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摘要
隨著工業(yè)發(fā)展的越來越快，工業(yè)化程度的不斷深入，大尺寸、大重量、不規(guī)則表面的工件越來越多的成為工廠加工的對象。在加工過程中，如何準確地將這些工件升級到預定位置成為最難解決的問題。此時，傳統(tǒng)的千斤頂和起重機等設備已不能滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)要求。在這種環(huán)境下，同步頂升系統(tǒng)應運而生，在建筑、機械加工、造船等行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在千斤頂機械結(jié)構(gòu)設計時，采用了法蘭型液壓缸原型，并在此基礎上針對液壓千斤頂?shù)氖褂锰匦赃M行了調(diào)整。最后成形時所包含的主要部件是底座、油缸、底蓋、活塞、導向套、支撐套、鎖母、球頭、工作臺等。需要對重要部件進行強度校驗。
【關鍵詞】: 千斤頂；設計；機械
Abstract
At present, China's industry is developing faster and faster, and the degree of industrialization continues to deepen, large size, heavy weight, irregular surface of the workpiece more and more become the object of factory processing. In the process of processing, how to accurately upgrade these workpieces to a predetermined position becomes the most difficult problem to solve. At this time, traditional jacks and cranes and other equipment can not meet the existing production requirements. It is also in this environment that synchronous jacking system emerges as the times require, and plays an increasingly important role in construction, mechanical processing, shipbuilding and other industries.
In the design of the mechanical structure of the jack, the prototype of the flange hydraulic cylinder is adopted, and on this basis, the use characteristics of the hydraulic jack are adjusted. The main parts included in the final forming are the base, cylinder, bottom cover, piston, guide sleeve, support sleeve, lock mother, ball head, worktable, etc. It is necessary to check the strength of important parts.
[Key words] Jack; Design; Machinery
47
1.緒論
1.1選題背景
早在20世紀40年代，國外汽車維修部門就開始使用臥式千斤頂，但由于當時的設計和使用原因，千斤頂尺寸大，承載能力低。后來，隨著社會需求的增加和千斤頂技術(shù)的發(fā)展，90年代初大多數(shù)國外用戶用臥式千斤頂代替了立式千斤頂，90年代末，國外開發(fā)了充氣式千斤頂和便攜式液壓千斤頂?shù)刃滦颓Ы镯敗３錃馇Ы镯斒潜＜永麃喥囘\輸協(xié)會發(fā)明的。它由彈性很強的橡膠制成。使用時，千斤頂用軟管與汽車排氣管連接。15-20秒后，千斤頂膨脹成一個圓柱體。這種千斤頂可以把115t 重的汽車頂起70cm。Power-Riser Ⅱ型便攜式液壓千斤頂則可用于所有類型的鐵道車輛,包括裝運三層汽車的貨車、聯(lián)運車以及高車頂車輛。同時它具有一個將負載定位的機械鎖定環(huán),一個三維機械手,一個全封閉構(gòu)架以及一個用于防止雜質(zhì)進入液壓系統(tǒng)的外置過濾器。另外一種名為Truck Jack 的便攜式液壓千斤頂則可用于對已斷裂的貨車轉(zhuǎn)向架彈簧進行快速的現(xiàn)場維修。該千斤頂能在現(xiàn)場從側(cè)面對裝有70～125t 級轉(zhuǎn)向架的大多數(shù)卸載貨車進行維修,并能完全由轉(zhuǎn)向架側(cè)架支撐住。它適用于車間或軌道上無需使用鋼軌道碴或軌枕作承。
隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車隨車千斤頂?shù)囊笠苍絹碓礁?同時隨著市場競爭的加劇,用戶要求的不斷變化,將迫使千斤頂?shù)脑O計質(zhì)量要不斷提高,以適應用戶的需求。用戶喜歡的、市場需要的千斤頂將不僅要求重量輕,攜帶方便,外形美觀,使用可靠,還會對千斤頂?shù)倪M一步自動化,甚至智能化都有所要求。如何充分利用經(jīng)濟、情報、技術(shù)、生產(chǎn)等各類原理知識,使千斤頂?shù)脑O計工作真正優(yōu)化?如何在設計過程中充分發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造性勞動和集體智慧,提高產(chǎn)品的使用價值及企業(yè)、社會的經(jīng)濟效益? 如何在知識經(jīng)濟的時代充分利用各種有利因素,對資源進行有效整合等等都將是我們面臨著又必須解決的重要的問題。
1.2液壓千斤頂?shù)母攀?
