單作用法蘭式液壓缸設(shè)計（全套設(shè)計含二維三維圖紙）

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式中—有效工作負(fù)載，在本設(shè)計中即為題目給定的最大輸出力Fw=20000N； —運(yùn)動部件速度變化時的慣性負(fù)載； —導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，啟動時為靜摩擦阻力，啟動后為動摩擦阻力，對于平導(dǎo)軌可由下式求得 —運(yùn)動部件重力； —垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，本設(shè)計中為零； —導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，在本設(shè)計中取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1則求得 上式中為靜摩擦阻力，為動摩擦阻力。 式中m—負(fù)載質(zhì)量、—加速或減速時間，本次設(shè)計中取；—時間內(nèi)的速度變化量,本次設(shè)計最大速度為0.12m/s,取；先取負(fù)載質(zhì)量為1000kg，故 根據(jù)上述計算結(jié)果，列出個各工作階段所受的外負(fù)載： 前進(jìn)時 最大負(fù)載 啟動加速 F=++ 22960 勻速移動 + 20980 減速制動 +- Fa 19980 第2章 液壓缸的設(shè)計計算 2.1 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的計算 2.1.1液壓缸內(nèi)徑D的計算 由于啟動加速階段工作負(fù)載力最大，故按牛頓運(yùn)動定律，pA--=ma 式中—液壓缸有效工作面積(m2)。 —分配給執(zhí)行元件用于克服執(zhí)行元件外負(fù)載的壓力（MPa） ,為局部損失和沿程損失之和，初步估算為0.5MPa. 根據(jù)附表1 選擇工作壓力P=3.5Mpa 附表1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力 負(fù)載F（N） <5000 5000~10000 10000~20000 20000~30000 30000~50000 >50000 工作壓力P（MPa） <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 >5~7 在本設(shè)計中， 由此求得，活塞缸內(nèi)徑為 根據(jù)附表2 缸筒內(nèi)徑尺寸系列GB2348-80（mm），將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D=125mm； 附表2 缸筒內(nèi)徑尺寸系列GB2348-80（mm） 2.1.2 活塞桿直徑d的計算 —液壓缸內(nèi)徑與活塞桿直徑的關(guān)系?？紤]到活塞桿受壓，且液壓缸工作壓力小于5MPa，根據(jù)附表3液壓缸工作壓力與活塞桿直徑，取。 附表3 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑 液壓缸工作壓力p/MPa <5 5～7 >7 推薦活塞桿直徑d (0.5～0.55)D (0.56～0.6)D 0.65D 活塞桿直徑 根據(jù)附表4 液壓缸的活塞桿外徑尺寸系列GB2348-80（mm），將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑d=70mm； 附表4 液壓缸的活塞桿外徑尺寸系列GB2348-80（mm） 由此求得液壓缸最大工作壓力 根據(jù)附表5液壓缸公稱壓力系列（GB/T7938-1987），取液壓缸額定工作壓力為2.5MPa。 附表5液壓缸公稱壓力系列（GB/T7938-1987） 2.2 液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計算。工程機(jī)械的液壓缸，一般是用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計算 式中—液壓缸壁厚(m)； —液壓缸內(nèi)徑(m)； —試驗壓力，取最大工作壓力的1.5倍（MPa）； —缸筒材料的許用應(yīng)力。無縫鋼管45鋼。 液壓缸壁厚取 液壓缸壁厚算出后，可求出缸體的外徑 根據(jù)附表5 工程機(jī)械用標(biāo)準(zhǔn)油缸的缸體外徑(JBIO68-67)[mm]，將液壓缸缸體外徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D1=152mm； 附表5 工程機(jī)械用標(biāo)準(zhǔn)油缸的缸體外徑(JBIO68-67)[mm] 2.3 液壓缸工作行程的確定 根據(jù)題目給定運(yùn)動行程0.42m，參照液壓缸行程系列選用工作行程為450mm。 2.4 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，有孔時 式中t—缸蓋有效厚度(m)；—缸蓋止口內(nèi)徑(m)；—缸蓋孔的直徑(m)。 取缸蓋厚度為25mm。 2.5 最小導(dǎo)向長度的確定 活塞寬度，取值B=80mm。 