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湖州师范学院本科毕业论文 毕 业 设 计（说明书）2012 届 题 目 旋转式压实器设计 专 业 机械设计制造及其自动化学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 完成日期 2012年12月 湖 州 师 范 学 院 教 务 处 印 制2原 创 性 声 明本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日 期： 关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属湖州师范学院。本人完全了解湖州师范学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权湖州师范学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为湖州师范学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为湖州师范学院。论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 摘 要秸秆压实器是把秸秆等生物质原料粉碎压缩制成高效、环保燃料或饲料的设备。秸秆压块机压出的产品是用来做饲料或燃料的。经过实践和不断的改进，秸秆压块机已日臻完善。秸秆压块机具有自动化程度高、产量高、价格低、耗电少、操作简单、环境无污染等优点。因而秸秆压块机可广泛应用压制各种农作物秸秆和小树枝等生物质原料。本文对一种外形为200X400X100的物料进行压实器设计，其中旋转的压下，水平方向的2个压面强度和旋转压头的转速要求计算，最后压实的物块体积要求，用气压传动。关键词：压实器，旋转压实器，气动设计IVAbstractStraw compactor is the biological materials such as straw crushing efficiency, environmental protection fuel or compressed into the feed device. Straw briquetting machine extruding products are used as feedstuff or fuel. After practice and continuous improvement, straw briquetting machine has been improving. Straw briquetting machine with a high degree of automation, high yield, low cost, less power consumption, simple operation, no environmental pollution and other advantages. So the straw briquetting machine can be widely used to suppress all kinds of straw and twigs and other biomass materials.In this paper a shape of 200X400X100 material compaction device design, wherein the rotary press, 2 horizontal pressing surface intensity and the rotary press head speed requirement calculation, the final compacted blocks with volume requirements, pneumatic transmission.Key words: compaction device, rotary compactor, aerodynamic design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 课题研究意义11.2 压实目的及操作原理11.3 压实机的设计2第2章 总体设计方案3第3章 旋转压头的设计计算53.1 旋转压头的转速53.2气缸安装位置的确定73.3气缸推力的计算及选型93.4气缸的选择103.5 初步确定气缸参数153.6 活塞杆的设计与计算173.7 气缸工作行程的确定183.8 活塞的设计183.9 导向套的设计与计算183.10 端盖和缸底的设计与计算203.11 缸体长度的确定213.12 缓冲装置的设计213.13 排气装置213.14 密封件的选用233.15 防尘圈233.16 气缸的安装连接结构24第4章 气缸材料及技术要求设计254.1 缸体254.2 活塞254.3 活塞杆264.4 缸盖274.5 导向套27第5章 水平气缸的设计与选型295.1 水平方向的2个压面强度计算295.2气缸的计算295.2气缸的选型32第6章 主要零部件强度校核336.1 气缸底架固定横梁的强度校核336.2 轴的强度校核356.2.1 内剪叉臂固定端销轴的强度校核356.2.2 气缸缸体尾部销轴的强度校核366.2.3 气缸活塞杆头部支撑轴的强度校核36总结与展望38参考文献39致 谢40湖州师范学院本科毕业论文第1章 绪论1.1 课题研究意义我国每年仅农作物秸秆产量就越有7亿吨。同时由于经济发展迅速，电力供应非常紧张，因此秸秆发电在 我国的发展前景非常看好，现在大部分地区运行的发电项目都是采用的软质发电，也就是我们所说的黄色秸秆4些物料具有体积大、重量轻、密度小等特点，为满足锅炉燃烧发热量，保证单位时间内的上料量，需要打捆至规定体积和重量后输送至炉膛内燃烧。从国外经验来看，燃料的收集、储存和运送是电厂运行的瓶颈。因此进行压缩压实是解决问题的关键所在，秸秆压实机的使用便能解决这一问题。秸秆压块机是把秸秆等生物质原料粉碎压缩制成高效、环保燃料或饲料的设备。