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活塞的复位只能借助弹簧,或靠活塞自重,或靠外力作用。
单作用液压缸基本上只有一个有效作用面积。
根据技
术构造,这一类的油缸只能产生推力。
双作用液压缸是能由活塞的两侧输入压力油的液压缸。
1.3伸缩式液压缸简介
伸缩式液压缸是可以得到较长工作行程的具有多级套筒形活塞杆的液压缸,伸缩式液压缸又称多级液压缸。
伸缩式液压缸是由两个或多个活塞式液压缸套装而成的,前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。
伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小,而空载缩回的顺序则一般是从小到大。
伸缩缸可实现较长的行程,而缩回时长度较短,结构较为紧凑。
此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。
工作过程:
当压力油从无杆腔进入时,活塞有效面积最大的缸筒开始伸出,当行至终点时,活塞有效面积次之的缸筒开始伸出。
伸缩式液压伸出的顺序是由大到小依次伸出,可获得很长的工作行程,外伸缸筒有效面积越小,伸出速度越快。
因此,伸出速度有慢变快,相应的液压推力由大变小;
这种推力、速度的变化规律,正适合各种自动装卸机械对推力和速度的要求。
而缩回的顺序一般是由小到大依次缩回,缩回时的轴向长度较短,占用空间较小,结构紧凑。
常用于工程机械和其他行走机械,如起重机、翻斗汽车等的液压系统中。
图1-1伸缩式液压缸实图
多级液压缸由两个或多个活塞缸或柱塞缸套装而成的。
工作原理:
活塞或柱塞伸出时,从大到小,速度逐渐增大,推力逐渐减小,活塞或柱塞缩回时,从小到大.
图1-2多级液压缸结构图
通过本次课题设计达到对液压缸结构及工作原理更好认识,对绘图软件的使用更加熟练,掌握液压缸结构设计应注意的一些细节问题。
争取通过本次课程设计对液压传动知识掌握程度进一步完善,提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力,使自己学到的理论知识与生产实践进行一次结合。
1.4本设计的主要内容
液压缸的设计包括液压缸活塞缸直径及外径、液压缸活塞直径的确定和活塞杆直径的确定、液压缸壁厚和外径的计算、缸盖厚度的确定、缸体长度的确定、缓冲装置的计算以及活塞杆稳定性的验算,零件的功能工艺规程的制定等。
1.5应用场合
本三级液压缸主要用于ZJ20钻机ZJ30钻机和SXJ750-4修井机等。
在实际工作中此起升油缸是用来将承载式井架竖立起来,工作载荷大,移动速度慢,安全性能要求高。
如图(1-3、1-4、1-5)所示为四机厂产品实物图。
图1-3液压缸实物图
图1-4液压缸实物图图1-5液压缸实物图
2液压缸结构分析
工况分析是拟定液压缸设计方案,计算并选择液压元件的重要依据,通过工况分析选择液压缸类型及其安装方式,列出初始参数,明确设计要求,为后续工作提供重要依据。
2.1液压缸的类型及安装方式
本设计液压缸用于工程机械,且为多级液压缸。
此缸用于车用修井机井架的起落,属于高压低低速缸。
起升时通过高压油推起,下落时依靠自重回落。
由于井架竖起时没有倾倒力,需要靠液压缸将井架倾斜,再依靠自重回落。
因此该液压缸一二级采用单作用的柱塞结构,三级采用双作用的活塞结构。
安装方式选择耳环型,可在垂直面内摆动,但销轴受力较大。
2.2液压缸的选材
缸体:
35号钢。
35钢无焊接件,可用调质处理提高强度表面粗糙度,工艺要求内孔一般用珩磨。
柱塞:
活塞:
活塞杆:
35号钢,一般表面要镀硬铬,表面粗糙度要Ra=0.2~0.4m缸底:
焊接,35号钢锻件。
