剪叉式平台液压系统及液压缸设计含12张CAD图
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I 摘 要 由于各行业的发展,针对升降平台服务的设备行业已经成为我国的新型产业不 断发展壮大,各类剪叉式平台不断出现,随着质量的逐步提高,销量也在稳步上升。 本设计液压升降台采用剪叉式结构。 近年来,有许多课题文献是有关于剪叉式液压平台液压系统的,但这些研究大 多针对于某一课题或者难点进行研究,对于研究平台及液压系统的论文却少,所以 研究与设计剪叉式液压平台及液压系统具有重要现实与理论意义。 本论文主要概述剪叉式平台液压技术的发展史及其目前在国内外发展情况,简 述了剪叉式平台发展趋势,整机的液压系统图油路各自拟订好的控制回路及液压源 而成。各回路相互时去掉重复多余的元件,力求系统结构简单。 本文对剪叉式平台的液压系统与回路进行了简单的分析与阐述,并对课题要求 的设计要求进行了方案设计与分析,通过进一步的验算选定了所需要的液压元件。 通过运用 AutoCAD 绘制液压系统原理图、液压平台装配图、液压缸及其他零件图。 最后通过验算证明了本设计的准确性。 关键字:平台,剪叉式 ,液压系统,液压缸 II Abstract With the development of logistics and automobile industry, the equipment industry that serves it has become a new industry in our country. Sales increased year by year. This design hydraulic lifting platform with shear-fork structure. In recent years, the literature on hydraulic system of shear-fork platform is not uncommon, but the content of literature is mostly focused on a topic, but there are few papers on hydraulic system of modern shear-fork platform. Therefore, the research and design of shear-fork platform hydraulic system has important practical and theoretical significance. This paper mainly summarizes the development history of hydraulic technology of shear-fork platform and its development situation at home and abroad, and briefly describes the development trend of shear-fork platform. The hydraulic system diagram of the whole machine is composed of control circuits and hydraulic sources drawn up separately. When the circuits are combined with each other, duplicate redundant elements are removed, and the system structure is simple. In this paper, the common hydraulic circuit of the shear-fork platform is simply described and analyzed, and the hydraulic system of the shear-fork platform is designed and analyzed. The hydraulic system schematic diagram, the working tank assembly, the hydraulic layout drawing, the oil tank parts drawing are drawn by using AutoCAD. Finally, the feasibility of the design is proved by checking calculation. Key Words:P latform; Shear fork type; Hydraulic system, Hydraulic cylinde III 目 录 目 录 .I 摘 要 .V ABSTRACT .VI 1 绪论 .1 1.1 升降平台的设计特点 .1 1.2 剪叉式升降平台的安全保证措施 .1 1.2.1 设计制造方面的安全保证措施 .2 1.2.2 使用维护方面的安全保证措施 .3 1.3 研究地目地及意义 .3 2 总体设计方案确定 .4 2.1 设备液压系统设计地原始依据 .4 