317 液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計

317 液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計,液壓,教學,實驗,試驗,執(zhí)行,履行,裝置,結構設計 7 學校代碼：10410序 號：20050438本 科 畢 業(yè) 設 計題目：液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計學 院： 工 學 院 姓 名： 羅志堅 學 號： 20050438 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 年 級： 機制 052 指導教師： 楊衛(wèi)平 二 OO 九年 五 月液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計i摘 要本設計主要設計了液壓教學實驗臺的執(zhí)行裝置液壓油缸，簡述了液壓教學實驗臺的結構，原理和發(fā)展形勢。論文結合當前液壓教學實驗臺的發(fā)展趨勢，液壓傳動課程的教學特點和要求，確定了液壓缸的工作壓力。根據(jù)工作壓力對液壓缸的各部件的尺寸進行計算和結構連接的選取確定了液壓缸的結構。同時還考慮了液壓缸各元件之間密封的選取和設計。最后還考慮了進出油口的管接頭設計和液壓缸的排氣裝置，最終完成了液壓缸的整體設計。所設計的液壓油缸經(jīng)濟適用，適用于中低壓的液壓系統(tǒng)，而且拆卸和組裝都很方便適合液壓教學的使用，滿足學生和老師進行液壓實驗的要求。關鍵詞：液壓實驗臺 液壓缸 液壓設計 中低液壓系統(tǒng)Hydraulic teaching test-bed implementation of the structural design of devicesThe design of the hydraulic design of the main test-bed implementation of the teaching device hydraulic cylinder, hydraulic outlined the structure of test-bed teaching, principles and developments. Thesis combined with the current test-bed hydraulic teaching the development trend of teaching hydraulic characteristics and requirements, determine the work of the hydraulic cylinder pressure. According to the work pressure on the hydraulic cylinder the size of the various components are calculated and the structure of the selected connection identified the structure of hydraulic cylinders. At the same time, also considered among the components of hydraulic cylinder seal selection and design. Finally, taking into account the oil out of the mouth of the pipe connection of hydraulic cylinder design and the exhaust device, the final completion of the overall design of hydraulic cylinder. Designed hydraulic cylinder affordable, suitable for medium and low pressure hydraulic systems, and facilitate the dismantling and assembly are suitable for the use of hydraulic teaching to meet students and teachers to carry out the requirements of hydraulic experiments. Keywords: hydraulic cylinder hydraulic test-bed design of low-hydraulic system液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計ii目 錄1 緒論......................................................................................................................................11.1 引言...............................................................................................................................11.2 液壓教學實驗概述.......................................................................................................11.2.1 國內外研究概況及發(fā)展趨勢.............................................................................11.2.2 液壓教學實驗臺功能及組成.............................................................................11.3 課題研究依據(jù)及本文所做的工作...............................................................................32 多功能液壓教學臺執(zhí)行裝置的設計..................................................................................52.1 