毕业设计(论文)-ZYG-40型自吸灌装机-灌装筒部分设计【灌装机的结构设计】

摘要
目前国内市场上售的灌肠机主要是采用机械式的设备，机械式灌肠机采用螺杆泵或齿轮泵直接接触料馅，再将肉馅挤压至料口，灌入肠衣内。

上述的两种结构所加工的肠类食品尽管效率较高，但加工质量不稳定，很容易破坏灌肠内部的物料结构，而且结构复杂、成本也比较高，环保性能差。

本机的生产能力可达到1000Kg/h,灌装容量可达到40Kg/筒。

对中小企业来说是比较理想的香肠加工设备。

该机采用液压作为动力，取代了传统的机械式挤压的方式。

即沿用了传统的挤压工艺又很好的利用真空包装的特性，不但保障了食品的安全性，同时也更环保。

本文论述了灌装机的结构、工作原理、并且对灌装筒、主油缸、夹紧机构等一些结构进行了分析、设计和计算，应用了材料力学的一些知识对主要零部件的机构进行了强度校核。

关键词：挤压；液压；灌装
Abstract
At present, most of the domestic market is mechanical equipment, mechanical enema machine adopts screw pump or gear pump in direct contact with the stuffing，the meat stuffing extrusion to the orifice, filled in the casing. The structure of the two kinds of processed sausage food despite high efficiency, but the processing the quality is not stable, it is easy to damage the internal structure of the material enema, and the delicious degree is greatly reduced and complex structure, high cost, and poor environmental performance.
The machine can produce one thousand kilograms per hour,and a barrel can hold 40 kilograms. So the machine is suitable for small and medium enterprises. The machine adopts hydraulic pressure as power, to replace the traditional mechanical extrusion method. Not only use the traditional extrusion process but also good use of the characteristics of vacuum packaging, not only to ensure the safety of food, but also more environmentally friendly.
This text discusses the structure, to analyze, design and calculate the structure of filling barrel, main oil cylinder, clamping mechanism, using some knowledge of mechanics of materials to conduct the main parts of the mechanism of the strength check.
Keywords：extrusion ；hydraulic；Filling
目录
绪论 (1)
1 机器组成、工作原理及性能参数 (2)
1.1 机器的组成 (2)
1.1.1 灌装机图 (2)
1.1.2 灌装机结构示意图 (3)
1.1.3 灌装机传动路线图 (3)
1.2 工作原理 (4)
1.3 主要性能参数 (4)
2 灌装筒总成 (5)
2.1 灌装筒的结构 (5)
2.2 灌装筒 (5)
2.3 盖板 (7)
2.4 推料活塞 (7)
2.5 夹紧装置 (8)
2.6 主油缸 (8)
2.7 缸筒 (9)
2.8 套肠管 (11)
2.9 活塞 (11)
2.10 活塞杆 (12)
2.11 送料筒 (12)
2.12 活塞杆的导向套、密封和防尘 (13)
3 设计计算 (14)
3.1 灌装筒 (14)
3.1.1 灌装筒的直径D1、推料活塞的行程S1 (14)
3.1.2 灌装筒容积 (14)
3.1.3 灌装筒的强度 (15)
3.2 主油缸负载 (17)
3.2.1 负载组成 (17)
3.2.2 肉馅的挤压力 (18)
3.2.3 肉馅的质量 (18)
3.2.4 总质量 (19)
3.3 主油缸 (20)
3.3.1 系统工作压力 (20)
3.3.2 油缸的输出力 (21)
3.3.3 油缸直径、行程S、活塞杆直径d (21)
D2
3.3.4 油缸壁厚 (22)
3.3.5 油缸的速度及速度比 (22)
3.3.6油缸作用时间 (23)
3.3.7 液压缸的输出功率 (24)
3.3.8 油缸最大储油量 (24)
3.3.9 液压油的要求 (24)
3.4 主油缸的强度计算 (25)
3.4.1缸筒和缸盖焊缝强度 (25)
3.4.2缸筒的抗拉强度 (26)
3.4.3 活塞杆的抗压强度 (29)
3.4.4 活塞杆与活塞肩部的挤压应力 (30)
3.4.5 活塞杆稳定性计算 (31)
3.5 夹紧机构 (32)
3.5.1 大压板的弯曲强度 (32)
3.5.2 螺杆 (36)
结论 (42)
致谢 (43)
参考文献 (44)
附录A (45)
附录B (50)
绪论
香肠是一种利用非常古老的食物生产和肉食保存技术的食物，将动物的肉绞碎成
条状，再灌入肠衣制成的长圆柱体管状食品。

