液壓缸設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目錄一、設(shè)計(jì)要求-11、目的12、題目1二、總述-21、作者的話-22、設(shè)計(jì)提要3三、各零部件的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算-51、缸筒設(shè)計(jì)52、法蘭設(shè)計(jì)143、活塞設(shè)計(jì)194、活塞桿設(shè)計(jì)215、緩沖裝置和排氣閥設(shè)計(jì)26四、外接線路和程序-271、液壓設(shè)配外接線路272、操作板283、程序地址分配294、芯片接線圖315、PLC程序指令-33五、參考文獻(xiàn)38一、設(shè)計(jì)要求1、目的、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知識(shí)領(lǐng)域。、培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書(shū)籍以及編寫(xiě)技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技

2、能。、培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品的一般程序和方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。、樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。2、題目液壓油缸的壓力和速度控制、執(zhí)行元件：液壓油缸；、傳動(dòng)方式：電液比例控制；、控制方式：?jiǎn)纹C(jī)控制、PLC控制；、控制要求：速度控制、推力控制；、主要設(shè)計(jì)參數(shù)：油缸工作行程600、400mm；額定工作油壓4MP；移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量1000、2000kg；負(fù)載移動(dòng)阻力5000、10000N；移動(dòng)速度控制3、6m/min。二、總述1、作者的話液壓油缸在現(xiàn)代工程中的使用十分頻繁，其工作性能和可靠性直接影響工程的質(zhì)量和進(jìn)度；利用數(shù)控電液伺服閥來(lái)控制液壓油缸，可以實(shí)現(xiàn)輸出的線性和實(shí)時(shí)控制，在很

3、大程度上改善工程油缸的使用性能；本次設(shè)計(jì)中使用的電液比例換向閥可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)械轉(zhuǎn)換，配合放大器件同時(shí)使用，能夠?qū)τ透走M(jìn)行良好的控制；實(shí)施控制的器件為可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller），選用德國(guó)西門子STEP7-200進(jìn)行編程，接口簡(jiǎn)單易懂。因?yàn)檎f(shuō)明書(shū)比較長(zhǎng)，為了方便閱讀，在下面的“設(shè)計(jì)提要”中會(huì)先給出液壓油缸設(shè)計(jì)的主要參數(shù)和一些部件的選用，在后續(xù)的“各零部件設(shè)計(jì)及驗(yàn)算”中再加以具體的說(shuō)明和驗(yàn)證。2、設(shè)計(jì)提要、液壓油缸主要參數(shù)給定在設(shè)計(jì)要求中已經(jīng)提到的參數(shù)這里就不再贅述，下面只給出此次設(shè)計(jì)中液壓油缸主要部件的其他參數(shù)：缸內(nèi)徑：D=80mm；缸外徑：=

4、90mm；壁厚：=5mm；極限推力：=30162N；速比：=2；活塞桿直徑：=56mm；活塞外推流量：=0.5L/s法蘭厚：h=8mm；、法蘭安裝方式選擇后端法蘭安裝方式，因?yàn)槭峭屏?，所以選用如下方式：、緩沖機(jī)構(gòu)的選用一般承壓在10MP以上應(yīng)當(dāng)選用緩沖機(jī)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)中，工作壓力為4MP，因此緩沖機(jī)構(gòu)從略。、密封裝置選用選用Yx型密封圈，聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）材料聯(lián)合使用，達(dá)到良好的密封效果。、工作介質(zhì)的選用因?yàn)楣ぷ髟诔叵?，所以選用普通的是油型液壓油即可。、液壓缸的裝配裝配前必須對(duì)各零件仔細(xì)清洗；要正確安裝各處的密封裝置：安裝形密封圈時(shí)，要注意其安裝方向，避免因裝反而漏油，其唇

5、邊應(yīng)對(duì)著有壓力的油腔。此外，因?yàn)槭荵x形密封圈，所以還要注意區(qū)分是軸用還是孔用，不要裝錯(cuò)；由于密封裝置與滑動(dòng)表面配合，裝配時(shí)應(yīng)涂以適量的液壓油； 螺紋聯(lián)接件擰緊時(shí)應(yīng)使用專用扳手，扭力矩應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；活塞與活塞桿裝配后，須設(shè)法測(cè)量其同軸度和在全長(zhǎng)上的直線度是否超差；裝配完畢后活塞組件移動(dòng)時(shí)應(yīng)無(wú)阻滯感和阻力大小不勻等現(xiàn)象。三、各零部件的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算1、缸筒設(shè)計(jì)、缸筒結(jié)構(gòu)的選擇連接方式如下圖：選取法蘭式連接，并且法蘭和缸筒用焊接方式連接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易選取、易裝卸；缺點(diǎn)是外徑較大，比螺紋連接的重量大。、缸筒的要求有足夠強(qiáng)度，能夠承受動(dòng)態(tài)工作壓力，長(zhǎng)時(shí)間工作不會(huì)變形；有足夠剛度，承受活塞側(cè)向力和

