液压缸组件设计说明书.docx
《液压缸组件设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液压缸组件设计说明书.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
液压缸组件设计说明书
晋中学院
本科毕业设计
题目液压缸组件设计
院系机械学院
专业机械设计制造及其自动化
姓名
学号
学习年限2009年9月至2013年6月
指导教师职称讲师
申请学位工学学士学位
2013年05月30日
液压缸组件设计
学生姓名：
指导教师：
摘要：
在液压与气压传动系统中，会经常用到液压活塞缸的形式，它广泛地存在于各个领域中。
通常活塞缸的组成部分是缸底、缸筒、活塞、活塞杆和端盖等主要部件。
有时，在液压缸的连接处，比如缸体和缸盖法兰部分，缸盖与活塞部分，活塞与活塞杆部分等需要安装密封装置，以减少和防止外部灰尘或者内部油液的进出和泄露。
缸体的运动过程中，由于惯性、速度、质量等原因，活塞在运动到行程终端时会与缸底发生碰撞，从而引起能量的损失和传动失衡，因此需要在缸体内部安装缓冲装置。
此外，在必要时还需要在液压缸体的某些部位安装排气装置和防尘装置以使整个传动机构精度提高、效率提升。
液压缸的设计需要根据已给数据和要求来进行，对液压缸的结构进行设计、选择、检验、制造等方面的考虑。
关键字：
活塞；活塞杆；缸盖；缸体；
Designspecificationofthehydrauliccylinderassembly
Author’sName:
LiuXiaopingTutor:
LiCailian
ABSTRACT：
Thepistoncylinderusuallybeusedinthehydraulicandpneumaticdrivesystem,themainpartofthepistoncylinderisbottom,cylinder,piston,pistonrodandcover.Topreventtheworkingmediumtotheoutsideofthecylinderorbyahigh-pressurechambertothelowpressurechamberleakage,asealbetweenthecylindercover,pistonandpistonrod,pistonrodwithendcaps,pistonandcylinderdevice.Theoutsideoftheendcapisalsoequippedwithdust-proofdevice.Inordertopreventimpactcylinderhead,pistonrapidmovementtothestrokeendcushioningdevicemayalsobeprovidedintheendportionofthecylinder.Thebasicpartofthecylinderbycylinderassembly,thepistonassembly,thesealingmember,andabuffer,theconnectionmember.Further,accordingtotheneedscylinderisalsoprovidedwiththeexhaustmeansanddustproofdevice.Duringthedesignofthehydrauliccylinder,inaccordancewiththerequirementsoftheworkingpressure,velocity,workingconditions,processinganddisassemblyrepairsumconsideringthestructureofthevariouspartsofthecylinder.
KEYWORDS：
piston；pistonrod；cylinderhead；cylinder
目录
1绪论………………………………………………………………1
2设计内容及所给参数…………………………………………………2
2.1设计内容…………………………………………………………2
2.2设计参数…………………………………………………………2
3液压缸的设计计算……………………………………………………2
3.1液压缸设计计算步骤……………………………………………2
3.2液压缸性能参数的计算………………………………………2
3.3液压缸结构参数的计算…………………………………………3
3.4液压缸结构设计…………………………………………………7
4液压缸的联接计算及校核……………………………………………14
4.1缸盖联接计算……………………………………………………14
4.2活塞与活塞杆联接计算………………………………………14
4.3活塞杆稳定性计算……………………………………………15
5液压缸组件的工艺规程设计…………………………………………19
