双作用液压缸的设计与控制.docx
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双作用液压缸的设计与控制.docx
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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ﻩ
题 目:
可伸缩伺服液压缸
姓 名:
程方园
学 号:
2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
设计任务书3
1、设计目得与意义ﻩ4
2、 设计内容与要求ﻩ4
2、1确定总体方案ﻩ4
2、2设计内容5
2、3设计要求ﻩ5
3、设计进度安排5
4、机电系统设计得分析、计算、选用与说明5
4、1机械设计ﻩ5
4、1、1液压缸得结构设计5
4、1、2、液压缸得主要技术性能参数得计算6
4、1、4、液压缸主油缸得设计计算ﻩ8
4、1、5、缸体得材料与技术要求11
4、1、6、活塞杆径得计算与校核11
4、1、7、快速液压缸柱塞直径得计算13
4、1、8、缸盖得设计计算ﻩ13
4、1、9、液压缸油口得直径计算ﻩ14
4、1、10、导向套得设计计算15
e.内孔中得环形油槽与直油槽要浅而宽,保证润滑条件良好15
4、2液压回路设计16
4、3电路设计ﻩ16
4、4控制设计ﻩ17
5、机电综合课程设计结论17
6、机电综合课程设计得收获、体会与建议17
7、参考文献ﻩ18
8、附录ﻩ18
设计任务书
题目
可伸缩伺服液压缸得设计与控制
设计内容
1)理解可伸缩伺服液压缸得功能与工作原理,确定其功能参数;
2)明确可伸缩伺服液压缸得具体结构与控制方式,并给出相关参数;
3)分析与计算可伸缩伺服液压缸机械结构,并确定控制得具体实现。
4)绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸与电气电子线路图;
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
主要参考书籍与资料
[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、设计目得与意义
油缸就是液压传动系统中实现往复运动与小于360°回摆运动得液压执行元件。
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:
工程机械中挖掘机与装载机得铲装机构与提升机构,
起重机械中汽车起重机得伸缩臂与支腿机构,矿山机械中得液压支架及采煤机得滚筒调高装置,建筑机械中得打桩机,冶金机械中得压力机,汽车工业中自卸式汽车与高空作业车,智能机械中得模拟驾驶舱、机器人、火箭得发射装置等。
它们所用得都就是直线往复运动油缸,即推力油缸。
所以进一步研究与改进液压缸得设计制造,提高液压缸得工作寿命及其性能,对于更好得利用液压传动具有十分重要得意义。
通过学生自己独立地完成指定得课程设计任务,提高理论联系实际、分析问题与解决问题得能力,学会查阅参考书与工具书得方法,提高编写技术文件得能力,进一步加强设计计算与制图等基本技能得训练,为毕业后成为一名出色得机械工程师打好基础。
2.设计内容与要求
1)理解可伸缩伺服液压缸得功能与工作原理,确定其功能参数;
2)明确可伸缩伺服液压缸得具体结构与控制方式,并给出相关参数;
3)分析与计算可伸缩伺服液压缸机械结构,并确定控制得具体实现。
4)绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸与电气电子线路图;
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,主要就是因各种机械对液压缸得要求差别太大。
比如对液压缸得内径、活塞杆直径、液压缸得行程与连接方式等要求不一样。
由于本次液压设计主要就是实现立式快速得原则,故选双作用单活塞杆立式快速液压缸得设计。
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
液压缸得公称压力为30Mpa
液压缸快进速度为0、2m/s
液压缸得行程为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得功能与工作原理,确定其功能参数;
2)明确可伸缩伺服液压缸得具体结构与控制方式,并给出相关参数;
3)分析与计算可伸缩伺服液压缸机械结构,并确定控制得具体实现。
4)绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸与电气电子线路图;
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、机电系统设计得分析、计算、选用与说明
4、1机械设计
4、1、1液压缸得结构设计
1、缸体与缸得连接
缸体与缸得连接形式较多,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、活塞与活塞杆得连接
活塞与活塞杆得连接大多采用螺纹连接结构与卡键连接结构。
