内循环数字液压缸的设计与计算

张德虎

(西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室，四川绵阳 621010)

内循环数字液压缸的设计与计算

张德虎

(西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室，四川绵阳 621010)

设计了一种一体化的内循环数字液压缸。通过设计与计算，发现这种完全一体化的内循环数字液压缸具有一定的可行性，能在工业上推广，给液压传动带来了新的活力。

内循环数字液压缸;柱塞;活塞

液压缸是一种液压执行元件，它能够做直线往复运动 (或摆动运动)，能够将液压能转变为机械能，其结构简单、工作可靠。用液压缸来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种液压系统中得到广泛应用。

随着机电一体化技术的日益发展，数字技术在液压缸的设计中也得到很大的应用，并有逐步取代传统模拟技术的趋势。作者将液压动力元件、执行元件和控制元件进行有机的结合和集成，设计了一种完全一体化的内循环数字液压缸。此液压缸把传统液压系统需要的方向阀、流量阀、单向阀、溢流阀等多种液压元件有机地融合在一个柱塞里。液压缸活塞 (同时也为油泵)上均匀分布10个小柱塞，5个小柱塞使液压缸向左做功 (A组)，5个使液压缸向右做功(B组)。A、B两组柱塞交替反向放置，构成一个等行程、等速的双作用缸，结构如图1所示，液压缸的工作速度通过控制电磁铁的通电频率来控制。

图1 内循环数字液压缸的结构

1 液压缸小柱塞的设计

如图2所示，在脉冲电流的控制下，电磁铁推动活塞向左运动，1腔的体积变小，4腔的体积变大，同时3腔的液压油通过单向阀被排到2腔，推动液压缸向右运动。在结构设计时，保证3腔和4腔的体积同步变化，1腔的液压油便可在电磁铁做功的时候暂时存于4腔中，防止因液压油压缩而出现困油现象。做功完成后，在电磁铁的弹簧力的作用下，活塞右移，4腔的油通过1腔、单向阀被吸回3腔，完成吸油过程。锲型挡板的作用是当A组柱塞工作时保证液压缸1腔与2腔不能通过B组柱塞相通，如果没有锲型挡板，当A组柱塞把液压油排到2腔后，2腔的压力增大，液压油通过B组的单向阀、3腔、排油管被压回液压缸1腔，液压缸不动作。

图2 柱塞的工作原理

1.1 小柱塞的壁厚

钢筒壁厚校核分薄壁和后壁两种，当D/δ≥10时为薄壁，因为壁厚δ未知，先假设此系统为薄壁，按以下公式进行校核:

其中:D=8 mm(钢筒直径)，py为钢筒试验压力，当缸的压力pn≤15 MPa时，py=1.5 pn，通过计算pn=0.5 MPa;柱塞属于低压小尺寸的液压缸，选用灰口铸铁，常用的为HT200，其抗拉强度σb=200 MPa，安全系数n=5，［σ］ =σb/n=40 MPa。所以δ≥0.037 5 mm，考虑到加工工艺问题，取δ=1 mm。

1.2 小柱塞的活塞杆

由于此液压系统中压力很小，不到0.5 MPa，所以活塞的直径并没按国标中当工作压力小于5 MPa时取d=0.5D，小柱塞中的活塞杆直径由电磁铁推杆的直径来决定。

考虑到所选用电磁铁的推杆直径为3 mm，以此做为柱塞活塞杆，进行强度校核:

此值远远小于钢材的许用应力 ［σ］ =250 MPa。可知其螺纹、退刀槽等危险面强度也应是足够的。

1.3 小柱塞的活塞

活塞宽度B=(0.6～1.0)D，其中D=8 mm，取B=7 mm，上销的凸台厚度为3 mm，凸台直径d=6 mm，宽度H=5 mm。此处要打一个d=1 mm的排油孔。

柱塞内活塞与活塞杆的锥销连接，活塞杆直径D=3 mm，销的直径大约为轴径的0.2～0.3倍，取销的直径d=1 mm。销的材料常用35钢、45钢，可取许用切应力［σ］=80 MPa，受横向力F作用时:

1.4 小柱塞油路设计

液压系统吸油管道流速推荐值为0.5～1.5 m/s，此处取v=1.2 m/s。通过计算柱塞内吸油管道的最大流量为1.9 L/min，但平均流速比较小，此处取1.5 L/min计算流速。公式如下:

液压系统排油管道流速推荐值为3～6 m/s，取4.5 m/s。柱塞内吸油管道的最大流量为2.5 L/min，同样平均值较小，取2 L/min计算流速。通过公式(3)、(4)计算可知排油管道直径应小于吸油管道，但考虑到油液的黏度和加工工艺以及单向阀的选购，排油管道直径做成和吸油管道相同d=5 mm。

1.5 单向阀的设计

进油口直径d=5 mm，单向阀中球芯选用φ6.5 mm的钢球，为保证单向阀推开后的进油面积大于等于进油口的面积对于吸油管道处，考虑管道中需要加工螺纹，选用M10×1，其小径为φ8.917 mm。取管道内径d=8.9 mm;对于排油管道而言，5 mm的直径是很充裕的，所以此处安装单向阀的油路直径取8 mm已足够。单向阀的开启压力一般为0.03～0.05 MPa，由于此液压缸的压力只有0.5 MPa，远远小于一般液压缸，取开启压力p=0.02 MPa。单向阀完全开启时，要使单向阀的横截面积大于吸油管道的面积，由图3可知钢球的位移大约为2.2 mm，可满足要求。连接球芯的弹簧的刚度应小于电磁铁的弹簧的刚度0.6 N/mm。此处取K=0.3 N/mm。此时钢球横截面面积S=6.52π/4，推力 F=pS=0.66 N。

