机械课程设计-轴系振动试验台伺服液压缸的设计（全套图纸） .docx

目录1.概述- 2 -2.工况分析- 4 -2.2主要技术参数- 5 -3.液压缸的设计计算- 5 -3.1缸体的设计计算- 5 -3.2缸盖的设计计算- 8 -3.3活塞的设计计算- 8 -3.4法兰的设计- 11 -4.液压缸的结构分析- 12 -4.1传感器的选型- 12 -4.2位移传感器座的设计- 13 -4.3磁环套座的设计- 14 -4.4伺服阀的选择- 15 -4.5液压辅件密封件的选用- 17 -4.6液压缸主要零件的材料- 23 -5.总结- 24 - 轴系振动试验台伺服液压缸1.概述 伺服液压缸又称伺服缸，是电液伺服系统中的液压执行元件，通过它将液压能转换成机械能。全套图纸，加153893706伺服液压缸总是和电液伺服阀、反馈传感器组成一体，成为一个独立产品，应用在电液力、电液压力、电液位置以及电液速度伺服系统中。 如下图所示，是一些液压伺服缸产品。 伺服液压缸的主要零件有活塞缸杆、下端盖、上端盖、缸体、底座等。这些零件外形基本上和普通液压缸的同类零件相似，其计算方法也基本相同。由于伺服液压缸是工作在电液伺服系统的闭环回路中，是回路中一个关键环节，其性能指标直接影响系统的精度和动、静态品质。每一个电液伺服系统动静态指标、工况、控制对象等功能都不相同，所以伺服液压缸的性能参数、外形结构、安装连接形式随伺服系统的性能指标、功能、工况、以及所选用的伺服阀、反馈传感器的型号而定，是非标准产品，用户要以非标准产品形式委托专业厂家单独设计制造，双方要签订技术协议，制造厂家要以此制定专用技术条件，设计产品图样，进行出厂试验。伺服液压缸的分类按运动方式（1）直接往复式伺服液压缸。 （2）旋转往复式伺服摆动缸。按在系统中的作用 （1）位置伺服液压缸在电液位置伺服系统中去控制被控对象的位置，所装反馈传感器是位置传感器。 （2）力伺服液压缸在电液力（压力）伺服系统中给被控制对象施加载荷，所装反馈传感器是负载传感器（如拉压力传感器，压力传感器）。按活塞杆结构形式 （1）单向活塞杆伺服液压缸活塞两边有效工作面积是不对称的，运动速度、输出力两边是不对称的。 （2）双向活塞杆伺服液压缸活塞两边有效工作面积相同，运动速度、输出力对称。按支承活塞杆的方式 （1）接触式摩擦副支承的伺服液压缸活塞与缸筒、活塞杆与端盖之间的密封圈采用胶圈压缩密封，用低摩擦密封件组成摩擦副支承活塞杆，常用的伺服液压缸都属此类。 (2)非接触式的静压支承的伺服液压缸活塞与缸筒、活塞与端盖之间的密封应用间隙密封与静压支承的原理，组成非接触式无摩擦副的静压支承，这类伺服缸常用于高响应的伺服液压系统，属高性能高响应伺服液压缸2.工况分析2.1功能分析轴系振动试验台伺服液压缸要完成活塞杆高频伸缩的功能，最大输出推力要求达到68kn，最大拉力要求达到40kn，在活塞杆运动过程中传感器随时测试活塞杆的位置反馈到伺服阀进行伺服控制，上下震动频率为2hz。伺服液压缸的作用在于模拟振动。对于2100kg的负载，频率2hz的震动就要求液压缸换向速度快，也就对伺服阀有很高的要求，伺服阀必须响应速度很快。所涉及的轴系振动试验台伺服液压缸为双作用单杆活塞缸，采用缸底法兰固定，内置位移传感器；具有内摩擦力及内泄漏量小、无外泄漏以及使用寿命长等特点。其实际工作环境如下图此伺服液压缸位于弹簧连接的两底板之间。2.2主要技术参数 （1）液压缸额定压力：16mpa； （2）最大推力：f1=68kn，最大拉力f2=40kn； （3）液压缸负载质量：2100kg； （4）工作行程：5mm,液压缸活塞完全伸出时的高度：300mm； （5）液压缸的最大速度：0.063m/s； （6）伺服液压缸活塞杆上下运行频率：2hz；3.液压缸的设计计算液压缸缸体均采用45钢，并应调质到241286hbw。缸体毛坯采用锻钢。缸体内径采用h8、h9配合,但是活塞上的导向环要求的缸筒内径配合为h10，o型密封圈要求的缸体内径配合为h8，为减少内泄漏量，缸体内径采用h8配合；由于缸盖上的氟橡胶o型密封圈要求的缸体内径表面粗糙度为0.8m、活塞上孔用阶梯密封圈和导向环要求的缸体内径表面粗糙度为0.4m，为提高工艺性，缸体内径表面粗糙度ra为0.4m并需要珩磨。