起升油缸設(shè)計(jì)(3級(jí))

1、引言起升油缸設(shè)計(jì)（3級(jí)）引 言液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行元件。它的結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可免去減速裝置，并且沒有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊壓差成正比；液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。緩沖裝置與排氣裝置視具體應(yīng)用場合而定，其他裝置則必不可少。液壓傳動(dòng)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)來說，它是一門新學(xué)科，17世紀(jì)中葉帕斯卡提出靜壓傳動(dòng)原理，只是由于早期技術(shù)水平和生產(chǎn)需求的不足，液壓傳動(dòng)技術(shù)沒有得到普遍地應(yīng)用。1795年英國約瑟夫·布拉曼

2、在倫敦用水作為工作介質(zhì)，以水壓機(jī)的形式將其應(yīng)用于工業(yè)上，誕生了世界上第一臺(tái)水壓機(jī)。第二次世界大戰(zhàn)期間，在兵器上采用了功率大、反應(yīng)快、動(dòng)作準(zhǔn)的液壓傳動(dòng)和控制裝置，它大大提高了兵器的性能，也大大促進(jìn)了液壓技術(shù)的發(fā)展。戰(zhàn)后，液壓技術(shù)迅速轉(zhuǎn)向民用，并隨著各種標(biāo)準(zhǔn)的不斷制訂和完善及各類元件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、系列化而在工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車制造等行業(yè)中推廣開來。本設(shè)計(jì)中首先對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行工況分析，進(jìn)而對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并校核，再利用CAD軟件繪出產(chǎn)品零件圖和總裝圖，以及solidworks進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真。solidworks軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模

3、型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。solidworks軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。1 緒論1.1 液壓缸的發(fā)展在發(fā)展過程中存在以下問題：液壓缸結(jié)構(gòu)傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比；工作過程中常用較多能量損失（摩擦損失、泄露損失等）；對(duì)油溫的變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性容易受到溫度變化的影響；為了減少泄露，液壓元件在制造精度上的要求比較高，因此造價(jià)高; 液壓傳動(dòng)出故障時(shí)不易找出原因，使用和維修要求有較高的技術(shù)水平；

4、液壓缸的活塞桿在油壓的作用下伸出或縮回時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象，并有時(shí)伴有振動(dòng)和異響，從而引起整個(gè)液壓系統(tǒng)的振動(dòng)，并帶動(dòng)主機(jī)其它部件振動(dòng)等缺點(diǎn)，所以液壓缸結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步發(fā)展改良，以便適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。隨著社會(huì)進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓缸的發(fā)展也不斷進(jìn)步，液壓缸呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)： 1.高壓化、小型化。高壓化是減少液壓缸徑向尺寸和減輕重量，并縮小整套液壓裝置體積的有效途徑。 2.新材質(zhì)、輕量化。隨著高壓化、小型化，液壓缸的使用環(huán)境的考驗(yàn)等，新材質(zhì)、輕量化也成了解決辦法之一。 3.新穎機(jī)構(gòu)復(fù)合化。為了適應(yīng)液壓缸應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，各種新穎結(jié)構(gòu)的液壓缸不斷出現(xiàn)，如自控液壓缸、自鎖液壓缸、鋼纜式

5、液壓缸、蠕動(dòng)式液壓缸和復(fù)合化液壓缸等。 4.高性能、多品種。 5.節(jié)能化與耐腐蝕。1.2 液壓缸的類型根據(jù)常用液壓缸的結(jié)構(gòu)類型，可將其分為四種類型：活塞式、柱塞式、伸縮式、擺動(dòng)式。按活塞桿的形式，液壓缸又可分為單活塞缸和雙活塞缸。按缸的用途，液壓缸可分為串聯(lián)缸，增壓缸，增速缸，步進(jìn)缸。按供油方向：液壓缸可分為單作用缸和雙作用缸?；钊膹?fù)位只能借助彈簧, 或靠活塞自重, 或靠外力作用。 單作用液壓缸基本上只有一個(gè)有效作用面積。根據(jù)技第 33 頁 (共 33 頁)緒論術(shù)構(gòu)造, 這一類的油缸只能產(chǎn)生推力。雙作用液壓缸是能由活塞的兩側(cè)輸入壓力油的液壓缸。1.3 伸縮式液壓缸簡介伸縮式液壓缸是可以得到較

