液压升降舞台毕业设计

液压升降舞台系统

摘要

本次毕业设计是关于液压升降舞台系统的设计。首先对液压升降舞台作了简单的概述；接着分析了液压升降舞台的基本结构和工艺参数，然后根据所要求的基本工参数和机械机构，进行了液压系统的计算，从而对液压元件进行选型，然后在对所选择的液压升降舞台的性能进行了必要的验算，当验算合格后，本设计给出了升降舞台液压系统的原理图和电气控制图，并对此作出了详细的分析。最后本文简单的说明了液压升降舞台的安装与维护。目前，液压升降舞台正朝着长距离，高速度，低摩擦的方向发展。近年来在液压升降舞台的设计、制造以及应用方面，我国与国外先进水平相比仍有较大差距,国内在设计制造液压升降舞台过程中存在着很多不足，因而所需我们努力改进的地方还有很多。

关键词：液压升降舞台机械结构液压系统原理电气控制

The System Of Hydraulic Elevator Sage

Abstract

This graduates design is about the system of hydraulic elevator stage.Firstly it introduces the hydraulic elevator stage in outline.Then this design analyses the basic structure

and technological parameters of hydraulic elevator stage. After that it does a lot of computation about the system of hydraulic on the basis of he basic structure and technological parameters so that we can choose the hydraulic component.Afterwards it did a lot of examine about the performance of the hydraulic elevator stage.When examine meet the requirement ，this design presents the key diagram and electric controlling system diagram of hydraulic elevator stage system，besides，it also make a detailed analysis。Finally, this paper briefly explain the installation and

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摘要

maintenance of the hydraulic elevator stage.At present,the hydraulic elevator stage is developing toward Long distance, high speed, low friction.In recent years ,at the design, manufacturing and application of the hydraulic elevator stage，Our country and foreign advanced level still lags far behind.there are many shortcomings in the process of designing and making hydraulic elevator stage in our country.So we needed to improve in many areas.

Key Words: hydraulic elevator stage technological parameters

key diagram of hydraulic elevator system

electric controlling system diagram

南京工业大学学士学位论文

目录

摘要.................................................. I Abstract ................................................................... I 一．绪论 (1)

1.1液压技术的应用与特点 (1)

1.1.1液压技术的应用 (1)

1.1.2液压传动的特点 (2)

1.1.3液压系统的组成 (2)

二．液压升降舞台结构分析与设计 (5)

2 .1升降舞台的简介 (5)

2.2 升降舞台的液压系统方案的确定 (6)

2.2.1升降台机构的设计 (6)

2.2.2 升降舞台升降过程示意图 (7)

2.2.3降台工艺参数 (8)

三．升降舞台液压系统设计计算 (9)

3.1执行元件类型、数量、和安装位置 (9)

3.2升降舞台升降部分的设计 (9)

3.2.1 确定液压系统的工作要求 (9)

3.2.2 分析液压系统给的工况 (10)

3.2.3确定液压缸的主要参数 (10)

四．液压系统的设计与分析 (15)

4.1液压回路的选择 (15)

4.1.1确定油路方式 (15)

4.1.2确定调速方法 (16)

4.1.3速度换接回路的选择 (16)

4.1.4换向回路的选择 (16)

III

目录

4.1.5压力控制回路的选择 (17)

4.1.6其他回路的分析与选择 (17)

4.2升降舞台液压系统工作原理图的确定和分析 (18)

4.2.1升降舞台液压系统工作原理图 (18)

4.2.2液压系统组成及工作原理 (18)

4.3液压元件的选择 (19)

4.3.1 液压泵及电动机的选择 (19)

4.3.2液压阀的选择 (20)

4.3.3流量控制阀 (20)

4.3.4 方向控制阀 (21)

4.3.5其它辅助元件的确定 (22)

4.4液压元件的连接 (24)

4.5液压系统的演算 (25)

4.5.1判断流动状态 (25)

4.5.2压力损失 (25)

4.5.3局部压力损失（油液流经阀的损失） (25)