3.1缸体的设计计算1）缸筒内径d 根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸的内径d为 3-1 式中 液压缸推力，n； 往返速比，在设计液压系统时给定； 液压缸的机械效率，一般取=9.5；选定的工作压力，mpa。取=2，则计算出d=106.7mm。2）液压缸壁厚的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。且选45号钢为缸筒材料。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计按照薄壁圆筒设计，其壁厚按薄壁圆筒公式计算为 当时，即按薄壁圆筒的中径公式计算，则有 3-2 式中 缸筒壁厚； 液压缸瞬间能承受的最高压力，且令，其中为液压缸的额定工作压力； 缸筒材料的许用应力，且=100 110mpa（无缝钢管），取=110mpa。算得21.82mm，圆整取=25mm。3）缸筒外径的尺寸 缸筒外径mm,则取mm。4）缸体长度的确定 液压缸缸体内部的长度应等于活塞行程与活塞宽度之和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，且考虑到此伺服液压缸实际工作环境则取缸体的长度172mm。5）液压缸进、出油口尺寸的确定 液压缸的进出油口布置在缸筒上，进出油口的流速不大于 ，油口的连接形式为螺纹连接。液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度和油口最高液流速度而定，其公式为 3-3式中 液压缸油口直径，mm； 液压缸内经，m； 活塞最大输出速度，； 油口液流速度，。液压元件的油口螺纹联接尺寸如下表m50.8m81m101m121.5m141.5m161.5m181.5m201.5m221.5m272m332m422m502m602查机械设计手册知，取液压缸进出油口直径，连接方式为螺纹连接。3.2缸盖的设计计算 缸盖厚度的确定缸盖材料选用ht300铸铁，缸盖的技术要求：为减少外泄漏量，缸盖与缸体配合直径、有杆侧缸盖的内孔及活塞杆密封圈外径取9级精度.缸盖与缸体的螺纹连接面、有杆侧缸盖与活塞的接触面和活塞杆轴心线的垂直度公差取7级精度。为提高导向精度，缸盖与缸体配合直径、有杆侧缸盖的活塞杆密封圈外径及内孔的同轴度公差值取0.03mm。一般液压缸为平底缸盖，其有效厚度，按强度要求可用下式进行近似计算。 3-4 圆整取。式中缸盖止口内径，即缸筒内径 ，mm。液压缸试验压力，取。3.3活塞的设计计算 1）活塞杆直径的确定根据速度比的要求来计算活塞杆的直径为 3-5式中液压缸缸筒内径。往返速比，在此系统设计时取2；结算出来的结果=75.4mm。根据实际情况以及查表取得，200mm，=140mm。 空心活塞杆的材料选择为45无缝钢。活塞杆的技术要求：（1）活塞杆的热处理，粗加工后调质到硬度为229285hbw，必要时，再经高频淬火，硬度达到4555hrc。（2）活塞杆d和的圆度公差值按9级精度选取。（3）活塞杆d的圆柱度公差值按8级精度选取。(4)活塞杆d对的径向跳动公差值为0.01mm。(5)端面t的垂直度公差值按7级精度选取。(6)活塞杆上的螺纹按6级精度加工。(7)活塞杆上工作表面的表面粗糙度为0.63m，由于要使用轴用阶梯圈，故活塞杆表面粗糙度取0.4m。同时需镀铬，镀层厚度为0.05mm，镀后抛光。 (8) 由于导向套上安装有导向环和o型密封圈，活塞杆直径采用f7配合。活塞杆的结构形式如下图对活塞杆进行强度校核。因为液压缸活塞杆完全伸出时的高度为300mm，即缸体长度。故强度校核公式如下。查表知，45号钢的屈服强度=355mpa。强度校核公示为 3-6式中 活塞杆材料的屈服点； 活塞杆强度安全系数，取23.5 。计算结果为 29.2mm。 符合强度要求。2）活塞的设计计算 活塞的结构形式活塞的材料：由于活塞上须安装导向环，故采用45优质碳素钢。活塞的技术要求：由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复运动，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滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，液压缸达不到要求的设计性能，故活塞与缸筒采用h9/f8配合。