6、長工作行程的具有多級(jí)套筒形活塞桿的液壓缸，伸縮式液壓缸又稱多級(jí)液壓缸。伸縮式液壓缸是由兩個(gè)或多個(gè)活塞式液壓缸套裝而成的，前一級(jí)活塞缸的活塞桿是后一級(jí)活塞缸的缸筒。伸縮式液壓缸中活塞伸出的順序式從大到小，而空載縮回的順序則一般是從小到大。伸縮缸可實(shí)現(xiàn)較長的行程，而縮回時(shí)長度較短，結(jié)構(gòu)較為緊湊。此種液壓缸常用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械上。工作過程：當(dāng)壓力油從無桿腔進(jìn)入時(shí)，活塞有效面積最大的缸筒開始伸出，當(dāng)行至終點(diǎn)時(shí)，活塞有效面積次之的缸筒開始伸出。伸縮式液壓伸出的順序是由大到小依次伸出，可獲得很長的工作行程，外伸缸筒有效面積越小，伸出速度越快。因此，伸出速度有慢變快，相應(yīng)的液壓推力由大變??；這種推力、速

7、度的變化規(guī)律，正適合各種自動(dòng)裝卸機(jī)械對(duì)推力和速度的要求。而縮回的順序一般是由小到大依次縮回，縮回時(shí)的軸向長度較短，占用空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊。常用于工程機(jī)械和其他行走機(jī)械，如起重機(jī)、翻斗汽車等的液壓系統(tǒng)中。圖1-1 伸縮式液壓缸實(shí)圖多級(jí)液壓缸由兩個(gè)或多個(gè)活塞缸或柱塞缸套裝而成的。工作原理：活塞或柱塞伸出時(shí)，從大到小，速度逐漸增大，推力逐漸減小，活塞或柱塞縮回時(shí)，從小到大. 圖1-2 多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)圖通過本次課題設(shè)計(jì)達(dá)到對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)及工作原理更好認(rèn)識(shí)，對(duì)繪圖軟件的使用更加熟練，掌握液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的一些細(xì)節(jié)問題。爭取通過本次課程設(shè)計(jì)對(duì)液壓傳動(dòng)知識(shí)掌握程度進(jìn)一步完善，提高理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題和解

8、決問題的能力，使自己學(xué)到的理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行一次結(jié)合。1.4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容液壓缸的設(shè)計(jì)包括液壓缸活塞缸直徑及外徑、液壓缸活塞直徑的確定和活塞桿直徑的確定、液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算、缸蓋厚度的確定、缸體長度的確定、緩沖裝置的計(jì)算以及活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算,零件的功能工藝規(guī)程的制定等。1.5 應(yīng)用場合 本三級(jí)液壓缸主要用于ZJ20鉆機(jī)ZJ30鉆機(jī)和SXJ750-4修井機(jī)等。在實(shí)際工作中此起升油缸是用來將承載式井架豎立起來，工作載荷大，移動(dòng)速度慢，安全性能要求高。如圖（1-3、1-4、1-5）所示為四機(jī)廠產(chǎn)品實(shí)物圖。第三章 液壓缸主要尺寸的確定緒論圖1-3 液壓缸實(shí)物圖 圖1-4液壓缸實(shí)物圖 圖1

9、-5液壓缸實(shí)物圖 液壓缸結(jié)構(gòu)分析2 液壓缸結(jié)構(gòu)分析工況分析是擬定液壓缸設(shè)計(jì)方案，計(jì)算并選擇液壓元件的重要依據(jù)，通過工況分析選擇液壓缸類型及其安裝方式，列出初始參數(shù)，明確設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)工作提供重要依據(jù)。2.1 液壓缸的類型及安裝方式本設(shè)計(jì)液壓缸用于工程機(jī)械，且為多級(jí)液壓缸。此缸用于車用修井機(jī)井架的起落，屬于高壓低低速缸。起升時(shí)通過高壓油推起，下落時(shí)依靠自重回落。由于井架豎起時(shí)沒有傾倒力，需要靠液壓缸將井架傾斜，再依靠自重回落。因此該液壓缸一二級(jí)采用單作用的柱塞結(jié)構(gòu)，三級(jí)采用雙作用的活塞結(jié)構(gòu)。安裝方式選擇耳環(huán)型，可在垂直面內(nèi)擺動(dòng)，但銷軸受力較大。2.2 液壓缸的選材缸體：35號(hào)鋼。35鋼無焊接件

10、，可用調(diào)質(zhì)處理提高強(qiáng)度表面粗糙度，工藝要求內(nèi)孔一般用珩磨。 柱塞：35號(hào)鋼?；钊?5號(hào)鋼?；钊麠U：35號(hào)鋼，一般表面要鍍硬鉻，表面粗糙度要Ra=0.20.4m缸底：焊接，35號(hào)鋼鍛件。2.3 液壓缸的工作分析伸出時(shí)，零級(jí)缸套處高壓泵供油，一二三級(jí)缸體同時(shí)伸出。當(dāng)一級(jí)缸體到達(dá)限位處，二三級(jí)缸繼續(xù)同時(shí)伸出。二級(jí)缸到達(dá)限位處時(shí)，三級(jí)缸最后伸出，使井架豎立。最后調(diào)節(jié)三級(jí)活塞，使井架保持垂直。收回時(shí)，三級(jí)活塞處高壓泵供油，活塞收回，井架傾斜一定角度。二級(jí)缸靠自重收回，最后一級(jí)缸靠自重收回。2.4方案確定方案1:圖2-1 方案一結(jié)構(gòu)圖該圖是柱塞結(jié)構(gòu)簡圖，該方案是在柱塞外圓上安裝一組導(dǎo)向裝置，但不裝密封圈

