机械毕业设计（论文）-钢包加盖机构起升装置设计（全套图纸） .pdf

学院毕业设计 i 学院本科生毕业设计 钢包加盖机构起升装置设计钢包加盖机构起升装置设计 系 （部） ：机电工程系 专 业：机械设计制造及其自动化专业 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： （副）教授 2012 年 5 月 学院毕业设计 i 摘摘 要要 钢包回转台是设在连铸机浇注位置上方用于运载钢包过跨和承载钢包进行浇注 的设备，是现代连铸中使用最普遍和最常见的承载钢包进行浇钢的关键机械设备。本 文对钢包回转台起升装置进行系统的设计计算，有利于优化大包回转台结构，节约成 本，提高经济效益。为钢包回转台起升装置的设计提供了理论计算的方法。 本文介绍了钢包加盖机构起升装置的液压系统设计。钢包加盖机构起升装置的动 力系统主要由油箱、高压泵、电动机及各种压力阀等组成。本设计中对油箱、液压缸、 电动机等进行了详细计算，并且对其中的油箱和液压缸进行了设计。 通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种动作循环。 本文设计了液压及控制系统， 绘制了液压系统原理图， 并且详细的介绍了油路的走向。 该系统能够实现钢包加盖机构起升装置的前进、后退等动作。 关键词关键词 ：钢包盖 液压系统 起升装置 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 学院毕业设计 ii abstract ladle turret in continuous casting machine is pouring position over the top of the ladle used to carry cross and bearing steel casting equipment packages，it is the most commonly used in modern continuous casting and the most common bearing steel ladle for pouring the key machinery and equipment.in this paper, we make a design calculations for the ladle turret slewing device system, helping to optimize the large package of turret structure, reduce costs and increase the economic efficiency. it provides a theoretical calculation methods to design the ladle turret. this paper mainly introduces hydraulic system of ladle turret lifting device system. the realization of how the machine, enter into the back and wait. and made the principle. the principal and details about the strike. the power sector of the tank and a pump and motor bonnet and various pressures, etc. the design of the pump and the oil tank, the hydraulic valve for the adjustment of energy and transportation, all kinds of craft action cycle. keywords：ladle lid hydraulic system lifting device 学院毕业设计 iii 目目 录录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究目的 1 1.2 选题意义 1 1.3 液压传动与控制概述 . 1 1.4 钢包加盖的研究现状 . 3 第 2 章 设计要求及方案设计 . 9 2.1 设计要求 . 9 2.2 系统的性能技术要求 . 9 2.3 总体设计方案 . 9 第 3 章 液压缸的设计和计算 12 3.1 设计内容 12 3.2 液压缸的类型及安装连接方式选择 12 3.3 液压缸的设计原则 13 3.4 液压缸的设计步骤 14 3.5 液压缸承载力的计算 14 3.6 液压缸的设计和计算 15 3.6.1 液压缸工作压力的确定 15 3.6.2 液压缸各组成部分的设计 . 16 3.7 液压缸主要零件的材料和技术要求 . 37 3.7.1 缸体 37 3.7.2 活塞 38 3.7.3 活塞杆 39 第 4 章 液压系统的设计和计算 41 4.1 液压系统的方案设计 . 41 学院毕业设计 iv 4.1.1 液压系统设计要求 41 4.1.2 回路方式的选择 41 4.1.3 执行元件的选择 41 4.1.4 调速方式的选择 41 4.1.5 调压方式的选择 41 4.1.6 换向回路的选择 42 4.1.7 拟定液压系统 42 4.2 液压元件的选择 43 4.2.1 确定液压泵规格和驱动电机功率 . 