液壓傳動課程設計--φ160缸徑液壓缸的參數(shù)設計及校核

1、<p><b>　　《液 壓 傳 動》</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　2012年 6 月 17 日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　1、課程設計題目：φ160缸徑液壓缸的參數(shù)設計

2、及校核</p><p>　　2、課程設計應解決的主要問題：</p><p>　　（1）液壓缸缸徑的行程皆為1.5米，按布置的個人參考圖，個人完成2D圖，小組集體完成2D總裝圖。</p><p>　?。?）按照本組的載荷值160KN，用MATLAB編程實現(xiàn)差動缸的參數(shù)和壓桿穩(wěn)定性校核計算。</p><p>　?。?）設計液壓缸快進、供進、快退的

3、工序，完成液壓泵、液壓閥的選型，繪制液壓系統(tǒng)圖。</p><p>　?。?）使用ANSYS軟件對缸體進行三維造型，分析徑向、軸向的變形量和應力情況。</p><p>　　3、課程設計相關附件（如圖紙、軟件等）：</p><p>　　（1）圖紙： 端部法蘭式液壓缸二維總裝圖及三維總裝圖各一張，中間耳軸式液壓缸三維總裝圖及二維總裝圖各一張，中間耳軸式缸體三維圖及二維圖各

4、一張 </p><p>　?。?）軟件：AutoCAD Pro-E MATLAB ANSYS</p><p>　　4、任務發(fā)出日期：2012-6-10 完成日期：2012-6-17</p><p>　　指導教師簽字： 系主任簽字:</p><p><b>　　課程設計的任務<

5、;/b></p><p>　　1 每種液壓缸缸徑的行程皆為1.5米，缸體內(nèi)徑為160mm的液壓缸的設計，在AutoCAD下，按布置的個人參考圖，完成在國標圖幅下的2D圖，小組集體完成在國標圖幅下的2D總裝圖。</p><p>　　2 按布置的個人參考圖，用三維造型軟件繪制參考圖的3D圖，渲染后，放入個人論文文檔，每個小組集體完成3D組裝的效果圖，論文文檔。</p>

6、<p>　　3 載荷值為各個設計小組的缸徑值（KN），額定壓力為21MPa,背壓為0.8MPa,一端固定一端鉸接，用MATLAB編程實現(xiàn)差動缸的參數(shù)和壓桿穩(wěn)定性校核計算。</p><p>　　4 設計液壓缸快進、供進、快退的工序，完成液壓泵、液壓閥的選型，繪制液壓系統(tǒng)圖。</p><p>　　5 使用ANSYS軟件對缸體進行三維造型，分析徑向、軸向的變形量和應力情況，把分析

7、結(jié)果導入文檔。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　將液壓缸提供的液壓能重新轉(zhuǎn)換成機械能的裝置稱為執(zhí)行元件。執(zhí)行元件是</p><p>　　直接做功者，從能量轉(zhuǎn)換的觀點看，它與液壓泵的作用是相反的。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換</p><p>　　的形式，執(zhí)行元件可分為兩類三種：液壓馬達、液壓缸、和擺動液

8、壓馬達，后者</p><p>　　也可稱擺動液壓缸。液壓馬達是作連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動并輸出轉(zhuǎn)矩的液壓執(zhí)行元件，而</p><p>　　液壓缸是作往復直線運動并輸出力的液壓執(zhí)行元件。而此說明書是針對液壓缸的</p><p>　　工作環(huán)境和工作要求來確定液壓缸的工作壓力和承載能力，來確定其缸筒內(nèi)徑、</p><p>　　壁厚和活塞桿的直徑。再根據(jù)液壓缸的

9、零部件的工作要求確定零件的工藝，根據(jù)</p><p>　　零件的精度要求確定零件的加工方法，并生成工藝卡片，完成零件的加工。</p><p>　　關鍵詞：液壓缸，液壓馬達，擺動液壓馬達，機械能，轉(zhuǎn)矩，執(zhí)行元件 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Hydraulic cylinder

