液压缸的设计毕业论文设计.docx
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液压缸的设计毕业论文设计
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）
毕
业
设
计
液压缸的设计
姓名：
_______________
学号：
_______________
专业：
_______________
班级：
_______________
指导老师：
_______________
2013年11月28日
摘要
将液压缸提供的液压能重新转换成机械能的装置称为执行元件。
执行元件是直接做功者，从能量转换的观点看，它与液压泵的作用是相反的。
根据能量转换的形式，执行元件可分为两类三种：
液压马达、液压缸、和摆动液压马达，后者也可称摆动液压缸。
液压马达是作连续旋转运动并输出转矩的液压执行元件；而液压缸是作往复直线运动并输出力的液压执行元件。
此说明书是针对液压缸的工作环境和工作要求来确定液压缸的工作压力和承载能力，来确定其缸筒内径、壁厚和活塞杆的直径。
再根据液压缸的零部件的工作要求确定零件的工艺，根据零件的精度要求确定零件的加工方法，并生成工艺卡片，完成零件的加工。
关键字：
液压缸、机械能、转矩、执行元件
Abstract
Hydrauliccylinderwillbeabletoprovidethedevicecalledactuators.Workisadirectimplementationofcomponents,fromthepointofviewofenergyconversion;itistheroleoftheintheformofimplementationofthethreecomponentscanbedividedintotwocategories:
andtheoutputoftheofcomponents
摘要……………………………………………………………………………………I
第1章绪论…………………………………………………………………………1
第2章液压传动系统的执行元件——液压缸……………………………………2
2.1液压缸的类型及特点……………………………………………………2
2.2液压缸的组成……………………………………………………………3
第3章液压缸的设计………………………………………………………………6
3.1简介……………………………………………………………………………6
3.2液压缸的设计…………………………………………………………………10
3.２.1缸筒壁厚的校核…………………………………………………………7
3.２.3缸盖固定螺栓的设计…………………………………………………10
3.2.4导向套的设计与计算……………………………………………………13
3.2.5活塞的设计……………………………………………………………13
3.2.6缸底端盖设计………………………………………………………14
3.2.7缸筒的设计……………………………………………………………15
3.2.8密封装置……………………………………………………………22
3.2.9缓冲装置……………………………………………………………23
3.2.10排气装置……………………………………………………………23
总结………………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………25
第1章绪论
目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技术装备上，例如机械制造、工程、建筑、矿山、冶金、船舶等机械，上至航空、航天工业，下至地矿、海洋开发工程，几乎无处不见液压技术的踪迹。
液压技术的应用领域大致上可以归纳为以下几个主要方面：
（1）各种举升、搬运作业。
尤其在行走机械和较大驱动功率的场合，液压传动已经成为一种主要方式。
如起重机、起锚机等。
（2）各种需要作用力大的推、挤、挖掘等作业装置。
例如，各种液压机、塑料注射成型机等。
（3）高响应、高精度的控制。
飞机和导弹的姿态控制等装置。
（4）多种工作程序组合的自动操作与控制。
如组合机床、机械加工自动线。
（5）特殊工作场合。
例如地下水下、防爆等。
液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。
液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。
如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。
液压传动是研究以有压流体（液体）为传动介质来实现各种机械的传动控制的学科。
液压传动是根据流体力学的基本原理，利用流体的压力能进行能量的传递和控制各种机械零部件运动。
液压传动的基本原理：
液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件（液压缸或马达）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。
其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。
在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理。
第2章液压传动系统的执行元件
——液压缸
2.1液压缸的类型及特点
根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型：
活塞式
单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。
如图所示是一种单活塞液压缸。
其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。
柱塞式
（1）柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重;
（2）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸;
