毕业设计（论文）-DG型液压缸的设计.doc

毕业设计 DG型液压缸的设计学生姓名： 王晓光 学号： 125011317 系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李烨 二一四年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： DG型液压缸的设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 125011317 学生： 王晓光 指导教师（职称）： 李烨 (讲师) 专业负责人： 田静 1.设计的主要任务及目标本设计主要是针对DG型液压缸的设计。具体的目标如下:（1）熟悉软件、拟定研究方案；（2）研究方案具体实施、撰写计算说明书；（3）绘制图纸。2.设计的基本要求和内容1）理论 复习并掌握液压缸的基本原理，在此基础上重点掌握它的结构作用。 2）实践 熟悉运用CAD软件，并对其零件进行绘图。 3）毕业设计说明书及答辩用资料一份。3.参考文献1 王积伟，章宏甲，黄谊主编。液压与气压传动。机械工业出版社，20062 叶伟昌主编。机械工程及其自动化简明设计手册。机械工业出版社，2003 桂巧连,盛一川,楼建忠.液压多媒体元件库的开发与应用J.液压气动与密封2003(5):6062.4 姜继海,宋锦春,高常识主编.液压与气压传动M.高等教育出版社，2000设计各阶段名称起 止 日 期1查阅资料，准备开题报告和开题答辩3月3日3月9日2熟悉软件、拟定研究方案 3月10日3月16日3研究方案具体实施3月17日4月6日4撰写设计说明书4月7日4月27日5绘制图纸 4月28日5月25日6定稿装订，毕业答辩 5月25日6月22日4.进度安排DG型液压缸的设计摘要：液压系统中最重要的执行元件,它将液压能转变为机械能,实现直线往复运动。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，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。液压缸结构简单，配置灵活，设计、制造比较容易，使用维修方便，所以比液压马达、摆动液压马达等执行元件应用更广泛。此论文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完成零件的加工。关键字：液压缸，机械能，转矩，执行元件The design of the DG type hydraulic cylinderAbstract: The hydraulic cylinder is the most important components of the hydraulic system. It will hydraulic energy into mechanical energy and realize the straight line reciprocating movement.According to energy conversion in the form of implementation of the three components can be divided into two categories: hydraulic motors, hydraulic cylinders, Hydraulic motor is the continuous torque and rotational movement of the hydraulic actuators, and hydraulic cylinder is a reciprocating linear motion and the output of the hydraulic components. And this statement is the hydraulic cylinders for the working environment and job requirements of hydraulic cylinders to determine the pressure and work load, to determine the cylinder diameter, thickness and diameter of the rod. According to the hydraulic cylinder parts of the job requirements identified parts of the process, according to parts of the accuracy of determining parts processing methods, complete the processing parts.Keyword: hydraulic cylinder, mechanical energy, torque, the implementation of components目 录1 前言11.1我国国内液压缸的发展现状11.2国外液压缸的发展状况11.3课题背景22 液压传动的基础知识32.1液压传动基础理论32.2 液压传动系统的工作原理及其组成32.2.1液压传动原理32.2.2液压传动系统的组成42.3液压传动的优缺点52.4 液压传动技术的发展及应用63 液压传动系统的执行元件 液压缸83.1 液压缸的作用83.2液压缸的类型及结构形式83.2.1液压缸的分类83.2.2液压缸的结构形式83.3 液压缸的组成114 零件的三维创建具体步骤及方法174.1 Pro/E的概述及发展174.2零件的创建过程185 DG型液压缸的设计235.1 简介235.2 DG型液压缸的设计245.2.1 主要尺寸的计算255.2.3 活塞杆稳定性校核265.2.4 缸筒的设计275.2.5 活塞杆的设计276 液压缸常见故障分析与排除方法30结 论32参 考 文 献33致 谢34II太原工业学院毕业设计1 前言1.1我国国内液压缸的发展现状国内现状：随着非常有利的发展机遇和科技迅猛的发展，市场对油缸提出了更多新要求：随着经济持续健康快速发展，重大基础设施建设进入新的发展高潮，工程机械需求量大幅度增长。