基于Solidworks的单杆活塞液压缸建模设计及仿真分析【任务书+开题报告+SolidWorks+CAD+说明书+PPT】.rar

基于Solidworks的单杆活塞液压缸建模设计及仿真分析姓姓 名名：指导指导教师教师：职职 称：称：目录目录1选题目的及意义2本文研究内容3机械系统工况分析及校核4基于solidworks软件的建模及仿真分析选题目的及意义选题目的及意义液压技术在重工业应用越来越普遍，其相对传统机械结构可提供较大的力矩及输出力，可随时启动，工作过程中可实现无极调速。采用液压缸可实现中远距离的传动，在传动时候系统可实现平稳运动，自身使用寿命也长且自身内部结构件已标准化，发生损坏时较易更换。本文研究内容本文研究内容本文主要研究对象为单杆活塞液压缸，了解液压缸存在的结构形式和驱动原理，使用solidworks软件设计一种单杆活塞液压缸，通过负载参数及驱动动作设计液压缸。机械系统工况及工作机械系统工况及工作图图在复合结构或者设备中，液压系统的作用是使其能够进行平台的线性移动和旋转运动，进行的操作周期一般包含：就地停止快速前进 I工作前进 II工作前进静止挡铁停留快速停下。分析系统工况1.1.油缸各结构件设计油缸各结构件设计计算计算2.活塞杆强度、厚度计算3.3.(缸筒端部缸筒端部)法兰连接螺栓的强度法兰连接螺栓的强度计算计算4.4.法兰设计法兰设计5.活塞设计6.导向套设计及计算分析系统工况（1）工作负载FW FW=67750N（2）惯性负载（3）阻力负载油缸各结构件设计计算活塞杆的直径活塞杆的直径设定了其有效行程为250毫米，这是活塞杆实际可作用的最大距离。活塞杆强度、厚度计算活塞杆的直径 按下式进行校核液压缸缸体厚度计算(缸筒端部缸筒端部)法兰连接螺栓的强度法兰连接螺栓的强度计算计算螺纹处的拉应力:螺纹处的剪应力合成应力法兰设计本次设计中，特别选用了法兰式端盖作为结构方案，并依据一个专门的数学公式来精确计算缸体端部凸缘的适宜厚度。活塞的设计液压缸采用的是液压传动，使其沿着气缸套做来回运动，要求其与气缸套之间的匹配，不要太紧，也不要太大。如果配合得太紧密，不但会增加发动机的最小启动压力，还会导致发动机的工作效率下降，同时还会造成气缸与活塞之间的接触面的损伤。当间隙太大时，会造成油缸内漏，从而导致油缸的充量利用率下降，从而影响油缸的工作特性。导向套的设计与导向套的设计与计算计算在进行液压油缸的设计时，应确保其最短导引距离。从实践中得出的结论是：在油缸的最大冲程和油缸的口径下，最短的导长是：导向套的设计与计算导向套的设计与计算我们开发了一项新颖设计策略，特别关注活塞宽度B的设定。当遇到导向长度H不足以满足需求时，解决方案是为活塞杆增配导向套筒K（见图4.1），以此扩大H的尺寸，并且需细致调整套筒K的宽度以确保最佳适配性。排气装置基于solidworks软件的建模及仿真分析单杆活塞液压缸整体由活塞杆轴、活塞、垫圈、半圆盘、外缸体、缸底、活塞密封圈等结构件组成活塞杆轴实现液压缸伸缩动作的主要执行部件，活塞部件通过其尾部的螺纹连接方式完成固接活 塞 在其结构两侧端面设计有密封圈槽，将O型圈安装在外表面用于阻挡两侧液压油，从而实现作用在活塞面的压差推动其运动。外缸体外缸体作为液压缸的主要外部壳体，用于承载外部压力以及给内部结构件提供传动空间，活塞杆体在其内部受压差往返运动半圆盘半圆盘作为与外缸体固接的上部分结构，其通过螺钉圆周阵列固定在外缸体上。应力仿真分析对活塞杆一侧端面进行固定约束，活塞杆材料为合金钢，在与活塞配合一面加载负载为15000N，划分网格得到如图4.6所示的仿真结果，根据仿真结果可知活塞杆应力值为170Mpa,根据其材料属性可知所设计的活塞杆及材料是满足设计需求的。活塞应力分析对活塞一侧端面进行固定约束，活塞自身材料仍选用为合金钢，在其一面添加负载为15000N，划分网格得到如图4.7所示的仿真结果，根据仿真结果可知活塞杆应力值为41Mpa,根据其材料属性可知所设计的活塞是完全满足设计需求的。总 结本文研究主题为单杆活塞液压缸，通过收集并研究国内外相关液压缸的文献资料，了解其工作原理，确认单杆活塞杆液压缸机械方案，并对关键结构件进行设计选型，通过理论计算确认液压缸缸体、活塞、密封件等关键零部件的设计计算和选型，通过理论计算验证所设计的结构的合理性。北方工业大学 北方工业大学 本科毕业设计（论文）开题报告书本科毕业设计（论文）开题报告书题 目：指导教师：专业班级：学 号：姓 名：日 期：年 月 日 一、选题的目的、意义1.1 选题目的及意义随着科学技术的不断进步，计算机辅助设计技术也得到广泛的应用。