伸缩式液压缸建模及分析_.docx

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1、伸缩式液压缸建模及分析摘要：伸缩式液压缸是机械工程用车如起重机、装载机等的常用必要元件，通过能量转化将液压能转化为机械能，从而达到伸缩、抬升、翻转等目的。活塞式和柱塞式是该种液压缸的两种常用结构形式。按工作方式分可以是单作用的也可以是双作用的，前者靠外力回程，后者靠液力回程。本课题是伸缩式液压缸的建模及分析，所设计的液压缸是三级套筒式单作用液压缸。论文主要介绍了伸缩式液压缸的发展历程以及现代应用，分析了伸缩式液压缸的结构特点及工作原理，展示了伸缩式液压缸的设计过程。主要设计部分有缸筒、缸体、缸头、导向、底盖等一些零件，使用CAD作出了这些零件的二维图形，用UG作出了三维建模图及装配图，并且对装

2、配好的液压缸进行了强度校核。最后对液压缸缸筒和底盖等薄弱部分进行了有限元分析，分析结果为强度和变形量均符合要求。关键词:伸缩式液压缸建模有限元分析1绪论11.1 课题研究的意义11.2 液压缸产品的各国发展情况21.3 液压缸发展趋势和存在问题31.4 本次设计的主要工作42液压缸的设计42.1 主要结构设计和尺寸计算42.2 其他零件的设计选用82. 2.1缓冲装置的设计83. 2. 2排气装置设计84. 2.3密封件的选用95. 2.4液压缸的安装连接结构91.2 3液压缸主要零件的材料和技术要求93液压缸的三维建模101.3 1UG软件的介绍103.2 中套结合件建模113.3 导向、中

3、套结合件等的快速建模法113.4 缸体建模123.5 缸筒建模133.6 缸盖建模143.7 缸头建模144液压缸主要零件的有限元分析154.1 缸筒的受力分析154.2 缸筒的强度计算174.3 3缸筒的许用应力与液体工作压力的关系184.4 缸筒的径向变形194.5 缸筒的强度分析21结论23参考文献错误!未定义书签。致 谢 错误!未定义书签。1绪论液压缸在液压传动中是很关键的动力元件，它通过将液压能转变为机械能从而能驱动机械进行各种直线或者摆动运动来工作。液压缸具有结构简单、制造容易、工作可靠、布置方便等特点，在液压系统中得到了广泛的应用。而伸缩式液压缸更适于安装在空间受限但又要求有较大

4、行程的设备中。.1.1 课题研究的意义近些年来，因为液压传动有长足的进步，尤其是在减震动、防污染、防渗漏、降噪音、节能和材料研究等多个方面，当电子技术的进步遇到了液压技术的发展，便实现了在局部空间传递巨大能量的想法。而且在准确控制这方面，液压传动更是无与伦比。液压传动技术水平的高低，在某些程度上代表着国家在工业方面的实力。因此,大力发展液压传动是国际趋势，而对液压缸设计的研究具有极强的针对性，对液压传动的细化、专业化具有非凡意义。我所研究的课题一一伸缩式液压缸正是液压缸种类里一个重要分支。它普遍应用于农业、矿业、工程、建筑等机械中。因此，快速发展液压技术有着极强的必要性，也是我国在液压领域迅速

5、发展的迫切要求。液压传动和其他传动方式相比优势明显：装置结构相对紧密、质量相对较小、惯性也比其他装置小；可调整的变速范围大，而且能实现无差级的速度改变；操纵简单,便于实现自动化，特别是电液联合应用时；能够充分发挥两者优点；易于实现过载保护；可实现低速的强力传动，无需减速器。由于液压传动的诸多优点，让这种技术迅猛发展，现已被大量应用于工程车辆、工程机械、农业机械、船舶、飞机、注塑机、汽车等各个工业部门。所以，发展此课题具有极强的重要性。综上所述，液压工业不仅是国家工业水平和国家经济水平的标志，也是国民日常生活和工作离不开的一个科学分支。然而和其他的世界级工业国相比，我们的液压水平还显得极其单薄，

