DG型液压缸设计

DG 型液压缸设计说明书 摘 要 液 压 缸 19 世 纪 问 世 以 来 发 展 很 快 在 工 作 中 的 广 泛 适 应 性 使 其 在 国 民 经 济 各 部 门 获 得 了 广 泛 的 应 用 由 于 液 压 缸 在 结 构 方 面 功 能 方 面 已 经 比 较 成 熟 目 前 国 内 外 液 压 缸 的 发 展 不 仅 体 现 在 控 制 系 统 方 面 也 主 要 表 现 在 高 速 化 高 效 化 低 能 耗 机 电 液 一 体 化 以 充 分 合 理 利 用 机 械 和 电 子 的 先 进 技 术 促 进 整 个 液 压 系 统 的 完 善 自 动 化 智 能 化 实 现 对 系 统 的 自 动 诊 断 和 调 整 具 有 故 障 预 处 理 功 能 液 压 元 件 集 成 化 标 准 化 以 有 效 防 止 泄 露 和 污 染 等 四 个 方 面 作 为 液 压 缸 两 大 组 成 部 分 的 控 制 元 件 和 执 行 元 件 由 于 技 术 发 展 趋 于 成 熟 国 无 较 大 差 距 主 要 差 别 在 于 加 工 工 艺 和 安 装 方 面 良 好 的 工 艺 使 液 压 缸 在 过 滤 冷 却 及 防 止 冲 击 和 振 动 方 面 有 较 明 显 改 善 在 油 路 结 构 设 计 方 面 国 内 外 液 压 缸 都 趋 向 于 集 成 化 封 闭 式 设 计 插 装 阀 叠 加 阀 和 复 合 化 元 件 及 其 本 身 在 液 压 系 统 中 得 到 较 广 泛 的 应 用 本次设计的 DG 型液压缸是综合运用所学的基本理论 基本知识和相关的液压系 统专业知识 完成对 DG 型液压缸的设计 并绘制必要的液压缸装配图 液压系统原 理图 液压系统的组成结构主要由动力元件 执行元件 控制元件 辅助元件 工 作介质等等组成 本文通过设计 DG 型液压缸 分析液压缸的工作原理和动作过程 确定液压系统 工作原理图 根据系统参数要求设计液压缸 完成液压缸的装配图 并且能够使大 家对液压缸的具体结构构造和工作与原理有很好的认识和了解 关键词 DG 型液压缸 液压系统 具体结构 II ABSTRACT The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order use the basic theory basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design and drawing the necessary assembly hydraulic system map PLC control system diagram Manipulator mechanical structure using tanks screw guide tubes and other mechanical device component In the hydraulic drive bodies manipulator arm stretching using telescopic tank rotating column of tanks used rack manipulator movements using tank movements the column takes the horizontal movement of tanks This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design and pneumatic design This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts it can move according to the due track on the movement of grabbing carrying and unloading The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop by controlling and regulating pressure flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work Keywords manipulator Drive Hydraulic manifold block Elements III 目 录 第 一 章 绪 论 1 1 1 液 压 传 动 基 础 知 识 2 1 2 液 压 传 动 在 机 械 行 业 中 的 应 用 3 1 3 液压系统的基本组成 5 1 4 液压传动的优缺点 6 1 5 液 压 传 动 技 术 的 发 展 及 应 用 7 第 二 章 液 压 系 统 设 计 9 2 1 液压系统简介 10 2 2 液压系统控制回路 12 2 3 液压元件选择 12 2 4 液压传动系统的执行元件 13 2 4 1 执行元件的载荷计算及变化规律 14 2 4 2 液压缸的类型及结构形式 16 2 4 3 液压缸的组成 16 