10、 will be able to provide the hydraulic-mechanical energy </p><p>　　conversion device called actuators. Work is a direct implementation of components, </p><p>　　from the point of view of energy c

11、onversion; it is the role of the hydraulic pump </p><p>　　opposite. According to energy conversion in the form of implementation of the three </p><p>　　components can be divided into two categor

12、ies: hydraulic motors, hydraulic cylinders, </p><p>　　hydraulic motors and swing, which may also be said swing hydraulic cylinder. </p><p>　　Hydraulic motor is the continuous torque and rotation

13、al movement of the hydraulic </p><p>　　actuators, and hydraulic cylinder is a reciprocating linear motion and the output of the </p><p>　　hydraulic components. And this statement is the hydrauli

14、c cylinders for the working </p><p>　　environment and job requirements of hydraulic cylinders to determine the pressure </p><p>　　and work load, to determine the cylinder diameter, thickness and

15、 diameter of the rod. </p><p>　　According to the hydraulic cylinder parts of the job requirements identified parts of </p><p>　　the process, according to parts of the accuracy of determining par

16、ts processing </p><p>　　methods, and generate process card, complete the processing parts. </p><p>　　Keyword: hydraulic cylinder, mechanical energy, torque, the implementation of </p><

17、;p>　　components </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒 論8</b></p><p>　　1.1 課程設計的研究背景8</p><p>　　1.2 課程設計的目的8</p><p>　　1.3 本文的設計工作

18、9</p><p>　　2液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件——液壓缸10</p><p><b>　　2.1引言10</b></p><p>　　2.2 液壓缸結(jié)構總裝配圖10</p><p>　　2.2.1 中間耳軸式液壓缸三維圖紙10</p><p>　　2.2.2中間耳軸式液壓缸二維圖紙

19、11</p><p>　　2.2.3端部法蘭式液壓缸三維圖紙11</p><p>　　2.1.4端部法蘭式液壓缸二維圖紙12</p><p>　　2.3 中間耳軸式缸體12</p><p>　　2.3.1中間耳軸式缸體三維圖12</p><p>　　2.3.2中間耳軸式缸體二維圖13</p>

20、<p>　　3 液壓缸設計計算與驗算13</p><p><b>　　3.1引言13</b></p><p>　　3.2主要尺寸參數(shù)13</p><p>　　3.3 液壓缸設計計算強度校核14</p><p>　　3.3.1 公式計算法進行校核14</p><p>　　3.3

21、.2 應用MATLAB軟件校核計算14</p><p>　　4工作壓力作用下缸筒應力與變形分析16</p><p>　　4.1缸筒軸向變形量有限元分析16</p><p>　　4.2缸筒徑向變形量有限元分析18</p><p>　　5液壓系統(tǒng)設計20</p><p><b>　　5.1引言20&l

22、t;/b></p><p>　　5.2液壓缸快進、工進、快退系統(tǒng)20</p><p>　　5.2.1液壓缸快進、工進、快退系統(tǒng)圖20</p><p>　　5.2.2液壓缸系統(tǒng)動作循環(huán)21</p><p><b>　　致謝22</b></p><p><b>　　參考文獻2

23、3</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 課程設計的研究背景</p><p>　　液壓傳動是研究以有壓流體（液體）為傳動介質(zhì)來實現(xiàn)各種機械的傳動控制</p><p>　　的學科。液壓傳動是根據(jù)流體力學的基本原理，利用流體的壓力能進行能量的傳</p>

24、<p>　　遞和控制各種機械零部件運動。 </p><p>　　目前，液壓技術已廣泛應用于各個工業(yè)領域的技術裝備上，例如機械制造、</p><p>　　工程、建筑、礦山、冶金、船舶等機械，上至航空、航天工業(yè)下至地礦、海洋</p><p>　　開發(fā)工程，幾乎無處不見液壓技術的蹤跡。液壓技術的應用領域大致上可以歸納</p><p>　

