混凝土破碎液压钳设计液压系统设计.doc

混凝土破碎液压钳设计液压系统设计 宁西南科技大学毕业设计 论文 混凝土破碎液压钳设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日目 录目 录21技术要求32工况分析321 负载分析322 初步确定液压缸参数424 活塞杆的设计与计算525 液压缸工作行程的确定626 活塞的设计727 导向套的设计与计算728 端盖和缸底的设计与计算929 缸体长度的确定10210 缓冲装置的设计10211 排气装置10212 密封件的选用12213 防尘圈13214 液压缸的安装连接结构133 液压缸主要零件的材料和技术要求1531 缸体1532 活塞1633 活塞杆1634 缸盖1735 导向套184电动泵站的参数计算195电动机的选择206液压元件的选择2061 液压阀及过滤器的选择2062 油管的选择2063 油箱容积的确定217验算液压系统性能2171 压力损失的验算及泵压力的调整2172 液压系统的发热和温升验算231技术要求混泥土破碎钳液压系统的动作循环为快进工进快退原位停止液压钳最大破碎厚度450 mm油缸最大油压80 MPa最大破碎力560kN钳体质量60 kg 2 电动泵站的技术参数油泵油压80 MPa油泵流量26 Lmin油箱容量30 L电机功率3 kW电压380 V动作要求启动左右两压紧缸分别向外伸出液压钳两钳口钳紧破碎混凝土换向阀换向液压钳松开液压缸回到原始位置停机2工况分析21 负载分析绘制工作循环图22 初步确定液压缸参数由题目要求可知液压系统的最大负载约为560KN最大破碎力560kN油缸最大油压80 MPa为了满足工作台快速进退速度相等并减小液压泵的流量则液压缸无杆腔与有杆腔的等效面积A1与A2应满足A1 2A2即液压缸内径D和活塞杆直径d应满足d 0707D为防止切削后工件突然前冲液压缸需保持一定的回油背压为暂取背压为05MPa并取液压缸机械效率则液压缸上的平衡方程由于切削力有2个油缸共同提供所以计算的一个油缸的时候取值为总的一半故液压缸无杆腔的有效面积液压缸直径 表1 液压缸内径系列GBT2348-1980 mm810121620253240506380100125160200250320400500按GBT2348-1980取标准值D 80mm液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时必须进行强度校核缸体的常用材料为20253545号钢的无缝钢管在这几种材料中45号钢的性能最为优良所以这里选用45号钢作为缸体的材料式中实验压力MPa当液压缸额定压力Pn51 MPa时Py 15Pn当Pn16MPa时Py 125Pn缸筒材料许用应力Nmm 为材料的抗拉强度注1额定压力Pn额定压力又称公称压力即系统压力Pn 80MPa2最高允许压力PP15Pn 12580 100MPa液压缸缸筒材料采用45钢则抗拉强度b 600MPa安全系数n按液压传动与控制手册P243表210取n 5则许用应力 120MPa 3333mm液压缸厚度取35mm则液压缸缸体外径为150mm3缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底链接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6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链接形式缸筒内外径应根据标准进行圆整23 活塞杆的设计与计算活塞杆是液压缸传递力的主要零件它主要承受拉力压力弯曲力及振动冲击等多种作用必须有足够的强度和刚度其材料取45钢活塞杆直径的计算1查液压传动与控制手册根据杆径比dD一般的选取原则是当活塞杆受拉时一般选取dD 03-05当活塞杆受压时一般选取dD 05-07查液压传动与控制手册根据杆径比dD一般的选取原则是当活塞杆受拉时一般选取dD 03-05当活塞杆受压时一般选取dD 05-07因A1 2A故活塞杆直径d 0707D 5656mm 取d 56标准直径表2 活塞杆直径系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400则液压缸有效面积为2活塞杆强度计算 56mm 式中 