活塞外径对内径的径向跳动公差值取7级精度。螺纹连接端面对内孔的垂直度公差取7级精度。活塞宽度要考虑密封件的类型、数量和安装导向环的沟槽尺寸。活塞宽度一般取b=（0.61.0）d，但由于实际情况取活塞宽度=70mm。3.4法兰的设计缸体上法兰 缸体上法兰的结构形式如上图，材料选用45号钢。径向最大直径取360mm，与活塞杆接触面的表面粗糙度为1.6，其余为6.3。为了保证有足够的连接强度，在上法兰上取用8个m30的螺纹孔与外部设备连接，其螺纹孔中心线与法兰中心线的径向距离为151mm。而与活塞杆连接向固定处的螺纹孔采用m16的螺纹孔，其螺纹孔中心线与法兰中心线的径向尺寸距离为60mm。缸体下法兰 同样的原理，缸体下法兰的结构形式如上图，材料选用45号钢。径向最大直径取360mm，与下缸盖接触面的表面粗糙度为1.6，其余为6.3.为了保证有足够的连接强度，在下法兰上取用8个m30的螺纹孔，其螺纹孔中心线与法兰中心线的径向距离为151mm。螺纹孔处的加工倒角为。与下缸盖连接的小法兰 同样的原理，与下缸盖连接小法兰的结构形式如上图，材料选用45号钢。径向最大直径取242mm，与下缸盖接触面的表面粗糙度为1.6，其余为6.3.为了保证有足够的连接强度，在下法兰上取用8个m12的螺纹孔，其螺纹孔中心线与法兰中心线的径向距离为107mm。4.液压缸的结构分析4.1传感器的选型磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。此液压缸所需的传感器必须内置，则根据液压缸实际工作位置及尺寸选择德国asm内置式磁致伸缩式位移传感器mpm1b4系列。其技术数据及外形尺寸如下 外形尺寸图 单位：mm4.2位移传感器座的设计位移传感器座的结构形式，如下图为了保证液压缸工作的稳定性，采用伺服控制阀液压缸往复运动。为了给伺服系统提供信号采用位移传感器。如上图，考虑到与法兰焊接连接，位移传感器座的材料选用45号钢，位移传感器座的内径取60mm，外径80mm，为保证活塞杆+/-5mm的行程取传感器座的轴向长度为170mm，并在位移传感器座的上端开开一个m181.5的螺纹孔来安装位移传感器且其圆柱度公差为0.025.所选的磁环为闭口磁环。下图所示4.3磁环套座的设计磁环套座的结构形式，如下图 此伺服液压缸既选用位移传感器采集信号，必然有磁环搭配来采集信号，则磁环固定在上示磁环座上，材料为45号钢，取内径30mm，外径56mm，上端与缸盖用螺纹连接，开4个m51.5的螺纹孔加强连接强度，下端开4个m41.5螺纹孔固定磁环。与缸盖接触面的表面粗糙度为1.6，其余为6.3。4.4伺服阀的选择电液伺服阀的性能规格直接影响伺服液压缸的性能和结构尺寸。1)选择伺服阀的原则伺服阀的流量特性曲线压力特性曲线要能包围伺服液压缸的负载特性曲线；伺服阀的流量一定要满足伺服液压缸的最大负载速度时的负载流量；伺服阀的频率特性要满足系统动态响应要求。 2）选择伺服阀的方法 a绘制伺服液压缸的负载特性曲线。 b.计算伺服阀的空载额定流量。可按下式公式计算 4-1式中 最大负载速度时的负载流量，=； 活塞有效面积，=液压缸最大输出速度；为； 伺服阀的额定供油压力，为31.5mpa； 最大负载速度时的负载压降即负载压力。 本设计所选伺服阀为sfl-218型电液流量控制伺服阀，带入数据算出结果符合要求。sfl-218型电液流量控制伺服阀的工作原理 sfl系列电液伺服阀是由电磁力矩马达、双喷嘴挡板(前置级)和四边滑阀（功率级）组成的电液放大器。当阀压恒定时，功率级四边阀的阀芯位移和力矩马达的输入电流成正比，负载流量输出也和输入电流成正比。 力反馈结构原理图性能参数a. 液压性能sfl系列电液伺服阀用恒压油源供油。最低供油压力为0.8mpa。最高供油压力为： b. 额定流量选用额定流量为。外形及连接尺寸4.5液压辅件密封件的选用活塞杆上密封件的选用(1)防尘圈性能：防止污染物混入液压系统和密封系统。材质：丁晴胶nbr工况条件: 工作温度：-35200； 工作介质：液压油、乳化液、水； 往复速度：1m/s；型号：gp1-1400参数：d=140，d=155，d1=147，s1=5，n=3.5;密封圈 轴用yx圈 gy1性能与用途：轴用yx圈具有结构简单、截面小、安装方便、成本低、密封性能好等特点。