液压缸课程设计

1、理工大学机械学院课程设计说明书题目名称：单柱压力机的液压缸设计学 院：机械与动力工程学院班 级：机电11-1姓 名：邱晓学 号： 指导教师：俊利目录一、 课程设计的目的及要求二、 课程设计容及参数确定三、液压缸主要尺寸的确定四、液压缸的密封设计 五、支承导向的设计 六、防尘圈的设计 七、液压缸材料的选用 八、课程设计总结 九、参考文献说明书-、课程设计的目的油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360°回摆运动的液压执行元件。具有结构简单，工作可靠，制造容易以及使用维护方 便、低速稳定性好等优点。因此，广泛应用于工业生产各部门，如： 工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提升机构， 起

2、重机械中汽车 起重机的伸缩臂和支腿机构，矿山机械中的液压支架及采煤机的滚筒 调高装置，建筑机械中的打桩机，冶金机械中的压力机，汽车工业中 自卸式汽车和高空作业车，智能机械中的模拟驾驶舱、机器人，火箭 的发射装置等。它们所用的都是直线往复运动油缸，即推力油缸。所 以，研究和改进液压缸的设计制造，提高液压缸的工作寿命及其性能， 对于更好的利用液压传动具有十分重要的意义。设计要求1、每个参加课程设计的学生，都必须独立按期完成设计任务书 所规定的设计任务。2、设计说明书和设计计算书要层次清楚，文字通顺，书写工整， 简明扼要，论据充分。计算公式不必进行推导，但应注明公式中各符号的意义，代入数据得 出结果

3、即可。3、说明书要有插图，且插图要清晰、工整，并选取适当此例。 说明书的最后要附上草图。4、绘制工作图应遵守机械制图的有关规定，符合国家标准。5、绘制液压缸总图；6、一份设计说明书二、课程设计容及所给参数1 、设计参数主要技术参数：压力机额定输出力：20吨；液压缸安装方式：竖直布置，法兰固定；液压缸行程：250 mm液压缸额定压力：lOMPa液压缸背压：1 MPa环境温度：-1070 C。三、液压缸主要尺寸的确定1. 液压缸的工作压力主要是根据液压设备的类型来确定的， 对于不 同用途的液压设备，由于实际的工作条件不同，通常采用的压力围也 不同。液压缸的工作压力为 P=10Mpa2. 液压缸缸筒

4、径D的计算根据已知条件，工作最大负载 F=120000N工作压力P=10MPa液压缸径D和活塞杆直径d的确定：D4 12000010 106已知：F=120000N, P=10MPa123.6mmd=0.75D=0.75 x 123.6mm=92.7mm式中:F 液压缸的理论作用力，N;p 供油压力，MPad 活塞杆的直径，m查表得：D= 125mm ,d=100mm3、液压缸活塞杆直径 d的确定由已知条件查表(GB/T2348-1993),取d=100mm选用45号钢查表知，45钢的屈服强度s 355 MPa按强度条件校核:因为由上面的计算所选择的活塞杆直径 d=125mm远大于按强度条件

5、校核的最小直径29mm所以计算选择的直径d符合要求。4、液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般指 缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受压力的圆筒，其应 力分布材料规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和 厚壁圆筒。本设计按照薄壁圆筒设计，其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：PyD2(该设计材料采用无缝钢管)Py1. 5 1015MPa=100MPa15 1252 1009.4mm式中，D为缸筒径；Py为缸筒试验压力，当缸的额定压力Pn 16MPa时,取Py=1.5pn ；而当Pn 16MPa时，取Py=1.25 pn ；为缸筒材料的许 用应力，=b/

6、n， b为材料抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小， 使缸体的刚度不够，如 在切削加工过程中的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：3=125、缸体外径尺寸的计算缸体外径 D1 D 2125 2 12 149mm查机械设计手册：液压缸的外径 D1取160mm液压缸的材料为S45;液压缸的产品系列代号为A型即工程液压缸。6、液压缸工作行程的确定由于在液压缸工作时要完成如下的几个动作：快进150I工 进50丨J工进50丨快 退1n|<1即可根据执行机构实际工作的最大长度确定。由上述动作和已知参数可以得出液压缸的工作行程为

7、250mm7、缸底厚度的确定一般液压缸多为平底缸底，其有效厚度按强度要求可用下式进行近似计算：rpno10.433D0.433 12517mm-,100式中：D 缸盖止口径（mm）;1 缸底厚（mm）;P缸最大压力，MPa;缸底材料许用应力，MPa其选用方法与上面缸筒厚 度的计算是相同的。由上面的计算得出，缸底的厚度17mm&最小导向长度当活塞杆全部外伸时，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（如图4所示），若导向长度太小，将使油缸因间 隙引起的初始挠度增大，从而影响油缸的工作稳定性。对于一般油缸, 其最小导向长度H应满足下式要求：L D 250 125 ”75m