中国的香肠有着悠久的历史，在以前香肠是每年过年制作的食品，过年吃自制的香肠已经成为了南方很多地区的习俗，一直保留到了今天。

而现在香肠成为了日常生活中的不可或缺的营养品，一年中的任何时候都可以吃到香肠了，但是在偏远的农村大多采用手工灌制的，手工灌制的效率不言而喻是很低的，随着现代人的生活节奏的加快，方便快捷成为了人们所向往的，所以批量化生产将会越来越受到人们欢迎。

因此设计结构简单，价格合理，实用性强的灌装机深受市场的需求。

目前国内市场上售的灌肠机主要是采用机械式或气压式的设备，机械式灌肠机采用螺杆泵或齿轮泵直接接触料馅，在将肉馅挤压至料口，灌入肠衣内。

上述的两种结构所加工的肠类食品尽管效率较高，但加工质量不稳定，很容易破坏灌肠内部的物料结构，使得味美可口的程度大大的降低了，而且结构复杂、成本也比较高，环保性能差。

目前国际的灌装机正在向高效、节能绿色环保发展，而在技术方面则向自动化、智能化、数字化发展[1]。

中国新兴的民营肉类加工企业相比较而言都不是太大，很多都属于中小规模，大型的灌装设备需要几十万到几百万不等，使广大中小创业者望而却步，因此设计生产一种结构简单，价格合理，实用性强的产品是市场的需求，也深受广大中小企业的欢
迎。

我的课题是设计灌装筒部分，包括推料活塞、主油缸、盖板、夹紧机构、套肠管、送料筒。

我的设计思路是先根据题中所给的参数计算液压站的动力参数，然后选定系统的工作压力；再根据结构原理选择液压缸的类型和各部分结构形式，然后结合题目中的设计参数确定主油缸的结构尺寸；接着确定推料活塞的尺寸，然后在根据主油缸上端尺寸设计盖板尺寸、夹紧机构和送料筒。

本篇文章论述了灌装机的结构、工作原理。

其中主要对灌装筒、主油缸进行了结构设计以及强度校核，对其主要零件压板、油缸、夹紧螺杆等强度进行了校核。

1 机器组成、工作原理及性能参数
1.1 机器的组成
1.1.1 灌装机图
ZYG-40型自吸液压灌装机由灌装筒、主油缸、液压站、送料桶、机架、电器等部分组成，如图1.1所示。

图1.1 ZYG-40型自吸液压灌装机
1.1.2 灌装机结构示意图
图1.2 灌装机结构示意图1.1.3灌装机传动路线图
图1.3 灌装机传动路线图
1.2工作原理
1. 挤压灌装
通过电器控制开关使液压系统工作，液压站的液压油通过主油缸的下端的油口进入，从而推动活塞向上运动，然后继续推动灌装筒内的推料活塞向上挤压肉馅，当系统的压力达到工作压力时，打开套肠管的出口处的球阀，肉馅就会被挤压进入事先准备好的肠衣里。

通过开关球阀来完成整个的灌装工艺过程，便可以灌制一定的香肠，从而完成挤压灌装工艺。

2. 自吸填料
当肉馅被挤出进入肠衣后，关闭球阀，改变液压站内换向阀，令高压油可以进入到主油缸的上腔，推动活塞向下运动，从而带动推料活塞向下运动，这样灌装筒上腔会因为处于密封状态而产生真空，肉馅就可以在大气压力的作用下吸入筒内，从而完成自吸填料工序。

1.3主要性能参数
1.生产能力 1000kg/h
2.灌装筒容量 40kg
3.出肉管规格∅19、∅22、∅24
4.电机功率、转速2.2kw、960r/min
5.系统工作压力3～4MPa
6.叶片泵的流量、压力16L/min、6.3MPa
2 灌装筒总成
2.1灌装筒的结构
灌装筒总成由机体、主油缸、推料活塞、夹紧机构、盖板等组成，结构如图2.1所示。