液壓千斤頂分為通用和專用兩類。通用液壓千斤頂適用于起重高度不大的各種起重作業(yè)。它由1手動泵2液壓缸3排油單向閥4進油單向閥5油箱6截止閥等主要部分組成。工作時，只要往復扳動搖把，使手動油泵不斷向油缸內(nèi)壓油，由于油缸內(nèi)油壓的不斷增高，就迫使活塞及活塞上面的重物一起向上運動。打開回油閥，油缸內(nèi)的高壓油便流回儲油腔，于是重物與活塞也就一起下落。
專用液壓千斤頂使專用張拉機在制作預應力混凝土構(gòu)件時對預應力鋼筋施加張力。大多數(shù)專用液壓千斤頂都是雙作用的。常用的有兩種類型：穿孔型和錐形錨。穿孔千斤頂適用于鋼筋或鋼絲束的張拉。主要由張緊缸、頂升缸、頂升活塞和彈簧組成。其特點是：沿擔架軸線有一個穿孔通道，鋼筋（或鋼絲）穿入后用工具錨定在尾部。其工作原理：拉伸時，打開前后油嘴，從后油嘴向拉伸油室供油，向后移動氣缸體。由于鋼索錨定在千斤頂層的工具錨上，鋼索通過工具被千斤頂拉長。當電纜拉伸到所需長度時，關閉后噴嘴，將油從前噴嘴輸送到上缸，使上缸活塞向前移動并固定住錨塞，然后將錨塞壓入錨環(huán)，以錨定電纜。打開后噴嘴，繼續(xù)從前一個噴嘴供油，然后張緊氣缸向前移動，氣缸中的機油返回。最后，打開前噴嘴，使頂部壓力缸中的油可以循環(huán)，并且由于復位彈簧的作用，頂部壓力活塞可以恢復到原來的位置。
液壓千斤頂按其結(jié)構(gòu)、用途可分為1立式螺紋連接液壓千斤頂表征字母QYL2立臥兩用液壓千斤頂表征字母QW。型號表示方法如：額定起重量為5t的普通行程的手動立式液壓千斤頂?shù)臉擞洖椋呵Ы镯?QYL5 JB2104 ;額定起重量為5t的低行程的手動立式油壓千斤頂?shù)臉擞洖椋呵Ы镯?QYL5D JB2104 ; 額定起重量為320t的立臥兩用油壓千斤頂?shù)臉擞洖椋呵Ы镯?QW320 JB2104。
液壓千斤頂?shù)募夹g(shù)要求：1產(chǎn)品應符合本標準要求，并按經(jīng)規(guī)定程序批準的圖樣和有關技術(shù)文件制造。 2千斤頂在溫度為－20到+45℃的環(huán)境中應能有效地工作。固定密封處不得漏油，運動密封處只允許油膜存在，手柄操作力應符合 要求，且無異常現(xiàn)象。3 千斤頂應有可靠的安全裝置。
1.3設計目的
在生產(chǎn)實踐中，我們經(jīng)常遇到一些重物，如重型子機床、地下軌道等，在沒有起重設備的情況下移動或起重。依靠手動操作是非常困難的，這需要使用液壓千斤頂來幫助我們。液壓千斤頂與我們的生活息息相關，已廣泛應用于建筑、鐵路、汽車維修等部門。因此，液壓千斤頂技術(shù)的發(fā)展將直接或間接地影響到這些部門的正常運行和工作。千斤頂是最簡單的起重設備，起重高度較?。ㄐ∮?米）。它有兩種類型：機械式和液壓式。液壓千斤頂主要用于工廠、礦山、運輸?shù)炔块T的車輛修理等起重、支撐等工作。其結(jié)構(gòu)輕巧、牢固、靈活可靠，一人攜帶、操作。液壓千斤頂是一種應用廣泛的工具，采用優(yōu)質(zhì)材料鑄造而成，保證了液壓千斤頂?shù)馁|(zhì)量和使用壽命。
2主要技術(shù)特點及參數(shù)
2.1技術(shù)特點
1液壓千斤頂結(jié)構(gòu)緊湊，能平穩(wěn)起升重物且傳動效率較高適合于搶險救災。
2 液壓千斤頂在-20℃~+45℃的環(huán)境中能正常有效地工作。固定密封處不得漏油，運動密封處只允許有油膜存在，手柄操作力應符合要求且無異?，F(xiàn)象。
3液壓千斤頂容易漏油，不宜長時間支撐物體，液壓缸與活塞配合部分密封采用尼龍碗型密封件和O型密封圈組合密封，橡膠具有良好的彈性，受力變形后能及時迫使尼龍碗唇邊與缸壁貼合起到良好的密封。
2.2基礎參數(shù)
液壓千斤頂?shù)闹饕A參數(shù)如下表2-1所示：
表2-1 液壓千斤頂基礎參數(shù)
液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件
最大起升重量
最大行程L
液壓缸
5t
200mm
方案一：液壓千斤頂?shù)牟捎檬直c小型液壓缸組成的手動液壓泵驅(qū)動帶動執(zhí)行元件大液壓缸的舉升運動。
方案二：液壓千斤頂采用電動液壓泵來驅(qū)動大液壓缸舉升運動。
分析：在這里我們需要千斤頂結(jié)構(gòu)簡單且操作方便最重要的是適合野外工作，因此我們在這里選擇第一種方案手動液壓千斤頂來研究。
手柄操作力取60N，起升進程（單位mm）4 mm，泵芯直徑（單位mm）12 mm，活塞直徑（單位mm）90 mm
手柄操作力對小液壓缸的作用力容易算的為300N
查閱資料根據(jù)經(jīng)驗設定液壓缸最大上升速度為5m/min，液壓千斤頂啟動加速時間?t=0.1
3液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟砗涂傮w設計
3.1液壓千斤頂工作原理
3.1.1液壓千斤頂?shù)脑韴D
圖3-1 液壓千斤頂原理圖
