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液壓與氣壓傳動 簡易插床液壓系統(tǒng) 課程設計 指導老師： 院 系：機械工程學院 班 級： 姓 名： 學 號： 目 錄 一.液壓傳動設計 1. 設計目的…………………………………………………………3 2. 設計要求…………………………………………………………4 3. 液壓系統(tǒng)工況及設計要求，液壓系統(tǒng)草圖……………………………5 二.液壓缸設計 1.液壓缸簡介…………………………………………………………3 2.液壓缸設計應注意的問題…………………………………4 三.液壓缸的主要尺寸參數(shù)確定 1.液壓缸工作壓力的確定………………………………………………5 2.活塞式液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑確定 ………………………………5 3.液壓缸的推力和流量計算……………………………………………5 4.活塞桿直徑驗算 ……………………………………………………6 5.液壓缸長度及壁厚的確定……………………………………………6 6.液壓缸外徑的計算 …………………………………………………7 7.液壓缸底和缸蓋的計算………………………………………………8 8.液壓缸進出油口尺寸的確定…………………………………………9 9.液壓缸參數(shù)的綜合…………………………………………………10 四.液壓缸結構設計 1.液壓缸體與缸蓋的連接結構 ………………………………………11 2.缸筒與缸蓋的密封…………………………………………………12 五. 總 結 ………………………………………………………………18 液壓傳動設計 一、設計目的 液壓傳動課程設計是在學習完液壓傳動課程之后進行的一個重要的教學環(huán)節(jié)，它是在教師指導下由學生獨立完成的。學生通過課程設計對所學內(nèi)容能夠靈活掌握，融會貫通，并獲得綜合運用所學知識進行液壓系統(tǒng)設計的基本能力。通過課程設計，學生應達到以下目的： 1. 鞏固和深化已學的液壓傳動的理論知識，掌握液壓系統(tǒng)設計計算的一般方法和步驟； 2. 鍛煉機械制圖、結構設計和工程運算的能力； 3. 熟練液壓缸的結構設計以及液壓元件的選擇方法； 4. 學會使用有關國家標準、液壓手冊及產(chǎn)品樣本等有關技術資料。 二、設計內(nèi)容及要求 設計內(nèi)容：題5：設計一簡易插床液壓系統(tǒng)，該插床刀架上下往復運動為液壓缸驅(qū)動，工件裝在工作臺上手動進給。主要參數(shù)為：最大切削力4000N；插頭重量為600N；刀架上下往復運動速度為13m/min，液壓缸最大行程為300mm。 設計要求：設計1號圖1~2張；說明書12頁以上（圖紙：油缸，油箱，閥塊、原理圖等） 指導老師：韋建軍 本組組員： 三、液壓系統(tǒng)工況及設計要求，繪制液壓系統(tǒng)草圖。 工況分析： 插床主要有工作臺、床身、手動夾緊，插刀等組成，加工對象為待加工的齒輪，能實現(xiàn)加工齒輪內(nèi)孔鍵槽的功能。工作循環(huán)如下：工件夾緊到工作臺 插刀啟動 快進 停止插刀啟動快退 ，至此循環(huán)工作，直至加工出要求的齒輪內(nèi)孔鍵槽。 采用無級調(diào)速在液壓泵出油口安排調(diào)速閥，節(jié)流閥放在回油路上實現(xiàn)回油背壓換向閥使用三位四通。 原理圖： 液壓缸設計 一.液壓缸設計 1. 液壓缸簡介： 液壓缸是工程機械實現(xiàn)機構運動的動力源。它將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C構所需的機械能，大多數(shù)是以直線運動形式獲得力和位移的。液壓缸若按用途和結構形式來分類，其種類繁多。若按壓力等級來區(qū)分，工程機械上常用的僅為兩大類：即中低壓液壓缸和高壓液壓缸。液壓缸的壓力等級大小由密封機構和液壓缸本身的材質(zhì)、壁厚及加工工藝等決定，這些已在設計制造時確定。對用戶來說最關注的是液壓缸的工作狀況，即有無內(nèi)外泄漏現(xiàn)象，能否達到最大容積效率及工作壽命等等。實際應用中液壓缸失效形式往往表現(xiàn)為內(nèi)泄漏和外泄漏，而這些與液壓缸中的密封件及其裝配工藝等有關。 