毕业设计--大型启闭机液压缸的设计.doc

毕业设计 论文 题目 大型启闭机液压缸的设计 完成日期2014 年06 月 01 日 第 2 页 共 35 页 2 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究工作所取 得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意 作者签名 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障 使用学位论文的规定 同意学校 保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 年 月 日 导师签名 年 月 日 第 3 页 共 35 页 3 U摘要U 4 U关键词U 4 UABSTRACTU 4 UKEYWORDSU 5 U前言U 6 U1 液压启闭机简介U 7 U1 1 液压启闭机工作特点U 7 U1 2 液压启闭机工作原理U 8 U1 3 液压启闭机工作系统的布置形式U 8 U2 启闭机液压缸类型的选择U 10 U2 1 液压缸的分类U 10 U2 2 根据工况和设计要求选择启闭机液压缸类型U 11 U3 液压缸结构设计U 14 U3 1 缸筒与端盖连接形式设计U 14 U3 2 活塞和活塞杆U 15 U3 3 密封装置U 16 U3 4 缓冲装置U 20 U3 5 排气装置U 23 U3 6 启闭机液压缸总体结构设计U 24 U4 启闭机液压缸的材料及技术条件U 25 U4 1 缸筒材料及技术要求U 25 U4 2 活塞材料及技术要求U 25 U4 3 缸盖材料及技术要求U 25 U4 4 活塞杆材料及技术要求U 26 U5 液压缸详细设计U 27 U5 1 活塞杆直径DU 27 U5 2 缸筒内径 DU 28 U5 3 液压缸缸筒壁厚U 28 U5 4 缸底厚度U 29 U5 5 导向套长度U 29 第 4 页 共 35 页 4 U6 液压缸校核U 30 U6 1 强度校核U 30 U6 2 稳定性校核U 31 7 U小结与展望U 33 U致谢U 34 U参考文献U 35 第 5 页 共 35 页 5 摘要 液压启闭机主要用于水利工程闸门 液压启闭机有着显著的优点 技术先 进 结构紧凑 工艺性 经济性好 运行平稳 安全 可靠 效率高 可实现 无级调速 易于集中控制 自动化操作简便 维修方便 液压启闭机有利于优 化水工建筑物的总体布置 它在水利枢纽 航运船闸 电站 防洪防涝工程上 使用量与日剧增 但在实际应用中 液压启闭机仍然存在许多困扰着其发展 亟 待解决的问题 特别是对于水利水电工程 对大型启闭机液压缸的设计和应用 提出了迫切要求 本论文是在查阅了大量的国内外相关资料 分析了液压启闭机总体发展趋势 以及目前工程应用对液压启闭机的要求的基础上完成的 液压缸是液压启闭机 的核心部件 故液压缸的设计好坏直接关系到液压启闭机制造质量的优劣 本 文在先前启闭机液压缸的研发和应用基础上 从设计参数出发 根据液压启闭 机的使用工况 结合所学的液压传动与机械设计相关知识 从由缸体 端盖 活塞 活塞杆等零件入手 重点分析密封与缓冲装置 设计出结合合理 安全 适用的大型启闭机的液压缸 以满足大规模工程应用的需要 该论文对满足工 程需求 减小工程预算 大型启闭机液压缸设计对促进水利水电工程的发展具 有十分重要的意义 关键词 液压启闭机 液压缸 缓冲 密封 计算 校核 Abstract Hydraulic hoist is mainly used to open and close the gate of water conservancy project Hydraulic hoist has its incomparable advantages Advanced technology reasonable processes compact structure the economy is good high hydraulic transmission efficiency can achieve steeples speed regulation running smoothly safe reliable easy maintenance convenient for centralized control and automation conducive to optimizing hydraulic structures overall layout Its usage quantity increasingly ballooned used in water control project ship lock power stations and flood control works But the actual application shows Hydraulic hoist still have many problems that plagued its development and should be solved urgently Especially for water conservancy and hydropower