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編號
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 錫柴汽車廠液壓綜合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923010
學(xué)生姓名： 康 海 成
指導(dǎo)教師： 屠德剛 （職稱：高級工程師 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 錫柴汽車廠液壓綜合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機(jī)械91
學(xué) 號： 0923010
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
１、 題目 錫柴汽車廠液壓綜合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
２、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
本課題是對自卸車上所有液壓元件進(jìn)行綜合試驗(yàn)裝置，以滿足工廠質(zhì)量控制的要求。由于試驗(yàn)臺已制造完成，并經(jīng)多年使用，故在完善液壓電控原理的基礎(chǔ)上，加以改進(jìn)。學(xué)生在設(shè)計(jì)中還須對現(xiàn)有液壓電控系統(tǒng)進(jìn)行分析，須重新設(shè)計(jì)液壓電控原理。故學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中，可掌握較強(qiáng)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，完成從設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)及運(yùn)行調(diào)試的整個過程，這樣一來就能很好的掌握機(jī)電一體化技術(shù)，提高解決實(shí)際工作問題的能力，為以后工作打下極好的基礎(chǔ)。
三、本設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的要求：
1．達(dá)到技術(shù)指標(biāo)所規(guī)定要求，滿足實(shí)際工作需要。
2．整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，加載機(jī)架部件需作應(yīng)力變型分析。
3．PLC全自動控制，要有較高的工作可靠性；安全性。
4．工作時噪音小，發(fā)熱較小，設(shè)備外形美觀及操作方便。實(shí)習(xí)地點(diǎn)：無錫。
按照用戶提出的完整技術(shù)要求，寫出液壓及電氣的技術(shù)數(shù)據(jù)，并經(jīng)用戶確 認(rèn)。
工作量要求：
1．.總裝圖：試驗(yàn)臺裝配圖；液壓站裝配圖；油缸加載設(shè)備裝配圖。
2.主要部裝圖：液壓原理圖。
重要零件圖：油缸加載設(shè)備重要零件圖 及液壓集成塊圖2#等。
3. 油缸加載設(shè)備的應(yīng)力應(yīng)變分析; 液壓集成塊三維圖
4．完整的設(shè)計(jì)及使用說明書（電液選型；參數(shù)計(jì)算）。
5．必要的技術(shù)資料翻譯（8000字符）。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械91 班 姓名 康海成
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)指導(dǎo)：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘 要
液壓實(shí)驗(yàn)臺是進(jìn)行液壓元件檢測的關(guān)鍵設(shè)備，是集機(jī)、液、電為一體的現(xiàn)代化高技術(shù)設(shè)備。
本文針對實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)的需求，提出了設(shè)計(jì)題目。并對該機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面設(shè)計(jì)。
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,首先分析液壓實(shí)驗(yàn)臺的工作過程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，確定了液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。計(jì)算了整個液壓系統(tǒng)的流量,并根據(jù)流量和壓力進(jìn)行了液壓閥的選型、油箱的設(shè)計(jì)和各個輔助元件的選擇。計(jì)算了核個系統(tǒng)的的功率，據(jù)此選擇了電動機(jī)的型號，最后繪制了液壓泵站的裝配圖。
由于傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)臺采用繼電器等元件作為控制系統(tǒng)的控制元件，存在可靠性、靈活性差等缺點(diǎn)。文中通過實(shí)例說明利用PLC對其進(jìn)行改造
電氣控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC作為整臺機(jī)器的控制器，并對PLC的工作過程進(jìn)行了介紹，對PLC及相關(guān)元件進(jìn)行了選型，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的自動化。本設(shè)計(jì)己經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：液壓實(shí)驗(yàn)臺；可編程控制器；液壓閥；液壓系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
Abstract
he hydraulic experimental stand is the critical equipment of testing hydraulic organ, which is a modernize technique equipment which centralizes the machinery, hydraulic and electric.
Aiming at the requirement of laboratory and producing ,the aulhor puts forward the topic and devises the hydraulic system and controlling system thoroughly.
In the process of the device of hydraulic system, firstly,process of hydraulic experimental stand working were analyzed. Based this, the principle plot of hydraulic system was devised;furthermore, the performing elements were decided. At the same time, the author Computed the flux of the whole system, And then, based on the flux and the pressure, the author accomplished the choices of valves, the design of gasoline tank and the choices of assistant components. And then,computed the power of the whole system and chose the model of electromotor. At last，the component plot of hydraulic station drawn.
The traditional hydraulic experimental stand using relays as control elements shows some disadvantages such as low reliability and flexibility．This paper discusses the improved design of hydraulic experimental stand based on PLC.
The controlling system adopts the PLC as the controller of the entire machine. It introduced the working process of' the PLC, chose the model of the PLC and related elements. At the same time, This design has already been applied to practice, and has gained a very good effect.
