小型无尾液压挖掘机液压系统设计【含CAD图纸、说明书】
摘要单斗液压挖掘机是现代机械不可缺少的机种,广泛应用在房屋建筑、道路工程、水利建设、农田开发、港口建设、铺设管道等的土石方施工和矿山采掘工业中,对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起着巨大作用。单斗液压挖掘机有多种形式,按行走装置分为,履带式、轮胎式、汽车式、等在小型挖掘机中,履带式和轮胎是比较灵活,机动性好,用于各个机构都比较齐全,因此结构上比较复杂,制造时零件多,工艺要求高,使得机重增加,成本提高。步履式液压挖掘机具有一定的机动性,其优越性就在于结构简单,仅需要回转机构、工作装置、液压系统及结构简单的地盘,其稳定很好,使生产率大大增加,更为优越,易于制造和推广,一般的施工工地挖沟槽,条格形基槽都可使用,其整机运输也很简单,短距离可靠自己机构行走,远距离运输可用汽车,拖拉机等运输工具托运或拉运。本次设计主要是 YW35SR 型履带式液压挖掘机液压系统的设计计算过程。本机是步履式单斗液压挖掘机,斗容量是 0.12 立方米。本设计包括:确定液压系统的主参数、液压系统方案的拟液压元件的选择和液压系统验算等。在设计中参考了机械设计手册上有关液压系统设计的要求,并结合所学教材对挖掘机的液压系统进行了设计,并对动臂油缸和铲斗油缸进行了设计和验算。关键词:液压系统, 液压缸, 液压泵AbstractSingle dou hydraulic excavator are indispensable to the modern mechanical model, widely used in the building, road engineering, water conservancy construction of port construction and development, and farmland, laying pipeline construction and mining conditions of industrial, mining to relieve heavy manual labor, ensuring the quality of projects and accelerate the construction speed and improve labor productivity plays a tremendous role.Single dou hydraulic excavator, according to a variety of forms, caterpillar, walk into the device LunTaiShi, automobile, etc in mini excavators, caterpillar and tyre is more flexible, good flexibility, used for various institutions are complete, so the structure is complex, manufacturing, technical requirements of high parts, machine, cost increased to improve. Walking hydraulic excavator has certain flexibility, the advantages of simple structure, is only need to work again institutions, hydraulic system and the device, simple structure, the stability of the site well productivity increases greatly, more advantageous, easy to manufacture and promotion, general construction site to dig the groove, grating base slot can be used, the transportation is very simple, reliable, his short distance transportation agency, tractor, etc can LaYun consign or transportation.This design is mainly YW35SR type hydraulic excavator crawler hydraulic system design and calculation of the process. This machine is of hydraulic excavator, single dou dou capacity is 0.12 cubic meters. The design of the hydraulic system, including: to determine the parameters of hydraulic system solutions, selection of hydraulic components and hydraulic system check, etc.In the design of mechanical design manual acuity than on hydraulic system design, combining the requirement of the hydraulic excavator learned teaching system design, and arm oil cylinder and the cylinder bucket design and calculation.Key Words: hydraulic system, hydraulic cylinders, hydraulic pumps.