叉车液压缸毕业设计.doc

摘要摘 要本课题是内燃叉车提升液压缸的设计，液压缸的设计包括了系统工作压力的选定、液压缸内径和外径的确定、活塞杆直径和活塞直径的确定、液压缸壁厚的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定、缓冲装置的计算以及活塞杆稳定性的验算。本设计应用经验设计法和计算机辅助工程技术完成，先依据经验公式计算，确定了液压缸安装方案，设计了液压缸活塞及活塞杆尺寸参数，校核匹配的连接螺栓、销轴等。最后用绘图软件CAD完成液压缸装配图。关键词：叉车、提升液压缸、液压缸设计摘 要本课题是内燃叉车提升液压缸的设计，液压缸的设计包括了系统工作压力的选定、液压缸内径和外径的确定、活塞杆直径和活塞直径的确定、液压缸壁厚的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定、缓冲装置的计算以及活塞杆稳定性的验算。本设计应用经验设计法和计算机辅助工程技术完成，先依据经验公式计算，确定了液压缸安装方案，设计了液压缸活塞及活塞杆尺寸参数，校核匹配的连接螺栓、销轴等。最后用绘图软件CAD完成液压缸装配图。关键词：叉车、提升液压缸、液压缸设计IIAbstractABSTRACTThis is the subject of internal combustion forklift lifting hydraulic cylinder design, the hydraulic cylinder design including the working pressure of the system is selected, the hydraulic cylinder inner diameter and outer diameter of the piston rod and the piston diameter, diameter determination, hydraulic cylinder wall thickness calculation to determine the thickness of the cylinder block, cylinder head, length, buffer device is calculated and the piston rod stability checking. Design and application of the experience design method and computer aided engineering technology, according to the empirical formula, determine the hydraulic cylinder installation project, design of hydraulic cylinder piston and piston rod size parameters, check matching bolt, pin. Finally with the drawing software CAD complete hydraulic cylinder assembly drawing.Key words: forklifts, lifting hydraulic cylinder, hydraulic cylinder design目录目 录1. 引 言11.1叉车发展史11.2 提升液压缸简介11.3 本设计的主要内容22. 液压缸的设计22.1 液压缸的选材22.2 液压缸的主要尺寸的确定22.2.1缸筒内径D的计算22.2.2 液压缸活塞杆直径d的确定42.3 液压缸结构参数的计算52.3.1 液压缸壁厚的计算52.3.2 缸盖厚度的确定62.3.3 最小导向长度的确定62.3.4 缸筒长度确定72.3.5 液压缸进出油口尺寸确定72.3.6 缓冲装置计算73. 液压缸的校核93.1液压缸各部分连接件强度计算及校核93.1.1缸筒壁厚的验算93.1.2缸盖与缸体用螺纹连接时，缸体螺纹处的拉应力103.1.3缸底与缸筒采用焊接的连接方式103.1.4活塞与活塞杆的联接计算113.1.5活塞杆强度和液压缸稳定性计算124. 液压缸的结构144.1 缸体与缸盖的连接形式144.2活塞与活塞杆的连接结构154.3 活塞杆导向部分结构164.4 密封装置的选用174.4.1 间隙密封174.4.2 活塞环密封174.4.3 密封圈密封174.5 液压缸缓冲装置的选用194.5.1 环隙式缓冲装置194.6 液压缸的排气装置20毕业设计总结21参考文献22致 谢23泰山学院本科毕业设计1 引 言1.1叉车发展史叉车发展于上世纪20年代，由工作装置完成垂直方向作业，由车轮行驶系统完成水平方向作业，是室内搬运的首选工具。我国的机械制造行业起步较晚。