液压缸是各种工程机械、煤矿机械、特种车辆和大型机械的专用部件，市场潜力巨大、而且当前世界制造业向我国转移，我国油缸行业正面临某些问题:例如提升工作效率、提高产品稳定性、节能环保型、延长使用寿命、控制/监测的自动化和智能化等。只有自主创新能力强的企业，才能更好、更快地转化科技成果，进行技术升级，并赋予产品更高的技术附加值。机床是应用液压技术较早、较广的行业，过去只在刨床、插床、拉床、及磨床上采用，现在75%的各种机床设备都采用液压技术，代替复杂的机械传动。如60m/min以上的大型龙门刨床和3050m/min的高精度平面磨床工作合的进给和快速退回，所以采用了液压缸。我国早在50年代初期就采用液压舵机，进入九十年代发展迅速，于是DG型液压缸也得到了广泛应用。1.2国外液压缸的发展状况国外现状：随着液压技术的深入普及和应用领域，场合的日益扩大，对液压缸的工作性能、改造适用范围、制造精度外观材料试验方法不断提高，因此不断推动着液压缸的发展与进步，其总体趋势为:（1） 高压化、小型化：高压化是减少液压缸径向尺寸和减轻重量，并缩小整套液压装置提及尺寸的有效途径，目前超高液压泵的输出压力已高达250Mpa以上，一台工作压力为100Mpa的15t，一台压力机，可以制造手电筒用一般大小。（2） 新材质、轻量化：不久前，日本采用新型组份的铝合金，从液态开始进行新的热处理工艺，结果最终成型铝合金材料的抗拉强度等机械性能可达到45号优质碳素钢的水平，这将是现用的液压缸的重量减轻三分之二以上，将会引起液压工业乃至整个机械行业的重大变革。此外国外在航空航天工业中已采用高弹性碳素纤维复合树脂塑料制作液压缸筒和活塞杆，据资料记载一个为14Mpa额定工作压力的高弹性碳素纤维复合树脂塑料液压缸，其材料仅为钢的1/5左右，铝的1/2左右；强度为碳素钢的2倍；弹性模量为铝的约2倍，此外还有高的疲劳强度；低温下耐冲击；耐腐蚀；还具有X射线的透过性、非磁性、减震等特性，但是价格昂贵，形成加工工艺麻烦。现在仅在航空、航天领域应用，随着碳素纤维材料的社会需求总量的扩大以及成形、加工方法的不断更新，价格下降后，将会在其他机械中推广应用。（3） 新颖结构复合化：为了适应液压缸应用范围的扩大，各种新颖的结构的液压缸不断出现。1.3课题背景随着我国国民经济的快速发展，能源、交通、城市建设的发展步伐进一步加快，建设规模空前巨大，液压传动技术作为实现现代传动与控制的关键技术之一，具有其自身的技术优势。目前，液压技术的应用已遍布各行业、各领域，如船舶机械、工程机械、起重运输机械、矿山机械、农业机械、冶金机械、汽车工业及智能机械等。随着液压技术的快速发展， 我国从事液压系统设备设计、制造、使用和维护的工程不断增加，他们迫切需要更新、更全面的液压专业知识。液压缸是液压系统中最重要的执行元件，它将液压能转变为机械能，实现直线往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，设计、制造比较容易，使用维修方便，所以比液压马达、摆动液压马达等执行元件应用更广泛。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。由于液压系统用途广泛，内部结构原理复杂。再结合本公司的实际，本次设计主要是针对液压系统的执行元件液压缸的设计。具体设计产品为DG型液压缸。2 液压传动的基础知识2.1液压传动基础理论 一部完整的机器是由原动机部分、传动部分、控制部分和工作机构等部分组成的。传动部分只是一个中间环节。它的作用是把原动机（电动机、液体传动、气体传动）以及它们的组合即复合传动。以液体作为工作介质进行能量传递的运动方式称为液体传动。按其工作原理的不同，液体传动可以分为液压传动和液力传动。液压传动主要利用液体的压力来传递能量；而液力传动主要是利用液体的动能来传递能量。2.2 液压传动系统的工作原理及其组成2.2.1液压传动原理 如图2-1是一种驱动工作台的液压传动系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头组成。其工作原理如下。液压泵由电动机驱动后，从油箱中吸油，油液经滤油器进入液压泵，在如图2.1（a）所示状态下，油液在泵腔中从入口低压到出口高压，通过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸左腔，推动活塞使工作台向右移动，这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。如果将换向阀手柄转换成如图2.1（b）所示状态，则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔、推动活塞使工作台向左移动，并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管6排回油箱工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大;当节流阀关小时进入液压缸的油量减少，工作台的移动速度减小。为了克服移动工作台时所收到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的液压力产生的。要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。