挖掘机动臂缸的设计工科类毕业设计.doc

目 录引言.1第1章 绪论1.1 挖掘机简介71.2 本设计的主要内容11第2章 液压缸2.1 液压缸简介132.2 液压缸类型132.3 液压缸工作原理152.4 液压缸的组成16第3章 液压系统设计3.1 液压系统的确定203.2 液压系统的设计要求213.3 液压缸的设计计算21 3.3.1 液压缸设计计算步骤21 3.3.2 液压缸类型及安装方式的确定22 3.3.3 液压缸的主要性能参数-挖掘机动臂缸设计22 3.3.4 各零部件的设计及验算23第4章 液压系统保养4.1 挖掘机液压系统的保养39致谢40参考文献 41挖掘机动臂缸设计内容摘要:本文主要介绍挖掘机动臂缸的设计。挖掘机动臂缸的设计包括了系统工作压力的确定、液压缸活塞直径的确定和活塞杆直径的确定、液压缸壁厚和外径的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定以及活塞杆稳定性的验算。本文结合传统设计和计算机辅助工程技术，先依据经验公式计算，确定了液压缸安装方案，设计了液压缸活塞及活塞杆尺寸参数，校核了匹配的连接螺栓；完成了液压缸的设计计算。然后利用AutoCAD辅助设计平台，完成了液压缸所有零件的二维。通过分析的数据校核了先前的设计，同时为进一步优化设计和系列化设计提供了依据。 关键词:动臂缸，挖掘机， AutoCADThe design of hydraulic cylinderContent abstract:This design is mainly introduced the design of the excavator hydraulic cylinder. The design of the excavator hydraulic cylinder including ensure pressure system of the hydraulic cylinder piston, piston rod diameter and the diameter and wall thickness and diameter of hydraulic cylinder cylinder, the thickness of the calculation of the length, and the cylinder piston rod stability of calculation. In this thesis, by the use of traditional design and computer-aided engineering（CAE）, firstly based on experience of the formula calculation to determined the installation scheme of the hydraulic cylinder, design size parameters of hydraulic cylinder piston and piston, Check the matching of connecting bol.;complete the design and calculation of hydraulic cylinder. Then by the use of AutoCAD platform, Complete all parts of the hydraulic cylinder 2d.The analysis data verificated the previous design, at the same time ,applied references for further Optimal Design and Series Design.Keywords: The hydraulic cylinder, excavator，AutoCAD引 言第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。第一台液压挖掘机由法国波克兰工厂发明成功。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。 常见的挖掘机结构包括，动力装置，工作装置，回转机构，操纵机构，传动机构，行走机构和辅助设施等。 从外观上看，挖掘机由工作装置，上部转台，行走机构三部分组成。 根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。 工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。 回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地， 也可改用电动机。 传动机构通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种作业。 最初挖掘机是手动的，从发明到现在已经有一百三十多年了，经历了蒸汽驱动，电力驱动，和内燃机驱动等多种驱动方式。 在20世纪40年代以后，液压技术在挖掘机上得到应用，20世纪50年代研制出了今天人们常见的履带式全液压挖掘机。 中国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台斗容量为1立方米的机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研制开发和发展提高等三个阶段。 新中国成立初期，以测绘仿制前苏联20世纪3040年代的W501.W502.W1001.W1002等型机械式单斗挖掘机为主，开始了中国的挖掘机生产历史。