双作用液压缸的设计与控制解读

1、中原工学院机电学院机电系统综合实验（ 2016-2017 学年 第 1 学期）专业 ：机械电子工程题目 ：可伸缩伺服液压缸姓名：程方园学号 ： 201300384109 班 级 机电 131指导教师： 周高峰 崔路军完成日期 ： 2017 年 1 月 12 日机械电子工程系可伸缩伺服液压缸的设计与控制目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 设计任务书 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 设计目的与意义 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current

2、 Document 设计内容和要求 3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 确定总体方案 3设计内容 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 设计要求 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 设计进度安排 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 机电系统设计的分析、计算、选用与说明 4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 机械设计 4液压缸的结构设计 4、液

3、压缸的主要技术性能参数的计算 5、液压缸主油缸的设计计算 7、缸体的材料和技术要求 10、活塞杆径的计算与校核 10、快速液压缸柱塞直径的计算 12、缸盖的设计计算 12、液压缸油口的直径计算 13、导向套的设计计算 14e内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，保证润滑条件良好 15 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 液压回路设计 15 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 电路设计 15 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 控制设计 16 HYPERLI

4、NK l bookmark28 o Current Document 机电综合课程设计结论 17 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 机电综合课程设计的收获、体会和建议 17 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 参考文献 17 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 附录 17可伸缩伺服液压缸的设计与控制设计任务书目 题控设计内容；。 数参实 参 关参 体实 其图给制 定并控路 确，定线 液 液 。） ） 12345时间进度周周周789111 ） ） ）1

5、23主要参考书籍和资料1. 14 01 01 5. 京 011 201 20 20 015 北 2 2 . ， 2 . ， ， 2008 版社 工业 ， M 版社 出版社 2， 业出版 2009 机械 版社 3版） 出 业 2 3 出 社 工 ： 出 学 大学 版 械工 ， 北京 教育 第 大 出 社 北 教 技 清华 业 ： 版 . 等 通 科 清 工 京 出 M 高 精 中：学北育）：精 华 北京 化 .北 教育 版 京 门到 ： 北 ： M） 等 2 北 入 汉 京 版 高 . 计 武 M 北 2版 ：高 （第 M 设计 真 京 ） 械 M 仿真 M （第 北 技术 版 机械 制 与 ）

6、 础 M 制 9 al 控 计 版 基 M 控 第 ica 动 设 5 程 ） 机 （ an 传 路 第 工 版 电 计 ch 电 线 （ 制 7 代 设 ec 机 子 册（ 控 第 现 械 dM . 电 手 械 （ . 机 Ca 5. 著 8 计 机 术 著 . to 15 等 us 设 . 技 等 著 Au 20 钟 te 械 编 工 宽 定 .A 星 ro 机 萍 电 加 国 著 ， 邓 .P . 莉 . 夏 陈 等 版社 秀全先红煌元贵李出 清德大玉曾成良娜业 冯 刘 成 董 秦 王 濮 刘 械工 12345678机 任务 分工备注可伸缩伺服液压缸的设计与控制可伸缩伺服液压缸设计与控制

7、设计目的与意义油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360回摆运动的液压执行元件。具有结构简单，工作可靠，制造容易以及使用维护方便、低速稳定性好等优 点。因此，广泛应用于工业生产各部门。其主要应用有：工程机械中挖掘机和装 载机的铲装机构和提升机构，起重机械中汽车起重机的伸缩臂和支腿机构， 矿山机械中的液压支架及采 煤机的滚筒调高装置， 建筑机械中的打桩机， 冶金机械中的压力机， 汽车工业中 自卸式汽车和高空作业车， 智能机械中的模拟驾驶舱、 机器人、 火箭的发射装置 等。它们所用的都是直线往复运动油缸， 即推力油缸。 所以进一步研究和改进液 压缸的设计制造， 提高液压缸的工作寿命及其性能， 对