engineering it made an urgent request for the design and application of large scale hoist cylinders The paper has consulted a large number of domestic and foreign relevant materials and has analyzed the hydraulic hoister development trend and current engineering requirements for hydraulic hoist In hydraulic hoist components the hydraulic cylinder is the core component so the design of the hydraulic cylinder is 第 6 页 共 35 页 6 directly related to manufacturing quality merits of hydraulic hoist Large hoist cylinders design has great significance to promote the development of water conservancy and hydropower project Based on the design and application development of previous hoist cylinders starting from parameters based on the use of hydraulic hoist working conditions combined with hydraulic drive and learned knowledge of mechanical design from the start the cylinder cover piston piston and other parts mainly analyzed sealing and cushioning devices to design hydraulic cylinders that has reasonable structure suitable for large scale security hoist to meet the needs of large scale engineering applications The paper is designed to meet the needs of the project reducing the project budget a large hoist hydraulic cylinder design to promote the development of water conservancy and hydropower project has great significance Keywords hydraulic hoist hydraulic cylinders cushioning sealing calculating checking 第 7 页 共 35 页 7 前言前言 本课题是在启闭机液压缸近几十年的发展成就和现阶段工程应用要求的基 础上提出的 近年来 液压启闭机在水利水电工程中的较多使用 为全国水利 建设提高新技术 促进经济发展起到了非常重要的作用 液压启闭机与其他种 类的启闭机相比有以下优点 技术先进 工艺合理 结构紧凑 经济性好 液 压传动效率高 可实现无级调速 运行平稳 安全 可靠 维修方便 便于集 中控制和自动化操作 有利于优化水工建筑物的总体布置 液压启闭机在我国 水利水电工程中应用最早的当属官厅水库高压闸门启闭机 随着工程应用的规 模的扩大 就要求有大型启闭机液压缸设计 在液压启闭机的构件中 液压缸 是其核心部件 故液压缸的设计好坏直接关系到液压启闭机制造质量的优劣 综合国内外有关技术资料分析 对于液压启闭机技术发展 80 年代初期 德 国力士乐公司研发出 CERAMAX 液压缸 此产品将行程测量系统与陶瓷保护层结 合在一起 同步精度为可达1mm 它的耐腐蚀和耐磨损性能好 寿命长 使得液 压缸在防护技术 安全可靠 延长寿命 液压系统 测控技术几个方面有了突破 性进展 本论文是在查阅了大量的国内外相关资料 分析了液压启闭机总体发展趋势 以及目前工程应用对液压启闭机的要求的基础上完成的 液压缸是液压启闭机 的核心部件 故液压缸的设计好坏直接关系到液压启闭机制造质量的优劣 本 文在先前启闭机液压缸的研发和应用基础上 从设计参数出发 根据液压启闭 机的使用工况 结合所学的液压传动与机械设计相关知识 从由缸体 端盖 活塞 活塞杆等零件入手 重点分析密封与缓冲装置 设计出结合合理 安全 适用的大型启闭机的液压缸 以满足大规模工程应用的需要 研究目的 为满足现在工程应用 特别是对于水利水电工程对大型启闭机 液压缸的设计和应用的需要 研究意义 满足工程需求 减小工程预算 大型启闭机液压缸设计对促进 水利水电工程的发展具有十分重要的意义 第 8 