由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。1967年开始，中国自主研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的WYl00型、贵阳矿山机器厂的W4-60型、合肥矿山机器厂的WY60型挖掘机等。随后又出现了长江挖掘机厂的WYl60型和杭州重型机械厂的WY250型挖掘机等。它们为中国液压挖掘机行业的形成和发展迈出了极其重要的一步。 到20世纪80年代末，中国挖掘机生产厂已有30多家，生产机型达40余种。中、小型液压挖掘机已形成系列，斗容有0.12.5 立方米等12个等级、20多种型号，还生产0.5-4.立方米以及大型矿用10立方米、12立方米机械传动单斗挖掘机，1立方米隧道挖掘机，4立方米长臂挖掘机，1000立方米/h的排土机等，还开发了斗容量0.25立方米的船用液压挖掘机，斗容量0.4立方米、0.6立方米、0.8立方米的水陆两用挖掘机等。但总的来说，中国挖掘机生产的批量小、分散，生产工艺及产品质量等与国际先进水平相比，有很大的差距。 改革开放以来，积极引进、消化、吸收国外先进技术，以促进中国挖掘机行业的发展。其中贵阳矿山机器厂、上海建筑机械厂、合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂等分别引进德国利勃海尔(Liebherr)公司的A912.R912.R942.A922.R922.R962.R972.R982型液压挖掘机制造技术。稍后几年，杭州重型机械厂引进德国德玛克(Demag)公司的H55和H85型液压挖掘机生产技术，北京建筑机械厂引进德国奥加凯(0&K)公司的RH6和MH6型液压挖掘机制造技术。与此同时，还有山东推土机总厂(其挖掘机生产基地改名为山重建机有限公司，包括STRONG和JCM两个品牌)、黄河工程机械厂、江西长林机械厂、山东临沂工程机械厂等联合引进了日本小松制作所的PC100、PC120.PC200、PC220.PC300、PC400型液压挖掘机(除发动机外)的全套制造技术。这些厂通过数年引进技术的消化、吸收、移植，使国产液压挖掘机产品性能指标全面提高到20世纪80年代的国际水平，产量也逐年提高。由于国内对液压挖掘机需求量的不断增加且多样化，在国有大、中型企业产品结构的调整，牵动了一些其他机械行业的制造厂加入液压挖掘机行业。 第1章 绪论1.1 挖掘机简介挖掘机，又称挖掘机械（excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土石方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，其正确的选型也就显得更为重要。 以下是常见挖掘机的分类： 挖掘机分类一：常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。 挖掘机分类二：按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。 挖掘机分类三：按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。 挖掘机分类四：按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别 挖掘机分类五：按照铲斗来分，挖掘机又可以分为正铲挖掘机、反铲挖掘机拉铲挖掘机和抓铲挖掘机。正铲挖掘机多用于挖掘地表以上的物料，反铲挖掘机多用于挖掘地表以下的物料。 反铲挖掘机反铲式是我们见过最常见的，向后向下，强制切土。可以用于停机作业面以下的挖掘，基本作业方式有：沟端挖掘、沟侧挖掘、直线挖掘、曲线挖掘、保持一定角度挖掘、超深沟挖掘和沟坡挖掘等。 反铲挖掘机正铲挖掘机正铲挖掘机的铲土动作形式。其特点是“前进向上，强制切土”。正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度大于2m的干燥基坑，但须设置上下坡道。正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，可开挖含水量不大于27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业，还可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正铲挖土机的开挖方式根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种：正向挖土，侧向卸土；正向挖土，反向卸土。 正铲挖掘机操作重量操作重量是挖掘机三个重要参数（发动机功率，铲斗容量，操作重量）之一 操作重量决定了挖掘机的级别，决定了挖掘机挖掘力的上限。 挖掘力 m ´工作重量 m：地面和履带间的附着力系数 如果挖掘力超过这个极限，在反铲的情况下，挖掘机将打滑，并被向前拉动，这非常危险。在正铲情况下，挖掘机将向后打滑。 挖掘力对于挖掘力来说，挖掘力主要分为小臂挖掘力和铲斗挖掘力。 两个挖掘力的作用点均为铲斗的齿根（铲斗的唇边），只是动力不同，小臂挖掘力来自小臂油缸；而铲斗挖掘力来自铲斗油缸。 铲斗挖掘力小臂挖掘力接地比压接地比压的大小决定了挖掘机适合工作的地面条件。 接地压力指机器重量对地面产生的压力，用下面的公式表示： 接地比压=工作重量全部与地面接触的面积 第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机，应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快(见表1-1)，产量猛增。19681970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83%，目前已接近100%。 