中型四柱式万能液压机总体及液压系统设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321前言液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，也是理想的成型工艺设备，特别是当液压机系统实现具有对压力、行程、速度单独调整功能后，不仅能实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低，与机械加工系统相比，有极大的优越性。近年来，随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用CNC或PC机来控制，提高了产品加工质量和生产率。液压机主缸是液压机的主要工作部件，液压机主缸的性能直接影响着液压机整体工艺水平。通过细致的分析及理论研究解决易损部分设计结构中存在的问题，可以使液压缸整体上达到工艺强度要求，提高液压缸应用的工艺水准及使用寿命。所以对液压机主缸进行细致严谨的设计计算对对液压机的设计生产有着至关重要的作用。本论文从总体上对液压机本体结构，及主要结构部件进行设计及必要的校核，对液压机主缸主要参数进行计算，并对所得结果进行分析、验算。从而力争使液压机主缸能够满足生产工艺要求，并从整体上提高液压机的工艺水准，使液压机设计水平更上一个新的台阶。1 液压机概述本章着重对液压机整体情况做出介绍，内容涉及液压机的原理，液压机的特点、分类，以及液压机的典型结构介绍，目前国内、外液压机的发展现状以及未来液压机的大体发展趋势等。1.1液压机工作原理液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力工作的机器。液体压力传递原理为：在充满液体的密闭容器中，施于任一点的单位外力，能传播至液体全部，其数值不变，其方向垂直于容器的表面。根据这一原理，制成了液压机和其他液压机械，如图1-1所示： 图 1-1 液压机原理图Fig. 1-1 Hydraulic press schematic diagram在一个充满液体的连通器内，一端装有面积为的小柱塞，另一端装有面积为的大柱塞。柱塞和连通器之间设有密封装置，使得连通器内部形成一个完全密封的空间，液体不会外泄。当在小柱塞上施加一个外力时，则作用在液体上的单位压力为。按照液体静压力传递原理，这个单位压力p将以不变的数值传递到液体的每一个质点，并且其作用方向垂直于其作用面。这样在连通器的另一端的大柱塞上作用着垂直于其底面的单位压力p，使其产生向上的推力。由此可见，只要增大柱塞的面积，就可以由小柱塞上一个较小的力，在大柱塞上获得一个很大里力。这里的小柱塞相当于液压泵中的柱塞，而大柱塞就相当于液压机中的工作缸的柱塞。1.2 液压机的特点及分类1.2.1液压机的特点液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。目前，液压机的最大标称压力已达750MN，用于金属的模锻成型。随着金属压制和拉伸制品的需求逐年增高，对产品品种的要求也日益增多；另一方面，产品的生产批量也逐渐缩小。为与中小批量生产相适应，需要能快速调整的加工设备，这使液压机成为理想的成型工艺设备，特别是当液压机系统实现具有对压力、行程、速度单独调整功能后，不仅能实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低，与机械加工系统相比，有极大的优越性。近年来，随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用CNC或PC机来控制，提高了产品加工质量和生产率1。液压机有以下几个优点：1）液压机最大的特点是容易获得最大的压力。在锻造过程中锻锤是靠冲击力打击锻件，因而会产生较强的振动。为了提高打击效率和减轻振动，需要有很大的砧座和良好的地基，因而锻锤不可能造得很大。曲柄压力机是靠曲柄连杆机构传递能量，由于受到曲柄连杆机构强度的限制，一般只制造到100MN以下。液压机利用静压力工作，不需要大的砧座和监视的地基。由于采用了液压传动，其动力设备可以与主机分开，可以适当加大柱塞的直径或采用多缸联合工作的方式来获得更大的工作压力。目前大型液压机均已造到100MN以上。2）得更大的工作行程，并可在全行程的任意位置施加最大的工作压力；在工作行程的任意位置都可以回程。机械传动的曲柄压力机的滑块行程是不变的，并且只能在滑块下止点前较小的行程内产生标称压力。而且必须在下止点后才能回程，如果过载将会发生闷车现象，导致损坏。