液壓千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)如上圖所示：1油泵的手柄2油泵缸體3排油單向閥4吸油單向閥5油箱6、7、8、9連接油箱、液壓缸和泵缸的管路8截止閥11液壓缸12重物。
3.1.2液壓千斤頂?shù)慕M成；
液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵）、執(zhí)行元件（液壓缸）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)組成。
1.動力元件（油泵）主要將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液壓能是液壓傳動的動力部分。
2.執(zhí)行元件（液壓缸）它將液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機械能。
3.控制元件（各種閥）對液壓系統(tǒng)壓力、流量、流向進行調(diào)節(jié)控制。
4.工作介質(zhì) 液壓傳動中的液壓油或者乳化劑。
5.輔助元件 各種管路和油箱。
3.1.3液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟恚?
工作原理是扳手1往上走帶動小活塞向上，小液壓缸下腔容積增大而形成局部真空，排油單向閥3關閉，油箱里的油通過油管和吸油單向閥門4被吸進小活塞下腔，扳手往下壓時帶動小活塞向下，小液壓缸下腔容積減小，液壓油受擠壓壓力升高，吸油單向閥關閉，小活塞下部的油通過內(nèi)部油路和單向閥門3被壓進大活塞下部，推動活塞。
如此不斷上下拌動杠桿，則不斷有液壓油進入大液壓缸下腔推動活塞頂起重物。因杠桿作用原理將手上的力增大數(shù)十倍作用到小液壓缸活塞上，大活塞面積又是小活塞面積的數(shù)十倍，有手動產(chǎn)生的油壓被擠進大活塞，有帕斯卡原理知大小活塞面積比與壓力比相反。這樣一來，手上的力通過扳手到小活塞上增大了十多倍(暫按10倍)，小活塞到大活塞力有增大十多倍(暫按10倍)，到大活塞力量=10X10=100倍的力量了實現(xiàn)了用很小的力量頂起了較重的物體。截止閥8打開液壓缸中的活塞在自重的作用下實現(xiàn)回程動作。
3.2液壓千斤頂總體設計
經(jīng)過調(diào)研了解到，國內(nèi)市場對于千斤頂?shù)男枨罅勘容^大，比如鐵路、汽車、輪船等行業(yè)應用廣泛，特別是在汶川地震搶險救災中千斤頂起到了至關重要的作用，針對這種情況確定方案：
1.為了使起升重物平穩(wěn)采用液壓動力舉升裝置。
2.考慮到野外搶險救災，液壓千斤頂重量要輕要容易移動，采用單活塞桿單作用液壓缸使結(jié)構(gòu)簡便減輕千斤頂重量。
3.考慮到野外搶險救災，要爭取時間故液壓千斤頂操作要簡便易行故采用手動液壓泵，而不采用電動。
3.2.1液壓千斤頂主要參數(shù)的選擇；
查閱相關資料參考文獻【2】確定液壓千斤頂?shù)钠鹕畲笾亓繛?t，最大行程為200mm，主要結(jié)構(gòu)液壓缸為單活塞單作用油缸。
3.2.2液壓缸的設計步驟；
1.設計依據(jù):
（1）液壓缸的用途和工作條件。
（2）工作結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點、負載情況、行程大小和動作要求等。
（3）液壓系統(tǒng)的工作壓力和流量。
（4）有關國家標準。
國家隊額定壓力、速比、剛內(nèi)經(jīng)外徑活塞桿直徑及進出口連接尺寸等都做了規(guī)定（建有關手冊）。
2.設計步驟:
（1）液壓缸類型和各部分結(jié)構(gòu)形式的選擇。
（2）基本參數(shù)的確定。
確定工作負載、工作速度、速比、工作行程。（這些參數(shù)應該是已知的。）
確定缸內(nèi)經(jīng)、活塞桿直徑、導向長度等。（這些參數(shù)應該是未知的。）
（3）結(jié)構(gòu)強度計算和驗算
進行缸筒壁厚、缸蓋厚度的計算，活塞桿強度和穩(wěn)定性驗算，以及各部分連接結(jié)構(gòu)強度計算。
（4）進行導向、密封、防塵、排氣和緩等裝置的設計（結(jié)構(gòu)設計。）
（5）整理設計計算說明書，繪制裝配圖和零件圖。
應當指出，對于不同類型和結(jié)構(gòu)的液壓缸，其設計內(nèi)容有所不同，而且各參數(shù)之間往往具有各種內(nèi)在聯(lián)系，需要綜合考慮反復驗算才能獲得比較滿意的結(jié)果，所以設計步驟也不是固定不變的。
4液壓傳動的設計
液壓傳動系統(tǒng)是液壓機械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設計要同主機的總體設計同時進行。著手設計時，必須從實際出發(fā)，有機地結(jié)合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動地優(yōu)點，力求設計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。在液壓傳動中，液壓缸就是一個最簡單而又完整的液壓傳動系統(tǒng)，分析它的過程可以清楚的了解液壓傳動的基本原理。
