液压缸课程设计

课程设计说明书题目名称：单柱压力机的液压缸设计学院：机械与动力工程学院班级：机电XX-X姓名：XXX学号：XXX指导老师：XXX目录一．课程设计的目的及要求二．课程设计内容及参数确定三．设计依据和设计步骤四．结构型式的确定五．液压缸主要尺寸的确定六．稳定性及强度校核七．液压缸密封设计八．液压缸支承导向设计九．液压缸防尘圈的设计十．液压缸材料的选用十一．总结十二．参考文献一．课程设计的目的及要求1.设计目的油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360°回摆运动的液压执行元件。具有结构简单，工作可靠，制造容易以及使用维护方便、低速稳定性好等优点。因此，广泛应用于工业生产各部门，如：工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提升机构，起重机械中汽车起重机的伸缩臂和支腿机构，矿山机械中的液压支架及采煤机的滚筒调高装置，建筑机械中的打桩机，冶金机械中的压力机，汽车工业中自卸式汽车和高空作业车，智能机械中的模拟驾驶舱、机器人，火箭的发射装置等。它们所用的都是直线往复运动油缸，即推力油缸。所以，研究和改进液压缸的设计制造，提高液压缸的工作寿命及其性能，对于更好的利用液压传动具有十分重要的意义。通过学生自己独立地完成指定的液压缸设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名合格的机械工程师打好基础。2.设计要求1、每个参加课程设计的学生，都必须独立按期完成设计任务书所规定的设计任务。2、设计说明书和设计计算书要层次清楚，文字通顺，书写工整，简明扼要，论据充分。计算公式不必进行推导，但应注明公式中各符号的意义，代入数据得出结果即可。3、说明书要有插图，且插图要清晰、工整，并选取适当此例。说明书的最后要附上草图。4、绘制工作图应遵守机械制图的有关规定，符合国家标准。5、学生在完成说明书、图纸后，准备进行答辩，最后进行成绩评定。二．课程设计内容及参数确定主要技术参数：压力机输出：F=35吨；液压机额定压力：P=16MaP；液压缸行程：S=250mm;液压缸背压：1MaP;液压缸安装方式：竖直布置，法兰固定。三．设计依据和设计步骤油缸是液压传动的执行元件，它与主机及主机的工作结构有着直接的联系。不同的机型和工作机构对油缸则有不同的工作要求。因此在设计油缸之前，首先应了解下列这些作为设计原始依据的主要内容：主机的用途和工作条件，工作机构的结构特点，负载值，速度，行程大小和动作要求，液压系统所选定的工作压力和流量等。油缸的设计内容和步骤大致如下：1、液压缸类型和多部分结构的选择。2、确定基本参数。主要包括工作负载、工作速度（当有速度要求时）、工作行程、导向长度、缸筒内径及活塞杆直径等。3、强度和稳定性计算。其中包括缸筒壁厚、外径和缸底厚度的强度计算，活塞杆强度和稳定性验算，以及各连接部分的强度计算。4、导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计。5、整理设计说明书，绘制工作图。四．结构型式的确定结构初型：采用轴线固定类中的头部内法兰式局部结构初选:缸筒的结构设计：采用法兰连接；缸筒的材料：采用45号无缝钢管，根据《GB-T3087-2007优质结构钢冷拉刚才技术条件》中查的45号钢退火后抗拉强度为缸底：采用45号钢，与缸筒采用法兰连接；缸盖：采用45号钢，与缸筒采用法兰连接；缸体与外部的链接结构为刚性固定：采用法兰连接；活塞：活塞采用铸铁活塞杆：活塞缸采用45号钢，设计为实心排气装置：在缸筒尾端采用组合排气塞密封件的选用：活塞和活塞杆的密封件采用O形密封圈加挡圈。五．液压缸主要尺寸的确定1.液压缸缸筒内径D的计算（1）工作最大负载：F=350000N（2）液压缸的工作压力：液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对于不同类型的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。P=16MPa.(3)液压缸缸筒内径：6443500001610FDP=167.0mm2.液压缸活塞杆直径d的计算0.750.75167.0125.25mmdD查表得：D=200mm,d=140mm;选用45号钢，45钢的屈服强度355MPa,按强度条件校核：44350000503552Fd因为由上面的计算所选择的活塞杆直径d=140mm远大于按强度条件校核的最小直径50mm,所以选择的直径符合要求。3.液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内压力分布材料规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计按照薄壁圆筒设计，其壁厚按薄壁圆筒公式计算为：2yPD1.51624yPMPa100MPa24200242100mm式中：yP为缸筒试验压力，取1.5yPP；为缸筒材料的许用应力，取=100MPa.由计算的公式所得到的数据数值较小，使缸体的刚度不够，如在切削加工中的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚30mm.4.缸体外径尺寸的计算缸体外径12200230260mmDD查机械设计手册：液压缸的外径1D取280mm;液压缸的材料为S45;液压缸的产品系列代号为A型即工程液压缸。5.缸底厚度的确定一般液压缸多为平底缸底，其有效厚度按强度要求可用下式进行近似计算：1160.4330.43320034.64100pD式中：1——缸底厚；由上式计算得出，缸底的厚度35mm.取其为35mm.6.最小导向长度当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度。若导向长度太小，将使油缸因间隙引起的初始挠度增大，从而影响油缸的工作稳定性。对于一般油缸，其最小导向长度应满足下列公式：250200112.5mm202202LDH式中：L--油缸最大工作行程，取L=120mm.