液压机则与其相反，所以液压机对要求工作行程较长而且变形均匀的工艺（如拉伸、积压等）十分适应。3）更大的工作空间。液压机本体没有庞大的机械传动机构，其液压缸可根据操作的要求来布置，因而可以容易地获得较大的工作空间。4）作压力可以调整，可以实现保压，并可防止过载。例如，有三个缸的液压机可以很容易地获得三级不同的工作压力。将高压液体通入中间工作缸得到第一级压力；通入两侧工作缸得到第二级压力；3个工作缸同时通入高压液体就得到第三级压力。液压机可以作长时间的保压。液压系统有调压装置，可以根据要求来调整液体的压力。他的安全装置，能可靠地防止过载。5）调速方便。通过调整通入工作缸液体的流量，可以实现各种行程速度。例如，实现空程下降和回程时高速，工作行程时慢速，而且这种调速是无级的。6）液压机结构简单，操作方便。液压机的本体结构很简单，而且容易制造。特别是中、小型的液压机，由于液压元件的标准化、系列化和通用化程度的提高，使其设计与制造更为简便，成本降低。液压机还易于实现自动控制和遥控。7）液压机工作平稳。碰撞、振动和噪声都较小，有利于改善工人的劳动强度和工作条件。8）液压机的动力传动为柔性传动，较机械加工复杂的传动系统简单，可避免机械过载的情况。9）液压机基本的动作方式有三种：单动、双动、三动。但其拉伸过程中只有单一的直线驱动力，是加工系统有较长的使用寿命和较高的工件成品率。 除了以上优点外液压机还有一些缺点，比如：1）液压机采用液压油为工作介质，因而对液压元件的精度要求和密封条件要求较高。另外，不可避免的泄露会带来环境的污染。2）液压机的工作速度较其他设备低。由于液体流动时会产生较大的阻力损失，当液压机高速运动时，这种损失就更为明显。所以液压机的最高工作速度受到限制。由于液压机具有以上特点，因此得到了广泛的应用。除了大型的锻件的锻造、拉伸、剪切、挤压等工序外，还应用于塑料压型、层压板、粉末冶金、废金属处理、棉花打包等工序。1.2.2 液压机的分类 液压机按照机架结构形式分为梁柱式、组合框架式、整体框架式、单臂式等。按照功能用途分可分为手动液压机、锻造液压机、冲压液压机、一般用途液压机、校正包装液压机、层压液压机、挤压液压机、压制液压机、打包液压机、专用液压机等10余种类型。其各自类型对应的常见工艺如下：1）手动液压机：用于一般压制、压装等工艺。2）锻造液压机：用于自由锻、钢锭开坯及金属模锻。3）冲压液压机：用于各种薄板、厚板的冲压。4）一般用途液压机：用于各种工艺，通常称为万能（通用）液压机。5）校正压装液压机：用于零件的校正及装配。6）层压液压机：用于胶合板、刨花板、纤维板及绝缘材料板的压制。7）挤压液压机：用于挤压各种有色及黑色金属材料。8）压制液压机：用于各种粉末制品的压制成型，如粉末冶金、人造金刚石、耐火材料的压制。9） 包、压块液压机：用于将金属碎屑及废料压成块。10）其它液压机：包括轮轴压装、冲孔等专门用途的液压机。1.3 液压机典型结构液压机结构中较典型的主要有三梁四柱式、双柱下拉式、框架式和单臂式等，其中三梁四柱式液压机为通用型液压机的常用型式，本次毕业设计采用此类型液压机为设计对象，这里只对此型液压机作以介绍。三梁四柱式液压机结构如图所示，它由上横梁、下横梁、4个立柱和16个内外螺母组成一个封闭的框架，框架承受全部的工作载荷。工作缸固定在上横梁上，工作缸内有工作柱塞与活动横梁相连接。活动横梁以4根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。活动横梁下面固定有上砧，而下砧则固定与下横梁上的工作台上。当高压液体进入工作缸后，对柱塞产生很大的压力，推动柱塞、活动横梁及上砧向下运动，使工件在上、下砧之间产生塑性变形。同时在完成工作之后实现回程运动。图1-2 液压机典型结构图Fig. 1-2 Hydraulic press typical structure drawing三梁四柱式液压机的主要部件有：立柱：立柱是机架的主要支撑部件和主要受力件，又是活动横梁的导向件，因此对立柱有较高的强度、刚度和精度要求。立柱所用的材料、结构尺寸、制造质量及其与横梁之间的连接方式、预紧程度等因素，都对液压机的工作性能甚至使用寿命有着很大的影响。立柱通常用如下材料制成：35钢、45钢、40Cr、20MnV、20MnSiMo等。横梁：横梁包括上横梁、下横梁（或称底座）和活动横梁（或称滑块），是液压机的重要部件。由于横梁的轮廓尺寸很大，为了节约金属和减轻重量，一般都做成空心箱形结构，中间加设肋板，承载大的地方肋板较密，以提高刚度，减低局部应力，肋板一般按方格形或辐射形分布，在安装各种缸、柱塞（或活塞）及立柱的地方做成圆筒形，以使其环行支撑面的刚度尽可能一致，并用肋板与外壁相互之间连接起来。