2.3液压缸的工作分析
伸出时,零级缸套处高压泵供油,一二三级缸体同时伸出。
当一级缸体到达限位处,二三级缸继续同时伸出。
二级缸到达限位处时,三级缸最后伸出,使井架竖立。
最后调节三级活塞,使井架保持垂直。
收回时,三级活塞处高压泵供油,活塞收回,井架倾斜一定角度。
二级缸靠自重收回,最后一级缸靠自重收回。
2.4方案确定
方案1:
图2-1方案一结构图
该图是柱塞结构简图,该方案是在柱塞外圆上安装一组导向装置,但不装密封圈。
在柱塞伸出时,对液压缸打油,当液压缸内充满液压油时,根据各级液压缸的截面面积的大小依次伸出,在缩回时,初定方案是打油,利用油压使液压缸各级依次缩回。
但是由于该方案中并没有安装密封装置,如果采用回油的方式,则会在液压缸的一级柱塞和二级柱塞这两级液压缸中产生卸油的现象,导致压力不足,液压缸无法缩回,影响工作效率。
由于该三级油缸属于轻型油缸,活塞的截面尺寸不大,可以先用回油的方式,利用较小的油压将活塞先缩回,然后再利用井架下降时的自重,将一级和二级柱塞压回。
由于井架的质量大,所以压力足以将液压缸全部缩回,这样既可以保证液压缸正常的工作状态,也可以避免回油时压力不足导致液压缸无法缩回的问题。
同时,由于该方案在柱塞的外圆上安装有导向装置,所以在柱塞伸出和缩回时能够保证一级柱塞与缸套,二级柱塞和一级柱塞之间较好的同轴度,可以尽量避免液压缸在移动过程中出现卡死的情况。
方案2:
图2-2方案二结构图
该方案是在两级柱塞上开一个密封沟槽,安装密封装置,但不开导向沟槽,不安装导向环。
这种方式在液压缸伸出时,根据油压作用面积的大小依次伸出,在液压缸缩回时,由于使用了密封装置,故在液压缸中能够保证一定的油压使液压缸缩回,但是该方案中没有使用导向装置,在缩回时,液压缸并不一定能够保证良好的同轴度,所以会出现卡死的现象,但是在实际工作中,如果不能及时的发现该原因,而认为是油压不足而导致的液压缸停止,所以一般都用继续增加油压的方式,油压柱塞都是薄壁缸体,在压力过大或者过于集中时,会出现“胀肚”的现象----也就是柱塞径向尺寸扩大。
方案3:
图2-3方案三结构图
该方案是在柱塞上既开导向沟槽也开密封沟槽,密封沟槽是为了安装密封圈,防止泄油,保持油压,这样在液压缸缩回时,打油不会因为泄油导致油压不足而无法缩回,所以可以用打油的方式可以使各级缸体依次缩回。
导向沟槽是为了保证在柱塞伸出和缩回时与缸套的同轴度,安装了该装置可以尽量减少柱塞在运动过程出现偏离轴线运动而卡死的现象。
但是该方案的缺点在于,由于既安装的导向装置,也安装了密封装置,所以加工工艺复杂,成本增加,并且费时费力,由于有了密封装置,所以在缩回时采用打油的方式,使用油压使各级依次缩回,这样因为油压作用,回我使各级缸体在运动过程中出现震荡和碰撞的现象,运动不平稳,并且又需要单独再在各级缸体开设回油孔,工序增多,成本和加工周期都增加。
方案对比:
1第一种方案
优点:
能够保证比较好的同轴度,在缸体运动的过程中可以减少柱塞和缸套之间非轴向运动而卡死的情况。
在缩回时,如果不采用油压缩回的方式,则只需要利用井架的自重,将各级缸体依次压回即可。
这样既可以减少加工工序,也可以减少成本和人力,并且运动更加平稳。
缺点:
没有使用密封装置,在各级缸体缩回时,不能用打油的方式将其缩回,不然会因为泄油的原因而使液压缸无法缩回。
2第二种方案:
能够保证较好的密封效果,在各级液压缸缩回时,可以用打油的方式将液压缸逐级缩回,可以较快将其缩回,效率增加,在缩回时也不会因为泄油而导致油压不足的问题,而使液压缸无法缩回。
该方案只有密封装置,没有安装导向装置,无法保证较好的同轴度,在运动过程中可能会出现柱塞偏离轴线运动而卡死。
3第三种方案:
该方案兼顾了上面两张方案的优点。