许用应力45钢的抗拉强度为600MPa为安全系数取5即活塞杆的强度适中3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接为了避免活塞杆在工作生产中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4活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈U形夹织物密封圈O形密封圈V形密封圈等6采用薄钢片组合防尘圈时防尘圈与活塞杆的配合可按H9f9选取薄钢片厚度为05mm为方便设计和维护本方案选择O型密封圈24 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定并参照表4-4选取标准值液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的abc选用表4-4a液压缸行程系列GB 2349-8062550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4b 液压缸行程系列GB 2349-806 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4c 液压缸形成系列GB 2349-806240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根据设计要求液压钳最大破碎厚度450 mm两个油缸的行程之和要至少为450mm 即单独一个油缸的行程为225MM 可选取液压缸的工作行程为250mm25 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配合表面间隙过大会引起液压缸内部泄露降低容积效率使液压缸达不到要求的设计性能活塞与缸体的密封形式分为间隙密封用于低压系统中的液压缸活塞的密封活塞环密封适用于温度变化范围大要求摩擦力小寿命长的活塞密封密封圈密封三大类其中密封圈密封又包括O形密封圈密封性能好摩擦因数小安装空间小Y形密封圈用在20Mpa压力下往复运动速度较高的液压缸密封形密封圈耐高压耐磨性好低温性能好逐渐取代Y形密封圈V形密封圈可用于50Mpa压力下耐久性好但摩擦阻力大综合以上因素考虑选用O型密封圈26 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承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1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根据经验当液压缸最大行程为L缸筒直径为D时最小导向长度为 4-5一般导向套滑动面的长度A在缸径小于80mm时取A 0610 D当缸径大于80mm时取A 0610 d活塞宽度B取B 0610 D若导向长度H不够时可在活塞杆上增加一个导向套K 见图4-1 来增加H值隔套K的宽度图4-1 液压缸最小导向长度1因此最小导向长度取H 9cm导向套滑动面长度A 活塞宽度B 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和静压导向套等可按工作情况适当选择 1普通导向套 这种导向套安装在支承座或端盖上油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用6 2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端盖和活塞杆就能进行维修十分方便它适用于工作条件恶劣需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与端盖接触当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时导向套可以自动调位使导向套轴线始终与运动方向一致不产生憋劲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振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它们之间不存在直接接触而是在压力油中浮动所以摩擦因数小无磨损刚性好能吸收振动同轴度高但制造复杂要有专用的静压系统27 端盖和缸底的设计与计算 在单活塞液压缸中有活塞杆通过的端盖叫端盖无活塞杆通过的缸盖叫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有一定的连接强度端盖上有活塞杆导向孔或装导向套的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的不好容易损坏1端盖的设计计算端盖厚h为式中 D1螺钉孔分布直径cm