液压千斤顶系统设计

毕业设计

题目液压千斤顶系统设计

系别机电系

专业机电一体化技术

班级机电0505 姓名

学号

指导教师

日期 2007年12月

设计任务书

设计题目：

液压千斤顶系统设计

设计要求：

1、分析研究液压千斤顶结构原理图；

2、设计一个液压千斤顶，绘制工作结构原理图；

3、写出毕业设计论文：论述方案、参数选择、计算过程等；

4、设计要求参数表：

设计进度要求：

第一周：确定题目；

第二周：资料调研，设计概况；

第三周：按要求参数选择、计算过程；

第四周：材料的整理和录入；

第五周：完成设计的摘要和前言；

第六周：完成全部设计；

第七周：交设计（论文），指导教师审核，修改设计（论文）；

第八周：答辩。

指导教师（签名）：

摘要

本文从液压千斤顶结构与工作原理的分析，按要求对参数进行选择，按参数进行设计、教核，四个方面，层层推进，步步为营，逐步阐述液压千斤顶设计的全过程。尤其在手柄，顶杆，液压缸，焊接夹具设计中，运用已掌握的液压结构原理知识、机械设计与制造理论及计算公式、机械加工工艺，确定了整个液压系统各个零件的几何尺寸，确保了液压千斤顶的质量和强度。

该液压千斤顶额定起重量为5 T，极限为6 T，当超过5.5 T时自动泄荷，保证千斤顶不会因为超负荷而损坏。该液压千斤顶系统简单，实用性强，成本低，使用维护方便，抗拉性能强，运行稳定可靠。手柄的灵活设计及低强度运行，更增加了千斤顶使用的普便性。

关键词：工作原理，几何尺寸，手柄设计，加工工艺，强度

目录

摘要 .................................................................... I 1液压技术. (1)

1.1液压技术的发展及应用 (1)

1.2千斤顶的分类及用途 (2)

2液压千斤顶工作原理分析 (4)

2.1液压千斤顶的作用 (5)

2.2液压千斤顶主要构件分析 (5)

3液压缸的设计 (6)

3.1 液压缸的主要形式及选材 (6)

3.2（液压缸主要参数的计算）液压缸的压力 (6)

3.3液压缸的输出力与输出力 (7)

3.4 液压缸的输出速度 (7)

3.5 液压缸的功率 (8)

3.6小液压缸的主要参数计算 (8)

4液压控制阀 (9)

4.1 方向控制阀 (9)

4.2普通单向阀 (9)

4.3背压阀 (9)

5拉压杆和弯曲杆的设计 (10)

5.1 弯曲杆(手柄)的设计 (10)

5.2求得支座反力 (10)

5.3梁的剪应力FS及弯矩M (10)

5.4确定危险截面 (11)

5.5活塞杆（拉压杆）的设计 (13)

6液压油的选用 (14)

7工艺规程设计 (15)

7.1热处理 (15)

7.2制订工艺路线 (15)

8焊接夹具设计 (17)

8.1设计理由 (17)

8.2焊接夹具的设计原理 (17)

8.3 确定夹具结构方案 (17)

结论 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录 A (25)

1液压技术

1.1液压技术的发展及应用

自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次世界大战结束后，液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。

本世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。

液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点：

(1)由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。

(2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025 N/W(牛/瓦),发电机和电动机则约为0.03 N/W。

(3)可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。

(4)传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机床

中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。

(5)液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

(6)液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。

(7)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

液压传动的缺点是：

(1)液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。

(2)液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。

(3)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。

(4)液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。

(5)液压系统发生故障不易检查和排除。

总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的发展前景。

1.2千斤顶的分类及用途

千斤顶是一种起重高度小(小于1ｍ)的最简单的起重设备，它主要用于厂矿、交通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑等工作。其结构轻巧坚固、灵活可靠，一人即可携带和操作。千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的,轻小起重设备它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，由于起重量小，操作费力，一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，故使用广泛。其缺点是起重高度有限，起升速度慢。

