液壓缸課程設(shè)計(jì)

1、 河南理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題目名稱(chēng)： 單柱壓力機(jī)的液壓缸設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 班 級(jí)： 機(jī)電11-1 姓 名： 邱曉 學(xué) 號(hào)： 311104001017 指導(dǎo)教師： 劉俊利 目錄一、課程設(shè)計(jì)的目的及要求 二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及參數(shù)確定 三、液壓缸主要尺寸的確定四、液壓缸的密封設(shè)計(jì) 五、支承導(dǎo)向的設(shè)計(jì) 六、防塵圈的設(shè)計(jì) 七、液壓缸材料的選用 八、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 九、參考文獻(xiàn) 說(shuō)明書(shū)一、 課程設(shè)計(jì)的目的 油缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和小于360°回?cái)[運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造容易以及使用維護(hù)方便、低速穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)

2、各部門(mén)，如：工程機(jī)械中挖掘機(jī)和裝載機(jī)的鏟裝機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)，起重機(jī)械中汽車(chē)起重機(jī)的伸縮臂和支腿機(jī)構(gòu)，礦山機(jī)械中的液壓支架及采煤機(jī)的滾筒調(diào)高裝置，建筑機(jī)械中的打樁機(jī)，冶金機(jī)械中的壓力機(jī)，汽車(chē)工業(yè)中自卸式汽車(chē)和高空作業(yè)車(chē)，智能機(jī)械中的模擬駕駛艙、機(jī)器人，火箭的發(fā)射裝置等。它們所用的都是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸，即推力油缸。所以，研究和改進(jìn)液壓缸的設(shè)計(jì)制造，提高液壓缸的工作壽命及其性能，對(duì)于更好的利用液壓傳動(dòng)具有十分重要的意義。 設(shè)計(jì)要求1、每個(gè)參加課程設(shè)計(jì)的學(xué)生，都必須獨(dú)立按期完成設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)所規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。2、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)要層次清楚，文字通順，書(shū)寫(xiě)工整，簡(jiǎn)明扼要，論據(jù)充分。計(jì)算公式不必進(jìn)行推導(dǎo)，

3、但應(yīng)注明公式中各符號(hào)的意義，代入數(shù)據(jù)得出結(jié)果即可。3、說(shuō)明書(shū)要有插圖，且插圖要清晰、工整，并選取適當(dāng)此例。說(shuō)明書(shū)的最后要附上草圖。4、繪制工作圖應(yīng)遵守機(jī)械制圖的有關(guān)規(guī)定，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。5、繪制液壓缸總圖；6、一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及所給參數(shù) 1、設(shè)計(jì)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)： 壓力機(jī)額定輸出力：20噸；液壓缸安裝方式：豎直布置，法蘭固定；液壓缸行程：250 mm；液壓缸額定壓力：10MPa； 液壓缸背壓：1 MPa；環(huán)境溫度：-1070 。三、液壓缸主要尺寸的確定1. 液壓缸的工作壓力主要是根據(jù)液壓設(shè)備的類(lèi)型來(lái)確定的，對(duì)于不同用途的液壓設(shè)備，由于實(shí)際的工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。

4、液壓缸的工作壓力為P=10Mpa。2. 液壓缸缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算根據(jù)已知條件，工作最大負(fù)載F=120000N，工作壓力P=10MPa液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定：已知: F=120000N, =10MPa， d=0.75D=0.75×123.6mm=92.7mm式中： F 液壓缸的理論作用力，N； P 供油壓力，MPa； d 活塞桿的直徑，m。查表得：D= 125mm ,d=100mm3、液壓缸活塞桿直徑d的確定由已知條件查表（GB/T2348-1993），取d=100mm選用45號(hào)鋼查表知，45鋼的屈服強(qiáng)度 按強(qiáng)度條件校核： 因?yàn)橛缮厦娴挠?jì)算所選擇的活塞桿直徑d=125mm遠(yuǎn)大于

5、按強(qiáng)度條件校核的最小直徑29mm，所以計(jì)算選擇的直徑d符合要求。4、液壓缸壁厚的計(jì)算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。液壓缸的壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布材料規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。本設(shè)計(jì)按照薄壁圓筒設(shè)計(jì)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算為： (該設(shè)計(jì)材料采用無(wú)縫鋼管) =100MPa 式中，為缸筒內(nèi)徑；為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取=1.5；而當(dāng)時(shí)，取=1.25；為缸筒材料的許用應(yīng)力，=，為材料抗拉強(qiáng)度，為安全系數(shù)，一般取=5。由計(jì)算的公式所得的液壓缸的壁厚厚度很小，使缸體的剛度不夠，如在切削加工過(guò)程

