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1、 中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院機(jī)電系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)（2016-2017學(xué)年 第 1 學(xué)期）專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 題 目： 可伸縮伺服液壓缸 姓 名： 程方園 學(xué) 號(hào)： 201300384109 班 級(jí) 機(jī)電131 指導(dǎo)教師： 周高峰 崔路軍 完成日期： 2017 年 1 月 12 日機(jī)械電子工程系可伸縮伺服液壓缸的設(shè)計(jì)與控制目 錄設(shè)計(jì)任務(wù)書31.設(shè)計(jì)目的與意義42. 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求42.1確定總體方案42.2設(shè)計(jì)內(nèi)容52.3設(shè)計(jì)要求53.設(shè)計(jì)進(jìn)度安排54.機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析、計(jì)算、選用與說明54.1機(jī)械設(shè)計(jì)54.1.1液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)54.1.2、液壓缸的主要技術(shù)性能參數(shù)的計(jì)算64.1.4、液壓缸主油缸的
2、設(shè)計(jì)計(jì)算84.1.5、缸體的材料和技術(shù)要求114.1.6、活塞桿徑的計(jì)算與校核114.1.7、快速液壓缸柱塞直徑的計(jì)算134.1.8、缸蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算134.1.9、液壓缸油口的直徑計(jì)算144.1.10、導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)164.3電路設(shè)計(jì)164.4控制設(shè)計(jì)175. 機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)結(jié)論176.機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議177. 參考文獻(xiàn)188.附錄18設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目可伸縮伺服液壓缸的設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)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
3、給出相關(guān)參數(shù)；3） 分析和計(jì)算可伸縮伺服液壓缸機(jī)械結(jié)構(gòu)，并確定控制的具體實(shí)現(xiàn)。4） 繪制可伸縮伺服液壓缸機(jī)械圖紙和電氣電子線路圖；5） 撰寫技術(shù)說明書。時(shí)間進(jìn)度1）17周：機(jī)械設(shè)計(jì)2）18周：液壓回路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)3）19周：控制電路設(shè)計(jì)主要參考書籍和資料1馮清秀，鄧星鐘等著.機(jī)電傳動(dòng)控制M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.2劉德全著.Proteus8電子線路設(shè)計(jì)與仿真M.北京：清華大學(xué)出版社，2014.3成大先編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.4董玉紅徐莉萍編.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)（第2版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.5秦曾煌著.電工技術(shù)（第7版）M.北京
4、：高等教育出版社，2009.6王成元，夏加寬等著.現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)（第2版）M.北京：機(jī)械工業(yè)2014.7濮良貴，陳國定著.機(jī)械設(shè)計(jì)（第9版）M.北京：高等教育出版社，2015.8劉娜李波等著.AutoCadMechanical機(jī)械設(shè)計(jì)入門到精通（第3版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.任務(wù)分工備 注- 3 -可伸縮伺服液壓缸的設(shè)計(jì)與控制 可伸縮伺服液壓缸設(shè)計(jì)與控制1.設(shè)計(jì)目的與意義油缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和小于360回?cái)[運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造容易以及使用維護(hù)方便、低速穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各部門。其主要應(yīng)用有：工程機(jī)械中挖掘機(jī)和裝載機(jī)的
5、鏟裝機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)， 起重機(jī)械中汽車起重機(jī)的伸縮臂和支腿機(jī)構(gòu)，礦山機(jī)械中的液壓支架及采煤機(jī)的滾筒調(diào)高裝置，建筑機(jī)械中的打樁機(jī)，冶金機(jī)械中的壓力機(jī)，汽車工業(yè)中自卸式汽車和高空作業(yè)車，智能機(jī)械中的模擬駕駛艙、機(jī)器人、火箭的發(fā)射裝置等。它們所用的都是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸，即推力油缸。所以進(jìn)一步研究和改進(jìn)液壓缸的設(shè)計(jì)制造，提高液壓缸的工作壽命及其性能，對(duì)于更好的利用液壓傳動(dòng)具有十分重要的意義。 通過學(xué)生自己獨(dú)立地完成指定的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，提高理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題和解決問題的能力，學(xué)會(huì)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(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算和制圖等基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)后成為一名出色的機(jī)械工程師