6液压缸组件的工装设计………………………………………………22
7总结……………………………………………………………………22
参考文献…………………………………………………………………24
致谢………………………………………………………………………25
1绪论
在本设计中，设计题目和内容是对液压缸的结构及其液压缸的主要组件进行设计。
首先根据已给的参数选择液压缸的工况，工作环境，工作方式，工作材料，从而确定液压缸的基本类型。
其次根据具体数据，比如工作压力，活塞杆退力等确定组成液压缸的各部分结构的尺寸和形状。
再次，对液压缸的组成元件进行选择。
最后，对所设计的结构和选用的零件进行校核、替换。
在本次液压缸的设计中，要对液压知识，包括传动和控制都要有了解，对液压的发展史以及与液压缸有关的发展领域都要有大概和初步的了解。
要对机械设计有清楚地认识，包括前期计算，中期选择构思，后期校核绘图，都要弄清来龙去脉和前因后果，具体到元件的选择和替换。
要对机械制造工艺规程设计部分有大概了解，对所设计的零件的制造和加工方法都要做到心中有数。
液压的发展及地位：
现代机械囊括机械电气和液压三个领域，是对这三个技术部分的融会贯通。
液压传动系统的广泛运用在机械领域的地位可见一斑、尤其重要。
液压传动是在近代工业中兴起并迅猛发展起来的。
液压传动至今已有二百多年的历史。
由于在发展开始时期各方面机制体制不成熟不完善，而不被广大社会各界所接收和熟知。
当代世界科技的蓬勃起飞以及人们对技术的钻研和了解，对传动技术有了不断的深刻的了解和需求，尤其是在二战期间，由于军事上迫切需要反应快、重量轻、功率大的各种武器装备，而液压传动技术的特点和有点能够很恰当地满足这一要求，从而推动了液压的前进和发展，在之后的的70年中，液压传动技术以迅猛的速度传向世界各个领域和部门，并且得到了广泛的认可和应用。
在本次毕业设计中，我的主要工作内容是：
通过对大二上半学期和大三下半学期所学的有关液压的传动和控制部分的知识进行复习和重新巩固以及对其他各资料的综合运用和理解，对本次毕业要求进行综合研究并且要结合实际进行液压传动设计，将书本只是与实际生活相联系，从而完成液压缸的结构设计，通过这个过程巩固和完善自己所学到的知识，让自己各方面的能力有进一步的提升和发展。
在设计和学习过程中，学习和掌握平常所学到的所接触到的通用液压元件，尤其是对各类标准元件应该如何选取，如何连接，如何工作都要进行详细的了解，培养设计的思维方式和操作技能，提高我们提出问题，分析问题和解决问题的创造能力，为今后能够解决所面临的问题做准备。
液压传动的这些突出优点，让它能够在日常生活和工作中得到广泛的运用和发展，比如在汽车飞机轮船制造业及其他重工产业中都有较多的运用。
2设计内容及所给参数
2.1设计内容
液压缸的设计；
液压缸主要组件的设计;
工艺规程设计；
工装设计。
2.2设计参数
公称压力P=2.5Mpa；
活塞工作推力F=8KN；
活塞行程100mm。
3液压缸的设计计算
3.1液压缸设计计算步骤
1）根据液压缸系统的运动要求，按下表选择适合其运动结构的液压缸类型。
根据对液压缸系统的结构要求，按下表选择液压缸的具体组装方式。
2）根据主机的动力分析和运动分析，根据已知参数计算主要尺寸。
3）根据所给的数据中的工作压力和缸体刚度强度的材料进行液压缸结构设计和组件结构设计。
4）液压缸数据结果进行校核。
3.2液压缸性能参数的计算
1）液压缸缸筒内径D和液压缸活塞杆直径d的确定的计算
液压缸内径D以及活塞杆直径d的确定：
已知:
F=8KN,
=2.5Mpa。
根据表格4.4选取往复速度比
=2
查《机械设计手册》表23.6—33、23.6—34得：
D=63mm，d=45mm。
2）液压缸行程s
液压缸行程s，主要根据机构的运动要求而定，查《机械设计手册》表23.6-35取标准行程系列100mm。
3.3液压缸结构参数的计算
液压缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、缸体外径尺寸、缸盖厚度、缸体长度等。
1）液压缸壁厚的计算
液压缸的壁厚常常根据其的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。
本设计按照薄壁圆筒设计，其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：
（3.1）
--试验压力，一般取最大工作压力的（1.25-1.5）倍的P。
=
Mpa。
[
]--缸筒材料的许用应力=100～110
（无缝钢管），取[
]=100
--液压缸壁厚（m）；
D--液压缸内径（m）；
从公式可以算得，结果显示液压缸的壁厚厚度较低，从而导致整个缸体刚度不足，在生产加工过程中容易引起弯曲或在安装中会引起力的变形因此导致无法正常工作，降低工作效率和精度。
所以用经验法选取壁厚：
δ=16mm
2）缸体缸体外径的计算
缸体外径
，查机械手册表：
外径
取95mm