页 共 35 页 8 1 液压启闭机简介液压启闭机简介 1 1 液压启闭机工作特点液压启闭机工作特点 液压启闭机是利用液体压力作为动力来启闭闸门 它分为液压系统和液压 缸两大部分 液压系统一般由动力装置 控制调节装置 辅助装置组成 动 力装置一般为液压泵 它把机械能转化为液压能 控制调节装置是液压控制阀组 辅助装置包括油箱 油管 管接头 压力表 滤油器等 动力装置提供的液 压能经由管道 控制调节装置进入液压缸 液压缸继而把液压能转化为机械能 从 而实现闸门的开启和关闭等动作 液压启闭机的基本机型有 单作用单缸液压启闭机 单作用多缸液压启闭 机 双作用单缸液压启闭机 双作用多缸液压启闭机 双吊点单作用同步液压 启闭机 带有卧式油缸的双作用同步液压启闭机 根据控制对象可分为 普通平面闸门液压启闭机 弧形闸门液压启闭机 人字闸门液压启闭机等 目前国内常见的系列有以下几种 1 QPPY 系列液压启闭机 常用在普通平面闸门 2 QHLY 系列液压启闭机 常用在露顶式和低水头浅孔式靠闸门自重关闭的弧 形闸门 3 QHSY 系列液压启闭机 常用在深孔式弧形闸门 4 QPKY 系列液压启闭机 常用在水轮发电机机组进口和调压井下游快速事故 处理闸门中 亦可用于一般平面闸门的启闭 4 QRWY 系列液压启闭机 常用于人字闸门和一字闸门 液压启闭机的特点很大程度上是由其工作原理所决定的 相对于卷扬式启闭 机 螺杆启闭机 液压启闭机有其突出的优点 1 静压传动 启闭力范围广 2 结构简单 布置紧凑 承载力大 且可过载保护 安全可靠 3 可以无级调速 调速方便 运行平稳 换向方便 缓冲性能好 4 与电气控制相结合 可以集中控制和自动控制 5 压元件自润滑性好 经久耐用 因此 液压启闭机适用于启闭力较大和孔数较多的闸门 在一定程度上能 代替卷扬启闭机的作用 第 9 页 共 35 页 9 1 2 液压启闭机工作原理液压启闭机工作原理 液压启闭机的工作原理可以用下图 1 1 所示盛满液体的连通器来解释 将 断面积大小不一的两个容器用管道相联通 其中容器 1 的断面积较小 容器 A1 2 的断面积较大 如果在容器 1 上活塞施加压力 则活塞下的液体压强为 A2F1 通过液体以同样的压强传递到容器 2 的活塞上 得到较大的力 A F p 1 1 0 由此可见 容器 2 的断面积越大 就越大 这就是液压传动的 A p F2 0 2 F2 基本原理 在液压启闭机中 利用泵 相当于容器 1 获得油压 通过管道 p0 以及相应的闸阀 将传递到油缸 相当于容器 2 的活塞管上 从而获得 p0 较大的启闭力 可知 液压启闭机启闭力的大小主要取决于泵的工作压力和油 缸的受载面积 图 1 1 液压启闭机工作原理 1 3 液压启闭机工作系统的布置液压启闭机工作系统的布置形式形式 启闭机液压缸通常有柱塞式和活塞式 柱塞式为单作用柱塞缸 即油缸仅 从一个方向提供压力油 使柱塞缸顶推伸出油缸 从而开启闸门 闭门则靠自 重 不能施加闭门力 活塞式油缸内为双作用活塞杆 启门和闭门都靠液压缸 施加启门力和闭门力 油缸可以从两个方向提供压力油 使活塞在两个方向都 可以运动 液压启启闭机工作系统的简单布置如下图 1 2 所示 电动机 1 带动油泵 2 第 10 页 共 35 页 10 通过吸油管从油箱吸油 进油泵加压后送出 经单向阀 3 和节流阀 4 进入单作 用油缸 5 油压于柱塞缸 6 的顶部 将柱塞缸顶出 从而开启闸门 当闸门借 自重关闭时 只需打开截止阀 7 将压力油通过回油管放回油箱 在泵的出口 另设溢流阀 8 起稳压保压和安全保护的作用 图 1 2 液压启闭机工作系统的布置形式 第 11 页 共 35 页 11 2 启闭机液压缸类型的选择启闭机液压缸类型的选择 2 1 液压缸的分类液压缸的分类 为了满足各种工况的需要 液压缸有多种类型 1 按供油方向 液压缸可分为单作用缸和双作用缸 2 按结构形式 液压缸可分为活塞缸 柱塞缸 摆动缸和伸缩式套筒缸 3 按活塞的形式 液压缸可分为单活塞杆缸和双活塞杆缸 4 按特殊用途 液压缸可分为串联缸 增速缸 步进缸和增压缸 此类型 的缸又不是单纯的缸筒 而是和其他缸筒 构件组合而成 所以从结构 上看 这类缸又称为组合缸 2 1 1 单作用液压缸单作用液压缸 单作用液压缸又分为活塞液压缸和柱塞液压缸两种 l 单杆单作用活塞液压缸它的特点是 只有一个进 出油油口 油压力使活塞 杆伸出 而活塞杆回缩靠弹簧力或自重 如图 2 1 和图 2 2 分别是弹簧回程液压 缸和自重回程液压缸 2 单作用柱塞液压缸 如图 2 3 这种液压缸也只有一个油口作进 出油液之用 一般柱塞伸出靠油压力作用 回程靠自重 图 2 1 弹簧力回缩式 图 2 2 自重回缩式 图 2 3 柱塞液压缸 2 1 2 双作用液压缸双作用液压缸 双作用液压缸分为单杆双作用液压缸和双杆双作用液压缸两种 1 单杆双作用液压缸 如图 2 4 单杆双作用液压缸的特点是 在液压缸的前后腔都有一油口 两个方向均 可获得较大的压力 活塞杆的伸出和缩回都靠油液压力 但由于液压缸两腔的 有效作用面积不等 所以当进入两腔的油液压力相等 流量也相同时 无杆腔所产 生的推力大而速度慢 有杆腔则相反 2 双杆双作用液压缸 如图 2 5 液压缸两端都有活塞杆伸出 如果两活塞杆直径和进入两腔的流量都相等 