双作用液压缸的设计与控制

中原工学院机电学院机电系统综合实验（2023-2023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：班级机电131指导教师：周高峰崔路军完毕日期：2023年1月12日机械电子工程系目录1631设计任务书 3272121.设计目的与意义 4326852.设计内容和规定 418542.1拟定总体方案 4135012.2设计内容 591782.3设计规定 5121553.设计进度安排 589864.机电系统设计的分析、计算、选用与说明 5246774.1机械设计 533284.1.1液压缸的结构设计 548404.1.2、液压缸的重要技术性能参数的计算 6292984.1.4、液压缸主油缸的设计计算 87054.1.5、缸体的材料和技术规定 11319964.1.6、活塞杆径的计算与校核 1194754.1.7、快速液压缸柱塞直径的计算 13246324.1.8、缸盖的设计计算 13282644.1.9、液压缸油口的直径计算 14141694.1.10、导向套的设计计算 1510552e．内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，保证润滑条件良好 15143314.2液压回路设计 16161914.3电路设计 16114484.4控制设计 17165615.机电综合课程设计结论 17320236.机电综合课程设计的收获、体会和建议 17304447.参考文献 18300698.附录 18设计任务书题目可伸缩伺服液压缸的设计与控制设计内容理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，拟定其功能参数；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；分析和计算可伸缩伺服液压缸机械结构，并拟定控制的具体实现。绘制可伸缩伺服液压缸机械图纸和电气电子线路图；撰写技术说明书。时间进度1）17周：机械设计2）18周：液压回路设计，电路设计3）19周：控制电路设计重要参考书籍和资料[1]冯清秀，邓星钟等著.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2023.[2]刘德全著.Proteus8电子线路设计与仿真[M].北京：清华大学出版社，2023.[3]成大先编.机械设计手册（第5版）[M].北京：化学工业出版社，2023.[4]董玉红徐莉萍编.机械控制工程基础（第2版）M].北京：机械工业出版社，2023.[5]秦曾煌著.电工技术（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2023.[6]王成元，夏加宽等著.现代电机控制技术（第2版）[M].北京：机械工业2023.[7]濮良贵，陈国定著.机械设计（第9版）[M].北京：高等教育出版社，2023.[8]刘娜李波等著.AutoCadMechanical机械设计入门到精通（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2023.任务分工备注可伸缩伺服液压缸设计与控制1.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。具有结构简朴，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。其重要应用有：工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提高机构，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善液压缸的设计制造，提高液压缸的工作寿命及其性能，对于更好的运用液压传动具有十分重要的意义。通过学生自己独立地完毕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，提高编写技术文献的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名杰出的机械工程师打好基础。设计内容和规定1）理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，拟定其功能参数；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，并拟定控制的具体实现。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2.1拟定总体方案当下各种液压缸规格品种比较少，重要是因各种机械对液压缸的规定差别太大。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规定不同样。由于本次液压设计重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。2.2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,2.3设计规定1）理解可伸缩伺服液压缸的功能和工作原理，拟定其功能参数；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，并拟定控制的具体实现。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3.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4.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朴实用，应用较为普遍；卡键连接机构合用于工作压力较大，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。4、液压缸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。