6、打好基礎(chǔ)。2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求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(jì)算可伸縮伺服液壓缸機(jī)械結(jié)構(gòu)，并確定控制的具體實(shí)現(xiàn)。4）繪制可伸縮伺服液壓缸機(jī)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(dāng)下各種液壓缸規(guī)格品種比較少，主要是因各種機(jī)械對(duì)液壓缸的要求差別太大。比如對(duì)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(shè)計(jì)主要是實(shí)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(shè)計(jì)。采用焊接連接。 2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容可伸縮伺服液壓缸設(shè)計(jì)與控制液壓缸的公稱壓力為30M
7、pa液壓缸快進(jìn)速度為0.2m/s液壓缸的行程為300mm液壓缸回程力為175KN,2.3設(shè)計(jì)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(jì)算可伸縮伺服液壓缸機(jī)械結(jié)構(gòu)，并確定控制的具體實(shí)現(xiàn)。4）繪制可伸縮伺服液壓缸機(jī)械圖紙和電氣電子線路圖；5）撰寫技術(shù)說明書3.設(shè)計(jì)進(jìn)度安排1）17周：機(jī)械設(shè)計(jì)2）18周：液壓回路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)3）19周：控制電路設(shè)計(jì)4.機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析、計(jì)算、選用與說明4.1機(jī)械設(shè)計(jì)4.1.1液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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
8、接連接、。在此選用焊接連接。3、活塞與活塞桿的連接 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(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用較為普遍；卡鍵連接機(jī)構(gòu)適用于工作壓力較大，工作機(jī)械振動(dòng)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(duì)缸體來說，液壓力、機(jī)械力和安全系數(shù)有關(guān)的因素都對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度問題。要保證缸體的強(qiáng)度，一定要考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。4.1.2、液壓缸的主要技術(shù)性能參數(shù)的計(jì)算1、壓力 所謂壓力，是指作用在單位面積上的負(fù)載。從液壓原理可知，壓
9、力等于負(fù)載力與活塞的有效工作面積之比。P=F/A(N/m)式中：F作用在活塞上的負(fù)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?yàn)樨?fù)載力的存在而產(chǎn)生的，在同一個(gè)活塞的有效工作面積上，負(fù)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(fù)載力的大小，選擇活塞面積合適的液壓缸和壓力適當(dāng)?shù)囊簤罕谩?、根據(jù)液壓泵的壓力和負(fù)載力，設(shè)計(jì)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(fù)載的重量。在液壓系統(tǒng)中，為了便于液壓元件和管路的設(shè)計(jì)選用，往往將壓力分級(jí)。見下表1.1所示：表1.1 壓力
10、分級(jí) 級(jí)別低壓中壓中高壓高壓超高壓壓力范圍（Mpa）02.52.55816163232 本次液壓缸的設(shè)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(shí)間內(nèi)液體流過管道某一截面的體積。對(duì)液壓缸來說，等于液壓缸容積與液體充滿液壓缸所需時(shí)間之比。即：q=V/t式中：V液壓缸實(shí)際需要的液體體積（L） t液體壓力充滿液壓缸缸所需的時(shí)間（min）3、運(yùn)動(dòng)速度 運(yùn)動(dòng)速度是指單位時(shí)間內(nèi)液體流入液壓缸推動(dòng)活塞（或柱塞）移動(dòng)的距離，運(yùn)動(dòng)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(shè)定快進(jìn)速度為0.2m/s計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度的意義在于：1、對(duì)于運(yùn)動(dòng)的
11、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)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(jìn)、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(jìn)和后退的不同速度，可實(shí)現(xiàn)液壓缸的慢速攻進(jìn)和快速退回。4、速比 速比是指液壓缸活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度之比，因?yàn)樗俣扰c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(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和決定是否設(shè)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(xì)，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
12、（Mpa）1012.52020速比1.331.4625、推力和拉力 液壓油作用在活塞上的液壓力，對(duì)于雙作用單活塞桿液壓缸來說，活塞桿伸出時(shí)的推力為F：F=A1P106活塞桿縮回時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，主要是按實(shí)際工作需要長度來考慮。但是，實(shí)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(jì)算行程，應(yīng)首先計(jì)算出活塞桿的最大允許計(jì)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(fù)載（N） n末端條件系數(shù)，可查表求出，依題可知
