液压油缸的设计与计算

目录

一、设计要求——————————————————————-11、目的—————————————————————————12、题目—————————————————————————1二、总述————————————————————————-21、作者的话——————————————————————--22、设计提要———————————————————————3三、各零部件的设计及验算————————————————-51、缸筒设计———————————————————————52、法兰设计———————————————————————143、活塞设计———————————————————————194、活塞杆设计——————————————————————215、缓冲装置和排气阀设计—————————————————26四、外接线路和程序———————————————————-271、液压设配外接线路———————————————————272、操作板————————————————————————283、程序地址分配—————————————————————294、芯片接线图——————————————————————315、PLC程序指令—————————————————————-33五、参考文献———————————————————————38

AJL奥佳灵液压气动一、设计要求

1、目的

①、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，进行机电控制系统的初步设计工作，并结合设计或实验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。

②、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。③、培养学生掌握机电产品的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。

④、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2、题目

液压油缸的压力和速度控制①、执行元件：液压油缸；②、传动方式：电液比例控制；

③、控制方式：单片微机控制、PLC控制；④、控制要求：速度控制、推力控制；⑤、主要设计参数：

油缸工作行程————600、400mm；额定工作油压————4MP；

移动负载质量————1000、2000kg；负载移动阻力————5000、10000N；

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移动速度控制————3、6m/min。

二、总述

1、作者的话

液压油缸在现代工程中的使用十分频繁，其工作性能和可靠性直接影响工程的质量和进度；

利用数控电液伺服阀来控制液压油缸，可以实现输出的线性和实时控制，在很大程度上改善工程油缸的使用性能；

本次设计中使用的电液比例换向阀可以实现电——机械转换，配合放大器件同时使用，能够对油缸进行良好的控制；

实施控制的器件为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），选用德国西门子STEP7-200进行编程，接口简单易懂。

因为说明书比较长，为了方便阅读，在下面的“设计提要”中会先给出液压油缸设计的主要参数和一些部件的选用，在后续的“各零部件设计及验算”中再加以具体的说明和验证。

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2、设计提要

①、液压油缸主要参数给定

在设计要求中已经提到的参数这里就不再赘述，下面只给出此次设计中液压油缸主要部件的其他参数：

缸内径：D=80mm；缸外径：D1=90mm；壁厚：δ=5mm；

极限推力：Fmax=30162N；速比：ϕ=2；

活塞杆直径：d0=40mm；活塞外推流量：q1=0.5L/s法兰厚：h=8mm；

②、法兰安装方式

选择后端法兰安装方式，因为是推力，所以选用如下方式：

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③、缓冲机构的选用

一般承压在10MP以上应当选用缓冲机构，本次设计中，工作压力为4MP，因此缓冲机构从略。

④、密封装置选用

选用Yx型密封圈，聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）材料联合使用，达到良好的密封效果。

⑤、工作介质的选用

因为工作在常温下，所以选用普通的是油型液压油即可。

⑥、液压缸的装配

装配前必须对各零件仔细清洗；

要正确安装各处的密封装置：安装形密封圈时，要注意其安装方向，避免因装反而漏油，其唇边应对着有压力的油腔。此外，因为是Yx形密封圈，所以还要注意区分是轴用还是孔用，不要装错；

由于密封装置与滑动表面配合，装配时应涂以适量的液压油；螺纹联接件拧紧时应使用专用扳手，扭力矩应符合标准要求；活塞与活塞杆装配后，须设法测量其同轴度和在全长上的直线度是否超差；

装配完毕后活塞组件移动时应无阻滞感和阻力大小不匀等现象。

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AJL奥佳灵液压气动三、各零部件的设计及验算

1、缸筒设计①、缸筒结构的选择连接方式如下图：

选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊接方式连接。其优点是结构简单，易选取、易装卸；缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。