（3）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度;
（4）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。
活塞仅能单向运动，其反方向运动需由外力来完成。
但其行程一般较活塞式液压缸大。
伸缩式
伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。
伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。
此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。
有对歌一次运动的活塞，各活塞逐次运动时，其输出速度和输出力均是变化的。
摆动式
摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。
有单叶片和双叶片两种形式。
定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。
根据进油方向，叶片将带动转子作往复摆动。
其典型结构
表2-1液压缸的类型和特点
类型
速度
作用力
特点
单
作
用
液
压
缸
双活塞杆液压缸
U=qA3
F=p1A1
活塞的两侧都装有活塞杆，只能向活塞一侧供给压力油，由外力使活塞反向运动
单活塞杆液压缸
U=qA3
F1=p1A1
活塞仅单向运动，返回行程利用自重或负荷将活塞推回
柱塞式液压缸
U=qA3
F1=p1A1
柱塞仅单向运动，由外力使柱塞反向运动
差动液压缸
U3=qA3
F3=p1A1
可使速度加快，但作用力相应减小
伸缩液压缸
---
---
以短缸获得长行程；缸由大到小逐节推出，靠外力由小到大逐节缩回
双
作用液压缸
双活塞杆液压缸
U1=qA3
U2=qA2
F1=（p1-p2）A1
F2=（p2-p1）A2
双边有杆，双向液压驱动，双向推力和速度均相等
单活塞杆液压缸
U1=qA3
U2=qA2
F1=（p1-p2）A1
F2=（p2-p1）A2
单边有杆，双向液压驱动，u1〈VU2，F1〉F2
伸缩液压缸
---
---
双向液压驱动，由大到小逐节推出，由小到大逐节缩回
组
合
液
压
缸
弹簧复位液压缸
---
---
单向由液压驱动，回程弹簧复位
串联液压缸
U1=q（A1+A2）
U2=q2A2
F1=p1（A1-A2）-2qA2
F1=2p2A2-A2-q1（A1+A2）
用于缸的直径受限制，而长度不受限制处，可获得在的推力
增压缸
---
---
由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压油送入A腔，B腔输出高压油
齿条液压缸
---
---
活塞的移动通过传动机构变成齿轮的往复回转运动
摆动液压缸
单叶片液压缸
W
=8q（b（D2-d2）
T=p（D^2-d^2）b8
把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角<300度
双叶片液压缸
W
=4q（b（D2-d2）
T=p（D^2-d^2）b4
把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角<150度
注：
b—叶片宽度；D—叶片的底端、顶端直径；w—叶片轴的角速度；T--理论转矩
2.2液压缸的组成
从以上液压缸的结构形式上可知：
液压缸可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五大部分。
（1）缸体组件
缸筒组件有缸筒和缸盖组成。
缸筒和缸盖的连接形式与其工作压力有关。
当工作压力p<10MPa时,缸筒使用铸铁；工作压力p<20MPa时，缸筒使用无缝钢管；工作压力p>20MPa时，使用铸钢或锻钢。
以下是几种常见的缸筒与缸盖的联接形式：
图2-2（a）所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。
图2-2（b）所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。
图2-2（c）所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。
图2-2（d）所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。
图2-2（e）所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。
由此可见，缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。
为了能够最大限度的满足用户对产品性能的需求和产品设计的经济合理以及保证工人人身和设备安全，改善操作者工作环境，洛阳强力液压股份有限公司所生产的液压缸缸筒毛坯件选择由专业厂方提供内圆已经过衍磨和外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，能满足以下要求：
a、缸筒内径的圆度和圆柱度可选取8级。
b、缸筒端面的垂直度选取7级精度。
c、缸筒端部用螺纹连接时，螺纹应选取6级精度的细牙螺纹。
（2）活塞组件
活塞组件有活塞、活塞杆和连接件等组成，活塞与活塞杆连接形式决定于工作压力、安装形式、工作条件等。
由于活塞在缸筒内作往复运动，必须选用优质材料。
对于整体式活塞，一般采用３５号钢或４５号钢；装配式的活塞采用灰口铸铁、耐磨铸铁或铝合金等材料，有特殊要求时可在钢活塞坯外面装上青铜、黄铜和尼龙等耐磨套，以延长活塞的使用寿命。
活塞杆无论是空心的还是实心的其材料常采用３５号钢或４５号钢等材料，当冲击振动很大时，也可采用５５号钢或４０Cr钢。
图2-3所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式：
图2-3（a）所示为活塞与活塞杆之间采用螺母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。
螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。