秸秆压块机压出的产品是用来做饲料或燃料的。经过实践和不断的改进，秸秆压块机已日臻完善。秸秆压块机具有自动化程度高、产量高、价格低、耗电少、操作简单、环境无污染等优点5。因而秸秆压块机可广泛应用压制各种农作物秸秆和小树枝等生物质原料。秸秆压实机具有以下特点：（1）秸秆压块机自动化程度高、产量高、价格低、耗电少、操作简单。如无电力设备可用柴气机代替。 （2）秸秆压块机物料适应性强: 适应于各种生物质原料的成型，秸秆从粉状至50mm长度之间，含水率5-30%之间，秸秆压块机都能加工成型。 （3）秸秆压块机压轮自动调节功能：利用推力轴承双向旋转的原理自动调节压力角度，使物料不挤团、不闷机，保证出料成型的稳定。 （4）秸秆压块机操作简单使用方便：自动化程度高，用工少，使用人工上料或输送机自动上料均可。1.2 压实目的及操作原理压实亦称压缩，即是利用机械的方法增加固体废物的聚集程度，增大容重和减小体积，便于装卸、运输、贮存和填埋。固体废物中适合压实处理的主要是压缩性能大而复原性小的物质，如金属加工出来的金属细丝，金属碎片、冰箱与洗衣机，以及纸箱、纸袋、纤维等，有些固体废物、如木头、玻璃、金属、塑料块等已经很密实的固体，以及焦气、污泥等液态废物不宜作压缩处理。固体废物经压实处理后，体积减小的程度叫压缩比。废物压缩比决定于废物的种类及施加的压力。一般压缩比为3-5。同时采用破碎与压实二种技术可使压缩比增加到5-10。国外，生活垃圾的收集都采用压实机械以减少垃圾体积、增加垃圾车的收集量。一般，生活垃圾压实后，体积可减少60-70%。城市垃圾经家庭压实器压实后密度变为320.4kg/m3，体积可减少69%。压实的原理主要是减少空隙率，将空气压掉。如若采用高压压实，除减少空隙外，在分子之间可能产生晶格的破坏使物质变性。例如，日本采用高压压实的现代化方法处理城市垃圾，压力采用258kg/cm2，制成垃圾密度为1125.4-1380kg/m3压实块。由于高压，在压缩过程中挤压及升温使垃圾中BOD从6000ppm降到200ppm，COD从8000ppm降到150ppm，垃圾块已成为一种均匀的类塑料结构的惰性材料，自然暴露在空气中三年，没有任何明显的降解痕迹。这与一般的压实作用不同。压实工艺流程：1、垃圾垫有铁丝网容器压缩机压缩污水泵活性污泥处理系统上清液灭菌消毒排放。2、垃圾垫有铁丝网容器压缩机压缩沥青浸渍池(180200)冷却皮带输送垃圾填埋场。1.3 压实机的设计压实机有很多种类,下面就压实机根据不同的属性进行分类.按用途分:废纸压实机、金属压实机、秸秆压实机、棉花压实机、秸秆压实机等.按性能分:自动压实机、半自动压实机、手动压实机等.压实机可包括:全自动压实机、全自动无人化压实机、水平式压实机、穿剑式压实机、加压式压实机、半自动压实机、手提式压实机等等11.水平式压实机：水平式压实机主要用于城市垃圾的处理。将废物加入装料室，依靠具有压面的水平压头作用使垃圾致密和定形，然后将坯块推出。三向联合式压实机：三向联合式压实机主要适用于金属类废物的压实。他具有3个互相垂直的压头，依次启动3个塔头即可将料斗中的废物压成块。回旋式压实机：回旋式压实机主要适用于压实体积小，质量轻的废物。废物装进单元后，先按水平压头的方向压缩，然后驱动旋动式压头是废物致密化。最后将废物压至一定尺寸排出。 压实机的选择主要是悬着合适的压缩比和使用压力。此外对不同的废物采用不同的压实机械。同时还需考虑后续处理过程，如是否会出现水分等12。（1）装载面尺寸 装载尺寸要足以容纳需要压缩的最大件废物。如果压实机的容器用垃圾车装填，为了操作方便，时期容积至少能处理一垃圾车的废物。垃圾压实器的装载面一般为0.7659.18m（2）循环时间 循环时间是指压头的压面从装料箱吧废物压入容器，然后再回到原来完全缩回的位置，准备接收下一次装载废物所需要的时间。循环时间变化范围在2060s。循环时间和一次压实废料的量有关，量小则循环时间短。（3）压面压力13 固定式压实器的一般为1033432kPa。由于压实比和压面压力并不是线性关系，所以应根据废物的压缩特性来选择。（4）压面的形成 压面的行程是指压头压入容器的深度。压头压入容器中越深，压实比越大。所以应先确定压力实比，在选择合适的压面形成。（5）体积排率 体积排率即处理率，等于压头每次压入容器的可压缩废物体积与每小时机器的循环次数之积。体积排率略大于废物生产率。（6）其他 压实器应与容器匹配。压实器的场所要与压实器相适应压实器的选择主要针对压缩比，应当选择合适的压缩比和使用压力。此外，应注意压缩过程中的情况在城市垃圾的综合利用中，垃圾压实后产生水分，在风选分离纸时是不利的，因此，是否选用压实装置与后继处理过程也有关、应当综合考虑。38湖州师范学院本科毕业论文第2章 总体设计方案旋转的压下的不是垂直压下的，水平方向的2个压面强度和旋转压头的转速要求计算，最后压实的物块体积要求20*40*10，用气压传动，图纸要3张A0纸，任务说明书要求15000字左右。图2-1 回转式压实器图2-2 三向联合式压实器1,2,3压头图2-3 水平式压实器1 破碎杆 2装料室 3压面旋转压头设计图如下图图2-4 旋转压头湖州师范学院本科毕业论文第3章 旋转压头的设计计算3.1 旋转压头的转速角速度=45/s(1)腔流量，公式得： =20040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s(2)腔工作压力，公式（4.8） 得： 式中：F 取工件重和手臂活动部件总重，估算 F =10+20=30kg，=1000N。所以代入公式（3.12）得： = =0.26Mpa升降部分的运动原理如图所示图3-4 运动原理图3.2气缸安装位置的确定由图3-4可知 .(3.21) 则 所以，即 而 初选，,，。而液压升降台的有效垂直升降高度为 .(3.22)根据，气缸上下交接点g、f的距离S（即气缸的瞬时长度）为 .(3.23)可知，行程S是关于的变量函数，代入数值则有如图3-5所示曲线图3-5 S-关系曲线气缸两交接点之间的最大距离和最小距离分别为 设气缸的有效行程为，为了使气缸两铰接点之间的距离为最小值时，柱塞不抵到气缸缸底，并考虑气缸结构尺寸和（如图3-6所示），一般应取 .