双作用液压缸的结构设计说明书

双作用液压缸结构设计摘 要由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。液压缸是液压系统中最广泛应用的一种液压执行元件。液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能的执行元件,它主要是用来输出直线运动。本文设计了双作用液压缸的结构，主要部分包括了缸头，缸底，活塞，活塞杆以及密封元件。油缸采用吊耳安装，缸头、缸底与缸筒之间采用螺钉连接。由于额定压力较大，因此对各个联结部件进行了校核。最后基于AutoCAD软件画出了液压缸的二维图，基于SolidWorks软件画出液压缸的三维模型，基于UG 软件画出液压缸部分零件并生成NC代码。关键词：液压缸；液压传动；结构设计IABSTRACTBecause hydraulic drive has many outstanding advantages, it is widely used in machinery manufacturing, engineering construction, petrochemical, transportation, military equipment, mining metallurgy, light industry, agricultural machinery, fisheries, forestry and other aspects. Hydraulic cylinders are the most widely used hydraulic actuators in hydraulic systems. Hydraulic cylinder is the hydraulic pump output pressure can be converted into mechanical energy of the implementation of components, it is mainly used to output linear motion. In this paper, the structure of the double acting hydraulic cylinder is designed. The main part includes cylinder head, cylinder bottom, piston, piston rod and sealing element. Cylinder with lug installed, cylinder head, cylinder head and cylinder between the use of screw connection. As the rated pressure is large, the various coupling parts are checked. Finally, based on AutoCAD software to draw the two-dimensional image of the hydraulic cylinder.Key Words：hydraulic cylinder; hydraulic transmission; structural designII目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 设计工作的理论意义和应用价值11.2 国内外相关研究11.3 目前所存在的问题及发展趋势。11.4 重点解决的问题31.5 拟开展研究的几个主要方面31.6 拟采用的主要研究方法31.7 设计参数42 液压技术及液压缸简介52.1 液压理论的发展与我国液压工业历史简述52.2 液压的传动原理52.3 液压缸的作用52.4 工程机械的液压缸的特点62.5 液压系统的主要组成72.6 液压系统常见图形符号73 液压缸的结构设计83.1 液压缸的设计原则83.2 液压缸的设计步骤83.3 液压缸结构设计和安装形式93.4 缸筒的设计93.5 法兰结构的设计123.6 活塞的设计133.7 活塞杆的设计163.8 缓冲结构的设计173.9 导向结构设计183.10 辅件的选用184 液压缸尺寸设计194.1 液压缸主要参数及材料性能194.2 液压缸类型及安装方式的确定194.3 主要尺寸的计算195 液压缸的装配与日常维护305.1 液压缸的装配305.2 液压缸的日常维护306 结 论31参 考 文 献32附录1：外文翻译34附录2：外文原文47附录3：活塞的数控加工程序的编制59致 谢60双作用液压缸结构设计1 绪论1.1 设计工作的理论意义和应用价值液压传动技术不仅用于传统的机械操纵、助力装置，也用于机械的模拟加工、转速控制、发动机燃料进给控制，以及车辆动力转向、主动悬挂装和制动系统。同时，也扩展到航空航天和海洋作业等领域。而液压油缸是液压传动中将液体的压力能转换成机械能，实现往复直线运动或往复摆动的执行元件，被广泛应用于各种液压机械设备中。液压油缸的设计合理性、制造质量，直接影响整个液压机械设备的的使用状态，乃至整个生产系统的正常运行和生产的安全性。