顶管机液压油缸的设计

目录I摘要I引言11液压缸的发展及动向22液压缸的分类与结构选择43液压缸主要技术性能参数的设计与计算53.1液压缸设计原则与步骤53.2液压缸承载力的计算94液压缸零部件的计算114.1缸筒的设计计算114.2.活塞杆的设计计算174.3 活塞的设计计算214.4缸盖与缸底的设计计算22结束语25致谢26参考文献27顶管机液压油缸的设计摘要本文是顶管机液压油缸的设计。首先，介绍了国内外液压系统行业的发展状况和趋 势，概述了市场上几种主要液压元件及其结构特点，并重点说明双作用单活塞杆液压缸 的作用及其内部结构。其次，根据规定的参数，通过比较分析确定了各个部件的主要结 构，并对其结构件的应力做出了相应的计算和材料的选取。根据液压缸的基本结构，工 作原理及所受实际载荷，完成了对顶管机液压油缸的缸筒、活塞杆、活塞、导向套等的 设计、计算和稳定性校核。此外，还对油缸所用密封件进行了选取并说明了各自的密封 特点。最后，运用Auto CAD 2004绘图软件，本设计完成了顶管机液压油缸总装配图和 主要零件图的绘制。关键词：液压缸，活塞，活塞杆，密封引言随着科学技术的进步和生产的发展，液压传动几乎已在国民经济的各个部门中得到 应用。在机械制造业中，液压传动已成为必不可少的一门技术而普遍地用于各种机械、 机床和设备中，发挥着独特的、极为重要的作用。液压缸作为执行元件，是液压系统的 最后一个环节。液压缸性能的优劣，将直接影响机械的工作性能。在液压传动中，无论其它液压元 件设计制造得多么精密，回路系统安排得多么合理，只要液压缸设计得不好，就将会事 倍功半，得不到良好效果。所以说，液压缸设计在液压传动中占有很重要的地位。 从应用的角度来看，设计液压缸比设计其它液压元件的机会多。因为泵、阀之类的液压 元件绝大部分是标准元件，并由专业厂生产。而液压缸必须适应各种不同机械的要求， 报据实际情况进行设计。所以，牢固地掌握液压缸设计知识，就显得更有必要。设计简 单的液压缸，仅需作粗略的计算，凭借一般专业基础知识即可。但是在特定的条件下， 特别是在大量生产时，就必须合理设计液压缸，使之既有良好的工作性能和工艺性，又 尽量降低制造成本，这就需要进行比较复杂而精确的计算，也就需要较深的专业知识和 丰富的实践经验。液压缸的结构形式很多，如果选择得好，就能获得事半功倍的效果。 如果选择不当则往往会造成先天不足，给制造和使用带来很多问题。1液压缸的发展及动向液压缸是液压机器最早采用的液压元件之一。表面看来，基本结构似乎没有什么变 化，实际上，液压缸已有很大的发展。这不仅表现在液压缸工作性能的提高、工作范围 的扩大、品种规格的增多和结构的改进，而且还表现在对液压缸的研究正逐步深化，设 计、计算的理论正在逐步完善。高压化是液压缸发展的主要趋势之一。目前液压缸的最大工作压力已超过140 MPa 以上。高压化是减小液压缸径向尺寸的有效方法。一台工作压力为70MPa的30吨压 力机，能制造得象台钻一样精巧。20003000吨液压机约采用10 0 MPa以上的超 高压液压缸，则比普通高压液压机可减轻1/ 2 2 / 3的重量。通过改进结构和工艺措施，液压缸的工作性能已有很大提高。目前超高性能液压缸 在极低的速度下能稳定地工作，高速性能已超过1500 mm/s。工作温度的范围扩大到- 60+200 C。寿命最长的液压缸，要求运行6000km以上不发生任何事故或零件损坏。 为了改善液压虹的工作待性，避免行程终端的换向冲击，对缓冲装置进行了研究.近几年，国外很多厂家已采用了匀减速平稳制动的缓冲结构，如抛物线环隙节流、 阶梯环隙节流、笛孔节流缓冲装置等。从国内外的技术资料和专利中可以看出，各种新 颖结构的液压缸在不断出现，其最主要的特点是复合化。例如以液压缸为主体将泵、阀、 电机和其它元件组装为一体，构成独立的液压装置；将气缸和液压缸装在一起，使用气 体动力推动液压缸工作，将摆动液压缸和推力液压缸组装在一起，实现多自由度的动作 要求，将若干不14J行程的液压缸串联起来，经过不同的动作组合，进行各种不同长 度的点位控制；将液压缸分成三个工作油腔，利用差动工作原理，实现六种不同速度的 运动，将步进电机和带有反馈机构的滑阀与液压缸装配成电液步进液压缸，用于数字程 序控制的机床和其它机械设备等等，这样不仅紧凑了机械设备的结构，而且使用方便。 