(3.24)同样，为了使气缸两铰接点之间的距离为最大值时，柱塞不会脱离气缸中的导向套，一般应取 .(3.25)式（3.24）和式（3.25）中的和根据气缸的具体结构决定。图3-6 气缸结构尺寸气缸铰接点g距离工作台面的上下导轨的距离分别为和，如图3-4所示则有 .(3.26) .(3.27)由式(3.21)、(3.26)和(3.27)得 .(3.28)由式(3.28)可看出，是关于的变量函数，代入数值则有如图3-7所示曲线图3-7 -关系曲线3.3气缸推力的计算及选型 将数值带入式(3.12)中，得出随值变化的曲线,如图3-8所示图3-8 随值变化的曲线 可看出当时，气缸的推力最大。但由图3-7可知，此时为负值，故不可取。同时我们可看出当时，。 那么，就取，此时，由式(3.12)得 而，则 若取安全系数为1.5，则 参照参考文献5,选用缸径为的杆端外螺纹杆头耳环式气缸，其最小安装连接尺寸ZM+为295mm+S，最大行程800mm。 当时，由式(3.23)得 又由式(3.23)，当时，即工作台升至最高点，气缸的安装尺寸达到最大，计算得，故气缸的行程和安装尺寸都符合要求。综上所述，选择缸径为的杆端外螺纹杆头耳环式气缸。因此从最低到最高位置上升时，气缸在此过程中所需要补充的气量为3.4气缸的选择气缸的选用要根据以下方面进行分析：1、类型的选择 根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声应选择缓冲气缸；要求重量轻，应选轻型缸；要求安装空间窄且行程短，可选薄型缸；有横向负载，可选带导杆气缸；要求制动精度高，应选锁紧气缸；不允许活塞杆旋转，可选具有杆不回转功能气缸；高温环境下需选用耐热缸；在有腐蚀环境下，需选用耐腐蚀气缸。在有灰尘等恶劣环境下，需要活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需要选用无给气或无气润滑气缸等。 2、安装形式 根据安装位置、使用目的等因素决定。在一般情况下，采用固定式气缸。在需要随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气缸。在要求活塞杆除直线运动外，还需作圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。有特殊要求时，应选择相应的特殊气缸。 3、作用力的大小即缸径的选择。根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力。一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力，根据不同速度选择不同的负载率，使气缸输出力稍有余量。缸径过小，输出力不够，但缸径过大，使设备笨重，成本提高，又增加耗气量，浪费能源。在夹具设计时，应尽量采用扩力机构，以减小气缸的外形尺寸。 4、活塞行程与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选满行程，防止活塞和缸盖相碰。如用于夹紧机构等，应按计算所需的行程增加1020的余量。5、活塞的运动速度主要取决于气缸输入压缩空气流量、气缸进排气口大小及导管内径的大小。要求高速运动应取大值。气缸运动速度一般为50800/s。对高速运动气缸，应选择大内径的进气管道；对于负载有变化的情况，为了得到缓慢而平稳的运动速度，可选用带节流装置或气液阻尼缸，则较易实现速度控制。选用节流阀控制气缸速度需注意：水平安装的气缸推动负载时，推荐用排气节流调速；垂直安装的气缸举升负载时，推荐用进气节流调速；要求行程末端运动平稳避免冲击时，应选用带缓冲装置的气缸。 图3.1 气缸实物图 6、气缸的选型步骤及其类型介绍程序1：根据操作形式选定气缸类型：气缸操作方式有双动，单动弹簧压入及单动弹簧压出等三种方式程序2：选定其它参数：1、选定气缸缸径大小 根据有关负载、使用空气压力及作用方向确定2、选定气缸行程 工件移动距离3、选定气缸系列4、选定气缸安装型式 不同系列有不同安装方式，主要有基本型、脚座型、法兰型、U型钩、轴耳型5、选定缓冲器 无缓冲、橡胶缓冲、气缓冲、气压吸震器6、选定磁感开关 主要是作位置检测用，要求气缸内置磁环7、选定气缸配件 包括相关接头（一）单作用气缸 单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。其原理及结构见下图：图3.2单作用气缸1 缸体；2活塞；3弹簧；4活塞杆；单作用气缸的特点是： 1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。 2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。 3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。 4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。 由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。（二） 双作用气缸 双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。1） 双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。2） 缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。 图3.3双活塞杆双作用气缸a）缸体固定；b）活塞杆固定1缸体；2工作台；3活塞；4活塞杆；5机架双活塞杆气缸因两端活塞杆直径相等，故活塞两侧受力面积相等。当输入压力、流量相同时，其往返运动力及速度均相等。(三)缓冲气缸缓冲气缸对于接近行程末端时速度较高的气缸，不采取必要措施，活塞就会以很大的力（能量）撞击端盖，引起振动和损坏机件。为了使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击现象。