横梁有铸造结构和焊接结构两种，生产批量较大的中、小型液压机其横梁多为铸铁件（材料多为HT200）或铸钢件（材料多为ZG275-500）；近年来采用焊接结构的日渐增多，材料一般为Q235或16Mn钢板。中、小型液压机横梁多数为整体结构，而大型液压机横梁由于受制造和运输能力的限制往往设计成组合形式，并利用键和拉紧螺栓连接。1.4液压机技术的发展现状 液压机的液压系统和整机机构等方面发展已经相当成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击振动等方面有明显的改善2。1）路设计方面，国内外都趋向于集成化、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了广泛的应用。国外已广泛采用封闭式循环油路设计，可有效地防止泄露和污染，更重要的是防止灰尘、空气和化学物质侵入系统，延长了机器的使用寿命。由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。2）在安全性方面，国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件实现故障的检测和维修，产品可实现负载检测、自动模具保护和错误诊断等功能。3）液压机的发展最主要体现在控制系统方面。微电子技术飞速发展，为改进液压机的性能，提高稳定性、加工效率等方面提供了前提条件。相比之下，国内机型虽然品种齐全，但技术含量相比较低，缺乏高档机型，这与机电液一体化和中小批量肉刑发展趋势不相适应。当前，国内外液压机产品中控制系统分为以下三种类型：1）以继电器为主控制元件的传统型控制系统。其电路结构简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。主要用于单机工作，加工产品精度不高的大批量生产，也可组成简单的生产线。现在国内许多液压机厂还以该机型为主，国外众多厂家只是保留了对该机型的生产能力，而主要面向技术含量更高的机型组织生产。2）采用可编程控制器（PLC）的控制系统。该系统是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通讯技术溶为一体的新型工业自动控制装置。目前，该机型广泛应用于各种生产机械和自动化生产过程中，早期的可编程控制器只能进行简单的逻辑控制，随着技术的不断发展，一些厂家采用微电子处理器作为可编程控制器的中央处理单元（CPU），不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，扩大了控制器的功能。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但还是介于继电器控制和工业控制之间的一种控制方式，与工业控制机相比还有很大差距。当前，国内有部分厂家采用该控制系统，如天津锻压机械厂有60%的产品采用PLC控制来提高可靠性和控制性。国外的厂家如丹麦的STENHQJ公司采用STEMENS的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。3）应用高级微处理机（或工业控制计算机）的高性能控制系统。该控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高科技含量的控制方式，以工业控制机或单片/单板机作为住控制单元，通过外围数字接口器件（如A/D或D/A板等）或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。这种控制方式的主要特点为：具有友好的人机交互性；可顺利实现对工件参数（如压力、速度、行程）的单独调整，能进行复杂工件、不对称工件的加工；预存工作模式，缩短调整时间，与柔性加工要求相适应；可通过软件来消除高速下的换向冲击，以降低噪声，提高系统的稳定性；在安全方面可利用软件进行故障诊断，并自动修复故障和显示错误。 现在，国外众多液压机生产厂家都生产这种高性能的工业控制机控制方式的液压机产品，如美国的MULTIPRESS；丹麦的STENHQJ和加拿大的BROWN BOGGS等公司，而国内少有该类产品。1.5液压机技术发展趋势目前，随着科技发展的日新月异，液压机的技术含量也在日益增高，其主要发展趋势可分为如下几点：1）高速化、高效化、低能耗，提高液压机的工作效率，降低生产成本。