2 4 3 1 缸体组件 17 2 4 3 2 活塞组件 18 2 4 3 3 密封装置 18 2 4 3 4 缓冲装置 19 2 4 3 5 排气装置 20 第 三 章 DG 型 液 压 缸 的 设 计 23 3 1 液压缸的说明 23 3 2 DG 型液压缸的设计 24 3 2 1 活塞杆稳定性的校核 26 3 2 2 缸筒的计算 27 3 2 3 活塞杆的设计 29 IV 第 四 章 负 载 图 和 速 度 图 32 结 论 34 参 考 文 献 35 致 谢 36 V 第 1 章 绪 论 1 1 液压传动的基础知识 液 压 传 动 是 利 用 帕 斯 卡 原 理 帕 斯 卡 原 理 是 大 概 就 是 在 密 闭 环 境 中 向 液 体 施 加 一 个 力 这 个 液 体 会 向 各 个 方 向 传 递 这 个 力 力 的 大 小 不 变 液 压 传 动 就 是 利 用 这 个 物 理 性 质 向 一 个 物 体 施 加 一 个 力 利 用 帕 斯 卡 原 理 使 这 个 力 变 大 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 标 志 液 压 传 动 的 基 本 原 理 是 在 密 闭 的 容 器 内 利 用 有 压 力 的 油 液 作 为 工 作 介 质 来 实 现 能 量 转 换 和 传 递 动 力 的 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 1 2 液压传动在机械行业中的应用 液 压 技 术 从 1863 年 英 国 制 造 出 世 界 上 第 一 台 水 压 机 诞 生 算 起 已 经 有 400 多 年 的 历 史 了 然 而 在 液 压 上 的 真 正 推 广 使 用 却 是 18 世 纪 中 叶 的 事 情 了 第 二 次 世 界 大 战 期 间 在 一 些 武 器 装 备 上 用 上 了 功 率 大 反 应 快 动 作 准 的 液 压 传 动 和 控 制 装 置 大 大 的 提 高 了 武 器 装 备 的 性 能 同 时 也 加 速 了 液 压 技 术 本 身 的 发 展 战 后 液 压 技 术 迅 速 由 军 事 转 入 民 用 在 机 械 制 造 工 程 机 械 锻 压 机 械 冶 金 机 械 汽 车 船 舶 等 行 业 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 和 发 展 18 世 纪 50 年 代 以 后 原 子 能 技 术 空 间 技 术 电 子 技 术 等 的 迅 速 发 展 再 次 将 液 压 技 术 向 前 推 进 使 其 在 各 个 液 压 领 域 得 到 了 更 加 广 泛 的 应 用 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 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 VI 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 液 压 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 液 压 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 1 3 液压系统的基本组成 液 压 传 动 系 统 由 以 下 四 个 部 分 组 成 1 动 力 元 件 液 压 泵 其 功 能 是 将 原 动 机 输 出 的 机 械 能 转 换 成 液 体 的 压 力 能 为 系 统 提 供 动 力 2 执 行 元 件 液 压 缸 液 压 马 达 它 们 的 功 能 是 将 液 体 的 压 力 能 转 换 成 机 械 能 以 带 动 负 载 进 行 直 线 运 动 或 者 旋 转 运 动 3 控 制 元 件 压 力 流 量 和 方 向 控 制 阀 它 们 的 作 用 是 控 制 和 调 节 系 统 中 液 体 的 动 力 流 量 和 流 动 方 向 以 保 证 执 行 元 件 达 到 所 要 求 的 输 出 力 或 力 矩 运 动 速 度 和 运 动 方 向 4 辅 助 元 件 保 证 系 统 正 常 工 作 所 需 要 的 辅 助 装 置 包 括 管 道 管 接 头 油 箱 过 滤 器 和 指 示 仪 表 等 5 工 作 介 质 工 作 介 质 即 传 动 液 体 通 常 称 液 压 油 液 压 系 统 就 是 通 过 工 作 介 质 实 现 运 动 和 动 力 传 递 的 1 4 液压传动优缺点 优点 1 体积小 重量轻 单位重量输出的功率大 一般可达 32MPa 个别场合更高 VII 2 可在大范围内实现无级调速 3 操纵简单 便于实现自动化 特别是和电气控制联合使用时 易于实现复杂的 自动工作循环 4 惯性小 响应速度快 起动 制动和换向迅速 液压马达起动只需 0 1s 5 易于实现过载保护 安全性好 采用矿物油作为工作介质 自润滑性好 6 液压元件易于实现系列化 标准化和通用化 缺点 1 