在气缸两端加设缓冲装置，一般称为缓冲气缸。缓冲气缸见下图，主要由活塞杆1、活塞2、缓冲柱塞3、单向阀5、节流阀6、端盖7等组成。其工作原理是：当活塞在压缩空气推动下向右运动时，缸右腔的气体经柱塞孔4及缸盖上的气孔8排出。在活塞运动接近行程末端时，活塞右侧的缓冲柱塞3将柱塞孔4堵死、活塞继续向右运动时，封在气缸右腔内的剩余气体被压缩，缓慢地通过节流阀6及气孔8排出，被压缩的气体所产生的压力能如果与活塞运动所具有的全部能量相平衡，即会取得缓冲效果，使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击。调节节流阀6阀口开度的大小，即可控制排气量的多少，从而决定了被压缩容积（称缓冲室）内压力的大小，以调节缓冲效果。若令活塞反向运动时，从气孔8输入压缩空气，可直接顶开单向阀5，推动活塞向左运动。如节流阀6阀口开度固定，不可调节，即称为不可调缓冲气缸。图3.4缓冲气缸1活塞杆；2活塞；3缓冲柱塞；4柱塞孔；5单向阀6节流阀；7端盖；8气孔7、气缸结构气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成，其内部结构如图所示： 1）缸筒 缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。 SMC CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。 2）端盖 端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含气合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。 3）活塞 活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。 4）活塞杆 活塞杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。 5）密封圈 回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。 缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种： 整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。 6）气缸工作时要靠压缩空气中的气雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑气缸。 8、工作原理根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。 气缸 下面是气缸理论出力的计算公式： F：气缸理论输出力(kgf) F：效率为85时的输出力(kgf)(FF85） D：气缸缸径(mm) P：工作压力(kgfcm2) 例：直径340mm的气缸，工作压力为3kgfcm2时，其理论输出力为多少?芽输出力是多少? 将P、D连接，找出F、F上的点，得： F2800kgf；F2300kgf 在工程设计时选择气缸缸径，可根据其使用压力和理论推力或拉力的大小，从经验表11中查出。 3.5 初步确定气缸参数表2-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表2-2 各种机械常用的系统工作压力1机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032由表2-1和表2-2可知， 组合机床液压系统的最大负载约为13777N，初选气缸的设计压力P1=3MPa，为了满足工作台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，这里的气缸课选用单杆式的，并在快进时差动连接，则气缸无杆腔与有杆腔的等效面积A1与A2应满足A1=2A2（即气缸内径D和活塞杆直径d应满足：d=0.707D。为防止切削后工件突然前冲，气缸需保持一定的回气背压，暂取背压为0.5MPa，并取气缸机械效率。则气缸上的平衡方程故气缸无杆腔的有效面积：气缸直径气缸内径： 按GB/T2348-1980，取标准值D=80mm；因A1=2A，故活塞杆直径d=0.707D=56mm（标准直径）则气缸有效面积为：2.缸体壁厚的校核查机械设计手册，取壁厚为10mm。则根据时； （4-2）可算出缸体壁厚为：1.25，满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算： 56mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取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，适应气缸的安装要求，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H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。3.7 气缸工作行程的确定 气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。气缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4（a）气缸行程系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 气缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 气缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根据设计要求知，活塞杆最大行程为400mm。根据表3-8，可选取气缸的工作行程为400mm。