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液压缸设计指导书
一、设计目的
油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360°回摆运动的液压执行元件。
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:
工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提升机构,起重机械中汽车起重机的伸缩臂和支腿机构,矿山机械中的液压支架及采煤机的滚筒调高装置,建筑机械中的打桩机,冶金机械中的压力机,汽车工业中自卸式汽车和高空作业车,智能机械中的模拟驾驶舱、机器人、火箭的发射装置等。
它们所用的都是直线往复运动油缸,即推力油缸。
所以进一步研究和改进液压缸的设计制造,提高液压缸的工作寿命及其性能,对于更好的利用液压传动具有十分重要的意义。
通过学生自己独立地完成指定的课程设计任务,提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力,学会查阅参考书和工具书的方法,提高编写技术文件的能力,进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练,为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。
为此,编写了这本“液压缸设计指导书”,供机械专业学生学习液压传动课程及课程设计时参考。
二、设计要求
1、每个参加课程设计的学生,都必须独立按期完成设计任务书所规定的设计任务。
2、设计说明书和设计计算书要层次清楚,文字通顺,书写工整,简明扼要,论据充分。
计算公式不必进行推导,但应注明公式中多符号的意义,代入数据得出结果即可。
3、说明书要有插图,且插图要清晰、工整,并选取适当此例。
说明书的最后要附上草图。
4、绘制工作图应遵守机械制图的有关规定,符合国家标准。
5、学生在完成说明书、图纸后,准备进行答辩,最后进行成绩评定。
三、设计任务
设计任务由指导教师根据学生实际情况及所收集资料情况确定。
最后人均一题,避免重复。
四、设计依据和设计步骤
油缸是液压传动的执行元件,它与主机及主机的工作结构有着直接的联系。
不同的机型和工作机构对油缸则有不同的工作要求。
因此在设计油缸之前,首先应了解下列这些作为设计原始依据的主要内容。
主机的用途和工作条件,工作机构的结构特点,负载值,速度,行程大小和动作要求,液压系统所选定的工作压力和流量等。
油缸的设计内容和步骤大致如下:
1、液压缸类型和多部分结构的选择。
2、确定基本参数。
主要包括工作负载、工作速度(当有速度要求时)、工作行程、导向长度、缸筒内径及活塞杆直径等。
3、强度和稳定性计算。
其中包括缸筒壁厚、外径和缸底厚度的强度计算,活塞杆强度和稳定性验算,以及各连接部分的强度计算。
4、导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计。
5、整理设计说明书。
绘制工作图。
应该指出,不同类型和结构的油缸,其设计内容量是不同的,而且各参数之间需要综合考虑反复验算才能得出比较满意的结果。
因此设计步骤不可能是固定不变的。
五、结构型式的确定
1、结构初型:
根据设计原始依据和设计任务书,查阅有关参考资料设计或选择油缸的结构初型(画图附于说明书中)。
液压缸的安装形式很多,但大致可分为两类:
1)轴线固定类
这类安装形式的液压缸在工作时,轴线位置固定不变。
机床上的液压缸大多是采用这种安装形式。
(1)通用拉杆式
在两端缸盖上钻出通孔,用双头螺杆将缸和安装座连接拉紧。
一般用于短行程、压力低的液压缸。
(2)法兰式
用液压缸上的法兰将其固定在机器上。
法兰设置在活塞杆端的缸头上,外侧面与机械安装面贴紧,这叫头部外法兰式。
由于液压缸工作时反作用力的作用,安装螺栓承受液压力的拉伸作用,因而安装螺栓的直径较大,并且要求强度计算。
法兰设置在活塞杆端的缸头上,内侧面与机械安装面贴紧,这叫头部内法兰式。