所以，液压油缸的合理化设计具有重要的现实意义。1.2 国内外相关研究目前国内工程机械液压缸存在的问题是可靠性差，最主要的问题是首次无故障时间过短，且经常出现一些小故障。不论是从产品外观质量，还是从工艺技术或者试验验证等方面，我们与国外液压缸都有很大差距。我们国内液压缸与国外的可靠性差距比较大，一方面是成套方案提供能力尚不足，另一方面，在工艺制造技术的研究上还不够深入。国外对液压缸的研究比较成熟，国外很多液压缸制造商在液压缸的设计、工艺、试验等方面有很多创新点，可满足特殊工况的需求。他们把液压缸和传感器、外围的液压件或机械机构件一起供应，创造其竞争优势。尤其是特种液压缸注重机电一体化技术、集成传感及新材料和涂层技术的应用，向着更快、更轻、更环保、更安全可靠的方向发展。比如，国外某公司开发的缸径小于10mm的特小型液压缸使得气缸和液压缸的规格更加齐全。他们做的液气液压缸是液压和气动的复合产品。并在液压缸上增加控制装置，把控制技术结合进来使得这种混合液压缸的应用范围得以扩大9。1.3 目前所存在的问题及发展趋势。（一）存在问题：液压缸结构传动不能保证严格的传动比；工作过程中常用较多能量损失（摩擦损失、泄露损失等）；对油温的变化比较敏感，它的工作稳定性容易受到温度变化的影响；为了减少泄露，液压元件在制造精度上的要求比较高，因此造价高; 液压传动出故障时不易找出原因，使用和维修要求有较高的技术水平；液压缸的活塞杆在油压的作用下伸出或缩回时，经常出现速度不均匀现象，并有时伴有振动和异响，从而引起整个液压系统的振动，并带动主机其它部件振动等缺点，所以液压缸结构需进一步发展改良，以便适应国家经济发展的需要。（二）发展方向： (1)状态监测与故障诊断现在越来越多的企业开始研究检测技术与产品可靠性结合，利用先进的传感技术和检测技术，应用到工程机械液压缸中。比如利用磁致伸缩位移传感器检测液压缸行程信息，信号再反馈到控制系统，收集缸底、耳环铰点磨损信息，以此判断液压缸是否失效17。另外已经有企业开始利用精确控制液压缸行程来进行智能化主机作业，比如挖掘机的平地、挖坡作业等，利用这种方法能够自动进行较大难度的作业。体现在液压技术方面，第一位的是能效和状态监测与故障诊断传感器和测试设备在液压系统中的应用越来越广泛，不但用于实时状态检测，还逐渐开始应用到故障检测和状态维修方面目前状况监测系统已经成功应用在军工机械中，比如坦克、装甲车等重要设备中，很有必要在工程机械设备中进行广泛推广。徐州徐工液压件有限公司已成功研发智能液压缸检测系统，主要进行液压缸压力、温度、位移以及缸筒变形量等参数的实时监测及诊断，并于 2012年宝马展会上顺利展出9。(2)可靠性研究国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）将基础件和通用部件列为优先主题，将重大产品、重大设施和复杂系统的安全性、可靠性和寿命预测技术列入重要研究方向。液压缸作为工程机械的核心零部件，可靠性研究也是未来一段时间内重要的研究方向9。我们要重视试验技术和产品测试，通过型式试验，证明产品性能满足标准要求；通过耐久性试验，保证产品寿命长久；通过生产精益管理，确保产品质量稳定。耐久性寿命试验的目的，不是为了证明产品有多好，而是为了发现其中存在的问题，从而不断改进。耐久性寿命试验，最重要的不是结果，而是试验过程中发生的问题和情况。不要过于拘泥于现有的测试标准必须拥有自己的试验测试体系，做具有中国特色的综合性试验平台。而做试验平台必须要做好工况研究，只有无限接近主机工况的试验平台才能真正的反映产品的性能15。另外，工况研究要坚持进行，工况研究不是一时半会就能研究出成绩，而是长期坚持积累的过程。液压缸企业都要在这个方面增加投入，只有基础研究深入，才能从根本上发现问题，从而解决问题。(3)清洁度污染对液压元件是致命的，只有把装配车间和粗加工、精加工以及焊接车间隔开，清洁过或清洗过的部件才允许进入下一道工序，试验工序需要定期检查试验用油液清洁度，这样，才能保证最终产品的清洁，才能让用户放心。目前，我们国内部分企业也已经开始实施液压缸生产车间全封闭、恒温控制，并且在整个液压缸零部件生产环节分别进行清洁度的控制，生产的液压缸清洁度指标值如果采用“颗粒计数法”检测时，出厂前残留在液压缸缸体内部。油液的固体颗粒污染等级可控制在GB/T 140392002液压传动 油液固体颗粒污染等级代号规定的范围内16。(4)液压缸零部件再制造和其他行业一样，目前液压缸行业也已经开始关注液压缸的再制造。再制造不但需要保证产品可靠性，而且前提成本的控制，如何在最低成本下实现液压缸的再制造也是当前较大的难题。同时要考虑的问题是如何最大化地利用有限资源，减少环境污染。再制造工程能够带来巨大的经济、环保和社会效益，因此液压缸的再制造也将成为工程机械再制造工程重要的一部分9。(5)轻量化随着工程机械向着大吨位、高性能发展，特别是路面行走工程机械，由于车桥载重的限制，主机对轻量化的要求愈加强烈，液压缸的轻量化势在必行。实现液压缸轻量化首先是在充分进行工况研究的基础上进行产品结构优化，如缸底、耳环结构优化及模锻件的减重等等；其次是高强度低密度新材料的开发应用，轻量化以经成为液压缸产品研发的一种趋势2。