Key Words: hydraulic experimental stand,；PLC； hydraulic pressure valves； hydraulic system；controlling system
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 概況和發(fā)展趨勢 1
1.1.1 錫柴汽車廠簡介 1
1.1.2 國內(nèi)外自卸車的概況和發(fā)展趨勢 1
1.1.3 液壓檢測技術(shù)的概況和發(fā)展趨勢 2
1.2 課題的提出與意義 3
1.3 課題的主要內(nèi)容 4
2 總體方案的確定 5
2.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 5
2.2 確定液壓系統(tǒng)方案 6
2.3 確定控制系統(tǒng)方案 6
2.4 確定外觀及機(jī)械附件的設(shè)計(jì)方案 6
2.5 總體配置設(shè)計(jì) 6
3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其校核 7
3.1 液壓系統(tǒng)的組成 7
3.1.1 能源裝置 7
3.1.2 執(zhí)行元件 7
3.1.3 調(diào)節(jié)控制元件 7
3.1.4 輔助元件 7
3.2 液壓系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn) 7
3.2.1 液壓傳動的優(yōu)點(diǎn) 7
3.2.2 液壓傳動的缺點(diǎn) 8
3.3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 8
3.3.1 液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 8
3.3.2 液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和液壓件的選擇 12
3.3.3 液壓輔助元件的設(shè)計(jì)與選擇 25
3.3.4 液壓元件的安裝和鍵校核 29
4 機(jī)械附件設(shè)計(jì) 32
4.1 自卸鋼架的設(shè)計(jì) 32
4.1.1 方案的擬定 32
4.1.2 方案的確定及部件分析 34
4.2 油箱的設(shè)計(jì) 35
4.3 實(shí)驗(yàn)臺操作面板及控制電柜的外形設(shè)計(jì) 37
4.3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)與問題的提出 37
4.3.2 設(shè)計(jì)方案的確定 37
5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 39
5.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較 39
5.2 PLC與微型計(jì)算機(jī)的比較 39
5.3 PLC可靠性高的原因 40
5.4 PLC的安裝與抗干擾措施 40
5.5 PLC系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行 41
5.5.1 通電前的檢查 41
5.5.2 調(diào)試運(yùn)行主要過程 41
5.6 PLC系統(tǒng)的維護(hù) 42
5.7 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 42
5.7.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 42
5.7.2 控制流程的擬訂 43
5.7.3 PLC控制電路元?dú)饧倪x用 43
5.7.4 PLC的編制 44
6 UG有限元分析方法 46
6.1 有限元分析方法簡介 46
6.2 進(jìn)行有限元分析的目的和意義 46
6.3 活塞桿的受力變形情況進(jìn)行分析 47
6.3.1 分析步驟 47
6.3.2 分析載荷 47
6.3.3 分析結(jié)果 47
6.4 自卸鋼架端板受力變形的分析 48
6.4.1 分析步驟 48
6.4.2 分析載荷 48
6.4.3 分析結(jié)果 48
7 活塞桿的最優(yōu)化設(shè)計(jì) 49
7.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)簡介 49
7.2 活塞桿的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 49
7.2.1 活塞桿的工況分析 49
7.2.2 選擇設(shè)計(jì)變量、建立目標(biāo)函數(shù) 49
8 液壓綜合實(shí)驗(yàn)臺測試實(shí)例 51
8.1 自卸油缸試驗(yàn) 51
8.1.1 空載的往復(fù)運(yùn)行 52
8.1.2 全行程長度 52
8.1.3 滿載的往復(fù)運(yùn)行（最大推力（慢速）對頂） 52
8.1.4 內(nèi)泄漏及外泄漏 53
8.2 單向閥（DF-F20A1）試驗(yàn) 53
8.2.1 內(nèi)泄漏 53
8.2.2 耐壓試驗(yàn) 53
8.2.3 正向壓力損失 54
8.2.4 開啟壓力 54
9 液壓原理改進(jìn)設(shè)計(jì) 55
9.1 液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀 55
9.2 液壓系統(tǒng)的改造 55
9.3 液壓系統(tǒng)改造原理圖的繪制 55
10 結(jié)論與展望 57
10.1 結(jié)論 57
10.2 展望 57
參考文獻(xiàn) 58
致謝 59
V
錫柴汽車廠液壓綜合實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 概況和發(fā)展趨勢
1.1.1 錫柴汽車廠簡介
一汽解放汽車有限公司無錫錫柴汽車廠是一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī) 廠下設(shè)生產(chǎn)各類改裝車的專業(yè)化分廠，是一汽集團(tuán)在華東地區(qū)設(shè)立的改裝汽車生產(chǎn)基地。工廠具有年產(chǎn)10000輛改裝汽車和5000輛底盤的生產(chǎn)能力，擁有國家公安部和國家技術(shù)監(jiān)督總局核準(zhǔn)的汽車安全環(huán)保性能檢測線。產(chǎn)品的銷售、服務(wù)納入一汽營銷大網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一運(yùn)作，已經(jīng)發(fā)展培育了46家錫柴改裝車專營銷售網(wǎng)點(diǎn)。
圖1.1 錫柴汽車廠生產(chǎn)的剛性自卸車
1.1.2 國內(nèi)外自卸車的概況和發(fā)展趨勢
據(jù)有關(guān)資料顯示，到2007年國內(nèi)專用車保有量將達(dá)到275萬輛，每年需求量34萬輛，原有專用車更新量12萬輛。每年以7.8%的速度遞增，其發(fā)展速度高于普通貨車的增長速度，且會向重型化發(fā)展。目前，專用汽車重、中、輕比例約為2:5:3，隨著中國加入WTO，國外技術(shù)的引進(jìn)及合資合作等多種方式的技術(shù)改造和提高，加上國家大型項(xiàng)目拉動，以及開發(fā)中西部的需求，重型車將有較大發(fā)展，逐漸向3:4:3的合理比例接近。
新工藝、新材料的應(yīng)用以及機(jī)、電、液一體化是專用汽車今后發(fā)展的另一方向，如液壓輔助裝置裝卸貨物，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，PP蜂窩板在各種廂式車上的應(yīng)用，特殊復(fù)合材料在防彈運(yùn)鈔車的運(yùn)用，大大提高了專用車的整體性能，促進(jìn)了專用汽車的發(fā)展。
