雙作用單桿活塞缸液壓缸課程設計

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1、 液壓與氣動技術課程設計 設計題目： 雙作用單桿活塞缸液壓缸 姓 名： 劉沖 專 業(yè)： 液 壓 與 氣 動 技 術 班 級： 10G411班 學 號： 10號 指導教師： 郝春玲 目 錄 單活塞液壓缸簡介----------------------

2、--------------------------2 設計題目---------------------------------------------------------------------------7 液壓缸的選型---------------------------------------------------------------------7 液壓缸主要參數的計算 液壓缸主要性能參數-----------------------------------------------------7 缸筒內徑（缸徑）計算--------------

3、------------------------------------7 缸壁壁厚的計算------------------------------------------------------------7 流量的計算------------------------------------------------------------------8 底部厚度計算---------------------------------------------------------------9 最小導向長度的確定----------------

4、--------------------------------------9 主要零部件設計與校核 缸筒的設計------------------------------------------------------------------10 缸筒端蓋螺紋連接的強度計算-----------------------------------------11 缸筒和缸體焊縫連接強度的計算--------------------------------------11 活塞設計----------------------------------

5、------------------------------------12 活塞的密封-------------------------------------------------------------------13 活塞桿桿體的選擇---------------------------------------------------------13 活塞桿強度的校核---------------------------------------------------------13 液壓缸穩(wěn)定性校核------------------

6、---------------------------------------14 活塞桿的導向、密封和防塵--------------------------------------------14 單活塞液壓缸簡介： 單活塞桿液壓缸只有一端有活塞桿。如圖所示是一種單活塞液壓缸。其兩端進出口油口A和B都可通壓力油或回油，以實現雙向運動，故又稱為雙作用缸。液壓缸是將液壓能轉變?yōu)闄C械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓執(zhí)行元件。它結構簡單、工作可靠。用它來實現往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應用。

7、 基本概念： 單桿液壓缸是活塞的一側有活塞桿的液壓缸。 活塞式液壓缸 　　1．雙桿液壓缸 　　液壓缸固定——實心雙桿：空間位置為有效行程的三倍。 　　活塞桿固定——空心雙桿：空間位置為有效行程的兩倍。 　　2. 單桿液壓缸 　　（1）無桿腔進油，有桿腔回油。 　　（2）有桿腔進油，無桿腔回油。 （3）差動連接—左右兩腔接通，且都通壓力油。 知識拓展 其他液壓缸： 　　1.增力缸 　　2.增壓缸 　　3.伸縮缸，由兩個或多個活塞缸套裝而成，它的前一級活塞缸的活塞是后一級活塞缸的缸筒。 　　4.齒條液壓缸 5.定位缸 液壓缸簡介 液壓缸的組成

8、： 　　1．缸體組件 　　螺栓聯接、螺釘聯接、半環(huán)聯接、焊接、鋼絲擋圈聯接、拉桿聯接 液壓缸剖面圖 [1] 　2．活塞組件 　　螺母開口銷、焊接、半環(huán)套環(huán)、半環(huán)、卡簧、雙螺母 　　3. 密封裝置 　?。?） 間隙密封?。?）活塞環(huán)密封?。?）橡膠圈密封 　　4. 緩沖裝置 　?。?） 間隙緩沖　（2）可變節(jié)流緩沖?。?）可調節(jié)流緩沖 　　5．排氣裝置 　　（1） 排氣塞?。?）排氣閥 液壓缸的靜態(tài)特征 　　1.推力和運動速度 　　實際推力和速度由于摩擦損失和油液泄漏損失的影響，要比計算值小些。 　　2.容積效率、機械效率和總效率

9、液壓缸的設計 　　設計的依據及注意事項 　　依據： 　?。?）設備的用途工件條件。 　?。?）工作機構的結構特點、負載情況、速度要求、行程大小和動作要求。 　　（3）液壓系統(tǒng)所選定的工作壓力。 　　（4）材料、配件和加工工藝的現狀。 　?。?）有關國家標準和技術規(guī)范等。 　　設計時應注意的幾個問題： 　?。?）在保證設計要求的前提下，盡量使結構簡單、緊湊、尺寸小，采用標準形式和標準件，使設計、制造容易，裝配、調整、維護方便。 　?。?）應盡量使活塞桿在多拉狀態(tài)下承受最大負載，在多壓狀態(tài)下具有良好的縱向穩(wěn)定性。 　　（3）在確定與設備的固定形式時，必須考