1.主油缸
2.灌装筒
3.大压板
图2.1 灌装筒总成
2.2 灌装筒
如图2.2所示，灌装机内部尺寸为∅400360,根据要求的生产量（40kg/筒）所决
×
定。

灌装筒顶部有两个舌形耳用来安装立轴。

灌装筒的中部和下部设有法兰，中部法兰用来固定在机架上，底部的法兰用来于主油缸连接，为了防止肉馅被挤压进入连接体缝隙中漏出，灌装筒上端面采用了O型密封结构[2]。

由于灌装筒用来盛放肉馅或者浓度适宜的液体介质。

本文主要论述盛放肉馅，此材料具有弱酸性质，长时间使用会对容器产生腐蚀性，所以材料选用ZG1Cr13耐酸型不锈钢。

由于本机是采用挤压式灌装，是利用真空原理，所以容器需要做到完全密封，所以在筒盖上会使用O型密封圈这一零件来实现。

O型密封圈是具有圆形截面的环行橡胶密封圈，主要用于机械不见在静态条件下防止液体和气体介质的泄露。

在某些情况下，O型密封圈还能用做轴向往复运动和低速旋转运动的动态密封元件.根据不同的条件,可分别选择不同的材料与之相适应。

O型密封圈通常选用时要尽量选用大截面的O 圈.在相同间隙的情况下，O型密封圈被挤入间隙的体积应当小于其被挤入的最大允许值。

对不同种类固定密封或动密封应用场合，O型密封圈为设计者提供了一种既有效又经济的密封元件。

O型密封圈是一种双向作用密封元件。

安装时径向或轴向方面的初始压缩，赋予O型密封圈自身的初始密封能力。

由系统压力而产生的密封力与初始密封力合成总的密封力，它随系统压力的提高而提高。

O型密封圈在静密封场合，显示了突出的作用。

图2.2 灌装筒
2.3盖板
盖板前端设有2个出料口，然后与出肉管连通，为了减少阻力，把出料腔设计为圆弧曲面，从里向外逐渐变大，盖板的材料采用ZG1Cr13，由于装置是用来装酸性肉馅，所以选择的材料是在腐蚀介质中具有抗腐蚀性的钢。

而1Cr13属于马氏体型的不锈钢，常用来制作能抗弱腐蚀性介质，能承受冲击符合的零件。

2.4推料活塞
推料活塞采用的材料为ZG1Cr13不锈钢，为了避免肉馅从灌装筒和活塞之间漏出来，在配合表面用了O型密封结构。

因为O型密封圈是易损件，所以会导致更换次数很频繁，就导致推料活塞要被经常拆卸。

由于这个特性，所以在结构设计上活塞的中间放了两个半圆环和一个大压板。

在需要更换O型密封圈时，可以先将活塞向上运行，拆掉压板上的螺钉，把大压板和垫片去除，拆掉半圆环上的内六角螺钉，开启液压站，使主油缸活塞继续上升，将两个半圆环顶出活塞外，这样就可以利用螺栓拧入推料活塞螺栓孔内将其提出。

1.推料活塞
2.盖板
3.大压板
图 2.3推料活塞组装图
2.5 夹紧装置
采用螺栓来对盖板进行夹紧，由大压板、夹紧螺套、立轴、提升法兰、夹紧螺杆、扳手杆等组成。

螺杆通过提升法兰连接在盖板上，螺套固定在大压板上，为了使大压板承受轴向力，并且转动灵活，所以在压板和立轴配合的孔中，选用角接触球轴承。

扳手旋转可以使压板升降，从而带动盖板的打开和关闭。

圆螺母多为细牙螺纹，常用于直径较大的连接，这种螺母便于使用钩头扳手装拆，圆螺母一般配止动垫圈使用，经常与滚动轴承配套使用。

小圆螺母由于外径和厚度较小，结构紧凑，适用于两件成组使用，可进行轴向微调。

1.灌装筒
2.立轴
3.轴承
4.大压板
5.扳手杆
6.夹紧螺杆
7.夹紧垫铁
8.盖板
图2.4夹紧装置
2.6主油缸
主油缸是液压系统的执行元件，它可以将液压能转换成机械能，然后通过活塞杆作用到推料活塞，使其工作。

