液压缸毕业设计

摘要

将液压缸提供的液压能重新转换成机械能的装置称为执行元件。执行元件是直接做功者，从能量转换的观点看，它与液压泵的作用是相反的。根据能量转换的形式，执行元件可分为两类三种：液压马达、液压缸、和摆动液压马达，后者也可称摆动液压缸。液压马达是作连续旋转运动并输出转矩的液压执行元件；而液压缸是作往复直线运动并输出力的液压执行元件。而此说明书是针对液压缸的工作环境和工作要求来确定液压缸的工作压力和承载能力，来确定其缸筒内径、壁厚和活塞杆的直径。再根据液压缸的零部件的工作要求确定零件的工艺，根据零件的精度要求确定零件的加工方法，并生成工艺卡片，完成零件的加工。

关键字：液压缸、机械能、转矩、执行元件

Abstract

Hydraulic cylinder will be able to provide the hydraulic-mechanical energy conversion device called actuators. Work is a direct implementation of components, from the point of view of energy conversion; it is the role of the hydraulic pump opposite. According to energy conversion in the form of implementation of the three components can be divided into two categories: hydraulic motors, hydraulic cylinders, hydraulic motors and swing, which may also be said swing hydraulic cylinder. Hydraulic motor is the continuous torque and rotational movement of the hydraulic actuators, and hydraulic cylinder is a reciprocating linear motion and the output of the hydraulic components. And this statement is the hydraulic cylinders for the working environment and job requirements of hydraulic cylinders to determine the pressure and work load, to determine the cylinder diameter, thickness and diameter of the rod. According to the hydraulic cylinder parts of the job requirements identified parts of the process, according to parts of the accuracy of determining parts processing methods, and generate process card, complete the processing parts. Keyword: hydraulic cylinder, mechanical energy, torque, the implementation of components

目录

摘要................................................................................................I 第1章绪论 (1)

第2章液压传动系统的执行元件——液压缸 (2)

2.1 液压缸的类型及结构形式 (2)

2.2 液压缸的组成 (4)

第3章液压缸的设计 (10)

3.1 简介 (10)

3.2 液压缸的设计 (10)

3.2.1 缸筒的设计 (12)

3.2.2 活塞杆的设计 (14)

结论 (18)

参考文献 (19)

致谢 (20)

第1章绪论

液压传动是研究以有压流体（液体）为传动介质来实现各种机械的传动控制的学科。液压传动是根据流体力学的基本原理，利用流体的压力能进行能量的传递和控制各种机械零部件运动。

目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技术装备上，例如机械制造、工程、建筑、矿山、冶金、船舶等机械，上至航空、航天工业，下至地矿、海洋开发工程，几乎无处不见液压技术的踪迹。液压技术的应用领域大致上可以归纳为以下几个主要方面：

（1）各种举升、搬运作业。尤其在行走机械和较大驱动功率的场合，液压传动已经成为一种主要方式。如起重机、起锚机等。

（2）各种需要作用力大的推、挤、挖掘等作业装置。例如，各种液压机、塑料注射成型机等。

（3）高响应、高精度的控制。飞机和导弹的姿态控制等装置。

（4）多种工作程序组合的自动操作与控制。如组合机床、机械加工自动线。

（5）特殊工作场合。例如地下水下、防爆等。

在本次设计过程中，得到了无锡职业技术学院机械分院李坤老师的悉心指导和大力支持。在此，对她表示衷心的感谢！

由于资料缺乏，时间仓促，加上设计者本人水平有限，毕业论文中不足之处在所难免，敬请批评指正。

第2章液压传动系统的执行元件

——液压缸

2.1 液压缸的类型及结构形式

液压缸有多种类型。按作用方式可分为单作用式和双作用式两种；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、组合式和摆动式四大类。

其中，单作用液压缸分为：单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。组合液压缸包括：弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。摆动液压缸又分为：单叶片式和双叶片式两种。下面以一种典型液压缸为例，说明液压缸的基本组成。