3）缸底厚度的确定
一般液压缸多为平底缸，其有效厚度常常按照具体的强度要求通过下列方法和下列式子进行计算：
无孔时：
有孔时：
式中：
—缸盖止口内径（mm）
t—缸盖有效厚度（mm）
d—缸盖孔直径
t≥4.74mm
本设计中，缸底选用无孔与缸体连接式，因此厚度确定为16mm。
4）最小导向长度的确定
当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为H，称为最小导向长度。
当导向长度低于正常值时，会使液压缸刚度降低，从而导致液压缸工作不平缓。
因而在设计液压缸的结构时要保证其最小的导向长度。
对一般的液压缸，最小导向长度H应满足：
式中：
L—液压缸的最大行程（mm）
D—液压缸内径（mm）
取H=40mm
5）活塞宽度B的确定
活塞的宽度B一般取
即
取B=60mm
6）缸盖厚度计算
液压缸缸盖由于有法兰连接，并且需要进行连接强度的校核，因此与液压缸盖缸底厚度的计算稍有区别。
螺钉连接法兰式缸头：
（3.2）
式中h—缸盖厚度（m）；
图3.1最小导向长度
F—缸盖受力总和（N）；
d—密封环内径（m）；
--密封环外径（m）；
P—系统工作压力（Pa）；
q—附加密封力（Pa）；若采用金属材料密封时，q取其屈服点；
--螺钉孔分布圆直径（m）；
--密封环平均直径；
--法兰材料的许用应力（Pa）。
缸盖处的密封圈选择橡胶防尘密封圈A型，内径45mm，螺钉分布直径70mm，带入数据后，选择确定缸盖厚度为60mm。
7）缸体长度的确定
根据机械设计手册中“液压缸缸体内长度应等于活塞的最大行程、活塞宽度、活塞杆导向长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定的和”。
规定，缸体外部尺寸要加上缸盖和缸底的厚度及其活塞工作行程，和缓冲装置部分以及最小导向长度。
因此一般液压缸缸体的长度要小于缸体内径的二十到三十倍。
即：
缸体内部长度100+60=160mm，活塞杆导向长度40mm。
缸体长度
即取缸体长度为266mm
8）液压缸进、出油口尺寸的确定
根据机械设计手册“液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度v和油口最高液流速
确定。
”
（3.3）
式中
--液压缸油口直径（m）；
D—液压缸内径（m）；
v—液压缸最大输出速度（m/min）；
--油口液流速度（m/s）。
根据计算带入数据得：
=17.43mm
液压缸的进、出油口可以设计在端盖、缸底或缸筒上，进、出油口处的流速不大于6m/s，根据《机械设计手册第四卷》可查得，油口的连接形式选用螺纹连接。
液压缸进出油口尺寸根据标准查询可以确定为M18×1.5，螺纹连接，分别设在缸盖和缸体上。
油口尺寸如图所示：
图3.2油口尺寸
油口选择标准如下表：
表3.1油口选择标准
D
E
M5×0.8
8
1.6
8
9.5
1
6.35
14
M8×1
10
1.6
11
11.5
1
9.1
17
M10×1
10
1.6
13
11.5
1
11.1
20
M12×1.5
11.5
2.4
16
14
1.5
13.8
22
M14×1.5
11.5
2.4
18
14
1.5
15.8
25
M16×1.5
13
2.4
20
15.5
1.5
17.8
27
M18×1.5
14.5
2.4
22
16.5
2
19.8
29
M20×1.5
14.5
2.4
24
17.5
2
21.8
32
M22×1.5
15.5
2.4
26
18
2
23.8
34
M27×2
19
3.1
32
22
2
29.4
40
M33×2
19
3.1
38
22
2.5
35.4
46
M42×2
19.5
3.1
47
22.5
2.5
44.4
56
M50×2
21.5
3.1
55
24.5
2.5
52.4
66
3.4液压缸结构设计
3.4.1缸体组件
缸体组件通常由缸筒、缸底、缸盖、导向环和支撑组成。
缸体组件与活塞组件构成密封容腔，承受压力。
图3.3法兰连接
液压缸缸体常用材料为20、35、45号无缝钢管。
因20号缸的力学性能略低，且不能调质，力学性能低不仅影响受力，还会影响整个缸体的传动效果，因此一般不选。
当缸体与缸盖、耳座等结构需要焊接时，可以采用35缸，因为35缸材料的焊接性能好，它在粗加工之后可以调质。
我们在选择材料时一般选用45缸，它的力学性能和强度可以满足普遍要求。
液压缸缸体材料为45号无缝钢管。
缸体毛坯可选用铸铁件，缸盖与缸筒采用法兰式连接后可以形成密封容腔，可以承受较高压强。
因此在设计时既要考虑材料的刚度强度屈服极限受力情况，又要选择较为适当的工艺。
本设计中，由于缸盖较厚，可以用来充当导向套，因此不另设导向套。
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,产生磨损,从而达到降低摩擦,减少磨损,延长寿命,起到导向和支承侧向力的作用.
