液壓缸設計說明書02794

1、目錄一、設計要求-11、目的12、題目1二、總述-21、作者的話-22、設計提要3三、各零部件的設計及驗算-51、缸筒設計52、法蘭設計143、活塞設計194、活塞桿設計215、緩沖裝置和排氣閥設計26四、外接線路和程序-271、液壓設配外接線路272、操作板283、程序地址分配294、芯片接線圖315、PLC程序指令-33五、參考文獻38一、設計要求1、目的、培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)的初步設計工作，并結合設計或實驗研究課題進一步鞏固和擴大知識領域。、培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技

2、能。、培養(yǎng)學生掌握機電產(chǎn)品的一般程序和方法，進行工程師基本素質的訓練。、樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。2、題目液壓油缸的壓力和速度控制、執(zhí)行元件：液壓油缸；、傳動方式：電液比例控制；、控制方式：單片微機控制、PLC控制；、控制要求：速度控制、推力控制；、主要設計參數(shù)：油缸工作行程600、400mm；額定工作油壓4MP；移動負載質量1000、2000kg；負載移動阻力5000、10000N；移動速度控制3、6m/min。二、總述1、作者的話液壓油缸在現(xiàn)代工程中的使用十分頻繁，其工作性能和可靠性直接影響工程的質量和進度；利用數(shù)控電液伺服閥來控制液壓油缸，可以實現(xiàn)輸出的線性和實時控制，在很

3、大程度上改善工程油缸的使用性能；本次設計中使用的電液比例換向閥可以實現(xiàn)電機械轉換，配合放大器件同時使用，能夠對油缸進行良好的控制；實施控制的器件為可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller），選用德國西門子STEP7-200進行編程，接口簡單易懂。因為說明書比較長，為了方便閱讀，在下面的“設計提要”中會先給出液壓油缸設計的主要參數(shù)和一些部件的選用，在后續(xù)的“各零部件設計及驗算”中再加以具體的說明和驗證。2、設計提要、液壓油缸主要參數(shù)給定在設計要求中已經(jīng)提到的參數(shù)這里就不再贅述，下面只給出此次設計中液壓油缸主要部件的其他參數(shù)：缸內徑：D=80mm；缸外徑：=

4、90mm；壁厚：=5mm；極限推力：=30162N；速比：=2；活塞桿直徑：=56mm；活塞外推流量：=0.5L/s法蘭厚：h=8mm；、法蘭安裝方式選擇后端法蘭安裝方式，因為是推力，所以選用如下方式：、緩沖機構的選用一般承壓在10MP以上應當選用緩沖機構，本次設計中，工作壓力為4MP，因此緩沖機構從略。、密封裝置選用選用Yx型密封圈，聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）材料聯(lián)合使用，達到良好的密封效果。、工作介質的選用因為工作在常溫下，所以選用普通的是油型液壓油即可。、液壓缸的裝配裝配前必須對各零件仔細清洗；要正確安裝各處的密封裝置：安裝形密封圈時，要注意其安裝方向，避免因裝反而漏油，其唇

5、邊應對著有壓力的油腔。此外，因為是Yx形密封圈，所以還要注意區(qū)分是軸用還是孔用，不要裝錯；由于密封裝置與滑動表面配合，裝配時應涂以適量的液壓油； 螺紋聯(lián)接件擰緊時應使用專用扳手，扭力矩應符合標準要求；活塞與活塞桿裝配后，須設法測量其同軸度和在全長上的直線度是否超差；裝配完畢后活塞組件移動時應無阻滯感和阻力大小不勻等現(xiàn)象。三、各零部件的設計及驗算1、缸筒設計、缸筒結構的選擇連接方式如下圖：選取法蘭式連接，并且法蘭和缸筒用焊接方式連接。其優(yōu)點是結構簡單，易選取、易裝卸；缺點是外徑較大，比螺紋連接的重量大。、缸筒的要求有足夠強度，能夠承受動態(tài)工作壓力，長時間工作不會變形；有足夠剛度，承受活塞側向力和

6、安裝反作用力時不會彎曲；內表面和導向件與密封件之間摩擦少，可以保證長期使用；缸筒和法蘭要良好焊接，不產(chǎn)生裂紋。、缸筒材料的選取及強度給定部分材料的機械性能如下表：本次設計選取45號鋼從表中可以得到：缸筒材料的屈服強度=360MP；缸筒材料的抗拉強度=610MP；現(xiàn)在利用屈服強度來引申出：缸筒材料的許用應力=/n=360/5=72MP。其中n=5是選取的安全系數(shù)，來源于下表：、缸筒的計算、液壓缸的效率油缸的效率由以下三種效率組成：=0.9=1=0.9所以總效率為0.8。、液壓缸缸徑的計算=10000N=0.7=0.8P=4MP本次設計中液壓缸負載為推力，根據(jù)式23.31得到內徑：D=75.393