11、。在柱塞伸出時(shí)，對(duì)液壓缸打油，當(dāng)液壓缸內(nèi)充滿液壓油時(shí)，根據(jù)各級(jí)液壓缸的截面面積的大小依次伸出，在縮回時(shí)，初定方案是打油，利用油壓使液壓缸各級(jí)依次縮回。但是由于該方案中并沒有安裝密封裝置，如果采用回油的方式，則會(huì)在液壓缸的一級(jí)柱塞和二級(jí)柱塞這兩級(jí)液壓缸中產(chǎn)生卸油的現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力不足，液壓缸無法縮回，影響工作效率。由于該三級(jí)油缸屬于輕型油缸，活塞的截面尺寸不大，可以先用回油的方式，利用較小的油壓將活塞先縮回，然后再利用井架下降時(shí)的自重，將一級(jí)和二級(jí)柱塞壓回。由于井架的質(zhì)量大，所以壓力足以將液壓缸全部縮回，這樣既可以保證液壓缸正常的工作狀態(tài)，也可以避免回油時(shí)壓力不足導(dǎo)致液壓缸無法縮回的問題。同時(shí)，由

12、于該方案在柱塞的外圓上安裝有導(dǎo)向裝置，所以在柱塞伸出和縮回時(shí)能夠保證一級(jí)柱塞與缸套，二級(jí)柱塞和一級(jí)柱塞之間較好的同軸度，可以盡量避免液壓缸在移動(dòng)過程中出現(xiàn)卡死的情況。方案2:圖2-2 方案二結(jié)構(gòu)圖 該方案是在兩級(jí)柱塞上開一個(gè)密封溝槽，安裝密封裝置，但不開導(dǎo)向溝槽，不安裝導(dǎo)向環(huán)。這種方式在液壓缸伸出時(shí)，根據(jù)油壓作用面積的大小依次伸出，在液壓缸縮回時(shí)，由于使用了密封裝置，故在液壓缸中能夠保證一定的油壓使液壓缸縮回，但是該方案中沒有使用導(dǎo)向裝置，在縮回時(shí)，液壓缸并不一定能夠保證良好的同軸度，所以會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，但是在實(shí)際工作中，如果不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)該原因，而認(rèn)為是油壓不足而導(dǎo)致的液壓缸停止，所以一般

13、都用繼續(xù)增加油壓的方式，油壓柱塞都是薄壁缸體，在壓力過大或者過于集中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“脹肚”的現(xiàn)象-也就是柱塞徑向尺寸擴(kuò)大。方案3：圖2-3 方案三結(jié)構(gòu)圖 該方案是在柱塞上既開導(dǎo)向溝槽也開密封溝槽，密封溝槽是為了安裝密封圈，防止泄油，保持油壓，這樣在液壓缸縮回時(shí)，打油不會(huì)因?yàn)樾褂蛯?dǎo)致油壓不足而無法縮回，所以可以用打油的方式可以使各級(jí)缸體依次縮回。導(dǎo)向溝槽是為了保證在柱塞伸出和縮回時(shí)與缸套的同軸度，安裝了該裝置可以盡量減少柱塞在運(yùn)動(dòng)過程出現(xiàn)偏離軸線運(yùn)動(dòng)而卡死的現(xiàn)象。但是該方案的缺點(diǎn)在于，由于既安裝的導(dǎo)向裝置，也安裝了密封裝置，所以加工工藝復(fù)雜，成本增加，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，由于有了密封裝置，所以在縮回時(shí)采用

14、打油的方式，使用油壓使各級(jí)依次縮回，這樣因?yàn)橛蛪鹤饔?，回我使各?jí)缸體在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)震蕩和碰撞的現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，并且又需要單獨(dú)再在各級(jí)缸體開設(shè)回油孔，工序增多，成本和加工周期都增加。方案對(duì)比：1第一種方案 優(yōu)點(diǎn)：能夠保證比較好的同軸度，在缸體運(yùn)動(dòng)的過程中可以減少柱塞和缸套之間非軸向運(yùn)動(dòng)而卡死的情況。在縮回時(shí)，如果不采用油壓縮回的方式，則只需要利用井架的自重，將各級(jí)缸體依次壓回即可。這樣既可以減少加工工序，也可以減少成本和人力，并且運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。 缺點(diǎn)：沒有使用密封裝置，在各級(jí)缸體縮回時(shí)，不能用打油的方式將其縮回，不然會(huì)因?yàn)樾褂偷脑蚨挂簤焊谉o法縮回。2第二種方案： 優(yōu)點(diǎn)：能夠保證較好的密封

