液压缸设计过程.doc

毕业设计（论文）任务书
第1页
毕业设计（论文）题目：
WZ30-25转向缸的设计
毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：

公称压力P1=25MPa
活塞工作推力F1=80KN 
 活塞退回时拉力F2=40KN 
 活塞行程29mm 

毕业设计（论文）主要内容：
液压缸及主要零件的设计

学生应交出的设计文件（论文）：
1、设计说明书一份
2、液压缸装配图一张
3、零件图四张

 主要参考文献（资料）：
1、机床设计手册
2、液压元件      林建亚，何存兴主  北京：机械工业出版社。1990
3、液压工程手册      雷天觉主编   北京：机械工业出版社。1990
4、锻压机械液压传动   杨宝光主编 北京：机械工业出版社。1985
5、公差与配合        姚云英主编   北京： 机械工业出版社。2003
 6、机床液压传动龙  章宏甲主编   北京： 机械工业出版社。1987

专业班级 机电一体化 班   学生   
要求设计（论文）工作起止日期2007、3---2007、6、
指导教师签字＿＿＿＿＿＿＿＿＿日期＿＿＿＿
教研室主任审查签字＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿日期＿＿＿＿
系主任批准签字＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿日期＿＿＿＿

前     言

毕业设计是培养学生综合运用本专业所学的基础理论知识和专业知识来分析，解决实际问题的能力的重要教学环节，是对三年所学知识的复习与巩固。
通过毕业设计不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下坚实的基础，而且还可以培养和熟练使用资料，运用工具书的能力。
在毕业设计过程中，我们较系统地了解了液压缸的工作原理及基础知识，努力做到理论联系实际，使所学知识系统化，条理化，使我们很好地完成了设计任务。
在设计过程中，得到了指导老师的精心指点。由于时间较紧，任务重、经验不足，缺点和错误在所难免，希望老师们能给以批评指正，为我们以后在工作岗位上完成工作任务，打下良好的基础。

摘要:本设计主要介绍了组合机床动力滑台液压缸的设计。液压缸的设计包括了系统工作压力的确定、液压缸活塞直径的确定和活塞杆直径的确定、液压缸壁厚和外径的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定以及活塞杆稳定性的验算。
关键词: 液压缸       缸筒
                  缸底
                  缸盖
                  活塞杆
                  活塞
耳环和较轴
                  缓冲装置
                  排气装置

概述
液压缸又称油缸，是一种将输入的液压能转换成机械能的能量转换装置，用来驱动工作机构作直线或小于360度的回转运动。液压缸具有结构简单，工作可靠，制造容易和使用维护方便等优点，是应用最广的液压执行元件。
转向缸在液压缸中被广泛应用。它在伸出的时候（液压杆从缸体中伸出），由于缸体一端是耳环，并没有被固定，所以在伸出的时候本身会转动。它被用于各种转向机构中。比如说产斗车的悬臂是由两个转向缸够成，它们控制悬臂的旋转，使铲斗能挖土。        

第一章 转向缸的设计与计算
液压缸的设计计算步骤：
1.根据主机运动要求，按表23.6-39选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表23.6-40选择液压缸的安装方式。
2.根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。如液压缸的推力速度，作用时间，内径，行程及活塞杆直径等。
3.根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计。如缸体的壁厚，缸盖结构密封形式，排气与缓冲等。
4.液压缸性能的验算。
一 缸型的选用
转向缸应用与各种工程机械的自卸工作。比如当装满了煤的汽车到达目的地卸货时，转向缸开始工作，缸的一侧注入液压油使液压缸产生推力，推动斗子倾斜，将煤倒出；当全部倾倒完之后，液压缸由升出状态变为收缩状态回到原位。因此，液压缸应选用单杆活塞式液压缸，。

二 安装方式的选用

液压缸由于在工作中有摆动，所以安装方式应选用头部用耳环连接，如图1所示。

图１   活塞式液压缸

图2　斗部耳环式安装
三 液压缸尺寸参数的计算
⒈液压缸的内径

此处圆整为70mm.
⒉液压杆直径d的确定计算

本处经计算圆整为45mm.本设计已知条件中给出工作压力为25Mpa>20Mpa,因此 取2。

工作压力p/MPa ≤10 12.5～20 >20
速度比 
1.33 1.46:2 2
表1
⒊液压缸结构参数的确定
液压缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚，油口直径，缸底厚度，缸头厚度等。
由已知条件”活塞行程290mm”,并对结果圆整可得活塞行程为407mm.
四　液压缸结构参数的计算
1.按薄壁筒计算 
对于低压系统或当 时，液压缸缸筒厚度一般按薄壁筒计算。
 ：