1.4 重点解决的问题(1)工作过程中常用较多能量损失（摩擦损失、泄露损失等）；(2)液压缸的活塞杆在油压的作用下伸出或缩回时，经常出现速度不均匀现象，并有时伴有振动和异响，从而引起整个液压系统的振动，并带动主机其它部件振动等。1.5 拟开展研究的几个主要方面(1)选择液压缸的类型和各部分结构形式。(2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸。(3)结构强度、刚度的计算和校核。(4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计。(5)绘制装配图、零件图、编写设计说明书。1.6 拟采用的主要研究方法1.市场调研，并收集相关资料。2.根据使用要求确定结构形式与安装方式。3.确定设计参数a)确定最大负载力和运动速度b)选定工作压力c)确定实际工作最大行程4.尺寸计算a）缸筒内径，壁厚的计算b）活塞杆直径的计算c）液压缸最大工作长度的计算5.进行结构设计a）缸筒的整体设计与强度校核b）端盖、缸底及及活塞的设计c）缸筒与端盖、缸底连接方式的设计及强度校核d）活塞杆的设计及强度校核6.完成辅助装置的设计7.绘制总装图与零件图，编写毕业设计说明书1.7 设计参数额定压力：20MPa行程：320mm系统最大推力160kN2 液压技术及液压缸简介2.1 液压理论的发展与我国液压工业历史简述回想液压技术进步的史籍，人们对“液压”这个观念从发觉到了解，到应用至生活生产到使用到高新领域中，经历了一个漫长的时间。公元前200年，阿基米德发现以他名字命名的浮力定律之时，事实上他已经发现了液体静压力作用这一现象。18世纪中叶，瑞士数学家伯努利发表了流动动力学这一研究流体动力学的举足轻重的著作2。他在此书中得出了液体常态运动方程，也就是如今应用广泛的伯努利方程。液压缸是遍及工程领域的执行部件。直到1890年后液压技术才被应用到民用、军用等各种大中小型的机器上。我国的液压工业大约起步于1963年。1965年我国通过购买日本的样机进行“逆向研发”，走出了我国液压工业的第一步2。到了70年代我国已经可以生产能满足各行各业要求的液压设备了。2.2 液压的传动原理整机由原动机，驱动部分，控制部分和作业机构的部件组成。 驱动部分只是一个中间环节。 它的作用是将原动力（电动机，内燃机等产生的动力）发送给工作机构。 有许多形式的传动，如机械传动，动力传动，液体驱动，气体传输及其组合驱动。将液体用作能量转移的工作介质的方式称为液体驱动。 2.3 液压缸的作用液压缸是液压系统中最重要的执行器，它们将液压能转换为机械能，实现线型往复运动，液压缸结构简单，配置灵活，设计、制造更加的方便，易于使用和维护，因此被广泛用于各个领域3。图2.1 液压缸与各种机构配合使用的常见情况2.4 工程机械的液压缸的特点很多工程机械的执行机构，相当大的一部分采用液压缸来实现，虽然式样、构造不同，但它们有不少相似的地方。1.工作环境较恶劣机构多数情况下，在强烈阳光直射的前提下，油温温度有时临近90；在特别寒冷的区域工作时，温度能低至-40。所以液压缸要防止外界污染物进入腔体，活塞杆需要采取措施防锈。2.载荷变化复杂，振动和冲击较大大多数工程机械的液压缸常与砂砾等坚硬物体发生碰撞，而且经常会受到较大的偏心力矩。因此，各个零件的强度、韧性和表面硬度在设计之时要注意达到标准。为此，除了选用较好的材料外（如活塞杆材料往往选用锻钢），还应采用调制、淬火、镀铬等措施，以增强抵抗外力打击的能力，且兼有防止锈蚀的作用2。3.工作行程较长工程机械的液压缸常常有着较大的行程，而且经常承受纵向压缩负载，液压缸的稳定性分析就显得格外重要，必须根据实际的工况来选择适当的安装方式并根据标准计算并选取活塞杆直径23。4.常使用焊接结构为防止运动中的振动和撞击而导致部件脱落，连接各部件常用焊接 。5.常设置缓冲减速结构工程设备的负载大，运动速率大，为了避免在运动至末端时受到冲撞，要另外预设特殊结构来降低速度。2.5 液压系统的主要组成液压传动系统的组成部分有一下五个方面：（1）能源装置 它把机械能转变成油液的压力能，最常见的就是液压泵，它给液压系统提供压力油，使整个系统能够动作起来；（2）执行装置 它将油液压力能转变成机械能，并对外做功，如液压缸和液压马达；（3）控制调节装置 它们是控制液压系统中油液的压力、流量和流动方向的装置；（4）辅助装置 它们是除以上三项以外的其他装置，如油箱过滤器、油管等，它们对保证液压系统可靠、稳定、持久地工作有重要的作用；（5）工作介质 液压油或其他合成液体4。2.6 液压系统常见图形符号图2.2 液压系统常见符号 3 液压缸的结构设计由于油缸的具体工况的不同，具体的设计也不尽相同。3.1 液压缸的设计原则工程机械的液压传动系统中广泛采用直线往复运动油缸。这种油缸较为简单，能够实现无级变速，传动力大，工作可靠。对差异工况下的液压缸的要求不尽相同，主要的注意事项如下：1）液压缸的最大受力状况应该在它受拉力的状态下，或者当油缸受压之时尽量不会产生弯矩。2）按照具体的用途和使用环境选择合适的安装方式。需要额外注意的是油缸不能采用两端定位。