专用机床液压缸设计.docx
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专用机床液压缸设计
本科专业综合实践
题 目：
专用机床液压缸设计
作 者：
黄辉
二级学院：
机械工程学院
专业班级：
机械设计制造及其自动化11级
（2）班
指导教师：
江海兵
职 称：
副教授
2015年1月2日
专用机床液压缸设计
摘要
现代机械一般都是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。
液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传动形式，液压传动的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。
此次设计主要是对液压缸进行设计，将自己所学的知识结合辅助材料运用到设计中，巩固和深化已学知识，综合运用液压传动课程及其他有关选修课的理论知识和生产实际知识，掌握液压缸计算的一般步骤和方法，其中包括主要参数的确定。
通过设计，使自己在计算、绘图、运用和熟悉设计资料以及进行估算方面得到实际训练。
设计目的是使自己理论联系实际，掌握液压传动系统设计的技能和方法。
关键词：
现代机械，液压传动，液压缸
设计的目的、要求及液压缸简介
设计的目的及要求
（一）设计的目的
随着原子能科学、空间技术、计算机技术的发展，液压技术也得到了很大的发展，在国民经济的各个领域中得到普遍的应用。
它相对于机械传动来说，是一门新的技术。
因此，这次专业综合实践我选择了液压缸设计。
在该设计过程中，学生可以通过掌握的数控机床机械本体、液压等知识设计专用铣床液压系统，为学生走向“机电液类”的工作岗位做好铺垫。
专业综合实践的目的主要有以下几点：
1.综合运用液压传动课程及其他有关先修课程的理论知识和生产实习知识，进行液压缸设计实践，使理论知识和生产实践紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步地巩固，加深、提高和扩展。
2.在设计实践中学习和掌握通用液压缸，培养设计技能，提高学生分析和嫁接生产实际问题的能力，为今后的设计工作打下良好的基础。
3.通过设计，学生应在计算、绘图、运用和熟悉设计资料（包括设计手册，产品样本，标准和规范等）以及进行估算方面得到实际训练。
（二）设计的要求
1.设计时必须从实际出发，综合考虑经济性、先进性、实用性和操作维修方便。
2.在设计的过程中，要多理解液压元件的工作原理、基本回路及典型系统的组成，积极思考。
3.液压传动课程设计的题目均为中等复杂程度液压设备的液压传动装置设计。
（三）设计任务要求
设计耳环型液压缸，其中推力F=8000N，行程200mm，液压缸压力P=10MP。
什么是液压技术
液压技术是一门研究以密封容器中的受压液体为传动介质，来实现能量传递和控制的科学。
它结构简单、工作可靠。
用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。
液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。
缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。
液压缸的类型
根据常用液压缸的结构形式，可将其分四种类型：
柱塞式、活塞式、摆动式、伸缩式。
活塞式
单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。
单活塞液压缸，其两端进出口油口都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。
活塞仅能单向运动，其反方向运动需由外力来完成。
柱塞式
1）柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；
2）柱塞式靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；
3）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；
4）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。
5）活塞仅能单向运动，其反方向运动需由外力来完成。
但其行程一般较活塞式液压缸大。
伸缩式
伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序是从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。
伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。
此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。
有对歌一次运动的活塞，各活塞逐次运动时，其输出速度和输出力均是变化的。
摆动式
摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。
有单叶片和双叶片两种形式。
定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。
根据进油方向，叶片将带动转子作往复摆动。
本课题选用活塞式液压缸作为设计对象。
液压缸主要尺寸的确定
液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要是根据液压设备的类型来确定，专用铣床归属半精加工机床，参考表1，预选液压缸的设计压力P=10MPa。
液压缸内径D和活塞杆直径d的确定
液压缸内径：
（2-1）
按GB/T2348-1993（表2），将液压缸内径圆整为D=32mm=3.2cm。
活塞杆直径为
，按GB/T2348-1993（表2），将活塞杆直径圆整为d=22mm=2.2cm。
则液压缸实际有效面积为：
对于选定后的液压缸内经D,进行最小稳定速度的验算。
因为
所以能够保证液压缸节流腔的最小有效面积
。
液压缸壁厚和外径的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
工程机械的液压缸采用20号无缝钢管材料，属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算：
（2-2）
其中试验压力
=12MPa，许用应力
=100MPa，代入公式2-2，计算得：
.