43 4.2.2 油箱的选择 . 44 结 论 . 46 谢 辞 . 47 参考文献 . 48 学院毕业设计(论文) 1 第第 1 章章 绪论绪论 11 研究目的 这次课题涉及到液压系统的设计， 目的就是对我们四年所学知识系统的总结 和灵活的运用，也为我们以后的工作打下良好的基础，此次课题的重要性不言而 喻。通过设计过程，了解钢包加盖机构起升装置的基本工作原理，掌握对钢包加 盖机构起升装置各组成部件的结构尺寸的计算，驱动系统的选择等，了解和熟悉 常规工程设计过程。 在产品结构调整方面,要尽快改变以低技术含量为主的状况,学习国外先进 技术,开发生产高效低耗、 产销对路的大型成套设备和高新技术产品,根据国情开 发出适用的包装设备,加速包装机械的更新换代,进一步开拓国际国内市场。 12 选题意义 钢包作为炼钢工序与连铸工序之间的盛钢容器，其在生产周转过程的热状 态，直接影响出钢和盛钢过程中钢水温度的变化。针对炼钢生产过程钢水温度波 动较大，影响过程温度控制，一般采取强化钢包烘烤、提高钢包热周转、优化包 衬结构、钢水运转过程加保温剂和浇注过程钢包加盖等手段来减少钢水温降。虽 采取以上手段，但效果炼钢过程钢水温度控制精确能力非常有限。研究表明，一 台 150t 钢包空包开始后，前 20min 内由包衬向空气的辐射热损失将导致下一炉 钢水温度损失达 15。而这种热损失的 40发生在空包开始后的前 5min。 通过在钢包上加盖，辐射热损失可显著减少。由于钢包加盖显而易见的节能 效果，成为钢铁企业节能降耗的一个重要手段。比如连铸机上广泛采用了钢包加 盖装置。然而，即使是连铸机上加盖，也是属于局部的非全程式保温措施。现有 钢包加盖操作必须由天车辅助完成， 使得这项技术在实际应用中的可操作性受到 了极大限制，无法做到在整个使用循环过程中都使钢包盖盖在钢包上。据文献介 绍，国内外部分设计单位联合钢厂经过技术引进、消化、转化创新，设计研发出 适合我国炼钢厂实际生产需要的钢包全程加盖设备和工艺技术， 取得了很好的生 产实践效果。本文介绍炼钢生产中钢包全程加盖设备与工艺研究现状，为重钢环 保搬迁改造， 落实国家节能减排政策， 建设低成本洁净钢平台， 实现绿色、 环保、 高效生产提供有益借鉴。 1.3液压传动与控制概述液压传动与控制概述 学院毕业设计(论文) 2 液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现 各种机械量的输出（力、位移或速度等）的。它与单纯的机械传动、电气传动和 气压传动相比，具有传递功率大，结构小、响应快等特点，因而被广泛的应用于 各种机械设备及精密的自动控制系统。液压传动技术是一门新的学科技术，它的 发展历史虽然较短，但是发展的速度却非常之快。自从 1795 年制成了第一台压 力机起，液压技术进入了工程领域；1906 年开始应用于国防战备武器。 第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、精度高的自动控制系 统，因而出现了液压伺服控制系统。从 60 年代起，由于原子能、空间技术、大 型船舰及电子技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，从民用到国防，由 一般的传动到精确度很高的控制系统，这种技术得到更加广泛的发展和应用。 在国防工业中：海、陆、空各种战备武器均采用液压传动与控制。如飞机、 坦克、舰艇、雷达、火炮、导弹及火箭等。 在民用工业中：有机床工业、冶金工业、工程机械、农业方面，汽车工业、 轻纺工业、船舶工业。 另外，近几年又出现了太阳跟踪系统、海浪模拟装置、飞机驾驶模拟、船舶 驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射装置、宇航环境模拟、高层建筑防震系统 及紧急刹车装置等，均采用了液压技术。 总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。它的发 展如此之快，应用如此之广，其原因就是液压技术有着优异的特点，归纳起来液 压动力传动方式具有显著的优点：其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率 大；液压传动装置体积小、结构紧凑、布局灵活，易实现无级调速，调速范围宽， 便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易 于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机 -电-液-光”一体化便于实现数字化。 在油路结构设计方面， 国内外液压机都趋向于集成化、 封闭式设计， 插装阀、 叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。 特别是集成块可以 进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。 学院毕业设计(论文) 3 近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的 优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无 需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。