螺紋式連接液壓缸結(jié)構(gòu)機械設計【含CAD圖紙】
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本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告
論文題目： HSG螺紋式連接液壓缸結(jié)構(gòu)設計
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開題時間： 20** 年 4月 23日
一．課題的背景及意義
液壓傳動元件以其功率大，安裝布置簡便，易于受控，操作方便舒適，故障率低，便于維護等優(yōu)點，非常適于結(jié)構(gòu)形態(tài)多變，工作條件惡劣的農(nóng)業(yè)機械的應用。幾十年來，液壓技術不僅在農(nóng)機，機床，工程機械，建筑機械，航天航空設備等得到越來越多的應用，而且形成了龐大的市場。全世界液壓元件市場銷售額已超過二百億美元，我國液壓行業(yè)產(chǎn)值已近80億人民幣。按其重要程度計算，在國外發(fā)達國家，農(nóng)機用液壓元件市場份額始終屬于前5名，我國農(nóng)機用液壓元件需求量在四百萬件以上，在國內(nèi)各行業(yè)中，數(shù)量最多。進入二十一世紀，液壓技術在農(nóng)機上的應用，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭。
國外發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化裝備上廣泛應用電子，液壓，新型材料等高技術，進一步提高了農(nóng)機的操縱性、舒適性、方便性和智能化水平，保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，為精確農(nóng)業(yè)提供新的裝備。
我國在“十五”期間，將以實現(xiàn)水稻、玉米生產(chǎn)全過程機械化的田間作業(yè)機械、節(jié)水裝備、農(nóng)用配套動力和關鍵部件及農(nóng)用運輸?shù)葞讉€領域產(chǎn)品為發(fā)展的重點，進行共性關鍵技術攻關，包括拖拉機，聯(lián)合收割機動力換檔及靜液壓驅(qū)動技術，聯(lián)合收割機電液自動化作業(yè)監(jiān)測技術與控制技術。
我國到2005年，60%以上的重要農(nóng)機產(chǎn)品達到國際80年代末期水平，新開發(fā)的品種70%以上達到國際90年代水平，拖拉機，聯(lián)合收割機等重要產(chǎn)品平均無故障間隔時間接近國際80年代后期及90年代初期水平，到2015年，農(nóng)機綜合技術水平基本接近當時的國際水平，這樣，液壓技術在農(nóng)機上的應用，得到了契機。
綜上所述，在新世紀中，我國液壓機械行業(yè)將有明顯的進步， 液壓技術在農(nóng)機上的應用將顯出強大的生命力，為提高農(nóng)機產(chǎn)品的技術含量，縮小與國外的差距作出重要貢獻。
液壓傳動技術不僅用于傳統(tǒng)的機械操縱、助力裝置，也用于機械的模擬加工、轉(zhuǎn)速控制、發(fā)動機燃料進給控制，以及車輛動力轉(zhuǎn)向、主動懸掛裝和制動系統(tǒng)，同時，也擴展到航空航天和海洋作業(yè)等領域。而液壓油缸是液壓傳動中將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，實現(xiàn)往復直線運動或往復擺動的執(zhí)行元件，被廣泛應用于各種液壓機械設備中。液壓油缸的設計合理性、制造質(zhì)量，直接影響整個液壓機械設備的的使用狀態(tài)，乃至整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行和生產(chǎn)的安全性。所以，液壓油缸的合理化設計具有重要的現(xiàn)實意義。
1．課題的國內(nèi)外研究動態(tài)、目前的水平及發(fā)展趨勢
液壓油缸也是基于以密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率這一原理實現(xiàn)工作目的的。目前以其可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小，易于實現(xiàn)自動化、過載保護以及良好的標準化、系列化、通用化特點廣泛應用工程領域。當前正繼續(xù)向著以下幾個方面發(fā)展：
（1）節(jié)能
近年來，由于世界能源的緊缺，各國都把液壓傳動的節(jié)能問題作為液壓技術發(fā)展的重要課題。20世紀70年代后期，德、美等國相繼研制成功負載敏感泵及低功率電磁鐵等。最近美國威克斯公司又研制成功用于功率匹配系統(tǒng)的CMX閥。
（2）與微電子、計算機技術結(jié)合
20世紀80年代以來，逐步完善和普及的計算機控制技術和集成傳感技術為液壓技術與電子技術相結(jié)合創(chuàng)造了條件。隨著微電子、計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種數(shù)字閥和數(shù)字泵，并出現(xiàn)了把單片機直接裝在液壓組件上的具有位置或力反饋的閉環(huán)控制液壓元件及裝置。
（3）運行的可靠性
由于有限元法在液壓元件設計中的應用，可靠性實驗、研究工作的廣泛開展以及新材料、新工藝的發(fā)展等，使液壓元件的壽命得到提高。由于對飛機、船舶、冶金等一些重要液壓系統(tǒng)采用多裕度設計，并在系統(tǒng)中設置旁路凈化回路及具有初級智能的自動故障檢測儀表等，加強了油液的污染度控制。上述領域內(nèi)的一些重要成果，使液壓系統(tǒng)的可靠性逐年提高。