这种现象说明了液压传动的一个基本原理压力决定于负载。从上面这个简单的例子可知：液压传动是以液体作为工作介质来传递动力的;液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传动是不同的；液压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的，因此液压传动必须满足它所驱动的运动部件在力和速度方面提出的要求。图2.1 驱动工作台的液压传动系统2.2.2液压传动系统的组成液压传动系统由以下四个部分组成：（1）动力元件液压泵 其功能是将原动机输出的机械能转换成液体的压力能，为系统提供动力。（2）执行元件液压缸、液压马达。它们的功能是将液体的压力能转换成机械能，以带动负载进行直线运动或者旋转运动。（3）控制元件压力、流量和方向控制阀。它们的作用是控制和调节系统中液体的动力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩）、运动速度和运动方向。（4）辅助元件保证系统正常工作所需要的辅助装置。包括管道、管接头、油箱过滤器和指示仪表等。（5）工作介质-工作介质即传动液体，通常称液压油。液压系统就是通过工作介质实现运动和动力传递的。 2.3液压传动的优缺点主要优点：（1）便于实现无极调速，调速范围比较大，可达（100：1）（2000：1）；（2）在同等功率的情况下，液压系统装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑（如液压马达的重量只有功率电机重量的10%20%），而且能传递较大的力和转矩；（3）工作平稳，反应快、冲击小，能频繁启动和换向。液压传动装置的换向频率，回转运动可达500次/min,往复直线运动可达4001000次/min；（4）控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化，与电气控制配合使用能实现复杂的顺序动作和远程控制；（5）易于实现过载保护，系统超负荷，油液经溢流阀流回油箱。由于采用油液作为工作介质，能自行润滑，所以寿命长；（6）易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计、制造和推广使用；（7）易于实现回转、直线运动，且元件排列布置灵活；（8）在液压系统中，功率损失所产生的热量可由流动着的油带走，故可避免机械本体产生过度温升。主要缺点：（1） 液体作为工作介质，易泄漏，且具有可压缩性，故难以保证严格的传动比；（2）液压传动中有较多的能量损失（摩擦损失、压力损失、泄漏损失），传动效率低，所以不宜作远距离传动；（3）液压传动对油温和负载变化敏感，不宜在很低或很高的温度下工作，对污染很敏感；（4）液压传动需要有单独的能源（例如液压泵），液压能不能像电能那样从远处传来；（5）液压元件制造精度高，造价高，且须组织专业化生产；（6）液压传动装置出现故障时不易查找原因，不易迅速排除。总之，液压传动优点较多，其缺点正随着科学技术的发展逐步加以克服，因此，液压传动在现代工业中有广阔的发展前景。2.4 液压传动技术的发展及应用液压传动相对于机械传动来说，是一门新的传动技术。 从1795年英国制造出世界上第一台水压机诞生算起，已经有200多年的历史了，然而在工业上的真正推广使用却是20世纪中叶的事情了。第二次世界大战期间，在一些武器装备上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，大大的提高了武器装备的性能。同时，也加速了液压技术本身的发展。战后，液压技术迅速由军事转入民用，在机械制造、工程机械、锻压机械、冶金机械、汽车、船舶等行业中得到了广泛的应用和发展。20世纪60年代以后，原子能技术、空间技术、电子技术等的迅速发展，再次将液压技术向前推进，使其在各个工业领域得到了更加广泛的应用。现代液压技术与微电子技术、计算机技术、传感技术的紧密结合已经形成并发展成为一种包括传动、控制、检测在内的自动化技术。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善发展比例控制和伺服控制、开发数字控制技术上也有许多新成果。同时，液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)和测试(CAT)、微机控制、机电一体化、可靠性、污染控制、能耗控制、小型微型化等方面也是液压技术发展和研究的方向。继续扩大应用服务领域，采用更先进的设计和制造技术，将使液压技术发展成为内涵更加丰富完整的综合自动化技术。目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技术装备上，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。例如，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。例如，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。3 液压传动系统的执行元件 液压缸3.1 液压缸的作用液压缸是液压系统中最重要的执行元件，它将液压能转变为机械能，实现直线往复运动。液压缸结构简单，配置灵活，设计、制造比较容易，使用维修方便，所以比液压马达、摆动液压马达等执行元件应用更加广泛。3.2液压缸的类型及结构形式3.2.1液压缸的分类按构造形式对液压缸分类，可分为单作用液压缸和双作用液压缸。 （1）单作用液压缸这种形式的液压缸，压力油仅向活塞的一侧供给，可分为柱塞式和活塞式两种。无论哪种，都只能利用液压力实现单向动作，其返回行程是利用活塞杆的自重、负荷和弹簧力等的作用完成的，因此具有能够节约动力的优点。