4.1.2、液压缸的重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/m)式中：F—作用在活塞上的负载力（N）A—活塞的有效工作面积（m）从上述可知，压力值的建立是由于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，所需的压力就越大，活塞产生的作用力就越大。假如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，拟定负载的重量。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）0~2.5>2.5~5>8~16>16~32>32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，运动速度可表达为：v=q/A式中：q—流量（m3/s）A—活塞活塞受力作用面积（m） 设定快进速度为0.2m/s计算运动速度的意义在于： 1、对于运动的速度为重要参数的液压缸，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。3、根据液压缸的速度，可以拟定液压缸的进、出油口的尺寸，注塞杆，活塞和活塞杆的直径。4、运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，由于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。式中：D—液压缸直径（m）d—活塞杆的直径（m）计算速比重要是为了拟定活塞杆的直径和决定是否设立缓冲装置。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或导致活塞杆太细，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）1012.5~2020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液压缸来说，活塞杆伸出时的推力为F：F=A1P106活塞杆缩回时的拉力为F：F=Ax10=（D-d）Px10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，重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，应一方面计算出活塞杆的最大允许计算长度。L=1.01dx10(cm)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=1/4n—安全系数，n6根据液压缸的各种安装形式和欧拉公式所拟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，有上式即可大约求出液压缸的最大允许行程。设计液压缸的行程为300mm。4.1.3、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）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220（250）（280）320（360）400450500括号内为优先选取尺寸活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360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（GB2349－1980）第一系列2550801001251602002503204005006308001000125016002023250032004000第二系列406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600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，并验算与规定控制在±5%内4.1.4、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=P式中：F液压缸的公称压力；P液压缸的工作压力；所以：D===0.206mm根据（GB/T2348—1993）圆整后取D=220mm实际公称力F=30x10x=949850N1140KN验算：所以合理，即D=220mm2、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：P为实验压力：当缸的额定压力P16Mpa时，P=1.5P当缸的额定压力P>16Mpa时，P=1.25P所以：=1.2530=37.5Mpa=（-1）=(-1)=0.049m根据国标GB8713—1988，圆整后取=50mm3、缸体外径D1的计算D1=D+2δ式中：D—缸体内径（参见4.4.1重型机械表）所以：D1=D+2δ=220+250=320mm根据重型机械表4.41，取D1=320mm合理。4、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：==71.99MPaD=D=0.22=0.317m=71.99Mpa<90MPa所以液压缸的壁厚是符合规定的。5、支承台肩处强度计算1）支承台肩接触面挤压应力式中：P=1000KND3=360mmD1=320mmS=2mm（倒角尺寸）—许用挤压应力，=90Mpa则：==58.54MPa90MPa2）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：==90MPa式中：D3=360mmD2=260mmMa=T其中：T===1224889.759(N/m)h=160mm=(D1-D2)=30mm==0.25(材料泊松比系数)钢：铸铁：得：=20.58故Ma=1224889.759xMa=254831N4.1.5、缸体的材料和技术规定1)缸体材料选取QT500-7球墨铸铁，球墨铸铁的各种规定参数。2)缸体的技术规定、精度、表面粗糙度和形位公差规定a.缸筒的内径可选用H8、H9或H10配合。内径的表面粗糙度：活塞选用橡胶密封件密封，故取0.4~0.1，并进行研磨b．