缸蓋滑動支承面的長度，在缸徑小于150mm時 取 隔套的長度 2.6 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)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短端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20倍。因此取缸體長度為600mm。 2.7 法蘭的設(shè)計 法蘭承受的最大壓力為：F=22960N 經(jīng)估算可以確定以下參數(shù)：=150mm、=25mm、b=10mm 許用應(yīng)力在選取材料的時候給出：[]=100MPa 將以上各量帶入式上式得到：h=38.65mm 為保證安全，取法蘭厚度為40mm。 2.8 活塞的設(shè)計 1、活塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計 活塞分為整體式和組合式，組合式制作和使用比較復(fù)雜，所以在此選用組合式活塞。此組合式活塞中，密封環(huán)和導(dǎo)向套是分槽安裝的。 2、活塞的尺寸及加工公差 選擇活塞厚度為和缸筒內(nèi)徑形成間隙配合，因為缸體內(nèi)徑是125mm（這個在前面的活塞桿設(shè)計中已經(jīng)給出解釋），根據(jù)密封圈的尺寸及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)活塞寬度為80mm。 活塞的配合因為使用了組合形式的密封器件，所以要求不高，這里不加敘述。 活塞外徑對內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，斷面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度不大于外徑公差的一半。 第3章 液壓缸的設(shè)計計算 3.1 活塞桿的校核 活塞桿直徑d，在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核?；钊麠U需要進(jìn)行穩(wěn)定性的校核。 1、 活塞桿直徑校核 活塞桿直徑的校核按下式進(jìn)行 式中F —活塞桿上的作用力；—活塞桿材料的許用應(yīng)力， 活塞桿直徑滿足要求。 2、 活塞桿穩(wěn)定性的驗算 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時，它所承受的軸向力不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。 活塞桿穩(wěn)定性的校核依下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行： 式中：為安全系數(shù)，一般取。 當(dāng)活塞桿的細(xì)長比時, 當(dāng)活塞桿的細(xì)長比時，且，則 式中：——安裝長度，其值與安裝方式有關(guān)； —活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑，； —柔性系數(shù)； —由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，其值見表3-1； —活塞桿材料的彈性模量，對鋼??； —活塞桿橫截面慣性矩；為活塞桿橫截面積； —由材料強(qiáng)度決定的實驗值、為系數(shù)，具體數(shù)值均見表3-2。 活塞桿的細(xì)長比為 73.3 柔性系數(shù)取85，采用一端鉸接，一端固定的支承方式，末端系數(shù)取2 所以，=120，采用拉金公式計算 安全系數(shù)取n=2 則 所以，活塞桿穩(wěn)定。 3.2 缸筒壁厚的校核 下面從以下三個方面進(jìn)行缸筒壁厚的校核： 根據(jù)上式得到：16.75MPa，顯然，額定油壓P=2.5MPa，滿足條件； 先根據(jù)上式10得到：=14.35MPa，再將得到結(jié)果帶入上式9得到：5.02MPa。顯然，額定油壓P=2.5MPa，滿足條件； 因為=100MPa已經(jīng)在選擇缸筒材料的時候給出，根據(jù)上式得到：=71.77MPa。至于耐壓試驗壓力應(yīng)為：=1.5P=3.75MPa。依據(jù)為： 因為爆裂壓力遠(yuǎn)大于耐壓試驗壓力，所以完全滿足條件。 3.3 法蘭螺栓組連接強(qiáng)度校核 本次設(shè)計中采用法蘭型聯(lián)接方式，根據(jù)所選液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸要求，選用6個M25螺栓呈圓周均布布置與閥體連接。閥體內(nèi)工作壓力P=2.5MPa，液壓缸活塞桿頭部伸入處閥體內(nèi)徑D=125mm。對該螺栓組連接進(jìn)行受力分析，屬于典型承受預(yù)緊力和軸向載荷的的緊螺栓連接受力情況。 液壓缸尾部螺栓組均勻分布，其每個螺栓承受的平均軸向工作載荷F：F=PπD2/4z。式中F—每個螺栓承受的平均軸向載荷，（N）；P—調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)工作壓力，已知，P=2.5MPa；D—液壓缸活塞桿頭部伸入處閥體內(nèi)徑，D=125mm。z—螺栓數(shù)目。