主油缸的结构如图所示。

由缸筒、缸盖、导向套、法兰盘、活塞杆、活塞等组成。

主油缸通过端面法兰与灌装筒法兰相互连接，并且固定。

活塞杆与顶部球头相连接在与推料活塞内球型孔相配合。

当活塞杆工作时液压油带动活塞杆上下往复运动，推动推料活塞工作。

在结构上分别采用了O形和Y形密封结构以及防尘结构来保证油腔具有可靠的密封性。

活塞与缸体、活塞与活塞杆的配合表面,采用“O”形密封；
导向套与缸体的配合表面,采用“O” 形密封；
导向套与活塞杆采用,“O” 形、“Y” 形密封及防尘结构。

活塞杆和活塞的连接方式有卡环型、轴套型、螺母型、锁紧螺母型和焊接型等等。

本文选择轴套型，偏于拆卸，结构简单。

1.管接头
2.活塞
3.活塞杆
4.缸筒
5.导向套
图2.5主油缸
2.7缸筒
（1）缸筒的结构
常用的缸筒结构有八类，16种结构。

通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接形式又取决于而定工作压力用途和使用环境因素等。

查阅资料得八种结构分别为：法兰连接、外螺纹连接、内螺纹连接、外半环连接、内半环连接、拉杆连接、焊接、钢丝连接。

经过对各种方式有缺点的比对，最终选择
了焊接这一种方式，原因为焊接方式结构简单尺寸小，并且此部位为的下端部位并不
需要经常拆卸。

如果需要跟换零件可由上端打开更换。

图2.6缸筒连接方式
（2）材料的选择
○1
一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要有良好的焊接性能。

根
据液压缸的参数、用途和毛坯的来源等可选用一下各种材料：25，35，45等；25CrMo，35CrMo，38CrMoAl等；ZG200-400,ZG230-450,1Cr18Ni9，ZL105等。

○2
对于工作温度低于-50℃的液压缸缸筒，必须35，45号钢，且要调制处理○3
与端盖焊接的缸筒，使用35号钢，机械预加工后调制。

不与其他零件焊接的缸筒，使用调制处理的45号钢。

○4
缸筒毛坯：普通采用退火的冷拔货热轧无缝钢管，国内市场上已有内孔经研磨
或内孔精加工，秩序按所要求的长度切割无缝钢管，材料有20,35，45,27SiMn。

○5
较厚壁的毛坯仍用铸件或锻件，活用厚钢板卷成筒形，焊接后退火，焊缝需用
X光涉嫌或磁力探伤检查。

（3）对缸筒的要求
○1
有足够的强度，能长期承受最高工资压力及短期动态试验压力而不产生永久变形。

○2
有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不产生弯曲。

○3
内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工资而磨损少，尺寸公
差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。

○4
需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊接上法兰或管接头后不至于
产生裂纹或过大的变形。

总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖、钢底、油口等零件构成密封的型腔，来容纳液压油，保证有足够的输出力和有效行程，同时还必须既有一定的强度，足以
承受液压力、负载里和意外冲击力[3]。

从材料的方便性来说选用所需长度的45号无缝钢管，即可达到要求。

2.8套肠管
如图2.7所示，材料为ZG1Cr13。

图2.7套肠管
把肠衣套在套肠管上，灌装筒中挤压出的肉馅通过它装入肠衣内。

可以做成不同
规格的以满足不同的情况，这里做出了∅19、∅22、∅24这三种尺寸。

2.9活塞
（1）活塞结构形式
根据密封形式来选用活塞结构形式，通常分为整体活塞和组和活塞两类。

通体活塞在活塞圆周开槽，安置密封圈，结构简单，但是给活塞将带来困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。

组合式活塞结构多样，主要受密封形式决定。

组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。

（2）活塞和活塞杆的连接
活塞与活塞杆的连接有多型式，所有型式均需要有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开。

