液压缸设计说明书.doc

目录一、设计规定-11、目的12、题目1二、总述-21、作者的话-22、设计提纲3三、各零部件的设计及验算-51、缸筒设计52、法兰设计143、活塞设计194、活塞杆设计215、缓冲装置和排气阀设计26四、外接线路和程序-271、液压设配外接线路272、操作板283、程序地址分派294、芯片接线图315、PLC程序指令-33五、参考文献38一、设计规定1、目的、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统的初步设计工作，并结合设计或实验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文献的能力，提高计算、绘图等基本技能。、培养学生掌握机电产品的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。、树立对的的设计思想及严厉认真的工作作风。2、题目液压油缸的压力和速度控制、执行元件：液压油缸；、传动方式：电液比例控制；、控制方式：单片微机控制、PLC控制；、控制规定：速度控制、推力控制；、重要设计参数：油缸工作行程600、400mm；额定工作油压4MP；移动负载质量1000、2023kg；负载移动阻力5000、10000N；移动速度控制3、6m/min。二、总述1、作者的话液压油缸在现代工程中的使用十分频繁，其工作性能和可靠性直接影响工程的质量和进度；运用数控电液伺服阀来控制液压油缸，可以实现输出的线性和实时控制，在很大限度上改善工程油缸的使用性能；本次设计中使用的电液比例换向阀可以实现电机械转换，配合放大器件同时使用，可以对油缸进行良好的控制；实行控制的器件为可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller），选用德国西门子STEP7-200进行编程，接口简朴易懂。由于说明书比较长，为了方便阅读，在下面的“设计提纲”中会先给出液压油缸设计的重要参数和一些部件的选用，在后续的“各零部件设计及验算”中再加以具体的说明和验证。2、设计提纲、液压油缸重要参数给定在设计规定中已经提到的参数这里就不再赘述，下面只给出本次设计中液压油缸重要部件的其他参数：缸内径：D=80mm；缸外径：=90mm；壁厚：=5mm；极限推力：=30162N；速比：=2；活塞杆直径：=56mm；活塞外推流量：=0.5L/s法兰厚：h=8mm；、法兰安装方式选择后端法兰安装方式，由于是推力，所以选用如下方式：、缓冲机构的选用一般承压在10MP以上应当选用缓冲机构，本次设计中，工作压力为4MP，因此缓冲机构从略。、密封装置选用选用Yx型密封圈，聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）材料联合使用，达成良好的密封效果。、工作介质的选用由于工作在常温下，所以选用普通的是油型液压油即可。、液压缸的装配装配前必须对各零件仔细清洗；要对的安装各处的密封装置：安装形密封圈时，要注意其安装方向，避免因装反而漏油，其唇边应对着有压力的油腔。此外，由于是Yx形密封圈，所以还要注意区分是轴用还是孔用，不要装错；由于密封装置与滑动表面配合，装配时应涂以适量的液压油； 螺纹联接件拧紧时应使用专用扳手，扭力矩应符合标准规定；活塞与活塞杆装配后，须设法测量其同轴度和在全长上的直线度是否超差；装配完毕后活塞组件移动时应无阻滞感和阻力大小不匀等现象。三、各零部件的设计及验算1、缸筒设计、缸筒结构的选择连接方式如下图：选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊接方式连接。其优点是结构简朴，易选取、易装卸；缺陷是外径较大，比螺纹连接的重量大。、缸筒的规定有足够强度，可以承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。、缸筒材料的选取及强度给定部分材料的机械性能如下表：本次设计选取45号钢从表中可以得到：缸筒材料的屈服强度=360MP；缸筒材料的抗拉强度=610MP；现在运用屈服强度来引申出：缸筒材料的许用应力=/n=360/5=72MP。其中n=5是选取的安全系数，来源于下表：、缸筒的计算、液压缸的效率油缸的效率由以下三种效率组成：=0.9=1=0.9所以总效率为0.8。、液压缸缸径的计算=10000N=0.7=0.8P=4MP本次设计中液压缸负载为推力，根据式23.31得到内径：D=75.393mm缸径可以取为80mm。、流量的计算液压缸流量根据下式计算：设计规定中给定了活塞的平均速度：=6m/min=0.1m/s而活塞的面积：=50.27 （事实上这个值可以从手册里面查到）容积效率：=1根据式23.125得到活塞杆外推时的流量：=0.5L/s由于只使用外推方向，所以回程方向的流量从略。、缸筒壁厚的计算缸筒壁厚可以使用下式进行计算：根据缸径查手册预取=3此时/D=3/80=0.03750.08满足使用薄壁缸筒计算式的规定，下面运用上式来计算：最高允许压力一般是额定压力的1.5倍，根据给定参数P=4MP，所以：=41.5=6MP许用应力在选取材料的时候给出：=/n=360/5=72MP根据式23.33得到壁厚：=3.33mm为保证安全，取壁厚为5mm。