液压缸说明书.doc

第3章 液压系统的设计计算 3.1 设计的目的 设计一个高压力高负荷的工作系统，对其传动系统的性能要求很高，必须对其主要 元件进行正确计算和严格校核方能保证机器工作时的安全性和平稳性。 现代机械一般多为机械、电气、液压三者紧密相连结合的一个综合体。液压传动与 机械传动、电气传动并列为三大传统形式。液压传动系统的设计在现代机械的设计工作 中占有重要的地位。 3.2 液压系统设计内容及所给参数 3.2.1 设计内容 （1） 液压缸内径D，活塞杆直径d 的确定； （2） 液压泵及匹配的电动机选择； （3） 液压元件的选择； （4） 按规定机械动作要求，设计液压传动系统原理图，； （5） 液压传动装置的安装； 3.2.2 设计参数 液压缸系统供油P=31.5Mpa； 液压缸最大推力Fmax=2260kN； 缸的最大行程L=400mm； 3.3 液压缸主要尺寸的确定 3.3.1 液压缸工作压力的确定 液压缸的最大的作用力为 2260kN，考虑到缸的直径不能太大，估算液压缸的工作 压力大概在2550Mpa，查机电液设计手册 中发现大多数的液压元件的额定压力为 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 6 31.5Mpa，所以液压缸工作压力确定为31.5Mpa。 3.3.2 液压缸缸筒内径D 的计算 根据已知条件，工作最大负载F=2260kN，工作压力P=31.5MPa 可得 液压缸内径D 的确定： 已知: F=2260kN P =31.5MPa， P F D 4 = 6 3 10 5 . 31 10 * 2260 4 =300mm 则 2 3 2 2 10 8 . 71 4 300 14 . 3 4 m D A 3.3.3 液压缸活塞杆直径d 的确定 由于杆只受轴向力，所以根据机电液设计手册 中第 678 页的规定选用如下公 式 . 8 m m 169 100 2260 .7 35 2 F d 杆 所以杆的直径应选为170mm 式中F液压缸输出力 kN 液压缸活塞材料的许用应力 Mpa。 当活塞杆为碳钢时， =100120Mpa 3.3.4 活塞杆直径d 的校核 活塞杆直径的校核用如下的公式 F d 4 式中F活塞杆上的作用力为2262.7kN 活塞杆材料的许用应力， = b 1.4=428.6Mpa F d 4 =0.082m 杆的直径d=0.16980.082，所以合格 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 7 3.3.5 液压缸壁厚的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处 的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布材料规律因壁厚的不同而 各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸所受的压力为31.5mpa，为高压，所以本设计按照厚壁圆筒设计，其壁厚按薄壁 圆筒公式计算为： 1 3 . 1 4 . 0 2 D y y p p (该设计采用无缝钢管) y p 试验压力 Mpa，当工作压力p16Mpa 时， y p =1.5p；当p16Mpa 时， y p =1.25p 。p=31.5Mpa16 Mpa，所以 p p y 5 2 . 1 MPa p y 375 . 39 5 . 31 5 2 . 1 缸筒材料的许用应力 Mpa， Mpa n b b 缸筒材料的抗拉强度 Mpa，我选用u20452 b =600Mpa n 安全系数，一般取n=5，所以 = n b =120Mpa 1 3 . 1 4 . 0 2 D y y p p =0.06m 所以 =0.06m 3.3.6 缸体外径尺寸的计算 缸体外径 mm D D 420 0 6 2 300 2 1 查机械手册表：外径 1 D 取420mm 3.3.7 液压缸工作行程的确定 由于压缩室的地面积的尺寸为 800*800，而包块的尺寸为 400*400，两个液压缸的 活塞杆在压缩废料时需要走行400mm，所以行程为400mm。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 8 3.3.8 缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度 按强度要求可用下式进行近似计算： 31.5 100 0.433 0.433 300 72.9 P t D mm 式中： D缸盖止口内径(mm) T缸盖有效厚度(mm) T4.74mm 3.3.9 活塞宽度B 的确定 活塞的宽度B 一般取B=（0.6-1.0）D 即B=（0.6-1.0）150=（90-150）mm 取B=100mm 3.3.10 缸体长度的确定 液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考 虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D 的20-30 倍。 即：缸体内部长度400+200=600mm 缸体长度（20-30）D=（6000-9000）mm 即取缸体长度为600mm 3.3.11 流速的计算 设缸走完行程的时间是t=20s 行程为s=400mm 所以活塞的速度v= s mm t s v 20 1 流量q=A*V1= min 16 . 86 10 436 . 