由于液压传动系统中存在的泄漏和油液的压缩性 影响了传动的准确性 不易 实现定比 传动 2 不适应在温度变化范围较大的场合工作 3 由于受液体流动阻力和泄漏的影响 液压传动的效率还不是很高 不易远距离 传动 4 液压传动出现故障不易查找 1 5 液压传动技术的发展与应用 液 压 技 术 从 年 英 国 制 造 出 世 界 上 第 一 台 水 压 机 诞 生 算 起 已 经 有 多 年 的 历 史 了 然 而 在 液 压 上 的 真 正 推 广 使 用 却 是 世 纪 中 叶 的 事 情 了 第 二 次 世 界 大 战 期 间 在 一 些 武 器 装 备 上 用 上 了 功 率 大 反 应 快 动 作 准 的 液 压 传 动 和 控 制 装 置 大 大 的 提 高 了 武 器 装 备 的 性 能 同 时 也 加 速 了 液 压 技 术 本 身 的 发 展 战 后 液 压 技 术 迅 速 由 军 事 转 入 民 用 在 机 械 制 造 工 程 机 械 锻 压 机 械 冶 金 机 械 汽 车 船 舶 等 行 业 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 和 发 展 世 纪 年 代 以 后 原 子 能 技 术 空 间 技 术 电 子 技 术 等 的 迅 速 发 展 再 次 将 液 压 技 术 向 前 推 进 使 其 在 各 个 液 压 领 域 得 到 了 更 加 广 泛 的 应 用 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 VIII 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 液 压 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 液 压 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 二 章 液 压 系 统 设 计 2 1 液压系统简介 液 压 系 统 是 一 种 以 油 液 作 为 工 作 介 质 利 用 油 液 的 压 力 能 并 通 过 控 制 阀 门 等 附 件 操 纵 液 压 执 行 机 构 工 作 的 整 套 装 置 包 括 动 力 元 件 执 行 元 件 控 制 元 件 辅 助 元 件 附 件 和 液 压 油 原 动 机 的 输 出 特 性 往 往 不 能 和 执 行 机 构 的 要 求 力 速 度 位 移 理 想 匹 配 因 此 就 需 要 某 种 传 动 装 置 将 原 动 机 的 输 出 量 进 行 适 当 变 换 使 其 满 足 工 作 机 构 的 要 求 液 压 系 统 就 是 用 液 压 原 理 来 实 现 这 种 变 换 功 能 的 装 置 2 2 液压系统控制回路 2 2 1 压力控制回路 调 压 回 路 在 采 用 定 量 泵 的 液 压 系 统 中 为 控 制 系 统 的 最 大 工 作 压 力 一 般 都 在 油 泵 的 出 口 附 近 设 置 溢 流 阀 用 它 来 调 节 系 统 压 力 并 将 多 余 的 油 液 溢 流 回 油 箱 卸 荷 回 路 在 缸 各 油 缸 不 工 作 时 油 泵 电 机 又 不 停 止 工 作 的 情 况 下 为 减 少 油 泵 的 功 率 损 耗 节 省 动 力 降 低 系 统 的 发 热 使 油 泵 在 低 负 荷 下 工 作 所 以 采 用 卸 荷 回 路 此 缸 采 用 二 位 二 通 电 磁 阀 控 制 溢 流 阀 遥 控 口 卸 荷 回 路 IX 减 压 回 路 为 了 是 缸 的 液 压 系 统 局 部 压 力 降 低 或 稳 定 在 要 求 减 压 的 支 路 前 串 联 一 个 减 压 阀 以 获 得 比 系 统 压 力 更 低 的 压 力 平 衡 与 锁 紧 回 路 在 机 械 液 压 系 统 中 为 防 止 垂 直 机 构 因 自 重 而 任 意 下 降 可 采 用 平 衡 回 路 将 垂 直 机 构 的 自 重 给 以 平 衡 为 了 使 缸 手 臂 在 移 动 过 程 中 停 止 在 任 意 位 置 上 并 防 止 因 外 力 作 用 而 发 生 位 移 可 采 用 锁 紧 回 路 即 将 油 缸 的 回 油 路 关 闭 使 活 塞 停 止 运 动 并 锁 紧 本 缸 采 用 单 向 顺 序 阀 做 平 衡 阀 实 现 任 意 位 置 锁 紧 的 回 路 油 泵 出 口 处 接 单 向 阀 在 油 泵 出 口 处 接 单 向 阀 其 作 用 有 二 第 一 是 保 护 油 泵 液 压 系 统 工 作 时 油 泵 向 系 统 供 应 高 压 油 液 以 驱 动 油 缸 运 动 而 做 功 当 一 旦 电 机 停 止 转 动 油 泵 不 再 向 外 供 油 系 统 中 原 有 的 高 压 油 液 具 有 一 定 能 量 将 迫 使 油 泵 反 方 向 转 动 结 果 产 生 噪 音 加 速 油 泵 的 磨 损 在 油 泵 出 油 口 处 加 设 单 向 阀 后 隔 断 系 统 中 高 压 油 液 和 油 泵 时 间 的 联 系 从 而 起 到 保 护 油 缸 