除此以外，还出现了不少特殊结构的液压缸。如钢索液压缸，它用包覆尼龙外皮的钢丝 绳代替活塞杆传递动力，能借助滑轮任意改变动力的传递方向，缸筒能卷曲的液压缸， 能减少工作时所占用的空间；带有自钡装置的液压缸多在停止运动时能防止外力作用而 发生窜动等等。能源危机的出现，迫使工业界不得不重视能源消耗间题，这对液压机械不可避免地 将产生深刻的影响。因为液压机械不仅需要动力，而且需要液压油作为传递动力的工作 介质，因而如何提高效率、节省能源，也是液压缸研究中的重要课题之一。此外，对避 免污染、减少噪声、降低成本以及提高可靠性等方面，也正在进行大量的研究。近年来，国内外发表的不少论文中，研究了液压缸的稳定性、强度和局部应力等问 题，研究了液压缸的运动特性和缓冲理论，以及液压佩的寿命等问题。由于电子计算机 的应用，用有限元法计算液压缸的强度，以重量及成本为目标函数的优化设计也日益增 多。但是，与机械传动零件相比较，液压缸的结构和强度设计理论还处于较低级的阶段。 例如对齿轮的研究就相当深入，在很多看来是非常细小的问题都有专文论述，并形成较 成熟的计算方法。然而，在液压缸的设计工作中，常用的某些基本公式目前尚不尽合理，只能用来作 粗略的计算。有时则采用保守的计算方法，或选取较大的安全系数，以弥补计算中的某 些不足。例如在校核液压缸稳定性时，将液压缸看作为等截面整体杆而直接引用欧拉公 式进行计算，其结果比较保守，导致使材料消耗、体积、重量都有所增加。另一方面。 由于对液压缸复杂的受力情况估计不足，选取的安全系数虽较大，但仍难免会出现不安 全的情况。因而，今后有必要进行大量的实验研究工作，进一步充实并完善液压缸的设 计理论。2液压缸的分类与结构选择液压缸主要由缸筒、缸益、缸底、活塞（或柱塞）、活塞杆、密封件和连接件组成。 根据需要，有些液压缸还设有缓冲、排气等装置。图21是一种双作用单活塞杆液压 缸的结构图。除了普通结构液压缸外，还有一些特殊结构液压缸。普通结构液压缸可分 为如下各类：柱塞式溢威阳.厘.作:用液祯A活羯式掖压血：忡缩式痕舞液压缸站泌寮肝液压旬双作博液原M双活席杵液压血1仆貌式套筒液压掀注：后面的字母代表液压缸的名称代号1根据任务要求我们设计的顶管机液压缸应选择单活塞杆双作用液压缸，这种缸液压 油交替供入液压缸活塞两侧，驱动活塞在正反两个方向作往复运动。其往复运功均能很 好地控制。图2.1双作用单活塞杆液压缸该种液压缸只在活塞的一侧装有活塞杆，因而两腔有效作用面积不同，往返的运动 速度和作用力也不相等。活塞杆推出时作用力较大。速度较慢。活塞杆拉入时，作用力 较小，速度较快。因而它适用于推出时承受工作载荷、拉入时为空载或工作载荷较小的 液压装置。单活塞杆液压缸是应用得最多的一种液压缸。3液压缸主要技术性能参数的设计与计算3.1液压缸设计原则与步骤一、设计原则液压缸结构确定以后，需进行具体设计和计算。设计时，一般要注意 以下几个原则：.保证液压缸能获得所要求的往复运动的速度、行程和作用力；.保证液压缸每个零件有足够的强.度、刚度和寿命；.在合理选择液压泵供油压力和流量的条件下，应尽量减小液压缸的尺寸；.最好使活塞杆在工作时受拉力作用，以免产生纵向弯曲；.液压缸应尽量避免承受侧向载荷；.液压缸轴线应与被拖动机构的运动方向一致；.长液压缸活塞杆伸出时，应尽量避免下垂；.液压缸各部的密封要可靠，泄漏少，摩擦力小；.由于温度变化而引起仲长时，液压缸不能因受约束而产生挠曲；.根据机械设备的要求，选择合适的缓冲、防尘和 排气装置；（11）.液压缸的结构设计，应充分注意零件加工和装配的工艺性；（12）.液压缸的各结构要素，要采用标准系列尺寸，尽量选用经常使用的标准件和密封件;（13）.制造容易，维修简单，成本低廉。