2022年液压缸设计 .pdf
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1、第一章 液压系统设计液压缸动作过程3150KN热压成型机液压系统属于中高压液压系统,涉及快慢速切换、多级调压、 保压补压等多个典型的液压回路。工作过程为电机启动滑块快速下行滑块慢速下行保压预卸滑块慢速回程滑块快速回程推拉缸推出推拉缸拉回循环结束。按液压机床类型初选液压缸的工作压力为28Mpa,根据快进和快退速度要求,采用单杆活塞液压缸。液压系统设计参数1合模力;2最大液压压28Mp ;3主缸行程700 ;4主缸速度快 38 /s 、慢=4.85 /s 。分析负载一外负载压制过程中产生的最大压力,即合模力。二惯性负载设活塞杆的总质量m 100Kg,取( 三) 阻力负载活塞杆竖直方向的自重活塞杆质
2、量m1000Kg,同时设活塞杆所受的径向力等于重力。静摩擦阻力动摩擦阻力由此得出液压缸在各个工作阶段的负载如表* 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 17 页表* 液压缸在各个工作阶段的负载F工况负载组成负载值 F工况负载组成负载值 F启动981保压3150103加速537补压3150103快速491快退+G10301按上表绘制负载图如图* 所示。F/N v/mm s-1 537 491981 38 4.85 0 l/mm 0 l/mm -491 -981 -38由已知速度快 38 /s 、慢=4.85 /s 和液压缸
3、行程s=700mm ,绘制简略速度图,如图* 所示。液压缸的计算一液压缸承受的合模力为3150KN ,最大压力p1=28Mp 。鉴于整个工作过程要完成快进、快退以及慢进、慢退,因此液压缸选用单活塞杆式的。在液压缸活塞往复运动速度有要求的情况下,活塞杆直径d 根据液压缸工作压力选取。由合模力和负载计算液压缸的面积。将这些直径按GB/T 23482001 以及液压缸标准圆整成就近标准值,得:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 17 页由此得液压缸两腔的实际有效面积二确定液压缸壁厚根据公式计算液压缸壁厚。式中: =管壁厚 mm P
4、=最大压力 kg/cm2 D=液压缸内径 mm 许用应力, =,n 为安全系数,此处取n=5。=抗拉强度最低值设定油缸用料45#,抗拉强度600Mp ,最大压力28MP,管内径400mm,则最小壁厚,此处取壁厚=60 。(三) 液压缸及活塞杆长度确实定1液压缸工作行程长度 =700mm 。2) 最小导向长度确实定当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度间隙引起的挠度增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸,最小导向长度H应满足以下要求:式中 : L活塞杆的最大行程; D液压缸
5、的内径。10)D;缸盖滑动支承面的长度1l,根据液压缸内径D而定;当 D80mm 时,取。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 17 页为保证最小导向长度H,假设过分增大1l和 B都是不适宜的,必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加 H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定,即滑台液压缸:最小导向长度:取 H=240mm活塞宽度: B=0.6D=240mm缸盖滑动支承面长度:隔套长度:。液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030
6、倍。液压缸:缸体内部长度,即活塞杆长度四活塞杆稳定性校核活塞杆受轴向负载,其值F 超过某一临界值,就会失去稳定。活塞杆稳定性按下式进行校核。式中:安全系数,一般取2 4 ,此处取。活塞杆长细比当活塞杆的长细比时,且时精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 17 页式中:安装长度,其值与安装方式有关;活塞杆横截面最小回转半径,;柔性系数;由液压缸支撑方式决定的末端系数; E活塞杆材料的弹性模量,对钢,可取活塞杆横截面惯性矩;活塞杆横截面积;由材料强度决定的实验值;系数。以上各值参考章宏甲主编液压与气压传动第二版130 页液压缸强度