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,工作机械振动较大得油缸。
因此从多方面得因素考虑选择螺纹连接结构。
4、液压缸缸体得安全系数
对缸体来说,液压力、机械力与安全系数有关得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,往往就是强度问题、刚度与定性问题三种形式给表现出来,其中最重要得还就是强度问题。
要保证缸体得强度,一定要考虑适当得安全系数。
4、1、2、液压缸得主要技术性能参数得计算
1、压力
所谓压力,就是指作用在单位面积上得负载。
从液压原理可知,压力等于负载力与活塞得有效工作面积之比。
P=F/A(N/m)
式中:
F—作用在活塞上得负载力(N)
A—活塞得有效工作面积(m)
从上述可知,压力值得建立就是因为负载力得存在而产生得,在同一个活塞得有效工作面积上,负载越大,所需得压力就越大,活塞产生得作用力就越大。
如果活塞得有效工作面积一定,压力越大,活塞产生得作用力就越大。
由此可知:
1、根据负载力得大小,选择活塞面积合适得液压缸与压力适当得液压泵。
2、根据液压泵得压力与负载力,设计与选用合适得液压缸。
3、根据液压缸得压力与液压缸得活塞面积,确定负载得重量。
在液压系统中,为了便于液压元件与管路得设计选用,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)
0~2、5
>2、5~5
>8~16
>16~32
>32
本次液压缸得设定公称压力为30Mpa,由表1、1可知,本此液压缸属于高压。
2、流量
所谓流量就是指单位时间内液体流过管道某一截面得体积。
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—液压缸实际需要得液体体积(L)
t—液体压力充满液压缸缸所需得时间(min)
3、运动速度
运动速度就是指单位时间内液体流入液压缸推动活塞(或柱塞)移动得距离,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)ﻩ
设定快进速度为0、2m/s
计算运动速度得意义在于:
1、对于运动得速度为主要参数得液压缸,控制流量就是十分重要。
2、根据液压缸得速度,可以选用流量合适得液压泵。
3、根据液压缸得速度,可以确定液压缸得进、出油口得尺寸,注塞杆,活塞与活塞杆得直径。
4、利用活塞杆前进与后退得不同速度,可实现液压缸得慢速攻进与快速退回。
4、速比
速比就是指液压缸活塞杆往复运动得速度之比,因为速度与活塞得有效工作面积有关,速比也就是活塞两侧有效工作面积之比。
式中:
D—液压缸直径(m)
d—活塞杆得直径(m)
计算速比主要就是为了确定活塞杆得直径与决定就是否设置缓冲装置。
速比不宜过大或过小,以免产生过大得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)
10
12、5~20
20
速比
1、33
1、46
2
5、推力与拉力
液压油作用在活塞上得液压力,对于双作用单活塞杆液压缸来说,活塞杆伸出时得推力为F:
F=A1P106
活塞杆缩回时得拉力为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
液压缸得活塞行程S,在初步设计时,主要就是按实际工作需要长度来考虑。
但就是,实际需要得工作行程并不一定就是液压缸得稳定性所允许得行程,为了计算行程,应首先计算出活塞杆得最大允许计算长度。
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
根据液压缸得各种安装形式与欧拉公式所确定得活塞杆计算长度及导出行程计算式。
一般情况下,液压缸瞧纵向压缩负载就是知道得,有上式即可大概求出液压缸得最大允许行程。
设计液压缸得行程为300mm。
4、1、3、液压缸得基本参数
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 2025 32
40 506380 (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 6 810 121416 18
2022252832 36 40 4550
5663 7080 90100 110125 140
160 180200220250280320360
活塞杆连接螺纹型式按细牙,规格与长度查有关资料。
液压缸得行程系列(GB2349-1980)
第一系列
2550 80 100 125 160200 250 320 400
500 630800 100012501600 2000 25003200 4000
第二系列
4063 90110140 180 220 280360450550 700 9001100 14001800220028003600
在设计计算后按1、1、1、1、1、2、1、2、1、1、2、2选用缸径、杆径与行程,并验算与要求控制在±5%内
4、1、4、液压缸主油缸得设计计算
1、缸体内径D得计算
设计过程中,根据已经给出得工作压力、公称压力计算缸体得内径,对于双作用单活塞杆液压缸得计算如下:
F=PA=P
式中:
F---液压缸得公称压力;
P---液压缸得工作压力;
所以:
D===0、206mm
根据(GB/T2348—1993)圆整后取D=220mm
实际公称力F=30x10x=949850N1140KN
验算:
所以合理,即D=220mm
2、缸体壁厚得计算
按厚壁筒计算,因我们本次设计缸体得材料为QT500-7球墨铸铁,就是脆性材料,则考虑用第一与第二强度理论计算,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:
当缸得额定压力P16Mpa时,P=1、5P
当缸得额定压力P>16Mpa时,P=1、25P
所以:
=1、2530=37、5Mpa
=(-1)
=(-1)=0、049m
根据国标GB8713—1988,圆整后取=50mm
3、缸体外径D1得计算
D1=D+2δ
式中:
D—缸体内径(参见4、4、1重型机械表)
所以:
D1=D+2δ=220+250=320mm
根据重型机械表4、41,取D1=320mm合理。
4、缸体壁厚得验算
因我们本次设计缸体得材料为QT500-7球墨铸铁,就是脆性材料,采用第二强度理论验算(以能量为依据)即:
==71、99MPa
D=D=0、22=0、317m
=71、99Mpa<90MPa
所以液压缸得壁厚就是符合要求得。
5、支承台肩处强度计算
1)支承台肩接触面挤压应力
式中:
P=1000KND3=360mm
D1=320mmS=2mm(倒角尺寸)
—许用挤压应力,=90Mpa
则:
=
=58、54MPa90MPa
2)支承台肩断面,从图可见,台肩处断面上得合成应力为弯曲应力与拉伸压力之与。
即:
==90MPa
式中:
D3=360mmD2=260mm
Ma=T
其中:
T===1224889、759(N/m)
h=160mm =(D1-D2)=30mm
= =0、25(材料泊松比系数)
钢:
铸铁:
得:
=20、58
故Ma=1224889、759x
Ma=254831N
4、1、5、缸体得材料与技术要求
1)缸体材料
选取QT500-7球墨铸铁,球墨铸铁得各种要求参数。
2)缸体得技术要求、精度、表面粗糙度与形位公差要求
a、缸筒得内径可选用H8、H9或H10配合。
内径得表面粗糙度:
活塞选用橡胶密封件密封,故取0、4~0、1,并进行研磨
b.缸筒内径得圆度与圆柱度可选8级或9级精度
c.缸筒端面得垂直度可选7级精度
3)其她技术要求
a.缸筒内径端部倒角,或倒R3以上得圆角,粗糙度不得过高,以免装配时损伤密封件
b.缸筒外露表面可涂耐油油漆。
c、铸件不得有砂眼、气孔、夹渣及组织疏松等缺陷
d、铸件时效处理
e、螺纹退刀槽圆角半径R1
f.在31、5MPa压力下保压10min不得有渗漏现象
4、1、6、活塞杆径得计算与校核
1、活塞杆径得计算
1)用流量定回程速度V
由回程速度V=q/A可计算出活塞杆直径d:
V回=q/A
根据(GB/T2348—1993)选取d=200(mm)
注:
V—液压泵得回程速度。
q—液压泵得额定排量。
A—活塞与活塞杆得环形面积
2、活塞杆直径得校核
设计中回程力为175KN,根据计算实际回程力校核。
F=PA=P
=25x10x=25x10x
=166、9KN
验算:
所以合理,即活塞杆直径为200mm
3、活塞杆得材料与技术要求
活塞杆就是液压缸传递力得主要元件,它必须具有足够得强度与缸度,以便能承受拉力、压力、弯曲力、振动与冲击等载荷得作用,同时还要注意到它多活塞有效工作面积得影响,保证液压缸达到所要求得作用力与运动速度。
活塞杆应具有一定得耐磨性。
它得端部要选择适当得连接形式,并有较好得连接强度,此外还应具有较高得尺寸精度、几何精度与表面光洁度。
活塞杆得杆体分为实心杆与空心杆,本次设计选用空心杆。
1)、活塞杆得材料
活塞杆通常选用棒料进行加工,此处选用球墨铸铁QT600-3。
2)、活塞得技术要求
A.粗加工调质HB229~285
B.可高频淬火HRC45~55
C.外圆圆度公差按9、10、11级精度,圆柱度按8级,两外圆跳动公差为0、01mm,端面垂直度公差按7级
D.活塞杆表面需镀硬铬,镀层厚度30~50,镀后抛光
E.工作表面粗糙度。
F、时效处理
G.不得有影响强度与表面得铸造缺陷
3)、活塞杆得密封与防尘
(1)、活塞杆得密封
A、在一定工作压力与温度下具有良好得密封效果,泄漏小
B、摩擦系数小,摩擦力均匀,不会引起运动零件得爬行或卡死等现象
C、耐磨性好,寿命长,在一定程度上能自动补偿被密封件得磨损与几何精度得误差
D、不损坏被密封件表面
E、耐油性、抗腐蚀性好,不易老化
F、成本低廉,制造容易,使用方便,维护简单
G、采用标准化结构与尺寸
H、适应液压缸工作条件得特殊要求
所以,其密封装置移动部分选用型聚氨酯密封圈密封;静止部分选用“O”型橡胶密封圈密封。
4)活塞杆得防尘装置
液压缸工作时常有灰尘、沙粒、铁屑等污物落在活塞杆上。
若将污物带进液压缸,不仅会加剧零件得磨损、产生划痕,而且会影响液压系统得正常工作,因此需要安装防尘装置。
因防尘圈能刮掉落在活塞杆上得污物,则按(QZB336—77)选用“防尘圈115聚氨酯Ⅱ—3”型得密封圈。
