雙作用液壓缸的設計與控制

中原工學院機電學院機電系統(tǒng)綜合實驗（2023-2023學年第1學期）專業(yè)：機械電子工程 題目：可伸縮伺服液壓缸姓名：程方園學號：班級機電131指導教師：周高峰崔路軍完畢日期：2023年1月12日機械電子工程系目錄1631設計任務書 3272121.設計目的與意義 4326852.設計內容和規(guī)定 418542.1擬定總體方案 4135012.2設計內容 591782.3設計規(guī)定 5121553.設計進度安排 589864.機電系統(tǒng)設計的分析、計算、選用與說明 5246774.1機械設計 533284.1.1液壓缸的結構設計 548404.1.2、液壓缸的重要技術性能參數的計算 6292984.1.4、液壓缸主油缸的設計計算 87054.1.5、缸體的材料和技術規(guī)定 11319964.1.6、活塞桿徑的計算與校核 1194754.1.7、快速液壓缸柱塞直徑的計算 13246324.1.8、缸蓋的設計計算 13282644.1.9、液壓缸油口的直徑計算 14141694.1.10、導向套的設計計算 1510552e．內孔中的環(huán)形油槽和直油槽要淺而寬，保證潤滑條件良好 15143314.2液壓回路設計 16161914.3電路設計 16114484.4控制設計 17165615.機電綜合課程設計結論 17320236.機電綜合課程設計的收獲、體會和建議 17304447.參考文獻 18300698.附錄 18設計任務書題目可伸縮伺服液壓缸的設計與控制設計內容理解可伸縮伺服液壓缸的功能和工作原理，擬定其功能參數；明確可伸縮伺服液壓缸的具體結構和控制方式，并給出相關參數；分析和計算可伸縮伺服液壓缸機械結構，并擬定控制的具體實現。繪制可伸縮伺服液壓缸機械圖紙和電氣電子線路圖；撰寫技術說明書。時間進度1）17周：機械設計2）18周：液壓回路設計，電路設計3）19周：控制電路設計重要參考書籍和資料[1]馮清秀，鄧星鐘等著.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2023.[2]劉德全著.Proteus8電子線路設計與仿真[M].北京：清華大學出版社，2023.[3]成大先編.機械設計手冊（第5版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2023.[4]董玉紅徐莉萍編.機械控制工程基礎（第2版）M].北京：機械工業(yè)出版社，2023.[5]秦曾煌著.電工技術（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2023.[6]王成元，夏加寬等著.現代電機控制技術（第2版）[M].北京：機械工業(yè)2023.[7]濮良貴，陳國定著.機械設計（第9版）[M].北京：高等教育出版社，2023.[8]劉娜李波等著.AutoCadMechanical機械設計入門到精通（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2023.任務分工備注可伸縮伺服液壓缸設計與控制1.設計目的與意義油缸是液壓傳動系統(tǒng)中實現往復運動和小于360°回擺運動的液壓執(zhí)行元件。具有結構簡樸，工作可靠，制造容易以及使用維護方便、低速穩(wěn)定性好等優(yōu)點。因此，廣泛應用于工業(yè)生產各部門。其重要應用有：工程機械中挖掘機和裝載機的鏟裝機構和提高機構，起重機械中汽車起重機的伸縮臂和支腿機構，礦山機械中的液壓支架及采煤機的滾筒調高裝置，建筑機械中的打樁機，冶金機械中的壓力機，汽車工業(yè)中自卸式汽車和高空作業(yè)車，智能機械中的模擬駕駛艙、機器人、火箭的發(fā)射裝置等。它們所用的都是直線往復運動油缸，即推力油缸。