7、校核中表3-4 、表 3-5 所取。2.2 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后,就进行各部分的结构设计。主要包括: 缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同,结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。设 计 计 算 过 程1)缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。本次设计中采用外半环连接,如以下图所示:缸体与缸盖外半环连接方式优点:(1) 结构较简单;(2)加工装配方便。缺点:(1)外型尺寸大;2 缸筒开槽,削弱了强度,需增加缸筒壁厚2) 活塞杆与活塞的连接结
8、构。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页参阅 P15表 2-8 ,采用组合式结构中的螺纹连接。如以下图2所示:图 2 活塞杆与活塞螺纹连接方式特点:结构简单, 在振动的工作条件下容易松动,必须用锁紧装置。应用较多,如组合机床与工程机械上的液压缸。2)活塞杆导向部分的结构(1) 活塞杆导向部分的结构,包括活塞杆与端盖、导向套的结构,以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向,也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换,所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧,也可以装在外侧
9、。 机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构,有利于导向套的润滑;而油压机常采用装在外侧的结构,在高压下工作时,使密封圈有足够的油压将唇边张开,以提高密封性能。参阅 P16表 2-9 , 在本次设计中, 采用导向套导向的结构形式,其特点为:导向套与活塞杆接触支承导向,磨损后便于更换,导向套也可用耐磨材料。盖与杆的密封常采用Y形、 V形密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸。防尘方式常用J 形或三角形防尘装置活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用,应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。参阅 P17表 2-10 ,在本次设计中采用O形密封圈。活塞
10、杆的计算及校核1.强度校核由以上计算有:活塞杆直径。按公式进行校核。式中: F 活塞杆上的作用力。-活塞杆材料的许用应力,。经过计算得,显然 d=300mm。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 17 页2. 稳定性校核活塞杆受轴向压缩时,其值F 就会超过某一临界值Fk,就会失去稳定性。活塞杆的稳定性按下式进行校核。式中: 安全系数,一般取24。此处取4。1.强度校核由以上计算有:活塞杆直径。按公式进行校核。式中: F 活塞杆上的作用力。-活塞杆材料的许用应力,经过计算得,显然 d=300mm。2. 稳定性校核活塞杆受轴向压缩
11、时,其值F 就会超过某一临界值Fk,就会失去稳定性。活塞杆的稳定性按下式进行校核。式中: 安全系数,一般取24。此处取4。设计液压系统方案由于该热压成型机是固定式机械,且不存在外负载对系统做功的工况,由表 * 知,此热压机液压系统功率大,运动速度小,工作负载变化也小。表* 液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值工 况负载F/N回油腔压力/Mp进油腔压力/Mp输入流量输入功率P/kW计算式启动9810 /加速537恒速491精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 17 页慢速下20/保压0 0 /返回10301/注:液压缸的机械
12、效率取,从表中可以看出,在此液压系统的工作循环内,液压缸要求油源交替的提供低压大流量和高压小流量的油液。液压缸完成工作所需的时间范围为:设活塞杆快速行进的长度为620mm ,慢速行进的路程为 80mm ,则有:液压缸一个循环的工时间较长,可选用双联泵的方式进行供油。确定系统方案,拟定液压系统图一设计液压系统方案由于该液压机是固定式机械,存在负载制动过程,由表 * 知,此液压机属于中等功率、中高压系统, 工作负载变化大, 根据液压机设计标准,液压系统宜采用容积调速的开环为宜。为解决系统卸荷后的活塞杆下滑,在回油路上设置单向阀和背压阀。二选择基本回路系统中采用容积调速回路,必须具有单独的油路直接通
