机械毕业设计（论文）-绞车试验台(液压系统)【全套图纸】.doc

中国矿业大学2008届本科生毕业设计 第87页1 绪论全套图纸，井提升在矿山生产中的地位矿井提升设备是沿井筒提升矿石、废石、升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相连接的枢纽、是矿山运输的咽喉。因此，矿井提升设备在矿井生产全过程中占有及其重要的地位。随着科学技术的发展及生产的机械化和集中化，目前，世界上经济比较发达的一些国家，提升机的运输速度已达，一次提升量达到，电动机容量已经超过，其安全可靠性尤为突出。在矿井生产过程中，如果提升设备出现了故障，必然会造成停产。轻者，影响矿石产量，重者，则会危及人身安全。此外，矿山提升设备是一大型的综合机械电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建设计中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技术经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合理的，即要求矿井提升设备具有经济性。12矿井提升设备的现状与发展趋势矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是机电、机液、电液在提升机控制中的应用己成为必然的发展方向。研制与发展(1)国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。(2)大功率变频调速电控提升机其效率可达98%，国内正在组织研究这种系统，不少院校和研究单位都在着手研制。如天津电气传动研究所已研制了一台300kW的变频调速装置。(3)可编程序控制器在提升机电控系统的应用1.3 液压系统液压系统主要由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件及传动介质五大部分组成。具有以下特点：通过能量的相互转换在运行过程中具有平稳无间隙传动功能，以实现大范围的无级变速，简化传动；可自动循环工作、自动过载保护；在同等功率输出情况下，液压传动装置具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好等特点；由于油作为传动介质，液压元件具有自我润滑作用，寿命延长，且液压元件都是标准化、系列化产品，便于互换和推广应用。2液压系统的设计液压系统设计作为液压主机设计的重要组成部分，设计时必须满足主机工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。为此，要明确与液压系统有关的主机参数的确定原则，要与主机的总体设计（包括机械、电气设计）综合考虑，做到机、电、液相互配合，保证整机的性能最好。液压系统设计的步骤一般是：1) 明确液压系统的使用要求，进行负载特性分析。2) 设计液压系统方案。3) 计算液压系统主要参数。4) 绘制液压系统工作原理图。5) 选择液压元件。6) 验算液压系统性能。7) 液压装置结构设计。8) 绘制工作图，编制文件，并提出电气系统设计任务书。2.1液压系统的使用要求及速度负载分析2.1.1使用要求主机对液压系统的使用要求是液压系统设计的主要依据。因此，设计液压系统前必须明确下列问题：1) 主机的用途、总体布局、对液压装置的位置及空间尺寸的限制。2) 主机的工艺流程、动作循环、技术参数及性能要求。3) 主机对液压系统的工作方式及控制方式的要求。4) 液压系统的工作条件和工作环境。5) 经济性与成本等方面的要求。2.1.2速度负载分析对主机工作过程中各执行元件的运动速度及负载规律进行分析的内容包括：1) 各执行远近无负载运动的最大速度（快进、快退速度）、有负载的工作速度（工进速度）范围以及它们的变化规律，并绘制速度图（）。2) 各执行元件的负载是单向负载还是双向负载、是与运动方向相反的正值负载还是与运动方向相同的负值负载、是恒定负载还是变负载，负载力的方向是否与液压缸活塞轴线重合，对复杂的液压系统需绘制复杂谱（）。2.2液压系统方案设计2.2.1确定回路方式一般选用开式回路，即执行元件的排油回油箱，油液经过沉淀、冷却后再进入液压泵的进口。行走机械和航空航天液压装置为减少体积和重量可选择闭式回路，即执行元件的排油直接进入液压泵的进口。本设计选用开式回路。1. 选用液压油液普通液压系统选用矿油型液压油作工作介质，其中室内设备多选用汽轮机油和普通液压油，室外设备则选用抗磨液压油或低凝液压油，航空液压系统多选用航空液压油。对某些高温设备或井下液压系统，应选用难燃介质，如膦酸酯液、水一乙二醇、乳化液。液压油液选定后，设计和选择液压元件时应考虑其相容性。本系统属于普通液压系统，故选用矿油型液压油作为工作介质。2. 初定系统压力液压系统的压力与液压设备工作环境、精度要求等有关。工作压力可根据负载大小及机器的类型来初步确定，经相关资料初步确定系统的工作压力P=10Mpa。3. 选择执行元件1) 若要求实现连续回转运动，选用液压马达。