3）液压缸的每个组件都必须参照手册上的设计参数来进行计算，而且应当尽量做到在保证工艺性的条件下降低造价。4）油缸除了保证具体工况下的参数以外，防尘密封等其他与油缸可靠性相关的性能也应具体分析，具体设计5。3.2 液压缸的设计步骤对于不同工作环境下的油缸，具体的工作参数也是天差地别。因为液压油缸的各个参数间经常会产生联系，故设计的时候合理即可。多数情况，只要根据油缸具体的工况来制定设计顺序，并依次计算每个参数，反复计算、校核，直至满足具体的工况要求。 1）按照液压缸的工作环境和设计需求，选定初步方案。2）根据具体的工作环境选择油缸适宜的形式来安装。3）确定油缸负载的变化规律和图表数据。4）根据所受的额定推（拉）力F和选定的压力p来计算相应数据。5）确定活塞杆的直径。6）设计上盖与下盖的结构，计算厚度并选定安全系数校核强度。7）将手中的设计资料进行规整和增补。8）选择适宜的密封方式，设计缓冲降速方式和防尘结构。9）绘制油缸相关图纸5。3.3 液压缸结构设计和安装形式结构设计和尺寸的计算与校核是其设计的主要内容。谈到液压油缸的设计，它的结构设计是首当其冲，并且主导了之后的尺寸设计。如果结构上没有令人满意油缸的工艺性、可靠性及造价方面的控制更是无从谈起。安装形式也是结构设计的其中一部分。如果安装形式的选择特别不合理，其使用寿命和效率将会大大降低。在考虑安装形式的时候，应对相应零件进行受力分析以提高液压缸的工作稳定性。53.4 缸筒的设计液压缸的主要零件是缸筒，其与上下盖、活塞组成密封的空间，再通过液体压力推动缸内活塞左右移动25。在设计时，不仅要保证额定推力、拉力、行程等参数要求，更要确保其有相应的强度和刚度。除此之外，为了确保在工作时不泄露，所以必须要有适当的几何精度和表面粗糙度的要求。3.4.1 缸筒的结构设计图3.1 常见的缸筒结构形式缸筒多采用圆筒结构，因此结构具有易于加工，受力分布均匀等优点，故应用最为广泛21。图3.2 缸筒三维图图3.3 缸筒3.4.2 缸筒的连接设计将缸筒与法兰各自加工出螺纹并旋紧，并将二者用角焊的方式焊接，防止法兰因冲击振动而松动。以此种方式结构来连接有着可靠性高、易于维修、装配加工难度低等优点。而突出的法兰会使油缸总体的体积、重量有一定程度的增加。图3.4 缸筒的连接图示3.4.3 缸筒的材料选择缸筒是液压缸的主要零件，他与端盖、活塞构成密封容器，用以容纳油液、驱动负载而做功，因此要有足够的强度、刚度，以及良好的密封性及可焊性。在此选用45号钢（调质）作为液压缸的材料。3.4.4 缸筒的技术要求（1）内径公差等级和表面粗糙度油缸内壁使用H8、H9公差等级，这样就可以与活塞组成多种不同的间隙配合。油缸内壁粗糙度取。（2）其他技术要求1）缸筒内径端部倒角1530，或倒R3以上的圆角；表面粗糙度不差于Ra0.8m以免装配时损伤密封件；2）缸筒端部需焊接时，缸筒内部的工作表面距离焊缝不得小于20mm；3）热处理调质硬度一般为HB241-HB285；4）为了防腐蚀、提高寿命，缸筒内径可以镀铬，镀层厚度一般为0.030.05mm，然后进行研磨或抛光。缸筒外露表面可涂耐油油漆。图3.5 缸筒加工要求3.5 法兰结构的设计法兰与缸体选用螺纹连接。并将法兰与缸筒角焊。图3.6 法兰结构图3.7 法兰三维图3.6 活塞的设计3.6.1 活塞结构设计图3.8 活塞结构图3.9 活塞三维图由于活塞是在液压力的作用下沿缸筒作直线运动，所以其必须与缸筒配合合理，过紧会使启动困难，过松导致其泄露从而降低工作效率。此处选用整体式活塞，选用此结构的原因是其保养维护的时候便于拆卸，密封件有较长的更换周期。同时螺纹结构使得活塞与活塞杆之间缝隙减小，不致于发生泄漏现象。3.6.2 活塞与缸体的密封结构设计由于本次设计的额定压力较大为20MPa，故活塞与缸体间的密封要求较高。选用密闭性能更好的Y形密封圈。它的优点是：在它没有受到压力的时候，仅仅会因为唇尖的变形而对内壁施加很小的力，因此产生的摩擦阻力较小。而当其受到压力时，它的唇边会紧贴缸体和活塞的表面，产生良好的密封效果。若使用O形圈作为密封件的话，如果静置时间过长，则O形圈与缸筒间的油膜就会消失，从而造成启动困难。当压力进一步升高时，唇部与表面的接触更加紧密，正是Y形圈的这种“自封作用”使其得到了广泛的应用。图3.10 唇形密封圈的工作原理图3.10 活塞的密封结构3.6.3 活塞的材料选择油缸缸筒材料多选用钢材料。倘若活塞的外部轮廓与缸筒内壁直接接触，活塞必须采用灰铸铁、球墨铸铁、铜或者铝制材料，而不可以使用仅仅采用通常热处理的钢或40Cr钢10。倘若活塞用到了导向环的结构，那么活塞外轮廓至少要比缸筒内径小毫米，正常工作的情况下，活塞外径不会接触缸筒内壁，使用未经过热处理或仅作调质处理的45钢做活塞，就没有问题3。3.6.4 活塞的技术要求1）活塞外径D对内径D1的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。 2）端面T对内孔D1轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。 3）外径D的圆柱度公差值，按9、10或11级精度选取2。