②、缸筒的要求

有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。

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③、缸筒材料的选取及强度给定部分材料的机械性能如下表：

本次设计选取45号钢从表中可以得到：

缸筒材料的屈服强度σs=360MP；缸筒材料的抗拉强度σb=610MP；现在利用屈服强度来引申出：

缸筒材料的许用应力[σ]=σs/n=360/5=72MP。其中n=5是选取的安全系数，来源于下表：

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④、缸筒的计算㈠、液压缸的效率

油缸的效率η由以下三种效率组成：

ηm=0.9ηv=1ηd=0.9

所以总效率为0.8。

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㈡、液压缸缸径的计算

F01=10000Nψ=0.7η=0.8

P=4MP

本次设计中液压缸负载为推力，根据式23.3—1得到内径：D=75.393mm

缸径可以取为80mm。

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㈢、流量的计算

液压缸流量根据下式计算：

设计要求中给定了活塞的平均速度：

vm=6m/min=0.1m/s

而活塞的面积：

A1=D2×π/4=50.27×10−4m2

（实际上这个值可以从手册里面查到）

容积效率：

ηv=1

根据式23.1—25得到活塞杆外推时的流量：

q1=0.5L/s

因为只使用外推方向，所以回程方向的流量从略。

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㈣、缸筒壁厚的计算

缸筒壁厚可以使用下式进行计算：

根据缸径查手册预取δ=3此时δ/D=3/80=0.0375≤0.08

满足使用薄壁缸筒计算式的要求，下面利用上式来计算：

最高允许压力一般是额定压力的1.5倍，根据给定参数P=4MP，所以：

Pmax=4×1.5=6MP

许用应力在选取材料的时候给出：[σ]=σs/n=360/5=72MP根据式23.3—3得到壁厚：

δ=3.33mm

为保证安全，取壁厚为5mm。

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㈥、缸筒壁厚的验算

下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：

根据式23.3—7得到：

Pn≤26.44MP

显然，额定油压P=4MP，满足条件；

先根据式23.3—10得到：

PPL=42.35MP

再将得到结果带入23.3—9得到：

Pn≤16.94MP

显然，额定油压P=4MP，满足条件；

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因为σb=610MP已经在选择缸筒材料的时候给出，根据式23.3—12得到：

PE=71.77MP

至于耐压试验压力应为：

PT=1.5×P=6MP

依据为：

因为爆裂压力远大于耐压试验压力，所以完全满足条件。

以上所用公式中各量的意释如下：

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⑤、缸筒的加工要求

缸筒内径D采用H7级配合，表面粗糙度Ra为0.16，需要进行研磨；热处理：调制，HB≥240；

缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半；刚通直线度不大于0.03mm；

油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺；在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。

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2、法兰设计

①、（缸筒端部）法兰厚度计算法兰厚度根据下式进行计算：

首先来计算法兰在最大内压的情况下受到的压力F：在流量的计算中已经得出活塞的面积是：

A21=D×π/4=50.27×10−4m2

缸壁厚度计算中得出最大压强：

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Pmax=4×1.5=6MP

所以法兰承受的最大压力为：F=Pmax×A1=30162N接下来选取其它参数：

ra=52mmdL=6mm

b=5mm

许用应力在选取材料的时候给出：[σ]=σs/n=360/5=72MP

将以上各量带入式23.3—16得到：h=7.6mm

为保证安全，取法兰厚度为8mm。

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②、（缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算连接图如下：