10、慮缸體受熱后的伸長問題，為此，缸體只應在一端固定，而讓另一端能自由伸縮。 　　設計步驟 　?。?）選擇液壓缸的類型和各部分的結構形式。 　?。?）確定基本參數：P、D、d。 　　（3）結構計算與驗算：包括缸筒壁厚、外徑、端蓋的強度計算，活塞桿強度和穩(wěn)定性驗算，以及各部分連接結構的強度計算。 　　（4）導向、密封、緩沖、排氣及防塵裝置設計。 　　（5）整理設計計算書，繪制裝配圖和零件圖。 　　基本參數的確定 　　1．工作壓力 　　根據工況要求、加工條件及液壓元件來源等因素綜合考慮。 　　2．D、 d的確定。 雙作用單桿活塞式液壓缸： 　　1、雙作用單

11、桿活塞式液壓缸 , 是液壓系統(tǒng)中作往復運動的執(zhí)行機構。具有結構簡單，工作可靠，裝拆方便，易于維修，且連接方式多樣等特點。適用于工程機械，礦山機械，起重運輸機械，冶金機械及其它機械。 　　2、 輕型拉桿式液壓缸是我公司吸收日本最新技術開發(fā)的產品。廣泛用于近年來的各種大型工程項目。該產品與日本 JIS8354-1985 標準安裝型式尺寸完全互換使用，其結構緊湊、質量輕、安裝形式多樣，并容易變換、易裝易拆，配件及維修方便，具有輕量化、適用化、高可靠性特點。其廣泛用于紡織、塑料、冶金、化工、礦山、行走機械等行業(yè)。 　　3、高壓液壓缸適用于各種工業(yè)部門中，如冶金、礦山、起重、運輸、船舶、鍛壓、鑄

12、造、機床、煤炭、石油、化工、科研、軍工等。密封件、導向件全部國產化，或按用戶要求采用進口元件。 　　可根據用戶的要求，設計和制造本系列的特殊派生產品。 　　4、車輛液壓缸使用于公稱壓力為 8 ~ 14MPa ，周圍介質溫度 -20 ~ +80℃ 的工程機械、起重運輸、礦山設備及其它車輛的液壓傳動。 單桿液壓缸常見故障及修復工藝 　　單桿液壓缸在使用過程中常由于密封件磨損、缸筒磨損、內壁劃傷、內壁腐蝕、活塞或活塞桿劃傷等造成故障，液壓設備執(zhí)行元件涂壓缸的密封性能直接影響到設備的性能，尤其是較大的液壓缸在其密封性受損后，修復或更換零部件比較困難且成本較高。 　　傳統(tǒng)的修復方法是將

13、損壞的部件進行拆卸后外協(xié)修復，或是進行刷鍍及表面的整體刮研，但修復周期長，修復費用高。針對上述問題，當代最新維修方法是采用高分子復合材料，應用最多的有美國美嘉華應用技術在現場進行劃傷尺寸的恢復修復。其材料優(yōu)異的附著力和良好的抗壓能力，不但能夠滿足上述的工況要求下的生產使用要求，而且操作工藝簡單易行，既無熱影響，涂層厚度又不受限制。同時涂層本身具有的優(yōu)越的耐油耐腐蝕性能及自潤滑功能，確保了修復后的耐磨性能，保證了企業(yè)的正常生產，避免了設備部件的損壞加劇。 　　修復工藝如下：　 　　1、表面處理：首先清洗和打磨，用脫脂棉蘸丙酮或無水乙醇將將劃傷部位清洗干凈后進行打磨。（若不先清洗而直接進行

14、打磨，會使油污浸入缸體，造成粘接不牢，甚至脫落。打磨時先將擠傷部位高出基準面的部分打磨至基準面以下，以防止柱塞的再劃傷，再用什錦銼將劃傷溝槽內的油污、異物剔出，最后用旋轉銼將整個劃傷面打毛。） 清洗和加溫干燥，對已打磨好的劃傷面用丙酮擦試干凈。然后用熱風機或碘鎢燈將水分烤干，同時也對待修復表面進行預熱，尤其在室溫低于15℃的情況下，必須對待修復表面進行預熱。 　　2、調和材料：嚴格按照比例進行調和，并攪拌均勻，直到沒有色差。 　　3、涂抹材料：將調和均勻的2211F涂抹到劃傷表面；第一層要薄，要均勻且全部覆蓋劃傷面，以確保材料與金屬表面最好的粘接，再將材料涂至整個修復部位后反復按壓，確

