单杆双作用液压缸设计

辽宁工程技术大学课程设计辽宁工程技术大学专业课综合课程设计题目：HSG单杆双作用活塞式液压缸综合课程设计班级：姓名：指导教师：完成日期：2017.01.12任务书一、设计题目HSG单杆双作用活塞式液压缸综合课程设计二、原始资料三、主要任务1）分析任务书；2）确定结构、方案；3）设计计算；4）装配图及主要零件图绘制；5）编写说明书。四、上交材料(1)装配图（A0或A1）(2)主要零件图，具体情况结合设计内容，由指导老师指定(3)课程设计说明书(包含方案选择、设计计算等内容，8000字左右)五、指导教师评语优秀良好中等及格不及格满分得分平时表现勤奋好学，善于思考勤奋积极，态度认真比较勤奋不够勤奋不勤奋，态度不端正10图纸质量方案合理新颖，表达规范方案合理，图纸比较规范方案一般，图纸基本规范方案基本合理，图纸欠规范方案不合理，图纸不规范40说明书质量内容全面，准确内容全面，基本准确内容一般，准确性一般内容基本全面，有小错误内容不全，错误较多20答辩回答问题准确流利回答问题比较准确回答问题基本准确回答问题欠准确回答错误30总分100综合评定成绩：□优秀□良好□中等□及格□不及格指导教师：日期：摘要本设计对液压系统结构中的液压缸进行了详细的设计，首先确定了液压元件的执行方式和各个结构功能参数，然后针对这种液压缸的功能、机构特征，初步确定液压缸的系统原理图，接着对液压系统的各个元件进行详细的标准件计算、选择，最后将整个液压系统中各个元件优化组合并进行各项校核。本设计共六章，第一章为液压传动概述，简单的介绍了液压缸的概述，应用领域、传动原理、主要组成、表达符号、现状及展望等，对其液压系统有一个简单的认识。第二章为液压缸的计算依据，对液压缸的各种液压件的主要参数及常用计算公式进行了比较详尽的计算。第三章为液压缸的典型结构，对各种液压缸的典型结构进行了比较详尽的介绍。第四章为液压缸主要零部件设计，本章为本设计的重要章节，对液压缸主要零部件进行了详细的计算，校核。第五章为液压缸典型产品的介绍，本章为介绍章节，简单的介绍了各种液压缸在实际生活中的应用。第六章为设计主要尺寸图纸，对本设计展示的图纸加以介绍。本设计注重“少而精”的原则，突出重点；以应用为导向，重视理论与实践相结合；适当反映出国内外液压系统的科技成果和发展趋势。关键词液压缸；活塞；缓冲；连接方式AbstractItisaboutadetaileddesignofthehydrauliccylinderinthehydraulicpressuresystemstructure.Firstly,confirmthemethodhowthehydrauliccomponentimplementandthefunctionalparameterofeverystructure.Andthen,inrelationtothefunctionandmechanismfeatureofthiskindofhydrauliccylinder,makeapreliminaryillustrativediagram.Followingistomakeadetailedstandardpartscalculationandselectionaboutallcomponentsinthehydraulicpressuresystem.Atlast,implementtheoptimizationgroupingandallkindsofcheckingtowardseachcomponentinthehydraulicpressuresystem.Thisdesignconsistsofsixchapters.Thefirstisthesummarizationofthehydraulictransmission,simplyintroducingthesummarizationofthehydrauliccylinderandtheapplicationfields,principleoftransmission,maincomponent,symbolicinstruction,currentsituationandexpectationandsoon,then,wecanhaveasimplerecognitionofthehydraulicpressuresystem;thesecondisthedeterminationofthecalculationbasisofthehydrauliccylinder,implementingcomparativelydetailedcalculationaboutmainparameterandcomputationalformulaofeachhydraulicpartinthehydrauliccylinder;thethirdisthetypicalstructureofthehydrauliccylinder,makingacomparativelydetailedintroductionofthetypicalstructureofthehydrauliccylinder;theforthisthemajordesignofthehydrauliccylinder,andthischapteristheprimaryoneofthisdesign,implementingdetailedcalculationandcheckingofmainsparepartsinthehydrauliccylinder;thefifthistheintroductionoftypicalproductsaboutthehydrauliccylinder,andthischapterismainlyaboutintroduction,simplyintroducingtheactualapplicationsofvarioushydrauliccylinderinthelife;thelastisthedrawingaboutthemajordimensionofthisdesign,introducingthedrawingthatthisdesigndisplays.Thisdesignfocusontheprinciple“shortandsweet”,andgivesprominencetoemphasis;Maketheapplicationastheguide,andpayattentiontothecombineofconceptandpractice;Reflectthescientificfruitandimprovementtrendofhydraulicpressuresystembetweenhomeandabroad.Keywords;hydrauliccylinder；piston；buffering;contact...by辽宁工程大学课程设计PAGEPAGE45目录TOC\o"1-3"\h\u13236摘要 II19090Abstract III9892第1章液压缸的概述 2131971.1液压缸的分类 2319601.2主要参数及常用计算公式 3196201.2.1压力 366361.2.2主要尺寸及面积比 3320011.2.3液压缸活塞的理论推理和拉力 5123271.2.4效率 525441.2.5活塞作用力F 618840第2章液压缸主要零部件设计 7285522.1缸筒的设计计算 7110542.1.1主要技术要求 769902.1.2缸筒结构 780352.1.3缸筒计算 873512.1.4缸筒厚度计算： 9131112.2活塞件的设计计算 106892.2.1活塞结构型式 10245822.2.3材料 1058042.2.4活塞尺寸及公差 10125392.3活塞杆的设计计算 11268082.3.1结构 11105442.3.2活塞杆直径计算 12321722.4缓冲机构设计计算 1460752.4.1一般技术要求 14142002.4.2结构型式 15125982.4.3缓冲计算 1743632.4.4调整缓冲机构尺寸 18170362.5液压缸辅件说明 18211152.5.1耳环 18120382.5.2耳环轴套 20182522.5.3耳环支座国际标准安装尺寸 20153472.5.4耳轴支座国际标准安装尺寸 2141042.5.5防护套 2232350参考文献 23 第1章液压缸的概述液压缸是将液压能转化成直线运动机械能的执行元件。1.1液压缸的分类液压缸主要分单作用液压缸，双作用液压缸，缓冲式液压缸，多级液压缸，组合液压缸等，具体分类如表1双作用液压缸双作用无缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力。活塞在行程终了时不减速不可调单向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力。活塞在一侧形成终了时减速制动，其减速值不可调。