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雙作用液壓缸結構設計 摘 要 由于液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此，它被廣泛地應用于機械制造、工程建筑、石油化工、交通運輸、軍事器械、礦山冶金、輕工、農機、漁業(yè)、林業(yè)等各方面。液壓缸是液壓系統(tǒng)中最廣泛應用的一種液壓執(zhí)行元件。液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉換為機械能的執(zhí)行元件,它主要是用來輸出直線運動。本文設計了雙作用液壓缸的結構，主要部分包括了缸頭，缸底，活塞，活塞桿以及密封元件。油缸采用吊耳安裝，缸頭、缸底與缸筒之間采用螺釘連接。由于額定壓力較大，因此對各個聯(lián)結部件進行了校核。最后基于AutoCAD軟件畫出了液壓缸的二維圖，基于SolidWorks軟件畫出液壓缸的三維模型，基于UG 軟件畫出液壓缸部分零件并生成NC代碼。 關鍵詞：液壓缸；液壓傳動；結構設計 I ABSTRACT Because hydraulic drive has many outstanding advantages, it is widely used in machinery manufacturing, engineering construction, petrochemical, transportation, military equipment, mining metallurgy, light industry, agricultural machinery, fisheries, forestry and other aspects. Hydraulic cylinders are the most widely used hydraulic actuators in hydraulic systems. Hydraulic cylinder is the hydraulic pump output pressure can be converted into mechanical energy of the implementation of components, it is mainly used to output linear motion. In this paper, the structure of the double acting hydraulic cylinder is designed. The main part includes cylinder head, cylinder bottom, piston, piston rod and sealing element. Cylinder with lug installed, cylinder head, cylinder head and cylinder between the use of screw connection. As the rated pressure is large, the various coupling parts are checked. Finally, based on AutoCAD software to draw the two-dimensional image of the hydraulic cylinder. Key Words：hydraulic cylinder; hydraulic transmission; structural design II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 設計工作的理論意義和應用價值 1 1.2 國內外相關研究 1 1.3 目前所存在的問題及發(fā)展趨勢。 1 1.4 重點解決的問題 3 1.5 擬開展研究的幾個主要方面 3 1.6 擬采用的主要研究方法 3 1.7 設計參數(shù) 4 2 液壓技術及液壓缸簡介 5 2.1 液壓理論的發(fā)展與我國液壓工業(yè)歷史簡述 5 2.2 液壓的傳動原理 5 2.3 液壓缸的作用 5 2.4 工程機械的液壓缸的特點 6 2.5 液壓系統(tǒng)的主要組成 7 2.6 液壓系統(tǒng)常見圖形符號 7 3 液壓缸的結構設計 8 3.1 液壓缸的設計原則 8 3.2 液壓缸的設計步驟 8 3.3 液壓缸結構設計和安裝形式 9 3.4 缸筒的設計 9 3.5 法蘭結構的設計 12 3.6 活塞的設計 13 3.7 活塞桿的設計 16 3.8 緩沖結構的設計 17 3.9 導向結構設計 18 3.10 輔件的選用 18 4 液壓缸尺寸設計 19 4.1 液壓缸主要參數(shù)及材料性能 19 4.2 液壓缸類型及安裝方式的確定 19 4.3 主要尺寸的計算 19 5 液壓缸的裝配與日常維護 30 5.1 液壓缸的裝配 30 5.2 液壓缸的日常維護 30 6 結 論 31 參 考 文 獻 32 附錄1：外文翻譯 34 附錄2：外文原文 47 附錄3：活塞的數(shù)控加工程序的編制 59 致 謝 60 雙作用液壓缸結構設計 1 緒論 1.1 設計工作的理論意義和應用價值 液壓傳動技術不僅用于傳統(tǒng)的機械操縱、助力裝置，也用于機械的模擬加工、轉速控制、發(fā)動機燃料進給控制，以及車輛動力轉向、主動懸掛裝和制動系統(tǒng)。同時，也擴展到航空航天和海洋作業(yè)等領域。而液壓油缸是液壓傳動中將液體的壓力能轉換成機械能，實現(xiàn)往復直線運動或往復擺動的執(zhí)行元件，被廣泛應用于各種液壓機械設備中。液壓油缸的設計合理性、制造質量，直接影響整個液壓機械設備的的使用狀態(tài)，乃至整個生產系統(tǒng)的正常運行和生產的安全性。