目录1.绪论 11.1 引言 11.2 液压挖掘机的工作特点和基本类型 11.2.1 液压挖掘机的主要优点 11.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点 21.3 液压挖掘机的发展概况 32 液压系统设计 52.1 系统主参数的确定 52.1.1 确定系统的工作压力 62.1.2 确定系统流量 62.1.3 确定系统的型式 62.2 系统方案的拟定 62.2.1 确定元件类型 72.2.2 拟订主回路 83 系统初步计算和液压元件的选择 93.1 液压功率和发动机功率 94 铲斗液压缸设计计算 254.1 基本参数的确定 255 辅助元件的选择 365.1 液压缸的缓冲装置与阀的选择 365.2 液压附件 376 液压系统的安装和维护 386.1 液压元件的安装 386.2 液压元件的维护 397 总结 41参考文献 42附录 43致谢 44第 1 页 1.绪论1.1 引言液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削刃切削土壤,铲斗装满后提升、回转至卸载位置,卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此,液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。液压挖掘机与机械传动挖掘机一样,在工业与民用建筑、交通运输、水里施工、露天采矿及现代化军事工程中有着广泛的应用,是各种土方施工中不可缺少的一种重要机械设备,在建筑工程中,可用来挖掘基坑、排水沟,拆除旧建筑物,平整场地等。更换工作装后,可进行装卸、安装、打桩和拔出树根等作业。在水力施工中,可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠,疏浚和挖深原有河道等。在铁路,公路建设中,用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁开水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中,用来挖掘电缆沟和管道沟等。在露天采矿厂上,可用来剥离表土、采掘矿石或煤,也可用来进行堆弃装在和钻孔等作业。在军事工程中,可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。所以,液压挖掘机作为工程机械的一种品种,对于减轻工人份额、繁重的体力劳动,提高施工机械化水平,加快施工进度,促进各项建设事业的发展,都起着很大的作用。1.2 液压挖掘机的工作特点和基本类型1.2.1 液压挖掘机的主要优点液压挖掘机在动力装置和工作装之间采用容积式液压静压传动,即靠液体的压力能进行工作。液压传动与机械传动相比有许多优点。第 2 页 1能无极调速且调速范围大,例如液压马达的最高转速与最低转速纸比可达 1000:1.2能得到较低的稳定转速,例如柱塞式液压马达的稳定转速可达 1r/min.3快速作用时,液压元件产生的运动惯性小,加速性能好,并可作高速反转。4传动平稳,结构简单,可吸收冲击和震动,操纵省力,易实现自动化控制.5易于实现标准化,系列化、通用化.基于液压传动的上述优点,液压挖掘机与机械传动挖掘机相比,具有下列主要特点.1大大改善了挖掘机的技术性能,挖掘力大、牵引力大,机器重量轻,传动很平稳,作业效率高,结构紧凑。液压挖掘机与同级机械传动挖掘机相比,挖掘力约高 30%。挖掘机在工作时的主要动作包括行走、转台回转和工作装置的作业动作,其中动作最频繁的是回转和工作装置的循环往复运动。这种往复运动一般速度不高,而所需的作用力却很大,要求在短时进内通过变速或换向来完成各种复杂的动作。机械传动挖掘机完成上述运动,需通过摩摖离合器、减速器、逆转机构、提升和推压机构等配合来完成。因此,机械传动挖掘机不仅结构复杂,而且产生很大的惯性力和冲击载荷。2液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力,所以使用安全可靠,操纵简便。由于可采用液压先导控制,无论驱动功率多大,操作均很灵活、省力,司机的工作条件得到改善。更换工作装置时,由于不牵连转台上部的其它机构,因此更换工作装置容易,而机械式挖掘机则受到提升机构和推压机构的牵连和限制。3液压元件易于实现标准化、系列化和通用化,便于组织大规模专业化生产,进一步提高质量和降低成本。