單作用法蘭式液壓缸設(shè)計(jì)說明

1、題目 單作用法蘭式液壓缸設(shè)計(jì)目錄第 1 章 設(shè)計(jì)參數(shù)及工況分析 31.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 31.2 工況分析 3第 2 章 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 52.1 液壓缸內(nèi)徑 D和活塞桿直徑 d 的計(jì)算 52.1.1 液壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算 52.1.2 活塞桿直徑 d的計(jì)算 . 62.2 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 62.3 液壓缸工作行程的確定 72.4 缸蓋厚度的確定 72.5 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 72.6 缸體長(zhǎng)度的確定 82.7 法蘭的設(shè)計(jì) 82.8 活塞的設(shè)計(jì) 8第 3 章 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 103.1 活塞桿的校核 103.2 缸筒壁厚的校核 113.3 法蘭螺栓組連接強(qiáng)度校核 12第 4 章 液

2、壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 134.1 液壓缸的安裝形式 134.2 缸體與缸蓋的連接形式 134.3 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 134.4 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 144.5 活塞及活塞桿處密封圈的選用 144.6 液壓缸的緩沖裝置 144.7 液壓缸主要零件的材料 15第1章設(shè)計(jì)參數(shù)及工況分析1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)最大輸出力： 20000N；最大運(yùn)行速度： 0.12m/s ；運(yùn)動(dòng)行程： 0.42m（420mm）1.2 工況分析液壓缸所受負(fù)載 F 包括有效工作負(fù)載，摩擦阻力和慣性力三種類型，即F Fw Ff Fa式中 Fw 有效工作負(fù)載，在本設(shè)計(jì)中即為題目給定的最大輸出力Fw=20000N；Fa運(yùn)動(dòng)部件速度變

3、化時(shí)的慣性負(fù)載；Ff 導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦阻力，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦阻力，對(duì) 于平導(dǎo)軌 Ff 可由下式求得 Ff f G FRnG 運(yùn)動(dòng)部件重力；FRn 垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，本設(shè)計(jì)中為零；f 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，在本設(shè)計(jì)中取靜摩擦系數(shù)為 0.2 ，動(dòng)摩擦系數(shù)為 0.1 則 求得Ffs 0.2 X 9800 1960N Ffa 0.1X 9800 980N上式中 Ffs 為靜摩擦阻力，F(xiàn)fa 為動(dòng)摩擦阻力Fa式中 m負(fù)載質(zhì)量、 t 加速或減速時(shí)間， 本次設(shè)計(jì)中取 t 0.12s；t 時(shí)間內(nèi)的速度變化量 , 本次設(shè)計(jì)最大速度為 0.12m/s, 取0.12m / s ；先取負(fù)0.12載質(zhì)量為 1

4、000kg，故 Fa 1000 0.12 1000Na 0.12根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，列出個(gè)各工作階段所受的外負(fù)載：前進(jìn)時(shí)最大負(fù)載F(N)啟動(dòng)加速F=Ffs +Fa+Fw229602098019980勻速移動(dòng) F Ffa +Fw 減速制動(dòng) F Ffa +Fw- F a第 2章 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 液壓缸內(nèi)徑 D和活塞桿直徑 d 的計(jì)算2.1.1 液壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算 由于啟動(dòng)加速階段工作負(fù)載力最大，故按牛頓運(yùn)動(dòng)定律， pA- Ffs - Fw =mama Ffs FwA p式中 A 液壓缸有效工作面積 （m2）。p 分配給執(zhí)行元件用于克服執(zhí)行元件外負(fù)載的壓力（ MPa）p （ps p）3 ,