一般导向套滑面的长度A，在缸筒内径D80mm时取活塞杆直径的0.6~1.0倍。活塞宽度B取缸筒内径D的0.6~1.0倍，为了保证最小导向长度而过分地增加导向长度和活塞宽度都是不适宜的。最好的方法是在导向套与活塞之间装一隔套K，其长度C由所需的最小导向长度决定。采用隔套不仅能保证最下导向长度，而且可以扩大导向套及活塞的通用性。7.活塞宽度B的确定活塞的宽度B一般取B=（0.6~1.0）D,即B=(120~200)mm.取B=150mm.8.缸体长度的确定液压缸缸体内部的长度应等于液压缸活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D的20-30倍。即：缸体内部长度为250+120=370mm;缸体长度小于600mm;即取缸体长度为500mm.9.液压缸进、出油口尺寸的确定液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上，进、出油口的流速不大于5m/s,油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。根据液压缸螺纹连接的油口尺寸系列及16MPa小型系列单杆，液压缸进、出油口尺寸由（ISO8138-1986）确定。进出油口的尺寸为M16x1.5,连接方式为螺纹连接。六、稳定性及强度校核1.活塞杆强度校核活塞杆的直径d按下式进行校核：44350000d673.14100Fmm式中：F为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力。2.液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载kF，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。kF的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆稳定性的校核依下式进行:kknFF式中，kn为安全系数，一般取kn=2~4。当活塞杆的细长比21/krl时：222lEJFk当活塞杆的细长比21/krl时：22)(1kkrlafAF式中，l为安装长度，其值与安装方式有关，见表1；kr为活塞杆横截面最小回转半径，AJrk/；1为柔性系数，其值见表2；2为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表1；E为活塞杆材料的弹性模量，对钢取211/1006.2mNE；J为活塞杆横截面惯性矩；A为活塞杆横截面积；f为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值见表2。表1液压缸支承方式和末端系数2的值支承方式支承说明末端系数2一端自由一端固定41两端铰接1一端铰接一端固定2两端固定4表2f、、1的值材料28/10mNf1铸铁5.61/160080锻铁2.51/9000110钢4.91/500085因为单柱压力机液压缸，所以42，851，5000/1，23/109.4mNfmml250，mmrk80，125.380250krl，5.4248521。因为21krl，所以NrlfAFkk47.98125.345000/1108.0109.4122322，因为kknFF，所以校核完成。3.连接零件的强度计算对于重要的液压缸，它的各部分连接零件都应进行强度计算。缸筒和缸底焊缝强度的计算如图6所示，其对接焊缝的应力为：][)(4222dDFe式中F——液压缸最大推力（N）；——焊接效率，取=0.7；][——焊缝的许用应力（Pa）；图6焊接缸筒和缸底nb][，当采用T422焊条时，)(1042005abp，取安全系数n=3.3~4。缸盖连接螺纹的强度计算如图7所示，缸筒和缸盖采用螺纹连接时，其强度计算如下：螺纹处的拉力和剪应力分别为：图7螺纹连接的缸体)()(221apDdKF)()(4.0441101apDddKFdK其合成应力和强度验算公式为][322n式中:0d——螺纹外径；1d——螺纹内径。采用普通螺纹尺寸时，可近似地按下式计算:tdd22.101（t为螺距）；1K——螺纹内摩擦系数（2.0~07.01K），一般取12.01K；K——螺纹预紧力系数，取5.1~25.1K；][——缸筒材料的许用应力（Pa），，安全系数5.2~2.1n，s为缸筒材料的屈服极限（Pa）；F——液压缸最大推力（N）；D——缸筒内径（m）。缸盖连接螺栓的强度计算缸盖与缸筒采用法兰和固定螺栓连接时，其螺栓螺纹处的拉应力和剪应力分别为)(421apZdKF)(4.03101apZdKFdK其合成应力和强度验算公式为][322n（Pa）以上各式中的Z为螺栓或拉杆数量，其它符号意义同前。卡键连接强度的计算图8卡键连接外卡键连接见图8，卡键a-a截面上的剪应力为LPD41（N/cm2）卡键a-b侧面的挤压应力为)2(121hDhPD（N/cm2）缸筒危险截面（A-A截面）的拉应力为22121)(DhDPD（N/cm2）内卡键连接见图，卡键a-a截面上的剪应力为LPD4（N/cm2）卡键a-b侧面的挤压应力为)2(2hDhPD（N/cm2）缸筒危险截面（A-A截面）的拉应力为2212)(hDDPD（N/cm2）式中P——液压缸的最大出力（N）；1D——缸筒外径（cm）；D——缸筒内径（cm）；h——卡键厚度（cm）；L——卡键宽度（cm）。经过计算强度合格。4.缓冲装置设计计算液压缸中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在活塞和缸盖之间封住一部分油液，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。液压缸中使用的缓冲装置的工作原理如图9所示。最常用的是节流口可调式和节流口变化式两种。其中，节流口可调式缓冲装置在节流口调定后，工作原理上就相当于一个单孔口式的缓冲装置。表3示节流口可调式和节流口变化式两种缓冲装置的主要性能。表3液压缸中常用的缓冲装置名称和工作原理图特点