所以，液壓油缸的合理化設計具有重要的現(xiàn)實意義。 1.2 國內外相關研究 目前國內工程機械液壓缸存在的問題是可靠性差，最主要的問題是首次無故障時間過短，且經常出現(xiàn)一些小故障。不論是從產品外觀質量，還是從工藝技術或者試驗驗證等方面，我們與國外液壓缸都有很大差距。 我們國內液壓缸與國外的可靠性差距比較大，一方面是成套方案提供能力尚不足，另一方面，在工藝制造技術的研究上還不夠深入。 國外對液壓缸的研究比較成熟，國外很多液壓缸制造商在液壓缸的設計、工藝、試驗等方面有很多創(chuàng)新點，可滿足特殊工況的需求。他們把液壓缸和傳感器、外圍的液壓件或機械機構件一起供應，創(chuàng)造其競爭優(yōu)勢。尤其是特種液壓缸注重機電一體化技術、集成傳感及新材料和涂層技術的應用，向著更快、更輕、更環(huán)保、更安全可靠的方向發(fā)展。 比如，國外某公司開發(fā)的缸徑小于10mm的特小型液壓缸使得氣缸和液壓缸的規(guī)格更加齊全。他們做的液氣液壓缸是液壓和氣動的復合產品。并在液壓缸上增加控制裝置，把控制技術結合進來使得這種混合液壓缸的應用范圍得以擴大[9]。 1.3 目前所存在的問題及發(fā)展趨勢。 （一）存在問題：液壓缸結構傳動不能保證嚴格的傳動比；工作過程中常用較多能量損失（摩擦損失、泄露損失等）；對油溫的變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性容易受到溫度變化的影響；為了減少泄露，液壓元件在制造精度上的要求比較高，因此造價高; 液壓傳動出故障時不易找出原因，使用和維修要求有較高的技術水平；液壓缸的活塞桿在油壓的作用下伸出或縮回時，經常出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象，并有時伴有振動和異響，從而引起整個液壓系統(tǒng)的振動，并帶動主機其它部件振動等缺點，所以液壓缸結構需進一步發(fā)展改良，以便適應國家經濟發(fā)展的需要。 （二）發(fā)展方向： (1)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 現(xiàn)在越來越多的企業(yè)開始研究檢測技術與產品可靠性結合，利用先進的傳感技術和檢測技術，應用到工程機械液壓缸中。 比如利用磁致伸縮位移傳感器檢測液壓缸行程信息，信號再反饋到控制系統(tǒng)，收集缸底、耳環(huán)鉸點磨損信息，以此判斷液壓缸是否失效[17]。 另外已經有企業(yè)開始利用精確控制液壓缸行程來進行智能化主機作業(yè)，比如挖掘機的平地、挖坡作業(yè)等，利用這種方法能夠自動進行較大難度的作業(yè)。 體現(xiàn)在液壓技術方面，第一位的是能效和狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷"傳感器和測試設備在液壓系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，不但用于實時狀態(tài)檢測，還逐漸開始應用到故障檢測和狀態(tài)維修方面目前狀況監(jiān)測系統(tǒng)已經成功應用在軍工機械中，比如坦克、裝甲車等重要設備中，很有必要在工程機械設備中進行廣泛推廣。徐州徐工液壓件有限公司已成功研發(fā)智能液壓缸檢測系統(tǒng)，主要進行液壓缸壓力、溫度、位移以及缸筒變形量等參數(shù)的實時監(jiān)測及診斷，并于 2012年寶馬展會上順利展出[9]。 (2)可靠性研究 《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020年）》將基礎件和通用部件列為優(yōu)先主題，將重大產品、重大設施和復雜系統(tǒng)的安全性、可靠性和壽命預測技術列入重要研究方向。液壓缸作為工程機械的核心零部件，可靠性研究也是未來一段時間內重要的研究方向[9]。 我們要重視試驗技術和產品測試，通過型式試驗，證明產品性能滿足標準要求；通過耐久性試驗，保證產品壽命長久；通過生產精益管理，確保產品質量穩(wěn)定。耐久性壽命試驗的目的，不是為了證明產品有多好，而是為了發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，從而不斷改進。耐久性壽命試驗，最重要的不是結果，而是試驗過程中發(fā)生的問題和情況。不要過于拘泥于現(xiàn)有的測試標準必須擁有自己的試驗測試體系，做具有中國特色的綜合性試驗平臺。而做試驗平臺必須要做好工況研究，只有無限接近主機工況的試驗平臺才能真正的反映產品的性能[15]。 另外，工況研究要堅持進行，工況研究不是一時半會就能研究出成績，而是長期堅持積累的過程。液壓缸企業(yè)都要在這個方面增加投入，只有基礎研究深入，才能從根本上發(fā)現(xiàn)問題，從而解決問題。 (3)清潔度 污染對液壓元件是致命的，只有把裝配車間和粗加工、精加工以及焊接車間隔開，清潔過或清洗過的部件才允許進入下一道工序，試驗工序需要定期檢查試驗用油液清潔度，這樣，才能保證最終產品的清潔，才能讓用戶放心。 目前，我們國內部分企業(yè)也已經開始實施液壓缸生產車間全封閉、恒溫控制，并且在整個液壓缸零部件生產環(huán)節(jié)分別進行清潔度的控制，生產的液壓缸清潔度指標值如果采用“顆粒計數(shù)法”檢測時，出廠前殘留在液壓缸缸體內部。油液的固體顆粒污染等級可控制在GB/T 14039—2002《液壓傳動 油液固體顆粒污染等級代號》規(guī)定的范圍內[16]。 (4)液壓缸零部件再制造 和其他行業(yè)一樣，目前液壓缸行業(yè)也已經開始關注液壓缸的再制造。再制造不但需要保證產品可靠性，而且前提成本的控制，如何在最低成本下實現(xiàn)液壓缸的再制造也是當前較大的難題。同時要考慮的問題是如何最大化地利用有限資源，減少環(huán)境污染。