双活塞杆双作用活塞式液压缸结构设计说明

目录

1设计的依据、原则和步骤 (3)

1.1引言 (3)

1.2设计的依据 (3)

1.3设计的一般原则 (3)

1.4设计的一般步骤 (4)

2设计的题目、技术参数、目的和要求 (5)

2.1设计题目 (5)

2.2设计技术参数 (5)

2.3设计目的 (5)

2.4设计要求 (5)

3液压缸缸体结构形式的确定 (5)

3.1结构初型 (5)

4液压缸性能参数与结构参数的计算 (6)

4.1液压缸工作负载力分析和计算 (6)

4.2 液压缸的液压力计算和工作压力的选择 (7)

4.3液压缸速度比的确定 (7)

4.4液压缸速度计算和流量选择 (7)

4.5液压缸综合结构参数及安全系数的选择 (8)

5缸筒设计与计算 (8)

5.1缸筒与缸盖的连接形式 (8)

5.2对缸筒的要求及材料选择 (11)

5.3缸筒的计算 (11)

5.4缸筒加工的技术要求 (13)

5.5缸筒头部法兰厚度 (14)

5.6缸筒—缸盖的连接计算 (14)

5.7 缸盖的材料和技术要求 (15)

5.8缸盖厚度的确定 (15)

5.9最小导向长度的确定 (16)

5.10缸体长度的确定 (16)

6活塞组件设计 (16)

6.1活塞设计 (16)

6.2活塞与活塞杆的连接结构 (17)

6.3活塞杆设计 (17)

6.4活塞杆及连接件强度校核 (19)

6.5活塞杆液压缸稳定性校核 (20)

7液压缸油口和排气装置设计 (21)

7.1油口设计 (21)

7.2排气装置设计 (22)

参考文献 (22)

双活塞杆双作用活塞式

液压缸结构设计

1设计的依据、原则和步骤

1.1引言

一部现代机器通常由机架、原动机、传动装置和工作机构四个主要部分构成，其中机架为载体，原动机的作用是进行能量形式的转换，为机器提供适当形式的动力，传动装置的作用是进行动力的传递，工作机构即执行机构，其作用是消耗能量而做功。如果原动机将其他形式的能转换成液压能，执行元件消耗液压能而做功，则称为液压机械或液压机。液压机械的执行元件即做功元件是液压马达和液压缸。液压马达和液压缸是通用化和标准化程度很高的液压元件，用户或设计者在研制一部新的液压机械时，应尽量选择标准化的液压元件，以避免金钱的浪费和时间、精力的消耗。但由于使用要求的千差万别，液压元件的专用化设计是不可避免的，其中以液压缸设计居多。这是由于液压缸配置的灵活性，设计、制造比较容易，维护比较方便的特点决定的。因而，相对其他液压元件而言，液压缸的设计是极为常见的，这也是工程技术人员必须具有的一种基本技能。

1.2设计的依据

液压缸与机器及机器上的机构直接相联系，对于不同的机构，液压缸的具体用途和工作性能也不同，因此设计之前，要进行全面地分析和研究，收集必要的原始资料并加以整理作为设计的依据。