2.2 工作情况分析 .4 2.3 设备液压系统设计运动速度地确定 .5 3 剪叉式升降台受力分析 .6 3.1 剪叉式升降平台的三种结构形式 .6 3.2 剪叉式升降平台机构的位置参数计算 .7 3.3 剪叉式升降平台机构的动力参数计算 .10 3.4 剪叉式升降平台机构设计时应注意的问题 .10 IV 4 液压缸的设计计算 .12 4.1 明确设计要求 制定基本方案: .12 4.1.1 确定液压缸的类型 .12 4.1.2 确定液压缸的安装方式 .12 4.1.3 缸盖联接的类型 .12 4.2 液压缸载荷计算 .12 4.3 液压缸各组成部分的设计 .16 4.3.1 液压缸缸筒的设计和计算: .16 4.3.2 活塞杆的设计与计算: .18 4.3.3 导向套的设计与计算: .23 4.3.4 液压缸油口的设计: .25 4.3.5 端盖和缸底的设计计算: .27 4.3.6 密封件的选用: .29 4.3.7 防尘圈 .30 4.3.8 液压缸的安装连接结构 .30 4.4 液压缸主要零件的材料和技术要求 .33 4.4.1 缸体 .33 4.4.2 活塞杆 .34 5 液压传动系统的设计计算 .34 5.1 拟订液压执行元件运动控制回路 .34 V 5.2 液压源系统 .34 5.3 确定液压系统的主要参数 .34 5.3.1 载荷的组成与计算: .34 5.3.2 初选系统压力 .35 5.3.3 计算液压缸的主要结构尺寸 .35 5.3.4 确定液压泵的参数 .39 5.3.5 管道尺寸的确定 .38 5.3.6 油箱容量的确定 .39 5.4 绘制液压系统原理图 .40 5.4.1、压力油源 .40 5.4.2、控制回路 .40 5.4.3、液压锁紧回路 .40 5.4.4、绘制液压系统原理图 .40 致 谢 .42 参考文献 .43 1 1 绪 论 剪叉式升降平台是现代物流和汽车维修作业中必不可少的设备。剪叉式升降平 台的从上世纪 20 年代开始使用,发展至今经历了许多的变化改进,种类也比较多, 一般驱动方式有机械传动,液压传动,气压传动等。本章讲述了升降平台的设计特 点安全措施以及本次研究的目的和意义。 1.1 升降平台的设计特点 (1)当升降平台台板位于最低位置时,平台台板应该与地面处在同一平面上, 为了达到这个目的减少在车间地面施工的投资费用保证车间地面的平整性,所以在 保证强度与刚度的情况下应该尽可能降低升降平台和横梁之间的高度,这样便于使 需要升降的货物搬运至升降平台,也使得所需空间变小,节约车间空间,在合适的 条件下,升降台的平台板应选用专用型钢或者采用钢板拆弯成型。 (2)正确选择传动方式。采用机械传动(螺纹传动)或液压传动(液压系统), 均用电动机驱动。机械传动的成本较高,耗能较多,但安全性较好。 经验证明:机 械传动的能耗为液压传动所需能耗的两倍(在举升载荷、举升时间均相同的条件下) 。机械式升降平台的螺母、螺栓磨损较快,维修保养工作量大而液压式升降平台的 维修量却相对要小些虽然技术难度大但是大部分的零件都可外购。当然在选择外购 零件时一定要选用优质产品。 1.2 剪叉式升降平台的安全保证措施 现如今世界上人们对于工作环境的安全性越来越重视,而剪叉式液压平台由于 需要托起重物,人们在平台下工作;假如升降时操作不当很容易引起安全事故,所 以近年来许多国家制定了关于升降台的安全法规,争取降低安全事故发生的可能性。 2 为了保证剪叉式液压平台的安全性主要通过两个方面:一、在设计之初验算好 液压平台的各项数据以提高设计平台的安全技术特性;二、在使用以及维修液压平 台的过程中严格遵守安全规范与操作流程来保证该平台可以在安全的状态下运行。 两项措施在后说明。 1.2.1 设计制造方面的安全保证措施 随着技术发展,许多的安全装置已经广泛运用到了设计领域如自动控制光电开 关等。因此在设计剪叉式液压平台时应优先采用先进可靠的安全技术,下面举例现 在多数剪叉式液压平台所采用的安全措施。 (1)设计时考虑到剪叉式液压平台应能经受超载试验(升降以及支撑),一般 是在设计的要求的 125%举升能力时平台构件不得有永久性的任何变形与损坏。 (2)执行的所有操作均需要采用“双重保险”,为了防止失误操作,平台进行 升落操作前必须操作两个安全控制装置(或者开关)后才能执行操作。 (3)控制电路都应有失效保护,这样在单个元件失效的情况下,也不会导致液 压平台骤然上升或者下降然后造成危险局面甚至安全事故。 (4)所有的运动零件都应该安装安全防护装置,以免平台运行时伤害到操作人 员或者卷住操作人员的衣物头发导致安全事故的发生。 (5)设计中应将举升重物的滑动可能性降到最低,防止举升过程中产生滑移产 生危险。 3 1.2.2 使用维护方面的安全保证措施 在使用与日常维护方面的安全措施;虽然剪叉式平台已经有 70 多年的发展,技 术与研究逐步趋于成熟,但其原理并没有多大改变。所以在日常操作中若是忽视安 全操作要求仍旧会引发危险甚至导致安全事故的发生所以对于日常操作平台一定要 引起单位以及操作人员的高度重视。首先单位应选用安全性能良好的剪叉式液压平 台其次在实际操作中操作者要认真理解说明书中的注意事项并且严格遵守操作规范。 (1)对于平台每天需要进行检查当发现有零部件损坏时应立即停止使用并安排 专业维修人员维修。 (2)举升重物时剪叉式液压平台不得超载使用,每个平台的铭牌上的额定载荷 需要标注准确清晰,对于偏载的重物需要满足使用条件后才能装载使用。 (3)平台的操作人员应当经过系统的培训后上岗,并严格按照操作流程进行操 作。 (4)保证平台空间内地面平整无杂物垃圾。 (5)在平台下降签应该将下方所有工具设备移开并且打开锁紧装置以防止对平 台的损伤。 1.3 研究地目地及意义 液压系统地设计是综合实践教学,通过这次毕业设计作是下列目地: 1.熟悉相关地国家标准和部颁标准;设计手册;产品样品;其它技术资料。学 生在计算;绘图; 设计数据;实证估计;CAD 技术地基本技能方面进步技术水平 ; 2.是了巩固和强化知识;掌握设计方法步骤和液压系统的计算培养学生的设计 与综合分析能力。 3.是了了解可靠的执行装置;标准的液压设备用元器件;液压系统的一般原理 回路;能够以灵活地应用适合液压系统地基本性能要求。 4 2 总 体 设 计 方 案 确 定 设备液压系统设计是一种作是是根据照零件制造要求,通过流体地方式,结合 一些专用组件合成地一类设备。在设计设备时能够进行参考。 2.1 设备液压系统设计地原始依据 这次说明书设备液压系统设计是全液压系统。 一、设计要求 1、 工作步骤是“安全装置松开平台上升安全装置结合”、“安全装置松 开平台下降安全装置结合”。 2、 采用剪叉式结构。 二、原始数据: 1、设计一液压系统,能满足控制剪叉式升降平台的运动要求。要求两个液压 缸同步控制该平台的运动。 2、该平台承载重量为 2500kg。 3、升降速度为 00.5 米/秒。 4、静止相互磨擦的推荐值是 0.2,运动相互磨擦的推荐值是 0.1。 5、升降行程为 2000mm 并能任意位置停止。运行平稳,安全可靠。 2.2 工作情况分析 该设备液压系统设计通常有两方面合成:机械传动系统和流体传动系统。机械 传动机构通常用来传递及支承运动,流体传动系统通常产生运动的动力来源,他们 共同作用实现设备液压系统设计地功能。为了使设备液压系统设计能够准确、快速、 安全运行,必须满足以下设计要求: (1)具备运动功能,举升液压缸运动(X 向); (2)具备安全保护措施; (3)在满足强度、刚度和能够靠性地前提下,尽量减小设备液压系统设计各部分 地重量。 根据设计的原始依据,以期获得能够靠简洁的机床,能够实现两班制连续作业, 5 高效低耗,所以决定采用工作节流、压强继电器非卸荷式定量泵靠阀调速,通过电 气发讯来提高供油与控制系统稳定性。 2.3 设备液压系统设计运动速度地确定 举升速度的确定: 因为由液压缸进行举升所以举升速度的确定由液压缸决定。 若液压缸运动速度太快,会导致液压密封圈过热而加快磨损,同时也会加剧活 塞与输出缸缸筒地磨损。运动速度过慢,则容易产生爬行之类不稳定现象。一般液 压缸在低压条件下以 5 毫米/秒地速度运动时,就要注意爬行问题。采用橡胶件密封 时,液压缸地最快速度不宜超过 400 毫米/秒到 500 毫米/秒。工作举升速度 00.5 米/秒。满足液压缸最高最低速度范围地要求。 6 3 剪 叉 式 升 降 台 受 力 分 析 3.1 剪叉式升降平台的三种结构形式 本讨论的目的通过分析液压类的剪叉式升降平台机构特点,论述了设计时应注 意的问题及其应用范围。剪叉式液压升降平台具有制造容易、价格低廉、坚实耐用、 便于维修保养等特点。在民航、交通运输、冶金、汽车制造等行业逐渐得到广泛应 用。本设计中主要侧重于小型家用液压式的升降平台。在设计气液动剪叉式升降平 台的过程中,一般我们会考虑如下三种设计方案,如图 3-1 所示: 图 3-1 结构简图 图中表示剪叉式液压升降平台的三种结构形式。AB 与 MN 为两根长度相等的 支撑杆通过铰接连接于两杆中点 E,左侧 M 点与 A 点通过铰接分别和平台、机架连 接,再通过铰接将 B 端和 N 端连接两滚轮,滚轮可以在机架和平台上的导向槽之间 滚动。图中三种结构的不同在于驱动的液压缸安装位置不同 。 图 a 中的驱动液压缸的下端不固定在机架上,上部的活塞杆以球头与上平板球 窝接触。液压缸通过活塞杆使上平板铅直升降。 图 b 中的卧式液压缸活塞杆在 N 处用铰接连接支撑杆。液压缸驱动活塞杆推动 机架横向移动通过支撑杆控制平台铅直升降。 图 c 中的液压缸缸体尾部与用铰接连接机架 G 处,活塞杆头部通过铰接与支撑 7 杆 AB 连接于 F 处。液压缸驱动活塞杆推动支撑杆可控制平台铅直升降。 按照液压缸的安装形式不同,图 a 为直立固定剪叉式结构,图 b 为水平固定剪 叉式,图 c 为剪叉式结构。 直立固定剪叉式结构,平台的行程即为液压缸的行程但整体尺寸较大,较为占 用空间,所以本次设计不采用。 水平固定剪叉式机构,平台的升降行程大于液压缸的行程,在应用过程中可以 实现快速控制升降的目的,但由于活塞杆受到的横向作用力大容易使密封元件的使 用寿命减短,而活塞杆在实际应用中受到的载荷比平台上的实际载荷要大许多所以 本次设计同样不采用。 剪叉式结构由于结构较为合理,平台的升降行程可以达到液压缸行程的二倍以 上。因此,在工程实际中逐渐得到广泛的应用。本设计就重点对剪叉式结构形式加 以设计。 