2. 液壓缸設計應注意的問題 液壓缸的設計和使用正確與否，直接影響到它的性能和易否發(fā)生故障。在這方面，經(jīng)常碰到的是液壓缸安裝不當、活塞桿承受偏載、液壓缸或活塞下垂以及活塞桿的壓桿失穩(wěn)等問題。所以，在設計液壓缸時，必需注意以下幾點： （1） 盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負載，或在受壓狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性。 （2） 考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。缸內(nèi)如無緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應的措施，但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。 （3） 正確確定液壓缸的安裝、固定方式。如承受彎曲的活塞桿不能用螺紋連接，要用止口連接。液壓缸不能在兩端用鍵或銷定位。只能在一端定位，為的是不致阻礙它在受熱時的膨脹。如沖擊載荷使活塞桿壓縮。定位件須設置在活塞桿端，如為拉伸則設置在缸蓋端。 （4） 液壓缸各部分的結構需根據(jù)推薦的結構形式和設計標準進行設計，盡可能做到結構簡單、緊湊，加工、裝配和維修方便。 （5） 在保證能滿足運動行程和負載力的條件下，應盡可能地縮小液壓缸的輪廓尺寸。 （6） 要保證密封可靠，防塵良好。液壓缸可靠的密封是其正常工作的重要因素。如泄漏嚴重，不僅降低液壓缸的工作效率，甚至會使其不能正常工作（如滿足不了負載力和運動速度的要求等）。良好的防塵措施，有助于提高液壓缸的工作壽命。 總之，液壓缸的設計內(nèi)容不是一成不變的，根據(jù)具體的情況有些設計內(nèi)容可不做或少做，也可增大一些新的內(nèi)容。設計步驟可能要經(jīng)過多次反復修改，才能得到正確、合理的設計結果。在設計液壓缸時，正確選擇液壓缸的類型是所有設計計算的前提。在選擇液壓缸的類型時，要從機械設備的動作特點、行程長短、運動性能等要求出發(fā)，同時還要考慮到主機的結構特征給液壓缸提供的安裝空間和具體位置。 如：機器的往返直線運動直接采用液壓缸來實現(xiàn)是最簡單又方便的。對于要求往返運動速度一致的場合，可采用雙活塞桿式液壓缸；若有快速返回的要求，則宜用單活塞桿式液壓缸，并可考慮用差動連接。行程較長時，可采用柱塞缸，以減少加工的困難；行程較長但負載不大時，也可采用一些傳動裝置來擴大行程。往復擺動運動既可用擺動式液壓缸，也可用直線式液壓缸加連桿機構或齒輪——齒條機構來實現(xiàn)。 二．液壓缸的主要尺寸參數(shù)確定 1.液壓缸工作壓力的確定 （1）工作負載的計算 機械總負載F: 空載啟動加速階段: 快進： F= (忽略慣性力 ,和摩擦力 ) 制動減速： F=（--) 工作負載：=4000N 密封阻力：=5%=200N 重力負載：=600N 比較以上各種情況，最大總負載在快進階段，故最大總壓力為： （由課本可知=0.90~0.97，取0.94） =(-)/=(4000-600)/0.94=3617N （2）液壓缸工作壓力的確定 按工作負載選定工作壓力（表3-1） 表3-1 按工作負載選定工作壓力 液壓缸工作負載（N） <5000 5000～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 >50000 液壓缸工作壓力（MPa） 0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 5～7 由《液壓傳動課程設計指導書》結構設計參考資料表3-1可以初定系統(tǒng)工作壓力為0.8~1MPa，為使液壓缸體積緊湊,可以取系統(tǒng)壓力為初選= 1Mpa 2. 液壓缸幾何參數(shù)的確定 （1）內(nèi)外徑計算 由 且 得 d ====0.0677m D=d=0.0957m (差動連接，當快進、快退相等時D=d，） 按表3——4，表3——7取進給液壓缸系列化標準尺寸為D=100mm ,d=70mm。 缸體內(nèi)徑算出后，應按表3-4標準的液壓缸內(nèi)徑系列規(guī)定值圓整。 