所以進一步研究和改善液壓缸的設計制造，提高液壓缸的工作壽命及其性能，對于更好的運用液壓傳動具有十分重要的意義。通過學生自己獨立地完畢指定的課程設計任務，提高理論聯系實際、分析問題和解決問題的能力，學會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術文獻的能力，進一步加強設計計算和制圖等基本技能的訓練，為畢業(yè)后成為一名杰出的機械工程師打好基礎。設計內容和規(guī)定1）理解可伸縮伺服液壓缸的功能和工作原理，擬定其功能參數；2）明確可伸縮伺服液壓缸的具體結構和控制方式，并給出相關參數；3）分析和計算可伸縮伺服液壓缸機械結構，并擬定控制的具體實現。4）繪制可伸縮伺服液壓缸機械圖紙和電氣電子線路圖；5）撰寫技術說明書2.1擬定總體方案當下各種液壓缸規(guī)格品種比較少，重要是因各種機械對液壓缸的規(guī)定差別太大。比如對液壓缸的內徑、活塞桿直徑、液壓缸的行程和連接方式等規(guī)定不同樣。由于本次液壓設計重要是實現立式快速的原則，故選雙作用單活塞桿立式快速液壓缸的設計。采用焊接連接。2.2設計內容可伸縮伺服液壓缸設計與控制液壓缸的公稱壓力為30Mpa液壓缸快進速度為0.2m/s液壓缸的行程為300mm液壓缸回程力為175KN,2.3設計規(guī)定1）理解可伸縮伺服液壓缸的功能和工作原理，擬定其功能參數；2）明確可伸縮伺服液壓缸的具體結構和控制方式，并給出相關參數；3）分析和計算可伸縮伺服液壓缸機械結構，并擬定控制的具體實現。4）繪制可伸縮伺服液壓缸機械圖紙和電氣電子線路圖；5）撰寫技術說明書3.設計進度安排1）17周：機械設計2）18周：液壓回路設計，電路設計3）19周：控制電路設計4.機電系統(tǒng)設計的分析、計算、選用與說明4.1機械設計4.1.1液壓缸的結構設計1、缸體與缸的連接缸體與缸的連接形式較多，有拉桿連接、法蘭連接、內半環(huán)連接、焊接連接、。在此選用焊接連接。3、活塞與活塞桿的連接活塞與活塞桿的連接大多采用螺紋連接結構和卡鍵連接結構。螺紋連接結構形式簡樸實用，應用較為普遍；卡鍵連接機構合用于工作壓力較大，工作機械振動較大的油缸。因此從多方面的因素考慮選擇螺紋連接結構。4、液壓缸缸體的安全系數對缸體來說，液壓力、機械力和安全系數有關的因素都對缸體有影響。液壓缸因壓力過高喪失正常工作能力而破壞，往往是強度問題、剛度和定性問題三種形式給表現出來，其中最重要的還是強度問題。要保證缸體的強度，一定要考慮適當的安全系數。4.1.2、液壓缸的重要技術性能參數的計算1、壓力所謂壓力，是指作用在單位面積上的負載。從液壓原理可知，壓力等于負載力與活塞的有效工作面積之比。P=F/A(N/m)式中：F—作用在活塞上的負載力（N）A—活塞的有效工作面積（m）從上述可知，壓力值的建立是由于負載力的存在而產生的，在同一個活塞的有效工作面積上，負載越大，所需的壓力就越大，活塞產生的作用力就越大。假如活塞的有效工作面積一定，壓力越大，活塞產生的作用力就越大。由此可知：1、根據負載力的大小，選擇活塞面積合適的液壓缸和壓力適當的液壓泵。2、根據液壓泵的壓力和負載力，設計和選用合適的液壓缸。3、根據液壓缸的壓力和液壓缸的活塞面積，擬定負載的重量。在液壓系統(tǒng)中，為了便于液壓元件和管路的設計選用，往往將壓力分級。見下表1.1所示：表1.1壓力分級級別低壓中壓中高壓高壓超高壓壓力范圍（Mpa）0~2.5>2.5~5>8~16>16~32>32本次液壓缸的設定公稱壓力為30Mpa，由表1.1可知，本此液壓缸屬于高壓。2、流量所謂流量是指單位時間內液體流過管道某一截面的體積。對液壓缸來說，等于液壓缸容積與液體充滿液壓缸所需時間之比。