15、效果，在各級(jí)液壓缸縮回時(shí)，可以用打油的方式將液壓缸逐級(jí)縮回，可以較快將其縮回，效率增加，在縮回時(shí)也不會(huì)因?yàn)樾褂投鴮?dǎo)致油壓不足的問題，而使液壓缸無法縮回。 缺點(diǎn)：該方案只有密封裝置，沒有安裝導(dǎo)向裝置，無法保證較好的同軸度，在運(yùn)動(dòng)過程中可能會(huì)出現(xiàn)柱塞偏離軸線運(yùn)動(dòng)而卡死。3第三種方案： 優(yōu)點(diǎn)：該方案兼顧了上面兩張方案的優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：加工工藝復(fù)雜，成本高，耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間，在實(shí)際工作中控制難度也加大。方案確定：采用第一種方案設(shè)計(jì)，只安裝導(dǎo)向裝置，保證其運(yùn)動(dòng)過程中的同軸度，為了避免打油過程中因?yàn)闆]有密封裝置而泄油，導(dǎo)致油壓不足的問題，可以直接采用井架自重將各級(jí)缸體依次壓回，工藝簡單，操作方便，成本更

16、低。圖2-4 選定方案圖3 液壓缸主要尺寸的確定 根據(jù)多級(jí)液壓缸的工作原理，可將其分解為若干個(gè)相互連通的單機(jī)液壓缸組合。先計(jì)算最小的一個(gè)單機(jī)液壓缸，根據(jù)受力知道，只要滿足三級(jí)缸受力，則一級(jí)缸定能滿足。3.1 二級(jí)缸缸筒內(nèi)徑的計(jì)算根據(jù)液壓缸理論輸推力T和系統(tǒng)選定的供油壓力p來計(jì)算二級(jí)缸筒內(nèi)徑D(m)：T=nPA A=D2 /4 （1）液壓缸主要尺寸的確定式中： T液壓缸的理論輸出力（N）;p供油壓力（MPa）；A面積（cm2）；n油缸機(jī)械效率。供油壓力P=14MPa油缸機(jī)械效率n=0.95推力=350KN得出A=263cm2 D=183mm表31 缸筒內(nèi)徑尺寸系列液壓缸內(nèi)徑系列（GB/T2348

17、-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元整取值得d2=200mm3.2 二級(jí)缸缸壁厚度及外徑的計(jì)算先按薄壁計(jì)算： （2）式中：Py試驗(yàn)壓力(Mpa)；缸體材料許用應(yīng)力(Mpa)；b/ n；b缸體材料的抗拉強(qiáng)度(Mpa)。對(duì)于35鋼正火處理n安全系數(shù)；一般取3.55，工作壓力大n可選取小一些。則取n=3.5；D缸體內(nèi)徑。表32 45號(hào)鋼各力學(xué)性能牌號(hào)機(jī)械及物理性能抗拉強(qiáng)度 b (MPa)屈服強(qiáng)度 s (MP

18、a)伸長率 s ()斷面收縮率()沖功Akv (J)沖擊韌性值 kv (J/cm2)硬度試樣毛坯尺寸35540(54)315(32)20455569(7)未熱處理197HB25mm由圖知b540，故取b=600MPab/ n=600/3.5=171.4MPaPy=21MPa得=12.25mmD/=16.3216符合薄壁再按厚壁計(jì)算： (3)=11.7D/=17.116不符合厚壁表33 精密內(nèi)徑尺寸的無縫鋼管尺寸系列內(nèi)徑壁厚1.52.02.53.03.55.06.07.510.012.515.020.0外徑252831354032353638424740454650555055566065707

19、56368697375788388808586909295100105110100105106110112115120125130125132135137140145150155165160165170175180185190200200220215220225230240根據(jù)表表33中數(shù)據(jù)，取=12.5mm，故二級(jí)缸外徑為D2=225mm3.3 二級(jí)缸缸底厚度缸底為平面且有油孔，油孔直徑d0取15mm計(jì)算公式： （4）式中：Py試驗(yàn)壓力(Mpa) Py=21MPa；D二級(jí)缸體內(nèi)徑（mm）D=200mm；缸體材料許用應(yīng)力(Mpa) =171.4MPa；d0油孔直徑d0=15mm。得h=31.5

