车载园林修剪机机械臂和工作机构设计

车载园林修剪机机械臂和工作机构设计摘要园林绿化机械作为林业机械的一个分支，它的发展只有 50 年左右的历史，它是随着城市园林化，特别是草坪业的发展，而逐步发展壮大起来。良好的环境，合理的生态系统，是人类赖以生存和发展的不可缺少的摇篮。随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求也越来越高。绿篱在城市道路和园林绿化中也占有重要地位。因其可修剪成各种造型，并能相互组合，从而提高了观赏效果和城市的美化。此外，绿篱还能起到遮盖不良视点、隔离防护和防尘防噪等作用。绿篱生长会成各种各样的形状，因此对绿篱的修剪工作非常重要。本文设计一种车载式园林修剪机，其包括两个部分组成，分别为：机械手臂结构和修剪工作机构。其中本次设计的园林修剪机的机械手臂拥有 4 个自由度，采用液压形式驱动，执行机构由液压马达提供动力。本文重点完成机械手臂和执行机构的设计，包括机械手臂结构形式的确认，液压缸的设计计算，刀片的设计，主轴的强度校核等。关键词：车载园林修剪机，机械手臂，工作机构，液压缸 iAbstractGardening machinery as a branch of forestry machinery, its development is only about 50 years of history, it is with the urban landscape, especially the development of turf industry, and gradually grow up. Good ecological environment, reasonable system is indispensable, the cradle of human survival and development. With the improvement of living standards, peoples demand on living environment is more and more high. The hedge also occupies an important position in the city roads and landscaping. Because it can be cut into various shapes, and can be combined with each other, thereby improving the ornamental effect and the beautification of the city. In addition, hedges can also play a bad cover view, isolation protection and dustproof anti noise effect. Hedgerow growth into a variety of shapes, so the hedgerow pruning is very important.In this paper, the design of a vehicular garden trimming machine, which comprises two parts, respectively: mechanical arm structure and the pruning mechanism. In the design of garden pruning machine mechanical arm with four degrees of freedom, and uses the form of hydraulic drive, actuator, powered by hydraulic motors.This paper focus on the completion of the mechanical arm and actuator design, including recognition of the mechanical arm structure form, design and calculation of hydraulic cylinder, design of the blade, the spindle strength check.Keywords: Vehicle garden pruning machine, mechanical arm, working mechanism, hydraulic cylinder ii目录摘要 .iAbstract.ii第一章 引言 .11.1 课题研究的目的及意义 .11.2 机械手的研究现状及发展趋势 .11.2.1 国内的研究现状 .11.2.2 国外研究现状 .21.2.3 发展趋势 .31.3 园林修剪机的发展 .31.4 绿篱修剪机械的研究应用现状 .41.4.1 国内研究现状分析 .41.4.2 国外研究现状分析 .41.5 课题设计思路 .41.6 课题设计结构 .4第二章 车载园林修剪机的总体设计方案 .62.1 车载园林修剪机的组成及各部分关系概述 .62.2 车载园林修剪机驱动方案的确认 .62.3 机械手基本形式的选择 .62.3.1 直角坐标型机械手 .62.3.2 圆柱坐标型机械手 .72.3.3 极坐标型机械手 .72.3.4 多关节机械手 .72.4 工作装置方案拟定 .9第三章 车载园林修剪机机械手臂的设计计算 .113.1 拟定主要技术参数 .113.2 主臂液压缸的设计计算 .113.2.1 负载分析 .113.2.2 油缸效率分析 .123.2.3 系统背压的选择 .123.2.4 液压缸缸径的确认 .133.2.5 导向长度的确认 .143.2.5 活塞宽度 的确定 .14B3.2.6 缸体长度的确定 .143.2.7 缸筒壁厚的计算 .143.2.8 缸体外径尺寸的计算 .153.2.9 活塞杆强度和液压缸稳定性计算 .153.2.10 缸筒壁厚的验算 .173.2.11 活塞设计 .18 iii3.2.12 密封件的选用 .183.2.13 活塞杆的设计 .193.2.14 缓冲装置和排气阀 .213.3 其它液压缸的设计计算 .224.1 刀具的设计 .234.1.1 刀具的材料 .234.1.2 校核修剪刀具的强度 .234.1.3 修剪刀具的外形结构 .264.2 刀片主轴的设计及强度校核计算 .264.2.1 轴的校核 .27第五章 结论 .325.1 本设计所取得的结果 .325.2 技术展望 .32参考文献 .33致谢 .34 0第一章 引言1.1 课题研究的目的及意义园林绿化机械作为林业机械的一个分支，它的发展只有 50 年左右的历史，它是随着城市园林化，特别是草坪业的发展，而逐步发展壮大起来。