7、mm缸徑可以取為80mm。、流量的計算液壓缸流量根據(jù)下式計算：設計要求中給定了活塞的平均速度：=6m/min=0.1m/s而活塞的面積：=50.27 （實際上這個值可以從手冊里面查到）容積效率：=1根據(jù)式23.125得到活塞桿外推時的流量：=0.5L/s因為只使用外推方向，所以回程方向的流量從略。、缸筒壁厚的計算缸筒壁厚可以使用下式進行計算：根據(jù)缸徑查手冊預取=3此時/D=3/80=0.03750.08滿足使用薄壁缸筒計算式的要求，下面利用上式來計算：最高允許壓力一般是額定壓力的1.5倍，根據(jù)給定參數(shù)P=4MP，所以：=41.5=6MP許用應力在選取材料的時候給出：=/n=360/5=72MP

8、根據(jù)式23.33得到壁厚：=3.33mm為保證安全，取壁厚為5mm。、缸筒壁厚的驗算下面從以下三個方面進行缸筒壁厚的驗算：根據(jù)式23.37得到：26.44MP顯然，額定油壓P=4MP，滿足條件；先根據(jù)式23.310得到：=42.35MP再將得到結果帶入23.39得到：16.94MP顯然，額定油壓P=4MP，滿足條件；因為=610MP已經(jīng)在選擇缸筒材料的時候給出，根據(jù)式23.312得到：=71.77MP至于耐壓試驗壓力應為：=1.5P=6MP依據(jù)為：因為爆裂壓力遠大于耐壓試驗壓力，所以完全滿足條件。以上所用公式中各量的意義解釋如下：、缸筒的加工要求缸筒內徑D采用H7級配合，表面粗糙度為0.16，

9、需要進行研磨；熱處理：調制，HB240；缸筒內徑D的圓度、錐度、圓柱度不大于內徑公差之半；剛通直線度不大于0.03mm；油口的孔口及排氣口必須有倒角，不能有飛邊、毛刺；在缸內表面鍍鉻，外表面刷防腐油漆。2、法蘭設計、（缸筒端部）法蘭厚度計算法蘭厚度根據(jù)下式進行計算：首先來計算法蘭在最大內壓的情況下受到的壓力F：在流量的計算中已經(jīng)得出活塞的面積是：=50.27缸壁厚度計算中得出最大壓強：=41.5=6MP所以法蘭承受的最大壓力為：F=30162N接下來選取其它參數(shù)：=52mm=6mmb=5mm許用應力在選取材料的時候給出：=/n=360/5=72MP將以上各量帶入式23.316得到：h=7.6m

10、m為保證安全，取法蘭厚度為8mm。、（缸筒端部）法蘭連接螺栓的強度計算連接圖如下：螺栓強度根據(jù)下式計算：最大推力為：F=30162N使用15個螺栓緊固缸蓋，即：Z=15螺紋外徑和底徑的選擇：=6mm =4.8mm系數(shù)選擇：考慮到載荷可能有變化，為了安全，選?。篕=3=0.12根據(jù)式23.320得到螺紋處的拉應力為：=333.32MP根據(jù)式23.321得到螺紋處的剪應力為：=196.37MP根據(jù)式23.322得到合成應力為：=476.25MP由以上運算結果知，應選擇螺栓等級為12.9級：查表的得：抗拉強度極限=1220MP 屈服極限強度=1100MP不妨取安全系數(shù)n=2可以得到許用應力值：=/n

11、=1100/2=550MP再次使用式23.322得到： 成立證明選用螺栓等級合適。3、活塞設計、活塞結構的設計活塞分為整體式和組合式，組合式制作和使用比較復雜，所以在此選用整體式活塞，形式如下圖：此整體式活塞中，密封環(huán)和導向套是分槽安裝的。、活塞的密封選用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料組合使用，可以顯著提高密封性能：、降低摩擦阻力，無爬行現(xiàn)象；、具有良好的動態(tài)和靜態(tài)密封性，耐磨損，使用壽命長；、安裝溝槽簡單，拆裝簡便。這種組合的特別之處就是允許活塞外園和缸筒內壁有較大間隙，因為組合式密封的密封圈能防止擠入間隙內，降低了活塞與缸筒的加工要求，密封方式圖如下：、活塞的材料選用高強度球墨鑄鐵Q

12、T600-3、活塞的尺寸及加工公差選擇活塞厚度為活塞桿直徑的1倍，因為活塞桿直徑是56mm（這個在后面的活塞桿設計中會給出解釋），所以活塞的厚度為56mm?；钊呐浜弦驗槭褂昧私M合形式的密封器件，所以要求不高，這里不加敘述?；钊鈴綄瓤椎耐S度公差不大于0.02mm，斷面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度不大于外徑公差之半。4、活塞桿的設計、活塞桿桿體的選擇此次設計選用的是實心桿件，形式如下圖：、活塞桿與活塞的連接形式此次設計采用的是鎖緊螺母型連接，如下圖：、活塞桿材料和技術要求、因為沒有特殊要求，所以選用45號鋼作為活塞桿的材料，本次設計中活塞桿只承受壓