8、于更好的利用液压传动具 有十分重要的意义。 通过学生自己独立地完成指定的课程设计任务， 提高理论 联系实际、 分析问题和解决问题的能力， 学会查阅参考书和工具书的方法， 提高 编写技术文件的能力， 进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练， 为毕业后 成为一名出色的机械工程师打好基础。设计内容和要求1）理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，确定其功能参数；2）明确可伸缩伺服液压缸的具体结构和控制方式，并给出相关参数；3）分析和计算可伸缩伺服液压缸机械结构，并确定控制的具体实现。4）绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸和电气电子线路图；5）撰写技术说明书确定总体方案当下各种液压缸规格品种比较少， 主要是

9、因各种机械对液压缸的要求差别太 大。比如对液压缸的内径、 活塞杆直径、液压缸的行程和连接方式等要求不一样。 由于本次液压设计主要是实现立式快速的原则， 故选双作用单活塞杆立式快速液 压缸的设计。采用焊接连接。可伸缩伺服液压缸的设计与控制设计内容 可伸缩伺服液压缸设计与控制 液压缸的公称压力为 30Mpa 液压缸快进速度为 0.2m/s 液压缸的行程为 300mm 液压缸回程力为 175KN,设计要求1）理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，确定其功能参数；2）明确可伸缩伺服液压缸的具体结构和控制方式，并给出相关参数；3）分析和计算可伸缩伺服液压缸机械结构，并确定控制的具体实现。4）绘制可伸缩伺

10、服液压缸机械图纸和电气电子线路图；5）撰写技术说明书设计进度安排1）17 周：机械设计2）18 周：液压回路设计，电路设计3）19 周：控制电路设计机电系统设计的分析、计算、选用与说明4.1 机械设计4.1.1 液压缸的结构设计1、缸体与缸的连接 缸体与缸的连接形式较多， 有拉杆连接、法兰连接、内半环连接、焊接连接、 在此选用焊接连接。3、活塞与活塞杆的连接 活塞与活塞杆的连接大多采用螺纹连接结构和卡键连接结构。螺纹连接结构 形式简单实用， 应用较为普遍； 卡键连接机构适用于工作压力较大， 工作机械振 动较大的油缸。因此从多方面的因素考虑选择螺纹连接结构。可伸缩伺服液压缸的设计与控制4、液压缸

11、缸体的安全系数 对缸体来说， 液压力、机械力和安全系数有关的因素都对缸体有影响。 液压 缸因压力过高丧失正常工作能力而破坏， 往往是强度问题、 刚度和定性问题三种 形式给表现出来， 其中最重要的还是强度问题。 要保证缸体的强度， 一定要考虑 适当的安全系数。、液压缸的主要技术性能参数的计算1、压力 所谓压力， 是指作用在单位面积上的负载。 从液压原理可知， 压力等于负载 力与活塞的有效工作面积之比。P=F/A（N/m2 ）式中： F作用在活塞上的负载力（ N）A 活塞的有效工作面积（ m2）从上述可知， 压力值的建立是因为负载力的存在而产生的， 在同一个活塞的 有效工作面积上，负载越大，所需的

12、压力就越大，活塞产生的作用力就越大。如 果活塞的有效工作面积一定，压力越大，活塞产生的作用力就越大。由此可知：1、根据负载力的大小，选择活塞面积合适的液压缸和压力适当的液压泵。2、根据液压泵的压力和负载力，设计和选用合适的液压缸。3、根据液压缸的压力和液压缸的活塞面积，确定负载的重量。在液压系统中， 为了便于液压元件和管路的设计选用， 往往将压力分级。 见下表 1.1 所示：表 1.1 压力分级级别低压中压中高压高压超高压压力范围 （Mpa）02.52.55816163232本次液压缸的设定公称压力为 30Mpa，由表 1.1 可知，本此液压缸属于高压。2、流量所谓流量是指单位时间内液体流过管