国内生产叉车的技术更是比国外落后很多，如何将剩余的15%20%的比例加大将是我们大家共同努力的目标，为此，本文主要进行叉车的设计计算，重点在于液压系统设计计算，已经完成了油箱、动力元件、控制元件、执行元件以及各种液压元器件的选型和设计、校核等，将液压系统各部分组成按流程逐步设计后，以此为依据，设计了液压系统布置图。车体一般5mm以上钢板制成，无大梁车体强度高，可承受重载此外流线型设计也将叉车的护顶架，车身，配重及其各种装饰融为一体。宽视野的两节或三节型门架，起升高度在26m。目前门架下降还采用负载势能回收的原理，实现门架下降的无级调速。1.2 提升液压缸简介 图1提升液压缸,它为了迅速而方便的叉取货物，门架需要向上提升；搬运货物时，液压缸往上提升，可以叠放货物，或者从高处卸载货物。为了叉取一定重量的货物，液压缸需要在一定的工作压力下进行设计。1.3 本设计的主要内容本设计的主要内容是对叉车提升液压缸装置的设计。液压缸的设计包括了确定提升液压缸活塞缸直径及其外径、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。2. 液压缸的设计2.1 液压缸的选材缸体：45号钢无缝钢管。45钢无焊接 件，可用调质处理提高强度表面粗糙度要小（Ra=0.20.4m）工艺要求内孔一般用珩磨或滚压加工活塞：45号钢。活塞杆：45号钢圆钢或无缝钢管，一般表面要镀硬铬，表面粗糙度要Ra=0.20.4.缸底：法兰连接，35号、45号钢锻件。密封结构：防漏、防尘、耐磨2.2 液压缸的主要尺寸的确定2.2.1缸筒内径D的计算根据设计条件，要提升的负载为1000kg，因此提升装置需承受的负载力为： （公式1）=100010=10000N为减小提升装置的液压缸行程，通过加一个动滑轮和链条（绳），对装置进行改进，如图2所示。 图2 提升装置示意图由于链条固定在框架的一端，活塞杆的行程是叉车杆提升高度的一半，但同时，所需的力变为原来的两倍（由于所需的功保持常值，但是位移减半，于是负载变为原来的两倍）。即提升液压缸的负载力为2 Fl = 20000 N表1 各类液压设备常用的工作压力 设备类型精加工机床半精加工机床粗加工或重型机床农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构液压机、重型机械、大中型挖掘机、起重运输机械工作压力p/Mpa0.823551010162032选择系统工作压力为10Mpa，则对于差动连接的双作用液压缸，提升液压缸的活塞杆有效作用面积为无杆腔进油时 （公式2）有杆腔进油时 （公式3） 按照表2选取数据，由于叉车要提升4m，高度过高，所以液压缸直径应选的大一点，选D=80mm表2 液压缸内径尺寸系列GB234880 （mm）810121620253240506380 （90）100 （110）125 （140）160 （180）200 （220）2503204005006302.2.2 液压缸活塞杆直径d的确定表3 设备类型与活塞杆直径 设备类型磨床、珩磨及研磨机插、拉、刨床钻、镗、车、铣床活塞杆直径d（0.20.3）D0.5D0.7D 所以活塞杆直径为d = 0.7D=800.7=56mm，查表4取常用的数据，取 d = 56mm。表4 活塞杆直径系列 GB234880 （mm）45681012 1416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400GB/T699-1999标准规定的45号钢热处理850正火、840淬火、600回火，达到的屈服强度。许用应力根据油缸材质的屈服强度计算，通常留23倍的安全系数，取安全系数为2.5.【】=355/2.5=142Mpa。Py试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（Mpa）。Py=101.5=15Mpa。校核（公式4） 所以d=56mm符合。2.3 液压缸结构参数的计算2.3.1 液压缸壁厚的计算壁厚 （公式5）校核壁厚（该设计采用无缝钢管） （公式6）Py=（1.251.5）Pp，取Py=1.5Pp，Py=101.5=15Mpa （公式7）取 由计算的公式所得的液压缸的壁厚厚度很小，使缸体的刚度不够，如在切削加工过程中的变形，安装变形等引起液压缸工作过程中卡死或漏油。所以用经验法选取壁厚：2.3.2 缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度 按强度要求可用下式进行近似计算： （公式8） 式中： D缸盖止口内径(mm) T缸盖有效厚度(mm) T5.632mm2.3.3 最小导向长度的确定一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H(如图所示)。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一最小导向长度。