液压支架用伸缩式两级液压缸设计

第 1 页 第 1 章 绪 论1.1 课题背景山西介休倡源煤炭有限责任公司是山西凯嘉能源集团有限责任公司属下企业。公司前身为介休市连福镇镇办煤矿，2005年 8 月，由山西义棠煤业有限公司整体并购，2006 年 4 月，省煤整办批准山西介休倡源煤炭有限责任公司整合金山坡煤矿和西兴煤矿, 2007 年 12 月, 山西义棠煤业有限公司、山西中通投资有限公司、介休义民投资有限公司三方签署合作协议，共同投资建设山西介休倡源煤炭有限责任公司。公司注册资本为1.6 亿元，现有资产总额 8 亿多元，员工 1600 多名，其中:中专以上学历员工 450 多名，初级以上职称员工 90 多名。公司位于介休市连福镇，朝南相望是生态原始、风景独特的天峻山，西距介休市 20km，北距大运高速、108 国道及南同浦铁路干线义安站 20km，东与介沁公路相邻, 地理位置优越，交通便利。公司井田面积 4.62km2，可采煤层 6 层，可采储量32702kt，设计能力为 90 万吨/年。公司实行董事会领导下的总经理负责制，股东会、董事会、监事会、党总支、工会组织齐全，有 14 个职能部门以及综采、普采等 9 个生产基层队。 第 2 页 倡导文明，源远流长。公司秉承“以德为魂，诚信为本”的企业精神，近年来，在生产经营、企业管理、员工队伍、企业文化、环境建设、后勤保障等方面都发生了巨大的变化,使一个名不见经传的小煤矿改造成为年产 90 万吨原煤的新型煤炭企业，使一个生态恶化的旧矿井改造成为环境优美的绿色生态矿井。公司被介休市人民政府授予“优秀管理先进单位”等荣誉称号。在凯嘉集团的统领下，公司将以“高水平规划、高标准建设、高质量管理”为指导思想，致力于基础建设和未来发展，全体员工将以百折不挠的精神和敢为人先的勇气，高起点、高标准，努力把公司打造成为管理科学、装备先进、安全文明、集约高效的标准化煤炭企业。1.2 液压支架简述20 世纪 50 年代前在国内外煤矿生产中基本上采用木支架，木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954 年英国首先研制出液压支架，通过对液压支架的逐步完善改进，进而普遍推广使用使采煤工作面采煤过程中的落煤,装煤，运煤和支护等工序全部实现了机械化。到 20 世纪 90 年代初，寻找到适合 第 3 页 矿区资源条件的先进采煤方法，采用了放顶煤技术。随着计算机技术和自动化技术的普及应用与提高为煤矿生产自动化和提高生产提供了新的出路。支架上使用的液压缸也发展延伸了许多种类型，轻载，重载。单缸单作用，单缸双作用，多缸单作用，多缸双作用。这里主要设计双作用伸缩液压缸。优点：调高范围大，属液压无极调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。本型立柱主要用于薄煤层和大采高支架上。缺点：由于本型某些缸径立柱的中缸强度裕度偏小，遇有采煤工作面基本顶压力显现强烈时中缸有时会出现鼓胀现象，损坏立柱。支架技术特征参数：型号：ZY5000/17/35 型掩护式液压支架高度：（最低最高） 1.73.5m宽度：（最小最大） 1.431.6m中心距：1.5m初撑力：（P=31.5MPa） 3877 KN工作阻力： 4000 KN 第 4 页 对底板前端比压：0.642.5 MPa支护强度：0.800.87 MPa移架步距：700mm泵站压力：31.5MPa操作方式：邻架控制1.3 液压支架立柱特点液压支架上的立柱实际上是推力液压缸的一种，其特点如下：立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，他直接影响支架的工作性能。因此，立柱除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须由足够的抗压和抗弯强度，密封性好，结构简单并能适合支架的工作需要。立柱一般由活塞，活塞杆，缸体三部分组成。由于支架工作时，立柱承载大，而降柱力较小，故活塞杆直径均较大，常采用空心结构，以保证足够的刚度活塞一般用 Y 型密封圈，铜环导向，缸体底部焊接。缸体与缸盖之间用钢丝，螺纹或卡环连接。为了防止外部煤层等脏物进入缸体，在导向套上要装防尘圈。对于单伸缩立柱，为了扩大支架的支护高度范围，可 第 5 页 采用机械加长杆，如图 1.1图 1.1 带有机械加长杆的双作用伸缩式立柱1缸头，2油口，3前端盖，4缸体，5活塞，6活塞杆，7后端盖图 1.2 双伸缩式立柱1后端盖，2，3，4，5，6，7卡箍，内卡键，鼓型密封圈，导向环，8下活柱，9 活塞，10缸筒，11，12，13，14导向环，导向衬套，蕾型密封圈，防尘圈，15 柱头，16 底阀立柱的头部结构均为球形，与顶梁或底座之间的连接采用销轴或压块固定，以使立柱在工作时由一定的适应性。 