弹簧刚度计算公式为:

图3 单向阀平面图

其中:G为材料的弹性切变模量，选用不锈钢丝，其G=71×103MPa;D为弹簧中径，由于钢球的直径d=6.5 mm，取弹簧中径D=6mm;由于弹簧的C与n都未知，暂取簧丝直径d=0.5 mm，C=12，取n=4代入计算得K=0.73 N/mm，K值是需求值的两倍，取簧丝直径 d=0.4 mm，C=15，n=3.5，则此时K=0.3 N/mm。

柱塞中电磁铁的直径为φ25.5 mm，安装单向阀处的孔直径为φ8 mm，每处壁厚都为1 mm，所以柱塞的直径为φ36.5 mm。具体分布结构见图4。

图4 柱塞尺寸图

2 液压缸活塞的设计

活塞周围需要均匀分布10个小柱塞，为减小活塞的直径，活塞上的密封圈选用沟槽不深的O型密封圈。活塞尺寸结构分布如图5所示。凸台厚度6.5 mm，两柱塞孔之间的最小距离为1.97 mm，柱塞孔到活塞边缘的距离为4.5 mm，活塞直径D=17 mm。所选用的密封圈需要的槽深为3.55 mm，活塞最薄处厚0.95 mm。

活塞宽度一般情况下应满足B=(0.6～1.0)D。由于活塞内部分布着小柱塞，应保证小柱塞为密封的。为保证小柱塞的密封效果，活塞两旁应加密封垫片和挡板。此挡板基本上不承受力的作用，对连接螺钉没什么要求，选用开槽盘头螺钉，型号为:GB/T 67 M5×16，其螺帽厚度为3 mm，数目为5个交替分布。活塞在宽度方向上的结构与尺寸分布如图6所示。

图5 活塞上柱塞分布图

图6 活塞尺寸结构图

小柱塞厚度已设计为l=130 mm，活塞宽度尺寸B=174 mm，满足活塞宽度范围要求。

3 液压缸的设计与计算

液压缸材料选用无缝钢管，考虑到液压缸内壁加工后为d=170 mm，根据GBT-17359选用180×9的无缝钢管，在内壁上留了4 mm的加工余量。液压缸在压力的作用下会产生圆周方向上的膨胀弹性变形，增大活塞与缸筒之间的间隙，使密封效果降低。因而，需要核算缸筒的弹性变形，使弹性变形不超过公差允许范围。选用钢材，变形计算如下:

式中:μ为泊松比，取μ=0. 3;E为弹性模数，取E=206 GPa;压力p=0.5 MPa=50 N/cm2，直径D=170 cm;壁厚l=5 cm。

代入数据计算得ΔD=4.85×10－7cm，此值远远小于公差允许范围，弹性变形强度足够。经过强度校核的缸筒一般不会发生塑形变形，此液压缸的强度足够。此系统设计中对活塞的最大行程并无要求，设定液压缸的长度为l=400 mm。

4 结论

文中液压缸的设计不是针对要解决的实际负载，对液压缸的最大行程、速度、负载、工作环境等方面都无要求，唯一的要求就是精度要达到0.02 mm。设计实物的目的是为了验证方案的可行性与实用价值，比较出实物液压缸与软件仿真的差距，做进一步的改进，进而才是工业上的推广。设计中很多参数的设定、材料的选择是在保证液压缸有足够的强度、刚度、耐用性的基础上以取材、加工方便为原则的。

通过对内循环数字液压缸的设计与计算，发现这种完全一体化的内循环数字液压缸具有一定的可行性。但是研究过程中也遇到一些很棘手的问题，如散热问题、体积与相同推力的液压缸相比较大等。在后续的设计中，将对内循环液压缸进行改进，如:选用特定的电磁铁，提高电磁铁的性能，从而减小液压缸的体积。希望能把内循环液压缸设计得更成熟，能在工业上推广，给液压传动带来新的活力。

［1］张向英，朱建公.内循环数字液压缸的仿真研究［J］.机床与液压，2007，35(7):159 －162.

［2］王守城，段俊勇.液压元件及选用［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［3］MA Yumin，FAN Liuqun，ZHU Zhihao，et al.Framework of Digital Machining Process Planning Platform for Cylinder Body Part［J］.Journal of Donghua University:English Edition，2007，24(5):627 －632.

［4］MURAKIMasayoshi，KINBARA Eiji，KONISHIToru.A Laboratory Simulation for Stick-slip Phenomena on the Hydraulic Cylinder of a Construction Machine［J］.Tribology International，2003，36(10):739 －744.

［5］李晋山.液压系统设计中液压缸配合公差选择的理论依据［J］.液压与气动，2005(2):73－75.

［6］吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册［M］.3版.北京:高等教育出版社，2005.

Design and Calculation of Digital Hydraulic Actuator with Inner Circulation

ZHANG Dehu
(Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

A fully integrated digital hydraulic actuator with inner circulation was designed.Through design and calculation，it is found that the fully integrated digital hydraulic actuator has certain feasibility and can be promoted in industry.Itbrings new vitality to hydraulic transmission.

Digital hydraulic actuator with inner circulation;Plunger;Piston

TH137.5

B

1001－3881(2014)10－098－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.030

2013－04－26

四川省教育厅资助项目 (14zd1135)

张德虎 (1978—)，硕士，助理研究员，研究方向为机电一体化、流体力学及控制。E－mail:615_tiger@163.com。