五．液压系统性能的验算 (27)

5.1系统压力损失计算以及泵压力的调整 (27)

5.2系统发热及温升计算 (28)

六．电气控制回路的设计 (31)

6.1液压和电气控制系统 (31)

6.2液压系统和电气系统的仿真 (32)

七．升降舞台液压系统的安装调试 (40)

7.1液压系统的安装 (40)

7.1.1系统安装前注意事项 (40)

7.1.2系统安装时的注意事项 (40)

7.1.3 系统安装方法 (42)

7.2液压系统的调试 (43)

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7.2.1调试的目的 (43)

7.2.2调试的步骤 (43)

7.2.3调试的主要内容 (44)

八.液压系统污染的控制 (46)

8.1污染的控制 (46)

8.1.1污染物种类和来源 (46)

8.1.2油液污染物的控制 (47)

8.2泄露控制 (48)

8.2.1控制泄露 (48)

8.2.2液压系统泄露的排除方法 (49)

总结 (51)

参考文献 (52)

致谢 (53)

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目录

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一．绪论

本次毕业设计是根据我们机械及其自动化专业的学生，所掌握的专业知识而编写的。它突出了液压技术的特点，实现机械和电气控制的有机地融合在一起，从而实现机电一体。本文主要介绍升降舞台液压系统的设计思路、液压系统的工作原理及各种液压元件的选用。

1.1液压技术的应用与特点

1.1.1液压技术的应用

液压技术是涉及液体流动和液体压力规律的科学技术。近几十年来，液压技术发展非常快，广泛应用于工业、农业和国防等各个部门。

液压传动主要应用如下：

(1)一般工业用液压系统：坯料加工机械(注塑机)、压力机械(锻压机)、重型机械(废钢压块机)、机床(全自动六角车床、平面磨床)等；

(2)行走机械用液压系统：工程机械(挖掘机)、起重机械(汽车吊)、建筑机械(打桩机)、农业机械(联合收割机)、汽车(转向器、减振器)等；

(3)钢铁工业用液压系统：冶金机械(轧钢机)、提升装置(电极升降机)、轧辊调整装置等；

(4)土木工程用液压系统：防洪闸门及堤坝装置(浪潮防护挡板)、河床升降装置、桥梁操纵机构和矿山机械(凿岩机)等：

(5)发电厂用液压系统；涡轮机(调速装置)、核发电厂等；

(6)特殊技术用液压系统：巨型天线控制装置、测量浮标、飞机起落架的收放装置及方向舵控制装置、升降旋转舞台等；

(7)船舶用液压系统：甲板起重机械(绞车)、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；

(8)军事工业用液压系统：火炮操纵装置、舰船减摇装置、飞行器仿真等。

上述的概略说明不包括所有应用的可能性。目前，液压传动技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低晚声、长寿命、高度集成化等方面都取得了很大的进展。同时，由丁它与微电子技术次紧密配合，能在尽可能小的空间内传送出尽可能大的功率并加以准确地控制，从而更使它在各行各业中发挥出巨大作用。

1

绪论

1.1.2液压传动的特点

与其他传动相比其优点如下：

(1)在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力。也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即：它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里等于工作压力；

(2)按压装置容易做到对速度的无级凋节，而且调速范围大，并且对速度的调节还可以在工作过程中进行；

(3)液压装置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向；

(4)液压装置易于实现过载保护．能实现自润滑，使用寿命长；

(5)按压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气动控制结合起来，实现复杂的运动、操作。

(6)液压元件易于实现系列化、标准化、通用化，便于设计、制造和推广使用

当然，液压传动还存在以下一些明显缺点：

(1)液压传动中的泄漏和液体的可压缩件，使这种传动无法保证严格的传动比；

(2)液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、摩擦损失等)，因此，传动效率相对低；

(3)液压传动对油温的变化比较敏感不宜在较高或较低的温度下工作;