、缸筒壁厚的验算下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：根据式23.37得到：26.44MP显然，额定油压P=4MP，满足条件；先根据式23.310得到：=42.35MP再将得到结果带入23.39得到：16.94MP显然，额定油压P=4MP，满足条件；由于=610MP已经在选择缸筒材料的时候给出，根据式23.312得到：=71.77MP至于耐压实验压力应为：=1.5P=6MP依据为：由于爆裂压力远大于耐压实验压力，所以完全满足条件。以上所用公式中各量的意义解释如下：、缸筒的加工规定缸筒内径D采用H7级配合，表面粗糙度为0.16，需要进行研磨；热解决：调制，HB240；缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半；刚通直线度不大于0.03mm；油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺；在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。2、法兰设计、（缸筒端部）法兰厚度计算法兰厚度根据下式进行计算：一方面来计算法兰在最大内压的情况下受到的压力F：在流量的计算中已经得出活塞的面积是：=50.27缸壁厚度计算中得出最大压强：=41.5=6MP所以法兰承受的最大压力为：F=30162N接下来选取其它参数：=52mm=6mmb=5mm许用应力在选取材料的时候给出：=/n=360/5=72MP将以上各量带入式23.316得到：h=7.6mm为保证安全，取法兰厚度为8mm。、（缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算连接图如下：螺栓强度根据下式计算：最大推力为：F=30162N使用15个螺栓紧固缸盖，即：Z=15螺纹外径和底径的选择：=6mm =4.8mm系数选择：考虑到载荷也许有变化，为了安全，选取：K=3=0.12根据式23.320得到螺纹处的拉应力为：=333.32MP根据式23.321得到螺纹处的剪应力为：=196.37MP根据式23.322得到合成应力为：=476.25MP由以上运算结果知，应选择螺栓等级为12.9级：查表的得：抗拉强度极限=1220MP 屈服极限强度=1100MP不妨取安全系数n=2可以得到许用应力值：=/n=1100/2=550MP再次使用式23.322得到： 成立证明选用螺栓等级合适。3、活塞设计、活塞结构的设计活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。、活塞的密封选用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：、减少摩擦阻力，无爬行现象；、具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；、安装沟槽简朴，拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，由于组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，减少了活塞与缸筒的加工规定，密封方式图如下：、活塞的材料选用高强度球墨铸铁QT600-3、活塞的尺寸及加工公差选择活塞厚度为活塞杆直径的1倍，由于活塞杆直径是56mm（这个在后面的活塞杆设计中会给出解释），所以活塞的厚度为56mm。活塞的配合由于使用了组合形式的密封器件，所以规定不高，这里不加叙述。活塞外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，断面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半。4、活塞杆的设计、活塞杆杆体的选择本次设计选用的是实心杆件，形式如下图：、活塞杆与活塞的连接形式本次设计采用的是锁紧螺母型连接，如下图：、活塞杆材料和技术规定、由于没有特殊规定，所以选用45号钢作为活塞杆的材料，本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制解决，但进行淬火解决是必要的，淬火深度可以在0.51mm左右。、安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。、活塞杆外圆粗糙度选择为0.3、由于是运营在低载荷情况下，所以省去了表面解决。、活塞杆的计算、活塞杆直径的计算活塞杆的直径可以根据速比来拟定，公式如下：速比=2由公式23.327计算得d=56mm事实上也可以从下面的表格中直接查取：由于缸筒内径为80mm，从上表中选取速比为2的活塞杆直径是56mm，这也正是之前在拟定活塞厚度的时候所用到的数据。