13、道某一截面的体积。 对液压缸来说， 等于液 压缸容积与液体充满液压缸所需时间之比。即：q=V/t式中： V液压缸实际需要的液体体积（ L）t 液体压力充满液压缸缸所需的时间（ min ）3、运动速度运动速度是指单位时间内液体流入液压缸推动活塞（或柱塞）移动的距离， 运动速度可表示为：v=q/A式中： q流量（ m3/s ）A 活塞活塞受力作用面积（ m2 ） 设定快进速度为 0.2m/s 计算运动速度的意义在于：1、对于运动的速度为主要参数的液压缸，控制流量是十分重要。2、根据液压缸的速度，可以选用流量合适的液压泵可伸缩伺服液压缸的设计与控制3、根据液压缸的速度，可以确定液压缸的进、出油口的尺

14、寸，注塞杆，活塞和 活塞杆的直径。4、利用活塞杆前进和后退的不同速度，可实现液压缸的慢速攻进和快速退回。4、速比速比是指液压缸活塞杆往复运动的速度之比， 因为速度与活塞的有效工作面 积有关，速比也是活塞两侧有效工作面积之比。v2v1式中： D液压缸直径（ m）d 活塞杆的直径（ m）计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和决定是否设置缓冲装置。 速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成活塞杆太细，稳定性不好。 值可根据公称压力表值 1.3 选定表 1.3 公称压力与速比值公称压力（ Mpa）1012.52020速比1.331.4625、推力和拉力液压油作用在活塞上的液压力， 对于双作用单活塞杆

15、液压缸来说， 活塞杆伸出时的推力为 F1 ：F=A1P 106活塞杆缩回时的拉力为 F2 ：F2=A2x106= （D2-d 2 ） Px1064式中： P 工作压力（ Mpa）D缸筒内径（ m）d活塞杆直径（ m）6、行程液压缸的活塞行程 S，在初步设计时，主要是按实际工作需要长度来考虑。 但是，实际需要的工作行程并不一定是液压缸的稳定性所允许的行程， 为了计算 行程，应首先计算出活塞杆的最大允许计算长度。L=1.01d 2 n x103（cm）9.8Pnk式中： d 活塞杆直径（ cm）P 活塞杆纵向压缩负载（ N）n 末端条件系数，可查表求出，依题可知 n=1/4nk 安全系数， nk

16、6根据液压缸的各种安装形式和欧拉公式所确定的活塞杆计算长度及导出行程计算式。一般情况下， 液压缸看纵向压缩负载是知道的， 有上式即可大概求出可伸缩伺服液压缸的设计与控制液压缸的最大允许行程。设计液压缸的行程为 300mm。、液压缸的基本参数1、液压缸内径及活塞杆外径尺寸系列液压缸内径系列（ GB/T2348-1993）8 10 121620 253240 50 6380（ 90） 100（110）125（ 140）160（180）200 220（250）（280） 320（360）400 450 500括号内为优先选取尺寸 活塞杆外径尺寸 系列（ GB/T2348-1993）4 5 6 8 1

17、0 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 活塞杆连接螺纹型式按细牙，规格和长度查有关资料。 液压缸的行程系列（ GB23491980） 第一系列25 50 80 100 125 160 200 250 320 400500 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 18

18、00 2200 2800 3600在设计计算后按 1.1.1 、1.1.2 、 1.2.1 、1.2.2 选用缸径、杆径和行程，并 验算与要求控制在 5%内、液压缸主油缸的设计计算1 、缸体内径 D 的计算设计过程中， 根据已经给出的工作压力、 公称压力计算缸体的内径， 对于双 作用单活塞杆液压缸的计算如下：F=PA=D2式中： F- 液压缸的公称压力； P-液压缸的工作压力；所以：4x1000 x1033.14x30 x106=0.206mm=949850N 1140KN根据（ GB/T23481993）圆整后取 D =220mm验算：1000 1140 x100% 6% 5%1000实际公

