液压缸设计说明书

1、目录一、设计要求 -11、目的 12、题目 1 二、总述 -21、作者的话 -22、设计提要 3 三、各零部件的设计及验算 -5 1、缸筒设计 5 2、法兰设计 143、活塞设计 194、活塞杆设计 215、缓冲装置和排气阀设计 26 四、外接线路和程序 -27 1、液压设配外接线路 27 2、操作板 283、程序地址分配 294、芯片接线图 315、PLC程序指令 -33五、参考文献38一、设计要求1、目的 、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控 制系统的初步设计工作， 并结合设计或实验研究课题进一步巩固和扩 大知识领域。 、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种

2、标准和工具 书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。 、培养学生掌握机电产品的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。 、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2、题目液压油缸的压力和速度控制 、执行元件：液压油缸； 、传动方式：电液比例控制； 、控制方式：单片微机控制、PLC空制； 、控制要求：速度控制、推力控制； 、主要设计参数：油缸工作行程 600、 400mm；额定工作油压 4MP；移动负载质量 1000、 2000kg；负载移动阻力 5000、 10000N； 移动速度控制 3、 6m/min。二、总述1、作者的话液压油缸在现代工程中的使用十分频繁， 其工作性能和可

3、靠性直 接影响工程的质量和进度；利用数控电液伺服阀来控制液压油缸， 可以实现输出的线性和实 时控制，在很大程度上改善工程油缸的使用性能；本次设计中使用的电液比例换向阀可以实现电机械转换， 配 合放大器件同时使用，能够对油缸进行良好的控制；实施控制的器件为可编程逻辑控制器( Programmable LogicalController )，选用德国西门子STEP7-200进行编程，接口简单易懂。因为说明书比较长，为了方便阅读，在下面的“设计提要”中会 先给出液压油缸设计的主要参数和一些部件的选用， 在后续的“各零 部件设计及验算”中再加以具体的说明和验证。- 1 -2、设计提要 、液压油缸主要参

4、数给定在设计要求中已经提到的参数这里就不再赘述，下面只给出此次设计中液压油缸主要部件的其他参数：缸内径：D=80mm缸外径：D1=90mrn壁厚：=5mm极限推力：Fmax=30162N速比：=2；活塞杆直径：d0=56mm活塞外推流量：q1 =0.5L/s法兰厚：h=8mm 、法兰安装方式选择后端法兰安装方式，因为是推力，所以选用如下方式:4A111bi 、缓冲机构的选用一般承压在10MP以上应当选用缓冲机构，本次设计中，工作压 力为4MP因此缓冲机构从略。 、密封装置选用选用Yx型密封圈，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

5、，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， 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 Yx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。三、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：选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊

6、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。- 5 - 、缸筒材料的选取及强度给定部分材料的机械性能如下表：缸筒常用无建钢管材料机械性能材料1 L-a(/MPa5(/%204202S0253050030018355403201745610360I14J5MnVn175050C2627SiMn1000650123OCrMu9508001235CrMo10

7、00850 12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-s=360MP缸筒材料的抗拉强度 s=610M；现在利用屈服强度来引申出：缸筒材料的许用应力匚=j/n=360/5=72MP。其中n=5是选取的安全系数，来源于下表:菠压缸的安全系数材料名称静载荷交变載荷冲击載荷不对称对称瓠锻铁3i58严1 112 、缸筒的计算 、液压缸的效率油缸的效率 由以下三种效率组成:（A）机械效率伽曲各运动件摩擦损失所造成* 在额定压为下，通常可取伽主o久（B）容积效率，由各封密件泄漏所造成通常 容积效率加为；装弾性体密封圈时和心1装活塞环时0.98（匚）作用力效聿滋*由出油口背压所产主的反作 月

8、力而适成"m =0.9v=1d=0.9所以总效率为0.8- 27 -、液压缸缸径的计算内径D可按下列公式初步计算: 液压缸的员载为推力（23.3- 1）液庄缸的负载为拉力V4FxlO- + (m) (23.3-2)注：双活塞杆液压缸其缸筒内径口由式23.3-2计算繼 武中 F小F呢液压缸实际便用推力一拉力(N);中液压缸的负裁率见武(23.1 -S) 一般取 0 = 0.5-0,7；9液压缸的总效率见式(23.1 -24)感取 7-0,7-0 9;P液压缸的供油压力，一般为系统压 九(MPa)5d活塞杆直径(nO°F°i=10000N' =0.7=0.8P