再制造工程能夠帶來巨大的經濟、環(huán)保和社會效益，因此液壓缸的再制造也將成為工程機械再制造工程重要的一部分[9]。 (5)輕量化 隨著工程機械向著大噸位、高性能發(fā)展，特別是路面行走工程機械，由于車橋載重的限制，主機對輕量化的要求愈加強烈，液壓缸的輕量化勢在必行。 實現(xiàn)液壓缸輕量化首先是在充分進行工況研究的基礎上進行產品結構優(yōu)化，如缸底、耳環(huán)結構優(yōu)化及模鍛件的減重等等；其次是高強度低密度新材料的開發(fā)應用，輕量化以經成為液壓缸產品研發(fā)的一種趨勢[2]。 1.4 重點解決的問題 (1)工作過程中常用較多能量損失（摩擦損失、泄露損失等）； (2)液壓缸的活塞桿在油壓的作用下伸出或縮回時，經常出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象，并有時伴有振動和異響，從而引起整個液壓系統(tǒng)的振動，并帶動主機其它部件振動等。 1.5 擬開展研究的幾個主要方面 (1)選擇液壓缸的類型和各部分結構形式。 (2)確定液壓缸的工作參數(shù)和結構尺寸。 (3)結構強度、剛度的計算和校核。 (4)導向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設計。 (5)繪制裝配圖、零件圖、編寫設計說明書。 1.6 擬采用的主要研究方法 1. 市場調研，并收集相關資料。 2. 根據(jù)使用要求確定結構形式與安裝方式。 3. 確定設計參數(shù) a) 確定最大負載力和運動速度 b) 選定工作壓力 c) 確定實際工作最大行程 4. 尺寸計算 a） 缸筒內徑，壁厚的計算 b）活塞桿直徑的計算 c） 液壓缸最大工作長度的計算 5. 進行結構設計 a） 缸筒的整體設計與強度校核 b）端蓋、缸底及及活塞的設計 c） 缸筒與端蓋、缸底連接方式的設計及強度校核 d）活塞桿的設計及強度校核 6. 完成輔助裝置的設計 7. 繪制總裝圖與零件圖，編寫畢業(yè)設計說明書 1.7 設計參數(shù) 額定壓力：20MPa 行程：320mm 系統(tǒng)最大推力160kN2 液壓技術及液壓缸簡介 2.1 液壓理論的發(fā)展與我國液壓工業(yè)歷史簡述 回想液壓技術進步的史籍，人們對“液壓”這個觀念從發(fā)覺到了解，到應用至生活生產到使用到高新領域中，經歷了一個漫長的時間。 公元前200年，阿基米德發(fā)現(xiàn)以他名字命名的浮力定律之時，事實上他已經發(fā)現(xiàn)了液體靜壓力作用這一現(xiàn)象。 18世紀中葉，瑞士數(shù)學家伯努利發(fā)表了《流動動力學》這一研究流體動力學的舉足輕重的著作[2]。他在此書中得出了液體常態(tài)運動方程，也就是如今應用廣泛的伯努利方程。 液壓缸是遍及工程領域的執(zhí)行部件。直到1890年后液壓技術才被應用到民用、軍用等各種大中小型的機器上。 我國的液壓工業(yè)大約起步于1963年。1965年我國通過購買日本的樣機進行“逆向研發(fā)”，走出了我國液壓工業(yè)的第一步[2]。到了70年代我國已經可以生產能滿足各行各業(yè)要求的液壓設備了。 2.2 液壓的傳動原理 整機由原動機，驅動部分，控制部分和作業(yè)機構的部件組成。 驅動部分只是一個中間環(huán)節(jié)。 它的作用是將原動力（電動機，內燃機等產生的動力）發(fā)送給工作機構。 有許多形式的傳動，如機械傳動，動力傳動，液體驅動，氣體傳輸及其組合驅動。將液體用作能量轉移的工作介質的方式稱為液體驅動。 2.3 液壓缸的作用 液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行器，它們將液壓能轉換為機械能，實現(xiàn)線型往復運動，液壓缸結構簡單，配置靈活，設計、制造更加的方便，易于使用和維護，因此被廣泛用于各個領域[3]。 圖2.1 液壓缸與各種機構配合使用的常見情況 2.4 工程機械的液壓缸的特點 很多工程機械的執(zhí)行機構，相當大的一部分采用液壓缸來實現(xiàn)，雖然式樣、構造不同，但它們有不少相似的地方。 1.工作環(huán)境較惡劣 機構多數(shù)情況下，在強烈陽光直射的前提下，油溫溫度有時臨近90℃；在特別寒冷的區(qū)域工作時，溫度能低至-40℃。所以液壓缸要防止外界污染物進入腔體，活塞桿需要采取措施防銹。 2.載荷變化復雜，振動和沖擊較大 大多數(shù)工程機械的液壓缸常與砂礫等堅硬物體發(fā)生碰撞，而且經常會受到較大的偏心力矩。因此，各個零件的強度、韌性和表面硬度在設計之時要注意達到標準。為此，除了選用較好的材料外（如活塞桿材料往往選用鍛鋼），還應采用調制、淬火、鍍鉻等措施，以增強抵抗外力打擊的能力，且兼有防止銹蝕的作用[2]。 3.工作行程較長 工程機械的液壓缸常常有著較大的行程，而且經常承受縱向壓縮負載，液壓缸的穩(wěn)定性分析就顯得格外重要，必須根據(jù)實際的工況來選擇適當?shù)陌惭b方式并根據(jù)標準計算并選取活塞桿直徑[23]。 4.常使用焊接結構 為防止運動中的振動和撞擊而導致部件脫落，連接各部件常用焊接 。 5.常設置緩沖減速結構 工程設備的負載大，運動速率大，為了避免在運動至末端時受到沖撞，要另外預設特殊結構來降低速度。 2.5 液壓系統(tǒng)的主要組成 液壓傳動系統(tǒng)的組成部分有一下五個方面： （1）能源裝置 它把機械能轉變成油液的壓力能，最常見的就是液壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油，使整個系統(tǒng)能夠動作起來； （2）執(zhí)行裝置 它將油液壓力能轉變成機械能，并對外做功，如液壓缸和液壓馬達； （3）控制調節(jié)裝置 它們是控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流動方向的裝置； （4）輔助裝置 它們是除以上三項以外的其他裝置，如油箱過濾器、油管等，它們對保證液壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、持久地工作有重要的作用； （5）工作介質 液壓油或其他合成液體[4]。 