另一侧行程终了时不减速不可调双向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力，活塞在双侧行程终了时均减速制动，其减速值不可调可调单向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力。活塞在一侧形成终了时减速制动，其减速值可调。另一侧行程终了时不减速可调双向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力，活塞在双侧行程终了时均减速制动，其减速值可调PAGE45双活塞杆液压缸活塞两端杆径相同，活塞作正，反运动时，其运动速度和推（拉）力均相等双作用伸缩液压缸（双作用多级液压缸）有多个双向依次运动的活塞，各活塞逐次运动时，其运动速度和推，拉力均是变化的以上列出的是常见的液压缸分类，未包括一些结构或用途特殊的液压缸。1.2主要参数及常用计算公式1.2.1压力1.额定压力Pn，也称公称压力，是液压缸能用以长期工作的压力。国家标准GB2346-80规定了液压缸的公称压力系列如表2表2液压缸公称压力（MPa）2.最高允许压力Pmax，也是动态试验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。各国规范通常规定为：Pmax1.5Pn（MPn）（1.1.1）3耐压试验压力Pt，是液压缸在检查质量时需承受的压力试验，在此压力下不出现变形或破裂。各国规范多数规定为：Pt=1.5Pn（MPn）（1.1.2）4军品规范为：Pt=(2-2.5)Pn(MPa)（1.1.3）1.2.2主要尺寸及面积比1缸内径D国家标准GB2348-80（等效于ISO3320）规定了液压缸内径系列如表3表3缸内径D（mm）2活塞杆内径d国家标准GB2349-80规定了活塞杆直径的基本系列（见表4）表4活塞杆直径d（mm）3活塞行程S国家标准GB2349-80规定了活塞行程S的基本系列（见表5）表5活塞杆行程S4面积比（即速度比）(1.1.4)=/4=/4()式中——活塞无杆侧有效面积（）——活塞有杆侧有效面积（）——活塞杆伸出速度（）——活塞杆退出速度（）D——活塞直径（）d——活塞杆直径（）1.2.3液压缸活塞的理论推理和拉力以双作用单活塞液压缸为例，液压油作用在活塞上：（1.1.5）当活塞杆退回时的理论拉力（1.1.6）当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的液压油）的理论推力（1.1.7）以上三式中D——活塞直径（即液压缸内径）（m）D——活塞杆直径（m）Pi——供油压力（）1.2.4效率1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.2容积效率，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为：图1液压缸活塞受力示意图装弹性体密封圈时：1装活塞环时：0.983作用力效率：由排出口背压所产生的反向作用力而造成。活塞外推时：（1.1.8）活塞向内拉时：（1.1.9）式中——当活塞外推时，为进油压力；当活塞向内拉时,为排油压力（MPa）；——当活塞杆外推时，为排油压力；当活塞环内拉时，为进油压力（MPa）；——同前。当排油直接回油箱时：1.4总效率=1.2.5活塞作用力F液压缸在工作适，活塞的作用力F，必须克服各项阻力，F的大小为；F（N）（1.1.10）式中——外负载阻力（包括外摩擦阻力在内）（Ｎ）——回油阻力（N），当油流会邮箱时，可以近似取=0，如果回油存在背压，则当杆外推时，可按式（1.1.6），计算当杆内拉时，可按式（1.1.5）计算；当活塞差动前进时，在推力中已考虑了在内，故此不必计算。——密封圈摩擦阻力（N）；——活塞在启动、制动或换向时的惯性力（N）在加速时，取+，在减速时，取－，在恒速时，取=0.密封圈摩擦阻力为活塞密封和活塞杆密封摩擦阻力之和，即（N）（1.1.11）式中——密封圈摩擦系数，按不同润滑条件，可以取～0.2；——密封圈两侧压力差（Mpa）;——分别为活塞及活塞杆密封圈宽度(m);——分别为活塞和活塞杆密封圈摩擦修正系数，“O”型密封圈；0.15压紧型密封圈；0.2唇型密封圈；0.25第2章液压缸主要零部件设计2.1缸筒的设计计算2.1.1主要技术要求1）有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久性变形；2）有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致于产生弯曲3）内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，有高的几何精度，足以保证活塞密封件的密封行；4）有几种结构的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不致于产生裂纹或过大的变形。