3.8 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，会引起气缸内部泄露，降低容积效率，使气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（用于低压系统中的气缸活塞的密封）、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气缸密封）、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。3.9 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，将使气缸因间隙引起的初始挠度增大，影响气缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证气缸有一定的最小导向长度。根据经验,当气缸最大行程为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=(0.61.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)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 气缸最小导向长度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=隔套K的宽度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，气槽内的压力气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气缸的情况下。 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、振动大的气缸，可以采用静压导向套。由于活塞杆与导向套之间有压力气膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力气中浮动，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。3.10 端盖和缸底的设计与计算 在单活塞气缸中，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。主要用于柱塞式气缸。 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燉粗。 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，密封圈有可能被进气口边缘擦伤。F钢丝连接 特点是结构简单，尺寸小，质量小。3.11 缸体长度的确定 气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。一般气缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则气缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.12 缓冲装置的设计 气缸的活塞杆（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，当杆头进入气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气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气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。 当气缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min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4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.13 排气装置 如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置，压力气进入气缸后，缸内仍会存在空气6。由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成气缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行,影响气缸的正常工作。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，还必须在气缸上设置排气装置。配气装置的位置要合理，由于空气比压力气轻，总是向上浮动，因此水平安装的气缸，其位置应设在缸体两腔端部的上方；垂直安装的气缸，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4-2（a）所示。表4-5 排气阀（塞）尺寸6d阀座阀杆孔cDM16611619.29323117108.53484623M20x2814725.41143392213114594828 图4-2 (a) 整体排气孔 图4-2（b） 组合排气孔 图4-2（c） 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4-2（b）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4-2（c）以及表4-2（d）。图4-2（d） 组合排气阀零件结构尺寸3.14 密封件的选用1.对密封件的要求 气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，气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，才能式气缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。 