雙作用液壓缸的設計與控制[薈萃知識]

1、中原工學院機電學院機電系統(tǒng)綜合實驗（2016-2017學年 第 1 學期）專 業(yè)： 機械電子工程 題 目： 可伸縮伺服液壓缸 姓 名： 程方園 學 號： 201300384109 班 級 機電131 指導教師： 周高峰 崔路軍 完成日期： 2017 年 1 月 12 日機械電子工程系借鑒1%目 錄設計任務書31.設計目的與意義42. 設計內(nèi)容和要求42.1確定總體方案42.2設計內(nèi)容52.3設計要求53.設計進度安排54.機電系統(tǒng)設計的分析、計算、選用與說明54.1機械設計54.1.1液壓缸的結(jié)構(gòu)設計54.1.2、液壓缸的主要技術(shù)性能參數(shù)的計算64.1.4、液壓缸主油缸的設計計算84.1.5、

2、缸體的材料和技術(shù)要求114.1.6、活塞桿徑的計算與校核114.1.7、快速液壓缸柱塞直徑的計算134.1.8、缸蓋的設計計算134.1.9、液壓缸油口的直徑計算144.1.10、導向套的設計計算15e內(nèi)孔中的環(huán)形油槽和直油槽要淺而寬，保證潤滑條件良好154.2液壓回路設計164.3電路設計164.4控制設計175. 機電綜合課程設計結(jié)論176.機電綜合課程設計的收獲、體會和建議177. 參考文獻188.附錄18設計任務書題 目可伸縮伺服液壓缸的設計與控制設計內(nèi)容1） 理解可伸縮伺服液壓缸的功能和工作原理，確定其功能參數(shù)；2） 明確可伸縮伺服液壓缸的具體結(jié)構(gòu)和控制方式，并給出相關(guān)參數(shù)；3） 分

3、析和計算可伸縮伺服液壓缸機械結(jié)構(gòu)，并確定控制的具體實現(xiàn)。4） 繪制可伸縮伺服液壓缸機械圖紙和電氣電子線路圖；5） 撰寫技術(shù)說明書。時間進度1）17周：機械設計2）18周：液壓回路設計，電路設計3）19周：控制電路設計主要參考書籍和資料1馮清秀，鄧星鐘等著.機電傳動控制M.武漢：華中科技大學出版社，2011.2劉德全著.Proteus8電子線路設計與仿真M.北京：清華大學出版社，2014.3成大先編.機械設計手冊（第5版）M.北京：化學工業(yè)出版社，2008.4董玉紅徐莉萍編.機械控制工程基礎（第2版）M.北京：機械工業(yè)出版社，2013.5秦曾煌著.電工技術(shù)（第7版）M.北京：高等教育出版社，20

4、09.6王成元，夏加寬等著.現(xiàn)代電機控制技術(shù)（第2版）M.北京：機械工業(yè)2014.7濮良貴，陳國定著.機械設計（第9版）M.北京：高等教育出版社，2015.8劉娜李波等著.AutoCadMechanical機械設計入門到精通（第3版）M.北京：機械工業(yè)出版社，2015.任務分工備 注借鑒1% 可伸縮伺服液壓缸設計與控制1.設計目的與意義油缸是液壓傳動系統(tǒng)中實現(xiàn)往復運動和小于360回擺運動的液壓執(zhí)行元件。具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，制造容易以及使用維護方便、低速穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)各部門。其主要應用有：工程機械中挖掘機和裝載機的鏟裝機構(gòu)和提升機構(gòu)， 起重機械中汽車起重機的伸縮臂和

5、支腿機構(gòu)，礦山機械中的液壓支架及采煤機的滾筒調(diào)高裝置，建筑機械中的打樁機，冶金機械中的壓力機，汽車工業(yè)中自卸式汽車和高空作業(yè)車，智能機械中的模擬駕駛艙、機器人、火箭的發(fā)射裝置等。它們所用的都是直線往復運動油缸，即推力油缸。所以進一步研究和改進液壓缸的設計制造，提高液壓缸的工作壽命及其性能，對于更好的利用液壓傳動具有十分重要的意義。 通過學生自己獨立地完成指定的課程設計任務，提高理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力，學會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術(shù)文件的能力，進一步加強設計計算和制圖等基本技能的訓練，為畢業(yè)后成為一名出色的機械工程師打好基礎。2. 設計內(nèi)容和要求1）理解可伸縮伺服液壓