近代计算机技术已经成为人类从事科学研发进行生产活动不能缺少的重要工具，以为制造业产业升级及突破带来巨大的影响。在现代机械制造中，设计环节是整个设计流程的核心，通过三维建模软件可有效提高设计效率，降低设计成本，可更好的完成设计工作，可有效促进机械行业的快速发展和迭代。液压技术在重工业应用越来越普遍，其相对传统机械结构可提供较大的力矩及输出力，可随时启动，工作过程中可实现无极调速。采用液压缸可实现中远距离的传动，液压缸在传动时候系统可实现平稳的运动，自身使用寿命也长且自身内部结构件已标准化，发生损坏时较易更换。液压缸是液压传动系统中重要的执行部件，其性能好坏直接影响设备的运行效率及工作性能，因此在短时间内使用三维建模技术设计一款性能优越的液压缸具有极其重要的作用。1.2 国内外研究现状液压缸作为液压系统中重要的液压执行元件，从现有产品外观可知其结构并无多大改变，但根据实际现场工况需求，其自身结构设计及材料均会有很大的不同。液压缸研发方向主要集中在轻质化、小型化、高性能化、高压化等方向。1.2.1 国外研究现状液压缸在发达国家生产的种类繁多，其性能应用场合广泛。美国卡特斯公司研发了 1500 系列液压缸，其运动行程可达 11 米。德国 Walter Hynder 公司在活塞杆上喷涂一种陶瓷材料，提高了其自身强度和耐磨性，有效的提高了活塞杆的实际使用寿命。德国的 Ceramax 液压缸在活塞杆和活塞上涂有陶瓷材料，使得所设计的液压缸具有良好的耐磨性能。BOCH 研发的液压缸在缸体盖内部装有位置传感器，可测量到活塞的终点位置，通过传感器感应可将活塞杆保持在终点位置。1.2.2 国内研究现状湛从昌设计一种变形活塞环的间隙密封液压缸，该结构可实现摩檫力低、响应快速的性能特点。中船重工中南装备有限责任公司设计了一种单作用液压缸，内部设计将支撑环改为滚珠，将滑动摩擦的形式变换为滚动摩擦，活塞杆在运行过程中受到的摩檫力也随之降低。田灵飞、陈龙森等设计了一种柱塞式液压缸、活塞式液压缸组合形式的新型节能液压缸，有效降低能量消耗。孙荣权等设计了一种复合式结构形式的液压缸，液压缸由单活塞液压缸、柱塞缸组成，单活塞缸既是活塞缸的缸体又是柱塞缸的柱塞，实现两用的结构形式。二、本题的基本内容基本内容：（1）阅读相关文献，了解液压缸的研究现状及进展，明确单活塞杆液压缸的结构的优缺点，对其进行相应的结构方案进行设计。（2）使用 solidworks 软件对液压缸进行三维建模，并通过理论设计计算验证设计结构的合理性。（3）基于 Adams 软件对液压缸进行运动仿真分析，验证所设计的液压缸的合理性、可行性。三、完成期限和主要措施主要措施：1、针对单活塞杆液压缸对其现有的结构进行分析，了解其工作原理。2、学会使用 solidworks 建模软件，对设计的液压缸机械结构方案进行三维绘制。3、通过相关文献了解其设计计算过程，对所设计的液压缸进行理论校核。4、学会使用 Adams 软件，对设计的液压缸添加运动关系，验证产品设计的正确性。四、预期达到的目标1、完成单杆液压缸的结构设计及三维建模，并完成工程图。2、理论计算验证所设计的液压缸的正确性。3、使用运动仿真软件对建立的液压缸模型进行运动分析，验证所设计的液压缸是切实可行的。五、主要参考文献1魏晓红.超长大型液压缸的设计与研究D.湖南大学,2016.2王宇恒.液压缸试验台试验测试与优化改进设计D.南京理工大学,2016.3张安裕.双活塞串联液压缸的理论研究与设计D.武汉科技大学,2014.4苗燕.基于 SolidWorks 的液压缸参数化设计D.东北大学,2009.5范丽丽.液压缸参数化设计及标准件库的二次开发D.西安科技大学,2008.6刘晓明,叶玮.液压缸结构设计及运行特性分析J.液压气动与密封,2013(7):5.DOI:10.3969/j.issn.1008-0813.2013.07.007.7王伟,夏良生.基于 Solidworks 的 MB8-1003200 型折弯机液压缸结构设计J.科技创新与生产力,2016(11):3.DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2016.11.099.8 李 静 明,邓 海 顺.液 压 缸 结 构 及 设 计 J.煤 矿 机 械,2009,30(9):3.DOI:10.3969/j.issn.1003-0794.2009.09.020.9 杨 升.新 型 增 力 液 压 缸 的 结 构 与 参 数 设 计 J.机 械 设 计 与 制 造,2008(4):3.DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2008.04.016.10 李 静 明,邓 海 顺.