逻辑插装阀具 有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点， 从 70 年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。我国从 1970 年开始对这种 阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的 优越性。 1.4 钢包加盖的研究现状 我国钢包加盖机构起升装置的研制应用起步于 20 世纪 80 年代中期。 钢包加 盖机构起升装置研制的最终目的是将各种金属边角料（钢刨花、废钢、废铝、废 铜、废不锈钢以及报废汽车废料等）挤压成长方体形状的合格炉料，既可降低运 输和冶炼成本， 又可提高投炉速度。 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高， 各工业部门的金属下脚料及生活用金属制品的废弃物都日益增多， 这无疑将会对 人类环境产生污染；另方面人类社会的不断消耗，各类矿物资源也会逐渐减少。 如何利用金属废弃物，即防止污染，又变废为宝，资源永续成为一个重要的研究 课题摆在人类面前。近年来，社会各界十分重视提高打包机械及整个打包系统的 通用能力和多功能集成能力，目前，我国打包机械还是以仿制为主，对国外的产 品稍加改进，谈不上开发研究，在企业管理上，往往重生产加工、轻研究开发、 创新不够， 所以我们要敢于创新，在自身方面探索研究实践，加强自身的技术， 为我国包装机械的发展做出自身的贡献。 钢包加盖主要设备包括： 1、加揭盖机。有插齿式、移动插齿式、液压升降/伸缩-式、回转式、悬挂移动 式等（见图1、图2） 。根据不同炼钢厂工艺布置的差异采用不同的设备组合。其 工作过程（见图3-图8） 。 学院毕业设计(论文) 4 图 1 回转式钢包加盖机加盖 图 2 插齿式钢包加盖机揭盖 2、钢包盖。盖体有整体浇注式和耐火纤维式。据文献介绍，钢包盖通过联 接爪与钢包联接， 这种联接方式在钢包直立时便于包盖的摘取， 而在钢包因排渣、 更换滑动水口等作业而必须倾倒时，包盖与钢包靠联接爪自行锁紧。由于在钢包 盖上留有靠自重而自动开闭的排渣门和测温取样孔， 所以在钢包接完钢水后的全 程作业中，实现包盖一直盖在钢包上的目的。连在包盖上的上联接爪和固定在钢 包上部的下联接爪等组成，其特征在于上联接爪呈倒“”状，并在“”口处安设 一销杆，下联接爪呈“”形并在外侧“”板上开设一带凹沟的销槽，在销槽的平 直侧加一靠自重而转动的栓销，在盖体盖在钢包上时上、下联接爪相吻合，销杆 下入销槽内。 1）辅助设备：铰链座、包盖存放台、包盖烘烤设备、专用吊具、专用工装 学院毕业设计(论文) 5 等。 图 3 钢包倒渣加盖设备自动开启 图 4 钢包带盖热修 图 5 炼钢炉出钢线自动加盖 学院毕业设计(论文) 6 图 6 炼钢炉出钢线自动揭盖 图 7 精炼揭盖装置 图 8 精炼加盖装置 钢包加盖系统使炼钢厂显著降低钢包内的热量损失,减少钢包内钢水温降。 这些能量损失的减小转化成重要的生产经济效益。 最主要的效益表现在操作成本 的降低、产品质量的提高和生产效率的提高。 使用钢包加盖节能系统使钢包盖在近乎整个钢包使用循环周期内都始终盖 在钢包上，由此带来的直接效益有： 学院毕业设计(论文) 7 1）可免除周转钢包在线预热，在线烘烤主要用于非正常情况下的抢救性升 温。钢包加盖浇注完 1h 后包衬温度在 1000以上，能够实现红包出钢。马钢第 四钢轧总厂炼钢分厂 300t 钢包下线 10h 不用，也不需再进行烘烤。刑钢炼钢厂 停用 8h 后的加盖钢包包壁温度在 550600之间，比未加盖钢包的温度提高 400以上，与大火烘烤 4h 的钢包相比温度基本相同（烘烤 4h 后钢包内壁温度 一般在 550650之间） ，停用 8h 之内的钢包直接进行加盖操作能够保证钢包内 壁温度。 2） 钢水出炉温度可以被降低 20- 30。 唐钢二钢轧厂转炉出钢温度比未加盖 前降低 15- 20。邢钢炼钢厂转炉出钢过程温度损失减少 4，运输过程温度损 失约减少 19，全程温度损失减少 23，铝镇静钢和硅铝镇静钢系列的出钢温 度在原基础上下调 20。 3）减少包内钢水的冷却。减少钢水在钢包、中间包及结晶器内的温度波动， 可实现低过热度浇注，免除连铸过程中对中间包的辅助预热。刑钢炼钢厂加盖钢 包连铸中包温度合格率提高 8%5。合金收得率更加稳定，减少钢包内的废钢产 生，节约保温剂的使用量。 4）减少对钢包边沿及渣线的清理需求，从而减少对包衬耐火的机械损伤。 马钢第四钢轧总厂炼钢分厂 300t 钢包带盖翻铸余，翻得干净，包底残钢、残渣 明显减少。 5）节能减排7- 8。转炉出钢吹氧升温按 5nm3吨钢计算，温度提高 10， 年产 500 万吨钢厂节约氧气用量 25000 万 nm3。在线烘烤焦炉煤气升温按 400nm3/h 烘烤 20min，年产 500 万吨钢厂节约烘烤煤气量 4000 万 nm3。转炉出 钢降温10减少烟气排放25000万nm3/h。 钢包烘烤减少烟气排放6000万nm3/h。 6）可实现的吨钢费用节约一般在 20- 25 元之间，每 100 万吨钢可节支 800 万至 1300 万元7- 8。唐钢二钢轧厂吨钢成本降低 5 元，预计年创效 2000 万元。 7）炼钢炉及钢包上的耐火侵蚀被减小，因此炉龄/包龄被延长。邢钢炼钢厂 转炉出钢口寿命提高30炉以上，钢包寿命有加盖前的75.4炉提高至77.9炉10。 8）减少 lf 升温时间，减少 rh、cas 的 ob 频率及时间。产品质量得以 提高。 学院毕业设计(论文) 8 9）职工劳动力需求减少。