时 则活塞杆往复运动速度相等 第 12 页 共 35 页 12 图 2 4 单杆双作用液压缸 图 2 5 双杆双作用液压缸 2 1 3 组合液压缸组合液压缸 1 伸缩套式液压缸 伸缩套液压缸是由两个或多个液压缸套叠而成 如图 2 6 所示 它的最大特 点是 活塞杆的工作行程很长 在收缩后 其总体长度较小 2 串联液压缸 串联液压缸是由两个直径相等的液压缸串联而成 如下图 2 7 所示 它的 特点是 能获得较大的推力 等于两个液压缸推力之和 3 增压液压缸 增压液压缸由两个直径不等的液压缸串联而成的液压缸 如下图 2 8 所示 它的特点是 利用两液压缸受压面积之差 可使 B 腔产生很高的油压 以供缸体 中某些局部需要高压的油路之用 图 2 6 伸缩套式液压缸 图 2 7 串联液压缸 图 2 8 增压液压缸 2 2 根据工况和设计要求选择启闭机液压缸类型根据工况和设计要求选择启闭机液压缸类型 2 2 1 不同工况下的启闭机液压缸类型不同工况下的启闭机液压缸类型 闸门的形式一般有平面闸门 弧形闸门和人字及一字闸门几种 根据它们 各自的工作情况和工作要求 液压启闭机液压缸通常选用柱塞式和活塞式结构 柱塞式液压缸设计成单作用缸 油缸只从一个方向供给压力油 使柱塞缸顶推 伸出油缸 从而开启闸门 闭门则靠门自身重力 不需施加闭门力 如图 2 9 所示 活塞式液压缸设计成双作用缸 启门和闭门均靠液压施加启门力和闭门 力 如图 2 10 所示 油缸可以从两个方向供油 使活塞能在两个方向得到推力 第 13 页 共 35 页 13 1 平面闸们采用液压启闭机时 有顶推式和上拉式两种布置形式 顶推式平面闸门 柱塞向上顶出液压缸开启闸门 闸门关闭是靠自身重力 因此采用柱塞式液压缸 将油缸设在门槽外侧的空腔内 这种布置可以使闸门 关闭时 柱塞缸可储存在油缸内 避免油污 上拉式平面闸门 闸门的开启和关闭都是靠液压力来完成 因此采用的是活 塞式液压缸 2 弧形闸门采用液压启闭机时 闸门的开启和关闭都是靠液压力来完成 通 常选用活塞式 3 人字闸门和一字闸门采用液压启闭机时 油缸本身或油缸的根部 需要支 持于可摆动的底座上 在闸门启闭的过程中随之摆动 一般选用活塞式的 图 2 9 柱塞式 特点 1 结构简单 工作可靠 2 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H液压系统H中得到广泛应用 3 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H密封件H和导向单边磨损 故其垂直使用更有 利 第 14 页 共 35 页 14 图 2 10 活塞式 特点 1 用卡环连接活塞和活塞杆 因而装拆方便 2 活塞上的支撑环用聚四氟乙烯等耐磨性材料制成 摩擦力小 3 活塞杆在导向套的作用下 可以保护密封件 4 液压缸两端均有缓冲装置 可以减少活塞在运动到端部时的冲击和 噪声 2 2 2 大型启闭机液压缸的设计要求及液压缸类型选择大型启闭机液压缸的设计要求及液压缸类型选择 大型启闭机液压缸的设计要求和参数 如下表 2 1 启门力F1 KN 闭门力F 2 KN 工作行程 mm 设计压力 M pa 21001700727630 表 2 1 大型启闭机液压缸的设计要求和参数 闸门的开启和关闭都依靠液压力 启门力和闭门力大小不同 因此液压缸 设计成双作用单杆活塞式液压缸 在后续设计计算中就双作用单杆活塞液压缸 进行结构设计和尺寸计算 第 15 页 共 35 页 15 3 液压缸结构设计液压缸结构设计 液压缸的结构主要由缸筒和缸盖 活塞与活塞杆 密封装置 缓冲装置和 排气装置等部分组成 3 1 缸筒与端盖连接形式设计缸筒与端盖连接形式设计 缸筒与端盖的连接是液压缸结构设计的一个重要组成部分 有前端盖和后 端盖 前端盖的作用是封闭液压缸的活塞杆柱塞腔一端 并为活塞杆导向和密封 后端盖的作用是将活塞腔封闭 并将液压缸与其它机件连接 液压缸的工况和使 用要求不同 需设计出不同的端盖与缸筒的连接形式 3 1 1 缸筒与端盖的连接形式及特点缸筒与端盖的连接形式及特点 法兰连接式结构 特点 如下图 3 1 所示 这种连接结构简单 加工和装拆方便 但外形尺寸 和质量较大 适用场合 对于铸铁制的缸筒 且有足够工作空间的场合 半环连接式结构 特点 如图 3 2 所示 这种结构加工和装拆方便 质量较小 有半环连接和 外半环连两种连接形式 但由于在缸筒壁部开了环形槽而削弱了强度 为此加 厚缸壁 适用场合 无缝钢管或锻钢制 壁厚较厚的缸筒 图 3 1 法兰连接式结构 图 3 2 半环连接式结构 螺纹连接式结构 特点 如图 3 3 所示 有外螺纹和内螺纹两种 这种结构外形尺寸和质量小 结构紧凑 但缸筒端部结构复杂 外径加工同心度要求高 适用场合 无缝钢管和锻钢制缸筒 且工作空间有限 对运动精度要求较高 第 16 页 共 35 页 16 的场合 拉杆式连接结构 特点 如图 3 4 所示 这种结构结构简单 工艺好 装拆方便 但端盖的体 积和质量大 拉伸后会变长 影响密封效果 适用场合 长度不大的中低压缸 工作空间不受限制的场合 图 3 3 螺纹连接式结构 图 3 4 拉杆式连接结构 焊接连接结构 特点 如图 3 5 所示 这种连接强度高 制造简单 但焊接会引起缸筒变形 适用场合 