螺栓强度根据下式计算：

最大推力为：F=30162N

使用15个螺栓紧固缸盖，即：Z=15

螺纹外径和底径的选择：

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d0=6mm

d1=4.8mm

系数选择：

考虑到载荷可能有变化，为了安全，选取：K=3

K1=0.12

根据式23.3—20得到螺纹处的拉应力为：

σ=333.32MP

根据式23.3—21得到螺纹处的剪应力为：

τ=196.37MP

根据式23.3—22得到合成应力为：

σn=476.25MP

由以上运算结果知，应选择螺栓等级为12.9级：

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查表的得：抗拉强度极限σb=1220MP

屈服极限强度σs=1100MP

不妨取安全系数n=2可以得到许用应力值：[σ]=σs/n=1100/2=550MP再次使用式23.3—22得到：

σn≤[σ]成立

证明选用螺栓等级合适。

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3、活塞设计①、活塞结构的设计

活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：

此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。

②、活塞的密封

选用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：

㈠、降低摩擦阻力，无爬行现象；

㈡、具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；㈢、安装沟槽简单，拆装简便。

这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下：

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③、活塞的材料

选用高强度球墨铸铁QT600-3

④、活塞的尺寸及加工公差

选择活塞厚度为活塞杆直径的1倍，因为活塞杆直径是56mm（这个在后面的活塞杆设计中会给出解释），所以活塞的厚度为56mm。

活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件，所以要求不高，这里不加叙述。

活塞外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，断面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半。

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4、活塞杆的设计①、活塞杆杆体的选择

此次设计选用的是实心杆件，形式如下图：

②、活塞杆与活塞的连接形式

此次设计采用的是锁紧螺母型连接，如下图：

③、活塞杆材料和技术要求

㈠、因为没有特殊要求，所以选用45号钢作为活塞杆的材料，本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但进行淬火处理是必要的，淬火深度可以在0.5—1mm左右。

㈡、安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。

㈢、活塞杆外圆粗糙度Ra选择为0.3µmhttp://www.yyygqg.cnhttp://yyygqg.cn.alibaba.com-22-

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㈣、因为是运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。④、活塞杆的计算㈠、活塞杆直径的计算

活塞杆的直径可以根据速比来确定，公式如下：

速比ϕ=2

由公式23.3—27计算得d=56mm

事实上也可以从下面的表格中直接查取：

因为缸筒内径为80mm，从上表中选取速比为2的活塞杆直径是56mm，这也正是之前在确定活塞厚度的时候所用到的数据。

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㈡、活塞杆强度的计算

活塞杆端部的负载连接点与与液压缸支撑之间的距离为LB，如果：

LB≤10d（显然这个是成立的）

就用下式计算活塞杆强度：

实际上式中的σs/n就是材料的许用应力，之前已经给出了45号钢的许用应力为：[σ]=σs/n=360/5=72MP最大推力F=30162N

于是根据式23.3—28得到活塞杆的直径：d≥23mm

可知强度符合要求。

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㈢、活塞杆弯矩稳定性验算

先计算活塞杆截面的惯性矩

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I=4810.304m4

油缸支撑长度LB=1121mm（见CAD油缸装配图）导向系数根据安装方式选择，如下图第二格所示：

因此安装导向系数K=1.5

将以上各量带入公式中得到活塞杆失稳力：

F5k=3.028×10N

选取安全系数nk=5得到最大承载力的判别式F≤Fk/nk=6×104N

显然这是符合要求的，因为最大工作压力是3×104N，而额定工作压力只有1×104N。

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⑤、活塞杆的导向、密封和防尘㈠、导向环

选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损后导向环易于更换。㈡、密封

Yx型轴用密封圈加轴用阶梯圈组合使用，这样比起单独密封，可以减小摩擦，减少泄漏量，增加寿命。㈢、防尘

使用DH防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。

5、缓冲装置和排气阀

由于时间原因和课程设计的要求，这两项酌情省略。

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AJL奥佳灵液压气动四、外接线路和程序

1、液压设备外接线路设计原理如下图：

原理说明：

㈠、利用液压油泵供油，出油泵以后首先接入“电磁溢流阀（YB1、YB2）”，由“电磁溢流阀”决定下一步的油压。（这一项通过PLC控制）

㈡、“电磁换向阀（YA1、YA2、YA3）”在中间位置（YA3）时，泵输送的油完全泄入油缸，油缸不工作；在左边位置（YA1）时，活塞正向运动；在右边位置（YA2）时，活塞负向运动。（这一项通过PLC