P液压力 密封环形端面平均直径cm 材料的许用应力2缸底的设计 缸底分平底缸椭圆缸底半球形缸底3端盖的结构 端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外还必须考虑活塞杆的导向密封和防尘等问题6缸体端部的连接形式有以下几种 A焊接 特点是结构简单尺寸小质量小使用广泛缸体焊接后可能变形且内缸不易加工主要用于柱塞式液压缸 B螺纹连接外螺纹内螺纹 特点是径向尺寸小质量较小使用广泛缸体外径需加工且应与内径同轴装卸徐专用工具安装时应防止密封圈扭曲 C法兰连接 特点是结构较简单易加工易装卸使用广泛径向尺寸较大质量比螺纹连接的大非焊接式法兰的端部应炖粗 D拉杆连接 特点是结构通用性好缸体加工容易装卸方便使用较广外形尺寸大质量大用于载荷较大的双作用缸 E半球连接它又分为外半环和内半环两种外半环连接的特点是质量比拉杆连接小缸体外径需加工半环槽消弱了缸体为此缸体壁厚应加厚内半环连接的特点是结构紧凑质量小安装时端部进入缸体较深密封圈有可能被进油口边缘擦伤F钢丝连接 特点是结构简单尺寸小质量小28 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍取系数为5则液压缸缸体长度L 510cm 50cm29 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆或柱塞杆具有一定的质量在液压力的驱动下运动时具有很大的动量在它们的行程终端当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时会引起机械碰撞产生很大的冲击和噪声采用缓冲装置就是为了避免这种机械撞击但冲击压力仍然存在大约是额定工作压力的两倍这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击在它们的行程终端能实现速度的递减直至为零 当液压缸中活塞活塞运动速度在6mmin以下时一般不设缓冲装置而运动速度在12mmin以上时不需设置缓冲装置在该组合机床液压系统中动力滑台的最大速度为4mmin因此没有必要设计缓冲装置210 排气装置 如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置压力油进入液压缸后缸内仍会存在空气6由于空气具有压缩性和滞后扩张性会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行影响液压缸的正常工作比如液压导轨磨床在加工过程中这不仅会影响被加工表面的光洁程度和精度而且会损坏砂轮和磨头等机构为了避免这种现象的发生除了防止空气进入液压系统外还必须在液压缸上设置排气装置配气装置的位置要合理由于空气比压力油轻总是向上浮动因此水平安装的液压缸其位置应设在缸体两腔端部的上方垂直安装的液压缸应设在端盖的上方一般有整体排气塞和组合排气塞两种整体排气塞如图4-2a所示表4-5 排气阀塞尺寸6d阀座阀杆孔cDM166116192932311710853484623M20x281472541143392213114594828 图4-2 a 整体排气孔 图4-2b 组合排气孔 图4-2c 整体排气阀零件结构尺寸由于螺纹与缸筒或端面连接靠头部锥面起密封作用排气时拧松螺纹缸内空气从锥面空隙中挤出来并经过斜孔排除缸外这种排气装置简单方便但螺纹与锥面密封处同轴度要求较高否则拧紧排气塞后不能密封造成外泄漏组合排气塞如图4-2b所示一般由络螺塞和锥阀组成螺塞拧松后锥阀在压力的推动下脱离密封面排出空气排气装置的零件图及尺寸图见4-2c以及表4-2d图4-2d 组合排气阀零件结构尺寸211 密封件的选用1对密封件的要求 液压缸工作中要求达到零泄漏摩擦小和耐磨损的要求在设计时正确地选择密封件导向套支承环和防尘圈的结构形式和材料是很重要的从现在密封技术来分析液压缸的活塞和活塞杆及密封导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑具有可靠的密封系统才能式液压缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命 在液压元件中对液压缸的密封要求是比较高的特别是一些特殊材料液压缸如摆动液压缸等液压缸中不仅有静密封更多的部位是动密封而且工作压力高这就要求密封件的密封性能要好耐磨损对温度适应范围大要求弹性好永久变形小有适当的机械强度摩擦阻力小容易制造和装卸能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损 