6、安裝反作用力時(shí)不會(huì)彎曲；內(nèi)表面和導(dǎo)向件與密封件之間摩擦少，可以保證長(zhǎng)期使用；缸筒和法蘭要良好焊接，不產(chǎn)生裂紋。、缸筒材料的選取及強(qiáng)度給定部分材料的機(jī)械性能如下表：本次設(shè)計(jì)選取45號(hào)鋼從表中可以得到：缸筒材料的屈服強(qiáng)度=360MP；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度=610MP；現(xiàn)在利用屈服強(qiáng)度來(lái)引申出：缸筒材料的許用應(yīng)力=/n=360/5=72MP。其中n=5是選取的安全系數(shù)，來(lái)源于下表：、缸筒的計(jì)算、液壓缸的效率油缸的效率由以下三種效率組成：=0.9=1=0.9所以總效率為0.8。、液壓缸缸徑的計(jì)算=10000N=0.7=0.8P=4MP本次設(shè)計(jì)中液壓缸負(fù)載為推力，根據(jù)式23.31得到內(nèi)徑：D=75.393

7、mm缸徑可以取為80mm。、流量的計(jì)算液壓缸流量根據(jù)下式計(jì)算：設(shè)計(jì)要求中給定了活塞的平均速度：=6m/min=0.1m/s而活塞的面積：=50.27 （實(shí)際上這個(gè)值可以從手冊(cè)里面查到）容積效率：=1根據(jù)式23.125得到活塞桿外推時(shí)的流量：=0.5L/s因?yàn)橹皇褂猛馔品较颍曰爻谭较虻牧髁繌穆浴?、缸筒壁厚的?jì)算缸筒壁厚可以使用下式進(jìn)行計(jì)算：根據(jù)缸徑查手冊(cè)預(yù)取=3此時(shí)/D=3/80=0.03750.08滿足使用薄壁缸筒計(jì)算式的要求，下面利用上式來(lái)計(jì)算：最高允許壓力一般是額定壓力的1.5倍，根據(jù)給定參數(shù)P=4MP，所以：=41.5=6MP許用應(yīng)力在選取材料的時(shí)候給出：=/n=360/5=72MP

8、根據(jù)式23.33得到壁厚：=3.33mm為保證安全，取壁厚為5mm。、缸筒壁厚的驗(yàn)算下面從以下三個(gè)方面進(jìn)行缸筒壁厚的驗(yàn)算：根據(jù)式23.37得到：26.44MP顯然，額定油壓P=4MP，滿足條件；先根據(jù)式23.310得到：=42.35MP再將得到結(jié)果帶入23.39得到：16.94MP顯然，額定油壓P=4MP，滿足條件；因?yàn)?610MP已經(jīng)在選擇缸筒材料的時(shí)候給出，根據(jù)式23.312得到：=71.77MP至于耐壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為：=1.5P=6MP依據(jù)為：因?yàn)楸褖毫h(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力，所以完全滿足條件。以上所用公式中各量的意義解釋如下：、缸筒的加工要求缸筒內(nèi)徑D采用H7級(jí)配合，表面粗糙度為0.16，

9、需要進(jìn)行研磨；熱處理：調(diào)制，HB240；缸筒內(nèi)徑D的圓度、錐度、圓柱度不大于內(nèi)徑公差之半；剛通直線度不大于0.03mm；油口的孔口及排氣口必須有倒角，不能有飛邊、毛刺；在缸內(nèi)表面鍍鉻，外表面刷防腐油漆。2、法蘭設(shè)計(jì)、（缸筒端部）法蘭厚度計(jì)算法蘭厚度根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：首先來(lái)計(jì)算法蘭在最大內(nèi)壓的情況下受到的壓力F：在流量的計(jì)算中已經(jīng)得出活塞的面積是：=50.27缸壁厚度計(jì)算中得出最大壓強(qiáng)：=41.5=6MP所以法蘭承受的最大壓力為：F=30162N接下來(lái)選取其它參數(shù)：=52mm=6mmb=5mm許用應(yīng)力在選取材料的時(shí)候給出：=/n=360/5=72MP將以上各量帶入式23.316得到：h=7.6m