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控制）

㈢、“调速阀（YC1、YC2）”对输入油缸正向的油压大小进行控制，可以调节到需要的尺度。（这一项通过PLC控制）

㈣、油缸处于正向工作状态的时候，滤油器可以对液压油进行过滤。

㈤、油缸行程的始端和末端有行程开关，控制活塞停止和运动。（这一项通过PLC控制）

2、操作板

PLC控制面板如下图：

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序号

地址

符号

备注

控制步骤及解释：

㈠、泵开启按钮选择是否开启额定压力（通过“电磁溢流阀”控制泵输出压力）；

㈡、速度按钮选择活塞运行速度（通过“调速阀”控制）；㈢、自动回程按钮选择是否自动回程（默认不自动回程）；㈣、正向按钮活塞正向运动；㈤、负向按钮活塞负向运动；

㈥、急停按钮在任何情况下停止活塞运动；

㈦、复位按钮在任何情况下停止活塞运动并等待一秒钟时间后返回初始位置；

（注：如果泵压力按钮选择关闭，则其他部件全部失效，用于完全停止液压缸的运行）

3、程序地址分配

利用德国西门子STEP7-200编程，共使用三个芯片板，下表中已标明各地址分配值的具体作用，没有标出符号的地址只用于程序内部，不用做外部直接输出。

地址分配表格如下：

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1234567101112131415161718192021

I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I1.1I1.2I1.3I2.1I2.2I2.3I2.4Q0.1Q0.2Q0.3Q1.1Q1.2Q1.3Q2.1Q2.2Q2.3

YC1YC2SB1SB2SB3SQ1SQ2SS1SS2SFSG1SG2SZ1SZ2YA1YA2YA3YB1YB2

活塞正向运行活塞负向运行活塞急停行程末端开关触发行程始端开关触发泵供油开通泵供油关闭全部复位选择3m/s行进速度选择6m/s行进速度活塞自动回程开启活塞伸出到位停止电磁换向阀正向位电磁换向阀负向位电磁换向阀中间位溢流阀值4MP溢流阀值0MP锁时（程序内部使用）

调速阀3m/s位调速阀6m/s位自动回程（内部使用）

-31-

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4、芯片接线图接线图1：

注释：SQ1、SQ2是行程开关的动合触点，活塞到达行程的始端和末

端会压合触点，执行相应的程序控制液压缸的动作。

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接线图2：

接线图3：

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5、PLC程序指令：①、选择活塞速度

②、选择是否自动回程

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③、选择油泵工作是否有效

如果油泵有效，意味着溢流阀保持在4MP

④、正向运行

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⑤、负向运行

⑥、急停

无论正向还是负向运行，都会立即停止。

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⑦行程始端末端自动停止

⑧、自动回程

如果开始选择了自动回程（事实上在油缸运作中也可以对此项进行设置），活塞完全伸出后，等待时间为1m，之后自动返回初始位置。

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⑨、复位

首先全部动作停止

之后等待1m，活塞自动回到初始位置。

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AJL奥佳灵液压气动五、参考文献

1、程大先，《机械设计手册单行本液压传动》，北京，化学工业出版社，2004.1

2、贾培起，《液压缸》，北京，科学技术出版社，1987.63、刘辉、林玲，基于PLC控制的液压控制系统，科技动态

4、朱明星、李庆峰，PLC在液压传动控制系统中的应用，铜陵职业技术学院学报，2006年第4期

5、刘贤波、宋风、王玉宝，液压油缸结构的改进，煤矿机械，2008年11月

6、刘贤波、催梅生、张传伟，液压支架用液压油缸活塞杆弯曲稳定性的验算分析，煤矿机械，2008年1月

7、罗忠辉、王筱珍、液压缸运动的PLC闭环控制研究，机床与液压，1997.6

8、边辉、李震，液压油缸密封支承材料的选用，中国设备工程，2005.59、张书奇，液压自动往复液压缸的设计，液压气动与密封，2003年10月

10、马俊功、王世富、王占林，用电液比例阀改造液压油缸试验台，机械（维修与改造），2006年第2期

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