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸壁厚很小，使缸体的刚度往往很不够，因此直接按经验选取壁厚：
（mm）。
液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径为：
取
液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，参照液压缸活塞行程参数系列尺寸（GB2349-80）选取L=200mm。
盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖，在本设计中选用有孔平底缸盖，缸盖厚度为：
（2-3）
带入式2-3得
式中：
t—缸盖有效厚度（mm）;
—缸盖止口内径（mm）;
—缸盖孔的直径（mm）;
最小导向长度的确定
对于一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：
活塞的宽度B取B=0.6D=0.6×32=19.2mm；
缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的宽度之和。
缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。
一般液压缸缸体长度不应大于内径的20-30倍。
因此取缸体长度=229.2mm。
液压缸的零部件设计
缸筒结构的选择
1连接方式如图31所示：
图31缸筒和缸盖链接方式
选取螺纹连接。
其优点是结构简单，易选取、易装卸；缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。
2缸筒的要求
有足够强度，能够承受动态工作压力，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。
3缸筒的加工要求
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；热处理：
调制，HB
240；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。
活塞设计
⑴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，在此选用组合式活塞，形式如图32所示：
图32活塞结构示意图
⑵活塞的密封
选用Y型圈，材料为丁腈橡胶，可以显著提高密封性能：
a）降低摩擦阻力，无爬行现象；
b）具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；
c）安装沟槽简单，拆装简便。
这种组合的特别之处就是允许活塞外圆和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如图31所示:
图33密封方式示意图
⑶活塞的材料
选用铸铁HT200
⑷活塞的尺寸及加工公差
选择活塞厚度约为活塞杆直径的1倍，因为活塞杆直径是22mm（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19.2mm。
活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件，所以要求不高，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。
活塞杆的设计
⑴活塞杆杆体的选择
此次设计选用的是实心杆件，形式如图34所示：
图34活塞杆结构示意图
⑵活塞杆与活塞的连接形式
此次设计采用的是锁紧螺母型连接，如图35所示：
图35活塞杆与活塞连接方式
⑶活塞杆材料和技术要求
（一）因为没有特殊要求，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，所以不用调制处理，但进行淬火处理是必要的，淬火深度可以在0.5—1mm左右。
（二）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。
（三）活塞杆外圆粗糙度
选择为0.3
。
（四）因为是运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。
⑷活塞杆的计算
由已知条件可查表23.6—33（GB/T2348-1993），取d=22mm。
查表知，45钢的屈服强度
按强度条件校核：
所以符合要求。
1）活塞杆强度的计算
活塞杆端部的负载连接点与液压缸支撑之间的距离为
，如果：
（显然这个是成立的）
就用下式计算活塞杆强度：
（3-1）
式中F——液压缸的最大推力（或拉力）（N）；
——材料的屈服强度（MPa）；
n——安全系数一般n=2-4
d——活塞杆直径（m）
实际上式中的
/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=72MPa
最大推力F=30162N
于是根据式3-5得到活塞杆的直径：
可知强度符合要求。
液压缸的结构设计
缸体与缸盖的连接形式
缸体端部与端盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。
主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。
a．法兰连接
优点：
⑴结构简单、成本低⑵容易加工、便于拆装⑶强度较大
缺点：
⑴径向尺寸较大⑵重量比螺纹连接大⑶用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些
b．螺纹连接
优点：
⑴外形尺寸小⑵重量比较轻
缺点：
⑴端部结构复杂、工艺要求较高⑵拆装时需用专用工具⑶拧端盖时易损坏密封圈
c．半环连接
优点：
⑴结构简单⑵加工装配方便
缺点：