钢包服务区的操作空间可以缩小，提高车间人员 的安全保护。整个厂区环境温度改善，污染减少。 学院毕业设计(论文) 9 第第 2 章章 设计要求及方案设计设计要求及方案设计 2.1 设计设计要求要求 钢包加盖机构起升装置总体设计。 钢包加盖机构起升装置液压系统设计。 钢包加盖机构起升装置达到产品加工要求，并具有一定的效率。 2.2 系统的性能技术要求系统的性能技术要求 钢包加盖系统使炼钢厂显著降低钢包内的热量损失,减少钢包内钢水温降。 这些能量损失的减小转化成重要的生产经济效益。 最主要的效益表现在操作成本 的降低、产品质量的提高和生产效率的提高。 使用钢包加盖节能系统使钢包盖在近乎整个钢包使用循环周期内都始终盖 在钢包上，对此系统性能技术方面要达到以下要求： 1高效化，低能耗。提高工作效率，降低生产成本。 2机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压 系统的完善。 3液压元件集成化，标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效地防 止泄露和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。 4安全性。采用安全防护装置，确保操作人员和检修人员的安全。 本文所设计的金属打包机主要参数： 1、钢包盖盖重量 50kn。 2、系统额定工作压力 16mpa。 3、液压缸行程 345mm。 2.3 总体设计方案总体设计方案 常见打包机一般分为二大部分-主机部分和动力系统。 主机部分 按其功能， 主要由二部液压机构成， 另加一些辅助机构。 若按构成的结构分， 即是： （1）机体（2）举升缸系统（3）平移缸系统 学院毕业设计(论文) 10 动力系统-就是机器的液压发生、控制机构。布置在机器的后部。而电控操 纵箱则置于机器同主缸的外侧。整个系统由下列部分组成： （1）油箱部分（2） 油泵-电机组（3）控制阀（4）管路系统（5）电气系统（6）电控箱。 在本文设计钢包加盖机构起升装置中，全液压传动，控制要求实现工进，快 退等全过程。 液压系统：拟实现工进，快退和行程的控制和过载等功能。 机床总体拟立式布局，有电机为动力源，带动液压泵提供压力，有驱动液压 缸工进，快退等功能。钢包加盖机构起升装置结构如下图所示。 钢包加盖机构起升装置结构图 1、螺栓 2、底座 3、垫圈1 4、螺栓 5、举升液压缸 6、防热罩1 7、操作 臂 8、防热罩2 9、垫圈2 10、螺栓 11、吊钩 12、转轴1 13、支撑轴 14、 平移液压缸 15、钢包盖 16、转轴2 钢包加盖机构起升装置的工作原理： 首先由行车将装有高温钢水的钢包吊运 到浇注工位， 回转台旋转机构带动操作臂 7 绕支撑柱 13 回转,当钢包盖旋转到钢 包上方时,举升液压缸5活塞杆下降,操作臂7绕轴12顺时针摆动下降,直到钢包 盖在钢包上密封固定好,吊钩 11 离开钢包盖吊耳;平移液压缸 14 活塞杆前进,牵 学院毕业设计(论文) 11 引吊钩 11 绕轴 16 顺时针摆动,从吊耳中脱离出来,举升液压缸 5 活塞杆上升,操 作臂 7 绕轴12 逆时针摆动上升,回转台旋转机构带动操作臂7绕支撑柱13回转, 钢包盖旋转到安全位置,开始浇注. 浇注结束后,回转台旋转机构带动操作臂 7 绕支撑柱 13 回转,当钢包盖旋转 到钢包上方时,举升液压缸 5 活塞杆下降,操作臂 7 绕轴 12 顺时针摆动下降使吊 钩 11 运动到钢包盖吊耳旁;平移液压缸14活塞杆后退,牵引吊钩11 绕轴16逆时 针摆动,穿入吊耳中脱离,举升液压缸5活塞杆上升,操作臂7绕轴12逆时针摆动 上升,回转台旋转机构带动操作臂 7 绕支撑柱 13 回转,钢包盖旋转到安全位置, 行车将空钢包吊走. 准备下一个浇注循环。 学院毕业设计(论文) 12 第第 3 章章 液压缸的设计和计算液压缸的设计和计算 本文主要以举升液压缸为例进行液压缸的设计计算. 3.1 设计内容设计内容 液压缸一般由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置及排气装置 等部分组成。其中缓冲装置和排气装置是否需要应视具体应用场合而定，其他装 置是必不可少的。 液压缸的设计是整个液压系统设计中的一部分，它通常是在对整个系统进 行工况分析所后进行的。其设计内容为确定各组成部分（缸筒和缸盖、活塞和活 塞杆、密封装置、排气装置等）的 结构形式、尺寸、材料及相关技术要求等， 并全部通过所绘制的液压缸装配图和非标准零件工作图反映这些内容。 3.2 液压缸的类型及安装连接方式选择液压缸的类型及安装连接方式选择 液压缸的输入是液体的流量和压力，输出的是力和直线速速，液压缸的结构 简单，工作可靠性好，被广泛地应用于工业生产各个部门。为了满足各种不同类 型机械的各种要求，液压缸具有多种不同的类型。液压缸可广泛的分为通用型结 构和专用型结构。而通用型结构液压缸有三种典型结构形式： 一、拉杆型液压缸 前、后端盖与缸筒用四根（方形端盖）或六根（圆形端盖）拉杆来连接，前、 后端盖为正方形、长方形或圆形。缸筒可选用钢管厂提供的高精度冷拔管，按行 程长度所相应的尺寸切割形成，一般内表面不需加工（或只需作精加工）即能达 到使用要求。前、后端盖和活塞等主要零件均为通用件。因此，拉杆型液压缸结 构简单、拆装简便、零件通用化程度较高、制造成本较低、适于批量生产。但是， 受到行程长度、缸筒内径和额定压力的限制。如果行程长度过长时，拉杆长度就 相应偏长，组装时容易偏歪引起缸筒端部泄漏；如缸筒内径过大和额定压力偏高 时， 因拉杆材料强度的要求， 选取大直径拉杆， 但径向尺寸不允许拉杆直径过大。 