如果转速高于500，可直接选用告诉液压马达，如齿轮马达、双作用叶片马达或轴向柱塞马达；若转速低于500，可选用低速液压马达或告诉液压马达加机械减速装置，低速液压马达有单作用连杆型径向柱塞马达和多作用内曲线径向柱塞马达。2) 要求往复摆动，可选用活塞液压缸。3) 若要求实现直线运动，应选用活塞液压缸或柱塞液压缸。如果是双向工作进给，应选用双活塞杆液压缸；如果只要求一个方向工作、反向退回，应选用单活塞杆液压缸；如果负载力不与活塞杆轴线重合或缸径较大、行程较长，应选用柱塞缸，反向退回则采用其他方式。4. 确定液压泵类型1) 系统压力，选用齿轮泵或双作用叶片泵；，选用柱塞泵。在本系统中为了保证整个系统的良好工作，选用叶片泵。2) 若系统采用节流调速，选用定量泵，若系统要求高效节能，应选用变量泵。本系统属于一泵多缸的系统，而且执行元件不是同时工作，所以本系统中选用变量柱塞泵。3) 若液压系统有多个执行元件，且各工作循环所需流量相差很大，应选用多台泵供油，实现分级调速。5. 选择调速方式1) 中小型液压设备特别是机床，一般选用定量泵节流调速。若设备对速度稳定性要求较高，则选用调速阀的节流调速回路。2) 设备可采用定量泵变转速调速，同时用多路换向阀阀口实现微调。3) 采用变量泵调速，可以是手动变量调速，也可以是压力适应变量调速。在本系统中选用手动变量调速。6. 确定调压方式1) 溢流阀旁接在液压泵出口，在进油和回油节流调速系统中为定压阀，保持系统工作压力恒定 ，其他场合为安全阀，限制系统最高工作压力。当液压系统在工作循环不同阶段的工作压力相差很大时，为节省能量消耗，应采用多级调压。2) 中低压系统为获得低于系统压力的二次压力可选用减压阀，大型高压系统宜选用单独的控制油源。3) 为了使执行元件不工作时液压泵在很小输出功率下工作，应采用卸载回路。4) 对垂直性负载应采用平衡回路，对垂直变负载则应采用限速锁，以保证重物平稳下落。7. 选择换向回路1) 若液压设备自动化程度较高，应选用电动换向。此时各执行元件的顺序、互锁、联动等要求可由电气控制系统实现。2) 对行走机械，为工作可靠，一般选用手动换向。若执行元件较多，可选用多路换向阀。8. 绘制液压系统原理图液压基本回路确定以后，用一些辅助元件将其组合起来构成完整的液压系统。在组合回路时，尽可能多地去掉相同的多余元件，力求系统简单，元件数量、品种规格少。综合后的系统要能实现主机要求的各项功能，并且操作方便，工作安全可靠，动作平稳，调整维修方便。对于系统中的压力阀，应设置测压点，以便将压力阀调节到要求的数值，并可由测压点处压力表观察系统是否正常工作。此方案要在水泵车上加制动装置，制动器的安装可以用的方式，泵车上的制动器成对安装于轨道两侧，制动器所需压力油用在泵车安装的液压站供给，采用液压打开，无压时碟形弹簧制动，采用抱轨制动方式。这种制动方式属于事故安全型，即无论什么原因造成液压系统失压(断电、电磁不动作等)，则制动器在碟形弹簧力作用下泵车可以安全制动。因为采用抱轨制动方式，所以要求轨道压板要有足够的预紧力，否则出现断绳时泵车下滑会把轨道拉起一起滑落。解决的方法是：可以在钢轨上在每个压板处焊接一个防滑的挡板，将制动力转变为地脚螺栓的剪切力。液压站如图，它的控制包括电机的控制，电磁继电器的控制和电磁换向阀的控制。液压系统大致分为两个工作状态。油路工作状态： 如需进行移动泵房时，令电机，电磁换向阀得电，油泵向液压缸及蓄能器供油，如果压力继电器入口处的压力达到了继电器的调定压力，压力继电器发出信号，使电机断电停止供油。油路卸荷状态 ：如需使泵房静止不动时，使换向阀失电，阀芯回到原始位置，液压缸内的油液卸载。2.3液压系统各元件概述2.3.1液压执行元件的选择由于该液压系统的液压执行元件是负责对盘式制动器的控制，因此选择双作用、单活塞杆液压缸，由已知给定参数可知该系统中需要两个液压缸。2.3.2液压控制元件的选定由于该系统为单泵多缸系统，因此选择两个三位四通电磁换向阀，考虑到缸的进退，为保证其进退速度相同，选择可实现差动连接的滑阀机能，即选用XOP型机能的电磁换向阀。由于卸载油缸需要倾斜安装，为保证其正常工作，需要考虑背压，故选用背压阀来实现该执行元件工作时的平衡。考虑到两个油缸不同时工作，对于泵的卸荷采用带有远程控制的电磁溢流阀。为了实现在执行元件正常工作时对泵及油箱的检修，因此在泵的出口处装有单向阀。2.3.3泵的选型液压泵作为液压系统的动力元件，将原动机（电动机、柴油机）输入的机械能（转矩和角速度）转换为压力能（压力和流量）输出，为执行元件提供压力油。液压泵的性能好坏直接影响到液压系统的工作性能和可靠性，在液压传动中占用及其重要的地位。由于该系统初定的工作压力为10Mpa，为了使该系统能够更好的达到这一压力，并有较好的性能，选用柱塞式变量泵。 液压泵的工作原理: 单柱塞泵由偏心轮、柱塞、弹簧、缸体和单向阀等组成，柱塞与缸体孔之间形成的密闭容积。当原动机带动偏心轮顺时针方向旋转时，柱塞在弹簧力的作用下向下运动，柱塞与缸体孔组成的密闭容积增大，形成真空，油箱中的油液在大气压下的作用下经单向阀进入其内（此时单向阀关闭）。