良好的环境，合理的生态系统，是人类赖以生存和发展的不可缺少的摇篮。随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求也越来越高。绿篱在城市道路和园林绿化中也占有重要地位。因其可修剪成各种造型，并能相互组合，从而提高了观赏效果和城市的美化。此外，绿篱还能起到遮盖不良视点、隔离防护和防尘防噪等作用。绿篱生长会成各种各样的形状，因此对绿篱的修剪工作非常重要。通过本课题，让学生在此次设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。本课题中车载园林修剪机系统主要采用气压驱动。1.2 机械手的研究现状及发展趋势1.2.1 国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机械手的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机械手，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机械手，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手，沈阳工业大学设计制造的装卸载机械手等等。这些机械手的控制器，都是由中国科学院沈阳 1自动化研究所和北京科技大学机械手研究所开发的，同时一系列的机械手关键部件也被开发出来，如机械手专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM 等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。1.2.2 国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran 机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这 2 种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机械手相继在生产中开始应用。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。联邦德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作 2业：联邦德国 Kuka 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机械手发展最快，应用国家最多的国家，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。1.2.3 发展趋势现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3M/S，良新产品可以达到 6 轴，负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。1.3 园林修剪机的发展为了获得造型各异的树木、绿篱及草坪等，都需要按规定进行不同的修剪作业。草坪修剪机分为滚切式、旋刀式、剪切式三大类，按动力则分为手动与机动两类。机动修剪机有乘座式及手推车式。上海园林工具厂生产 JCG25D 型手推草坪修剪机有 6 片滚刀旋转切草坪，幅宽 250mm，地而坡度适应性较好，但效率较低。近年来大部分绿化部门都使用进口澳洲陆宝(RDVER)45. 7cm 草坪机其特点为刀片耐磨、噪声低、震动小、对坡地适应性较好。陆宝 45. 7cm 系列草坪修剪机动力系单缸 4 冲程汽油机，功率 2. 94kw, 4. 41 kw 多种，刀片为剪切式。用于绿篱修剪作业机具的研制我国起步较早，生产的儿种机型，如北京园林机械厂研制的中频电机为动力的双动往复刀片式;上海园林工具厂生产的电动旋刀式，刀片呈辐射状，定刀片对枝条起支承作用，动刀片旋转则进行切割，该机需配-12V 的蓄电池。从使用角度看，配置不大合里。效率不是很高。现在对这类机具一般采用进口的较好的。如日木产 E7B750、HT750 型，此机动力系单缸 4 冲程汽油机、体积小、重举轻、工作效率高。人行道两边树木多为银中杨、白杨、梧桐等乔木。其树形高大，一般高于 5m,每天要进行适当的修剪，以控制树势。一般高枝直径在 20mm 以下的宜用手动向枝剪，台湾和青岛合资 3m 3伸缩 HA200 型，工作向度 4m,适宜修剪行道树和同内绿化树术。日木巴尼高枝剪除剪枝、锯枝外还能摘果。1.4 绿篱修剪机械的研究应用现状绿篱移动修剪作业机械执行机构控制系统的研究，有助于绿篱移动修剪作业机械系统和移动机械手控制的研究和实现，对提升我国环境绿化作业机械装备水平也具有重要的实际意义和科学价值。 1.4.1 国内研究现状分析我国对于绿篱修剪作业机具的研制起步较早，生产了几种机型，如北京园林机械厂研制的以中频电机为动力的双动往复刀片式;上海园林工具厂生产的电动旋刀式，其刀片呈辐射状，定刀片对枝条起支承作用，动刀片旋转则进行切割，该机需配 12V 的蓄电池。从使用角度看其配置不太合理，效率不是很高。目前在我国城市道路以及企事业单位的道路绿篱，普遍采用的是手持式油锯或手动修枝剪国内目前只生产 LT 系列等便携式绿篱修剪机。