（4）高度的集成化
把疊加閥、集成塊、插裝閥以及各種控制閥集成于液壓泵及液壓執(zhí)行元件上形成組合元件，有些還把單片機等集成在其控制機構(gòu)上，達到了集機、電、液于一體的高度集成化。
（5）高壓、低躁聲、提高密封性能等
高壓、高轉(zhuǎn)速、低噪聲組件的研究，高效濾材的研究，環(huán)保型工作介質(zhì)及其相應高壓液壓組件的研究等也是值得注意的動向。
2．課題研究的目的、意義及工作設想
合理、正確的設計液壓油缸是設計和制造液壓設備的基礎和保證，同時，也是很好的對整個學習期間專業(yè)知識的總結(jié)，提高對專業(yè)知識的綜合利用能力為在實際的工作崗位上打下堅實的專業(yè)基礎。
3．液壓傳動的優(yōu)缺點
一、優(yōu)點
(1)傳動平穩(wěn) 在液壓傳動裝置中，由于油液的壓縮量非常小，在通常壓力下可以認為不可壓縮，依靠油液的連續(xù)流動進行傳動。油液有吸振能力，在油路中還可以設置液壓緩沖裝置，故不像機械機構(gòu)因加工和裝配誤差會引起振動扣撞擊，使傳動十分平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應用在要求傳動平穩(wěn)的機械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動。
(2)質(zhì)量輕體積小 液壓傳動與機械、電力等傳動方式相比，在輸出同樣功率的條件下，體積和質(zhì)量可以減少很多，因此慣性小、動作靈敏；這對液壓仿形、液壓自動控制和要求減輕質(zhì)量的機器來說，是特別重要的。例如我國生產(chǎn)的1m3挖掘機在采用液壓傳動后，比采用機械傳動時的質(zhì)量減輕了1t。
(3)承載能力大 液壓傳動易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，因此廣泛用于壓制機、隧道掘進機、萬噸輪船操舵機和萬噸水壓機等。
(4)容易實現(xiàn)無級調(diào)速 在液壓傳動中，調(diào)節(jié)液體的流量就可實現(xiàn)無級凋速，并且凋速范圍很大，可達2000：1，很容易獲得極低的速度。
(5)易于實現(xiàn)過載保護 液壓系統(tǒng)中采取了很多安全保護措施，能夠自動防止過載，避免發(fā)生事故。
(6)液壓元件能夠自動潤滑 由于采用液壓油作為工作介質(zhì)，使液壓傳動裝置能自動潤滑，因此元件的使用壽命較長。
(7)容易實現(xiàn)復雜的動作 采用液壓傳動能獲得各種復雜的機械動作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺，可加工出不規(guī)則形狀的零件．
(8)簡化機構(gòu) 采用液壓傳動可大大地簡化機械結(jié)構(gòu)，從而減少了機械零部件數(shù)目。
(9)便于實現(xiàn)自動化 液壓系統(tǒng)中，液體的壓力、流量和方向是非常容易控制的，再加上電氣裝置的配合，很容易實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)。目前，液壓傳動在組合機床和自動線上應用得很普遍。
(10)便于實現(xiàn)“三化” 液壓元件易于實現(xiàn)系列比、標準化和通用化．也易于設計和組織專業(yè)性大批量生產(chǎn)，從而可提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。
二、缺點
(1)液壓元件制造精度要求高 由于元件的技術要求高和裝配比較困難，使用維護比較嚴格。
(2)實現(xiàn)定比傳動困難 液壓傳動是以液壓油為工作介質(zhì)，在相對運動表面間不可避免的要有泄漏，同時油液也不是絕對不可壓縮的。因此不宜應用在在傳動比要求嚴格的場合，例如螺紋和齒輪加工機床的傳動系統(tǒng)。
(3)油液受溫度的影響 由于油的粘度隨溫度的改變而改變，故不宜在高溫或低溫的環(huán)境下工作。
(4)不適宜遠距離輸送動力 由于采用油管傳輸壓力油，壓力損失較大，故不宜遠距離輸送動力。
(5)油液中混入空氣易影響工作性能 油液中混入空氣后，容易引起爬行、振動和噪聲，使系統(tǒng)的工作性能受到影響。
(6)油液容易污染 油液污染后，會影響系統(tǒng)工作的可靠性。
(7)發(fā)生故障不易檢查和排除。
二．畢業(yè)設計的內(nèi)容及任務
1．設計思想
基于以密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率這一原理，結(jié)合實際工作中的工況條件和要求，在完成了工況分析、負載計算以及選定工作壓力的基礎上進行設計。液壓傳動是利用帕斯卡原理，即在密閉容積內(nèi)，施加在靜止液體邊界上的壓力，在液體內(nèi)可以向所有方向等值地傳遞到液體各點。
液壓傳動的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(缸或馬達)把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復運動和回轉(zhuǎn)運動。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機械傳動中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動元件相類似。
