液压缸的设计.docx

《液压缸的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液压缸的设计.docx（29页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、液 压 缸 的 设 计姓名： 学号： 专业： 班级： 指导老师： 摘要将液压缸提供的液压能重新转换成机械能的装置称为执行元件。执行元件是直接做功者，从能量转换的观点看，它与液压泵的作用是相反的。根据能量转换的形式，执行元件可分为两类三种：液压马达、液压缸、和摆动液压马达， 后者也可称摆动液压缸。液压马达是作连续旋转运动并输出转矩的液压执行元件；而液压缸是作往复直线运动并输出力的液压执行元件。此说明书是针对液压缸的工作环境和工作要求来确定液压缸的工作压力和承载能力，来确定其缸筒内径、壁厚和活塞杆的直径。再根据液压缸的零部件的工作要求确定零件的工艺，根据零件的精度要求确定零件的加工方法，并生成工艺

2、卡片，完成零件的加工。关键字：液压缸、机械能、转矩、执行元件AbstractHydraulic cylinder will be able to provide the device called actuators. Work is a direct implementation of components, from the point of view of energy conversion; it is the role of the in the form of implementation of the three components can be divided into tw

3、o categories: and the output of the of components目 录摘要I第 1 章绪论1第 2 章液压传动系统的执行元件液压缸22.1 液压缸的类型及特点22.2 液压缸的组成3第 3 章液压缸的设计63.1 简介63.2 液压缸的设计103.1 缸筒壁厚的校核73.3 缸盖固定螺栓的设计103.2.4 导向套的设计与计算133.2.5 活塞的设计133.2.6 缸底端盖设计143.2.7 缸筒的设计153.2.8 密封装置223.2.9 缓冲装置233.2.10 排气装置23总结25参考文献25第 1 章 绪 论目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技

4、术装备上，例如机械制造、 工程、建筑、矿山、冶金、船舶等机械，上至航空、航天工业，下至地矿、海洋开发工程，几乎无处不见液压技术的踪迹。液压技术的应用领域大致上可以归纳为以下几个主要方面：（1） 各种举升、搬运作业。尤其在行走机械和较大驱动功率的场合，液压 传动已经成为一种主要方式。如起重机、起锚机等。（2） 各种需要作用力大的推、挤、挖掘等作业装置。例如，各种液压机、 塑料注射成型机等。（3） 高响应、高精度的控制。飞机和导弹的姿态控制等装置。（4） 多种工作程序组合的自动操作与控制。如组合机床、机械加工自动线。（5） 特殊工作场合。例如地下水下、防爆等。液压传动是用液体作为工作介质来传递能量

5、和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今， 流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。液压传动是研究以有压流体（液体）为传动介质来实现各种机械的传动控制的学科。液压传动是根据流体力学的基本原理，利用流体的压力能进行能量的传递和控制各种机械零部件运动。液压传动的基本原理： 液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递， 借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动

6、工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理。第 2 章 液压传动系统的执行元件液压缸2.1 液压缸的类型及特点根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型： 活塞式单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口 A 和 B 都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。柱塞式(1) 柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运 动，柱 塞回

7、程要靠其它外力或柱塞的自重;(2) 柱塞只靠缸套支承而不与缸套 接触，这样缸套极易加工，故适于做 长行程液压缸;(3) 工作时柱塞总受压，因而它必须 有足够的刚度;(4) 柱塞重量往往较大，水平放置时 容易因自重而下垂，造成密封件和导向 单边磨损，故其垂直使用更有利。活塞仅能单向运动，其反方向运动需由外力来完成。但其行程一般较活塞 式液压缸大。伸缩式伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。有对歌一次运动的活塞，各活塞逐次运动时，其输出速

8、度和输出力均是变化的。摆动式摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马 达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在 一起。根据进油方向， 叶片将带动转子作往复摆动。其典型结构表 2-1 液压缸的类型和特点类型速度作用力特点活塞的两侧都装有单作双活塞杆液压缸U=qA3F=p1A1活塞杆，只能向活塞一侧供给压力油，由外力使活塞反向运动单活塞杆U=qA3F1=p1A1活塞仅单向运动，用液压缸返回行程利用自重或负荷将活塞推回液柱塞式液U=qA3F1=p1A1柱塞仅单向运动，压缸由外力使柱塞反向运动压差动液压U3=qA3F3=p1A1可使速度加快，但缸缸作