自卸車起源于歐洲，它是一種適宜在惡劣天氣及空間受限制的工作條件下工作的工程汽車，其用途由最初的修路逐漸發(fā)展應(yīng)用到采礦業(yè)、水電工程、鐵路工程和機(jī)場等不同行業(yè)的工程項(xiàng)目中。自卸車具有良好的驅(qū)動能力、通過能力和機(jī)動性能以及比剛性車輛低得多的運(yùn)營成本。其優(yōu)越的性能在國內(nèi)外得到了工程承包商的廣泛認(rèn)可，使之成為年銷售量增長率最快的重型工程車輛。
自卸車的開發(fā)歷史并不很長，其中有瑞典的沃爾沃（VOLVO）、美國的特雷克斯（TEREX）和卡特彼勒（Caterpillar）等公司。三家的年產(chǎn)量占全世界年產(chǎn)量的80%以上。
鉸接式卡車以其獨(dú)特的車架結(jié)構(gòu)、全輪驅(qū)動方式，顯示出卓越的機(jī)動性和通過性，發(fā)展迅速，已深為廣大用戶青睞。鉸接式卡車不僅初期投資少，同時投入產(chǎn)出比高，用戶投資的利潤回報率高，是一種很有前途、值得大力推廣的車型。這種先進(jìn)的運(yùn)輸設(shè)備已在我國的工程施工中得到了推廣，市場前景廣闊。
成立于1927年的VOLVO公司是瑞典最大的工業(yè)企業(yè)集團(tuán)，總部設(shè)在比利時的布魯塞爾。1966年該公司開始生產(chǎn)鉸接式自卸車，現(xiàn)在主要在瑞典Braas生產(chǎn)，年生產(chǎn)能力在2000輛左右，主要型號有A25D、A30D、A35D和A40D等四種機(jī)型。有效載重量25~41t?？偛课挥诿绹Z沃克的TEREX公司為世界三大自卸車生產(chǎn)基地之一，主要產(chǎn)品包括T25、T30、T35、T40等型號。
由于國內(nèi)鉸接式自卸車開發(fā)時間很短，現(xiàn)在還幾乎處于空白狀態(tài)，因此國內(nèi)市場幾乎全由VOLVO等幾個大公司所占據(jù)。目前，徐工集團(tuán)工程機(jī)械制造廠在綜合我國國情和施工現(xiàn)場實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)載重量為25t的XAD250鉸接式自卸車。該車在總體上采用6×6全輪驅(qū)動、液力傳動、防滑差速器、自動換檔、雙向駕駛、液壓轉(zhuǎn)向及橡膠彈性懸掛，在最近的上海寶馬車展上一亮相，就引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。
1.1.3 液壓檢測技術(shù)的概況和發(fā)展趨勢
液壓設(shè)備由于具有單位功率重量輕、體積小、易獲得大力矩、可實(shí)現(xiàn)無級變速、控制載荷容易等突出優(yōu)點(diǎn)，而得到越來越廣泛地應(yīng)用。國內(nèi)各類機(jī)械設(shè)備配置的液壓系統(tǒng)也越來越多，而且日趨復(fù)雜。液壓技術(shù)的應(yīng)用已成為現(xiàn)代化工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械的典型標(biāo)志。
雖然液壓系統(tǒng)具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但由于設(shè)計(jì)、制造、管理水平以及客觀條件限制，液壓系統(tǒng)在使用過程中免不了要發(fā)生故障，使得液壓設(shè)備達(dá)不到設(shè)計(jì)要求甚至不能正常作。同時隨著現(xiàn)代化機(jī)械的液壓系統(tǒng)向著高性能、高精度和復(fù)雜化方向的發(fā)展，液壓元件的價格昂貴，一旦液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從維修成本考慮我們不能每次都更換有故障的液壓元件，而是應(yīng)該找出故障所在，首先選擇盡快修復(fù)。但是，因?yàn)橐簤簜鲃酉到y(tǒng)的密閉性，以及一些工作人員對液壓傳動知識了解不夠，使得機(jī)械中經(jīng)常出現(xiàn)的許多液壓技術(shù)上的故障難以診斷和排除。
由于故障排查和檢測技術(shù)的缺乏，而延長了修理周期，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的情況是屢見不鮮的。因此，開展液壓系統(tǒng)故障檢測和診斷技術(shù)的研究越來越受到重視，已成為液壓技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。
A.液壓檢測技術(shù)的分類
由于液壓系統(tǒng)是一個有機(jī)聯(lián)系的多元件復(fù)雜整體，故障現(xiàn)象和故障原因并非是一一對應(yīng)關(guān)系，呈現(xiàn)出綜合性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)，再加上液壓系統(tǒng)工作元件及工作介質(zhì)的封閉特性，給系統(tǒng)的狀態(tài)檢測及不解體在線故障診斷帶來相當(dāng)多的困難。目前，主要還停留在人工巡回檢測和定期檢修的水平上。近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，大大地促進(jìn)了液壓系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)地發(fā)展。檢測方法主要有以下幾種：
a.感觀診斷法
查找液壓系統(tǒng)故障的最簡便方法就是“感官診斷法”，又稱為“四覺診斷法”，這是指有經(jīng)驗(yàn)的維修技術(shù)人員憑感官和經(jīng)驗(yàn)，通過看、聽、觸、嗅等方法判斷故障原因。
b.加熱檢測法
用一個電熱源對液壓系統(tǒng)中的管道進(jìn)行加熱，從管道外壁的溫升情況即可迅速判明金屬管道內(nèi)，有無油液、油液流動的方向以及大概流速。但是這種方法不能測試壓力等其它參數(shù)，測試結(jié)果也易受外界因素、測試部位、測試方法的影響，有時候要經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)才能找出故障部位。
c.鐵譜技術(shù)
是通過分析設(shè)備磨損的微粒來診斷系統(tǒng)的故障。但由于鐵譜技術(shù)是一門新興的技術(shù)，目前所用設(shè)備的成本較高。
d.實(shí)驗(yàn)臺檢測
包括綜合性檢測實(shí)驗(yàn)臺和單一功能的檢測實(shí)驗(yàn)臺。利用實(shí)驗(yàn)臺可以很方便的檢測出被測試液壓元件的多種參數(shù)，再與標(biāo)準(zhǔn)值比較，即可迅速判明哪一個元件出現(xiàn)故障。
e.儀器檢測法
所謂儀器檢測法就是使用儀器、儀表進(jìn)行故障診斷的方法。這些儀器、儀表是在不拆卸液壓設(shè)備的情況下進(jìn)行參數(shù)測量后與正常值相比較從而斷定是否有故障。一般地說，用儀器儀表檢測比較準(zhǔn)確有效。
f.智能診斷
包括模糊診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法和專家系統(tǒng)診斷法。
B.液壓檢測技術(shù)的發(fā)展方向
液壓系統(tǒng)維護(hù)已從過去簡單的故障拆修發(fā)展到故障預(yù)測，即發(fā)現(xiàn)故障苗頭時，預(yù)先進(jìn) 行維修，清除故障隱患，避免設(shè)備惡性事故的發(fā)生。
上面提到的某些檢測方法具有主觀性，對檢測結(jié)果的判斷具有一定的影響，因此我們要加強(qiáng)液壓檢測技術(shù)的科技含量，提高其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
一方面，我們要大力開展儀器檢測。這是一種實(shí)用的液壓系統(tǒng)故障診斷方法，能夠方便準(zhǔn)確地判斷出故障部位及原因，及時處理。其優(yōu)點(diǎn)是科學(xué)、客觀，避免了個人診斷的盲目性，診斷結(jié)果符合實(shí)際，具有較高的實(shí)用推廣價值。