20、二級(jí)缸底厚取整為h2=32mm綜上：二級(jí)缸缸筒內(nèi)徑d1=200mm，外徑D1=225mm，缸底厚度h2=32mm。3.4 活塞桿直徑活塞桿的外徑計(jì)算公式： （5）式中：F液壓缸輸出力(N)；F=350KN活塞桿材料的許用應(yīng)力(Mpa)。=171.4MPa得d50.9mm表34 活塞桿外徑尺寸系列活塞桿直徑系列（GB/T2348-1993）4、5、6、8、10、12、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查表34取活塞桿直徑d=56mm。由于實(shí)心

21、活塞桿外徑過小，難以符合強(qiáng)度校核，因此需要采用空心活塞桿?？招幕钊麠U一般用無縫鋼管焊接而成，因而能節(jié)約材料，減輕重量，同時(shí)還可以導(dǎo)通油路，多用于大型液壓缸。設(shè)活塞桿外徑為d3=100mm，計(jì)算其內(nèi)徑： （6）得d內(nèi)86mm 為安全起見取壁厚=10mm3.5 活塞直徑及活塞厚度留2mm作為二級(jí)缸與三級(jí)缸內(nèi)壁距離，則三級(jí)缸的外徑（活塞直徑）D3=2002x2=196m取D3=196mm即活塞的直徑為196mm根據(jù)液壓元件手冊(cè)選用寬度20mm厚度2.5mm導(dǎo)向環(huán)，故安裝導(dǎo)向環(huán)處直徑為200mm-2.5mm*2=195mm；查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得外徑196mm活塞O型密封圈的厚度為9mm，寬度9mm，故O型

22、密封圈處直徑為200mm-9mm*2=182mm；活塞桿連接處需要開直徑10mm油孔，故取凸臺(tái)長度25mm，凸臺(tái)處直徑190mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，活塞厚度一般0.61倍缸徑，取導(dǎo)向環(huán)與O型圈間距5mm，取導(dǎo)向環(huán)到凸臺(tái)間距8mm，活塞前端倒角10o方便安裝，倒角長度取20mm?；钊穸萮3=20+8+20+5+9+5+20+8+25=120mm符合要求。綜上得，活塞桿外徑d3外=100mm，內(nèi)徑d3內(nèi)=80mm，活塞外徑D3=196mm，活塞厚度120mm。3.6 一級(jí)缸缸筒內(nèi)徑留2mm作為一級(jí)缸與二級(jí)缸 內(nèi)壁距離，則，一級(jí)缸的內(nèi)徑d1=225+2x2=229mm3.7 一級(jí)缸缸壁厚度及外徑的計(jì)算取d

23、1=229mm （7）則14.02mm，查表取=15mm一級(jí)缸外徑D1=259mm。3.8 一級(jí)缸缸底厚度缸底為平面且有油孔，油孔直徑d0取15mm。缸底厚度 （8）式中：Py試驗(yàn)壓力(Mpa) Py=21MPa；D一級(jí)缸體內(nèi)徑（mm）D=229mm；缸體材料許用應(yīng)力(Mpa) =171.4MPa；d0油孔直徑d0=15mm。得h=36.7一級(jí)缸底厚取整為h2=37mm綜上：一級(jí)缸缸筒內(nèi)徑d1=229mm，外徑D1=259mm，缸底厚度37mm。3.9 零級(jí)缸內(nèi)徑及外徑的計(jì)算留2mm作為一級(jí)缸與零級(jí)缸缸筒內(nèi)壁距離。則缸套內(nèi)徑為：d0=259+2x2=263mm （9）則16.1mm查表取=20

24、mm零級(jí)缸外徑D0=263+20*2=303mm。3.10 零級(jí)缸缸底厚度的計(jì)算零級(jí)缸缸底需要安裝進(jìn)油裝置，故需要根據(jù)進(jìn)油口直徑設(shè)計(jì)缸底厚度。已知油口直徑30mm取缸底厚度為78mm綜上：零級(jí)缸缸筒內(nèi)徑d1=263mm，外徑D1=303mm，缸底厚度h0=78mm。3.11 第一、二、三級(jí)缸缸筒行程和各級(jí)缸筒長度已知安裝距離為1840mm，總行程3997mm。一級(jí)缸行程：1300mm二級(jí)缸行程：1337mm三級(jí)缸行程：1360mm零級(jí)缸缸筒總長度=一級(jí)缸行程+缸底厚度+一級(jí)缸密封裝置總寬度+一級(jí)缸導(dǎo)向裝置總寬度+限位裝置寬度+耳環(huán)中心高度=1300+78+75+35+65+65=1618mm一