第 6 页 立柱的供液方式由内供液和外供液两种方式。除双伸缩立柱采用内供液方式外，单伸缩立柱多为外供液，这种方式结构简单加工维修方便。双伸缩式立柱工作原理图：图 1.3 双伸缩立柱原理图：A，B，C ：液口1 一级缸体，2 一级活塞，3 底阀，4 二级活塞，5 活塞杆1.4 双伸缩式立柱结构及工作原理如图 1.3 所示，升柱时高压液体从液口 A 进入立柱，液口B 和 C 连通回液管路，升柱过程分为两个阶段，首先下活柱伸出只有下活柱完全伸出后，柱内单向阀才能开启使上活柱伸出，降柱时，高压液体从 B 和 C 同时进入，液口 A 连通回液管路。降柱过程也分为两步完成。第一步是下活柱缩回缸体内此时上活柱由于柱内单向阀处于闭锁状态，所以不会下缩，当下活柱 第 7 页 完全缩回后，单向阀阀芯顶杆与缸体凸台相碰而使单向阀开启，上活柱下腔可以回液，故上活柱缩回。承载时，顶板对上活柱的作用力将由上活柱下腔被闭锁的液体承受并传递给下活柱，这时上下活柱所承受的压力是相等的。所以这种立柱也称等负载双伸缩立柱。当下活柱内的液体达到安全阀的调定压力时，安全阀开启，下活柱缩回，当下活柱完全缩入缸体中，只有上活柱承载时，顶板的作用力使上活柱缩回。1.5.双伸缩式立柱运行及负载特点：这种立柱由于下活柱先伸先缩，上活柱后伸后缩。在煤层变化不大时，上活柱的伸出长度是不变的。因此上活柱相当于立柱的液压加长杆。由于上活柱的长度可以自由调节，比单伸缩立柱调节机械加长杆方便的多 ，所以目前应用的越来越多，它的缺点是价格较高。由于等负载双伸缩立柱上，下活柱活塞面积不等，所以在相同的泵站压力下，上活柱伸出撑紧顶板的初撑力小于下活柱伸出撑紧顶板的初撑力。因此，在煤层厚度变化较大时，上活柱的伸出长度有时也要变化，造成初撑力太小，不利于板顶维 第 8 页 护。另外，在承载时，由于负载相同，上活柱下腔的压力会大于下活柱下腔的压力，如果压力太大，会造成下活柱形成的缸体在高压下膨胀变形，影响下活柱的正常升降，甚至导致导向套和立柱咬死。所以，在煤层厚度变化较大时或冲击地压大的煤层，使用这种等负载双伸缩立柱要给以注意。 第 9 页 第二章 双伸缩立柱结构设计计算2.1 原始数据：一级缸行程 1000mm，二级缸 700mm，工作压力：31.5Mpa 工作阻力 P=4000KN2.2 设计要求： 内容：设计说明书，装配图，主要零件图 2 张。建模，整体装配。要求：根据原始数据设计进行液压支架双伸缩式立柱的结构设计，进行各零件的三维建模与立柱的整体装配及运动仿真。双伸缩式立柱是一种推力液压缸。液压缸是液压系统中的执行元件，是液压系统中的核心部件，不同类型的液压缸组成零部件也不同，但其大致由缸体、活塞、活塞杆、缸底、缓冲装置、排气装置、支承座以及导向、密封、防尘装置等组成。根据设计的液压缸的使用要求不同可选择设计各零部件。 第 10 页 2.3 工况分析并确定液压缸参数2.3.1 支架的承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，包括初撑，承载增阻和恒阻三个阶段。如图 2.1（一）初撑阶段图 2.1 双伸缩式立柱工作曲线图在升架过程中，当支架的顶板接触顶梁，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控 单向阀立即关闭，这一阶段称为支架的初撑阶段，此时支架对顶板的支撑力为初撑力 支撑式支架的初撑力为： 式中 D支架立柱的缸径，mPb泵站的工作压力，MPa32104npDbc 第 11 页 n-支架立柱的数量。由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱的缸径和立柱的数量，合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层，减缓顶板下沉速度，增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的方法来提高初撑力，以免缸径过大。（二）承载增阻阶段支架初撑结后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。