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1、河南理工大學機械學院 課程設計說明書 題目名稱：單柱壓力機的液壓缸設計 學 院： 機械及動力工程學院 班 級： 機電11-1 姓 名： 邱曉 學 號： 311104001017 指導教師： 劉俊利 2 / 18 目錄 一、課程設計的目的及要求 二、課程設計內容及參數確定 三、液壓缸主要尺寸的確定 四、液壓缸的密封設計 五、支承導向的設計 六、防塵圈的設計 七、液壓缸材料的選用 八、課程設計總結 九、參考文獻 說明書 一、 課程設計的目的 油缸是液壓傳動系統(tǒng)中實現往復運動和小于360回擺運動的液壓 執(zhí)行元件。具有結構簡單，

2、工作可靠，制造容易以及使用維護方便、低速 穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此，廣泛應用于工業(yè)生產各部門，如：工程機械中挖 掘機和裝載機的鏟裝機構和提升機構，起重機械中汽車起重機的伸縮臂和 支腿機構，礦山機械中的液壓支架及采煤機的滾筒調高裝置，建筑機械中 的打樁機，冶金機械中的壓力機，汽車工業(yè)中自卸式汽車和高空作業(yè)車， 智能機械中的模擬駕駛艙、機器人，火箭的發(fā)射裝置等。它們所用的都是 直線往復運動油缸，即推力油缸。所以，研究和改進液壓缸的設計制造， 提高液壓缸的工作壽命及其性能，對于更好的利用液壓傳動具有十分重要 的意義。 設計要求 1、每個參加課程設計的學生，都必須獨立按期完成設計任務書所規(guī) 定的設計任

3、務。 2、設計說明書和設計計算書要層次清楚，文字通順，書寫工整，簡 明扼要，論據充分。計算公式 不必進行推導，但應注明公式中各符號的意義，代入數據得出結 果即可。 3、說明書要有插圖，且插圖要清晰、工整，并選取適當此例。說明 書的最后要附上草圖。 4、繪制工作圖應遵守機械制圖的有關規(guī)定，符合國家標準。 5、繪制液壓缸總圖; 6、一份設計說明書 二、課程設計內容及所給參數 1、設計參數 主要技術參數： 壓力機額定輸出力：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：lOMPa； 液壓缸背壓：1 MPa； 環(huán)境溫度：-10?

4、70 ℃0 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液壓設備的類型來確定的，對于不同用 途的液壓設備，由于實際的工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。 液壓缸的工作壓力為P=lOMpao 2 .液壓缸缸筒內徑D的計算 根據已知條件，工作最大負載F=120000N,工作壓力P=10MPa 液壓缸內徑D和活塞桿直徑d的確定: 已知：F=120000N, P=10MPa, =123.6nim i，4F = [ 4x120000 \ 成 \ ^xlOxlO6 d=0. 75D=0. 75 X 123. 6mm=92. 7mm 式中: 1 / 18 F 一液壓

5、缸的理論作用力，N； P —供油壓力，MPa； d 一活塞桿的直徑，mo 查表得：D= 125mm , d= 100mm 3、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號鋼查表知，45鋼的屈服強度％ =355MPa 按強度條件校核： “ I 4F (4x120000 . 因為由上面的計算所選擇的活塞桿直徑d=l25mm遠大于按強度條件校核的 最小直徑29mm,所以計算選擇的直徑d符合要求。 4、液壓缸壁厚的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。液壓缸的壁厚一般指缸筒 結構中最薄處的厚度。從材料力學可知，承受內

6、壓力的圓筒，其內應力分 布材料規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓 筒。 本設計按照薄壁圓筒設計，其壁厚按薄壁圓筒公式計算為： (該設計材料采用無縫鋼管) py = 1. 5 x 10 = 15MPa [b]=100MPa 式中，。為缸筒內徑；P，為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力P”“16M2時, 取P-L5P"；而當P">16MPa時,取〃、二1.25〃”； 為缸筒材料的許用應 力，6］二%/〃，%為材料抗拉強度，〃為安全系數，一般取〃二5。 由計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 削加工過程中的變形，安裝變形等引起液壓缸工作過程中卡死