13、n=1/4 n安全系數(shù)，n6 根據(jù)液壓缸的各種安裝形式和歐拉公式所確定的活塞桿計(jì)算長度及導(dǎo)出行程計(jì)算式。一般情況下，液壓缸看縱向壓縮負(fù)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(shè)計(jì)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(hào)內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸 活塞桿外徑尺寸 系列（GB/T2348
14、-1993） 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活塞桿連接螺紋型式按細(xì)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
15、700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 在設(shè)計(jì)計(jì)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(yàn)算與要求控制在5%內(nèi)4.1.4、液壓缸主油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、缸體內(nèi)徑D的計(jì)算 設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)已經(jīng)給出的工作壓力、公稱壓力計(jì)算缸體的內(nèi)徑，對(duì)于雙作用單活塞桿液壓缸的計(jì)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(shí)際公稱力F=30x10x=949850N1140KN驗(yàn)算： 所以合理，即D =220mm2、缸體壁厚
16、的計(jì)算 按厚壁筒計(jì)算，因我們本次設(shè)計(jì)缸體的材料為QT500-7球墨鑄鐵，是脆性材料，則考慮用第一和第二強(qiáng)度理論計(jì)算，又因第二強(qiáng)度理論比第一強(qiáng)度理論更節(jié)省材料，故選用第二強(qiáng)度理論來計(jì)算：P為試驗(yàn)壓力： 當(dāng)缸的額定壓力P16Mpa時(shí)，P=1.5P 當(dāng)缸的額定壓力P16Mpa時(shí)，P=1.25P所以： =1.2530=37.5Mpa=（-1） =(-1)=0.049m根據(jù)國標(biāo)GB87131988，圓整后取=50mm3、缸體外徑D1的計(jì)算D1 = D+2式中： D缸體內(nèi)徑（參見4.4.1重型機(jī)械表）所以： D1 = D+2=220+250=320mm根據(jù)重型機(jī)械表4.41，取D1=320mm合理。4、缸
17、體壁厚的驗(yàn)算 因我們本次設(shè)計(jì)缸體的材料為QT500-7球墨鑄鐵,是脆性材料，采用第二強(qiáng)度理論驗(yàn)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(shí)際情況考慮: A=985cm B=19.5cm3、導(dǎo)向套的材料及技術(shù)要求1.導(dǎo)向套的材料導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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，
18、保證潤滑條件良好f表面粗糙度為4.2液壓回路設(shè)計(jì)4.3電路設(shè)計(jì)按下SB2，繼電器K1得電并自鎖，YA2得電，油缸左腔得油伸出，當(dāng)推動(dòng)活塞的壓力大于溢流閥所設(shè)定的壓力時(shí)，溢流閥導(dǎo)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(dāng)推動(dòng)活塞的壓力大于溢流閥所設(shè)定的壓力時(shí)，溢流閥導(dǎo)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(shè)計(jì)5. 機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)結(jié)論 經(jīng)過一些列的計(jì)算和繪圖以，達(dá)到設(shè)計(jì)目的的要求。6.機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議 三周的機(jī)電液綜合設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)終于結(jié)束了，雖然很忙碌很疲勞，但感覺收
19、獲還是蠻大的。 為了使液壓缸各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確，我查閱了許多手冊(cè)和參考書，為我以后 的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了牢固的基礎(chǔ)。我?guī)缀趺刻斓膶Ｗ⒑托羷?，喚回了我?duì)液壓與氣壓傳動(dòng)的重新認(rèn)識(shí)，對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)的深刻理解，還有一種對(duì)設(shè)計(jì)制圖工作的熱情和認(rèn)真態(tài)度，我的細(xì)心再次發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)，我不敢說我的這份設(shè)計(jì)圖一定會(huì)得優(yōu)秀，但看著圖紙上的每一個(gè)細(xì)節(jié)，我覺得沒有枉費(fèi)這兩周來的心血。同時(shí)也讓我覺得大學(xué)里學(xué)到了很多知識(shí)，我的大學(xué)生活沒有浪費(fèi)。7. 參考文獻(xiàn)1馮清秀，鄧星鐘等著.機(jī)電傳動(dòng)控制M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.2劉德全著.Proteus8電子線路設(shè)計(jì)與仿真M.北京：清華大學(xué)出版社，2014.3成大先編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.4董玉紅徐莉萍編.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)（第2版）M.北京：機(jī)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，2009.6王成元，夏加寬等著.現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)（第2版）M.北京：機(jī)械工業(yè)2014.7濮良貴，陳國定著.機(jī)械設(shè)計(jì)（第9版）M.北京：高等教育出版社，2015.8劉娜李波等著.AutoCadMechanical機(jī)械設(shè)計(jì)入門到精通（第3版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.8.附錄液壓缸的裝配總圖螺紋環(huán)活塞桿活塞缸筒缸底導(dǎo)向套可伸縮伺服液壓缸機(jī)械結(jié)構(gòu)外觀- 21 -
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