用于活塞杆单向密封。工况条件： 工作压力：32mpa（16mpa下使用，根部需加挡圈） 工作温度：-35200 工作介质：液压油、乳化液、水（在磷酸酯液压油中选用氟胶） 往复速度：0.5m/s；材质：橡塑复合材料rp。型号：gy1-1400参数：d=140，d=152，s2=18；导向环 性能：导向环gst适用于液压缸和活塞杆的导向，起支承和导向作用。 材质：抗磨的聚四氟乙烯ptfe材料。 工况条件： 工作温度：-55225 工作介质：液压油、汽、水。 型号：gst-5809 参数：d=140，d=145，g=9.5，t=2.5;活塞上的密封件的选用 （1）密封圈 ：孔用方形圈 gsf2000 性能：由一个抗磨的填充聚四氟乙烯（ptfe）环和o型橡胶密封圈组合而成。o型圈提供预紧力，可对ptfe阶梯环的磨损起补偿作用。适用于液压缸活塞的密封，为单向密封。一般与导向环配套使用。孔径小于40的规格，应采用分体式的沟槽。 材质：耐磨环为聚四氟乙烯ptfe，o型圈为丁晴胶nbr。 工况条件： 工作压力：040mpa； 往复速度：5m/s； 使用温度：-35200 工作介质：液压油、汽、水。 型号：gsd-2000 参数：d=200，d=179.5，g=8.3 （2）导向环 gst 性能：导向环gst适用于液压缸和活塞杆的导向，起支承和导向作用。 材质：抗磨的聚四氟乙烯ptfe材料。 工况条件： 工作温度：-55225 工作介质：液压油、气、水。 型号：gst-5909 参数：d=200，d=d-5=195，g=9.5,缸盖与缸筒之间的密封o型密封圈密封形式及沟槽尺寸（mm）注：摘自gb/t 3452.32005o型密封圈的选择原则1）在可能选用多种截面（取决于d2大小）o型密封圈的情况下，应优先选用较大截面的的o型密封圈。这样可以减少o型密封圈在装配和工作期间产生扭转的可能性，改善其抗压缩变形性能和在低温下的工作性能。2）对于静密封，宜选择较小截面的o型密封圈；对于往复运动密封，宜选用较大截面的o型密封圈。o型密封圈内、外径的选择1）前后缸盖上o型密封圈的选择o型密封圈是径向安装的静密封，且为孔用密封（光孔密封），则应使o型密封圈的内径等于或略小于o型密封圈沟槽直径。则缸盖与缸筒之间的o型密封圈选择gb123576 材料为丁腈橡胶 性能：进行静密封。活塞杆与缸盖连接螺钉的强度校核a受力分析（1）求每个螺栓所受的工作压力f最大拉力f2=40kn，平均分配到每个螺栓上的力f=40000/8=5000n b按静强度公式初定螺栓直径 （1）确定许用应力 按机械设计教材上变载=s/s，选用螺栓材料为5.6级的35号钢，=320mpa，设螺栓直径在m10m30之间，s=6.5，则： =/s=320/6.5=49.23mpa， （2）初选螺栓直径 4-2（3）选择标准螺纹 查手册选取m16粗牙普通螺钉，。c验算螺栓的疲劳强度（1） 求应力幅 =4-3（2） 确定许用应力幅 =，取=4。 对35钢取=220mpa。 =540mpa时，ka=3.63。 对m16，=0.88 因为 =13.33mpa4-4 所以 =12.86mpa=13.33mpa 故螺钉是符合疲劳强度的要求的。缸体与缸盖的连接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。 a法兰连接： 优点：（1）结构简单、成本低 （2）容易加工、便于拆装 （3）强度较大，能承受高压 缺点：（1）径向尺寸较大 （2）重量比螺纹连接的大（3）用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些b 螺纹连接：优点：（1）外形尺寸小（2）重量较轻缺点：（1）端部结构复杂，工艺要求较高（2）拆装是需要专用工具（3）拧端盖时易损坏密封圈 c 半环连接： 优点：（1）结构较简单 （2）加工装配方便 缺点：（1）外形尺寸大 （2）缸筒开槽，削弱了强度，需增强缸筒厚度 比较各种连接形式，本次我选择法兰连接。4.6液压缸主要零件的材料（1）缸体 无缝钢管45钢 无缝钢管做缸体毛坯加工余量小、工艺性能好，生产准备周期短，于大批量生产，标准液压缸大部分都采用无缝钢管，一般常用调制的45号钢。 （2）活塞 45优质碳素钢 活塞常用材