2）机电掖一体化，充分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）自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件，自动化不仅仅体现在加工方面，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能。4）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。2 液压机本体设计 本章主要针对中型三梁四柱式液压机进行本体设计，其主要内容为对该型液压机的主要参数进行选择，对液压机主要部件尺寸进行计算，并对部件刚度、强度进行校核，以使所设计液压机能够达到生产工艺要求。2.1液压机的基本参数及其选用液压机的基本参数是基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型来确定的，对于本次设计的三梁四柱式液压机，主要设计参数如图2-1所示：图 2-1 液压机主要结构参数示意图Fig. 2-1 Hydraulic press main design parameter schematic drawing1）标称压力（KN）。标称压力是液压机的主要设计参数。它反映了液压机的主要工作能力，是液压机名义上能产生的最大压力，数值上等于工作柱塞总的面积与液体压力的乘积。本次设计液压机标称压力为给定原始数据2500KN。2）最大工作行程：最大工作距离h是指活动横梁在上限位置时从工作台上面到活动横梁下表面的距离。反映里液压机高度方向上工作空间的大小，应根据模具及垫板高度工作行程大小以及放入取出工件所需空间的大小等工艺因素来确定。本次设计液压机工作行程h=1250mm。3）最大净空距（开口高度）H。最大净空距是指活动横梁在上限位置时从工作台上表面到活动横梁下表面的距离。反映了液压高度方向上的工作空间的大小，应根据模具及垫板高度、工作行程大小以及所需空间的大小来确定。本次设计液压机最大净空距H=1370mm。4）工作台尺寸：在如锻造、模煅及冲压等加工工艺中，往往设置移动工作台。他的尺寸（长l宽b）取决于模具的的平面尺寸。本次设计工作台尺寸为给定原始数据900900mm。5）立柱中心距(mmmm)。在四柱式液压机中，立柱宽边中心距为L，窄边中心距为B。立柱中心距反映了液压机平面尺寸上工作空间的大小。本次设计液压机立柱中心距=1120700(mmmm)。6）活动横梁的运动速度（）活动横梁运动速度分为工作行程速度及空载回程速度两种。本次设计液压机工作形成速度=0.05，回程速度=0.1。7）顶出力。有些液压机在下横梁底部装有顶出缸，以顶出工件在拉伸时产生的压边力。顶出力及行程由具体工艺要求来确定，在此不做要求。2.2四柱式组合机架的设计计算2.2.1立柱的受力分析由于四柱式组合机架是一个高次超静定空间框架，在进行受力分析时，需采取一些简化假设：由于一般液压机的机架结构对称于中间平面，载荷也对称于中间平面，因此可将空间框架简化为平面框架；立柱与上、下横梁为刚性连接；不考虑安装应力及温度应力。 1）中心载荷。假设上、下横梁刚度很大，则可忽略上、下横梁变形而施加与立柱的附加弯曲应力，则立柱只承受简单的轴向拉应力，其拉应力为： (2-1)式中F液压机的公称压力；A每根立柱的接面积；n立柱的根数；许用应力，本次设计立柱材料选择为45钢，其取值范围为。2）偏心载荷。液压机工作时，由于模具不对称、工作变形阻力不对称（加工零件形状不对称或加热不均匀）、工件放置位置不正等多种因素都可能造成偏载受力状态。根据前面的简化假设，将空间机架简化为平面框架，如图所示。在手偏心载荷时，活动横梁发生倾斜，活塞随之倾斜压到液压缸导向套或内壁上，而活动横梁也与立柱相接触。考虑到不同工艺条件及密封等，补充做如下假设：工件较窄，不妨碍活动横梁转动，因此在工件处没有侧向水平支反力；两侧立柱导套间隙一样，因此在活动横梁倾斜十，两边立柱均匀受力；各处的作用力及支反力均假定为集中力。考虑到由于用一个两柱的平面框架来代替原来对称的四柱空间框架，因此载荷取为F/2。载荷的偏心距为e，活动横梁受到的偏心力矩Fe/2作用，给液压缸内壁以侧推力为： (2-2)式中液压缸的缸筒受力点或活塞中点至上横梁下表面的距离； 活动横梁导向套支撑反力作用点到上横梁下表面的距离。这样，四柱式组合液压机机架即可简化为如图2-2所示的平面框架。框架的宽度为立柱中心线间的距离。框架高度则与立柱和横梁的刚度比有关。、分别为立柱与上、下横梁的刚度比，则： (2-3) (2-4)式中、分别为立柱、上横梁和下横梁的弹性模量； 、分别为立柱、上横梁和下横梁的截面惯性矩。如果、值较大，则必须考虑到刚度比的影响，框架高度应取为上横梁中性层到下横梁中性层间的距离。