3.7 活塞杆的设计3.7.1 活塞杆的结构设计杆体采用实心杆，制造难度低，缺点是增加了整体的重量。杆外端设计为带肩外螺纹，方便日后更换与活塞轴相连附件。为避免工作的过程中的振动致使两者之间连接出现松动，把后缓冲与活塞杆的连接模式也设计成以螺纹相连，从而两者就组成了“对顶螺母”的形式，达到了防松的效果。图3.11 活塞杆的结构图3.12 活塞杆三维图3.7.2 活塞杆的材料选用此处活塞杆使用的是45号钢（调质）。对于活塞杆要求淬火处理，同时选择使用在活塞杆表面镀铬的方法来提高其防腐能力26。3.7.3 活塞杆的技术要求活塞杆外径公差；直线度每不大于。活塞杆外径d的圆柱度，要使用8级精度。表面粗糙度，精度要求高时。3.8 缓冲结构的设计油缸的活塞杆及活塞杆另一端所连接的部件有一定的重量，当其运动到末端时会与缸头发生碰撞。增设缓冲装置是减轻该撞击力的最有效的方法。油缸运动中的冲击多数是由于组件的惯性所产生。由公式知，在质量m一定的情况下，减小速度是降低冲击最立竿见影的方法。在这里采用的是能量缓冲法来减速，其原理是把最后需要排出油缸的油液封闭在一个空间内，迫使其从节流孔流出。图3.13 缓冲结构当活塞逐渐运动到缸底的时候，左半部分缸内体积逐渐减小，由于油液只能从节流阀的小孔中流出，故降低了杆的速度，减小了对底部的冲击。同时当左侧进油时，油液可经过下方单向阀快速流入缸体，实现快速启动。3.9 导向结构设计以前为了实现液压缸的支撑及导向均使用金属导向套。因此消耗了大量的有色金属和加工工时。随着科技进步，非金属材料制成的导向带被更多的用在了支撑和导向上。为了减少零件的数量，简化结构，选用一体式导向结构，采用此结构是由于其结构简单、易于加工并且降低了整体重量。而且非金属导向带的摩擦系数小、无爬行，适用于小侧向力的工况。图3.14 活塞杆的导向3.10 辅件的选用耳环可根据部位的不同分成杆用耳环与筒用耳环。杆用耳环多以螺纹连接在油缸活塞杆外端；筒用耳环一般焊接在缸底后。图3.15 耳环4 液压缸尺寸设计4.1 液压缸主要参数及材料性能1）额定工作压力为20MPa。2）额定最大推力为160kN3）行程320mm螺钉选用10.9级4.2 液压缸类型及安装方式的确定大多数工程机械液压缸应与连杆结构连接，因此用于耳环的活塞杆端部。 而活塞杆在运动时允许气缸摆动。 所以另一端也应该被设计成耳环。 应该注意的是，两个耳环的方向一致，以避免弯曲负载使液压密封结构泄漏。4.3 主要尺寸的计算4.3.1 缸筒的内径D的计算计算公式为 （4.1）式中 根据已知数据 F=160KN P=20MPa代入数据，求得D=0.101m 表4.1 液压缸内径系列根据标准圆整D=100mm4.3.2 活塞杆的直径d的计算根据速度比的要求来计算活塞杆的直径d （4.2）式中 根据下表选取速度比表4.2 速度比和压力p的关系压力为20MPa，故选取速度比=1.46。按公式代入数据，求得d=56.13mm表4.3 活塞杆直径系列根据标准圆整d=56mm4.3.3 1）缸筒壁厚的计算由于此次设计为中高压，此处缸筒的厚度按照厚壁筒来设计。根据第四强度理论，不管缸筒应力如何复杂，一旦最大的形状变形到达简单受力时的变形的危险值，即看做缸筒失效27。它普遍用于塑性材料的强度计算。 （4.3）代入相应数据，得到壁厚=12.52mm2）缸筒壁厚的校核 （4.4） （4.5） （4.6）PN：额定压力：缸筒发生完全塑性变形的压力(MPa)：缸筒爆破压力.带入相应数据，得PN=45.36MPa20MPa=80.24MPa20MPa=133.73MPa所以计算出的缸筒壁厚符合要求3）缸体外径的计算式中 代入壁厚，得到=125.04mm按标准圆整=125mm4） （4.7）式中 已知：按公式代入数据，求得5）缸底厚度的计算平行缸底.当缸底有油孔时. （4.8）式中 已知： 求得缸底厚度6）端盖厚度的计算选择使用螺钉连接的法兰型缸头： （4.9）图4.1 端盖式中 按公式代入数据，求得7）导向套长度计算一般情况， 最小导向长度要满足： （4.10）式中 即 因此导向长度为。4.3.4 液压缸的联接计算1）缸盖联接计算螺栓联接的计算图4.2 螺栓. （4.11）螺纹处的切应力为. （4.12）合成应力为. （4.13）式中式中：代入以上数据，得 合应力为2）缸体螺纹连接的计算螺纹处应力为. （4.14）切应力为. （4.15）合成应力为. （4.16）式中求得3）活塞与活塞杆的联接计算拉应力为 （4.17）切应力为 （4.18）合成应力为 （4.19）式中：液压缸输出拉力（N）d活塞杆直径（m）活塞杆材料的许用应力（Pa）已知：代入数据，得 合应力为.4） （4.20）式中：为活塞上的孔径（m）为活塞上孔的倒角尺寸（m）为活塞材料的许用压应力（Pa）已知：按公式代入数据，求得 5）耳环的联接计算耳环宽度为 （4.21）已知：.代入数据，得.4.3.5 活塞杆稳定性校核当液压缸受到轴向压缩载荷时，当活塞杆直径与活塞杆的计算长度之比大于10时，应当校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性28。图4.3 液压缸受压图示等截面计算法： （4.22）式中： 实心活塞杆 （4.23）式中.