2.1.2缸筒结构常用的缸筒结构有八类，表8列举21种采用较多的结构。通常根据缸筒与端盖的连续型式选用其结构，而连接型式又取决于额定工作压力，用途，使用环境等因素。图2常用的缸筒与缸盖的连接型式(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)焊接连接式由此可见，缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。2.1.3缸筒计算缸筒内径计算a当液压缸的理论作用力F及供油压力为以知时，则缸筒内径D按下式计算（无活塞杆测）无活塞杆侧：(2.1.1)有活塞杆侧：(2.1.2)式中d——活塞杆直径（m）；——供油压力（MPa）；，——分别为液压缸的理论推力和拉力（N）液压缸的理论作用力F，按下式确定：（N）(2.1.3)式中——活塞杆上的实际作用力（N）；——负载率，一般取=0.5～0.7；——液压缸的总效率b当活塞差动前进的理论推力：=(2.1.4)我们知道液压系统的最大推力为14650N，=5MPa，液压缸的无腔工作面积为有腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为d=0.707D，背压=2.8MPa。==得=0.0451D==0.2407m(2.1.5)按GB/T2348—1980将直径圆整成标准值是得：D=0.24m=240mm2.1.4缸筒厚度计算：缸筒厚度为：=++(2.1.6)式中——为缸筒材料强度要求的最小值（m）；——为缸筒外径公差余量（m）——腐蚀余量（m）式中D——缸筒内径（m）：——缸筒内最高工作压力（MPa）；——缸筒材料的许用应力（MPa）；——缸筒材料的抗拉强度（MPa）；n——安全系数，通常n=5我们取=0.0384，这时候/D=0.16在0.08～0.3之间，所以选用实用公式：（m）(2.1.7)其中p1.5MPa，我们选用45号钢，它的许用应力=/n=600/2=300N/=0.00174（m）式中D——缸筒内径（m）——缸筒内最高工作压力2.2活塞件的设计计算2.2.1活塞结构型式活塞根据密封装置型式来选用其结构型式。通常分为整体活塞和组和活塞两类。整提活塞可采用活塞环，“O”形密封圈，唇形密封圈，迷宫密封等。组合活塞可采用组合密封圈，但其结构较复杂，加工工作量较大。2.2.3材料无导向环活塞：用高强度铸铁HT200-300，球墨铸铁。有导向环活塞：用碳素刚20号，35号及45号2.2.4活塞尺寸及公差活塞厚度可按密封件的型式，数量来确定，在需要安装导向环时，也应有足够厚度。有时，可以结合中隔圈的布置确定活塞厚度。根据以上考虑得出的厚度通常能满足强度的要求2.3活塞杆的设计计算2.3.1结构1）杆体分实心杆和空心杆两种。实心杆制造工艺较简单，故多采用。空心杆多用与d/D比值较大或杆心须装有如位置传感器等机构的情况。（图7）（a）实心活塞杆（b）空心活塞杆图3活塞杆2）杆外端杆外端用以与负载连接的外端结构根据工作要求而定。（图4）（a）光杆（带销孔）；（b）球头;（c）圆形双耳环；（d）单耳环（带球铰）；（e）方形双耳环；（f）单耳环；（g）外螺纹；（带肩）；（h）外螺纹（无肩）；（i）内螺纹图8活塞杆外端结构型式杆内端活塞杆内端与活塞连接有多种型式，所有型式，均须有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开。同时还须安装活塞与活塞杆之间的静密封。2.3.2活塞杆直径计算1）初步确定活塞杆直径d对于双作用单边活塞杆缸，其活塞杆直径d，可根据往复运动速度比按下式初步决定：d=D（m）(2.1.8)式中D——缸筒内径（m），可按式3.1.14初步确定——速度比如果没有速度比，可按照下式初步选取d的值：d=（～）D因为D=240，所以d=D=80mm=0.08m计算活塞杆的强度和弯曲稳定性符合设计要求后，圆整到标准数值（表4）A活塞杆强度计算通常以液压缸前后铰接作为基本基本情况考虑，并令=活塞杆全部伸出时，活塞杆顶端连接点与液压缸支承点之间的距离。