加工工艺复杂,成本高,耗费较多的人力和时间,在实际工作中控制难度也加大。
方案确定:
采用第一种方案设计,只安装导向装置,保证其运动过程中的同轴度,为了避免打油过程中因为没有密封装置而泄油,导致油压不足的问题,可以直接采用井架自重将各级缸体依次压回,工艺简单,操作方便,成本更低。
图2-4选定方案图
3液压缸主要尺寸的确定
根据多级液压缸的工作原理,可将其分解为若干个相互连通的单机液压缸组合。
先计算最小的一个单机液压缸,根据受力知道,只要满足三级缸受力,则一级缸定能满足。
3.1二级缸缸筒内径的计算
根据液压缸理论输推力T和系统选定的供油压力p来计算二级缸筒内径D(m):
T=nPAA=πD2/4
(1)
式中:
T—液压缸的理论输出力(N);
p—供油压力(MPa);
A—面积(cm2);
n—油缸机械效率。
供油压力P=14MPa
油缸机械效率n=0.95
推力=350KN
得出A=263cm2D=183mm
表3—1缸筒内径尺寸系列
液压缸内径系列(GB/T2348-1993)
8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、(90)、100、(110)
125、(140)、160、(180)、200、(220)、250、(280)、320、(360)、400、(450)、500
元整取值得d2=200mm
3.2二级缸缸壁厚度及外径的计算
先按薄壁计算:
(2)
Py—试验压力(Mpa);
[σ]—缸体材料许用应力(Mpa);
[σ]=σb/n;
σb—缸体材料的抗拉强度(Mpa)。
对于35钢正火处理
n—安全系数;
一般取3.5~5,工作压力大n可选取小一些。
则取n=3.5;
D—缸体内径。
表3—245号钢各力学性能
牌号
机械及物理性能
抗拉强度σb(MPa)
屈服强度σs(MPa)
伸长率δs(%)
断面收缩率ψ(%)
冲功Akv(J)
冲击韧性值αkv(J/cm2)
硬度
试样毛坯尺寸
35
≥540(54)
≥315(32)
≥20
≥45
≥55
≥69(7)
未热处理≤197HB
25mm
由图知σb≥540,故取σb=600MPa
[σ]=σb/n=600/3.5=171.4MPa
Py=21MPa
得
=12.25mm
D/
=16.32≥16符合薄壁
再按厚壁计算:
(3)
=11.7
=17.1≥16不符合厚壁
表3—3精密内径尺寸的无缝钢管尺寸系列
内径
壁厚
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
5.0
6.0
7.5
10.0
12.5
15.0
20.0
外径
25
28
—
31
40
32
36
38
42
47
45
46
50
55
56
60
65
70
75
63
68
69
73
78
83
88
80
85
86
90
92
95
100
105
110
106
112
115
120
125
130
132
135
137
140
145
150
155
165
160
170
175
180
185
190
200
220
215
225
230
240
根据表表3—3中数据,取δ=12.5mm,故二级缸外径为D2=225mm
3.3二级缸缸底厚度
缸底为平面且有油孔,油孔直径d0取15mm
计算公式:
(4)
Py—试验压力(Mpa)Py=21MPa;
D—二级缸体内径(mm)D=200mm;
[σ]—缸体材料许用应力(Mpa)[σ]=171.4MPa;
d0—油孔直径d0=15mm。
得h=31.5
二级缸底厚取整为h2=32mm
综上:
二级缸缸筒内径d1=200mm,外径D1=225mm,缸底厚度h2=32mm。
3.4活塞杆直径
活塞杆的外径计算公式:
(5)
F—液压缸输出力(N);
F=350KN
[σ]—活塞杆材料的许用应力(Mpa)。
[σ]=171.4MPa
得d≥50.9mm
表3—4活塞杆外径尺寸系列
活塞杆直径系列(GB/T2348-1993)
4、5、6、8、10、12、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360
查表3—4取活塞杆直径d=56mm。
由于实心活塞杆外径过小,难以符合强度校核,因此需要采用空心活塞杆。
空心活塞杆一般用无缝钢管焊接而成,因而能节约材料,减轻重量,同时还可以导通油路,多用于大型液压缸。
设活塞杆外径为d3=100mm,计算其内径:
(6)
得d内
86mm为安全起见取壁厚
=10mm
3.5活塞直径及活塞厚度
留2mm作为二级缸与三级缸内壁距离,则三级缸的外径(活塞直径)
D3=200—2x2=196m
取D3=196mm
即活塞的直径为196mm
根据《液压元件手册》选用宽度20mm厚度2.5mm导向环,故安装导向环处直径为200mm-2.5mm*2=195mm;
查《机械设计手册》得外径196mm活塞O型密封圈的厚度为9mm,宽度9mm,故O型密封圈处直径为200mm-9mm*2=182mm;
活塞杆连接处需要开直径10mm油孔,故取凸台长度25mm,凸台处直径190mm。
根据经验,活塞厚度一般0.6~1倍缸径,取导向环与O型圈间距5mm,取导向环到凸台间距8mm,活塞前端倒角10o方便安装,倒角长度取20mm。
活塞厚度h3=20+8+20+5+9+5+20+8+25=120mm符合要求。
综上得,活塞杆外径d3外=100mm,内径d3内=80mm,活塞外径D3=196mm,活塞厚度120mm。
3.6一级缸缸筒内径
留2mm作为一级缸与二级缸内壁距离,则,一级缸的内径
d1=225+2x2=229mm
3.7一级缸缸壁厚度及外径的计算
取d1=229mm
(7)
则
14.02mm,查表取
=15mm一级缸外径D1=259mm。
3.8一级缸缸底厚度
缸底为平面且有油孔,油孔直径d0取15mm。
缸底厚度
(8)
D—一级缸体内径(mm)D=229mm;
得h=36.7
一级缸底厚取整为h2=37mm
一级缸缸筒内径d1=229mm,外径D1=259mm,缸底厚度37mm。
3.9零级缸内径及外径的计算
留2mm作为一级缸与零级缸缸筒内壁距离。
则缸套内径为:
d0=259+2x2=263mm
(9)
16.1mm
查表取
=20mm零级缸外径D0=263+20*2=303mm。
3.10零级缸缸底厚度的计算
零级缸缸底需要安装进油装置,故需要根据进油口直径设计缸底厚度。
已知油口直径30mm
取缸底厚度为78mm
零级缸缸筒内径d1=263mm,外径D1=303mm,缸底厚度h0=78mm。
3.11第一、二、三级缸缸筒行程和各级缸筒长度
已知安装距离为1840mm,总行程3997mm。
一级缸行程:
1300mm
二级缸行程:
1337mm
三级缸行程:
1360mm
零级缸缸筒总长度=一级缸行程+缸底厚度+一级缸密封装置总宽度+一级缸导向装置总宽度+限位装置宽度+耳环中心高度=1300+78+75+35+65+65=1618mm
一级缸缸筒总长度=二级缸行程+缸底厚度+二级缸密封装置总宽度+二级缸导向装置总宽度+限位装置宽度=1337+37+75+35+65=1549mm
二级缸缸筒总长度=三级缸行程+缸底厚度+缸盖限位高度+活塞厚度=1360+32+70+120=1582mm
活塞杆长度=安装距离-零一二级缸底厚度-活塞厚度-耳环销孔高度=1840-78-37-32-120-65=1508mm
3.12各级作用力的计算
根据柱塞缸输出推力计算公式