執(zhí)行裝置功能要求.......................................................................................................52.2 執(zhí)行裝置設計...............................................................................................................53 多功能液壓教學實驗臺液壓缸的設計..............................................................................63.1 液壓缸種類的確定.......................................................................................................63.2 液壓缸主要尺寸的確定...............................................................................................63.2.1 液壓工作壓力的確定.........................................................................................63.2.2 液壓缸內徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定 ............................................................63.2.3 液壓缸壁厚和外徑的計算.................................................................................83.2.4 液壓缸工作行程的確定.....................................................................................93.2.5 液壓缸缸蓋厚度的確定.....................................................................................93.2.6 最小導向長度的確定.......................................................................................103.2.7 缸體長度的確定...............................................................................................113.3 液壓缸的結構設計.....................................................................................................113.3.1 缸體與缸蓋的連接形式...................................................................................113.3.2 活塞桿與活塞的連接結構...............................................................................113.3.3 活塞桿導向部分的結構...................................................................................133.3.4 活塞、活塞桿及端蓋處密封圈的選用...........................................................143.3.5 液壓缸的緩沖裝置...........................................................................................183.3.6 液壓缸的安裝連接結構...................................................................................203.3.7 液壓缸的進出油口的管接頭...........................................................................233.3.8 液壓缸的排氣裝置...........................................................................................233.3.9 液壓缸的總體連接...........................................................................................24液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計iii4 總結......................................................................................................................................254.1 設計總結.....................................................................................................................25參考文獻..................................................................................................................................26致謝..........................................................................................................................................27液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計1 緒 論1.1 引言隨著科學技術的發(fā)展，液壓技術的發(fā)展非常迅速，其應用范圍也越來越廣，因而對他的元件和系統(tǒng)的性能要求也就越來越高。