6、许多产品质量不够好，电液结合的智能化也还处在起步阶段，为此我们必须不断努力，完成质的超越。1.2 液压缸产品的各国发展情况国内：1）工程车辆与机械用液压缸：工程机械大多是裸露在外的，工作时的环境也比较复杂。对外界的温度要求苛刻，怕碰撞等变形情况。2）用于切割金属的液压缸：金属切削机床在室内工作，工作环境和工作条件较好。机床液压缸一般都采用轴线固定的安装形式。3）锻压机械液压缸：锻压机械工作压力大，主液压缸必须具有足够的强度和刚度，采用寿命长的密封件或半永久性密封件。4）机械手液压缸：机械手要求液压缸有较快的工作速度、良好的运动平稳性和较高的定位精确度。另外，为了减少机械手液压缸因重量而产生的弯

7、矩，应尽量使零件配置合理，重量均匀分布。5）液压支架液压缸：液压支架是应用比较广泛的矿山采掘设备。因此多用强度较高的合金钢制成。6）飞机液压缸：飞机液压系统中的液压缸又称作动筒，普遍用于机翼和减速板的收放及操纵其他装置。作动筒除了一般工作要求外，还应特别注意减轻重量和提高工作的可靠性。7）冶金液压缸：根据冶金的特点，冶金机械主要向大规模、不间断、动作迅速和自动生产方向发展。要求提高产品性能，高效节能，提高设备的工作稳定性和可修复性，提高作业效率。8）船用液压缸：主要分单作用和双作用液压缸，采用青铜衬套支承导向，带有缓冲装置和排气阀。国外：因为世界上其他的工业国家在液压传动的发展上起步较早，因此

8、他们的产品在标准化和多功能及自动化方面较我国都有一定的优势。其所设计的液压缸产品多以8T500nun为活塞缸的直径范围，压力从1到600MPa不等。可谓产品繁多，功能强大,稳定性好。其中发展最好的美国和德国的产品，美国的产品有的在结构方面设计巧妙,有的在材料的选用方面独树一帜，比如当今最热门的碳纤维产品还有其他的一些复合型材料都出现在他们的产品中。当然，关于产品的可靠性，从德国一贯严谨的工业风格中就不难体会，本身这些国家就有很强的钢铁制造工艺，可以生产更好更耐用的钢材，再加上精湛的加工和先进的科技手段，生产的产品自然也就配合精密，润滑良好,耐用性极强。另外，由于海上开采石油还有其他大型水电工程

9、的需要，这些发达的工业国家正在加速发展超大型的液压缸产品。这些产品有超大的缸径，能承受难以想象的压力，设计成多级缸筒来实现更大的行程。在轮船航行和机床控制领域，伺服液压缸起着关键性作用。此类产品往往需要很大的启动压力，而且控制精度更高，当需要紧急控制时还需要液压缸有极快的反应动作。总的来说，国外产品发展快，无论在设计理念、加工工艺还是精确控制等方面都处于绝对领先的地位，这就需要我们抓紧学习，尽快赶上他们的步伐。1.3液压缸发展趋势和存在问题发展趋势：通过上面的对国内外液压缸技术发展的分析总结，不难看出我国和一些欧美发达工业国家相比还是有显著差距的，从这些差距中，能看出未来我国液压工业的发展方向

10、，从欧美国家的角度来看，这些正在发展的高新技术也代表着世界液压工业的发展趋势。第一，液压技术的发展方向应该向高效化、高速化、低能耗的方向发展，通过改良设计进一步提高液压缸的工作效率，通过优化结构降低生产所需成本，通过提高加工精度降低液压系统的故障率。第二，另一个重要方向就是向机电液一体化的方面作出更深更长远的规划发展。当今电子技术飞速发展，电控技术也达到了相当高的水平，我们完全可以通过控制方式的转变，来减少能量的损失。这样就能实现液压系统的优化，使自动化控制，电液控制的实现变得简单。第三，液压缸与高新技术相结合。也就是说以后要把其他学科的发展成果运用到液压领域来，比如通过电气自动化控制来实现液