7、或漏油。所 以用經驗法選取壁厚：3二12 5、缸體外徑尺寸的計算 缸體夕卜徑 QNO + 26 = 125+2xl2 = 149 nvn 查機械設計手冊：液壓缸的外徑"取160mll1；液壓缸的材料為S45；液壓 缸的產品系列代號為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要完成如下的幾個動作： 快進150 I -|匚 進50 I J工進50 I快 退 1 1 即可根據執(zhí)行機構實際工作的最大長度確定。由上述動作和已知參數 可以得出液壓缸的工作行程為250mm 7、缸底厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸底，其有效厚度按強度要求可用下式進行近 4

8、N 0.4330 >0,433xI25x 似計算: =17 mm 式中: D一缸蓋止口內徑（mm）； 01 一缸底厚（mm）； P 一缸內最大壓力，MPa; 一缸底材料許用應力，MPa,其選用方法及上面缸筒厚度的 計算是相同的。 由上面的計算得出，缸底的厚度217mll1。 8、最小導向長度 當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導向套滑動面中點的距離稱為 最小導向長度（如圖4所示），若導向長度太小，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。對于一般油缸，其最小導向 長度H應滿足下式要求: =75mm ? L D 250 125 H>— + —

9、=——+ —— 20 2 20 2 式中：L一—油缸最大工作行程 向） D 缸筒內徑（m） 一般導向套滑面的長度A,在缸筒內徑。V80mm取缸筒內徑。的 0. 6?1. 0倍;在缸筒內徑?！?0mm時則取活塞桿直徑的0. 6-1. 0倍?；钊?寬度8取缸筒內徑。的0. 6?1. 0倍,為了保證最小導向長度而過份地增大 導向套長度和活塞寬度都是不適宜的。最好的方法是在導向套及活塞之間 裝一隔套K,其長度。由所需的最小導向長度決定。采用隔套不僅能保證 最小導向長度，而且可以擴大導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二(0.6~1.0) D 即 B二(0.

10、6^1.0)X125 = (75~125) mm 10、缸體長度的確定 液壓缸缸體內部的長度應等于活塞的行程及活塞寬度的和。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度不應大于缸體內 徑D的20-30倍。 即：缸體內部長度250+75=325mm 缸體長度 W (20~30) D=(2500^3750) mm 即取缸體長度為510mm 11＞液壓缸進、出油口尺寸的確定 液壓缸的進、出油口可布置在端蓋或缸筒上，進、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。 根據液壓缸螺紋連接的油口尺寸系列(摘自GB/T2878-93)及16MPa 小型系

11、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 (IS08138-1986)確定。 進出油口的尺寸為M16xl.5。連接方式為螺紋連接。 12、活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性計算 1)活塞桿強度計算 活塞桿的宜徑”按下式進行校核 ,| 4F 4x100x1()3 d > I >、 > 35mm 、川b] V 3.14x100 符合要求 式中，尸為活塞桿上的作用力； [6為活塞桿材料的許用應力， 2)液壓缸穩(wěn)定性計算 活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的力尸不能超過使它保持穩(wěn)定工作所 允許的臨界負載招，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。

12、居的值 及活塞桿材料性質、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素 有關。活塞桿穩(wěn)定性的校核依下式進行： 心人區(qū)任= 3.9x101 % 4 式中，如為安全系數，一般取〃仁2~4。 當活塞桿的細長比〃〃 &G弧時： 4.9xl0x 返 F,=——= ，八月 =1.57x106% 4 1062 2 1+ —(—廠 1 + ( 廠 A 4 5000 25 .r—— I/a/4 ml1 d _ _ rk =\/j/A = J / = — = 25 \ 64 4 4 式中，/為安裝長度，其值及安裝方式有關，見表1; 〃為活塞桿橫截面最 小回轉半徑，"=皿；外為柔性系

13、數，其值見表2；弧為由液壓缸支 撐方式決定的末端系數，其值見表1;七為活塞桿材料的彈性模量，對鋼 取E = 2.06x10"N/〃/；J為活塞桿橫截面慣性矩；A為活塞桿橫截面積；/ 為由材料強度決定的實驗值，。為系數，具體數值見表2。 表2 /、。、仇的值 材料 /xlO87V/nr a a 鑄鐵 5.6 1/1600 80 鍛鐵 2.5 1/9000 110 鋼 4.9 1/5000 85 表1液壓缸支承方式和末端系數％的值 支承方式 支承說明 末端系數小 一端自由一端固定 4 兩端錢接 1 一端錢接一端固定 2