6、缸的功能和工作原理，確定其功能參數(shù)；2）明確可伸縮伺服液壓缸的具體結(jié)構(gòu)和控制方式，并給出相關(guān)參數(shù)；3）分析和計算可伸縮伺服液壓缸機械結(jié)構(gòu)，并確定控制的具體實現(xiàn)。4）繪制可伸縮伺服液壓缸機械圖紙和電氣電子線路圖；5）撰寫技術(shù)說明書2.1確定總體方案 當下各種液壓缸規(guī)格品種比較少，主要是因各種機械對液壓缸的要求差別太大。比如對液壓缸的內(nèi)徑、活塞桿直徑、液壓缸的行程和連接方式等要求不一樣。由于本次液壓設計主要是實現(xiàn)立式快速的原則，故選雙作用單活塞桿立式快速液壓缸的設計。采用焊接連接。 2.2設計內(nèi)容可伸縮伺服液壓缸設計與控制液壓缸的公稱壓力為30Mpa液壓缸快進速度為0.2m/s液壓缸的行程為300

7、mm液壓缸回程力為175KN,2.3設計要求1）理解可伸縮伺服液壓缸的功能和工作原理，確定其功能參數(shù)；2）明確可伸縮伺服液壓缸的具體結(jié)構(gòu)和控制方式，并給出相關(guān)參數(shù)；3）分析和計算可伸縮伺服液壓缸機械結(jié)構(gòu)，并確定控制的具體實現(xiàn)。4）繪制可伸縮伺服液壓缸機械圖紙和電氣電子線路圖；5）撰寫技術(shù)說明書3.設計進度安排1）17周：機械設計2）18周：液壓回路設計，電路設計3）19周：控制電路設計4.機電系統(tǒng)設計的分析、計算、選用與說明4.1機械設計4.1.1液壓缸的結(jié)構(gòu)設計1、缸體與缸的連接 缸體與缸的連接形式較多，有拉桿連接、法蘭連接、內(nèi)半環(huán)連接、焊接連接、。在此選用焊接連接。3、活塞與活塞桿的連接

8、活塞與活塞桿的連接大多采用螺紋連接結(jié)構(gòu)和卡鍵連接結(jié)構(gòu)。螺紋連接結(jié)構(gòu)形式簡單實用，應用較為普遍；卡鍵連接機構(gòu)適用于工作壓力較大，工作機械振動較大的油缸。因此從多方面的因素考慮選擇螺紋連接結(jié)構(gòu)。 4、液壓缸缸體的安全系數(shù) 對缸體來說，液壓力、機械力和安全系數(shù)有關(guān)的因素都對缸體有影響。液壓缸因壓力過高喪失正常工作能力而破壞，往往是強度問題、剛度和定性問題三種形式給表現(xiàn)出來，其中最重要的還是強度問題。要保證缸體的強度，一定要考慮適當?shù)陌踩禂?shù)。4.1.2、液壓缸的主要技術(shù)性能參數(shù)的計算1、壓力 所謂壓力，是指作用在單位面積上的負載。從液壓原理可知，壓力等于負載力與活塞的有效工作面積之比。P=F/A(N

9、/m)式中：F作用在活塞上的負載力（N） A活塞的有效工作面積（m） 從上述可知，壓力值的建立是因為負載力的存在而產(chǎn)生的，在同一個活塞的有效工作面積上，負載越大，所需的壓力就越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大。如果活塞的有效工作面積一定，壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大。由此可知：1、根據(jù)負載力的大小，選擇活塞面積合適的液壓缸和壓力適當?shù)囊簤罕谩?、根據(jù)液壓泵的壓力和負載力，設計和選用合適的液壓缸。3、根據(jù)液壓缸的壓力和液壓缸的活塞面積，確定負載的重量。在液壓系統(tǒng)中，為了便于液壓元件和管路的設計選用，往往將壓力分級。見下表1.1所示：表1.1 壓力分級 級別低壓中壓中高壓高壓超高壓壓力范圍（Mpa）