液压千斤顶分为通用和专用两类。

专用液压千斤顶使专用的张拉机具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力。专用液压千斤顶多为双作用式。常用的有穿心式和锥锚式两种。

穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分组成。它的特点是：沿拉伸轴心有一穿心孔道，钢筋(或钢丝)穿入后由尾部的工具锚固。

近年来随着科技的飞速发展，同时带动自动控制系统日新月异更新，液压技术的应用正在不断地走向深入。

2液压千斤顶工作原理分析

图2.1 液压千斤顶工作原理图

1.杠杆手柄

2.小油缸

3.小活塞

4.单向阀

5.吸油管

6.管道

7.单向阀 8.大活塞 9.大油缸 10.管道 11.截止阀 12.油箱

图2.1是液压千斤顶的工作原理图。大油缸9和大活塞8组成举升液压缸。杠杆手柄1、小油缸2、小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开，通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入液压缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11，液压缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。这就是液压千斤顶的工作原理。

通过对上面液压千斤顶工作过程的分析，可以初步了解到液压传动的基本工作原理。液压传动是利用有压力的油液作为传递动力的工作介质。压下杠杆时，小油缸2输出压力油，是将机械能转换成油液的压力能，压力油经过管道6及单向阀7，推动大活塞8举起重物，是将油液的压力能又转换成机械能。大活塞8举升的速度取决于单位时间内流入大油缸9中油容积的多少。由此可见，液压传动是一个不同能量的转换过程。

2.1液压千斤顶的作用

本液压千斤顶是杭州万海五金经营部销售的QYL5D油压千斤。为三一重工股份有限公司配套加工的外协件，它用在飞机的起落架以及吊车，挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机的支撑架的机构中，主要是起到支撑作用。因此，该零件的质量及精度在使用中是非常重要的，必须制作出合理的工艺规程以确保零件的质量。

2.2液压千斤顶主要构件分析

该系统是一个组焊件，技术条件要求为：组焊后加工，热处理调质达到HB240～HB280。表面粗糙度最高达到Ra2.3 μm，最低达到Ra12.5 μm，尺寸公差较小，另外有一处位置公差要求，这就需要经过粗加工、半精加工、精加工过程。本零件用于大批量生产。本系统主要运用了：杠杆原理，帕斯卡原理，单向阀单向导通原理等。

3液压缸的设计

3.1 液压缸的主要形式及选材

液压缸能将液压能转换为机械能，用来驱动工作机构作直线运动或摆动运动。它是液压执行元件。液压缸由于结构简单，工作可靠，除单个使用外，还可几个组合或与杠杆、连杠、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等其他机构配合，实现多种机械运动，因此应用十分广泛。

液压缸有多种类型。按结构特点可分为活塞式、柱塞式和组合式三大类；按作用方式又可分为单作用式和双作用式两种。

由于液压缸要承受较大压强，故液压缸采用：45号钢活塞式单作用液压缸。3.2（液压缸主要参数的计算）液压缸的压力

（1）额定压力Pn:

也称为公称压力，是液压缸能用以长期工作的最高压力。油液作用在活塞单位面积上的法向力图3.1。单位为Pa，其值为:

Pn=G/A=5×104÷（3.14×0.2×0.2）=3.98×105 Pa

图3.1 液压缸的计算简图

式中：

F为活塞杆承受的总负载；A为活塞的工作面积。

L

上式表明，液压缸的工作压力是由于负载的存在而产生的，负载越大，液压缸的压力也越大。

表3.1为国家标准规定的液压缸公称压力系列。

表3.1 液压缸公称压力（MPa）

（2）工作压力P：

由于活塞的重力大约在g=10 N左右，要远比物体的重力小，所以可以忽略不计。

所以L F

p

A

==(g+G)/A=5.001×104÷（3.14×0.2×0.2）

=3.98168×105 Pa

≈Pn = 3.98×105 Pa

（3）最高允许压力m ax

p：

也称试验压力，是液压缸在瞬间能承受的极限压力。通常为

m ax

p≤ 1.5Pn =1.5×3.98×105 Pa

=5.97×105 Pa

≈0.6 MPa

3.3液压缸的输出力与输出力

（1）液压缸的理论输出力F出等于油液的压力和工作腔有效面积的乘积，即

F pA

==AG=5×104 N

由于液压缸为单活塞杆形式，因此两腔的有效面积不同。所以在相同压力条件下液压缸往复运动的输出力也不同。由于液压缸内部存在密封圈阻力回油阻力等，故液压缸的的实际输出力小于理论作用力。