二、焊接型液压缸 缸筒与后端盖为焊接连接，缸筒与前端盖连接有内螺纹、内卡环、外螺纹、 学院毕业设计(论文) 13 外卡环、法兰、钢丝挡圈等多种形式。 焊接型液压缸的特点是外形尺寸较小， 能承受一定的冲击负载和严酷的外界 条件。但由于受到前端盖与缸筒用螺纹、卡环或钢丝挡圈等连接强度的制约缸筒 内径不能太大。 焊接型液压缸通常额定压力 mpa n 35 、缸筒内径 mmd320 ，在活塞杆 和缸筒的加工条件许可下，允许最大行程 s 1510 m 。 由此可知， 我们设计的钢包加盖机构起升装置的液压缸应选择焊接型液压缸 比较合适。当然对缸筒的连接还需根据具体情况具体分析确定。 3.3 液压缸的设计原则液压缸的设计原则 液压缸结构确定以后，需进行具体设计和计算。设计时，一般要注意以下几 个原则： (1)保证液压缸能获得所要求的往复运动的速度、行程和作用力； (3)保证液压缸每个零件有足够的强度、刚度和寿命； (3)在合理选择液压泵供油压力和流量的条件下，以尽量减小液压缸的 尺寸； (4)最好使活塞杆在工作时受拉力作用，以免产生纵向弯曲， (5)液压缸应尽量避免承受侧向载荷； (6)液压缸轴线应与被拖动机构的运动方向一致， (7)长液压缸活塞杆伸出时应尽量避免下垂； (8)液压缸各部的密封要可靠，泄漏少摩擦力小； (9)由于温度变化而引起伸长时，液压缸不能因受约束而产生挠曲； (10)根据机械设备的要求，选择合适的缓冲、防尘和排气装置； (11)液压缸的结构设计应充分注意零件加工和装配的工艺性， (12)液压缸的各结构要素，要采用标准系列尺寸，尽量选用经常使用的 标准件和密封件； (13)制造容易，维修简单，成本低廉。 学院毕业设计(论文) 14 3.4 液压缸的设计步骤液压缸的设计步骤 设计液压缸时，应根据已经确定的条件灵活选择设计程序，反复进行计算， 一般可参考下列步骤进行： (1)进行工作情况分析。根据负载机构的动作要求，选择适当的液压缸结构， 安装方式，密封形式，缓冲、排气、防尘装置； (2)根据液压缸的承裁力，如有效工作负栽、重力、摩擦力、惯性力等外作 用力，确定液压缸在行程各阶段上负载的变化规律以及必须提供的动力数据； (3)根据液压缸必须输出的动力数据和选定的油液工作压力，确定活塞及活 塞杆的直径； (4)根据液压缸的运动速度、活塞与活塞杆的直径，确定液压泵的流量； 注：以液压缸作用力为主的设计，按此顺序进行。以液压缸运动速度为主的 设计，第（3）步应根据液压缸的工作速度选用工作油的流量确定活塞及活塞 杆直径；第(4)步根据液压缸压力，活塞及活塞杆直径，确定液压泵的压力。因 为活塞与活塞杆直径对液压缸作用力和运动速度都有影响。 因此确定工作油液的 压力和流量时，应作综合考虑。 (5)选择缸筒材料，计算外径； (6)选择缸盖和缸底的结构形式计算它们的厚度及其与缸筒的连接强度； (7)活塞杆直径与液压缸最大工作长度之比大于 1：10 时（即 l10d） ，应 进行活塞杆纵向弯曲强度的校核； (8)必要时，设计缓冲、徘气、防尘等装置； (9)绘制液压缸装配图和零件图； (10)审定全部设计计算资料、图纸及其他技术文件。 3.5 液压缸承载力的计算液压缸承载力的计算 本次设计的参数是钢包盖盖重量 50kn,操作臂重量约 20kn。 对操作臂进行受 力分析. 学院毕业设计(论文) 15 图中举升液压缸受力最大, 400020001000 1pgf+= 式中f1-液压缸推力； p-钢包盖重量； g-操作臂重量； 则 f1=240kn 考虑钢包加盖机构的起升装置的工作环境和安全性,取安全系数n=2,则液压缸输 出推力 f 应达到 f=2x240=480kn. 3.6 液压缸的设计和计算液压缸的设计和计算 3.6.1 液压缸工作压力的确定 液压缸所能克服的最大负载力 f 与有效工作面积 a 的关系为 f=ap 式中 f-液压缸最大负载； p-液压缸工作压力； a-液压缸活塞有效工作面积； 若系统的额定压力已确定，则取系统压力为设计压力，液压缸的工作压力课 根据最大负载参照表 3-1 选取，选择适当的工作压力是一个很重要的问题，应从 结构尺寸、经济性等方面进行全面考虑。压力选得过低，系统所需流量大，对工 作平稳性、 可靠性、 密封性及降低噪声有利， 但会使液压缸内经增大、 质量增大； 学院毕业设计(论文) 16 反之，压力选得过高，会使密封复杂化，并且对液压缸的强度、刚度要求高，同 时会导致换向冲击大等缺点，对液压缸的制造精度要求提高，使容积效率降低， 优点是可以减小液压缸尺寸。应综合各种因素，合理确定工作压力。 液压件的额定压力是指在指定的工作条件下液压件能够长期正常工作的压 力，又称公称压力。液压缸设计压力的数值应等于额顶压力的值。 表 3-1 不同负载条件下的工作压力 由前面所得的油缸的推力 f=480kn，参考表 3-1 及给定参数，选择液压 缸的工作压力应大于 5mpa，初选 16mpa。 3.6.2 液压缸各组成部分的设计液压缸各组成部分的设计 液压缸缸筒的设计和计算: 缸筒是液压缸的主体零件，它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔， 用以容纳压力油，同时它还是活塞的运动轨道。设计液压缸缸筒时，应正确确定 各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须 有一定的强度，能够承受也压力、负载力和干扰力等冲击力。