实心活塞杆 （4.24）A活塞杆截面积().实心活塞杆 （4.25）由于活塞杆选取实心杆结构，并且材料为钢材，上式可简化为 （4.26）表4.4 末端条件系数式中按公式代入数据，求得 所以活塞杆符合设计要求 4.3.6 液压缸储油量的计算液压缸的储油量按下式计算： （4.27）式中：V储油量；D液压缸直径（m）l行程（m）其中D=0.1m，l=0.32m求得5 液压缸的装配与日常维护5.1 液压缸的装配液压缸要根据规定安装，不可以有丝毫的松动。安装油缸时要注意如下事项：1）安装前要将零件端部毛刺去除，用油洗净并使用压缩空气将其吹干。2）安装面要与活塞及活塞杆保持一定的垂直度。3）负载力应该尽量作用于油缸中心线上，防止密封件因侧向力而过度磨损。4）两个端部的耳环销孔应保持方向一致，否则会出现磨损过度甚至卡死等现象。25.2 液压缸的日常维护液压油缸就相当于液压系统的心脏，心脏出问题很难修补，所以液压油缸的维护更加要谨慎细致。液压油缸要承受很大的压强，负载越重，它的压强就会越大。因此，做好液压油缸的保养维护是整个液压系统的维护最重要的一个环节。1.定期紧固各处联结的螺栓除了日常的检查之外，还要做到定期紧固。2. 定时更新密封组件是维持液压缸可靠性的关键。但应当考虑液压缸的实际工况来制订更换的时间周期，并将更换情况计入设备管理档案。3. 液压元件中由于部件间的摩擦和零件制造或装配中带入杂质。在设备运行的过程中，这些杂质不可能被过滤设备完全拦截，这样就会使腔道堵塞，进而使整个系统发生故障。有些零件如弹簧，虽然不会被外界污染物堵塞，但金属疲劳后也会失效。因此，定时清洗或更换失效部件是保证液压设备稳定运行的前提。4.定期过滤或更换油液6 结 论经过几个月的学习和努力，大学期间最后的一个作业毕业设计终于告一段落。在此时期我查阅各方面的书籍并上网查阅相关资料，提高了自己独立完成任务的能力。本次设计对工程机械常用的液压油缸进行了总结叙述，参照手册对油缸进行尺寸计算和强度校核。阅读文献，查阅相关资料并针对目前液压油缸所存在的工作振动大、易泄露等不足进行了相对应的优化设计。最终优化了油缸的密封性、减小了行程末端的冲击、减小了油缸低速爬行的现象。在整个毕业设计过程中，使我对AUTOCAD、SolidWorks、UG等制图软件有更深的了解，学会如何应用及合理的规划布局。同时我也重新复习了不少相关专业课程，对相关的知识进行了复习和整理，来自网络的知识都是不全面的，只能作为工作的一个参考，主要还是要靠自己学习后的理解和总结，这是自己对这次毕业设计的最大体会。 但由于自己对液压缸的认识和知识的积累还是有些不到位的地方，在设计中难免会出现一些不合理的地方，希望各位老师批评指正，让我在日后的工作上少犯错误。 我会继续学习液压和机械的相关知识，争取在将来为中国的机械设计行业做出自己的一份贡献。参 考 文 献1 雷天觉.液压工程手册M.北京：机械工业出版社，1990.23 2 赵应樾.常用液压缸与其修理M.上海：上海交通大学出版社，1996.43 3 戚宁.基于Solidworks的液压缸数字设计D.山东：山东大学，2009 4 向丹.基于数字化资源环境的液压传动集成CAD技术研究D.四川：四川大学，2006 5 臧克江.液压缸M.北京：化学工业出版社，2009 6 吴兴奎.一种高可靠的新结构多级套筒液压缸J.液压与气动J，2003（03）.3 7 邓飘,邱义,张宝生.液压缸行程检测技术研究现状J.液压与气动，2008.15-34 8 于贵文，臧克江，林晶双作用多级液压缸的设计J中国工程机械学报，2007，5(4)：35-36 9 李永奇，刘庆教，范华志，王丽.浅谈工程机械液压缸发展趋势J液压与气动，2013(5)：122-124 10 吴文涛，刘建红橡塑弹性体弹性变形原理在油缸密封的应用J.润滑与密封，2007，32(10) 11 冯定，柳进，潘浩，杨成，刘莉.全液压修井机起升系统的速度调节方法J.机床与液压，2011,3 12 张毅雄.井机起升油缸爬行现象分析J.长江大学学报,2009-6,6(2) 13 何文斌.有限元在液压缸结构设计上的应用J.煤矿机械，2003-8 14 徐灏机械设计手册（第四、五卷）M北京：机械工业出版社，1991.9 15 汤家荣.油缸密封结构的改造J.林业机械与木工设备，2011，07：4849 16 王金华，刘爱平.略谈工程机械用液压油缸密封J. 工业设计，2012，01：160 17 王红青，邵灵敏.浅析煤矿用液压油缸的设计创新J.中国科技投资,2012,24：140 18 徐灏.机械设计手册M.北京机械工业出版社，200319 李世蓉.液压缸的密封问题及改进J.通用机械，2005(9)20 刘延俊.液压与气压传动M.北京：机械工业出版社，201221 刘会国.双作用伸缩式液压缸J.液压与气动J，2003（09）.6222 何存兴.液压元件M.北京：机械工业出版社，1982.7023 陈胜涛.液压机液压系统的设计J.锻压装备与制造技术，1978(5)24 黎启柏.液压元件手册M.北京：机械工业出版社，1992.124-15925 贾广生.一种改进了的液压缸结构P.中国专利：200620029050.3，2006-07-1426 陈冲.