的 作 用 第 二 是 防 止 空 气 混 入 系 统 在 停 机 时 单 向 阀 把 系 统 能 够 和 油 泵 隔 断 防 止 系 统 的 油 液 通 过 油 泵 流 回 油 箱 避 免 空 气 混 入 以 保 证 启 动 时 的 平 稳 性 2 2 2 速度控制回路 液 压 缸 各 种 运 动 速 度 的 控 制 主 要 是 改 变 进 入 油 缸 的 流 量 Q 其 控 制 方 法 有 两 类 一 类 是 采 用 定 量 泵 即 利 用 调 节 节 流 阀 的 通 流 截 面 来 改 变 进 入 油 缸 或 油 马 达 的 流 量 另 一 类 是 采 用 变 量 泵 改 变 油 泵 的 供 油 量 本 缸 采 用 定 量 油 泵 节 流 调 速 回 路 根 据 各 油 泵 的 运 动 速 度 要 求 可 分 别 采 用 LI 型 单 向 节 流 阀 LCI 型 单 向 节 流 阀 或 QI 型 单 向 调 速 阀 等 进 行 调 节 节 流 调 速 阀 的 优 点 是 简 单 可 靠 调 速 范 围 较 大 价 格 便 宜 其 缺 点 是 有 压 力 和 流 量 损 耗 在 低 速 负 荷 传 动 时 效 率 低 发 热 大 采 用 节 流 阀 进 行 节 流 调 速 时 负 荷 的 变 化 会 引 起 油 缸 速 度 的 变 化 使 速 度 稳 定 性 差 其 原 因 是 负 荷 变 化 会 引 起 油 缸 速 度 的 变 化 使 速 度 稳 定 性 差 其 原 因 是 负 荷 变 化 会 引 起 节 流 阀 进 出 油 口 的 压 差 变 化 因 而 使 通 过 节 流 阀 的 流 量 以 至 油 缸 的 速 度 变 化 调 速 阀 能 够 随 负 荷 的 变 化 而 自 动 调 整 和 稳 定 所 通 过 的 流 量 使 油 缸 的 运 动 速 度 不受负荷变化的影响 对速度的平稳性要求高的场合 宜用调速阀实现节流调 X 速 2 2 3 方向控制回路 在缸液压系统中 为控制各油缸 马达的运动方向和接通或关闭油路 通常采 用二位二通 二位三通 二位四通电磁阀和电液动滑阀 由电控系统发出电信号 控制电磁铁操纵阀芯换向 使油缸及油马达的油路换向 实现直线往复运动和正反 向转动 目前在液压系统中使用的电磁阀 按其电源的不同 可分为交流电磁阀 D 型 和直流电磁阀 E 型 两种 交流电磁阀的使用电压一般为 220V 也有 380V 或 36V 直流电磁阀的使用电压一般为 24V 或 110V 这里采用交流电磁阀 交 流电磁阀起动性能好 换向时间短 接线简单 价廉 但是如吸不上时容易烧坏 可靠性差 换向时有冲击 允许换向频率底 寿命较短 2 3 液压元件选择 一 液压缸 液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为1 62MPa 如果取进油路上的压力 损失为0 8MPa 为使压力继电器能可靠工作 取其调整压力高出系统最高工作压力 0 5MPa 则小流量液压泵的最大工作压力为 MPa92 5 0862 1p 大流量液压泵在快进 快速运动时才向液压缸输油 如果取进油路上的压力损失为 0 5MPa 则大流量阀的最高工作压力为 aP25 01p2 则由工况图可知 最大流量为17 64L min 因系统比较简单 所以取泄露系数为 05 1Ki 则两个液压泵的实际流量为 min 52 1864 7 qLp 由于溢流阀的最小稳定溢流量为3L min 而工进时输入液压缸的流量为 0 5L min 由小流量液压泵单独供油 所以小液压泵的流量规格最少应为 3 5L min 根据以上压力和流量的数值查阅产品样本 最后确定选取PV2R12 6 26型双连叶 XI 片液压泵 其小液压泵和大液压泵的排量分别为6ml r和26ml r 当液压泵的转速 时该液压泵的理论流量为20 08L min 若取液压泵的容积效率min 940nrp 由于液压缸在工进时输入功率最大 这是液压泵工作压力为2MPa 流量为 hv 27 1L min 按图标去液压泵的总效率为 则液压泵驱动电动机所需的功率为 75 0hp KWhpq2 175 06P 根据此数值查阅电动机产品样本选取Y100L 6型电动机 其额定功率为 额定转速 kWn5 1p min 940nrp 图3 11 活塞杆 缸体 活塞和活塞杆的材料 1 缸体 机床 多数采用高强度铸铁 HT200 当压力超过8MPa时 采用无缝钢管 工程机械 多数采用35钢和45钢无缝钢管 压力高时 可采用27SiMn无缝钢管 或45钢锻造 2 活塞 整体式活塞 多数采用35钢和45钢 装配式活塞 常采用灰铸铁 耐磨铸铁 铝合金等 特殊需要的可在钢活塞坯 外面装上青铜 黄铜和尼龙耐磨套 3 活塞杆 一般采用35钢和45钢 当液压缸的冲击振动很大时 可使用55钢或40Cr等合金材 料 XII 二 阀类原件及辅助原件 1 单向阀 单向阀分成两类 有普通单向阀和液控单向阀 普通单向阀只允许液流向一个 方向通过 液控单向阀既有普通单向阀的功能 并且只要在远程控制口通以一定压 力的控制油液 液流反向也能通过 在工程应用中常用两个液控单向阀组成液压锁 图 2 11 单向阀 