10、m為保證安全，取法蘭厚度為8mm。、（缸筒端部）法蘭連接螺栓的強(qiáng)度計(jì)算連接圖如下：螺栓強(qiáng)度根據(jù)下式計(jì)算：最大推力為：F=30162N使用15個(gè)螺栓緊固缸蓋，即：Z=15螺紋外徑和底徑的選擇：=6mm =4.8mm系數(shù)選擇：考慮到載荷可能有變化，為了安全，選?。篕=3=0.12根據(jù)式23.320得到螺紋處的拉應(yīng)力為：=333.32MP根據(jù)式23.321得到螺紋處的剪應(yīng)力為：=196.37MP根據(jù)式23.322得到合成應(yīng)力為：=476.25MP由以上運(yùn)算結(jié)果知，應(yīng)選擇螺栓等級(jí)為12.9級(jí)：查表的得：抗拉強(qiáng)度極限=1220MP 屈服極限強(qiáng)度=1100MP不妨取安全系數(shù)n=2可以得到許用應(yīng)力值：=/n

11、=1100/2=550MP再次使用式23.322得到： 成立證明選用螺栓等級(jí)合適。3、活塞設(shè)計(jì)、活塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)活塞分為整體式和組合式，組合式制作和使用比較復(fù)雜，所以在此選用整體式活塞，形式如下圖：此整體式活塞中，密封環(huán)和導(dǎo)向套是分槽安裝的。、活塞的密封選用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料組合使用，可以顯著提高密封性能：、降低摩擦阻力，無(wú)爬行現(xiàn)象；、具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)密封性，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)；、安裝溝槽簡(jiǎn)單，拆裝簡(jiǎn)便。這種組合的特別之處就是允許活塞外園和缸筒內(nèi)壁有較大間隙，因?yàn)榻M合式密封的密封圈能防止擠入間隙內(nèi)，降低了活塞與缸筒的加工要求，密封方式圖如下：、活塞的材料選用高強(qiáng)度球墨鑄鐵Q

12、T600-3、活塞的尺寸及加工公差選擇活塞厚度為活塞桿直徑的1倍，因?yàn)榛钊麠U直徑是56mm（這個(gè)在后面的活塞桿設(shè)計(jì)中會(huì)給出解釋），所以活塞的厚度為56mm?；钊呐浜弦?yàn)槭褂昧私M合形式的密封器件，所以要求不高，這里不加敘述?；钊鈴綄?duì)內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，斷面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度不大于外徑公差之半。4、活塞桿的設(shè)計(jì)、活塞桿桿體的選擇此次設(shè)計(jì)選用的是實(shí)心桿件，形式如下圖：、活塞桿與活塞的連接形式此次設(shè)計(jì)采用的是鎖緊螺母型連接，如下圖：、活塞桿材料和技術(shù)要求、因?yàn)闆](méi)有特殊要求，所以選用45號(hào)鋼作為活塞桿的材料，本次設(shè)計(jì)中活塞桿只承受壓

13、應(yīng)力，所以不用調(diào)制處理，但進(jìn)行淬火處理是必要的，淬火深度可以在0.51mm左右。、安裝活塞的軸頸和外圓的同軸度公差不大于0.01mm，保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒、活塞桿和導(dǎo)向的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸間端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜。、活塞桿外圓粗糙度選擇為0.3、因?yàn)槭沁\(yùn)行在低載荷情況下，所以省去了表面處理。、活塞桿的計(jì)算、活塞桿直徑的計(jì)算活塞桿的直徑可以根據(jù)速比來(lái)確定，公式如下：速比=2由公式23.327計(jì)算得d=56mm事實(shí)上也可以從下面的表格中直接查?。阂?yàn)楦淄矁?nèi)徑為80mm，從上表中選取速比為2的活塞桿直徑是56

14、mm，這也正是之前在確定活塞厚度的時(shí)候所用到的數(shù)據(jù)。、活塞桿強(qiáng)度的計(jì)算活塞桿端部的負(fù)載連接點(diǎn)與與液壓缸支撐之間的距離為，如果：10d（顯然這個(gè)是成立的）就用下式計(jì)算活塞桿強(qiáng)度：實(shí)際上式中的/n 就是材料的許用應(yīng)力，之前已經(jīng)給出了45號(hào)鋼的許用應(yīng)力為：=/n=360/5=72MP最大推力F=30162N于是根據(jù)式23.328得到活塞桿的直徑：d23mm可知強(qiáng)度符合要求。、活塞桿彎矩穩(wěn)定性驗(yàn)算先計(jì)算活塞桿截面的慣性矩I=481890.304油缸支撐長(zhǎng)度=1121mm（見(jiàn)CAD油缸裝配圖）導(dǎo)向系數(shù)根據(jù)安裝方式選擇，如下圖第二格所示：因此安裝導(dǎo)向系數(shù)K=1.5將以上各量帶入公式中得到活塞桿失穩(wěn)力：=3

