双作用液压缸的设计与控制

中原工学院机电学院机电系统综合实验（2016-2017学年 第 1 学期）专 业： 机械电子工程 题 目： 可伸缩伺服液压缸 姓 名： 程方园 学 号： 201300384109 班 级 机电131 指导教师： 周高峰 崔路军 完成日期： 2017 年 1 月 12 日机械电子工程系目 录设计任务书31.设计目的与意义42. 设计内容和要求42.1确定总体方案42.2设计内容52.3设计要求53.设计进度安排54.机电系统设计的分析、计算、选用与说明54.1机械设计54.1.1液压缸的结构设计54.1.2、液压缸的主要技术性能参数的计算64.1.4、液压缸主油缸的设计计算84.1.5、缸体的材料和技术要求114.1.6、活塞杆径的计算与校核114.1.7、快速液压缸柱塞直径的计算134.1.8、缸盖的设计计算134.1.9、液压缸油口的直径计算144.1.10、导向套的设计计算15e内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，保证润滑条件良好154.2液压回路设计164.3电路设计164.4控制设计175. 机电综合课程设计结论176.机电综合课程设计的收获、体会和建议177. 参考文献188.附录18设计任务书题 目可伸缩伺服液压缸的设计与控制设计内容1） 理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，确定其功能参数；2） 明确可伸缩伺服液压缸的具体结构和控制方式，并给出相关参数；3） 分析和计算可伸缩伺服液压缸机械结构，并确定控制的具体实现。4） 绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸和电气电子线路图；5） 撰写技术说明书。时间进度1）17周：机械设计2）18周：液压回路设计，电路设计3）19周：控制电路设计主要参考书籍和资料1冯清秀，邓星钟等著.机电传动控制M.武汉：华中科技大学出版社，2011.2刘德全著.Proteus8电子线路设计与仿真M.北京：清华大学出版社，2014.3成大先编.机械设计手册（第5版）M.北京：化学工业出版社，2008.4董玉红徐莉萍编.机械控制工程基础（第2版）M.北京：机械工业出版社，2013.5秦曾煌著.电工技术（第7版）M.北京：高等教育出版社，2009.6王成元，夏加宽等著.现代电机控制技术（第2版）M.北京：机械工业2014.7濮良贵，陈国定著.机械设计（第9版）M.北京：高等教育出版社，2015.8刘娜李波等著.AutoCadMechanical机械设计入门到精通（第3版）M.北京：机械工业出版社，2015.任务分工备 注 可伸缩伺服液压缸设计与控制1.设计目的与意义油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360回摆运动的液压执行元件。具有结构简单，工作可靠，制造容易以及使用维护方便、低速稳定性好等优点。因此，广泛应用于工业生产各部门。其主要应用有：工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提升机构， 起重机械中汽车起重机的伸缩臂和支腿机构，矿山机械中的液压支架及采煤机的滚筒调高装置，建筑机械中的打桩机，冶金机械中的压力机，汽车工业中自卸式汽车和高空作业车，智能机械中的模拟驾驶舱、机器人、火箭的发射装置等。它们所用的都是直线往复运动油缸，即推力油缸。所以进一步研究和改进液压缸的设计制造，提高液压缸的工作寿命及其性能，对于更好的利用液压传动具有十分重要的意义。 通过学生自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。2. 设计内容和要求1）理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，确定其功能参数；2）明确可伸缩伺服液压缸的具体结构和控制方式，并给出相关参数；3）分析和计算可伸缩伺服液压缸机械结构，并确定控制的具体实现。4）绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸和电气电子线路图；5）撰写技术说明书2.1确定总体方案 当下各种液压缸规格品种比较少，主要是因各种机械对液压缸的要求差别太大。比如对液压缸的内径、活塞杆直径、液压缸的行程和连接方式等要求不一样。由于本次液压设计主要是实现立式快速的原则，故选双作用单活塞杆立式快速液压缸的设计。采用焊接连接。 2.2设计内容可伸缩伺服液压缸设计与控制液压缸的公称压力为30Mpa液压缸快进速度为0.2m/s液压缸的行程为300mm液压缸回程力为175KN,2.3设计要求1）理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，确定其功能参数；2）明确可伸缩伺服液压缸的具体结构和控制方式，并给出相关参数；3）分析和计算可伸缩伺服液压缸机械结构，并确定控制的具体实现。