图2-1 空心活塞式液压缸结构

1、15-活塞杆 2-堵头 3-托架 4、7、17-密封圈 5-排气孔 6-导向套 8-活塞 9-锥销

10-缸筒 11-压板 12-钢丝环 13、23-纸垫 14-排气孔 16、25-压盖

18、24-缸盖 19-导向套 20-压板 21-钢丝环 22-锥销

空心活塞式液压缸如上图2-1所示。它由缸筒10，活塞8，活塞杆1、15，缸盖18、24，密封圈4、7、17，导向套6、19，压板11、20等主要零件组成。这种液压缸活塞杆固定，缸筒带动工作台作往复运动。活塞用锥销9、22与空心活塞杆连接，并用堵头2堵死活塞杆的一头。缸筒两端外圆上套有钢丝环12、21，用于阻止压板11、20向外移动，从而通过螺栓将缸盖18、24与压板相连（图中没有画出），并把缸盖压紧在缸筒的两端。为了减少泄漏，在液压缸中可能发生泄漏的结合面安放了密封圈和纸垫。空心活塞杆和其上的油口a、c提供了液压缸的进、出油口。当缸筒移动到左、右终端时，油口a、c的开度逐渐减小，

造成回油阻力逐渐增大，对运动部件起到制动缓冲作用。在缸盖上设有与排气阀（图中没有画出）相连的排气孔5、14，可以排出液压缸中的空气，使运动更加平稳。

表2-1液压缸的类型和特点

论转矩

2.2 液压缸的组成

从以上液压缸的结构形式上可知：液压缸可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五大部分。 (1)缸体组件

缸筒组件有缸筒和缸盖组成。缸筒和缸盖的连接形式与其工作压力有关。当工作压力p<10MPa 时,缸筒使用铸铁；工作压力p<20MPa 时，缸筒使用无缝钢管；工作压力p>20MPa 时，使用铸钢或锻钢。以下是几种常见的缸筒与缸盖的联接形式：

图2-2(a)所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺

寸和重量都较大，

常用于铸铁制的缸筒上。图2-2(b)所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图

2-2(c)所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图2-2(d)所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图2-2(e)所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。

由此可见，缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。

为了能够最大限度的满足用户对产品性能的需求和产品设计的经济合理以及保证工人人身和设备安全，改善操作者工作环境，洛阳强力液压股份有限公司所生产的液压缸缸筒毛坯件选择由专业厂方提供内圆已经过衍磨和外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，能满足以下要求：

a、缸筒内径的圆度和圆柱度可选取8级。

b、缸筒端面的垂直度选取7级精度。

c、缸筒端部用螺纹连接时，螺纹应选取6级精度的细牙螺纹。

(2)活塞组件

活塞组件有活塞、活塞杆和连接件等组成，活塞与活塞杆连接形式决定于工作压力、安装形式、工作条件等。

由于活塞在缸筒内作往复运动，必须选用优质材料。对于整体式活塞，一般采用３５号钢或４５号钢；装配式的活塞采用灰口铸铁、耐磨铸铁或铝合金等材料，有特殊要求时可在钢活塞坯外面装上青铜、黄铜和尼龙等耐磨套，以延长活塞的使用寿命。活塞杆无论是空心的还是实心的其材料常采用３５号钢或４５号钢等材料，当冲击振动很大时，也可采用５５号钢或４０Cr钢。图2-3所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式：

图2-3 (a)所示为活塞与活塞杆之间采用螺母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图图2-3 (b)和(c)所示为卡环式连接方式。图2-3 (b)中活塞杆5上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。图2-3 (c)中的活塞杆，使用了两个半圆环4，它们分别由两个密封圈座2套住，半圆形的活塞3安放在密封圈座的中间。图2-3 (d)所示是一种径向销式连接结构，用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。

图2-3 常见的活塞组件结构形式

(3)密封装置

密封装置主要用来防止液压油的泄漏。液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力和速度，故密封装置的优劣，将直接影响液压缸的工作性能。根据两个需要密封的偶合面间有无相对运动，可把密封圈分为动密封和静密封两类。设计或选用密封装置的基本要求是：具有良好的密封性能，并随着压力的增加能自动提高其密封性能，摩擦阻力小，密封件耐油性，抗腐蚀性好，使用寿命长，使用的温度范围广，制造简单，装拆方便等。通常液压缸的密封有间隙密封、活