另一方面，我們要實(shí)現(xiàn)主動維護(hù)技術(shù)，加強(qiáng)液壓系統(tǒng)故障診斷方法的研究，液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)是一個具有巨大應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。這就要總結(jié)專家的知識，建立完整的、具有學(xué)習(xí)功能的專家知識庫，并利用計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的信息和知識庫中的知識，用推理機(jī)中存在的推理方法推算出引起故障的原因，提出維修方案和預(yù)防措施。
要進(jìn)一步開發(fā)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)通用工具軟件，對于不同的液壓系統(tǒng)只須修改和增減少量的規(guī)則。另外，還應(yīng)開發(fā)液壓系統(tǒng)自補(bǔ)償系統(tǒng)，包括自調(diào)整、自潤滑、自校正，在故障發(fā)生之前進(jìn)行補(bǔ)償，這是液壓行業(yè)努力的方向。
1.2 課題的提出與意義
近年來隨著我國工程機(jī)械產(chǎn)品的不斷引進(jìn)和發(fā)展，大噸位液壓缸以及相關(guān)液壓元件的應(yīng)用越來越多，而這種液壓缸進(jìn)口價格偏高，國產(chǎn)質(zhì)量又不十分過關(guān)。因此，生產(chǎn)與使用這類液壓缸的廠家，建造一臺能夠?qū)ζ溥M(jìn)行試驗(yàn)與檢測的實(shí)驗(yàn)臺，就顯得非常重要與迫切。
本課題是對錫柴汽車廠自卸車上所有液壓元件進(jìn)行綜合試驗(yàn)的裝置，以滿足工廠質(zhì)量控制的要求。由于試驗(yàn)臺已制造完成，并經(jīng)多年使用，故在完善液壓電控原理的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。在設(shè)計(jì)中還須對現(xiàn)有液壓電控系統(tǒng)進(jìn)行分析，須重新設(shè)計(jì)液壓電控原理及程序，對于進(jìn)行自卸油缸試驗(yàn)的承載鋼架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及油缸中重要零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)并做出必要的有限元分析。本課題使我在設(shè)計(jì)過程中，能掌握較強(qiáng)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，完成從設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)及運(yùn)行調(diào)試的整個過程，這樣一來就能很好的掌握機(jī)電一體化技術(shù)，提高解決實(shí)際工作問題的能力，為以后工作打下極好的基礎(chǔ)。
1.3 課題的主要內(nèi)容
木課題的主要內(nèi)容是完成液壓實(shí)驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)。最后，將它們轉(zhuǎn)化為能供指導(dǎo)制造、裝配、安裝、調(diào)試和維修用的設(shè)計(jì)圖紙及各類說明書等技術(shù)文件?？傊O(shè)計(jì)的主要內(nèi)容分為機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。按照用戶提出的完整技術(shù)要求，寫出液壓及電氣的技術(shù)數(shù)據(jù)，并經(jīng)用戶確認(rèn)。
本設(shè)計(jì)需滿足的要求如下：
1．達(dá)到技術(shù)指標(biāo)所規(guī)定要求，滿足實(shí)際工作需要。
2．整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，加載機(jī)架部件需作應(yīng)力變型分析。
3．PLC全自動控制，要有較高的工作可靠性；安全性。
4．工作時噪音小，發(fā)熱較小，設(shè)備外形美觀及操作方便。主要技術(shù)指標(biāo)：
根據(jù)技術(shù)要求，我們需要在搞清設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行正式圖紙繪制。在設(shè)計(jì)中還須對現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如充分利用UG和 LINGO等軟件進(jìn)行有限元應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì),有條件的話還要進(jìn)行運(yùn)動分析。且重新設(shè)計(jì)電液原理圖，主機(jī)等部件。在自動化生產(chǎn)軟件的使用編程邏輯方面有所改進(jìn)使用PLC實(shí)時部分控制。因類似設(shè)備已投入生產(chǎn)，故我在設(shè)計(jì)過程中，可獲得并掌握較強(qiáng)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。最終完成從設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)及運(yùn)行調(diào)試的整個過程，這樣一來就能很好的掌握機(jī)電一體化技術(shù)，提高了解決實(shí)際工作問題的能力，為以后工作打下極好的基礎(chǔ)。尤其這幾個軟件的使用對以后的研究生課程有莫大的幫助和指導(dǎo)性的方向。
在設(shè)計(jì)的時候，課本知識和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合是我最想擁有的經(jīng)歷。期間充分利用已有的資源在搞清設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)上，調(diào)研工廠實(shí)際情況包括設(shè)備的調(diào)試（主要是液壓部分和電控部分）以及制造過程遇到的難題和解決方案，因而形成了對設(shè)備的機(jī)械部分，液壓部分，電氣部分技術(shù)觀念和感性認(rèn)識，為改進(jìn)，完善設(shè)備打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本課題為機(jī)電液綜合設(shè)計(jì)，對本科的機(jī)械工程學(xué)生而言，已經(jīng)是能夠接受和有所創(chuàng)新地完成的項(xiàng)目了。而且整個設(shè)備制造技術(shù)路線清晰明了。最后在設(shè)計(jì)完成交付，并實(shí)現(xiàn)功能的整個流程中，學(xué)習(xí)并收獲有限元應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動分析等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)中的作用。綜合機(jī)電液，加強(qiáng)鞏固和糅合這三方面知識結(jié)構(gòu)，為以后的發(fā)展打好基本。
課題結(jié)束后，希望能達(dá)到鍛煉設(shè)計(jì)能力，而又能熟悉如何從圖紙到設(shè)備實(shí)際工作調(diào)試完成交付使用的整個過程，并經(jīng)實(shí)際的動手完成真正能正常工作的設(shè)備。
2 總體方案的確定
2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)
本課題是對錫柴汽車廠自卸車上所有液壓元件進(jìn)行綜合試驗(yàn)的裝置，以滿足工廠質(zhì)量控制的要求。經(jīng)過與廠方代表的協(xié)商決定，該實(shí)驗(yàn)臺能夠?qū)σ韵乱簤涸M(jìn)行檢測并完成相應(yīng)的檢測項(xiàng)目。
表2.1 測試項(xiàng)目