9、用力相应减小以短缸获得长行伸缩液压-程；缸由大到小逐节推缸出，靠外力由小到大逐节缩回双边有杆，双向液双双活塞杆U1=qA3F1=（p1-p2）A1压驱动，双向推力和速作液压缸U2=qA2F2=（p2-p1）A2度均相等用单活塞杆U1=qA3F1=（p1-p2）A1单边有杆，双向液液液压缸U2=qA2F2=（p2-p1）A2压驱动，u1V U2，F1压F2缸伸缩液压-双向液压驱动，由缸大到小逐节推出，由小到大逐节缩回弹簧复位-单向由液压驱动，液压缸回程弹簧复位组串联液压U1=qF1=p1（A1-A2）用于缸的直径受限缸（A1+A2）-2qA2制，而长度不受限制处，合U2=q2A2可获得在的推力F

10、1=2p2A2-A2-q1液（A1+A2）压增 压 缸-由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压油送入缸齿条液压A 腔，B 腔输出高压油活塞的移动通过传缸-动机构变成齿轮的往复回转运动单叶片液WT=p（D2-d2）b8把液压能变为回转摆压缸=8q（b的机械能，输出轴摆动动（D2-d2）角 300 度液压缸双叶片液压缸W=4q（b（D2-d2）T=p（D2-d2）b4把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角 150 度注：b叶片宽度；D叶片的底端 、顶端直径；w叶片轴的角速度；T- 理论转矩2.2 液压缸的组成从以上液压缸的结构形式上可知：液压缸可以分为缸体组件、活塞组件、 密封装置、缓冲装置和排气装置五大

11、部分。(1)缸体组件缸筒组件有缸筒和缸盖组成。缸筒和缸盖的连接形式与其工作压力有关。当工作压力 p10MPa 时,缸筒使用铸铁；工作压力 p20MPa 时，使用铸钢或锻钢。以下是几种常见的缸筒与缸盖的联接形式：图 2-2(a)所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图 2-2(b)所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图 2-2(c)所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都

12、较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图 2-2(d)所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图 2-2(e)所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。由此可见，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。为了能够最大限度的满足用户对产品性能的需求和产品设计的经济合理以 及保证工人人身和设备安全，改善操作者工作环境，洛阳强力液压股份有限公 司所生产的液压缸缸筒毛坯件选择由专业厂方提供内圆已经过衍磨和外圆已加 工的高精度冷拔无缝钢管，能满足以下要求：a、缸筒内径的圆度和圆柱度可选取 8 级。b

13、、缸筒端面的垂直度选取 7 级精度。c、缸筒端部用螺纹连接时，螺纹应选取 6 级精度的细牙螺纹。(2)活塞组件活塞组件有活塞、活塞杆和连接件等组成，活塞与活塞杆连接形式决定于 工作压力、安装形式、工作条件等。由于活塞在缸筒内作往复运动，必须选用优质材料。对于整体式活塞，一般采用号钢或号钢；装配式的活塞采用灰口铸铁、耐磨铸铁或铝合金等材料，有特殊要求时可在钢活塞坯外面装上青铜、黄铜和尼龙等耐磨套，以延长活塞的使用寿命。活塞杆无论是空心的还是实心的其材料常采用号钢或号钢等材料，当冲击振动很大时，也可采用号钢或Cr 钢。图 2-3 所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式：图 2-3 (a)所示为活塞

14、与活塞杆之间采用螺母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图图 2-3 (b)和(c)所示为卡环式连接方式。图 2-3 (b)中活塞杆 5 上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环 3 以夹紧活塞 4，半环 3 由轴套 2 套住，而轴套 2 的轴向位置用弹簧卡圈 1 来固定。图 2-3 (c)中的活塞杆， 使用了两个半圆环 4，它们分别由两个密封圈座 2 套住，半圆形的活塞 3 安放在密封圈座的中间。图 2-3 (d)所示是一种径向销式连接结构，用锥销 1 把活塞 2 固连在活塞杆 3 上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞

15、。图 2-3 常见的活塞组件结构形式第 3 章 液压缸的设计3.1 简介液压缸是液压系统中活塞杆作往复运动的工作机构。其结构形式均为单活 塞杆双作用耳环安装式。主要用于工程机械、运输机械、矿山机械及车辆等的 液压传动。液压缸结构如下图 3-1:图 3-1 液压缸结构3.2 液压缸的设计液压缸的设计计算： 由于液压执行元件与主机结构有着直接关系，因此所需要的液压缸和在结构上千变万化。尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要自行设计。下面介绍液压缸的设计计算。(一)主要尺寸的计算液压缸的主要尺寸包括缸筒内径 D、活塞杆直径 d 和缸筒长度 L。根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效

16、工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。活塞杆直径是按受力情况决定的， 可按表 3-1 初步选取。缸筒长度的确定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。通常情况 L(2030)d。计算结果要圆整成国家标准中的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。表 3-1液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力 pMPa7推荐活塞杆直径 d（二）强度校核(0.50.55)D(0.560.6)D0.65D强度校核的项目包括缸筒壁厚 、活塞杆直径 d 和缸盖固定螺栓的直径 d 。s在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做