25、級(jí)缸缸筒總長度=二級(jí)缸行程+缸底厚度+二級(jí)缸密封裝置總寬度+二級(jí)缸導(dǎo)向裝置總寬度+限位裝置寬度=1337+37+75+35+65=1549mm二級(jí)缸缸筒總長度=三級(jí)缸行程+缸底厚度+缸蓋限位高度+活塞厚度=1360+32+70+120=1582mm活塞桿長度=安裝距離-零一二級(jí)缸底厚度-活塞厚度-耳環(huán)銷孔高度=1840-78-37-32-120-65=1508mm3.12 各級(jí)作用力的計(jì)算根據(jù)柱塞缸輸出推力計(jì)算公式 （10）式中p1進(jìn)油壓力14MPa； P2回油壓力 d各級(jí)缸外徑。根據(jù)液壓缸工作需要，收回時(shí)靠自重縮回，故回油壓力為0MPa。帶入各級(jí)缸外徑尺寸算出各級(jí)缸受力：一級(jí)缸受力F1=70

26、0714.41N二級(jí)缸受力F2=528818.40N三級(jí)缸受力F3伸=401285.13N三級(jí)缸受力F3縮=313373.87N4 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 缸筒聯(lián)接方式 缸筒的連接采用螺紋連接，其特點(diǎn)是體積小重量小、結(jié)構(gòu)緊湊。外螺紋連接L型螺母，并用螺釘釘緊。內(nèi)螺紋連接螺套，螺套和螺母之間是支承圈、V型圈、壓環(huán)和銅套，起密封和防塵作用。液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零級(jí)缸、一級(jí)缸、二級(jí)缸用螺套作為缸蓋連接，根據(jù)受力情況選擇螺紋尺寸：零級(jí)缸外螺紋M300x2深34mm螺紋寬度32mm內(nèi)螺紋M266x2 深75 螺紋寬度20mm一級(jí)缸外螺紋M256x2深31mm螺紋寬度29mm內(nèi)螺紋M232x2 深75螺紋寬度

27、20mm二級(jí)缸外螺紋M222x2深31mm螺紋寬度29mm內(nèi)螺紋M203x2 深75螺紋寬度20mm外螺紋與外壁倒角2mm，內(nèi)螺紋與內(nèi)壁倒角2mm。 三級(jí)缸是活塞缸，活塞桿與二級(jí)缸不接觸，所以二三級(jí)缸的連接由螺母、壓帽和缸蓋組成。缸筒與缸頭采用焊接，各焊縫應(yīng)平整，不得有裂痕，氣孔等缺陷，在18MPa壓力下，各焊縫不得有滲漏。4.2 缸蓋液壓缸的缸蓋選用35號(hào)鋼。缸蓋上安有放氣塞。缸蓋與活塞桿之間需要用v型圈密封。壓帽與缸蓋之間用螺紋連接。壓帽下面是壓環(huán)、V型圈和銅套，起防密封塵作用。圖4-1 缸蓋結(jié)構(gòu)圖圖4-2 缸底三維結(jié)構(gòu)圖 圖4-3 一、二級(jí)缸蓋三維結(jié)構(gòu)圖 圖4-4 三級(jí)缸蓋三維結(jié)構(gòu)圖4.

28、3活塞及活塞桿活塞結(jié)構(gòu)形式: 活塞根據(jù)密封裝置型式來選用其結(jié)構(gòu)形式，而密封裝置則按工作壓力、環(huán)境溫度，介質(zhì)等條件來選定。本設(shè)計(jì)中，液壓缸用于工程機(jī)械，工作壓力大，選用O形密封圈，其密封性好，阻力較小。活塞與活塞桿的聯(lián)接形式:由于工作壓力較高，選用焊接的聯(lián)接形式?；钊麠U桿體結(jié)構(gòu)活塞桿桿體有實(shí)心桿和空心桿兩種，本設(shè)計(jì)整采用實(shí)心桿，采用的是無縫鋼管，材質(zhì)45號(hào)鋼。 圖4-5 活塞三維結(jié)構(gòu)圖 圖4-6 活塞三維結(jié)構(gòu)圖4.4導(dǎo)向環(huán)導(dǎo)向環(huán)，也叫支撐環(huán)，它能防止活塞或活塞桿在運(yùn)動(dòng)過程中與缸體發(fā)生直接接觸和摩擦，起到保護(hù)缸體與活塞或活塞桿不被損壞的作用。 在一級(jí)缸和二級(jí)缸剛的擋圈處安有一個(gè)導(dǎo)向環(huán)，活塞頭密封圈