液 压 缸 结 构 及 设 计 J.煤 矿 机 械,2009.DOI:JournalArticle/5af3d825c095d718d8125436.11孔德飞.新型重力式液压破碎锤的建模、仿真及优化设计D.上海工程技术大学,2015.12肖龙.液压传动技术M.冶金工业出版社,1999.13王昆.机械设计 机械设计基础课程设计M.高等教育出版社,1995.14东方人华,吴浩.SolidWorks 2003 中文版入门与提高M.清华大学出版社,2004.六、指导教师意见（包括毕业实习）（包括毕业实习）指导教师签字：指导教师签字：年年 月月 日日七、系审查意见 系主任签章：系主任签章：年年 月月 日日 八、学院审查意见 院长签章：院长签章：年年 月月 日日注：开题报告书内容一至六项须在开题答辩前完成。论文题目：论文题目：学 院：学 院：专 业：专 业：班 级：班 级：姓 名：姓 名：学 号：学 号：指导教师：指导教师：20 年 月 日20 年 月 日I基于 Solidworks 的单杆活塞液压缸建模设计及仿真分析摘 要：液压系统内主要执行元件是液压缸，通过液压油缸来传递动力，液压缸自身负载所能提供的动力是其设计研发的主要性能要求。所设计研发的液压缸自身的稳定性、可靠性、可维护性、安全性及效率是研发关注的重点，其综合性能的好坏直接关乎着液压缸的使用体验。本文主要研究对象为单杆活塞液压缸，通过调研国内外有关液压缸的技术文献，了解液压缸存在的结构形式和驱动原理，使用 solidworks 软件设计一种单杆活塞液压缸，通过负载参数及驱动动作设计液压缸，并通过理论计算验证所设计各结构件的科学性、有效性。使用 solidworks 内的仿真对活塞杆等结构件进行应力仿真，通过仿真数据验证设计结构的合理性，确保所设计的液压缸具有市场应用价值。关键词：液压缸；结构设计计算；仿真IIBased on Solidworks single-rod piston hydraulic cylinder modeling design and simulation analysis Abstract:Hydraulic system is the main actuator of the hydraulic cylinder,through the hydraulic cylinder to transfer power,the main performance requirement of design and development of hydraulic cylinder is the power provided by its own load.The stability,reliability,maintainability,safety and efficiency of the designed hydraulic cylinder are the key points of the research and development.The main research object of this thesis is the single rod piston hydraulic cylinder,through the investigation of domestic and foreign technical literature on hydraulic cylinder,understand the existence of hydraulic cylinder structure and driving principle,a single-rod piston hydraulic cylinder is designed by solidworks software.The cylinder is designed by load parameters and drive action.The scientific and effective of the designed components are verified by theoretical calculation.The stress of piston rod and other structural parts is simulated by solidworks.The rationality of the designed structure is verified by the