图3油缸的导向长度,K隔套，对于一般的液压缸，其最小导向长度应满足下式： HL/20+D/2 （公式9） H=2/20+0.05/2=0.125m=125mm 式中：L为液压缸最大工作行程2(m);D为缸筒内径50(mm)。一般导向套滑动面的长度A，在D80mm时取A=(0.6-1.0)D,在D80mm时取A=(0.6-1.0)d；活塞的宽度B则取B=(0.6-1.0)D在本题中A=(0.6-1.0)d=33.6mm,B=(0.6-1.0)D=48mm,在本题中为保证最小导向长度，过分增大A和B都是不适宜的最好在导向套与活塞之间装一隔套K隔套宽度C由所需的最小导向长度决定即： （公式10）采用隔套不仅能保证最小导向长度，还可以改善导向套及活塞的通用性。2.3.4 缸筒长度确定液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径D的20-30倍。 即：缸体内部长度2000+48=2050mm 缸体长度（20-30）D=（1600-2400）mm 即取缸体长度为2050mm2.3.5 液压缸进出油口尺寸确定液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上，进、出油口处的流速不大于5m/s，油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接。 根据液压缸螺纹连接的油口尺寸系列（摘自GB/T2878-93）及16MPa小型系列单杆自（GB/T2878-93）及10MPa小型系列的单杆液压缸油口安装尺寸（ISO8138-1986）确定。进出油口的尺寸为M16x1.5。连接方式为螺纹连接。2.3.6 缓冲装置计算液压缸中缓冲装置的工作原理是当活塞接近缸底时缓冲柱塞与孔形成环形间隙，减小了回油流速。缓冲腔内剩余的油液从环形缝隙中强行挤出使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。从而达到缓冲的效果。 采用环形缝隙节流的缓冲装置 环形缝隙 （公式11） -平均缓冲压力 d 缓冲柱直径 活塞的缓冲行程 液压油的动力粘度 图4 活塞缓冲开始时的速度 A 缓冲腔内的有效作用面积通常；不可过长,以免外形尺寸过大=18.1MPa;d=40mm; =8mm/s;V=32/s。=20mm；A=333.8； =900kg/液压油选择HL32。,解得：=2mm .3. 液压缸的校核3.1液压缸各部分连接件强度计算及校核3.1.1缸筒壁厚的验算1） 液压缸的额定压力P值应低于一定的极限值，以保证工作安全 （公式12） 带入已知数据得 78MPa 符合要求2） 为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力值应与塑性变形压力有一定的比例范围 （公式13）带入已知数据得：3）为了确保液压缸的安全使用，缸筒的爆裂压力应远远大于耐压试验压力 （公式14）带入已知数据得：=147MPa D-缸筒内经； D-缸筒外径；-额定压力；-缸筒发生塑性变形时的压力；-液压缸耐压试验压力；-缸筒发生爆裂时的压力3.1.2缸盖与缸体用螺纹连接时，缸体螺纹处的拉应力拉应力 （公式15） 切应力 （公式16）合成应力 （公式17） （公式18） （公式19）K螺纹内摩擦系数；K螺纹拧紧系数（1.251.5）；d螺纹内径；d螺纹外径；D缸筒内径；已知：K=0.12；K=1.25；d=82.958mm；d=80mm；D=80mm; n=3代入已知数据得：=204.7MPa；=63.14MPa合成应力=232MPa234MPa=3.1.3缸底与缸筒采用焊接的连接方式缸筒和缸底焊缝强度的计算如图所示，其对接焊缝的应力为： （公式20） 式中液压缸最大推力（N）； 图5 焊接缸筒和缸底 焊接效率，取=0.7； 焊缝的许用应力（Pa）； ，当用T422焊条，取安全系数n=5。（公式21）代入已知数据，求得=75.4Mpa420/5Mpa 符合要求3.1.4活塞与活塞杆的联接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 （公式22）切应为 （公式23）合成应力为 （公式24）式中-液压缸输出拉力（N） （公式25） d-活塞杆直径（m） -活塞杆材料的许用应力（Pa） 已知：K=0.12;K=1.5;d=36mm; d=40mm;p=18.1MPa;n=4按公式代入数据，求得 =91.4MPa=47.8MPa合应力为 =123.32MPa 图63.1.5活塞杆强度和液压缸稳定性计算 1）活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为229285HBW，必要时，再经高频淬火，硬度达到4555HRC2）液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆稳定性的校核依下式进行 （公式26） 式中，为安全系数，一般取=24。