工程机械用三级液压缸的设计与仿真
插图清单
图1-1 伸缩式液压缸实图…………………………………………………………3 图1-2 多级液压缸工作原理图……………………………………………………3 图4-1 缸盖机加工图………………………………………………………………13 图4-2 浮动性导向环………………………………………………………………14 图4-3 导向套结构…………………………………………………………………15 图4-4 活塞杆导向套尺寸…………………………………………………………15 图4-5 活塞杆的密封于防尘结构…………………………………………………16 图4-6 液压缸缓冲装置……………………………………………………………17 图4-7 杆用单耳环安装尺寸………………………………………………………18 图6-1 三级缸………………………………………………………………………21 图6-2 二级缸………………………………………………………………………22 图6-3 一级缸………………………………………………………………………22 图6-4 零级缸………………………………………………………………………23 图6-5 液压缸装配图………………………………………………………………23 图6-6 应力分析……………………………………………………………………24 图6-7 位移分析……………………………………………………………………24
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引言
液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。
液压传动相对于机械传动来说，它是一门新学科，17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，只是由于早期技术水平和生产需求的不足，液压传动技术没有得到普遍地应用。1795年英国约瑟夫·布拉曼在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。第二次世界大战期间，在兵器上采用了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准化、规格化、系列化而在工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。
本设计中首先对设计产品进行工况分析，进而对其主要参数进行计算并校核，再利用CAD软件绘出产品零件图和总装图，以及solidworks进行机械运动仿真。solidworks软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。solidworks软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
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工程机械用三级液压缸的设计与仿真
第1章 绪论
1.1液压缸的发展
在发展过程中存在以下问题：液压缸结构传动不能保证严格的传动比；工作过程中常用较多能量损失（摩擦损失、泄露损失等）；对油温的变化比较敏感，它的工作稳定性容易受到温度变化的影响；为了减少泄露，液压元件在制造精度上的要求比较高，因此造价高; 液压传动出故障时不易找出原因，使用和维修要求有较高的技术水平；液压缸的活塞杆在油压的作用下伸出或缩回时，经常出现速度不均匀现象，并有时伴有振动和异响，从而引起整个液压系统的振动，并带动主机其它部件振动等缺点，所以液压缸结构需进一步发展改良，以便适应国家经济发展的需要。
随着社会进步，科学技术的不断发展，液压缸的发展也不断进步，液压缸呈现以下的发展趋势：
1、高压化、小型化。高压化是减少液压缸径向尺寸和减轻重量，并缩小整套液压装置体积的有效途径。
2、新材质、轻量化。随着高压化、小型化，液压缸的使用环境的考验等，新材质、轻量化也成了解决办法之一。
3、新颖机构复合化。为了适应液压缸应用范围的扩大，各种新颖结构的液压缸不断出现，如自控液压缸、自锁液压缸、钢缆式液压缸、蠕动式液压缸和复合化液压缸等。
4、高性能、多品种。 5、节能化与耐腐蚀。
1.2液压缸的类型
根据常用液压缸的结构类型，可将其分为四种类型：活塞式、柱塞式、伸缩式、摆动式。
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。
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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 多级液压缸工作原理图
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、液压缸活塞直径的却东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。
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工程机械用三级液压缸的设计与仿真
第2章 液压缸工况分析
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。液压缸的类型为双作用多级式伸缩缸，即双作用三级伸缩液压缸，有三个依次运动的活塞套筒组成，输出运动按有效工作截面积大小依次进行。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液压缸的工作压力
液压缸的输出力F是由工作压力p和活塞的有效面积A决定。 F?P?A 表2-1 各类液压设备常用的工作压力 机床 设备类型 磨床 组合机床 车床 铣床 镗床 农业机械 汽车工业 小型工程拉床 龙门刨床 机械及辅助机械 ＜10 10~16 工程机械 重型机械 船用系统 锻压设备 液压支架 工作压力/ MPa ≤2 ＜6.3 2~4 16~32 14~25 工程机械中，液压系统的工作压力不断提高，通过上表可取本设计中液压缸的工作压力p=30MPa。用于工程机械，取负载m=20t。 2.3 液压缸的选材 缸体：45号钢无缝钢管。45钢无焊接件，可用调质处理提高强度表面粗糙度要小（Ra=0.2~0.4?m）工艺要求内孔一般用珩磨或滚压加工 活塞：45号钢。 活塞杆：45号钢圆钢或无缝钢管，一般表面要镀硬铬，表面粗糙度要Ra=0.2~0.4?m. 缸底：法兰连接，35号、45号钢锻件。 密封结构：防漏、防尘、耐磨
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