燕山大学液压与气压传动三级项目说明书.docx

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燕山大学液压与气压传动三级项目说明书

液压与气压传动三级项目

———单杆活塞式液压缸结构设计

组长：

成员：

指导老师：

郭锐

目录

摘要﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒1

前言﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒1

设计题目﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒2

液压缸的选型﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒2

液压缸主要参数的计算

液压缸的主要性能参数﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒2

缸筒内径计算﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒2

活塞杆直径的计算﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒3

缸璧壁厚的计算﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒3

导向长度的确定﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4

活塞长度的确定﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4

主要部件的设计与校核

缸筒的设计﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4

活塞组件的设计﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒5

活塞杆杆体的选择﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒6

液压缸稳定性校核﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒6

活塞杆的缓冲装置﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒7

活塞杆的导向、防尘、排气和安装﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒7

心得体会﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒8

参考文献﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒8

摘要

液压缸是液压传动系统的执行元件之一，它是将有也得压力能转换为机械能、

实现往复直线运动或摆动的能量转换装置，也是液压系统中应用最多的执行元

件。

设计液压缸需要对其缸筒，活塞杆等主要结构进行选择和计算，并且对其强度、刚度进行验算。

最后给出所设计单杆活塞式液压缸的设计图。

关键词：

液压缸设计，能量转换，缸筒，活塞杆

前言

液压缸设计是整个液压系统设计的重要组成部分，它的任务是根据液压缸的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，再经过必要的计算来确定液压缸的参数，然后按照这些参数来对液压缸进行结构设计，从而设计出结构简单、工

作可靠、效率高、经济性好、使用维修方便的液压缸。

本次液压缸设计步骤大体如下：

1．液压缸的工况分析

在开始设计液压缸时，首先要其工作情况进行详细的分析，一般要考虑下面

几个问题。

1）确定该系统中哪些运动需要液压缸来完成。

2）确定液压系统的主要工作参数。

3）确定所承受的负载及其变化范围。

2．计算液压缸主要部件的设计尺寸

1）确定缸筒内径计算2）活塞杆直径的计算3）缸璧壁厚的计算

4）导向长度的确定5）活塞长度的确定

3．结构设计及绘制零部件工作图

4．编写液压设计说明书

5.制作汇报ppt

项目分工：

一.设计题目

单杆活塞式液压缸设计

主要设计参数：

系统额定工作压力：

p=10（Mpa）驱动的外负载：

F=20（KN）

液压缸的往复速度比：

=1.33液压缸最大行程：

L=160（mm）

液压缸最大伸出速度：

v=4（m/min）液压缸最大退回速度：

vt=5.32（m/min）

缸盖连接方式：

螺纹连接

液压缸安装方式：

底座安装

缓冲型式：

圆柱形环隙式缓冲

二.液压缸的选型

液压缸是液压传动系统的执行元件之一，它将油液的压力能转换为机械能，实现往复直线运动或摆动，输出力或扭矩的执行元件。

按本课题设计要求，选取主要用于各种工程机械、起重机械及矿山机械等的液压系统的双作用单杆活塞缸液压缸。

三.主液压缸主要参数的计算

1、液压缸主要性能参数

额定压力：

根据设计要求，其额定压力为10MPa，即P=10MPa。

最高允许压力Pmax：

也是动态实验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。

Pmax≤1.5P=15MPa

活塞行程：

根据设计要求，其行程为160mm.

液压缸最大退回速度

（m/min）

2、主液压缸缸筒内径计算

根据液压缸的供油压力和负载，缸筒内径D可按下列公式初步计算：

（无杆腔进油且取回油背压P2=0）

式中：

F为液压缸实际使用推力，单位为N

P为液压缸的供油压力P1，一般为系统压力。

根据题目要求，取F为20kN，P为10Mpa并代入公式

则

又依据手册（GB2348-80）对其进行圆整，取D=50mm。

3、活塞杆直径的计算

故取活塞杆直径d为25mm。

4、缸壁壁厚的计算

先暂取

/D=0.08--0.3,即

则可按下列公式计算

式中：

D为缸筒内径（m）

为缸筒的最高允许压力（Pa）

为缸筒材料的许用应力（Pa）

由于采用无缝钢管做缸筒（见结构设计部分），查手册有

=100--110MPa,取

=110MPa，代入上面公式

则

由结果可知不在所假设的范围内。

再假设

，即

则可按下列公式计算

带入具体数值可得：

由结果可知在所假设的范围内，故可取整为4mm

因此，最终确定缸壁壁厚为4mm。

5、导向长度的确定

当活塞杆全部外伸时，如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的导向长度，可以安装导向套来实现这一目的。