4）绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸和电气电子线路图；5）撰写技术说明书3.设计进度安排1）17周：机械设计2）18周：液压回路设计，电路设计3）19周：控制电路设计4.机电系统设计的分析、计算、选用与说明4.1机械设计4.1.1液压缸的结构设计1、缸体与缸的连接 缸体与缸的连接形式较多，有拉杆连接、法兰连接、内半环连接、焊接连接、。在此选用焊接连接。3、活塞与活塞杆的连接 活塞与活塞杆的连接大多采用螺纹连接结构和卡键连接结构。螺纹连接结构形式简单实用，应用较为普遍；卡键连接机构适用于工作压力较大，工作机械振动较大的油缸。因此从多方面的因素考虑选择螺纹连接结构。 4、液压缸缸体的安全系数 对缸体来说，液压力、机械力和安全系数有关的因素都对缸体有影响。液压缸因压力过高丧失正常工作能力而破坏，往往是强度问题、刚度和定性问题三种形式给表现出来，其中最重要的还是强度问题。要保证缸体的强度，一定要考虑适当的安全系数。4.1.2、液压缸的主要技术性能参数的计算1、压力 所谓压力，是指作用在单位面积上的负载。从液压原理可知，压力等于负载力与活塞的有效工作面积之比。P=F/A(N/m)式中：F作用在活塞上的负载力（N） A活塞的有效工作面积（m） 从上述可知，压力值的建立是因为负载力的存在而产生的，在同一个活塞的有效工作面积上，负载越大，所需的压力就越大，活塞产生的作用力就越大。如果活塞的有效工作面积一定，压力越大，活塞产生的作用力就越大。由此可知：1、根据负载力的大小，选择活塞面积合适的液压缸和压力适当的液压泵。2、根据液压泵的压力和负载力，设计和选用合适的液压缸。3、根据液压缸的压力和液压缸的活塞面积，确定负载的重量。在液压系统中，为了便于液压元件和管路的设计选用，往往将压力分级。见下表1.1所示：表1.1 压力分级 级别低压中压中高压高压超高压压力范围（Mpa）02.52.55816163232 本次液压缸的设定公称压力为30Mpa，由表1.1可知，本此液压缸属于高压。2、流量所谓流量是指单位时间内液体流过管道某一截面的体积。对液压缸来说，等于液压缸容积与液体充满液压缸所需时间之比。即：q=V/t式中：V液压缸实际需要的液体体积（L） t液体压力充满液压缸缸所需的时间（min）3、运动速度 运动速度是指单位时间内液体流入液压缸推动活塞（或柱塞）移动的距离，运动速度可表示为：v=q/A式中：q流量（m3/s） A活塞活塞受力作用面积（m）设定快进速度为0.2m/s计算运动速度的意义在于：1、对于运动的速度为主要参数的液压缸，控制流量是十分重要。2、根据液压缸的速度，可以选用流量合适的液压泵。3、根据液压缸的速度，可以确定液压缸的进、出油口的尺寸，注塞杆，活塞和活塞杆的直径。4、利用活塞杆前进和后退的不同速度，可实现液压缸的慢速攻进和快速退回。4、速比 速比是指液压缸活塞杆往复运动的速度之比，因为速度与活塞的有效工作面积有关，速比也是活塞两侧有效工作面积之比。式中：D液压缸直径（m） d活塞杆的直径（m） 计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和决定是否设置缓冲装置。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成活塞杆太细，稳定性不好。值可根据公称压力表值1.3选定表1.3公称压力与速比值公称压力（Mpa）1012.52020速比1.331.4625、推力和拉力 液压油作用在活塞上的液压力，对于双作用单活塞杆液压缸来说，活塞杆伸出时的推力为F：F=A1P106活塞杆缩回时的拉力为F：F=Ax10=（D-d）Px10式中： P工作压力（Mpa） D缸筒内径（m） d活塞杆直径（m）6、行程 液压缸的活塞行程S，在初步设计时，主要是按实际工作需要长度来考虑。但是，实际需要的工作行程并不一定是液压缸的稳定性所允许的行程，为了计算行程，应首先计算出活塞杆的最大允许计算长度。L=1.01dx10(cm)式中： d活塞杆直径（cm） P活塞杆纵向压缩负载（N） n末端条件系数，可查表求出，依题可知n=1/4 n安全系数，n6 根据液压缸的各种安装形式和欧拉公式所确定的活塞杆计算长度及导出行程计算式。一般情况下，液压缸看纵向压缩负载是知道的，有上式即可大概求出液压缸的最大允许行程。设计液压缸的行程为300mm。4.1.3、液压缸的基本参数1、液压缸内径及活塞杆外径尺寸系列 液压缸内径系列（GB/T2348-1993）8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 220 （250） （280） 320 （360） 400 450 500括号内为优先选取尺寸 活塞杆外径尺寸 系列（GB/T2348-1993） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360活塞杆连接螺纹型式按细牙，规格和长度查有关资料。 