这一过程成为吸油，在偏心轮的几何中心转到最下点时，容积增大到极限时终止。吸油过程终了，偏心轮继续旋转，柱塞随偏心轮向上运动，柱塞与缸体孔组成的密闭容积减小，油液受挤压经单向阀排出，这一过程成为排油，到偏心轮的几何中心转到最上点时，容积减小至极限终止。偏心轮继续旋转，柱塞上下往复运动，泵在半个周期内吸油，半个周期内压油。 综上所述，液压泵的工作原理可归纳如下：1）液压泵必须具有一个由（柱塞）和非运动件（缸体）所构成的密闭容积，该容积的大小随运动件的运动发生周期性变化。容积增大时形成真空，油箱的油液在大气压作用下进入密封容积（吸油）；容积减小时油液受挤压克服管路阻力排出（排油）。2）液压泵的密闭容积增大到无限大时，先要与吸油腔隔开，然后才转为排油；同理，密闭容积减小到极限时，先要与排油腔隔开，然后才转为吸油。3）液压泵每转一转吸入或排除的油液体积取决于密闭容积的变化量。4）液压泵的吸油的实质是油箱的油液在大气压的作用下进入具有一定真空度的吸油腔。为防止气蚀，真空度应小于，因此对吸油管路的液流速度及油液提升高度有一定的限制。5）液压泵的排油压力取决于排油管路油液流动所受到的总阻力，即液流的管路损失、元件的压力损失及需要克服的外负载阻力。总阻力越大，排油压力越高。若 排油管路直接接回油箱，则总阻力为零，泵排出的压力为零，泵的这一工况称之为卸载。6）组成液压泵密闭容积的零件，有的是固定件，有的是运动件。它们之间存在相对运动，因此必然存在间隙。当密闭容积为排油时，压力油将经此间隙向外泄漏，使实际排出的油液体积减小，其减少的油液体积称为泵的容积损失。7）为了保证液压泵的正常工作，泵内完成吸、压油的密闭容积在吸油与压油之间相互转换时，将瞬间存在一个既不与吸油腔相通、又不与压油腔相通的闭死的容积。若此闭死的容积在转移的过程中大小发生变化，则容积减小时，因液体受挤压而使压力提高；容积增大时又会因无液体补充而使压力降低。必须注意的是，如果闭死容积的减小是发生在该容积离开压油腔之后，则压力将高于压油腔的压力，这样会导致周期性的压力冲击，同时高压液体会通过运动副之间的间隙挤出，导致油液发热；如果闭死容积的增大是发生在该容积刚离开吸油腔之后，则会使闭死容积的真空度增大，以致引起气蚀和噪声。这种因存在闭死容积大小发生变化而导致的压力冲击、气蚀、噪声等危害液压泵性能和寿命的现象，称之为液压泵的困油现象，在设计和制造液压泵时应竭力消除与避免。2.3.4系统中管路的选定液压泵的吸油管一般选用硬管，管路尽可能短，过流面积尽可能大，以减少吸油阻力。安装吸油管时注意液压泵有吸油高度的限制。安装非上置式泵组，需在油箱与泵的吸油口之间加闸阀，以便于检修。在管路安装图上应表示出各液压部件和元件在设备和工作地的位置和固定方式，油管的规格和分布位置，各种管接头的形式和规格等。在绘制装配图时应考虑安装、使用、调试和维修方便，管道尽量短，弯头和管接头尽量少。2.3.5电机的选用可供选择的电动机的安装形式主要有三种：机座带底脚、端盖上无凸缘结构；机座不带底脚，端盖上带大于机座的凸缘结构；机座带底脚，端盖上带大于机座的凸缘结构。一般都选用水平放置。若泵组立式放置则应选用机座不带底脚，端盖上带大于机座的凸缘结构。机座带底脚且端盖上带凸缘的结构用于水平放置的泵组，此时液压泵通过法兰式支架支承在电动机上。3 制动系统整体方案确定其整体方案的确定，需要对其所需要的制动器进行选择，常用的标准系列制动器有电力液压块式制动器、电磁块式制动器、盘式制动器等等，其设计选用一般按类型选择、规格计算、校核验算步骤进行，并依据或考虑诸多相关的因素。3.1 制动器的类型选择原则(1) 根据主机或机构的产品标准要求和实际需要确定制动器的类型，如标准规定，起升机构必须设置常闭式制动器，行走或回转机构可选用常开式制动器。(2) 考虑应用场所，如制动器安装地点有足够的空间，可选用块式、带式制动器或臂式盘式制动器，空间受限制时，可选用内蹄式或钳形盘式制动器。(3) 考虑配套主机的使用环境，对渗漏油有严格要求的场合应选用电磁或气动制动器，对环境温度较高的冶金场合可选用绝缘等级较高的电力液压制动器或冶金型电磁制动器。在环境温度较低或较高的室外场所使用电力液压制动器时，应注意更换相应牌号的液压油；在含铁粉严重的环境中，应避免使用电磁铁制动器，防止粉尘进入磁铁间隙影响电磁铁的吸合。(4) 对于特殊或重要的场合，应根据需要增设制动器的附加功能。在温度较低的环境中，可使用电力液压推动器的加热器；对启动与制动过程转换有严格要求时，加装行程开关以了解制动器的开闭状态；对于维护、调整教难实施的环境，可加装制动间隙均等装置或摩擦片磨损自动补偿装置；增设手动松闸装置可在特殊情况下人工打开制动器。(5) 为了减缓制动器的磨损，减轻因制动过猛产生的冲击和震动，推荐支持制动和控制制动并用。控制制动一般为电力制动，如再生制动、反接制动、能耗制动和涡流制动等。电力制动仅用于消耗动能，使机构安全减速。在与电力制动并用时，支持制动器的最低安全系数应单独满足原有的规定。也可采用二次制动减少磨损和冲击，第1 次制动用于消耗动能使机构安全减速并停止，第2 次制动确保支持制动的安全，如用于防风制动。