下表是液压缸主要参数的参考图：表1液压缸的公称压力系列0.63、1.0、1.6、2.5、4、6.3、10、16、25、31.5、40.0(GB/T79381987) MPa液压缸内径系列8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、（90）、100、（110）、(GB/T23481993) mm125、（140）、160、（180）、200、（220）、250、320、（360）、400、450、 500活塞杆直径系列4、 5、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 18、 20、 22、 25、 28、 32、 36、(GB/T23481993) mm40、 45、 50、 56、 63、 70、 80、 90、 100、 110、 125、 140、 160、180、 200、 220、 250、 280、 320、 360第一系列25、 50、 80、 100、 125、 160、 200、 250、 320、 400、 500、 630、800、 1000、 1250、 1600、 2000、 2500、 3200活塞杆行程系列第二系列40、 63、 90、 110、 140、 180、 220、 280、 360、 450、 550、 700、(GB/T2349900、 1100、 1400、 1800、 2200、 2800、 36001980) /mm第三系列240、 260、 300、 340、 380、 420、 480、 530、 600、 650、 750、850、 750、 850、 950、 1050、 1200、 1300、 1500、 1700、 1900、2100、 2400、 2600、 3000、 3400、 3800二、设计步骤设计液压缸时，应根据已经确定的条件灵活选择设计程序，反复进行计算。一般可 参考下列步骤进行.（1）进行工作情况分析。根据负载机构的动作要求，选择适当的液 压缸结构，安装方式，密封形式，缓冲、排气、防尘装里，（2 ）根据液压缸的承载 力，如有效工作负载、重力、摩擦力、惯性力等外作用力，确定液压缸在行程各阶段上 负载的变化规律以及必须提供的动力数据，（3 ）根据液压缸必须输出的动力数据和 选定的油液公称压力，确定活塞和活塞杆直径。三、液压缸主要参数的设计与确定液压缸的主要参数就是缸筒内径D和活塞直径d.。下面是这次设计给出的技术参数 值：液压缸的公称压力也就是它的工作压力P=25MPa,P1m50吨，流量Q=21L/min,活 塞杆伸出速度为V= 200mm/min，行程L=1000mm公称压力是指油液作用在单位面积上的压强P=F/A Pa （它是液压缸能用以长期工作 的压力，应符合或接近下表规定的数值）。在液压系统中，为便于选择液压元件和管路 的设计，将压力分为下列等级：表2液压缸压力分级 /MPa级别压力范围低压0 2.5中压2.58中高压8 16高压16 32超高压32上式F作用在活塞上的载荷，N；A 活塞的有效工作面积，廿；从上式可知，压力值的建立是有载荷的存在而产生的，在同一个活塞的有效工作面 积上，载荷越大，克服载荷所需要的压力就越大。从上表中我们可以看出顶管机液压 缸属于高压元件。下面我们根据所给的数据和下图来求内径D和活塞杆直径d:图3.1液压缸参数计算简图单位时间内油液通过缸筒有效截面的体积称为流量Q，且有：Q=V/t L/min 由于V=vAtx103 L则Q=vA=n vD2/4X103 L/min已知Q和速度v的值，我们求得缸筒内 径 D=365mm 。所以活塞推力P1可以按下式计算：P1= PA1=Pn D2/4式中P1活塞推力（N）；A1 活塞有效作用面积（廿）；P压力（Pa）;D活塞直径）活塞拉力P2按下式计算：P2= PA2=Pn （D2- d2）/4式中P2活塞拉力（N）；A 2活塞有效作用面积（廿）；d 活塞杆直径（山）活塞杆伸出速度按下式计算：V1=Q/A1=4Q/n D2式中V1活塞伸出速度（m/s）Q流量（廿/s）.下面我们来计算活塞杆的直径：活塞杆是液压缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击力等多 种作用力，必须有足够的强度和刚度，对于双作用单边活塞杆液压缸，其中活塞直径可 根据往复运动速比6来确定。