simulation data,and the value of the designed hydraulic cylinder is ensured.Keywords:hydraulic cylinder;structure design calculation;simulationIII目录引言.11.1 选题目的及意义.11.2 国内外研究现状.11.2.1 国外研究现状.11.2.2 国内研究现状.11.3 本文主要研究内容.22 机械系统工况及工作图.32.1 分析系统工况.42.2 负载循环图和速度循环图的绘制.52.3 本章总结.53 油缸各结构件设计计算.63.1 油缸主参数的确定.63.1.1 液压缸的内径.63.1.2 活塞杆的直径.73.1.3 液压缸缸体厚度计算.93.1.4 液压缸长度的确定.103.1.5 缸筒的加工要求.113.1.6 法兰设计.113.1.7(缸筒端部)法兰连接螺栓的强度计算.123.2 活塞的设计.143.3 导向套的设计与计算.143.4 端盖和缸底的设计与计算.163.5 圆柱体的长度计算.173.6 缓冲装置的设计.173.7 排气装置.183.8 密封材料的选择.193.9 尘环.203.10 油缸的装配与联接构造.20IV3.11 本章总结.224 基于 solidworks 软件的建模及仿真分析.234.1 装配体模型的建立.234.1.1 活塞杆轴.234.1.2 活塞.234.1.3 外缸体.244.1.4 半圆盘.244.2 应力仿真分析.254.2.1 活塞杆应力分析.264.2.2 活塞应力分析.274.3 本章总结.265 结论.27致 谢.28参考文献.29附 录.20北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）11 引言1.1 选题目的及意义随着科学技术的不断进步，计算机辅助设计技术也得到广泛的应用。近代计算机技术已经成为人类从事科学研发进行生产活动不能缺少的重要工具，以为制造业产业升级及突破带来巨大的影响。在现代机械制造中，设计环节是整个设计流程的核心，通过三维建模软件可有效提高设计效率，降低设计成本，可更好的完成设计工作，可有效促进机械行业的快速发展和迭代。液压技术在重工业应用越来越普遍，其相对传统机械结构可提供较大的力矩及输出力，可随时启动，工作过程中可实现无极调速。采用液压缸可实现中远距离的传动，液压缸在传动时候系统可实现平稳的运动，自身使用寿命也长且自身内部结构件已标准化，发生损坏时较易更换。液压缸是液压传动系统中重要的执行部件，其性能好坏直接影响设备的运行效率及工作性能，因此在短时间内使用三维建模技术设计一款性能优越的液压缸具有极其重要的作用。1.2 国内外研究现状液压缸作为液压系统中重要的液压执行元件，从现有产品外观可知其结构并无多大改变，但根据实际现场工况需求，其自身结构设计及材料均会有很大的不同。液压缸研发方向主要集中在轻质化、小型化、高性能化、高压化等方向。1.2.1 国外研究现状液压缸在发达国家生产的种类繁多，其性能应用场合广泛。美国卡特斯公司研发了1500 系列液压缸，其运动行程可达 11 米。德国 Walter Hynder 公司在活塞杆上喷涂一种陶瓷材料，提高了其自身强度和耐磨性，有效的提高了活塞杆的实际使用寿命。德国的Ceramax 液压缸在活塞杆和活塞上涂有陶瓷材料，使得所设计的液压缸具有良好的耐磨性能。BOCH 研发的液压缸在缸体盖内部装有位置传感器，可测量到活塞的终点位置，通过传感器感应可将活塞杆保持在终点位置。1.2.2 国内研究现状湛从昌设计一种变形活塞环的间隙密封液压缸，该结构可实现摩擦力低、响应快速的性能特点。隶属于中国船舶重工集团的中南装备有限责任公司，研发了一款创新结构的单作用液压缸，该结构设计创新性的引入滚珠结构来替代传统支撑环，实现了滑动摩擦到滚动摩擦的巧妙转换，极大缓解了活塞杆在工作中的摩擦力问题。田灵飞、陈龙森等专家共北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）2同设计了一款新型的液压缸，该液压缸结合了柱塞式与活塞式的特点，有效减少了能量损耗，体现了节能设计的理念。孙荣权教授及其研究团队则成功开发出一种独特的复合结构液压缸，开创性地将单活塞液压缸与柱塞缸的功能整合在同一个系统之中，彰显了设计的集成化与创新力。此液压缸独到之处在于它既能充当活塞缸的主体容器，又能担纲柱塞的角色，展现了“一身二任”的设计特色。