⑴外形尺寸大⑵缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒厚度
本次设计采用螺纹连接
活塞杆与活塞的连续结构
活塞杆与活塞的连接结构有几种常用的形式，分整体式结构和组合式结构。
组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。
a.整体式结构：
结构简单，适用于缸径较小的液压缸。
b.螺纹连接：
结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。
应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。
c.半环连接：
结构简单、装拆方便，不易松动，但会出现轴向间隙。
多用于在压力高、负荷大、有振动的场合。
d.锥销连接：
结构可靠，用锥销连接销孔必须配铰，销钉连接后必须锁紧，多用于负荷较小的场合。
由于本设计是组合机床用的液压缸，根据螺纹连接多用于组合机床的叙述，选用螺纹连接的活塞杆与活塞的连接结构。
活塞杆导向部分的结构
活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。
导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套结构。
a．端盖直接导向：
⑴端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个缸盖⑵盖与杆的密封常用O形，Y形等密封圈⑶防尘圈用无骨架的防尘圈。
b．导向套导向：
⑴导向套与活塞杆接触支撑导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料⑵盖与杆的密封常用Y形等密封装置。
密封可靠适用于中高压液压缸⑶防尘方式常用J型或三角形防尘装置。
由于密封圈选用的是O形的密封类型，常与O形圈配合导向套结构为端盖直接导向，因此本设计选用端盖直接导向的导向部分结构。
活塞及活塞杆处密封圈的选用
活塞及活塞杆处密封圈的选用，根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。
常用的密封圈类型有O形圈、Y形圈、V形和活塞环。
O形圈的结构简单，密封性好，安装空间小，摩擦力小，易于制造，所以应用较广，但运动速度不能太大。
Y形圈适用于压力在20MPa一下、往返速度较高的液压缸，密封性能可靠。
V形圈耐高压性能好，耐久性也好，缺点是安装空间大，调整困难，摩擦阻力大，只适用于运动速度较低的液压缸。
活塞寿命长，不容易损坏，常常用在不便于拆卸的液压缸中，缺点是泄露较大，必须成组使用，加工工艺比较复杂，所以成本较高。
由于本设计液压缸的工作压力为3MPa，速度范围<0.5m/s，因此选用缸体与缸盖的密封形式选用O形圈的密封形式。
活塞杆与缸盖，活塞与缸体的密封选用Y型的密封形式。
活塞杆的防尘
防尘圈材料是丁腈橡胶。
液压缸的缓冲装置
常用的缓冲装置结构有⑴环状间隙式节流缓冲装置，它适用于运动惯性不大、运动速度不高的液压系统。
⑵三角槽式节流缓冲装置，它是利用被封闭液体的节流产生的液压阻力来缓冲的⑶可调节流缓冲装置，它调节针形节流阀的流通面积，就可以改变缓冲作用的强弱和效果。
本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用圆柱形环状间隙式节流缓冲装置。
液压缸的排气装置
液压传动系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。
因此，设计液压缸时，必须考虑空气的排除。
对于要求不高的液压缸，往往不设计专门的排气装置，而是将油口布置在液压缸筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，再从油箱溢出；对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，常在液压缸的最高处设置。
当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常工作。
液压缸主要零件的材料
1缸筒
缸筒材料：
常用20、35和45号钢的无缝钢管。
由于缸筒要与底座焊接在一起，故选用45号钢的无缝钢管。
缸体与缸盖的连接形式：
缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。
主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。
2活塞
铸铁HT200，活塞常用材料灰铸铁，耐磨铸铁、35及40钢和铝合金等。
缸径较小的整体式活塞用35、45钢，其它多用灰铸铁。
3活塞杆
45钢，活塞杆常用35、45钢等材料。
对于冲击振动很大的活塞杆，也可以使用55钢。
一般实心的活塞杆用35、45钢。
4前缸盖
35钢，缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。
5后缸盖
铸铁HT200，缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。
起导向作用时则用铸铁。
液压缸的选择指南
液压油缸的选择方法
1）确定系统参数：
①需要移动的重量和所需要的力；②公称工作压力和范围；③需要行进此距离的时间；④油液介质
2）安装方式：
为具体的应用场合选择适当的方式
3）缸内径和工作压力：
确定缸内径和提供必要的力所需要的系统压力
4）活塞杆：
确定承受纵弯力所需要的最小活塞杆直径，选择适当的活塞杆端和活塞杆端螺纹
5）活塞：
密封件类型是否适应应用场合
6）缓冲：
酌情选择缓冲要求
7）油口：
窜则合适的油口①它们有能力实现所需速度吗？
②标准位置可以接受吗？
8）活塞杆密封件：
选择密封件以适应所选的油液介质
9）附件：
需要活塞杆端附件吗？
10）专用特征：
安装、材料、环境和油液.