液压缸工作时,安装螺栓受力不大,主要靠安装支承面承受,所以法兰直径较小,结构较紧凑。
这种安装形式在固定安装形式中应用得最多。
法兰设置在缸的底部,与机械安装面用螺栓紧固,这叫尾部法兰式。
这种安装形式使液压缸悬伸,安装长度较大,稳定性差。
(3)支座式
将液压缸头尾两端的凸缘与支座紧固在一起。
支座可置于液压缸左右的径向、切向,也可置于轴向底部的前后端。
径向安装时,安装面与活塞杆轴线在同一平面上,液压缸工作时,安装螺栓只承受剪切力;切向和轴向安装时,活塞的轴线与支座底面有一定的距离,安装螺栓既受剪切力,又承受因存在倾翻力矩而产生的弯曲力。
切向安装时倾翻力矩比轴向安装时要小一些。
对于支座安装形式,GS3766—83的2.2.2条规定:
“支座式液压缸如不采用键或销承受剪切力时,则底脚固定螺栓必须经受全部剪切力而不致引起危险”。
2)轴线摆动类
液压缸在往复运动时,由于机构的相互作用使其轴线产生摆动,达到调整位置和方向的要求。
安装这类液压缸,安装形式也只能采用使其能摆动的皎接方式。
工程机械、农业机械、翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式。
C1)耳轴式
将固定在液压缸上的皎轴安装在机械的轴座内,使液压缸轴线能在某个平面内自由摆动。
耳轴设置在液压缸头部的叫头部耳轴式。
这种安装形式的液压缸,摆动幅度较小,但稳定性较好。
耳轴设置在液压缸尾部的尾部耳轴式。
这种安装形式的液压缸,摆动幅度较大,但稳定性较差。
耳轴设置在液压缸中部的叫中间耳轴式,其摆动幅度和稳定性一般。
(2)耳环式
将液压缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起,使液压缸能在某个平面内自由摆动。
耳环在液压缸的尾部,可以是单耳环,也可以是双耳环,还可以做成带关节轴承的单耳环或双耳环。
(3)球头式
将液压缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起,使液压缸能在一定的空间锥角范围内任意摆动。
这种安装形式自由度大,但稳定性差。
船舶起货吊杆液压缸多用这种形式。
应该指出,轴线摆动安装的液压缸往往工作时都是倾斜的,随着活塞杆的逐渐伸出,轴线与水平面的夹角也逐渐变化,其工作出力随着夹角的变化而变化,因此,计算液压缸的有效工作出力时,一定要以夹角处于最小时能推动的负载为依据。
2、局部结构初选
根据设计条件,查阅资料确定油缸各零件的结构、材料及联接方式。
(画简图附于说明书中)
1)缸筒的结构设计
缸筒的两端分别与缸盖相连,构成密闭的压力腔,因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关。
设计缸筒的结构时,也应该一起加以考虑。
缸筒是液压缸的主体,其余零件装配其上,它的结构形式对加工和装配有很大影响,因此其结构必须尽量便于装配、拆卸和维修。
缸筒与缸盖、缸底的连接形式很多,不少于60多种,把他们按连接方法分类,大致
有以下几种。
(1)法兰连接
缸筒端部设计有法兰,用螺栓将其与端盖连接起来。
法兰连接结构简单,加工和装拆都很方便,只是外形尺寸和重量都较大。
法兰与缸筒为整体式(见图1-a)的多为铸件和铸件缸筒,加工余量较大,浪费材料;焊接法兰式(见图l-b)多为钢质缸筒,将无缝钢管制成的缸筒与法兰焊接在一起,其焊缝要进行强度计算。
法兰连接是液压缸中使用最普遍的结构形式。
图1缸筒与端盖(或缸底)的连接形式
(2)螺钉连接
将缸盖用螺钉固定在缸筒端部(见图l-c)o这种连接方式简单,但因缸筒壁薄,需要数量较多的螺钉才能承受液压力。
这种方式多用于柱塞液压缸和低压液压缸。
C3)外螺纹连接
这种方式装拆方便,但需要专用工具。
它使缸筒端部结构复杂化,螺纹要与缸筒的内径同心。
螺纹对缸筒壁厚尺寸要求不大,很适合无缝钢管做缸筒的液压缸。
密封槽一般都设置在缸筒端面或端盖上,以免削弱缸筒强度。
为了防止螺纹因冲击震动而松动,往往增加锁紧螺母或紧定螺钉,如图l-d所示。
C4)内螺纹连接