对一般的液压缸，导向套长度L1应满足以下要求

L1=（0.6~1.5）d

式中d为液压杆的直径。

故确定液压缸的导向长度L1=0.8d=20mm

6、活塞长度的确定

当活塞杆直线往复运动的时候，活塞与液压缸内侧相摩擦，且有一定的间隙，因此会导致漏油的现象，因此需要安装密封装置；此外，活塞两侧分别承受高压油和低压油的压力，因此要具有一定的厚度，一般综合考虑各种因素，按下面公式确定活塞长度L2：

L2=（0.6~1.0）D=0.8D=40mm

四、主要零部件设计与校核

1、缸筒的设计

缸筒的结构与端盖的连接形式、液压缸的用途、工作压力、使用环境以及安装要求等因素有关。

端盖分为前端盖和后端盖。

前端盖将液压缸的活塞杠（柱塞）腔封闭，并起这位活塞杆导向、防尘和密封的作用。

后端盖将缸筒内腔一端封闭，并常常起着将液压缸与其他机构件连接的作用。

缸筒与端盖的连接选用内螺纹形式，该形式体积小，重量轻，结构紧凑。

缸筒材料

缸筒的材料，一般要求有足够的强度和冲击韧性。

目前，普遍采用的缸筒的材料是热轧或冷拔无缝钢管。

由于缸壁较薄，钢筒直径较小，故采用冷拔无缝钢管，采用通用材料为45钢。

查表可以得到：

缸筒材料的屈服强度

=484MP；

缸筒材料的抗拉强度

=610MP；

现在利用屈服强度来引申出：

选取安全系数n=3.6，则缸筒材料的许用应力[

]=

/n=484/4=121MPa。

缸筒壁厚验算

液压缸的额定压力

式中：

D1为缸筒外径且：

D1=D+2δ（mm）

D为缸筒内径（mm）

D为50mm，D1为58mm，将数值代入公式可得

而题目所给

，符合要求。

2、活塞组件的设计

A、活塞的材料

由于缸径较小，故选用45钢。

B活塞与活塞杆的连接形式

活塞与活塞杆最常用的有螺纹连接和半环连接形式，除此之外还有整体式结构，焊接式结构和锥销式结构等。

螺纹式连接结构简单，装拆方便，但一般需备螺母防松装置；半环式连接连接强度高，但结构复杂，装拆不便，半环式连接多用于高压和振动较大的场合，整体式连接和焊接式连接结构简单，轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换，对活塞或活塞杆比值较小，行程较短或尺寸不大的液压缸，其活塞和活塞杆可采用整体式或焊接式结构，锥销式连接加工容易，装配简单，但承载能力小，且需要有必要的防止脱落措施，在轻载情况下可采用锥销式连接。

螺纹连接示意图

C活塞组件的密封

活塞装置主要用来防止液压油的泄露，良好的密封是液压缸传递动力、正常动作的保证，根据两个需要密封的耦合面间有无相对运动，可以把密封分为动密封和静密封两大类。

设计或选用密封装置的基本要求是具有良好的密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性，除此之外，摩擦阻力要小，耐油，抗腐蚀，耐磨，寿命长，制造简单，装拆方便。

间隙密封：

间隙密封是一种常用的密封方法，它依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄露，由环形缝隙轴向流动理论可知，泄漏量与轴向的三次方成正比，因此可用减小间隙的方法来减小泄露。

一般间隙为0.01到0.05毫米，这就要求配合面有很高的加工精度。

在活塞的外圆表面一般开几道宽0.3~0.5mm、深0.5~1mm、间距2~5mm的环形沟槽，称平衡槽，其作用如下：

使活塞具有自位功能，由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作压力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡力，称为液压卡紧力，它使摩擦力增大，开平衡槽后，使得径向油压力趋于平衡，使活塞能够自动对中，减小了摩擦力，由于同心环缝的泄露要比偏心环缝小得多，活塞的对中减少了油液的泄漏量，提高了密封性能，自润滑作用，油液储存在平衡槽内，使活塞能自动润滑。