因此，為了確定和考核液壓系統(tǒng)及其組成元件完整的性能參數(shù)、品質指標等所進行的測試、實驗工作，也就需要滿足更高的要求 。而在高校，液壓傳動是機械類專業(yè)的重要技術基礎課程之一，實驗是該課程的重要組成部分，傳統(tǒng)的液壓實驗臺功能單一，控制技術落后，不能順應時代的發(fā)展、培養(yǎng)同學的創(chuàng)新意識和能力。隨著教學改革的不斷深入、生產(chǎn)技術的飛躍發(fā)展以及社會對人才需求的不斷變化和提高。高校對所培養(yǎng)出的學生不僅要求具有較高的理論水平，而且要求有一定的實際操作技能、實驗設計和創(chuàng)新能力。近年來，電子技術和計算機技術的發(fā)展及其技術向機械行業(yè)的滲透，使得機—電—液一體化的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。所有這些變化，對液壓傳動課程提出了新的和更進一步的要求。液壓傳動課程是一門理論與實踐相結合的課程，其特點在于課程的實踐性大于理論性，教學過程中需要配合一系列實驗，因此實驗環(huán)節(jié)在這門課中占的比重很大，是課程的重要組成部分。鑒于實驗的重要性，和社會對培養(yǎng)學生創(chuàng)新和實踐能力的呼聲越來越高，傳統(tǒng)的液壓教學實驗臺因為實驗內容固定、功能單一、管路已連接好、不易修改、實驗以演示為主、學生動手機會少等缺陷，已不能勝任實驗教學任務。因此，設計一種實驗內容豐富、多變，加強動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，具有機－電－液一體化等多功能的新型實驗臺便成了需要。1.2 液壓教學實驗臺概述1.2.1 國內外研究概況及發(fā)展趨勢液壓傳動課程是高校機械類學生的重要課程之一，實驗教學是該課程的有機組成部分。傳統(tǒng)的教學實驗臺存在實驗內容固定、功能單一、管路已連接好、不易修改、實驗以演示為主、學生動手機會少等缺陷。隨著高校教學改革的深入和科學技術的發(fā)展，高校培養(yǎng)的學生不僅要有較高的理論水平，而且要有一定的實際操作能力和實驗設計、分析能力以及機——電——液一體化的能力等。因此，近年來液壓教學實驗臺在結構設計和實驗方法上都發(fā)生了較大的變化。歸納起來主要有：實驗內容豐富、多變：實驗過程加強了動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)：具有機——電——液一體化的能力等等。目前，液壓教學實驗臺發(fā)展的動向，概括有以下幾點：1.模塊化設計,陪有安裝的底版,實驗時可以隨意在通用鋁合金型材板上,組裝回路操作簡單方便。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 2 -2．該系統(tǒng)全部采用標準的工業(yè)液壓元件，使用安全可靠，貼近實際。3．快速而可靠的連接方式，特殊的密封接口，保證實驗組裝隨便、快捷，拆接不漏油，清潔干凈。4．精確的測量儀器，方便的測量方式，使得簡單，讀數(shù)準確。1.2.2 液壓教學實驗臺功能及組成一、功能特點根據(jù)當前液壓教學實驗臺的發(fā)展趨勢,再加上液壓傳動課程的教學特點和要求。歸納起來，其主要有以下特點和功能：1.多功能，可擴展 實驗臺的主體部分主要是提供液壓油源，并集成了壓力檢測、電信號檢測與控制接口等。實驗臺主體上還設有一油缸組件作為實驗回路的執(zhí)行裝置，完成執(zhí)行油缸的速度測試、位置檢測和油缸加載等功能；組成實驗項目所需的液壓元件和管件等則是一些獨立的組件，可根據(jù)實驗的需要進行任意組合，以滿足不同實驗項目的需要；實驗過程中的控制采用本實驗臺專用多功能液壓教學實驗臺控制器進行控制，它既可手動編程，也可根據(jù)需要編程，進行自動控制。另外，在實驗臺的托油盤上，還設置有備用的工作臺。在其上面可靈活安裝、固定各種元件和裝置，以適應多種液壓回路實驗之用。所有這些，使得本實驗臺成為既具有多功能的特點，又具有“機—電—液”一體化特色的一種新型的、開放型的實驗裝置。2.直觀性強 由于實驗臺在實驗過程中所采用的元件和管件等均為實物，故縮短了教學與工程實踐的距離，使得同學對元件的外觀、作用，調整方法的目的性，液壓回路中油路走向的清晰性等，都具有更深刻的理解。這樣不僅起到加深學生的感性認識的作用，而且還是對課堂教學的一種補充，避免了課堂教學抽象和不易理解的缺點。為解決理論教學中所存在的一些重點和難點問題，創(chuàng)造了條件。3.有助于創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng) 實驗臺由于采用了組裝式的設計思想，從而既可要求學生完成規(guī)定的實驗項目，也允許學生自行設計實驗方案，以實現(xiàn)或驗證自己的設想。進而達到提高學生的實驗技能和動手能力的目的。而且，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學生學習興趣等提供了一個強有力的支持平臺。4.綜合性強 由于實驗臺的結構特點，使其對培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、學習興趣、工程設計能力，液壓系統(tǒng)的調試能力及綜合運用所學專業(yè)知識能力等都具有極大的幫助。并且可成為相關課程（如可編程控制器課程等）的一個實驗點，使實驗臺不僅可滿足液壓傳動課程的實驗需要，還可以用于課程設計和畢業(yè)設計等較大項目的教學任務，使本專業(yè)的學生對機—電—液一體化的產(chǎn)品、技術，有更加深刻的理解、認識。同時對教師的科研工作也有一定的幫助，真正發(fā)揮該機所具有的一機多能的作用。二、結構組成如圖 1-1 所示為該實驗臺外形圖，其由主體部分、電氣控制部分和液壓元件柜三部分組成。主體部分是實驗臺的主要部分，它包括液壓油源的供給、系統(tǒng)壓力的檢測、液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 3 -液壓元件安裝固定、執(zhí)行油缸組件的固定以及電氣控制接口等；電氣控制部分是以PLC（可編程控制器）為核心，并設置有必要的控制按鈕、輸出狀態(tài)顯示和與主機部分的連接接口等。