2.6 液壓系統(tǒng)常見圖形符號 圖2.2 液壓系統(tǒng)常見符號 3 液壓缸的結構設計 由于油缸的具體工況的不同，具體的設計也不盡相同。 3.1 液壓缸的設計原則 工程機械的液壓傳動系統(tǒng)中廣泛采用直線往復運動油缸。這種油缸較為簡單，能夠實現(xiàn)無級變速，傳動力大，工作可靠。 對差異工況下的液壓缸的要求不盡相同，主要的注意事項如下： 1）液壓缸的最大受力狀況應該在它受拉力的狀態(tài)下，或者當油缸受壓之時盡量不會產生彎矩。 2）按照具體的用途和使用環(huán)境選擇合適的安裝方式。需要額外注意的是油缸不能采用兩端定位。 3）液壓缸的每個組件都必須參照手冊上的設計參數(shù)來進行計算，而且應當盡量做到在保證工藝性的條件下降低造價。 4）油缸除了保證具體工況下的參數(shù)以外，防塵密封等其他與油缸可靠性相關的性能也應具體分析，具體設計[5]。 3.2 液壓缸的設計步驟 對于不同工作環(huán)境下的油缸，具體的工作參數(shù)也是天差地別。因為液壓油缸的各個參數(shù)間經常會產生聯(lián)系，故設計的時候合理即可。多數(shù)情況，只要根據(jù)油缸具體的工況來制定設計順序，并依次計算每個參數(shù)，反復計算、校核，直至滿足具體的工況要求。 1）按照液壓缸的工作環(huán)境和設計需求，選定初步方案。 2）根據(jù)具體的工作環(huán)境選擇油缸適宜的形式來安裝。 3）確定油缸負載的變化規(guī)律和圖表數(shù)據(jù)。 4）根據(jù)所受的額定推（拉）力F和選定的壓力p來計算相應數(shù)據(jù)。 5）確定活塞桿的直徑。 6）設計上蓋與下蓋的結構，計算厚度并選定安全系數(shù)校核強度。 7）將手中的設計資料進行規(guī)整和增補。 8）選擇適宜的密封方式，設計緩沖降速方式和防塵結構。 9）繪制油缸相關圖紙[5]。 3.3 液壓缸結構設計和安裝形式 結構設計和尺寸的計算與校核是其設計的主要內容。談到液壓油缸的設計，它的結構設計是首當其沖，并且主導了之后的尺寸設計。如果結構上沒有令人滿意油缸的工藝性、可靠性及造價方面的控制更是無從談起。 安裝形式也是結構設計的其中一部分。如果安裝形式的選擇特別不合理，其使用壽命和效率將會大大降低。在考慮安裝形式的時候，應對相應零件進行受力分析以提高液壓缸的工作穩(wěn)定性。[5] 3.4 缸筒的設計 液壓缸的主要零件是缸筒，其與上下蓋、活塞組成密封的空間，再通過液體壓力推動缸內活塞左右移動[25]。在設計時，不僅要保證額定推力、拉力、行程等參數(shù)要求，更要確保其有相應的強度和剛度。除此之外，為了確保在工作時不泄露，所以必須要有適當?shù)膸缀尉群捅砻娲植诙鹊囊蟆? 3.4.1 缸筒的結構設計 圖3.1 常見的缸筒結構形式 缸筒多采用圓筒結構，因此結構具有易于加工，受力分布均勻等優(yōu)點，故應用最為廣泛[21]。 圖3.2 缸筒三維圖 圖3.3 缸筒 3.4.2 缸筒的連接設計 將缸筒與法蘭各自加工出螺紋并旋緊，并將二者用角焊的方式焊接，防止法蘭因沖擊振動而松動。 以此種方式結構來連接有著可靠性高、易于維修、裝配加工難度低等優(yōu)點。而突出的法蘭會使油缸總體的體積、重量有一定程度的增加。 圖3.4 缸筒的連接圖示 3.4.3 缸筒的材料選擇 缸筒是液壓缸的主要零件，他與端蓋、活塞構成密封容器，用以容納油液、驅動負載而做功，因此要有足夠的強度、剛度，以及良好的密封性及可焊性。在此選用45號鋼（調質）作為液壓缸的材料。 3.4.4 缸筒的技術要求 （1）內徑公差等級和表面粗糙度 油缸內壁使用H8、H9公差等級，這樣就可以與活塞組成多種不同的間隙配合。油缸內壁粗糙度取。 （2）其他技術要求 1）缸筒內徑端部倒角15~30，或倒R3以上的圓角；表面粗糙度不差于Ra0.8μm以免裝配時損傷密封件； 2）缸筒端部需焊接時，缸筒內部的工作表面距離焊縫不得小于20mm； 3）熱處理調質硬度一般為HB241-HB285； 4）為了防腐蝕、提高壽命，缸筒內徑可以鍍鉻，鍍層厚度一般為0.03~0.05mm，然后進行研磨或拋光。缸筒外露表面可涂耐油油漆。 圖3.5 缸筒加工要求 3.5 法蘭結構的設計 法蘭與缸體選用螺紋連接。并將法蘭與缸筒角焊。 圖3.6 法蘭結構 圖3.7 法蘭三維圖 3.6 活塞的設計 3.6.1 活塞結構設計 圖3.8 活塞結構 圖3.9 活塞三維圖 由于活塞是在液壓力的作用下沿缸筒作直線運動，所以其必須與缸筒配合合理，過緊會使啟動困難，過松導致其泄露從而降低工作效率。 此處選用整體式活塞，選用此結構的原因是其保養(yǎng)維護的時候便于拆卸，密封件有較長的更換周期。同時螺紋結構使得活塞與活塞桿之間縫隙減小，不致于發(fā)生泄漏現(xiàn)象。 3.6.2 活塞與缸體的密封結構設計 由于本次設計的額定壓力較大為20MPa，故活塞與缸體間的密封要求較高。選用密閉性能更好的Y形密封圈。它的優(yōu)點是：在它沒有受到壓力的時候，僅僅會因為唇尖的變形而對內壁施加很小的力，因此產生的摩擦阻力較小。而當其受到壓力時，它的唇邊會緊貼缸體和活塞的表面，產生良好的密封效果。若使用O形圈作為密封件的話，如果靜置時間過長，則O形圈與缸筒間的油膜就會消失，從而造成啟動困難。當壓力進一步升高時，唇部與表面的接觸更加緊密，正是Y形圈的這種“自封作用”使其得到了廣泛的應用。 圖3.10 唇形密封圈的工作原理 圖3.10 活塞的密封結構 3.6.3 活塞的材料選擇 油缸缸筒材料多選用鋼材料。倘若活塞的外部輪廓與缸筒內壁直接接觸，活塞必須采用灰鑄鐵、球墨鑄鐵、銅或者鋁制材料，而不可以使用僅僅采用通常熱處理的鋼或40Cr鋼[10]。 