由上式可知缸筒壁厚为8mm, 液压缸外径86mm.
 其中，本处材料采用锻钢，因此:

⒉缸底厚度的计算

 = 
这里圆整为60m。     
h: 缸头厚度（mm）
p :液压缸应力极限值MPa）
d :液压缸油口直径（mm）
[ ]:液压缸材料的许用应力（MPa）
D: 液压缸内径（mm）
⒊缸头厚度的计算
转向缸要求轻便，故本处采用焊接式。在选用缸头类型方面应该用整体螺纹式法兰。
   =76mm

= 
经过核算圆整取值为60mm
⒋液压缸油口直径的计算

五　缸盖连接的计算
⒈焊接连接计算
液压缸缸底采用对焊时，焊缝的拉应力为

本处采用缸头角焊时，焊缝应力为 
六　销轴耳环的联接计算
⒈销轴的联接计算
  27.5  
其长度   
⒉耳环的宽度计算

耳环的宽度为：

七　螺纹的连接计算
缸体与缸盖用螺纹连接计算时，缸体螺纹处的拉应力为
 105MPa
螺纹处的切应力为：

合应力为 ：
      式中
   ,因此所用螺纹符合要求。
八　活塞与活塞杆的联接计算
1.危险截面的拉应力计算
活塞与活塞杆采用螺纹联接时，活塞杆危险截面（螺纹退刀槽处）的拉应力为

合成应力为 

2.活塞杆与活塞肩部表面的压应力

因此，在对活塞杆与活塞应力计算后得出所选螺纹符合要求。
九　液压杆的弯曲校核
液压缸承受轴向压缩载荷时，当活塞杆直径d与活塞杆的计算长度l之比大于10时 应校验活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。

 ，所以不需要校验数值。
l:液压杆伸出总的长度（m）
d:液压杆的直径（m）

第二章  各部分结构形式选择
一　缸筒结构
缸筒主要技术要求：
1.有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久性变形；
2.有足够的刚度，能承受活塞阀向力和安装的反作用力而不致于产生弯曲；
3.内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，有高的几何精度，足以保证活塞密封件的密封性；
4.有几种结构的钢筒还要求有良好的可焊性以便在焊上法兰或管接头后不致于产生裂纹或过大的变形。
此缸筒采用无缝钢管制成，用45号钢调质。液压缸内圆柱表面粗糙度为R 0.2~0.4um。为不损伤活塞和缸盖上的密封圈，此缸筒在入口处及有密封圈滑过的孔槽口，均应作成 的坡口。
常用的缸筒连接结构有8类，分别为拉杆连接，焊接，内螺纹连接，外螺纹连接，外卡环连接，半环连接，法兰连接和挡圈连接。通常根据缸筒与钢盖的连接形式选用其结构，而连接形式又取决于额定工作压力、用途、使用环境等因素。此处选用的连接结构为半环连接。
二　缸头结构                                     
缸底用45号钢锻件。采用半环连接，其特点是加工容易，
如图：

成本低，拆卸方便，但也有其缺点：外形尺寸较大，较笨重。装配时对拉杆要有足够的预拧紧，否则工作中拉杆伸长变形会产生不良影响。
缸头与缸体的连接方式的选择
焊接：结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。