国家标准规定：对吊钩式提升机，当起升机构工作级别等于或高于M4 且额定起升速度等于或高于5m/min 时，应采用电气制动方法，保证在（0.21.0）倍额定起重范围内的载荷下降时，制动前的电机转速降至1/3 以下。(6) 常规标准制动器的工作环境中不得有易燃易爆及腐蚀性气体，如环境状况超出有关规定，应选用防爆型制动器，如井下输送机用制动器。有以上综合分析，选用液压盘式制动器比较合适。3.2 制动器规格的计算原则(1) 制动器的规格选用计算应保证具有机构要求的制动力矩，且符合相关标准规定的制动安全系数。如一般机构不低于1.5，重要机构不低于1.75 对于安全性高度要求的机构如输送熔化金属的提升机构，规定必须装设2 个制动器，其中每个都能安全地支持吊物，每个制动器的制动安全系数不低于1.25。(2) 制动器的选用应注意经济性，维修性和使用可靠性。机构所需制动力矩的计算往往叠加了各种不利因素，如运动机构考虑了满载、爬坡、顶风、啃轨等，得出的所需制动力矩偏大，而实际使用中这种状态很少出现。制动器的额定制动力矩是在任何情况下均能保证的最小值。因此，在选用计算时，机构所需的制动力矩应尽可能接近制动器的额定制动力矩。有以上分析，安全系数设为1.5。3.3 制动器校核验算原则在制动器规格确定以后，为保证制动器既能有效地制动或支持载荷，又避免制动距离过长或制动过猛造成冲击应校核被制动机构的平均减速度、制动时间、制动距离。不同设备应用于不同工况，有关标准对相应机构的平均减速、制动时间、制动距离作了明确的规定。根据要求，盘式制动器的制动距离为10mm。3.4 制动器方案确定 盘式制动器是一种新型高性能制动器如图2-3，它靠通过的压力油松闸、靠碟簧组的弹簧力制动。当油通过油口进入油腔时，碟型弹簧组被压缩，随着油压P 的升高，碟簧组压缩并且储存弹簧力，弹簧力越大闸瓦离开钢轨的间隙越大，此时盘式制动器处于松闸状态。当油压P 降低时，弹簧力释放，推动活塞、活塞杆及闸瓦向钢轨方向移动，当闸瓦间隙为为零后，弹簧力作用在钢轨上，并产生正压力，随着油压P 的降低正压力加大，当油压P 为零时，正压力最大，在正压力的作用下，闸瓦与钢轨间产生摩擦力，即制动力最大（全制动状态）。该盘式制动器结构简单，易加工，易修理，给工人降低了劳动强度，同时它的可靠性非常高。 图：盘式制动器1-制动闸 2-制动闸 3-制动器底座3.5 确定系统主要参数扭矩测试范围：483.95Nm3226.30Nm制动器提供的制动力矩应不低于： 600Nm制动盘直径：500mm制动盘厚度：30mm装置最大转速：1500r/min制动片摩擦系数： 0.34 碟形弹簧设计41 参数计算 制动盘外径的线速度最大为： 所需制动力： 取10kN 由于采用两个制动器，则：液压缸负载作用力：总推力: 单缸正压力: 42 碟形弹簧设计：421 碟形弹簧的特点及应用蝶形弹簧是用金属板料或锻压而成的截锥形截面的垫圈式弹簧。碟形弹簧的特点是：（1）刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。（2）具有变刚度特性，可通过适当选择碟形弹簧的压平时变形量和厚度t之比，得到不同的特性曲线。其特性曲线可以呈直线型、渐减形或是它们的组合，这种弹簧具有很广范围的非线性特性。（3）用同样的碟形弹簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大范围的变化。可采用对合、叠合的组合方式，也可采用复合不同厚度，不同片数等的组合方式422 碟形弹簧的材料及成型后的处理碟形弹簧的材料应具有高的弹性极限、屈服极限、耐冲击性能和足够大的塑性变形性能。目前我国常用60Si2MnA和50CrVA或机械性能与此接近的弹簧钢制造。（1）弹簧盛成型后，必须进行了热处理，即淬火、回火处理淬火次数不得超过两次。碟簧淬火、回火后的硬度必须在4352HRC范围内。（2）经热处理后的碟簧，其单面脱层的深度，对于厚度小于1.2mm的碟簧，不得超过其厚度的5%；对于不少于1.25mm的碟簧，不得超过其厚度的3%，其最小值允许为0.06mm（3）碟簧应全部进行强压处理。处理方法为：一次压平，持续时间不少于12%，或短时压平，压平次数不少于5次，压平力不小于2倍的F。碟簧经强压处理后，自由高度尺寸应确定。在试验的条件下，其自由高度应在规定的极限偏差范围内。（4）对于承受变载荷的碟簧，内锥面推荐进行表面强化处理，例如喷丸处理等（5）根据需要碟簧表面应进行防腐处理。经电镀处理后的碟簧必须进行去氢处理。对于承受变载荷作用的碟簧应避免采用电镀的方法（6）碟簧表面不允许有毛剌，裂纹，斑疤等缺陷。43碟形弹簧的计算本设计所要求的碟形弹簧是一组合弹簧，其承受载荷为4kN时变形量应为10mm。