表3-4 液壓缸內(nèi)徑系列（JB2183---77） 16 20 25 32 40 50 55 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 320 400 500 630 表3-7 活塞直徑系列（JB------77） 4 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 35 40 45 50 55 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500 當速比選定時，活塞桿與液壓缸內(nèi)徑有3-8所示的關系，可供選用 表 3-8 活塞桿與液壓缸內(nèi)徑的關系 缸體 內(nèi)徑 D （mm） 活塞桿直徑d（mm） 缸體 內(nèi)徑 D （mm） 活塞桿直徑d（mm） 速比 速比 2 1.46 1.33 1.25 1.15 2 1.46 1.33 1.25 1.15 40 28 22 20 18 14 125 90 70 60 55 45 50 35 28 25 22 18 140 100 80 70 60 50 63 45 35 32 28 22 150 105 85 75 65 55 80 55 45 40 35 28 160 110 90 80 70 55 90 60 50 45 40 32 180 125 100 90 80 63 100 70 55 50 45 35 200 140 110 100 90 70 110 80 60 55 50 40 3．液壓缸的推力和流量計算 （1）液壓缸的推力計算 當液壓缸的基本參確定后即可用下式算出實際工作推力： P=PA(N) 式中，P——液壓缸的工作壓力（Pa）； A——活塞有效工作面積； 可求出P=1884.96N （2）液壓缸的流量計算 液壓缸基本尺寸確定后，即可用下式來計算其所需的工作流量： Q=Av 式中，v——液壓缸（活塞缸）工作速度； A——-液壓缸有效工作面積。 A1= =5026.5mm A2= ==3769.9mm 無桿腔：Q1 =A1v= 有桿腔：Q2 =A2v= 本設計中v=10m/min。 4.活塞桿直徑驗算π 按強度條件驗算活塞桿的直徑， （1） 活塞桿直徑校核。 當活塞桿長度L 10d時，按下式進行驗算： d=mm 式中，P——活塞桿推力（N）； L——活塞桿長度（m）； ——活塞桿材料的許用應力；=／n ——材料屈服極限（Pa）； N——安全系數(shù)，n≥1.4 P=1884.96N，=600Mpa，n=2，可解得：d=6.0mm＜40 mm ，故滿足要求。 5.液壓缸長度及壁厚的確定 （1）液壓缸的長度一般由工作行程長度來確定，但還要注意制造工藝性和經(jīng)濟性，一般應取l’<(20～30)，l’——為液壓缸的長度，——缸體內(nèi)徑。=100mm,現(xiàn)取l’=600mm （2）缸體壁厚的計算 鋼筒使用20號鋼，參考文獻【4】得20號鋼的抗拉強度為410Mp。 （a）薄壁液壓缸（δ／D≤1/10） 一般，低壓系統(tǒng)用的液壓缸都是薄壁缸，缸壁可用下式計算： δ≥==9.146（mm） 式中，δ——缸壁厚度（m） ——試驗壓力（Pa） 當額定壓力≤16Mpa時，=150%； 在本設計中查表得= =1MPa D——液壓缸內(nèi)徑（m） ——缸體材料的許用應力（Pa），=／n； ——材料的抗拉強度 N——安全系數(shù)，一般可取n=5 。 在本設計中，查液壓設計手冊得45號鋼=600MPa,代人上式可求得δ=9.146mm。為了在設計和選材中方便，我們可以按表3-13工程機械用標準液壓缸外徑（JB1068-67） 選取δ=10mm。 6.液壓缸外徑的計算 =D+2δ=100+210=120（mm） 液壓缸外徑按標準JB1068-67系列選取參考表3-13可得=121mm 實際壁厚為δ=（121-100）/2=10.5mm 表3-13 工程機械用標準液壓缸外徑（JB1068-67） 液壓缸內(nèi)徑D 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 液壓缸外徑 20號鋼 工 作 壓 力 （Mpa） ≤16 50 60 76 95 108 121 133 146 168 194 219 245 45號鋼 ≤20 50 60 76 95 108 121 133 146 168 194 219 245 25 50 60 83 102 108 121 133 152 168 194 219 245 31.5 54 63.5 83 102 114 127 140 7.