被試產(chǎn)品名稱
型號及規(guī)格
其它型號及規(guī)格
試驗(yàn)項(xiàng)目
備注
電磁換向閥
22EQ-6B
ф6，ф10，ф16
通徑國際標(biāo)準(zhǔn)型號，
但不-提供閥連接塊。
1．滑閥機(jī)能
2．換向性能
3．壓力損失
電壓
24V
氣控?fù)Q向閥
Q23-E15L
1．油路型式及滑閥機(jī)能
2．各換向位置時內(nèi)泄漏
3．壓力損失及背壓試驗(yàn)
4．安全閥調(diào)壓性能
管式
多路換向閥
ZS1-L20-T/A0-F
ф20通徑長源液壓
標(biāo)準(zhǔn)型號，但不提
供閥連接塊。
1．油路型式及滑閥機(jī)能
2．各換向位置時內(nèi)泄漏
3．壓力損失及背壓試驗(yàn)
4．安全閥調(diào)壓性能
管式
操縱閥
LY341
ф20通徑長源液壓
標(biāo)準(zhǔn)型號，但不提
供閥連接塊。
1．油路型式及滑閥機(jī)能
2．各換向位置時內(nèi)泄漏
3．壓力損失及背壓試驗(yàn)
4．安全閥調(diào)壓性能
管式
單向閥
按實(shí)物
ф6，ф10，ф16
通徑國際標(biāo)準(zhǔn)型號，
但不提供閥連接塊。
1．內(nèi)泄漏
2．正反向壓力損失
3．開啟壓力
4．控制壓力特性
5．耐壓及耐久性試驗(yàn)
管板
式
油缸
Φ200
徑自卸車用油缸
Φ220缸徑以下工
程用油缸，但不提
供以上工程用油缸
安裝架。
1．空（滿）載的往復(fù)運(yùn)行
2．最低啟動壓力
3．內(nèi)泄漏及外泄漏
4．全行程長度
5．耐壓試驗(yàn)
6．緩沖及限位效果試驗(yàn)
7．最大推力（慢速）對
頂
自卸車
用油缸
可對頂
加載試
驗(yàn)。
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)臺所測試的液壓元件以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，確定本系統(tǒng)的最大額定工作壓力30MP，可無級調(diào)節(jié)，最大公稱流量125L/min。在低壓狀態(tài)下（≤3MP）,壓力精度要達(dá)到0.1MP。
2.2 確定液壓系統(tǒng)方案
液壓實(shí)驗(yàn)臺包括綜合性檢測實(shí)驗(yàn)臺和單一功能的檢測實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)屬于很典型的液壓系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)臺可以很方便的檢測出被測試液壓元件的多種參數(shù)，再與標(biāo)準(zhǔn)值比較，即可迅速判明哪一個元件出現(xiàn)故障。
在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，通過設(shè)置調(diào)壓回路、增壓回路、換向回路、進(jìn)、出節(jié)流回路實(shí)現(xiàn)不同的測試目的。高低壓油泵以及控制油泵的配合使用，使得測試的效率大大提高，準(zhǔn)確性更佳。
2.3 確定控制系統(tǒng)方案
該廠原先使用的液壓實(shí)驗(yàn)臺是采用繼電器控制的，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障，所以應(yīng)廠方要求，需要對原來的控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC改造。
根據(jù)廠方要求，決定采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列PLC對原先的實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行改造。
可編程序控制器根據(jù)操作者的指令，完成對換向閥等元件的控制，以控制每個執(zhí)行元件?？删幊炭刂破骶哂泻芨叩娜嵝院屯ㄓ眯?，同時采用傳統(tǒng)的梯形性能可靠，操作維護(hù)(I觀、方便，具有以下特點(diǎn):油缸油壓控制采用壓力控制，因而調(diào)節(jié)方便、可靠；因而調(diào)節(jié)操作簡單 ,控制精確；顯示和操作采用高性能和易操作的控制面板，操作、調(diào)節(jié)、簡單直觀;可實(shí)現(xiàn)手動、單動、自動等工作狀態(tài)，參數(shù)范圍大，有利于實(shí)驗(yàn)臺對油壓的選擇。當(dāng)故障發(fā)生時，PLC做出相應(yīng)保護(hù)措施。
PLC在滿足同樣控制要求的情況下，又不像計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)那樣復(fù)雜、難以掌握。有利于控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和柔性化，縮短控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試周期。
2.4 確定外觀及機(jī)械附件的設(shè)計(jì)方案
本液壓實(shí)驗(yàn)臺放置在生產(chǎn)第一線，工作環(huán)境比較惡劣，外觀只需美觀大方即可，控制面板的布置需合理以方便測試人員的操作。
由于廠家不提供測試自卸油缸時所需的測試鋼架，所以需設(shè)計(jì)一個能夠滿足測試要求的鋼架，初步確定其為焊接結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，還需運(yùn)用專業(yè)軟件對其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。
2.5 總體配置設(shè)計(jì)
基本取決于廠方提出的測試項(xiàng)目，結(jié)合自動化方案，進(jìn)行總休配置設(shè)計(jì)，把測試項(xiàng)目中各個環(huán)節(jié)所需的設(shè)備、傳感器、行程開關(guān)進(jìn)行合理安排，力求達(dá)到精簡、可靠、高效、操作安全、調(diào)核簡單、拆裝維修方便等要求。
3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其校核
液壓系統(tǒng)是液壓實(shí)驗(yàn)臺的心臟，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、合理性是測試技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性、精確性的關(guān)鍵。
3.1 液壓系統(tǒng)的組成
3.1.1 能源裝置
它是將電機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能(壓力和流量)輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般最常見的形式是液壓泵。
3.1.2 執(zhí)行元件
它是將油液的壓力能轉(zhuǎn)換成直線市或回轉(zhuǎn)式機(jī)械能輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般做直線運(yùn)動的是液壓缸，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動的是液壓馬達(dá)。
3.1.3 調(diào)節(jié)控制元件
它是控制液壓系統(tǒng)中油液的流量、壓力和流動方向的裝置，包括方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥、比例閥和邏輯閥。這些元件是保證系統(tǒng)正常工作不可缺少的組成部分。
3.1.4 輔助元件
是除上述三項(xiàng)以外的其它裝置，如油箱、濾油器、油管等，這些元件對保證液壓系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定持久的工作，有重大作用。