间隙密封的特点是结构简单，摩擦力小，耐用，但对零件的加工精度要求较高，且难以完全消除泄露。

故只适用于低压，小直径的快速液压缸。

活塞的长度一般由密封件、导向环的安装沟槽尺寸来决定，综合考虑以上诸多因素，依据结构要求与密封件的结构，取活塞长度L2为40mm

3、活塞杆杆体的选择

活塞杆的杆体分为实心杆和空心杆。

空心杆多用于d/D比值较大或杆体内有位置传感器等场合。

而实心杆加工简单，采用较多，故选用实心杆。

活塞杆的外端是液压缸用以与负载连接的部位，可根据液压缸的安装连接形式有多种结构形式。

本课题为方便连接，活塞杆外端采用外螺纹（带肩）形式。

其外螺纹根据国家标准GB2350-80可选取M20

1.5。

活塞杆材料因为没有特殊要求，所以选用45号钢作为活塞杆的材料，本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但进行淬火处理是必要的，淬火深度可以在0.5—1mm左右。

安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。

安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。

活塞杆外圆粗糙度

选择为0.3

。

因为是运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。

4、液压缸稳定性校核

假设液压缸只承受轴向载荷，则它所承受的力F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，破坏液压缸正常工作。

的值与活塞杆的材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。

校核公式为：

（式中

为安全系数，取3）

查相关手册别结合以设计数据，取

=

则

所以液压缸的稳定性满足要求。

5、活塞杆的缓冲装置

当液压缸拖动负载的质量较大、速度较高时，一般应在液压缸中设置缓冲装置，必要时还需要在液压传动系统中设置缓冲回路，以免在行程终端发生较大的机械碰撞，导致液压缸损坏。

缓冲的原理是当活塞或缸筒接近行程终端时，在排油腔内增大回油阻力，从而降低液压缸的运动速度，避免活塞与缸盖相撞，液压缸中常用的缓冲装置为圆柱形环隙式缓冲装置，如图所示，当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，缸盖和缓冲活塞间形成缓冲油腔，被封闭油液只能从环形间隙

中排出，产生缓冲压力，从而实现缓冲减速。

这种缓冲装置在缓冲过程中，由于其节流面积不变，故缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，但很快就降低了，缓冲效果不是很好，但是它结构简单，制造成本低，又由于本设计负载不是很大，因此选用圆柱形环隙式缓冲装置。

圆柱形环隙式缓冲装置

6、活塞杆的导向、防尘、排气和安装

a、导向环

在液压缸的前端盖内，有对活塞杆导向的内孔,在这对内孔中装导向环。

本设计选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损后导向环易于更换。

b、防尘

使用DH防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。

c、排气装置

液压传动系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、爬行或前冲等显现，严重时会使系统不能工作。

本项目液压缸为双作用，故需要两个排气孔，分别设置在缸的两端。

均取M8的排气阀，具体尺寸见装配图。

d、液压缸的安装

由设计要求有安装方式为底座安装，查相关手册，选具体安装方式为底面脚架安装，安装图形如下。

五、心得体会

本学期我们小组独立完成了单杆活塞缸液压缸的设计，通过本次设计的锻炼，使我从中受益匪浅。

了解到作为一名合格的设计人员实属不易。

不仅需要具备较为全面的专业素质，还要具备吃苦耐劳，敢于创新等优秀品质。

在本次设计的过程中，我得到了很大提升。

在设计能力上有了很大提高。

借助老师和图书馆的帮助，我的设计比较顺利的完成，由于缺乏经验，设计并不是很完善。

在设计过程中也反映出很多问题，首先是设计经验十分不足，对于实际液压零件的要求和性能不甚了解，对于设计人员遵循的设计流程也不熟悉。

另外本次设计的图纸绘制主要基于CAXA，在此过程中也多次遇到技术难题，使用制图软件不够熟练，日后我一定会好好学习，加强个人能力的培养。

本次课程设计为我提供了一次难得的机会，是一次对自己本学期所学知识的汇总。

本着认真、科学、严谨和提升自我的态度，在老师的细心指导下完成了设计任务。

相信在本次设计中所积累的经验和成果会在以后的工作中派上用场。

参考文献

1、陈奎生，《液压与气压传动传动》，武汉理工大学出版社，2001.8

2、成大先.机械设计手册（单行本.液压传动）.北京：

化学工业出版社

3、宋学义.袖珍液压气动手册.北京：

机械工业出版社，1995

4、雷天觉.新编液压工程手册.北京：

北京理工大学出版社，

5、成大先.机械设计手册（第三版）.北京:

化学工业出版社.1997

6、机械设计手册[M].化学工业出版社.1982.