1.3 本文主要研究内容本文研究路线为调研现有液压缸参考文献资料，了解液压缸存在的驱动方式，设计一种单杆活塞杆液压缸，并完成其三维模型图和工程图。通过设计计算确保所设计结构的合理性和科学性，并通过 solidworks 软件内的模块对活塞杆、活塞进行应力分析，确保所设计的结构的合理性。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）32 机械系统工况及工作图油缸的稳定性主要体现在工作过程中，即在工作过程中其运行的平稳性和稳定性（例如，外界的温度对润滑油的作用等）。可靠度即当发生事故时，系统不会出现故障（如断管、断电等）。可维修性意味着，该系统越简洁越好，尽可能选用标准部件，使其在结构上便于维护。所谓的安全性，指的是后车篷上的液压缸出了问题，而高的工作效率，就是让所有的液压缸的各项能耗都尽量地降低。其中，除了功率方面的需求之外，还需要确保其安全可靠。在复合结构或者设备中，液压系统的作用是使其能够进行平台的线性移动和旋转运动，就像在图 2-1 中所显示的那样，当功率滑板要进行二次进给时，它要进行的操作周期一般包含：就地停止快速前进 I 工作前进 II 工作前进静止挡铁停留快速停下。图 2.1 组合机床动力滑台工作循环工作循环：快进工进快退停止；如表 2-1 所列，系统设计的具体参数已明确给出。其中，动力滑台采纳了平面导轨的设计方案，其静摩擦系数和动摩擦系数分别为 fs=0.2 及 fd=0.1，体现了设计上对摩擦力控制的精确考量。表 2.1 设计参数参 数数 值工作阻力（N）67750运动部件自重(N)8576快进、快退速度(m/s)0.15工进速度(10-3m/s)0.82快进行程 L1(mm)170工进行程 L2(mm)80加速时间（s）0.2北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）4假设液压缸机械效率m0.9鉴于加工机械运作特点的本质是以线性运动为关键方式，因此选用油缸作为其核心驱动装置，以满足这类机械的特定期望性能。2.1 分析系统工况在分析其运行状况时，重点关注的是工作负载、惯性负载及摩擦负载的影响，而对于其他非关键性的负载，则可以适当忽略不计。（1）工作负载 FW在机械作业的动态过程中，工作负荷是指由特定工况引发的各种力的承受情况。具体到本讨论中，我们将液压缸所承受的轴向切削力认定为其工作负荷的核心指标。FW=67750N （2-1）（2）惯性负载惯性载荷的峰值由运动部件的质量及其所能达到的最大加速速率共同决定。已知设备启动换向所需的时间为 0.2 秒，且平台在快速前进或快速后退时的极限速度为 0.15 米每秒。基于这些数据，惯性载荷可被表述为一个函数，关联着这些关键参数。（3）阻力负载负载阻力问题涉及静力学与动力学双重特性，可被划分为静摩擦阻力与动态摩擦负载两大类别。静摩擦阻力 Ffj=fjN=0.2 85761715fsF N动摩擦阻力 Ffd=fdN=0.1 8576858fdFN透过前面的负载计算步骤，我们明确了在每一种工况下液压缸所承受的负载力及其推力需求，具体的结果总结在表 2.2 中呈现。表 2.2 液压缸在各工作阶段的负载（单位：N）工况负载组成负载值F液压缸推力F=F/m起动F=fsF1715 N1905.56N加速F=fdF+mF1514 N1682.22 N快进F=fdF858 N953.33N85760.15656.32659.80.2mvFmNNt北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）5工进F=fdF+wF68608N76231N2.2 负载循环图和速度循环图的绘制利用表 2.2 所列出的数据为基础，图 2-2 进一步形象化展现了组合机床动力滑台的负载特征，直观揭示了所有负载工况的具体情形。图 2.2 组合机床动力滑台液压系统负载循环图图 2-2 显示，在动力滑台执行工作任务推进时，遇到的最大负荷力量为 76231 牛顿，而在其他作业情形中，所承受的负荷力则显著减少。根据上述提及的详细数据，我们绘制了图 2-3，以图形形式表述了组合机床动力滑台液压系统在不同工作环节中的速度循环特点。图 2.3 组合机床液压系统速度循环图2.3 本章总结本章确认所设计的单杆活塞液压缸所具备的特性，结合负载及工况对所设计的液压缸各工作阶段时的负载进行计算，同时描述了液压缸工作流程，对液压缸系统负载、速度循环图进行描述说明。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）63 油缸各结构件设计计算基础的工艺参数，是由使用和结构种类决定的，是体现作业性能和特征的一种体现，同时也决定着外形的大小和机体的总重量等。