、活塞杆强度的计算活塞杆端部的负载连接点与与液压缸支撑之间的距离为，假如：10d（显然这个是成立的）就用下式计算活塞杆强度：事实上式中的/n 就是材料的许用应力，之前已经给出了45号钢的许用应力为：=/n=360/5=72MP最大推力F=30162N于是根据式23.328得到活塞杆的直径：d23mm可知强度符合规定。、活塞杆弯矩稳定性验算先计算活塞杆截面的惯性矩I=481890.304油缸支撑长度=1121mm（见CAD油缸装配图）导向系数根据安装方式选择，如下图第二格所示：因此安装导向系数K=1.5将以上各量带入公式中得到活塞杆失稳力：=3.028N选取安全系数=5得到最大承载力的判别式F/=6N显然这是符合规定的，由于最大工作压力是3N，而额定工作压力只有1N。、活塞杆的导向、密封和防尘、导向环选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简朴，并且磨损后导向环易于更换。、密封Yx型轴用密封圈加轴用阶梯圈组合使用，这样比起单独密封，可以减小摩擦，减少泄漏量，增长寿命。、防尘使用DH防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。5、缓冲装置和排气阀由于时间因素和课程设计的规定，这两项酌情省略。四、外接线路和程序1、液压设备外接线路设计原理如下图：原理说明：、运用液压油泵供油，出油泵以后一方面接入“电磁溢流阀（YB1、YB2）”，由“电磁溢流阀”决定下一步的油压。（这一项通过PLC控制）、“电磁换向阀（YA1、YA2、YA3）”在中间位置（YA3）时，泵输送的油完全泄入油缸，油缸不工作；在左边位置（YA1）时，活塞正向运动；在右边位置（YA2）时，活塞负向运动。（这一项通过PLC控制）、“调速阀（YC1、YC2）”对输入油缸正向的油压大小进行控制，可以调节到需要的尺度。（这一项通过PLC控制）、油缸处在正向工作状态的时候，滤油器可以对液压油进行过滤。、油缸行程的始端和末端有行程开关，控制活塞停止和运动。（这一项通过PLC控制）2、操作板PLC控制面板如下图：控制环节及解释：、泵启动按钮选择是否启动额定压力（通过“电磁溢流阀”控制泵输出压力）；、速度按钮选择活塞运营速度（通过“调速阀”控制）；、自动回程按钮选择是否自动回程（默认不自动回程）；、正向按钮活塞正向运动；、负向按钮活塞负向运动；、急停按钮在任何情况下停止活塞运动；、复位按钮在任何情况下停止活塞运动并等待一秒钟时间后返回初始位置；（注：假如泵压力按钮选择关闭，则其他部件所有失效，用于完全停止液压缸的运营）3、程序地址分派运用德国西门子STEP7-200编程，共使用三个芯片板，下表中已标明各地址分派值的具体作用，没有标出符号的地址只用于程序内部，不用做外部直接输出。地址分派表格如下：序号地址符号备注1I0.1SB1活塞正向运营2I0.2SB2活塞负向运营3I0.3SB3活塞急停4I0.4SQ1行程末端开关触发5I0.5SQ2行程始端开关触发6I1.1SS1泵供油开通7I1.2SS2泵供油关闭8I1.3SF所有复位9I2.1SG1选择3m/s行进速度10I2.2SG2选择6m/s行进速度11I2.3SZ1活塞自动回程启动12I2.4SZ2活塞伸出到位停止13Q0.1YA1电磁换向阀正向位14Q0.2YA2电磁换向阀负向位15Q0.3YA3电磁换向阀中间位16Q1.1YB1溢流阀值4MP17Q1.2YB2溢流阀值0MP18Q1.3锁时（程序内部使用）19Q2.1YC1调速阀3m/s位20Q2.2YC2调速阀6m/s位21Q2.3自动回程（内部使用）4、芯片接线图接线图1：注释：SQ1、SQ2是行程开关的动合触点，活塞到达行程的始端和末端会压合触点，执行相应的程序控制液压缸的动作。接线图2：接线图3：5、PLC程序指令：、选择活塞速度、选择是否自动回程、选择油泵工作是否有效假如油泵有效，意味着溢流阀保持在4MP、正向运营、负向运营、急停无论正向还是负向运营，都会立即停止。行程始端末端自动停止、自动回程假如开始选择了自动回程（事实上在油缸运作中也可以对此项进行设立），活塞完全伸出后，等待时间为1m，之后自动返回初始位置。、复位一方面所有动作停止之后等待1m，活塞自动回到初始位置。五、参考文献1、程大先，机械设计手册单行本液压传动，北京，化学工业出版社，2023.12、贾培起，液压缸，北京，科学技术出版社，1987.63、刘辉、林玲，基于PLC控制的液压控制系统，科技动态4、朱明星、李庆峰，PLC在液压传动控制系统中的应用，铜陵职业技术学院学报，2023年第4期5、刘贤波、宋风、王玉宝，液压油缸结构的改善，煤矿机械，2023年11月6、刘贤波、催梅生、张传伟，液压支架用液压油缸活塞杆弯曲稳定性的验算分析，煤矿机械，2023年1月7、罗忠辉、王筱珍、液压缸运动的PLC闭环控制研究，机床与液压，1997.68、边辉、李震，液压油缸密封支承材料的选用，中国设备工程，2023.59、张书奇，液压自动往复液压缸的设计，液压气动与密封，2023年10月10、马俊功、王世富、王占林，用电液比例阀改造液压油缸实验台，机械（维修与改造），2023年第2期