安装方式选择一般原则
全益液压缸标准安装方式可以适应大多数应用场合，需要非标准安装方式以适应具体的应用场合的情况下。
法兰安装的油缸，这种缸适用于传递直线力的应用场合。
选择具体的法兰安装方式取决于对负载所施加的主要力，在活塞杆上究竟造成压缩应力（推力）还是拉伸应力（拉力）。
对于压缩型用途，缸头端安装方式最合适；主要负载是活塞杆受拉伸的场合，应指定活塞杆端安装方式。
耳环安装的缸，吸收再起中心线上的力的带铰支安装的缸应该用于机器构件将沿曲线经运动的场合。
他们可以用于拉伸（拉力）或压缩（推力）用途。
如果活塞杆进行的曲线路径在单一平面之内，则可以使用固定耳环安装，对于其中活塞杆将沿实际运动平面的每侧的路径进的用途，推荐关节轴承安装。
中建铰轴安装的缸，这种缸被设计成吸收在其中心线上的力。
他们适用于拉伸（拉力）或压缩（推力）用途，并可用于机器构件将沿单一平面内的曲线路径运动的场合。
铰轴销仅针对剪切载荷设计应承受最小的弯曲应力。
脚架安装的缸，这种缸不吸收再中心线上的力，缸所施加的力产生一个倾翻力矩，试图使缸绕着它的安装螺栓翻转。
因此，重要的是应把刚牢固的固定于他所安装的机器构件，并有效的引导负载，以免侧向载荷施加于活塞杆密封装置和活塞导向环上。
缸径和活塞杆径的确定
假定一直系统的负载和工作压力，并假定已经考虑活塞杆究竟是受拉伸（拉力）还是收压缩（推力），则可以选择缸径和活塞杆径。
如果活塞杆受压，则使用下面的推力表：
找出最接近需要的工作压力：
在同一栏里，找出移动该负载所需的力；在同一行里，找出所需的缸径。
如果活塞杆受拉，则使用拉力减小表：
按上述用于推用途的程序；使用下面的拉力减小表，根据所选的活塞杆径和压力确定所指示的力；从原来的推力中扣出此力，所得到的数值为可用来移动负载的净力。
参考文献
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机械工业出版社,1982
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理工大学出版社,2005
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北京科学技术出版社,1987
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机械工业出版社,2007
致谢
本课题在选题及进行过程中得到江海兵老师的悉心指导。
论文行文过程中，江老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。
江老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。
再多华丽的言语也显苍白。
在此，谨向江老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
感谢大学四年来，机械系所有老师对我学习上的帮助和生活上的关怀，正是您们的辛勤工作，才使我得以顺利地完成学业，取得学位。
浓浓师恩，终生不忘。
感谢衢州学院的所有老师对我生活和工作的关怀。
在你们的帮助和陪伴下走过的大学岁月，给了我最好的锻炼和最快的成长。
感谢我的室友们，我们一起经历过的聚散喜悲，一起走过的每一段路，我一生都不会忘记。
友情的无私为我们的大学时光重重地写下了无悔。
附录1
附图1cad三维图
附图2三维造型
附图3缓冲套附图4缓冲圈
附图5前端盖附图6防尘圈
附图7前耳环附图8螺母
附图9活塞附图10O型密封圈
附图11Y型密封圈附图12轴承
附图13挡圈附图14后端盖附图15支撑环
附图16缸筒附图17活塞杆
附录2
附表1按主机类型选择设计压力
主机类型
设计压力/Mp
说明
机床
精加工机床
0.8～2
当压力超过32Mp时，称为超高压压力
半精加工机床
3～5
龙门刨创
2～8
拉床
8～10
农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构
10～16
液压机、大中型挖掘机、起重运输机械
20～32
地质机械、冶金机械、铁道车辆维护机械、各类液压机具等
25～100
附表2缸的内径和活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）
内经尺寸系列
活塞杆外径尺寸系列
8
40
125
280
4
16
36
90
220
10
50
140
320
5
18
45
110
280
12
63
160
360
6
20
50
125
320
16
80
180
400
8
22
56
140
360
20
90
200
450
10
25
63
160
25
100
220
500
12
28
70
180
32
110
250
14
32
80
200
附表3液压执行元件的背压力
中低压系统
系统类型
背压力/Mp
简单系统和一般轻载节流调速系统
0.2～0.5
回油带背压阀
调整压力一般为0.5～1.5
回油路设流量调节阀的进给系统满载工作时
0.5
设补油泵的闭式系统
0.8～1.5
高压系统
初算时可忽略不计
........忽略此处.......
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