3.1 油缸主参数的确定3.1.1 液压缸的内径表 3.1 液压缸的公称压力系列（GB/T 7937-1987）0.631.01.62.54.06.310.018.025.040.063.0表 3.2 按负载选择工作压力负载/KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表 3.3 各种机械常用的系统工作压力机 床机械类型一般机床一般冶金设备农业、小型工程机械液压机、重型机械、轧机压下、起重运输机械工作压力/MPa16.36.31610162032在初始系统压力配置中，我们采用了 6.3 兆帕作为标准值。根据之前章节对负载特性的探讨与计算，辨识出最大工作推进负载强度为 76231 牛顿。设活塞部分的面积为 A1，而活塞杆接触端的面积则记作 A2快进速度为 V1=Q/(A2)快退速度为 V2=Q/(A1-A2)工进速度为 V3=Q/A1若 V1=V2则 A1-A2=A2 即 A1=2A2若 V1=V2=2V3推论得出，若 A2 代表的快进与快退速度相同，或这两种速度合计等于工进速度的两倍，那么可以推导出 A1（工作进给速度）是 A2 的两倍，即 A1=2A2 的关系成立。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）7也即 A1:A2=2:1取 d/D=0.707-221676231=1.21 10 m6.3 10FAP m（3-1）D=14A=0.124m=124mm查得油缸的液压缸的内径为 125mm。3.1.2 活塞杆的直径在设定直径为 88.75 毫米的活塞杆时，我们遵循了一个特定的直径比例，即 d/D 为0.707。同时，为了确保活塞杆在实际工作中的效能，我们特别设定了其有效行程为 250 毫米，这是活塞杆实际可作用的最大距离。表 3.4 缸内径及活塞杆外径尺寸系列（GB/T 2348-1993）内径尺寸系列活塞杆外径尺寸系列840125（280）41636902201050（140）320518451102801263160（360）620501253201680（180）4008225614035020（90）200（450）10256316025100（220）50012287018032（110）2501432802002.活塞杆强度计算：（1）活塞杆强度计算活塞杆的直径d按下式进行校核 （3-2）式中：F-活塞杆上的作用力；许用应力；（45 钢的抗拉强度为 598MPa，=/bn,n 一般取 1.4。即活塞杆的强度适中）64 7623190153.14 598 10/1.4dmmmm4Fd 北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）8（2）液压缸稳定性计算当液压缸遭受到轴向压力时，确保其所承受的最大负荷不超越其设计承重极限，这是维持其正常运作的前提；否则，液压缸将可能因轴向受压而发生形变，直接干扰其功能表现。这一承重能力的高低受活塞材质、截面形态及直径的直接影响，并且在实际应用中，液压缸的固有长度是固定的配置。此外，如果连接部件的长宽比例失衡，并且需要承载较重负荷，就有必要进行额外的稳定性校核。至于活塞杆的稳定性评估，则依据公式(3-3)来进行定量分析，公式如下所示：（3-3）式中，为安全系数，一般取=24。a.当活塞杆的细长比/kl rm i时22kiEJFlb.当活塞杆的细长比/kl rm i时21()kkfAFali r表 3.5 液压缸支承方式和末端系数i的值支承方式支承说明末端系数i一端自由一端固定1/4两端铰接1一端铰接一端固定2续表 3.5 液压缸支承方式和末端系数i的值kknFF knkn北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）9两端固定4表 3.6 、m的值材料28/10mNf m铸铁5.61/160080锻铁2.51/9000110钢4.91/500085采用中间部位固定的安装策略对于此类结构而言，因其自身具备较高的稳定性特质，故而无需额外进行稳定性验证。（3）柱塞连杆机构的优化该液压缸活塞杆的远端与拉力驱动电机组件相连，旨在应对工作状态下的偏心载荷问题，保障油缸的正确装配并提升作业效率。鉴于载荷条件的多样性，需审慎选择与之相适应的活塞杆端部设计，以充分满足应用需求并增强系统效能。（4）柱塞密封密封圈的常见分类包括 U 型、O 型和 V 型等。