倘若活塞用到了導向環(huán)的結構，那么活塞外輪廓至少要比缸筒內徑小毫米，正常工作的情況下，活塞外徑不會接觸缸筒內壁，使用未經過熱處理或僅作調質處理的45鋼做活塞，就沒有問題[3]。 3.6.4 活塞的技術要求 1）活塞外徑D對內徑D1的徑向跳動公差值，按7、8級精度選取。 2）端面T對內孔D1軸線的垂直度公差值，應按7級精度選取。 3）外徑D的圓柱度公差值，按9、10或11級精度選取[2]。 3.7 活塞桿的設計 3.7.1 活塞桿的結構設計 桿體采用實心桿，制造難度低，缺點是增加了整體的重量。桿外端設計為帶肩外螺紋，方便日后更換與活塞軸相連附件。為避免工作的過程中的振動致使兩者之間連接出現(xiàn)松動，把后緩沖與活塞桿的連接模式也設計成以螺紋相連，從而兩者就組成了“對頂螺母”的形式，達到了防松的效果。 圖3.11 活塞桿的結構 圖3.12 活塞桿三維圖 3.7.2 活塞桿的材料選用 此處活塞桿使用的是45號鋼（調質）。對于活塞桿要求淬火處理，同時選擇使用在活塞桿表面鍍鉻的方法來提高其防腐能力[26]。 3.7.3 活塞桿的技術要求 活塞桿外徑公差；直線度每不大于?；钊麠U外徑d的圓柱度，要使用8級精度。表面粗糙度，精度要求高時。 3.8 緩沖結構的設計 油缸的活塞桿及活塞桿另一端所連接的部件有一定的重量，當其運動到末端時會與缸頭發(fā)生碰撞。增設緩沖裝置是減輕該撞擊力的最有效的方法。油缸運動中的沖擊多數(shù)是由于組件的慣性所產生。由公式知，在質量m一定的情況下，減小速度是降低沖擊最立竿見影的方法。在這里采用的是能量緩沖法來減速，其原理是把最后需要排出油缸的油液封閉在一個空間內，迫使其從節(jié)流孔流出。 圖3.13 緩沖結構 當活塞逐漸運動到缸底的時候，左半部分缸內體積逐漸減小，由于油液只能從節(jié)流閥的小孔中流出，故降低了桿的速度，減小了對底部的沖擊。同時當左側進油時，油液可經過下方單向閥快速流入缸體，實現(xiàn)快速啟動。 3.9 導向結構設計 以前為了實現(xiàn)液壓缸的支撐及導向均使用金屬導向套。因此消耗了大量的有色金屬和加工工時。隨著科技進步，非金屬材料制成的導向帶被更多的用在了支撐和導向上。 為了減少零件的數(shù)量，簡化結構，選用一體式導向結構，采用此結構是由于其結構簡單、易于加工并且降低了整體重量。而且非金屬導向帶的摩擦系數(shù)小、無爬行，適用于小側向力的工況。 圖3.14 活塞桿的導向 3.10 輔件的選用 耳環(huán)可根據(jù)部位的不同分成桿用耳環(huán)與筒用耳環(huán)。桿用耳環(huán)多以螺紋連接在油缸活塞桿外端；筒用耳環(huán)一般焊接在缸底后。 圖3.15 耳環(huán) 4 液壓缸尺寸設計 4.1 液壓缸主要參數(shù)及材料性能 1）額定工作壓力為20MPa。 2）額定最大推力為160kN 3）行程320mm 螺釘選用10.9級 4.2 液壓缸類型及安裝方式的確定 大多數(shù)工程機械液壓缸應與連桿結構連接，因此用于耳環(huán)的活塞桿端部。 而活塞桿在運動時允許氣缸擺動。 所以另一端也應該被設計成耳環(huán)。 應該注意的是，兩個耳環(huán)的方向一致，以避免彎曲負載使液壓密封結構泄漏。 4.3 主要尺寸的計算 4.3.1 缸筒的內徑D的計算 計算公式為 （4.1） 式中 根據(jù)已知數(shù)據(jù) F=160KN P=20MPa 代入數(shù)據(jù)，求得 D=0.101m 表4.1 液壓缸內徑系列 根據(jù)標準圓整D=100mm 4.3.2 活塞桿的直徑d的計算 根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿的直徑d （4.2） 式中 根據(jù)下表選取速度比 表4.2 速度比和壓力p的關系 壓力為20MPa，故選取速度比=1.46。 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 d=56.13mm 表4.3 活塞桿直徑系列 根據(jù)標準圓整d=56mm 4.3.3 1）缸筒壁厚的計算 由于此次設計為中高壓，此處缸筒的厚度按照厚壁筒來設計。 根據(jù)第四強度理論，不管缸筒應力如何復雜，一旦最大的形狀變形到達簡單受力時的變形的危險值，即看做缸筒失效[27]。它普遍用于塑性材料的強度計算。 （4.3） 代入相應數(shù)據(jù)，得到 壁厚=12.52mm 2）缸筒壁厚的校核 （4.4） （4.5） （4.6） PN：額定壓力 ：缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力(MPa) ：缸筒爆破壓力. 帶入相應數(shù)據(jù)，得 PN=45.36MPa＜20MPa =80.24MPa＜20MPa =133.73MPa 所以計算出的缸筒壁厚符合要求 3）缸體外徑的計算 式中 代入壁厚，得到 =125.04mm 按標準圓整=125mm 4） （4.7） 式中 已知： 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 5）缸底厚度的計算 平行缸底.當缸底有油孔時. （4.8） 式中 已知： 求得缸底厚度 6）端蓋厚度的計算 選擇使用螺釘連接的法蘭型缸頭： （4.9） 圖4.1 端蓋 式中 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 7）導向套長度計算 一般情況， 最小導向長度要滿足： （4.10） 式中 即 因此導向長度為。 