3.2 液壓系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)
3.2.1 液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)
與機(jī)械傳動和電力拖動系統(tǒng)比較，液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 液壓元件的布置不受嚴(yán)格的空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝有很大的靈活性，能構(gòu)成其他方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。
2. 可以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，且調(diào)速范圍大。
3. 液壓傳動和液氣聯(lián)動傳遞運(yùn)動均勻平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動，制動和頻繁的換向。
4. 操作控制方便，省力，易于實(shí)現(xiàn)自動控制，中遠(yuǎn)程距離控制，過載保護(hù)。與電氣 控制，電子控制相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護(hù)。
5. 液壓元件屬于機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件。其標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和通用化程度都較高，這樣有利于縮短機(jī)器的設(shè)計(jì)，制造周期和降低制造成本。
6. 除此之外，液壓傳動突出的優(yōu)點(diǎn)還有單位質(zhì)量輸出功率大，因?yàn)橐簤簜鲃拥膭恿υ刹捎煤芨叩膲毫?，因此，在同等輸出功率下具有體積小，質(zhì)量小，運(yùn)動慣性小，動態(tài)性能良好的特點(diǎn)[9]。
3.2.2 液壓傳動的缺點(diǎn)
1. 在傳動過程中，能量需經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換，傳動效率偏低。
2. 由于傳動介質(zhì)的可壓縮性和泄漏等因素的影響，不能嚴(yán)格保證定比傳動。
3. 液壓傳動性能對溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動介質(zhì)時還需要注意防火問題。
4. 液壓元件制造精度高，系統(tǒng)工作過程中發(fā)生故障不易診斷。
總的來說，液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)是主要的，其缺點(diǎn)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷得到克服。本機(jī)器的傳動主要采用了液壓傳動，并實(shí)現(xiàn)電控自動化控制[11]。
3.3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
3.3.1 液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)
3.3.1.1 確定油液的循環(huán)方式
表3.1 開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的比較
根據(jù)上圖所示，本液壓系統(tǒng)采用開式循環(huán)方式，因?yàn)閳?zhí)行元件有多個。
3.3.1.2 確定油路的組合方式
本系統(tǒng)中采用并聯(lián)方式。
3.3.1.3 調(diào)速方案的分析與選擇
表3.2 三種調(diào)速回路主要性能比較
根據(jù)上述表格內(nèi)容所示，本液壓系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速回路。
A.調(diào)壓回路
圖3.1 調(diào)壓回路
B.進(jìn)出口節(jié)流回路
圖3.2 進(jìn)出口節(jié)流回路
C.背壓回路
圖3.3 背壓回路
D.流量計(jì)選擇換向回路
圖3.4 流量計(jì)選擇換向回路
3.3.1.4 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定
根據(jù)上述分析、選擇，本液壓系統(tǒng)的原理圖如下：
圖3.5 液壓實(shí)驗(yàn)臺原理圖
3.3.2 液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和液壓件的選擇
3.3.2.1 泵源部分的設(shè)計(jì)
根據(jù)廠方要求，滿足液壓測試系統(tǒng)的功效，在本系統(tǒng)中，高壓油泵經(jīng)濾油器進(jìn)入高壓油泵吸油口，輸出高壓油經(jīng)單向閥至控制閥組。 低壓油泵經(jīng)濾油器進(jìn)入低壓油泵吸油口，輸出低壓油經(jīng)單向閥至控制閥組，高低壓油泵合并給系統(tǒng)供油。如系統(tǒng)工作在高壓下，低壓油泵自動卸壓，系統(tǒng)小流量供油。如系統(tǒng)工作在低壓下，高低壓油泵合并給系統(tǒng)供油，系統(tǒng)大流量供油。
控制油泵經(jīng)濾油器進(jìn)入油泵吸油口，輸出低壓油經(jīng)單向閥至控制閥組，用于電液換向閥控制油液換向。
本系統(tǒng)所測試的油缸是用于自卸車上的推力油缸，根據(jù)廠方提供的資料，該油缸最大負(fù)載達(dá)到60噸，被測油缸最快伸出速度800mm /min，系統(tǒng)最大工作壓力為25Mpa，最大流量125L/min。所以需要根據(jù)被測液壓元件的相關(guān)參數(shù)，分別選擇高、低壓油泵和控制油泵[14]。
A. 高壓油泵的選擇
a.高壓泵的額定壓力的計(jì)算
假設(shè)，若取進(jìn)油路的總壓力損失為 Pa，則液壓泵的最高工作壓力可按下式算出
Pp = P1 + =25X10+5X10=25.5MPa
根據(jù)《氣壓與液壓傳動》[11]中的有關(guān)規(guī)定，選取液壓泵時，泵的額定壓力應(yīng)選的比最高工作壓力高20%--60%，以便留有壓力儲備。
因此泵的額定壓力可取
b.泵的額定流量的計(jì)算
該系統(tǒng)測試φ200mm的自卸油缸，如果只需要油泵來供油時需要比較大的排量。油缸所需流量
所以我們可以根據(jù)油缸前進(jìn)時候的速度來選擇泵的額定流量。
參照被測油缸的規(guī)格，最高伸出速度為800mm/min，但那是在自卸油缸實(shí)際推負(fù)載時的數(shù)據(jù)，那種情況下由汽車發(fā)動機(jī)提供幾百千瓦的功率，這在測試系統(tǒng)上肯定是達(dá)不到的，所以取測試時候油缸的進(jìn)給速度為0.4mm/s。
則油泵的流量為： （3-1）
根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第四版，表23.5-40 技術(shù)規(guī)格，選用CY14-1B型斜盤式軸向柱塞液壓泵，額定
壓力為31.5MPa，流量為2.5ml/r--400ml/r，轉(zhuǎn)速1000 r.min—3000r.min
B. 低壓油泵的選擇
a.低壓泵的額定壓力的計(jì)算
根據(jù)本液壓綜合實(shí)驗(yàn)臺的測試規(guī)程，低壓油泵的工作壓力為4MPa。
根據(jù)《氣壓與液壓傳動》中的有關(guān)規(guī)定，選取液壓泵時，泵的額定壓力應(yīng)選的比最高工壓力高20%--60%，以便留有壓力儲備。
因此泵的額定壓力可取
b.低壓泵的額定流量的計(jì)算
同高壓油泵，則低壓油泵流量為：
根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第四版，表23.5-21 技術(shù)規(guī)格，選用型葉片泵，額定壓力為6.3MPa，排量為100ml/r，轉(zhuǎn)速960 r.min