15、保材料填實并達到所需厚度，使之比缸筒內壁表面略高。 　　4、固化：材料在24℃下完全達到各項性能需要24小時，為了節(jié)省時間，可以通過鹵鎢燈提高溫度，溫度每提升11℃，固化時間就會縮短一半，最佳固化溫度70℃。 　　5、材料固化后，用細磨石或刮刀，將高出表面的材料修復平整，施工完畢。 ------參考來至“百度百科” 一.設計題目 雙作用單桿活塞式液壓缸設計 主要設計參數： 系統(tǒng)額定工作壓力：p= 16（Mpa） 驅動的外負載：F =50（KN) 液壓缸的速度比：λ=1.33 液壓缸最大行程：L =64

16、0 (mm) 液壓缸最大伸出速度：λ=4 (m/min) 液壓缸最大退回速度：vt =5.32(m/min) 缸蓋連接方式：螺紋連接 液壓缸安裝方式：底座安裝 緩沖型式：桿頭緩沖 二.液壓缸的選型 液壓缸是液壓裝置中將液壓能轉換為機械能，實現直線往復運動或擺動往復運動的執(zhí)行元件。按本課題設計要求，選取主要用于各種工程機械、起重機械及礦山機械等的液壓系統(tǒng)的雙作用單桿活塞缸液壓缸。 三.液壓缸主要參數的計算 1、液壓缸主要性能參數： 額定壓力：根據設計要求，其額定壓力為16MPa，即P=16MPa。 最高允許壓力Pmax：也是動態(tài)實驗壓力，是

17、液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。 Pmax≤1.5P=25MPa 活塞行程：根據設計要求，其行程為640mm. 液壓缸最大退回速度(m/min) 2、缸筒內徑（缸徑）計算 根據液壓缸的供油壓力和負載，缸筒內徑D可按下列公式初步計算： 液壓缸負載為推力： 式中：F為液壓缸實際使用推力，單位為N 為液壓缸的負載率，一般取=0.5~0.7 為液壓缸的總效率，一般取=0.7~0.9 P為液壓缸的供油壓力，一般為系統(tǒng)壓力。 根據題目要求，取F為30k

18、N，為0.65，為0.8，P為16Mpa并代入公式 則 又依據手冊（GB2348-80)對其進行圓整，取D=90mm。 3、缸壁壁厚的計算 先暫取/D=0.08--0.3,即則可按下列公式計算 式中：D為缸筒內徑（m） 為缸筒的最高允許壓力（MPa） 為缸筒材料的許用應力（MPa） 由于采用無縫鋼管做缸筒（見結構設計部分），查手冊有=100--110MPa,取=110MPa，代入上面公式 則 由結果可知在所假設的范圍內圓整，取為12mm。 活

19、塞桿直徑的計算 活塞桿的直徑可以根據速比來確定，公式如下： 速比=1.33 算得d=44.83mm 依照手冊（GB2348-80)進行圓整，故取活塞桿直徑d=50mm。 4、流量的計算 液壓缸流量根據下式計算： 設計要求中給定了活塞的平均速度： 當活塞桿外推時=4m/min 而活塞的面積： = 容積效率：取=1 根據公式得到活塞桿外推時的流量： =L/min 因為只使用外推方向，所以回程方向的流量從略。 5、底部厚度計算 為避免活塞與缸的直接接觸而發(fā)生碰撞，故加上緩沖裝置，由設計要求緩沖形式為桿頭緩沖。故缸筒底部結構形式如

20、下： 缸筒底部為平面，其厚度可以按照嵌住的圓盤強度公式進行近似的計算： 式中：為缸筒底部厚度（mm） D0為計算厚度處的直徑（mm） P為液壓缸的額定壓力（Mpa） []為缸筒底部材料的許用應力 在本設計中,參照活塞直徑和缸筒內徑，取 為70mm, 已知[]= =110Mpa,代入數字進行計算,可得 進行圓整，取為12mm. 缸筒和缸底的連接采用焊接形式。 6、最小導向長度的確定