（1）了解和掌握液压缸在机器上的用途和工作要求。

（2）了解液压缸工作环境条件。

（3）了解外部负载情况。

（4）了解液压缸运动形态及安装的约束条件。

（5）了解液压系统的情况。

（6）了解有关国家标准、技术规定和其他参考资料。

1.3设计的一般原则

液压缸设计时应注意如下问题：

（1）保证液压缸的输出推力、拉力（或转矩）、行程和往返运动速度满足要求。液压缸的额定工作压力（输出力的折算值）以液压泵的额定工作压力的70%为宜。

（2）保证液压缸的每个零件有足够的强度、刚度和耐用性（寿命）。

（3）在保证上述两个条件的前提下，尽量减小液压缸的外形尺寸和重（质）量。一般说来，在外负载一定的条件下，提高液压缸的额定工作压力可减小液压缸的外形尺寸。

（4）在保证液压缸性能的前提下，尽量减少零件数量，简化结构。

（5）尽量避免液压缸承受横（侧）向负载和偏心负载，活塞杆工作时最好受拉力，以免产生纵向弯曲而引发稳定问题。

（6）液压缸的安装形式、活塞杆头部与外负载的连接形式要合理，尽量减小活塞杆伸出后的有效安装长度，避免产生“鳖劲”现象，增加液压缸的稳定性。

（7）密封部位的设计和密封件的选用要合理，保证性能可靠、漏量少、摩擦力小、寿命长、更换方便。密封部位的设计是保证液压缸性能的重要一环，对所选用的密封件，应使其压缩率在合理范围内。

（8）根据液压缸的工作条件和具体情况设置适当的排气、缓冲和防尘措施。在工作条件恶劣的情况下应考虑活塞杆的防护措施。

（9）各种零件的结构形式和尺寸设计，应尽量采用标准形式和规系列尺寸，尽量选用标准件。

（10）液压缸应做到成本低、制造容易、维护方便。

1.4设计的一般步骤

一般情况下，应根据已确定的工作条件和掌握的设计资料，灵活地选择设计程序和步骤，反复推敲和计算，直到获得满意的设计结果。

（1）根据设计依据和负载机构的动作要求，初步确定设计方案：缸体结构设计、安装方式、连接方式等。

（2）根据液压缸承受的外部载荷作用力确定液压缸在行程各阶段上负载变化规律及必须提供的动力数据。

（3）在以输出力为主的液压缸设计中，根据负载F和选定的额定（工作）压力Pn，确定缸筒内径（即活塞外径）D和活塞杆直径d。

（4）根据选择活塞外径D和活塞杆直径d计算无杆腔面积A1和有杆腔面积A2；根据液压缸速度u的要求，确定液压缸所需的流量Q。

（5）选择缸筒材料，计算缸筒厚度或外径。

（6）选择缸底和缸盖的结构形式，计算缸底厚度、缸筒与缸盖的连接强度；确定具体安装形式及结构尺寸；确定缸筒上油口的位置、尺寸和连接形式。

（7）活塞组件设计。

（8）必要时设计缓冲和排气装置。

（9）审定全部设计资料及其他技术文件，对图纸进行修改和补充。

（10）绘制液压缸装配图和零件图，编制技术文件。

2设计的题目、技术参数、目的和要求

2.1设计题目

本次的设计题目即设计任务是双活塞杆双作用活塞式液压缸结构设计。

2.2设计技术参数

技术参数要求：（1）系统额定压力：12Mpa;（2）额定负载：20KN；（3）行程：280mm；（4）安装分类：轴线固定。

2.3设计目的

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。

2.4设计要求

安课程设计要求，完成设计题目规定的设计任务，学会机械产品设计基本方法——1.查科技文献，2.完成方案设计和方案比较，3.完成结构设计，4.相关的计算工作，5.绘图（三维建模、二维零件图、装配图等），6.编写课程设计说明书。

3液压缸缸体结构形式的确定

3.1结构初型

根据设计原始技术参数和设计任务书，查阅有关参考资料设计或选择油缸的结构初型。要求安装分类为轴线固定，轴线固定类安装形式的液压缸在工作时，轴线位置固定

不变。机床上的液压缸大多是采用这种安装形式。

（1）通用拉杆式：在两端缸盖上钻出通孔，用双头螺杆将缸和安装座连接拉紧。一般用于短行程、压力低的液压缸。

（2）法兰式：用液压缸上的法兰将其固定在机器上。法兰设置在活塞杆端的缸头上，外侧面与机械安装面贴紧，这叫头部外法兰式。由于液压缸工作时反作用力的作用，安装螺栓承受液压力的拉伸作用，因而安装螺栓的直径较大，并且要求强度计算。法兰设置在活塞杆端的缸头上，内侧面与机械安装面贴紧，这叫头部内法兰式。液压缸工作时，安装螺栓受力不大，主要靠安装支承面承受，所以法兰直径较小，结构较紧凑。这种安装形式在固定安装形式中应用得最多。法兰设置在缸的底部，与机械安装面用螺栓紧固，这叫尾部法兰式。这种安装形式使液压缸悬伸，安装长度较大，稳定性差。