4.3.4 液壓缸的聯(lián)接計算 1）缸蓋聯(lián)接計算 螺栓聯(lián)接的計算 圖4.2 螺栓 . （4.11） 螺紋處的切應力為. （4.12） 合成應力為. （4.13） 式中 式中： 代入以上數(shù)據(jù)，得 合應力為 2）缸體螺紋連接的計算 螺紋處應力為. （4.14） 切應力為. （4.15） 合成應力為. （4.16） 式中 求得 3）活塞與活塞桿的聯(lián)接計算 拉應力為 （4.17） 切應力為 （4.18） 合成應力為 （4.19） 式中： ——液壓缸輸出拉力（N） d——活塞桿直徑（m） ——活塞桿材料的許用應力（Pa） 已知： 代入數(shù)據(jù)，得 合應力為. 4） （4.20） 式中： 為活塞上的孔徑（m） 為活塞上孔的倒角尺寸（m） 為活塞材料的許用壓應力（Pa） 已知： 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 5）耳環(huán)的聯(lián)接計算 耳環(huán)寬度為 （4.21） 已知：. 代入數(shù)據(jù)，得. 4.3.5 活塞桿穩(wěn)定性校核 當液壓缸受到軸向壓縮載荷時，當活塞桿直徑與活塞桿的計算長度之比大于10時，應當校核活塞桿的縱向抗彎強度或穩(wěn)定性[28]。 圖4.3 液壓缸受壓圖示 等截面計算法： （4.22） 式中： 實心活塞桿 （4.23） 式中. 實心活塞桿 （4.24） A——活塞桿截面積(). 實心活塞桿 （4.25） 由于活塞桿選取實心桿結構，并且材料為鋼材，上式可簡化為 （4.26） 表4.4 末端條件系數(shù) 式中 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 所以活塞桿符合設計要求 4.3.6 液壓缸儲油量的計算 液壓缸的儲油量按下式計算： （4.27） 式中： V——儲油量； D——液壓缸直徑（m） l——行程（m） 其中D=0.1m，l=0.32m 求得 5 液壓缸的裝配與日常維護 5.1 液壓缸的裝配 液壓缸要根據(jù)規(guī)定安裝，不可以有絲毫的松動。安裝油缸時要注意如下事項： 1）安裝前要將零件端部毛刺去除，用油洗凈并使用壓縮空氣將其吹干。 2）安裝面要與活塞及活塞桿保持一定的垂直度。 3）負載力應該盡量作用于油缸中心線上，防止密封件因側向力而過度磨損。 4）兩個端部的耳環(huán)銷孔應保持方向一致，否則會出現(xiàn)磨損過度甚至卡死等現(xiàn)象。[2] 5.2 液壓缸的日常維護 液壓油缸就相當于液壓系統(tǒng)的心臟，心臟出問題很難修補，所以液壓油缸的維護更加要謹慎細致。液壓油缸要承受很大的壓強，負載越重，它的壓強就會越大。因此，做好液壓油缸的保養(yǎng)維護是整個液壓系統(tǒng)的維護最重要的一個環(huán)節(jié)。 1.定期緊固 各處聯(lián)結的螺栓除了日常的檢查之外，還要做到定期緊固。 2. 定時更新密封組件是維持液壓缸可靠性的關鍵。但應當考慮液壓缸的實際工況來制訂更換的時間周期，并將更換情況計入設備管理檔案。 3. 液壓元件中由于部件間的摩擦和零件制造或裝配中帶入雜質。在設備運行的過程中，這些雜質不可能被過濾設備完全攔截，這樣就會使腔道堵塞，進而使整個系統(tǒng)發(fā)生故障。有些零件如彈簧，雖然不會被外界污染物堵塞，但金屬疲勞后也會失效。因此，定時清洗或更換失效部件是保證液壓設備穩(wěn)定運行的前提。 4.定期過濾或更換油液 6 結 論 經過幾個月的學習和努力，大學期間最后的一個作業(yè)——畢業(yè)設計終于告一段落。在此時期我查閱各方面的書籍并上網(wǎng)查閱相關資料，提高了自己獨立完成任務的能力。 本次設計對工程機械常用的液壓油缸進行了總結敘述，參照手冊對油缸進行尺寸計算和強度校核。閱讀文獻，查閱相關資料并針對目前液壓油缸所存在的工作振動大、易泄露等不足進行了相對應的優(yōu)化設計。最終優(yōu)化了油缸的密封性、減小了行程末端的沖擊、減小了油缸低速爬行的現(xiàn)象。 在整個畢業(yè)設計過程中，使我對AUTOCAD、SolidWorks、UG等制圖軟件有更深的了解，學會如何應用及合理的規(guī)劃布局。同時我也重新復習了不少相關專業(yè)課程，對相關的知識進行了復習和整理，來自網(wǎng)絡的知識都是不全面的，只能作為工作的一個參考，主要還是要靠自己學習后的理解和總結，這是自己對這次畢業(yè)設計的最大體會。 但由于自己對液壓缸的認識和知識的積累還是有些不到位的地方，在設計中難免會出現(xiàn)一些不合理的地方，希望各位老師批評指正，讓我在日后的工作上少犯錯誤。 我會繼續(xù)學習液壓和機械的相關知識，爭取在將來為中國的機械設計行業(yè)做出自己的一份貢獻。 參 考 文 獻 [1] 雷天覺.液壓工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.23 [2] 趙應樾.常用液壓缸與其修理[M].上海：上海交通大學出版社，1996.43 [3] 戚寧.基于Solidworks的液壓缸數(shù)字設計[D].山東：山東大學，2009 [4] 向丹.基于數(shù)字化資源環(huán)境的液壓傳動集成CAD技術研究[D].四川：四川大學，2006 [5] 臧克江.液壓缸[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009 [6] 吳興奎.一種高可靠的新結構多級套筒液壓缸[J].液壓與氣動[J]，2003（03）.3 [7] 鄧飄,邱義,張寶生.液壓缸行程檢測技術研究現(xiàn)狀[J].液壓與氣動，2008.15-34 [8] 于貴文，臧克江，林晶．雙作用多級液壓缸的設計[J]．中國工程機械學報，2007，5(4)：35-36 [9] 李永奇，劉慶教，范華志，王麗.淺談工程機械液壓缸發(fā)展趨勢[J]．液壓與氣動，2013(5)：122-124 [10] 吳文濤，劉建紅．橡塑彈性體彈性變形原理在油缸密封的應用[J].潤滑與密封，2007，32(10) [11] 馮定，柳進，潘浩，楊成，劉莉.