作为实用实例，有液压升降机、自卸卡车和叉车等。 （2）双作用液压缸这种形式的液压缸，液压力可实现液压缸的双向往复运动。这种形式的液压缸使用很多。这种液压缸有双活塞杆式和单活塞杆式两种。双活塞杆式的压力油能交替地向活塞的两侧供给，利用双作用活塞杆液压缸两侧的活塞杆直径相同时，由于活塞的有效面积相等，因此常用于需要实现前进和后退的速度相同的场合。3.2.2液压缸的结构形式其中，单作用液压缸分为：单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。组合液压缸包括：弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。摆动液压缸又分为：单叶片式和双叶片式两种。下面以一种典型液压缸为例，说明液压缸的基本组成。图3.1 空心活塞式液压缸空心活塞式液压缸如图3-1所示。它由缸筒10，活塞8，活塞杆1、15，缸盖18、24，密封圈4、7、17，导向套6、19，压板11、20等主要零件组成。这种液压缸活塞杆固定，缸筒带动工作台作往复运动。活塞用锥销9、22与空心活塞杆连接，并用堵头2堵死活塞杆的一头。缸筒两端外圆上套有钢丝环12、21，用于阻止压板11、20向外移动，从而通过螺栓将缸盖18、24与压板相连（图中没有画出），并把缸盖压紧在缸筒的两端。为了减少泄漏，在液压缸中可能发生泄漏的结合面安放了密封圈和纸垫。空心活塞杆和其上的油口a、c提供了液压缸的进、出油口。当缸筒移动到左、右终端时，油口a、c的开度逐渐减小，造成回油阻力逐渐增大，对运动部件起到制动缓冲作用。在缸盖上设有与排气阀（图中没有画出）相连的排气孔5、14，可以排出液压缸中的空气，使运动更加平稳。表3.1液压缸的类型和特点类型速度作用力特点单作用液压缸双活塞杆液压缸U=q/A3F=p1A1活塞的两侧都装有活塞杆，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液压缸U=q/A3F1=p1A1活塞仅单向运动，返回行程利用自重或负荷将活塞推回柱塞式液压缸U=q/A3F1=p1A1柱塞仅单向运动，由外力使柱塞反向运动差动液压缸U3=q/A3F3=p1A1可使速度加快，但作用力相应减小伸缩液压缸-以短缸获得长行程；缸由大到小逐节推出，靠外力由小到大逐节缩回双作用液压缸双活塞杆液压缸U1=q/A3U2=q/A2F1=（p1-p2）A1F2=（p2-p1）A2双边有杆，双向液压驱动，双向推力和速度均相等单活塞杆液压缸U1=q/A3U2=q/A2F1=（p1-p2）A1F2=（p2-p1）A2单边有杆，双向液压驱动，u1V U2，F1F2伸缩液压缸-双向液压驱动，由大到小逐节推出，由小到大逐节缩回组合液压缸弹簧复位液压缸-单向由液压驱动，回程弹簧复位串联液压缸U1=q/（A1+A2）U2=q2A2F1=p1（A1-A2）-2qA2F1=2p2A2-A2-q1（A1+A2）用于缸的直径受限制，而长度不受限制处，可获得在的推力增 压 缸-由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压油送入A腔，B腔输出高压油齿条液压缸-活塞的移动通过传动机构变成齿轮的往复回转运动摆动液压缸单叶片液压缸W=8q/（b（D2-d2）T=p（D2-d2）b/8把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角 300度双叶片液压缸W=4q/（b（D2-d2）T=p（D2-d2）b/4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 3.3 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：如图3-1(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。如图3-1(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。如图3-1(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较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。如图3-1(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。如图3-1(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。(a)法兰连接式(b)半环连接式(c)螺纹连接式(d)拉杆连接式(e)焊接连接式图3.2缸筒和缸盖结构由此可见，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、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35号钢或45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35号钢或45号钢等材料，当冲击振动很大时，也可采用55号钢或40Cr钢。如图3-2所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式：如图3.2 (a)所示为活塞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。如图3.2 (b)和(c)所示为卡环式连接方式。如图3.2 (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。