在缸筒端部加工出内螺纹和退刀槽,虽然会削弱缸筒强度,而且螺纹与缸筒要求同心,但其结构紧凑,外形美观,不易损坏。
连接螺纹可以设计在端盖上,也可以用螺纹压圈紧固,如图1-e所示。
(5)外卡键连接
这种连接的强度好,结构紧凑,重量轻,装拆容易,但缸筒端部要切出卡键槽,使强度有所降低。
外卡键一般由两个半环卡键组成,固定卡键可以用卡键帽,如图l-f所示。
(6)内卡键连接
这种连接方式的优缺点同外卡键差不多,但装拆不便。
为了便于装拆,卡键一般由三瓣组成,第三瓣的剖切口平面必须与轴线平行,否则是装不进去的。
装配卡键时,端盖外端面不能高出卡键槽,装好卡键后,端盖才能装到位,如图1-g所示。
卡键与卡键槽的配合精度要适当,间隙过大,缸筒卡键槽处会因受到冲击而产生剪切破坏。
(7)弹性卡圈式
弹性卡圈有孔用弹性卡圈和钢丝弹性卡圈两种,如图l-h和图l-i所示。
由于它们都是标准件,因此使用方便,装拆容易。
但因厚度较薄,只能用于中低压缸筒上。
(8)焊接式
如图l-j所示,将端盖直接焊在缸筒上,强度高,制造简单,但容易引起焊接变形,维修时需破坏端盖才行。
(9)销钉式
如图l-k所示,将端盖装入缸筒后,相配钻皎,装上销钉。
这种连接方式简单方便,但销钉承受的剪切力较大,要校核强度和销钉数量。
(10)拉杆式
如图1-1所示,起结构简单,工艺性好,通用性大,但端盖的体积和重量较大,拉杆受力后会拉伸变长,影响密封效果,只适用于中低压液压缸。
除了缸筒与缸盖和缸底的结构形式外,安装液压缸时,如结构允许,进出油口位置必须在最上面。
液压缸必须装成使其能自动放气或装有方便的放气口。
缸筒上的进出油口和排气阀的阀座,一般都焊接在缸筒的最上面,以利于安装和空气的排除。
2)缸筒的材料
缸筒常用20、35、45号无缝钢管,当缸筒上需要焊接缸底、耳轴或管接头时,多采用35号钢管。
在承受的负载很大时,如液压支架中的立柱等,常用低合金无缝钢管,如27SiMn和30CrMnSi等。
3)缸底
缸底的材料常用35号或45号钢。
缸筒采用无缝钢管时,缸底与缸筒多采用焊接结构,它的特点是结构紧凑,加工简单,工作可靠,但容易产生焊接变形。
通常缸底上口与缸筒内孔间采用过渡配合,以限制焊接后的变形。
除焊接结构外,缸底与缸筒可采用螺纹连接、半环连接和法兰连接等多种连接方式。
要根据具体设计要求灵活选择。
4)缸盖
缸口部分一般由密封圈、导向套、防尘圈和锁紧装置等组成,用作活塞杆的导向和密封等。
缸孔和活塞杆直径不同,缸口部分的结构也有所不同,缸盖与缸筒的典型连接结构有,外螺纹连接,它的外径小,质量轻,但结构工艺性较差;内半环连接,内卡环常由三个半环组成,其结构简单而且紧凑,拆装也较方便,但缸壁上的环槽削弱了缸筒的强度;法兰连接,特点是结构简单而且紧凑,拆装和加工容易。
缺点是外形和质量都比较大;钢丝连接,这种连接方式的结构最简单、紧凑,已逐渐被推广使用。
值得注意的是缸盖与缸筒的连接很少采用焊接结构。
缸盖材料一般用35、45号钢锻件。
当缸盖兼作导向套时,应采用铸铁并在其工作表面堆焊青铜,黄铜或其它耐磨材料,导向套也可单独制成后压入缸盖内孔。
5)缸体与外部的连接结构
油缸依与机器的设置与固定方式可分为两大类:
a、刚性固定:
采用底座或法兰连接
b、皎接固定:
采用耳环或皎轴
油缸的安装一般是通过两端的耳环或中部皎轴与工作机构连接。
缸底耳环通常做成整体或焊接。
活塞杆耳环可做成整体或采用焊接或螺纹连接。
皎轴可根据工作机构的要求焊接在缸体的头部、尾部或任意中间位置,其中以头部皎轴对活塞杆的弯曲作用最小。
耳环与皎轴的材料可采用45号钢或ZG35铸钢。
6)活塞
活塞材料通常用钢或铸铁,也有用铝合金制成的,它的结构上主要考虑的问题是:
活
塞与缸筒的滑动和密封,活塞与活塞杆之间的连接与密封。
7)活塞杆
活塞杆是油缸的主要传力零件,必须有足够的强度和刚性。
活塞杆有空心和实心两种结构。
空心活塞杆的一端留有透气孔,使焊接和热处理时能排出热气。
实心活塞杆的材料多用35、45号钢,空心活塞杆一般用35、45号无缝钢管
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