在计算中假设、为零，即假设上、下横梁刚度为无穷大，因此框架高度取为上横梁下表面到下衡量上表面之间的距离。图 2-2 液压机机架受力图Fig. 2-2 Hydraulic press conventional diagram由于假设上横梁的刚度为无穷大，因此作用于缸壁处的推力可平移至上横梁下表面，而在上衡量上附加一力矩=，如图所示，该力矩只在左右立柱内引起轴向应力： (2-5)由于轴向力在立柱内不引起弯矩，因而在求解立柱弯矩时不予考虑。根据材料力学可知，这是个三次静布定框架问题，可用变形法或力法求解。则可得出框架中的最大轴向力与弯曲力矩分别为：2.2.2力柱尺寸的取值 本次设计由比较法，参照沈阳液压机厂3150KN液压机相关尺寸，立柱材料选择为45钢，初步确定液压机立柱尺寸值为：l=3160mm，2.2.3立柱的强度较核1）静载合成应力3。液压机在偏心载荷作用下，立柱承受单纯拉应力和弯曲应力联合作用，其合成应力为： (2-6)式中立柱所受最大轴向拉力； 立柱所受最大弯矩； 立柱的截面面积；立柱截面系数。带入数值计算得 所以立柱强度符合静载合成应力要求。2）疲劳强度校核。对于中、小型液压机，尤其是锻造液压机在工作过程中，立柱长期承受不规则的脉动载荷的作用，在每次加载时，立柱都出现较大的应力幅值，而在卸载后，由于立柱摇摆也还有若干个较小的应力幅值。由于立柱的疲劳断裂大部分发生在立柱根部截面变化的进度区，为此在进行强度计算时，需考虑过渡区的应力集中，即： (2-7)式中为有效力集中系数：式中应力集中的敏感系数，对于45钢值在0.700.95之间； 弹性状态下理论应力集中系数，取值在1.352.465之间。 为许用脉动循环的疲劳极限：式中脉动循环时的疲劳极限，对大截面45钢，取为270； 尺寸系数册中查得； 表面质量系数，精车表面取值为0.9； 安全系数。代入数据计算得 所以立柱强度符合疲劳强度要求。2.2.4横梁强度和刚度计算 横梁虽通常设计成箱形构件，且其外形高跨比较大，在进行初步设计时，仍可将横梁简化为简支梁进行近似计算。1） 上横梁相关计算上横梁结构如图2-3所示，按一般经验公式，上横梁铸造箱体告诉一般取值为横梁跨度的（0.40.8）倍，这里取横梁高度=690,取上横梁铸造箱体壁厚为=，肋板厚度为：图2-3上横梁机构图Fig. 2-3 Upward beam conventional diagram 上横梁受力分析如图2-4所示：图2-4 上横梁受力示意图Fig. 2-4 Main traverse stress schematic drawing最大弯矩计算公式为： (2-8)代入数值得 根据强度条件计算时，对截面变化不大的箱形结构梁，主要计算最大弯矩处，即中心截面处强度： (2-9)式中最大弯矩；计算截面惯性矩，；计算截面的形心至最外点距离；许用应力，本次设计横梁材料选择为铸钢。代入数值计算得 上横梁的剪切应力主要由立柱承受，因此截面可近似简化成厚度是高度是的矩形截面，其剪切应力在形心轴处最大： (2-10)式中计算截面所受的剪力；横梁立板的厚度之和；横梁立板的高度；剪切许用应力，铸钢。代入数值计算得所以上横梁强度符合弯应力及剪应力强度要求。 2）下横梁的相关计算下横梁结构如图2-5所示，下横梁高度取值一般为横梁跨度的)倍，在此取下横梁高度为，下横梁壁厚取为40，肋板厚度取为50：图2-5 下横梁结构图Fig. 2-5 Crossbeam structure drawing下横梁受力分析如图2-6所示：图2-6 下横梁受力图Fig. 2-6 Crossbeam tress schematic drawing对于下横梁弯矩计算，按均布载荷公式进行计算。 (2-11)式中 则中心截面处强度： (2-12)代入数值计算得：形心处的剪切应力为： (2-13)代入数值计算得：所以下横梁强度符合弯应力及剪应力强度要求。 3）活动衡量的相关计算活动横梁结构如图2-7所示，活动横梁高度一般为箱体跨度的（0.30.5）倍，在此取活动横梁箱体高度为，活动横梁铸造箱体壁厚取为40mm，肋板厚度为40mm：图2-7 活动横梁结构图Fig. 2-7 Crossbeam structure drawing活动横梁受力分析如图2-8所示：图2-8 活动横梁受力图Fig. 2-8 Crossbeam tress schematic drawing 则活动横梁最大弯矩计算式为： (2-14)则中心截面处强度： (2-15)代入数值计算得所以下横梁强度符合要求。