同时在活塞与活塞杆之间设置静密封。

（3）活塞材料
无导向环活塞：用高强度铸铁 HT200~300或球墨铸铁。

有导向环活塞：用优质碳素钢20号，35号及45号。

本文选择45号。

2.10活塞杆
（1）结构
杆体一般情况下多采用实心杆；杆内端有卡环型，轴套型，螺母型，锁紧螺母型，焊接型；杆外端分为小球头，大球头，大小螺栓头，螺孔头。

本文选择大球头。

（2）活塞杆的材料和技术要求
一般选用中碳钢，调制处理，但是对只承受推力的单作用活塞杆和活塞，不必进行
调质处理。

活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H8/h7或H8/f7配合。

太紧了摩擦力大，太松了容易引起卡滞现象和单边磨损。

2.11送料筒
送料筒的容积要求大约为灌装筒的1.4倍，取其规格为∅400450，容积为56.5L，
×
大约能装入60kg的肉馅。

送料筒的材料为ZG1Cr13。

图 2.8送料筒
2.12活塞杆的导向套、密封和防尘
活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。

外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时吧榨汁、灰尘以及水分带到密封装置处，损坏密封装置。

当导向套采用非耐磨材料时，其内圈还可以装设导向环，用做活塞杆的导向。

金属导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作，非金属导向套可以用塑料、聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯材料制作。

端盖式直接导向型的材料用会灰铸铁、球墨铸铁等。

导向套外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7，内孔与活塞杆的配合多为H9/f9。

3 设计计算
3.1灌装筒
3.1.1灌装筒的直径D1、推料活塞的行程S1
为了满足40kg/筒的要求，参照下表油缸系列直径，选择灌装筒的直径为D1=400，见《机械设计手册-液压传动》. 成大先主编.机械设计手册.北京:化学工业教育出版社,2004(P20-282表20-6-2)
则推料活塞的行程S1：
S
1=V
A
=
m
γA
1
(3.1)
S 1=
40×106
1.08×125600
=318mm
A
1
=
D2
1
π
4
=125600mm
取mm ，S1也是主油缸的行程。

S
1
=360
式中:
v—机体的体积；
m—肉馅的质量；
用户要求40kg/筒；
γ—肉馅的比重 1.08；
A1—推料活塞的面积。

3.1.2灌装筒容积
已知推料活塞的行程S
1
V=D2
1
π
4
×S
1
=4002×3.14×360
4×106
=45L
每一筒肉馅的质量
m=γV
= 1.08×45=48.6kg 40kg
>所以满足40kg 每筒的要求 上式中：
D 1—推料活塞直径； D1=400mm ；
S 1—推料活塞的行程； S 1=360mm 。

3.1.3灌装筒的强度
灌装筒的壁厚t 为13mm ，内径为400mm ，因为t ，所以可以按照材料力学
<
D
20中薄壁圆筒容器进行计算[4]。

灌装筒在内压的作用下纵向界面和横向界面都会产生拉应力，从壁筒内取出单元体，那么这一单元体就会受到两个方向的拉伸。

图3.1 灌装筒的应力分析
（1）圆筒横向截面上产生的拉应力：
σ’
σ'
=F A =
P 筒×D 2
π4πD t
(3.3)
=
P 筒D
4t
=
0.4×400
4×13
=3.07MPa 式中:
F—油缸的输出力； A—油缸横截面的面积； D—油缸内径 D=400mm ； —灌装筒的工作压力； P 筒=0.4MPa ；
P 筒t—灌装筒的壁厚t=13。

（2）圆筒纵向界面上会产生拉应力
σ"
σ”
=F n
tl
(3.4)
F n =
∫
π
pl D 2sin φdφ
2(3.5) =plD 2
式中:
—纵截面的拉力； F n —灌装筒的工作压力； P 筒=0.4MPa ；
P 筒t—灌装筒的壁厚t=13； D—油缸内径 D=400。

所以可得：
σ‘’=pD 2t
=
0.4×400
2×13
=6.1MPa 从这两个结果就可以看出纵向界面上的应力是横向界面上应力的两倍。

σσ根据畸变能密度理论（第四强度理论），
12[(σ1‒σ2)2+(σ2‒σ3)2+(σ3‒σ1)2
]≪[σ]（3.6）由于作用的横截面和作用的纵向界面都没有剪切力，和皆为主应力，灌装σ'
σ”
σ'
σ”
筒内壁上的内压力p 和外壁上的大气压力都远小于和，则可以近似为零，则缸筒侧σ'
σ”
壁上任意一点的应力状态属于两向应力状态。