(4)液压传动在出现故障时不易找出原因。

1.1.3液压系统的组成

液压传动装置主要由以下五部分组成：

1)能源装置——把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油。

2)执行装置——把油液的液压能转换成机械能的装置。它可以是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。

3)控制调节装置——对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节装置。例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等这些元件的不同组合形成了不同功

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能的液压系统。

4)辅助装置——上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。它们对保证系统正常工作也有重要作用。

5）工作介质：液压系统中用量最大的工作介质是液压油，通常指矿物油

3

绪论

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二．液压升降舞台结构分析与设计

2 .1升降舞台的简介

随着文化生活的日益丰富，人们对演出活动中舞台效果的要求越来越高，在比较高档的文化娱乐场所，为了创造一种生动活泼的立体演出效果，传统的精静止舞台逐渐被摒弃，而代之以升降舞台。现在在专业歌剧院、舞剧院、话剧院以及大型的音乐厅里都配备各种类型的升降舞台，它能够有效利用现场的有效空间，尽可能的减少传动装置的占地面积保证舞台平稳升降，并且具有快速迁换布景，满足舞台工艺布置及舞美设计和剧目编导人员的需要，制造特殊气氛和效果，根据不同表演流派需求改变舞台的形式等。

目前国内外采用的是滑动螺母丝杠升降台，普通滑动螺母丝杠副的特点是可以按需要设计成自锁，这对载人升降台是一个很好的优点，但是，滑动螺母丝杠副在设计成自锁的条件下机械效率很低，理论上可达到40%，事实证明，由于加工精度、表面粗糙度、润滑条件、安装条件的限制，真正能达到的机械效率只有20%～30%。而舞台升降台的载重较重，一般为10t左右，加上升降速度较快，最高达0.2m/s,这样就必须要求所选电动机的功率较大，一般为20kw以上，同时，由于舞台升降台一般要求变频调速，这样所选用的变频器的容量较大，功率（容量）较大，成本上升，尤其是变频器，随容量的增大，成本急剧上升。因此，我们将金属切削机床上采用的滚珠螺母丝杠副用于舞台升降台的升降传动，滚珠螺母丝杠副具有较高的传动效率，但不能自锁，这对载人升降舞台来说不安全，而滚珠螺母丝杠副的传动效率高于普通滑动螺母丝杠副，且能自锁，常用于垂直移动的传动。滚柱螺母丝杠副要求丝杠直径较粗，否则，丝杠螺纹与滚柱的环槽有可能发生干涉。这一要求在舞台升降台上是完全能满足的，因为由升降行程所决定的丝杠长度较长，一般为5～7 m ，根据刚度要求，丝杠直径本身就要求较粗。而采用液压传动可实现高压高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化等方面的发展，与机械传动相比，采用液压传动可减少换向冲击、降低能量消耗、缩短换向时间，有效利用现场有效空间，减少传动装置的占地面积，保证升降舞台升降平稳，易于实现自动化控制以及无级调速。

5

液压升降舞台结构分析与设计

常用的几种升降机构的比较：

(1)液压升降机构：采用液压技术，升降平稳、噪音低。

(2)垂直丝杠升降机构：采用丝杠传动方式，可以实现双层台面的升降。根据需要可多块组成升降台群，能在行程范围内组成不同的台阶以满足会议和演出的需要，是搭设”亭、台、楼、阁”的理想道具。

(3)水平丝杠机械升降机构：该结构的升降台具有土建配合量小，所需基坑浅、行程大、运行平稳、噪音低、定位准确、造价低等优点。采用水平丝杠传动，通过剪叉结构实现台面的升降运动，在行程范围内可任意停止。

(4)链条式升降机构：有良好的导向机构，可保证设备运行时无倾斜。

(5)齿轮齿条式升降机构：传动精确，造价高。

(6)螺旋器升降机构：具有普通升降台的全部功能，主要特点是设备占用基坑小，行程大。设备高度仅200～500mm，行程可达14m。对于舞台建在二层以上的建筑物，因空间受到限制的剧场尤为适合。