4.1液壓系統(tǒng)的設計步驟與設計要求
4.1.1設計步驟
液壓系統(tǒng)的設計步驟并無嚴格的順序，各步驟間往往要相互穿插進行。一般來說，在明確設計要求之后，大致按如下步驟進行。
（1）確定液壓執(zhí)行元件的形式；
（2）進行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)；
（3）制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖；
（4）選擇液壓元件；
（5）液壓系統(tǒng)的性能驗算；
4.1.2明確設計要求
設計要求是進行每項工程設計的依據(jù)。在制定基本方案并進一步著手液壓系統(tǒng)各部分設計之前，必須把設計要求以及該設計內(nèi)容有關的其他方面了解清楚。
（1）主機的概況：用途、性能、作業(yè)環(huán)境、總體布局等；
（2）液壓系統(tǒng)要完成哪些動作，動作順序及彼此聯(lián)鎖關系如何；
（3）液壓驅(qū)動機構(gòu)的運動形式，運動速度；
（4）各動作機構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；
（5）對調(diào)速范圍、運動平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)速精度等性能方面的要求；
（6）自動化程度、操作控制方式的要求；
（7）對防塵、防爆、防寒、噪聲、安全可靠性的要求；
（8）對效率、成本方面的要求。
4.2進行工況分析、確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
通過工況分析，可以看出液壓執(zhí)行元件在工作過程中速度和載荷變化情況，為確定系統(tǒng)及各執(zhí)行元件的參數(shù)提供依據(jù)。
液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
4.2.1液壓缸載荷組成和計算
下圖是一個以液壓缸為執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)計算簡圖。各有關參數(shù)標注圖上，其中Fw是作用在活塞桿上的外部載荷，作用在活塞桿上的外部載荷包括液壓缸軸線方向的活塞重力Fg，導軌的摩擦力Ff和由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力Fm。
（1）工作外載荷Fw
常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力、切削力、擠壓力等。這些作用力的方向如與活塞運動方向相同為負，相反為正。當液壓缸舉升小車時，工作載荷為
（2）導軌摩擦載荷Ff
根據(jù)成大先主編的《械設計手冊（第六版）》中237頁可知對于豎直導軌公式：
------------------------------------------------------ 1
式中 FN——外載荷作用于導軌上的正壓力（N）;
μ—— 摩擦系數(shù)
（3）慣性載荷
根據(jù)成大先主編的《械設計手冊（第六版）》中238頁可知慣性載荷公式：
-----------------------------------------------------------2
式中 a——加速度；a=?υ/?t
?υ—— 速度變化量（m/s）；
?t—— 起動或制動時間（s）。一般機械?t=0.1~0.5s, 對輕載低速運動部件取小值，對重載高速部件取大值。行走機械一般取?υ/?t =0.5~1.5m/s2 液壓千斤頂上升的最大速度設為5m/min，啟動和制動時間?t為0.1s，則加速度a=0.83m/s2
4.3液壓缸主要零件的結(jié)構(gòu)、材料及技術(shù)要求
液壓缸缸體的常用材料為20、35、45號無縫鋼管。用20號鋼的力學性能略低,且不能調(diào)質(zhì),應用較少;當缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需焊接時,則應采用焊接性能較好的35號缸,粗加工后調(diào)質(zhì);一般情況下,均采用45鋼,并調(diào)質(zhì)到241~285HB。
液壓缸主要零件如缸體、活塞、活塞桿、缸蓋、導向套的材料和技術(shù)要求見下表2內(nèi)容。
表4-1 液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求
零件名稱
材 料
主要表面粗糙度
技術(shù)要求
缸體
45號無縫鋼管
液壓缸內(nèi)圓柱表面粗為:
Ra0.2~0.4μm
(1)內(nèi)徑用H8~H9的配合；
(2)內(nèi)徑D的圓度公差值按10級精度選取，圓柱度公差值按8級精度選?。?