公式如下；d = D（6 -1/6 ） 1/2 m式中D缸筒内径，m. 6速比；首先我们来下计算速比，由上面的式子可知：液压缸活塞往复运动时间的速度之比106 =D2/D2-d2计算速比主要是为了确定活塞杆的直径，速比比宜过大或过小，以面产生过大的背压或 造成因活塞杆太细导致稳定性不好。可参考下表选定：表3公称压力/MPa2061.331.46,22因为我们知道公称压力为25MPa,因此我们选定速比为6 =2。根据压力，按表4来选取d的值，下表是根据缸径，速比确定的d值，可做参考。（表中括号内为非标尺寸）。634536322822805645403628(90)(60)504540321007056504536(110)80(60)5650401259070(60)5645(140)1008070(60)50(150)(105)(85)(75)(65)5616011090807056(180)1251009080632001401101009070(220)1601251101008025018014012511090(280)200160140125100320220180160140(115)400280220200180(145)说明：如果对液压缸无速比要求，可根据液压缸的推力和拉力确定，参照上表确定D、 d值；也可以按下式初步选取d值：D=(1/3 1/5)D m通过计算d的初部计算结果为261,计算出活塞杆直径后，按照表1的尺寸系列进行圆 整并较核其稳定性确定活塞杆直径d=260 mm3.2液压缸承载力的计算液压缸的承载力，是液压缸承受所有外部负故的总称，它包括工作负载、外摩擦负 载和惯性负载。承载力是设计液压缸的原始依据，必须首先将它计算出来。必要时要作 出外负载循环图。承载力按下式计算：Pn=P +Pm+PQ式中Pn液压缸总承载力(N)；Px工作负载（N）；Pm外摩擦力（N）；Pq液压缸运动速度变化时产生的惯性负载（N）。在这里我们知道顶管机工作时它是水平放置的，故它的工作负载Px为零，又因为顶 管机在工作时的运动速度是匀速的，所以它没有速度变化及为零，也就是Pq为零。根据上式可知，总承载力就是它的外阻力也就等于它的最大推力=250吨。（注：由 于活塞运动时与油缸缸筒之间的摩擦力相工作时所受阻力太小，故在本设计中忽略）。4液压缸零部件的计算4.1缸筒的设计计算4.1.1缸筒的结构缸筒是液压缸的主体零件，它与缸盖、活塞等零件构成密闭的容腔，形成内压，推 动活塞运动。设计缸筒时不仅要保证液压缸的作用力、速度和有效行程，而且必须有足 够的强度和刚度，以便抵抗液压力和其它外力的作用。特别是近年来液压系统的工作压 力越来越高，因而缸筒的强度和刚度设计也就显得越来越重要，要求更全面地考虑受力 情况，进行精确的计算。另外，缸筒与活塞之间的相对运动，既要能滑动自如，又要能 保持密封，所以必须具有一定的几何精度、表面光洁度和配合精度。顶管机液压缸的缸筒采用圆筒结构，这种结构受力均匀且节省材料，便于加工装配， 故应用最普遍。顶管机的缸筒结构如下图所示：图4.1顶管机缸筒结构示意图4.1.2缸筒内径的计算在实际设计中，往往需要根据已经给出的工作压力、要求的作用力或工作速度计算 缸筒内径，对于顶管机来说它的工作是以推力为主的，故可以按照下面的公式10进行设 计计算：D=1.1284（P /P） 1/21式中D一缸筒内径（m）;d一活塞杆直径（山）;P 推力（N）;1根据上式我们同样可以求得顶管机的内径为365mm，圆整后选择标准尺寸为360mm.4.1.3缸筒壁厚的计算笔为缸筒材料强度要求的最小值C为缸筒外径公差余量取0.7mmC为腐蚀余量取0.7mm8 = 8 + C + C根据估计实际经验8 /D大于0.09-0.15之间所以选择当8 /D=0.08-0.3时，可以用下面公式8 = max X D 叩02 x8p油缸中，无杆腔油压的工作压力为25Mpa，溢流阀工作压力为16Mpa有杆无杆腔的工作压力按15Mpa计算当计算壁厚时，需按1.5倍工作压力计算即P =1.5 x 16Mpa=24Mpa8 =笔 / n =610Mpa / 4=152.5 Mpa至此可求得P x D8 o 2.3 广一 3 P pm ax24Mpa x 0.1 m2.3 x 152.5 Mpa - 3 x 24Mpa=0.0 086m=8.6 m m8 = 8 + c + C =8.6mm+0.7mm+0.7mm=10mm则外径 D =D+28 =100mm+10mmx 2=120mm对缸筒壁厚进行验算对最终采用的缸筒壁厚应该作如下验算：Pn 0.3 5 x额定工作压力=0.35x 1202 - 10021202二45.36Mpa其中5 s = 360Mpa同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定比例范围，避免塑性变形的发生Pn(0.35-0.42)PrlPrl 2.35 s lg D1D=2.3 x 360Mpax lg 也100二80.24MpaPn=80.24Mpax (0.350.42)二28.08 33.70Mpa此外尚需缸筒径向变形aD应该在允许范围内A D = D x Pr (D12 + D 2 +V ) mE D 2 - D 2对于钢材v取0.345号钢的弹性模数E=210GMpaPr=2.3 xa b ig 号=2.3 x 610x 0.0969=136Mpa0.1 m x 136Mpa1202 + 1002A D = x ()210GMpa1202 - 1002=31x 10 - 3 m =31mm在密封圈允许范围之内缸筒与端部焊接，其焊缝应为计算4 x 117600N3.1 4(1202 1002)x 0.7=60.7 Mpab = 1 22 Mpa根据费帕尔公式P = 2.6 5 x5 x (b 一 2)lg%Eb 5D120一 2) x 1g9 72 -610122100Z.bb x 610(469.9MpaP =469.9Mpa p = 136 Mpa至此缸筒壁厚验算结束壁厚符合要求可以保证正常工作4.1.4缸筒的材料和毛胚对于缸筒材料的选择有如下几点：(1) 一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。 根据液压缸的参数，用途，毛坯的来源等可选用以下各种材料：25、35、45等；ZG200 400, ZG230450, ICr18Ni9,ZL105, 5A03, 5A06 等；ZCuAI10Fe3,ZCuAI10Fe3Mn2 等。(2) 缸筒毛坯：普通采用退火的饿冷拨或热轧无缝钢管，国内时常上已经有内孔 经研磨或内孔加工，只需按所要求的长度切割无缝钢管，材料有20、35、45、27SiMn。(3) 对于工作温度低于一50C的液压缸缸筒，必须用35、45号钢，且要调质处理。(4) 与缸盖焊接的缸筒，使用35号钢，机械预加工后再调质。不与其他零件焊接 的缸筒，使用调质的45号钢。(5) 较厚壁的毛坯仍用铸件，或使用厚钢板卷成形，焊接后退火，焊接需要X光射 线或磁力探伤检查。对与顶管机液压缸来说我们选择第4种的方法，缸筒材料选35号钢。毛坯选用铸 件。4.1.5缸筒的技术要求缸筒的技术要求高，工艺过程复杂，是液压缸中最难加工的零件。缸筒的技术要求 应合理、适当。过高的技术要求会导致大幅度提高成本；技术要求过低将影响液压缸的 工作性能和使用寿命。(1) 缸筒内径公差等级和表面光洁度缸筒与活塞一般采用基孔制的间隙配合。活塞采用橡胶密封件时，缸筒内孔可采用 H8、H9 公差等级，与活塞组成 H8/f7、H8/f8、H8/g8、H8/h7、H8/h7、H8/g7、H9/g8、 H9/h8、H9/h9等不同的间隙配合。缸筒内表面光洁度去8-V10o采用活塞环密封时，缸筒内孔公差等级一般取H7，它可与活塞组成H7/g6、H7/g7、 H7/h6、H7/h7等不同的间隙配合。内孔表面光洁度取V8V9。活塞采用皮革密封时，缸筒内孔公差等级取H9、H10,与活塞组成H9/g9、H9/h9、 H10/g10、H10/h10等不同的间隙配合，表面光洁度取V7V8。采用间隙密封，缸筒内孔的公差等级一般取H6，与活塞组成H6 /h5的间隙配合， 表面光洁度V10V11。