工程机械用三级液压缸的设计与仿真.doc

1、 工程机械用三级液压缸的设计与仿真摘 要本课题是工程机械用三级液压缸的设计与仿真，液压缸的设计包括系统工作压力的选定、液压缸内径和外径的确定、活塞杆直径和活塞直径的确定、液压缸壁厚的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定、缓冲装置的计算以及活塞杆稳定性的验算。本设计应用经验设计法和计算机辅助工程技术完成，先依据经验公式计算，确定了液压缸安装方案，设计了液压缸活塞及活塞杆尺寸参数，校核匹配的连接螺栓、销轴等。最后用绘图软件CAD完成液压缸装配图，运用solidworks进行运动仿真并分析。通过对三级液压缸的运动仿真与分析，证明本设计的合理性和可行性。降低设计成本，减少产品开发时间。使毕业生进一步熟

2、悉产品设计开发流程，熟练操作设计软件，为其以后工作打下坚实的基础。关键词：工程机械、三级液压缸、设计、仿真Abstract This is the subject of construction machinery design and simulation of three hydraulic cylinders including the working pressure of the system is selected, the hydraulic cylinder inner diameter and outer diameter of the piston rod and the

3、piston diameter, diameter determination, hydraulic cylinder wall thickness calculation to determine the thickness of the cylinder block, cylinder head, length, buffer device is calculated and the piston rod stability checking. Design and application of the experience design method and computer aided

4、 engineering technology, according to the empirical formula, determine the hydraulic cylinder installation project, design of hydraulic cylinder piston and piston rod size parameters, check matching bolt, pin. Finally with the drawing software CAD complete hydraulic cylinder assembly drawing,Using s

5、olidworks motion simulation and analysis Through the three cylinder motion simulation and analysis demonstrate that the design is reasonable and feasible. Reduce design costs, reduce product development time. Enables graduates to become more familiar with product design and development process, prof

6、iciency in design software for its future work to lay a solid foundation.Key words: Construction machinery、Three hydraulic cylinders、Design、 Simulation 目录引言1第1章 绪论1.1液压缸的发展21.2液压缸的类型21.3伸缩液压缸的简介21.4本设计的主要内容4第2章 液压缸工况分析2.1液压缸的类型及安装方式52.2液压缸的工作压力52.3液压缸的选材5第3章 液压缸主要尺寸的确定3.1二级缸缸筒内径的计算63.2二级缸缸壁厚度及外径的计算7

7、3.3二级缸缸底厚度83.4活塞杆直径93.5活塞直径及活塞厚度93.6一级缸缸筒内径103.7一级缸缸筒厚度及外径的计算103.8一级缸缸底厚度103.9零级缸缸筒内径及外径的计算113.10零级缸缸底厚度的计算 113.11第一、二、三及缸缸筒行程12第4章 液压缸的结构设计4.1缸筒联接计算124.2缸盖144.3活塞及活塞杆144.4导向环及导向套154.5密封和防尘174.6缓冲装置174.7耳环19第5章 液压缸性能验算5.1活塞缸强度及稳定性的验算205.2二级缸缸筒厚度的验算205.3以及缸缸筒厚度的验算21第6章 液压缸的几何建模及仿真6.1 solidworks软件简介 2

8、26.2液压缸实体建模226.3液压缸的应力分析246.4分析报告26结论与展望 28致谢 29参考文献 30附录外文翻译 31参考文献题录及摘要 44表格清单表2-1 各类液压设备常用的工作压力4表3-1 缸筒内径尺寸系列5表3-2 45号钢各力学性能6表3-3 精密内径尺寸的无缝钢管尺寸系列7表3-4 活塞杆外径尺寸系列8表3-5 常用缸筒外径尺寸10表4-1 缓冲油量推荐表17表6-1 模型信息25表6-2 算例属性25表6-3 单位26表6-4 材料属性26表6-5 夹具27表6-6 载荷27表6-7 网格信息27插图清单图1-1 伸缩式液压缸实图3图1-2 多级液压缸工作原理图3图4

9、-1 缸盖机加工图13图4-2 浮动性导向环14图4-3 导向套结构15图4-4 活塞杆导向套尺寸15图4-5 活塞杆的密封于防尘结构16图4-6 液压缸缓冲装置17图4-7 杆用单耳环安装尺寸18图6-1 三级缸21图6-2 二级缸22图6-3 一级缸22图6-4 零级缸23图6-5 液压缸装配图23图6-6 应力分析24图6-7 位移分析24V引言液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成

10、正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。液压传动相对于机械传动来说，它是一门新学科，17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，只是由于早期技术水平和生产需求的不足，液压传动技术没有得到普遍地应用。1795年英国约瑟夫布拉曼在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。第二次世界大战期间，在兵器上采用了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准