在液压元件中，对气缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料气缸，如摆动气缸等。气缸中不仅有静密封，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。2.O形密封圈的选用 气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 气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。 形密封圈是我国气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”。3.15 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、沙粒等异物侵入气缸，从而可以防止液压气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，安装伸缩套给气缸的装配调整会带来一些困难。3.16 气缸的安装连接结构气缸的安装连接结构包括气缸的安装结构、气缸近处有口的连接等。1.气缸的安装形式 气缸的安装形式很多，但大致可以分为以下两类。 1）轴线固定类 这类安装形式的气缸在工作时，轴线位置固定不变。机床上的气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、压力低的气缸。 B 法兰式。用气缸上的法兰将其固定在机器上。 C 支座式。将气缸头尾两端的凸缘与支座固定在一起。支座可置于气缸左右的径向、切向，也可置于轴向底部的前后端。 2）周线摆动类 气缸在往复运动时，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。安装这类气缸，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气缸多用这类安装形式。 A 耳轴式。将固定在气缸上的铰轴安装在机械的轴座内，使气缸轴线能在某个平面内自由摆动。 B 耳环式。将气缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起，使气缸能在某个平面内自由摆动。耳环在气缸的尾部，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。将气缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起，使气缸能在一定的空间锥角范围内任意摆动。2.气缸气口设计 气口孔是压力气进入气缸的直接通道，虽然只是一个孔，但不能轻视其作用6。如果孔小了，不仅造成进气时流量供不应求，影响气缸的活塞运动速度，而且会造成回气时受阻，形成背压，影响活塞的退回速度，减少气缸的负载能力。对气缸往复速度要求较严的设计，一定要计算孔径的大小。气缸的进出气口，可以布置在缸筒和前后端盖上。对于活塞杆固定的气缸，进出气口可以设在活塞杆端部。如果气缸无专用排气装置，进出气口应设在气缸的最高处，以便空气能首先从气缸排出。气缸进出气口的链接形式有螺纹、方形法兰和矩形法兰等。第4章 气缸材料及技术要求设计4.1 缸体1.缸体的材料 气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ZG25、ZG35、ZG45等。铸铁可采用HT200HT350之间的几个牌号或球墨铸铁QT500-05、QY600-02等。特殊情况下，可采用铝合金等材料。2.主要表面粗糙度 气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0.03mm； 4）缸体端面对轴线的垂直度在直径每100mm上不大于0.04mm； 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0.030.04mm厚的硬铬，在进行抛光，刚体外涂耐蚀气漆。4.2 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HT300、HT350（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0.04mm；4）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H8。4.3 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0.03mm； 4）d2对d的径向跳动不大于0.01mm； 5）活塞杆上与导向套采用H8/f7配合，与活塞的链接可采用H8/h8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。4.4 缸盖1.缸盖的材料常用35、45锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT300、HT350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； 2）d2、d3对D的同轴度不大于0.03mm；3）端面A、B对孔轴线的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。4.5 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60%100%； 2）外径与内径的同轴度不大于内控公差之半。第5章 水平气缸的设计与选型5.1 水平方向的2个压面强度计算压实的物块体积要求200X40X10根据压强公式p = F/S计算假设水平气缸需要推动的力为100N,另外一水平气缸需要的推动力为50N根据常见可以压实的物质压强比较，发现远小于2500pa，故假设合理。