在液壓傳動中，液壓油缸就是一個最簡單而又比較完整的液壓傳動系統(tǒng)，分析它的工作過程，可以清楚的了解液壓傳動的基本原理。
2．設計方案
（1）整理有關方面的資料，根據(jù)使用要求確定結(jié)構(gòu)形式和安裝方式。
（2）根據(jù)負載情況、運動速度、最大行程和工作壓力等要求計算出主要結(jié)構(gòu)尺寸。
1.結(jié)構(gòu)尺寸的確定原則
液壓缸已有系列標準可供選用，但有時還需自行設計一些非標準液壓缸。液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸與主機的工作機構(gòu)有直接關系，其設計是在完成了工況分析、負載計算以及選定了工作壓力的基礎上進行的。
2.缸筒內(nèi)徑的確定
對于活塞桿液壓缸，計算缸筒內(nèi)徑D時，通常有兩種計算方法，一種是根據(jù)液壓缸需要生產(chǎn)的推力F和系統(tǒng)選定的工作壓力p來計算（設回油壓力為零），計算式為
（4—14）
另一種方法是根據(jù)運動速度v和輸入流量q來確定剛通內(nèi)徑D，計算式為
（4—15）
式中 、—液壓缸的機械效率及容積效率。
按式（4—14）或（4—15）計算出缸筒內(nèi)徑D后，還要根據(jù)GB/T2348—1993加以圓整。一般設計缸筒內(nèi)徑采用前一種方法，后一種方法用來校核所設計缸筒內(nèi)徑能否滿足最低工作進給的速度要求。
3.活塞桿直徑的確定
活塞桿直徑d的計算方法，通常是在缸筒內(nèi)徑D已確定，在滿足一定速度比的情況下，來確定活塞桿的直徑d，其計算式為
（4—16）
按式（4—16）計算出活塞桿的直徑d后，再按標準進行圓整，然后按其結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性進行校核。
4.其他結(jié)構(gòu)尺寸按照使用情況確定
液壓缸行程L主要根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的運動要求而定。為了簡化工藝、降低成本、增加產(chǎn)品通用性，應盡量采用國家標準規(guī)定的標準系列值（參看GB/T2349—1980）。
當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導向滑動面中點的距離H稱為液壓缸的最小導向長度，對于一般液壓缸，其最小導向長度由下式確定，即
（4—17）
式中L—液壓缸的最大行程；
D—缸筒內(nèi)徑。
活塞的寬度B一般取0.6D~1D；端蓋滑動支撐面長度l1根據(jù)內(nèi)徑確定，即
當D>80mm時，取l1=（0.6~1）D
當D<80mm時，取l1=（0.6~1）d
為保證最小導向長度，過分加大B及l(fā)1都是不可取的，必要時可以在活塞與導向滑動面之間裝隔環(huán)，隔環(huán)寬度C由下式確定，即
（4—18）
（3）對部分零件進行強度、剛度和穩(wěn)定性驗算并進行緩沖計算
1.缸筒壁厚強度計算及校核
液壓缸直徑D確定后，其壁厚由強度條件來確定，壁厚強度計算有兩種情況。
1）按薄壁筒公式計算
對于低壓系統(tǒng)或當缸徑D與壁厚δ的比值D/δ≥12.5時，一般按薄壁圓筒計算，即
（4—19）
式中py—試驗壓力。當工作壓力p≤16MPa時，py=1.5p；當壓力p＞16MPa時，py=1.25p；
[σ]—缸筒材料的許用應力，[σ]= σb/n，σb為缸筒材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般取n=5.
2）按后壁圓筒公式計算
對于中高壓系統(tǒng)或當缸徑D與壁厚δ的比值D/δ＜3.2時，一般按后壁筒計算。若缸筒由塑性材料制造，缸筒壁厚應按第四強度理論計算，即
（4—20）
若缸筒由脆性材料制造，缸筒壁厚應按第二強度理論計算，即
（4—21）
2.活塞桿強度及穩(wěn)定性校核
活塞桿全部伸出時，活塞桿頂端至液壓缸支撐點之間的距離稱為計算長度l，其值與液壓缸的安裝形式有關。根據(jù)計算長度l與活塞桿直徑d的不同比值，應對活塞桿進行不同項目的校核。
當計算長度與活塞桿直徑d之比l/d＜10時，屬于短行程液壓缸，主要校核其拉壓強度。
當活塞桿受壓時，若計算長度與活塞桿直徑d之比l/d＞10，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生縱向彎曲破壞，這時必須進行活塞桿的穩(wěn)定性校核?；钊麠U所能承受的符合應滿足以下條件，即
（4—22）
式中—安全系數(shù)，一般取=2~4，沖擊載荷較大時還可取大一些；
—液壓缸活塞桿產(chǎn)生縱向彎曲喪失穩(wěn)定時的臨界負荷。
當細長比l/K≥m時，臨界負荷用歐拉公式計算，即
（4—23）
式中K—活塞桿截面的回轉(zhuǎn)半徑，；
J—活塞桿截面的轉(zhuǎn)動慣量；
A—活塞桿截面積；
m—柔性系數(shù)；
n—末端系數(shù)；
E—活塞桿材料的彈性模量。
當細長比l/K＜m時，臨界負荷用戈登—蘭金公式計算，即
（4—24）
式中—材料強度實驗值，按表4-2選??；
a—實驗常數(shù)。
此外還應對螺紋聯(lián)接強度、卡環(huán)聯(lián)接強度、焊接聯(lián)接強度和液壓缸的制動和緩沖裝置進行計算，使所設計的液壓缸滿足使用要求。
（4）結(jié)合注意事項完成結(jié)構(gòu)設計。
設計中與計算中應注意的問題