高枝修剪机有锯式和剪切式两类，传动方式以液压、气动为多，比较有名的有小松、SOLO、 STIHL 等。1.4.2 国外研究现状分析修剪机有汽油机作动力的，也有电动的，切割机械以往复式为多，日木的小松、德国的STIHL、瑞典的 HUSQVARAN 等均生产有各种不同规格的便携式绿篱修剪机。欧洲还生产一种车载臂架悬挂式绿篱修剪机，它可以修剪高度或宽度比较大的绿篱。1.5 课题设计思路1）参考所有与车载园林修建机产品相关数据，了解整个车载园林修剪机的整机系统的组成。2）车载园林修剪机整机方案的确认。3）车载园林修剪机机械臂的设计计算，并对主要零部件进行设计校核。4）车载园林修剪机整机工作装置的设计计算。1.6 课题设计结构本文以车载园林修剪机项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章前言部分，主要介绍车载园林修剪机的研究现状和课题研究的目的及意义； 4第二章对整个车载园林修剪机的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。第三章完成整个车载园林修剪机机械手臂的设计计算；第四章对车载园林修剪机进行工作装置的设计计算；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 5第二章 车载园林修剪机的总体设计方案2.1 车载园林修剪机的组成及各部分关系概述车载园林修剪机主要由机械系统(机械臂系统、工作机构系统)、驱动系统和控制系统组成。执行系统：执行系统是车载园林修剪机完成工作的部件。驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。2.2 车载园林修剪机驱动方案的确认目前机械设备的主要驱动形式有三大类：液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动具有输出功率大、控制精度高、可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制等优点。但是液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、压力损失等)，传动效率相对低。液压传动需要配套设备如：液压站、各种液压控制阀等，它适用于重载、低速驱动，成本高，体积大。适合本车载园林修剪机。气动驱动功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小，成本低。不符合本文需求。电机驱动与气动驱动和液压驱动相比，具有能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服性好等优点；单对于本机械手来说，结构相对复杂，要求精度较高，不符合本文要求。2.3 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下 4 种，如图 2-1所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.3.1 直角坐标型机械手 直角坐标型机械手，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的，3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： 6(1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。(2)计算比较方便。(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。(4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。(5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.3.2 圆柱坐标型机械手圆柱坐标型机械手，R、 和 x 为坐标系的三个坐标，其中 R 是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.3.3 极坐标型机械手 极坐标型机械手又称为球坐标机械手，R， 和 为坐标系的坐标。其中 是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角， 是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机械手运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：(1)在中心支架附近的工作范围较大。(2)两个转动驱动装置容易密封。(3)覆盖工作空间较大。(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。(5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。2.3.4 多关节机械手 多关节机械手，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、 和 为坐标系的坐标，其中 是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。这种机械手手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是： 7(1)动作较灵活，工作空间大。(2 关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型图 2-1 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为多关节结构形式，其方案图如图 2-2 所示： 8图 2-2 机械手臂结构图如图 2-2 所示因为本机械手工作范围大，位置精度要求不高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用四自由度的机械手：自由度具体分配如下：1）主臂俯仰自由度。