其連接接口采用了航空插頭連接，使其連接簡單、可靠；液壓元件柜主要用于存儲組裝液壓回路實驗時所需的各類液壓元件和管件等。圖 1-1 QCS014A 型多功能液壓教學實驗臺1.3 課題研究依據(jù)及本文所做的工作在人類對自然界規(guī)律的探索和認識過程中，科學實驗是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)?？梢哉f沒有實驗也就沒有現(xiàn)代科學。當然，在科學實驗中人是應一直居于主導地位的。人們在獲得感性知識的基礎上，必須通過頭腦的綜合和思維，上升成為理性認識，提出假設和廣義的規(guī)律性結論。為了檢驗和驗證理性結論的正確性，人們還必須主動地、積極地投身到科學實驗中去，用理論來知道實驗的進行，并從實驗結果的分析中來不斷充實、驗證和發(fā)展理論，增加理論的深度和廣度。因此，對于每一個獻身于科學的人，特別是工程技術人員，都應對所從事的科學中的實驗技術予以充分的重視。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 4 -隨著科學技術的發(fā)展，液壓技術的發(fā)展非常迅速，其應用范圍也越來越廣，因而對他的元件和系統(tǒng)的性能要求也就越來越高。因此，為了確定和考核液壓系統(tǒng)及其組成元件完整的性能參數(shù)、品質指標等所進行的測試、實驗工作，也就需要滿足更高的要求。而在高校，液壓傳動是機械類專業(yè)的重要技術基礎課程之一，實驗是該課程的重要組成部分，傳統(tǒng)的液壓實驗臺功能單一，控制技術落后，不能順應時代的發(fā)展、培養(yǎng)同學的創(chuàng)新意識和能力。鑒于液壓傳動在各領域里的實際應用和在高校里的教學應用，本人選擇了“液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置結構設計”這一課題。而由于本人能力的局限,所以本人只對執(zhí)行裝置中的液壓油缸做設計液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 5 -2 多功能液壓教學臺執(zhí)行裝置的設計2.1 執(zhí)行裝置的功能要求該執(zhí)行裝置是多功能液壓教學試驗臺的主要部件之一，為配合該實驗臺多功能的需要，在設計之初，為其提出了以下功能要求：(1)能模擬工作負載，對工作液壓缸進行加載，其載荷值可調；(2)工作液壓缸具有速度測定功能，以便對流入液壓缸的流量進行計算；(3)能模擬機床工作的動作，具有直線運動，運動終點具有行程可調的死擋鐵，滑塊上具有機動換向閥和行程開關的切換擋塊；(4)具有位置可調的行程開關和能實現(xiàn)活塞的位置測定、速度換接合換向等功能；(5)具有位置可調的行程閥，配合相應得擋塊，能實現(xiàn)“快進—工進”的典型速度換接；(6)能完成“雙向順序動作回路”的需要，兩個液壓缸能根據(jù)需要獨立受控動作。2.2 執(zhí)行裝置的設計針對執(zhí)行裝置的功能要求，設計了一套多功能的液壓實驗臺執(zhí)行裝置，其結構示意圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 執(zhí)行裝置結構示意圖1.底板 2.工作液壓缸 3.T 型支架 4.導桿 5.指針 6.標尺 7.滑塊 8.可調死擋鐵 9.輔助液壓缸 10.行程開關擋鐵 11.行程開關 12.行程換向閥擋塊 13.行程開關固定導軌 14.行程換向閥。該執(zhí)行裝置主要由兩個液壓缸和中間的機床模擬工作臺三部分組成。左邊的液壓缸是工作液壓缸 2，大部分的實驗工作是在該液壓缸上完成的。右邊的液壓缸是輔助液壓缸 9，主要用于工作液壓缸的加載和雙缸液壓缸順序動作等。中間的機床模擬工作臺是由滑塊 7、導桿 4 和固定導桿的兩個 T 型支架 3 等組成，兩個導桿模擬機床導軌，滑塊與工作液壓缸的活塞桿相連，在導桿上直線運動模擬機床工作臺運動，滑塊上裝有指針 5、行程開關擋塊 10 和行程換向閥擋塊 12 等。指針 5 和有刻度的標尺 6 用于測定工作液壓缸的位置和速度等。行程開關擋塊 10 和行程開關 11 可將滑塊的位置轉化為電信號，用于速度換接合換向等，行程開關 11 可在行程開關固定導軌 13 上移動并固定。行程換向閥擋塊 12 與行程換向閥 14 配合實現(xiàn)“快進—工進”的速度換接?？烧{死擋鐵 8 可方便的從支架上卸下，其上的可調螺釘可模擬調節(jié)滑塊的終點位置。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 6 -3 多功能液壓教學實驗臺液壓缸的設計3.1 液壓缸種類的確定液壓缸是液壓傳動系統(tǒng)中將油液的壓力能轉換為機械能，實現(xiàn)往復直線運動或擺動的執(zhí)行元件。液壓缸的種類有很多結構,但根據(jù)其具體結構的特點可分為活塞式、柱塞式和擺動式三類基本形式。其中活塞式液壓油缸可分為雙桿式和單桿式兩種結構形式。根據(jù)執(zhí)行裝置的功能設計要求,液壓油缸確定為單桿活塞式液壓油缸。3.2 液壓缸主要尺寸的確定3.2.1 液壓工作壓力的確定液壓缸工作壓力主要根據(jù)液壓設備的類型來確定，對不同用途的液壓設備，由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。根據(jù)液壓傳動課程的實驗教學要求，并兼顧實用性，設定液壓系統(tǒng)的額定工作壓力為 6.3MPa。這既能滿足完成液壓傳動課程的各種實驗的要求，又縮小了教學與實際應用的差距，同時能為實際的液壓系統(tǒng)提供一個試驗平臺。3.2.2 液壓缸內徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定單活塞桿液壓缸的 D 與 d 的確定如圖 3-1 可知FfcD d Fp1 p2 圖 3-1FpdDFpD????2212 )(44??12212 )()(4pdDpFfDc????液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 7 -（3-1）式中 p1 是液壓缸工作壓力，p 2 是液壓缸回油背壓力，p 2 是液壓缸回油背壓力，d/D 是活塞桿直徑與液壓缸內徑之比。表 3-1 執(zhí)行元件背壓的估計值按液壓缸工作壓力選取 d/D工作壓力 p/（MPa） d/D≤2 0.2～0.3>2～5 0.5～0.58>5～7 0.62～0.70>7 0.7表 3-2 液壓缸內徑 D 與活塞桿直徑 d 的關系根據(jù)表 3-1 和表 3-2 可知, p1 可取系統(tǒng)工作壓力 pp，即 p1=pp=6.3 MPa；p2 根據(jù)表 3-1 估計，確定 p2=0.5 MPa；根據(jù)工作壓力 p1=6.3 MPa，確定 d/D=0.65。