1）液壓缸結(jié)構(gòu)形式的選擇關系到液壓缸的具體結(jié)構(gòu)設計和性能設計，因此必須根據(jù)系統(tǒng)設計要求，對不同形式的液壓缸進行充分分析和對比，然后參考同類設備使用情況來確定。
2）在保證實現(xiàn)設計要求的前提下，應使液壓缸外形尺寸盡可能小。
3）應盡量使活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負載，但一般情況活塞桿多在受壓狀態(tài)下工作。因此，為避免產(chǎn)生縱向彎曲，應保證液壓缸在受壓狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性。
4）具體結(jié)構(gòu)設計要按照推薦的結(jié)構(gòu)形式進行，盡量采用標準件，結(jié)構(gòu)盡可能簡單，且便于加工、裝配和維修。
5）不一定所有液壓缸都要設置緩沖和排氣裝置，應根據(jù)具體情況和要求而定，有時可在系統(tǒng)中考慮。
6）確定液壓缸安裝固定形式時，必須考慮到缸筒和活塞桿受熱后會伸長的問題。因此，定位銷只能打在液壓缸一端的兩側(cè)；雙桿活塞缸的活塞桿與運動部件不能采用剛性連接。
（5）整理設計說明書，繪制有關圖紙，整理有關設計資料、材料。
3．課題研究擬采用的方法和手段
采用單活塞桿式液壓缸的設計形式，以液壓傳動的基礎知識為指導，結(jié)合力學分析、計算、校核方法，繪圖以CAD完成。
1.主要零部件強度校核
2.缸筒壁厚強度計算及校核
3.活塞桿強度及穩(wěn)定性校核及緩沖計算
設計主要尺寸圖紙
（1）油缸裝備圖一張 ---------- 0號圖紙
（2）活塞桿零件圖一張-------- 1號圖紙
（3）活塞組件圖一張 ---------- 2號圖紙
（4）零件圖一張 ---------- 1號圖紙
（5）油缸緩沖裝置組件圖一張---------- 1號圖紙
（6）油缸密封壓蓋零件圖一張----------3號圖1張
（7）油缸放氣閥組件圖一張----------3號圖1張
（8）油缸緩沖裝置針形閥組件圖一張----------3號圖1張
4．預計畢業(yè)設計課題的最終目標及達到的水平
實現(xiàn)有關液壓油缸的高品質(zhì)設計，要求其使用性能的提高，參數(shù)明確合理，應用專業(yè)知識系統(tǒng)，并能提高對液壓油缸的認識。
三．畢業(yè)設計工作計劃及進度安排
第1周
明確設計任務，根據(jù)課題要求查閱資料，借參考書；
第2周
寫開題報告,查閱相關外文資料；
第3周
選擇并確定外文翻譯內(nèi)容，進行外文翻譯；
第4周
資料整理完成開題報告
第5周
檢查開題報告；并繼續(xù)外文翻譯；
第6周
檢查外文翻譯；
第7周
熟悉零件結(jié)構(gòu)；
第8周
熟悉繪圖軟件的使用；
第9周
上交開題報告，外文翻譯
第10周
進行整體方案及總體結(jié)構(gòu)設計
第11周
進行整體方案及總體結(jié)構(gòu)設計計算
第12周
校合尺寸，開始準備畫圖
第13周
整體修改整理圖紙；
第14周
撰寫設計計算說明書；
第15周
修改整理設計計算說明書；
第16周
修改、整理、排版、打印、裝訂；
第17周
教師評閱，準備答辯。
四．參考文獻
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摘 要
液壓缸是液壓系統(tǒng)中最廣泛應用的一種液壓執(zhí)行元件。液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的執(zhí)行元件,它主要是用來輸出直線運動。
液壓傳動和液力傳動均是以液體作為工作介質(zhì)來進行能量傳遞的傳動方式。液壓傳動主要是利用液體的壓力能來傳遞能量；而液力傳動則主要是利用液體的動能來傳遞能量。由于液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此，它被廣泛地應用于機械制造、工程建筑、石油化工、交通運輸、軍事器械、礦山冶金、輕工、農(nóng)機、漁業(yè)、林業(yè)等各方面。同時，也被應用到航天航空、海洋開發(fā)、核能工程和地震預測等各個工程技術領域。?
本文對液壓缸參數(shù)化設計方法進行深入系統(tǒng)的研究,建立液壓缸CAD原型軟件系統(tǒng),主要研究成果如下: 1.系統(tǒng)分析液壓缸工作原理的基礎上,歸納了液壓缸的工作形式及主要安裝形式。在分析液壓缸主要部件結(jié)構(gòu)特點的基礎上,建立了基于裝配的面向?qū)ο笠簤焊桩a(chǎn)品設計模型; 2.研究面向制造的產(chǎn)品特征建模技術,基于產(chǎn)品建模方法和面向?qū)ο蠹夹g,建立了基于特征的液壓缸產(chǎn)品模型。研究了適用于液壓缸參數(shù)化設計的標準件庫建模方法及數(shù)據(jù)庫建模技術,并據(jù)此建立了液壓缸參數(shù)化數(shù)據(jù)庫模型及基于裝配的液壓缸參數(shù)化模型; 3.建立液壓缸參數(shù)化CAD系統(tǒng)模型,基于商用CAD軟件,開發(fā)了液壓缸參數(shù)化CAD軟件原型系統(tǒng)。
關鍵詞：液壓缸；液壓泵；液壓傳動；液力傳動
Abstract
Hydraulic cylinders are one of the hydraulic action components, which are widely used to transfer hydraulic power produced by pump to mechanical power with the manner of straight movement.