29、兩側(cè)各安裝一個(gè)導(dǎo)向環(huán)。在缸蓋處安有支承圈。根據(jù)液壓缸尺寸，導(dǎo)向環(huán)采用聚四氟乙烯，寬度20mm厚度2mm。4.5密封和防塵一二級(jí)為柱塞，只需要在螺母處安裝密封裝置。三級(jí)為活塞，在活塞上溝槽上安裝O形圈。在O形圈外面加一個(gè)減磨環(huán)，防止磨傷缸體。螺母上密封裝置從里到外分別是壓圈、5個(gè)V型圈、支承圈、銅套。壓圈鎳鋁青銅合金V型圈聚氨酯3支承圈鎳鋁青銅合金銅套鎳鋁青銅合金O形圈聚氨酯減磨環(huán)聚四氟乙烯3在每一級(jí)的螺套上車溝槽安裝防塵圈。防塵圈聚氨酯II34.6進(jìn)出油緩沖裝置用單向閥作為油缸的緩沖裝置。工作原理：輸入高壓油時(shí)，油壓大于彈簧壓力，鋼珠縮進(jìn)去使大油孔打開，液體通過大小油孔同時(shí)進(jìn)入使缸體快速伸出。

30、在缸體縮回時(shí)，鋼珠彈回，大油孔關(guān)閉，只留小油孔回油，在井架的自重作用下，緩慢縮回。液壓缸就能平穩(wěn)縮回，避免縮回速度過大造成巨大沖擊使缸體受損。 圖4-7 油孔三維結(jié)構(gòu)圖 圖4-8 油孔二維結(jié)構(gòu)圖4.7耳環(huán)耳環(huán)按使用部位不同，耳環(huán)可分為桿用耳環(huán)和筒用耳環(huán)兩種。本設(shè)計(jì)油缸聯(lián)測(cè)都需要耳環(huán)。活塞頭部用桿用耳環(huán)，用螺紋聯(lián)接。底部筒用耳環(huán)，用焊接。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，耳環(huán)厚度為51mm，銷孔直徑50mm。 圖4-9 耳環(huán)三維結(jié)構(gòu)圖 圖4-10 耳環(huán)二維結(jié)構(gòu)圖第五章 液壓缸性能驗(yàn)算5 液壓缸性能驗(yàn)算液壓缸性能驗(yàn)算5.1 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性的驗(yàn)算本設(shè)計(jì)中，只需驗(yàn)算三級(jí)缸，其行程L3=1360mm，直徑d=70mm，

31、L/d>10，必須進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性校核，尤其當(dāng)活塞桿受軸向壓縮載荷時(shí)，它所受的力F不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載Fk，以免發(fā)生縱向彎曲，保證液壓缸的正常工作，即 （11） （12） （13）Nk計(jì)算安全系數(shù)；Fk臨界載荷；E材料彈性模數(shù)，對(duì)于鋼材E=2.1×105 MPaF活塞桿承受最大壓力 KN；Nk許用安全系數(shù)，Nk=24，一般取3；L0支鉸中心到耳環(huán)中心距離；Fk=1165003.5N Nk=3.323 符合5.2 二級(jí)缸缸筒厚度的驗(yàn)算 額定壓力Pn低于一定極限 （14）式中s缸筒材料的屈服強(qiáng)度，取s=315MPa； D缸筒外徑； d缸筒內(nèi)徑； Pn額定工作壓

32、力 =29.3MPa14MPa故符合要求。5.3 一及缸缸筒厚度的驗(yàn)算 額定壓力Pn低于一定極限 （15）式中s缸筒材料的屈服強(qiáng)度，取s=315MPa； D缸筒外徑； d缸筒內(nèi)徑； Pn額定工作壓力 =30.78MPa14MPa故符合要求。6 主要零件加工工藝6.1 零級(jí)缸的加工工藝：焊：劃焊接線，將耳環(huán)焊接在缸底上，保證尺寸及形位公差要求鏜：以外圓為基準(zhǔn)鏜263內(nèi)徑車：以內(nèi)圓為基準(zhǔn)車303外徑，倒兩端2x45o倒角車：車外螺紋M300，車內(nèi)孔267，車內(nèi)螺紋M266，車退刀槽4x267，倒角2x45o焊：將缸底缸套焊牢成型，取焊渣、飛濺，去毛刺，休整各部技術(shù)要求：焊縫應(yīng)平整，不得有裂紋，不得

33、在缸體與缸頭上打弧缸體在16MPA試壓下不得滲漏焊接后保證耳板內(nèi)孔直徑50+0.05+06.2 一級(jí)缸的加工工藝：焊：將缸底與缸套焊接，保證缸套內(nèi)外表面，保證圓柱度15，不允許打弧，清除焊渣主要零件加工工藝車：夾右端面，車左端面100，車外圓263，車槽259，車外圓259，車內(nèi)孔190掉頭夾左端面，車外螺紋M256，車內(nèi)孔233，車內(nèi)螺紋M232，車退刀槽4x233，倒角2x45o劃4x12孔加工線，打沖眼，鉆孔4x12，清除毛刺技術(shù)要求：柱塞正火處理，HB179-210.左端內(nèi)徑端面距離擋圈35mm內(nèi)圓柱度不大于0.10mm.鍍鉻層厚度0.03-0.05mm6.3 二級(jí)缸加工工藝：焊：將缸