当活塞杆的细长比时 （公式27） 当活塞杆的细长比时 （公式28） 取=4 ；实心活塞杆 ； （公式29） =d/4；=85；=4；l=597mm，=1/5000；f=4.910N/m按公式代入数据，求得 ，符合要求。式中，为安装长度，其值与安装方式有关，见表5；为柔性系数，其值见表6； 为由液压缸支撑方式决定的末端系数，其值见表5；为活塞杆材料的弹性模量，对钢取；为活塞杆横截面惯性矩；为活塞杆横截面积；为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值见表6。表5 液压缸支承方式和末端系数的值支承方式支承说明末端系数一端自由一端固定两端铰接1一端铰接一端固定2两端固定4表6 、的值材料铸铁5.61/160080锻铁2.51/9000110钢4.91/5000854. 液压缸的结构液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连 接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。4.1 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。表7为常见的端盖连接形式。表7 液压缸缸体与端盖的连接形式连接方式结构形式图例优缺点法兰连接优点：(1)结构简单、成本低(2)容易加工、便于装拆(3)强度较大、能承受高压缺点：(1)径向尺寸较大(2)重量比螺纹连接的大；缸体为钢管时，用拉杆连接的重量也大(3)用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些螺纹连接优点：(1)外形尺寸小(2)重量较轻缺点：(1)端部结构复杂、工艺要求高(2)装拆时需要专用工具(3)拧端盖时易损坏密封圈内半环连接优点：(1)外形尺寸较小(2)结构紧凑，重量较轻缺点：（1）缸筒开槽，削弱了强度（2）端部进入缸体内较长，安装时密封圈易被槽口擦伤内半环是应用十分普遍的一种连接形式，常用于无缝钢管与端盖的连接中。根据设计要求，本次设计的液压缸缸体与缸盖的连接选用内半环连接。4.2活塞与活塞杆的连接结构 活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。随着工作压力、安装方式和工作条件的不同,活塞和活塞杆有多种连接形式，如表8所示。表8 活塞与活塞杆的连接形式连接方式结构形式图例特点螺纹连接结构简单，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。多应用在压力高、负荷大、有振动的场合锥销连接结构可靠，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此次设计为单杆液压缸，为了使结构简单，装拆方便，便于维修，根据设计要求，活塞与活塞杆采用螺纹连接。 4.3 活塞杆导向部分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，也可做成与端盖分开的导向套结构。为了清除活塞杆处处露部分沾附的灰尘、保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧还需要增加防尘装置。根据不同的情况，选用不同的导向结构及防尘装置，参见表9。表9 活塞杆的导向及防尘装置结构形式结构简图特点端盖直接导向(1)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端盖(2)防尘圈用无骨架的防尘圈导向套导向(1)导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后更换。(2)防尘方式常用J 形或三角形防尘装置导向套导向的结构形式，导向套磨损后便于更换，而无需更换端盖。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧，导向装在内侧的结构，有利于导向套的润滑。综上所述，本次设计采用导向套导向，且导向套装在内侧。4.4 密封装置的选用密封装置主要是用来防止液压油的泄露。良好的密封性是液压缸能够传递动力、正常动作的保证。根据两个需要密封的偶合面间有无相对运动，可把密封分为动密封和静密封两大类。设计和选用密封装置的基本要求是具有良好的密封性，随压力的增加能自动提高密封性，摩擦阻力要小，耐油抗腐蚀，耐磨寿命长，制造简单，拆装方便，常见的密封方法有以下几种。4.4.1 间隙密封间隙密封是一种简单的密封方法。它是依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄露。间隙密封在活塞的外表面开几道宽0.30.5mm、深0.51mm、间距25mm的平衡槽，来达到密封的效果。间隙密封的特点是结构简单，摩擦力小，耐用，但对零件的加工精度要求较高，且难以完全消除泄露，故只用于低压、小直径的快速液压缸中。