液压打桩锤主体机械结构及液压系统设计D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，201227 宋涛.煤矿机械J.回撤掩护支架大缸径双伸缩立柱设计，201428 郑仕德. 矿用液压缓阻多功能水泵联动阀的研究D.四川：电子科技大学，200929 SMOExtrusion and Other ProcessesJConveyors for Bulk Materials ,1992 30 Mennesmann RexrothHydraulic ComponentsJMennesmann Rexroth Gmbh 31 Mennesmann RexrothProportionalHighresponse and Servo-ValvesElectrolic Components and SystemsJ.mennesmann Rexroth GmbhRE29003,03,4 32 Eugenio de01iveira Simonetto , Denis Borenstein . A decision support system forthe operational planning of solid waste collection J ,Waste Management，2006.6 - 61 -附录1：外文翻译双室连接非对称液压缸的位置控制摘要本文涉及不对称液压缸系统的位置控制。液压系统包括一个不对称液压缸，两个腔室通过孔口，两位置，双向比例阀和负载力连接。本文介绍了系统结构和控制原理。 分析了一些结构参数对系统动态性能的影响。 分析和仿真结果表明，两位双向比例阀可以实现非对称液压缸系统的位置控制。 使用本文提出的控制策略后，可以实现良好的动态性能。关键词：不对称，液压缸，位置控制，流量补偿，比例阀，控制策略1.简介液压系统广泛地用于许多领域，如航空，导航，武器工业，并且液压系统的大多数应用涉及位置控制系统，它可以是线性或旋转的1。由于低成本，高承载能力，简单的结构和较少的工作空间等优点，非对称液压缸在线性位置控制系统中起非常重要的作用2。有许多着重于这些类型的系统的工作，其中发送到不对称液压缸的流体动力以各种方式调节，例如，配有一个四通，三位伺服阀，一个三通，两位伺服阀3-5，或具有数字调制阀6。通常，液压缸的端口与阀连接。 但是在一些非常特殊的情况下，两个气缸室通过孔口连接，在操作过程中油将从一个孔流到另一个孔。 由于这种罕见的应用，这种结构系统在过去几十年没有得到足够的重视。如果气缸的两个腔室与孔连接，则单个开/关阀可以执行不对称液压缸系统的位置控制7。然而，开/关阀控制系统具有固有的纹波，差的静态性能，并且不能针对其相互作用而独立地调节频率和振幅。 因此，它将仅适用于具有低控制精度要求的场合8。在本文中，采用单，双位双向比例阀来执行不对称液压缸系统的位置控制。 建立了系统的动态模型，提供了控制策略。 分析了比例阀响应频率和孔面积对系统性能的影响。2.系统结构和工作原理以前的研究已经表明，由于液压缸的不对称性，在由对称阀控制的非对称气缸周围的气缸中发生压力跳跃在x=0附近9,10。对两个腔室内压力特性的分析表明，液压缸的结构（图1）可以有效地避免压力跳跃，具有成本低，结构简单的优点7,11。然而，不对称气缸系统的动态特性变差，因为两个腔室被连接，并且气缸的内部泄漏增加11。这可能是系统结构在过去几年中没有广泛应用于工业的主要原因之一。图1示出了液压缸的结构，其包括不对称液压缸和孔口。 非杆腔通过孔与杆腔连接。图1 液压缸示意图如图2所示，液压系统由非对称液压缸，油源，位移传感器，两个压力传感器，控制器和比例阀组成。 杆腔与油源连接，非杆腔与阀连接。 目标位置，压力传感器和位移传感器的信号可以用作控制器的输入，并且控制器计算比例阀的输入信号，以根据控制规则实现非对称液压缸系统的位置控制。图2 系统示意图根据流量连续性，工作流程写为：qL = q1 q2 （1）孔口处的流量可以写为 （2）代入方程 （2） （1），工作流程表示为： （3）根据流体的连续性： （4）基于牛顿第二定律，活塞的运动方程可以写为： （5）根据活塞的运动学方程，系统的控制原理可以表示如下:随着阀口开口的尺寸减小，进入无杆室的流量通过孔口比通过阀门的非杆室流出更多，非杆室内的压力逐渐增加，活塞将在的条件下移动，当阀口开口的尺寸增加时，通过孔口进入非杆室的流量比通过阀门的无杆室外的流量小; 无杆室内的压力将逐渐减小，活塞向后在的条件下移动。显然，两位二通比例阀作为新的可变孔; 当节流孔减小时，节流动作增加，无杆室内的压力增大，因此向前推动活塞。 随着孔口增加，节流作用减小，无杆室的压力随活塞向后移动而减小（11）。 结果，通过调节两位置二通比例阀的开口口可以有效地实现位置控制。3. 控制策略和系统模型从系统结构和工作原理，比例阀作为节流阀。 通过调节比例阀前开口的尺寸来控制不对称气缸系统的位置控制的本质是控制非杆室中的油量。 活塞必须跟踪输入目标位置，否则控制器根据当前位置和目标位置之间的差异来计算比例阀的开口尺寸。 当活塞的当前位置等于目标位置时，活塞需要静止。 由于压力差，杆室中的油将通过孔口流到非杆室。 