塞环密封、Ｏ型密封圈、Y型密封圈、V型密封圈等密封方式来防止漏油。

(a)间隙密封(b)摩擦环密封(c)○形圈密封(d)V形圈密封

液压缸中常见的密封装置如上图2-4所示。图2-4 (a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-4 (b)所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环(尼龙或其他高分子材料制成)在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图2-4 (c)、图2-4 (d)所示为

密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。

对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。

(4)缓冲装置

当运动部件拖动质量较大的部件作往复运动时、运动速度较高时(v>12m/min)。运动部件惯性力较大，活塞运动到终端会与缸盖发生机械碰撞，产生冲击、噪声，严重时影响加工精度，甚至引起破坏性事故。因此，在液压缸内两端部应设置缓冲装置。

一般缓冲装置由缓冲柱塞、缓冲油腔、三角节流槽、单向阀、节流阀组成。组合的缓冲形有圆柱形环隙式、圆锥形环隙式、节流口可变式节流口可调式。

缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。

如下图2-5(a)所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。当缓冲柱塞进入配合孔之后，油腔中的油只能经节流阀1排出，如图2-5 (b)所示。由于节流阀1是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图2-5 (c)所示，在

缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。

图2-5 液压缸的缓冲装置

1—节流阀

(5)排气装置

液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将油口

布置在缸茼两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，在从油面逸出；对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，常在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置放气孔或专门的放气阀。

第3章液压缸的设计

3.1 简介

液压缸是液压系统中活塞杆作往复运动的工作机构。其结构形式均为单活塞杆双作用耳环安装式。主要用于工程机械、运输机械、矿山机械及车辆等的液压传动。液压缸结构如下图3-1:

图3-1液压缸结构

3.2液压缸的设计

液压缸的设计计算：由于液压执行元件与主机结构有着直接关系，因此所需要的液压缸和在结构上千变万化。尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要自行设计。下面介绍液压缸的设计计算。

(一)主要尺寸的计算

液压缸的主要尺寸包括缸筒内径D、活塞杆直径d和缸筒长度L。

根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表3-1初步选取。缸筒长度的确定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。通常情况L≤(20~30)d。计算结果要圆整成国家标准中的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。

表3-1 液压缸工作压力与活塞杆直径

（二）强度校核

强度校核的项目包括缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径d

s

。

在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统中需按下列情况进行校核。

1.缸筒壁厚的校核

当D/δ>10时为薄壁，δ按下式校核:

δ 3-1

式中，D-缸筒内径；

[σ]—缸筒材料的许用应力，[σ]=σ

b /n，σ

b

是材料的抗拉强度，一般取

安全系数n=5；

p y —试验压力，当缸的额定压力p

n

≤16Mpa时，p

y

=1.5p

n ；p

n

>16Mpa时，p

y

=1.25p

n

。

当D/δ<10时为厚壁，δ按下式校核:

3-2 2.活塞杆直径d

3-3

式中，F—活塞杆上的作用力；

[σ]—活塞杆材料的许用应力，[σ]= σ

b

/1.4。

3. 缸盖固定螺栓直径d

s

3-4

式中，F—活塞杆上的作用力；

k—螺纹拧紧系数，k=1.12~1.5；

z—固定螺栓个数；

[σ]—螺栓材料的许用应力，[σ]= σ

s

/（1.22~2.5），

σs为材料的屈服点。[σ]—活塞杆材料的许用应力，[σ]= σb/1.4。（三）活塞杆稳定性校核

当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题，即压缩力F超过某一临界

F

k

值时活塞杆就会失去稳定性。活塞杆稳定性按下式进行校核

3-5

式中，n

k —安全系数，一般取n

k

=2~4。

当活塞杆的细长比时，

3-6

当活塞杆的细长比，且时，

式中，l—安装长度；

r

k

—活塞杆截面最小回转半径，；

ψ

1

—柔性系数；

ψ

2

—由液压缸支承方式决定的末端系数；

E—活塞杆材料的弹性模量，钢材：；

J—活塞杆横截面惯性矩；

A—活塞杆横截面积；

f—由材料强度决定的试验值；

α—系数。

3.２.1 缸筒的设计

（1）缸筒材料的选择

根据其液压缸的工作环境初步确定其最大推力和拉力为16MPa，即：工作压力p<20MPa；因此其材料必须要有一定的强度和硬度，所以缸筒材料可选用无缝钢管；在选购缸筒原材料时,一般都是直接从钢材厂订购经过冷拔后的20号钢的缸筒毛坯件。即：内圆已经过衍磨、外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，因此缸筒只须割槽加工。因为缸筒外圆无精度要求，因此缸筒外圆无须精加工。而缸筒内壁需要和活塞相配合以保证液压缸的工作性能，所以缸筒内壁精度要求很高。其工序卡片如表3-2

表3-2缸筒的加工工序卡片

（2）确定缸筒的总体尺寸

a.缸筒内径的大小及厚度，液压缸缸筒的内径为90mm，外径为108mm。即：厚度为14mm。

b.缸筒的总长度的确立，缸筒总长度L由活塞杆两端活塞宽度、导向筒的宽度以及在满足本液压缸的行程后来确定。在整个液压缸的设计中，缸筒的长度属于不确定因素。在此，先不予考虑。

3.２.2 活塞杆的设计

下面是整体式活塞杆的几种联接结构如下图3-2：

、

耳环连接

端

部铰轴连

中

部铰轴连

端

部法兰连

5、中部

法兰连接

6、底部

法兰连接

图3-2整体式活塞杆的几种联接结构

（1）活塞杆材料的选择及加工工艺

本次设计的整体式活塞杆的材料为45#钢拼焊而成,杆径大小为45mm。其结构形式如下图：

图3-3整体式活塞杆结构形式

根据液压缸的承载能力可以确定其活塞杆的直径为45mm，因为活塞杆在工作过程中和导向套之间作相对运动，其表面粗糙度很高，达到0.4，因此在精加工后还要做抛光处理。其工序表如表3-3所示

表3-3活塞杆的加工工序卡

总结

经过两个多月的学习和努力，我终于完成了本次毕业设计任务。在此期间我查找各方面的书籍并上网搜索资料，锻炼了自己和独立解决问题的能力。

在整个毕业设计过程中，使我对AUTOCAD、Word等办公软件有更深的了解，学会如何应用及合理的规划布局。从中，学到不少有关机械方面的知识，同时对机械设计和液压传动得到更进一步的了解，这是第一次如此重视的液压缸设计，在这次设计即将结束时自己才发现所有的有价值的资料都来源于图书馆和累积下来的手稿。来自网络的知识都是粗糙的，可直接利用的却不够详尽不够本原，是自己对这次毕业设计的最大体会。

但鉴于本人学历不精，认识不足，在本次设计中存在一定地失误和欠缺，希望老师给予批评和帮助，使本次设计更加完美，让我在大学三年所学到的知识综合运用起来，会对我以后工作有很大的帮助。在今后的学习和工作中更努力，认真负责，妥善地完成本职工作。

毕业设计已经完成，但我的课题研究仍没结束，希望在将来的学习与研究中为我国工业设计的理学与美学的融合做出自己的贡献。

参考文献

1、《重型机械标准》编写委员会编. 重型机械标准第四卷 .北京：中国标准出版社，1995

2、雷天觉主编 . 新编液压工程手册 .第二册 .北京：北京理工大学出版社，1998

3、强盛液压制造有限公司产品设计部编 .郑州：强盛液压制造有限公司产品样本

4、广州市世达密封实业有限公司编 . 世达密封系统产品样本

5、吴锐主编 . 液压与气压传动.开封：河南大学出版社，2002

6、丁树模，周骥平主编. 液压传动.第二版机械工业出版社，1999

7、李芝主编. 液压传动.机械工业出版社， 2002