C. 控制油泵的選擇
a.控制油泵的額定壓力的計(jì)算
根據(jù)《氣壓與液壓傳動》中的有關(guān)規(guī)定，選取液壓泵時，泵的額定壓力應(yīng)選的比最高工作壓力高20%--60%，以便留有壓力儲備。
因此泵的額定壓力可取
b.控制油泵的額定流量的計(jì)算
因?yàn)榭刂朴捅玫淖饔檬墙o一些液動閥供油，根據(jù)走訪工人師傅和工程技術(shù)人員，額定流量取為8.7L/min已經(jīng)可以滿足各種液控閥的要求了。
根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第四版，表23.5-21 技術(shù)規(guī)格，選用型葉片泵，額定壓力為6.3MPa，排量為6ml/r，轉(zhuǎn)速1450 r.min
3.3.2.2 電機(jī)的選擇
標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的容量由額定功率表示。所選擇的電機(jī)的額定功率應(yīng)等于或者稍大于工作要求的功率。容量小于工作要求，則不能保證工作機(jī)正常工作，或使電機(jī)長期過載，發(fā)熱大而過早損壞，容量過大，則增加成本，并且由于效率和功率因數(shù)低而造成浪費(fèi)。電機(jī)的容量主要由運(yùn)行時的發(fā)熱條件限定，在不變或表化很小的載荷下長期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械，只要其電機(jī)的負(fù)載不超過額定值，電機(jī)就不會過熱，通常不必校驗(yàn)發(fā)熱和啟動力矩。
由于在液壓泵在工作循環(huán)各個階段所需的輸入功率差別比較大，則按下面計(jì)算循環(huán)周期的等值功率?？爝M(jìn)，慢進(jìn)，工進(jìn)，快退。
( 3-2 )
在這里i選擇為1。所需功率最大的階段持續(xù)時間控制在最短，而且滿足。
則按照等值功率選擇電機(jī)。綜上，各泵所選電動機(jī)如下表所示：
表3.3 電動機(jī)選擇表
電動機(jī)型號
額定功率
滿載轉(zhuǎn)速
高壓泵
Y 132M-4
7.5KW
1440r/min
低壓泵
Y 160M-4
11KW
1460r/min
控制油泵
Y 90L-4
1.5KW
1400r/min
3.3.2.3 液壓缸的選擇
液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸與整個系統(tǒng)的工作機(jī)構(gòu)有直接的關(guān)系。在對整機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，編制負(fù)載圖，確定個工況壓力之后，根據(jù)工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載，運(yùn)動速度，工作行程等確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)，對主要零件進(jìn)行驗(yàn)算，最后進(jìn)行液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)時還需參考有關(guān)手冊，本系統(tǒng)所測試的油缸是用于自卸車上的推力油缸，根據(jù)廠方提供的資料，該油缸最大負(fù)載達(dá)到60噸，被測油缸最快伸出速度800mm /min。
3.3.2.4 液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
1. 在保證所獲得的速度和推力下，應(yīng)盡可能使液壓缸的各部分結(jié)構(gòu)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，盡量做到液壓缸的結(jié)構(gòu)緊湊，加工，裝配和維修方便。
2. 盡量使活塞桿在承受最大負(fù)載時處于受拉狀態(tài)，若受壓應(yīng)具有良好的縱向穩(wěn)定性，長行程的活塞桿伸出時，還應(yīng)加輔助支撐，避免活塞桿下垂。
3. 液壓缸熱脹冷縮時應(yīng)不受阻礙，所以液壓缸在安裝，固定時，液壓缸只能一端
定位。
4. 根據(jù)液壓缸具體工作條件，考慮是否有緩沖，排氣和防塵裝置。
3.3.2.5 液壓缸主要尺寸的確定
圖3.6 自卸油缸立體圖
1. 缸筒內(nèi)徑D
根據(jù)液壓缸推力F 和選定的工作壓力，或者運(yùn)動速度和輸入流量 ，按有關(guān)公式確定缸筒內(nèi)徑D后，然后再從GB2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取相近的尺寸并且加以圓整。 對缸筒的要求：
a. 有足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)試驗(yàn)壓力而不至于產(chǎn)生永久變形。
b.有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不至于產(chǎn)生彎曲。
c. 內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作而磨損少，尺寸公差和形位公差足以保證活塞密封件的密封性。
d. 需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上缸底和管接頭后不至于產(chǎn)生裂紋或過大的變形。
圖3.7 自卸油缸鋼桶立體圖
2. 活塞杠設(shè)計(jì)
活塞桿直徑d通常先滿足液壓缸速度或速度比來確定活塞桿的直徑d然后再從GB2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取相近的尺寸并且加以圓整，再按其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核?；钊麠U要在導(dǎo)向套中滑動。太緊則摩擦大，太松則容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損?；钊麠U內(nèi)端的卡環(huán)槽，緩沖柱塞要保證與軸線同心，特別是緩沖柱塞[2]。
圖3.8 自卸油缸活塞桿立體圖
3. 液壓缸缸筒長度S
液壓缸缸筒長度S是由最大工作行程長度確定，液壓缸缸筒長度一般不超過液壓缸缸筒內(nèi)徑D的20倍。
4. 液壓缸最小導(dǎo)向長度H
當(dāng)活塞桿全部外伸，從活塞面的中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動面的中點(diǎn)的距離稱為液壓缸最小導(dǎo)向長度H，若液壓缸最小導(dǎo)向長度H太小，當(dāng)活塞桿全部外伸時，這種結(jié)構(gòu)就是材料力學(xué)中見的懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)就是他的穩(wěn)定性不好，容易造成液壓缸活塞桿的晃動 ，一方面，這種懸臂梁結(jié)構(gòu)將使液壓缸活塞桿所受到的彎矩變的大， 這樣一來對液壓缸活塞桿的材料性能要求就比較高。另一方面，懸臂梁結(jié)構(gòu)將使得液壓缸活塞桿對液壓缸缸筒內(nèi)壁造成沖擊，容易造成液壓缸的損壞，同時對液壓缸缸筒材料的性能也有較高的要求，最后就是，液壓缸的穩(wěn)定性將變差。因此，對一般液壓缸必須有一個合適的導(dǎo)向長度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)液壓缸的最大行程L，液壓缸缸筒直徑D時，最小導(dǎo)向長度HL\20+D\2。
一般導(dǎo)向套滑動面長度A，在D〈80mm時，可取A=（0.6-1.0）D；在在D〉80mm時，可取A=（0.6-1.0）d?；钊麑挾菳=（0.6-1.0）D。若導(dǎo)向長度H不夠時，可以在活塞桿上增加一個導(dǎo)向隔套K來增加H值，導(dǎo)向隔套K的寬度C=.