10、02.52.55816163232 本次液壓缸的設定公稱壓力為30Mpa，由表1.1可知，本此液壓缸屬于高壓。2、流量所謂流量是指單位時間內(nèi)液體流過管道某一截面的體積。對液壓缸來說，等于液壓缸容積與液體充滿液壓缸所需時間之比。即：q=V/t式中：V液壓缸實際需要的液體體積（L） t液體壓力充滿液壓缸缸所需的時間（min）3、運動速度 運動速度是指單位時間內(nèi)液體流入液壓缸推動活塞（或柱塞）移動的距離，運動速度可表示為：v=q/A式中：q流量（m3/s） A活塞活塞受力作用面積（m）設定快進速度為0.2m/s計算運動速度的意義在于：1、對于運動的速度為主要參數(shù)的液壓缸，控制流量是十分重要。2、根據(jù)

11、液壓缸的速度，可以選用流量合適的液壓泵。3、根據(jù)液壓缸的速度，可以確定液壓缸的進、出油口的尺寸，注塞桿，活塞和活塞桿的直徑。4、利用活塞桿前進和后退的不同速度，可實現(xiàn)液壓缸的慢速攻進和快速退回。4、速比 速比是指液壓缸活塞桿往復運動的速度之比，因為速度與活塞的有效工作面積有關(guān)，速比也是活塞兩側(cè)有效工作面積之比。式中：D液壓缸直徑（m） d活塞桿的直徑（m） 計算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和決定是否設置緩沖裝置。速比不宜過大或過小，以免產(chǎn)生過大的背壓或造成活塞桿太細，穩(wěn)定性不好。值可根據(jù)公稱壓力表值1.3選定表1.3公稱壓力與速比值公稱壓力（Mpa）1012.52020速比1.331.462

12、5、推力和拉力 液壓油作用在活塞上的液壓力，對于雙作用單活塞桿液壓缸來說，活塞桿伸出時的推力為F：F=A1P106活塞桿縮回時的拉力為F：F=Ax10=（D-d）Px10式中： P工作壓力（Mpa） D缸筒內(nèi)徑（m） d活塞桿直徑（m）6、行程 液壓缸的活塞行程S，在初步設計時，主要是按實際工作需要長度來考慮。但是，實際需要的工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程，為了計算行程，應首先計算出活塞桿的最大允許計算長度。L=1.01dx10(cm)式中： d活塞桿直徑（cm） P活塞桿縱向壓縮負載（N） n末端條件系數(shù)，可查表求出，依題可知n=1/4 n安全系數(shù)，n6 根據(jù)液壓缸的各種安裝形

13、式和歐拉公式所確定的活塞桿計算長度及導出行程計算式。一般情況下，液壓缸看縱向壓縮負載是知道的，有上式即可大概求出液壓缸的最大允許行程。設計液壓缸的行程為300mm。4.1.3、液壓缸的基本參數(shù)1、液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑尺寸系列 液壓缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-1993）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括號內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸 活塞桿外徑尺寸 系列（GB/T2348-1993） 4 5 6 8 10 12 14 16

14、 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活塞桿連接螺紋型式按細牙，規(guī)格和長度查有關(guān)資料。 液壓缸的行程系列（GB23491980） 第一系列 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 第二系列 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 220