19、称力F=30 x106 x32 （ 220 x10 3 ）24所以合理，即 D =220mm可伸缩伺服液压缸的设计与控制2、缸体壁厚 的计算按厚壁筒计算， 因我们本次设计缸体的材料为 QT500-7球墨铸铁，是脆性材 料，则考虑用第一和第二强度理论计算， 又因第二强度理论比第一强度理论更节 省材料，故选用第二强度理论来计算： 0.4Py2 ( 1.3Py 1)Py 为试验压力：当缸的额定压力 P 16Mpa时，Py =1.5P当缸的额定压力 P16Mpa时， Py =1.25P所以：Py =1.25 30=37.5Mpa-1)=D ( 104Py2202= 2 ( 1.3Py( 90 10 6

20、 0.4 37.5 106 -1)=0.049m6690 10 6 1.3 37.5 106根据国标 GB87131988，圆整后取 =50mm3、缸体外径 D1 的计算D1 = D+2 式中： D 缸体内径（参见 4.4.1 重型机械表） 所以： D1 = D+2 =220+2 50=320mm根据重型机械表 4.41 ，取 D1=320mm合理。22(1.3D12 0.4D22)D12 D 24、缸体壁厚的验算 因我们本次设计缸体的材料为 QT500-7球墨铸铁 , 是脆性材料，采用第二强 度理论验算（以能量为依据）即：P=(13 0.3172 0.4 0.222) 30 =71.99MP

21、a 0.3172 0.222D1=D 104Py =0.22 90 0.4 1.25 30 =0.317m1 1.3Py90 1.3 1.25 30=71.99Mpa90MPa 所以液压缸的壁厚是符合要求的。5、支承台肩处强度计算1）支承台肩接触面挤压应力P2 2 0.785（ D3 2S）2 （D1 2S）2 式中： P=1000KN D3=360mm可伸缩伺服液压缸的设计与控制D 1=320mm S=2m（m 倒角尺寸）1000 103许用挤压应力， =90Mpa则： = 1000 10 =58.54MPa 90MPa0.785（ 0.36 0.02 2）2 （0.32 0.002 2）2

22、 1062）支承台肩断面，从图可见，台肩处断面上的合成应力为弯曲应力与拉伸压力 之和。即：6Ma式中：D3=360mm=0.785(D32 D22 )2 =90MPaD2=260mm其中：T=1 D21 2 21h212D2(h)3In D12 h1D2P = 1000 x10 =1224889.759(N/m)D2 3.14x0.26h=160mmh1=1 (D1-D2)=30mm3(12)D2 2 2 ( ) xh12=0.25（ 材料泊松比系数 ）钢：0.3 铸铁： 0.25得：3(1 0.32)=20.580.26 2 2 ) x0.032可伸缩伺服液压缸的设计与控制Ma=122488

23、9.759x(0.32 0.26)20.58x0.162220.58x0.26x(0.16 3) In0.030.320.26Ma=254831N150=37x10660 (22042 d2)1000000 6x254831 2 2 2 = 80.27Mpa80mm则,取A=0.6X20=12 cm根据实际情况考虑 : A=985cm B=19.5cm3、导向套的材料及技术要求1. 导向套的材料导向套一般采用摩擦系数小、 耐磨性好的青铜材料制作， 也可以选用铸铁、 球铁2. 导向套的技术要求a. 外圆与端盖内孔的配合多为 H8/f7导向套内孔与活塞杆外圆的配合多为 H9/f9外圆与内孔的同轴度误差不大于 0.03形状误差不大于公差之半- 14 -可伸缩伺服液压缸的设计与控制e内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，保证润滑条件良好 f 表面粗糙度为 Ra 1.25 6.34.2 液压回路设计电路设计- 15 -可伸缩伺服液压缸的设计与控制按下 SB2，继电器 K1得电并自锁， YA2得电，油缸左腔得油伸出，当推动活塞的 压力大于溢流阀所设定的压力时，溢流阀导通卸荷，使活塞伸出速度保持一致， 工作稳定，按下 SB3，继电器 K2 得电并自锁，互锁断开 YA2, YA1 得电，油缸 右腔得油缩回，当推动活塞的压力大于溢流阀所设定的压力时， 溢流