14、 兩端固定 4 13、緩沖裝置設計計算 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在 活塞和缸蓋之間封住一部分油液，強迫它從小孔或細縫中擠出以產生很大的阻力，使工作部件受到制動，逐漸減慢運動速度達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 式和節(jié)流口變化式兩種。其中，節(jié)流口可調式緩沖裝置在節(jié)流口調定后， 工作原理上就相當于一個單孔口式的緩沖裝置。 表3示節(jié)流口可調式和節(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 名稱和工作原理圖 1-針形節(jié)

15、流閥2—單向閥 特點說明 被封在活塞和缸蓋間的油液經 針形節(jié)流閥流出 節(jié)流閥開口可根據負載情況進 行調節(jié) 起始緩沖效果大，隨著活塞的行 進，緩沖效果逐漸減弱，故制動 行程長  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 活塞上的軸向節(jié)流槽流出 緩沖過程中節(jié)流口通流截面不 斷減小，當軸向槽的橫截面為矩 形，縱截面為拋物線形時，緩沖 腔可保持恒壓 緩沖作用均勻，緩沖腔壓力較 小，制動位置精度高 四：液壓缸的密封設計 液壓缸要求低摩擦，無外漏，無爬行，無滯澀，高響應，長壽命，要滿足 伺服系統(tǒng)靜態(tài)精度，動態(tài)品質的要求，所

16、以它的密封及支承導向的設計極 為重要，不能簡單的延用普通液壓缸的密封和支承導向。因此設計密封時 應考慮的因素： 用于微速運動（3-bmm/s）的場合時，不得有爬行，粘著滯澀現象。 工作在高頻振動的場合的，密封摩擦力應該很小且為恒值。要低摩擦，長 壽命。 工作在食品加工、制藥及易燃環(huán)境的伺服液壓缸，對密封要求尤為突出， 不得有任何的外滲漏，否則會直接威脅人體健康和安全。 工作在諸如冶金、電力等工業(yè)部門的，更換密封要停產，會造成重大經濟 損失，所以要求密封長壽命，伺服液壓缸要耐磨。 對于高速輸出的伺服液壓缸，要確保局部過熱不會引起密封失效，密封件 要耐高溫，要有良好的耐磨性。 工作在高

17、溫、熱輻射場合的伺服液壓缸，其密封件的材料要有長期耐高溫 的特性。 工作介質為磷酸酯或抗燃油的，不能用礦物油的密封風材料，要考慮他們 的相容性。 伺服液壓缸的密封設計不能單獨進行，要和支承導向設計統(tǒng)一進行統(tǒng)籌安 排。 （1）靜密封的設計 靜密封的設計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 外泄露。 靜密封通常選用0形橡膠密封圈。 根據GB3452. 1-92標準，查通用0形密封圈系列（代號G）的內徑、截面 及公差。由液壓缸裝配草圖確定： 選用 125X3. 55 G GB3452. 1 一個 36X2.65 G GB3452. 1 一個 （2）動密封的設計

18、 動密封的設計直接關系著伺服液壓缸性能的優(yōu)劣，其設計必須結合支承導 向的設計統(tǒng)籌進行。 活塞及缸筒之間用Y型密封圈。 根據《液壓傳動及控制手冊》表13-23,查得用226編號的0型密封圈, 其尺寸為50. 39X3. 53. 活塞桿及端蓋之間用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. 五、支承導向的設計 伺服液壓缸的支承導向裝置就是為了防止活塞及缸筒、活塞活塞桿及端蓋 之間的直接接觸,相互摩擦,產生磨損,從而達到降低摩擦,減少磨損，延長 壽命,起到導向和支承側向力的作用. 導向環(huán)的特點： 避免了金屬之間的接觸； 具有高的徑

