液压气缸的设计

第三章液压传动系统的设计计算3.1明确设计要求制定基本方案：设计之前先确定设计产品的基本情况，再根据设计要求制定基本方案。以下列出了用于机器人的一些基本要求：1)人工控制操作，能按钮启动控制升降；2)启动时，两个液压缸应该同步性较好。3)性能可靠，成本低廉，便于移动，无其他附属功能及特殊功能；3.2制定液压系统的基本方案3.2.1确定液压执行元件的形式液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回转运动，二者的特点及适用场合见下表。名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双作用往复运动单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进，A1=2A2往返速度相等柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其他外力返回摆动缸单叶片式转角小于360度双叶片式转角小于180度小于360度的摆动小于180度的摆动齿轮泵结构简单，价格便宜高转速低扭矩的回转运动叶片泵体积小，转动惯量小高转速低扭矩动作灵敏的回转运动摆线齿轮泵体积小，输出扭矩大低速，小功率，大扭矩的回转运动轴向柱塞泵运动平稳、扭矩大、大扭矩的回转运动转速范围宽径向柱塞泵转速低，结构复杂，输出大扭矩低速大扭矩的回转运动注：A1——无杆腔的活塞面积A2——有无杆腔的活塞面积对于本设计实现单纯并且简单上下运动的机构，可以采用齿轮式液压泵及双活塞杆液压缸，这样不仅简化液压系统降低设备成本，而且能改善运动机构的性能和液压执行元件的载荷状况。3.2.2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，按表37-7-5选择液压缸的类型为：直线运动单活塞杆双作用缓冲式液压缸。其特点：活塞双向运动产生推、拉力。活塞行程终了时减速制动，减速值不变。3.2.3确定液压缸的安装方式工程液压缸均为双作用单活塞式液压缸，安装方式多采用耳环型。由于本设计中液压缸在作用过程中是一端固定，一端在垂直面上自由摆动的形式，因此根据表37-7-6选择液压缸的安装方式为：尾部耳环联接。3.2.4缸盖联接的类型按缸盖与缸体的联接方式，可分为外螺纹联接式、内卡键联接式及法兰联接式三种。这里采用法兰联接。型号说明：P37-1803.2.5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组合实现所要求的动作。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组合来实现。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。3.2.6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。3.3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。3.3.1载荷的组成与计算：首先，需要确定液压缸处于最大工作压力时的位置，当液压缸上升时，液压缸处于最大工作压力，我们估计机器人上身的总重量约为4Kg，所以液压缸的最大载荷为P=4*1000=4000N,下面就根据载荷量来选取合适的液压缸。图3-3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wF是作用在活塞杆上的外部载荷，mF是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆是的外部载荷包括工作载荷gF，导轨的摩擦力fF和由于速度变化而产生的惯性力aF。（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gF，在图3中，gF=P。由于本设计按最大载荷量定为2吨来计算，所以每个液压缸gF=P=4000N。（2）导轨摩擦载荷fF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fF=0。（3）惯性载荷aFaFma，vat。v——速度变化量m/st——起动或制动时间，s。一般机械=0.1~0.5s，对轻度载荷低速运动部件取小值，对重载荷高速部件取大值。行走机械一般取=0.5~1.5sa——加速度2/ms初步选定速度变化量v=0.16m/s，t=0.6s，则vat=0.160.6=0.272/ms，2/20.27270aFmatN以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷wF，1136800270113950wgfaFFFFN。起动加速时wgfaFFFF，稳态运动时wgfFFF，减速制动时wgfaFFFF。工作载荷gF并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则gF=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。除了外载荷wF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(1)mmFP式中m——液压缸的机械效率，一般取0.90~0.95，这里取0.95，F=4568N。3.3.2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5Mpa。各种机械常用的系统工作压力机械类型机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磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MPa0.8~0.23~52~88~1010~1820~323.3.3计算液压缸的主要结构尺寸⑴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3-4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1122wmFFpApA活塞杆受拉时1221wmFFpApA式中214AD——无杆腔活塞有效工作面积2m222()4ADd——有杆腔活塞有效工作面积2m1p——液压缸工作腔压力Pa2p——液压缸回油腔压力Pa，其值根据回路的具体情况而定，一般可以按照下表估算D——活塞直径md——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0.2~0.5回油带调速阀的系统0.4~0.6回油路设置有背压阀的系统0.5~1.5用补油泵的闭式回路0.8~1.5回油路较复杂的工程机械1.2~3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20.2pMPa在本设计中，液压缸不存在受拉的状态，所以只考虑其收压。一般液压缸在收压状态下工作时，其活塞面积为：2111FpAAp用运此公式须事先确定1A与2A的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比=d/D，其比值可按下表选取。按工作压力选取d/D工作压力MPa5.05.0~7.07.0d/D0.5~0.530.62~0.70.7按速度比要求确定d/D（21/vv）1.251.331.460.1612d/D0.40.50.550.620.71注：速度比，为活塞两侧有效面积1A与2A之比。即21222ADADd如按工作压力应选取d/D=0.7，则相应的速度比=2，由于活塞不受拉力作用，所以活塞杆收缩时可以适当提高其速度，=2也是完全可以的。运用直径求法公式221244119568101.1[(1)][150.2(10.71)]FDmmpp，可以求出d=71.8mm。液压缸的直径D和活塞杆径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，如与标准液压缸参数相近，最好选用国产液压缸，免于自行设计加工。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100mm，活塞杆70mm,速度比=2，工作压力16Mpa，推力125.66kN。⑵计算活塞杆的行程当平台处于最低位置05时，此时活塞杆应处于完全收缩状态,液压缸的长度为最小值0d，2202cos2dalal=1320mm。平台的高度2sin21500sin10366hlmm。再计算一下平台上升的最大高度，这里设上升至最大高度的30，计算得出最大高度H=2.1m。此时活塞杆伸长至222cos21760mdalalmm。当活塞杆处于完全收缩状态时，液压缸的长度就等于0d，选定液压缸长度为1320mm。计算其行程：017601320440msddmm。,查表37-7-9可以查得液压缸长度不得小于365365440805XCsmm，实际长度满足要求。3.3.4确定液压泵的参数⑴确定液压泵的最大工作压力1PpppPa，式中1p——液压缸最大工作压力，根据1122wmFFpApA可以求出2110.215.3FApMPaAp——从液压泵出口到液压缸入口之间的总的管路损失。初算可按经验数据选取：管路简单、流速不大的取0.2~0.5Mpa；管路复杂，进油口有调速阀的，取0.5~1.5Mpa。这里取0.5Mpa。即15.30.515.8PpMPa⑵确定液压泵的流量PQmaxPQKQ3/msK——系统泄漏系数，一般取1.1~1.3，这里取1.2maxQ——液压缸的最大流量，对于在工作中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取430.510m/s在前面已经初步选定台面速度变化量v=0.16m/s，我们就设定台面起升的最大速度0.16m/syv，则活塞的运动速度应用公式222cos2sin()2cosyalalvvl，00.22=0.04m/syvv（这是在台面刚刚起升状态时，5）34301220.047.85106.2810/QvAms所以4443max1.2(6.28100.510)8.1410/PQKQms⑶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25~60%。查找手册P37-135选择CB-AF型齿轮泵，其参数如下表型号排量压力转速特点生产厂额定最高额定最高CB-AF10~40162018002400铝合金壳体，可作双联泵榆次液压件厂⑷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310PPPpQPkW，其中P——液压泵的总效率，参考下表选择P=0.7液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.6~0.70.65~0.800.60~0.750.80~0.85则43315.88.14