液控单向阀可作为单向闭锁和保压使用 它用于液压系统中 阻止油液反向流动 起到普通单向阀作用 但可利用控制压力油 通过控制活塞打开单向阀芯 使油液 实现反向流动 液控单向阀可用在需要严格封闭的油路中 进行单向闭锁 起到保 压作用 对单向阀的要求 1 对于正向开启压力为 0 04Mpa 的液控单向阀 使用时不允许阀芯锥面垂直向上方 安装 2 管接头连接处 禁止用油漆 麻丝 聚四氟乙烯密封带 可用密封胶 3 对于外泄式结构的液控单向阀 控制活塞部分的泄漏油应从 L 口单独接回油箱 XIII 2 溢流阀 图示为球阀式直动型溢流阀 它也有一个阻尼活塞 但与锥阀式结构不同活塞 与球阀之间不是刚性连接 而是通过阻尼弹簧使活塞与球阀接触 活塞两端的液压 力平衡 由于活塞的阻尼作用 可使始终与活塞相连接的球阀运动平稳 当压力油自进油口经环形槽进入油腔时 同时液压油经油道进入阀芯右面腔 当油 口处压力升高到作用在阀芯右侧的力超过弹簧力的时候 阀芯左移 阀口处于某一 开度 油腔和回油环形槽接通 油液从回油口排出 这时压力油作用在阀心上的力 就和开度下作用在阀芯上的弹簧力保持平衡 P A Fs k x0 x 由于阀芯位移量 x 远小于 x0 所以 P A Fs k x0 x kx0 P F A k x0 x A kx0 A 常数 即压力也就基本稳定在 kx0 数值上 图3 13 溢流阀 XIV 3 三位四通换向阀 由阀体和阀芯组成 阀体圆孔内有5条环形槽 分别对应P A B T1四个油口 阀芯上有三个凸台 图3 14 三位四通换向阀 4 液压压泵 当齿轮旋转时 在 A 腔 由于轮齿脱开使容积逐渐增大 形成真空从油箱吸 油 随着齿轮的旋转充满在齿槽内的油被带到 B 腔 在 B 腔 由于轮齿啮合 容 积逐渐减小 把液压油排出 利用齿和泵壳形成的封闭容积的变化 完成泵的功能 不需要配流装置 不 能变量结构最简单 价格低 径向载荷大 XV 图3 15 液压泵 三 油管 各原件间连接轨道的规格按液压原件接口处的尺寸决定 液压缸进 出油管则按 输入 排出的最大流量计算 由于液压泵选定之后液压缸在各个工作阶段的进 出流量已与原定数值不同 所以需要重新计算 按照经验值推荐去油液在压油管的流速v 3m s 则算得与液压缸无杆腔及有 杆腔相连的油管内径分别为 mpvq04 1352 2d6 pvq85 103 72d6 这两根油管都选用内径 外径 mm的冷拔无缝钢管 mff 四 油箱 油箱容积按公式估计 取其经验数据 故其容积为7z 按GB T7938 1999规定 其标准值为V 250L 72 189 7pVqLz XVI 2 4 液压传动系统的执行元件 2 4 1 执行元件的载荷计算及变化规律 执行元件的载荷即为液压缸的总阻力 油缸要运动必须克服其阻力才能运行 因此在次计算油缸的总阻力即可 油缸的总阻力包括 阻碍工作运动的切削力 切F 运动部件之间的摩擦阻力 密封装置的摩擦阻力 起动制动或换向过程中的磨F密F 惯性力 回油腔因被压作用而产生的阻力 即液压缸的总阻力也就是它的最惯F背 大牵引力 背惯密磨切 FF 切 1 切削力 根据其概念 阻碍工作运动的力 在本设计中即为额定负载的重 力和支架以及上顶板的重力 其计算式为 上 顶 板支 架额 载切 2 摩擦力 各运动部件之间的相互摩擦力由于运动部件之间为无润滑的钢 钢之间的接触摩擦 取 0 15 其具体计算式为 额 载磨 GgmF 432 3 密封装置的密封阻力 根据密封装置的不同 分别采用下式计算 XVII O 形密封圈 其中 F 为液压缸的推力F03 密 Y 形密封圈 dhfp 密 f 表示摩擦系数 取 f0 1 p 表示密封处的工作压力 单位 Pa d 表示密封处的直径 单位 m 表示密封圈有效高度 单位 m 1h 密封摩擦力也可以采用经验公式计算 一般取 F1 0 5 密 4 运动部件的惯性力 其计算式为 t vFtGF gma切惯 式中 G 表示运动部件的总重力 单位 N g 表示重力加速度 单位 2m s 表示启动或制动时的速度变量 单位 m s v 表示起动制动所需要的时间 单位 st 对于行走机械 本设计中取值为 2 4 0s 5 背压力 背压力在此次计算中忽略 而将其计入液压系统的效率之中 由上述说明可以计算出液压缸的总阻力为 切切额 载额 载惯密磨切 FtvGGgFF 05 gmm3214321 204 8 316 120 188 2500 x9 8 0 15 204 8 316 120 x 9 8 204 8 316 120 188 2500 x0 4 204 8 316 120 188 2500 9 8 0 05 40KN 液压缸的总负载为 40KN 该系统中共有 2 个液压缸个液压缸 故每个液压缸 需要克服的阻力为 20KN 该升降台的额定载荷为 100Kg 其负载变化范围为 0 100Kg 在工作过程中 无冲击负载的作用 负载在工作过程中无变化 也就是该升降台受恒定负载的作用 2 4 2 液压缸的类型及结构形式 XVIII 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 双作用单活塞杆液压缸如上图所示 它由缸筒 10 活塞 11 活塞杆 18 缸盖 