17、校核。在高压系 统中需按下列情况进行校核。3.1 缸筒壁厚的校核当 D10 时为薄壁， 按下式校核:3-1式中，D-缸筒内径；缸筒材料的许用应力，= n， 是材料的抗拉强度，一般取安bb全系数 n=5；p 试验压力，当缸的额定压力 p 16Mpa 时，pyny=1.5p ；p 16Mpa 时，p =1.25p 。nnyn当 D20MPa；因此其材料必须要有一定的强度和硬度，所以缸筒材料可选用球墨铸 铁；在选购缸筒原材料时,一般都是直接从钢材厂订购经过冷拔后的球墨铸铁的 缸筒毛坯件。即：内圆已经过衍磨、外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，因此缸筒只须割槽加工。因为缸筒外圆无精度要求，因此缸筒外圆无须

18、精加工。而缸筒内壁需要和活塞相配合以保证液压缸的工作性能，所以缸筒内壁精度要求很高。、缸筒结构的选择连接方式如下图：选取螺纹式连接，其优点是结构简单，易选取、易装卸。、缸筒的要求有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲； 内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；、缸筒材料的选取及强度给定本次设计选取球墨铸铁从资料中可以得到：缸筒材料的屈服强度ss缸筒材料的抗拉强度sb=310MP；=550MP；现在利用屈服强度来引申出：缸筒材料的许用应力s =ssn=3605=62MP。其中 n=5 是选取的安全系数，来源于下表：、缸

19、筒的计算、液压缸的效率油缸的效率h 由以下三种效率组成：h =0.9mh =1vh =0.9d ？ 二 斗 “ 1“ 加所以经计算总效率为 0.8。、液压缸缸径的计算内径 D 可按下列公式初步计算：液压缸的负载为推力X 10 3(m)D =曲叶】，t 心 3 1 液压证的负载为拉力D =如 Pl 0- 6 + -dzm)( 2.3 , 3 - 2 )注： 双活塞杆液压缸其缸筒内已 D 由式 23. 3 - 2 计算。式中F u t、F l)l.渍压缸实际使用推力拉力( N )；少液压缸的负载率见式( 23 . 1 - BJ 一般取 心 o. s o.7;厂液压缸的 总效宅见式( 23. 1 -

20、纫 般取 11 -= o. 7- o. 9;P一一 液压缸的 供油压力，一般为系统压力 ,;, (MPa)d活塞 杆宜径( rn )。F =125000N01y =0.7h =0.8P=30本次设计中液压缸负载为推力，根据式 23.31 得到内径：D=121.763mm缸径可以取为 125mm。、流量的计算液压缸流量根据下式计算：设计要求中给定了活塞的平均速度：v =6mmin=0.1msm而活塞的面积：A = D2p /4 =90.58 10-4 m2容积效率h =11v根据式 23.125 得到活塞杆外推时的流量：q =0.5Ls1因为只使用外推方向，所以回程方向的流量略。、缸筒壁厚的计算

21、缸筒壁厚可以使用下式进行计算：根据缸径查手册预取d =5此时d D=5125=0.0375 0.048满足使用薄壁缸筒计算式的要求，下面利用上式来计算：最高允许压力一般是额定压力的 1.5 倍，根据给定参数 P=30MP，所以：Pmax=30 1.5=45MP许用应力在选取材料的时候给出：s =sn=3105=62MPs根据式 23.33 得到壁厚：d =6.678mm 为保证安全，取壁厚为 7mm。、缸筒壁厚的验算下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：根据式 23.37 得到：P 34MPn显然，额定油压 P=30MP，满足条件；、缸筒的加工要求缸筒内径 D 采用 H7 级配合，表面粗糙度R

22、 为 0.16，需要进行研磨；a热处理：调制，HB 240；缸筒内径 D 的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半； 刚通直线度不大于 0.03mm；油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺；在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。其工序卡片如表 3-2焦作大学零件图号A4机电工程机械加工工艺过程卡片零件名称缸筒学院材 料 牌 号无缝钢管毛坯种类每毛坯件数1工工名序工序内容设备工艺装备表 3-2 缸筒的加工工序卡片序称号1粗精车 M 面C6140三爪卡盘、游标卡尺2粗精车 N 面C6140三爪卡盘、游标卡尺3割内孔槽和锥面C6140三爪卡盘、游标卡尺4打两油口孔Z3025专用钻夹具、游标卡尺、5