25、　為以下幾個主要方面： </p><p>　?。?）各種舉升、搬運作業(yè)。尤其在行走機械和較大驅(qū)動功率的場合，液壓</p><p>　　傳動已經(jīng)成為一種主要方式。如起重機、起錨機等。 </p><p>　?。?）各種需要作用力大的推、擠、挖掘等作業(yè)裝置。例如各種液壓機、</p><p>　　塑料注射成型機等。 </p><

26、;p>　?。?）高響應、高精度的控制。飛機和導彈的姿態(tài)控制等裝置。 </p><p>　?。?）多種工作程序組合的自動操作與控制。如組合機床、機械加工自動線。 </p><p>　?。?）特殊工作場合。例如地下水下、防爆等。 </p><p>　　1.2 課程設計的目的</p><p>　　課程設計是學生理論聯(lián)系實際的重要實踐教學環(huán)節(jié)，

27、是對學生進行的一次綜合性專業(yè)設計訓練。通過課程設計使學生獲得以下幾方面能力，為畢業(yè)設計〈論文〉打基礎。</p><p>　　進一步鞏固和加深學生所學專業(yè)基礎課-液壓與氣壓傳動理論知識，培養(yǎng)</p><p>　　學生設計、計算、繪圖、計算機應用、文獻查閱、報告撰寫等基本技能；</p><p>　　培養(yǎng)學生實踐動手能力,使學生得到獨立分析和解決實際問題的初步訓練；<

28、;/p><p>　　培養(yǎng)學生正確的設計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。</p><p>　　1.3 本文的設計工作</p><p>　　與液壓泵和液壓馬達相比，液壓缸的設計相對簡單，但并不是輕而易舉的，而是一件細致的工作。如果白手起家設計一臺液壓缸，那也是相當耗時和費力的。尤其對第一次從事液壓元件設計的新手來說，最大的困難

29、不是理論計算，而是零件圖的細節(jié)設計；結(jié)構形狀的構思，配合精度等級的選擇，形位公差的確定，工藝要求和技術要求等。</p><p>　　對于常見常用的單活塞桿液壓缸來說，液壓缸的結(jié)構設計參數(shù)有：液壓缸的內(nèi)徑D（活塞的外徑），缸筒外徑D1，缸體長度L1，行程S，油口直徑d’及接口法蘭尺寸，活塞桿直徑d，活塞寬度B，活塞桿長度L，活塞頭部與尾部的機構及尺寸。這些結(jié)構形式，尺寸參數(shù)的選擇或確定的依據(jù)是液壓缸的負載力F和運動

30、速度u.</p><p>　　本次設計采用已有的液壓零件參考圖紙，應用AutoCAD，Pro-E軟件做出2D圖,3D圖，并進行組裝和渲染，再應用MATLAB,ANSYS軟件根據(jù)所要求的載荷進行校核計算和有限元分析，大大減小了設計難度。</p><p>　　2液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件——液壓缸 </p><p><b>　　2.1引言</b><

31、;/p><p>　　液壓缸組成：底座、缸體、活塞桿及桿頭。</p><p>　　底座采用帶耳環(huán)鉸支安裝的底座，缸體采用中間耳軸式缸體和法蘭式端部缸體（缸筒內(nèi)徑160mm外徑194mm行程1.5m），活塞桿由桿接頭、桿體及桿尾組成，桿頭采用帶內(nèi)螺紋的鉸接桿頭。液壓缸底座與缸體采用焊接方法連接，活塞桿桿接頭和桿尾與桿體也采用焊接方法連接。本文主要設計分析中間耳軸式缸體。</p>&l

32、t;p>　　2.2 液壓缸結(jié)構總裝配圖</p><p>　　2.2.1 中間耳軸式液壓缸三維圖紙</p><p>　　圖1 中間耳軸式液壓缸三維圖</p><p>　　2.2.2中間耳軸式液壓缸二維圖紙</p><p>　　圖2中間耳軸式液壓缸二維圖</p><p>　　2.2.3端部法蘭式液壓缸三維圖紙&l