（三） 恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下降，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程，又由于安全阀的作用，支架的支撑力维护在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段，此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的，支撑式支架的工作阻力为 第 12 页 式中 Pa支架安全阀的调定压力，MPa其它意义同前。2.3.2.立柱负载分析及确定工作阻力为P=4000KN.立柱（液压缸）负载主要包括：初撑力、摩擦阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压阻力等。（1）：初撑力的大小是相对于工作阻力而言，并与顶板的性质有关。较大的初撑力可以使支架较快达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的 80%；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的 60%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力。本设计选支撑掩护式支架，综合考虑取其初撑力为工作阻力的 60%。所以，初定初撑力3104apn 第 13 页 Pc=400060%=2400 KN（2）摩擦阻力：由于液压缸的摩擦阻力相对于初撑力很小，故可忽略不计。（3）惯性阻力、重力：液压缸垂直布置，但其较重的一级缸及缸头安装在支架底座上面，且其工作时运动量很小，不属于快速往复运动型，故惯性阻力、重力可不以考虑。（4）密封阻力和背压阻力：将密封阻力考虑在液压缸的机械效率中去，取液压缸的机械效率为 0.9背压阻力是液压缸回油路上的阻力，初算时可不考虑，其数值在系统确定后才能定下来。依据上面分析可得液压缸工作曲线图，图 2.1曲线上的 t0,t1,t2,分别表示支架的初撑增阻和恒阻阶段的时间。2.3.3 初步确定液压缸参数表 2.1 液压缸内径系列： 第 14 页 液压缸内径系列（GB/T2348-1993）8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、 （90） 、100、 （110）125、 （140） 、160、 （180） 、200、 （220） 、250、 （280） 、320、 （360） 、400、 （450） 、500表 2.2 活塞杆直径系列：活塞杆直径系列（GB/T2348-1993）4、5、6、8、10、12、16、18、20、22、25、28、32、36、40、54、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360表 2.3 液压缸外径系列（GB/T2348-1993）：内径40 50 63 80 100 125 140 160 180 200 220 250 280额定压力MPa 外径16 50 60 76 95 121 146 168 194 219 24520 50 60 76 95 121 146 168 194 219 24525 50 60 83 102 121 152 168 194 219 24532 54 63.5 83 102 127 152 168 194 219 245（1）二级缸的内径和壁厚根据受力知道，只要满足二级缸受力，则一级缸定能满足， 第 15 页 于是由： 32104npDbc式中 D 支架立柱的缸径，mPb 泵站的工作压力，MPaN 支架立柱的数量。Pc 撑力得： =42400(3.1431.541000)23410PcDbnD=155.7mm根据表 2.1 缸筒内径系列（GBT2348-93） ，选二级缸内径=160mm2D壁厚的计算： maxmax/2.3pPP式中 壁厚最高允许压力。 1.5 （ 工作压力）maxPmaxn1.5 =1.531.5=47.25 MPan许用应力。 = n（n 安全系数）ppN 通常取 1.5-2.5，根据液压缸的重要程度 第 16 页 和工作压力等因素选取，工作压力大 n 可选取小一些。则取n=2， 缸筒材料的屈服强度，此取 45 号钢， =700 MPap p= n=700/2=350 MPap=47.25160/（2.3350-maxmax/2.3pPDP347.25）=11.377mm取 20mm则二级缸外径为 160+220=200mm验算：根据液压缸基本计算公式= =0.15756m26104dPFD261.05.314.8式中 F 理论推力 F= （效率） =0.5-0.7，取0F0.6。负载率取 0.8 。