从上面的比较可知，液压式升降机构升降平稳、噪音低、使用寿命长、承受载荷大而且控制相对简单，应用在舞台设备中比较合适。

2.2 升降舞台的液压系统方案的确定

此次设计中是将液压传动技术应用于舞台的升降中，升降舞台的升降功能是由4根液压缸顶升叉架完成， 4根液压缸的同步由带补正装置的同步回路完成。升降台是液压系统的重要应用领域，升降台液压系统也是比较成熟的技术。但此套大型设备不能简单地套用，必须解决好以下问题，方可靠保证舞台平稳升降。

（1）保证动作平稳，舞台上载重量变化比较大，且液压缸在升降过程中随叉架角度变化较大，因此液压缸负载变化较大，液压系统必须要能克服负载变化对速度产生的影响，确保机构无冲击的平稳运行；

（2）根据舞台承受的动静载荷，速度要求，经过计算，得出上升过程中液压缸无杆腔工作压力约为1~3MPA，单根液压缸理论流量为32.739.5L/min；

（3）下降过程主要靠自重，但必须加以控制，尤其是大型设备，一旦失去控制，极其危险。

2.2.1升降台机构的设计

该升降台主要有两部分组成：机械系统和液压系统。机械机构主要起传递和

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支撑作用，液压系统主要提供动力，他们两者共同作用实现升降机的功能。

其结构见图如下图所示：

图2-1 升降舞台结构简图

上图所示即为单个升降舞台的基本结构形式，其中1是工作平台，2是活动铰链，3为固定铰链，4为支架，5是液压缸，6为底座。4（支架）主要起支撑作用和运动转化形式的作用，一方面支撑舞台的载荷，一方面通过其铰接将液压缸的伸缩运动转化为舞台的升降运动，1（工作平台）与载荷直接接触，将载荷转化为均布载荷，从而增强局部承载能力。下底架主要起支撑和载荷传递作用，它不仅承担着整个舞台的重量，而且能将作用力传递到地基上。通过这些机构的相互配合，实现升降舞台的稳定和可靠运行。两支架在0点铰接，支架的一端分别固定在平台和底座上，另一端采用滚轮滑动，通过活塞杆的伸缩和铰接点0的作用实现舞台升降平稳。而且该机构要求基坑较浅，从而可以节约投资，液压缸左右对称布置，工作时总体水平方向上受到的合力为零，使得台面水平方向不发生运动，只是垂直方向的往复运动。

2.2.2 升降舞台升降过程示意图

7

液压升降舞台结构分析与设计

图2-2升降舞台升降示意图

当系统响应时，三个台面同时升起，舞台1升高高度为1m，舞台2升高高度为2m，舞台3为3m，升降速度相同。在下面的计算过程中，我们按舞台3的结构来计算，当结构3满足时，其他2个同时满足。

2.2.3降台工艺参数

相关工艺参数为：

单个平台尺寸：16m×2m 升降行程：1~3m 升降速度：0.2m/s 静载荷：4000kg/㎡动载荷：2000kg/㎡电源：380v,50Hz

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三．升降舞台液压系统设计计算

3.1执行元件类型、数量、和安装位置

表3-1执行元件类型选择 运动形式

往复直线运动

回转运动 往复摆动

短行程

长行程 高速 低速 摆动液压马达 执行元件的

类型 活塞缸 柱塞缸 液压马达和丝杠

螺母机构 高速液压马达 低速液压马达 根据上表选择执行元件类型为活塞缸（A1=2A2)，再根据其运动要求进一步选择液压缸类型为双作用单活塞杆无缓冲式液压缸。符号位：

数量：该升降平台为双单叉结构，故其采用的液压缸数量为4个完全相同的液压缸，其运动完全是同步的，但其精度要求不是很高。

安装位置：液压缸的安装方式为耳环型，尾部单耳环，气缸体可以在垂直面内摆动，安装的位置为简 所示的前后两固定支架之间的横梁之上，横梁和支架组成为一体，通过横梁活塞的推力逐次向外传递，使升降机升降，完成舞台的升降。