缸筒的变形对液压缸工作性能影响不大的场合 图 3 5 焊接连接结构 3 1 2 根据工况和要求设计缸筒与端盖的连接形式根据工况和要求设计缸筒与端盖的连接形式 启闭机液压缸工况及要求 缸筒材料选择的是 35 号钢 启闭机液压缸为大负载 大行程的 液压缸要在一定时间内开启和关闭闸门 根据工况和要求以及缸筒与端盖连接形式的特点和应用场合 双作用单杆液 压缸的缸筒与端盖连接形式设计成如图 3 5 所示的 焊接连接结构 3 2 活塞和活塞杆活塞和活塞杆 根据不同的工作要求 活塞与活塞杆的结构形式设计成螺纹式和半环式等 如下图 3 6 所示 螺纹式结构简单 装拆方便 但是在高压下螺母容易松 故需防松装置 如下图 3 7 所示 半环式结构复杂 装拆不便 但工作较可 第 17 页 共 35 页 17 图 3 6 螺纹式结构简单 图 3 7 半环式结构 3 3 密封装置密封装置 密封是解决液压系统油泄问题和保证液压泵的工作性能及液压执行元件运 动平稳性的有效手段之一 密封不好会导致外泄露而污染环境 同时还会引起 空气进入液压系统而影响 液压缸是实现直线运动的执行元件 主要是由缸筒 缸底 端盖 活塞 活塞杆 导向套等部分组成 为防止油液向液压缸外泄和油从高压腔向低压腔 泄漏 在缸筒与端盖 活塞与活塞杆 活塞与缸筒 活塞杆与前端盖之间均设 置有密封装置 3 3 1 密封装置的要求密封装置的要求 在压力和温度一定的情况下 系统应具有良好的密封性能 而且随着压力 的增加 密封性能自动的提高 运动件和密封装置的摩擦力要小 耐磨性好 抗腐蚀 不易老化 工作寿命长 结构简单 价格低廉 操作 维护方便 3 3 2 密封装置形式及特点密封装置形式及特点 液压缸的压力差 动力传递 正常工作都是靠缸筒与活塞之间良好的密封 来保证的 液压缸缸筒与活塞之间密封装置选择的基本要求是具有良好的密封 性能 并能随着压力的增加自动提高密封性 间隙密封 间隙密封是依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来进行密封的 由环形 缝隙轴向流动理论可知 泄漏量与间隙的三次方成正比 间隙密封可通过减小 间隙的来减小泄露 为了使径向压力分布均匀和使阀芯在孔中对中性好 减小 液压卡紧里 摩擦力及泄漏量 提高密封性能 在其阀芯的外表面开有几条等 距离的均压槽 另外 均压槽所形成的阻力对减小泄露也起了一定的作用 间隙密封的特点 结构简单 磨损小 寿命长 但对零件的加工精度要求 较高 且难以完全消除泄漏 第 18 页 共 35 页 18 适用场合 对于柱塞 活塞或阀的圆柱配合副 各配合部件的尺寸不大时 间隙密封的结构图如下图 3 8 所示 缸筒一端与缸底焊接 另一端与缸盖 采用螺纹连接 为了保证液压缸的可靠密封 在相应位置还可以设置密封圈和 防尘圈 图 3 8 间隙密封 活塞环密封 特点 如图 3 9 压力和温度适用范围宽 高速条件下工作可靠 活塞环形 槽内装有弹性金属环 依靠其紧贴缸筒内壁实现密封 密封效果好 能自动补 偿磨损和温度变化的影响 寿命长 适用场合 高温高压场合 图 3 9 活塞环密封 1 缸筒 2 螺母 3 活塞 4 活塞杆 5 活塞环 O 形密封圈密封 特点 结构紧凑 制造容易 摩擦阻力小 装拆方便 成本低 高低压均 可使用 O 形密封圈一般由耐油橡胶制成 其横截面呈圆形 内外侧都可以起 到密封作用 具有良好的密封性能 适用场合 在机械部件在静态条件下或做轴向往复运动和低速旋转运动的场 合 O 形密封圈密封的结构和工作情况如图 3 10 第 19 页 共 35 页 19 图 3 10 O 形密封圈密封 唇形密封圈 唇形密封圈根据截面的形状可分为 Y U V L 形等 通过液压力将密封 圈两唇边压向形成间隙的两个零件表面来进行密封 目前 Y 形密封已普遍应 用 主要用于活塞和活塞杆的密封 Y 形密封 特点 随工作压力的变化自动调整密封性能 压力越高则唇边被压得越紧 密封性越好 反之 唇边压紧程度随之降低 从而减少摩擦力和功率损耗 断 面宽度和高度比值大 增加了底部支撑宽度 可以避免摩擦力造成密封圈翻转 和扭曲 工作图如下图所示 图 3 11 为轴用密封圈 图 3 12 为孔用密封圈 图 3 11 Y 轴用唇形密封圈 图 3 12 Y 孔用唇形密封圈 V 形密封圈 它由多层涂胶织物压制而成 其形状如下图 3 13 所示 V 形密封圈特点 压环 密封环和支撑环三个圈叠在一起使用 能保证良 好的密封性 当压力过高时 可以增加中间密封环的数量 这种密封圈在安装 时应预紧 故摩擦阻力大 适用场合 在高压和超高压的场合 第 20 页 共 35 页 20 图 3 13 V 形密封圈 组合密封 随着科技进步和设备性能的提高 给液压系统的密封装置提出了更高的要 求 普通密封圈单独使用已不能满足需要 因此 设计出了包括密封圈在内的 两个密封元件组成的组合式密封装置 下图 3 14 所示为 O 形密封圈与截面为矩形的聚四氟乙烯塑料滑环组成的组 合密封装置 下图 3 15 所示为由滑环 2 与 O 形密封圈 1 组成的周用密封装置 图 3 14 组合密封 图 3 15 组合密封 特点 充分发挥了橡胶密封圈和滑环各自的长处 工作可靠 摩擦力小 稳定性好 而且使用寿命比普通橡胶密封提高了近百倍 3 3 3 