0活塞杆上实际受力，按最大受力记，取 1000KN FF=1000 0.6 0.8=480KNP 工作压力=31.5MPad 活塞杆直径符合要求。 第 17 页 （2）一级缸内径和壁厚留 20mm 作为二级缸与一级缸内壁距离，则一级缸内径D1=200+202=240mm壁厚maxmax/2.3pPP=47.25220/（2.3350-347.25）=15.62mm圆整 取 20mm依据表 2.3，一级缸外径为 240+220=280mm（3）初步确定活塞杆尺寸一级活塞即二级缸外壁，不用再确定，二级缸内壁为160mm，因此根据表 2.2 得二级活塞杆外径为 120mm,空心杆，内径为 80mm2.3.4 结构设计及强度验算一、缸筒的设计与计算缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔， 第 18 页 用以容纳压力油，同时它是活塞的运动“轨道” 。图 3.1 缸筒的技术参数1.缸筒的技术参数选择（如图 3.1 ）（1）缸体的材料：采用 45 钢，并应调质到241285HB；（2）技术要求： 缸体采用 H9 配合。表面粗糙并 Ra 为 0.10.4m，当活塞用活塞环密封时，Ra 为 0.20.4m；缸体内径 D 的圆度、圆锥度、圆柱度公差不大于内径公差之半选取； 缸体端面 T 的垂直度公差值可按 7 级精度选取；为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内应镀以厚度为3040m 的铬层，镀后进行珩磨或抛光（3）安全系数：查表取安全系数： n3，查表得 45 号钢的材料的抗拉强度 b530Mpa，则：材料的许用应力：50=176.Mpa3bn2.一级缸筒的尺寸参数选择（1）缸筒内径的确定 第 19 页 由前面计算得到：一级缸筒内径 D1240缸筒壁厚为 20mm15.62mm。满足。由于缸筒壁厚由强度公式计算而来，所以缸体壁厚无需校核。二、一级缸体的结构设计与连接强度计算缸筒的两端分别和缸盖和缸底相连，构成密闭的压力腔，因而它的机构形式和缸盖及缸底密切相关。缸筒是液压缸的主体，其余零件装配其上，它的结构形式对加工和装配有很大影响，因此其结构应尽量便于装配、拆卸和维修。（1）结构形式 此液压缸用于液压支架装置中，主要为矿上所用，且缸内径 D200，额定压力 PN25Mpa，所以采用缸筒和缸底及端盖的连接方式为：缸筒和缸底采用焊接连接，缸筒和端盖采用内卡环连接。这样，液压缸的零件较少的暴露在外面，外形尺寸相对较小，能满足环境恶劣时的使用要求。 （2）连接强度计算焊接强度的计算（如图 3.2）2218013.483.146.74PMpaD式中： P 液压缸的最大压力（N） ； 第 20 页 D1 缸筒的外径（m） ；D2 焊缝底径（m） ； 焊接效率，一般取 =0.7。显然， b/n ，满足条件； b缸体材料的抗拉强度，n材料的安全系数。卡环连接强度计算（如图 3.3）卡环 A-A 截面上的剪应力为： 33801240.84PDMpaL图 3.2 缸底焊接及尺寸图 图 3.3 端盖内卡环连接示意图 1.缸壁；2.缸底 卡环 ab 侧面的挤压应力为：23326801409.41PDMpah可知，满足强度要求。 第 21 页 缸筒危险截面（AA）的拉应力为： 2332261801401.97PDMpah式中： P 液压缸的最大出力 N；D1 缸筒外径 m；D 缸筒内径 m；h 卡环厚度 m，取 h(缸壁厚度)；L 卡环宽度 m，取 h L。满足强度要求。三、二级缸体的结构设计与连接强度计算与上面一级缸体的结构设计与连接强度计算一样，只不过缸体上的活塞也用卡环固定，需再加一步计算。前端盖卡环连接强度计算（如图 3.3）卡环 A-A 截面上的剪应力为： 3380160.24PDMpaL卡环 ab 侧面的挤压应力为： 2332680106.1PpahD由上可知，满足强度要求。 第 22 页 缸筒危险截面（AA）的拉应力为： 233226180107.561PDMpah式中： P 液压缸的最大出力 N；D1 缸筒外径 m；D 缸筒内径 m；h 卡环厚度 m，取 h(缸壁厚度)；L 卡环宽度 m，取 h L。由上可知，满足强度要求。活塞固定卡环连接强度计算如图 3.4 所示图 3.4 活塞固定卡环连接计算图1活塞，2卡坏，3轴套，4二级缸体，5挡圈卡环 A-A 截面上的剪应力为： 3380160.24PDMpaL卡环 ab 侧面的挤压应力为： 2332680106.1PpahD 第 23 页 由上可知，满足强度要求。缸筒危险截面（AA）的拉应力为： 233226180107.561PDMpah式中： P 液压缸的最大出力 N；D1 缸筒外径 m；D 缸筒内径 m；h 卡环厚度 m，取 h(缸壁厚度)；L 卡环宽度 m，取 h L。