(3)缸體端面T的垂直度公差值按7級精度選?。?
(4)為防止腐蝕和提高壽命,內(nèi)徑表面鍍0.03~0.04mm厚的硬鉻,再進行拋光,缸體外涂耐腐蝕油漆
活塞
耐磨鑄鐵
活塞外圓柱表面粗糙度為:
Ra0.8~1.6μm
(1)外徑D對內(nèi)孔D1的徑向跳動公差值，按7、8級精度選?。?
(2) 端面T對內(nèi)孔D1軸線的垂直度公差值，按7級精度選?。?
(3)外徑D的圓柱度公差值，按9、10或11級精度選??；
(4)活塞外徑用橡膠密封圈密封時取f7~f9配合,內(nèi)孔與活塞桿的配合可取H8
活塞桿
實心活塞桿：
45鋼
桿外圓柱面粗糙度為：Ra0.63μm
（1）材料熱處理：粗加工后調(diào)質(zhì)到硬度為229~285HB；
(2)活塞桿d和d1的圓度公差值，按9、10或11級精度選?。?
（3）活塞桿d的圓柱度公差值，按8級精度選??；
(4)活塞桿d對d1的徑向跳動公差.0值，應為0.01 mm；
(5)活塞桿與導向套采用H8/f7配合，與活塞的連接采用H8/h7配合(6) 活塞桿上的螺紋，按6級精度加工；
缸蓋
45號鋼
配合表面粗糙度為：Ra0.8~1.6μm
（1）直徑D（基本直徑同缸徑）、D2(活塞桿的緩沖孔)、D3( 基本尺寸同活塞桿密封圈外徑)的圓柱度公差值，按9、10或11級精度選取；
（2）D2、D3對d的同軸度公差值：0.03mm
（3）端面A 、B與直徑d軸心線的垂直度公差值，按7級精度選取
導向套
耐磨鑄鐵
導向表面粗糙度為：Ra0.8
（1）導向套的長度一般取活塞桿直徑的60%~100%
（2）導向套內(nèi)徑的配合為H8/f9(或H9/f9)。
（以上數(shù)據(jù)來源于：參考文獻【12】）
5液壓缸的設計計算
5.1液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸計算
5.1.1液壓缸工作負載的計算
（5—1）
（5—2）
式中：Fw—液壓缸軸線方向上的外作用力（N）；
Fg—液壓缸軸線方向上的重力 （N）；
Ff—運動部件的摩擦力 （N）；
Fm—運動部件的慣性力 （N）；
F—液壓缸的工作負載 （N）；
Fs—液壓缸的密封阻力 （N）；
考慮到千斤頂?shù)墓ぷ鞣绞胶凸ぷ髟恚?
所以：外作用力Fw=5000x9.8=49000N
Ff=μ*Fn=0.1x0=0N
Fm=a*m=0.83x5000=4150N
a為活塞運動時的加速度 ，活塞桿上升的最大速度為5m/min則加速度為0.83m/s2
考慮到液壓缸的密封阻力不易取出一般用液壓缸機械效率來估算這里取=0.91則：
大液壓缸工作負載F= （Fw+ Ff + Fm）/ =49000+0+4150=58802N
5.1.2液壓缸工作壓力的選定
根據(jù)《機械設計手冊 液壓傳動與控制》可以知道壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟條件及元件供應情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟；反之，壓力選得過大，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限的設備，壓力可以選低一些，行走機械重載設備壓力要選得高一些。
如按載荷選擇工作壓力如下：????
表5-1 按載荷選擇工作壓力
載荷／kN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
由以上得到工作負載F，在根據(jù)參考文獻【12】中表2-1得出F在>50這段，因此選定液壓系統(tǒng)壓力為P=8MPa。
其次：
農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械、建筑機械、液壓鑿巖機 10~18MPa????