Hydraulic transmission hydraulic transmission and are based on the liquid as energy transfer medium to the drive. Mainly the use of hydraulic fluid to transmit pressure to energy; and hydraulic transmission is mainly used to transfer the kinetic energy of liquid energy. As a result of hydraulic many prominent advantages, therefore, it is widely used in machine building, construction, petrochemical, transportation, military equipment, mine metallurgy, light industry, agricultural, fisheries, forestry and so on. At the same time, also be applied to aerospace, marine development, nuclear engineering and earthquake prediction in various fields of engineering and technology.
In this paper, the parameters of the hydraulic cylinder design of the system to conduct in-depth research, the establishment of hydraulic cylinder CAD prototype software system, the main research results are as follows: 1. The working principle of hydraulic cylinder systems analysis on the basis of summed up the work of the form of hydraulic cylinder and the major form of installation. Analysis of hydraulic cylinders in the structural characteristics of the main components on the basis of the assembly based on object-oriented model of product design of hydraulic cylinder; 2. Research-oriented products feature modeling, product modeling based on object-oriented methods and technology, based on the characteristics of the hydraulic cylinder product model. Studied for parametric design of hydraulic cylinder of standard parts library and database modeling modeling techniques, and accordingly established a database of hydraulic cylinder model parameters and the hydraulic cylinder assembly based on the model parameters; 3. To establish fluid pressure cylinder of CAD system model parameters, based on the commercial CAD software, has developed a hydraulic cylinder Parametric CAD software prototype system.
Key words：Hydraulic cylinder; hydraulic pump; hydraulic transmission; hydraulic transmission
引 言
液壓傳動元件以其功率大，安裝布置簡便，易于受控，操作方便舒適，故障率低，便于維護等優(yōu)點，非常適于結(jié)構(gòu)形態(tài)多變，工作條件惡劣的農(nóng)業(yè)機械的應用。液壓傳動的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(缸或馬達)把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復運動和回轉(zhuǎn)運動。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機械傳動中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動元件相類似。在液壓傳動中，液壓油缸就是一個最簡單而又比較完整的液壓傳動系統(tǒng)，分析它的工作過程，可以清楚的了解液壓傳動的基本原理。幾十年來，液壓技術不僅在農(nóng)機，機床，工程機械，建筑機械，航天航空設備等得到越來越多的應用，而且形成了龐大的市場。全世界液壓元件市場銷售額已超過二百億美元，我國液壓行業(yè)產(chǎn)值已近80億人民幣而液壓油缸是液壓傳動中將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，實現(xiàn)往復直線運動或往復擺動的執(zhí)行元件，被廣泛應用于各種液壓機械設備中。液壓油缸的設計合理性、制造質(zhì)量，直接影響整個液壓機械設備的的使用狀態(tài)，乃至整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行和生產(chǎn)的安全性。所以，液壓油缸的合理化設計具有重要的現(xiàn)實意義。
目 錄
摘 要 I