密封件一般以断面形状分类有O形U形V形J形L形和Y形等除O形外其他都属于唇形密封件2O形密封圈的选用 液压缸的静密封部位主要是活塞内孔与活塞杆支承座外圆与缸筒内孔缸盖与缸体端面等处6这些部位虽然是静密封但因工作由液压力大稍有意外就会引起过量的内漏和外漏静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈O形密封圈虽小确实一种精密的橡胶制品在复杂使用条件下具有较好的尺寸稳定性和保持自身的性能在设计选用时根据使用条件选择适宜的材料和尺寸并采取合理的安装维护措施才能达到较满意的密封效果 安装O形圈的沟槽有多种形式如矩形三角形V形燕尾形半圆形斜底形等可根据不同使用条件选择不能一概而论使用最多的沟槽是矩形其加工简便但容易引起密封圈咬边扭转等现象3动密封部位密封圈的选用 液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封活塞杆与支承座导向套的密封等 形密封圈是我国液压缸行业使用极其广泛的往复运动密封圈它是一种轴孔互不通用的密封圈一般使用压力低于16MPa时可不用挡圈而单独使用当超过16MPa并用于活塞动密封装置时应使用挡圈以防止间隙挤出212 防尘圈防尘圈设置与活塞杆或柱塞密封外侧用于防止外界尘埃沙粒等异物侵入液压缸从而可以防止液压油被污染导致元件磨损1防尘圈A型防尘圈 是一种单唇无骨架橡胶密封圈适于在A型密封结构形式内安装起防尘作用B型防尘密封圈 是一种单唇带骨架橡胶密封圈适于在B型密封结构形式内安装起防尘作用C型防尘圈 是一种双唇密封橡胶圈适于在C型结构形式内安装起防尘和辅助密封的作用2防尘罩 防尘罩采用橡胶或尼龙帆布等材料制作在高温工作时可用氯丁橡胶可在130以下工作如果温度再高时可用耐火石棉材料当选用防尘伸缩套时要注意在高频率动作时的耐久性同时注意在高速运动时伸缩套透气孔是否能及时导入足够的空气但是安装伸缩套给液压缸的装配调整会带来一些困难213 液压缸的安装连接结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构液压缸近处有口的连接等1液压缸的安装形式 液压缸的安装形式很多但大致可以分为以下两类 1轴线固定类 这类安装形式的液压缸在工作时轴线位置固定不变机床上的液压缸绝大多数是采用这种安装形式 A 通用拉杆式在两端缸盖上钻出通孔用双头螺钉将缸和安装座连接拉紧一般短行程压力低的液压缸 B 法兰式用液压缸上的法兰将其固定在机器上 C 支座式将液压缸头尾两端的凸缘与支座固定在一起支座可置于液压缸左右的径向切向也可置于轴向底部的前后端 2周线摆动类 液压缸在往复运动时由于机构的相互作用使其轴线产生摆动达到调整位置和方向的要求安装这类液压缸安装形式也只能采用使其能摆动的铰接方式工程机械农用机械翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式 A 耳轴式将固定在液压缸上的铰轴安装在机械的轴座内使液压缸轴线能在某个平面内自由摆动 B 耳环式将液压缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起使液压缸能在某个平面内自由摆动耳环在液压缸的尾部可以是单耳环也可以是双耳环还可以做成带关节轴承的单耳环或双耳环 C 球头式将液压缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起使液压缸能在一定的空间锥角范围内任意摆动2液压缸油口设计 油口孔是压力油进入液压缸的直接通道虽然只是一个孔但不能轻视其作用6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速度要求较严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用排气装置进出油口应设在液压缸的最高处以便空气能首先从液压缸排出液压缸进出油口的链接形式有螺纹方形法兰和矩形法兰等214 计算液压缸各工作阶段的工作压力流量和功率根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积可以算出液压缸工作过程各阶段的压力流量和功率在计算工进时背压按代入快退时背压按代入计算公式和计算结果列于下表中表2-6 液压缸所需的实际流量压力和功率1工作循环计算公式负载F进油压力回油压力所需流量qNPaLmin差动快进1053201工进560000024快退1053113注1差动连接时液压缸的回油口到进油口之间的压力损失而2快退时液压缸有杆腔进油压力为无杆腔回油压力为3 