13、應力，所以不用調制處理，但進行淬火處理是必要的，淬火深度可以在0.51mm左右。、安裝活塞的軸頸和外圓的同軸度公差不大于0.01mm，保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒、活塞桿和導向的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸間端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜。、活塞桿外圓粗糙度選擇為0.3、因為是運行在低載荷情況下，所以省去了表面處理。、活塞桿的計算、活塞桿直徑的計算活塞桿的直徑可以根據(jù)速比來確定，公式如下：速比=2由公式23.327計算得d=56mm事實上也可以從下面的表格中直接查取：因為缸筒內徑為80mm，從上表中選取速比為2的活塞桿直徑是56

14、mm，這也正是之前在確定活塞厚度的時候所用到的數(shù)據(jù)。、活塞桿強度的計算活塞桿端部的負載連接點與與液壓缸支撐之間的距離為，如果：10d（顯然這個是成立的）就用下式計算活塞桿強度：實際上式中的/n 就是材料的許用應力，之前已經(jīng)給出了45號鋼的許用應力為：=/n=360/5=72MP最大推力F=30162N于是根據(jù)式23.328得到活塞桿的直徑：d23mm可知強度符合要求。、活塞桿彎矩穩(wěn)定性驗算先計算活塞桿截面的慣性矩I=481890.304油缸支撐長度=1121mm（見CAD油缸裝配圖）導向系數(shù)根據(jù)安裝方式選擇，如下圖第二格所示：因此安裝導向系數(shù)K=1.5將以上各量帶入公式中得到活塞桿失穩(wěn)力：=3

15、.028N選取安全系數(shù)=5得到最大承載力的判別式F/=6N顯然這是符合要求的，因為最大工作壓力是3N，而額定工作壓力只有1N。、活塞桿的導向、密封和防塵、導向環(huán)選擇非金屬導向環(huán)，用高強度塑料制成，這種導向環(huán)的優(yōu)點是摩擦阻力小、耐磨、使用壽命長、裝導向環(huán)的溝槽加工簡單，并且磨損后導向環(huán)易于更換。、密封Yx型軸用密封圈加軸用階梯圈組合使用，這樣比起單獨密封，可以減小摩擦，減少泄漏量，增加壽命。、防塵使用DH防塵圈，材料是聚氨酯，既有防塵作用，又有潤滑作用。5、緩沖裝置和排氣閥由于時間原因和課程設計的要求，這兩項酌情省略。四、外接線路和程序1、液壓設備外接線路設計原理如下圖：原理說明：、利用液壓油泵

16、供油，出油泵以后首先接入“電磁溢流閥（YB1、YB2）”，由“電磁溢流閥”決定下一步的油壓。（這一項通過PLC控制）、“電磁換向閥（YA1、YA2、YA3）”在中間位置（YA3）時，泵輸送的油完全泄入油缸，油缸不工作；在左邊位置（YA1）時，活塞正向運動；在右邊位置（YA2）時，活塞負向運動。（這一項通過PLC控制）、“調速閥（YC1、YC2）”對輸入油缸正向的油壓大小進行控制，可以調節(jié)到需要的尺度。（這一項通過PLC控制）、油缸處于正向工作狀態(tài)的時候，濾油器可以對液壓油進行過濾。、油缸行程的始端和末端有行程開關，控制活塞停止和運動。（這一項通過PLC控制）2、操作板PLC控制面板如下圖：控制

17、步驟及解釋：、泵開啟按鈕選擇是否開啟額定壓力（通過“電磁溢流閥”控制泵輸出壓力）；、速度按鈕選擇活塞運行速度（通過“調速閥”控制）；、自動回程按鈕選擇是否自動回程（默認不自動回程）；、正向按鈕活塞正向運動；、負向按鈕活塞負向運動；、急停按鈕在任何情況下停止活塞運動；、復位按鈕在任何情況下停止活塞運動并等待一秒鐘時間后返回初始位置；（注：如果泵壓力按鈕選擇關閉，則其他部件全部失效，用于完全停止液壓缸的運行）3、程序地址分配利用德國西門子STEP7-200編程，共使用三個芯片板，下表中已標明各地址分配值的具體作用，沒有標出符號的地址只用于程序內部，不用做外部直接輸出。地址分配表格如下：序號地址符號

18、備注1I0.1SB1活塞正向運行2I0.2SB2活塞負向運行3I0.3SB3活塞急停4I0.4SQ1行程末端開關觸發(fā)5I0.5SQ2行程始端開關觸發(fā)6I1.1SS1泵供油開通7I1.2SS2泵供油關閉8I1.3SF全部復位9I2.1SG1選擇3m/s行進速度10I2.2SG2選擇6m/s行進速度11I2.3SZ1活塞自動回程開啟12I2.4SZ2活塞伸出到位停止13Q0.1YA1電磁換向閥正向位14Q0.2YA2電磁換向閥負向位15Q0.3YA3電磁換向閥中間位16Q1.1YB1溢流閥值4MP17Q1.2YB2溢流閥值0MP18Q1.3鎖時（程序內部使用）19Q2.1YC1調速閥3m/s位20Q2.2YC2調速閥6m/s位21Q2.3自動回程（內部使用）4、芯片接線圖接線圖1：注釋：SQ1、SQ2是行程開關的動合觸點，活塞到達行程的始端和末端