如图3.2 (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3.2 (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。 图3.3常见的活塞组件结构形式 (3)密封装置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、O型密封圈、Y型密封圈、V型密封圈等密封方式来防止漏油。（a）间隙密封(b)摩擦环密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封图3.4密封装置液压缸中常见的密封装置如上图3.3所示。如图3.3 (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。如图3.3 (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。如图3.3 (c)、图3.3 (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。(4)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(v12m/min)。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3.4(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3.4 (b)所示。由于节流阀1是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图3.4 (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。图3.5 液压缸的缓冲装置 (5)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，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，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或大型液压缸，常在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置放气孔或专门的放气阀。图3.6 放气装置1缸盖 2放气小孔 3缸体 4活塞杆4 零件的三维创建具体步骤及方法4.1 Pro/E的概述及发展Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engine操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E是第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 （1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 （2）基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 （3）单一数据库（全相关）Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEERWildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了全面、集成紧密的产品开发环境。是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。4.2零件的创建过程此液压缸的全部零件的三维创建都是基于CAD平面图采用Pro/E来创建的，具体步骤及方法如下（1）导向套的创建打开Pro/E软件设置工作目录，点选创建新对象点选mmns-part-solid,先选“草绘”，点取“top平面创建两条中心线，（下文中此创建过程不再重复说明）基于导向套cad图绘制出平面图，点选继续当前部分，点选旋转，角度为360度，打钩，完成，保存至工作目录。图4.1 导向套（2）缸底的创建基于导向套cad图绘制出平面图，点选继续当前部分，点选“旋转”，角度为360度，打钩，完成，继续选取:“top平面”，点选“草绘”，基于CAD图绘制出圆，点选继续当前部分，点选“拉伸”，点选“去除材料”，“选项”-“盲孔”图4.2 缸底“第二侧”“盲孔”，完成。打钩完成，保存至工作目录。(3)缸筒的创建基于导向套cad图绘先绘制出缸筒主体部分，点选“旋转”，角度360度，打钩完成，继续点取“right”平面，绘制出cad中标识的两圆，点选继续当前部分，点图4.3 缸筒选“拉伸”，点选“去除材料”，选项“盲孔”到下一个，完成打钩，继续点取“基准平面工具”，创建“F1”平面，高度为套的外圆半径，点取“F1”平面，草绘，绘制CAD中的两圆环，点选继续当前部分，点选拉伸，高度为图中所标，“选项”-“另一侧”“到下一个”，完成保存至工作目录。（4）活塞的创建基于cad绘制出平面图，点取“继续当前部分”，点选“旋转”，“角度”-“360图4.4 活塞度”，点选完成，保存至工总目录。 （5）活塞杆的创建图 图4.5 活塞杆先绘制出活塞杆的平面图，点选继续当前部分，点选“旋转”，“角度”-“360度”，点选完成，继续选择top平面，基于cad图中的尺寸绘制出圆，点选“拉伸-”“去除材料”-“第一册盲孔”-“第二侧盲孔”，点选完成，继续选择“right”平面，根据cad中的尺寸绘制出两长方形，点选“拉伸”-“去除材料”-距离超过球形直径完成，保存至工作目录。（6）螺纹环的创建基于cad绘制出平面图，点取“继续当前部分”，“旋转”，角度为360度，完成，保存至工作目录。