9 密封圈 7 14 导向套 9 耳环 1 弹簧挡圈 4 17 等主要零件组成 这种液压 缸缸筒固定 活塞杆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卡套 6 15 用于阻止压 板 11 20 向外移动 从而通过螺栓将缸盖 9 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 B 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 B 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 2 1 液压缸的类型和特点 类型 速度 作用力 特点 XIX 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 单 作 用 液 压 缸 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 V U2 F1 F2 双 作 用 液 压 缸 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 弹簧复位液压 缸 单向由液压驱动 回 程弹簧复位 XX 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 液 压 缸 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 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 摆 动 液 压 缸 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 2 4 3 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 2 4 3 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 p20MPa 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 21 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 21 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 XXI 量较轻 常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上 图 2 21 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 21 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 21 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 图 2 21 缸筒和缸盖结构 a 法兰连接式 b 半环连接式 c 螺纹连接式 d 拉杆连接式 e 焊接连接式 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 4 3 2 活塞组件 XXII 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 号钢或 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 号钢或 号钢等材料 当冲击振动很大时 也可采用 号钢或 Cr 钢 图 2 22 所示为几种常见的活塞 与活塞杆的连接形式 图 2 22 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 22 b 和 c 所示为卡环式连接方式 图 2 22 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 22 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 22 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 XXIII 图 2 22 常见的活塞组件结构形式 2 4 3 3 密封装置 密封装置主要用来防止液压油的泄漏 液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化 来传递动力和速度 故密封装置的优劣 将直接影响液压缸的工作性能 根据两个 需要密封的偶合面间有无相对运动 可把密封圈分为动密封和静密封两类 设计或 选用密封装置的基本要求是 具有良好的密封性能 并随着压力的增加能自动提高 其密封性能 摩擦阻力小 密封件耐油性 抗腐蚀性好 使用寿命长 使用的温度 范围广 制造简单 装拆方便等 通常液压缸的密封有间隙密封 活塞环密封 型密封圈 Y 型密封圈 V 型密封圈等密封方式来防止漏油 