图图2-3（b）和（c）所示为卡环式连接方式。
图2-3（b）中活塞杆5上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。
图2-3（c）中的活塞杆，使用了两个半圆环4，它们分别由两个密封圈座2套住，半圆形的活塞3安放在密封圈座的中间。
图2-3（d）所示是一种径向销式连接结构，用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。
这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。
图2-3常见的活塞组件结构形式
第3章液压缸的设计
3.1简介
液压缸是液压系统中活塞杆作往复运动的工作机构。
其结构形式均为单活塞杆双作用耳环安装式。
主要用于工程机械、运输机械、矿山机械及车辆等的液压传动。
液压缸结构如下图3-1:
图3-1液压缸结构
3.2液压缸的设计
液压缸的设计计算：
由于液压执行元件与主机结构有着直接关系，因此所需要的液压缸和在结构上千变万化。
尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要自行设计。
下面介绍液压缸的设计计算。
（一）主要尺寸的计算
液压缸的主要尺寸包括缸筒内径D、活塞杆直径d和缸筒长度L。
根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。
活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表3-1初步选取。
缸筒长度的确定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。
通常情况L≤（20~30）d。
计算结果要圆整成国家标准中的推荐值。
主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。
同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。
表3-1 液压缸工作压力与活塞杆直径
液压缸工作压力pMPa
<5
5～7
>7
推荐活塞杆直径d
（0.5～0.55）D
（0.56～0.6）D
0.65D
（二）强度校核
强度校核的项目包括缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径ds。
在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。
在高压系统中需按下列情况进行校核。
3.２.1缸筒壁厚的校核
当Dδ>10时为薄壁，δ按下式校核:
δ
3-1
式中，D-缸筒内径；
[σ]—缸筒材料的许用应力，[σ]=σbn，σb是材料的抗拉强度，一般取安全系数n=5；
py—试验压力，当缸的额定压力pn≤16Mpa时，py
=1.5pn；pn>16Mpa时，py=1.25pn。
当Dδ<10时为厚壁，δ按下式校核:
3-2
因此次设计的液压缸缸体材料球墨铸铁，所以[σ]=310MPa，Py=34MPa，δ=6.6784mm，圆整后δ=7mm
3.２.2 活塞杆的设计
（1）活塞杆直径d
3-3
式中，F—活塞杆上的作用力；
[σ]—活塞杆材料的许用应力，[σ]=σb1.4。
活塞杆根据液压缸的工作环境及其使用性能，应选用45#钢，F=120KN,[σ]=475MPa，数据代入d=78.23mm，圆整后d=80mm
（2）活塞杆长度L
根据液压缸行程，以及液压缸结构可知，活塞杆的长多为1950mm。
（3）活塞杆的结构设计
活塞杆的外端头部与负载的拖动机构相连接，为了避免活塞杆在工作中产生偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，根据工作参数，此次液压缸设计活塞杆头部应设计为阶梯轴的螺纹结构，这样可以挺高加工性能，便于安装，端部设计螺纹连接。
头部结构如图
端部连接如下图
（4）活塞杆的密封与防尘
参考正规液压缸生产厂家以及此液压缸功用，次活塞杆与活塞连接选用两个Yx轴用密封圈，两个O型密封圈。
与导向套选用一个O型密封圈密封，与端盖连接选用A型防尘圈，和一个U型密封圈！
详见液压缸总图。
（5）、活塞杆强度的计算
活塞杆端部的负载连接点与与液压缸支撑之间的距离为
，如果：
10d（显然这个是成立的）
就用下式计算活塞杆强度：
实际上式中的
n就是材料的许用应力，之前已经给出了45号钢的许用应力为：
[
]=
n=3105=62MP
最大推力F=118400N
于是根据式23.3—28得到活塞杆的直径：
d
78.23mm
可知强度符合要求。
（6）活塞杆的加工工序卡
表3-3活塞杆的加工工序卡
焦作大学机电工程学院
机械加工工艺过程卡片
零件图号
零件名称
活塞杆
共
页
第1页
材料牌号
45钢
毛坯种类
铸件
每毛坯件数
每台件数
1
备注
工
序
号
工名
序称
工序内容
设备
工艺装备
铸造
时效
涂底漆
10
车端面、打中心孔
C6140
三爪卡盘
20
粗车外圆到45.5mm
C6140
三爪卡盘、游标卡尺
30
粗精车N面及其S端面
C6140
三爪卡盘
40
粗精车M面及R端面
C6140
三爪卡盘、游标卡尺
50
割螺纹退刀槽
C6140
三爪卡盘、游标卡尺
60
车螺纹
C6140
三爪卡盘、游标卡尺、塞规
70
检验
游标卡尺、塞规
80
镀后抛光
二次检验
入库
根据液压缸的承载能力可以确定其活塞杆的直径为80mm，因为活塞杆在工作过程中和导向套之间作相对运动，其表面粗糙度很高，达到0.4，因此在精加工后还要做抛光处理。
其工序表如表3-3所示
3.２.3缸盖固定螺栓的设计
直径ds的设计
3-4
式中，F—活塞杆上的作用力；
k—螺纹拧紧系数，k=1.12~1.5；
z—固定螺栓个数；
[σ]—螺栓材料的许用应力，[σ]=σs（1.22~2.5），
σs为材料的屈服点。
[σ]—活塞杆材料的许用应力，[σ]=σb1.4。
在这次设计中，螺栓选择的材料为20#钢；[σ]=350MPaF=120KN,Z=6代入以上数据ds=25.43mm圆整后ds=26mm
长度L的设计
根据材料的剪切应力及其功用L1=110mm底端L2=18mm