在配备 0.5 毫米薄钢板的条件下，建议依据 H9/f9 准则来选取适宜的防尘环与活塞杆组合。本设计中，为了简化设计流程并便于后续维护，特意选用了 O 型密封圈。3.1.3 液压缸缸体厚度计算液压缸的核心组件缸体，在面对高压力及大幅度径向尺度的工况下，进行强度验证是一项至关重要的任务。常见的缸体建造材料包括 20 号、25 号、35 号及 45 号钢，其中，45号钢因展现出全面卓越的性能特点而备受青睐。基于此，本研究特别选用了 45 号钢材作为缸体材质，旨在保证产品的高性能标准。2DPy （3-4）式中，Py在实施压力测试中，采用的单位是兆帕(MPa)。根据液压缸的额定压力 Pn不同，测试压力 Py 的设定也有所区别：若 Pn 不大于 5.1 兆帕，测试压力 Py 被定义为 Pn的 1.5 倍（Py=1.5Pn）；而当 Pn 位于 5.1 至 16 兆帕区间内，测试压力则下调至额定压力的1.25 倍（Py=1.25Pn）。缸筒材料许用应力，N/mm2。=nb，b为材料的抗拉强度。f北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）10注：1.额定压力 Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=6.3MPa2.最高允许压力 PmaxPmax1.5Pn=1.256.3=7.875MPa在液压缸缸体材料的选择上，若采用 45 号钢，则其在抗拉强度方面的表现可概述为：b=600MPa安全系数 n 的确定是依据液压传动与控制手册 中第 243 页的表 2-10 建议，采纳了n 等于 5 的设定值。则许用应力=nb=120MPa 2DPy=7.875 1252 120=4.1015625mm满足10D。取液压缸厚度 10.5mm。查标准取液压缸缸体外径为 146mm。3.1.4 液压缸长度的确定液压缸的长度 L 依据工件所需冲程的尺寸来定制确定。表 3.7 行程长度快进行程 L1(mm)170工进行程 L2(mm)80L=170+80=250mm 查题目参数得到的在现有条件下，我们构建了一个计算模型，其核心目标在于精准地确定传动系统最大工作冲程的尺寸。为了实现这一目标，我们紧密参考了表 4-4 中提供的规范指引，确保选型过程的合理性和准确性。与此同时，借助表 3-9 所列举的详尽数据，我们进一步细化了液压缸冲程的各项实际参数，确保其在满足工作要求的同时，也具备高度的可靠性和实用性。表 3.8 液压缸行程系列（GB 2349-80）6北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）112550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表 3.9 液压缸行程系列（GB 2349-80）6406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表 3.10 液压缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800查得标准最终取值为 L=250mm3.1.5 缸筒的加工要求缸筒内部直径 D 遵循 H7 精度配合标准，并要求表面粗糙度达到 Ra 0.16 微米级别，故需执行精密研磨步骤；热处理环节采用调质处理工艺，确保硬度不低于 HB 240 等级；关于缸筒内径 D 的几何尺寸精度控制，必须使圆度、锥度及圆柱度的偏差值均维持在内径总体公差的半数以下范围。缸体的直线度误差需被严格控制，不得超过 0.03 毫米的界限；为确保流畅连接且避免损伤，油口与排气口需加工倒角，同时排除任何飞边或毛刺的存在；缸筒内部表面施以镀铬处理以增强耐磨与抗腐蚀能力，而外部表面则需涂覆防锈漆料以提升其防腐蚀性能。3.1.6 法兰设计液压缸的终端配件形式多样，尤以凸缘式端帽最为普及。本次设计中，特别选用了法兰式端盖作为结构方案，并依据一个专门的数学公式来精确计算缸体端部凸缘的适宜厚度。北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）12 04(-)cpcpF D dhd（3-8）式中，h-法兰厚度（m）；d密封环内经 d=40mm（m）；Hd密封环外径（m）；Hd=50mmp系统工作压力（pa）；p=7MPaq密封力增量（单位为帕，Pa），其中 q 值依据材料的屈服应力确定，选取的标准是 353兆帕（MPa）。