2.2.5整体框架式机身强度、刚度计算 1）受力分析 上横梁有油缸接触面积与柱塞间距比值较大时，上横梁可视为受两个集中应力作用；模具与下横梁接触面较大，故视为在某个长度上作用一均匀分布载荷，如图2-9所示，由于机架受力情况直接影响着它的设计及生产工艺，对于本次设计的三梁四柱式液压机机架仍才用此种受力分析模型，其受弯矩如图2-10所示，可通过对机架的受弯矩的分析从而推导得出液压机机身强度、刚度情况：图2-9 框架受力图Fig. 2-9 Frame tress schematic drawing框架弯矩图为：图2-10 框架弯矩图Fig. 2-9 Frame flexural moment schematic drawing 2）强度计算 根据上述受力分析可知，框架仍可采用变形法或力法求解 则其有关节点的弯矩值为： （2-16） （2-17） （2-18） （2-19）式中、系数，其中，； 、分别为均布载荷宽度和两集中载荷的间距与支柱间距的比值； 、同前。则框架强度为： （2-20）代入数值计算得：所以液压机框架部分强度符合强度要求。3 液压机主缸设计 本章对液压机主缸进行具体的设计计算，得出主缸的相关主要参数数值，并对数值进行校核计算，得出最终设计结构，并使设计所得液压机主缸能够满足设计要求。3.1液压缸的主要性能参数的计算3.1.1液压缸的压力值液压缸的压力为油液作用在单位面积上的压力 。压力值的建立是有负载力产生的，在同一个活塞的有效面积上负载力越大，克服负载力所需要的压力就越大。额定压力（公称压力）P是液压缸能用一长期工作的压力，本次设计额定压力数值为原始条件2500KN。按主机类型选择相、对应工作压力，液压机属于高压机械，工作压力选择范围为2030Mpa，初步定本次设计工作压力为25Mpa。3.1.2活塞的运动速度活塞的运动速度为单位时间内压力油液推动活塞移动的距离。运动速度可表示为 v= （3-1）当活塞杆伸出时 v= （3-2）由上式可得出对于已确定的液压缸，伸出速度v大小取决与进液流量Q。可根据液压机整体工作需要选择相应的流量泵，从而控制液压缸速度v。同上伸出公式理，可得：当活塞杆缩回时 v= （3-3）当Q选定为常数时v=常数，但实际上，活塞在行程两端各有一个加、减速阶段（如下图所示），故上式中计算的数值均为最高速度图3-1 活塞速度变化图9Fig. 3-1 Piston speed change chart活塞的最高运动速度v受到活塞和活塞杆密封圈以及行程末端缓冲机构所能承受的动能的限制，对于活塞运动速度的选择，当速度过低时可能造成爬行，液压缸不能正常工作，故v应大于0.05，综合液压机应用及公称压力值，参照法国MARREL和CPOAC公司采用橡胶密封圈的液压缸许用最大线速度表，初步确定v=0.09。3.1.3液压缸的速比计算液压缸的速比主要是为了确定活塞杆和直径要否设置缓冲装置，速比过大或过小，容易造成过大的背部压或造成活塞杆太细，影响稳定性 (3-4)查表选择 =23.1.4活塞的理论推力和拉力对于双作用单活塞杆液压缸来说，活塞受力如下图所示：图3-2 活塞受力示意图Fig. 3-2 Piston stress schematic drawing活塞杆伸出时的理论推力为 (3-5) 活塞杆缩回时的理论推力为 (3-6) 3.2液压缸缸筒设计 液压缸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，同时它还是活塞运动的“轨道”。缸筒的设计主要为正确确定各部分尺寸，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了力；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。3.2.1液压缸缸筒机构及材料的选择本次设计液压缸缸筒机构选择为内螺纹连接形式，具体机构参照下图。该结构具有构造简单、重量较轻、外径较小、安装简单等优点；缺点是端部结构复杂、装卸时需要专门的工具、再者就是拧端部盖时可能把密封圈拧扭。图3-3 液压缸缸筒结构图Fig. 3-3 Hydraulic pressure jar tube structure drawing液压缸缸筒材料要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接不见还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途和毛坯来源等可选用以下材料:等；等。目前市场上还有采用退火冷拔或热轧的无缝钢管，国际市场上已有内孔经衍磨或内孔精加工，只需按所要求的长度切割无缝钢管。