1.1.2 液压挖掘机的基本类型及主要特点(1)根据液压挖掘机主要机构传动类型划分根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动,分为全液压传动河粉液压传动两种。若挖掘、回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动,则成为全液压挖掘机。(2)根据行走机构的类型划分根据行走机构的不同,液压挖掘机可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式。第 3 页 履带式液压挖掘机应用最广,在任何路面行走均有良好的通过性,对土壤有良好的附着力,接地比压小,作业是不需设支腿,适用范围较大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机,还可通过加宽和加长履带来降低接地比压。违反防止对路面的碾压破坏。轮式液压挖掘机具有行走速度快,机动性好,可在多种路面通行的特点。近年来,轮胎式挖掘机的生产量日渐增长。悬挂式液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上,可以达到一机多用的目的。这种挖掘机拆装方便,成本低廉。汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘,速度快,机动性好。(3)根据工作装置划分根据工作装置结构不同,可分为铰接式和伸缩臂式液压挖掘机。铰接式工作装置应用较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件交接点转动来完成作业。伸缩臂视挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成,伸缩臂可在主臂内伸缩,还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗,始于进行平整和清理作业,尤其是修整沟坡。1.3 液压挖掘机的发展概况挖掘机的最早雏形,主要用于河道、港口的疏浚工作,第一台有确切记载的挖掘机械是 1796 年英国人发明的蒸汽“挖泥铲” 。而能够模拟人的掘土工作,在陆地上使用的蒸汽机驱动的“动力铲”与 1835 在美国诞生,主要用于修筑铁路的繁重工作,被认为是现代挖掘机的先驱,距今已有 170 多年的历史。1950 年,德国制造出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的飞速发展,各种新技术、新材料不断在挖掘机上得到应用,尤其是电子技术和信息技术的应用使得液压挖掘机在作业效率、可靠、安全性和操作舒适性以及节能、环保等方面有了长足的进步。目前液压挖掘机已经在全世界范围内得到了广泛应用,成为土石方施工不可缺少的重要机械设备。我国从 1967 年开始自行研制液压挖掘机。早期开发成功的产品主要有上海建筑机械厂的 WY100、贵阳矿山机械厂的 W4-60、合肥矿山机械厂的 WY60 等。道 20 实际 70 年代末和 80 年代初,长江挖掘机厂杭州重型机械厂分别研制成功了 WY160 和 WY250 等液压挖掘机产品。从 1994 年开始,美国的卡特彼勒公司、日本的神户制钢索、日本的小松制作所、日本的日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国学孚、德国阿特拉斯、瑞典沃尔沃等公司先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业,生产具有世界先进生产水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。第 4 页 近年来我国经济增长迅速,液压挖掘机市场需求不断扩大,形成了巨大的液压挖掘机市场空间,但该行也主要由合资企业和外资企业所垄断。国内一些工程机械行业的上市股份公司通过合资的方式介入了挖掘机产业,同时国内好有众多的企业也在生产液压挖掘机,但在生产规模、品牌、质量等方面与国外大公司相比还有一定差距。为了发展民族挖掘机产业,必须瞄准国际先进水平,围绕国内外两个市场,在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上,增强自主创新意识,掌握核心设计制造技术,发挥性价比优势,提高产品竞争力,把我国液压挖掘机产品做大做强。第 5 页 2 液压系统设计液压传动系统是液压机械的一个组成部分,液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时,必须从实际情况出发,有机地结合各种传动形式,充分发挥液压传动的优点,力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。液压挖掘机整个机械包括:底盘行走系统、动力系统、工作机构及控制系统。本次设计的是履带式小型无尾液压挖掘机,它主要是利用液压系统来实现挖掘机作业时的基本动作。一个完整的、能够正常工作的液压系统,应该由以下五个主要部分来组成:1.动力元件:液压泵,其功能是供给液压系统压力油,把机械能转换成压力能。2.执行元件:液压缸、液压马达,其功能把是液压能转换成机械能。液压缸输出力和速度,带动负载作直线运动;液压马达输出转矩和转速,带动负载作旋转运动。