5、 p 為局部損失和沿程損失之和，初步估算為 0.5MPa. 根據(jù)附表 1 選擇工作壓力 P=3.5Mpa附表 1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力負(fù)載 F（ N）50000工作壓力P（MPa）5722A 6 0.01148 m2 114.8cm2在本設(shè)計(jì)中，23 (3.5 0.5) 106由此求得，活塞缸內(nèi)徑為根據(jù)附表 2 缸筒內(nèi)徑尺寸系列 GB2348-80（mm），將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn) 系列直徑 D=125m；m附表 2 缸筒內(nèi)徑尺寸系列 GB2348-80（ mm）2.1.2 活塞桿直徑 d 的計(jì)算d D 液壓缸內(nèi)徑與活塞桿直徑的關(guān)系。 考慮到活塞桿受壓， 且液壓缸工作壓力小于 5MPa，根

6、據(jù)附表 3液壓缸工作壓力與活塞桿直徑，取 d /D 0.55附表 3 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑液壓缸工作壓力 p/MPa7推薦活塞桿直徑 d(0.5 0.55)D(0.56 0.6)D0.65D活塞桿直徑 d 0.55D 0.55X125 68.75mm附表 4 液壓缸的活塞桿外徑尺寸系列 GB2348-80( mm)Fmax22960 2MPa100A1 100 114.8根據(jù)附表 4 液壓缸的活塞桿外徑尺寸系列 GB2348-80( mm)，將液壓缸內(nèi)徑 圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑 d=70mm；由此求得液壓缸最大工作壓力 p1根據(jù)附表 5 液壓缸公稱壓力系列 (GB/T7938-1987)，取

7、液壓缸額定工作壓力 為 2.5MPa。附表 5 液壓缸公稱壓力系列( GB/T7938-1987 )2.2 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算pyD2液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。 工程機(jī)械的液壓缸， 一般是用無(wú) 縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算式中 液壓缸壁厚 (m) ；D 液壓缸內(nèi)徑 (m) ；py 試驗(yàn)壓力，取最大工作壓力的 1.5 倍( MPa)；缸筒材料的許用應(yīng)力。無(wú)縫鋼管 45 鋼100MPa 。1.5 2.5 72 100312.3 10 3m液壓缸壁厚取 13mm液壓缸壁厚算出后，可求出缸體的外徑 D1 D 2 125 2 13 151mm根據(jù)附表 5 工

8、程機(jī)械用標(biāo)準(zhǔn)油缸的缸體外徑 (JBIO68-67)mm ，將液壓缸缸 體外徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑 D1=152m；m附表 5 工程機(jī)械用標(biāo)準(zhǔn)油缸的缸體外徑 (JBIO68-67)mm2.3 液壓缸工作行程的確定根據(jù)題目給定運(yùn)動(dòng)行程 0.42m，參照液壓缸行程系列選用工作行程為 450mm。2.4 缸蓋厚度的確定一般液壓缸多為平底缸蓋，有孔時(shí) t 0.433D 2式中 t 缸蓋有效厚度 (m) ；D2 缸蓋止口內(nèi)徑 (m)；d0 缸蓋孔的直徑 (m)。 t 0.433D2 py 23.87mm 取缸蓋厚度為 25mm。2.5 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定HLD20 2450 12585mm20 2活塞寬度

9、B0.3D 0.6 125 75mm ，取值 B=80mm。缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度，在缸徑小于 150mm時(shí)取 l1 0.6D0.6 125 75mm隔套的長(zhǎng)度11C H l21 B 85 (75 75) 10mm22.6 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。 缸體外形長(zhǎng)度還 要考慮到兩短端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的 20 倍。因此取 缸體長(zhǎng)度為 600mm。2.7 法蘭的設(shè)計(jì)法蘭承受的最大壓力為： F=22960N 經(jīng)估算可以確定以下參數(shù)： ra =150mm、 dL =25mm、b=10mm 許用應(yīng)力在選取材料的時(shí)候給出： =100MPa 將以