其主要要求是：1） 要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不至产生永久变形；2）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；3）内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。综合以上各项要求初步确定缸筒材料选择为35GrMo无缝钢管，其材料参数为：1000MPa，=850MPa。3.2.2 液压缸缸筒的计算1）缸筒内径的计算液压缸内径通常根据液压缸的牵引力F和有效工作压力p来确定的。液压缸的牵引力应能克服所受到的阻力。总阻力包括公称压力；密封装置的摩擦力；回油腔因背压作用产生的阻力和活塞与活塞杆的重力等，即最大牵引力 (3-7) 公称压力根据本次设计给定初始条件确定为2500KN。 密封装置的摩擦力根据所选择密封装置不同，按各自公式计算，本次设计中采用密封装置为Y形密封圈 = (3-8)式中f摩擦系数，取f=；p密封处的工作压力d密封处的直径密封圈的有效高度由于计算比较繁琐，实际应用中所采用经验公式进行估算，一般取=（0.050.1）F，本次设计取=0.1F。 回油腔背油压力多根据经验公式计算=0.05F，但本次设计中回油腔直接通油箱，故取=0。 活塞与活塞杆的重力本次计算中忽略不计。液压缸有效工作压力值由前述确定为25Mpa。代入原公式计算得： F 2700KN。则对于单活塞杆缸，无杆腔进油时，液压缸内径D的计算式为： (3-9)有杆腔进油时，液压缸内径D的计算公式为： (3-10)而本次设计中取回油压力=0，此时可简化内径D的计算公式为：无杆腔进油时 (3-11)代入数值得 D= 有杆腔进油时 (3-12)代入数值计算得 D 379最后将以上各式所求得的D值，选择其中最大者，圆整到标准值（见机械设计手册表19-6-3）综合以上计算结果，圆整最大值确定D=400 。2）缸筒壁厚的计算 缸筒壁厚为： (3-13) 其中缸筒材料强度要求的最小值，m 为缸筒外径公差余量，m 腐蚀余量，m 关于的值，按下列情况分别进行计算：当/D0.08时，用薄壁缸筒的实用计算公式： m (3-14)当/D=0.080.3时，可用实用公式 m (3-15)当/D0.3时： (3-16) (3-17)综合以上计算，查相关数据表，初步确定=60 。计算/D=0.1250.08，所以采用公式为： (3-18)而式中为缸筒内最高工作压力，通常取=1.5p=1.535=37.5Mpa 缸筒材料许用应力，=200 Mpa代入上式得 所取圆整值D=6057，符合强度要求。 3）缸筒底部厚度计算缸筒低部为平面时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似计算： 代入数值计算得： 由于液压缸底部需要连接油口等部件，有时还需要焊接等加工，本次设计中液压缸底部需固定充液箱，所以缸筒底部应取足够厚度值才能达到以上要求。初步确定缸筒底部厚度为 .3.2.3液压缸缸筒部分较核1） 液压缸缸筒壁厚的较核本次设计中液压缸缸筒壁厚与缸筒内径比值较小，采用薄壁缸筒进行较核计算。根据规定，在计算中对液压缸壁厚应加1，则 (3-19)= 而实际中壁厚为60 ，所以壁厚符合规定要求。2） 液压缸底部厚度较核 本次设计液压缸底部为平底结构，根据规定，较核如下： (3-20)= 而实际设计中缸底部厚度120，满足设计要求。3.2.4 缸筒螺纹连接部分计算缸筒与端部用螺纹连接时如图，缸筒螺纹处的强度计算如图3-4所示：图3-4 螺纹连接结构示意图Fig. 3-4 Screw joint structure schematic drawing螺纹处的拉应力 (3-21)式中螺纹连接处承受的最大推力， 缸筒内径，螺纹外径，拧紧螺纹系数，不变载荷取，变载荷取代入数值得 =67.9 螺纹处的剪应力 (3-22)式中螺纹连接的摩擦系数，平均值取=0.12代入数值得 =153.4 合成应力 (3-23)许用应力=代入数值得 所以螺纹连接部分符合强度要求。3.3液压缸活塞的设计液压缸的活塞在液体压力作用下，沿缸筒往复运滑动，它与缸筒的配合应适当，液压力的大小与活塞有效面积有关，活塞直径与缸筒内径一致。所以设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构形式。活塞形式选择如图3-5所示：图3-5 活塞结构图Fig. 3-5 Piston structure drawing活塞与活塞杆连接形式如图3-6所示：活塞的密封采用Y型橡胶密封圈，活塞材料采用高强度铸铁HT200300或球墨铸铁。