33、t;/p><p>　　圖3端部法蘭式液壓缸三維圖</p><p>　　2.2.4端部法蘭式液壓缸二維圖紙 </p><p>　　圖4端部法蘭式液壓缸二維圖紙</p><p>　　2.3 中間耳軸式缸體</p><p>　　2.3.1中間耳軸式缸體三維圖紙</p><p>　　圖5中間耳軸式缸體三

34、維圖</p><p>　　2.3.2中間耳軸式缸體二維圖紙</p><p>　　圖6中間耳軸式缸體二維圖</p><p>　　3 液壓缸設計計算與驗算</p><p><b>　　3.1引言</b></p><p>　　由于液壓執(zhí)行元件與主機結(jié)構有著直接關系因此所需要的液壓缸和在結(jié)構上千變?nèi)f化。

35、盡管有一些標準件可供選用但有時還必須根據(jù)實際需要自行設計。</p><p><b>　　3.2主要尺寸參數(shù)</b></p><p>　　液壓缸的主要參數(shù)尺寸：缸筒內(nèi)徑D 160mm外徑D1 194mm、活塞桿直徑d 110mm、缸筒長度L 1693mm、行程S 1500mm、活塞桿所受推力F 160KN和工作壓力P 21MP。 </p><p&g

36、t;　　3.3 液壓缸設計計算強度校核</p><p>　　3.3.1 公式計算法進行校核</p><p>　　設計依據(jù)額定壓力P=25MPa</p><p>　　1）、活塞桿的設計計算</p><p>　　液壓缸推力F=160KN</p><p>　　活塞桿的材料： 采用45#調(diào)質(zhì) HB220~28</p>

37、;<p>　　活塞桿只計算推力時的強度</p><p>　　未調(diào)質(zhì)屈服極限強度： </p><p>　　調(diào)質(zhì)后屈服極限強度： </p><p>　　安全系數(shù)>5 符合設計要求</p><p>　　2）、活塞桿的舉升穩(wěn)定性計算</p><p><b>　　不滿足設計要求</b>

38、;</p><p>　　3.3.2 應用MATLAB軟件校核計算</p><p>　　工作壓力以校核 </p><p>　　1）、應用MATLAB軟件編程校核液壓缸的安全系數(shù)</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　clc</b>&

39、lt;/p><p><b>　　clear</b></p><p>　　b=17e-3;D=160e-3;pA=21*1.25e6;delta=1000e6;</p><p>　　bizhi=b/D;</p><p><b>　　pmax=pA;</b></p><p>　　if

40、 bizhi<=0.08, idelta=pmax*D/(2*b);</p><p><b>　　else</b></p><p>　　idelta=pmax*D/(2*b)+3*pmax/2;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　n=delta/idelta<

41、;/p><p><b>　　程序運行結(jié)果為</b></p><p>　　n = 6.1386</p><p>　　安全系數(shù)n=6.1386 >5,故設計是安全的。</p><p>　　2）、應用MATLAB軟件編程校核液壓缸是否能安全使用</p><p><b>　　程序如下：<

42、;/b></p><p><b>　　clc</b></p><p><b>　　clear</b></p><p>　　yl=1000e6;D=160e-3;D1=194e-3;pA=21*1.25;</p><p>　　pj=0.35*yl*(D1*D1-D*D)/(D*D)/1e6<

43、;/p><p>　　if pA<pj,disp('缸安全使用')</p><p><b>　　else</b></p><p>　　disp('缸不安全使用，請重新設計')</p><p><b>　　end</b></p><p><

44、b>　　程序運行結(jié)果為</b></p><p>　　pj = 164.5547</p><p><b>　　缸安全使用</b></p><p>　　3）、應用MATLAB軟件編程校核液壓缸是否滿足塑性變形要求</p><p><b>　　程序如下：</b></p>

45、<p><b>　　clc</b></p><p><b>　　clear</b></p><p>　　yl=1000e6;D=160e-3;D1=194e-3;pA=21*1.25e6;</p><p>　　prL=2.3*yl*log10(D1/D);</p><p>　　bizhi=