（1）选择碟形弹簧系列及组合型式根据载荷初选碟形弹簧规格：碟形弹簧系列： DS = B碟形弹簧类别： DTPE = 2碟形弹簧外径：D = 80mm碟形弹簧内径： d = 41mm碟形弹簧压力：P = 10.50kN碟形弹簧厚度：t = 3mm压平时厚度： h0=2.3 mm自由高度： H0 = 5.3mm碟形弹簧表面上OM点的计算压应力：OM=-1030MPa在点的计算拉应力：=1140MPa重量：Q = 8.3g （2）碟形弹簧设计计算单片预加载荷： F1 = 4kN单片工作载荷 ：F2 = 5.19kN计算压平时蝶形弹簧计算载荷值：式中：pc压平时的蝶形弹簧载荷计算值 t碟形弹簧厚度 D碟形弹簧外径 h0压平时的蝶形弹簧变形量计算值 E材料弹性模量；取E=206000Mpa 泊松比；取=0.3 k1 k4计算系数其中：式中：c蝶形弹簧外径与内径的比值对于无支承面碟形弹簧：k4=1则:计算及由于设计采用复合组合，则单个弹簧载荷：P=4250N则：计算由图7-6-2查得A系列，及时， ； 计算f计算组合的片数取24片计算未受载荷时的自由高度计算受载荷作用时的自由高度5 液压缸主要技术性能参数的计算液压缸与液压马达一样，也是将液压能转变成机械能的一种能量转换装置，同为执行元件。与液压马达不同，液压缸将液压能转变成直线运动或摆动的机械能。液压缸结构简单，工作可靠，应用广泛，种类繁多。根据结构特点分为活塞式、柱塞式、回转式三大类；根据作用方式分为单作用式和双作用式，前者只有一个方向由液压驱动，反向运动则由弹簧力或重力完成，后者两个方向的运动均由液压实现。5.1常用液压缸5.1.1活塞式液压缸1. 双活塞杆液压缸双活塞杆缸的活塞两端都有活塞杆伸出。它主要由缸筒、活塞、活塞杆、左右缸盖、左右压盖等零件组成。缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与活塞杆用柱塞销连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封（低压），活塞杆与缸盖之间采用了V型密封圈。因双活塞杆缸两端活塞杆直径相等，所以左右两腔有效面积相等。当分别向左、右腔输入相同的压力和流量时，液压缸左、右两个方向上输出的推力和速度相等。2. 单活塞杆液压缸单活塞杆缸只有一端有活塞杆。它主要由缸底、缸筒、缸头、活塞、活塞杆、导向套、缓冲套、节流阀、带放气孔的单向阀及密封装置等组成。缸筒与法兰焊接成一体，通过螺钉与缸底、缸头连接。活塞与缸筒、活塞杆与缸盖之间在半剖视图上部为橡塑组合密封，下部为唇形密封。单活塞杆缸也有缸筒固定和活塞杆固定两种安装形式。两种安装方式的工作台移动范围均为活塞有效行程的两倍。单活塞杆缸因左、右两腔有效面积和不等，因此当进油腔和回油腔压力分别为和，输入左、右两腔的流量均为时，液压缸左、右两个方向的推力和速度不相同。5.1.2柱塞式液压缸 活塞式液压缸的活塞与缸筒内孔有配合要求，要有较高的精度，特别是缸筒较长时，加工就很困难，但柱塞液压缸就可以解决此困难。因柱塞液压缸的缸筒与柱塞没有配合要求，缸筒内孔不需要精加工，只是柱塞与缸盖上的导向套有配合要求，所以特别适合行程较长的的场合，例如导轨磨床，龙门刨床等。为了减轻柱塞重量、减少柱塞的弯曲变形，柱塞常做成空心的，还可以在缸筒内设置辅助支承，以增强刚性。5.2其它形式液压缸5.2.1伸缩液压缸伸缩液压缸又称多套缸，它是由两个或多个活塞式液压缸套装而成的，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞的缸筒。各级活塞依次伸出时可获得很长的行程，而当依次缩回时又能使液压缸保持很小的轴向尺寸。当液压缸当通入压力油时，活塞有效面积最大的缸筒以最低油压力开始伸出，当行至终点时，活塞有效面积次之的缸筒开始伸出。外伸缸筒有效面积越小，工作油液压力越高，伸出速度加快。各级压力和速度可按活塞式液压缸有关公式来计算。除双作用伸缩液压缸外，还有一种单作用伸缩液压缸。它与双作用不同点主要是，单作用回程靠外力，而双作用回程靠液压油作用。伸缩液压缸，特别适用于工程机械及自动线步进式输送装置。5.2.2齿条活塞液压缸齿条活塞液压缸也称无杆液压缸，其工作原理是：压力油进入液压缸后，推动具有齿条的活塞直线运动，齿条带动齿轮旋转，从而带动进刀机构、回转工作台转位、液压机械手、装载机的铲斗的回转等。5.2.3增压缸(增压器)增压缸与活塞式液压缸相类似，但不是将液压能转换成机械能，而是液压能的传递，使之增压。增压缸为活塞缸与柱塞缸组成的复合缸。当低压油推动直径为的大活塞向右移动时，也推动与其连成一体的直径为的小柱塞，由于大活塞与小柱塞面积不筒，因此小柱塞缸输出的压力要比高。5.2.4增速缸增速缸由活塞缸和柱塞缸复合而成。当压力油只经过柱塞孔进入增速缸小腔时，推动活塞快速向右移动，此时大腔需要充液，活塞输出推力较小。当压力油同时进入增速缸小腔和大腔时，活塞转为慢进，输出推力增大。采用增速缸使得执行机构获得尽可能大的运动速度，且功率利用合理。在本系统中，由于液压缸只是实现对闸门的打开与关闭，所以其中所用的三个液压缸（一个卸载液压缸，两个分配小车液压缸）选择用活塞式液压缸即可满足要求。5.3液压缸主要参数的设计计算5.3.1液压缸的特征尺寸1) 缸筒内径 根据液压缸推力和选定工作压力，或者运动速度和输入流量，按相关公式确定缸筒内径后，然后再从GB/T3248-1993标准中选取相近的尺寸加以圆整。2) 活塞杆直径 通常先满足液压缸速度或往返速比来确定活塞杆的直径，按GB/T3248-1993标准进行圆整，然后再按其结构强度和稳定性进行校核。