另外，缸筒的内表 面应具有合适的配合精度、表面粗糙度和几何精度，以保证液压缸的密封性、运 动平稳性和耐用性。 液压缸内径 d 的计算： 计算液压缸内径和活塞杆直径均与设备的类型有关。例如机床类，对于较大 的机床（拉床、刨床和研磨机等）一定要满足牵引力的要求，计算时以力为主； 对于轻载高速的机床一定要满足速度，计算时以速度为主，而本次液压缸的内经 主要以力为主来计算的。 根据液压缸的载荷力和系统工作压力计算。 负载 f/kn 5 0 液压缸的工作 压力 p/mpa 16mpa 时的 y p =1.25 n p ; -材料许用应力,mpa b 为材料的抗拉强度，n为安全系数,n=3.55,这里取n=4。 选用 45 号钢，并且调质 241，查阅工程力学刘静香著可 知号钢的抗拉强度 b =530，现取 b =560mpa，故： 学院毕业设计(论文) 18 = b n =5604=140mpa 由于液压缸的工作压力 p=26mpa16mpa, 故 取 y p =1.5 n p =1.5 16=24mpa. 所以 = y p *d/(2 )=240.2/(2140)=0.0171m=17.1mm 而缸筒外径 d1 的计算公式： d1=d+2 把缸筒内径 d 及计算出的缸壁厚度的数据带入，可得： d1=200+217.1=234.2mm 参考标准液压缸的缸筒外径系列，可知，本次设计选择液压缸的缸筒外径 d1=245mm,由于 d1=d+2,可得缸筒厚壁： =（ d1-d）/2=(245-200)/2=22.5mm 学院毕业设计 19 缸筒结构设计： 缸筒两端分别和缸盖和缸底相连，构成密封的压力腔，因而它的结构形式往往和缸 盖及缸底密切相关。因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用结构便于装配、 拆卸和维修的连接形式，缸筒内外径应根据标准进行圆整。 活塞杆的设计与计算： 活塞杆是液压缸专递动力的主要零部件，它要承受拉力、压力、弯力和震动冲击等 多种作用，必须有足够的强度和刚度。 初定杆径 d： 由条件给定的输出力的作用方式为推力 f1 的工况， 选择原则要求杆径 速比为 2（速比：液压缸活塞腔有效作用面积与活塞杆腔有效作用面积之比），具体需 结合液压缸回油背压、活塞杆的受压稳定性等因素，参照相应的液压缸系列速比标准进 行杆径 d 的选择。 注：缸径 d、杆径 d 可根据已知的推（拉）力、压力等级等条件由下表进行初步查 取。 表 3-1 不同压力等级下各种缸径/杆径对应理论推（拉）力表 序 号 缸 径 （ mm） 推力（kn） 杆 径 ( mm) 拉力（kn） 压力等级（mpa） 压力等级（mpa） 7 1 4 1 6 2 1 2 5 3 1.5 7 1 4 1 6 2 1 2 5 3 1.5 1 32 6 1 1 1 3 1 7 2 0 2 5 1 8 4 8 9 1 2 1 4 1 7 2 40 7 1 8 2 0 2 6 3 1 4 0 2 0 7 1 3 1 5 2 0 2 4 3 0 2 2 6 1 2 1 4 1 8 2 2 2 8 2 5 5 1 1 1 2 1 6 1 9 2 4 2 8 4 9 1 0 1 3 1 6 2 0 3 50 1234462122334 学院毕业设计 20 4 7 1 1 9 2 5 0 1 4 1 7 6 2 8 9 1 9 2 2 2 8 3 4 4 2 3 2 8 1 6 1 9 2 4 2 9 3 7 3 6 7 1 3 1 5 2 0 2 4 3 0 4 63 2 2 4 4 5 0 6 5 7 8 9 8 3 2 1 6 3 2 3 7 4 9 5 8 7 3 3 5 1 5 3 0 3 4 4 5 5 4 6 8 4 5 1 1 2 1 2 4 3 2 3 8 4 8 5 80 3 5 7 0 8 0 1 06 1 26 1 58 4 0 2 6 5 3 6 0 7 9 9 4 1 19 4 5 2 4 4 8 5 5 7 2 8 6 1 08 5 5 1 9 3 7 4 2 5 6 6 6 8 3 6 90 4 5 8 9 1 02 1 34 1 59 2 00 4 5 3 3 6 7 7 6 1 00 1 19 1 50 5 0 3 1 6 2 7 0 9 2 1 10 1 39 6 3 2 3 4 5 5 2 6 8 8 1 1 02 7 10 0 5 5 1 10 1 26 1 65 1 96 2 47 5 0 4 1 8 2 9 4 1 24 1 47 1 86 5378111 学院毕业设计 21 5 8 7 8 15 37 73 7 0 2 8 5 6 6 4 8 4 1 00 1 26 8 11 0 6 7 1 33 1 52 2 00 2 38 2 99 5 5 5 0 1 00 1 14 1 50 1 78 2 25 6 3 4 5 8 9 1 02 1 34 1 60 2 01 8 0 3 1 6 3 7 2 9 4 1 12 1 41 9 12 5 8 6 1 72 1 96 2 58 3 07 3 87 5 5 6 9 1 39 1 58 2 08 2 47 3 12 6 3 6 4 1 28 1 46 1 92 2 29 2 88 7 0 5 9 1 18 1 35 1 77 2 11 2 65 9 0 4 1 8 3 9 5 1 24 1 48 1 86 1 0 14 0 1 08 2 16 2 46 3 23 3 85 4 85 6 3 8 6 1 72 1 96 2 58 3 07 3 87 7 0 8 1 1 62 1 85 