21、 當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點的距離 H稱為最小導向長度（見圖）。 如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定的最小導向長度。 對一般的液壓缸，最小導向長度 H應滿足以下要求 H ≥ L/20＋D/2 式中　L ———液壓缸的最大行程； D ———液壓缸的內徑。 故確定液壓缸的導向長度H= 活塞的寬度B一般取B＝（0．6～1．0）D 故確定活塞寬度B=0.6X90=54mm

22、 缸蓋滑動支承面的長度 當D＞80 mm時，?。剑?.6～1．0）d。 故確定缸蓋滑動支承面的長度=0.6X50=30mm 為保證最小導向長度 H，若過分增大和 B都是不適宜的，在缸蓋與活塞之間增加一隔套 K來增加H的值。隔套的長度 C由最小導向長度H決定，即 C＝H－（＋B）/2=35mm 四、主要零部件設計與校核 1、缸筒的設計 缸筒的結構與端蓋的連接形式、液壓缸的用途、工作壓力、使用環(huán)境以及安裝要求等因素有關。端蓋分為前端蓋和后端蓋。前端蓋將液壓缸的活塞杠（柱塞）腔封閉，并起這位活塞桿導向、防塵和密封的作用。后端蓋將缸筒內腔一端封閉，并常常起著將液壓缸與其他機構

23、件連接的作用。 缸筒與端蓋的連接選用內螺紋形式，該形式體積小，重量輕，結構緊湊。 缸筒材料 缸筒的材料，一般要求有足夠的強度和沖擊韌性。目前，普遍采用的缸筒的材料是熱軋或冷拔無縫鋼管。由于缸壁較薄，鋼筒直徑較小，故采用冷拔無縫鋼管，采用通用材料為45鋼。 查表可以得到： 缸筒材料的屈服強度=360MP； 缸筒材料的抗拉強度=610MP； 現在利用屈服強度來引申出： 選取安全系數n=3.6，則缸筒材料的許用應力[]=/n=360/3.2=110MPa。 缸筒壁厚驗算 液壓缸的額定壓力 式中：為缸筒外

24、徑且：=D+2（mm） D為缸筒內徑（mm） D為90mm，D1為115mm，將數值代入公式可得 而題目所給，符合要求。 2、缸筒端蓋螺紋連接的強度計算： 連接形式如右圖： 螺紋處的拉應力為： 剪切應力為： 式中為螺紋外徑，取缸筒外徑的接近值，即=110mm； 為螺紋內徑取內徑值為106mm； 為螺紋內摩擦系數，取0.12； K為螺紋預緊系數，取1.5； 為液壓缸最大推力，即為 則 根據合成應力和強度經驗公式： 則 所以缸筒螺紋連接的強度滿足要求。 3、缸筒和缸體焊縫連接強度的計算

25、 缸體對焊縫的應力要求查手冊有 采用T422焊條，則取為0.7，為1200MPa，為100mm。 則 所以缸筒和缸體焊縫連接強度滿足要求。 缸筒的加工要求： 缸筒的加工可按照下圖進行： 缸筒的加工要求 ●缸筒內徑可選用H7配合。內徑表面粗糙度Ra=0.4μm。內徑圓度和圓柱度均選取九級精度。 ●缸筒端面T的垂直度選取七級精度。 ●為防止腐蝕，缸筒內表面鍍鉻，厚度為30~40μm，鍍后拋光。 4、活塞設計 活塞的材料 由于缸 徑較小，故選用45鋼。 活塞結構的設計 活塞根據壓力、速度、溫度等工作條件來選用密封件的型式，而選定的密封件型式

26、決定了活塞的結構型式。 常見的活塞結構型式分活塞分為整體式和組合式，組合式制作和使用比較復雜，又因密封件的安裝要求不是很高，而且缸徑較小，故采用整體式活塞的結構型式，其密封件和導向環(huán)分槽安裝。 形式如下圖： 活塞的寬度一般由密封件、導向環(huán)的安裝溝槽尺寸來決定，本課題，依據結構要求與密封件與導向件的結構，取活塞寬度B為50mm 5、活塞的密封 活塞的密封選用準則取決于壓力、速度、溫度和工作介質等因素。選用應用廣泛的O型密封圈，由于工作壓力大于10MPa，為防止密封圈被擠入間隙而損壞，故選用為副密封件為聚四氟乙烯（PTFE）的