工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本等是斗容量3.5-40单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150的剥离用挖掘机，斗容量132的步行式拉铲挖掘机；B-E(布比赛路斯一伊利)公司生产的斗容量168.2的步行式拉铲挖掘机，斗容量107的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。 从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。 1)开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅0.01。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低噪声、水下专用和水陆两用挖掘机等。 2)迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好前提。 3)重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯一贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS(计算机辅助功率系统)，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的FJ系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助的功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯(O&K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神钢公司在新型的904.905.907.909型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作；德国利勃海尔公司开发了ECO(电子控制作业)的操纵装置，可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型B系统挖掘机上采用最新的3114T型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。韩国大宇公司在DH280型挖掘机上采用了EPOS电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 4)更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性信息处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%95%，使用寿命超过1万小时。 5)加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。 6)进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时用增大流量来补偿，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量(降低速度)，使挖掘力成倍增加；采用三回路液压系统。产生三个互不影响的独立工作运动。实现与回转机构的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。 7)迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机噪音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电液一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。 8)更注重环境保护，CAT、小松等厂家纷纷推出满足三次排放要求的挖掘机。 编辑本段全液压全回转挖掘机现今的挖掘机占绝大部分的是全液压全回转挖掘机。 1.2 本设计的主要内容本设计的主要内容是对挖掘机的动臂缸的设计。液压缸的设计包括了系统工作压力的确定、液压缸活塞直径的确定和活塞杆直径的确定、液压缸壁厚和外径的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定以及活塞杆稳定性的验算。 第2章 液压缸2.1 液压缸简介液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。2.2 液压缸的类型根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型：2.2.1 活塞式单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。图2-1 单杆活塞式液压缸2.2.2.柱塞式（）柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重； （）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸； （）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度； （）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。图2-2 柱塞式液压缸2.2.3.伸缩式伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。