11、化、规格化、系列化而在工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。本设计中首先对设计产品进行工况分析，进而对其主要参数进行计算并校核，再利用CAD软件绘出产品零件图和总装图，以及solidworks进行机械运动仿真。solidworks软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。solidworks软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。- 1 -第

12、1章 绪论1.1液压缸的发展在发展过程中存在以下问题：液压缸结构传动不能保证严格的传动比；工作过程中常用较多能量损失（摩擦损失、泄露损失等）；对油温的变化比较敏感，它的工作稳定性容易受到温度变化的影响；为了减少泄露，液压元件在制造精度上的要求比较高，因此造价高; 液压传动出故障时不易找出原因，使用和维修要求有较高的技术水平；液压缸的活塞杆在油压的作用下伸出或缩回时，经常出现速度不均匀现象，并有时伴有振动和异响，从而引起整个液压系统的振动，并带动主机其它部件振动等缺点，所以液压缸结构需进一步发展改良，以便适应国家经济发展的需要。随着社会进步，科学技术的不断发展，液压缸的发展也不断进步，液压缸呈现

13、以下的发展趋势：1、 高压化、小型化。高压化是减少液压缸径向尺寸和减轻重量，并缩小整套液压装置体积的有效途径。2、 新材质、轻量化。随着高压化、小型化，液压缸的使用环境的考验等，新材质、轻量化也成了解决办法之一。3、 新颖机构复合化。为了适应液压缸应用范围的扩大，各种新颖结构的液压缸不断出现，如自控液压缸、自锁液压缸、钢缆式液压缸、蠕动式液压缸和复合化液压缸等。4、 高性能、多品种。5、 节能化与耐腐蚀。1.2液压缸的类型根据常用液压缸的结构类型，可将其分为四种类型：活塞式、柱塞式、伸缩式、摆动式。1.3伸缩式液压缸简介伸缩式液压缸是可以得到较长工作行程的具有多级套筒形活塞杆的液压缸，伸缩式液

14、压缸又称多级液压缸。伸缩式液压缸是由两个或多个活塞式液压缸套装而成的，前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。工作过程：当压力油从无杆腔进入时，活塞有效面积最大的缸筒开始伸出，当行至终点时，活塞有效面积次之的缸筒开始伸出。伸缩式液压伸出的顺序是由大到小依次伸出，可获得很长的工作行程，外伸缸筒有效面积越小，伸出速度越快。因此，伸出速度有慢变快，相应的液压推力由大变小；这种推力、速度的变化规律，正适合各种自动装卸机械对推力和速度的

15、要求。而缩回的顺序一般是由小到大依次缩回，缩回时的轴向长度较短，占用空间较小，结构紧凑。常用于工程机械和其他行走机械，如起重机、翻斗汽车等的液压系统中。图1-1 伸缩式液压缸实图多级液压缸由两个或多个活塞缸或柱塞缸套装而成的。工作原理：活塞或柱塞伸出时，从大到小，速度逐渐增大，推力逐渐减小，活塞或柱塞缩回时，从小到大图1-2 多级液压缸工作原理图通过本次课题设计达到对液压缸结构及工作原理更好认识，对绘图软件的使用更加熟练，掌握液压缸结构设计应注意的一些细节问题。争取通过本次课程设计对液压传动知识掌握程度进一步完善，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，使自己学到的理论知识与生产实践进行一

16、次结合。1.4本设计的主要内容 液压缸的设计包括液压缸活塞缸直径及外径、液压缸活塞直径的却东和活塞杆直径的确定、液压缸壁厚和外径的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定、缓冲装置的计算以及活塞杆稳定性的验算。第2章 液压缸工况分析 工况分析是拟定液压缸设计方案，计算并选择液压元件的重要依据，通过工况分析选择液压缸类型及其安装方式，列出初始参数，明确设计要求，为后续工作提供重要依据。2.1 液压缸的类型及安装方式本设计液压缸用于工程机械，且为多级液压缸。液压缸的类型为双作用多级式伸缩缸，即双作用三级伸缩液压缸，有三个依次运动的活塞套筒组成，输出运动按有效工作截面积大小依次进行。安装方式选择耳环型，

17、可在垂直面内摆动，但销轴受力较大。2.2液压缸的工作压力液压缸的输出力F是由工作压力p和活塞的有效面积A决定。 表2-1 各类液压设备常用的工作压力设备类型机床农业机械汽车工业小型工程机械及辅助机械工程机械重型机械锻压设备液压支架船用系统磨床组合机床车床铣床镗床拉床龙门刨床工作压力/ MPa26.32410101616321425工程机械中，液压系统的工作压力不断提高，通过上表可取本设计中液压缸的工作压力p=30MPa。用于工程机械，取负载m=20t。2.3 液压缸的选材缸体：45号钢无缝钢管。45钢无焊接件，可用调质处理提高强度表面粗糙度要小（Ra=0.20.4m）工艺要求内孔一般用珩磨或滚

