柱塞式液壓缸設計計算說明書

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1、 一、課程設計任務 1.1 已知數(shù)據(jù)： 推力載荷： 150KN 行程： 150mm 速度： 1mm/sec 安裝方式：后法蘭 1.2 設計內(nèi)容及完成的工作量 1）根據(jù)給定要求完成裝配圖和所有非標零件圖 2）完成全部零件三維實體造型，并進行裝配 3）完成標準件的計算選型 4）完成非標零件精度設計 5）編寫設計計算說明

2、書一份 6）原動機經(jīng)聯(lián)軸器驅(qū)動泵類負載 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 二、液壓缸主要幾何尺寸的設計計算 1.3 液壓缸工作壓

3、力的確定 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 2.1 壓力分級 級別 低壓 中壓 中高壓 高壓 超高壓 壓力范圍（ MPa ） 0～ >2.5 ～ 8 >8～ 16 >16 ～ 32 >32 2.5 2.2 液壓缸的公稱壓力系列（ GB2346-80 ）（bar ） 25 40 63 （80） 100 （ 125） 160 200 250 315 400 500 630 800 依據(jù)表 2.2

4、所規(guī)定的公稱壓力系列，計算或選擇的柱塞缸的公稱壓力為 315bar=31.5MPa 2.2 柱塞桿直徑的確定 由柱塞式液壓缸柱塞外伸時的推力公式： F PA10 6 （2-1） 1 1 得： F 6 A1 10 （2-2） 1 P 式中： F —液壓缸的推力，這里為液壓缸載荷 (N) 1 P—工作壓力（ Mpa ） 2 A —柱塞桿的作用面積（ m ） 1 2 A d 1 4 （ 2-3

5、） 式中： d—柱塞桿的直徑（ m） 將 2-3 帶入 2-2 得 d=0.019m=19m ，m 由柱塞桿的標準系列 取 d=32mm  《液壓與 氣壓傳動》 P101 ... ... 2

6、

7、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 1.4 液壓缸行程 根據(jù)設計要求，行程取 150mm 1.5 柱塞缸內(nèi)徑 D 的確定 1 機械設計 查表可得 D =42mm 手冊第五 版第 4卷 1 22-245 1.6 液壓缸外徑 D 的確定 2 查表可得 D

8、 =50mm 2 1.7 缸筒壁厚 計算得壁厚 δ =( D - D 1 )/2=4mm 2 缸的材料選 45 鋼 1.8 缸底壁厚 平行缸底，取缸底無油情況， P y h 0.433D （2-7） 式中： h —缸底厚度（ mm ） D—液壓缸內(nèi)徑（ mm ） P —試驗壓力（ MPa ） , 工作壓力 P 16MPa 時， P 1.5P；工作 y y

9、 壓力 P 16MPa 時， Py 1.25 P —缸底材料的許用應力（ MPa ） 對于：鍛鋼 100 ~ 120MPa 鑄鋼 100 ~ 110MPa ... ... 3

10、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 鋼管 100 ~

11、 110MPa 鑄鐵 60MPa 45 鋼 [ ] =120 MPa 將以上數(shù)據(jù)代入上式得 h=10.4mm ，圓整取 15mm 。 1.9 端蓋厚度的確定 依據(jù)機械設計手冊 22.6-66 選擇活套式法蘭缸頭， 端蓋的厚度： 3F ( d d ) h （ 2-8） H m ( D d 2d ) g m b 式中： D —缸筒內(nèi)徑（ m） d —螺釘孔圓周直徑（ m） H d —作用力圓周直徑（ m） m

12、 d —螺釘孔直徑（ m） b d —柱塞缸內(nèi)徑（ m） 1 d —活塞缸筒與缸體配合的外徑（ m） 2 D —端蓋外徑（ m） g F —缸頭所受到得最大壓力（ N） 首先來計算缸頭在最大內(nèi)壓的情況下受到的壓力 F： 柱塞的面積是： D =0.0014 2 A = m 1 2 /4 2 /4 缸壁厚度計算中得出最大壓強： P =39.375MPa max 所以法蘭承受的最大壓力為： F=

13、 P A =55125N max 1 ... ... d 1 d d =0.024m ， 查表得， d H =0.085m ， d m 0.046 m， d1 =0.042m ， 2 b 2 d =0.050m ， D g =0.110m ，缸蓋的材料為 45 鋼，缸筒材料的許用應力 2 4

14、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書

15、 [ ]= s /n=360/5=72MPa 代入上式； 得 h=75mm 機械設計 1.10 導向套尺寸的確定 手 冊 第 五 版第 4 卷 導向套滑動面的長度 A，在缸徑小于 80mm 時取 表 2.2-62 A= （ 0.6~1.0 ） D （2-9） 當缸徑大于 時取 80mm A= 0.6~1.0 d 2-10 （ ）