（2）液压缸的理论输入力：

F

入=F

出

×A

1

÷A

2

=5×104×(0.022÷0.22)=5×102 N

式中:A

1表示小液压缸的横截面积,0.02(m) 表示小液压缸的半径 ,A

2

表示大液

压缸的横截面积,0.2(m) 表示大液压缸的半径。

3.4 液压缸的输出速度

（1）大液压缸的输出速度

q

v

A

== nSA1/A2=10×0.3×0.01=0.03 m/min

q=nSA

1

=10×0.3×3.14×(0.02)2=3.768×10-3 L/min

式中：V为液压缸的输出速度；q为输入液压缸工作腔的流量；A

2

为大液压缸工

作腔的有效面积；A

1

表示小液压缸的横截面积；n =10表示小液压缸每分钟回程10次；S=0.3 m表示小液压缸工作行程为300 mm

（2） 速比 V λ

2112v v A v A λ==

式中：V 1为活塞前进速度；V 2为活塞退回速度；A 1为活塞无杆腔有效面积；A 2为

活塞有杆腔有效面积。

速度不可过小，以免造成活塞杆过细，稳定性不好。其值如表3.2示：

表3.2 液压缸往复速度比推荐值

3.5 液压缸的功率

（1）输出功率P 0：液压缸的输出为机械能。单位W ，其值为:

0p Fv ==5×104×0.03 =1500 W

式中：F 为作用在活塞杆上的外负载；v 为活塞平均运动速度。

（2）输入功率i p ：液压缸的输入为液压能。单位为W ，它等于压力和流量的乘积，

即 q=nSA 1=10×0.3×3.14×(0.02)2=3.768×10-3 L/min

i p pq ==3.98168×105 ×3.768×10-3 =1500.3 W

式中：p 为大液压缸的工作压力；q 为大液压缸的输入流量。

由于液压缸内存在能量损失（摩擦和泄露等），因此，输出功率小于输入功率。

3.6小液压缸的主要参数计算

（1）小液压缸的输出力等于大液压缸的输入力, 即：

F=500 N

（2）小液压缸的流速为：

V=(A 大/A 小)×V 大=100×0.03=3 m/min

（3）小液压缸的流量为：

q=nSA 1=10×0.3×3.14×(0.02)2=3.768×10-3 L/min

4液压控制阀

4.1 方向控制阀

方向控制阀是控制液压系统中油液流动方向的，它为单向阀和换向阀两类。单向

阀有普通单向阀和液控单向阀两种。

4.2普通单向阀

普通单向阀简称单向阀，它的作用是使用油液只能沿一个方向流动，不许反向倒

流。图4.1 所示为直通式单向阀的结构及图形符号。压力油从p1流入时，克服弹簧

3作用在阀芯2上的力，使阀芯2向右移动，打开阀口，油液从p1口流向p2口。当

压力油从p2口流人时，液压力和弹簧力将阀芯压紧在阀座上，使阀口关闭，液流不

能通过。

（a）结构原理图（b）图形符号

图4.1单向阀

1、阀体；

2、阀芯；

3、弹簧

单向阀的弹簧主要用来克服阀芯的摩擦阻力和惯性力，使阀芯可靠复位，为了减

小压力损失，弹簧钢度较小，一般单向阀的开启为0.03 MPa～0.05 MPa（如换上刚

度较大的弹簧，使阀的开启压力达到0.2 MPa～0.6 MPa，便可当背压阀使用）。

4.3背压阀

p=0.6 Mpa，需要在回油路上并联一个0.55 为了液压缸不超过最高允许压力m ax

MPa的背压阀。只需将4.2中设计的单向阀换上刚度较大的弹簧，使阀的开启压力达

到0.55 MPa，便可当背压阀使用。这样，当压力超过0.55 MPa时，背压阀自动打开

泄荷，使液压缸免受损坏。

5拉压杆和弯曲杆的设计

5.1 弯曲杆(手柄)的设计

工程中常存在大量受弯曲的杆件,这些杆件在外力作用下常发生弯曲变形,以弯曲为主要变形的杆件称为梁.工程力学中对梁作以下规定:

梁任一横截面上的剪力,其值等于该截面任一侧梁上所有横向力的代数和。

梁任一横截面上的弯矩,其值等于该截面任一侧所有外力对形心的力矩的代数和。

5.2求得支座反力

试选择45号正火钢,设计为环形截面(如图5.5),画出受力图(如图5.1 a)进行受力分析,由梁的平衡方程求得支座反力(如图5.2 b):

F 1 + F

2

- F = 0 (式5-1)

F 1L

1

- FL

2

= 0 (式5-2)

联立(1)(2)代入数据 F

2=500 N L

1

=1 M L

2

=0.2 M ,得:

F

1

= 125 N F = 625 N 5.3梁的剪应力F S及弯矩M

以B点为分界点将AC杆分为两段:

AB段: F

S (A) = F

1

= 125 N

M(B点右侧)=125×(1-0.2)=100 N*M

BC段: F

S (C) = - F

2

= -500 N

M(B点右侧)= 500×0.2 =100 N*M

根据以上结果可绘出剪力图(图5.3 c)和弯矩图(图5.4 d)：

图5.1a 受力图，图5.2b支座反力，图5.3c 剪力图,图5.4d 弯矩图

5.4确定危险截面

（1）B点所在截面的弯矩最大, 即正应力最大, C点所在截面的剪力最大,即切应力最大。所以C,B两点所在截面为危险截面。

（2）B截面的截面系数为:

3343105986.132)44.01(33.014.332

)1(14.3m D w w y z ?=-?=-==α 其中：4.03.025

.04===D d α D 为外径, d 为内径(如图5.5)

B 截面的正应力为:

σmax =M/W Z =100/1.5986×10-3 =6.25×104 Pa

C 截面的切应力为:

Tmax =2F S /A =2×500/(3.14×0.3×0.3)=3.538×103 Pa

有机械设计手册查得45号，正火钢的许用切应力为30 MPa ～40 MPa ，许用正应力为275 MPa ，由于B 截面的正应力远小于其许用应力，C 截面的切应力远小于其许用应力，这样势必造成钢材的浪费，为节省钢材降低成本，提高效益，需要重新选择材料。

图 5.5 环形截面 图5.6 实心截面

（3）重新选择材料设计截面

选用实心圆柱松木梁(如图 5.6),其许用正应力为[σ]=7 MPa ，其许用切应力为

[T]=1 MPa 。

B 截面的弯曲截面系数为：

W Z = W Y = 3.14D 3/32 =3.14×0.027/32=2.649×10-3 M 3

B 截面的正应力为:

σmax = M/W Z =100/2.649×10-3=3.7×104 Pa

C 截面的切应力为:

Tmax = 4F S /3A =4×500/3×(3.14×0.152)=9.436×103 Pa

(4)校核强度：

σmax = 3.7×104 Pa＜[σ]= 7 MPa

Tmax = 9.436×103 Pa＜[T]= 1 MPa

因此，梁的强度是足够的，其实际生活中，许多木材都是能够满足其强度的，如柳木，杨木。所以，将梁制成可活动的零件，则千斤顶的应用，尤其是在农业、工业生活中的应用，更为广泛和方便。