Abstract II
引 言 III
目 錄 IV
第1章 液壓傳動的概述 1
1.1簡介 1
1.2應用領域 1
1.3傳動原理 1
1.4主要組成 1
1.4.1動力元件（油泵） 1
1.4.2執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達） 2
1.4.3控制元件 2
1.4.4輔助元件 2
1.4.5工作介質(zhì) 2
1.5表達符號 2
1.6現(xiàn)狀及其展望 3
第2章 液壓缸的計算依據(jù) 4
2.1液壓缸的分類 4
2.2 主要參數(shù)及常用計算公式 6
2.2.1壓力 6
2.2.2主要尺寸及面積比 6
2.2.3液壓缸活塞的理論推理和拉力 8
2.2.4效率 9
2.2.5液壓缸負載率 10
2.2.6活塞瞬間線速度 10
2.2.7活塞作用力F 11
2.2.8活塞加速度a 12
2.2.9活塞加（減）速時間ta（td） 12
2.2.10活塞加（減）速行程Sa（Sd） 12
2.2.11液壓缸流量 13
2.2.12液壓缸功率P 13
第3章液壓缸的典型結(jié)構(gòu) 14
3.1端蓋與缸筒連接方式 14
3.1.1拉桿型液壓缸 14
3.1.2螺紋蓋型液壓缸 14
3.1.3法蘭型液壓缸 14
3.1.4安裝方式 14
3.2專用液壓缸典型結(jié)構(gòu) 16
3.2.1特殊結(jié)構(gòu)液壓缸 16
3.2.2電液伺服液壓缸 17
3.2.3特殊工質(zhì)液壓缸 18
3.2.4組合液壓缸 18
3.2.5多級液壓缸 18
第4章 液壓缸主要零部件設計 20
4.1缸筒的設計計算 20
4.1.1主要技術要求 20
4.1.2缸筒結(jié)構(gòu) 20
4.1.4缸筒厚度計算 23
4.1.5缸筒厚度驗算 24
4.1.6缸筒底部厚度計算 24
4.1.8缸筒材料 25
4.1.9缸筒內(nèi)壁表面加工公差和粗糙度ISO4394 26
4.2活塞件的設計計算 26
4.2.1活塞結(jié)構(gòu)型式 26
4.2.2密封件溝槽尺寸，公差及粗糙度 26
4.2.3材料 26
4.2.4活塞尺寸及公差 27
4.3活塞桿的設計計算 27
4.3.1結(jié)構(gòu) 27
4.3.2活塞桿直徑計算 28
4.4導向環(huán)的設計計算 31
4.4.1導向環(huán)主要優(yōu)點 31
4.4.2導向環(huán)的型式 31
4.4.3導向環(huán)的尺寸不同 32
4.5活塞桿導向套 32
4.6中隔圈的設計計算（限位圈） 33
4.7緩沖機構(gòu)設計計算 34
4.7.1一般技術要求 34
4.7.2結(jié)構(gòu)型式 34
4.7.3緩沖計算 36
4.7.4調(diào)整緩沖機構(gòu)尺寸 38
4.8輔件 40
第5章設計主要尺寸圖紙 44
結(jié) 論 45
參考文獻 46
致 謝 47
第一章 液壓傳動的概述
1.1簡介
液壓傳動是用液體作為工作介質(zhì)來傳遞能量和進行控制的傳動方式。
液壓傳動稱為流體傳動，是根據(jù)17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發(fā)展起來的一門新興技術，是工農(nóng)業(yè)中廣為應用的一門技術。如今，流體傳動技術水平的高低已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。
1.2應用領域
液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此它的應用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機械、提升裝置、軋輥調(diào)整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構(gòu)等；發(fā)電廠渦輪機調(diào)速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等；特殊技術用的巨型天線控制裝置、測量浮標、升降旋轉(zhuǎn)舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。
1.3傳動原理
液壓傳動的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(液壓缸或馬達)把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復運動和回轉(zhuǎn)運動。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機械傳動中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動元件相類似。
在液壓傳動中，液壓油缸就是一個最簡單而又比較完整的液壓傳動系統(tǒng)，分析它的工作過程，可以清楚的了解液壓傳動的基本原理。
1.4主要組成
液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。
1.4.1動力元件（油泵）
它的作用是把液體利用原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液壓力能；是液壓傳動中的動力部分。
1.4.2執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達）
它是將液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機械能。其中，油缸做直線運動，馬達做旋轉(zhuǎn)運動。
1.4.3控制元件
包括壓力閥、流量閥和方向閥等。它們的作用是根據(jù)需要無級調(diào)節(jié)液動機的速度，并對液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向進行調(diào)節(jié)控制。
1.4.4輔助元件
除上述三部分以外的其它元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、管件各種管接頭(擴口式、焊接式、卡套式）、高壓球閥、快換接頭、軟管總成、測壓接頭、管夾等及油箱等，它們同樣十分重要。