当10d时，液压缸属短行程型，主要须验算活塞杆压缩或拉伸强度：D=0.082==0.0097（m）(2.1.9)所以活塞杆直径取0.08合理式中F——液压缸的最大推力（N）；——材料的屈服极限（MPa）；——屈服安全系数，一般=2～4。如果在工作时，活塞杆所承受的弯曲力矩不可忽略是。则可按下式计算活塞杆的应力：=（）/（ MPa）(2.1.10）式中——活塞杆断面积（）W——活塞断面模数（）M——活塞所承受的弯曲力矩（Nm）b．活塞杆弯曲稳定性验算当液压缸支承长度（10～15）d时，须考虑活塞杆弯曲稳定性若受力完全在轴线上主要按下式验证(2.1.11)式中——活塞杆弯曲失稳临界压缩力（N）；——安全系数，通常取3.5～6(2.1.12)式中——液压缸安装及导向系数，——实际弹性模数，=（MPa）(2.1.13)a——材料组织缺陷系数，钢材一般取b——活塞杆截面不均匀系数，一般取E——材料的弹性模数，钢材：E=210MPa——活塞杆横截面惯性矩（）圆截面：(2.1.14)若受力偏心时当推力与支承的反作用力不完全处在轴线上时，可用下式：（N）(2.1.15)式中——活塞杆截面面积（）；——受力偏心量（m）；——活塞杆材料屈服极限（MPa）；c）实用验算法活塞杆弯曲计算长度为：(2.1.16)式中——液压缸安装及导向系数——行程（m）。若以知作用力和活塞杆直径，可得，为弯曲临界长度。若，则活塞杆弯曲稳定性性良好。2.4缓冲机构设计计算液压缸的行程末端缓冲机构可使带动负载的活塞部件在到达行程末端时减速到零，目的是消除因活塞部件的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖之间的机械撞击，同时也为了减小活塞在改变运动方向时液体发出的噪声。缓冲机构的工作原理是使缸筒低压腔内油液通过节流器把动能转换为热能，热能则由循环的油液带出到液压缸外。2.4.1一般技术要求a）缓冲机构应能以较短的缓冲行程吸收最大的动能。b）缓冲过程中尽量避免出现压力脉冲及过高的缓冲腔压力峰值，使压力的变化为渐变过程。c）缓冲腔内的峰值压力应为d）动能转变为热能使油液温度上升时，油液的最高温度不应超过密封件的允许极限。2.4.2结构型式1）缓冲腔型式油液从缸筒侧流出，端盖内有缓冲腔，当缓冲柱塞伸入该腔时，油液通过缓冲柱塞的间隙流出。2）节流型式根据节流孔的流通面积，在缓冲过程中能自动改变与否，节流机构的型式，通常可分为恒节流型，变节流型及自调节流型三类。恒节流型：缓冲柱塞为圆柱型，当进入节流区时，油液被活塞挤压而通过缓冲柱塞周围的环形间隙或通过缓冲节流阀而流出，活塞A侧腔内的压力上升到高于侧腔内的工作压力，使活塞部件减速。（图5）1—活塞杆；2—缓冲柱塞;3—油道;4—节流阀;5—后端盖;6—单向阀;7—缓冲腔图5恒节流型节流阀式缓冲装置变节流型：目前多使用变节流型，使节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使动能的吸收更均匀（图6）(a)抛物线;(b)铣槽;(c)梯阶形(d)圆锥形;(e)双圆锥形;(f)两级缓冲;(g)多孔缸筒;(h)多孔缓冲柱塞图6变节流型节流阀式缓冲装置c）自调节流型：由于以上两种节流型式都存在一定的缺点如，缓冲机构吸收的能量随液压缸活塞速度和油液温度等外界条件的变化而改变，特别是黏度下降时吸收的能量下降较多。需要另外装回行程快速供油阀，以利于快速启动。所以，近年来，研制出能弥补以上缺点的缓冲机构，即自调节流型，它的特定是，端盖中装有浮动节流圈，能自动对中并作微量的纵向移动；浮动节流圈用特种合金钢制造，或用夹布橡胶或塑料，其外部用弹簧收紧。2.4.3缓冲计算1）假设：油液是不可压缩的；节流系数是恒定的；流动是紊流；缓冲过程中，供油压力不变；密封件摩擦阻力相对于惯性力相当于惯性力很小，可略去不计。2）缓冲压力一般计算公式在缓冲制动情况下，液压缸活塞的运动方程式为：(2.1.17)在一般情况下，排油压力，由此可得：（MPa）式中——缓冲腔内的缓冲压力（MPa）；A——缓冲压力在活塞上的有效作用面积（）；——液压油的工作压力（MPa）；——工作腔活塞的有效作用面积（）；R——折算到活塞上的一切外部载荷，包括重量及液压缸内外摩擦阻力在（N），其作用方向与活塞的运动方向一致者取“+”号，反之则取“-”号G——折算到活塞上的一切有关运动部分的重量（N）g——重力加速度=9.81；a——活塞的减速度（）（3）恒节流型缓冲机构计算对采用缓冲节流阀进行节流的缓冲机构将代入，即得平均缓冲压力：（MPa）(2.1.18)最高缓冲压力发生在活塞刚进入缓冲区一