34、底與缸套焊接，保證缸套內(nèi)外表面，保證圓柱度15，不允許打弧，清除焊渣車：夾右端面，車左端面100，車外圓229，車槽225，車外圓225，車內(nèi)孔160掉頭夾左端面，車外螺紋M222，倒角2x45o技術(shù)要求：柱塞正火處理，HB179-210.左端內(nèi)徑端面距離擋圈35mm內(nèi)圓柱度不大于0.10mm.鍍鉻層厚度0.03-0.05mm6.4 三級(jí)活塞加工工藝：將活塞和活塞桿組焊，并清除焊渣，焊后48小時(shí)，磁粉探傷檢查無裂縫、夾渣、氣孔等缺陷夾左端面，另一端用頂尖頂上，車桿外圓100，車活塞桿內(nèi)孔86，保證厚度尺寸14mm，倒角2x45o，車外螺紋，車內(nèi)螺紋夾右端面，左端架中心架，車15內(nèi)孔，車止口80

35、x50止口，車60O錐面并修光，車活塞外圓200，車195槽，車182槽，車190槽技術(shù)要求：各焊縫應(yīng)平整，不得有裂紋和氣孔等缺陷。鍍鉻層厚度0.05-0.08mm。在18Mpa壓力下，焊縫不得有泄露。液壓缸幾何建模7 液壓缸幾何建模7.1 零級(jí)缸三維圖圖7-1 零級(jí)缸三維圖圖7-2 零級(jí)缸三維圖7.2 一二級(jí)柱塞缸缸筒圖7-3 一二級(jí)缸三維圖圖7-4 一二級(jí)級(jí)缸三維圖7.3 三級(jí)活塞圖7-5 三級(jí)活塞三維圖圖7-6 三級(jí)活塞三維圖7.4 總裝配體圖7-7 總裝配體圖7-8 總裝配體參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1雷天覺.液壓工程手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.232成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)下冊(cè)M.北京

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37、建紅橡塑彈性體彈性變形原理在油缸密封的應(yīng)用J.潤滑與密封，2007，32(10)11馮定，柳進(jìn)，潘浩，楊成，劉莉.全液壓修井機(jī)起升系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)方法J.機(jī)床與液壓，2011,312張毅雄.井機(jī)起升油缸爬行現(xiàn)象分析J.長江大學(xué)學(xué)報(bào),2009-6,6(2)13劉曉明，葉瑋.液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性分析J.Hydraulics Pneumatics&Seals/No.07.201314何文斌.有限元在液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用J.煤礦機(jī)械，2003-815徐灝機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四、五卷）M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.916江洪，江帆Solid works 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例解析J機(jī)械工業(yè)出版社200

38、6.117湯家榮.油缸密封結(jié)構(gòu)的改造J.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011，07：484918王金華，劉愛平.略談工程機(jī)械用液壓油缸密封J. 工業(yè)設(shè)計(jì)，2012，01：16019王紅青，邵靈敏.淺析煤礦用液壓油缸的設(shè)計(jì)創(chuàng)新J.中國科技投資,2012,24：14020徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京機(jī)械工業(yè)出版社，200321馬永剛，郭海濤等鉆機(jī)用集成液壓源的研制J. 工業(yè)設(shè)計(jì)，2012，01：160.22王毳.賈紅艷.大缸徑液壓油缸制造工藝的幾點(diǎn)改進(jìn)J.煤炭科技2002(3)23劉媛麗,顧喜.不同類型液壓油缸密封系統(tǒng)的選用J.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具2010(3)24丁晨旭,趙燕平.閆愛淑密封件的密封可靠性檢測(cè)方法分析J.潤滑與密封2003(2)25謝紅菊.單作用液壓油缸的爬行現(xiàn)象與預(yù)防措施J.地質(zhì)裝備2009,10(1)26李新德.工程機(jī)械液壓缸漏油原因分析及對(duì)策J.液壓氣動(dòng)與密封2005(3)27路勇.權(quán)龍.超聲波在液壓缸活塞位移測(cè)量中的應(yīng)用J.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,34(5)28楊紅,畢雷,陳文斌,張敏樹.旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理期刊論文.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(1)29張浩, 周彥煌. 一種瞬態(tài)高壓條件下的密封設(shè)計(jì)J. 潤滑與密封, 200