2 42 2 89 3 64 8 0 7 3 1 45 1 66 2 18 2 59 3 27 1 00 5 3 1 06 1 21 1 58 1 88 2 38 序 号 缸 径 （ 推力（kn） 杆 径 ( 拉力（kn） 压力等级（mpa） 压力等级（mpa） 7 112237 11223 学院毕业设计 22 mm） 4 6 1 5 1.5 mm) 4 6 1 5 1.5 1 1 15 0 1 24 2 47 2 83 3 71 4 42 5 57 7 0 9 7 1 94 2 21 2 90 3 46 4 35 7 5 9 3 1 86 2 12 2 78 3 31 4 17 8 5 8 4 1 68 1 92 2 52 3 00 3 78 1 05 6 3 1 26 1 44 1 89 2 25 2 84 1 2 16 0 1 41 2 81 3 22 4 22 5 03 6 33 8 0 1 06 2 11 2 41 3 17 3 77 4 75 9 0 9 6 1 92 2 20 2 89 3 44 4 33 1 00 8 6 1 72 1 96 2 57 3 06 3 86 1 10 7 4 1 48 1 70 2 23 2 65 3 34 1 3 18 0 1 78 3 56 4 07 5 34 6 36 8 02 9 0 1 34 2 67 3 05 4 01 4 77 6 01 1 00 1 23 2 46 2 81 3 69 4 40 5 54 1 10 1 12 2 23 2 55 3 35 3 99 5 02 1 25 9 2 1 84 2 11 2 77 3 29 4 15 1 4 20 0 2 20 4 40 5 03 6 60 7 85 9 90 1 00 1 65 3 30 3 77 4 95 5 89 7 42 1133456 学院毕业设计 23 10 53 07 51 60 48 90 1 25 1 34 2 68 3 06 4 02 4 79 6 03 1 40 1 12 2 24 2 56 3 36 4 01 5 05 1 5 22 0 2 66 5 32 6 08 7 98 9 50 1 197 1 10 2 00 3 99 4 56 5 99 7 13 8 98 1 25 1 80 3 60 4 12 5 41 6 44 8 11 1 40 1 58 3 17 3 62 4 75 5 65 7 13 1 60 1 25 2 51 2 87 3 76 4 48 5 64 1 6 25 0 3 44 6 87 7 85 1 031 1 227 1 546 1 25 2 58 5 15 5 89 7 73 9 20 1 160 1 40 2 36 4 72 5 39 7 08 8 42 1 061 1 60 2 03 4 06 4 64 6 09 7 25 9 13 1 80 1 65 3 31 3 78 4 96 5 91 7 45 1 7 28 0 4 31 8 62 9 85 1 293 1 539 1 940 1 80 2 53 5 06 5 78 7 59 9 03 1 138 2 00 2 11 4 22 7 83 6 33 7 54 9 50 1 8 32 0 5 63 1 126 1 287 1 689 2 011 2 533 2 00 3 43 6 86 7 84 1 029 1 225 1 544 2256811 学院毕业设计 24 20 97 94 79 91 060 336 根据上表圆整后选取活塞杆直径 d=125mm 2、活塞杆强度校核： 45 号钢的许用应力 = b n =560/1.5=373mpa 2 1 4f dd + 式中 d-活塞杆直径； f-液压缸负载； -活塞杆材料许用应力， = b n ， b 为材料的抗拉强度，n为安 全系数，一般取n 1.4； 1 d -空心活塞孔径，对实心杆 1 d =0。 n=1.5，f=480kn， 1 d =0 mm 2 1 4f dd + =0.040 m=40 mm，而 d=125，故 d40 mm，活塞杆强度符合要求. 故选择活塞杆直径 d=125mm 满足强度要求。 3.活塞杆的结构设计： 活塞杆的外端头部与负载的拖动机构相连接， 为了避免活塞杆在工作中产生偏心负 载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的 活塞杆端部结构. 由于液压缸推力较大,故本次设计活塞杆端部结构采用环槽卡键结构形式. 4、活塞杆的导向、密封与防尘： 常见的活塞杆的密封与防尘结构如下表： 学院毕业设计 25 本次设计中活塞杆采用 yx 型密封圈形式与 a 型防尘结构. 学院毕业设计 26 由上表及机器工况条件，本文选择液压缸的工作行程 s=600mm. 四、液压缸工作流量的确定： 计算液压缸工作需要流量由一下公式计算可得： q=d2s/4t 式中 s-液压缸工作时最大行程（dm） d-活塞直径（dm） t-活塞伸到工作时的最大行程所用的时间（min） q-额定流量 考虑到液压缸工进时运行的稳定性，选取液压缸工进运行速度为 v=1m/min,活塞直 径 d=200mm,将这些数据代入公式 q=d 2v/4 得： q=d 2v/4=3.140.221/4=31.4l/min 五、活塞的设计： 由于活塞在液压力的作用下，沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既 不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而 且容易损坏缸筒和活塞的表面配合， 间隙过大， 会引起液压缸内部泄漏， 降低容积效率， 是液压缸达不到要求的设计性能。