图4.6 螺纹环（7）油口的创建图4.7 油口 基于cad绘制出平面图，点取继“续当前部分”，“旋转”，角度为360度，完成，保存至工作目录。（8）装配图的创建注：为便于看到液压缸的内部具体结构，本次创建采取半剖视绘制，点选top平面，绘制出缸筒，以下步骤如（3）中所述，此处旋转角度为180度，继续点取“top”平面，基于cad中的尺寸绘制出活塞杆，“继续当前操作”-“旋转”-角度为180度，以下零件根据cad中标识的数据进行一一绘制，具体步骤在各零件的绘制中已具体 说明，此处不再重复说明，需注意的是各零件此处的旋转角度在160度到180度之间。保存至工作目录。图4.8 装配图5 DG型液压缸的设计5.1 简介DG型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。缸筒作为液压缸、矿用单体支柱、液压支架、炮管等产品的主要部件，其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。缸筒加工要求高，其内表面粗糙度要求为Ra0.40.8µm，对同轴度、耐磨性要求严格。缸筒的基本特征是深孔加工，其加工一直困扰加工人员。采用滚压加工，由于表面层留有表面残余压应力，有助于表面微小裂纹的封闭，阻碍侵蚀作用的扩展。从而提高表面抗腐蚀能力，并能延缓疲劳裂纹的产生或扩大，因而提高缸筒疲劳强度。通过滚压成型，滚压表面形成一层冷作硬化层，减少了磨削副接触表面的弹性和塑性变形，从而提高了缸筒内壁的耐磨性，同时避免了因磨削引起的烧伤。滚压后，表面粗糙度值的减小，可提高配合性质。油缸是工程机械最主要部件，传统的加工方法是：拉削缸体精镗缸体磨削缸体。采用滚压方法是：拉削缸体精镗缸体滚压缸体，工序是3部分，但时间上对比：磨削缸体1米大概在1-2天的时间，滚压缸体1米大概在10-30分钟的时间。投入对比：磨床或绗磨机（几万几百万），滚压刀（1千几万）。滚压后，孔表面粗糙度由幢滚前Ra3.26.3µm减小为Ra0.40.8µm，孔的表面硬度提高约30%，缸筒内表面疲劳强度提高25%。油缸使用寿命若只考虑缸筒影响，提高23倍，镗削滚压工艺较磨削工艺效率提高3倍左右。以上数据说明，滚压工艺是高效的，能大大提高缸筒的表面质量。油缸经过滚压后，表面没有锋利的微小刃口，长时间的运动摩擦也不会损伤密封圈或密封件，这点在液压行业特别重要。DG型液压缸结构如图5.1所示：图5.1 DG型液压缸剖视图型号意义例：5.2 DG型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。5.2.1 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4.1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5.1液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力p/MPa7推荐活塞杆直径d(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D5.2.2 强度校核 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ds。在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统中需按下列情况进行校核。1.缸筒壁厚的校核 当时为薄壁，d按下式校核: (式5-1)式中，D-缸筒内径；缸筒材料的许用应力，是材料的抗拉强度，一般取安全系数n=5；py试验压力，当缸的额定压力pn16Mpa时，py=1.5pn；pn16Mpa时，py=1.25pn。当时为厚壁，d按下式校核: (式5-2)2.活塞杆直径d (式5-3)式中，F活塞杆上的作用力；活塞杆材料的许用应力，= b/1.4。3.缸盖固定螺栓直径ds (式5-4)式中，F活塞杆上的作用力k螺纹拧紧系数，k=1.121.5；z固定螺栓个数； 螺栓材料的许用应力，= s/（1.222.5），s为材料的屈服点。活塞杆材料的许用应力，= b/1.4。5.2.3 活塞杆稳定性校核当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题，即 压缩力F超过某一临界Fk值时活塞杆就会失去稳定性。活塞杆稳定性按下式进行校核 (式5-5)式中，nk安全系数，一般取nk=24。当活塞杆的细长比为 时 (式5-6)当活塞杆的细长比为下式时并且当 时有： (式5-7)在上式中，27l安装长度；活塞杆截面最小回转半径柔性系数；由液压缸支承方式决定的末端系数；系数E活塞杆材料的弹性模量，钢材：； J活塞杆横截面惯性矩；A活塞杆横截面积；f由材料强度决定的试验值；。 5.2.4 缸筒的设计（1）缸筒材料的选择及加工工艺参阅郑州强盛液压制造有限公司产品样本（以下简称产品样本）第15页可知，DG型液压缸的最大推力和拉力为16MPa，即：工作压力p20MPa；所以，缸筒材料可选用无缝钢管；结合本公司生产车间的实际加工水平，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20号钢的缸筒毛坯件。即：内圆已经过衍磨、外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管。 （2）确定缸筒的总体尺寸a.缸筒内径的大小及厚度查产品样本第16页图表可得，DG型液压缸缸筒的内径为90mm，外径为108mm。即：厚度为18mm。b.缸筒的总长度的确立参考产品样本第17页图表可得：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。5