1 2 3 L S M 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 9 3.3.12 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为 H，称为最 小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性， 因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。 对一般的液压缸，最小导向长度H 应满足： mm mm D L H 170 2 300 20 400 2 20 式中：L液压缸的最大行程(mm) D液压缸内径(mm) 取H=170mm 3.3.13 稳定性的校核 活塞杆受轴向压缩负载时，其值 F 超过某一临界值 k F ，就会失去稳定。活塞杆稳定性 按下式进行校核。 F k F / k n 式中 k n 安全系数，一般取 k n =24 由于活塞杆的细长比l/r 2 1 ，所以用如下公式 2 2 1 r l fA F K 式中l安装长度，为400mm 1柔性系数，见液压传动表5-4，为110 2由液压缸支承方式决定的末端系数，见液压传动表5-3，为1/4 f由材料强度决定的实验值，见液压传动表5-4，为250Mpa 系数，见液压传动表5-4，为1/9000 所以 2 2 1 r l fA F K =179500kN F k F / k n =35800kN 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 10 3.4 液压缸的密封设计 液压缸要求低摩擦，无外漏，无爬行，无滞涩，高响应，长寿命，要满足伺服系统 静态精度，动态品质的要求，所以它的密封与支承导向的设计极为重要，不能简单的延 用普通液压缸的密封和支承导向。因此设计密封时应考虑的因素： 用于微速运动（3-5mm/s）的场合时，不得有爬行，粘着滞涩现象。 工作在高频振动的场合的，密封摩擦力应该很小且为恒值。要低摩擦，长寿命。 工作在食品加工、制药及易燃环境的伺服液压缸，对密封要求尤为突出，不得 有任何的外渗漏，否则会直接威胁人体健康和安全。 工作在诸如冶金、电力等工业部门的，更换密封要停产，会造成重大经济损失， 所以要求密封长寿命，伺服液压缸要耐磨。 对于高速输出的伺服液压缸，要确保局部过热不会引起密封失效，密封件要耐 高温，要有良好的耐磨性。 工作在高温、热辐射场合的伺服液压缸，其密封件的材料要有长期耐高温的特 性。 工作介质为磷酸酯或抗燃油的，不能用矿物油的密封风材料，要考虑他们的相 容性。 伺服液压缸的密封设计不能单独进行，要和支承导向设计统一进行统筹安排。 3.4.1 静密封的设计 静密封的设计要确保固定密封处在正常工作压力的1.5 倍工作压力下均无外泄露。 静密封通常选用O 形橡胶密封圈。 根据GB3452.1-92 标准，查通用O 形密封圈系列（代号G）的内径、截面及公差。 由液压缸装配草图确定： 选用 3003.55 G GB3452.1 一个 1692.65 G GB3452.1 一个 3.4.2 动密封的设计 动密封的设计直接关系着伺服液压缸性能的优劣，其设计必须结合支承导向的设计 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 11 统筹进行。 活塞与缸筒之间用Y 型密封圈。 根据液压传动与控制手册表 13-23，查得用 226 编号的 O 型密封圈,其尺寸为 50.393.53. 活塞杆与端盖之间用 Y 型密封圈,它使双作用元件具有良好的性能,抗挤压性好,尺 寸稳定,摩擦力小,耐磨、耐腐蚀性强. 3.5 支承导向的设计 伺服液压缸的支承导向装置就是为了防止活塞与缸筒、活塞活塞杆与端盖之间的直 接接触,相互摩擦,产生磨损,从而达到降低摩擦,减少磨损,延长寿命,起到导向和支承侧向 力的作用. 导向环的特点: 1) 避免了金属之间的接触; 2) 具有高的径向交荷承触力; 3) 能补偿边界力; 4) 具有强耐磨性和高寿命; 5) 摩擦力小; 6) 能抑制机械振动; 7) 有良好的防尘效果,不允许外界异物嵌入; 8) 保护密封件不受过分挤压; 9) 导向时即使无润滑也没有液动力方面的问题; 10) 结构简单,安装方便; 11) 维修费用小. 导向环的作用:导向环安装在活塞外圈的沟槽内或活塞杆导向套内圆的沟槽内,以保 证活塞与缸筒或活塞杆与其导向套的同轴度,并用以承受活塞或活塞杆的侧向力,用来对 活塞杆导向. 根据表24.7-13 查得选用GST5908-0630 的导向环. 导向套的选用为其导向长度A=(0.6-1.0)D=(180-300)mm, 取A=200mm 3.6 防尘圈的设计 为防止落入活塞杆的尘埃，随着活塞杆的伸缩运动被带进端盖和缸筒内，从而使 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 （ 计 算 ）书 12 密封件和支承导向环受到损失和过早的磨损，所以，伺服液压缸还设计安装防尘圈。 防尘圈的选择原则： 不给伺服液压缸增加摩擦； 不产生爬行； 不粘着滞涩； 不磨损活塞杆。 防尘圈的选择不当，会引起摩擦力的增加，将保护活塞杆表面起润滑作用的粘附性 油膜层刮下来，造成粘附性渗漏，这种渗漏在原理上是允许的。 防尘圈的作用：以防止活塞杆内缩时把杂质、灰尘及水分带到密封装置区，损伤密封装 置。 综上所述，经查表13-28（液压传动与控制手册），选用丁型无骨架防尘圈，尺寸 为200mm 3.7 材料的选择 3.7.1 缸筒 缸筒材料：常用20、35 和45 号钢。由于缸筒要受大压力作用材料的抗拉强度要大， 故选用45 号钢u20452。 缸筒和缸盖的连接方式：法兰连接；特点是结构较简单、易加工、易装卸，使用广 泛，外形尺寸大，重量大。缸盖的材料为 HT200，液压缸内圆柱表面粗糙度为 Ra0.2-0.4um。 （1） 内径用H8 的配合； （2） 内径圆度、圆柱度不