3.2升降舞台升降部分的设计

3.2.1 确定液压系统的工作要求

根据工作要求，确定该系统的工作循环为：快速前进——工进——工退——原位停止，根据具体加工求计算得出：快速前进时的速度为4500mm/min(0.075m/s)，工作进给时的速度应在20~120mm/min(0.0003~0.002m/s)范围内作无级调速，台面最大工进行程为3m,工退行程为3m ，运动部件自身重为0.6t ，启动换向时间为△t=0.05s,系统竖直放置的垂直导轨的静摩擦系数为fs=0.2,动摩擦系数为fk=0.1,油缸机械效率ηcm 取为0.9。

升降舞台液压系统设计计算

3.2.2 分析液压系统给的工况

启动加速阶段：

F=(Fs+Fi)/ηcm=(fsG+G△v/g△t)/ηcm

=(0.2×5880+5880×0.075/9.8×0.05)/0.9

=2306.67N

工进阶段：

F=Fw/ηcm=5880×0.1/0.9=653.33N

工退阶段：

F= Fw/ηcm=5880×0.1/0.9=653.33N

表3-2液压系统在各阶段的速度与负载

3.2.3确定液压缸的主要参数

1.初选液压缸的工作压力

表3-3 按负载选择压力

负载（KN）<5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作压力/mpa <=1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 >5

表3-4按设备类型选择系统工作压力

设备类型

机床农业机械，小型

工程机械，建筑

机械，液压凿岩

机

液压机，大中型

挖掘机，重型机

械，起重运输机

械

磨床

组合

机床

龙门

刨床

拉床

工作压力/mpa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32

阶段速度v(m/s) 负载F/N 启动加速0.075 2306.67 工进0.0003~0.002 653.33 工退0.0003~0.002 653.33

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由计算得出各阶段负载的最大值查表3-3和表3-4，取液压缸的工作压力为0.8MPa 。

2.确定液压缸的主要结构参数

表3-5液压缸参考背压 系统类型

背压 P b ×105/Pa 回油路上有节流阀的调速系统 2~5 回油路上有调速阀的调速系统

5~8 回油路上装有背压阀

5~15 带补油泵的闭式回路 8~15

根据表3-2得最大负载为启动加速阶段负载：F=2306.67N,液压缸压力为0.8mpa ，且为了防止负载的突然消失，改液压缸采用背压，则参照表3-5，选背压为P2=0.6mpa 。则：

A=/2)P -P 21m （ηF =6

1026.0-8.095.067.2306∧??）（=0.0048561（m 2） 则活塞直径：

D=π

14A =π0048561.04?=0.078652m 式中：D —活塞杆直径缸、筒内径，单位为m

F —无杆腔推力，单位为N

P —工作压力，单位为MPa

cm η—液压缸机械效率，取cm η=0.95

查设计手册，液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值，取D=100mm 。

活塞杆直径的确定

活塞杆直径根据受力情况和液压缸的结构形式来确定由参考文献[8]可知： 受拉时：(0.30.5)d D =- （3-1） 受压时：5p MPa ≤，(0.30.5)d D =- （3-2）

升降舞台液压系统设计计算

5p 7MPa ≤≤，(0.50.7)d D =- （3-3） p 7 MPa ≥，0.7d D = （3-4）

为了实现快进与快退速度相同，采用差动连接，则d=0.707D,所以d=0.707D= 70mm 查得d=70mm,符合活塞杆标准直径系列，由D=100mm,d=70mm 计算液压缸无杆腔有效工作面积为A1=78.5C ㎡ 有杆腔有效工作面积为A2=40.1C ㎡