1.4.5工作介質(zhì)
工作介質(zhì)是指各類液壓傳動中的液壓油或乳化液，它經(jīng)過油泵和液動機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
1.5表達符號
圖1液壓系統(tǒng)表達符號
1——油箱 7——油管
2——過濾器 8——油管
3——液壓泵 9——液壓缸
4——流量控制閥 10——工作臺
5——溢流閥
6——換向閥
1.6現(xiàn)狀及其展望
液壓油缸也是基于以密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率這一原理實現(xiàn)工作目的的。目前以其可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小，易于實現(xiàn)自動化、過載保護以及良好的標準化、系列化、通用化特點廣泛應用工程領域。當前正繼續(xù)向著節(jié)能、與微電子、計算機技術結(jié)合、運行的可靠性、高度的集成化、高壓、低噪聲、提高密封性能等發(fā)展。
第2章 液壓缸的計算依據(jù)
液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)化成直線運動機械能的執(zhí)行元件
2.1液壓缸的分類
液壓缸主要分單作用液壓缸，雙作用液壓缸，緩沖式液壓缸，多級液壓缸，等，具體分類如表1
表1.液壓缸的分類
類別
名稱
圖形符號
說明
單 作 用 液 壓 缸
單作用活塞液壓缸（無彈簧）
活塞僅作單向外伸運動，其反向內(nèi)縮運動由外力來完成
單作用活塞液壓缸（彈簧回程）
活塞僅作單向運動，其反向運動由彈簧力來完成
單作用伸縮液壓缸（單作用多級液壓缸）
有多個單向依次外伸運動的活塞（柱塞），各活塞（柱塞）逐次運動時，其運動速度和推力均是變化的。其反向內(nèi)縮運動由外力來完成
單作用柱塞液壓缸
柱塞僅作單向外伸運動，其反向內(nèi)縮運動由外力來完成。其工作行程比單作用活塞液壓缸長
類別
名稱
圖形符號
說明
雙 作 用 液 壓 缸
雙作用無緩沖式液壓缸
活塞作雙向運動，并產(chǎn)生推，拉力?；钊谛谐探K了時不減速
不可調(diào)單向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運動，并產(chǎn)生推，拉力?；钊谝粋?cè)形成終了時減速制動，其減速值不可調(diào)。另一側(cè)行程終了時不減速
不可調(diào)雙向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運動，并產(chǎn)生推，拉力，活塞在雙側(cè)行程終了時均減速制動，其減速值不可調(diào)
可調(diào)單向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運動，并產(chǎn)生推，拉力?；钊谝粋?cè)形成終了時減速制動，其減速值可調(diào)。另一側(cè)行程終了時不減速
可調(diào)雙向緩沖式液壓缸
活塞作雙向運動，并產(chǎn)生推，拉力，活塞在雙側(cè)行程終了時均減速制動，其減速值可調(diào)
雙活塞桿液壓缸
活塞兩端桿徑相同，活塞作正，反運動時，其運動速度和推（拉）力均相等
雙作用伸縮液壓缸（雙作用多級液壓缸）
有多個雙向依次運動的活塞，各活塞逐次運動時，其運動速度和推，拉力均是變化的
以上列出的是常見的液壓缸分類，未包括一些結(jié)構(gòu)或用途特殊的液壓缸。
2.2 主要參數(shù)及常用計算公式
2.2.1壓力
1.額定壓力Pn，也稱公稱壓力，是液壓缸能用以長期工作的壓力。國家標準GB2346-80規(guī)定了液壓缸的公稱壓力系列如表2
表2 液壓缸公稱壓力（MPa）
2.最高允許壓力Pmax，也是動態(tài)試驗壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國規(guī)范通常規(guī)定為：Pmax≤1.5Pn（MPa） （1-1-1）
3耐壓試驗壓力Pt，是液壓缸在檢查質(zhì)量時需承受的壓力試驗，在此壓力下不出現(xiàn)變形或破裂。各國規(guī)范多數(shù)規(guī)定為：Pt=1.5Pn（MPa） （1-1-2）
軍品規(guī)范為：Pt=(2-2.5) Pn (MPa) （1-1-3）
2.2.2主要尺寸及面積比
1、缸內(nèi)徑D
國家標準GB2348-80（等效于ISO3320）規(guī)定了液壓缸內(nèi)徑系列如表3
表3缸內(nèi)徑D（mm）
2、活塞桿內(nèi)徑d
國家標準GB2349-80規(guī)定了活塞桿直徑的基本系列（見表4）
表4活塞桿直徑d（mm）
3、活塞行程S
國家標準GB2349-80規(guī)定了活塞行程S的基本系列（見表5）
表5活塞桿行程S
4、面積比（即速度比）
= (1-1-4)
A1=/4
A2=/4()
式中 A1——活塞無桿側(cè)有效面積（）
A2——活塞有桿側(cè)有效面積（）
——活塞桿伸出速度（）
——活塞桿退出速度（）
D——活塞直徑（m2）
d——活塞桿直徑（m2）
值系列案ISO7181規(guī)定，如表6
2.2.3液壓缸活塞的理論推理和拉力
以雙作用單活塞液壓缸為例，液壓油作用在活塞上F1：
（1-1-5）
當活塞桿退回時的理論拉力F2：
（1-1-6）
表6面積比
當活塞桿差動前進時（即活塞的兩側(cè)同時進壓力相同的液壓油）的理論推力
（1-1-7）
以上三式中
D——活塞直徑（即液壓缸內(nèi)徑）（m）
d——活塞桿直徑（m）
Pi——供油壓力（MPa）
2.2.4效率t
1、 機械效率，由各運動件摩擦損失所造成。在額定壓力下，通?？扇?.9。
2、容積效率，由各密封件泄露所造成，通常容積效率為：
圖2 液壓缸活塞受力示意圖
裝彈性體密封圈時：1
裝活塞環(huán)時： 0.98
3、作用力效率：由排出口背壓所產(chǎn)生的反向作用力而造成。
活塞外推時： （1-1-8）
活塞向內(nèi)拉時： （1-1-9）
式中 ——當活塞外推時，為進油壓力；當活塞向內(nèi)拉時,為排油壓力（MPa）；
——當活塞桿外推時，為排油壓力；當活塞環(huán)內(nèi)拉時，為進油壓力（MPa）；
——同前。
當排油直接回油箱時： 1.
4、總效率
=
2.2.5液壓缸負載率