液壓缸底和缸蓋的計算 液壓缸底和液壓蓋，在中低壓系統(tǒng)中一般是根據(jù)結構需要進行設計，不進行強度計算的，但在高壓系統(tǒng)中一般都要進行強度計算，其計算方法如下： （1） 缸底厚度計算 選用平面缸底，采用無油孔的缸底 當缸底有油孔時（=30mm) h=0.433=1.81（cm） 其中，=D=100mm,式中，p——缸內(nèi)最大工作壓力（pa） 解得：h=18.1mm，取h=19mm。 （2） 缸蓋厚度計算 本液壓缸的蓋采用整體法蘭缸蓋 h= 式中，——螺釘孔分布圓直徑（cm） ——法蘭根部直徑（cm） ——許用應力（Pa） P——液壓缸受力，(p=1Mpa(兩底面＋兩圓柱面） 由前面計算可知：，D1 =92mm,可取D=100mm, =82Mpa.代入上式可解得： h=64.4mm取整：h=65mm。 （3） 缸體連接強度計算 采用螺栓連接方式，其強度計算如下： 拉應力：===2505pa； 式中： P——液壓缸最大推力； ——螺紋內(nèi)徑； Z——螺紋數(shù)目，取為6； K——擰緊螺紋系數(shù)，一般取K=1.25～1.5，現(xiàn)取1.3 由上面計算可知；P=1MpaN, =22mm，代入上式可得出=410MPa。 合成應力：= 許用應力：=/n=410/1.2=3416Mpa ——螺栓材料屈服極限； n——安全系數(shù)，一般取n=1.2~2.5 螺栓用8.8號鋼，=640Mpa；n取2 因為≦所以滿足要求。 8.液壓缸進出油口尺寸的確定 查表3-16，選取進出油口直徑為20mm。 9.液壓缸參數(shù)的綜合。 缸筒（20鋼） 活塞（45鋼） 進出油口連接 速比 內(nèi)徑 外徑 直徑 公稱直徑 接頭連接螺紋 1 100mm 121mm 70mm 20mm M272 三.液壓缸結構設計 1. 液壓缸體與缸蓋的連接結構 （查表3-17，選取法蘭連接。） （1） 最小導向長度的確定。 當活塞剛外伸時，從活塞支撐中點到缸蓋滑動軸承支撐面中點的距離H稱為最小導向長度。 取H=66mm 活塞寬度B: B=(0.6~1.0)D=40mm 活塞桿長度L1=(0.6~1.0) L =650mm (四) 缸體長度L0=600mm 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。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一最小導向長度。 2. 缸筒與缸蓋的密封 為保證缸筒與缸蓋之間的靜密封性能，除選擇合理的靜配合間隙、合適的O型圈外，最好在O型圈的受擠壓側(cè)裝配尼龍背村，這樣可提高密封圈的承受能力，增加法蘭螺栓或缸蓋釘?shù)念A緊力，防止工作因振動產(chǎn)生松動，導致靜密封件損壞。 （1） 活塞桿與缸蓋導向套內(nèi)孔的密封力 查表3-20，采用端蓋直接導向（C）。 ① 活塞桿與缸蓋導向套的間隙達不到原設計要求。因長期使用，導向部分磨損失圓、拉傷、間隙增大或間隙油膜密封破壞等是造成活塞桿漏油的主要因素。在此狀態(tài)下，即使換上新的密封件，仍會產(chǎn)生液壓油從活塞桿處外泄露的癥狀。 ② 裝配的所有密封件其材質(zhì)均符合標準。Y形、V形、U形、Yx形密封件其外觀質(zhì)量不的有凹凸、雜質(zhì)、氣泡、劃傷和毛刺飛邊等缺陷，防塵圈裝入活塞桿時不得啃傷，否則應更換新件。 ③ 活塞桿表面鍍鉻層不得有脫落或嚴重凹凸不平處，活塞桿彎曲變形量應符合設計要求：即活塞桿表面直線度為1000mm內(nèi)小于0.3mm，可用儀器測量檢查。施工現(xiàn)場檢查時，可用未裝密封件的缸蓋導向套涂液壓油裝入活塞桿上，然后全行程往復滑動和轉(zhuǎn)動，手感無間隙為合適。 （2） 缸蓋與活塞桿裝配 裝配前應用汽油或清洗油（嚴禁用柴油或煤油）清洗所有裝配件，并將缸蓋內(nèi)外環(huán)槽的殘留物用綢布或無毛的棉布擦干凈后，方可裝入密封件，并應在密封件和導向套的接觸表面上涂液壓油（嚴禁干裝配）。缸蓋裝入活塞桿時最好采用工裝從水平方向或垂直方向進行裝配，在保證二者同心后，才用硬木棒打入。