图2-3 伸缩式液压缸2.2.4.摆动式摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向， 叶片将带动转子作往复摆动。图2-4 摆动式液压缸2.3 液压缸工作原理液压传动原理以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力。1、动力部分将原动机的机械能转换为油液的压力能（液压能）。2、执行部分将液压泵输入的油液压力能转换为带动工作机构的机械能。 3、控制部分用来控制和调节油液的压力、流量和流动方向。4、辅助部分将前面三部分连接在一起，组成一个系统，起贮油、过滤、测量和密封等作用。在一定体积的液体上的任意一点施加的压力,能够大小相等地向各个方向传递.这意味着当使用多个液压缸时,每个液压缸将按各自的速度拉或推,而这些速度取决于移动负载所需的压力。 在液压缸承载能力范围相同的情况下,承载最小载荷的液压缸会首先移动,承载最大载荷的液压缸最后移动。 为使液压缸同步运动,以达到载荷在任一点以同一速度被顶升,一定要在系统中使用控制阀或同步顶升系统元件。2.4 液压缸的组成 从上面所述的液压缸典型结构中可以看到，液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分，分述如下。(1)缸筒和缸盖。一般来说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力p10MPa时，使用铸铁；p20MPa时，使用无缝钢管；p20MPa时，使用铸钢或锻钢。图2-5所示为缸筒和缸盖的常见结构形式。图2-5(a)所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图2-5(b)所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图2-5(c)所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图2-5(d)所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图2-5(e)所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。图2-5缸筒和缸盖结构(a)法兰连接式(b)半环连接式(c)螺纹连接式(d)拉杆连接式(e)焊接连接式1缸盖2缸筒3压板4半环5防松螺帽6拉杆 (2)活塞与活塞杆。可以把短行程的液压缸的活塞杆与活塞做成一体，这是最简单的形式。但当行程较长时，这种整体式活塞组件的加工较费事，所以常把活塞与活塞杆分开制造，然后再连接成一体。图2-6所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式。图2-6(a)所示为活塞与活塞杆之间采用螺母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图2-6(b)和(c)所示为卡环式连接方式。图2-6(b)中活塞杆5上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。图2-6(c)中的活塞杆，使用了两个半圆环4，它们分别由两个密封圈座2套住，半圆形的活塞3安放在密封圈座的中间。图2-6(d)所示是一种径向销式连接结构，用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。图2-6常见的活塞组件结构形式3)密封装置。 液压缸中常见的密封装置如图2-7所示。图2-7(a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-7(b)所示为密封圈密封，它依靠套在活塞上的抗磨环 (夹布酚醛塑料或其他高分子材料制成)在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图2-7(c)、图2-7(d)所示为密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。图2-7密封装置(a)间隙密封(b)摩擦环密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封 (4)缓冲装置。 液压缸一般都设置缓冲装置，特别是对大型、高速或要求高的液压缸，为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，则必须设置缓冲装置。缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。如图2-8(a)所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。当缓冲柱塞进入配合孔之后，油腔中的油只能经节流阀1排出，如图2-8(b)所示。由于节流阀1是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图2-8(c)所示，在缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。图2-8液压缸的缓冲装置1节流阀(5)放气装置。 液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。一般可在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置如图2-9(a)所示的放气孔或专门的放气阀见图2-9(b)、(c)。