4.4.2 活塞环密封活塞环密封依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴环筒内壁实现密封，如表3-4所示。其密封效果较间隙密封好，适应的压力和温度范围很宽，能自动补偿磨损和温度变化的影响，能在高速中工作，摩擦力小，工作可靠，寿命长，但不能完全密封，活塞环的加工复杂，缸筒内表面加工精度要求较高，一般用于高压、高温和高速的场合。4.4.3 密封圈密封密封圈的选用，应根据密封的部位、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。表10为几种常用的密封圈及其使用参数，供设计时参考。表10 密封圈的选用参数类型密封部位截面简图材料压力范围（MPa）温度范围（）速度范围(m/s)摩擦/泄露用途活塞用活塞杆用FPM-15+180O形圈(加挡圈）NBR+PTFE-30+130中/低通用Y形圈NBR+夹纤维-30+120中/低农机、工程机械V形NBR+夹纤维-30+130大/极微挖土机、注塑机、活塞环铸铁0.310小/高高速液压机、缓冲液压机注：NBR 丁腈橡胶，FPM 氟碳橡胶，PTEF 聚四氟乙烯，应用部位。为了使活塞及活塞杆处良好密封，保证液压缸的正常工作，且密封处结构简单，本设计中采用密封圈密封的方式，活塞处采用V形密封圈，活塞杆处采用O形圈(加挡圈)。4.5 液压缸缓冲装置的选用当液压缸拖动的质量较大、速度较高时，一般应在液压缸中设置缓冲装置，必要时还需在液压系统中设缓冲回路，以免在行程终端发生过大的机械碰撞，致使液压缸损坏。缓冲原理是使活塞与缸盖接近时，在排油腔内产生足够的缓冲压力，即增大回油阻力，从而降低缸的运动速度，避免活塞与缸盖相撞。常用的缓冲装置有以下几种。4.5.1 环隙式缓冲装置当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成缓冲油腔2，被封闭的油液只能从间隙排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。环隙式缓冲装置有两种，分为圆柱形和圆锥形(图7)。圆柱形环隙式缓冲装置在缓冲过程中，由于其节流面积不变，故缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，但很快就降低了，缓冲效果较差。这种装置结构简单，便于设计和降低制造成本。圆锥形环隙式缓冲装置，由于缓冲柱塞为锥形，所以缓冲环形间隙随位移量而发生改变，即节流面积随缓冲行程的增大而减少，缓冲时有明显的渐减过程，使机械能的吸收较均匀，缓冲效果较好。图 7 环隙式缓冲装置a）圆柱形柱塞b）圆锥形柱塞1缓冲柱塞2圆柱形油腔3端盖4.6 液压缸的排气装置液压系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、爬行和前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。因此设计液压缸使要考虑空气的排除。所以一般在液压缸的最高处设置专门的排气装置，排气装置上网结构有多种，图10为常用的两种结构。图8 排气阀结构24毕业设计总结在液压缸的设计过程中我的收获很大，生疏的CAD也得到了磨练画图更加熟练。为了使液压缸各个结构设计的精确，我查阅了许多手册和参考书，为我工作后从事的行业打下了牢固的基础。我认真的完成毕业设计，促使我去重新学习了一遍专业知识，觉得对从事本专业的行业有了底气。也是第一次觉得，原来大学已经学习了这么的知识，知识没有去巩固去吃透，通过设计找到了自己的不足，我会认真去弥补自己的不足发挥自己的长处。参考文献1.徐灏机械设计手册北京：机械工业出版社，19922.成大先主编 机械设计手册 第三版第三卷 化学工业出版社 20013.成大先主编 机械设计手册 第四版第四卷 化学工业出版社 20024.林建亚、何存兴主编 液压元件 机械工业出版社93年版5.张治宇叉车使用的一种多路换向阀叉车技术，20016.章宏甲 黄宜主编 机床液压传动 北京 机械工业出版社 ，19867.非标准件设计手册及有关样本和资料8. 杨培元、朱福元。液压系统设计简明手册 北京，机械工业出版社19949. 何存兴。液压元件 北京，机械工业出版社198210. 雷天觉。新编液压工程手册 北京，北京理工大学出版社200511. 李寿刚。液压 传动 北京，北京理工大学出版社198112. 张利平编著 液压气动技术速查手册 北京：化学工业出版社。200613. 许福玲、陈尧明主编 液压与气压传动 北京：机械工业出版社。2007致 谢本毕业设计是在老师的悉心指导下完成的。从课题的立项、选题到课题的开发与研究， 再到本论文的撰写到定稿的每一步工作都倾注着老师的心血和汗水，老师为本设计提出了许多宝贵性的、具有指导性的意见和建议，并提供了大量的资料，老师的指导和帮助我将铭记于心！同时也得到了同学们的相助， 在此，对于老师和同学们的帮助表示忠心的感谢。