如果活塞需要静止，则无杆室应保持其油量不变。 由于非杆室中的油量是恒定的，通过孔口进入非杆室的流量必须等于通过阀门的室外流量。对非对称气缸系统的控制策略有很多调查（13-15）。在本文提出的系统结构的条件下，如果采用传统的PID控制器，忽略了活塞与缸内壁之间的摩擦，则控制过程可以表示为：当活塞到达目标位置时，位置误差为“0”，PID输出信号为“0”，阀关闭;无杆室的油量增加，因为q = 0和q 0，因此活塞向前移动。然后，活塞的位置误差不等于“0”，PID控制器的输出值不为“0”，阀打开，无杆室的油量减小，活塞向后移动，当q q，当活塞到达目标位置时，位置误差再次为零;所以活塞在目标位置周围重复振荡。也就是说，在PID控制器下，活塞不能稳定在目标位置，而是在目标位置附近的窄范围内振荡。阀口的开口尺寸在一定范围内保持周期性振荡，这对控制性能不利。活塞围绕目标位置摆动的原因是无杆室中的油量的变化，其中的本质是由于压力差而从杆1通过孔流动到无杆室的油在这两个房间之间。当活塞到达目标位置时，流量补偿可以通过孔口进入无杆室的流量和通过阀门流出室之间的流量补偿相等，从而将油体积保持在无杆腔体和活塞位置不变，并使振荡衰减。根据不对称气缸系统的特殊结构，采用流量补偿方式和传统PID控制器进行液压系统的位置控制。 图3示出了所提出的控制方案。图3 不对称气缸系统的控制方案从上述分析可以看出，该液压系统采用的控制策略可以表示为：该控制器采用流量补偿信号。 流量补偿信号的值可以通过补偿流量根据比例阀的压力和流量特性来计算。 当活塞到达目标位置时，根据补偿信号的调整，比例阀将处于适当的开口尺寸，这确保通过孔口进入非杆室的流量等于通过腔室通过的流量阀门AMESIM代表执行工程系统仿真的高级建模环境。 它基于直观的图形界面，其中系统在整个仿真过程（16）中显示。 在AMESIM的模型库中提供了液压系统的常见液压元件模型。 根据液压系统结构，可以通过连接相应的液压元件建立系统的动态模型。 在编制建立的模型并设定液压元件的结构参数后，得到液压系统的仿真模型。 AMESIM下的仿真模型如图4所示。图4 AMESIM下的仿真模型建立具有相同名称的AMESIM模型的S函数，SIMULINK下的协同仿真模型如图5所示，它是通过将AMESIM模型导入Simulink并设置仿真参数来实现的。图5 SIMULINK下的仿真模型S功能块（AMESim：Project_）代表除了图4中的AMESim / Simulink块之外的AMESIM模型，图5中SIMULINK下的模拟模型的其余部分对应于图4中的AMESim / Simulink块。 SIMULINK中控制器模块的结构如图1所示。 3，计算程序可以表达如下：将e定义为位置错误： （6）控制器的输出信号可以表示为： （7）4.模拟与分析基于系统结构和控制策略，液压缸，比例阀等液压元件的结构参数设置在AMESIM型号下：活塞直径为50 mm;杆直径为28mm;最大行程为30mm;液压缸中运动部件的总质量为1.5 Kg;在标称压力为3.5MPa的条件下，比例阀的额定流量为7.6L / min;比例阀的响应频率为30 Hz;孔径为2mm。 Simulink模拟和求解器的环境参数如下：供给压力为9.5 MPa;负载为5400 N; PID控制器的控制器参数设计为P = 85，I = 2和D = 1;模拟时间为6秒;并且求解器是可变步长的ode15s（刚度/ NDF）（内置在MATLAB中的ode15s程序）。其他的是默认设置。系统的控制要求是稳态误差小于0.03 mm;最大百分比超过44.1 PID控制器和流量补偿PID控制器的仿真结果在模拟过程中，分别对不同的目标位置进行模拟。在PID控制器下，仿真结果如下图所示：输入步进目标位置曲线和活塞当前位置如图6所示。 绝对误差如图7所示，PID控制器的输出如图8所示。图6 PID控制器下的位置轨迹图7 PID控制器下的绝对位置误差图8 PID控制器下阀门的控制信号从图6，图7和图8，活塞围绕目标位置振荡。 阀口的开口尺寸在一定范围内振荡。在具有流量补偿的PID控制器下，输入步进目标位置曲线和活塞的当前位置如图9所示。 绝对误差如图10所示。 孔口的流速如图11所示。图9 带有流量补偿的PID控制器下的位置轨迹图10 带有流量补偿的PID控制器下的绝对位置误差图11 PID控制器孔径流量补偿从图9和图10可以看出，可以有效地实现目标位置轨道上的活塞。 位置误差约为210-5 m。 如图11所示，孔口处的流量在相当小的范围内变化。 仿真结果表明，本文提出的系统结构和控制方法可以实现对不对称液压缸的位置控制，控制性能好。本文提出的PID控制器与控制器方法的对比表明，PID控制器的流量补偿控制结果优于PID控制器。4.2孔口尺寸对系统的影响在具有流量补偿的PID控制器下的系统模型中，孔径配置为不同的值，如2.05 mm，2 mm和1.95 mm，不改变其他参数。 图12显示了绝对位置误差，图13显示了不同孔径下孔口处的流速。 不同孔径尺寸下的模拟结果如表1所示。图12 带PID补偿的PID控制器的绝对位置误差图13 流量补偿下PID控制器下孔口流量表1 不同孔径尺寸下的模拟结果从图12和表1可以看出，