F 是工作循環(huán)中最大的外負載，根據(jù)實際需要，確定 F=7000 N；Ffc 是液壓竿密封處的摩擦力，因為它的精確值不易求得，常用液壓缸的機械效率ηcm 進行估算。一般 ηcm=0.9～0.97，取 ηcm=0.9。(3-2) cmcFfF???（3-3） ??????????????2121)(4DdpFDcm??系 統(tǒng) 類 型背壓力p2（ MPa）簡單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調速系統(tǒng) 0.2～0.5回油路帶調速閥的調速系統(tǒng) 0.5～0.8回油路帶背壓閥 0.5～1.5中、低壓系統(tǒng)0～8 MPa采用帶補液壓泵的閉式回路 0.8～1.5液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 8 -????2Dpy?將 F=7000 N，p 1=pp=6.3 MPa，p 2=0.5 MPa，d/D=0.65，η cm=0.9 帶入(3-3)式求D。求得 則 d=26.039mm。m60.4?表 3-3 液壓缸內徑尺寸系列（GB2348-80 ）8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 （90） 100 （110）125 （140） 160 （180） 200 （220） 250320 400 500 630注：括號內數(shù)值為非優(yōu)先選用值。表 3-4 活塞桿直徑系列（GB2348-80）4 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 400計算所得的 D 與 d 值分別按表 3-3 與表 3-4 圓整到相近的標準直徑，以便采用標準的密封元件，確定 D=40mm，d=25mm 。3.2.3 液壓缸壁厚和外徑的計算液壓缸的壁厚一般是指缸筒結構中最薄處的厚度。從材料力學可知,承受內壓力的圓筒，其內應力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內徑 D 與其壁厚 δ 的比值 D/δ≥10 的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運輸機械和工程機械的液壓缸，一般采用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結構，其壁厚按薄壁圓筒公式計算式中: δ 是液壓缸壁厚（m） ；D 是液壓缸內徑（m） ；py是試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍（MPa） ；[σ]是缸筒材料的許用應力。其值為：鍛鋼：[σ]=110～120MPa；鑄鋼：[σ]=100～110MPa；無縫鋼管：[σ]=100～110MPa；高強度鑄鐵：[σ]=60MPa；灰鑄鐵：[σ]=25MPa。在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計算所得液壓缸的壁厚往往很小，使缸體的剛度往往很不夠，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或漏油。因此一般不作計算，按經(jīng)驗選取，必要時按上式進行校核。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 9 -???ypDt243.0?液壓缸的材料選用無縫鋼管，py 取 1.5 倍的最大工作壓力，液壓缸壁厚確定為δ=4mm，經(jīng)檢驗，符合要求。液壓缸缸體外徑 D1≥D+2δ=48mm3.2.4 液壓缸工作行程的確定液壓油缸的行程可根據(jù)下表確定表 3-5 液壓缸活塞行程參數(shù)系列（GB2349-80） （mm）25 50 80 100 125 160 200 250320 400 500 630 800 1000 1250 1600Ⅰ2000 2500 3200 400040 63 90 110 140 180 220 280360 450 550 700 900 1100 1400 1800Ⅱ2200 2800 3900240 260 300 340 380 420 480 530600 650 750 850 950 1050 1200 1300Ⅲ1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。根據(jù)需要，選取液壓缸工作行程為 250mm3.2.5 液壓缸缸蓋厚度的確定液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度 t 按強度要求可用下面兩式進行近似計算。無孔時 有孔時 ??)(43.0022dDpty???式中 p y=1.5×6.3 =9.45 MPa[σ]=100～110 MPat 是缸蓋有效厚度（m） ；液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 10 -20DLH??D2是缸蓋止口內徑（m） ；d0是缸蓋孔的直徑（m） 。液壓缸后缸蓋為無孔缸蓋，D 2=33 mm，計算得 t≥4.4 mm。根據(jù)需要，取后缸蓋壁厚為 25 mm。液壓缸前缸蓋為有孔缸蓋，D 2=33 mm，d 0=25 mm，計算得 t≥9.0mm。根據(jù)需要，取前缸蓋壁厚為 25 mm。3.2.6 最小導向長度的確定當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面的中點到缸蓋滑動支承面中點的距離 H 稱為最小導向長度（圖 3-2） 。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定的最小導向長度。圖 3-2對一般的液壓缸，最小導向長度 H 應滿足以下要求式中 L 是液壓缸的最大行程；D 是液壓缸的內徑。計算得，H≥32.5mm。活塞的寬度 B 一般取 B=（0.6～1.0）D；缸蓋滑動支承面的長度 l1，根據(jù)液壓缸內徑 D 而定；當 D80mm 時，取 l1=（ 0.6～1.0）d。取 B=0.7×D=28mm，l 1=0.7×D=28mm。所以根據(jù)圖 3-2，H=（l 1+B）/2+C=33 mm，C 是為了保證最小導向長度 H，將前液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 11 -)(21BlHC???