8、m20 2202式中：L -油缸最大工作行程（m）D-缸筒径（m）般导向套滑面的长度 A,在缸筒径D v 80mm取缸筒径D的0.61.0倍;在缸筒径D >80mn时则取活塞杆直径的0.61.0倍。活塞宽度B取缸筒径D的0.61.0倍，为了保证最小导向长度而过份地 增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的。 最好的方法是在导向套与 活塞之间装一隔套K,其长度C由所需的最小导向长度决定。采用隔 套不仅能保证最小导向长度，而且可以扩大导向套及活塞的通用性。9、活塞宽度B的确定活塞的宽度B 一般取B=( 0.61.0)D即 B= (0.61.0) X 125 = (75125) mm10、缸体长度

9、的确定液压缸缸体部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于 缸体径D的20-30倍。即：缸体部长度250+75=325mm缸体长度=(2030) D=(25003750 mm即取缸体长度为510mm11、液压缸进、出油口尺寸的确定液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上，进、出油口处的流速不大于5m/s，油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。根据液压缸螺纹连接的油口尺寸系列(摘自GB/T2878-93)及16MPOJ、型系列单杆；自(GB/T2878-93)及16MPa小型系列的单杆液压缸油口安装尺寸(ISO8138-1986)确定。

10、进出油口的尺寸为M16X1.5。连接方式为螺纹连接。12、活塞杆强度和液压缸稳定性计算1）活塞杆强度计算活塞杆的直径d按下式进行校核d 4F 41°°1°3 35mm 3.14 100符合要求式中，F为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力，2）液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工 作所允许的临界负载Fk，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。 Fk的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装 方式等因素有关。活塞杆稳定性的校核依下式进行 ：F 旦英7卫6 3.9 105N以4式中，nk为安全系数，一般取n

11、k=24。当活塞杆的细长比l/rk - 2时：4.9 108FkfA2rk100244（1062）25000（ 25）61.57 10 N J"麗/；2 425l/rk rk 11062式中，l为安装长度，其值与安装方式有关，见表1； rk为活塞杆横截面最小回转半径，5 J / A ； 1为柔性系数，其值见表 2； 2为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表1； E为活塞杆材料的弹性模量，对钢取E 2.06 1011N/m2 ； J为活塞杆横截面惯性矩； A为 活塞杆横截面积；f为由材料强度决定的实验值， 为系数，具体数 值见表2。表2 f、i的值材料f 108N/m21铸铁5.6

12、1/160080锻铁2.51/9000110钢4.91/500085表1液压缸支承方式和末端系数 2的值支承方式支承说明末端系数2H“ F一端自由一端固定两端铰接一端铰接一端固定两端固定13、缓冲装置设计计算液压缸中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在活塞和缸盖之间封住一部分油液，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。液压缸中使用的缓冲装置的工作原理如图 9所示。最常用的是节流口 可调式和节流口变化式两种。其中，节流口可调式缓冲装置在节流口 调定后，工作原理上就相当于一个单孔口式的缓冲装置。表3示节

13、流口可调式和节流口变化式两种缓冲装置的主要性能。图9液压缸的缓冲装置原理表3液压缸中常用的缓冲装置名称和工作原理图特点说明被封在活塞和缸盖间的油液经针形节流阀流出节流阀开口可根据负载情况进行调节起始缓冲效果大，随着活塞的 行进，缓冲效果逐渐减弱，故制动行程长缓冲腔中的冲击压力大 缓冲性能受油温影响 适用围广1轴向节流阀被封在活塞和缸盖间的油液 经活塞上的轴向节流槽流出 缓冲过程中节流口通流截面 不断减小，当轴向槽的横截面 为矩形，纵截面为抛物线形 时，缓冲腔可保持恒压 缓冲作用均匀，缓冲腔压力较 小，制动位置精度高四：液压缸的密封设计液压缸要求低摩擦，无外漏，无爬行，无滞涩，高响应，长寿命，要

14、 满足伺服系统静态精度，动态品质的要求，所以它的密封与支承导向 的设计极为重要，不能简单的延用普通液压缸的密封和支承导向。 因 此设计密圭寸时应考虑的因素：用于微速运动（3-5mm/s）的场合时，不得有爬行，粘着滞涩现象。 工作在高频振动的场合的，密封摩擦力应该很小且为恒值。要低摩擦， 长寿命。工作在食品加工、制药及易燃环境的伺服液压缸，对密封要求尤为突 出，不得有任何的外渗漏，否则会直接威胁人体健康和安全。工作在诸如冶金、电力等工业部门的，更换密封要停产，会造成重大经济损失，所以要求密封长寿命，伺服液压缸要耐磨。对于高速输出的伺服液压缸，要确保局部过热不会引起密封失效， 密 封件要耐高温，要