满足强度要求。2.3.5 活塞杆的设计与计算1、一级活塞杆即二级缸体，已设计完毕，2、二级活塞杆尺寸的确定（1）由前文计算可知，可以确定活塞杆直径为 d=140。（2）活塞杆具体长度的确定（结合装配图）3、活塞杆形式和材料及技术要求取活塞杆的形式为：空心活塞杆，材料为 45 钢。活塞杆得技术要求：（1）活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度 第 24 页 229285HB；淬火处理，淬火深度 0.51（2）活塞杆 d 和 d1的圆度公差值，按 9 或 10 级精度选取；（3）活塞杆 d 的圆柱度公差值，按 8 级精度选取；（4）活塞杆 d 对 d1的径向跳动公差值，为 0.01mm；（5）端面 T 的垂直度公差值，按 7 级精度选取；（6）活塞杆上下工作表面的粗糙度为 Ra0.63m，表面镀铬，镀层厚度约为 0.05mm,镀后抛光以提高耐磨性和防锈性。4、活塞杆强度校荷见整体强度校荷一节中的活塞杆强度校荷5、活塞杆的结构设计（1）活塞杆和活塞的连接液压系统为中压系统，本着满足方便安装、连接强度高等要求，选择卡环式连接，前面已做计算。 （2）二级活塞杆端部和负载的移动机构相连接，考虑到液压缸工作时轴线固定不动，可采用焊接连接一耳环，作圆周运动，如图 4.1 图 4.1 光杆耳环示意图 第 25 页 活塞杆外径 120mm，取内径 80mm， 螺孔头具体尺寸如表 4.1表 4.1 螺孔头尺寸公称直径 D、d第一系列第二系列第三系列螺距P中径或2pd小径 或1D6 96.103 93.5054 97.402 95.6703 98.051 96.7522 98.701 97.8351001.5 99.026 98.3762.3.6 活塞的设计与计算1、活塞的结构形式根据液压缸使用的情况（密封、有无导向环等） ，选用有导向环形活塞，具体结构形式如图 4-9 所示。2、活塞的材料及技术要求查表可选“有导向环活塞”的材料为 45 号钢，外加导向环。 第 26 页 技术要求（如图 4-10）： （1）活塞外径 D 对内径 D1的径向跳动公差值，按 7、8 级精度选取。（2）端面 T 对内孔 D1轴线的垂直度公差值，应按 7、8 级精度选取。（3）外径 D 的圆柱度公差值，按 8、9、或 10 级精度选取。3、一级活塞的尺寸的确定根据以往经验，可取活塞的宽度一般为活塞外径的 0.61.0倍，这里取活塞宽度为活塞外径的 0.8 倍，即。0.8.7240168hDcm图 5-1 活塞的密封和导向 图 5-2 活塞技术参数 第 27 页 1.Yx 型密封圈；2.导向环；3.活塞；4.缸壁 4、二级活塞的尺寸的确定密封和导向和活塞技术参数与一级相同，宽度 20.8.71602hDcm2.3.7 导向套的设计与计算（一） ，一级缸导向套在活塞往复运动中启导向支承作用，导向套的性能的好坏对液压缸的性能有很大的影响。1.最小导向长度及中隔圈长度的确定当活塞杆全部伸出时，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 H ，如图 6-1 所示图 6-1 导向长度示意图一般情况， 最小导向 长度应满足下面要求： 第 28 页 ，即 (m)20LDH10.2.16 mH式中： L 最大工作行程（m） ；D 缸筒内径（m） ；因为缸径大于 80，所以算导向套滑动面的长度 A 为：(0.6 1).80.16=.28 mAd导向套的长度为： ，这里取 b 2/3(/).7b=110mm，以满足要求。由于液压缸的行程长度较大，一个导向套不能满足要求，增加导向套会增加系统摩擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足够的支承长度，通常支承长度应满足：即：m2GdLD0.2+3 mGL一般情况，当行程长度超过缸筒内径的 8 倍时，可装一个长度为 100mm 的中隔圈；超过部分每增加 700mm，中隔圈的长度即增加 100mm。由于此液压缸的行程要求 1000mm，缸筒内径为 220mm，由于 倍。所以不用加装中隔圈。1024.17根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相对滑动少，磨损也少，所以取端盖结合导向支撑环 第 29 页 的方式导向，这里取端盖的 h=140mm，导向支撑长度为具体布置见工程图。