缸蓋與缸筒接合處伸長到長度 C，來增加 H 的值。長度 C 由需要的最小導向長度 H 決定，即計算得，C ≥4.5 mm3.2.7 缸體長度的確定液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內徑的 20～30 倍。缸體內部長度為 250+28=278 mm。缸體外形長度根據(jù)需要，定為 400 mm。3.3 液壓缸的結構設計3.3.1 缸體與缸蓋的連接形式缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關。常見的缸蓋連接形式有：法蘭連接、螺紋連接、外半環(huán)連接、內半環(huán)連接。①法蘭連接的結構簡單，成本比較低，容易加工，安裝拆卸方便，能承受比較高的工作壓力，強度比較大。但是法蘭連接的徑向尺寸比較大，重量相比螺紋連接的要大，當缸體為鋼管時，用拉桿連接的重量也比較大，用鋼管焊上法蘭，工藝過程要復雜些。②螺紋連接的尺寸小，重量比較輕。但是端部結構復雜，工藝要求比較高，安裝拆卸時需要用專用工具，并且擰端蓋時容易損壞密封圈。③外半環(huán)連接的結構比較簡單，加工裝配都比較方便。但是外半環(huán)連接的外形尺寸大，并且缸筒需要開槽，這樣就削弱了缸筒的強度，如果要增加強度需要增加缸筒的壁厚。④內半環(huán)連接的外形尺寸比較小，結構緊湊，重量也比較輕。但是缸筒要開槽，同樣削弱了缸筒的強度，端部進入缸體內部較長，安裝時密封圈容易被槽口擦傷。 根據(jù)液壓系統(tǒng)的實際工作情況，綜合上述四種連接方式的優(yōu)缺點，從強度和經(jīng)濟性兩方面考慮，最終確定選用法蘭連接方式。如圖 3-3液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 12 -圖 3-3 法蘭連接3.3.2 活塞桿與活塞的連接結構活塞桿與活塞常用的連接形式有整體式結構和組合式結構，其中組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。①整體式，結構簡單，適用于缸徑比較小的液壓缸。②螺紋連接的應用比較多，如組合機床與工程機械上的液壓缸。其結構簡單，但是在振動的工作條件下容易松動，因此必須采用鎖緊裝置固定。③半環(huán)連接多應用在壓力高、負荷大、有振動的場合。其結構簡單，安裝拆卸方便，不容易出現(xiàn)松動，但是會出現(xiàn)軸向間隙。④錐銷連接多用于負荷較小的場合，其結構可靠，用錐銷連接，銷孔必須配鉸，銷釘連接后必須鎖緊。根據(jù)液壓缸工作的實際需要，綜合上述四種連接形式，從易用性和經(jīng)濟性角度考慮，最終確定活塞桿與活塞的連接結構采用螺紋連接。如圖 3-4圖 3-4 螺紋連接3.3.3 活塞桿導向部分的結構活塞桿導向部分的結構，包括活塞桿與端蓋、導向套的結構，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導向套的結構可以做成端蓋整體式直接導向（圖 3-5） ，也可以作成與端蓋分開的導向套結構（圖 3-6） 。后者導向套磨損后便于更換，所以應用比較普遍。導向套的位置可以安裝在密封圈的內側，也可以裝在外側。機床和工程機械中一般采用裝在內側的結構，有利于導向套的潤滑；而油壓機常采用裝在外側的結構，在高壓下工作時，使密封圈有足夠的油壓將唇邊張開，以提高密封性能?；钊麠U處的密封形式有 O 形、V 形、Y 形和 YX 形密封圈。為了清除活塞桿處外液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 13 -露部分沾附的灰塵，保證油液清潔及減少磨損，在端蓋外側增加防塵圈。常用的有無骨架防塵圈和 J 形橡膠密封圈，也可用毛氈圈防塵。圖 3-5 端蓋整體式直接導向端蓋直接導向，端蓋與活塞桿直接接觸，其結構簡單，但磨損后只能更換整個端蓋。端蓋與活塞桿的密封常采用 O 形、V 形、Y 形和 YX 形密封圈，防塵圈用無骨架的防塵圈。圖 3-6 導向套導向導向套導向，導向套與活塞桿接觸，對活塞桿起支承作用，其結構相對復雜，但是磨損后便于更換，導向套也可選用耐磨材料，增加使用壽命。端蓋與桿的密封常用Y 形、YX 形及 V 形密封裝置，防塵方式常采用 J 形或三角形防塵裝置。密封可靠，適用于中高壓液壓缸。考慮到端蓋直接導向的結構比較簡單，并且是用于中、低壓系統(tǒng)的液壓缸中，符液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 14 -合中、低系統(tǒng)對其的要求，同時作為教學用實驗臺，其磨損程度較小，壽命較長?；谝陨峡紤]，最終確定活塞桿導向采用端蓋整體式直接導向，如圖 3-7圖 3-7 端蓋直接導向3.3.4 活塞、活塞桿及端蓋處密封圈的選用液壓缸高壓腔中的油液向低壓腔泄漏稱為內泄漏，液壓缸中的油液向外部泄漏稱為外泄漏。由于液壓缸存在內泄漏和外泄漏，使得液壓缸的容積效率降低，從而影響液壓缸的工作性能，嚴重時使系統(tǒng)壓力上不去，甚至無法工作；并且外泄漏還會污染環(huán)境，因此為了防止泄露的產(chǎn)生，液壓缸中需要密封的地方必須采取相應得密封措施。液壓缸中需要密封的部位有：活塞、活塞桿和端蓋等處。密封圈的選用，應根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運動速度的范圍不同而選擇不同類型的密封圈。常用的密封方法有：(1)間隙密封 這是依靠兩運動件配合面間保持一很小的間隙，使其產(chǎn)生液體摩擦阻力來防止泄漏的一種密封方法，如圖 3-8。用該方法密封，只適于直徑較小、壓力較低的液壓缸與活塞間密封。P1 P2圖 3-8 間隙密封液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 15 -(2)活塞環(huán)密封 活塞環(huán)又叫活塞漲圈，它是一個開口的金屬環(huán)，依靠彈性變形所產(chǎn)生的漲力壓緊在缸體內壁上，從而產(chǎn)生密封作用。活塞環(huán)密封效果較好，能適應較大的壓力變化和速度變化，耐高溫，使用壽命較長，易于維護保養(yǎng)，并能使活塞具有較長的支承面。但它的加工要求較高，工藝復雜。所以，只有用其它密封方法不能滿足要求時，才采用這種密封。(3)O 形密封圈密封 O 形密封圈的截面呈 O 形，工作時當油液壓力升高后，O 形密封圈被壓向溝槽一側，并且產(chǎn)生變形，更加貼緊在配合面上，從而起到密封的作用。O形密封圈一般用耐油橡膠制成，具有結構簡單、密封性能良好、體積小、裝卸方便和摩擦力小等優(yōu)點；但磨損后不能自動補償且壽命較短、在高壓下容易被擠入間隙等缺點。