液壓機、大中型挖掘機、重型機械、起重運輸機械 20~32MPa
5.1.3大液壓缸內(nèi)徑D計算
因為采取單活塞桿單作用液壓缸，所以：=
所以液壓缸的內(nèi)徑：D=（m） （5-3）
D—活塞直徑 （N）
P—液壓缸工作壓力 （N）
F—總負載力 （N）
由已知工作壓強P=6MPa，工作壓力F=53150N，代人（5-3）有：
D==96.7mm
所以由設計手冊中表2-2取液壓缸系列的標準尺寸為：D=100mm
表5-2 常用液壓缸內(nèi)徑D(mm)
40
50
63
80
90
100
（110）
125
140
160
180
200
220
250
5.1.4活塞桿直徑d的確定
當速比未知時，可自己設定兩者之間的關系，即桿受拉d/D取0.3～0.5，桿受壓d/D取0.5～0.55（P<5mpa）、0.6～0.7（5mpa
=7mpa) 這樣就可以利用以上各式把D和d求出來。D和d求出后要按國家標準進行圓整，圓整后D和d的尺寸就可以確定。
由已知得到，活塞桿是受壓的桿件，所以d=0.7D。計算可得d=70mm由液壓缸系列化的標準尺寸取D=100mm, d=70mm。
5.1.5小液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
小液壓缸上的外載荷Fw1設為300N，小液壓缸總工作負載的計算：
Fw1=300N
總工作負載
兩個液壓缸是連通的有兩邊壓力P1=P2也即是 F1/A1=F2/A2
A1和A2分別是大小液壓缸活塞的面積，F(xiàn)1和F2分別是大小液壓缸的工作負載。
所以：58802/(3.1415*100*100)=334.6/(3.1415**) 求得：=8.5mm
根據(jù)液壓油缸內(nèi)徑標準化系列取=10mm
小液壓缸工作負載F1=334.6N，根據(jù)表4-1可以設定小液壓缸的工作壓力和大液壓缸一樣為8mpa。小液壓缸活塞桿直徑的確定：活塞桿上提時受拉，/取0.3～0.5下壓時受壓，d/D取0.7（P>7mpa），綜合取/=0.7計算后可得d=7mm。
按下表標準化后取d=6mm。
表5-3 活塞桿外徑系列參數(shù)d(mm)
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
（30）
32
35
40
45
50
55
（60）
63
（65）
70
75
80
（85）
括號內(nèi)尺寸盡可能不用
5.1.6液壓缸壁厚的計算
一般，低壓系統(tǒng)用的液壓缸都是薄壁缸，缸壁可用下式計算：
(5-4)
式中,—缸壁厚度（m）；Pp—試驗壓力（Pa）
當額定壓力Pn≦16MPa時，Pp=Pn*150℅;
當額定壓力Pn≧16MPa時，Pp=Pn*125℅;
D-----液壓缸內(nèi)徑（m）；
[]-----缸體材料的許用應力（Pa）,[]=/n
0—材料抗拉強度；
n—安全系數(shù)，一般可取n=5.
注意，當計算出的液壓缸薄壁較薄時，議案按結(jié)構(gòu)需要適當加厚。
由系統(tǒng)額定壓力為Pn=8MPa,所以Pn16MPa, Pp=Pn*150℅=8×150℅=12MPa,由上述計算可知D=0.1m,經(jīng)查得液壓缸缸體為無縫45鋼缸體材料屈服極限=355mpa則許用應力 []=/n=355/5=71Mpa 缸體壁厚 則有大液壓缸壁厚
12×10×0.1/(2×71×10)=8.4mm ；小液壓缸壁厚0.25mm 取=1.5mm
經(jīng)查設計手冊表3—13有液壓缸壁厚度=10mm
大液壓缸的外徑=D+2=100+2*10=120mm
表5-4 無縫鋼管尺寸系列
內(nèi)徑
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 徑
25
28
—
—
31
—
35
—
40
—
—
—
—
32
35
36
—
38
—
42
—
47
—
—
—
—
40
—
—
45
46
—
50
—
55
—
—
—
—
50
—
—
55
56
—
60
—
65
70
75
—
—
63
—
—
68
69
—
73
75
78
83
88
—
—
80
—
—
85
86
—
90
92
95
100
105
110
—
100
—
—
105
106
—
110
112
115
120
125
130
—
125
—
—
—
—
132
135
137
140
145
150
155
165
160
—
—
—
—
165
170
—
175
180
185
190
200
200
—
—
—
—
—
220
—
215
220
225
230
240
5.1.7液壓缸壁厚及外徑強度校驗
缸體厚度的取值有強度條件決定。當/D≤0.8時可按薄壁公式校驗，即
≥ ；最高工作壓力單位Pa 材料許用應力 =
材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般n=5則=600mpa =120mpa
=10mm而D=100mm /D=0.1 =8mpa
當/D=0.08~0.3時按下列公式校驗強度，即≥=0.0037m=3.7mm
=10mm>3.7mm符合強度要求，同理小液壓缸壁厚也是安全的。
5.1.8液壓缸進出油口尺寸的確定
液壓缸的進出口尺寸，是根據(jù)油管內(nèi)平均流速來確定的。要求壓力管路內(nèi)的最大平均流速控制在4-5m/s以內(nèi)，過大會造成壓力損失劇增，而使回路效率下降，并會引起氣蝕、噪音、振動等，因此油口不宜過小。但是也要注意結(jié)構(gòu)上的可能。經(jīng)查設計手冊表3—16有液壓缸可以知道液壓缸進出油口尺寸。
項目
缸體外徑（mm）
活塞桿直徑（mm）
進出油口連接
壓力（ N ）
45 鋼
公稱直徑（mm）
接頭連接
62950
缸筒內(nèi)徑(mm)
100
120
70
12
M12×1.5
表5-5 液壓缸參數(shù)的綜合
5.1.9 液壓缸的缸底和缸蓋
在中低壓系統(tǒng)一般是根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進行設計，不需要進行強度計算的。但在高壓系統(tǒng)，一般都要進行強度計算。其計算方法如下：
缸底厚度的計算:
選擇平面型缸底，缸底有油孔
h=0.433D (mm). （5-5）
式中：
h—缸底的厚度（mm）；
D—缸底止口內(nèi)徑（mm）；
[]—缸體材料許用應力（Pa）；
d—缸底開口的直徑（mm）.