5.2气缸的计算估算要驱动的负载大小为100N，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表5.1：表5.1 气缸的运动状态与负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v运动的速度v=50mm/s，取=0.60，所以实际的气缸缸负载的大小为：F=F0/=163N（2） 气缸内径的确定表5.2 气缸内径确定公式项目计算公式缸径双作用气缸推力拉力计算D=66.26mmF为气缸的输出拉力 N；P 为气缸的工作压力Pa=8Mpa按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm表5.3气缸缸径尺寸系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630（4）活塞杆直径的确定由d=0.3D 估取活塞杆的直径 d=25 mm表5.4 活塞杆直径系列 （mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400（5）缸筒长度的确定缸筒的长度S=L+B+30，L为活塞的行程，B为活塞额厚度：活塞的厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm，由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm导向套滑动面的长度A:一般导向套滑动面的长度A，在D80mm时, 可取A=(0.61.0)d。所以A=25mm最小导向的长度H：根据经验，当气缸最大的行程为L，缸筒的直径为D，最小导向的长度为：H代入数据 即最小导向长度H + =80 mm活塞杆的长度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm（6）气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查得气缸筒的壁厚能根据薄避筒计算公式进行计算：式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的内径（m），缸筒承受的最大工作压力（MPa），缸筒材料许用应力（MPa）。实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核,我们的缸体的材料选择45钢，=600 MPa， =120 MPan为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(Pa)P缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p16 MPa时，P=1.5p；当工作压力p16 MPa时，P=1.25p由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa=0.3mm参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 7 mm表5.6 气缸筒的壁厚 （mm）材 料气缸直径5080100125160200250320壁 厚铸铁HT153378101012141616钢A3.455788991112铝合金81212141417（7）气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度，可取v=1015 选取v = 12 m/s由公式d0 = 2代入数据得：d0 = 14.014 mm。表5.7 气缸进排气口直径 （mm）汽缸内径D气缸进排气口直径d0408506310801001251514016018020所以取气缸排气口直径为15 mmQ工作压力下输入气缸的空气流量（）V空气流经进排气口的速度，可取v=1025）（8）活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本 ，由液压气动技术手册式中 FP0 活塞杆承受的最大轴向压力（N）；FP0=1633NFK 纵向弯曲极限力（N）；nK 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2K活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4代入数据 K =25/4=6.25mmE 材料弹性模量，钢材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞杆横截面惯性矩（m4）；d 活塞杆的直径（m）；L 气缸的安装长度为活塞杆的长度为961mm代入数据得 FK =2.685 N因为FP0 = 1.34所以活塞杆的稳定性满足条件；强度校核：由公式 d n为安全系数 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉强度(Pa)代入数据得 因为FP0= 1.34所以活塞杆的稳定性满足条件；45钢的抗拉强度=600 MPa 则4.16 mm d ，所以强度满足要求；综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。5.2气缸的选型参照（ISO6432标准），结合上节计算气缸选用缸径为10mm，行程为80mm的亚德客笔型气缸，代号为PB-1080。第6章 主要零部件强度校核6.1 气缸底架固定横梁的强度校核气缸底架固定横梁（如图7-4所示）选择的是60号方钢，其受力情况如图7-5所示；已知60号钢的边长为60mm，气缸推力作用点到坐标系O的距离为65mm，分别为推力在X，Y轴上的分力，且，。当气缸在最小角度，即工作台在最低位置时，气缸推力最大，虽然此时最小，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，则。当气缸在最大角度，即工作台在最高位置时，虽然气缸推力最大，此时最大，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，则。图7-4 气缸与底架连接的横梁图7-5