3.2 剪叉式升降平台机构的位置参数计算 由图 3-2 可知 图 3-2 位置参数示意图 (1)260sinH 8 (2)(30)cosJtg (3)14inK (4)sin(30)cos(1304)sinCJtg (5)/tg (6)47.3 (7)22014013cos2l (8)/sin/il (9)222(3)0cs(47.3)Cl 上式中: H任意位置时升降平台的高度; C铰接点 F 在任意位置时与液压铰接点 G 之间的距离; L支撑杆的长度 L=2600; 铰接点 F 与支撑杆固定铰支点 A 之间的距离;l 支撑杆与水平线的夹角; 活塞杆与水平线的夹角; 支撑杆固定铰支点 A 与任意位置时铰接点 F 的连线与支撑杆之间的夹角; , 。EAG47.3 以下相同。 剪叉式升降平台机构的运动参数计算: 9 图 3-3 运动参数示意图 图中, 是 F 点的绝对速度; 是 M 点绝对速度; 是 MN 支撑杆的速度;VV1 是液压缸活塞平均相对速度; 是升降平台升降速度。由图 2-3 可知:1 21 112(304)sin7sin(),26,i()0coscos,74nFMVVL (10)16si()V。 在(5)式中, 液压缸活塞平均相对运动速度;1 升降平台升降速度;2V 支撑杆与水平线的夹角。 以下相同。 10 3.3 剪叉式升降平台机构的动力参数计算 图 3-4 动力参数示意图 图中,P 是由液压缸作用于活塞杆上的推力,Q 是升降平台所承受的重力载荷。 由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦,摩擦系数很小(f=0.01),为简化计算,或忽 略不计,通过分析机构受力情况并进行计算得出: ; (11)(1304)sin()bP 式中, P液压缸作用于活塞杆的推力; Q升降平台所承受的重力载荷; b上平板左铰支点 M 到载荷 Q 的作用线的水平距离。 3.4 剪叉式升降平台机构设计时应注意的问题 由式(10)和(11)可知:当 、 增大时, 值随之减小;当 、 减小21/V 时,P/Q 值随之增大。在确定整体结构值随之减小;当 、 减小时,P/Q 值随之 增大,在液压缸行程不变的情况下,升降平台升降行程会减小;反之,则会使液压 11 缸行程受力增大。因此设计时应综合考虑升降行程与液压缸受力两个因素。在满足 升降行程及整体结构尺寸的前提下,选取较高的 、 初始值。而且在整个机构中 AB 支撑杆是主要受力杆件,承受有最大的弯矩,所以应重点对其进行强度校核。 液压缸既可采用单作用缸也可采用双作用缸,在本次研究中我们选用单作用柱 塞缸,由于单作用缸密封件使用寿命长且总体泄漏量少所以经济性好。当采用单作 用柱塞缸时应考虑到当液压缸中存在空气时液压缸有空气载荷,上平板的自重需要 克服活塞杆与液压缸缸体之间的密封阻力。 12 4 液 压 缸 的 设 计 计 算 4.1 明确设计要求 制定基本方案: 在设计前了解设计要求,再根据设计要求制定基本方案。下面列出了一些关于 设计剪叉式液压平台的基本要求: 1) 主要用途:用于小型重物的升降; 2) 主要完成对于小型重物的起降动作; 3) 额定载荷为 2500kg,采用单作用柱塞缸控制联接叉杆机构进行升降动作。 4) 运动平稳性好; 5) 由人工控制升降平台的起降; 6) 工作环境要求:不宜在地面凹凸不平或者木板等不牢固的地面以及寒冷天气 的室外进行操作; 4.1.1 确定液压缸的类型 工程液压缸主要用于工程机械、重型机械、起重运输机械及矿山机械的液压系 统。根据主机的运动要求,选择液压缸的类型为:直线运动单活塞杆液压缸。 4.1.2 确定液压缸的安装方式 工程液压缸均为单活塞式液压缸,安装方式多采用耳环型。本设计中液压缸在 作用过程中是两端在垂直面上自由摆动的形式,因此选择液压缸的安装方式为:头 尾部耳环联接。 4.1.3 缸盖联接的类型 按缸体与缸盖的联接方式,可分为法兰联接式、螺纹联接式及内卡键联接式三 种。这里采用螺纹联接。 4.2 液压缸载荷计算 首先,需要确定液压缸处于最大工作压力时的位置,通过上述的讨论,得知当 液压缸与地面夹角 为最小值时,也即支撑杆与地面夹角 为最小值时,液压缸处 于最大的工作压力状态下。根据支撑杆的长度 2600mm。当液压缸下降至最低高度 13 时(设此时支撑杆与地面夹角 ) = 。01 根据上述公式 图 4-1 位置参数示意图 (1)260sinH (2)(3)cosJtg (3)14iK (4)sin(30)cos(1304)sinCJtg (5)/tg (6)47.3 (7)22014013cos2l (8)/sin/il (9)222(3)0cs(47.3)Cl 上式中: 14 H任意位置时升降平台的高度; C任意位置时铰接点 F 到液压铰接点 G 的距离; L支撑杆的长度 L=2600; 支撑杆固定铰支点 A 到铰接点 F 的距离;l 支撑杆与水平线的夹角; 活塞杆与水平线的夹角; 任意位置时铰接点 F 与支撑杆固定铰支点 A 的连线与支撑杆的夹角; , 。EAG47.3 以下相同。 得 =225mm 0H =378mmC = 。49.5 液压缸作用于活塞杆的推力计算: 图 4-2 机构各参数 已知负载 Q=25kN,现在 b 值还是一个未知量,但 b 值的大小必须在 01300 之 内,当 mm 时,根据公式 ,液压缸作用于活塞杆的推max1301740sin()QP 力 P 有最大值。代入公式计算得: kN。max2. 15 当平台处于最低位置 时,液压缸荷重 P 最大, kN。