3.控制元件:控制阀,其功能是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制,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。如溢流阀、节流阀、换向阀等。4.辅助元件:保证系统正常工作所需要的辅助装置,例如油箱,滤油器,油管等。5.工作介质:液压油 本次液压系统采用双泵双回路定量并联系统,因为这种系统的动作正确,操作方便,功率利用较好。由于定量泵简单可靠,价格低廉,耐冲击性好,所以选用定量系统。油路的连接方式有并联、串联和串并联三种。本次选择并联油路,即多路换向阀中各个换向阀的进油路与一条总的压力油相连,各回油路与一条总的回油路相连,进油和回油互不干扰,称为并联油路。并联油路的特点是各滑阀可进行各自独立操作,几个工作装置可以同时进行工作;但当几个滑阀同时处于换向位置时,负荷小的工作装置先动,而不能实现严格的同步,不过可采用均流器来解决并联系统中两个执行原件的同步问题。2.1 系统主参数的确定第 6 页 2.1.1 确定系统的工作压力液压系统工作压力是指液压系统在正常运行时所能克服外载荷的最高限定压力。系统的压力级级选择与机器种类、主机功率大小、工况和液压元件的型式有密切关系。一般小功率机器用低压,大功率机器用高压。在一定的允许范围提高油压,可是系统的尺寸减小,但容积效率会下降。目前,建设机械所用工作压力等级有:(1)中压 压力为 1020MPa。常用于装载机、起重机、小型挖掘机等建设机械。(2)高压 压力为 2032MPa。常用于中、大型挖掘机、混凝土泵等。(3)超高压 压力超过 32MPa。通过比较初步选定系统压力 p=16MPa系统工作压力 p 要根据技术要求、经济效果和制造可能性等三反方面来确定。在外负荷已定情况下,系统压力选的愈高,各液压元件的几何尺寸就越小,可以获得比较轻巧紧凑的结构,对大型挖掘机来说,更为重要,所以,一般应尽可能选取较高的工作压力。但造维修困难,增大了液压振动与冲击,影响了元件寿命和可靠性,此外,压力增高太多,元件与管道的壁厚相应增加,尺寸与质量的减少率将愈来愈小。初选工作压力以后,可以选择元件,并推算元件所需流量,将同时工作的元件的流量叠加,并取各叠加数中最大值,就是系统流量 Q。2.1.2 确定系统流量确定压力 P 和流量 Q,应该选用国定系列标准值。适用于液压挖掘机的工程压力系列值有:8、10、12.5、16、20、25、32、40MPa ;流量系列值有:32、40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400、500L/min。初步选工作流量 Q=63 L/min。2.1.3 确定系统的型式 国产 0.25 一下和部分 1.0 以下反铲标准斗容量液压挖掘机采用定量系3m3m统,其中除 0.2 悬挂式挖掘机以外,都是双泵双回路系统。本系统采用的是双泵双回路定量并联系统。2.2 系统方案的拟定第 7 页 2.2.1 确定元件类型1执行原件本次设计的履带式无尾液压挖掘机有六个主要执行原件,即动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸、回转马达和两个行走马达,采用双泵双回路系统,把一切执行原件按照作业要求分成两组,各由一台液压泵驱动,分别构成独立的回路。第一回路:左行走马达,回转马达,铲斗液压缸:第二回路:右行走马达,动臂油缸,斗杆液压缸。图 2-1 液压系统原理图液压泵是将原动机(本机选柴油机)的机械能转化成油液的液压能,在意压力、流量的形式输送到系统中去。按其职能来说,属于液压能元件,又称为动力元件。液压泵的额定压力宜比系统工作压力大 25%以上,使液压泵有一定的压力储备。泵的主要参数有压力、流量、转速、效率。因为系统的工作压力为 16MPa,所以有 16(1+25%)=20(MPa)在定量系统中,流量固定,不能因外负荷变化而使流量作相应的变化,因此,第 8 页 负荷小时不能提高作业速度,功率得不到重分利用。为了满足作业要求,定量系统的发动机功率要根据最大外负荷和作业速度来确定。由于定量泵简单可靠,价格低来呢,耐冲性能好,在小型液压挖掘机上定量系统得到应用,但是,其缺点是系统功率不能充分利用,泵的特性很硬,挖掘硬土时引起很大的溢流损失。本系统采用中压定量系统泵,系统压力=16MPa,考虑到额定压力比系统压力大 25%左右,式液压泵具有一定的液力储备。16(1+25%)=20(MPa)表 2-1 不同型号齿轮泵的参数压力MPa 转速(r/min)型号理论排量( ml/r) 额定最高 额定 最高最低驱动功率(KW)额定工况下)CB-Fc10 10.44 6.4CB-Fc16 16.01 9.9CB-Fc20 20.19 12.4CB-Fc25 25.06 15.36CB-Fc31.5 32.02 19.6CB-Fc40 4016 20 2000 2500 60024.82.2.2 拟定主回路1回路循环形式一般小型挖掘机多采用定量系统,油路采用开式,这样可以使系统简单,成本低,从发动机功率充分利用方面考虑多采用双本双回路,这样即可独立的工作,又可配合动作,还可合流动作。2基本回路本系统采用并联回路。3调速方式本系统采用手动换向、无级调速。