13、向液压缸两腔,以实现快速运动。在本系统中,快进、快退换向回路采用图* 所示的形式。由工况图 *图 *中的 ql 曲线可知,当活塞杆从快进转为慢进时,输入液压缸的流量由286.56L/min降至为 36.6L/min ,活塞杆的速度变化较大,可选用行程阀来控制速度的换接,以减小液压冲击。当活塞杆由慢退改为快退时,回路中通过的流量很大 0.1257/0.0550L/min=286.6L/min。为了保证液压系统平稳起见,采用换向时间可调的电磁换向阀换接回路。油源中有溢流阀调定系统工作压力,因此调压问题已在油源中解决,无须另外再设调压回路。而且系统采用容积调速,故溢流阀常开,即使活塞杆被卡住,系统压
14、力也不会超过溢流阀的调定值,所以溢流阀又起安全阀的作用。在此液压系统中使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 17 页了 M型三位四通阀,当活塞杆停止时,液压泵可经此阀卸荷。因而不需要再设置卸荷回路。系统要在某一个设定的压力下维持工作一定的时间,因此,应该设有保压回路。在液压缸进口处安装一个单向阀,液压泵提供的流量通过单向阀进入液压缸,当到达设定的工作压力后, 压力继电器动作,使系统处于卸荷状态下,此时,液压缸内的油液由于有单向阀的作用, 因此不能够流动,液压缸内的压力保持恒定。因此单向阀基能保压同时又能保证在液压泵出现故障
15、时,液压缸中的油液不会被倒吸。保压过程维持一定的时间后,由于系统有泄漏,液压缸内的压力有所损失,以至于影响工件的加工, 为了能够保证系统绝对的到达所需要的压力,需要对系统进行补压。补压无需另设回路,即按照加压时的回路进行。三将液压回路综合成液压系统 1. 将已确定的各种液压回路组合在一起,就可得到一张图*所示的液压系统原理图。如图 * 所示。在此基础上,对液压系统图进行完善。1 为了解决活塞杆在自重的作用下快速下滑时进油腔形成无油区,在液压缸上腔设置上位补偿油箱,当油液出现真空区时自动补上。2活塞杆由快速到慢速转换时,应该有行程开关做保护,另外,当活塞杆接近工件及法兰时都应有相应的行程开关做保
16、护。3解决液压缸缓慢下行的问题。当活塞杆到达行程开关2S 时,假设要能够实现缓慢的下行,需在回油路增加一个能够使流量快速减小的阀,此阀为背压阀,图中已有。4系统中采用的单向阀为液控单向阀,因此必须有控制回路来控制单向阀的双向通流。因此需要加一个定量控制泵。5由于保压时液压缸内的压力很大,而且液压缸进口处的单向阀锁定了液压缸,使液压缸不能返回,为此要加一回路,使液压缸能够平稳快速返回。同时维持上位油箱的油液循环利用, 必须要对上位油箱进行自动补油。此处用液控单向阀控制上位油箱和液压缸,到达功能互补作用。6由于是变量泵供油,下液压缸应该设置过载保护以及调压控制回路。7系统中加滤油器。2. 改善后的
17、液压系统图如图* 所示。其工作循环过程及动作如下:1启动电磁铁全部不得电,主泵输出油液通过阀 10、23 中位卸载。2主缸快速下行电磁铁 1YA 、 5YA 得电,阀4 处于左位, 控制油经阀 21使液控单向阀20 开启。进油路:泵1、2阀 10 左位阀13主缸上腔。回油路:主缸下腔阀20阀 10 左位阀 21 中位油箱。主缸滑块在自重作用下迅速下降,泵1 虽处于最大流量状态,仍不能满足其需精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 17 页要,因此主缸上腔形成负压,上位油箱15 的油液经充液阀16( 液控单向阀 ) 进入主缸上腔。
18、保证了上腔的液流。 3主缸慢速接近工件、加压当主缸滑块降至一定位置触动行程开关2S 后, 5Y 失电,阀 21 关闭,主缸下腔油液经背压阀 19、阀 10 左位、阀15 中位回油箱。同时8YA接通,泵1 卸荷。这时,主缸上腔压力升高,阀16 关闭,主缸在泵2 供应的压力油作用下慢速接近工件。接触工件后阻力急剧增加,压力进一步提高,泵2 的输出流量自动减小。 4保压当主缸上腔压力到达预定值时,压力继电器12 发信号,使2YA失电,阀 10 回中位,主缸上下腔封闭, 单向阀 13 和充液阀16 的锥面保证了良好的密封性,使主缸保压。 保压时间由时间继电器调整。保压期间,泵2 经阀 10、 23 的
19、中位卸载。 5补压由于各种阀存在不同程度的泄漏,经过一定时间的保压过程,液压缸内的压力有所损失。为了到达良好的压制效果,需要对液压缸进行补压,补压过程中油液的流向及各阀的状态同3 。 6泄压保压结束,主缸回程,时间继电器发出信号,由于此时主缸上腔压力很高,因而暂不向液压缸输油。 4YA接通,阀 14 处于右位,当压力减到一定值时,2YA、8YA得电,阀 10 处于右位。泵1、泵 2 同时供油,实现液压缸的快速回程。油液经过阀8 回到油箱。当液压缸压力减小到一定值时,4YA失电, 3YA得电,此时,液控单向阀10 打开,液压缸油液经阀10 回到上位油箱。以此补充上位油箱的油液。此过程能够实现快速
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