4、1、7、快速液压缸柱塞直径得计算
根据由快进速度V=q/A可计算出活塞杆直径d柱:
根据(GB/T2348—1993)取d柱=63(mm)
注:
V快—快进(空载下行)速度。
1、实际工作压力得计算
已知:
D1—液压缸外径,D1=320(mm)
D—液压缸内径,D=220(mm)
d—活塞杆直径,d=200(mm)
主压力:
p=0、785D2P
回程压力:
式中p—液体得工作压力p=25Mpa
主压力:
p=0、7850、22225106=949、85(KN)
检验:
等于公称力得5%,合格。
回程压力:
检验:
未超过额定回程力得5%,合格。
4、1、8、缸盖得设计计算
缸盖装在液压缸两端,与缸筒构成紧密得油腔。
缸盖、缸底与它们得连接部分都有足够得强度。
1、缸盖得结构
缸底与缸筒得连接形式:
焊接连接形式
缸头与缸体得连接形式:
焊接连接形式
(二)、缸底厚度得计算
1、缸筒底部厚度计算
缸筒底部为平底面且为有孔底时,其厚度h可以按照下面公式进行计算:
式中:
h—缸筒底部厚度,(mm)
—油口直径,(mm)
D—液压缸内径,(mm)
—缸筒底部材料得许用应力,(90Mpa)
P—试验压力,(Mpa)P=31、25(Mpa)
查机械零件设计手册可知:
=20mm,计算如下:
(三)、缸盖得材料与技术要求
本次所设计得液压缸选用材料为球墨铸铁QT500-7,它属于塑性材料,具有良好得焊接性能,缸筒与缸头为焊接连接。
1、缸盖材料
缸头:
此处缸盖又就是导向套,故选用铸铁,QT500—7
缸底:
缸筒与缸底为螺栓连接,故选用QT500-7
2、缸盖得技术要求
A、活塞杆得直径(缸内径)等各种回转面(不含密封圈)得圆柱度按9级、10级或11级精度
B、缸筒内外经得同轴度公差为0、03mm
C、与液压缸得配合端面垂直度按7级精度
D、导向面得表面粗糙度为
E、铸件时效处理
F、棱角倒顿
4、1、9、液压缸油口得直径计算
由活塞得最高运动速度与油口最高流速而定。
式中:
—油口流速(m/min)
V—活塞输出速度(m/min)
—液压缸油口直径(m)
D—液压缸内径(m)
根据国家标准柱塞缸油口取直径为30mm
根据国家标准活塞杆油口取直径为45mm
4、1、10、导向套得设计计算
导向套对活塞杆起导向与支承得作用,它要求配合精度高,摩擦阻力小,耐磨性好,能承受活塞杆得压力、弯曲力以及冲击振动。
1、导向套得结构
选用易拆导向套,因为这种导向套采用螺钉或螺纹固定在缸盖上,当导向套与密封圈磨损而需要更换时,不必拆卸端盖与活塞杆就能进行。
维修方便,并且适用于工作条件恶劣,需经常更换导向套与密封圈而又不允许拆卸液压缸得情况。
2、最小导向长度得确定
当活塞杆全部伸出时,从活塞支撑面得中点到导向套滑动面中点得距离称为最小导向长度(H),它应满足下式要求:
式中:
L—最大工作行程cm;L=50cm
D—液压缸内径cm;D=22cm
导向套滑动面得长度A两种确定形式:
当缸径小于80时取:
A=(0、6∽1、0)D
当缸径大于80时取:
A=(0、6∽1、0)d
式中:
d---活塞杆直径(cm)d=20cm
D---液压缸内径(cm) D=22 cm
活塞宽度B取:
B=(0、6∽1、0)D=19、5cm
因为液压缸得缸径为220mm>80mm,则取
A=0、6X20=12 cm
根据实际情况考虑:
A=985cm B=19、5cm
3、导向套得材料及技术要求
1、导向套得材料
导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好得青铜材料制作,也可以选用铸铁、球铁。
2、导向套得技术要求
a、外圆与端盖内孔得配合多为H8/f7
b、导向套内孔与活塞杆外圆得配合多为H9/f9
c、外圆与内孔得同轴度误差不大于0、03
d、形状误差不大于公差之半
e.内孔中得环形油槽与直油槽要浅而宽,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,当推动活塞得压力大于溢流阀所设定得压力时,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,当推动活塞得压力大于溢流阀所设定得压力时,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
经过一些列得计算与绘图以,达到设计目得得要求。
6、机电综合课程设计得收获、体会与建议
三周得机电液综合设计与实验终于结束了,虽然很忙碌很疲劳,但感觉收获还就是蛮大得。
为了使液压缸各个结构设计得精确,我查阅了许多手册与参考书,为我以后得毕业设计打下了牢固得基础。
我几乎每天得专注与辛劳,唤回了我对液压与气压传动得重新认识,对液压缸结构得深刻理解,还有一种对设计制图工作得热情与认真态度,我得细心再次发挥了优势,我不敢说我得这份设计图一定会得优秀,但瞧着图纸上得每一个细节,我觉得没有枉费这两周来得心血。
同时也让我觉得大学里学到了很多知识,我得大学生活没有浪费。
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
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