假定工作进给采用调速阀调速，查产品样本，调速阀最小稳定流量为Qmin=0.05L/min,因为工作进给最小速度为Vmin=20mm/min,

则Qmin/Vmin=0.05×103×10/20=25cm 2＜A2＜A1

因此能满足低速稳定性要求。

3.计算液压缸的工作压力、流量以及功率

（1）计算工作压力(P 1=1

22A A P F +) 根据有关资料，系统的背压在0.5~0.8MPa 范围内选取。暂时规定，工作进给的的背压为Pb=0.8MPa

快速进给时的背压为Pb=0.5MPa 。液压缸在工作循环各阶段的工作压力P1可按下面公式计算得出：

工作进给阶段(无杆腔进油)：

P1=F/A1+ PbA2/A1=653.3×10×103/78.5+0.8×40.1/78.5=0.49MPa 快速退回阶段（有杆腔进油）：

P1=F/A2+A1×Pb/A2=653.3×10×103/40.1+0.5×78.5/40.1=1.11MPa

快速前进阶段:

P1=F/A1-A2+A2Pb/A1-A2=653.3×10×103/78.5-40.1+40.1×0.5×102×10×1O 3/78.5-40.1=0.69MPa

(2)计算液压缸的流量(q=A1v2)

根据快进快退速度V1=0.075m/s,工进速度V2=0.02m/s 计算液压缸各阶段所应输入的流量。

工进阶段：

Q1=A1×V2=78.5×0.002/10×103=0.96L/min

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快退阶段：

Q1=A2×V1=40.1×0.075/10×103=18L/min

快退阶段：

Q1=(A1-A2)×V1=(78.5-40.1)×0.075/10×103=17.3L/min

(3)计算液压缸的输入功率(P=p1×q ）

工进阶段：

P=P1Q1=0.49×16=7.84W=0.00784KW

快退阶段：

P=P1×Q1=1.11×18=33W=0.33KW

快退阶段：

P=P1×Q1=0.69×17.3=200.1W=0.2001KW

将以上计算得出的压力、流量、功率列于表三中

表3-6液压缸在各工作阶段的压力、流量及功率 阶段

工作压力P/Pa 输入流量Q(L/min) 输入功率P/kw 工进阶段

0.49 0.96 0.00784 快速退回

1.11 18 0.33 快速前进 0.69 17.3 0.2001

4 液压缸壁厚，最小导向长度，液压缸缸筒长度的确定

① 液压缸壁厚的确定

液压缸壁厚由结构和工艺要求等确定，其强度一般满足要求，通常不需演算。当液压缸工作压力较高或缸筒内经较大时，需对其薄壁处进行强度校核。壁厚由下式确定：

[]

2Y P D δσ≥ 式中： D ——液压缸内径 （m ）

δ——缸体壁厚 （cm ）

Y P ——液压缸最高工作压力 （Pa ） 一般取Y P =（1.2-1.3）p

[]σ 缸体材料的许用应力 钢材取 []100110MPa σ=-

升降舞台液压系统设计计算

代入数据： δ≧1.3×0.8×103×103×10／2×100×103×103=0.052cm 考虑到液压缸的加工要求，将其壁厚适当加厚，取壁厚3mm δ=。

② 最小导向长度，液压缸缸筒长度

活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向滑动面中点的距离为活塞的最小导向长度H ，如下图所示，如果最小导向长度过小，将会使液压缸的初始挠度增大，影响其稳定性，因此设计时必须保证有最小导向长度，对于一般的液压缸，液压缸最大行程为L ，缸筒直径为D 时，最小导向长度H.

图3-7液压缸结构简图

液压缸的缸筒长度L 主要有活塞最大工作行程决定，一般缸筒长度不超过内径的20倍。

活塞宽度度b=（0.6~1）D=0.6×100=60mm

活塞杆导向长度H=（0.6~1.5）d=1.0×70=70mm

通常L ≦(20~30)D=20×100~30×100=2000mm~3000mm=1000mm 202

L D H ≥+ 即H ≧100/20＋10/2=10cm=100mm 取为100mm

导向套滑动面长度A ，在D<80mm 时，取A=(0.6~1.5)D ，在D>=80mm 时，取A=(0.6~1)D ，当导向套长度不够时，不宜过分增大A 和B ，必要时可在导向套和活塞之间加一隔套，隔套的长度由最小导向长度H 确定。