图 2 23 密封装置 a 间隙密封 b 摩擦环密封 c 形圈密封 d V 形圈密封 液压缸中常见的密封装置如上图 2 23 所示 图 2 23 a 所示为间隙密封 它 依靠运动间的微小间隙来防止泄漏 为了提高这种装置的密封能力 常在活塞的表 面上制出几条细小的环形槽 以增大油液通过间隙时的阻力 它的结构简单 摩擦 阻力小 可耐高温 但泄漏大 加工要求高 磨损后无法恢复原有能力 只有在尺 寸较小 压力较低 相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用 图 2 23 b 所示为摩 擦环密封 它依靠套在活塞上的摩擦环 尼龙或其他高分子材料制成 在 O 形密封圈 XXIV 弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏 这种材料效果较好 摩擦阻力较小且稳定 可耐 高温 磨损后有自动补偿能力 但加工要求高 装拆较不便 适用于缸筒和活塞之 间的密封 图 2 23 c 图 2 23 d 所示为密封圈 O 形圈 V 形圈等 密封 它利 用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静 动配合面之间来防止泄漏 它 结构简单 制造方便 磨损后有自动补偿能力 性能可靠 在缸筒和活塞之间 缸 盖和活塞杆之间 活塞和活塞杆之间 缸筒和缸盖之间都能使用 对于活塞杆外伸部分来说 由于它很容易把脏物带入液压缸 使油液受污染 使密封件磨损 因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈 并放在向着活塞杆外伸的一 端 2 4 3 4 缓冲装置 当运动部件拖动质量较大的部件作往复运动时 运动速度较高时 v 12m min 运动部件惯性力较大 活塞运动到终端会与缸盖发生机械碰撞 产生冲击 噪声 严重时影响加工精度 甚至引起破坏性事故 因此 在液压缸内两端部应设置缓冲 装置 一般缓冲装置由缓冲柱塞 缓冲油腔 三角节流槽 单向阀 节流阀组成 组 合的缓冲形有圆柱形环隙式 圆锥形环隙式 节流口可变式节流口可调式 缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其 走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液 强迫它从小孔或细缝中挤出 以 产生很大的阻力 使工作部件受到制动 逐渐减慢运动速度 达到避免活塞和缸盖 相互撞击的目的 如下图 2 24 a 所示 当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时 孔中的液 压油只能通过间隙 排出 使活塞速度降低 由于配合间隙不变 故随着活塞运动 速度的降低 起缓冲作用 当缓冲柱塞进入配合孔之后 油腔中的油只能经节流阀 1 排出 如图 2 24 b 所示 由于节流阀 1 是可调的 因此缓冲作用也可调节 但 仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点 如图 2 24 c 所示 在缓冲柱塞上开 有三角槽 随着柱塞逐渐进入配合孔中 其节流面积越来越小 解决了在行程最后 阶段缓冲作用过弱的问题 XXV 图 2 24 液压缸的缓冲装置 1 节流阀 2 4 3 5 排气装置 液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时 液压缸里和管道系统中会渗入 空气 为了防止执行元件出现爬行 噪声和发热等不正常现象 需把缸中和系统中 的空气排出 对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置 而是将油口布置在 缸茼两端的最高处 这样也能使空气随油液排往油箱 在从油面逸出 对于速度稳 定性要求较高的液压缸或大型液压缸 常在液压缸的最高处设置进出油口把气带走 也可在最高处设置放气孔或专门的放气阀 XXVI 图 2 25 放气装置 1 缸盖 2 放气小孔 3 缸体 4 活塞杆 第 3 章 DG 型 液 压 缸 的 设 计 3 1 液压缸的说明 DG 型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 3 2 DG 型液压缸的设计 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 XXVII 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 p MPa 7 推荐活塞杆直径 d 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D 0 7D 强度校核的项目包括缸筒壁厚 活塞杆直径 d 和缸盖固定螺栓的直径 ds 当 D 10 时为薄壁 按下式校核 式中 D 缸筒内径 缸筒材料的许用应力 b n b 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 p