为了保证主机工作安全,整个液压系统必须装有安全溢流阀,个执行原件大多装有限压阀。第 9 页 3 系统初步计算和液压元件的选择3.1 液压功率和发动机功率1 液压泵或泵组的功率是 .60pyPQN R式中Pp 液压泵的最大工作压力(KPa)Qp 液压泵的最大流量(L/min) 液压泵的总效率,柱塞泵取 0.850.90;齿轮泵取0.750.85;R 变量系数,对定量系统 R=1。本系统中: Pp=161000KPa Qp=50L/min =0.85 R= 1求得 Ny=15.69KW 单斗液压挖掘机采用柴油机驱动,本系统也采用柴油机驱动,柴油机的功率必须能够充分满足主机工作过程中的动力需要。中小型机以反铲为基本装置,所以功率计算以反铲为依据。定量系统的发动机功率利用率较低,一般只有 60%左右,所损失的功率全部变为热量,因此,确定发动机功率时可以取得低些,对于双泵双回路定量系统,发动机功率可取为N =(0.81.1)Ny.2所以 N=(2534.5)又因为发动机功率为 33KW,在上式所求范围之内,所以基本符合要求。2.液压泵本系统选择液压泵的型号为 CBFC25:理论排量 25.06; 额定压力 16最高压力 20 额定转速 2000最高转速 2500 驱动功率 15.36第 10 页 PpPl +PlPp 油泵工作压力P1 系统最大压力P1 从泵到执行原件的压力损失取 P1=0.5MPa;取 P1=17.5MPa即得:2017.5+0.5 =18 满足。3 动臂液压缸设计计算液压缸通常有后盖、钢筒、活塞杆、活塞组件、前端盖等主要部件组成。为防止油液向液压缸外泄或由高压缸向低压缸泄露,在缸筒和端盖、活塞和活塞杆、活塞和缸筒、活塞杆和前端盖之间均设置有密封装置;在前端盖外侧,还装有防尘装置;有时还设有排气装置,防止气蚀或因体积变化产生震动等。1)液压缸缸筒内径 D 的计算(1)液压缸工作压力 p 的确定液压缸的工作压力主要取决于液压设备的类型,系统压力 p=16MPa(2)液压缸的机械效率 的确定p液压缸的机械效率由活塞及活塞杆封密处的摩摖阻力产生的。在额定压力下,通常可取 =0.90.95.本次设计取 =0.9。p p(3)液压缸速比系数确定由于本次液压缸的设计采取缓冲装置来避免工作时的震动剧烈,故需选定速比系数。速比系数过大或过小均对机械有影响,易产生背压,因此选取合适的速比系数很重要。 液压传动第五章表 5-4-2。表 2-2 不同工作压力时的速比工称压力/MPa 10 12.520 20速比系数() 1.33 1.46, 2 2选取速比系数 =1.46(4)活塞杆的工作阻力 F 的确定已知 =40KN,本设计选取安全系数 S=1.46。maxF所以 058KN(5)液压缸内径 D 的确定 第 11 页 04mFDp代入数据计算得: 4580.933.16.D根据机械设计手册 表 21-6-2 得:215P表 2-3 液压缸的内径系列表液压缸内径系列(GB/T2348-1993/mm)8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、 (90) 、100、 (110) 、125、140、160、180、2500、250、280、320、360、400、450、500故选取 D=100mm2)液压缸壁厚 和外径 的确定1Da 液压缸的壁厚由强度条件来计算,液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度,即各处相同。 2ypD 式中:P 液压缸中最高工作压力(MPa) ; 缸筒材料许用应力(MPa)D 液压缸内径(cm)又因为:= bn其中: 材料的抗拉强度极限(MPa) ;bn 安全系数;表 2-4 各种载荷参数材料种类 交变载荷 静载荷 冲击载荷第 12 页 不对称对称钢 5 8 3 12铸铁 6 10 10 15缸筒材料通常用 20、35、45 号钢的无缝缸筒,由于后面缸筒与缸盖采用焊接结构,故本次设计缸筒材料采用 35 号钢,并进行调制处理。由于工作性质为挖掘作业,故工作载荷为交变载荷且不对称,选取 n=5。35 号钢的许用应力 =610MPa;b所以6102()5bMPan =系统最高工作压力 的确定:2当额定压力 时,最高工作压力 =1.25 ;160ha Pyh当额定压力 时,最高工作压力 ;PM3000mm ,最大挖掘深度3400mm 并有同组同学计算得:L=1900mm4 液压缸推力计算当液压缸的无杆腔进油时,作用在活塞上的理论推力为: 21()NFDPcm当液压缸的有杆腔进油时,作用在活塞上的有用推力为: 21()4Ncmd式中: P 工作压力 (Pa) ;D 活塞直径(液压缸内径) (m) ;d 活塞杆直径(m) ; 液压缸的机械效率,取 =0.9;c c第 14 页 所以得: 261()0.10.91344NFN262()(.).7825 活塞杆安全状况的校核当 l10d 时,应按强度条件进行校核;当 l10d 时,应按弯曲条件进行校核;有材料力学所学知识知:当一根受压时,其轴向负荷超过临界力 时,kF及失去原有直线状态的稳定性,引起失稳。对于液压缸,其稳定性保证条件为: 2219.4.631900dl mdDPkFn式中: 活塞杆弯曲失稳临界压缩力;k 安全系数,本次设计取 =4;knkn液压缸的稳定临界力 与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度、和两端的支kF撑情况等因素有关。