缸筒内径的圆度和圆柱度可选8级或9级精度c．缸筒端面的垂直度可选7级精度其他技术规定a．缸筒内径端部倒角，或倒R3以上的圆角，粗糙度不得过高，以免装配时损伤密封件b．缸筒外露表面可涂耐油油漆。c.铸件不得有砂眼、气孔、夹渣及组织疏松等缺陷d.铸件时效解决e.螺纹退刀槽圆角半径R1f．在31.5MPa压力下保压10min不得有渗漏现象4.1.6、活塞杆径的计算与校核1、活塞杆径的计算1）用流量定回程速度V由回程速度V=q/A可计算出活塞杆直径d：V回=q/A根据（GB/T2348—1993）选取d=200（mm）注：V—液压泵的回程速度。q—液压泵的额定排量。A—活塞与活塞杆的环形面积2、活塞杆直径的校核设计中回程力为175KN,根据计算实际回程力校核。F=PA=P=25x10x=25x10x=166.9KN验算：所以合理，即活塞杆直径为200mm3、活塞杆的材料和技术规定活塞杆是液压缸传递力的重要元件，它必须具有足够的强度和缸度，以便能承受拉力、压力、弯曲力、振动和冲击等载荷的作用，同时还要注意到它多活塞有效工作面积的影响，保证液压缸达成所规定的作用力和运动速度。活塞杆应具有一定的耐磨性。它的端部要选择适当的连接形式，并有较好的连接强度，此外还应具有较高的尺寸精度、几何精度和表面光洁度。活塞杆的杆体分为实心杆和空心杆，本次设计选用空心杆。1）.活塞杆的材料活塞杆通常选用棒料进行加工，此处选用球墨铸铁QT600-3。2）.活塞的技术规定A．粗加工调质HB229~285B．可高频淬火HRC45~55C．外圆圆度公差按9、10、11级精度，圆柱度按8级，两外圆跳动公差为0.01mm，端面垂直度公差按7级D．活塞杆表面需镀硬铬，镀层厚度30~50，镀后抛光E．工作表面粗糙度。F、时效解决G．不得有影响强度和表面的铸造缺陷3）.活塞杆的密封和防尘（1）、活塞杆的密封A、在一定工作压力和温度下具有良好的密封效果，泄漏小B、摩擦系数小，摩擦力均匀，不会引起运动零件的爬行或卡死等现象C、耐磨性好，寿命长，在一定限度上能自动补偿被密封件的磨损和几何精度的误差D、不损坏被密封件表面E、耐油性、抗腐蚀性好，不易老化F、成本低廉，制造容易，使用方便，维护简朴G、采用标准化结构和尺寸H、适应液压缸工作条件的特殊规定所以，其密封装置移动部分选用型聚氨酯密封圈密封；静止部分选用“O”型橡胶密封圈密封。4）活塞杆的防尘装置液压缸工作时常有灰尘、沙粒、铁屑等污物落在活塞杆上。若将污物带进液压缸，不仅会加剧零件的磨损、产生划痕，并且会影响液压系统的正常工作，因此需要安装防尘装置。因防尘圈能刮掉落在活塞杆上的污物，则按（QZB336—77）选用“防尘圈115聚氨酯Ⅱ—3”型的密封圈。4.1.7、快速液压缸柱塞直径的计算根据由快进速度V=q/A可计算出活塞杆直径d柱：根据(GB/T2348—1993)取d柱=63（mm）注：V快—快进（空载下行）速度。1、实际工作压力的计算已知：D1—液压缸外径，D1=320（mm）D—液压缸内径，D=220(mm)d—活塞杆直径，d=200（mm）主压力：p=0.785D2P回程压力：式中p—液体的工作压力p=25Mpa主压力：p=0.7850.22225106=949.85（KN）检查：等于公称力的5%，合格。回程压力：检查：未超过额定回程力的5%，合格。4.1.8、缸盖的设计计算缸盖装在液压缸两端，与缸筒构成紧密的油腔。缸盖、缸底和它们的连接部分都有足够的强度。1、缸盖的结构缸底与缸筒的连接形式：焊接连接形式缸头与缸体的连接形式：焊接连接形式（二）、缸底厚度的计算1、缸筒底部厚度计算缸筒底部为平底面且为有孔底时，其厚度h可以按照下面公式进行计算：式中：h—缸筒底部厚度，（mm）—油口直径，（mm）D—液压缸内径，（mm）—缸筒底部材料的许用应力，（90Mpa）P—实验压力，（Mpa）P=31.25（Mpa）查机械零件设计手册可知：=20mm，计算如下：（三）、缸盖的材料和技术规定本次所设计的液压缸选用材料为球墨铸铁QT500-7,它属于塑性材料,具有良好的焊接性能,缸筒与缸头为焊接连接。1.缸盖材料缸头：此处缸盖又是导向套，故选用铸铁，QT500—7缸底：缸筒与缸底为螺栓连接，故选用QT500-72.缸盖的技术规定A、活塞杆的直径（缸内径）等各种回转面（不含密封圈）的圆柱度按9级、10级或11级精度B、缸筒内外经的同轴度公差为0.03mmC、与液压缸的配合端面垂直度按7级精度D、导向面的表面粗糙度为E、铸件时效解决F、棱角倒顿4.1.9、液压缸油口的直径计算由活塞的最高运动速度QUOTE和油口最高流速QUOTE而定。式中：—油口流速（m/min）V—活塞输出速度（m/min）—液压缸油口直径（m）D—液压缸内径（m）根据国家标准柱塞缸油口取直径为30mm根据国家标准活塞杆油口取直径为45mm4.1.10、导向套的设计计算导向套对活塞杆起导向和支承的作用，它规定配合精度高，摩擦阻力小，耐磨性好，能承受活塞杆的压力、弯曲力以及冲击振动。1、导向套的结构选用易拆导向套，由于这种导向套采用螺钉或螺纹固定在缸盖上，当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行。维修方便，并且合用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况。2、最小导向长度的拟定当活塞杆所有伸出时，从活塞支撑面的中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度（H），它应满足下式规定：式中：L—最大工作行程cm；L=50cmD—液压缸内径cm；D=22cm导向套滑动面的长度A两种拟定形式：当缸径小于80时取：A=（0.6∽1.0）D当缸径大于80时取：A=（0.6∽1.0）d式中：d活塞杆直径(cm)d=20cmD液压缸内径(cm)D=22cm活塞宽度B取:B=（0.6∽1.0）D=19.5cm由于液压缸的缸径为220mm>80mm,则取A=0.6X20=12cm根据实际情况考虑:A=985cmB=19.5cm3、导向套的材料及技术规定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.导向套的技术规