缸体焊后可能变形，且内径不易加工。广泛用于柱塞式液压缸。活塞的技术要求。
三　缸盖结构                                       
1.缸盖的连接方式  
 缸盖采用45号钢锻件。缸盖与缸筒也采用半环连接，缸盖的导向部分与缸盖作成整体。其作用是保证活塞的运动不偏离轴心线，保证活塞和活塞杆的密封件能正常工作。缸盖与活塞杆的密封系滑动密封，采用橡胶v形封圈特点，密封可靠，寿命长，磨损后还能拧紧母予以补偿。
为了清除活塞杆外露部分沾附的尘土，缸盖应有防尘措施，此外采用橡胶防尘圈和毛毡防尘圈双层组成，效果较好。
⒉缸盖的技术要求
①直径D（基本尺寸同缸径），D （活塞杆的缓冲孔）， （基本尺寸同活塞杆密封圈外径）的圆柱度公差值，应按9，10，11级精度选取。
②D ，D 与d的同轴度公差值为0.03mm
③端面A、B与D心线的垂直度公差值，应按７级精度选取。
④导向孔的表面粗糙度为R1.25 。
四　活塞杆构造
⒈活塞杆端部结构
可分为外螺纹，内螺纹，单耳环，双耳环，球头，销轴，柱销，锥销，法兰等。
但考虑到活塞与活塞杆要定不动：
(1)杆的端部需用螺栓拧紧；
(2)活塞杆与活塞采用螺纹连接：
所以活塞杆端部采用外螺纹，一侧有销轴式活塞杆，且端部需带衬套。
⒉活塞杆尺寸的计算
已知条件：D=70mm, p=25MPa
    ＝40mm,CD=55mm,EW=55mm

⒊活塞杆结构
活塞杆有实心杆和空心杆两种。空心杆的一端要留出焊接和热处理时用的通气孔。本设计采用实心杆。

实心活塞杆材料为35、45钢
⒌活塞杆精度的选取
(1)活塞杆 和 的圆度公差值，按9，10，11级精度选择
(2)活塞杆d的圆柱度公差值，应按８级精度选取。
(3)活塞杆 的径向跳动公差值应为0.04mm.
(4)端面Ｔ的垂直度公差值，则应按７级精度选取。
(5)活塞杆上的螺纹，一般应按７级精度选取。
(6)活塞杆上联接销孔时，该孔按Ｈ11级加工，该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按６级精度选取。
(7)活塞杆上工作表面的粗糙度为  ，必要时，可以镀铬处理。
由活塞，缸盖，缸头等尺寸关系可最后确定活塞杆的几个关键尺寸为 。
⒍活塞杆的密封与防尘
常用的活塞杆的活塞杆密封与防尘见表
密封形式与防尘结构
Ｙ形密封圈 Ｊ形防尘圈
骨架式防尘圈
Ｕ形密封圈 毛毡圈
三角形防尘圈
Ｏ形密封圈 薄圈片钢组合式防尘
O形密封圈
Ｖ形密封圈 毛毡橡胶组合防尘圈
骨架式防尘圈
折叠式橡胶或帆布防尘圈
本设计活塞杆且与活塞与缸盖密封圈应选用：
⑴与活塞连接处选用GB/T3452.1 :O形密封圈
⑵GB10708.1  :Y形圈45 
⑶GB10708.3  :防尘圈d45
⑷液压缸安装连接部分的形式及尺寸
①液压缸进出油口的型式及尺寸
②液压缸进出油口形式分Ａ,B两种。本处选常用的Ａ式。
③液压缸进出油口的尺寸Ｍ12 1.5
⑸活塞杆可用45号纲做成实心杆，但为了提高耐磨性和纺锈性，防止碰撞机会较多，工作表面宜先经过高频淬火（深度0.5~1.0mm，硬度HRC50—60）然后再镀铪。活塞杆外径与导向套用H8/f7配合，端部外径与活塞内孔采用H8/h8配合。
⑹本设计活塞材料的选择
本设计活塞杆采用45钢
如图：