即：q=V/t式中：V—液壓缸實際需要的液體體積（L）t—液體壓力充滿液壓缸缸所需的時間（min）3、運動速度運動速度是指單位時間內液體流入液壓缸推動活塞（或柱塞）移動的距離，運動速度可表達為：v=q/A式中：q—流量（m3/s）A—活塞活塞受力作用面積（m） 設定快進速度為0.2m/s計算運動速度的意義在于： 1、對于運動的速度為重要參數的液壓缸，控制流量是十分重要。2、根據液壓缸的速度，可以選用流量合適的液壓泵。3、根據液壓缸的速度，可以擬定液壓缸的進、出油口的尺寸，注塞桿，活塞和活塞桿的直徑。4、運用活塞桿前進和后退的不同速度，可實現液壓缸的慢速攻進和快速退回。4、速比速比是指液壓缸活塞桿往復運動的速度之比，由于速度與活塞的有效工作面積有關，速比也是活塞兩側有效工作面積之比。式中：D—液壓缸直徑（m）d—活塞桿的直徑（m）計算速比重要是為了擬定活塞桿的直徑和決定是否設立緩沖裝置。速比不宜過大或過小，以免產生過大的背壓或導致活塞桿太細，穩(wěn)定性不好。值可根據公稱壓力表值1.3選定表1.3公稱壓力與速比值公稱壓力（Mpa）1012.5~2020速比1.331.4625、推力和拉力液壓油作用在活塞上的液壓力，對于雙作用單活塞桿液壓缸來說，活塞桿伸出時的推力為F：F=A1P106活塞桿縮回時的拉力為F：F=Ax10=（D-d）Px10式中：P—工作壓力（Mpa）D—缸筒內徑（m）d—活塞桿直徑（m）6、行程液壓缸的活塞行程S，在初步設計時，重要是按實際工作需要長度來考慮。但是，實際需要的工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程，為了計算行程，應一方面計算出活塞桿的最大允許計算長度。L=1.01dx10(cm)式中：d—活塞桿直徑（cm）P—活塞桿縱向壓縮負載（N）n—末端條件系數，可查表求出，依題可知n=1/4n—安全系數，n6根據液壓缸的各種安裝形式和歐拉公式所擬定的活塞桿計算長度及導出行程計算式。一般情況下，液壓缸看縱向壓縮負載是知道的，有上式即可大約求出液壓缸的最大允許行程。設計液壓缸的行程為300mm。4.1.3、液壓缸的基本參數1、液壓缸內徑及活塞桿外徑尺寸系列液壓缸內徑系列（GB/T2348-1993）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220（250）（280）320（360）400450500括號內為優(yōu)先選取尺寸活塞桿外徑尺寸系列（GB/T2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360活塞桿連接螺紋型式按細牙，規(guī)格和長度查有關資料。液壓缸的行程系列（GB2349－1980）第一系列2550801001251602002503204005006308001000125016002023250032004000第二系列406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600在設計計算后按1.1.1、1.1.2、1.2.1、1.2.2選用缸徑、桿徑和行程，并驗算與規(guī)定控制在±5%內4.1.4、液壓缸主油缸的設計計算1、缸體內徑D的計算設計過程中，根據已經給出的工作壓力、公稱壓力計算缸體的內徑，對于雙作用單活塞桿液壓缸的計算如下：F=PA=P式中：F液壓缸的公稱壓力；P液壓缸的工作壓力；所以：D===0.206mm根據（GB/T2348—1993）圓整后取D=220mm實際公稱力F=30x10x=949850N1140KN驗算：所以合理，即D=220mm2、缸體壁厚的計算按厚壁筒計算，因我們本次設計缸體的材料為QT500-7球墨鑄鐵，是脆性材料，則考慮用第一和第二強度理論計算，又因第二強度理論比第一強度理論更節(jié)省材料，故選用第二強度理論來計算：P為實驗壓力：當缸的額定壓力P16Mpa時，P=1.5P當缸的額定壓力P>16Mpa時，P=1.25P所以：=1.2530=37.5Mpa=（-1）=(-1)=0.049m根據國標GB8713—1988，圓整后取=50mm3、缸體外徑D1的計算D1=D+2δ式中：D—缸體內徑（參見4.4.1重型機械表）所以：D1=D+2δ=220+250=320mm根據重型機械表4.41，取D1=320mm合理。