18、压加工活塞：45号钢。活塞杆：45号钢圆钢或无缝钢管，一般表面要镀硬铬，表面粗糙度要Ra=0.20.4.缸底：法兰连接，35号、45号钢锻件。密封结构：防漏、防尘、耐磨 第3章 液压缸主要尺寸的确定本设计中第三级液压缸为第二级液压缸的活塞杆，第二级液压缸为第一季液压缸的活塞杆，第一级液压缸为缸筒的活塞缸，设计时从第三级液压缸开始，将第二级液压缸与第三级液压缸独立出来，然后再将第二级液压缸作为第一级液压缸的活塞杆独立出来3.1 二缸缸筒内径的计算根据多级液压缸的工作原理，可将其分解为若干个相互连通的单机液压缸组合。本设计没有给出液压缸最大外径的限制，故可以先计算最小的一个单机液压缸，然后按照标准

19、缸径往外加大就可以了。根据受力知道，只要满足三级缸受力，则一级缸定能满足根据液压缸理论输出力F和系统选定的供油压力p来计算缸筒内径D(m) 式中： F液压缸的理论输出力（N）; p 供油压力（MPa）。 液压缸的理论输出力F，可按下公式确定： 式中： F0活塞杆的实际作用力（N）,可以去估算负载值的最大值； 负载率，一般取0.50.7； t液压缸的总效率。 F0=mg=200KN取0.7 t取0.9 F=317.5KN可得缸筒内径 D=116mm表3-1 缸筒内径尺寸系列液压缸内径系列（GB/T2348-93）8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、（90）、100、（

20、110）125、（140）、160、（180）、200、（220）、250、（280）、320、（360）、400、（450）、500整圆取标准值得 D=125mm此为二级缸筒内径 d2=125mm3.2 二级缸缸壁厚度及外径的计算先暂取/D=0.08-0.3, （10，37.5）即则可按下列公式计算 式中 壁厚 最高允许压力。1.5（工作压力） 1.5=1.530=45MPa 许用应力。=n（n安全系数） N 安全系数，根据液压缸的重要程度和工作压力等因素选取，工作压力大n可选取小一些。则取n=2，缸筒材料的抗拉强度，此取45号钢表3-2 45号钢各力学性能知抗拉强度不小于600，取=700

21、 MPa =n=700/2=350 MPa=45x125/（2.3x3503x45）=8.4mm表3-3 精密内径尺寸的无缝钢管尺寸系列内径壁厚1.52.02.53.03.55.06.07.510.012.515.020.0外径25283135403235363842474045465055505556606570756368697375788388808586909295100105110100105106110112115120125130125132135137140145150155165160165170175180185190200200220215220225230240取=12

22、.5mm。所以二级液缸的外径为 D2=125+12.5x2=150mm3.3 二级缸缸底厚度缸底为平面且有油孔，油孔直径d0取10mm。缸底厚度 式中 最高允许压力。1.5（工作压力） 1.5=1.530=45MPa 缸底材料的许用应力，其选用方法与上述缸筒厚度计算项同，=350MPa。 d0缸底油孔直径。得 =24.7mm。取 h2=30mm。综上：二级缸缸筒内径125mm，外径150mm，行程850mm，缸底厚度30mm。3.4 活塞杆直径第三级液压缸作为第二级液压缸的活塞缸由于采用耳环式安装方式，液压缸可在垂直面内摆动，当活塞杆在稳定状态下仅承受轴向载荷，活塞杆直径d计算公式如下： 式中

23、 F液压缸输出力（N） 活塞杆材料的许用应力（Pa），当活塞杆为碳钢时，=100120MPa。故取=120 MPa。 d46mm表3-4 活塞杆外径尺寸系列活塞杆直径系列（GB/T2348-1993）4、5、6、8、10、12、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360查表3，取d=56mm。3.5 活塞直径及活塞厚度留3mm作为二级缸与三级缸内壁距离，则三级缸的外径（活塞直径） D3=1252x3=119mm取 D3=119mm 即活塞的直径为1

24、19mm。第三级液压缸缸底为平形缸底，且无油孔，缸底厚度 式中 最高允许压力。1.5（工作压力） 1.5=1.530=45MPa 缸底材料的许用应力，其选用方法与上述缸筒厚度计算项同，=350MPa。 得 =18.9mm取 h3=25mm综上：三级缸活塞外径119mm，厚度25mm，活塞杆直径56mm，行程900mm。3.6 一级缸缸筒内径留3mm作为一级缸与二级缸内壁距离，则，一级缸的内径 d1=150+2x3=156mm所以取 d1=156mm3.7 一级缸缸壁厚度及外径的计算先暂取/D=0.08-0.3, （12,8，48）即则可按下列公式计算 式中 壁厚 最高允许压力。1.5（工作压力