有條件時也可加工一導向錐套，然后用螺母旋入或用硬木打入，這樣既保護了油封表面，又保證缸蓋順利裝入缸筒內(nèi)。 （3） 活塞密封件裝配 查表3-18，采用螺紋連接。查表3-19，采用O型密封。 裝配前必須檢查導向環(huán)的背襯是否磨損，偌磨損應更換，這樣導向環(huán)可保證活塞與缸筒內(nèi)孔間有正常間隙。導向環(huán)也稱磨損環(huán)，常有錫青銅、聚四氟乙烯、尼龍1010、MC尼龍及聚甲醛等具有耐油、耐磨、耐熱且摩擦系數(shù)小的材料制成。非金屬材料導向環(huán)的切口寬度隨導向部分直徑的增大而增加，一定要留有膨脹量，以防止在高溫工作時出現(xiàn)嚴重拉缸現(xiàn)象，導致缸筒報廢。 活塞內(nèi)孔與活塞桿頭部的配合間隙一般較小，偌間隙過大時，應更換或選配活塞進行裝配?；钊^部的卡鍵連接處應能轉(zhuǎn)動靈活，無軸向間隙。采用螺紋連接的要有足夠的預緊力矩，并用開口銷、鎖簧或徑向緊固螺釘鎖住，但開口銷及緊固螺釘外伸部分不應過長，以免與缸底作緩沖作用的內(nèi)孔部分產(chǎn)生碰撞而導致使用過程中出現(xiàn)拉缸或活塞頭脫落等嚴重故障。 （4） 缸筒與活塞桿總成裝配 裝配好的活塞、活塞桿、缸蓋及密封件組成一個整體總成后，如何使活塞頭部能正確，安全無損地裝入清洗干凈的缸筒內(nèi)是保證液壓缸工作不內(nèi)泄的重要環(huán)節(jié)。不同的活塞結構和缸蓋連接方式，其裝配工藝不同。 ① 法蘭連接的缸筒。當缸筒內(nèi)孔端部倒角處無啃碰傷，活塞表面已上液壓油，并且缸筒內(nèi)孔與活塞同心時，即可以裝入活塞組件。缸蓋靜密封處切口的背襯應涂潤滑脂或工業(yè)凡士林，并保證背襯不彈出脫位，要規(guī)定力矩并均勻?qū)ΨQ地緊固缸蓋連接螺栓。 ② 內(nèi)卡鍵連接的缸蓋。裝配時必須將缸筒內(nèi)表面卡鍵填平，為保證缸筒內(nèi)圓表面不卡阻，活塞密封件不損害，常用兩種方法： ③ 工廠內(nèi)作業(yè)或有條件的情況下，應加工3塊卡環(huán)，用其填平卡鍵槽，待活塞及缸蓋導向套裝入缸筒內(nèi)后，再將3快卡環(huán)取出，然后裝入卡鍵。需待缸蓋導向套復位后再裝上定位擋圈、卡環(huán)等件。 ④ 在施工現(xiàn)場或無加工條件的情況下，可剪切一條石棉（用橡皮板吧！—錄者注）板條（與卡鍵等寬），用其填平卡鍵槽，其余同上述方法。此方法快和方便，且能保證裝配質(zhì)量。 ⑤ 內(nèi)螺紋連接的缸蓋。由于缸筒端面內(nèi)孔的內(nèi)螺紋易對密封件造成損壞，故裝配時必須加工一薄壁開口導向套，用其固定于活塞頭部，使活塞能順利裝入缸筒內(nèi)，既保護了密封件，也提高了裝配質(zhì)量。 液壓缸如下圖： 總 結 這次液壓的課程設計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結合開發(fā)、設計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。 是我們第一次較全面的運用液壓綜合知識。通過這次設計，使得我們對液壓基礎知識有了一個較為系統(tǒng)全面的認識，加深了對所學知識的理解和運用，講原來比較抽象的內(nèi)容實體化，初步培養(yǎng)了我們理論結合實際的設計思想，訓練了綜合運用相關課程的理論。結合生產(chǎn)實際分析和解決工程問題的能力，鞏固、加深和擴展了有關液壓系統(tǒng)設計方面的知識。 通過制定設計方案，合理選擇各液壓零件類型，正確計算零件的工作能力，以及針對課程設計中出現(xiàn)的內(nèi)容查閱資料，大大擴展了我們的知識面，培養(yǎng)了我們在本學科方面的興趣和實際動手能力，對將來我們在工作方面有很大的幫助。本次課程設計是我們所學知識運用的一次嘗試，是我們在液壓知識學習方面的一次有意義的實踐。 在本次課程設計中，我獨立完成了自己的設計任務，通過這次設計，弄懂了一些書本中難以理解的內(nèi)容，加深了對以前所學知識的鞏固。在設計中，通過老是的指導，使自己在設計思想、設計方法和設計技能等方面都得到了一次良好的訓練。 參考文獻 1左建民，液壓與氣壓傳動，機械工業(yè)出版社， 2003 2.液壓氣壓技術速查手冊.張利平.化學工業(yè)出版社，2007 3.液壓傳動設計指導書 4.趙麗萍、孫德勤，機械工程材料，北京航空航天大學出版社，2011 14