4、缸體壁厚的驗算因我們本次設計缸體的材料為QT500-7球墨鑄鐵,是脆性材料，采用第二強度理論驗算（以能量為依據）即：==71.99MPaD=D=0.22=0.317m=71.99Mpa<90MPa所以液壓缸的壁厚是符合規(guī)定的。5、支承臺肩處強度計算1）支承臺肩接觸面擠壓應力式中：P=1000KND3=360mmD1=320mmS=2mm（倒角尺寸）—許用擠壓應力，=90Mpa則：==58.54MPa90MPa2）支承臺肩斷面，從圖可見，臺肩處斷面上的合成應力為彎曲應力與拉伸壓力之和。即：==90MPa式中：D3=360mmD2=260mmMa=T其中：T===1224889.759(N/m)h=160mm=(D1-D2)=30mm==0.25(材料泊松比系數)鋼：鑄鐵：得：=20.58故Ma=1224889.759xMa=254831N4.1.5、缸體的材料和技術規(guī)定1)缸體材料選取QT500-7球墨鑄鐵，球墨鑄鐵的各種規(guī)定參數。2)缸體的技術規(guī)定、精度、表面粗糙度和形位公差規(guī)定a.缸筒的內徑可選用H8、H9或H10配合。內徑的表面粗糙度：活塞選用橡膠密封件密封，故取0.4~0.1，并進行研磨b．缸筒內徑的圓度和圓柱度可選8級或9級精度c．缸筒端面的垂直度可選7級精度其他技術規(guī)定a．缸筒內徑端部倒角，或倒R3以上的圓角，粗糙度不得過高，以免裝配時損傷密封件b．缸筒外露表面可涂耐油油漆。c.鑄件不得有砂眼、氣孔、夾渣及組織疏松等缺陷d.鑄件時效解決e.螺紋退刀槽圓角半徑R1f．在31.5MPa壓力下保壓10min不得有滲漏現象4.1.6、活塞桿徑的計算與校核1、活塞桿徑的計算1）用流量定回程速度V由回程速度V=q/A可計算出活塞桿直徑d：V回=q/A根據（GB/T2348—1993）選取d=200（mm）注：V—液壓泵的回程速度。q—液壓泵的額定排量。A—活塞與活塞桿的環(huán)形面積2、活塞桿直徑的校核設計中回程力為175KN,根據計算實際回程力校核。F=PA=P=25x10x=25x10x=166.9KN驗算：所以合理，即活塞桿直徑為200mm3、活塞桿的材料和技術規(guī)定活塞桿是液壓缸傳遞力的重要元件，它必須具有足夠的強度和缸度，以便能承受拉力、壓力、彎曲力、振動和沖擊等載荷的作用，同時還要注意到它多活塞有效工作面積的影響，保證液壓缸達成所規(guī)定的作用力和運動速度?；钊麠U應具有一定的耐磨性。它的端部要選擇適當的連接形式，并有較好的連接強度，此外還應具有較高的尺寸精度、幾何精度和表面光潔度?；钊麠U的桿體分為實心桿和空心桿，本次設計選用空心桿。1）.活塞桿的材料活塞桿通常選用棒料進行加工，此處選用球墨鑄鐵QT600-3。2）.活塞的技術規(guī)定A．粗加工調質HB229~285B．可高頻淬火HRC45~55C．外圓圓度公差按9、10、11級精度，圓柱度按8級，兩外圓跳動公差為0.01mm，端面垂直度公差按7級D．活塞桿表面需鍍硬鉻，鍍層厚度30~50，鍍后拋光E．工作表面粗糙度。F、時效解決G．不得有影響強度和表面的鑄造缺陷3）.活塞桿的密封和防塵（1）、活塞桿的密封A、在一定工作壓力和溫度下具有良好的密封效果，泄漏小B、摩擦系數小，摩擦力均勻，不會引起運動零件的爬行或卡死等現象C、耐磨性好，壽命長，在一定限度上能自動補償被密封件的磨損和幾何精度的誤差D、不損壞被密封件表面E、耐油性、抗腐蝕性好，不易老化F、成本低廉，制造容易，使用方便，維護簡樸G、采用標準化結構和尺寸H、適應液壓缸工作條件的特殊規(guī)定所以，其密封裝置移動部分選用型聚氨酯密封圈密封；靜止部分選用“O”型橡膠密封圈密封。