01 max21.7 下面就根据载荷量来选取合适的液压缸。 图 4-3 液压缸 本图表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注于图 上,其中 是作用在活塞杆上的外部载荷, 是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套wFmF 之间的密封阻力。作用在活塞杆是的外部载荷包括工作载荷 ,导轨的摩擦力g 和由于速度变化而产生的惯性力 。f a (1)工作载荷 gF 常见的工作载荷有作用于活塞杆上轴线的重力、切削力、挤压力等,这些作用 力的方向与活塞的运动方向相同为负,相反为正。在实际工作过程中,由于载荷量 较大,活塞自身的重力可以忽略不计,切削力与挤压力共同组成的外力即为工作载 荷 ,在图 3 中, =P。由于本设计按最大载荷量定为 2.5 吨来计算,所以液压缸gFgF 工作载荷 =P=21700N。 (2)导轨摩擦载荷 f 对于直动型安装的液压缸一般都附有活塞导轨以固定其运动方向,导轨摩擦相 对于总载荷可以忽略不计,因此 =0。fF (3)惯性载荷 a 16 , 。aFmvt 速度变化量 m/sv 起动或制动时间,s 。一般机械=0.10.5s,对轻度载荷低速运动部件取t 小值,对重载荷高速部件取大值。行走机械一般取=0.51.5s 加速度a2/ms 初步选定速度变化量 =0.16m/s, =0.6s,则 = =0.27 ,vtvat0.162/ms250.765aFN 以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷 , wF 。102375wgfa 起动加速时 =22375N, 稳态运动时 =21700N, 减wgfaFwgfF 速制动时 =21025N。f 工作载荷 并非每阶段都存在,如该阶段没有工作,则 =0。但在计算和校核g g 时,应按照最大值取。 除了外载荷 外,作用于活塞上的载荷 F 还包括液压缸密封处的摩擦阻力 ,wF mF 由于各种液压缸的密封材质和密封形式不同,密封阻力难以精确计算,一般估算为 式中 液压缸的机械效率,一般取 0.900.95,这里取 0.95,(1)mFPm 23750.9wN 4.3 液压缸各组成部分的设计 4.3.1 液压缸缸筒的设计和计算: 缸筒是液压缸的主体零件,它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔,用以容 纳压力油,同时它还是活塞的运动轨道。设计液压缸缸筒时,应正确确定各部分的 尺寸,保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程,同时还必须有一定的强 17 度,能够承受也压力、负载力和干扰力等冲击力。另外,缸筒的内表面应具有合适 的配合精度、表面粗糙度和几何精度,以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用 性。 1、 液压缸内径 D 的计算: 计算液压缸内径和活塞杆直径均与设备的类型有关。例如机床类,对于较大的 机床(拉床、刨床和研磨机等)一定要满足牵引力的要求,计算时以力为主;对于 轻载高速的机床一定要满足速度,计算时以速度为主,而本次液压缸的内经主要以 力为主来计算的。 根据液压缸的载荷力和系统工作压力计算。 。142354.7FDmp 液压缸的直径 D 的计算值要按国家标准规定的液压缸的有关标准进行圆整。按 照机械手册中工程液压缸的技术规格表 37-7-7 可以选择圆整后的参数:缸径 50mm,工作压力 16Mpa。 式中 D-液压缸内经(m) F-液压缸推力(KN) P-选定的系统工作压力(MPa) 2、 缸筒壁厚及缸筒外径的计算: a. 缸筒厚壁 的计算 对低压系统中或 /D16 时,缸筒壁厚 一般按薄壁筒计算2ypD (m) = bn 式中 -缸筒壁厚(); D-缸筒内径(); yp-缸筒试验压力,液压缸的额定压力 nP16Mpa 时的 18 yp=1.5 nP,额定压力 n16Mpa 时的 yp=1.25 nP; -材料许用应力,MPab 为材料的抗拉强度, 为安全系数,n=3.55,这里取 n=5。 选用 45 号钢,并且调质 241,查阅工程力学刘静香著可知 号钢的抗拉强度 b=530,现取 b=560MPa,故: = bn =560=112MPa 由于液压缸的工作压力 P=12MPa69 mm,活塞杆强度符合要求. 故选择活塞杆直径 d=50mm 满足强度要求。 活塞杆的结构设计: 活塞杆的外端头部与负载的拖动机构相连接,为了避免活塞杆在工作中产生偏 心负载力,适应液压缸的安装要求,提高其作用效率,应根据负载的具体情况,选 择适当的活塞杆端部结构,见下表: 活塞杆端部结构 20 根据本次设计的负载情况及其他因素,选择活塞杆端部结构为单耳环。 采用单耳环型连接,活塞杆端部耳环尺寸的选择, 端部尺寸(耳环型连接) 根据缸径 D=50mm,工作压力 P=12MPa,单耳环材料选用 45 号钢,并参考上表可得: 21 CD=MR1=30mm ,EW=35mm. 