15、0 2800 3600 在設計計算后按1.1.1、1.1.2、1.2.1、1.2.2選用缸徑、桿徑和行程，并驗算與要求控制在5%內(nèi)4.1.4、液壓缸主油缸的設計計算 1、缸體內(nèi)徑D的計算 設計過程中，根據(jù)已經(jīng)給出的工作壓力、公稱壓力計算缸體的內(nèi)徑，對于雙作用單活塞桿液壓缸的計算如下：F=PA= P 式中： F-液壓缸的公稱壓力； P-液壓缸的工作壓力；所以： D = = =0.206mm根據(jù)（GB/T23481993）圓整后取D =220mm實際公稱力F=30x10x=949850N1140KN驗算： 所以合理，即D =220mm2、缸體壁厚的計算 按厚壁筒計算，因我們本次設計缸體的材料為QT

16、500-7球墨鑄鐵，是脆性材料，則考慮用第一和第二強度理論計算，又因第二強度理論比第一強度理論更節(jié)省材料，故選用第二強度理論來計算：P為試驗壓力： 當缸的額定壓力P16Mpa時，P=1.5P 當缸的額定壓力P16Mpa時，P=1.25P所以： =1.2530=37.5Mpa=（-1） =(-1)=0.049m根據(jù)國標GB87131988，圓整后取=50mm3、缸體外徑D1的計算D1 = D+2式中： D缸體內(nèi)徑（參見4.4.1重型機械表）所以： D1 = D+2=220+250=320mm根據(jù)重型機械表4.41，取D1=320mm合理。4、缸體壁厚的驗算 因我們本次設計缸體的材料為QT500-

17、7球墨鑄鐵,是脆性材料，采用第二強度理論驗算（以能量為依據(jù)）即：=71.99MPaD=D=0.22=0.317m=71.99Mpa80mm,則取 A=0.6X20=12 cm 根據(jù)實際情況考慮: A=985cm B=19.5cm3、導向套的材料及技術(shù)要求1.導向套的材料導向套一般采用摩擦系數(shù)小、耐磨性好的青銅材料制作，也可以選用鑄鐵、球鐵。2.導向套的技術(shù)要求a.外圓與端蓋內(nèi)孔的配合多為H8/f7b.導向套內(nèi)孔與活塞桿外圓的配合多為H9/f9c.外圓與內(nèi)孔的同軸度誤差不大于0.03d.形狀誤差不大于公差之半e內(nèi)孔中的環(huán)形油槽和直油槽要淺而寬，保證潤滑條件良好f表面粗糙度為4.2液壓回路設計4.

18、3電路設計按下SB2，繼電器K1得電并自鎖，YA2得電，油缸左腔得油伸出，當推動活塞的壓力大于溢流閥所設定的壓力時，溢流閥導通卸荷，使活塞伸出速度保持一致，工作穩(wěn)定，按下SB3，繼電器K2得電并自鎖，互鎖斷開YA2, YA1得電，油缸右腔得油縮回，當推動活塞的壓力大于溢流閥所設定的壓力時，溢流閥導通卸荷，使活塞伸出速度保持一致，工作穩(wěn)定。按下SB1急停。4.4控制設計5. 機電綜合課程設計結(jié)論 經(jīng)過一些列的計算和繪圖以，達到設計目的的要求。6.機電綜合課程設計的收獲、體會和建議 三周的機電液綜合設計與實驗終于結(jié)束了，雖然很忙碌很疲勞，但感覺收獲還是蠻大的。 為了使液壓缸各個結(jié)構(gòu)設計的精確，我查閱了許多手冊和參考書，為我以后 的畢業(yè)設計打下了牢固的基礎。我?guī)缀趺刻斓膶Ｗ⒑托羷?，喚回了我對液壓與氣壓傳動的重新認識，對液壓缸結(jié)構(gòu)的深刻理解，還有一種對設計制圖工作的熱情和認真態(tài)度，我的細心再次發(fā)揮了優(yōu)勢，我不敢說我的這份設計圖一定會得優(yōu)秀，但看著圖紙上的每一個細節(jié)，我覺得沒有枉費這兩周來的心血。同時也讓我覺得大學里學到了很多知識，我的大學生活沒有浪費。7. 參考文獻1馮清秀，鄧星鐘等著.機電傳動控制M.武漢：華中科技大學出版社，2011.2劉德全著.Proteus8電子線路設計與仿真M.北京：清