D=80mm D=100mm P=8Mpa d=20mm 缸底材料的高強度鑄鐵許用應[]=56Mpa
h=0.433D= =13.65mm
我們采用有油孔的缸體進行計算解得h=13.65mm,對其進行圓整的到 h=14mm
缸蓋厚度的計算：
若采用整體法蘭缸蓋則采用下式計算缸蓋的厚度；
-------------------------------------------------------（5-6）
式中 ——法蘭厚度（m）；=0.021m
F——法蘭受力總和(N)
d——密封環(huán)內(nèi)徑(m); d=0.07m
——密封環(huán)外徑(m); =0.075m
——系統(tǒng)工作壓力(Pa)；=8×106Pa
——附加密封力(Pa)，若采用金屬材料密封時，值取其屈服點；
=35×106Pa
——螺釘孔分布圓直徑(m)；=0.102m
——密封環(huán)平均直徑(m)；=0.072m
——法蘭材料的許用應力(Pa)。=56×106Pa
=
由上式求得F=N
= =0.021m=21mm
5.1.10液壓缸工作行程的確定
液壓缸工作行程長度，可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)實際工作的最大行程來確定，并參照表表5-6中的系列尺寸來選取標準值。
表5-6 液壓缸的活塞行程參數(shù)系列（GB2349-80） （mm）
Ⅰ
25
50
80
110
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
Ⅱ
40
63
90
110
140
180
220
280
360
450
550
700
900
1100
1400
1800
2200
2800
3900
Ⅲ
240
260
300
340
380
420
480
530
600
650
750
850
950
1050
1200
1300
1500
1700
1900
2100
2400
2600
3000
3800
注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。
5.1.11最小導向長度的確定
當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點的距離H稱為最小導向長度（圖5-6）。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定的最小導向長度。
對一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求
式（5-7）
式中 L——液壓缸的最大行程；
D——液壓缸的內(nèi)徑。
設L=200mm,D=100mm,帶入式（5-7），取H 60mm。取H=60mm
活塞的寬度B一般取B=（0.6～1.0）D；
取B=0.6D=60mm。
缸蓋滑動支承面的長度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定；
當D＜80mm時，取=（0.6～1.0）D；
當D＞80mm時，取=（0.6～1.0）d；
因為D>80mm,于是取=0.8d=56mm
為保證最小導向長度H，若過分增大和B都是不適宜的，必要時可在缸蓋與活塞之間增加一隔套K來增加H的值。隔套的長度C由需要的最小導向長度H決定，即
圖5-1 液壓缸導向長度
將H=60 =56 B=60帶入上式得:C=2mm
5.1.12液壓缸的長度確定
液壓缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內(nèi)徑的20 ～30 倍。
缸體長度
S=L+B+C++h+ 式（5-8）
式中 L——液壓缸的最大行程；
B——活塞的寬度；
C——隔套的長度；
——缸蓋滑動支承面的長度；
h——缸底厚度；
——缸蓋厚度；
將L=200mm ,B=60mm，C=2mm，=56mm,h=14mm ,=21mm 帶入上式得：
S=200+60+2+14+21=297mm
5.2活塞桿直徑強度及穩(wěn)定性校驗
活塞桿強度按下式校驗強度，即
d≥ (m)
式中 F為液壓缸工作負載單位N ；[]活塞桿材料的許用應力單位Pa
[]=/n 為材料的屈服極限 n為安全系數(shù)一般大于1.4
由活塞桿材料為45號鋼查的 =355mpa 取 n=5 大活塞桿直徑應滿足
d≥=33.5mm
d=70mm≥33.5mm故符合要求；
同理小活塞桿的直徑應滿足≥=2.6mm
而小活塞桿直徑=6mm>2.6mm 也滿足要求。
當安裝長度l與其直徑長度d之比l/d≥10，并且桿件受壓時，則需要校
