液压破碎钳结构设计.doc

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宁西南科技大学

毕业设计（论文）

混凝土破碎液压钳设计

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目录

目录 2

1绪论 5

1.1液压概况 5

1.2液压工作原理 5

1.3液压系统的设计步骤与设计要求 8

2液压钳液压原理方案分析与比较 9

2.1液压工作原理方案一 9

2.2液压工作原理方案二 10

2.3液压工作原理方案三 11

2.4液压原理图方案确定 11

3主要计算 12

3.1技术要求 12

3.2工况分析 13

3.2.1负载分析 13

3.2.2初步确定液压缸参数 13

3.2.3活塞杆的设计与计算 15

3.2.4液压缸工作行程的确定 16

3.2.5活塞的设计 17

3.2.6导向套的设计与计算 17

3.2.7端盖和缸底的设计与计算 19

3.2.8缸体长度的确定 20

3.2.9缓冲装置的设计 20

3.2.10排气装置 21

3.2.11密封件的选用 23

3.2.12防尘圈 24

3.2.13液压缸的安装连接结构 25

3.2.14计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率 26

4液压缸主要零件的材料和技术要求 27

4.1缸体 27

4.2活塞 28

4.3活塞杆 29

4.4缸盖 30

4.5导向套 31

第5章液压集成块的设计 33

5.1块式集成的结构 35

5.2块式集成的特点 35

5.3块式集成液压控制装置的设计 35

6、电动泵站的参数计算 39

7、电动机的选择 40

8、液压元件的选择 40

8.1液压阀及过滤器的选择 40

8.2油管的选择 41

8.3油箱容积的确定 41

9、验算液压系统性能 41

9.1压力损失的验算及泵压力的调整 41

9.2液压系统的发热和温升验算 44

10混凝土破碎液压钳程序框图及程序清单设计 45

10.1动作要求 45

10.2程序框图 45

10.3程序清单 47

10.4安装与调试的注意事项 58

总结 59

参考文献 60

致谢 61

64

第1章绪论

1.1液压概况

当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、数字控制等技术上也有许多新成就。

此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，更日益显示出显著的成绩。

从17世纪中叶巴斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，也已有二三百年历史了。

近代液压传动在工业上的真正推广使用只是本世纪中叶以后的事，至于它和微电子技术密切结合，得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以精确控制，更是近10年内出现的新事物。

我国的液压工业开始于本世纪50年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和工程机械上。

自1964年从国外引进一些液压元件生产技术、同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。

80年代起更加速了对西方先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、人才培训、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。

1.2液压工作原理

驱动的液压系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管组成。

它的工作原理：

液压泵由电动机带动旋转后，从油箱中吸油。

油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入压力管后，将换向阀手柄、开停手柄方向往内的状态下，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞和工作台向右移动。

这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管排回油箱。

为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。

要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。

输入液压缸的油液是通过节流阀调节的，液压泵输出的多余的油液须经溢流阀和回油管排回油箱，这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。

所以，在系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的，它和缸中的油液压力不一样大。

液压传动有以下一些优点：

1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力，因为

液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出30~40倍。

在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。

液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。

2）液压装置工作比较平稳。

由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置

易于实现快速启动、制动和频繁的换向。

液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达500次/min，实现往复直线运动时可达1000次/min。