3) 液压缸缸筒长度 液压缸的缸筒长度由最大工作行程长度决定，缸筒的长度一般不超过其内径的20倍。4) 液压缸最小导向长度 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度。已知活塞直径杆缸得左、右两腔同时通压力油，称为差动连接，差动连接的单活塞杆缸称之为差动液压缸。差动液压缸虽然左、右两腔压力相等，但因为左腔（无杆腔）的有效面积大于右腔（有杆腔）的有效面积。vdDFfcFp1p2图：单活塞杆液压缸计算示意图因此使活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞向右运动，液压缸有杆腔排出的流量与泵的流量汇合进入液压缸的左腔，使活塞运动速度加快。 5.3.2 液压缸工作压力的确定根据1 的参数及相关资料，由于采用两个制动器，则：液压缸负载作用力：总推力: 单缸正压力: 液压缸活塞行程：s=10mm选用碟型弹簧时取最大单缸正压力为 则单缸最大正压力为8.50kN所以，可知道液压缸工作压力属中压设备因此液压缸的工作压力范围为：1016Mpa初取液压缸的工作压力为10Mpa5.3.3 活塞杆 单活塞杆缸只有一端有活塞杆。它主要由缸底、缸筒、缸头、活塞、活塞杆、导向套、缓冲套、节流阀、带放气孔的单向阀及密封装置等组成。缸筒与法兰焊接成一体，通过螺钉与缸底、缸头连接。活塞与缸筒、活塞杆与缸盖之间在半剖视图上部为橡塑组合密封，下部为唇形密封。单活塞杆缸也有缸筒固定和活塞杆固定两种安装形式。两种安装方式的工作台移动范围均为活塞有效行程的两倍。单活塞杆缸因左、右两腔有效面积和不等，因此当进油腔和回油腔压力分别为和，输入左、右两腔的流量均为时，液压缸左、右两个方向的推力和速度不相同。（1）活塞杆的结构杆体采用实心杆式杆内端活塞与活塞杆的连接采用轴套型连接杆外端杆头与摩擦机构的连接采用大螺栓头的链接型式；由于需要用锁紧螺母故采用长型的螺纹长度。（2）活塞杆的材料和技术要求材料选择：采用45号中碳钢。由于活塞杆主要承受推力的作用，则不必进行调质处理。活塞杆要求淬火，淬火深度为0.5mm。表面镀鉻25m。活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H8/f7配合。太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损，其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01 mm，是为了保证活塞杆外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04 mm /100 mm，以保证活塞安装不产生歪斜。活塞杆的外圆粗糙度a值一般为0.10.3 m.太滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚0.030.05 mm，并进行抛光或磨削加工。对于工作条件恶劣、碰撞机会较多的情况，工作面耐先经高频淬火后再镀铬。用于低载荷和良好环境条件时，可不做表面处理。活塞杆内端的卡环槽、螺纹和缓冲柱塞也要保证与轴线的同心，特别是缓冲柱塞，最好与活塞杆做成一体。卡环槽取动配合公差，螺纹则取较紧的配合。（3）活塞杆的计算活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和震动冲击力等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。对与无速比要求，活塞杆长度小于10倍缸径D时，实心杆可按下式计算： 式中：d活塞杆直径 Fd液压缸推力 p活塞杆的许用应力，对于中碳钢，p =40Mp则： GB/T23481993将活塞杆直径圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得 5.3.4 缸筒（1）缸筒结构通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境。由于法兰连接的结构简单、易于加工、易装卸等优点。故选择法兰连接。（2）缸筒材料材料的选择：由于缸筒需要足够的强度和冲击韧性，对焊接后的缸筒要求有良好的焊接性能。故选用35号钢，调质处理。（3）对缸筒的要求 有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。 有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。 内表面与活塞密封件及导向环的磨擦作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公有效期等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管头后不至于产生裂纹或过大的变形。 