15、.028N選取安全系數(shù)=5得到最大承載力的判別式F/=6N顯然這是符合要求的，因?yàn)樽畲蠊ぷ鲏毫κ?N，而額定工作壓力只有1N。、活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵、導(dǎo)向環(huán)選擇非金屬導(dǎo)向環(huán)，用高強(qiáng)度塑料制成，這種導(dǎo)向環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小、耐磨、使用壽命長(zhǎng)、裝導(dǎo)向環(huán)的溝槽加工簡(jiǎn)單，并且磨損后導(dǎo)向環(huán)易于更換。、密封Yx型軸用密封圈加軸用階梯圈組合使用，這樣比起單獨(dú)密封，可以減小摩擦，減少泄漏量，增加壽命。、防塵使用DH防塵圈，材料是聚氨酯，既有防塵作用，又有潤(rùn)滑作用。5、緩沖裝置和排氣閥由于時(shí)間原因和課程設(shè)計(jì)的要求，這兩項(xiàng)酌情省略。四、外接線路和程序1、液壓設(shè)備外接線路設(shè)計(jì)原理如下圖：原理說(shuō)明：、利用液壓油泵

16、供油，出油泵以后首先接入“電磁溢流閥（YB1、YB2）”，由“電磁溢流閥”決定下一步的油壓。（這一項(xiàng)通過(guò)PLC控制）、“電磁換向閥（YA1、YA2、YA3）”在中間位置（YA3）時(shí)，泵輸送的油完全泄入油缸，油缸不工作；在左邊位置（YA1）時(shí)，活塞正向運(yùn)動(dòng)；在右邊位置（YA2）時(shí)，活塞負(fù)向運(yùn)動(dòng)。（這一項(xiàng)通過(guò)PLC控制）、“調(diào)速閥（YC1、YC2）”對(duì)輸入油缸正向的油壓大小進(jìn)行控制，可以調(diào)節(jié)到需要的尺度。（這一項(xiàng)通過(guò)PLC控制）、油缸處于正向工作狀態(tài)的時(shí)候，濾油器可以對(duì)液壓油進(jìn)行過(guò)濾。、油缸行程的始端和末端有行程開(kāi)關(guān)，控制活塞停止和運(yùn)動(dòng)。（這一項(xiàng)通過(guò)PLC控制）2、操作板PLC控制面板如下圖：控制

17、步驟及解釋：、泵開(kāi)啟按鈕選擇是否開(kāi)啟額定壓力（通過(guò)“電磁溢流閥”控制泵輸出壓力）；、速度按鈕選擇活塞運(yùn)行速度（通過(guò)“調(diào)速閥”控制）；、自動(dòng)回程按鈕選擇是否自動(dòng)回程（默認(rèn)不自動(dòng)回程）；、正向按鈕活塞正向運(yùn)動(dòng)；、負(fù)向按鈕活塞負(fù)向運(yùn)動(dòng)；、急停按鈕在任何情況下停止活塞運(yùn)動(dòng)；、復(fù)位按鈕在任何情況下停止活塞運(yùn)動(dòng)并等待一秒鐘時(shí)間后返回初始位置；（注：如果泵壓力按鈕選擇關(guān)閉，則其他部件全部失效，用于完全停止液壓缸的運(yùn)行）3、程序地址分配利用德國(guó)西門子STEP7-200編程，共使用三個(gè)芯片板，下表中已標(biāo)明各地址分配值的具體作用，沒(méi)有標(biāo)出符號(hào)的地址只用于程序內(nèi)部，不用做外部直接輸出。地址分配表格如下：序號(hào)地址符號(hào)

18、備注1I0.1SB1活塞正向運(yùn)行2I0.2SB2活塞負(fù)向運(yùn)行3I0.3SB3活塞急停4I0.4SQ1行程末端開(kāi)關(guān)觸發(fā)5I0.5SQ2行程始端開(kāi)關(guān)觸發(fā)6I1.1SS1泵供油開(kāi)通7I1.2SS2泵供油關(guān)閉8I1.3SF全部復(fù)位9I2.1SG1選擇3m/s行進(jìn)速度10I2.2SG2選擇6m/s行進(jìn)速度11I2.3SZ1活塞自動(dòng)回程開(kāi)啟12I2.4SZ2活塞伸出到位停止13Q0.1YA1電磁換向閥正向位14Q0.2YA2電磁換向閥負(fù)向位15Q0.3YA3電磁換向閥中間位16Q1.1YB1溢流閥值4MP17Q1.2YB2溢流閥值0MP18Q1.3鎖時(shí)（程序內(nèi)部使用）19Q2.1YC1調(diào)速閥3m/s位20Q2.2YC2調(diào)速閥6m/s位21Q2.3自動(dòng)回程（內(nèi)部使用）4、芯片接線圖接線圖1：注釋：SQ1、SQ2是行程開(kāi)關(guān)的動(dòng)合觸點(diǎn)，活塞到達(dá)行程的始端和末端會(huì)壓合觸點(diǎn)