液压缸活塞杆的螺纹尺寸的选择: 压缸活塞杆螺纹尺寸系列(mm) 压缸活塞杆螺纹形式(GB/T2350-1980) 结合本次设计的参数,选择活塞杆螺纹尺寸直径与螺 DL 为 M242,螺纹长 L 为短型 32mm. 4、活塞杆的导向、密封与防尘: 常见的活塞杆的密封与防尘结构如下表: 22 本次设计中活塞杆与防尘结构采用 O 型密封圈形式的 O 型密封圈 23 4.3.3 导向套的设计与计算: 1、最小导向长度 H 的确定: 当活塞杆全部伸出时,最小导向长度为从导向套滑动面中点到活塞支撑面中点 的距离。如果导向长度过短。液压缸因间隙将导致初始挠度过大,影响液压缸的工 作性能和稳定性。因此,在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。对于一 般液压缸,最小导向长度应满足下式要求: HL/20+D/2 式中 L-最大工作行程(m) D-缸筒内径(m) 由前面的数据可知,L=0.15m,D=0.05m,代入公式 HL/20+D/2 得: HL/20+D/2=0.15/20+0.05/2=0.0325m=32.5mm 2、导向套的结构: 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套、静压导向套等,可按工 作情况适当选取本次设计采用普通导向套,安装在端盖上。 24 普通导向套: 这种导向套安装在支撑座或端盖上,油槽内的压力油起润滑作用并可以张开密 封圈唇边而起密封作用。 4.3.4 液压缸油口的设计: 油口孔是压力油进出液压缸的直接通道,虽然只是一个孔,但不能轻视其作 用。如果孔小了,不仅造成进油时流量供不应求,影响液压缸的活塞运动速度,而 且会造成回油时受阻,形成背压,影响活塞的退回速度,减少液压缸的负载能力。 对液压缸往复运动要求较严格的设计,一定要计算孔径的大小。 液压缸的进出油口。可以布置在缸筒和前后端盖上。对于活塞杆固定的液压 缸,进出油口可以设在活塞杆端部。如果液压缸无专门的排气装置,进出油口应设 在液压缸的最高处,以便空气能从液压缸排出。液压缸进出油口的连接形式有螺纹、 方形法兰和矩形法兰等,液压缸进出油口的形式见下图: 本次设计的液压缸油口布置在缸筒上,油口孔直径 do 根据活塞最大运动速度 Vmax 和油口最高流速 Vo 定: do=0.05(Vmax/vo)0.5 式中 D液压缸内经,m 25 Vmax-液压缸最大输出速度,m/min; Vo-油口液流速度,m/s,一般不大于 5 m/s. 由于活塞运动受结构的限制,它的运动速度范围是: 0.10.2在此取活塞杆最大运动速度ax=0.03m/s,取油口 液流最高速度 Vo=3m/s, 由公式 do=0.05(Vmax/vo)0.5= 5mm. 参考国家标准 GB/T2878-93 规定了液压缸进出油口螺纹连接的油口尺寸系列, 见下表 故取液压缸进出油口的螺纹尺寸为 M141.5 Do=10mm 4.3.5 端盖和缸底的设计计算: 在单塞杆液压缸中,有活塞杆通过的缸盖称为端盖,无活塞杆通过的端盖称为 缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔,它不仅要有足够的强度以承 受液压力,而且必须具备一定的连接强度,端盖上有活塞杆导孔及防尘圈、密封圈 槽,还有连接螺钉孔,受力情况比较复杂,设计得不好容易损坏。 1、缸底厚度 h 的计算: 26 缸底分平底缸、椭圆缸底,半球型缸底。本次设计采用平底缸底。 对于平型缸底,缸底无油孔时, =0.433D(Py/ )0.5 (m) 式中 -缸底材料的许用应力,MPa; Py试验压力,Py=1.5P=1.512=18MPa; =112MPa; 把这些数据带入公式=0.433D(Py/ )0.5,得: =0.433D(18/112) 0.5=0.0087m=9mm 2、端盖的结构 端盖在结构上除要解决与缸底的连接与密封外,还必须考虑活塞杆的导向,密 封和防尘等问题。 缸体端部的连接形式及结构,见下表: 27 本次选择焊接的连接形式。 4.3.6 密封件的选用: 液压缸工作中要达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。在设计中,正确的选择 密封件、导向套和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。从现代的密封技术来分析, 液压缸的活塞和活塞杆及其它们的密封、导向和防尘等应为一个综合的密封系统来 考虑,只有具有可靠的密封系统,才能使液压缸有良好的工作状态和理想的使用寿 命。 在液压元件中,对液压缸的密封要求是比较高的,特别是一些特殊液压缸,如 摆动液压缸等。液压缸中不仅有静密封,更多的部位是动密封,而且工作压力高, 这就要求密封件的密封性要好,耐磨损,对温度的适应范围大,要求弹性好,永久 28 变形小,有适当的机械强度,摩擦阻力小,容易制造和拆卸,能随压力的升高而提 高密封性能和利于自动补偿磨损。 密封件一般按断面形状分类,有 O 型、Y 型、U 型、V 型、J 型、L 型等,除 O 性外,其他都属于唇形密封件。 4.3.7 防尘圈 防尘圈设置于活塞干或柱塞密封外侧,用于防止外界尘埃、沙粒等义务浸入液 压缸,从而可以防止液压油被污染导致元件磨损。参考液压缸活塞杆用防尘圈沟 槽形式、尺寸和公差国家标准(GB/10708.3-89). 