根据工况设计密封装置根据工况设计密封装置 大型启闭机液压缸工况及要求 5 结构尺寸大 各部件尺寸大 6 启闭机液压缸为大负载 大行程的 负载大 工作压力高 对密封元件的密封性能要求较高 根据工况和要求及各种密封装置的特点和应用场合 该双作用单杆液压缸的 密封装置活塞与缸筒采用 V 形密封圈 或 组合密封圈 导向套与缸筒采用 活 塞环密封 第 21 页 共 35 页 21 3 4 缓冲装置缓冲装置 3 4 1 液压传动与控制系统缓冲装置研究意义液压传动与控制系统缓冲装置研究意义 随着液压系统向高压 大功率 高效率 低能耗方向发展 对系统及元件 提出的要求更高 尤其当对执行部件速度要求更高的场合 对液压系统换向 启 动和制动的性能要求越来越高 目前可以通过使用各种精密仪器来达到提高速 度的目的 当液压缸驱动质量较大或速度较快 工作部件运行速度较快时 为避 免因动量过大在行程终点 产生活塞与端盖的撞击 影响工作精度和液压缸的寿 命 因此在液压回路上设置减速装置或者在液压缸内部设缓冲装置 针对以上问题 对液压传动与控制系统的常用的液压内置式缓冲结构进行分 析研宄 使活塞杆运动到行程终端时 通过降低活塞杆的速度来达到运动无速度突 变 减少压力突变的效果 对液压缓冲装置一般技术要求如下 1 避免出现脉动压力及缓冲压力峰值过高 使压力平缓 2 能在较短的缓冲行程内耗尽最大的动能 实现液压缸快速制动 3 油液最高温度不应超过密封件的允许极限温度 4 缓冲压力峰值应不大于系统工作压力的 1 5 倍 pmaxps 5 到达端部时的速度以及缓冲腔压力应严格控制在允许的范围之内 3 4 2 常见液压缸缓冲装置 常见液压缸缓冲装置 1 外置式液压缸缓冲装置及特点 外置式液压赶缓冲装置工作原理是在缓冲回路中安装上溢流阀 节流阀及 其它的装置来进行缓冲 在缓冲回路中使用的缓冲装置有以下几种 用溢流阀来缓冲的回路 工作图下图 3 16 所示 当运动中的活塞需要突然制动或换向时 通过使换向 阀处于中位 回路就会停止工作 当冲击压力很大 超过溢流阀的设定力时 溢流 阀 2 起制动和缓冲作用 保证了系统安全 同时 液压缸左腔经单向阀 1 从油箱 补油 防止液压缸产生气穴 应用场合 经常换向而且会产生冲击的场合 用蓄能器的缓冲回路 工作图如图 3 17 所示 蓄能器是液压系统中一种储存和释放油液压力能的 装置 当活塞带动负载运行至行程末端时 油液压力会突然升高 此时的通过蓄能 第 22 页 共 35 页 22 器来吸收 减少冲击 起到缓冲作用 当系统压力降低时 蓄能器可以将储存的液 压释放出来 应用场合 液压系统冲击压力较大的场合 图 3 16 用溢流阀来缓冲的回路 图 3 17 用蓄能器的缓冲回路 用节流阀的缓冲回路 工作图如下图 c 所示 节流阀 1 安装在出油节流缓冲回路上 活塞上有凸 块 4 或 5 当碰到行程开关 2 或 3 时 电磁阀 6 断电 单向节流阀开始节流 实现回 路的缓冲作用 可根据要求缓冲的位置 调整行程开关的安放位置 该回路缓冲 效果较好 但缓冲行程固定不变 适用场合 工况固定的场合 图 3 18 用节流阀的缓冲回路 2 内置式液压缓冲装置及特点 内置式液压缓冲装置的原理 在活塞运动接近终点位置时 增多液压缸的 排油阻力 使活塞运动速度降低 内置式液压缓冲装置有以下几种 1 可调节缓冲装置 第 23 页 共 35 页 23 当活塞上的凸台进入端盖凹腔后 排油只能从针形节流阀流出 调节节流 阀开口可改变缓冲压力大小 工作图如下图 3 19 所示 这种缓冲装置开始效果 明显 随后缓冲效果逐渐减弱 适用场合 液压冲击小 对缓冲性能要求不高的场合 图 3 19 可调节缓冲装置 1 针型节流阀 2 单向阀 2 可变节流缓冲装置 活塞上开有断面为变截面三角形的轴向节流沟槽 当活塞运动接近缸盖时 活塞与端盖之间的油液只能从轴向节流沟槽流出 于是形成缓冲压力使活塞制 动 因活塞制动时 轴向节流沟槽的通流截面逐渐减小 阻力作用增强 因此 缓冲均匀 冲击力小 制动位置精度高 适用场合 液压冲击大 经常换向 对缓冲性能要求较高的场合 其工作图如下图 3 20 所示 3 轴向节流槽 图 3 20 可变节流缓冲装置 3 间隙缓冲装置 当活塞运动接近缸盖时 活塞上的圆柱凸台 或圆锥凸台 进入端面凹腔 第 24 页 共 35 页 24 封闭在活塞与端面间的油液只能从环状间隙 或锥形间隙 挤压出去 于是 排油腔压力升高形成缓冲压力 使活塞运动速度减慢 这种结构简单 具有可 调节流缓冲装置同样的性能特点 适用场合 运动部件惯性不大 运动速度不高的场合 其工作图如下图 3 21 所示 图 3 21 间隙缓冲装置 3 4 3 根据工况设计缓冲装置根据工况设计缓冲装置 大型启闭机液压缸工况 结构尺寸大 各部件尺寸大 惯性大 负载大 工作压力高 对缓冲性能要求较高 液压冲击大 经常换向 根据工况和要求 外置式缓冲装置采用 溢流阀缓冲装置 外置式采用 可 变节流缓冲装置 3 5 排气装置排气装置 由于液压油中混入了空气 以及液压缸在长时间停止工作时可能会混入空 气 此时 液压缸在运行过程中 会因气体的压缩性而使执行部件出现爬行和 噪声等不正常的现象 因此 液压缸中应有排气装置 第 25 页 共 35 页 25 对于速度稳定性要求不高的液压缸 一般不要求设置排气装置 而是将油 