46、pA/prL</p><p>　　if bizhi>0.35 or bizhi<0.42,disp('該缸滿足塑性變形要求！')</p><p><b>　　else</b></p><p>　　disp('該缸不滿足塑性變形要求，重新設計！')</p><p><b&g

47、t;　　end</b></p><p><b>　　程序運行結(jié)果為</b></p><p>　　bizhi = 0.1364</p><p>　　該缸不滿足塑性變形要求，重新設計！</p><p>　　4）、應用MATLAB軟件編程計算液壓缸的徑向變形量</p><p><b&g

48、t;　　程序如下：</b></p><p><b>　　clc</b></p><p><b>　　clear</b></p><p>　　D=160e-3;D1=194e-3;pn=21*1.25e6;E=2.06e11;v=0.3;</p><p>　　pr=1.5*pn;</

49、p><p>　　disp('一級缸缸筒徑向變形量（mm）')</p><p>　　deltDd=pr*D*1000*((D1^2+D^2)/(D1^2-D^2)+v)/E</p><p><b>　　程序運行結(jié)果為</b></p><p>　　一級缸缸筒徑向變形量（mm） deltDd =0.1699<

50、;/p><p>　　5）、應用MATLAB軟件編程計算液壓缸的爆裂壓力</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　clc</b></p><p><b>　　clear</b></p><p>　　D=160e-3;D1=1

51、94e-3;pn=21*1.25e6;yl=1000e6;</p><p>　　pr=1.5*pn;</p><p>　　disp('--缸筒爆破力--')</p><p>　　pEd=2.3*yl*log10(D1/D)</p><p>　　if pEd>pr,disp('爆裂壓力滿足要求')</

52、p><p><b>　　else</b></p><p>　　disp('爆裂壓力不滿足要求，重新設計！')</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　程序運行結(jié)果為</b></p><p><b>　

53、　--缸筒爆破力--</b></p><p>　　pEd = 1.9247e+008</p><p><b>　　爆裂壓力滿足要求</b></p><p>　　4工作壓力作用下缸筒應力與變形分析</p><p>　　4.1缸筒軸向變形量有限元分析</p><p>　　為簡化將缸筒視為

54、空心圓柱體，在ANSYS環(huán)境建模，彈性模量設置為2.6e11，泊松比設置為0.3，參數(shù)設置如圖7所示。</p><p><b>　　圖7 參數(shù)設置</b></p><p>　　對模型進行網(wǎng)格劃分，對缸體一端面施加全約束，在缸體另一端面施加p=1.25*21e6（Pa）壓力載荷，求解得到變形量和應力情況結(jié)果如圖8所示。</p><p>　　圖8

55、 軸向變形量和應力狀況圖</p><p>　　由圖8可以得出：最大軸向變形量為：δmax = 0.198mm，最大應力是</p><p>　　27.1MPa 120MPa，滿足設計要求。 </p><p>　　4.2缸筒徑向變形量有限元分析</p><p>　　用4.1中相同的方式在ANSYS環(huán)境下建立模型，設置相同的參數(shù)，然后對模型進行

56、網(wǎng)格劃分，在缸體兩端面施加全約束，在缸體內(nèi)部壁面施加p=1.25*21e6（Pa）壓力載荷，求解得到變形量和應力情況結(jié)果如圖9所示。</p><p>　　圖9 徑向變形量和應力狀況圖</p><p>　　由圖9可以得出：最大徑向變形量為：δmax = 0.0449mm ，最大應力是30.4MPa ≤120MPa，滿足設計要求。 </p><p><b>

57、　　5液壓系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　5.1引言</b></p><p>　　在各種工作機械上，采用液壓系統(tǒng)的地方是很多的，本章主要介紹較典型的系統(tǒng)，借以說明液壓技術試圖和發(fā)揮無級調(diào)速，輸出力大，高速起動、制動和換向，易于實現(xiàn)自動化等種種優(yōu)點的。典型系統(tǒng)圖都用圖形符號繪制，其工作原理通過工作循環(huán)圖和系統(tǒng)的動作循環(huán)表，或用文字敘述其油液流動