液压缸常用基孔制间隙配合的极限间隙参。应尽量不采H对h的配合，因为它有可 能出现配合过紧的现象。(2) 缸筒的形位公差缸筒内径的圆度、圆柱度误差不大于直径尺寸公差的一半。缸筒轴线的直线度误差 在500mm。长度上不大于0.03mm。缸筒端面对轴线的圆跳动在100m。的直径上不大 于 0.04mm。(3) 安装部位的技术要求缸筒安装缸盖的螺纹应采用2a级精度的公制螺纹。采用耳环安装方式时，耳环孔 的轴线对缸筒轴线的位置度误差不大于0.03mm，垂直度误差在100mm长度上不大于 0.1mm .采用轴销式安装方法时，轴销的轴线与缸筒轴线的位置度误差不大于0.lmm， 垂直度误差在100mm长度上不大于0.lmm。(4) 其它技术要求缸筒内径端部倒角15。30。，或倒R3以上的圆角，光洁度不低于V7，以免 装配时损伤密封件。缸筒端部需焊接时，缸筒内部的工作表面距焊缝不得小于20mm ,热处理调质硬度一般为HB241285 ;为了防腐蚀，提高寿命，缸筒内径可以镀铭，镀层厚度一般为0. 030.05mm , 然后进行研磨式抛光。缸筒外露表面可涂耐油油漆。4.1.6缸筒变形的计算与校核缸筒在液压力作用下产生弹性变形，会增大活塞与缸筒的间隙，从而影响密封效果。 另外，油路封闭的液压缸，在受到很强的外力作用时，由于缸筒变形，会使活塞及活塞 杆产生微小的位移。因而，在高压以上的工作压力下计算缸筒壁厚时，不仅要校核强度， 而且要校核刚度。以便将弹性变形控制在允许的范围内。(1) 厚壁缸筒的弹性变形计算厚壁缸筒的弹性变形，应考虑圆周拉应力和轴向拉应力的双重作用。由于缸筒 比较厚，圆周方向的拉应力可视为均布应力，并且近似的认为6 e=1/2q，所以直径方向 的变形量可按下式公式计算：D=D 8 1=D (6u6 ) /E=(2+u) PD2/4Et式中：AD径向变形量；6t圆周方向弹性应变；E弹性系数。采用钢材作为缸筒材料，弹性系数取2.1 Kgf/mm2 (2.1x105Mpa)泊松系数取0.3。(2) 缸筒界面局部应力的计算与校核缸底在液压作用下产生弹性变形。但由于缸筒的径向变形量大于缸底的径向变形 量，缸筒的变形受到缸底的约束，因而产生局部应力。它的大小按下式计算：界面A-A的剪切应力.折算数.顶管机液压油缸的缸筒校核采用上式计算及可。4.2 .活塞杆的设计计算4.2.1活塞杆的结构尺寸(1) 活塞杆大致可分为实心和空心两种不同的结构，下图就是应用最多的实心活塞 杆，它的强度高，制造也比较简单，本次顶管机的活塞杆的设计就选这种。如下图所示:图4.2实心活塞杆(2 )活塞杆基本尺寸的计算根据不同的要求，活塞杆的外径应按不同的方法进行计算。对于顶管机液压缸活塞杆的计算我们可根据前面求的速比来求，公式如下：d=D(0 -1)/0 1/2上式中d活塞杆直径(m)；D缸筒内径(m)；0往返速比。有D=360mm，0 =2我们可以求得d=256mm。圆整后根据下图取活塞杆直径标准值 d=260mm。表5活塞杆外径系列(GB2348-80) (mm)41845110280205012632062256140360825631604001028701801232802001436902201640100260一般活塞杆的直径应选用与上表一5中与计算结果相近的标准尺寸，长度根据行程 而定，行程应尽量选表一1中所规定的尺寸，我们设计的顶管机的行程为1000mm,因此 我们可以计算出活塞杆的长度为1515mm。活塞杆与活塞的连接方法在老师的指导下我采用的是螺纹连接，如下图所示：图4.3活塞杆与活塞的连接方法4.2.2活塞杆应力的计算液压缸在满载荷状况下工作时，活塞杆产生的应力按下式uh计算:6 =*P/A2=D2P/d2M 6 上式6一一活塞杆产生的应力（N/廿）；P液压力（Pa）;D活塞直径（m）；而6取决于活塞杆的材料，故我们还要先确定活塞杆的材料。4.2.3活塞杆的材料活塞杆常使用35、45钢等材料。对于冲击振动很大的活塞杆，也可以使用55钢或 40Cr钢。要求耐腐蚀或在海水中工作的活塞杆，有必要采用不锈钢。活塞杆一般用棒料。