5.5活塞杆（拉压杆）的设计

工程实际中经常遇到承受轴向拉伸或压缩的构件。例如，内燃机中的连杆，钢木组合桁架中的钢拉杆等。

承受轴向拉伸或压缩的杆件称为拉压杆。实际拉压杆的形状，加载和连接方式各不相同，但都可简化成图5.7所示的计算简图，它们的共同特点是作用于杆件上的外力的合力作用线与杆件轴线重合，杆件的主要变形是沿轴线方向的伸长或缩短。(1)千斤顶的活塞杆即为简单的拉压杆，图5.7即为水平放置的活塞杆，试选材HT100，

有《机械设计制造基础》（陈立德主编）查得其许用拉应力为[σ]= 80 MPa (2)设计截面：选择拉压杆的半径为r= 4mm则其许用应力为：

σmax = F/A= 500/(3.14×0.004×0.004)=9.95 MPa

(3)教核强度:

σmax = 9.95 MPa ＜[σ]= 80 MPa

由此可见,满足其强度。

(4)确定许用载荷:

Fmax ≤ A×[σ]= (3.14×0.004×0.004)×80×106= 4×103 N

图5.7 拉压杆计算简图

6液压油的选用

液压传动所用液压油一般为矿物油。它不仅是液压系统传递能量的工作介质，而且还有润滑，冷却和防锈的作用。液压油质量的优劣直接影响液压系统的工作性能。

为了更好地传递运动和动力，液压油应具备如下性能：

(1)润滑性能好；

(2)纯净度好，杂质少；

(3)合适的粘度和良好的粘温特性；

(4)抗泡沫性，抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；

(5)对热，氧化，水解都有良好的稳定性，使用寿命长；

(6)对液压系统所用金属及密封件材料等有良好的相容性；

(7)比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。

一般根据液压系统的使用性能和工作环境等因素确定液压油的品种。当品种确定后，主要考虑油液的粘度。在确定油液粘度时主要应考虑系统工作压力，环境温度及工作部件的运动速度。当系统的工作压力大，环境温度较高，工作部件运动速度较大时，为了减少泄漏，宜采用粘度较高的液压油。当系统工作压力小，环境温度较低，而工作部件运动速度较高时，为了减少功率损失，宜采用粘度较低的液压油。

当选购不到合适粘度的液压油时，可采用调和的方法得到满足粘度要求的调和油。当液压油的某些性能指标不能满足某些系统较高要求时，可在油中加入各种改善其性能的添加剂，如抗氧化，抗泡沫，抗磨损，防锈以及改进粘温特性的添加剂，使之适用于特定的场合。

因此，该千斤顶选用千斤顶专用液压油。

7工艺规程设计

7.1热处理

千斤顶丝杠是由连接头和缸体组成的,它们都是采用45钢的。而在它们加工前要经过正火处理，以增加它们的切削性能，来消除应力，细化组织，防止产生变形与开裂。接着进行粗加工、调质和精加工。然后需要进行高频感应加热淬火和低温回火，以便提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度；低温回火的目的是消除应力，防止，磨削加工时产生裂纹。

加工后需要进行保温处理，可以使工件不易变形，误差较小。最后用冷却液进行处理，为以后使连接头和缸体的装配打下基础。

7.2制订工艺路线

制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批量生产的条件下，可以考虑采用万能机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

（1）连接头的加工工序如下：

工序一：选择实心钢外径为ф140mm 的毛坯，在下料机上取L=100mm 长。

工序二：在CA6140x1500车床上夹右端外圆车左端外圆车成ф133、车成ф121、ф42、

ф100、8×45°、1.5×45°，掉头夹外圆找正车成SR80球面。

工序三：检验。

（2）杠体的加工工序如下：

工序一：选择毛皮ф168×28管材，在下料机上取L=500mm 长。

工序二：车距左、右端面100往里车架位见圆，L-60，在左端面车深孔引孔2.02.0120

+-φ ，L=90mm 深。

工序三：深孔镗：粗、精镗内孔为2

.02.0120+-φ。

工序四：夹左端内孔，右端上中心架，在右端车接头止口配合尺寸05..00

121+φ，L=16深。

（3）组焊件的加工工序如下：

工序一：钳工：①将焊接件备齐，并清洗干净。