9、=4MP本次设计中液压缸负载为推力，根据式 23.3 1得到内径:D=75.393mm缸径可以取为80mm、流量的计算 液压缸流量根据下式计算:当活塞杆外推时(m7s)(23, L - 25)当活塞杆内拉时(23 4 - 26)式中九、儿分别为活塞无杆侧及有杆侧I有效面活塞半均线速度(m/s)c设计要求中给定了活塞的平均速度:vm=6m/mi n=0.1m/s而活塞的面积：(实际上这个值可以从手册里面查到)OAOA = D 灯/4 =50.27 勺0 m容积效率：=1v根据式23.1 25得到活塞杆外推时的流量: q1 =0.5L/s因为只使用外推方向，所以回程方向的流量从略、缸筒壁厚的计算缸

10、筒壁厚可以使用下式进行计算:当5/0<0.08时(可用薄壁缸筒的实用计算式)5)(23.3-3)最高允许压力(MPa)t见表23.1.2和 式(23.1 1) - (1) - (B)».缸简材料的许用应力(MPJ小邑n6缸简材料的屈服强度(MPa);»安全系数根据缸径查手册预取=3此时、/D=3/80=0.0375 <0.08满足使用薄壁缸筒计算式的要求，下面利用上式来计算：最高允许压力一般是额定压力的1.5倍，根据给定参数P=4MP所以:Pmax=4 1.5 = 6MP许用应力在选取材料的时候给出：二=j/n=360/5=72MP根据式23.3 3得到壁厚：=

11、3.33mm为保证安全，取壁厚为5mm、缸筒壁厚的验算F面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算:(A)液压缸的緬宗压力九佰应低于一定的极限 值，保证工作安全：依冬山35MPa)(23.37根据式23.3 7得到:R Z26.44MP显然，额定油压P=4MP满足条件;(B)为了避免缸筒在匸作时发生塑性变球液压 缸的额定压力g值匝与塑性变形压力有一定的比例 范围：<(0*35-0,421 (MPa) (23.3-9) Ppl© 如og * (MP) (23*3 一 10) 先根据式23.3 10得到：PPl=42.35MP再将得到结果带入23.3 9得到：R E16.94MP显然，额定

12、油压P=4MP满足条件；(/»为了确保液压缸安全的使用，缸筒的爆裂压 力竝应大于耐压试盼压力饷：Pe 匸 2 3两 1馆豊 (MPa) (2芜3-12)因为匚b=610MP已经在选择缸筒材料的时候给出，根据式23.3 12得 到: 艮=71.77MP至于耐压试验压力应为：PT =1.5 P=6MP依据为：C 耐压试验氏力件，是灌斥缸在检査质蜃时需 厝受的试验压力&在规定时闾内，液压缸在此压力pT 下,全部零件不得有破坏或永夬性变形等异常现象灯备国*4蒞矣数规定次，当额定压力A)M16MPn时pT = .5p (MFaJ (23.1 - 2)因为爆裂压力远大于耐压试验压力，所以

13、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缸简內径(m”口缸筒外径(mA 対液压缸的鑛定压力(MPa);Pm缸簡发生完全塑性变形的压力 pT俶压缸耐压试验压力(MPfi)；如缸筒发生爆裂时压力(MPa)j 5缸閒材料的抗拉5®®MPa)； 羽缸筒材料的屈服强度(MPa); E缸简林料的弹性模数(MPa);p趾筒材料的汩桑条数钢材in-0.3、缸筒的加工要求缸筒内径D采用H7级配合，表面粗糙度Ra为0.16，需要进行研磨; 热处理：调制，HB 240;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0.03mm；油口的孔口及排气口必须有倒角，不

14、能有飞边、毛刺； 在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。2、法兰设计 、(缸筒端部)法兰厚度计算 法兰厚度根据下式进行计算:7-逅)|.b(m)(23.3 - 16) 式中F法兰在缸筒最大内压下,所承受的轴向 力(N)；心一泯兰外圆半径(m).其余符号代表笊童义见图23,3-3.首先来计算法兰在最大内压的情况下受到的压力F:在流量的计算中已经得出活塞的面积是:A = D2x兀/4 =50.27 xio°m2缸壁厚度计算中得出最大压强:Pmax=4 1.5 = 6MP所以法兰承受的最大压力为：F=Pmax A=30162N接下来选取其它参数：ra=52mmdL =6mmb=5mm许用应力在

15、选取材料的时候给出：-=j/n=360/5=72MP将以上各量带入式23.3 16得到:h=7.6mm为保证安全，取法兰厚度为8mm 、(缸筒端部)法兰连接螺栓的强度计算连接图如下：图233-5 U简喘部法三审螺习爲接1 一前端盖;2虹筒螺栓强度根据下式计算：螺纹处的拉应力"X0 (MPa) (23.3-20)刊Z螺纹处的剪应力T = xi(r6 (MPQ (23.3.21) 合成应力口寸*/席 + 3疋'W 穴(X4P&)(23.3-22)最大推力为：F=30162N使用15个螺栓紧固缸盖，即:Z=15螺纹外径和底径的选择：do=6mmd1 =4.8mm系数选择:

16、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(N);D缸筒內植(E”ci打一螺纹外径(m);右一一螺纹底径(m);K一拧紧爆纹的系数 不变载荷 取K = L25-1,5;变载荷取K = 2.5_4K螺纹连接的摩擦系数KO-121川-缸简材料的许用应力(MPa)tf = tr/n缸筒材料的堀服强度(MPJ.打安全系数取m -l.5-2.5o根据式23.3 20得到螺纹处的拉应力为:二=333.32MP根据式23.3 21得到螺纹处的剪应力为:= 196.37MP根据式23.3 22得到合成应力为: 5 =476.25MP由以上运算结果知，应选择

17、螺栓等级为12.9级:查表的得：抗拉强度极限-b=1220MP屈服极限强度-s=1100MP不妨取安全系数n=2可以得到许用应力值：-=g/n=1100/2=550MP再次使用式23.3 22得到:-n -成立证明选用螺栓等级合适。3、活塞设计 、活塞结构的设计活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：1 2此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的 、活塞的密封选用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：、降低摩擦阻力，无爬行现象；、具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；、安装沟槽简单，拆装简便。这种组合的特别

18、之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙， 因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内， 降低了活塞与缸筒的加 工要求，密封方式图如下: 、活塞的材料选用高强度球墨铸铁 QT600-3 、活塞的尺寸及加工公差选择活塞厚度为活塞杆直径的1倍，因为活塞杆直径是56mm这 个在后面的活塞杆设计中会给出解释） ，所以活塞的厚度为 56mm。活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件， 所以要求不高， 这 里不加叙述。活塞外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm断面与轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm外表面的圆度和圆柱度不大于外径 公差之半。4、活塞杆的设计、活塞杆杆体的选择 此次设计选用的是实心

19、杆件，形式如下图:、活塞杆与活塞的连接形式此次设计采用的是锁紧螺母型连接，如下图:“h«»«母型4 、活塞杆材料和技术要求、因为没有特殊要求，所以选用 45号钢作为活塞杆的材料， 本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但进行淬火处 理是必要的，淬火深度可以在 0.5 1mn左右。、安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度， 避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的 卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm保证活塞安装不产生歪斜。、活塞杆外圆粗糙度Ra选择为0.3m、因为是运行在

20、低载荷情况下，所以省去了表面处理。 、活塞杆的计算 、活塞杆直径的计算活塞杆的直径可以根据速比来确定，公式如下:(23.327)Sr育内铉（知径）（m）;速度比（面积比）（见表23.1-6）.速比=2由公式23.3 27计算得d=56mm事实上也可以从下面的表格中直接查取:他筒内径121 461.331.251J51活|402822201814塞50362825221843453d 1322S22TT804540 i3628直（90）（60）50454031径)0070565014536(110)80他）565040it1259070(«)5&'45算(140)00|

21、 8070(60)50因为缸筒内径为80mm从上表中选取速比为2的活塞杆直径是56mm 这也正是之前在确定活塞厚度的时候所用到的数据。、活塞杆强度的计算活塞杆端部的负载连接点与与液压缸支撑之间的距离为Lb，如果：Lb <10d （显然这个是成立的）就用下式计算活塞杆强度：“叫Cm> 也.3-28）式中F液压缸的最大捋力（成拉丿）（N）;“材斡的屈服强度（MPa）;叭安全系数一般叭=24;注活塞杆直總5几实际上式中的g/n就是材料的许用应力，之前已经给出了 45号钢的 许用应力为：-=j/n=360/5=72MP最大推力F=30162N于是根据式23.3 28得到活塞杆的直径：d _

22、23mm可知强度符合要求。、活塞杆弯矩稳定性验算当液压虹支承长度toisdo- 15)圧时*需脸算活塞杆弯曲 稳定性，液压缸弯曲禾意图如鉄b(1)若受力几完全在轴线上，主要是按下式验证：F"叫£式中 £（r+7）（i+fe）= k80xl05 MPa= 0.（H9d4m4（b）图中"以m计几一恬寿杆弯曲失栅临界压编力，N险一安全系数*通常取r>t-?3,5*6K液压紅安装及彳向系敷，见袤20©口£,实际弹性模数起材料组织確陷系数，钢材一般取al/12 b活塞杆戡而不均匀系数，一殼取bJ/13E材料的弹性模数.MK钢林£