连接螺栓的强度计算
连接图如下：
螺栓强度根据下式计算：
最大推力为：
F=118400N
使用6个螺栓紧固缸盖，即：
Z=6
螺纹外径和底径的选择：
=628mm
=22mm
系数选择：
考虑到载荷可能有变化，为了安全，选取：
K=3
=0.12
根据式23.3—20得到螺纹处的拉应力为：
=330MP
根据式23.3—21得到螺纹处的剪应力为：
=196.37MP
根据式23.3—22得到合成应力为：
=476.25MP
由以上运算结果知，应选择螺栓等级为12.9级：
查表的得：
抗拉强度极限
=1220MP
屈服极限强度
=1100MP
不妨取安全系数n=2
可以得到许用应力值：
[
]=
n=11002=550MP
再次使用式23.3—22得到：
[
]成立
证明选用螺栓等级合适。
3.２.4导向套的设计与计算
向套的用途就是导向和密封。
所以要看活塞杆的动作速度，工作压力和径向力。
速度快，压力中等，没有（或很小）径向力，用斯特封就可以。
低速重载，径向力中等，用组合密封。
最小导向长度\20+D\2L最大行程cmD缸筒内径。
当缸径大于80mm时取导向套导向长度（导向套滑动面长度）A=（0.6~1.0）d。
经上边的代数式计算H=28.75mm为制造方便H取30mm。
3.２.5活塞的设计
①、活塞结构的设计
活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用组合式活塞，形式如下图：
此组合式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。
②、活塞的密封
选用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：
㈠、降低摩擦阻力，无爬行现象；
㈡、具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；
㈢、安装沟槽简单，拆装简便。
这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下：
③、活塞的材料
选用高强度球墨铸铁QT600-3
④、活塞的尺寸及加工公差
选择活塞厚度为和缸筒内径形成间隙配合，因为缸体内径是80mm（这个在前面的活塞杆设计中已经给出解释），所以活塞的厚度为80mm。
根据密封圈的尺寸及其结构特点活塞宽度d=62mm。
活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件，所以要求不高，这里不加叙述。
活塞外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，断面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm100mm，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差的一半。
3.２.6缸底缸盖设计
1）缸底
缸底的材料常用35号或45号钢。
缸筒采用无缝钢管时，缸底与缸筒多采用焊接结构，它的特点是结构紧凑，加工简单，工作可靠，但容易产生焊接变形。
通常缸底上口与缸筒内孔间采用过渡配合，以限制焊接后的变形。
除焊接结构外，缸底与缸筒可采用螺纹连接、半环连接和法兰连接等多种连接方式。
要根据具体设计要求灵活选择。
此次设计采用螺纹连接！
厚度为
б1=12mm
2）端盖
缸口部分一般由密封圈、导向套、防尘圈和锁紧装置等组成，用作活塞杆的导向和密封等。
缸孔和活塞杆直径不同，缸口部分的结构也有所不同，缸盖与缸筒的典型连接结构有，外螺纹连接，它的外径小，质量轻，但结构工艺性较差；内半环连接，内卡环常由三个半环组成，其结构简单而且紧凑，拆装也较方便，但缸壁上的环槽削弱了缸筒的强度；法兰连接，特点是结构简单而且紧凑，拆装和加工容易。
缺点是外形和质量都比较大；钢丝连接，这种连接方式的结构最简单、紧凑，已逐渐被推广使用。
值得注意的是缸盖与缸筒的连接很少采用焊接结构。
缸盖材料一般用35、45号钢锻件。
当缸盖兼作导向套时，应采用铸铁并在其工作表面堆焊青铜，黄铜或其它耐磨材料，导向套也可单独制成后压入缸盖内孔。
采用螺纹连接和螺母固定连接。
Б2=18mm
3.２.7缸筒的设计
（1）缸筒材料的选择
根据其液压缸的工作环境初步确定其最大推力和拉力为30MPa，即：
工作压力P>20MPa；因此其材料必须要有一定的强度和硬度，所以缸筒材料可选用球墨铸铁；在选购缸筒原材料时,一般都是直接从钢材厂订购经过冷拔后的球墨铸铁的缸筒毛坯件。
即：
内圆已经过衍磨、外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，因此缸筒只须割槽加工。
因为缸筒外圆无精度要求，因此缸筒外圆无须精加工。
而缸筒内壁需要和活塞相配合以保证液压缸的工作性能，所以缸筒内壁精度要求很高。
①、缸筒结构的选择
连接方式如下图：
选取螺纹式连接，
其优点是结构简单，易选取、易装卸。
②、缸筒的要求
有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；
有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；
内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；
③、缸筒材料的选取及强度给定
本次设计选取球墨铸铁
从资料中可以得到：
缸筒材料的屈服强度
=310MP；
缸筒材料的抗拉强度
=550MP；
现在利用屈服强度来引申出：
缸筒材料的许用应力[
]=
n=3605=62MP。
其中n=5是选取的安全系数，来源于下表：
④、缸筒的计算
㈠、液压缸的效率
油缸的效率
由以下三种效率组成：
=0.9
=1
=0.9
所以经计算总效率为0.8。
㈡、液压缸缸径的计算
=125000N
=0.7
=0.8
P=30
本次设计中液压缸负载为推力，根据式23.3—1得到内径：
D=121.763mm
缸径可以取为125mm。
㈢、流量的计算
液压缸流量根据下式
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