液压缸课程设计教材.docx
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液压缸课程设计教材
河南理工大学机械学院
课程设计说明书
题目名称：
单柱压力机的液压缸设计
学院：
机械与动力工程学院
班级：
机电11-1
姓名：
邱晓
学号：
311104001017
指导教师：
刘俊利
一、课程设计的目的及要求……………………………………
二、课程设计内容及参数确定…………………………………
三、液压缸主要尺寸的确定………………………………………
四、液压缸的密封设计…………………………………………
五、支承导向的设计……………………………………………
六、防尘圈的设计………………………………………………
七、液压缸材料的选用…………………………………………
八、课程设计总结………………………………………………
九、参考文献………………………………………………………
说明书
一、课程设计的目的
油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360°回摆运动的液压执行元件。
具有结构简单，工作可靠，制造容易以及使用维护方便、低速稳定性好等优点。
因此，广泛应用于工业生产各部门，如：
工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提升机构，起重机械中汽车起重机的伸缩臂和支腿机构，矿山机械中的液压支架及采煤机的滚筒调高装置，建筑机械中的打桩机，冶金机械中的压力机，汽车工业中自卸式汽车和高空作业车，智能机械中的模拟驾驶舱、机器人，火箭的发射装置等。
它们所用的都是直线往复运动油缸，即推力油缸。
所以，研究和改进液压缸的设计制造，提高液压缸的工作寿命及其性能，对于更好的利用液压传动具有十分重要的意义。
设计要求
1、每个参加课程设计的学生，都必须独立按期完成设计任务书所规定的设计任务。
2、设计说明书和设计计算书要层次清楚，文字通顺，书写工整，简明扼要，论据充分。
计算公式
不必进行推导，但应注明公式中各符号的意义，代入数据得出结果即可。
3、说明书要有插图，且插图要清晰、工整，并选取适当此例。
说明书的最后要附上草图。
4、绘制工作图应遵守机械制图的有关规定，符合国家标准。
5、绘制液压缸总图；
6、一份设计说明书
二、课程设计内容及所给参数
1、设计参数
主要技术参数：
压力机额定输出力：
20吨；
液压缸安装方式：
竖直布置，法兰固定；
液压缸行程：
250mm；
液压缸额定压力：
10MPa；
液压缸背压：
1MPa；
环境温度：
-10～70℃。
三、液压缸主要尺寸的确定
1.液压缸的工作压力主要是根据液压设备的类型来确定的，对于不同用途的液压设备，由于实际的工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。
液压缸的工作压力为P=10Mpa。
2.液压缸缸筒内径D的计算
根据已知条件，工作最大负载F=120000N，工作压力P=10MPa
液压缸内径D和活塞杆直径d的确定：
已知:
F=120000N,=10MPa，
d=0.75D=0.75×123.6mm=92.7mm
式中：
F—液压缸的理论作用力，N；
P—供油压力，MPa；
d—活塞杆的直径，m。
查表得：
D=125mm,d=100mm
3、液压缸活塞杆直径d的确定
由已知条件查表（GB/T2348-1993），取d=100mm
选用45号钢查表知，45钢的屈服强度
按强度条件校核：
因为由上面的计算所选择的活塞杆直径d=125mm远大于按强度条件校核的最小直径29mm，所以计算选择的直径d符合要求。
4、液压缸壁厚的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。
从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布材料规律因壁厚的不同而各异。
一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
本设计按照薄壁圆筒设计，其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：
（该设计材料采用无缝钢管）
[]=100MPa
式中，为缸筒内径；为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取=1.5；而当时，取=1.25；为缸筒材料的许用应力，=，为材料抗拉强度，为安全系数，一般取=5。
由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小，使缸体的刚度不够，如在切削加工过程中的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。
所以用经验法选取壁厚：
δ=12
5、缸体外径尺寸的计算
缸体外径
查机械设计手册：
液压缸的外径取160mm；液压缸的材料为S45；液压缸的产品系列代号为A型即工程液压缸。
6、液压缸工作行程的确定
由于在液压缸工作时要完成如下的几个动作：
快进150
┏━━━━→┓工进50
┃┗┓工进50
┃快退┗━━━━→┓
┗━━━━━━━←━━━━━━━━━━┛
即可根据执行机构实际工作的最大长度确定。
由上述动作和已知参数可以得出液压缸的工作行程为250mm
7、缸底厚度的确定
一般液压缸多为平底缸底，其有效厚度按强度要求可用下式进行近似计算：
式中：
D—缸盖止口内径（mm）；
—缸底厚（mm）；
P—缸内最大压力，MPa;
—缸底材料许用应力，MPa,其选用方法与上面缸筒厚度的计算是相同的。
由上面的计算得出，缸底的厚度≥17mm。
8、最小导向长度
当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度（如图4所示），若导向长度太小，将使油缸因间隙引起的初始挠度增大，从而影响油缸的工作稳定性。
对于一般油缸，其最小导向长度H应满足下式要求:
式中:
---油缸最大工作行程（m）
---缸筒内径（m）