（3）支座式：将液压缸头尾两端的凸缘与支座紧固在一起。支座可置于液压缸左右的径向、切向，也可置于轴向底部的前后端。径向安装时，安装面与活塞杆轴线在同一平面上，液压缸工作时，安装螺栓只承受剪切力；切向和轴向安装时，活塞的轴线与支座底面有一定的距离，安装螺栓既受剪切力，又承受因存在倾翻力矩而产生的弯曲力。切向安装时倾翻力矩比轴向安装时要小一些。对于支座安装形式，GS3766—83的2.2.2条规定：“支座式液压缸如不采用键或销承受剪切力时，则底脚固定螺栓必须经受全部剪切力而不致引起危险”。

选择法兰安装方式（头部内法兰式），优点结构较简单，易加工易装卸，缺点重量比螺纹连接的大，但比拉杆连接的小，外径较大。形式如下图所示：

4液压缸性能参数与结构参数的计算

4.1液压缸工作负载力分析和计算

计算工作负载是为了确定液压缸所需的牵引力，液压缸的工作负载是指工作机构在满负载情况下，以一定的加速度起动时，对液压缸产生的总阻力F或所需提供的液压力，即

F=+Ff+Fg+F（N）

式中——工作机构作用在活塞上的工作阻力及自重（当油缸垂直安装时）等对液压

缸产生的作用力，N；

Ff——工作机构满载起动时静摩擦力对液压缸产生的作用力，N；

Fg——工作机构满载起动时的惯性力对液压缸产生的作用力，N；

F——液压缸活塞及活塞杆处的密封摩擦阻力，N；通常以液压缸的机械效率来反映，

一般取机械效率=0.95。

由于本次设计的液压缸已给出额定负载20KN，因此取F=20KN。

4.2 液压缸的液压力计算和工作压力的选择

假定不计液压缸回液腔压力，液压缸的液压力有两种形式：一是作用在活塞上的液压力即推力；二是作用在活塞杆侧环形面积上的液压力即拉力。液压缸的液压力必须大于或等于前面所分析负载力（以工作负载为主体尚有其他阻力）。当无杆腔面积和有杆腔面积较大时，在负载相同的条件下，液压缸所需的额定压力较低；反之，则需要的额定压力较高。由于液压缸设计是液压系统的一部分，液压缸的综合经济性并不能保证整机的经济性。另外，在一定的外负荷条件下，工作压力较低则液压缸的直径较大，工作时有较多的油液通过，易于精确地控制流量，以获得平稳的低速运动。选择液压缸的工作压力也可采用类比的方法，参照其他同类机械设备的工作压力，并按实际情况加以适当调整。由于本次设计液压缸已给出系统额定压力12Mpa，因此取p=12Mpa。

4.3液压缸速度比的确定

确定速度比的主要目的是为了计算活塞杆的直径及考虑液压缸是否要设计缓冲装置。速度比不宜过大，过大时，虽然活塞杆直径也较大，有利于稳定性，但导致活塞杆侧环形面积变小而引起压力升高（拉力）时，同时还导致液压缸回程速度升高，容易引起压力冲击。反之，速度比过小时，则导致活塞杆较细，对稳定性不利。速度比?是在设计时要确定的重要参数之一，而?的取值与工作压力相关，一般来说，工作压力小时可取较小的?值，工作压力高时可取较大的?值。

根据本次设计液压缸的工作压力和液压缸类型，查国家标准GB/T 2348—1993中液压缸速比与工作压力的关系，得?=1。

4.4液压缸速度计算和流量选择

这里所说的速度是指液压缸稳定工作速度（为方便，记为u）。液压缸的速度要适当，速度过高时常常会引起密封件的过热和磨损，同时也会加剧活塞杆、导向套和缸筒的磨