這種密封圈可用于內徑或外徑的密封，也可用于動密封和靜密封，其靜密封壓力為 100MPa；在往復運動速度較低（v<0.5m/s）時，其動密封壓力可達 35MPa.它也可用于圓周速度小于 0.2m/s 的回轉運動的密封。(4)Y 形密封圈密封 Y 形密封圈的截面形狀呈 Y 形，工作時受油液壓力作用而使兩唇張開，分別貼緊在軸面和孔壁上，起到密封作用。通常用耐油橡膠制成，其截面呈 Y 形。它具有密封性能好、摩擦阻力小、穩(wěn)定性好、耐壓性強、使用壽命較長、結構簡單和易于安裝等特點。它主要用于壓力 p<21MPa 時內徑或外徑的滑動密封。(5)V 形密封圈密封 V 形密封圈的截面為 V 形，屬于唇形密封圈的一種。有壓環(huán)、V 形圈和支承環(huán)三部分組成；它們通常用夾織物橡膠制成，也可將壓環(huán)和支承環(huán)擁金屬材料制造。這種密封圈耐高壓、密封性能好、工作可靠；但摩擦阻力大、調整困難；多應用于往復直線運動速度不高的活塞桿處。使用時應注意，V 形圈組的個數(shù)和材質與使用壓力有關，V 形圈個數(shù)多，則密封性提高，但摩擦阻力增大。表 3-6 為幾種常用的密封圈及其使用參數(shù)。表 3-6 活塞及活塞桿的密封圈使用參數(shù)密封部位類型活塞用 活塞桿用截面簡圖 材料壓力范圍（MPa）溫度范圍（℃）速度范圍（m/s ）液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 16 -NBR -30～+130O 形圈√ √FPM≤10-15～+180≤0.5O 形圈加擋圈√ √NBR+PTFE≤35-30～+130≤0.5√ NBR ≤10-30～+100高低唇 Y形圈√NBR+夾纖維≤20-20～+130≤0.5Y 形圈√NBR+夾纖維≤25-30～+120≤0.5V 形圈√ √NBR+夾纖維≤63-30～+120≤0.5活塞環(huán)√ 鑄鐵 ≤25 ≤350 0.3～1.0注：NBR—丁腈橡膠， FPM—氟碳橡膠，PTFE—聚四氟乙烯，√—應用部位。根據(jù)密封的部位和表 3-8，選擇密封圈。(1)后缸蓋端蓋處密封圈的選用后缸蓋與缸筒采用法蘭連接，之間沒有相對運動，因此端蓋處的密封圈選用O 形靜密封圈，O 形圈 37.5X1.8 GB3452.1-82 如圖 3-9。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 17 -圖 3-9 后缸蓋端蓋處密封(2)活塞處密封圈的選用活塞處選用 O 形圈加擋圈進行密封，O 形圈 37.5X1.8 GB3452.1-82，如圖 3-10。工作中，如果油液壓力高于 10MPa 時，O 形圈將被擠入活塞與缸體之間的配合間隙中，受到損壞。為了防止和避免這樣的損壞，所以單向受壓時，在 O 形密封圈受壓力的對側放一個擋圈；雙向受壓時，在 O 形密封圈兩側各放一個擋圈。圖 3-10 活塞處密封(3)活塞桿處密封圈的選用活塞桿與活塞采用鎖緊螺母固定，因此活塞桿與活塞之間沒有相對運動，其接觸處的密封圈選用 O 形靜密封圈，O 形圈 17X1.8 GB3452.1-82 如圖 3-11。圖 3-11 活塞桿處密封液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 18 -(4)前缸蓋處密封圈的選用前缸蓋與缸筒連接處密封圈的選用與后端蓋相同，選用 O 形靜密封圈，O 形圈37.5X1.8 GB3452.1-82；前缸蓋與活塞桿處有相對運動，此處選用 O 形動密封圈，考慮到活塞桿做往復運動時，O 形圈有可能將被擠入活塞桿與前缸蓋端蓋處之間的配合間隙中，造成 O 形圈損壞，因此在選定的 O 形圈兩邊加上擋圈，如圖 3-12。圖 3-12 前缸蓋處密封3.3.5 液壓缸的緩沖裝置液壓缸帶動工作部件運動時，運動件的質量較大，運動速度較高，由于慣性力較大，具有很大的動量。在這種情況下，活塞運動到缸筒的終端時，會產(chǎn)生很大的液壓沖擊和噪聲，甚至使活塞與缸筒端蓋間發(fā)生機械碰撞，嚴重影響加工精度，甚至引起破壞性事故，所以在大型、高速或高精度的液壓設備中，常常設有緩沖裝置，其目的是使活塞在接近終端時，增大回油阻力，從而減緩運動件的運動速度，避免撞擊液壓缸端蓋。液壓缸中常用的緩沖裝置如圖 3-13↑↓δ ← υ ← υ← υ ← υ（ a)（ b)（ c)（ d)液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 19 -圖 3-13 液壓缸緩沖裝置1. 圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置。如圖 3-13(a), 當緩沖柱塞進入缸蓋上內孔時,缸蓋和緩沖活塞間形成緩沖油腔,被封油液只能從環(huán)形間隙 δ 排除,產(chǎn)生緩沖壓力,從而實現(xiàn)減速緩沖。這種緩沖裝置在緩沖過程中,由于其節(jié)流面積不變,故緩沖開始時,產(chǎn)生的緩沖制動力很大,但很快就降低了。使緩沖效果較差,但這種裝置結構簡單,制造成本低,所以在系列化的成品液壓油缸中多采用這種緩沖裝置。2. 圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置。如圖 3-13(b),由于緩沖柱塞為圓錐形,所以緩沖環(huán)形間隙 δ 隨位移量而改變,即節(jié)流面積隨緩沖行程的增大而縮小,使機械能的吸收均勻,其緩沖效果好。3.可變節(jié)流槽式緩沖裝置。如圖 3-13(c),在緩沖柱塞上開有由淺入深的三角節(jié)流槽,節(jié)流面積隨緩沖行程的增大而逐漸減小,緩沖壓力變化平緩。4.可調節(jié)流孔式緩沖裝置。如圖 3-13(d),在緩沖過程中,緩沖腔油液經(jīng)小孔節(jié)流排出,調節(jié)節(jié)流孔的大小,可控制緩沖腔內緩沖壓力的大小,以適應液壓缸不同的負載和速度工況對緩沖的要求,同時當活塞反向運動時,高壓油從單向閥進入液壓缸內,活塞也不會因推力不足而產(chǎn)生啟動緩慢或困難等現(xiàn)象。在設計之初，考慮到液壓缸屬于中、低壓系統(tǒng)，工作壓力和運動速度都不高，并且主要用于教學實驗用，因此,前端蓋的緩沖裝置采用圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置，如圖 3-14。圖 3-14 前端緩沖裝置當活塞桿端部的柱塞 1 向端蓋 3 方向運動，進入圓柱形油腔 2 時，會將封閉在柱塞與端蓋間的油液從環(huán)狀間隙中擠出去。由于柱塞與油腔的間隙很小，因而會起到節(jié)流緩沖作用。