6、中的變形，安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程中卡死或漏油。所以用經(jīng)驗(yàn)法選取壁厚：=125、缸體外徑尺寸的計(jì)算 缸體外徑查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：液壓缸的外徑取160mm；液壓缸的材料為S45；液壓缸的產(chǎn)品系列代號(hào)為A型即工程液壓缸。6、液壓缸工作行程的確定 由于在液壓缸工作時(shí)要完成如下的幾個(gè)動(dòng)作： 快 進(jìn)150工 進(jìn)50 工 進(jìn)50快 退 即可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大長(zhǎng)度確定。由上述動(dòng)作和已知參數(shù)可以得出液壓缸的工作行程為250mm7、缸底厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸底，其有效厚度 按強(qiáng)度要求可用下式進(jìn)行近似計(jì)算： 式中： D缸蓋止口內(nèi)徑(mm)； 缸底厚(mm)； P 缸內(nèi)最大壓力，MPa; 缸底材料

7、許用應(yīng)力，MPa,其選用方法與上面缸筒厚度的計(jì)算是相同的。 由上面的計(jì)算得出，缸底的厚度17mm。8、最小導(dǎo)向長(zhǎng)度當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱(chēng)為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度（如圖4所示），若導(dǎo)向長(zhǎng)度太小，將使油缸因間隙引起的初始撓度增大，從而影響油缸的工作穩(wěn)定性。對(duì)于一般油缸，其最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足下式要求: 式中: -油缸最大工作行程 (m)-缸筒內(nèi)徑 (m) 一般導(dǎo)向套滑面的長(zhǎng)度A,在缸筒內(nèi)徑80mm取缸筒內(nèi)徑的0.61.0倍;在缸筒內(nèi)徑>80mm時(shí)則取活塞桿直徑的0.61.0倍?；钊麑挾热「淄矁?nèi)徑的0.61.0倍,為了保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度而過(guò)份地增大導(dǎo)向套長(zhǎng)度和活塞寬

8、度都是不適宜的。最好的方法是在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套K，其長(zhǎng)度由所需的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度決定。采用隔套不僅能保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，而且可以擴(kuò)大導(dǎo)向套及活塞的通用性。 9、活塞寬度B的確定 活塞的寬度B一般取B=（0.61.0）D即B=（0.61.0)×125 =（75125）mm10、缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部的長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞寬度的和。缸體外部尺寸還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般液壓缸缸體的長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑D的20-30倍。 即：缸體內(nèi)部長(zhǎng)度250+75=325mm 缸體長(zhǎng)度（2030）D=（25003750）mm 即取缸體長(zhǎng)度為510mm11、液壓缸進(jìn)、出油口尺寸的確定

9、液壓缸的進(jìn)、出油口可布置在端蓋或缸筒上，進(jìn)、出油口處的流速不大于5m/s，油口的連接形式為螺紋連接或法蘭連接。 根據(jù)液壓缸螺紋連接的油口尺寸系列（摘自GB/T2878-93）及16MPa小型系列單桿；自（GB/T2878-93）及16MPa小型系列的單桿液壓缸油口安裝尺寸（ISO8138-1986）確定。進(jìn)出油口的尺寸為M16x1.5。連接方式為螺紋連接。12、活塞桿強(qiáng)度和液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算1）活塞桿強(qiáng)度計(jì)算活塞桿的直徑按下式進(jìn)行校核符合要求式中，為活塞桿上的作用力；為活塞桿材料的許用應(yīng)力，2）液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生

10、縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。活塞桿穩(wěn)定性的校核依下式進(jìn)行:式中，為安全系數(shù)，一般取=24。當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí)： 式中，為安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)，見(jiàn)表1；為活塞桿橫截面最小回轉(zhuǎn)半徑，；為柔性系數(shù)，其值見(jiàn)表2； 為由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，其值見(jiàn)表1；為活塞桿材料的彈性模量，對(duì)鋼取；為活塞桿橫截面慣性矩；為活塞桿橫截面積；為由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值，為系數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表2。表2 、的值材料鑄鐵5.61/160080鍛鐵2.51/9000110鋼4.91/500085表1 液壓缸支承方式和末端系數(shù)的值支承方式支承