4）活塞桿的防塵裝置液壓缸工作時常有灰塵、沙粒、鐵屑等污物落在活塞桿上。若將污物帶進液壓缸，不僅會加劇零件的磨損、產生劃痕，并且會影響液壓系統(tǒng)的正常工作，因此需要安裝防塵裝置。因防塵圈能刮掉落在活塞桿上的污物，則按（QZB336—77）選用“防塵圈115聚氨酯Ⅱ—3”型的密封圈。4.1.7、快速液壓缸柱塞直徑的計算根據由快進速度V=q/A可計算出活塞桿直徑d柱：根據(GB/T2348—1993)取d柱=63（mm）注：V快—快進（空載下行）速度。1、實際工作壓力的計算已知：D1—液壓缸外徑，D1=320（mm）D—液壓缸內徑，D=220(mm)d—活塞桿直徑，d=200（mm）主壓力：p=0.785D2P回程壓力：式中p—液體的工作壓力p=25Mpa主壓力：p=0.7850.22225106=949.85（KN）檢查：等于公稱力的5%，合格。回程壓力：檢查：未超過額定回程力的5%，合格。4.1.8、缸蓋的設計計算缸蓋裝在液壓缸兩端，與缸筒構成緊密的油腔。缸蓋、缸底和它們的連接部分都有足夠的強度。1、缸蓋的結構缸底與缸筒的連接形式：焊接連接形式缸頭與缸體的連接形式：焊接連接形式（二）、缸底厚度的計算1、缸筒底部厚度計算缸筒底部為平底面且為有孔底時，其厚度h可以按照下面公式進行計算：式中：h—缸筒底部厚度，（mm）—油口直徑，（mm）D—液壓缸內徑，（mm）—缸筒底部材料的許用應力，（90Mpa）P—實驗壓力，（Mpa）P=31.25（Mpa）查機械零件設計手冊可知：=20mm，計算如下：（三）、缸蓋的材料和技術規(guī)定本次所設計的液壓缸選用材料為球墨鑄鐵QT500-7,它屬于塑性材料,具有良好的焊接性能,缸筒與缸頭為焊接連接。1.缸蓋材料缸頭：此處缸蓋又是導向套，故選用鑄鐵，QT500—7缸底：缸筒與缸底為螺栓連接，故選用QT500-72.缸蓋的技術規(guī)定A、活塞桿的直徑（缸內徑）等各種回轉面（不含密封圈）的圓柱度按9級、10級或11級精度B、缸筒內外經的同軸度公差為0.03mmC、與液壓缸的配合端面垂直度按7級精度D、導向面的表面粗糙度為E、鑄件時效解決F、棱角倒頓4.1.9、液壓缸油口的直徑計算由活塞的最高運動速度QUOTE和油口最高流速QUOTE而定。式中：—油口流速（m/min）V—活塞輸出速度（m/min）—液壓缸油口直徑（m）D—液壓缸內徑（m）根據國家標準柱塞缸油口取直徑為30mm根據國家標準活塞桿油口取直徑為45mm4.1.10、導向套的設計計算導向套對活塞桿起導向和支承的作用，它規(guī)定配合精度高，摩擦阻力小，耐磨性好，能承受活塞桿的壓力、彎曲力以及沖擊振動。1、導向套的結構選用易拆導向套，由于這種導向套采用螺釘或螺紋固定在缸蓋上，當導向套和密封圈磨損而需要更換時，不必拆卸端蓋和活塞桿就能進行。維修方便，并且合用于工作條件惡劣，需經常更換導向套和密封圈而又不允許拆卸液壓缸的情況。2、最小導向長度的擬定當活塞桿所有伸出時，從活塞支撐面的中點到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度（H），它應滿足下式規(guī)定：式中：L—最大工作行程cm；L=50cmD—液壓缸內徑cm；D=22cm導向套滑動面的長度A兩種擬定形式：當缸徑小于80時取：A=（0.6∽1.0）D當缸徑大于80時?。篈=（0.6∽1.0）d式中：d活塞桿直徑(cm)d=20cmD液壓缸內徑(cm)D=22cm活塞寬度B取:B=（0.6∽1.0）D=19.5cm由于液壓缸的缸徑為220mm>80mm,則取A=0.6X20=12cm根據實際情況考慮:A=985cmB=19.5cm3、導向套的材料及技術規(guī)定1.導向套的材料導向套一般采用摩擦系數小、耐磨性好的青銅材料制作，也可以選用鑄鐵、球鐵。2.導向套的技術規(guī)