3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还

可以在运行的过程中进行调速。

4）液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量或流动方向易

于进行调节或控制的缘故。

当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。

5）液压装置易于实现过载保护。

液压缸和液压马达都能长期在失速状

态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。

液压件能自行润滑，使用寿命较长。

6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、

制造和使用都比较方便。

液压元件的排列布置也具有较大的机动性。

7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。

液压传动的缺点是：

1）液压传动不能保证严格的传动化，这是由液压油液的可压缩性和泄

漏等原因造成的。

2）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失

等），长距离传动时更是如此。

3）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影

响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。

4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价

较贵，而且对油液的污染比较敏感。

5）液压传动要求有单独的能源。

6）液压传动出现故障时不易找出原因。

1.3液压系统的设计步骤与设计要求

液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。

着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。

第2章液压钳液压原理方案分析与比较

2.1液压工作原理方案一

液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作。

也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。

容积节流调速采用变量泵供油。

节流阀或调速阀控制流人（或流出）执行元件的流量，使泵的流量与执行元件所需的流量相适应。

优点是无溢流损失，速度负载特性好，效率高。

在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压．而不用单设高压泵。

液压执行元件在工作循环中．某段时问不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。

在本系统中，采用泵供油，节流阀控制元件流量。

本方案采用的是溢流阀集中控制油路，没有单独控制每个液压缸。

油缸回路没有采用差动连接，回程的速度相对比较慢。

2.2液压工作原理方案二

本方案采用的是溢流阀集中控制油路，没有单独控制每个液压缸。

油缸回路采用差动连接，回程的速度相对比较快。

采用了2位3通的方向阀控制油缸的进油和出油口可以自行控制是否选择差动。

2.3液压工作原理方案三

本方案采用的是溢流阀分散控制油路，单独控制每个液压缸。

油缸回路采用差动连接，回程的速度相对比较快。

采用了2位3通的方向阀控制油缸的进油和出油口可以自行控制是否选择差动。

该方案更具有一定的灵活性。

2.4液压原理图方案确定

根据上述介绍，为了使系统控制更具有灵活性，采用第3种方案设计。

第3章主要计算

3.1技术要求

混泥土破碎钳液压系统的动作循环为：

快进—工进—快退—原位停止。

液压钳最大破碎厚度450mm,油缸最大油压80MPa,最大破碎力560kN,钳体质量60kg。

（2）电动泵站的技术参数:

油泵油压80MPa,油泵流量2.6L/min,油箱容量30L,电机功率3kW,电压380V。

动作要求：

启动—左右两压紧缸分别向外伸出—液压钳两钳口钳紧，破碎混凝土—换向阀换向—液压钳松开—液压缸回到原始位置—停机

液压原理图分析与比较

3.2工况分析

3.2.1负载分析

绘制工作循环图

3.2.2初步确定液压缸参数

由题目要求可知，液压系统的最大负载约为560KN（最大破碎力560kN）油缸最大油压80MPa，为了满足工作台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，则液压缸无杆腔与有杆腔的等效面积A1与A2应满足A1=2A2（即液压缸内径D和活塞杆直径d应满足：

d=0.707D。

为防止切削后工件突然前冲，液压缸需保持一定的回油背压，为暂取背压为0.5MPa并取液压缸机械效率。

则液压缸上的平衡方程

由于切削力有2个油缸共同提供，所以计算的一个油缸的时候取值为总的一半

故液压缸无杆腔的有效面积：

液压缸直径

表1液压缸内径系列GB/T2348-1980mm

8

10

12

16

20

25

32

40

50

63

80

100

125

160

200

250

320

400

500

按GB/T2348-1980，取标准值D=80mm；

1.液压缸缸体厚度计算

缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。

缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。

在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。

式中，——实验压力，MPa。

当液压缸额定压力Pn5.1MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。

[]——缸筒材料许用应力，N/mm。

[]=，为材料的抗拉强度。

注：

1.额定压力Pn

额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=80MPa

2.最高允许压力Pmax

Pmax1.5Pn=1.2580=100MPa

液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：

σb=600MPa

安全系数n按《液压传动与控制手册》P243表2—10，取n=5。

则许用应力[]==120MPa

=

=33.33mm

液压缸厚度取35mm。

则液压缸缸体外径为150mm。

3.缸筒结构设计

缸筒两端分别与缸盖和缸底链接，构成密封的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关[6]。

因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用结构便于装配、拆卸和维修的链接形式，缸筒内外径应根据标准进行圆整。

3.2.3活塞杆的设计与计算

活塞杆是液压缸传递力的主要零件，它主要承受拉力、压力、弯曲力及振动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。

其材料取45钢。

活塞杆直径的计算[1]

查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：

当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。

查《液压传动与控制手册》根据杆径比d/D，一般的选取原则是：

当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。

因A1=2A，故活塞杆直径d=0.707D=56.56mm取d=56（标准直径）

表2活塞杆直径系列

4

5

6

8

10

12

14

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

400

则液压缸有效面积为：

2.活塞杆强度计算：

<56mm

式中————许用应力；（45钢的抗拉强度为600MPa,为安全系数取5，即活塞杆的强度适中）

3．活塞杆的结构设计

活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。

4.活塞杆的密封与防尘

活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。

采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。

薄钢片厚度为0.5mm。

为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。

3.2.4液压缸工作行程的确定

液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。

液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。

表4-4（a）液压缸行程系列（GB2349-80）[6]

25

50

80

100

125

160

200

250

320

400

500

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

3200

4000

表4-4（b）液压缸行程系列（GB2349-80）[6]

40

63

90

110

140

180

220

280

360

450

550

700

900

1100

1400

1800

2200

2800

3600

表4-4（c）液压缸形成系列（GB2349-80）[6]

240

260

300

340

380

420

480

530

600

650

750

850

950

1050

1200

1300

1500

1700

1900

2100

2400

2600

3000

3400

3800

根据设计要求液压钳最大破碎厚度450mm,两个油缸的行程之和要至少为450mm（即单独一个油缸的行程为225MM）,可选取液压缸的工作行程为250mm。

3.2.5活塞的设计

由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。

配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。

活塞与缸体的密封形式分为：

间隙密封（用于低压系统中的液压缸活塞的密封）、活塞环密封（适用于温度变化范围大、要求摩擦力小、寿命长的活塞密封）、密封圈密封三大类。

其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因数小，安装空间小）、Y形密封圈（用在20Mpa压力下、往复运动速度较高的液压缸密封）、形密封圈（耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa压力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。