全液壓修井機起升系統(tǒng)的速度調節(jié)方法[J].機床與液壓，2011,3 [12] 張毅雄.井機起升油缸爬行現(xiàn)象分析[J].長江大學學報,2009-6,6(2) [13] 何文斌.有限元在液壓缸結構設計上的應用[J].煤礦機械，2003-8 [14] 徐灝．機械設計手冊（第四、五卷）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1991.9 [15] 湯家榮.油缸密封結構的改造[J].林業(yè)機械與木工設備，2011，07：48～49 [16] 王金華，劉愛平.略談工程機械用液壓油缸密封[J]. 工業(yè)設計，2012，01：160 [17] 王紅青，邵靈敏.淺析煤礦用液壓油缸的設計創(chuàng)新[J].中國科技投資,2012,24：140 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A decision support system forthe operational planning of solid waste collection [J] ,Waste Management，2006.6 - 61 - 附錄1：外文翻譯 雙室連接非對稱液壓缸的位置控制 摘要 本文涉及不對稱液壓缸系統(tǒng)的位置控制。液壓系統(tǒng)包括一個不對稱液壓缸，兩個腔室通過孔口，兩位置，雙向比例閥和負載力連接。本文介紹了系統(tǒng)結構和控制原理。 分析了一些結構參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。 分析和仿真結果表明，兩位雙向比例閥可以實現(xiàn)非對稱液壓缸系統(tǒng)的位置控制。 使用本文提出的控制策略后，可以實現(xiàn)良好的動態(tài)性能。 關鍵詞：不對稱，液壓缸，位置控制，流量補償，比例閥，控制策略 1.簡介 液壓系統(tǒng)廣泛地用于許多領域，如航空，導航，武器工業(yè)，并且液壓系統(tǒng)的大多數(shù)應用涉及位置控制系統(tǒng)，它可以是線性或旋轉的[1]。由于低成本，高承載能力，簡單的結構和較少的工作空間等優(yōu)點，非對稱液壓缸在線性位置控制系統(tǒng)中起非常重要的作用[2]。有許多著重于這些類型的系統(tǒng)的工作，其中發(fā)送到不對稱液壓缸的流體動力以各種方式調節(jié)，例如，配有一個四通，三位伺服閥，一個三通，兩位伺服閥[3-5]，或具有數(shù)字調制閥[6]。通常，液壓缸的端口與閥連接。 但是在一些非常特殊的情況下，兩個氣缸室通過孔口連接，在操作過程中油將從一個孔流到另一個孔。 由于這種罕見的應用，這種結構系統(tǒng)在過去幾十年沒有得到足夠的重視。 如果氣缸的兩個腔室與孔連接，則單個開/關閥可以執(zhí)行不對稱液壓缸系統(tǒng)的位置控制[7]。然而，開/關閥控制系統(tǒng)具有固有的紋波，差的靜態(tài)性能，并且不能針對其相互作用而獨立地調節(jié)頻率和振幅。 因此，它將僅適用于具有低控制精度要求的場合[8]。 在本文中，采用單，雙位雙向比例閥來執(zhí)行不對稱液壓缸系統(tǒng)的位置控制。 建立了系統(tǒng)的動態(tài)模型，提供了控制策略。 分析了比例閥響應頻率和孔面積對系統(tǒng)性能的影響。 2.系統(tǒng)結構和工作原理 以前的研究已經表明，由于液壓缸的不對稱性，在由對稱閥控制的非對稱氣缸周圍的氣缸中發(fā)生壓力跳躍在x=0附近[9,10]。 對兩個腔室內壓力特性的分析表明，液壓缸的結構（圖1）可以有效地避免壓力跳躍，具有成本低，結構簡單的優(yōu)點[7,11]。然而，不對稱氣缸系統(tǒng)的動態(tài)特性變差，因為兩個腔室被連接，并且氣缸的內部泄漏增加[11]。這可能是系統(tǒng)結構在過去幾年中沒有廣泛應用于工業(yè)的主要原因之一。圖1示出了液壓缸的結構，其包括不對稱液壓缸和孔口。 非桿腔通過孔與桿腔連接。 圖1 液壓缸示意圖 如圖2所示，液壓系統(tǒng)由非對稱液壓缸，油源，位移傳感器，兩個壓力傳感器，控制器和比例閥組成。 桿腔與油源連接，非桿腔與閥連接。 目標位置，壓力傳感器和位移傳感器的信號可以用作控制器的輸入，并且控制器計算比例閥的輸入信號，以根據(jù)控制規(guī)則實現(xiàn)非對稱液壓缸系統(tǒng)的位置控制。 圖2 系統(tǒng)示意圖 根據(jù)流量連續(xù)性，工作流程寫為： qL = q1 ? q2 （1） 孔口處的流量可以寫為 （2） 代入方程 （2） （1），工作流程表示為： （3） 根據(jù)流體的連續(xù)性： （4） 基于牛頓第二定律，活塞的運動方程可以寫為： （5） 根據(jù)活塞的運動學方程，系統(tǒng)的控制原理可以表示如下: 隨著閥口開口的尺寸減小，進入無桿室的流量通過孔口比通過閥門的非桿室流出更多，非桿室內的壓力逐漸增加，活塞將在的條件下移動，當閥口開口的尺寸增加時，通過孔口進入非桿室的流量比通過閥門的無桿室外的流量小; 無桿室內的壓力將逐漸減小，活塞向后在的條件下移動。顯然，兩位二通比例閥作為新的可變孔; 當節(jié)流孔減小時，節(jié)流動作增加，無桿室內的壓力增大，因此向前推動活塞。 隨著孔口增加，節(jié)流作用減小，無桿室的壓力隨活塞向后移動而減?。?1）。 結果，通過調節(jié)兩位置二通比例閥的開口口可以有效地實現(xiàn)位置控制。 3. 控制策略和系統(tǒng)模型 從系統(tǒng)結構和工作原理，比例閥作為節(jié)流閥。 通過調節(jié)比例閥前開口的尺寸來控制不對稱氣缸系統(tǒng)的位置控制的本質是控制非桿室中的油量。 活塞必須跟蹤輸入目標位置，否則控制器根據(jù)當前位置和目標位置之間的差異來計算比例閥的開口尺寸。 