10、上各量帶入式上式得到： h=38.65mm 為保證安全，取法蘭厚度為 40mm。2.8 活塞的設(shè)計(jì)1、活塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 活塞分為整體式和組合式， 組合式制作和使用比較復(fù)雜， 所以在此選用組合 式活塞。此組合式活塞中，密封環(huán)和導(dǎo)向套是分槽安裝的。2、活塞的尺寸及加工公差 選擇活塞厚度為和缸筒內(nèi)徑形成間隙配合，因?yàn)楦左w內(nèi)徑是 125mm（這個(gè)在前面的活塞桿設(shè)計(jì)中已經(jīng)給出解釋） ，根據(jù)密封圈的尺寸及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)活塞寬度 為 80mm?；钊呐浜弦?yàn)槭褂昧私M合形式的密封器件， 所以要求不高，這里不加敘述。 活塞外徑對(duì)內(nèi)孔的同軸度公差不大于 0.02mm，斷面與軸線的垂直度公差不 大于 0.04mm/100

11、mm，外表面的圓度和圓柱度不大于外徑公差的一半。第 3章 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 活塞桿的校核活塞桿直徑 d，在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核?；钊麠U需要進(jìn)行穩(wěn)定性的 校核。1、活塞桿直徑校核活塞桿直徑 d 的校核按下式進(jìn)行 d式中 F 活塞桿上的作用力；活塞桿材料的許用應(yīng)力，4 229606 48.6mm100 106活塞桿直徑滿足要求2、活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)， 它所承受的軸向力 F 不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載 Fk ，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。 Fk 的值與活 塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依

12、下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行：Fknk當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比 l rk20120，則fA(l)2式中： nk為安全系數(shù)，一般取 nk 2 42 2EJ1 2時(shí), Fkl2當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比 l rkFk式中： l 安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)； rk 活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， rkJ A ；1 柔性系數(shù)；2 由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，其值見表 3-1 ；11 2E 活塞桿材料的彈性模量，對(duì)鋼取 E 2.06 10 N m ；J 活塞桿橫截面慣性矩； A 為活塞桿橫截面積；f 由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值、 a 為系數(shù)，具體數(shù)值均見表 3-2 活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比 l rk 為l/ rk l J / A l d d

13、73.3k 64 4柔性系數(shù) 1取 85，采用一端鉸接，一端固定的支承方式， 末端系數(shù) 2取 2所以， l rk 12 =120，采用拉金公式計(jì)算fAFk21al 2 rk84.9 108 0.001318742 .9 NFk /2 159371.45N1 / 5000 2k173.322安全系數(shù)取 n=2 則nk 所以，活塞桿穩(wěn)定3.2 缸筒壁厚的校核下面從以下三個(gè)方面進(jìn)行缸筒壁厚的校核：根據(jù)上式得到： Pn 16.75MPa，顯然，額定油壓 P=2.5MPa，滿足條件；先根據(jù)上式 10得到： PPL =14.35MPa，再將得到結(jié)果帶入上式 9 得到：Pn5.02MPa。顯然，額定油壓 P

14、=2.5MPa，滿足條件；因?yàn)?b =100MPa已經(jīng)在選擇缸筒材料的時(shí)候給出，根據(jù)上式得到：PE =71.77MPa。至于耐壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為： PT =1.5 P=3.75MPa。依據(jù)為：因?yàn)楸褖毫h(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力，所以完全滿足條件。3.3 法蘭螺栓組連接強(qiáng)度校核 本次設(shè)計(jì)中采用法蘭型聯(lián)接方式，根據(jù)所選液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸要求，選用 6 個(gè) M25螺栓呈圓周均布布置與閥體連接。閥體內(nèi)工作壓力 P=2.5MPa，液壓缸活 塞桿頭部伸入處閥體內(nèi)徑 D=125m。m 對(duì)該螺栓組連接進(jìn)行受力分析，屬于典型承 受預(yù)緊力和軸向載荷的的緊螺栓連接受力情況。液壓缸尾部螺栓組均勻分布，其每個(gè)螺栓承受的平均軸向工

