1、焦作大学 机电工程学院 毕 业 设 计 液 压 缸 的 设 计 姓名： _ 学号： _ 专业： _ 班级： _ 指导老 师： _ 2013 年 11 月 28 日 焦作大学 -机电工程学院 I 摘 要 将液压缸提供的液压能重新转换成机械能的装置称为执行元件。执行元件是直接做功者，从能量转换的观点看，它与液压泵的作用是相反的。根据能量转换的形 式，执行元件可分为两类三种：液压马达 、 液压缸 、 和摆动液压马达，后者也可称摆动液压缸。液压马达是作连续旋转运动并输出转矩的液压执行元件；而液压缸是作往复直线运动并输出力的液压执行元件。 此说明书是针对液压缸的工作环境和工作要求来确定液压缸的工作压力和
2、承载能力，来确定其缸筒内径、壁厚和活塞杆的直径。 再根据液压缸的零部件的工作要求确定零件的工艺，根据零件的精度要求确定零件 的加工方法，并生成工艺卡片，完成零件的加工。 关键字： 液压缸、机械能、转矩、执行元件 Abstract Hydraulic cylinder will be able to provide the hydraulic-mechanical energy conversion device called actuators. Work is a direct implementation of components, from the point of view of e
3、nergy conversion; it is the role of the hydraulic pump opposite. According to energy conversion in the form of implementation of the three components can be divided into two categories: hydraulic motors, hydraulic cylinders, hydraulic motors and swing, which may also be said swing hydraulic cylinder
4、. Hydraulic motor is the continuous torque and rotational movement of the hydraulic actuators, and hydraulic cylinder is a reciprocating linear motion and the output of the hydraulic components. And this statement is the hydraulic cylinders for the working environment and job requirements of hydraul
5、ic cylinders to determine the pressure and work load, to determine the cylinder diameter, thickness and diameter of the rod. According to the hydraulic cylinder parts of the job requirements identified parts of the process, according to parts of the accuracy of determining parts processing methods,
6、and generate process card, complete the processing parts. Keyword: hydraulic cylinder, mechanical energy, torque, the implementation of components 焦作大学 -机电工程学院 II 目录 摘要 I 第 1 章 绪论 1 第 2 章 液压传动系统的执行元件 液压缸 2 2.1液压缸的类型及 特点 2 2.2液压缸的组成 3 第 3 章 液压缸的设计 6 3.1 简介 6 3.2 液压缸的设计 10 3. .1 缸筒 壁厚 的校核 7 3. .3 缸盖固定
7、螺栓的设计 10 3.2.4导向套的设计与计算 13 3.2.5活塞的设计 13 3.2.6缸底端盖设计 14 3.2.7缸筒的设计 15 3.2.8密封装置 22 3.2.9缓冲装置 23 3.2.10排气装置 23 总 结 25 参考文献 25焦作大学 -机电工程学院 1 第 1 章 绪 论 目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技术装备上，例如机械制造、工程、建筑、矿山、冶金、船舶等机械，上至航空、航天工业，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
8、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。 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。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重要标志。 液压传动是研究以有压
9、流体（液体）为传动介质来实现各种机械的传动控制的学科。液压传动是根据流体力学的基本原理，利用流体的压力能进行能量的传递和控制各种机械零部件运动。 液压传动的基本原理： 液压系统 利用 液压泵 将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种 控制阀 和管路的传递，借助于液压执行元件 (液压缸 或 马达 )把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。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
10、清楚的了解液压传动的基本 原理 。 焦作大学 -机电工程学院 2 第 2 章 液压传动系统的执行元件 液压缸 2.1 液压缸的类型及 特点 根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类 型： 活塞式 单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口 A和 B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。 柱塞式 (1)柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱 塞回程要靠其它外力或柱塞的自重 ; (2)柱塞只靠缸套支承而不与缸套 接触，这样缸套极易加工，故适于做 长行程液压缸 ; (3)工作时柱塞总受压，因而它必须 有足够的刚度 ; (
11、4)柱塞重量往往较大，水平放置时 容易因自重而下垂，造成密封件和导向 单边磨损 ，故其垂直使用更有利。 活塞仅能单向运动，其反方向运动需由外力来完成。但其行程一般较活塞式液压缸大。 伸缩式 伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。有对歌一次运动的活塞，各活塞逐次运动时，其输出速度和输出力均是变化的。 摆动式 摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固 定在缸体上，而叶片和转子连
12、接在一起。根据进油方向， 叶片将带动转子作往复摆动。其典型结构 表 2-1液压缸的类型和特点 类型 速度 作用力 特点 单 作 用 液 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 焦作大学 -机电工程学院 3 压 缸 差动液压缸 U3=q/A3 F3=p1A1 可使速度加快，但作用力相应减小 伸缩液压缸 - - 以短缸获得长行程；缸由大到小逐节推出
13、，靠外力由小到大逐节缩回 双 作用液压缸 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， F1F2 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 液 压 缸 弹簧复位液压缸 - - 单向由液压驱动，回程弹簧复位 串联液压缸 U1=q/（ A1+A2） U2=q2A2 F1=p1（ A1-A2）-2qA2 F1
14、=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 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 摆动液压缸 单叶片液压缸 W =8q/（ b（ D2-d2） T=p（ D2-d2） b/8 把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角 20MPa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 2-2(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 2-2(b)所示为半环连接式，它的缸
15、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，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上 。图2-2(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2-2(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 2-2(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。 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
16、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。 图 2-2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 焦作大学 -机电工程学院 5 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)活塞组件 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
17、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 2-3 所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式 ： 图 2-3 (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 2-3 (b)和 (c)所示为卡环式连接方式。图 2-3 (b)中活塞
18、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 2-3 (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 2-3 (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。 图 2-3 常见的活塞组件结构形式 焦作大学 -机电工程学院 6 第 3 章 液压缸的设计 3.1 简介 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
19、械、矿山机械及车辆等的液压传动。液压缸结构如下 图 3-1: 图 3-1 液压缸结构 3.2 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，因此所需要的液压缸和在结构上千变万化。尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要自行设计。下面介绍液压缸的设计计算。 (一 )主要尺寸的计算 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
20、等因素。通常情况 L (2030)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 焦作大学 -机电工程学院 7 推荐活塞杆直径 d (0.5 0.55)D (0.56 0.6)D 0.65D （ 二）强度校核 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。 在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统中需按下列情况进行校核。 3. .1 缸筒 壁厚 的校核 当 D/10 时为薄壁， 按下式校核 :
21、 3-1 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， py =1.5pn； pn16Mpa时， py=1.25pn。 当 D/10 时为厚壁， 按下式校核 : 3-2 因此次设计的液压缸缸体材料球墨铸铁，所以 =310MPa， Py=34MPa， =6.6784mm，圆整后 =7mm 3. .2 活塞杆的设计 (1)活塞杆直径 d 3-3 式中， F 活塞杆上的作用力； 活塞杆材料的许用应力， = b/1.4。 活塞杆根据液压缸的工作环境及其使用性能，应选用 45#钢， F=120KN, =475MPa，数据代入 d=78.23mm，圆整后 d=80mm （ 2）活塞杆长度 L