27、擋圈與主密封件組合在一起使用。這種組合式密封圈顯著地提高了密封性能，降低了摩擦阻力，無爬行現象，具有良好的動態(tài)及靜態(tài)密封性，耐磨損，使用壽命長、安裝溝槽簡單、裝坼方便。 活塞桿的設計 6、活塞桿桿體的選擇 活塞桿的桿體分為實心桿和空心桿?？招臈U多用于d/D比值較大或桿體內有位置傳感器等場合。而實心桿加工簡單，采用較多， 故選用實心桿。 活塞桿的外端是液壓缸用以與負載連接的部位，可根據液壓缸的安裝連接形式有多種結構形式。本課題因液壓缸垂直安裝且活塞桿下端要裝壓板，為方便連接，活塞桿外端采用外螺紋（帶肩）形式。其外螺紋根據國家標準GB2350-80可選取M451.5。 活塞桿材料 1、

28、因為沒有特殊要求，所以選用45號鋼作為活塞桿的材料，本次設計中活塞桿只承受壓應力，所以不用調制處理，但進行淬火處理是必要的，淬火深度可以在0.5—1mm左右。 2、安裝活塞的軸頸和外圓的同軸度公差不大于0.01mm，保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒、活塞桿和導向的卡滯現象。安裝活塞的軸間端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保證活塞安裝不產生歪斜。 3、活塞桿外圓粗糙度選擇為0.3 4、因為是運行在低載荷情況下，所以省去了表面處理。 7、活塞桿強度的校核 由設計要求有液壓缸最大行程L=640mm 已設計活塞桿直徑為d=50mm 查手冊有

29、校核公式為 則 而活塞桿的最小直徑為45mm 所以活塞桿滿足強度要求 8、液壓缸穩(wěn)定性校核： 假設液壓缸只承受軸向載荷，則它所承受的力F不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負載,以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸正常工作。的值與活塞桿的材料性質、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關。校核公式為：（式中為安全系數，取3） 查相關手冊別結合以設計數據，取= 則 所以液壓缸的穩(wěn)定性滿足要求。 9、活塞桿的導向、密封和防塵 1、導向環(huán) 在液壓缸的前端蓋內，有對活塞桿導向的內孔,在這對內孔中裝導向環(huán)。本設計選擇非金屬導向環(huán)，用高強度塑料制成，這種導向環(huán)的優(yōu)點是摩擦阻

30、力小、耐磨、使用壽命長、裝導向環(huán)的溝槽加工簡單，并且磨損后導向環(huán)易于更換。 3、防塵 使用DH防塵圈，材料是聚氨酯，既有防塵作用，又有潤滑作用。 4、 緩沖裝置 由設計要求選擇的緩沖裝置為桿頭緩沖，緩沖由桿頭和缸底部端蓋共同作用。 5、 排氣裝置 液壓缸為雙作用，故需要兩個排氣孔，分別設置在缸的兩端。均取M16的排氣閥，具體尺寸見裝配圖。 液壓缸的安裝 由設計要求有安裝方式為底座安裝，查相關手冊，選具體安裝方式為底面腳架安裝，安裝圖形如下。 致謝

31、本學期我獨立完成了雙作用單桿活塞缸液壓缸的設計，通過本次設計的鍛煉，使我從中受益匪淺。了解到作為一名合格的設計人員實屬不易。不僅需要具備較為全面的專業(yè)素質，還要具備吃苦耐勞，敢于創(chuàng)新等優(yōu)秀品質。 在本次設計的過程中，我得到了很大提升。在設計能力上有了很大提高。借助老師和圖書館的幫助，我的設計比較順利的完成，由于缺乏經驗，設計并不是很完善。 在設計過程中也反映出很多問題，首先是設計經驗十分不足，對于實際液壓零件的要求和性能不甚了解，對于設計人員遵循的設計流程也不熟悉。另外本次設計的圖紙繪制主要基于AutoCAD，在此過程中也多次遇到技術難題，使用制圖軟件不夠熟練，日后我一定會好好學習，加強個人能力的培養(yǎng)。 本次課程設計為我提供了一次難得的機會，是一次對自己本學期所學知識的匯總。本著認真、科學、嚴謹和提升自我的態(tài)度，在老師的細心指導下完成了設計任務。相信在本次設計中所積累的經驗和成果會在以后的工作中派上用場。 - 16 -