23、二23真1炉 I活塞杆横截面惯性矩,tn*先计算活塞杆截面的惯性矩1=481890.304 m4油缸支撑长度LB=1121m（见CAD油缸装配图）导向系数根据安装方式选择，如下图第二格所示:刚性周 定有导向一 / D1前耳环，'1,5fhIbJ41 1因此安装导向系数K=1.5将以上各量带入公式中得到活塞杆失稳力：Fk =3.028 105N选取安全系数n =5得到最大承载力的判别式F_ Fk/ rk =6 104N显然这是符合要求的，因为最大工作压力是3 1O4N,而额定工作压力只有1 1O4N。 、活塞杆的导向、密封和防尘、导向环选择非金属导向环， 用高强度塑料制成， 这种导向环的

24、优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损 后导向环易于更换。、密封Yx 型轴用密封圈加轴用阶梯圈组合使用，这样比起单独密封， 可以减小摩擦，减少泄漏量，增加寿命。、防尘使用DH防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。5、缓冲装置和排气阀由于时间原因和课程设计的要求，这两项酌情省略四、外接线路和程序1、液压设备外接线路设计原理如下图:原理说明：、利用液压油泵供油，出油泵以后首先接入“电磁溢流阀（YB1 YB2”，由“电磁溢流阀”决定下一步的油压。（这一项通过PLC控制）、“电磁换向阀（YA1、YA2 YA3”在中间位置（YA3）时，泵 输送的油完全泄入油缸，

25、油缸不工作；在左边位置（ YA1）时，活塞 正向运动；在右边位置（YA2时，活塞负向运动。（这一项通过PLC 控制）、“调速阀（YC1 YC2”对输入油缸正向的油压大小进行控制， 可以调节到需要的尺度。（这一项通过PLC控制）、油缸处于正向工作状态的时候，滤油器可以对液压油进行过 滤。、油缸行程的始端和末端有行程开关，控制活塞停止和运动。（这一项通过PLC控制）2、操作板PLC控制面板如下图:辭启(W94MP)（淤朋MP）自动醜自媚程（不启用）OO速度Gm/nln(6 m/min)淞工作健工作(W（硕）S7-200淞泊鏈制控制步骤及解释：、泵开启按钮选择是否开启额定压力（通过“电磁溢流阀”控制

26、泵输出压力）；、速度按钮选择活塞运行速度（通过“调速阀”控制）；、自动回程按钮选择是否自动回程（默认不自动回程）；、正向按钮活塞正向运动；、负向按钮活塞负向运动；、急停按钮在任何情况下停止活塞运动；、复位按钮在任何情况下停止活塞运动并等待一秒钟时间后返 回初始位置；（注：如果泵压力按钮选择关闭，则其他部件全部失效，用于完全停 止液压缸的运行）3、程序地址分配禾U用德国西门子STEP7-200编程，共使用三个芯片板，下表中已标明各地址分配值的具体作用，没有标出符号的地址只用于程序内 部，不用做外部直接输出。地址分配表格如下：序号地址符号备注1I0.1SB1活塞正向运行210.2SB2活塞负向运行

27、310.3SB3活塞急停410.4SQ1行程末端开关触发510.5SQ2行程始端开关触发6I1.1SS1泵供油开通7I1.2SS2泵供油关闭8I1.3SF全部复位9I2.1SG1选择3m/s行进速度10I2.2SG2选择6m/s行进速度11I2.3SZ1活塞自动回程开启12I2.4SZ2活塞伸出到位停止13Q0.1YA1电磁换向阀正向位14Q0.2YA2电磁换向阀负向位15Q0.3YA3电磁换向阀中间位16Q1.1YB1溢流阀值4MP17Q1.2YB2溢流阀值0MP18Q1.3锁时（程序内部使用）19Q2.1YC1调速阀3m/s位20Q2.2YC2调速阀6m/s位21Q2.3自动回程（内部使用）-30 -4、芯片接线图接线图1:注释：SQ1 SQ2是行程开关的动合触点，活塞到达行程的始端和末端会压合触点，执行相应的程序控制液压缸的动作。- 39 -接线图2:SSISS?SF220V11.1Ql.l11.2Q1.2S7-200、11.3Q1.3MNLLIM接线图3:SGISG2SZ1SZ22E0V12,1Q2.112,2Q2.212,3Q匕3A S7-20012,4MIl I1NLLIMYE1YB2YC1YC25、PLC程序指令: 、选择活塞速度Network 1Neork TitleN etwock Comment12.1Q2.1 f1 1Q21Q2 2&