总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油液、同时它还是活塞的运动“轨道”。设计液压缸缸筒时，应该正确确定和部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。（4）缸筒计算缸筒直径：当液压缸的理论作用力Fl及供油压力p为已知时，则有活塞杆腔的缸筒内径D为： 式中：D缸筒内径 Fl液压缸的理论作用力 p供油压力液压缸的理论作用力F l，按下式确定： 式中：F l液压缸的理论作用力 F液压缸在工作阶段的总机械负载 负载率，一般取=0.50.7则： GB/T23481993将缸筒内径圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得 缸筒壁厚：缸筒壁厚为式中:缸筒厚度0为缸筒材料强度要求的最小值 c1为缸筒外径公差余量,取c1=0.5mm c2腐蚀余量,取c2=1mm缸筒材料强度要求的缸筒壁厚最小值 式中: 0为缸筒材料强度要求的最小值 pmax缸筒内最高工作压力 p缸筒的许用应力，对于中碳钢，p =40Mp则： 缸筒底部厚度 缸筒度部为平面时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近 似的计算：式中: 1缸筒底部厚度 D缸筒内径 p筒内最大工作压力 p缸筒的许用应力，对于中碳钢，p =40Mp则：取： 1=11mm（5）缸筒制造加工要求 缸筒内径D采用H7或H8级配合，表面粗糙度值Ra一般为0.160.32m都需要进行研磨。 热处理：调质，硬度HB241-285。缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半。缸筒直线度公差在500mm长度上不大于0.03mm。缸筒端面T对内径的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。此外，还有通往油口、排气阀孔的内孔口必须倒角，不允许有飞边、毛刺，以免划伤密封件。为便于装配和不损坏密封件，缸筒内孔口应倒15O角。需要在缸筒上焊接法兰、油口、排气阀座时，都必须在半精加工以前进行，以免精加工后焊接而引起内孔变形。如欲防止腐蚀生锈和提高使用寿命，在缸筒内表面可以镀铬，再进行研磨或抛光，在缸筒外表面涂耐油油漆。图： 缸体 （6）计算液压缸工作阶段的工作压力、流量和功率根据液压缸的负载和速度以及液压缸的有效面积，可以算出液压缸工作过程的压力、流量和功率。 液压缸工作压力：式中：pc蝶形弹簧工作载荷A缸筒作用面积液压缸工作所需流量：式中：A缸筒作用面积v活塞运动速度其中：式中：L制动器行程t制动器动作时间式中: D缸筒内径d活塞杆直径液压缸功率：式中：pg液压缸工作压力qg液压缸工作流量液压缸容积效率；选取=0.5则： 5.4 液压缸的校验5.4.1缸筒壁厚验算对最终采用的缸筒壁厚应做四方面的验算额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全： 式中: pn额定工作压力s缸筒材料的屈服强度；对于35号钢调质，一般取s=320MPa D1液压缸筒外径 D液压缸筒内径对于液压缸筒外径 式中: D1液压缸筒外径 D液压缸筒内径缸筒厚度则： 液压缸筒工作压力方面合格。同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生：式中: pn液压缸额定工作压力 prL液压缸筒发生完全塑性变形的压力则： 液压缸筒塑性变形方面合格。此外，尚须验算缸筒径向变形应处在允许范围内式中: D缸筒径向变形 D缸筒内径 D1缸筒外径 pr液压缸筒耐压试验压力 缸筒材料泊松比，对钢材 =0.3 E材料的弹性模数；对于钢材，E=2.1105N/mm变形量D不应超过密封圈允许范围。最后，还应验算缸筒的爆裂压力式中: pr液压缸筒耐压试验压力b缸筒材料的抗拉强度；对于35号钢调质，一般取 b=540MPa D缸筒内径 D1缸筒外径则：变形量D不超过密封圈允许范围,合格用费帕尔（FAUPEL）公式校验式中: b缸筒材料的抗拉强度；对于35号钢调质，一般取 b =540MPas缸筒材料的屈服强度；对于35号钢调质，一般取 s=320MPa D缸筒内径 D1缸筒外径计算的应远超过耐压试验压力则：缸筒的爆裂压力合格5.4.2 活塞杆强度验算由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力，故可以近似的用直杆承受压载荷的强度计算公式进行计算：式中：F活塞杆的作用力d活塞杆直径 p活塞杆材料的许用应力；取p=40MPa即： 通过5.4.3液压缸的稳定性验算 如果液压缸的活塞直径为d，而活塞杆全部伸出后活塞杆加上液压缸体的总长为l，则当l/d=1015时，液压缸易出现不稳定状态，造成活塞杆纵向弯曲破坏的后果，故必须验算液压缸的稳定性。 由于液压缸并不是一个简单的细长杆件，而是缸体、活塞、活塞杆等零件的组合体，并且在活塞与缸体之间和活塞杆与端盖之间有间隙，缸体内还有压力轴的作用等等，使情况相当复杂。