y 1 5pn p n 16Mpa 时 p y 1 25pn 当 D 10 时为厚壁 按下式校核 2 活塞杆直径 d 式中 F 活塞杆上的作用力 活塞杆材料的许用应力 b 1 4 3 缸盖固定螺栓直径 ds 式中 F 活塞杆上的作用力 k 螺纹拧紧定螺栓个数 螺栓材料的许用应力 s 1 22 2 5 s 为材料的屈服点 XXVIII 活塞杆材料的许用应力 b 1 4 3 2 1 活塞杆稳定性校核 当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题 即 压缩力 F 超过某一临界 Fk 值时活塞杆就会失去稳定性 活塞杆稳定性按下式进行校核 式中 nk 安全系数 一般取 nk 2 4 当活塞杆的细长比 时 当活 塞杆的细长比 且 时 安装长度 rk 活塞杆截面最小回转半径 1 柔性系数 2 由液压缸支承方式决定的末端系数 E 活塞杆材料的弹性模量 钢材 J 活塞杆横截面惯性矩 A 活塞杆横 f 由材料强度决定 的试验值 系数 3 2 缸筒的设计 1 缸筒材料的选择及加工工艺 参阅 郑州强盛液压制造有限公司产品样本 以下简称 产品样本 第 15 页可知 DG 型液压缸的最大推力和拉力为 16MPa 即 工作压力 p 20MPa 所以 缸筒材料可选用无缝钢管 结合本公司生产车间的实际加工水平 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 20 号钢的缸筒毛坯件 即 内圆已 经过衍磨 外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管 2 确定缸筒的总体尺寸 a 缸筒内径的大小及厚度 查 产品样本 第 16 页图表可得 DG 型液压缸缸筒的内径为 90mm 外径为 108mm 即 厚度为 18mm b 缸筒的总长度的确立 参考 产品样本 第 17 页图表可得 缸筒总长度 L 由活塞杆两端活塞宽度 导 向筒的宽度以及在满足本液压缸的行程后来确定 在整个液压缸的设计中 缸筒的 长度属于不确定因素 在此 先不予考虑 XXIX 3 3 活塞杆的设计 下面是整体式活塞杆的几种联接结构如下图 XXX 1 耳 环连接 2 端部 铰轴连接 3 中部 铰轴连接 4 端部 法兰连接 XXXI 5 中部法兰 连接 6 底部法兰 连接 第 四 章 负 载 图 和 速 度 图 取液压缸的机械效率 0 9 计算液压缸各工作阶段的负载情况 启动 F Ffj 880N F F 1160 0 9 N 1289 N 加速 F F fd Fg 580 493 20 1073 20 N F F 1073 20 0 9 1193 N 快进 F F fd 290 N F F 580 0 9 645 N 工进 F F fd Fw 580 3183 3763 N F F 3763 0 9 4182 N 快退 F F fd 290N F F 580 0 9 645 N 液压缸各阶段负载情况 阶段 负载计算公式 液压缸负载 F N 液压缸推力 F N 启动 F Ffj 1160 1289 XXXII 加速 F Ffd Fg 1073 20 1193 快进 F Ffd 580 645 工进 F Ffd Fw 3763 4182 快退 F Ffd 580 1193 根据工况负载 F 及行程 S 绘制负载图 根据工进速度 V1 快进速度 V2 确定下图 XXXIII 总 结 经过几个星期的学习和努力 我终于完成了本次毕业设计任务 在此期间我查 找各方面的书籍并上网搜索资料 锻炼了自己和独立解决问题的能力 在整个毕业设计过程中 使我对 AUTOCAD Word 等办公软件有更深的了解 学会如何应用及合理的规划布局 从中 学到不少有关机械方面的知识 同时对机 械设计和液压传动得到更进一步的了解 这是第一次如此重视的液压缸设计 在这 次设计即将结束时自己才发现所有的有价值的资料都来源于图书馆和累积下来的手 稿 来自网络的知识都是粗糙的 可直接利用的却不够详尽不够本原 是自己对这 次毕业设计的最大体会 但由于自己学历不精 认识不足 在本次设计中存在一定地失误和欠缺 希望 老师给予批评和帮助 使本次设计更加完美 让我在大学所学到的知识综合运用起 来 会对我以后工作有很大的帮助 在今后的学习和工作中更努力 认真负责 妥 善地完成本职工作 XXXIV 参考文献 1 邓星钟 机电传动控制 M 华中科技大学出版社 2002 2 孙志礼 冷兴聚 魏延刚等 机械设计 M 东北大学出版社 2003 3 徐灏 机械设计手册 M 第 5 卷 机械液压出版社 1992 4 吴宗泽 机械设计师手册 M 机械液压出版社 2002 5 成大先 机械设计图册 M 化学液压出版社 2002 年 6 罗洪量 机械原理课程设计指导书 M 第二版 高等教育出版社 1986 7 JJ 杰克 美 机械与机构的设计原理 M 第一版 机械液压出版社 1985 8 王玉新 机构创新设计方法学 M 第一版 天津大学出版社 1996 9 张建民 液压缸 B M 北京理工大学出版社 1992 10 马香峰 缸结构学 B M 机械液压出版社 1991 11 俄 IO M 索罗门采夫 液