25、） 1.5=1.530=45MPa 许用应力。=n（n安全系数） N 安全系数，根据液压缸的重要程度和工作压力等因素选取，工作压力大n可选取小一些。则取n=2，缸筒材料的屈服强度，此取45号钢，=700 MPa =n=700/2=350 MPa=45x156/（2.3x3503x45）=13.7mm取=15mm故一级缸的外径 D1=156+15x2=186mm3.8 一级缸缸底厚度 缸底为平面且有油孔，油孔直径d0取10mm。缸底厚度 式中 最高允许压力。1.5（工作压力） 1.5=1.530=45MPa 缸底材料的许用应力，其选用方法与上述缸筒厚度计算项同，=350MPa。 d0缸底油孔直径

26、。得 h=30.2mm取 h1=35mm综上：一级缸缸筒内径156mm，外径186mm，缸底厚度35mm，行程800mm。3.9 零级缸缸筒内径和外径的计算 留5mm作为一级缸与零级缸缸筒内壁距离 则缸筒内径 d=190+5x2=200mm查表3-1取缸筒内径 d=200mm表3-5 常用缸筒外径尺寸额定压力/MPa缸筒内径材料40506380100125140160180200缸筒外径2.555658097124150铸铁6.3607086100124150165060769512114616819421924520钢205060769512114616819421924545钢255060

27、83102121152168194219245325463.583102127152168194219245缸筒材料为45钢，查表3-5，取缸筒外径245mm缸筒外径D=245mm缸筒内径d=192mm缸筒厚度（245192）/2=26.5mm3.10 零级缸缸底厚度 平形缸底，无油孔，缸底厚度h为 式中 最高允许压力。1.5（工作压力） 1.5=1.530=45MPa 缸底材料的许用应力，其选用方法与上述缸筒厚度计算项同，=350MPa。则 =38.9mm取 h=40mm综上：零级缸缸筒内径192mm，外径245mm，缸底厚度40mm。3.11 第一、二、三级液压缸行程查液压元件手册表105

28、1，表1052，表1053，取L3=900mm。L2=850mm。L1=800mm。第4章.液压缸的结构设计4.1 缸筒联接计算 为简化结构，便于加工、装卸，零级缸缸筒与缸盖采用法兰联接，缸筒厚度为40mm，选取螺钉型号M12x2LH6H故 螺纹处拉应力为 螺纹处切应力为 式中 K螺纹拧紧系数，静载时取K=1.251.5，动载时取K=2.54; 螺纹摩擦因素，一般取=0.12； d0螺纹外径（m）； d1螺纹内径（m），当采用普通螺纹时，d1=d01.0285P， 其中，P为螺纹螺距； D缸筒内径（m）；F缸筒螺纹处承受的总拉力（N）; Z螺钉数。取 K=1.5， d0=0.01m， d1=0

29、.008m， D=0.2m F=3.2x105N, Z=6得 =160MPa =30MPa；合成应力=168MPa80mm如选用单段导向，导向环的宽度会过大，故采用两段导向，每段宽度为d/3，中间距离为2d/3。其中d为活塞杆直径。图4-4 活塞杆导向套尺寸三级缸与二级缸之间导向环厚度取4mm，宽度取15mm，数量为2，两导向环间距d/3=70/3=23mm。二级缸与一级缸之间导向环厚度取4mm，宽度取15mm，数量为2，两导向环间距d/3=70/3=23mm。一级缸与零级缸之间导向环厚度取4mm，宽度取15mm，数量为2，两导向环间距d/3=70/3=23mm。4.5密封和防尘活塞杆的密封于

30、防尘结构如下表各缸之间的密封结构选择Y形密封圈，防尘结构选择图4-5 活塞杆的密封于防尘结构4.6缓冲装置当液压缸所驱动的工作部件质量较大，移动速度较大（如大于0.2m/s）时，由于具有的动量大，以致在行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，造成液压冲击和噪声，甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件的损坏，因此，在大型，告诉或要求较高的液压缸中，往往设置缓冲装置。工作原理：当活塞行程快到终点而接近缸盖时，增大液压缸的回油阻力，时回油腔整产生足够大的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击缸盖。技术要求：1缓冲机构应能以较短的缓冲行程吸收最大的动能；2缓冲过程应尽量避免出现压力脉冲和过高的缓冲强压力峰值，时压力变化变成渐变过程；3缓冲腔内的峰值压力要小于供油压力的1.5倍；4动能转化变为热能是油温