力(MPa)；

［σ］其选用方法与缸筒壁厚计算相同。

缸筒底部为拱形时，如图23．3－2所示(图中R≥0．8D，)，其厚度δ可按下式计算

图23．3－2 缸筒拱形底部

式中 β——系数

当H／d_a=0．2～0．3时，取β=1．6～2．5；

d_a——缸底外径(m)；

p_n、［σ］——与式(23．3－14)相同。

E．缸筒端部法兰厚度计算(图23．3－3)

式中 F——法兰在缸筒最大内压下，所承受的轴向力(N)；

r_a——法兰外圆半径(m)。

其余符号代表的意义见图23．3－3。

图23．3－3 缸筒端部法兰厚度

F．缸筒端部螺纹连接的强度计算

缸筒与前、后端盖用螺纹连接时，缸筒螺纹处的强度计算如下(见图23．3－4)：

图23．3－4 螺纹连接的缸筒

1－前端盖；2－锁紧螺母；3－缸筒

螺纹处的拉应力

螺纹处的剪应力

合成应力

式中 F——缸筒端部承受的最大推力(N)；

D——缸筒内径(m)；

d₀——螺纹外径(m)；

d₁——螺纹底径(m)；

K——拧紧螺纹的系数

不变载荷 取K=1．25～1．5；

变载荷 取K=2．5～4

K₁——螺纹连接的摩擦系数K₁=0．12；

［σ］——缸筒材料的许用应力(MPa)

［σ］=σ_S／n

σ_S——缸筒材料的屈服强度(MPa)；

n——安全系数取n=1．5～2．5。

G．缸筒端部法兰用螺钉或拉杆连接的强度计算

缸筒端部法兰用螺钉连接(图23．3－5)，或拉杆连接时，螺钉或拉杆的螺纹的强度计算如下：

图23．3－5 缸筒端部法兰用螺钉连接

1－前端盖；2－缸筒

螺纹处的拉应力

螺纹处的剪应力

合成应力

式中 Z——螺钉或拉杆的数量。

其他符号的意义和系数值，同式(23．3－17)～式(23．3－19)。

如选用长拉杆连接，当液压缸的行程S超过缸筒内径D的20倍(S＞20D)时，为防止拉杆偏移，须加装中间支承或分段连接(如图23．3－6)。

图23．3－6 缸筒端部法兰用长拉杆连接

a－中间支承；b－分段连接

H．缸筒端部用内、外卡环连接的强度计算

缸筒端部采用内、外卡环连接时，如图23．3－7所示，卡环的强度计算如下：

图23．3－7 卡环连接的缸筒

1－前端盖；2－卡环；3－缸筒

卡环的剪应力(a－a断面处)

卡环侧面的挤压应力(ab侧面上)

卡环尺寸一般取：

h=δ；l=h

验算缸筒在A－A断面上的拉应力

式中 p_n——液压缸的额定压力(MPa)其中代号见图23．3－7。

I．缸筒端部焊接连接的强度计算

缸筒与缸盖用焊接连接时，如图23．3－8所示，其焊缝应力计算如下： (23．3－26)

图23．3－8 焊接连接的缸筒

式中 F——液压缸的最大推力(N)；

D₁——缸筒外径(m)；

d₁——焊缝底径(m)；

η——焊缝效率 取η=0．7；

σ_b——焊条材料的抗拉强度(MPa)；

n——安全系数 取n=5。

(3)缸筒材料

缸筒的材料，一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。

目前，普遍采用的缸筒材料是热轧或冷拔无缝钢管。近年来由专业厂提供内圆已经过珩磨和外圆精加工的高精度冷拔无缝钢管，按所需长度切割下料。再根据与端盖连接型式的要求在两端进行加工，就可清洗装配。

常州冷拔油缸厂、成都油缸厂、合肥钢铁公司钢铁研究所等单位，可供应用于液压缸的高精度冷拔无缝钢管，其产品规格及机械性能。见表23．3－3～23．3－4。

表23．3－3 高精度冷拔无缝钢管产品规格 单位：mm

表23．3－4 高精度冷拔无缝钢管机械性能

根据液压缸的参数，用途和毛坯的来源等，还可选用以下各种材料。

普通低合金结构钢：15MnV

合金结构钢：30CrMo，35CrMo，38CrMoAlA等

碳素钢：20、35、45号等

不锈钢：Cr18Ni9

铅合金：ZL105、LF3、LF6等

铸钢：ZG35、ZG45

对于壁厚较厚的缸筒毛坯可用铸件或锻件。

(4)缸筒加工要求

·缸简内径可选用H₈、H₉或H₁₀配合。内径的表面粗糙度：当活塞选用橡胶密封件密封时，取R_a为 0．4～0．1μm；当活塞选用活塞环密封时，取R_a为0．4～0．2μm。且均需珩磨。

·缸筒内径的圆度和圆柱度可选取8级或9级精度。

·缸筒端面T(图23．3－9)的垂直度可选取7级精度。

图23．3－9 缸筒的加工要求

·缸筒端部用螺纹连接时，螺纹应选用6级精度的细牙螺纹。

·当液压缸的安装方式为耳环型或耳轴型时(图23．3－9)，后端盖的耳环孔径D₁或缸筒耳轴轴径d₂的中心几对缸筒内孔轴线的垂直度可选取9级精度。

·为了防止腐蚀以及其他使用的特殊要求，缸筒的内表面镀铬，镀层厚度为30～40μm，镀后珩磨或抛光。