实际计算时，很难精确的考虑到各种因素，而只能粗略地将缸体看作与活塞杆具有相同截面的杆件，即把整个油缸当作一个等截面的受压件，用一般的欧拉公式进行计算，显然，这种方法的计算结果是偏于安全的。检验液压缸稳定性时，采用下式式中：F活塞杆在工作中能承受的最大压缩力；n安全系数，一般可取n=24FK活塞杆能保持工作稳定的临界压力其中，FK可按下式计算式中：E活塞杆材料的弹性模数，对钢E=2.02105Mpa；J活塞杆横截面惯性矩，对圆截面实心杆J=d2/64； 长度折算系数，其值根据液压缸的安装支点位置和支撑方式确定；l计算长度，亦根据液压缸指点位置确定。所以该液压缸满足稳定性要求。5.5缸体组件及连接形式5.5.1缸体组件缸筒是液压缸的主体，它与端盖、活塞等零件构成密闭的容腔，承受油压，因此要有足够的强度和刚度，以便抵抗液压力和其它外力的作用。缸筒内孔一般采用铿削、铰孔、液压等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度R。值为0.10.4，以便活塞及其密封件、支承件能顺利滑动和保证密封效果，减少磨损，为了防止腐蚀，缸筒内表面有时需镀铬。端盖装在缸筒两端，与缸筒形成密闭容腔，同样承受很大的液压力，因此它们及其这些部件部应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形状。导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用。有些液压缸不设号向套，直接用端盖孔导向，这种结构简单，但磨损后必须更换端盖5.5.2缸体组件的连接形式(1) 法兰式结构简单,加工和装拆都很方便，连接可靠。缸筒端部船用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径，用以穿装螺栓或旋入螺钉。其径向尺寸和重量都较大。大、中型液压缸大部分采用此种结构。(2) 螺纹式连接有外螺纹连接和内螺纹连接两种。其特点足重量轻，外径小，结构紧凑，但缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同轴，装卸需专用工具，旋端盖时易损坏密封圈，一般用于小型液压缸。(3) 半环式连接分外半环连接和内半环连接两种。半环连接工艺性好，连接可靠结构紧凑。装拆较方便，半环槽对缸筒强度有所削弱需加厚筒壁，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接。(4) 拉杆式连接结构通用性好，缸筒加工方便，装拆方便，但端盖的体积较大，重量也较大。拉杆受力后会拉伸变形，影响端部密封效果，只适用于长度不大的中低压缸。(5) 焊接式连接外形尺较小，结构简单，仅焊接时易引起缸筒变形，主要用于柱塞式液压缸。综合制动器的工作方式、安装型式及结构特点。选择法兰式结构。5.6活塞组件及连接形式5.6.1活塞组件活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。随工作压力、安装方式和工作条件的不同，活塞组件有各种结构形式。(1) 活塞受油压的作用杯在缸筒内作往复运动，因此，活宽必须具备一 定的强度和良好的耐磨性、活寒一般用铸铁制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式两类。(2) 活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必须具有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空心的，通常都用钢料制造 ，活塞杆在导向套内往复运动，其外圆表面应当耐磨并有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。5.6.2活塞组件的连接形式活塞与活塞杆的连接形式如图3.1 所示：(a) (b) (c) (d) (e)(f) (g)图:活塞与活塞杆的连接形式(1) (图a)和焊接式连接(图b)结构简单、轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换。(2) 式连接(图c)加工容易，装配简单，但承载能力小，且需要必要的防止脱落措施。(3) 螺纹式连接(图d、e)结构简单，装拆方便，但般需备有螺母防松装置。(4) 半环式连接(图f、R)强度高、但结构复杂。在轻载情况下可采用锥销式(5) 整体式连接(图a)和焊接式连接(图b)结构简单、轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换。(6) 锥销式连接(图c)加工容易，装配简单，但承载能力小，且需要必要的防止脱落措施。(7) 整体式连接(图a)和焊接式连接(图b)结构简单、袖向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换。(8) 锥销式连接(图c)加工容易，装配简单，但承载能力小，且需要必要的防