液压缸主要零件的材料和技术要求31 缸体1缸体的材料 液压缸缸体的常用材料为20钢35钢45钢的无缝钢管6因20钢的力学性能略低且不能调质应用较少当缸筒与缸底缸头管接头或耳轴等件焊接时则应采用焊接性能较好的35钢粗加工后调质一般情况下均采用45钢并调质到241285HB 缸体的毛坯也可采用锻钢铸钢或铸铁件铸钢一般采用ZG25ZG35ZG45等铸铁可采用HT200HT350之间的几个牌号或球墨铸铁QT500-05QY600-02等特殊情况下可采用铝合金等材料2主要表面粗糙度 液压缸内圆柱表面粗糙度为3技术要求参见图4-3图4-3 缸筒的技术要求61内径用H8H9的配合 2内径圆度圆柱度不大于直径公差之半 3内表面母线直线度在500mm长度上不大于003mm 4缸体端面对轴线的垂直度在直径每100mm上不大于004mm 5缸体与端盖采用螺纹连接时螺纹采用6H级精度7为防止腐蚀和提高寿命内径表面可以镀003004mm厚的硬铬在进行抛光刚体外涂耐蚀油漆32 活塞1活塞的材料 缸径较小的整体式活塞一般采用35钢45钢其他常用耐磨铸铁灰铸铁HT300HT350有外径上套有尼龙66尼龙1010或加布酚醛塑料的耐磨环以及铝合金等2主要表面粗糙度 活塞外圆柱表面粗糙度为3技术要求参见图4-4图4-4 活塞的技术要求61外径的圆度圆柱度不大于外径公差之半 2外径D对内径d1的径向圆跳动不大于外径公差之半3端面T对轴线垂直度在直径100mm上不大于004mm4活塞外径用橡胶密封时可取f7f9配合内孔与活塞的配合可取H833 活塞杆1材料 实心活塞杆材料为35钢45钢空心活塞杆材料为35钢45钢的无缝钢管2主要表面粗糙度 杆外圆柱粗糙度为3技术要求参见图4-5图4-5 活塞杆的技术要求61活塞杆的热处理粗加工后调质到硬度为229285HB必要时再经高频淬火硬度达4555HRC 2外径d和d2的圆度圆柱度不大于直径公差之半 3外径表面直线度在500mm长度上不大于003mm 4d2对d的径向跳动不大于001mm 5活塞杆上与导向套采用H8f7配合与活塞的链接可采用H8h8配合 6活塞杆上若有连接销孔时该孔径应按H11级加工该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值按6级精度选取7活塞杆上的螺纹一般按6级精度加工如载荷较小机械振动也较小时允许按7级或8级精度制造34 缸盖1缸盖的材料常用3545锻钢或ZG35ZG45铸钢或HT200HT300HT350铸铁等材料当缸盖本身又是活塞杆的导向套缸盖最好选用铸铁同时应在导向表面上熔堆黄铜青铜或其他耐磨材料 2主要表面粗糙度 配合表面粗糙度为3技术要求参见图4-6图4-6 缸盖的技术要求61配合表面的圆度圆柱度不大于直径公差之半 2d2d3对D的同轴度不大于003mm3端面AB对孔轴线的垂直度在直径100mm上不大于004mm35 导向套1导向套材料 常用青铜耐磨铸铁球墨铸铁聚四氟乙烯2主要表面粗糙度导向表面粗糙度为3技术要求参见图4-7图4-7 导向套的技术要求61导向套的长度一般取活塞杆直径的60100 2外径与内径的同轴度不大于内控公差之半4电动泵站的参数计算根据题设要求电动泵站的技术参数油泵油压80MPa油泵流量26 Lmin5电动机的选择系统为泵供油系统差动快进快退时泵向系统供油据此查样本选用Y132M-8异步电动机电动机功率为3KW额定转速750rmin电机功率3 kW电压380V6液压元件的选择61 液压阀及过滤器的选择根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量可选出这些元件的型号及规格1本例所有阀的额定压力都为额定流量根据各阀通过的流量确定为10Lmin25Lmin和63Lmin三种规格所有元件的规格型号列于表5-1中过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器表5-1 液压元件明细表序号元件名称最大通过流量型号1电动泵站262单向阀12I-25B3三位五通电磁阀1035-63BY4二位三通电磁阀3222-63BH5调速阀032Q-10B6溢流阀4Y-10B62 油管的选择根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸液压缸的进出油管按输入排出的最大流量来计算油管内通油量最大其实际流量为泵的额定流量的两倍达45Lmin则液压缸进出油管直径d按产品样本选用内径为10mm外径为18mm的冷拔钢管63 油箱容积的确定油箱容积为 30L7验算液压系统性能71 压力损失的验算及泵压力的调整1工进时的压力损失的验算