4.3.8 液压缸的安装连接结构 液压缸的安装链接结构包括液压缸的安装结构、液压缸进出油口的连接等。 1.液压缸的安装形式 液压缸的安装形式很多 ,但大致可以分为两类。 (1)轴线固定类 这类安装形式的液压缸在工作时,轴线位置固定不变。机床上的液压缸绝大多 数是采用这种安装形式。 通用拉杆式 在两端盖上钻除通孔,用双头螺杆将缸和安装座连接拉紧。一般用于短行程、 压力低的液压缸。 法兰式 用液压缸上的法兰将其固定在机器上。 支座式 将液压缸头尾两端的凸缘与支撑座紧固在一起。支座可置于液压缸左右的径向、 切向,也可以置于轴向底部的前后端盖。 (2)轴线摆动类 液压缸在做往复运动时,由于机构的相互作用使其轴线产生摆动,达到调整位 置和方向的要求。安装这类液压缸,安装形式也只能采用使其能摆动的铰链方式。 工程机械、农业机械翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式。 29 耳轴式 将固定在液压缸上的铰轴安装在机械的轴座内,是液压缸轴线能在某个平面内 自由摆动。 耳环式 将液压缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起,是液压缸能在某个平面内 自由摆动。耳环在液压缸的尾部,可以是单耳环,也可以是双耳环,还可以做成带 关节轴承的单耳环或双耳环。 球头式 将液压缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起,使液压缸能在一定的空间维 角范围内任意摆动。 设计中常见的几种液压缸安装形式,见下表 30 31 本次设计采用头尾耳环式。 4.4 液压缸主要零件的材料和技术要求 4.4.1 缸体 1.缸体的材料 液压缸缸体的常用材料为 20、35 和 45 号无缝钢管。因 20 号钢的力学性能略低,且 不能调质,应用较少。当缸筒与缸底、缸头、接管头或耳轴等件焊接时,则应采用 焊接性能较好的 35 号钢,粗加工后调质。一般情况下均采用 45 号钢,并调质到 241285HB。 缸体的毛坯也可采用锻钢、铸钢或铸铁件。铸钢一般采用 ZG25、ZG35 和 ZG45 等。铸铁可采用 HT200HT350 之间的几个牌号或球墨铸铁 QT500- 32 05、QT600-02 等。 特殊情况下,可采用铝合金等材料。 、技术要求 内径用 H89 的配合 缸体内经 D 的圆度公差值可按 9、10 或 11 级精度选取,圆柱度公差值可 按 8 级精度选取 缸体端面 T 的垂直度公差值可按 7 级精度选取 内表面母线直线度在 500mm 长度上不大于 0.03mm 缸体与端盖采用螺纹连接时,螺纹采用 6H 级精度 为防止腐蚀和提高寿命,内径表面可以镀 0.03.04mm 厚的硬铬,镀 后在进行珩磨或抛光,缸体外涂耐蚀油漆。 当缸体带有耳环或销轴时,孔径 D1 或轴径 d2 的中心线对缸体内孔轴线 的垂直度公差应按 9 级精度选取。 4.4.2 活塞杆 1. 材料 实心活塞杆材料为 35、45 钢;空心活塞杆材料为 35、45 钢的无缝钢管。 2. 主要表面粗糙度 外圆柱面粗糙度 Ra 为 0.40.8. 3.技术要求 活塞杆的热处理:粗加工后调质到硬度为 229285HB,必要时,再经高火淬, 硬度达 4555HRC 33 活塞杆 d 和 d2 的圆度公差值,按 9、10 或 11 级精度选取;活塞杆 d 的圆柱 度公差值,应按 8 级精度选取。 外径表面直线度早 500 长度上不大于 0.03mm. 端面 D 的垂直公差值,则应按 7 级精度选取。 d3 对 d 的径向圆跳动不大于 0.01mm 活塞杆与导向套采用 H8/f7 配合,与活塞的连接可采用 H8/h8 配合。 活塞杆上若有连接销孔时,该孔径应按 H11 级加工。该孔轴线与活塞杆轴线 的直线度公差值,按 6 级精度选取。 活塞杆上的螺纹一般按 6 级精度加工;如载荷较小时,允许按 7 级或 8 级精 度制造 活塞杆上下表面必要时可以镀铬,镀层厚度约为 0.05mm.镀后抛光。 34 5 液 压 传 动 系 统 的 设 计 计 算 5.1 拟订液压执行元件运动控制回路 液压执行元件确定之后,其运动方向和运动速度的控制是拟订液压回路的核心 问题。方向控制用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统, 大多数通过换向阀的有机实现所要求的动作。对于高压大流量的液压系统,现多采 用插装阀于先导控制阀的来实现。本设计剪叉式液压升降台其特点:起升压力大, 运行缓慢、平稳,能人工控制起升至某一固定高度时并保持该高度自锁。 5.2 液压源系统 液压系统的工作介质完全由液压源提供,液压源的核心是液压泵。在无其他辅 助油源的情况下,液压泵的供油量要大于系统的需油量,多余的油经过溢流阀回油 箱,溢流阀同时起到开展并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供 油,用安全阀限定系统的最高压力。 为节省能源并提高效率,液压泵的供油量要尽量于系统所需流量相匹配。对在 工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况下,则采用多泵供油或变量泵供油。 对于本设计,由于工作周期短,循环次数少,供油量可以适当减少以节省能源,采 用单泵供油即可,不需蓄能器储存能量。 