当细长比 时,lmnk 2kEjl当细长 时,l21()kfAF式中: l 活塞杆的计算长度(m) ;k 活塞截面的回转半径;j 活塞杆界面的转动惯量;A 活塞杆的截面面积;m 柔度系数;n 端点安装的形式系数;f 材料强度试验值;第 15 页 E 材料弹性模量;因为 =121.21 =85lkmn所以= = = (N )2knEjFl246dl 42923.1063.1065.310= =115750k54.310因为最大工作推力 =1.22 ;1()NF40kFn所以活塞杆满足稳定性要求。6 活塞杆结构设计(a)活塞杆结构形式的选取活塞杆是与工作机构直接相连,承担着工作机构的主要载荷,因此必须具备足够的刚度和强度,医保在承受拉力,弯曲应力、振动、冲击时,能使系统正常运作。活塞杆对活塞的有效面积也会产生一定的影响,必须将这些影响降低到最小,保证液压缸的运动速度和推力。活塞长时间往复运动,采用耐磨材料使其具备一定的耐磨性,提高活塞的尺寸精度和表面光洁度,使摩摖减小,提高活塞使用寿命。杆体: 采用实心结构;杆体表面: 进行镀铬处理;活塞与活塞杆的连接形式:活塞与活塞杆的连接形式有许多,各种形式内部均有锁紧措施,以防止工作时由于反复运动而松开,并且活塞和活塞杆之间还设置静密封。一般工程液压缸活塞与活塞杆连接多采用卡环连接。杆外圈:为了避免活塞承受偏心载荷,产生挤压应力,根据工作安装要求,选取适当杆头形状。因液压缸工作时轴线摆动,本次设计采用轴销式连接。用于连接的销,其直径可根据连接的活塞特点按经验确定,本次设计销的材料采用 35 号钢,选取带孔销,直径为 d=25mm。液压缸的耳环结构与销轴连接,其结构设计要满足与销的连接,考虑到外形美观,期内经与销轴外径相匹配,外径与液压缸外径相匹配。(b)活塞杆的材料选取与相关技术要求材料: 选取 45 号钢;第 16 页 技术要求:1)淬火,淬火深度 0.51cm,表面镀铬 2030mm;2)活塞杆在导向套中滑动,采用 配合;87Hh3)圆柱的圆柱度公差不大于直径公差一半; 4)安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 ,0.41m以保证安装时不产生偏斜;5)安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于 0.01mm;6)活塞杆的外圆粗糙度 R=0.10.3mm,不宜太光,负责无法产生油膜;7)活塞杆内端的卡键和缓冲装置也要保证与轴线同心,特别是缓冲柱,最好与活塞做成一体;(6)活塞杆中隔圈的设计计算(a)在长行程液压缸内,由于安装方式及负载的导向条件,可能是活塞杆导向套受到过大的倾向力而导致严重磨损,因此在长行程液压缸内需在活塞与有杆侧端盖之间安装一个隔圈,是活塞在全部外伸时能有足够的支撑强度。活塞杆的最小支撑长度 的最小值应满足下式: =100+31.5=131.5mmgLgLd D+2(b)中隔圈长度 的计算t各生产厂按各自生产的液压缸结构、间隙等因素和试验结果来确定中隔圈的长度 。根据机械设计手册可取,当 1000mmL2500mm 时,需安装gL中隔圈的长度如下:L=1000mm1500mm, =50mm; tLL=15012000mm;L=20012500mm, =150mm;t由于 L=1147mm,所以 =50mm;tL(7)活塞杆的防尘圈的选择根据机械设计手册表 6-38 本设计材料为丁青橡胶,在外表面上具有数字形截面的密封表面,保证它在沟槽中可靠的定位。表 2-6 防尘圈的选用第 17 页 工作范围名称 作用 直径范围/mm 温度/0C速度 msA 型防尘圈 防尘 6390 -3011017 液压缸效率和液压缸流量的确定a 液压缸效率 的计算c已知 cvcm = 式中: 液压缸机械效率,取 =0.9;m cm 液压缸的容积效率;cv当活塞密封为弹性材料时, =1;cv当活塞密封为金属环时, =0.98;本次设计密封装置均为弹性密封圈,故 =1。cv= =0.91=0.9c m cvb 液压缸的流量 Q 的确定CVA式中:A 活塞有效作用面积;无杆腔时的面积 ;有杆腔时的214D面积 ;22()4DdV 活塞运动速度,取 V=1.5 ;min 活塞容积效率;cv第 18 页 所以 210.15.8min4CVALQ22(.63).71/i(9)缸筒端盖厚度的计算根据机械设计手册得:本次设计采用焊接型液压缸,即前端盖与缸筒之间采用内外螺纹连接,而后端盖与缸筒之间采用焊接连接。(10)厚度 t 的计算无孔时: 20.43yPD 有孔时: 220.()yt d式中: t 缸盖有效厚度(m) ; 缸盖止口内径(m) ;2D 缸盖孔直径(m)0d其中: =122MPa;bn所以: =0.433100 =23.72mm;20.43yPtD 3712取 t=25mm;(11)厚度强度验算缸筒与端盖间为焊接连接,根据机械设计手册得: 6210()4bFnDd 式中: F 缸内最大推力; F=113040(N); 缸筒外径,根据前面计算知 =120mm;1 1D第 19 页 焊接底径,设计为 =91mm;1d1d 焊接效率,=0.8;焊接材料的抗拉强度;bn 安全系数,n=5;因为 =450MPa。