16、 （ ） 式中： D mm —缸筒內(nèi)徑（ ） d mm —柱塞桿直徑（ ） 由于缸徑 ，則 （ ） D=42mmA= 0.6~1.0 *42=25.2~42mm 取 A=42mm 由于安裝與密封原因則套的內(nèi)徑為 。 42mm 加工要求：導向套與柱塞桿外圓的配合多為 ～ H8/f7 H9/f9. 1.11 法蘭安裝方式 采取如圖所示的后端法蘭安裝方式 機械設計 手冊第五

17、 版第 5卷 后端法蘭安裝方式 1.12 密封環(huán) 本例中選取靜密封的為一般的 O 型密封圈加擋圈。柱塞桿動密封使用 U 形環(huán)式組合密封圈，本設計選用 d=85mmU 形密封圈 1.13 防塵圈 ... ... 查機械設計手冊表 21-6-28 ，選用 2 型特康防塵圈。 5

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19、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 1.14 各種主要零件名稱和材料 件號 名稱 材料 1 擋板 Q235-F 2 防塵圈 毛氈 3 法蘭 45 4 套 ZQSn8-12 5 U 形夾織物密封圈 橡膠 1-4 6 支承環(huán) Q235-F 7 導套 ZQSn8-12 1.15 進出油口大小的確定

20、 液壓缸的進出油口，可以布置在端蓋或是缸體上。對于活塞桿固定的液壓缸可設在活塞桿端部，如果液壓缸無專用的排氣裝置，進出油口應設在液壓缸的最高處，以便空氣能首先從液壓缸排出。進出油口的形式一 般選用螺釘或是法蘭連接，依據(jù)查表可知的當內(nèi)徑為 80mm 時，可以選 用 M27x2 的螺孔連接。  機 械 設 計 手 冊 第 五 版第 5卷 表 21-6-25 1.16 安裝法蘭設計 由于 D =110mm ，查詢國家標準法蘭（ GB9119 —

21、2000）可選安裝法蘭： 法 g 蘭外徑 250mm ，內(nèi)徑 135mm ，螺栓孔中心圓直徑 210mm ，螺栓直徑 18mm ， 螺栓孔數(shù) 8，法蘭厚度 24mm ... ... 6

22、

23、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 三、各零部件的校核及驗算 1.17 缸筒設計 2.3 缸筒結構的選擇 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)

24、點是結構簡單，易選取、易裝卸；缺點是外徑較大，比螺紋連接的重量大。 2.4 缸筒的要求 有足夠強度，能夠承受動態(tài)工作壓力，長時間工作不會變形；有足夠剛度，承受活塞側(cè)向力和安裝反作用力時不會彎曲；內(nèi)表面和導向件與密封件之間摩擦少，可以保證長期使用；缸筒和法蘭要良好焊接，不產(chǎn)生裂紋。 2.5 缸筒材料的選取及強度給定 部分材料的機械性能如下表： 缸筒 材料 常用 無縫  b / MPa  s

25、 / MPa  s / % 20 420 250 25 鋼管 30 500 300 18 材料 35 540 320 17 機械 45 610 360 14 性能 15MnVn 750 500 26 27SiMn 1000 850 12 ... ... 7

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27、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 30CrMo 950 800 12 35CrMo 1000 850 12 本次設計選取 45 號鋼 從表中可以得到： 缸筒材料的屈服強度 s =360MPa 缸筒材料的抗拉強度、 b =610MP ；a 現(xiàn)在利用屈服強度來引申出： 缸筒材料的許用應力 [ ]= s /n=360/5=72MPa 。 其中 n=5 是選取的安全系數(shù)。 1.18 缸筒壁厚

28、的驗算 下面從以下三個方面進行缸筒壁厚的驗算： 液壓缸的額定壓力 Pn 值應低于一定的極限值，保證工作安全： 2 2 （ D ） 2 1 D 2 s 2 P 0.35 n D 根據(jù)式 3-1 得到：  （ MPa ） （ 3- 1） P 54.5MPa ，由于 P =31.5MPa 則滿足條 n 件 n 1.19 液壓缸的效率 液壓缸的效率 由以下三種效率組成： （ A） 機械效率 m

29、，由各運動件摩擦損失所造成，在額定壓力下，通常 取 0.9 m （ B） 容積效率 v ，由各密封件泄露所造成的，通常容積效率 v 為： 裝彈性體密封圈時 1 v 裝活塞環(huán)時 0.98 v （ C） 作用力效率 d ，由出油口背壓所產(chǎn)生的反作用力而造成。 ... ... m =0.9 v =1 d =0.9 8