综合以上因素，考虑选用O型密封圈。

3.2.6导向套的设计与计算

1.最小导向长度H的确定

当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度[1]。

如果导向长度过短，将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸工作性能和稳定性。

因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。

根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为:

（4-5）

一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=（0.6~1.0）D，当缸径大于80mm时取A=（0.6~1.0）d.。

活塞宽度B取B=（0.6~1.0）D。

若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K（见图4-1）来增加H值。

隔套K的宽度。

图4-1液压缸最小导向长度[1]

因此:

最小导向长度，取H=9cm；

导向套滑动面长度A=

活塞宽度B=

2.导向套的结构

导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。

1）普通导向套这种导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用[6]。

2）易拆导向套这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。

当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行，维修十分方便。

它适用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况下。

3）球面导向套这种导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋劲“现象。

这样，不仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。

4）静压导向套活塞杆往复运动频率高、速度快、振动大的液压缸，可以采用静压导向套。

由于活塞杆与导向套之间有压力油膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力油中浮动，所以摩擦因数小、无磨损、刚性好、能吸收振动、同轴度高，但制造复杂，要有专用的静压系统。

3.2.7端盖和缸底的设计与计算

在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。

端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。

端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。

1.端盖的设计计算

端盖厚h为：

式中D1——螺钉孔分布直径，cm；

P——液压力，；

——密封环形端面平均直径，cm；

——材料的许用应力，。

2.缸底的设计

缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。

3.端盖的结构

端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外，还必须考虑活塞杆的导向，密封和防尘等问题[6]。

缸体端部的连接形式有以下几种：

A．焊接特点是结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。

缸体焊接后可能变形，且内缸不易加工。

主要用于柱塞式液压缸。

B．螺纹连接（外螺纹、内螺纹）特点是径向尺寸小，质量较小，使用广泛。

缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸徐专用工具；安装时应防止密封圈扭曲。

C．法兰连接特点是结构较简单，易加工、易装卸，使用广泛。

径向尺寸较大，质量比螺纹连接的大。

非焊接式法兰的端部应燉粗。

D．拉杆连接特点是结构通用性好。

缸体加工容易，装卸方便，使用较广。

外形尺寸大，质量大。

用于载荷较大的双作用缸。

E．半球连接，它又分为外半环和内半环两种。

外半环连接的特点是质量比拉杆连接小，缸体外径需加工。

半环槽消弱了缸体，为此缸体壁厚应加厚。

内半环连接的特点是结构紧凑，质量小。

安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油口边缘擦伤。

F．钢丝连接特点是结构简单，尺寸小，质量小。

3.2.8缸体长度的确定

液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。

缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度[1]。

一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的20~30倍。

取系数为5,则液压缸缸体长度：

L=5*10cm=50cm。

3.2.9缓冲装置的设计

液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。

在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。

采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。

缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。

当液压缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。

在该组合机床液压系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。

3.2.10排气装置

如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置，压力油进入液压缸后，缸内仍会存在空气[6]。

由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行,影响液压缸的正常工作。

比如液压导轨磨床在加工过程中，这不仅会影响被加工表面的光洁程度和精度，而且会损坏砂轮和磨头等机构。

为了避免这种现象的发生，除了防止空气进入液压系统外，还必须在液压缸上设置排气装置。

配气装置的位置要合理，由于空气比压力油轻，总是向上浮动，因此水平安装的液压缸，其位置应设在缸体两腔端部的上方；垂直安装的液压缸，应设在端盖的上方。

一般有整体排气塞和组合排气塞两种。

整体排气塞如图4-2（a）所示。

表4-5排气阀（塞）尺寸[6]

d

阀座

阀杆

孔

c

D

M16

6

11

6

19.2

9

3

2

31

17

10

8.5

3

48

4~6

23

M20x2

8

14

7

25.4

11

4

3

39

22

13

11

4

59

4~8

28

图4-2（a）整体排气孔图4-2（b）组合排气孔

图4-2（c）整体排气阀零件结构尺寸

由于螺纹与缸筒或端面连接，靠头部锥面起密封作用。

排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出来并经过斜孔排除缸外。

这种排气装置简单、方便，但螺纹与锥面密封处同轴度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，造成外泄漏。

组合排气塞如图4-2（b）所示，一般由络螺塞和锥阀组成。

螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面排出空气。

排气装置的零件图及尺寸图见4-2（c）以及表4-2（d）。

图4-2（d）组合排气阀零件结构尺寸

3.2.11密封件的选用

1.对密封件的要求

液压缸工作中要求达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。

在设计时，正确地选择密封件、导向套（支承环）和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。

从现在密封技术来分析，液压缸的活塞和活塞杆及密封、导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑，具有可靠的密封系统，才能式液压缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。

在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料液压缸，如摆动液压缸等。

液压缸中不仅有静密封，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，容易制造和装卸，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、U形、V形、J形、L形和Y形等。

除O形外，其他都属于唇形密封