b所以 22130465.72(9).8MPa b n所以 可知焊接安全bn图 3-2 后缸盖与缸筒的焊接(12)缸筒制造加工要求a 缸筒内径采用 H7 或 H8P 配合,表面粗糙度一般为 0.160.32m,都需要进行研磨;b 热处理:调制处理,硬度 HB241285;c 缸内径的圆度,锥度,圆柱度均不大于内径公差的一半;d 缸筒直径大于 100mm,故垂直度不大于 0.03mm;(13)活塞的设计计算活塞在岗内径作往复直线运动,因此配合不应过紧;但活塞应保证有杆腔和无杆腔两端油液不相通,故配合又不应过松;活塞设计的好坏,将直接影响第 20 页 液压系统效率的高低。a 活塞结构形式的选取活塞结构形式多种多样,通常分为整体活塞和组合活塞两类。整体活塞在活塞圆周上开沟槽,安置密封圈,结构简单,但给活塞的加工带来困难,密封安装时也容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样,主要有密封形式决定。组合式活塞大多可以多次拆装,密封件使用寿命长。随着耐磨导向环大量的使用,多数密封圈与导向套联合使用,大大降低了活塞加工成本。因此,经比较选择组合式活塞。根据机械设计手册得选用车氏 C 型滑环密封组合式活塞。b 活塞密封装置选取活塞的结构形式主要由密封形式决定。本系统采用车氏组合密封。该密封材料的特点:聚氯橡胶材料制作的滑环及 O 型圈组合,结构简单,摩摖阻力小,密封性能好,多次拆卸可重复使用等。活塞的密封形式与活塞的结构有关,可根据液压缸的不同作用力和不同工作压力选择。c 活塞的材料选取本次设计采用导向环的活塞:优质碳素钢 45 钢,在外径套氯乙烯 PTFE+玻璃纤维和聚三氯乙烯材料制成的支撑环。d 活塞外径 的计算活塞外径的大小与活塞的缸径 D 和活塞表面的支撑形式有关,根据上面的活塞结构形式的选取,知 =D-2式中:D 缸筒的内径; 支撑环材料的厚度;一般 =2 4mm ,缸径较小时取值较小,在此取 =3mm。=D-2=100-23=94mme 活塞中心孔直径 2ycDPd2式中: 系统工作时最高压力;yP 活塞材料许用应力, =0.75 ;c c s 活塞材料的屈服极限,选用 45 号钢;s=360MPa;s第 21 页 所以 取 =51mm220.1.6350.97m62f 活塞宽度 的计算活塞宽度一般是活塞外径的 0.61.0 倍,具体设计时还需考虑密封件的形式,本次设计取活塞宽度为外径的 0.8 倍。=D-6=100-6=94=0.694=56.4mm取:=64mmg 活塞的配合要求及加工公差活塞外径的配合一般采用 f8,外径对内孔的同轴度公差不大于 0.02mm,端面与轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm,外表面圆度和圆柱度一般不大于外径公差的一半,表面粗糙度根据结构形式不同而定。本次设计表面粗糙度选用 0.16m。图 3-3 活塞的装配方式图9 连接螺栓强度的校核(1)主要受力的螺栓校核螺纹强度计算公式:螺纹处的拉应力: 6310()4KFdD =螺纹处的剪应力: 6103.2()合成应力: 2n 第 22 页 式中: F 缸筒端部承受最大推力;D 缸筒内径; 螺纹外径;0d 螺纹底径;1K 拧紧螺纹系数;不变载荷取 K=1.251.5,变载荷取K=2.54,本次设计为变载荷,取 K=3; 螺纹连接摩摖系数;一般 =0.070.2,平均取 =0.121 1K1K 许用应力, ;p 0spn 缸筒材料屈服极限;45 好钢的 =360MPa;s s 安全系数,本次设计取 =1.5; cncn39120413564802(6).9MPa 3. . 2918.762.47.n a 因为 n 所以螺纹连接强度满足要求。(2)其它非主要螺栓的设计这些螺栓只起到外壳连接作用:a 连接结合面的几何形状合理,考虑到尽可能成轴对称,结合接触面合理,便于加工制造。b 螺栓组的形心与结合面形心基本重合。c 螺栓靠近结合面边缘,减少受力。d 同一组螺栓的规格都一样,便于选用装配。考虑其受力用途,本设计选用小六角头铰制孔用螺栓:GB/T271998-M20215第 23 页 此螺栓的特点是:能够精确的固定被连接件的相互位置,并且能够承受有横向力产生的剪切和挤压。由于其为非主要受力件,故不需要对其进行强度校核。1)活塞杆最小导向长度 H 的确定(1)活塞杆的导向套用以对活塞杆进行导向,内段有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封,外侧装有防尘圈,以防止活塞杆右后退时把杂质、灰尘、以及水分带到密封装置处,损毁密封装置。当导向套采用非耐磨材质时,其内圈还可设置导向环,用作活塞杆的导向。导向套的典型结构形式有轴套式和端盖式两种,本设计选用轴套式,导向套长度过短,将使缸因配合间隙引起的初始挠度增大,影响液压缸的工作性能和稳定性,因此,设计时必须保证有一定的最小导向长度,一般液压缸的最小导向长度按如下公式计算: 20LDH式中: L 最大工作行程;D 缸筒内径;所以20LDH导向套的长度为:H= mm1714(2)导向套的材料选取金属导向套一般采用摩摖系数小,耐磨材料好的青铜制作,非金属导向套可以用塑料、聚四氯乙烯或聚三氟氯乙烯材料制作端盖式直接导向性型的导向套材料用灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等。