拟采用液压缸达来实现，液压缸带动主臂完成俯仰运动。其俯仰角度靠液压缸行程来控制。2）中间臂俯仰自由度。拟采用液压缸达来实现，液压缸带动中间臂完成俯仰运动。其俯仰角度靠液压缸行程来控制。3）工作臂俯仰自由度。拟采用液压缸达来实现，液压缸带动工作臂完成俯仰运动。其俯仰角度靠液压缸行程来控制。4）工作装置回转自由度。拟采用液压马达来实现，液压马达带动工作装置回转机构完成回转运动。其回转角度靠液压马达来控制。2.4 工作装置方案拟定本次工作装置要求有效修建宽度为 1250mm，因此本次设计采用两把刀的结构形式，其结构简图如下图 2-3 所示： 9图 2-3 工作装置结构图如图所示，本次工作装置的动力单元由液压马达驱动，液压马达通过同步带轮传递动力，带动两把到同时旋转，达到修剪的效果。 10第三章 车载园林修剪机机械手臂的设计计算3.1 拟定主要技术参数已知系统总的压力为 10Mpa, 主臂液压缸推力为 60KN，速度为 10mm/s，行程为400mm。3.2 主臂液压缸的设计计算3.2.1 负载分析图 3-1 液压缸工作原理简图油缸实际推力公式：F= Fw + +Fa (3-1)fF式中 Fw-工作负载，对于机械手臂来说，即为推力；Fa-运动部件速度变化时的惯性负载;-导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力。启动后为动摩擦fF阻力摩擦负载计算公式：= f( G + FRn ) (3-2)fF 11式中G-重力，工作台和弯曲的总量假定为900KG-垂直于导轨的工作负载，本系统中为零;RnFf-摩擦系数，静摩擦系数取 0.02,动摩擦系数为 0.01。得出摩擦负载几乎忽略不计惯性负载计算公式：(3-3) aGF=gt式中 重力加速度加速或减速时间，一般t 取 0.1s0.5s 时间内的速度变化量。求的： = = =16.33N惯FtgxvGX 5.0x8924根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载求的F= Fw + +Fa6000NfF3.2.2 油缸效率分析油缸的效率 由以下三种效率组成：A.机械效率 ，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取 =0.9m mB.容器效率 ，由各密封件泄露所造成，通常容积效率 为：v v装弹性体密封圈时 1v装活塞环时 0.98C.作用力效率 ，由出油口背压所产生的反作用力而造成。d一般取 =0.9所以 =0.9 =1 =0.9mvd总效率为 。0.8d 123.2.3 系统背压的选择系统被压如表 3-1 所示表 3-1 执行元件背压力系统类型 背压力 P/MPa简单系统或轻载节流调速系统 0.20.5回油路带调速阀的系统 0.40.6回油路设置有背压阀的系统 0.51.5用补油泵的闭式回路 0.81.5回油路较复杂的工程机械 1.23回油路较短，且直接回油箱 可忽略不计按表 3-1 可取 p2 为 0.5MPa3.2.4 液压缸缸径的确认(3-4)221cm14FDpdD=93.3m 按设计手册取 d/D 为 0.7 ， 故 得 d65mm 表 3-2 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80） 8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 (90) 100 (110)125 (140) 160 (180) 200 (220) 250表 3-3 活塞杆直径系列（GB2348-80）4 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140根据表 3-2 和表 3-3 将这些直径圆整成进标准值时得：油缸有：D=100mm 和活塞 d=70mm 13由此求得液压缸面积的实际有效面积为：A1= =0.00785m A2= =0.0040m42D24）d（x 2D23.2.5 导向长度的确认当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为 H，称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。图 3-2 液压缸最小导向长度对一般的液压缸，最小导向长度 应满足： H250162.5lDm式中： 液压缸的最大行程 (mm) 设计要求 =200mml l液压缸内径 (mm)D取 H=70mm3.2.5 活塞宽度 的确定B活塞的宽度 一般取 =（ 0.6-1.0） D即 =（0.6-1.0 ）100=（60-100）mm取 =35mm3.2.6 缸体长度的确定液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程 L 与活塞宽度 B 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 的 20-30 倍。D即：缸体内部长度 250+35=285mm 143.2.7 缸筒壁厚的计算在中、低压系统中，液压缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚通常都能满足强度要求，一般不需要计算。但是，当液压缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必须进行强度校核。当 时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为0.8D（3-5） max2pD式中， 缸筒内最高压力；maxp缸筒材料的许用压力。 = , 为材料的抗拉强度，n 为安全系数，/b当 时，一般取 。