导向环的特点:
1）避免了金属之间的接触；
2）具有较高的径向载荷承受能力；
3）能补偿边界力；
4）具有很高的耐磨性，使用时间较长；
5）摩擦力小；
6）能抑制机械振动；
7）可以避免受外界尘土进入，抑制漏油，外物不易嵌入；;
8）可以保护密封装置，使其不易变形；
9）导向时可以不用考虑是否有无润滑液，对油液运动及力的传递没有干扰；
10）小巧方便，便于拆卸，经济费用低。
导向环的作用：
本设计中的导向环置于缸盖与法兰盘接触处的内环形沟槽处，用来给活塞杆定位，以保证在涌动过程中的轴向同轴度，并且可以用来减轻活塞杆对法兰盘的径向压力，使整个系统的传动更加平稳，提高传动精度增加使用寿命，从而达到导向的目的。
活塞杆处有多种形式的密封圈。
但是即使有密封圈密封，在密封圈和活塞杆的接口处还是会沾有油渍吸附的灰尘，为了起到清洁作用，同时保障液压油液的清洁度，减少密封圈因摩擦而导致的磨损，常在端盖和法兰连接处安装防尘圈。
本设计中为了提高防尘效果和传动精度，采用粘圈防尘。
缸体的技术要求：
图3.4缸体的技术要求
1）缸体内径采用H8、H9配合。
2）表面粗糙度对于特殊部分，比如有密封圈处：
为0.4μm。
3）缸体内径D的圆度公差值可按选9级精度，圆柱度公差值应按8级选取
4）缸体端盖处端面的垂直度公差等级可选8级精度。
5）缸体材质是45钢，在经过热加工处理后，表面硬度和强度都有所提高，但是化学性能还是没有得到显著改变，因此，为了提高其防腐蚀和耐磨性，常在缸体表面镀其他金属元素，比如铬等，厚度大约为三十到四十微米，镀铬之后会进行其他表面处理，抛光或电冷却。
缸盖选用45号锻钢。
在本设计中，缸盖厚度较高，因此它同时可以担当活塞杆的导向套的作用，根据材料和性能选用铸铁。
同时，应在导向表面上堆熔黄铜、青铜或其他耐磨材料。
缸盖的技术要求：
1）直径d，其基本尺寸同缸筒内径尺寸相同，
（活塞杆的缓冲孔）、
（基本尺寸同活塞封圈外径）的圆柱度公差值，公差为8级。
2）
、
与d的同轴度公差值为0.01mm。
3）两个端面与轴中心线的垂直度公差应该选取7级精度。
4）导向孔内表面应该选取的粗糙度值为
3.2。
图3.5缸盖的技术要求
3.4.2活塞组件
活塞组件主要是由活塞、活塞杆和连接件等组成，活塞可以是和活塞杆联接成一体的形式，也可以是单独分离，与活塞杆通过卡键或者螺纹连接的形式组装在一起，这样是为了便于加工和拆卸。
随着缸的工作压力、工作环境、制造要求、安装方式和工作条件的不同，活塞组件可以选择多种不同的安装结构形式。
1）活塞和活塞杆等组件的连接形式
活塞与活塞杆的连接形式有很多，除螺纹式和半环式连接结构外还有整体式和焊接式以及锥销式等无论何种连接方式，都必须保证连接可靠。
整体式连接和焊接式连接都具有结构简单，验算方便，易于定位，但损坏后拆卸不便。
锥销式连接结构简单，拆卸方便，但一般需有螺母放松装置。
半环式连接强度高，但是结构复杂，装拆不便，一般用螺纹连接。
在本设计中活塞与活塞杆的连接形式选择螺纹式，因为这种连接方式其结构简单，拆卸方便，磨损后利于更换，一般设有弹簧垫圈、摩擦、机械等防松装置。
图3.6螺纹式连接
2）活塞与活塞杆
活塞由于要受压力作用在缸筒内作往复运动，因此对它的耐磨度和强度、韧性都具有较高的要求。
活塞材料一般选择铸铁或。
活塞杆的运动强度较高，对其材料的强度和硬度、韧性，因此必须进行较高的工艺加工和化学处理，即在表面镀一些金属材料，起到防锈、耐磨的作用。
如下图所示，活塞采用整体式结构。
图3.7活塞的技术要求
活塞的技术要求：
1）活塞外径对内孔的径向跳动公差值选取7级公差。
2）端面对内孔轴线的垂直度公差值选取7级公差。
3）活塞外径的圆柱度公差等级值选取8级公差值
活塞杆是整个缸体结构中比较重要的结构部件，它主要用来传递活塞杆和活塞和缸体的力，因此对其强度和刚度具有较高的要求。