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31、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 m （ 3-2） v d 所以總效率 =0.8 。 1.20 法蘭連接螺栓的強度計算 連接圖如下： 螺栓強度根據(jù)下式計算： 螺紋處的拉應力 KF 6

32、 10 （ MPa ） （3-3） 4 d 12 Z 螺紋處的剪切應力 K KFd 6 （ 3- 10 （ MPa ） 1 3 0 4） 2.6 d Z 1 2 2 n 3 （ MPa ） （ 3-5） 式中： F —缸筒端部承受的最大推力（ N）； D —缸筒內(nèi)徑（ m） d —螺紋外徑（ m） 0 d —螺紋底徑（ m） 1 K—

33、擰緊螺紋的系數(shù) 不變載荷 取 K 1.25 — 1.5 變載荷 取K 2.5—4 ... ... 9

34、 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 K —螺紋連接的摩擦系數(shù) K 0.12 1 1 —— 缸筒材料的許用應力（ MPa ）； / n s

35、 s —缸筒材料的屈服強度（ MPa ）； n —安全系數(shù) 取 n— 1.5-2.5 最大推力為： F=150KN 使用 8 個螺栓緊固缸蓋，即： Z=8 螺紋外徑和底徑的選擇 ： d =24mm d =20.752mm 0 1 系數(shù)選擇：考慮到載荷可能有變化，為了安全，選?。? K=3 ， K =0.12 1 最大推力理論 F=P*A= 31.5 2 =43.6KN D 但實際 F =F*0.8= 34.68KN 4 1 根據(jù)式

36、 3-3 得到螺紋處的拉應力為： =103.8MPa 根據(jù)式 3-4 得到螺紋處的剪應力為： =55.8MPa 根據(jù)式 3-5 得到合成應力為： n =141.8MPa 由以上運算結果知，應選擇螺栓等級為 8.8 級： 查表的得：抗拉強度極限 b =800MPa 屈服極限強度s =640MPa 不妨取安全系數(shù) n=2 可以得到許用應力值： [ ]= s /n=640/2=320MPa 由式 3-6 得到： n =141.8MPa , 則 n [ ] 成立 證明選用螺栓等級合適。

37、 10 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 總 結 課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練， 是我們邁向社會， 從事職業(yè) 工作前一個必不少的過程， 使我們對以前所學的理論知識進行了綜合應用。 所以經(jīng)過 這次課程設計發(fā)現(xiàn)自己所學的知識還很貧乏， 很多東西都需要去了解， 既然從事了這

38、 個行業(yè)，那么就要做好，而且要帶動所有同學做好。 由于時間緊迫， 掌握的知識還不是太完全， 只是粗略的了解柱塞缸的結構及原理 計算的數(shù)據(jù)均按照參考資料一步一步設計計算， 在計算的過程中遇到了許多問題， 及 時查找資料，以及和同學共同探討。 而且在課程設計過程中， 最讓我印象深刻的就是： 一個人的力量是有限的， 團隊 的力量是無窮的。經(jīng)過我們共同的努力，才將課程設計做完、做好。 最重要的一點是無論做任何事情都要有顆責任心， 要有上進心。 只有這樣， 困難 才會迎刃而解。 在整個課程設計的過程中，

39、 我發(fā)現(xiàn)我們光有理論知識， 卻缺乏實際的 經(jīng)驗。有些地方都是憑想像完成的?？傮w來說，課程設計對我們的幫助是很大的，它 需要我們將學過的相關知識系統(tǒng)地聯(lián)系來， 從中暴露出自身的不足， 以待改進， 并且 提高了我們查閱資料的能力。 本次的課程設計，培養(yǎng)了我綜合應用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力； 在設計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神， 同學們共同協(xié)作， 解決了許多個人無解 決的問題；在今后的學習過程中我們會更加努力和團結。

40、 11 ... 機械基礎綜合課程設計設計計算說明書 參考資料 [1] 閻邦椿 . 機械設計手冊第五版第 4 卷 . 機械工業(yè)出版社 ,2010.1 [2] 成大先 . 機械設計手冊第五版第 5 卷 . 北京：化學工業(yè)出版社， 2008 [3] 范存德 . 液壓技術手冊 . 遼寧科學技術出版社，

41、2004. [4] 王守成 . 容一鳴液壓傳動， 2006.8 [5] 北京科技大學、東北大學編《材料力學》 高等教育出版社 .2008 [6] 劉品 李哲《機械精度設計與檢測基礎》第 6 版哈爾濱工業(yè)大學出版社 .2009 12 ...