故F=PπD2/4z=2.5x3.14X125X125/(4x8)=3833N 當(dāng)承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接時，此時螺栓所受的軸向總拉力F： F∑=F+F′式中F∑—每個螺栓所受的軸向總載荷，（N）；F—每個螺栓承受的平均軸向載荷，（N）；F′—?dú)堄囝A(yù)緊力F′。 殘余預(yù)緊力F′，一般可參考以下經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定：對于氣缸、壓力容器等有緊密性要求的螺栓連接，取F′=（1.5~1.8）F。 取F′=1.8，求得F′=1.8x3833=6899.4N。 F∑=F+F′=3833+6899=10732N 螺栓危險截面能夠承載的最大力為12296大于F∑，所以螺栓強(qiáng)度滿足要求。 第4章 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 液壓缸的安裝形式 本次設(shè)計負(fù)載為直線運(yùn)動，負(fù)載力不是很高，故采用液壓缸筒固定，活塞桿運(yùn)動的尾部法蘭安裝方式，其特點(diǎn)為螺釘受力較小。 4.2 缸體與缸蓋的連接形式 本設(shè)計中選取法蘭連接的形式。法蘭連接的優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單、成本低(2)容易加工、便于裝拆(3)強(qiáng)度較大、能承受高壓。 4.3 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)有幾種常用的形式，分整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。 1、整體式結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，適用于缸徑較小的液壓缸。 2、螺紋連接：結(jié)構(gòu)簡單，在振動的工作條件下容易松動，必須用鎖緊裝置。應(yīng)用較多，如組合機(jī)床與工程機(jī)械上的液壓缸。 3、半環(huán)連接：結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，不易松動，但會出現(xiàn)軸向間隙。多應(yīng)用在壓力高、負(fù)荷大、有振動的場合 4、錐銷連接：結(jié)構(gòu)可靠，用錐銷連接銷孔必須配鉸，銷釘連接后必須鎖緊，多用于負(fù)荷較小的場合。 綜合考慮選用螺紋連接的活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)。 4.4 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可以做成與端蓋分開的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。 1、端蓋直接導(dǎo)向：(1)端蓋與活塞桿直接接觸導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡單，但磨損后只能更換整個缸蓋(2)蓋與桿的密封常用O型，Y型等密封圈(3)防塵圈用無骨架的防塵圈。 2、導(dǎo)向套導(dǎo)向：(1)導(dǎo)向套與活塞桿接觸支承導(dǎo)向，磨損后便于更換，導(dǎo)向套也可用耐磨材料(2)蓋與桿的密封常用Y型等密封裝置。密封可靠適用于中高壓液壓缸(3)防塵方式常用J型或三角形防塵裝置。 由于密封圈的是選用O形圈的密封類型，常于O形圈配合導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)為端蓋直接導(dǎo)向，因此本設(shè)計選用端蓋直接導(dǎo)向的導(dǎo)向部分結(jié)構(gòu)。 4.5 活塞及活塞桿處密封圈的選用 由于本設(shè)計中液壓缸的工作壓力為2.5MPa，速度范圍<0.5m/s，因此選用缸體與缸蓋的密封形式選用O形圈的密封形式?；钊麠U與缸蓋，活塞與缸體的密封選用Y形圈的密封形式。 4.6 液壓缸的緩沖裝置 本設(shè)計中的液壓缸運(yùn)動慣性不大、速度也不高，因此選用圓柱形環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置。 4.7 液壓缸主要零件的材料 1、缸筒 無縫鋼管 45鋼 無縫鋼管作缸體毛坯加工余量小，工藝性能好，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期斷，是與大批量生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)液壓缸大部分都采用無縫鋼管，一般常用調(diào)質(zhì)的45號鋼。 2、活塞 鑄鐵HT200 活塞常用材料灰鑄鐵，耐磨鑄鐵、35及40鋼和鋁合金等。缸徑較小的整體式活塞用35、45鋼，其他多用灰鑄鐵。 3、活塞桿 45鋼 活塞桿常使用35、45鋼等材料。對于沖擊震動很大的活塞桿，也可以使用55鋼。一般實心的活塞桿用35、45鋼。 4、前缸蓋 35鋼 缸蓋常用35、45鋼的短劍或鑄造毛坯，也可以使用鑄鐵材料。 5、后缸蓋 鑄鐵HT200 6、缸頭 45鋼 7、導(dǎo)向套 QT500-7球墨鑄鐵