0.8D5n当 时,按式（3-6）计算.3(该设计采用无缝钢管 ) （3-6）maxa2.3pD根据缸径查手册预取 =30此时 300.8.1D最高允许压力一般是额定压力的 1.5 倍，根据给定参数 ，所以：10PMa=10 1.5=15MPmaxP=100110 M（无缝钢管） ，取 =100 a，其壁厚按公式（3-6）计算为axma1508.12.32.3-pDm满足要求，就取壁厚为 10mm。3.2.8 缸体外径尺寸的计算缸体外径 120120D查机械手册表：外径 取 340mm1 153.2.9 活塞杆强度和液压缸稳定性计算1、活塞杆强度计算活塞杆的直径 按下式进行校核d4Fd(3-7) 式中， 为活塞杆上的作用力；F为活塞杆材料的许用应力， = ,n 一般取 1.40。/bn3640170523.598/.4dmm满足要求2、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 F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载 kF，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。 k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。若活塞杆的长径比 且杆件承受压负/10ld载时，则必须进行液压缸稳定性校核。活塞杆稳定性的校核依下式进行 knF(3-8)式中， kn为安全系数，一般取 k=24。a.当活塞杆的细长比 时/lrmi(3-9) 2kiEJFlb.当活塞杆的细长比 时/klri(3-10)21()kkfAalir式中， l为安装长度，其值与安装方式有关； k为活塞杆横截面最小回转半径，AJrk/； 为柔性系数，其值见表 3-4； 为由液压缸支撑方式决定的末端系数； E为mi 16活塞杆材料的弹性模量，对钢取 21/06.2mNE；为活塞杆横截面惯性矩； A为活塞杆横截面积； f为由材料强度决定的实验值， 为系数，具体数值见表 3-5。表 3-4 液压缸支承方式和末端系数 的值i支承方式 支承说明末端系数i一端自由一端固定 1/4两端铰接 1一端铰接一端固定 2两端固定 4表 3-5 f、 、 的值m材料 28/10Nf铸铁 5.6 1/1600 80锻铁 2.5 1/9000 110钢 4.9 1/5000 85c.当 时,缸已经足够稳定，不需要进行校核。20lk此设计安装方式两端固定的方式，此缸已经足够稳定，不需要进行稳定性校核。3.2.10 缸筒壁厚的验算液压缸的额定压力 值应低于一定的极限值，保证工作安全：np（3-10）21()0.35snD(MPa 17根据式（3-10）得到： 235(0.17). 63()npMpa显然，额定油压 = =10MP，满足条件；n3.2.11 活塞设计1、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，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：图 3-2 整体式活塞此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。2、活塞的材料选用高强度球墨铸铁 QT600-33、加工公差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。3.2.12 密封件的选用1、对密封件的要求在液压元件中，液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊液压缸，如摆动液压缸等。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类，有 O 形、Y 形、U 形、V 形和 Yx 形等。除 O 形外，其他都属于唇形密封件。 182、O 形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是 O 形密封圈。3、动密封部位密封圈的选用由于 O 型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件一般不用 O 形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。V 形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。U 形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于 10MPa 时使用，对压力高的液压缸不适用。比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属 Yx型密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈 ，分轴用和孔用两种。综上，所以本设计选用 Yx 型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，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园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，密封方式图如下： 19图 3-3 密封方式图3.2.13 活塞杆的设计1、活塞杆杆体的选择此次设计选用的是实心杆件，形式如下图：图 3-4 活塞杆2、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，如下图：图 3-5 锁紧螺母型3、.活塞杆材料和技术要求a.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 0.51mm 左右。b.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