當活塞的當前位置等于目標位置時，活塞需要靜止。 由于壓力差，桿室中的油將通過孔口流到非桿室。 如果活塞需要靜止，則無桿室應保持其油量不變。 由于非桿室中的油量是恒定的，通過孔口進入非桿室的流量必須等于通過閥門的室外流量。 對非對稱氣缸系統(tǒng)的控制策略有很多調查（13-15）。在本文提出的系統(tǒng)結構的條件下，如果采用傳統(tǒng)的PID控制器，忽略了活塞與缸內壁之間的摩擦，則控制過程可以表示為：當活塞到達目標位置時，位置誤差為“0”，PID輸出信號為“0”，閥關閉;無桿室的油量增加，因為q = 0和q> 0，因此活塞向前移動。然后，活塞的位置誤差不等于“0”，PID控制器的輸出值不為“0”，閥打開，無桿室的油量減小，活塞向后移動，當q> q，當活塞到達目標位置時，位置誤差再次為零;所以活塞在目標位置周圍重復振蕩。也就是說，在PID控制器下，活塞不能穩(wěn)定在目標位置，而是在目標位置附近的窄范圍內振蕩。閥口的開口尺寸在一定范圍內保持周期性振蕩，這對控制性能不利?；钊麌@目標位置擺動的原因是無桿室中的油量的變化，其中的本質是由于壓力差而從桿1通過孔流動到無桿室的油在這兩個房間之間。當活塞到達目標位置時，流量補償可以通過孔口進入無桿室的流量和通過閥門流出室之間的流量補償相等，從而將油體積保持在無桿腔體和活塞位置不變，并使振蕩衰減。 根據(jù)不對稱氣缸系統(tǒng)的特殊結構，采用流量補償方式和傳統(tǒng)PID控制器進行液壓系統(tǒng)的位置控制。 圖3示出了所提出的控制方案。 圖3 不對稱氣缸系統(tǒng)的控制方案 從上述分析可以看出，該液壓系統(tǒng)采用的控制策略可以表示為：該控制器采用流量補償信號。 流量補償信號的值可以通過補償流量根據(jù)比例閥的壓力和流量特性來計算。 當活塞到達目標位置時，根據(jù)補償信號的調整，比例閥將處于適當?shù)拈_口尺寸，這確保通過孔口進入非桿室的流量等于通過腔室通過的流量閥門 AMESIM代表執(zhí)行工程系統(tǒng)仿真的高級建模環(huán)境。 它基于直觀的圖形界面，其中系統(tǒng)在整個仿真過程（16）中顯示。 在AMESIM的模型庫中提供了液壓系統(tǒng)的常見液壓元件模型。 根據(jù)液壓系統(tǒng)結構，可以通過連接相應的液壓元件建立系統(tǒng)的動態(tài)模型。 在編制建立的模型并設定液壓元件的結構參數(shù)后，得到液壓系統(tǒng)的仿真模型。 AMESIM下的仿真模型如圖4所示。 圖4 AMESIM下的仿真模型 建立具有相同名稱的AMESIM模型的S函數(shù)，SIMULINK下的協(xié)同仿真模型如圖5所示，它是通過將AMESIM模型導入Simulink并設置仿真參數(shù)來實現(xiàn)的。 圖5 SIMULINK下的仿真模型 S功能塊（AMESim：Project_）代表除了圖4中的AMESim / Simulink塊之外的AMESIM模型，圖5中SIMULINK下的模擬模型的其余部分對應于圖4中的AMESim / Simulink塊。 SIMULINK中控制器模塊的結構如圖1所示。 3，計算程序可以表達如下： 將e定義為位置錯誤： （6） 控制器的輸出信號可以表示為： （7） 4.模擬與分析 基于系統(tǒng)結構和控制策略，液壓缸，比例閥等液壓元件的結構參數(shù)設置在AMESIM型號下：活塞直徑為50 mm;桿直徑為28mm;最大行程為30mm;液壓缸中運動部件的總質量為1.5 Kg;在標稱壓力為3.5MPa的條件下，比例閥的額定流量為7.6L / min;比例閥的響應頻率為30 Hz;孔徑為2mm。 Simulink模擬和求解器的環(huán)境參數(shù)如下：供給壓力為9.5 MPa;負載為5400 N; PID控制器的控制器參數(shù)設計為P = 85，I = 2和D = 1;模擬時間為6秒;并且求解器是可變步長的ode15s（剛度/ NDF）（內置在MATLAB中的ode15s程序）。其他的是默認設置。系統(tǒng)的控制要求是穩(wěn)態(tài)誤差小于0.03 mm;最大百分比超過4％ 4.1 PID控制器和流量補償PID控制器的仿真結果 在模擬過程中，分別對不同的目標位置進行模擬。 在PID控制器下，仿真結果如下圖所示：輸入步進目標位置曲線和活塞當前位置如圖6所示。 絕對誤差如圖7所示，PID控制器的輸出如圖8所示。 圖6 PID控制器下的位置軌跡 圖7 PID控制器下的絕對位置誤差 圖8 PID控制器下閥門的控制信號 從圖6，圖7和圖8，活塞圍繞目標位置振蕩。 閥口的開口尺寸在一定范圍內振蕩。 在具有流量補償?shù)腜ID控制器下，輸入步進目標位置曲線和活塞的當前位置如圖9所示。 絕對誤差如圖10所示。 孔口的流速如圖11所示。 圖9 帶有流量補償?shù)腜ID控制器下的位置軌跡 圖10 帶有流量補償?shù)腜ID控制器下的絕對位置誤差 圖11 PID控制器孔徑流量補償 從圖9和圖10可以看出，可以有效地實現(xiàn)目標位置軌道上的活塞。 位置誤差約為210-5 m。 如圖11所示，孔口處的流量在相當小的范圍內變化。 仿真結果表明，本文提出的系統(tǒng)結構和控制方法可以實現(xiàn)對不對稱液壓缸的位置控制，控制性能好。 本文提出的PID控制器與控制器方法的對比表明，PID控制器的流量補償控制結果優(yōu)于PID控制器。 4.2孔口尺寸對系統(tǒng)的影響 在具有流量補償?shù)腜ID控制器下的系統(tǒng)模型中，孔徑配置為不同的值，如2.05 mm，2 mm和1.95 mm，不改變其他參數(shù)。 圖12顯示了絕對位置誤差，圖13顯示了不同孔徑下孔口處的流速。 不同孔徑尺寸下的模擬結果如表1所示。 圖12 帶PID補償?shù)腜ID控制器的絕對位置誤差 圖13 流量補償下PID控制器下孔口流量 表1 不同孔徑尺寸下的模擬結果 從圖12和表1可以看出，