因此在结构上映慎重考虑。一般常用的密封结构及特 点见下表 学院毕业设计 27 结合本设计的情况。活塞与缸底的密封结构选择 o 型密封圈的第一种 活塞与活塞杆的连接方式见下表 学院毕业设计 28 本此选择螺纹连接的第一种连接形式。 六、导向套的设计与计算： 1、最小导向长度 h 的确定： 当活塞杆全部伸出时， 从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向 长度。如果导向长度过短。将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸的工作 性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。对于一般液压 缸，最小导向长度应满足下式要求： hl/20+d/2 式中 l-最大工作行程（m） d-缸筒内径（m） 由前面的数据可知，l=0.6m,d=0.28 m,代入公式 hl/20+d/2 得： hl/20+d/2=0.6/20+0.20/2=0.17m=130mm 活塞宽度 b 的计算： 活塞宽度 b 取 b=(0.61.0)d=(0.61.0)200=(120200) mm 取 b=120mm 导向套滑动面的长度 a，在缸径小于 80mm 时取 a=(0.61.0)d 当缸径大于 80mm 时取 a=(0.61.0) 由前面的数据可知，d=200mm80mm.故取 a=(0.61.0)=(0.61.0)125=75 125 取=100mm. 学院毕业设计 29 中隔圈 k 的长度 c: 由公式 h=1/2(a+b)+c,得：c=h-1/2(a+b)=130-1/2(100+120)=20mm 2、导向套的结构： 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套、静压导向套等，可按工作情 况适当选取。 （1）普通导向套： 这种导向套安装在支撑座或端盖上， 油槽内的压力油起润滑作用并可以张开密封圈 唇边而起密封作用。 （）易拆导向套： 这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。当导向套和密封圈磨损而需要更换时， 不必拆卸段该和活塞杆就能进行，维修十分方便。它适用于工作条件比较恶劣，需要经 常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况下。 （3）球面导向套： 这种导向套的外球面和端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向偏斜时，导 向套可以自动调位，使向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋径”现象。这样，不 仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。 （4）静压导向套： 活塞杆往复运动频率高、速度快、震动大的液压缸。可以采用静压导向套。由于活 塞杆与导向套之间有压力油膜，不存在它们之间的直接接触，而是在压力油中浮动，所 以摩擦系数小、无磨损、能吸收震动、同心高度，但制造复杂，要有专用的静压系统。 常见的导向套结构图见下表： 学院毕业设计 30 本次设计采用普通导向套，安装在端盖上。 七、液压缸油口的设计： 油口孔是压力油进出液压缸的直接通道，虽然只是一个孔，但不能轻视其作用。 如果孔小了，不仅造成进油时流量供不应求，影响液压缸的活塞运动速度，而且会造成 回油时受阻，形成背压，影响活塞的退回速度，减少液压缸的负载能力。对液压缸往复 运动要求较严格的设计，一定要计算孔径的大小。 液压缸的进出油口。可以布置在缸筒和前后端盖上。对于活塞杆固定的液压缸， 进出油口可以设在活塞杆端部。如果液压缸无专门的排气装置，进出油口应设在液压缸 的最高处，以便空气能从液压缸排出。液压缸进出油口的连接形式有螺纹、方形法兰和 矩形法兰等，液压缸进出油口的形式见下图： 学院毕业设计 31 本次设计的液压缸油口布置在缸筒上，油口孔直径 do 根据活塞最大运动速度 vmax 和油口最高流速 vo 定： do=0.20(vmax/vo)0.5 式中 d液压缸内经，m vmax-液压缸最大输出速度，m/min; vo-油口液流速度，m/s,一般不大于 5 m/s. 由于活塞运动受结构的限制，它的运动速度范围是：0.010.2 在此取活塞最大运动速度ax=0.02m/s,取油口液流最高速度 vo=5m/s, 由公式 do=0.20(vmax/vo)0.5 do=40mm. 参考国家标准 gb/t2878-93 规定了液压缸进出油口螺纹连接的油口尺寸系列， 见下 表 学院毕业设计 32 故取液压缸进出油口的螺纹尺寸为 m482 do=40mm 八、端盖和缸底的设计计算： 在单塞杆液压缸中，有活塞杆通过的缸盖称为端盖，无活塞杆通过的端盖称为缸头 或缸底。 端盖、 缸底与缸筒构成密封的压力容腔， 它不仅要有足够的强度以承受液压力， 而且必须具备一定的连接强度，端盖上有活塞杆导孔及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺 钉孔，受力情况比较复杂，设计得不好容易损坏。 1、缸底厚度 h 的计算： 缸底分平底