(10)
式中p1—进油压力14MPa;
P2—回油压力
d—各级缸外径。
根据液压缸工作需要,收回时靠自重缩回,故回油压力为0MPa。
带入各级缸外径尺寸算出各级缸受力:
一级缸受力F1=700714.41N
二级缸受力F2=528818.40N
三级缸受力F3伸=401285.13N
三级缸受力F3缩=313373.87N
4液压缸的结构设计
4.1缸筒联接方式
缸筒的连接采用螺纹连接,其特点是体积小重量小、结构紧凑。
外螺纹连接L型螺母,并用螺钉钉紧。
内螺纹连接螺套,螺套和螺母之间是支承圈、V型圈、压环和铜套,起密封和防尘作用。
零级缸、一级缸、二级缸用螺套作为缸盖连接,根据受力情况选择螺纹尺寸:
零级缸外螺纹M300x2深34mm螺纹宽度32mm内螺纹M266x2深75螺纹宽度20mm
一级缸外螺纹M256x2深31mm螺纹宽度29mm内螺纹M232x2深75螺纹宽度20mm
二级缸外螺纹M222x2深31mm螺纹宽度29mm内螺纹M203x2深75螺纹宽度20mm
外螺纹与外壁倒角2mm,内螺纹与内壁倒角2mm。
三级缸是活塞缸,活塞杆与二级缸不接触,所以二三级缸的连接由螺母、压帽和缸盖组成。
缸筒与缸头采用焊接,各焊缝应平整,不得有裂痕,气孔等缺陷,在18MPa压力下,各焊缝不得有渗漏。
4.2缸盖
液压缸的缸盖选用35号钢。
缸盖上安有放气塞。
缸盖与活塞杆之间需要用v型圈密封。
压帽与缸盖之间用螺纹连接。
压帽下面是压环、V型圈和铜套,起防密封尘作用。
图4-1缸盖结构图
图4-2缸底三维结构图
图4-3一、二级缸盖三维结构图图4-4三级缸盖三维结构图
4.3活塞及活塞杆
活塞结构形式:
活塞根据密封装置型式来选用其结构形式,而密封装置则按工作压力、环境温度,介质等条件来选定。
本设计中,液压缸用于工程机械,工作压力大,选用O形密封圈,其密封性好,阻力较小。
活塞与活塞杆的联接形式:
由于工作压力较高,选用焊接的联接形式。
活塞杆杆体结构
活塞杆杆体有实心杆和空心杆两种,本设计整采用实心杆,采用的是无缝钢管,材质45号钢。
图4-5活塞三维结构图图4-6活塞三维结构图
4.4导向环
导向环,也叫支撑环,它能防止活塞或活塞杆在运动过程中与缸体发生直接接触和摩擦,起到保护缸体与活塞或活塞杆不被损坏的作用。
在一级缸和二级缸刚的挡圈处安有一个导向环,活塞头密封圈两侧各安装一个导向环。
在缸盖处安有支承圈。
根据液压缸尺寸,导向环采用聚四氟乙烯,宽度20mm厚度2mm。
4.5密封和防尘
一二级为柱塞,只需要在螺母处安装密封装置。
三级为活塞,在活塞上沟槽上安装O形圈。
在O形圈外面加一个减磨环,防止磨伤缸体。
螺母上密封装置从里到外分别是压圈、5个V型圈、支承圈、铜套。
压圈———镍铝青铜合金
V型圈——聚氨酯—3
支承圈——镍铝青铜合金
铜套———镍铝青铜合金
O形圈——聚氨酯
减磨环——聚四氟乙烯—3
在每一级的螺套上车沟槽安装防尘圈。
防尘圈——聚氨酯II—3
4.6进出油缓冲装置
用单向阀作为油缸的缓冲装置。
输入高压油时,油压大于弹簧压力,钢珠缩进去使大油孔打开,液体通过大小油孔同时进入使缸体快速伸出。
在缸体缩回时,钢珠弹回,大油孔关闭,只留小油孔回油,在井架的自重作用下,缓慢缩回。
液压缸就能平稳缩回,避免缩回速度过大造成巨大冲击使缸体受损。
图4-7油孔三维结构图图4-8油孔二维结构图
4.7耳环
耳环按使用部位不同,耳环可分为杆用耳环和筒用耳环两种。
本设计油缸联测都需要耳环。
活塞头部用杆用耳环,用螺纹联接。
底部筒用耳环,用焊接。
根据已知数据,耳环厚度为51mm,销孔直径50mm。
图4-9耳环三维结
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