5. 密封
油缸中使用密封圈可以防止高壓油的泄漏。密封圈是易損件，如果質(zhì)量不好，回嚴(yán)重影響機(jī)器的正常工作。對密封件的要求是：密封性能好，能隨著液體壓力增高而提高其密封性能，摩擦阻力小，磨損小，壽命長，使用維修簡單，易拆換，成本低，容易制造。在選擇密封材料時，應(yīng)考慮其性能，一般要求：在一定溫度使用范圍內(nèi)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不容于工作介質(zhì)，與金屬接觸時不互相起作用（如腐蝕，拈著等），不軟化或硬化，彈性好，永久變形小，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，易于壓制成型，價格低廉等。密封件有多種形式，在油缸中采用O型圈，軸用和孔用Y x 型密封圈?；谏鲜鲆?，對O型圈和軸用Y x 型密封圈用聚胺脂橡膠（它是廣泛運(yùn)用于各種液壓缸中的一種橡膠材料，具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度，彈性及耐油性均很好，還有極好的耐磨性。能耐高壓）。
圖3.9 自卸油缸檔圈立體圖
6.液壓缸的安裝形式
這里的自卸油缸后端采用耳軸安裝，前端采用單耳環(huán)安裝。液壓缸的后端耳軸安裝在固定支座內(nèi)，并與實(shí)驗(yàn)鋼架的端板相連，以實(shí)現(xiàn)油缸的尾部固定。在油缸對頂實(shí)驗(yàn)中，通過固定裝置把兩油缸前耳環(huán)上的銷軸固定，從而實(shí)現(xiàn)兩個自卸油缸的連接以達(dá)到受力均衡的目的。應(yīng)努力提高安裝板的強(qiáng)度，液壓缸本身靠固定支座上的上的螺栓固定在端板上，容易有應(yīng)力集中產(chǎn)生，所以后面我們將對油缸和法蘭的安裝螺紋進(jìn)行強(qiáng)度校核。
圖3.10 自卸油缸連接立體圖
7.活塞的選擇
由于活塞在液體壓力的作用下往復(fù)運(yùn)動，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的華東配合表面，間隙過大會引起液壓缸內(nèi)部泄漏，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。
根據(jù)密封裝置型式來選活塞結(jié)構(gòu)型式（密封裝置則按工作條件選定）。通常分為整體活塞和組合活塞兩類。整體活塞在活塞周圍開溝槽，安置密封圈，結(jié)構(gòu)簡單，但給活塞的加工帶來困難，密封圈安裝時容易拉傷和扭曲。組合式活塞結(jié)構(gòu)多樣，主要受密封圈型式?jīng)Q定。組合式活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長，隨著耐磨的導(dǎo)向環(huán)大量的使用，多數(shù)密封圈與導(dǎo)向環(huán)聯(lián)合使用，大大降低了活塞的加工成本。這里活塞取45#鋼，帶支承環(huán)。配合H8/f9[17]。
圖3.11 自卸油缸活塞立體圖
3.3.2.6 油缸零件的強(qiáng)度校核
1. 缸筒壁厚m的校核
對中低壓系統(tǒng), 缸筒壁厚m往往根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝的要求來確定,它的強(qiáng)度往往足夠,通?？梢圆挥眯：?但在高壓系統(tǒng)并且筒壁內(nèi)直徑較大時,則必須對缸筒壁厚m進(jìn)行校核.
當(dāng)時,可按薄壁筒公式來校核式中
m 缸筒壁厚最小處
D 筒壁內(nèi)直徑
P 實(shí)驗(yàn)壓力,當(dāng)缸的工作壓力p<16Mpa時,P1=1.5P;當(dāng)p>16Mpa時,P1=1.25P
筒壁材料的許用應(yīng)力, = \n, n為安全系數(shù),一般取5，45#的強(qiáng)度極限是
當(dāng)時,按厚壁筒公式來校核
( 3-3 )
顯然符合要求。
因缸筒材料大多選用無縫鋼管,外徑不需要精加工,計(jì)算出厚壁以后, 缸筒外徑應(yīng)向大尺寸方向圓整成標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管的外徑.
2. 活塞桿直徑d的校核
F 活塞桿上的作用力
d1 空心活塞桿孔徑,實(shí)心桿的d1=0
活塞桿材料的許用應(yīng)力, =\n, n安全系數(shù).通常取大于1.4
當(dāng)活塞桿計(jì)算長度時,受到軸向壓縮負(fù)載超過某一臨界值時,會失去穩(wěn)定性,所以要按材料力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行穩(wěn)定性。活塞桿主要承受拉壓應(yīng)力的作用,起校核公式為：
( 3-4 )
工廠提供的自卸油缸的活塞桿直徑符合要求, 但是已經(jīng)接近極限的直徑尺寸，在實(shí)際使用中有拉斷的危險，所以需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在以后的章節(jié)中將對自卸油缸的活塞桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3. 液壓缸連接螺栓的直徑校核
當(dāng)缸筒和缸蓋用螺栓連接時,螺栓在油缸檢測實(shí)驗(yàn)中主要承受壓力,按材料力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行校核
油缸尾部的耳軸以八個M24的螺釘來與固定支座部分連接的。螺釘所承受的主要拉力來自于油缸加載時所產(chǎn)生的拉力，下面我們將對螺釘?shù)膹?qiáng)度進(jìn)行校核。
八個螺釘?shù)慕孛婷娣e總和為：
A＝8×π×r＝8×3.14×144＝3619（mm）
拉力 F=723822N
( 3-5 )
該類螺釘?shù)闹睆椒秶?6～40內(nèi)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可得Q235A的屈服強(qiáng)度為：
安全系數(shù)
所以螺釘?shù)膹?qiáng)度足夠高，故連接部分安全。
下面我們將會對螺釘進(jìn)行安全校核計(jì)算：
八個螺釘?shù)慕孛婷娣e：
A＝8×π×r＝8×3.14×144＝3619（mm）
拉力 F=723822N
該類螺釘?shù)闹睆椒秶?6～40內(nèi)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可得Q235A的抗拉強(qiáng)度為：
σ＝375～460 Mpa
由σ>σ，方形法蘭處螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度足夠，故即使由于意外的原因?qū)е率Э匾膊恢劣谑褂透椎涞焦ぷ髋_上而失效，使用更加安全。
4.缸筒聯(lián)接強(qiáng)度的校核
液壓缸底采用對焊的圓周焊，材料是45#鋼，它的，而焊接應(yīng)力為
( 3-6 )
顯然符合要求。
F----液壓缸輸出的最大推力（N）
F=
D----液壓缸直徑（m）
p----系統(tǒng)最大工作壓力（Pa）
D----液壓缸外徑（m）
D----焊縫底徑（m）
----焊接效率，通常取=0.7
3.3.2.7 對油缸活塞桿的穩(wěn)定性進(jìn)行校核
對各種柔度的壓桿，總可以用歐拉公式或經(jīng)驗(yàn)公式求出相應(yīng)的臨界壓力，乘上橫截面積便為臨界壓力，臨界壓力與工作壓力之比值即為壓桿的工作安全系數(shù)n，它應(yīng)大于規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)n1。該液壓系統(tǒng)的各油缸的活塞桿的材料均為45鋼，材料的屈服極限為 Mpa，材料的強(qiáng)度極限為 Mpa。E=210Gpa活塞桿的長度為L, 活塞桿 的直徑為d,最大工作壓力為P，規(guī)定安全系數(shù)為8。按材料力學(xué)中壓桿穩(wěn)定性問題進(jìn)行校核。所用校核公式如下：
( 3-7 )
材料的屈服極限為 Mpa，材料的強(qiáng)度極限為 Mpa?；钊麠U的長度為L=1227mm, 活塞桿的直徑為d=110mm,最大工作壓力為p=723822N，規(guī)定安全系數(shù)為8。 由公式求出
( 3-8 )
活塞桿可簡化成一端固定，一端自由， ,活塞桿截面為圓型，
柔度: ( 3-9 )
所以可用歐拉公式來計(jì)算臨界壓力。
( 3-10 )
( 3-11 )
所以該活塞桿不會失穩(wěn)。
3.3.2.7 液壓閥的選擇
液壓閥是控制或調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)