对于油液的净化:油液的净化装置在液压源中是必不可少的。一般泵的入口要 装有粗滤油器,进入系统的油液根据被保护元件的要求,通过相应的精滤油器再次 过滤。为防止系统中杂质流回油箱,可在回油路上设置磁过滤或其他形式滤油器。 根据液压设备所处环境及对温升的要求,还要考虑加热、冷却等措施。 5.3 确定液压系统的主要参数 液压系统的主要参数是压力和流量,它们是设计液压系统,选择液压元件的主 要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。 5.3.1 载荷的组成与计算: 液压缸荷重由前述可知, 23750.9wmFN 35 5.3.2 初选系统压力 液压缸的选择要遵循系统压力的大小,要根据载荷的大小和设备类型而定。还 要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定的情况 下,工作压力低,势必要加大执行元件的结构尺寸,对某些设备来说,尺寸要受到 限制,从材料消耗角度看也不是很经济;反之,压力选的太高,对泵、缸、阀等元 件的材质、密封、制造精度也要求很高,必然要提高设备成本。一般来说,对于固 定尺寸不太受限的设备,压力可选低一些,行走机械重载设备压力要选的高一些。 按下表初步选取 15Mpa。 各种机械常用的系统工作压力 机 床 机械类型 磨床 机床 龙门 刨床 拉床 农业机械小型工 程机械建筑机械 液压机大中型 挖掘机重型机 械 工作压力 MPa 0.80.2 35 28 810 1018 2032 5.3.3 计算液压缸的主要结构尺寸 液压缸的相关参数和结构尺寸 液压缸有关的设计参数见图所示: 图 5-1 液压缸设计参数 图 a 为液压缸活塞杆工作在受压状态,图 b 表示活塞杆受拉状态。 活塞杆受压时 36 12wmFpA 活塞杆受拉时 式中121wmp 无杆腔活塞有效工作面积 14AD2m 有杆腔活塞有效工作面积 22()d 液压缸工作腔压力 Pa1p 液压缸回油腔压力 Pa,其值根据回路的具体情况而定,一般可以按照2 下表估算 D活塞直径 m d活塞杆直径 m 执行元件背压力表 系 统 类 型 背 压 力 MPa 简单系统或轻载节流调速系统 0.20.5 回油带调速阀的系统 0.40.6 回油路设置有背压阀的系统 0.51.5 用补油泵的闭式回路 0.81.5 回油路较复杂的工程机械 1.23 回油路较短,可直接回油路 可忽略不计 在这里我们取背压力值 20pMPa 在本设计中,液压缸不存在受拉的状态,所以只考虑其受压。一般液压缸在受 压状态下工作时,其活塞面积为: 2111FpA 。液压缸的直径 D 的计算值要按国家标准规142354.7FDmp 定的液压缸的有关标准进行圆整。按照机械手册中工程液压缸的技术规格表 37-7-7 可以选择圆整后的参数:缸径 50mm,工作压力 16Mpa。 37 计算活塞杆的行程 当平台处于最低位置 时,此时活塞杆应处于完全收缩状态,液压缸的长01 度为最小值 , mm。平台的高度。 mm0C7589520H 再计算一下平台上升的最大高度,这里设上升至 ,计算得出最大高度。 H=3983m。此时活塞杆伸长至 mm。1375C 当活塞杆处于完全收缩状态时,液压缸的长度就等于 ;当活塞杆处于完全伸0C 出状态时,液压缸的长度就等于 。计算其行程: 。选定液压缸长度为 1375mm。01375861sCm 5.3.4 确定液压泵的参数 确定液压泵的最大工作压力 Pa,1Ppp 式中 液压缸最大工作压力,根据 可以求出1p 12wmFA10.8FMPaA 从液压泵出口到液压缸入口之间的总的管路损失。初算可按经验数p 据选取:管路简单、流速不大的取 0.20.5Mpa;管路复杂,进油口有调速阀的,取 0.51.5 Mpa。这里取 0.5Mpa。 即 ,取 。10.85.3PpMPa12pPa 确定液压泵的流量 Q maxPQK3/s K系统泄漏系数,一般取 1.11.3,这里取 1.2 液压缸的最大流量,对于在工作中用节流调速的系统,还需加上溢流max 阀的最小溢流量,一般取 430.51m/s 38 在前面已经初步选定台面速度变化量 =0.16m/s, 我们就设定台面起升的最v 大速度 ,则活塞的运动速度应用公式0.16m/syv (这是在台面刚刚起升状态时,02co74in()V。 0.59=.0m/syv )1,9.534301.610.7/QvAs 所以 43max2(.510)2.710/PKms 选择液压泵的规格 根据以上求得的和值,按系统中拟订的液压泵的形式,从手册中选择相应的液 压泵产品。为使液压泵油一定的压力储备,所选泵的额定压力一般要比最大工作压 力大 2560%。 查找手册 P37-135 选择 CB- 型齿轮泵,其参数如下表AF 压 力 转 速 型号 排量 额定 最高 额定 最高 特点 生产厂 CB- AF1040 16 20 1800 2400 铝合金壳体, 可作双联泵 榆次液压 件厂 确定液压泵的驱动功率 在工作中,如果液压泵的压力和流量比较恒定,则 ,其中 液压泵的总效率,参考下表选择 =0.7310PpQkWP P 液压泵
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