基于SolidWorks的液压缸参数化设计(3)

( 2 )从缸壁到法兰的过渡区结构设计不合理，也会引起很大的应力集中。如一台6300kN液压机的工作缸，由于法兰过渡圆弧半径仅为4mm，使用不久就出现裂纹，裂纹扩展后，整圈法兰断裂脱落。为避免此种情况，可以对法兰处的过渡形线进行优化设计，选择能降低应力集中系数的形线。

( 3 ) 从缸底到缸壁的 过渡区产生弯曲 应力并有应力集中， 此处圆弧半径太小是缸底破裂的主要原因之一， 一般不应小于液压缸内直径的1 / 8。有几台液压缸的缸底圆弧半径分别为液压缸内直径的1/12.7 ,1/10 和1/9，结果液压缸均曾在缸底破裂。因此，正确合理地设计液压缸是至关重要的。 在传统设计中，液压缸的分析计算采用材料力学和弹性力学方法，并对受力情况作若干假设，但传统的弹性力学计算方法由于模型简单，所作的假设不能精确地反映实际情况，并且应力计算没考虑局部应力场的影响，所以误差较大。因此， 学者对此作了许多研究和改进， 提出了一些新的弹性力学计算方法，其中，对经常破坏的法兰和缸底过渡区研究最多。

新的液压缸强度分析理论和方法己逐步趋于实际应力应变情况，但它只能对液压缸

的某个局部进行分析，工程应用中常常需要知道整个液压缸的应力分布情况，因此，需

基于solidworks机械设计和分析方法

要一种新的分析计算方法即有限元法。有限元法是一种迅速而准确地分析结构强度和刚度等问题的数值计算方法，适于各种复杂结构的力学计算。

1.2.2设计的一般原则

液压缸设计时应注意如下问题：

1.保证液压缸的输出力（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“憋劲”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、泄漏量少、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，

应使其压缩量和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范系列尺寸，尽量选用标准件。

10.液压缸应做到成本低、制造容易、维修方便。

1.2.3设计的一般步骤

不同类型、用途和结构的液压缸，设计内容是不同的。由于液压缸各参数之间往往

具有内在联系，所以液压缸的设计没有硬性规定或统一的格式。一般情况下，应根据已确定的各种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。一般设计工作可参考下列步骤进行：

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：缸体结构形式、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如重力、外部机构运动摩擦力、惯性力及工作载荷，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，最好作出负载—位移（F x）图、负载——时间（F t）图、位移——时间（x t）和负载——速度（F u）图，使设计数据一目了然。

基于solidworks机械设计和分析方法

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。比较方便的方法是根据液压计算图表（有关液压缸内容）或液压缸性能参数表，由选定的额定（工作）压力或负载决定D和d。D和d应符合系列尺寸之规定，两者是液压缸设计的基本参数。

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。在以液压缸速度为主的设计中，应首先根据工作速度选择液压缸的流量Q、活塞外径D及活塞杆直径d；再根据负载F确定液压缸的额定（工作）压力。

5.选择缸筒材料，计算缸筒厚度或外径。缸筒外径要符合系列尺寸之规定。缸筒通常选择冷拨或热轧无缝钢管，以节省加工费用，特殊要求时选用锻件或铸件。有焊接要求时，选用焊接性能较好的35号钢或ZG35。无焊接要求时通常可选用45号钢，有特殊要求的，可选择合金钢。

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；确定具体安装型式及结构尺寸；确定缸筒上油口的位置、尺寸和连接形式。

7.活塞组件设计，包括活塞的宽度B、密封和支承形式，与活塞杆的连接方式，活塞杆与负载的连接形式和尺寸，根据负载F校核活塞杆的强度。根据行程S、活塞宽度B等确定活塞的长度L。对于活塞杆直径d与液压缸行程S之比小于0.1，即S≥10d时，应进行活塞杆纵向弯曲强度校核及液压缸稳定性校核。仅承受拉负载的液压缸可不作上述校核。

8.必要时设计缓冲和排气装置。当液压运动速度较高（u＞12m/min）或运动部质量较大时，为防止活塞在行程末端与缸盖或缸底发生机械碰撞而引起冲击或造成液压缸及被驱动件的损坏，必须设计缓冲装置。液压缸速度u＜6m/min时不需要设计缓冲装量。

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。

1.2.4液压缸的设计理论体系结构

液压缸设计是理论与经验的结合。我们根据液压缸的使用环境，使用要求，设计液

压缸。 有的液压缸要求行程，有的要求速度，有的要求负载，有的要求是上述要求的不同组合。但是无论要求什么，都是下面设计体系框图表明的各种制约因素的平衡。

基于solidworks机械设计和分析方法

图表：液压缸设计理论体系框图

1.3基于SolidWorks的液压缸参数化设计

利用SolidWorks中VBA的二次开发应用，应VB语言编写程序，通过SolidWorks

运行实现液压缸模型，这样可以通过改变液压缸中参数的相关尺寸，即快速而准确的得到所需的液压缸。

1.3.1液压缸的参数化设计原理

将液压缸的组件（如活塞杆、缸体、活塞、端盖）按相似形原理归类建构系列产品

的基本参数模型，提出参数模型设计参数作为驱动变量，在图形拓扑关系不变的情况下控制组件的几何尺寸。

设计参数的提取原理是能够反映产品的性能和用户的要求，能够控制组件的基本结构，如活塞设计主参数是活塞的外径、孔径和活塞宽度，缸筒的主参数是缸筒的外径和缸筒的长度。但是组件的设计主参数之间有约束关系，如活塞的外径与缸筒的内径相等，活塞的孔径与活塞杆径有函数关系，缸筒的长度与缸的行程、活塞宽度、缸盖和缸底的长度有关系，而活塞宽度又与密封结构、支撑结构以及与活塞杆的联接方式有函数关系。与主参数对应或函数关系的结构尺寸定为参考变量，结构尺寸不随主参数变化的定为常

基于solidworks机械设计和分析方法

量尺寸。