本次设计采用青铜材料制作导向套。2)导向套的加工要求导向套的外圆与端盖内孔的配合多为 H8/h7,内控与活塞杆外圆的配合多为公差的一半,内孔中的环形油槽要浅而宽要保证良好的润滑。3)液压油口直径 D 的确定油口包括油口孔和油口连接螺纹,液压缸的进、出油口可布置在缸盖或缸筒上。液压油口直径:第 24 页 4.63QdV式中:Q 液压缸最大流量;V 液压油流速,取 v=1.5m/min;所以: = =12.99mm4.63QdV1.854)前端盖的设计计算装配长度: ,其值与缸径大小有关,缸径较小时,取值较小,451Lm本次设计取 =10mm;缸头内孔尺寸: 1式中: 活塞杆紧固装置的最大外径; 紧固装置孔壁间的最大间隙;一般取 210mm,本设计取 =6mm所以 =49+6=54mm1前端盖的材料一般要求要有足够的强度和冲击韧性,所以本次设计采用 45号钢。5)液压缸筒长度 43xLSL式中: 装配长度;4L 活塞行程系数,本设计取 =3mm;xSxS 活塞宽度;L 油缸行程; 缸盖配合台阶长度,本设计为 =6mm;3 3L所以 =10+3+844+26=883mm4xLS第 25 页 4 铲斗液压缸设计计算4.1 基本参数的确定1)液压缸最大外力的确定液压缸的机械效率由活塞机活塞杆密封处的摩摖阻力所造成,在额定压力下通常取 m =0.9 0.95,本次设计取 m =0.9对于铲斗油缸来说,根据受力分析可知最大挖掘力 Fmax=28.18考虑到工作安全系数,取安全系数 n = 1.4所以活塞杆受到的最大作用力为 Fmax = 28.181.4 = 40.35 2)液压缸筒的设计a.缸筒的结构 缸筒是液压缸的主要零件,它与缸盖、活塞等零件构成密闭的容腔,形成内压,推动活塞运动。设计缸筒时,不仅要保证液压缸的作用力、速度和有效行程,而且必须要有足够的刚度和强度,以便于抵抗液压力和其他外力的作用。根据液压设计手册可知,为满足不同型式机械的不同用途需要,液压缸相应的具有多种结构和不同性能的类型。如按运动方式分,有直线运动刚和回转摆动缸;按液压作用情况分,有单作用缸和双作用缸;按结构形式则可分为活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸和摆动缸等。通常缸筒与缸盖、缸头的连接形式取决于额定的工作压力、用途和使用环境等因素。综合考虑上述因素刚同于杠头采用焊接形式,具有结构简单,尺寸小,工艺性好,适用广的优点;缺点是缸体有可能变形。缸筒与缸盖采用外螺纹连接,具有重量轻,外径较小的优点,而且便于拆卸和检修。2 应根据负载特性和运动方式综合考虑液压缸的安装方式,使液压缸只受运动方向的负载而不受径向负载。液压缸的安装方式有法兰型、销轴型、耳环型、拉杆型等安装方式,在选定时,应使液压缸不受复合力的作用并应考虑易找正性、刚度、成本和可维护性等。综合考虑液压缸的结构和安装方式后,即可确定所需液压杆的规格。液压缸由缸筒、活塞、活塞杆、端盖和密封件等主要部件构成,液压缸可作成缸筒固定活塞杆运动形式和活塞杆固定缸筒运动形式。本设计所采用的是缸筒固定活塞杆运动形式,为满足各种机械的不同用途,液压缸种类繁多,其分类根据结构作用特点,活塞杆形式,用途和安装支撑形式来确定,按供油方式可分为单作用缸和双作用缸,单作用缸只往缸的一侧输入压力油,活塞仅作第 26 页 单向出力运动,靠外力使活塞杆返回,双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油,活塞的正反向运动均靠液压力来完成,由液压气动系统设计手册得知,工程液压缸为双作用单活塞杆液压缸,安装方式多采用耳环型,所以本液压系统选用双作用单活塞杆液压缸。液压执行元件实质上是一种能量转换装置,液压缸把输入液体的液压能转换成活塞直线移动或叶片回转摆动的机械能予以输出。所谓输入的液压能是指输入工作液体所具有的流量 Q 和液力 P,输出的机械能对活塞杆缸是指叶片轴摆动时所具有的速度 V 和扭矩 M。这些所有参数都是靠工作容积的变化来实现的,所以说,液压缸也是一种容积式的执行元件,它具有容积液压元件的共性。b缸筒材料缸筒要有足够的的温度,能长期承受较高工作压力及短动态工作压力而不致产生永久变形;还要有足够的刚度,能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲;在内表面密封件及导向环的摩摖力的作用下,能长期工作而磨损减少,尺寸公差等级和行位公差等级是以保证活塞密封件的密封性;需要焊接的钢筒还要求有良好的焊接性,以便在焊上管接头和缸头后不至于产生裂纹或过大变形。根据液压缸的参数、用途及上述要求现采用 45 号退火的冷拔无缝钢管。由手册中差得钢的抗拉强度 b610MPa,屈服强度 s360MPa。C缸筒内径的计算D= mPax14F式中: Fmax 活塞杆上的最大负荷,N 此处为 50.68KN; 负载率,一般取 0.50.7;P 工作压力,本系统取 16MPa;t 液压缸的总效率,本系统取 0.9;3649.510.763.16Dm通过上式所得结果,在参考机械设计手册表 2-4 可知:表 5-1 液压缸内径尺寸系列(
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