口设置在缸筒两端的最高处 这样空气随液压油回油箱 再从油箱中逸出 对于速度稳定性要求较高的液压缸 可在液压缸的最高处设置排气装置 如排气塞 排气阀等 下图 3 22 所示为排气塞 当排气塞打开时 活塞全行程 运行数次 使液压缸内空气排出后 拧紧排气塞 液压缸即可正常工作 图 3 22 排气装置 3 6 启闭机液压缸总体结构设计启闭机液压缸总体结构设计 闸门的开启和关闭都依靠液压力 因此液压缸设计成双作用单杆活塞式液压 缸 双作用单杆活塞式液压缸总体结构图如下图 3 23 所示 双作用单杆活塞液 压缸主要由缸底 活塞 缸筒 活塞杆 导向套和端盖等零件组成 为了防止 油液向液压缸外泄或由高压腔向低压腔泄露 在缸筒与端盖 活塞与缸筒 活 塞杆与端盖 活塞与活塞杆之间均设置有密封装置 在前端盖外侧 还装有防 尘装置 为了防止活塞快速退回到行程终端时撞击缸盖 液压缸端部还设置缓 冲装置 有时还需设置排气装置 此液压缸结构上特点有 1 用卡环连接活塞和活塞杆 因而装拆方便 2 活塞上的支撑环用聚四氟乙烯等耐磨性材料制成 摩擦力小 3 活塞杆在导向套的作用下 可以保护密封件 4 液压缸两端均有缓冲装置 可以减少活塞在运动到端部时的冲击和噪声 4 液压缸两端均有缓冲装置 可以减少活塞在运动到端部时的冲击和噪声 第 26 页 共 35 页 26 图 3 23 双作用单杆活塞液压缸总体结构图 1 缸底 2 卡键 3 可变节流缓冲装置 4 活塞 5 10 密封圈 6 V 密封圈 7 活塞杆 8 排气装置 9 导向套 11 焊接金属 12 缸盖 4 启闭机液压缸的材料及技术条件启闭机液压缸的材料及技术条件 4 1 缸筒材料及技术要求缸筒材料及技术要求 4 1 1 缸筒材料缸筒材料 对于工作压力较高的场合 常用 20 35 45 钢的无缝钢管 20 号钢硬度 和机械强度低 加工粗糙度不易保证 故用得少 在需与缸盖 管接头等零件 焊接的场合 选用 35 号钢 不与其它零件焊接时 选用 45 号调质钢 特殊情 况下 也可采用合金钢无缝钢管制造缸筒 对于采用单杆活塞式液压缸的大型液压启闭机 其缸筒与端盖等零件需焊 接 故选用 35 号钢 并在粗加工后调质 4 1 2 技术条件技术条件 缸筒内径口采用 H9 配合 内孔表面圆柱度公差应是内径D公差的一半 内 第 27 页 共 35 页 27 孔 D 中心线的直线度应满足在 500mm 上误差为 0 03mm 内孔表面粗糙度 当采用橡胶密封圈密封时 取 0 1 0 4 当采用活塞 Ra 环密封时 取 0 2 0 4 Ra 端面对中心校的垂直度公差应满足在直径 100mm 上为 0 04mm 在缸筒内表面镀上一定厚度的硬铬 外表面涂耐油油漆 以提高缸筒寿命 4 2 活塞材料及技术要求活塞材料及技术要求 4 2 1 活塞材料活塞材料 活塞材料常采用耐磨铸铁 铝合金 并且在钢外表面覆盖一层青铜等耐磨 套 4 2 2 技术条件技术条件 外径D对的径向圆跳动公差为D公差一半 d1 端面对活塞中心轴线的垂直度应满足在直径 100mm 上为 0 04mm 4 3 缸盖材料及技术要求缸盖材料及技术要求 4 3 1 缸盖材料缸盖材料 缸盖材料通常采用 35 号钢或 45 号钢 或 ZG35 ZG45 铸钢及 HT25 47 HT30 54 HT35 61 灰口铸铁 4 3 2 技术条件技术条件 直径D 导向孔 活塞杆密封圈外径的圆柱度误差为相应直径的一半 d2d3 D 的同心度公差为 0 03mm d2d3 4 4 活塞杆活塞杆材料及技术要求材料及技术要求 4 4 1 活塞杆材料活塞杆材料 实心活塞杆采用 35 号或 45 号钢 特殊的采用 40Cr 空心活塞杆采用 35 号 或 45 号无缝钢管 在一端留出用于焊接和热处理的通气孔 4 4 2 技术条件技术条件 活塞杆工作表面母线的直线度公差满足在 500mm 上误差为 0 03mm 活塞杆密封表面镀一层适当厚度的铬 活塞杆的螺纹 一般按 h6 或 g6 和 h8 级精度制造 第 28 页 共 35 页 28 5 液压缸液压缸详细设计详细设计 液压缸的主要尺寸是缸筒内径 活塞杆直径和缸筒长度等 对于不同的闸 门 采用相应形式的启闭机液压缸 现就根据设计参数单杆活塞式液压缸进行 设计计算 大型启闭机相关参数和设计要求如下表 5 1 启门力F1 KN 闭门力F 2 KN 工作行程 mm 设计压力 M Pa 21001700727030 表 5 1 大型启闭机相关参数 5 1 活塞杆直径活塞杆直径 d 活塞杆直径 d 按工作时的受力情况来决定 见下表 计算出的活塞杆直径 按下表中的值进行圆整 液压缸活塞杆直径推荐值 见表 5 2 受压缩 工作压力 p M pa活塞杆受力情 况 受拉伸 p 55 p 7P 7 活塞杆直径 0 3 0 5 D 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D0 7D 表 5 2 液压缸活塞杆直径推荐值 活塞杆直径 d 系列 见表 5 3 4568101214161820 22252832364045505663 708090100110125140160180200 220250280320360 表 5 3 活塞杆直径 d 系列 第 29 页 共 35 页 29 根据设计压力 