40lm（二）二级缸一般情况， 最小导向长度应满足下面要求：，即 (m)20LDH0.716.5 m2H式中： L 最大工作行程（m） ；D 缸筒内径（m） ；因为缸径大于 80，所以算导向套滑动面的长度 A 为：(0.6 1).80.14=.2mAd导向套的长度为： ，这里取 b 2/3(/)93.8b=100mm，以满足要求。由于液压缸的行程长度较大，一个导向套不能满足要求，增加导向套会增加系统摩擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足够的支承长度，通常支承长度应满足：即：m2GdLD0.146+.23 mGL一般情况，当行程长度超过缸筒内径的 8 倍时，可装一个 第 30 页 长度为 100mm 的中隔圈；超过部分每增加 700mm，中隔圈的长度即增加 100mm。由于此液压缸的行程要求 1000mm，缸筒内径为220mm，1000/160=6.25 接近 8 倍，但是二级缸不完全伸出，不用加装中隔圈即可满足强度要求。根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相对滑动少，磨损也少，所以取端盖结合导向支撑环的方式导向，这里取端盖的长度 h=123mm，导向支撑长度为，具体布置见工程图。30lm2.3.8 端盖和缸底的设计与计算1、端盖的设计有活塞杆通过的缸盖叫端盖，无活塞杆通过缸盖的叫缸头或缸底。缸盖的设计主要考虑活塞杆的导向、密封、防尘等问题。 第 31 页 图 7-1 端盖示意图 图 7-2 油口示意图2、端盖的材料和技术要求（如图 7-1）缸盖材料采用 45 号锻钢。技术要求：（1）直径 D、D2、D3 的圆柱度公差应按 9、10、11 级精度选取； （2）D2、D3 与 d 同轴度公差值为 0.03mm；（3）端面 A、B 与直径 d 轴心线的垂直度公差值按 7 级精度选取；（4）导向孔的表面粗糙度 Ra1.25m3、液压缸缸底的材料：采用 35 号钢。4、液压缸缸底尺寸的确定（如图 7-3）选择缸底形状为球面有油口型，材料为 35 钢，计算如下：031.520.40.43.40. .629PyDh md 第 32 页 取 h=70mm，以满足形状及强度要求。式中：Py试验压力，Mpa.工作压力 P 16Mpa 时， Py = 1.5P；P16Mpa 时， Py = 1.25P；D液压缸的内径，m；d 油口直径（见图 7-2） ，m； 材料的许用应力，Mpa = =104MPa bn520b缸体材料的抗拉强度，Mpa， 35 号钢为 b 520Mpa； n 材料的安全系数，取 n5。 7-3 液压缸缸底示意图2.3.9 其他零件的设计与计算 1.油口的设计与计算（1）液压缸油口的连接形式 采用焊接连接，直接焊接在缸筒上。 （2）液压缸油口直径的计算（图 7-2） 第 33 页 根据需要缸底，二级缸前端和二级活塞杆各有一油口 油口的计算根据活塞的最高运动速度和油口的最高液流速度计算如下：缸底油口 (A 口) 004.13.1320.3vdALm二级缸前端（B 口）004.13.1360.2vdL二级活塞杆前端（C 口）004.13.130.15vdALm式中： d0油口直径，mm；D缸筒的内径，m；v液压缸的最大输出速度， v =4m/min；v0油口液流速度，m/s；通常取油口液流速度为 2.55m/s。表 8-1 液压缸油口尺寸系列（ISO-8137）缸内径 D EC EE EA ED 第 34 页 Min05.12.100、125 M33 220 35.3 M8 1.25160、200 M42 2 25 43.8 M10 1.5250、320 M50 2 32 51.6 M12 1.75400、500 M60 238 60 M14 2根据计算，据表 8-1（机械设计手册表 20625）得油口 EC EEA M422 01.52B M422 .C M502 01.532.挡圈的设计选择根据设计要求，查表选弹性挡圈 A 型（GB/T 894.1-1986） ，材料：62Mn，热处理4451HRC， 表面氧化处理。如图 8-1 所示。一级缸端盖用挡圈：孔用切口 第 35 页 式密封挡圈。孔径 250。 8 8-1 挡圈示意图D= 0.175926d= .034T= .5 二级缸端盖用挡圈：孔用切口式密封挡圈。孔径=170D= d= T= 0.61570.81562.501 一级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径 200D= d= T=0.175920.9. 