19、向交荷承觸力； 能補償邊界力； 具有強耐磨性和高壽命； 摩擦力?。? 能抑制機械振動； 有良好的防塵效果,不允許外界異物嵌入； 保護密封件不受過分擠壓； 導向時即使無潤滑也沒有液動力方面的問題； 結構簡單,安裝方便； 維修費用小. 導向環(huán)的作用：導向環(huán)安裝在活塞外圈的溝槽內或活塞桿導向套內圓的溝 槽內，以保證活塞及缸筒或活塞桿及其導向套的同軸度，并用以承受活塞 或活塞桿的側向力,用來對活塞桿導向. 根據《新編液壓工程手冊(下冊)》表24. 7-13查得選用GST5908-0630 的導向環(huán).導向套的選用為其導向長度A=(0. 6-1. 0)D= (75-125)mm, 取

20、 A=100mm 六：防塵圈的設計 為防止落入活塞桿的塵埃，隨著活塞桿的伸縮運動被帶進端蓋和缸筒 內，從而使密封件和支承導向環(huán)受到損失和過早的磨損，所以，伺服液壓 缸還設計安裝防塵圈。 防塵圈的選擇原則： 不給伺服液壓缸增加摩擦；不產生爬行；不粘著滯澀；不磨損活塞桿。 防塵圈的選擇不當，會引起摩擦力的增加，將保護活塞桿表面起潤滑 作用的粘附性油膜層刮下來，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：以防止活塞桿內縮時把雜質、灰塵及水分帶到密封裝置區(qū), 損傷密封裝置。 綜上所述，經查表13-28 (《液壓傳動及控制手冊》)，選用丁型無 骨架防塵圈，尺寸為125mm。

21、 七：液壓缸材料的選用 缸筒： 缸筒材料：常用20、35和45號鋼的無縫鋼管。由于缸筒要及法蘭焊 接在一起，故選用45號鋼的無縫鋼管。缸筒和缸蓋的連接方式：法蘭連 接；特點是結構較簡單、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,液壓缸內圓柱表面粗糙度為RaO. 2-0.4皿。 內徑用H8的配合； 內徑圓度、圓柱度不大于直徑公差之半； 內表面母線直線度在45. 0mm長度上，不大于0. 03mm； 缸體端面對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，用內六角螺栓。 活塞： 活塞的結構形式應根據密封裝置的形式來

22、選擇，密封形式根據工件條 件而定。 活塞桿： 活塞桿的外端結構： 活塞桿外端及負重連接，其結構形式根據工作要求而定。 活塞桿的內端結構： 活塞桿的內端及活塞連接。所有形式均需有鎖緊措施，以防止工作時 由于往復運動而松開?；钊麠U及活塞之間還需安裝密封，采用緩沖套的螺 紋連接。 活塞桿導向套： 活塞桿導向套裝在液壓缸的有桿腔一側的端蓋內，用來對活塞桿導 向，其內側裝有密封裝置，保證缸筒有桿腔的密封性。外側裝有防塵圈， 防止活塞桿內縮時把雜質、灰塵和水分帶進密封裝置區(qū)，損傷密封裝置。 緩沖裝置 當工作機構質量較大，運動速度較高時，液壓缸有較大的動量。為了 減少液壓缸在行程終端由于大

23、的動量造成的液壓沖擊和噪音，必須采用緩 沖裝置。當停止位置不要求十分準確時，可在回路中設置減速閥和制動閥, 也可以在缸的末端設置緩沖裝置。 八：總結 課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，是我們邁向社 會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程.”千里之行始于足下”，通過這 次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義.我今天認真的進行 課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中 奔跑打下堅實的基礎.我認為，在這學期的學習中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、 動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在設計 過程中，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，

24、真的是受益 匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這 對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦 為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗 一樣，我們都可以在實驗結束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。 16 / 18 [1]楊培元、 1994 ⑵何存興. [3]雷天覺. [4]李壽剛. [5]張利平. [6]許福玲、 九：參考文獻 朱福元.《液壓系統(tǒng)設計簡明手冊》北京.機械工業(yè)出版社 《液壓元件》北京.機械工業(yè)出版社 1982 《新編液壓工程手冊》北京.北京理工大學出版社 2005 《液壓傳動》北京.北京理工大學出版社1981 液壓氣動技術速查手冊北京：化學工業(yè)出版社.2006 陳堯明.液壓及氣壓傳動北京：機械工業(yè)出版社.2007