15、有良好的耐磨性。工作在高温、热辐射场合的伺服液压缸，其密封件的材料要有长期耐 高温的特性。工作介质为磷酸酯或抗燃油的，不能用矿物油的密封风材料，要考虑 他们的相容性。伺服液压缸的密封设计不能单独进行，要和支承导向设计统一进行统 筹安排。（1）静密封的设计静密封的设计要确保固定密封处在正常工作压力的1.5倍工作压力下均无外泄露。静密封通常选用0形橡胶密封圈。根据GB3452.1-92标准，查通用0形密封圈系列（代号G）的径、截 面及公差。由液压缸装配草图确定：选用 125 X 3.55 G GB3452.1 一个36 X 2.65 G GB3452.1 一个（2）动密封的设计动密封的设计直接关系

16、着伺服液压缸性能的优劣，其设计必须结合支 承导向的设计统筹进行。活塞与缸筒之间用丫型密封圈。根据液压传动与控制手册表13-23，查得用226编号的0型密封 圈,其尺寸为50.39 X 3.53.活塞杆与端盖之间用 丫型密封圈，它使双作用元件具有良好的性能， 抗挤压性好，尺寸稳定，摩擦力小,耐磨、耐腐蚀性强.五、支承导向的设计伺服液压缸的支承导向装置就是为了防止活塞与缸筒、 活塞活塞杆与 端盖之间的直接接触，相互摩擦，产生磨损，从而达到降低摩擦，减少 磨损，延长寿命，起到导向和支承侧向力的作用.导向环的特点：避免了金属之间的接触；具有高的径向交荷承触力；能补偿边界力；具有强耐磨性和高寿命；摩擦力

17、小；能抑制机械振动；有良好的防尘效果，不允许外界异物嵌入；保护密封件不受过分挤压；导向时即使无润滑也没有液动力方面的问题；结构简单,安装方便；维修费用小.导向环的作用：导向环安装在活塞外圈的沟槽或活塞杆导向套圆的沟槽,以保证活塞与缸筒或活塞杆与其导向套的同轴度，并用以承受活 塞或活塞杆的侧向力，用来对活塞杆导向.根据V新编液压工程手册(下册)> 表24.7-13查得选用GST5908-0630的导向环.导向套的选用为其导向长度A=(0.6-1.0)D=(75-125)mm,取 A=100mm六：防尘圈的设计为防止落入活塞杆的尘埃，随着活塞杆的伸缩运动被带进端盖和 缸筒，从而使密封件和支承

18、导向环受到损失和过早的磨损，所以，伺 服液压缸还设计安装防尘圈。防尘圈的选择原则：不给伺服液压缸增加摩擦；不产生爬行；不粘着滞涩；不磨损活塞杆。防尘圈的选择不当，会引起摩擦力的增加，将保护活塞杆表面起 润滑作用的粘附性油膜层刮下来，造成粘附性渗漏，这种渗漏在原理 上是允许的。防尘圈的作用：以防止活塞杆缩时把杂质、灰尘及水分带到密封装置 区，损伤密封装置。综上所述，经查表13-28 (液压传动与控制手册)，选用丁 型无骨架防尘圈，尺寸为125mm七：液压缸材料的选用缸筒：缸筒材料：常用20、35和45号钢的无缝钢管。由于缸筒要与法 兰焊接在一起，故选用45号钢的无缝钢管。缸筒和缸盖的连接方式：

19、法兰连接；特点是结构较简单、易加工、易装卸，使用广泛，外形尺 寸大，重量大。缸盖的材料为HT200,液压缸圆柱表面粗糙度为Ra0.2-0.4um。径用H8的配合；径圆度、圆柱度不大于直径公差之半；表面母线直线度在45.0mm长度上，不大于0.03mm； 缸体端面对轴线的垂直度在直径上每 100mn上不大于0.04mm 缸体和端盖采用螺纹连接，用六角螺栓。活塞：活塞的结构形式应根据密封装置的形式来选择，密封形式根据工 件条件而定。活塞杆：活塞杆的外端结构：活塞杆外端与负重连接，其结构形式根据工作要求而定。活塞杆的端结构：活塞杆的端与活塞连接。所有形式均需有锁紧措施，以防止工作 时由于往复运动而松开。活塞杆与活塞之间还需安装密封，采用缓冲 套的螺纹连接。活塞杆导向套：活塞杆导向套装在液压缸的有杆腔一侧的端盖，用来对活塞杆导 向，其侧装有密封装置，保证缸筒有杆腔的密封性。外侧装有防尘圈， 防止活塞杆缩时把杂质、灰尘和水分带进密封装置区，损伤密封