11、說(shuō)明末端系數(shù)一端自由一端固定兩端鉸接1一端鉸接一端固定2兩端固定413、緩沖裝置設(shè)計(jì)計(jì)算液壓缸中緩沖裝置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)在活塞和缸蓋之間封住一部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)，逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。液壓缸中使用的緩沖裝置的工作原理如圖9所示。最常用的是節(jié)流口可調(diào)式和節(jié)流口變化式兩種。其中，節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置在節(jié)流口調(diào)定后，工作原理上就相當(dāng)于一個(gè)單孔口式的緩沖裝置。表3示節(jié)流口可調(diào)式和節(jié)流口變化式兩種緩沖裝置的主要性能。 圖9 液壓缸的緩沖裝置原理表3 液壓缸中常用的緩沖裝置名稱(chēng)和工作原理圖特點(diǎn)說(shuō)明1

12、針形節(jié)流閥 2單向閥被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)針形節(jié)流閥流出節(jié)流閥開(kāi)口可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)節(jié)起始緩沖效果大，隨著活塞的行進(jìn)，緩沖效果逐漸減弱，故制動(dòng)行程長(zhǎng)緩沖腔中的沖擊壓力大緩沖性能受油溫影響適用范圍廣1軸向節(jié)流閥被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)活塞上的軸向節(jié)流槽流出緩沖過(guò)程中節(jié)流口通流截面不斷減小，當(dāng)軸向槽的橫截面為矩形，縱截面為拋物線形時(shí)，緩沖腔可保持恒壓緩沖作用均勻，緩沖腔壓力較小，制動(dòng)位置精度高四：液壓缸的密封設(shè)計(jì)液壓缸要求低摩擦，無(wú)外漏，無(wú)爬行，無(wú)滯澀，高響應(yīng)，長(zhǎng)壽命，要滿足伺服系統(tǒng)靜態(tài)精度，動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，所以它的密封與支承導(dǎo)向的設(shè)計(jì)極為重要，不能簡(jiǎn)單的延用普通液壓缸的密封和支承導(dǎo)向。因

13、此設(shè)計(jì)密封時(shí)應(yīng)考慮的因素：用于微速運(yùn)動(dòng)（3-5mm/s）的場(chǎng)合時(shí)，不得有爬行，粘著滯澀現(xiàn)象。工作在高頻振動(dòng)的場(chǎng)合的，密封摩擦力應(yīng)該很小且為恒值。要低摩擦，長(zhǎng)壽命。工作在食品加工、制藥及易燃環(huán)境的伺服液壓缸，對(duì)密封要求尤為突出，不得有任何的外滲漏，否則會(huì)直接威脅人體健康和安全。工作在諸如冶金、電力等工業(yè)部門(mén)的，更換密封要停產(chǎn)，會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，所以要求密封長(zhǎng)壽命，伺服液壓缸要耐磨。對(duì)于高速輸出的伺服液壓缸，要確保局部過(guò)熱不會(huì)引起密封失效，密封件要耐高溫，要有良好的耐磨性。工作在高溫、熱輻射場(chǎng)合的伺服液壓缸，其密封件的材料要有長(zhǎng)期耐高溫的特性。工作介質(zhì)為磷酸酯或抗燃油的，不能用礦物油的密封風(fēng)材料

14、，要考慮他們的相容性。伺服液壓缸的密封設(shè)計(jì)不能單獨(dú)進(jìn)行，要和支承導(dǎo)向設(shè)計(jì)統(tǒng)一進(jìn)行統(tǒng)籌安排。（1）靜密封的設(shè)計(jì)靜密封的設(shè)計(jì)要確保固定密封處在正常工作壓力的1.5倍工作壓力下均無(wú)外泄露。靜密封通常選用O形橡膠密封圈。根據(jù)GB3452.1-92標(biāo)準(zhǔn)，查通用O形密封圈系列（代號(hào)G）的內(nèi)徑、截面及公差。由液壓缸裝配草圖確定：選用 125×3.55 G GB3452.1 一個(gè) 36×2.65 G GB3452.1 一個(gè)（2）動(dòng)密封的設(shè)計(jì)動(dòng)密封的設(shè)計(jì)直接關(guān)系著伺服液壓缸性能的優(yōu)劣，其設(shè)計(jì)必須結(jié)合支承導(dǎo)向的設(shè)計(jì)統(tǒng)籌進(jìn)行?；钊c缸筒之間用Y型密封圈。根據(jù)液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)表13-23，查得用