23、焊接两油口6焊接缸底7检验游标卡尺8入库标 处更改文件号记 数日期标 处签字2013，11、记 数30更改文件号签字日期（2） 确定缸筒的总体尺寸a. 缸筒内径的大小及厚度，液压缸缸筒的内径为 125mm，外径为 139mm。即： 厚度为 7mm。b. 缸筒的总长度的确立，缸筒总长度 L 由活塞杆两端活塞宽度、导向筒的宽度以及在满足本液压缸的行程后来确定。在整个液压缸的设计中，缸筒的长度属于不确定因素。在此，先不予考虑。3. .8 密封装置密封装置主要用来防止液压油的泄漏。液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力和速度，故密封装置的优劣，将直接影响液压缸的工作性能。根据两个需要密封的偶合面

24、间有无相对运动，可把密封圈分为动密封和静密封两类。设计或选用密封装置的基本要求是：具有良好的密封性能，并随着压力的增加能自动提高其密封性能，摩擦阻力小，密封件耐油性，抗腐蚀性好，使用寿命长，使用的温度范围广，制造简单，装拆方便等。通常液压缸的密封有间隙密封、活塞环密封、型密封圈、Y 型密封圈、V 型密封圈等密封方式来防止漏油。此次密封的选择在活塞杆设计中已经介绍过，此处不再赘述。图 2-4 密封装置(a) 间隙密封(b)摩擦环密封(c)形圈密封(d)V 形圈密封液压缸中常见的密封装置如上图 2-4 所示。图 2-4 (a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封

25、能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-4 (b)所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环 (尼龙或其他高分子材料制成)在 O 形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图 2-4 (c)、图 2-4 (d)所示为密封圈(O 形圈、V 形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在

26、静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污 染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆 外伸的一端。3.9 缓冲装置当运动部件拖动质量较大的部件作往复运动时、运动速度较高时(v12mmin)。运动部件惯性力较大，活塞运动到终端会与缸盖发生机械碰撞， 产生冲击、噪声，严重时影响加工精度，甚至引起破坏性事故。因此，在液压缸内两端部应设置缓冲装置。一般缓冲装置由缓冲柱塞、缓冲油腔、三角节流槽、单

27、向阀、节流阀组成。组合的缓冲形有圆柱形环隙式、圆锥形环隙式、节流口可变式节流口可调式。缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸 盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作 部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。如下图 2-5(a)所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙 排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。当缓冲柱塞进入配合孔之后，油腔中的油只能经节流阀 1 排出，如图 2-5 (b)所示。由于节流阀 1 是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能

28、解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图 2-5 (c)所示， 在缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小， 解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。因为 v12mmin 所以此次设计没有缓冲装置。3.10 排气装置液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会 渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中 和系统中的空气排出。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是 将油口布置图 2-5液压缸的缓冲装置1节流阀在缸茼两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，在从油面逸出；对于 速度稳定性要求较高的液压缸。总结经过两个

29、多月的学习和努力，我终于完成了本次毕业设计任务。在此期间 我 查找各方面的书籍并上网搜索资料，锻炼了自己和独立解决问题的能力。在整个毕业设计过程中，使我对液压传动、机械设计基础、公差配合、机械制造工艺、AUTOCAD、Word 等办公软件有更深的了解，学会如何应用及合理的规划布局。从中，学到不少有关机械方面的知识，同时对机械设计和液压传动得到更进一步的了解，这是第一次如此重视的液压缸设计，在这次设计即将结束时自己才发现所有的有价值的资料都来源于图书馆和累积下来的手稿。来自网络的知识都是粗糙的，可直接利用的却不够详尽不够本原，是自己对这次毕业设计的最大体会。由于我学历不精，认识不足，在本次设计中

30、存在一定地失误和欠缺，希望 老师给予批评和帮助，使本次设计更加完美，让我在大学三年所学到的知识综 合运用起来，会对我以后工作有很大的帮助。在今后的学习和工作中更努力， 认真负责，妥善地完成本职工作。毕业设计已经完成，但我的课题研究仍没结束，希望在将来的学习与研究 中为我国工业设计的理学与美学的融合做出自己的贡献。参 考 文 献1、重型机械标准编写委员会编. 重型机械标准第四卷 .北京：中国标准出版社 ，19952、雷天觉主编 . 新编液压工程手册 .第二册 .北京：北京理工大学出版社，19983、强盛液压制造有限公司产品设计部编 .郑州 ：强盛液压制造有限公司产品样本4、广州市世达密封实业有限公司编 . 世达密封系统产品样本5、吴锐主编 . 液压与气压传动.开封：河南大学出版社，20026、丁树模，周骥平主编. 液压传动.第二版机械工业出版社，19997、李芝主编. 液压传动.机械工业出版社， 20028、臧克江主编. 液压缸。化学工业出版社 2009