                    五　活塞结构
⒈本设计活塞材料的选择
液压缸活塞材料常用的有耐磨铸铁，灰铸铁（HT300,HT350）尼龙式夹布酚荃塑料的耐磨环）及铝合金等。
(1)活塞外径D 的径向跳动公差值，按7，8级精度选取。
⒉活塞与缸体的密封结构
活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使液压缸之间不漏油。因此在结构上应慎重考虑。一般常用的形式有：
间隙密封：用于低压系统中的液压缸活塞密封
活塞环密封：适用于温度变化范围大，需求摩擦力小，寿命长的活塞密封。
密封圈密封：
（i） O形密封圈：密封性能好摩擦系数小，安装空间小。
（ii） Y形密封圈，用于在20MPa压力下，往复速度较高的液压缸密封。
（iii） YX密封圈：耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y形密封圈。
（iv） V形密封圈可用于50MPa压力下，耐久性好，但阻力大。
（v） U形密封圈：用于32MPa以下的系统中，其密封性能好，但摩擦阻力小。
根据设计要求，应选择活塞环密封与Ｙ形密封圈组合形式的孔用组合封。可选择RB132孔用组合封CKWO700.
⒊活塞与活塞杆的连接方式 
(1)整体式结构：用于工作压力大，而活塞直径又较小的情况
(2)螺纹的连接方式
(3)半环的连接：用于工作压力，机械振动较大的情况
结合活塞与活塞杆的连接方式应该用螺纹连接。
活塞根据密封装置形式来选用其结构形式（密封装置则按工作条件而选定）。通常分为整体活塞和组合活塞两类。整体活塞可采用组合密封圈，活塞环，迷宫密封圈等。组合活塞可采用组合密封圈，但其结构较复杂，加工工作量较大。
活塞材料采用钢制成。活塞与活塞杆采用螺纹连接，并加有紧固装置。活塞与活塞杆之间为动配合，配合之间的密封为固定密封，采用O形密封，密封槽通常开在轴上，这样加工比较方便。
活塞与钢筒内壁之间的滑动和密封采用的方案是活塞上套一个用耐磨材料制成的支撑环，用以代替活塞与缸壁的摩擦，但它不起密封作用，密封靠一对小Y形密封圈。
由液压缸内径值再结合活塞的结构查表可得出活塞的几个关键数据  ＝30,活塞内螺纹直径 ,D=70mm,长为60mm.具体数据，参见图。
七　排气装置
液压系统在安装或停止工作以后会渗入空气，这样就会使运动部件的运动速度不均匀，产生低速爬行以及机床工作台的换向精度下降，严重的在开车时还会产生运动部件突然冲击的现象，因此在设计液压系统时，必须考虑排气装置。
一般是在流速最慢、容积最大的油缸中设置排气孔，因为液压系统中的空气容易集中在这里，油缸中的排气孔一般开在油缸安装后两端的最高处，通过管路和排气阀相连接，在机床正常工作以前，必须打开排气阀，将液压系统中的空气排除。
此处就选为高处设置排气装置，可在液压缸的最高处设置进出油口把气带走。
八　密封装置
密封装置是液压缸和其他元件不可缺少的部分，其作用是防止泄漏（包括内泄和外泄），防止灰尘，杂质，水分等污染物从外部侵入。通常液压缸和其他液压元件及系统的工作性能，效率和可靠性都与密封装置的结构和性能有关。因此，正确选择密封元件和确定其合理的结构是很重要的。对密封装置的基本要求是：在工作压力下密封效果好，且摩擦阻力和泄露少；在使用范围内的耐磨性，耐油性和抗腐蚀性能好，密封元件表面不易损坏且寿命长；结构简单，使用安装维修方便。
根据运行状况，密封装置分为静密封和动密封，动密封又有往复运动和旋转运动密封，而根据密封
原理，密封装置分为间隙密封和接触密封两大类。
⒈ 间隙密封
间隙密封是依靠相对运动的元件的微小间隙实现密封的，本身并没有专门的密封元件，如阀芯与阀套，柱塞与柱塞缸，配流盘及斜盘的平面间隙密封等。密封性能与间隙大小，压力差，配合长度，宽度或直径大小和加工精度有关。其间隙可根据允许泄漏量计算，通常则按经验植选取，即每25mm直径上有1 的间隙。间隙密封的特点是结构简单，摩擦力小，但存在着泄漏，且长期工作会使摩擦损加大，降低密封性能。
⒉ 接触密封
  在密封配合表面间加入表面加入弹性元件而实现的密封称为接触密封。这种密封效果好，能在较大的压力和温度范围内可靠的工作，是使用最广泛的密封装置，通常有O形密封圈和各钟唇形密封圈以及活塞环等，此外还有液压支架液压缸中使用的鼓形密封圈。密封元件的材料对工作介质的适应性影响很大，它包括非金属和金属材料两类。非金属材料包括皮革、天然橡胶、合成橡胶和合成树脂等，其中合成橡胶使用最广。根据不同的使用条件，合理的选择密封材料是非常重要的。
当不允许使用合成橡胶时，可采用合成树脂，如聚四氟乙烯和尼龙等。上述密封材料具有化学稳定性好，
机械强度高和耐压、耐磨、耐冲击以及摩擦系数小的优点，但其硬度随温度变化较大，弹性和柔性不如橡胶。