图2-9放气装置1缸盖2放气小孔3缸体4活塞杆第3章 液压系统的设计3.1 液压系统的确定按照液体流动的循环方式不同，液压系统可以分为开式循环系统和闭式循环系统两种。闭式循环系统结构紧凑，油路封闭，运动平稳。但是其结构复杂，散热条件差，为补偿油液泄露和进行油液更新及冷却必须设置完整的补油系统，油液过滤精度要求也较高。开式循环系统结构简单，又可以很好的再油缸中进行冷却和沉淀杂质，散热条件好。适用于多个液动机进行并联的情况，也适用与定量油泵、节流调速的液压系统。 系统结构图如图所示：图3-1液压系统结构图液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。3.2 液压系统的设计要求1）对挖掘机液压系统的要求液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行，必须从实际出发，有机的结合各种传动形式，充分的发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维护方便的液压系统。1） 在工作的过程中要求运动平稳，但对速度没有精确要求。2） 在系统出现问题压力不足的情况下，制动器可以自动抱死电动机。2）初选系统的工作压力 压力的选择要根据载荷的大小和设备的类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，反之压力选的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高成本。就是说液压系统，必须结合机器在特定的使用条件下其性能稳定，安全可靠，调速方便、便于拆装、造价便宜，要全面做到这些也绝非易举，是要有实践经验和对同类挖掘机具有全面的了解，然后参考下表：表3-1 各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械液压机磨床组合机床龙门刨床拉床小型机械重型机械工作压力/MPa0.82352881010182032选取挖掘机的液压系统的工作压力为31.4MPa。3.3 液压缸的设计计算3.3.1 液压缸设计计算步骤1） 根据主机的运动要求，按表选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表选择液压缸的安装方式。2） 根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。如液压缸的推力、速度、作用时间、内径、行程和活塞杆直径等。3） 根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计。如缸体壁厚、缸盖结构、密封形式、排气与缓冲等。4） 液压缸性能的验算。3.3.2 液压缸类型及安装方式的确定工作时液压缸要求可以双向运动产生推拉力。故此我们选用单活塞杆双作用液压缸。根据液压缸工作压力的大小，选用拉杆型液压缸。3.3.3 液压缸的主要性能参数-挖掘机动臂缸设计液压缸的主要尺寸为缸筒内径、活塞杆直径和缸筒长度等。 设计提要 液压油缸主要参数给定缸内径：D=125mm；缸外径：=152mm；壁厚：=27mm；极限推力：=200000N；速比：=1.73；活塞杆直径：=85mm；法兰厚：h=54mm；、法兰连接方式结构简单，容易加工，也容易装拆、缓冲机构的选用工作压力为31.4MP，一般承压在10MP以上应当选用缓冲机构，本次设计中需要装暖冲套。 、密封装置选用选用U型密封圈和抗摩环，聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）材料联合使用，达到良好的密封效果。、工作介质的选用因为工作在常温下，所以选用普通的是油型液压油即可。、液压缸的装配装配前必须用煤油对各零件仔细清洗；要正确安装各处的密封装置：安装形密封圈时，首先要用煤油将密封件清洗干净，其次要注意其安装方向，避免因装反而漏油，其唇边应对着有压力的油腔。此外，因为是U形密封圈，所以还要注意区分是轴用还是孔用，不要装错；由于密封装置与滑动表面配合，装配时应涂以适量的液压油； 螺纹联接件拧紧时应使用专用扳手，扭力矩应符合标准要求；活塞与活塞杆装配后，须设法测量其同轴度和在全长上的直线度是否超差；装配完毕后活塞组件移动时应无阻滞感和阻力大小不匀等现象。3.3.4 各零部件的设计及验算1、缸筒设计、缸筒结构的选择连接方式如下图3-1： 图3-2 缸筒结构连接方式选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊接方式连接。其优点是结构简单，易选取、易装卸；缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。、缸筒的要求有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。、缸筒材料的选取及强度给定部分材料的机械性能如下表3-2：缸筒常用无缝钢管材料机械性能材料%2042025025305003002835540320174561036014157505002627100085012309508001235100085012 表3-2 机械性能本次设计选取45号钢从表中可以得到：缸筒材料的屈服强度=360MP；缸筒材料的抗拉强度=610MP；现在利用屈服强度来引申出：缸筒材料的许用应力=/n=360/3=120MP。其中n=3是选取的安全系数，来源于下表3-3：液压缸的安全系数材料名称静载荷交变载荷冲击载荷不对称对称钢，锻铁35812表3-3 液压缸的安全系数、缸筒的计算（一）、液压缸的效率油缸的效率由以下三种效率组成：（A） 机械效率，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取 0.9（B） 容积效率，由各密封件泄漏所造成，通常容积效率为：装弹性密封圈时 1装活塞环时 0.98（C） 作用力效率为，由出油口背压所产生的反作用力而造成。