0D 螺钉孔分布圆直径（m）；0D=55mmcpd密封环平均直径（m）；cpd=45mm 法兰材料的许用应力（Pa）；=s/n=353/5=70.6MPaF法兰受力总合力（m）222()98.5644HFd pddqKN所以 04(-)cpcpF D dhd364 89.56 10(0.3-0.27)3.14 0.045 70.6 10=13.2mm为了安全取h=14mm3.1.7(缸筒端部)法兰连接螺栓的强度计算连接图如下：图 3.1 缸体端部法兰用螺栓连接（1-前端盖；2-缸筒）北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）13螺栓的强度评估依据以下数学表达式进行：螺纹处的拉应力:6max21104kFd Z(MPa)式（3-9）螺纹处的剪应力61max031100.2k kFdd Z(MPa)式（3-10）合成应力 223n (MPa)式（3-11）式 中,maxF液 压 缸 的 最 大 负 载，maxF=Amaxp，单 杆 时2/4AD，双 杆 是22()/4ADdk在考虑螺纹预紧系数时，对于静态或恒定载荷条件，推荐的 k 值范围是 1.25 至1.5；相反，如果载荷是动态变化的，k 值应选择在 2.5 到 4 之间以确保安全性。D液压缸内径；0d缸体螺纹外径；1d螺纹内经；1k螺纹内摩擦因数，一般取1k=0.12;变载荷取1k=2.54；材料许用应力，/sn,s为材料的屈服极限，n 为安全系数，一般取n=1.21.5；Z螺栓个数。最大推力为：41.5 10FApXN使用 4 个螺栓紧固缸盖，即：Z=4螺纹外径和底径的选择：0d=10mm 1d=8mm系数选择：选取K=1.31K=0.12通过应用方程式(3-9)，我们得出了螺纹区域的拉应力结果为：北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）146max21104kFd Z=4621.3 1.5 10410209.33.14 0.00815MPa根据式（3-10）得到螺纹处的剪应力为：4630.12 1.3 1.5 100.021098.40.2 0.00815MPa根据式（3-11）得到合成应力为：n=223=367.6MPa综合前面的计算数据分析，得出结论建议采用 12.9 级高强度的螺栓作为配置选项。查表的得：抗拉强度极限b=1220MP;屈服极限强度s=1100MP；不妨取安全系数 n=2可以得到许用应力值：=s/n=1100/2=550MP证明选用螺栓等级合适。3.2 活塞的设计活塞的宽度B一般取B=（0.6-1.0）D即B=（0.6-1.0）125=（75-125）mm取B=80mm液压缸采用的是液压传动，使其沿着气缸套做来回运动，要求其与气缸套之间的匹配，不要太紧，也不要太大。如果配合得太紧密，不但会增加发动机的最小启动压力，还会导致发动机的工作效率下降，同时还会造成气缸与活塞之间的接触面的损伤。当间隙太大时，会造成油缸内漏，从而导致油缸的充量利用率下降，从而影响油缸的工作特性。目前，活塞与汽缸之间的密封形式有：间隙式（适用于低压液压缸活塞密封）、活塞环（适用于大温差、低摩擦、高寿命）以及密封环。在密封环的选择上，考虑了三种主要类型：O 型密封圈，适用于工作压力达到 20 兆帕及需要较高运行速度的液压缸环境；另一种是特定型号密封圈，以其耐高温、高耐磨性及在低温下逐渐取代 Y 型密封的趋势而著称；还有 V 型密封圈，以其出色的耐磨、耐撕裂及抗冲击性能闻名。综合考量之下，O 型密封圈因其广泛适用性和高速工况下的优秀表现被最终选定。请注意，提及的“特定型号”应替换为具体的密封圈型号，因原文中未明确指出。3.3 导向套的设计与计算1.如何决定最短引导长度 H北方工业大学本科毕业设计说明书（论文）15在完全伸展的情况下，从活塞轴承表面的中心点到引导套管的滑动面中间点之间的间距被确定为最小引导长度（1）。当导距太小时，由于油缸之间的间隙而产生的初挠变形会增加，从而降低油缸的工作效率和工作的稳定性。所以，在进行液压油缸的设计时，应确保其最短导引距离。从实践中得出的结论是：在油缸的最大冲程和油缸的口径下，最短的导长是：220DLH（4-5）液压缸直径不超过 80 毫米时，通常将导套滑动面的长度 a 设为（0.61.0）d，而在气缸直径超过 80 毫米时，则为（0.61.0）d。在此基础上，我们开发了一项新颖设计策略，特别关注活塞宽度 B 的设定。当遇到导向长度 H 不足以满足需求时，解决方案是为活塞杆增配导向套筒 K（见图 4.1），以此扩大 H 的尺寸，并且需细致调整套筒 K 的宽度以确保最佳适配性。图 3.2 液压缸