15、226編號(hào)的O型密封圈,其尺寸為50.39×3.53.活塞桿與端蓋之間用Y型密封圈,它使雙作用元件具有良好的性能,抗擠壓性好,尺寸穩(wěn)定,摩擦力小,耐磨、耐腐蝕性強(qiáng).五、支承導(dǎo)向的設(shè)計(jì)伺服液壓缸的支承導(dǎo)向裝置就是為了防止活塞與缸筒、活塞活塞桿與端蓋之間的直接接觸,相互摩擦,產(chǎn)生磨損,從而達(dá)到降低摩擦,減少磨損,延長(zhǎng)壽命,起到導(dǎo)向和支承側(cè)向力的作用.導(dǎo)向環(huán)的特點(diǎn): 避免了金屬之間的接觸;具有高的徑向交荷承觸力;能補(bǔ)償邊界力;具有強(qiáng)耐磨性和高壽命;摩擦力小;能抑制機(jī)械振動(dòng);有良好的防塵效果,不允許外界異物嵌入;保護(hù)密封件不受過(guò)分?jǐn)D壓;導(dǎo)向時(shí)即使無(wú)潤(rùn)滑也沒(méi)有液動(dòng)力方面的問(wèn)題;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方

16、便;維修費(fèi)用小.導(dǎo)向環(huán)的作用:導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞外圈的溝槽內(nèi)或活塞桿導(dǎo)向套內(nèi)圓的溝槽內(nèi),以保證活塞與缸筒或活塞桿與其導(dǎo)向套的同軸度,并用以承受活塞或活塞桿的側(cè)向力,用來(lái)對(duì)活塞桿導(dǎo)向. 根據(jù)<新編液壓工程手冊(cè)(下冊(cè))>表24.7-13查得選用GST5908-0630的導(dǎo)向環(huán).導(dǎo)向套的選用為其導(dǎo)向長(zhǎng)度A=(0.6-1.0)D=(75-125)mm, 取A=100mm六：防塵圈的設(shè)計(jì) 為防止落入活塞桿的塵埃，隨著活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)被帶進(jìn)端蓋和缸筒內(nèi)，從而使密封件和支承導(dǎo)向環(huán)受到損失和過(guò)早的磨損，所以，伺服液壓缸還設(shè)計(jì)安裝防塵圈。 防塵圈的選擇原則：不給伺服液壓缸增加摩擦；不產(chǎn)生爬行；不粘著滯

17、澀；不磨損活塞桿。 防塵圈的選擇不當(dāng)，會(huì)引起摩擦力的增加，將保護(hù)活塞桿表面起潤(rùn)滑作用的粘附性油膜層刮下來(lái)，造成粘附性滲漏，這種滲漏在原理上是允許的。防塵圈的作用：以防止活塞桿內(nèi)縮時(shí)把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置區(qū)，損傷密封裝置。 綜上所述，經(jīng)查表13-28（液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)），選用丁型無(wú)骨架防塵圈，尺寸為125mm。七：液壓缸材料的選用缸筒： 缸筒材料：常用20、35和45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。由于缸筒要與法蘭焊接在一起，故選用45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。 缸筒和缸蓋的連接方式：法蘭連接；特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、易加工、易裝卸，使用廣泛，外形尺寸大，重量大。缸蓋的材料為HT200，液壓缸內(nèi)圓柱表面粗糙度為Ra0

18、.2-0.4um。內(nèi)徑用H8的配合；內(nèi)徑圓度、圓柱度不大于直徑公差之半；內(nèi)表面母線直線度在45.0mm長(zhǎng)度上，不大于0.03mm；缸體端面對(duì)軸線的垂直度在直徑上每100mm上不大于0.04mm；缸體和端蓋采用螺紋連接，用內(nèi)六角螺栓。活塞： 活塞的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)密封裝置的形式來(lái)選擇，密封形式根據(jù)工件條件而定?；钊麠U：活塞桿的外端結(jié)構(gòu)： 活塞桿外端與負(fù)重連接，其結(jié)構(gòu)形式根據(jù)工作要求而定。活塞桿的內(nèi)端結(jié)構(gòu)： 活塞桿的內(nèi)端與活塞連接。所有形式均需有鎖緊措施，以防止工作時(shí)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)而松開(kāi)?；钊麠U與活塞之間還需安裝密封，采用緩沖套的螺紋連接?；钊麠U導(dǎo)向套： 活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿腔一側(cè)的端蓋內(nèi)，用來(lái)對(duì)活塞桿導(dǎo)向，其內(nèi)側(cè)裝有密封裝置，保證缸筒有桿腔的密封性。外側(cè)裝有防塵圈，防止活塞桿內(nèi)縮時(shí)把雜質(zhì)、灰塵和水分帶進(jìn)密封裝置區(qū)，損傷密封裝置。緩沖裝置 當(dāng)工作機(jī)構(gòu)質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，液壓缸有較大的動(dòng)量。為了減少液壓缸在行程終端由于大的動(dòng)量造成的液壓沖擊和噪音，必須