58、路線來說明。</p><p>　　5.2液壓缸快進、工進、快退系統(tǒng)</p><p>　　5.2.1液壓缸快進、工進、快退系統(tǒng)圖</p><p><b>　　圖10 液壓系統(tǒng)圖</b></p><p>　　1-背壓閥;2-順序閥; 3、6、11-單向閥;4-供進調(diào)速閥;5-壓力繼電器;7-液壓缸; 8-行程閥; 9-先

59、導閥;10-換向閥;2-液壓泵 </p><p>　　5.2.2液壓缸系統(tǒng)動作循環(huán)</p><p>　　液壓缸系統(tǒng)動作循環(huán)過程：</p><p>　?。?）快速前進 電磁鐵1YA通電，換向閥10左位接入系統(tǒng)，順序閥2因為系統(tǒng)壓力不高仍處于關閉狀態(tài)。這時液壓缸7做差動連接，變量泵12輸出最大流量。</p><p>　?。?）工作進給 在滑臺

60、前進到預定位置，擋塊壓下行程閥8時開始。這時系統(tǒng)壓力升高，順序閥2打開；變量泵12自動減小其輸出流量，以便于調(diào)速閥4的開口相適應。</p><p>　　（3）停留狀態(tài) 在滑臺以工進速度行進到死擋塊不再前進開始，并使系統(tǒng)壓力進一步升高，壓力繼電器5景時間幾點起按預定停留時間發(fā)出信號后終止。</p><p>　?。?）快退狀態(tài) 在時間繼電器發(fā)出信號，電磁鐵1YA斷電，2YA通電開始這時系

61、統(tǒng)的壓力下降，變量泵12流量又自動增大。</p><p><b>　　液壓系統(tǒng)動作循環(huán)表</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在導師xx教授的精心指導和幫助下完成的，在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導師xx教授的指導與督促，同時感謝他的諒解與包容。沒有x老師的幫助也就沒有今天的這篇

62、論文。衷心感謝xx教授！</p><p>　　本文同時參考了大量的文獻資料，在此，向各學術界的前輩們致敬！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 宋志安等.機械結(jié)構有限元分析——ANSYS與ANSYS Workbench工程應用[M],北京：國防工業(yè)出版社，2010.6.</p><p&g

63、t;　　[2] 宋志安 徐瑞銀等.機械工程控制基礎——MATLAB工程應用[M],</p><p>　　北京：國防工業(yè)出版社.</p><p>　　[3] 王積偉 張宏甲等.液壓傳動，機械工業(yè)出版社.</p><p>　　[4] 程居山,曹連民.液壓支架雙伸縮煤機缸的結(jié)構型式和性能分析[J],煤礦機械，2001.11，34-37.</p><p&

64、gt;　　[5] 宋志安，李新平.12MN外加載液壓支架整架試驗技術[J]，礦業(yè)工程研究，2010.6，Vol25(2),56-59.</p><p>　　[6] 程居山，宋志安等.礦山機械液壓傳動[M]，北京：中國礦業(yè)大學出版社，2007.</p><p>　　[7] 宋志安等.MATLAB/Simulink 與機電控制系統(tǒng)仿真[M]（第2版）,</p><p>

65、　　北京：國防工業(yè)出版社，2011.6.</p><p>　　[8]《中國煤炭工業(yè)百科全書》編輯部.中國煤炭工業(yè)百科全書(機電卷)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1997.</p><p>　　[9]成大先.機械設計手冊—液壓控制[M].化學工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[10]王國法.高效綜合機械化采煤成套裝備技術[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,20

66、08.</p><p>　　[11]王虹,李炳文.綜合機械化掘進成套設備[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2008.</p><p>　　[12]王啟廣等.采掘機械與支護設備[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2006.</p><p>　　[13]王啟廣,黃嘉興.液壓傳動與采掘機械[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2005.</p><p>