活塞杆在缸盖、缸体内往复运动，其外圆表面应当耐磨并具有防锈性能，因此，同活塞及缸体一样，外表面应该进行相应的化学处理、工艺处理，因此，在活塞杆外圆表面应镀铬。
本设计中活塞杆材料选用45钢。
图3.8活塞杆
活塞杆头部由于要直接与工作机械比如耳座等连接，根据推力的要求选用外螺纹连接。
活塞杆的技术要求：
活塞杆所需进行的热处理，粗加工后需进行调制后再经高频淬火，以便与提高强度和硬度。
活塞杆轴颈处用来与活塞配合的部分选取的的公差值为7级，活塞杆的圆柱度公差值选9级，活塞杆上的螺纹由于要与外部机械连接，要保证可靠度，因此其精度等级选择6级进行加工，活塞杆上主要工作部分，受力表面和配合表面粗糙度值为
0.32。
活塞杆的密封主要用来防止外部灰尘杂质的进入和内部油液的渗出，因此选用O型密封圈来达到此目的。
3）活塞的密封形式
O型密封圈有许多优点，其中最大的优点是小巧轻便、结构简单、便于安装、可替代性强、密封效果好、摩擦阻力小，但对于缸筒内壁的粗糙度要求较高。
L型皮碗密封优点是密封效果好，不易损坏，可靠、耐磨、需通过与压环配合，摩擦力相对于O型密封圈来说比较大，一般用于直径大于150mm的气缸。
Y型密封圈性能、弹性和强度都比较好。
唇部富有弹性，局部磨损后具有自我恢复能力，当工作条件不稳定时，需要和支撑环配合，提高密封效果和缸体压力稳定性能。
小Y密封圈密封出除具有Y型密封圈的优点之外，最大的区别在于它的两个唇状不等高，选用此类密封圈密封时可以进行间隙安装，因此不需要和支撑环配合，相比于Y型结构简单，在活塞运动过程中不会产生变形和翻滚，可靠性强。
4）活塞杆伸出端端盖结构
液压缸常用的活塞杆伸出端端盖结构主要由密封圈、防尘圈、导向套、压环、螺纹连接、卡键等组成。
5）活塞杆头部的连接形式
活塞杆头部采用外螺纹连接，这种连接方式通用性强。
图3.9外螺纹式
3.4.3缓冲装置
当缸筒外部载荷过大质量较高从而引起缸体运动速度过高、惯性过大时，由于缸体本身和机械死角，容易与缸底产生碰撞和冲击，造成机械能的损失和缸体运动失衡，所以需要在缸的行程终端设置缓冲装置，以保护液压系统的稳定性工作和缸体和组件的性能和结构。
缓冲所应用的知识是当活塞杆带动活塞完成工作行程走向缸体终端的时候，利用缓冲装置在出口腔内产生足够的缓冲压力，增大液压油液的出口阻力，从而降低活塞的运动速度，避免与缸底的碰撞。
由于在本设计中，液压缸质量较大，在高速运载下容易产生由于惯性而造成的撞击情况，所以常常在行程终端设置缓冲装置，用来避免应碰撞造成的冲击和噪声，以及对液压缸产生的不稳定和冲击。
本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用可调型恒节流面积缓冲装置。
3.4.4排气装置
液压传动系统在执行运动的过程中往往会混入气体，造成液压油液的纯度不足、缸内压力的不稳定，从而造成液压缸系统工作失常，产生振动、爬行、前冲等现象，甚至会造成整个液压系统工作效果出现明显偏差，精度降低，因此需要在液压缸内安装排气塞等排气装置，减少或避免空气的积压。
有的液压缸对缸体本身的密封性要求不高，因此有些气体会及时通过其他渠道排出，从而不需要做专门的排气设计，同时，将进出油口布置在油缸的缸筒最高处，也能使空气随着液压油液排出，排到邮箱后再从邮箱端口溢出。
为使液压缸运动过程稳定可靠，液压缸在最初安装未使用前应该进行某些处理，比如加热或蒸汽燃烧，将油缸内的气体全部排出，或者在缸体上安装排气塞达到此种效果。
另外，由于系统在安装或停止工作后压力的瞬间变化常会渗入空气，在再次使用前必须将空气排尽，因此，需安装排气塞等排气装置，以防止爬行、前冲现象的产生而造成的缸体运动失衡的现象。
3.4.5防尘塞
防尘圈的选择原则：
1）不磨损活塞杆；
2）不产生爬行；
3）不粘着滞涩；
4）不对所作用的伺服液压缸增加摩
升级会员 