穩(wěn)定性，大活塞桿桿件受壓，液壓缸承受負載F，不能大于液壓缸保持工作穩(wěn)定性所允許的臨界負載。的大小與活塞材料、端面形狀，直徑和安裝長度有關。
液壓缸穩(wěn)定性條件：F≤/
為液壓缸的臨界負載單位N, 為穩(wěn)定安全系數(shù)一般取n=2~4取4
按等截面法，將活塞桿和缸體視為一個整體桿件。當細長比(L/)=m 可按歐拉公式計算臨界負載，即
= （5-9）
活塞桿界面二次極矩，對于實心桿，=/64， d為活塞桿直徑； E為活塞桿彈性模量，對于鋼材E=2.1xPa；n為末端條件系數(shù)為0.25，L為活塞桿計算長度。則臨界負載可估計：
=/64==1.17
==1.04xN 則 F=63590≤=2.6xN
當細長比（活塞桿的柔度）(L/)48mpa
故焊接強度是安全可靠的。
3）活塞與活塞桿螺紋連接計算：
活塞桿的拉應力： （此時活塞的另一端壓力為零）
計算可得=N
活塞桿的危險截面處即螺紋退刀槽處的拉應力（當取K=1.25時）
==56.88mpa
活塞桿危險斷面處的剪應力（當=0.12，=1.2時）：
計算可得： =16mpa
合成應力：
計算可得： =64mpa
許用應力： 式中n=1.75 活塞桿材料45號鋼屈服極限=355mpa
故=202mpa》64map 活塞桿安全。
6液壓輔助元件
6.1連接管件
6.1.1管件內(nèi)徑的計算
d=----------------------------------------------（6-1）
式中 Q——通過管道內(nèi)的流量(m3/s); Q=0.0395 m3/min
υ——管道內(nèi)允許速度(m/s)，見表10.
計算出內(nèi)徑d后，根據(jù)成大先主編的《械設計手冊（第六版）》中313頁按標準系列選取相應的管子。
= =0.030m=30mm 其中=0.9m/s
==0.016m=16mm 其中=3m/s
==0.025m=25mm 其中=2m/s
6.1.2管道壁厚δ的計算
以下公式均根據(jù)成大先主編的《械設計手冊（第六版）》中237-252頁中獲取，《械設計手冊（第六版）》在下文簡稱手冊：
δ= -----------------------------------------------（6-2）
式中 p——管道內(nèi)最高工作壓力(Pa)
d——管道內(nèi)徑(m)
——管道材料的許用應力(Pa) = σb/n
σb——管道15號鋼材料的抗拉強度取375mpa
n——安全系數(shù)，對鋼管來說，p<7Mpa時，取n=8; p<17.5Mpa時，取 n=6 p>17.5Mpa時，取n=4
=1.9mm (查手冊選取) 取2.5mm
=1.02mm(查手冊選取)取1.6mm
=1.6mm(查手冊選取)取 2mm
表6-1 允許流速推薦值
管道
推薦流速（m/s）
液壓泵吸油管道
0.5~ 1.5 , 一般常取1以下
液壓系統(tǒng)壓油管道
3~ 6，壓力高，管道短，黏度小取大值
液壓系統(tǒng)回油管道
1.5 ~2.6
6.2液壓管接頭
管接頭是油管和油管、油管和液壓件之間的可裝拆的連接件。它應滿足裝拆方便、連接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、壓力損失小及工藝性好等要求。
管接頭的種類很多，其規(guī)格、品種可查閱有關技術(shù)手冊。液壓系統(tǒng)中油管與管接頭的常見管接頭的類型有：擴口式管接頭、焊接式管接頭、卡套式管接頭、球形管接頭、扣壓式管接頭、可裝拆式管接頭、伸縮式管接頭、快速管接頭。
1）擴口式管接頭，利用管道端部擴口進行密封，不需要其它密封件，適用于薄壁管件和壓力較低的場合。
2）焊接式管接頭，把接頭與鋼管連接在一起，端口用O型密封圈密封，度管道尺寸精度要求不高，工作壓力可大31.5mpa
3）卡套式管接頭，利用卡套變形卡主管道進行密封，軸向尺寸控制不嚴格，易于安裝工作壓力可達31.5mpa，但對于管道外徑及卡套制作精度要求高。
4）球形管接頭，利用球面進行密封，不需要密封件，但對球面和錐面加工精度要求高。
5）伸縮式管接頭，接頭有內(nèi)管和外管組成，內(nèi)管可在外管內(nèi)自由滑動，并用密封圈密封，內(nèi)管外徑必須進行精密加工，適用于連接有相對運動的管道。
6）快速管接頭，管拆開后自行密封，管道內(nèi)油液不會流失，因此適用于經(jīng)常卸場合。在這里我選用第四種球形管接頭連接液壓缸和管件。
6.3閥類零件的選擇
6.3.1方向控制閥
方向控制閥是控制液壓系統(tǒng)中油液流動方向的，它為單向閥和換向閥兩類。單向閥有普通單向閥和液控單向閥兩種。
6.3.2單向閥的選擇
普通單向閥的作用是