15、作載荷F：F=P D2/4z 。式中 F每個(gè)螺栓承受的平均軸向載荷， （N）；P調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)工作壓 力，已知， P=2.5MPa；D液壓缸活塞桿頭部伸入處閥體內(nèi)徑， D=125m。m z螺 栓數(shù)目。故 F=PD2/4z=2.5x3.14X125X125/（4x8）=3833N當(dāng)承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接時(shí)，此時(shí)螺栓所受的軸向總拉力F：F=F+F式中 F每個(gè)螺栓所受的軸向總載荷， （ N）；F每個(gè)螺栓承受的平均 軸向載荷，（ N）；F殘余預(yù)緊力 F。殘余預(yù)緊力 F，一般可參考以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定：對(duì)于氣缸、壓力容器等 有緊密性要求的螺栓連接，取 F =（1.51.8 ）F。取 F=1.8 ，

16、求得 F=1.8x3833=6899.4N。F=F+F=3833+6899=10732N 螺栓危險(xiǎn)截面能夠承載的最大力為 12296 大于 F，所以螺栓強(qiáng)度滿足要求。第 4章 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 液壓缸的安裝形式 本次設(shè)計(jì)負(fù)載為直線運(yùn)動(dòng)， 負(fù)載力不是很高， 故采用液壓缸筒固定， 活塞桿 運(yùn)動(dòng)的尾部法蘭安裝方式，其特點(diǎn)為螺釘受力較小。4.2 缸體與缸蓋的連接形式 本設(shè)計(jì)中選取法蘭連接的形式。 法蘭連接的優(yōu)點(diǎn)： (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本低(2) 容易加工、便于裝拆 (3) 強(qiáng)度較大、能承受高壓。4.3 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)有幾種常用的形式，分整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。組合

17、式結(jié)構(gòu)又分螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。1、整體式結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于缸徑較小的液壓缸。2、螺紋連接：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在振動(dòng)的工作條件下容易松動(dòng)，必須用鎖緊裝置。應(yīng)用較多，如組合機(jī)床與工程機(jī)械上的液壓缸。3、半環(huán)連接：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，不易松動(dòng)，但會(huì)出現(xiàn)軸向間隙。多應(yīng) 用在壓力高、負(fù)荷大、有振動(dòng)的場(chǎng)合4、錐銷連接：結(jié)構(gòu)可靠，用錐銷連接銷孔必須配鉸，銷釘連接后必須鎖緊， 多用于負(fù)荷較小的場(chǎng)合。綜合考慮選用螺紋連接的活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)。4.4 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防 塵和鎖緊裝置等。 導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向， 也可

18、以做成與端 蓋分開的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。1、端蓋直接導(dǎo)向： (1) 端蓋與活塞桿直接接觸導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但磨損后只 能更換整個(gè)缸蓋 (2)蓋與桿的密封常用 O型，Y型等密封圈(3) 防塵圈用無(wú)骨架的 防塵圈。2、導(dǎo)向套導(dǎo)向： (1) 導(dǎo)向套與活塞桿接觸支承導(dǎo)向，磨損后便于更換，導(dǎo)向 套也可用耐磨材料 (2) 蓋與桿的密封常用 Y 型等密封裝置。密封可靠適用于中高 壓液壓缸 (3) 防塵方式常用 J 型或三角形防塵裝置。由于密封圈的是選用 O形圈的密封類型， 常于 O形圈配合導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)為端蓋 直接導(dǎo)向，因此本設(shè)計(jì)選用端蓋直接導(dǎo)向的導(dǎo)向部分結(jié)構(gòu)。4.5 活塞及活塞桿處密封圈的選用 由于本設(shè)計(jì)中液壓缸的工作壓力為 2.5MPa，速度范圍 0.5m/s ，因此選用缸 體與缸蓋的密封形式選用 O形圈的密封形式。 活塞桿與缸蓋， 活塞與缸體的密封 選用 Y 形圈的密封形式。4.6 液壓缸的緩沖裝置 本設(shè)計(jì)中的液壓缸運(yùn)動(dòng)慣性不大、 速度也不高， 因此選用圓柱形環(huán)狀間隙式 節(jié)流緩沖裝置。4.7 液壓缸主要零件的材料1、缸筒 無(wú)縫鋼管 45 鋼無(wú)縫