如果采用冷拉棒材，可以大大减少加工余量，甚至可以不加工。 冷拉棒材的规格及允差见(GB905 66)。空心活塞杆可使用无缝钢管(参见YB231 70)。用于冲击振动条件下的活塞杆，也可以用锻造毛坯，以提高机械性能。但它不适 用于长活塞杆。对于顶管机的活塞杆我们采用的材料为45号钢，再调质处理及可。 4.2.4活塞杆的技术要求(1) 活塞杆与导向套之间一般才用H7/g8、H7/f8级的配合，可以参照下表一6， 光洁度一般为89；在顶管机油缸的设计中我们根据具体情况在活塞杆与导向套中 采用的是H7/f7、H7/n6的配合；而活塞与活塞杆的配合则采用H8/f7的配合；(2) 活塞杆外径的圆度、圆柱度误差不大于直径d误差的一半。轴线的直线度误差 在500mm长度上不大于0.03mm。(3) 活塞杆外径d与安装活塞轴颈的外径d圆跳动不大于0.01mm，轴肩T面跳动 在直径100mm上不大于0.020.04m。活塞杆的技术要求示意图如下：图4.4活塞杆的技术要求示意图(4) 热处理调质硬度HB229285。必要时高频淬火，硬度HRC4555；(5) 外径可镀铭0.05mm，并进行抛光或磨削加工。4.2.5活塞杆纵向弯曲强度的计算与校核液压缸承受纵向压力，达到或超过纵向弯曲强度极限时，将处于不平稳工作状态， 活塞杆容易引起弯曲或纵向弯曲破坏，这是不允许的。特别是活塞杆直径与液压缸长度 之比达到1:10时，就更需要进行纵向弯曲强度的计算。b = 旬 o夺匚(d-2)*- (d*+2m/ni/2时(w为柔性系数，n为末端系数)，用欧拉公式计算：Pnn 2EJ1/l2(N)采用钢材作活塞杆时，上式又可直接写为：P=1.02n d4x106/(N) k(2) 拉金公式当细长比l/k=m/ni/2时(w为柔性系数，n为末端系数)，用拉金公式计算:式中：Pk液压缸稳定极限力;活塞杆安装长度(m);J1活塞杆截面转动的惯量(m4);E材料弹性系数(Pa);A活塞杆截面积(m2);fo材料强度实验值；a实验常数；d活塞杆直径(mm);k活塞杆截面回转半径，顶管机液压缸的活塞杆为实心轴，可以用下公式计算：顶管机液压油缸对其活塞的稳定性要求比较高，须从多方面进行演算和校核。以防 止各种安全事故的发生。4.3活塞的设计计算活塞是将液压能转为机械能的主要零件，它的有效工作面积直接影响液压缸的作用 力和运动速度。活塞往复运动与缸筒内壁摩擦，应该采用精度较高的间隙配合。如果配 合间隙过大，不仅会引起内部泄漏，降低容积效率，而且会加速密封件的破坏。设计活 塞时应注意磨损问题。活塞磨损后，密封件容易在液压力作用下被挤入间隙而遭致损坏， 因此要尽量提高活塞的耐磨性。从减轻活塞磨耗的角度来说，活塞的最大运动速度最好 不超过lm/s，活塞的最大接触压力不超过2MPa;长行程或承受侧向载荷的液压机，活 塞的有效接触长度应适当取大些，这样可增大DL值(活塞直径与有效接触长度的乘 积)，从而减小比压，降低磨耗，提高活塞的耐磨性能。4.3.1活塞的结构可根据密封装置形式来选用活塞结构形式(密封装置则根据工作条件选定)，通常 分为整体活塞和组合活塞两类。顶管机的活塞结构采用的是普通形式，它在活塞圆周上 开沟槽，安置密封圈，结构简单。活塞可拆卸，用螺纹与活塞杆连接，应用也比较广泛。 其结构示意图如下：图4.5螺纹与活塞杆连接4.3.2活塞的材料活塞常用的材料有HT1532HT2140的各级灰铸铁、耐磨铸铁、35及40钢和铝 合金等。4.3.3活塞的技术要求(1 )活塞的外径基本偏差一般采用f、g、h等，橡胶密封活塞公差等级可选用7、8、 9级，活塞环密封时采用6、7级，间隙密封时可采用6级，皮革密封时采用8、9、 10级。活塞与缸筒的配合在前面缸筒的设计计算中已提到。活塞内孔的公差等级一般取 H7，与活塞杆轴颈组成H7/g6的过渡配合。活塞外径、内孔的表面光洁度均取? 8。(2) 活塞外径、内孔的圆度、圆柱度误差不大于尺寸公差的二分之一。(3) 活塞外径对内孔的圆跳动不大于尺寸公差的二分之一。端面对内孔的圆跳动，在 100mm的直径上不大于0.020.04mm。(4 )活塞外径表面可以镀青铜、黄铜等铜合金或喷涂尼龙等。