1.2.2. Расчет гидроцилиндра на прочность

Прочностными расчетами устанавливают значения толщины стенок цилиндра , толщины крышек (головок) _кр, диаметр шпилек (болтов) для крепления крышек d_б,ш. Корпус гидроцилиндров изготавливают в основном из стальных поковок и труб. При давлении жидкости выше 20 МПа применяют кованую сталь, при давлении до 20 МПа – стальные трубы. Иногда, в зависимости от назначения, для изготовления гидроцилиндров используют чугун, высокопрочный чугун, бронзу, алюминий. Штоки и поршни гидроцилиндров изготавливают из стальных поковок.

В зависимости от соотношения между наружным диаметром D_н и внутренним гидроцилиндры бывают толстостенными и тонкостенными . Так как эти соотношения неизвестны, то предварительно принимается любая из нижеприведенных формул, а затем проверяется соотношение.

Толщину стенки толстостенного цилиндра определяют по формуле

,

а тонкостенного –

,

где p_у – условное давление, равное (1,2  1,3)p_д;  – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); [] – допустимое напряжение на растяжение; n – коэффициент запаса прочности (при прочностных расчетах при давлениях до 30 МПа принимается n = 3).

Значения [] и  принимаются в зависимости от материала цилиндра (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Материал	Стальное литье	Легированная сталь	Чугун	Высокопрочный чугун	Бронза
[], МПа	80 – 100	150 – 180	25	40	42
	0,25 – 0,30	0,25 – 0,30	0	0	0,25

К вычисленной толщине стенки необходимо добавлять припуск (0,5  1,0) мм, необходимый для обработки внутренней поверхности цилиндра.

Крышки (головки) цилиндров могут быть плоскими или сферическими. Толщину плоской крышки определяют по выражению

,

а сферической

.

Толщина крышки должна быть не менее двойной толщины стенки.

При креплении крышек цилиндров болтами или шпильками диаметр их определяется из условия прочности на разрыв. При этом для гидроцилиндров толкающего действия

,

а гидроцилиндров тянущего действия

,

где 1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерность предварительной затяжки болтов или шпилек; n – количество болтов или шпилек; [_р] = (130 – 150) МПа – допустимое напряжение материала на разрыв.

1.2.3. Уплотнение поршня и штока

Для предотвращения перетечек (а также утечек) рабочей жидкости, которая находится в гидроцилиндре под давлением, через зазоры в стыке двух подвижных или неподвижных твердых поверхностей (штока, поршня, гильзы цилиндра, направляющей для штока) необходимо наличие уплотнений.

Для уплотнения контактных поверхностей в гидроприводах чаще всего принимают металлические кольца (для уплотнения поршня), резиновые кольца и манжетные уплотнения (для поршня и штока).

При уплотнении поршня или штока резиновыми кольцами (рис. 1.1, а) выбор колец производится из Приложения 5 (d₁ – диаметр кольца, d₂ – диаметр поперечного сечения кольца).

Силу трения при уплотнении резиновыми кольцами определяют по формуле

,

где D – диаметр поршня; f – коэффициент трения (при твердости резины 75 единиц по Шору f = 0,0144 – 0,0265, при твердости 90 единиц f = 0,04 – 0,18); b – ширина контактной поверхности, принимаемая по графику (рис. 1.2).

Рис. 1.1

При уплотнении штока резиновыми кольцами в формулу вместо диаметра поршня D подставляют значение диаметра штока d.

Рис. 1.2

При уплотнении поршня металлическими кольцами степень герметичности зависит от числа колец n, которое находится в зависимости от давления и диаметра поршня (Приложение 6). Ширину колец «b» принимают в зависимости от диаметра цилиндра D (Приложение 6). Расстояние между кольцами на герметичность уплотнения не влияет. Силу трения металлических колец при уплотнении определяют по формуле

,

где p_к – контактное давление, принимаемое равным (0,1 – 0,2) МПа;

f_к – коэффициент трения, равный 0,07 при _р > 0,1 м/с и 0,15 при _р < 0,1 м/с.

Уплотнение из шевронных манжет применяют как для уплотнения поршня, так и штока. Манжеты имеют U-образную (рис. 1.1, б) и шевронную форму (рис. 1.1, в).

В манжетах шевронного профиля уплотнение состоит из опорного кольца 1, нажимного кольца 2 и пакета манжет 3 (рис. 1.1, в). Герметичность соединения обеспечивается за счет деформации манжет опорным и нажимным кольцами при монтаже и давлением рабочей жидкости. Количество манжет в пакете зависит от диаметра и давления и может быть от двух до шести штук. Материал для изготовления манжет и колец – доместик, пропитанный с двух сторон графито-резиновой смесью.

Сила трения при таком уплотнении определяется по формуле

,

где k – удельная сила трения, равная 0,22 МПа; b – ширина манжеты; n – количество манжет.

Количество манжет и их размеры принимают в зависимости от величины давления и уплотняемого диаметра (Приложение 7). При уплотнении штока шевронными манжетами в формулу вместо диаметра поршня D подставляют значение диаметра штока d.

В уплотнении из U-образных манжет (рис. 1.1, б) герметизация обеспечивается контактной поверхностью за счет деформации при монтаже и давления жидкой среды. Для изготовления манжет применяют кожу, специальные сорта резины, полихлорвиниловый пластификат. Сила трения в этом случае определяется по формуле

,

где b – ширина манжеты (Приложение 8); p_к = (2  5) МПа – контактное давление, которое возникает при монтаже уплотнения; f = (0,10  0,13) – коэффициент трения.

При уплотнении штока U-образными манжетами в формулу вместо диаметра поршня D подставляют значение диаметра штока d.

Определив потери на трение от принятых уплотнений, необходимо определить общее усилие и механический КПД гидроцилиндра . При определении Р_общ для гидроцилиндра с двухсторонним штоком необходимо учитывать уплотнение с двух сторон. Если рассчитанный механический КПД гидроцилиндра отличается от принятого ранее в формулах (1.6, 1.7, 1.8, 1.9) более чем на 5%, то необходимо снова пересчитать параметры гидроцилиндра согласно раздела 1.2.

С учетом принятых стандартных диаметров D и d определяют действительное давление в гидроцилиндре при отсутствии противодавления в сливной линии по выражению , где S – рабочая площадь поршня, при стандартных диаметрах определяемая по выражениям:

• для гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком при подаче жидкости в поршневую полость , а при подаче жидкости в штоковую полость – ;

• для гидроцилиндра двустороннего действия с двухсторонним штоком – ;

• для гидроцилиндра с дифференциальной схемой включения – .