基于CAD的液压缸设计正文.docx

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基于CAD的液压缸设计正文

学号：

0710111104

毕业论文（设计）

课题：

《基于CAD的液压缸设计》

学生姓名：

许德胜

系别：

机械工程系

专业班级：

2007级机自

（2）班

指导教师：

殷建

二零一一年四月

插图清单

（导向套）

（缸底）

（缸筒）

（活塞）

（活塞杆）

（螺纹环）

（油口）

（装配图）

绪论

1、液压传动的早期运用

1795年英国约瑟夫·布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。

1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。

第一次世界大战（1914-1918）后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。

液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段。

1925年维克斯（F.Vikers）发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。

20世纪初康斯坦丁·尼斯克（G·Constantimsco）对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。

第二次世界大战（1941-1945）期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。

应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。

在1955年前后，日本迅速发展液压传动，1956年成立了“液压工业会”。

近20~30年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。

2、液压传动的应用范围基本原理

　　液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。

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。

3、液压传动系统的组成

　　液压系统主要由：

动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。

动力元件（油泵）它的作用是利用液体把原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。

执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。

其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。

控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。

它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件各种管接头（扩口式、焊接式、卡套式）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分重要。

4、工作介质

　　工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。

5、液压传动的优缺点

优点：

（1）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％～20%。

因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；

（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无级调速，且调速范围最大可达1：

2000（一般为1：

100）。

（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高；（7）容易实现过载保护。

（8）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。

缺点：

（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；

（2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；（4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。

因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作温度在-15℃~60℃范围内较合适。

　　（5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。

（6）由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比。

液压元件分类

　　动力元件-齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵......执行元件-液压缸：

活塞液压缸、柱塞液压缸、摆动液压缸、组合液压缸、液压马达-齿轮式液压马达、叶片液压马达、柱塞液压马达控制元件-方向控制阀：

单向阀、换向阀、压力控制阀-溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等、流量控制阀-节流阀、调速阀、分流阀、辅助元件-蓄能器、过滤器、冷却器、加热器、油管、管接头、油箱、压力计、流量计、密封装置等

现代液压技术与微电子技术、计算机技术、传感技术的紧密结合已经形成并发展成为一种包括传动、控制、检测在内的自动化技术。

当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善发展比例控制和伺服控制、开发数字控制技术上也有许多新成果。

同时，液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）和测试（CAT）、微机控制、机电一体化、液电一体化、可靠性、污染控制、能耗控制、小型微型化等方面也是液压技术发展和研究的方向。

继续扩大应用服务领域，采用更先进的设计和制造技术，将使液压技术发展成为内涵更加丰富完整的综合自动化技术。

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。

第一章液压传动系统的执行元件

1.1液压缸的类型及结构形式

液压缸有多种类型。

按作用方式可分为单作用式和双作用式两种；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、组合式和摆动式四大类。

其中，单作用液压缸分为：

单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。

但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。

组合液压缸包括：

弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。

摆动液压缸又分为：

单叶片式和双叶片式两种。

下面以一种典型液压缸为例，说明液压缸的基本组成。

图1-1（DG型液压缸内部结构图）

空心活塞式液压缸如上图所示。

它由缸筒10，活塞8，活塞杆1、15，缸盖18、24，密封圈4、7、17，导向套6、19，压板11、20等主要零件组成。

这种液压缸活塞杆固定，缸筒带动工作台作往复运动。

活塞用锥销9、22与空心活塞杆连接，并用堵头2堵死活塞杆的一头。

缸筒两端外圆上套有钢丝环12、21，用于阻止压板11、20向外移动，从而通过螺栓将缸盖18、24与压板相连（图中没有画出），并把缸盖压紧在缸筒的两端。

为了减少泄漏，在液压缸中可能发生泄漏的结合面安放了密封圈和纸垫。

空心活塞杆和其上的油口a、c提供了液压缸的进、出油口。

当缸筒移动到左、右终端时，油口a、c的开度逐渐减小，造成回油阻力逐渐增大，对运动部件起到制动缓冲作用。

在缸盖上设有与排气阀（图中没有画出）相连的排气孔5、14，可以排出液压缸中的空气，使运动更加平稳。

表1-1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=q/A3

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=q/A3

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=q/A3

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=q/A3

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=q/A3

U2=q/A2

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=q/A3

U2=q/A2

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）b/8

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）b/4

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

1.2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1-2（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1-2（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1-2（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