活塞外径的配合一般采用f9，外径对于内孔的同轴度一般不大于0.02mm，端面与轴线垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差的一半。图3-6 活塞与活塞杆连接结构图Fig. 3-6 Piston and connecting rod connection structure drawing3.4活塞杆的设计计算 活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。3.4.1活塞杆直径的计算对双作用单边活塞杆液压缸，起活塞杆直径通常根据往复运动速比（即面积比）来确定 (3-24)代入数值得 =280 3.4.2 活塞杆的强度计算活塞杆在稳定工况下，如果只受到轴向推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式进行计算 (3-25)式中液压缸工作压力 ， 活塞杆直径，代入数值得 所以活塞杆强度符合设计要求。活塞杆表面的螺纹、退刀槽等结构，往往是活塞杆上的危险截面，通常要进行计算。危险截面处的合成应力应满足 (3-26)本次设计所用活塞杆具体形式及主要尺寸如下图所示：图3-7 活塞杆结构图Fig. 3-7 Connecting rod structure drawing本次设计活塞杆主要针对如图A-A，B-B面按公式(3.26)进行验算。对于A-A面：对于B-B面：所以A-A，B-B截面的强度符合要求。3.4.3 活塞杆稳定性验算对于活塞杆的稳定性验算，通常在情况下按相关公式进行，本次设计活塞杆，活塞杆直径为，则所以活塞杆直径长度比值符合稳定性要求，不必进行稳定性验算。3.5活塞杆的导向套和密封活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置一保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘装圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水带到密封装置处，损坏密封装置。3.5.1 导向套结构及相关计算本次主缸设计导向套采用轴套式导向套，该种导套主要是耐磨材料制成，也有用钢制成并内装有耐磨套或导向环的。其优点是拆卸方便，拆卸时不用拆端盖。导向套一般安装在密封圈与缸筒油腔之间，以利缸内的压力油对导套进行润滑。为了使密封圈的唇边张开，在导向套内可开轴向通沟。图3-9 导套长度示意图Fig. 3-9 Guide sleeve length schematic drawing导向套长度不应过大，特别是高速缸，以免摩擦力过大；导向长度过短，将使缸因配合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，设计必须保证有一定的最小导向长度，一般应满足 m （3-27）导向套滑动面的长度A，在缸径小于80时，取活塞宽度 代入数值计算得 ，。图3-8 导套结构图Fig. 3-8 Guide sleeve structure drawing导向套的加工要求为，外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7，内孔与活塞杆的配合多为H9/f9。外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mm，圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半，内孔中的环行油槽和直油槽要浅而宽，保证良好的润滑。3.6 缓冲装置液压缸的活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。在他们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击压力和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械碰撞，缓冲装置的工作原理是使液压缸低压腔内油液通过节流把动能转化为热能，热能由循环的油液带到液压缸外。缓冲装置的一般技术要求为：（1） 缓冲装置要能以较短的缓冲行程吸收最大的动能；（2） 缓冲过程中尽量避免出现压力脉冲及过高的缓冲腔压力峰值，是压力变化为渐变过程；（3） 缓冲腔内压力峰值应为；（4） 动能转变为热能使油液温度上升时，油液的最高温度不能超过密封件的允许极限。图3-10 缝隙节流式缓冲装置示意图Fig. 3-10 Slit throttle type buffer mechanism schematic drawi