11、压缸的智能或半智能，这样的结合既是发展又是进一步深一步的扩展，会使两个、多个领域同时全面进步。第四，发展标准制作和集成控制。标准化的工艺制作流程有助于降低成本，提高产品的可靠性和易维修性。而集成控制plc产品的加入，又能为精确智能控制提供保障。所以，在以后的发展中，局部精确控制成为必不可少的发展方向之一。存在问题：由于当今液压传动的一个发展方向是高压化，因此在高压化过程中出现的泄漏问题成为一大难点。在处理一般工程问题时不考虑液体的压缩性，但在液体冲击力变化巨大，压力波在管道中传播将对系统产生显著的影响，因此处理液压冲击时则须考虑液体的压缩性，同时也要考虑管子的弹性膨胀变形。液压缸是液压机的重要

12、组成部件之一，液压缸常因疲劳破环而失效。据不完全统计，液压缸产品在工作中出现问题的原因大多由液压油污染引起。系统油液中主要杂质来源，一方面是从外界混入的固体颗粒，另一方面是油液变质而生成的胶状物质。工作液体的泄漏尤其是工作油液的泄漏是液压缸设计中一个必须重视的问题。而且，泄漏问题也是最常见的运行故障，是影响安全、污染环境的重要因素.。1.4本次设计的主要工作在本次被液压设计中，首先需要按照给定的参数选择合理的伸缩式液压缸结构，进行设计，确定主要结构参数以及相应材料和加工技术规范。然后按照计算得出的数据进行二维作图，再利用二维图作出三维实体模型以及装配模型。最后根据受力情况，分别对液压缸各个薄弱

13、环节进行有限元分析，以保证其刚度、强度满足要求。2液压缸的设计2.1 主要结构设计和尺寸计算以液压缸的一级缸筒内径计算为例，这是根据液压缸载荷和系统额定工作压力来计算的公式：(2-1)0 = 3.57x10-2 x式中D液压缸内径(加)；F液压缸推力(kN)；P选定的工作压力(MPa)。将F=13KN, P=16KPa带入公式，由此可计算得出液压缸的缸体的内径为lOOmm,以此类推。其他计算所需公式如下:(2-2)N = Fv式中N液压缸的输出功率(KW)；F液压缸的输出力(kN)；r-液压缸的输出速度(m/s)。(2-3)式中v液压缸的储油量（电）；A液压缸的作用面积（痛）；S液压缸行程（m

14、）。Ast =么，式中t液压缸的作用时间A液压缸的作用面积（nr）；5液压缸行程（ni）。(2-4)v = 60A式中 v液压缸的输出速度（m/niin）；q-进入或流出液压缸的流量（n）3/s）；A作用面积Cm2） oF = pAxlO3式中F液压缸的输出力（kN）；P工作压力（MPa）；A作用面积（m-） oA =或式中 4活塞或柱塞的作用面积（m2）；D活塞或柱塞的直径（m）；(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)式中d活塞杆直径（ni）；D液压缸内径（m）；速度比经计算，此伸缩式液压缸各主要部分结构外形数据如表2-1：表2-1液压缸主要结构参数表计算数据一级套筒mm一级导向mm二级套筒mm二级导向mm缸体套筒mm缸体导向mm活塞杆mni外径110110909013813872内径100917871119111453壁厚59.569. 59. 58. 5长度367100366100404100453部分主要零件二维结构如下图:/4kXXXXAXXXXxXXxxXXX回酒El100OW A+时0LQaoKI图2-1 110中套结合件二维图除xfowwlws 陶丽图2-2底盖二维图