液压缸的行程系列（GB23491980） 第一系列 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 第二系列 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 在设计计算后按1.1.1、1.1.2、1.2.1、1.2.2选用缸径、杆径和行程，并验算与要求控制在5%内4.1.4、液压缸主油缸的设计计算 1、缸体内径D的计算 设计过程中，根据已经给出的工作压力、公称压力计算缸体的内径，对于双作用单活塞杆液压缸的计算如下：F=PA= P 式中： F-液压缸的公称压力； P-液压缸的工作压力；所以： D = = =0.206mm根据（GB/T23481993）圆整后取D =220mm实际公称力F=30x10x=949850N1140KN验算： 所以合理，即D =220mm2、缸体壁厚的计算 按厚壁筒计算，因我们本次设计缸体的材料为QT500-7球墨铸铁，是脆性材料，则考虑用第一和第二强度理论计算，又因第二强度理论比第一强度理论更节省材料，故选用第二强度理论来计算：P为试验压力： 当缸的额定压力P16Mpa时，P=1.5P 当缸的额定压力P16Mpa时，P=1.25P所以： =1.2530=37.5Mpa=（-1） =(-1)=0.049m根据国标GB87131988，圆整后取=50mm3、缸体外径D1的计算D1 = D+2式中： D缸体内径（参见4.4.1重型机械表）所以： D1 = D+2=220+250=320mm根据重型机械表4.41，取D1=320mm合理。4、缸体壁厚的验算 因我们本次设计缸体的材料为QT500-7球墨铸铁,是脆性材料，采用第二强度理论验算（以能量为依据）即：=71.99MPaD=D=0.22=0.317m=71.99Mpa80mm,则取 A=0.6X20=12 cm 根据实际情况考虑: A=985cm B=19.5cm3、导向套的材料及技术要求1.导向套的材料导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作，也可以选用铸铁、球铁。2.导向套的技术要求a.外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7b.导向套内孔与活塞杆外圆的配合多为H9/f9c.外圆与内孔的同轴度误差不大于0.03d.形状误差不大于公差之半e内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，保证润滑条件良好f表面粗糙度为4.2液压回路设计4.3电路设计按下SB2，继电器K1得电并自锁，YA2得电，油缸左腔得油伸出，当推动活塞的压力大于溢流阀所设定的压力时，溢流阀导通卸荷，使活塞伸出速度保持一致，工作稳定，按下SB3，继电器K2得电并自锁，互锁断开YA2, YA1得电，油缸右腔得油缩回，当推动活塞的压力大于溢流阀所设定的压力时，溢流阀导通卸荷，使活塞伸出速度保持一致，工作稳定。按下SB1急停。4.4控制设计5. 机电综合课程设计结论 经过一些列的计算和绘图以，达到设计目的的要求。6.机电综合课程设计的收获、体会和建议 三周的机电液综合设计与实验终于结束了，虽然很忙碌很疲劳，但感觉收获还是蛮大的。 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，为我以后 的毕业设计打下了牢固的基础。我几乎每天的专注和辛劳，唤回了我对液压与气压传动的重新认识，对液压缸结构的深刻理解，还有一种对设计制图工作的热情和认真态度，我的细心再次发挥了优势，我不敢说我的这份设计图一定会得优秀，但看着图纸上的每一个细节，我觉得没有枉费这两周来的心血。同时也让我觉得大学里学到了很多知识，我的大学生活没有浪费。7. 参考文献1冯清秀，邓星钟等著.机电传动控制M.武汉：华中科技大学出版社，2011.2刘德全著.Proteus8电子线路设计与仿真M.北京：清华大学出版社，2014.3成大先编.机械设计手册（第5版）M.北京：化学工业出版社，2008.4董玉红徐莉萍编.机械控制工程基础（第2版）M.北京：机械工业出版社，2013.5秦曾煌著.电工技术（第7版）M.北京：高等教育出版社，2009.6王成元，夏加宽等著.现代电机控制技术（第2版）M.北京：机械工业2014.7濮良贵，陈国定著.机械设计（第9版）M.北京：高等教育出版社，2015.8刘娜李波等著.AutoCadMechanical机械设计入门到精通（第3版）M.北京：机械工业出版社，2015.8.附录液压缸的装配总图螺纹环活塞杆活塞缸筒缸底导向套可伸缩伺服液压缸机械结构外观