=0.9=1=0.9=所以总效率为0.81。（二）、液压缸缸径的计算内径D可按下列公式初步计算：液压缸的负载为推力： D=（m）（3.3-1）液压缸的负载为拉力 D=（m）（3.3-2）注：液压缸其缸筒内径D由式23.3-2计算。式中 、-液压缸实际使用推力，拉力（N）； -液压缸的负载率 一般取=0.5-0.7； -液压缸的总效率 一般取=0.7-0.9； -液压缸的供油压力，一般为系统压力。（）； d活塞缸直径（m）。=200000N =0.7=0.81P=31.4MP根据式（3.3-1）、（3.3-2）得到内径：D=119.625mm缸径可以取为125mm。（三）、缸筒壁厚的计算1） 液压缸结构参数的计算液压缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、油口直径、缸底厚度、缸头厚度等。1、 缸筒壁厚的计算缸筒的材料：45号钢 按厚壁筒计算 对于中高压系统，液压缸厚度一般按厚壁筒计算。当缸体材料由脆性材料制造时，缸筒厚度应按第二强度理论计算 按公式代入数据，求得=0.014m=14mm 2、 缸体外径的计算 式中 -缸体外径（m）按公式代入数据，求得=153mm（四）、缸筒壁厚的验算下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：（A） 液压缸的额定压力值应低于一定的极限值，保证工作安全： 0.35（）（3.3-3）根据式23.37得到：38.5MP显然，额定油压P=31.4MP，满足条件；（B） 为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力值应与塑性变形压力有一定的比例范围： （0.550.62）（）（3.3-4） 2.3（）（3.3-5）先根据式3.35得到：=65.58MP再将得到结果带入3.34得到：36.07MP显然，额定油压P=31.4MP，满足条件；（C） 为了确保液压缸安全的使用，缸筒的爆裂压力应大于耐压试验压力： =2.3（）（3.3-6）因为=610已经在选择缸筒材料的时候给出，根据式3.36得到： =111.12至于耐压试验压力应为： =1.5P=47.1依据为：耐压试验压力，是液压缸在检查质量时需承受的试验压力。在规定时间内，液压缸在此压力下，全部零件不得有破坏或永久性变形等异常现象。 当额定压力32时 =1.5 （） （3.3-7）因为爆裂压力远大于耐压试验压力，所以完全满足条件。以上所用公式中各量的意义解释如下：式中 D缸筒内径（m）； -缸筒外径（m）； -液压缸的额定压力（）； -缸筒发生完全塑性变形的压力（）； -液压缸耐压试验压力（）； -缸筒发生爆裂时压力（）； -缸筒材料的抗拉强度（）； -缸筒材料的屈服强度（）； E缸筒材料的弹性模数（）； 缸筒材料的泊桑系数 钢材：=0.3（五）、缸筒的加工要求缸筒内径D采用H7级配合，表面粗糙度为0.16，需要进行研磨；热处理：调制，HB240；缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半；刚通直线度不大于0.05mm；油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺；在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。1) 液压缸的联接计算1、 缸盖联接计算缸盖联接采用焊接联接：液压缸缸底采用对焊时，焊缝的拉应力为式中 F-液压缸输出的最大推力（N） D-液压缸直径（m） P-系统最大工作压力（Pa） -液压缸外径(m) -焊缝底径（m） -焊接效率，通常取=0.7已知： F=200000N；=150mm=0.15m；=0.135m; =0.7按公式代入数据，求得=85.14MPa2、 法兰设计、（缸盖端部）法兰厚度计算法兰厚度根据下式进行计算：h= （m） （3.3-8）式中 F法兰在缸筒最大内压下，所承受的轴向力（N）； 法兰外圆半径（m）。 其余符号代表的意义. 图3-3缸筒端部法兰厚度首先来计算法兰在最大内压的情况下受到的压力F：活塞的面积是：=113.04缸壁厚度计算中得出最大压强：=31.41.5=47.1MP所以法兰承受的最大压力为：F=532418.4N接下来选取其它参数：=88mm=18mmb=15mm许用应力在选取材料的时候给出：=/n=360/3=120MP将以上各量带入式3.38得到：h=34.76mm为保证安全，取法兰厚度为42mm。、（缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算连接图如下： 图3-4缸筒端部法兰用螺钉连接 1-前端盖；2-缸筒螺栓强度根据下式计算：螺纹处的拉应力 = （）（3.3-9）螺纹处的剪应力 =（）（3.3-10）合成应力 =（）（3.3-11） 最大推力为：F=200000N使用12个螺栓紧固缸盖，即：Z=12螺纹外径和底径的选择：=16mm =15.4mm系数选择：考虑到载荷可能有变化，为了安全，选取：K=3 =0.12式中 F缸筒端部承受的最大推力（N）； D缸筒内径（m）； 螺纹外径（m）； 螺纹底径（m）； K拧紧螺纹的系数 不变载荷 取K=1.251.5； 变载荷 取K=2.54； 螺纹连接的摩擦系数=0.12； 缸筒材料的许用应力（） = /n 缸筒材料的屈服强度（）； n安全系数取n=1.52.5。根据式3.39得到螺纹处的拉应力为：=268.57MP根据式3.310得到螺纹处的剪应力为：=131.43MP根据式3.311得到合成应力为：=352.07MP由以上运算