一级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径 200D= d= T=0.17590.912.501二级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径=120D= d= T= 0.61530.415.3.轴套的设计与计算 轴套的尺寸由挡圈和卡环决定，一般取其截面的长、宽分别为卡环、挡圈的长、宽的二倍（活塞固定用） ；端盖用轴套的尺寸由卡环决定。定位轴套由行程决定。具体见零件图2.3.10 液压缸的密封、防尘、 导向的选择 第 36 页 1、端盖和活塞杆的密封、防尘活塞杆在端盖中作往复运动，其密封属于动密封，且液压缸工作压力大于 16Mpa，挡圈用 J 形防尘圈的密封方式，如图 9-1，9-2采用 Yx 形密封圈、特点：密封性能可靠，摩擦阻力小，运动平稳，耐压性好，适用压力范围广，结构简单，成本低，安装方便。如图 9-3。图 9-2 J 型防尘圈 第 37 页 图 9-3 Yx 密封圈轴用（一级活塞）Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ426586）选择，密封圈代号：Yx形密封圈 d190（ d =190 、 H =18、 H1 =16 ）材料：聚氨酯3 轴用（二级活塞）： Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ426586）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈 d125（ d =125 、 H =14、 H1 =12.5）材料：聚氨酯3。 孔用（一级缸）Yx 密封圈：查手册（根据 JB/ZQ426586）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈 d200（ d =200 、 H =18、 H1 =16）材料：聚氨酯3；挡圈规格：、， 、 T =20.15，材料：聚四0.79md0.75192 mD氟乙烯；防尘圈代号：J 形防尘圈 200， d1 =201.51.2、 d2 =195.51.2、 D1 =234.51.2mm、 H =15mm 第 38 页 （允许公差-0.7） 、h=7.5mm（允许公差-0.5）,材料：聚氨酯橡胶。孔用（二级缸）：Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ426586）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈 d120（ d =120 、 H =14、 H1 =12.5）材料：聚氨酯3；挡圈规格：、 ， 、 T =20.15，材料：聚四0.71md0.6152 mD氟乙烯；防尘圈代号：J 形防尘圈 120， d1 =121.50.8、 d2 =115.50.8、 D1 =154.50.8mm、 H =15mm（允许公差-0.7） 、h=7.5mm（允许公差-0.5）,材料：聚氨酯橡胶。2.端盖和缸筒的密封端盖和缸筒连接在一起，其密封属于静密封，如图 9-4 所示，这里采用 O 型密封圈加挡圈的密封方式，挡圈的作用是防止密封圈被挤压损坏。查手册（根据 GB3452.192）取 O 形密封圈尺寸为： ，125Dm， ；270.15dm9.3b8， ， ；由于36增加了挡圈，其密封槽分别为、 ，密封圈材料为：12.bm9b 第 39 页 耐油通用橡胶 I-4。 查手册（根据 ZB/ZQ426588）： 图 9-4 端盖和缸体的密封取挡圈的规格为 1 挡圈、2 O 型密封圈、3 卡环d =85mm； T1.354.35mm，材料为：聚四氟乙烯。 3.活塞和活塞杆的密封活塞和活塞杆连接在一起左往复运动，属于静密封，可采用 O 形密封圈结合挡圈的密封方式（如图 9-7） 图 9-5O 型圈尺寸图 图 9-6 挡圈的尺寸图4. 活塞和缸筒的密封活塞在缸筒中作往复运动，其密封属动密封，可选择 Yx 形密封圈查手册（根据 JB/ZQ426486）得 Yx 形密封圈的型号为：Yx 形密封圈 D125（ D =125、 H =14、 H1 =12.5，沟槽长度为 16mm，深度为 10mm，材料为：聚氨酯-4。 第 40 页 2.3.11 液压缸弯曲稳定性验算液压缸运动过程中会产生偏心，有绕度。当液压缸支撑长度 Lb(10-15)d 时需验算活塞杆弯曲稳定性，如图 10-1图 10-1 液压缸弯曲示意图=2510 80=31.375 所以本设计需验算弯曲稳定性。bLd按工作方式推力与支撑的反作用力不完全处在轴线上，受偏心力。此为二级液压缸，近似简化为一级缸验算，受力过程如图 10-2 所示。两端