一般导向套滑面的长度A,在缸筒内径＜80mm取缸筒内径的0.6～1.0倍;在缸筒内径>80mm时则取活塞杆直径的0.6～1.0倍。
活塞宽度取缸筒内径的0.6～1.0倍,为了保证最小导向长度而过份地增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的。
最好的方法是在导向套与活塞之间装一隔套K，其长度由所需的最小导向长度决定。
采用隔套不仅能保证最小导向长度，而且可以扩大导向套及活塞的通用性。
9、活塞宽度B的确定
活塞的宽度B一般取B=（0.6~1.0）D
即B=（0.6~1.0）×125=（75~125）mm
10、缸体长度的确定
液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。
缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D的20-30倍。
即：
缸体内部长度250+75=325mm
缸体长度≤（20~30）D=（2500~3750）mm
即取缸体长度为510mm
11、液压缸进、出油口尺寸的确定
液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上，进、出油口处的流速不大于5m/s，油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。
根据液压缸螺纹连接的油口尺寸系列（摘自GB/T2878-93）及16MPa小型系列单杆；
自（GB/T2878-93）及16MPa小型系列的单杆液压缸油口安装尺寸（ISO8138-1986）确定。
进出油口的尺寸为M16x1.5。
连接方式为螺纹连接。
12、活塞杆强度和液压缸稳定性计算
1）活塞杆强度计算
活塞杆的直径按下式进行校核
符合要求
式中，为活塞杆上的作用力；
为活塞杆材料的许用应力，
2）液压缸稳定性计算
活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。
的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。
活塞杆稳定性的校核依下式进行:
式中，为安全系数，一般取=2~4。
当活塞杆的细长比时：
式中，为安装长度，其值与安装方式有关，见表1；为活塞杆横截面最小回转半径，；为柔性系数，其值见表2；为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表1；为活塞杆材料的弹性模量，对钢取；为活塞杆横截面惯性矩；为活塞杆横截面积；为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值见表2。
表2、、的值
材料
铸铁
5.6
1/1600
80
锻铁
2.5
1/9000
110
钢
4.9
1/5000
85
表1液压缸支承方式和末端系数的值
支承方式
支承说明
末端系数
一端自由一端固定
两端铰接
1
一端铰接一端固定
2
两端固定
4
13、缓冲装置设计计算
液压缸中缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。
液压缸中使用的缓冲装置的工作原理如图9所示。
最常用的是节流口可调式和节流口变化式两种。
其中，节流口可调式缓冲装置在节流口调定后，工作原理上就相当于一个单孔口式的缓冲装置。
表3示节流口可调式和节流口变化式两种缓冲装置的主要性能。
图9液压缸的缓冲装置原理
表3液压缸中常用的缓冲装置
名称和工作原理图
特点说明
1—针形节流阀2—单向阀
被封在活塞和缸盖间的油液经针形节流阀流出
节流阀开口可根据负载情况进行调节
起始缓冲效果大，随着活塞的行进，缓冲效果逐渐减弱，故制动行程长
缓冲腔中的冲击压力大
缓冲性能受油温影响
适用范围广
1—轴向节流阀
被封在活塞和缸盖间的油液经活塞上的轴向节流槽流出
缓冲过程中节流口通流截面不断减小，当轴向槽的横截面为矩形，纵截面为抛物线形时，缓冲腔可保持恒压
缓冲作用均匀，缓冲腔压力较小，制动位置精度高
四：
液压缸的密封设计
液压缸要求低摩擦，无外漏，无爬行，无滞涩，高响应，长寿命，要满足伺服系统静态精度，动态品质的要求，所以它的密封与支承导向的设计极为重要，不能简单的延用普通液压缸的密封和支承导向。
因此设计密封时应考虑的因素：
用于微速运动（3-5mm/s）的场合时，不得有爬行，粘着滞涩现象。
工作在高频振动的场合的，密封摩擦力应该很小且为恒值。
要低摩擦，长寿命。
工作在食品加工、制药及易燃环境的伺服液压缸，对密封要求尤为突出，不得有任何的外渗漏，否则会直接威胁人体健康和安全。
工作在诸如冶金、电力等工业部门的，更换密封要停产，会造成重大经济损失，所以要求密封长寿命，伺服液压缸要耐磨。
对于高速输出的伺服液压缸，要确保局部过热不会引起密封失效，密封件要耐高温，要有良好的耐磨性。
工作在高温、热辐射场合的伺服液压缸，其密封件的材料要有长期耐高温的特性。
工作介质为磷酸酯或抗燃油的，不能用矿物油的密封风材料，要考虑他们的相容性。
伺服液压缸的密封设计不能单独进行，要和支承导向设计统一进行统筹安排。
（1）静密封的设计
静密封的设计要确保固定密封处在正常工作压力的1.5倍工作压力下均无外泄露。
静密封通常选用O形橡胶密封圈。
根据GB3452.1-92标准，查通用O形密封圈系列（代号G）的内径、截面及公差。
由液压缸装配草图确定：
选用125×3.55GGB3452.1一个
36×2.65GGB3452.1一个
（2）动密封的设计
动密封的设计直接关系着伺服液压缸性能的优劣，其设计必须结合支承导向的设计统筹进行。
活塞与缸筒之间用Y型密封圈。
根据《液压传动与控制手册》表13-23，查得用226编号的O型密封圈,其尺寸为50.39×3.53.
活塞杆与端盖之间用Y型密封圈,它使双作用元件具有良好的性能,抗挤压性好,尺寸稳定,摩擦力小,耐磨、耐腐蚀性强.
五、支承导向的设计
伺服液压缸的支承导向装置就是为了防止活塞与缸筒、活塞活塞杆与端盖之间的直接接触,相互摩擦,产生磨
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