后端的緩沖裝置如圖 3-15 所示,采用了圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置,當緩沖柱塞進入缸液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 20 -蓋上內孔時,缸蓋和緩沖活塞間形成緩沖油腔,被封油液只能從環(huán)形間隙 δ 排除,產(chǎn)生緩沖壓力,從而實現(xiàn)減速緩沖。圖 3-15 后端緩沖裝置3.3.6 液壓缸的安裝連接結構液壓缸的安裝連接結構包括液壓缸的安裝結構、液壓缸進出油口的連接等。(1)液壓缸的安裝形式根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有長螺栓安裝、腳架安裝、法蘭安裝、軸銷和耳環(huán)安裝等，如表 3-7 所示。表 3-7 液壓缸安裝方式序號安裝形式安裝簡圖 注1長螺栓安裝2徑向腳架3底面腳架傾翻力矩比較：序號 2 較小序號 4 較大←υ液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 21 -4前后腳架5頭部外法蘭6頭部內法蘭7尾部外法蘭安裝螺釘受拉力比較：序號 6、7較小序號 5 較大序號安裝形式安裝簡圖 注8頭部軸銷9尾部軸銷10中部軸銷液壓缸在平面內擺動?；钊軓澢饔帽容^： 序號 8 較小序號 9 較大序號 10 介于序號8、9 之間11 尾部耳 同序號９液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 22 -環(huán)12尾部球頭液壓缸可在一定的空間范圍內擺動注：表中所列液壓缸皆為缸體固定，活塞桿運動。按工作需要，也常采用活塞桿固定，而缸體運動。液壓缸的安裝形式根據(jù)表 3-7，考慮到安裝拆卸及液壓缸工作會產(chǎn)生振動等原因，選用第 3 種底面腳架安裝，如圖 3-16。圖 3-16 底面腳架安裝(2)液壓缸進、出油口形式及大小的確定液壓缸的進、出油口，可布置在端蓋或缸體上。對于活塞桿固定的液壓缸，進、出油口可設在活塞桿端部。如果液壓缸無專用的排氣裝置，進、出油口應設在液壓缸的最高處，以便空氣能首先從液壓缸排出。進、出油口的形式一般選用螺孔或法蘭連接。單桿液壓缸螺孔連接油口安裝尺寸可根據(jù)表 3-8 選取。表 3-8 單桿液壓桿油口安裝尺寸 （ISO8138）缸體內徑 D 進、出油口 缸體內徑 D 進、出油口25 M14×1.5 80 M27×232 M14×1.5 100 M27×240 M18×1.5 125 M27×250 M22×1.5 160 M33×263 M22×1.5 200 M42×2為了方便，本人把進、出油口設在前、后剛蓋的端蓋頂部，進、出油口采用螺孔連接方式，根據(jù)缸體內徑確定進、出油口的螺孔大小為 M18×1.5，如圖 3-17。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 23 -液壓后缸蓋端蓋 液壓缸前缸蓋端蓋圖 3-17 液壓缸前、后缸蓋進出油尺寸 3.3.7 液壓缸的進、出油口的管接頭管接頭是 管道與管道，管道與其他元件的可拆卸連接件。標準管接頭包括：卡套式，焊接式，薄壁擴口式管接頭和鋼絲編織膠管接頭。1.卡套式管接頭適用于油、氣介質的管路系統(tǒng)。其結構先進，性能良好，重量輕，體積小，使用方便，不用焊接等優(yōu)點，因此，卡套式管接頭已廣泛用于機器的液壓系統(tǒng)中。但卡套式管接頭要求配用冷拔鋼管，且卡套制造精度較高。2.焊接式管接頭適用于油為介質的管路系統(tǒng)。其結構簡單，易制造，密封性好等優(yōu)點，但缺點是安裝時焊接量大，要求焊接質量高，且裝卸不方便。薄壁擴口式管接頭適用于中低壓油壓管路系統(tǒng)。其結構先進，性能良好，體積小，加工方便，成本低和使用簡便等優(yōu)點，因此在飛機，汽車及機床等行業(yè)中廣泛采用。根據(jù)經(jīng)濟，使用方便和制造簡易等方面，本人選擇薄壁擴口式管接頭，其結構如圖 3-18 所示，液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 24 -M18X.5圖 3-18 管接頭3.3.8 液壓缸的排氣裝置對于運動速度穩(wěn)定要求較高的機床液壓缸和大型液壓缸，則需要設置排氣裝置，如排氣閥等。排氣閥用于排除油缸內的空氣,使油缸穩(wěn)定工作。一般安裝在液壓缸的端部,雙作用液壓缸需裝設兩個排氣閥。當液壓缸需要排氣時，打開相應的排氣閥，空氣連同油液經(jīng)過錐部縫隙和小孔排出缸外，直至連續(xù)排油時（不冒氣） ，就將排氣閥關死。圖 3-19 排氣閥結構液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 25 -3.3.9 液壓缸的總體連接將設計的各部位盤采用法蘭連接，拼裝好后，液壓缸如圖 3-20 所示。圖 3-20 液壓缸4 總結4.1 設計總結這次設計，本人雖然順利的完成了預期的任務，但是從設計的質量來看，還是存在著很多的不足和缺陷。畢業(yè)設計讓我達到了深化理論、學以致用、理論與實踐結合的目的，給了我初步體現(xiàn)設計能力的機會，也反映了大學四年基礎及專業(yè)知識的學習情況。由于以前學習專業(yè)課時不認真，基礎不夠扎實，使我在設計過程當中方法比較簡單，設計的合理性也存在一些不足之處。整個設計缺乏必要的理論支持和整體上的構想。這是我以后值得借鑒的經(jīng)驗和教訓。為了完成此項設計任務，我系統(tǒng)的回顧了大學四年所學的相關專業(yè)知識?？沼鄷r間就在考慮些有關設計的實際問題，在設計過程中，我哦深感基礎知識、實踐經(jīng)驗及設計思路的重要性，特別是設計步驟間地關聯(lián)性及所需的嚴謹性。有些小的細節(jié)就可能使你花費好多時間和精力去搞明白。通過這次設計我受益匪淺，了解了有關設計的程序和規(guī)范，并懂得了作為設計技術人員應具備的素質和能力及精神。鞏固了所學知識，提升了 CAD 畫圖軟件的應用能力，和實踐、設計能力，拓寬了視野，為將來的工作打下了基礎，積累了一定的經(jīng)驗。液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 26 -液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的結構設計- 27 -參 考 文 獻[1] 陳為國等.多功能液壓教學實驗臺執(zhí)行裝置的設計. 機床與液壓,2003.No6[2] 楊培元等. 液壓系統(tǒng)設計簡明手冊.北京:機械工業(yè)出版社,1999[3] 張利平.液壓傳動系