為實際使用推力（或拉力）與理論額定推力（或拉力）的比值：
=實際使用推力（或拉力）/理論額定推力（或拉力） (1-1-11)
這值是用以衡量液壓缸在工作時的負載，通常采用0.5～0.7，但對有些用途也可取0.45～0.75
2.2.6活塞瞬間線速度
活塞瞬間線速度
= （m/s） (1-1-12)
式中 ——液壓缸瞬時體積流量（）
A——活塞的有效作用面積
當 =常數(shù)時，v=常數(shù)。但實際上，活塞在行程兩端各有一個加速階段或一個減速階段，見圖3
圖3 活塞線速度隨時間的變化
2活塞最高時線速度
當流量保持不變時，活塞在行程的中間大部分保持恒速，在活塞桿外推時，活塞的最高線速度為Vmax為
（1-1-13）
式中 ——桿外推時的體積流量
活塞桿內(nèi)拉時
（1-1-14）
式中 ——桿內(nèi)拉時的體積流量
3活塞平均線速度
（1-1-15）
式中 S——活塞行程（m）
T——活塞在單一方向的全行程時間（s）
活塞最高線速度與平均線速度可按下式計算
= （） （1-1-16）
式中 ——活塞線速度系數(shù)
活塞最高線速度受活塞和活塞桿密封圈以及行程末端緩沖機構(gòu)所能承受的動能所限制。
過低的最大線速度可能造成爬行，不利于正常工作，故應大于0.1～0.2。
2.2.7活塞作用力F
液壓缸在工作適，活塞的作用力F，必須克服各項阻力，F(xiàn)的大小為；
F （N） （1-1-17）
式中 ——外負載阻力（包括外摩擦阻力在內(nèi)） （N）；
——回油阻力（N），當油流會郵箱時，可以近似取=0，如果回油存在背壓，則當桿外推時，可按式（1.1.6），計算當桿內(nèi)拉時，可按式（1-1-5）計算；當活塞差動前進時，在推力中已考慮了在內(nèi)，故此不必計算；
——密封圈摩擦阻力 （N）；
——活塞在啟動，制動或換向時的慣性力（N）， 在加速時，取+，在減速時，取-，在恒速時，取=0。
密封圈摩擦阻力為活塞密封和活塞桿密封摩擦阻力之和，即
（N） （1-1-18）
式中 ——密封圈摩擦系數(shù)，按不同潤滑條件，
可以取=0.05～0.2；
——密封圈兩側(cè)壓力差 （Mpa）；
——分別為活塞及活塞桿密封圈寬度 (m)；
——分別為活塞和活塞桿密封圈摩擦修正系數(shù)，
“O”型密封圈；0.15
壓緊型密封圈；0.2
唇型密封圈；0.25
2.2.8活塞加速度a
活塞加速度或減速度a為 （1-1-19）
式中 m——為活塞及負載重量（kg）
——為活塞及負載慣性力（N）
活塞加速度a的符號為“+”，減速度為“-”。
2.2.9活塞加（減）速時間ta（td）
如圖2作為活塞簡化運動規(guī)律，則活塞的加速度和減速度時間分別為
（s） （1-1-20）
（s） （1-1-21）
2.2.10活塞加（減）速行程Sa（Sd）
如仍以圖2作為活塞簡化運動規(guī)律，活塞的加速及減速行程分別為
（m） (1-1-22)
(m) （1-1-23）
裝有緩沖裝置的液壓缸的活塞加速或減速行程與緩沖裝置節(jié)流行程有關（見1-1-23）
2.2.11液壓缸流量
當活塞桿外推時；
(1-1-24)
當活塞桿內(nèi)拉時；
（1-1-25）
對于彈性物密封圈； 對于金屬活塞壞；
2.2.12液壓缸功率P
當活塞桿外推時；
（w） （1-1-26）
當活塞桿內(nèi)拉時；
（w） (1-1-27)
以上各式中凡未加說明的代號，其意義和單位均與前相同。
第3章液壓缸的典型結(jié)構(gòu)
通用液壓缸用途較廣，適用用與機床，車輛，重型機械，自動控制等用途。已有國家標準和國際標準規(guī)定其安裝尺寸。此類液壓缸的結(jié)構(gòu)可從端蓋與缸筒的連接方式和安裝方式敘述。
3.1端蓋與缸筒連接方式
3.1.1拉桿型液壓缸
兩端蓋和缸筒用多根長拉桿來連接，通常兩端蓋均為正方形或長方形，用四根拉桿拉緊（圖4）
圖4拉桿式液壓缸
3.1.2螺紋蓋型液壓缸
活塞桿側(cè)的前端蓋制有螺紋以旋入相應的缸筒螺紋內(nèi)，后端蓋則多數(shù)是焊接在缸桶后端
這類液壓缸暴露在外面的零件較少，外表光潔，外形尺寸較小，能承受一定的沖擊負載和嚴酷的外界環(huán)境條件。但由于前端蓋螺紋強度和預緊端蓋的操作的限制，因此不能用與過大的缸內(nèi)直徑和太高的額定工作壓力，通常用與內(nèi)徑d
這類液壓缸多用與車輛，船舶，礦業(yè)等室外作業(yè)機械上。
3.1.3法蘭型液壓缸
兩端蓋均有法蘭，用多個螺釘分別與鋼筒相應的法蘭連接
3.1.4安裝方式
國際標準ISO6099—1985初步規(guī)定了51種安裝方式，分為七類，并用字母和數(shù)字表示。字母為M，表示安裝方式，后面為字母和數(shù)字。字母的定義如下：
M——安裝 R——螺栓端
D——雙活塞桿 S——第腳
E——前端或后端 T——耳軸
F——法蘭（可拆的） X——雙頭螺栓或拉桿
P——圓柱銷
實用上多限于6-12種，如目前采用較廣泛的三項國際標準分別規(guī)定7-12種安裝方式（見表7）
表7各類液壓缸的安裝方式代號
國際
標準
液壓缸類型
工作壓力
安裝方式代號
安裝方式
數(shù)目
ISO6020/1
單活塞桿——中型系列
16
MF1。MF2，MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT1，MT2，MT3
11
ISO6020/2
單活塞桿——小型系列
16
ME5，ME6，MP1，MP3，MP5，MS2，MT1，MT2，MT4，MX1，MX2，MX3
12
ISO6022
單活塞桿
25
MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT4
7
表7中各種規(guī)定了7-12種安裝方式代號所代表的意義如下：
端蓋類：ME5——前端矩形端蓋安裝
ME6——后端矩形端蓋安裝
法蘭類：MF1——前端矩形法蘭安裝
MF2——后端矩形法蘭安裝
MF3——前端圓形法蘭安裝
MF4——后端圓形法蘭安裝
耳環(huán)類：MP1——后端固定式雙耳環(huán)安裝
MP3——后端固定式單耳環(huán)安裝
MP4——后端可拆式單耳環(huán)安裝
MP5——后端固定式球鉸耳環(huán)安裝
MP3——后端可拆式球鉸耳環(huán)安裝
底座類：MS2——側(cè)底座安裝
耳軸類：MT1——前端整體式耳軸安裝
MT2——后
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