4.4缸盖与缸底的设计计算4.4.1缸盖与缸底的结构缸盖装在液压缸两端，与缸筒构成紧密的油腔。在单活塞杆液压缸中，无活塞杆一 侧的缸盖也叫缸底。缸盖、缸底和它们的连接部都应具有足够的强度。特别是大型高压 或超高压液压缸，都必须认真进行缸盖、缸底的强度设计。缸盖的结构形式对液压缸的工作性能和工艺性都有很大影响，因此设计时不仅要求 考虑强度，而且要选择工艺性较好的结构形式。按照连接方法的不同，根据顶管机的工 作条件，顶管机的缸盖可选择螺钉连接结构，结构示意图如下：图4.6螺钉连接结构图这种结构简单，便于加工装配。它要求缸筒端都有足够的壁厚，用以穿装螺栓，或 钻孔丝旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、墩粗、焊接方法制成粗大外。4.4.2缸底、缸盖厚度的计算及与缸筒的连接方式缸底厚度的计算可按下式计算：6 =0.433 d1 （p/ 。）1/2式中6缸底厚度（m）；di缸底止口内径（m）；p液压力（Pa）;6缸底材料许用应力（Pa）.通过计算得出缸底的厚度为90mm。缸盖厚度的计算因为缸盖上有导向孔和螺钉孔，所以与缸底的计算方法不同。常用的法兰或缸盖计算 公式如下：h=3P（D0-d2）/n d26i/2上式6许用应力（Pa）；h缸盖厚度（Pa）；P缸盖受力总和（N）；通过查表和计算得出顶管机缸盖的厚度为40mm。缸底、缸盖与缸筒的连接：缸盖与缸筒的连接为螺钉连接，缸底与缸筒的连接为焊接， 下面是缸底焊接强度的计算：顶管机的缸底与缸筒的连接采用的是V形坡口焊接，公式如下：6=4 P/n （D 2-d 2） 012式中P液压缸推力；D缸筒外径；D焊接底径；0 焊接强度系数，一般手工焊取0 =0.70.8，自动焊0 =0.80.9。4.4.3缸盖的材料与技术要求缸盖常用35、45钢的锻件或铸造毛坯，也可以用HT2040、HT2547、HT3054 等灰铸铁。缸盖的技术要求如下：(1) 缸盖内孔尺寸公差一般取H7、H8。光洁度不低于V6O (2) 缸盖内孔d与止口外径D的圆度、圆柱度误差不大于直径公差的一半。(3) 缸盖内孔d与止口外径D的圆轴度误差不大于0.03mm。结束语通过这次设计，我了解到了液压缸的结构形式、运动方式、作用方式以及它在机械 领域中的重大意义。在设计过程中且在老师的指导下和工作经验当中我熟悉了绘制装配 图，并能将其分解成各个零件图，做到在给定其参数的条件下进行各个部件的设计计算 与图纸的绘制，且每一步都要达到国家标准的要求以及产品实际应用的需要。在设计过程中运用和复习并综合应用了以前学过的知识，如；材料力学、理论力学、 机械设计、机械原理、液压传动与气压传动、机械制图等系列课程的基本知识；全面了 解液压油缸行业状况、技术发展方向以及先进的设计方法和制造工艺，熟悉顶管机液压 油缸的功能、结构和特点，研究其设计原理和方法。致谢本论文是在导师的指导下完成的。从论文的选题、结构到资料的整理等工作都得到 了导师的悉心指导。在撰写论文的过程中，导师渊博的学识，严谨的治学态度，丰富的 实践经验，循循善诱的指导方式，令学生终生受益，谨此表示学生最衷心的感谢。参考文献1 何存兴，张铁华主编，液压传动与气压传动M.第2版。武汉：华中科技大学出版 社，2000.2 新编液压工程手册.北京出版社3 申永胜.机械原理教程M.北京:清华大学出版社，19994 成大先.机械设计手册.第四版M北京:化学工业出版社,20025 刘鸿文.材料力学.北京高等教育出版社，19926 何存兴 杨曙光主编，液压传动与气压传动.第三版.武汉:华中科技大学出版社,2008 年4月7 贾培起液压缸北京科学技术出版社.20028 派克密封件液压与气动P06/REV4/20049 精密 O 形圈及 Parbak 挡圈 OR02/REV03/050110 马永辉，徐保富，刘邵华.工程机械液压系统设计计算M.北京：机械工业出版 社，198311 杨培元，朱福元.液压系统设计简明手册.M.北京:机械工业出版社,200412 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