30M pa 选取液压缸活塞杆直径 d 0 7D 5 2 缸筒内径缸筒内径 D 液压缸的缸筒内径 D 要根据负载大小和选定的工作压力 对于单杆缸而言 无杆腔进油且不考虑效率时 依据式有关计算后 再 pp p d pp F D 21 2 2 21 1 4 从 GB T2348 1993 见表 5 4 中选出最近的标准值而得出的 缸筒内径 D 系列 单位 mm 8101216202532405063 80100125160200250320400500 表 5 4 缸筒内径 D 系列 一般情况下 选取回油压力 0 上式可简化 即无杆腔进油时 p2 代入数据 2100KN 30M pa 得 D 298mm p F D 1 1 4 F1p16 3 10 30 14 3 10 2100 4 圆整后取 D 300mm d 220mm 5 3 液压缸缸筒壁厚液压缸缸筒壁厚 液压缸缸筒分为薄厚两类 当缸筒壁厚与缸内径比 0 1 时 为薄壁缸D 筒 当缸筒壁厚与缸内径比 0 1 时 为厚壁缸筒 壁厚计算如下 D 薄壁型缸筒 b N DnK pD p 2 2 厚壁型缸筒 p p D 3 1 7 1 5 0 式中 缸筒壁厚 n 安全系数 缸筒材料的许用应力 单位 M pa 一般取 n 5 n b 第 30 页 共 35 页 30 系统的工作压力 M pa P 液压缸试验压力 M pa pN K 系数 缸筒材料抗拉强度 b 当 16M pa 时 K 1 5 p 1 5 当 16M pa 时 K 1 25 p 1 25 pNpNpN pN 故 30M pa 时 K 1 25 p 1 25 37 5M pa 查表得 530 M pa pNpN b 代入以上两公式可得 按薄壁型缸筒 53mm 验证 0 1 不 b N DnK pD p 2 2 530 2 3 0 30 25 1 5 D 300 53 满足计算公式 按厚壁型缸筒 0 5 0 3 158mm 验证 p p D 3 1 7 1 5 0 30 25 1 3 1 5 530 30 25 1 7 1 D 0 1 满足 故 158mm 300 158 5 4 缸底厚度缸底厚度 液压传动系统中压力较高时 液压缸承受系统油压远远高于大气压 若缸底 厚度达不到一定标准 可能会造成安全事故 0 5 0 3 90mm 5 0 1 1 p D 5 530 30 25 1 式中 D 缸底内径 mm 5 5 导向套长度导向套长度 活塞杆在导向套内做往复运动时 导向套过短可能失去导向效果 导向套 过长会增大液压缸体积 因此 必须选取适当长度的导向套 降低液压缸集成 度的同时保证足够的导向效果 220 1 Ds L 式中 s 活塞最大行程 代入数据 s 7276mm D 300mm 得 514mm L1 2 300 20 7276 第 31 页 共 35 页 31 6 液压缸校核液压缸校核 液压缸是液压传动系统中 作为传递力的重要器件 当工作于中 低压传动 系统中时 缸筒厚度主要由决定于结构工艺 当工作于高压传动系统 如特高 压断路器配用的液压操动机构时 承载压力将达到几十兆帕 因此 其缸体结 构就会受到够承受拉力 压力以及冲击力等多种作用力的作用 对液压缸工作 可靠性与安全性等要求较高 这就要求必须对其强度和刚度进行校核 液压缸的缸筒壁厚 活塞杆直径 d 和端盖处固定螺栓的直径 在高压系统 中必须进行强度校核 其他零件如端盖 导向套 活塞 放气阀 管接头 密 封件等 不需进行强度校核 6 1 强度校核 强度校核 6 1 1 缸筒厚壁校核缸筒厚壁校核 对于 0 1 为厚壁厚 校核公式为 D 式中 D 缸筒直径 P 缸筒实验压力 缸筒材料的许用应力 由 158 158mm 1 3 1 4 0 2p pD 10 3 1 30 25 1 3 1106 30 25 1 4 0106 2 3 0 故满足 6 4 2 活塞杆直径校核活塞杆直径校核 液压缸不断做往复运动 活塞杆将要承受拉力 推力及扭转力 因此 活塞 杆必须具有足够的强度与刚度 d 2 4 F 式中 F 活塞杆承受的作用力 N 活塞杆材料的许用应力 液压缸做闭合运动时 活塞承受的液体压应力应远远小于活塞杆材料的 压 屈服极限 液压缸做开断运动时 活塞承受的液体拉应力 应远远小 s 拉 于材料的抗拉强度 p 活塞杆材料采用 35 号钢 查表得 106M pa 由上公式代入 1 3 1 4 0 2p pD 第 32 页 共 35 页 32 F 2100KN 得 55 M Pa 106 M Pa 故满足 d 2 4 F 22 0 10 2 3 4 2100 6 2 稳定性校核稳定性校核 活塞杆所承受的轴向压缩或拉伸负载超过某一临界值时 活塞就会失去稳定 稳定性可按下式校核 nk kF F 当活塞杆细长比时 21 r l kl 2 2 2 EJ Fk 当活塞杆细长比时 21 r l k rk l Af Fk2 2 1 式中 安全系数 2 4 临界值 nkFk l 液压缸安装长度 柔性系数 1 液压缸末端系数 E 活塞杆弹性模量 2 J 活塞杆横截面惯性矩 A 活塞杆横截面积 活塞杆横截面积最小回转半径 rkrk A J f 材料相关系数 经查资料 取 3 即 3 220mm 对于钢 查表得 1 4 nknkrk 85 1 2 N N 1 5000 10 2