所以，，，主应力的σ1=σ’
σ2=σ‘’
σ3=0上述综合值为相当应力，记作
σ1
σ1=12
[(6.1‒3.07)2+(3.07‒0)2+(0‒6.1)2
] =
9.18+9.42+37.21
2
=5.2MPa <[σ]式中：
许用应力； [σ]‒400MPa ；
σs =；
[σ]=
σs n
=
400
2=200MPa n—安全系数n=1.5-2。

满足要求
3.2主油缸负载
3.2.1负载组成
负载由工作负载，惯性负载，摩擦负载三部分组成：
P 1P 2p 3
p =p 1+p 2+p 3 (3.7)近似公式：
p =1.1p 1(3.8)
=1.1（p a +mg +m 总g ）式中:
—惯性负载 N ； p 2—摩擦负载 N ； p 3—工作负载 N ； p 1； p 1=p a +mg +m 总g m—肉馅的质量 kg ；
推料活塞、主油缸活塞、活塞杆的质量总和； m 总‒g—重力加速度。

3.2.2肉馅的挤压力
根据及压力的计算公式可知：
p a =p 1×πD 2
1
4
(3.9) =0.4×
3.14×400
2
4
=50240N 式中:
—挤压力 N ； p a —挤压压强MPa ； p 1取；
p 1=0.4MPa —推料活塞直径 mm ； d 1=400。

d 1
3.2.3 肉馅的质量
由质量计算公式计算肉馅的质量得：
m =γv =
πD 2
1
4
×S 1×γ =3.14×400
2
4×10
6
×360×1.08
=48.6kg
式中：
γ—肉馅的比重γ=1.08；
—活塞行程mm；
S
1
=360mm；
S
1
—灌装筒直径mm ；
D
1。

D
1
=400mm
3.2.4总质量
总质量主要由推料活塞的质量、主油缸的力量、活塞杆的质量组成：（1）推料活塞的质量
m
1=
πD2
1
×ℎ
1
×ρ
4×106
（3.11）
=3.14×4002×70×7.8
4×106
=68.5kg
式中:
-料活塞直径 mm；
d
1
=400；
d
1
-料活塞厚度 mm；
ℎ
1
=70mm；
ℎ
1
-钢的比重；
Ρ
=7.8。

ρ
（2）主油缸活塞的质量
m
2=πd2
2
×ℎ
2
×ρ
4×106
（3.12）
=3.14×1602×50×7.8
4×106
=7.8kg 式中:
—主油缸活塞直径 mm；
d
2
=160mm；
d
2
—主油缸活塞厚度 mm；
ℎ
2
=50m。

ℎ
2
（3）活塞杆的质量
m
3=πl2
2
×l×ρ
4×106
(3.13)
=3.14×562×550×7.8
4×106
=8.4kg
式中:
d—活塞杆直径 mm；
d=56mm；
l—活塞杆长度 mm；
l=550mm。

总质量：
m
总=m
1
+m
2
+m
3
=68.5+7.8+8.4
=84.7kg
所以工作负载P可得：
p=1.1（p
a +mg+m
总
g）
=1.1（50240+43.2×9.8+84.7×9.8）
=56642N
3.3主油缸
3.3.1系统工作压力
p=p
A（
3.14）
=56642 20096
=2.8MPa
A=πd2
2 4
=3.14×1602
4
=20096mm2
式中：
P—负载 N ；
P=56642 N；
A—活塞作用面积；
mm2
d2—活塞直径mm ；
d2=160mm。

工作压力可定在3~4MPa，根据p值可以将溢流阀的开启压力限定为4MPa。

3.3.2油缸的输出力
F=p×A× η （3.15）
=4×20096×0.95
=76365N
（负载）
F>P
式中:
p—系统工作压力MPa ；
取p=4MP a；
A—活塞作用面积；
mm2
η—液压缸的机械效率；
η=0.95。

满足要求
3.3.3油缸直径、行程S 、活塞杆直径d
D 2参照设计手测中液压缸系列表，见《机械设计手册-液压传动》. 成大先主编.机械设计手册.北京:化学工业教育出版社,2004(p20-282表20-6-2)
选择油缸直径，活塞杆直径d 按照下式估算：
D 2=160mm
d =（13~15）
D 2取d =13
d =1
3
×160=53.3mm （3.16）取标准系列值56mm
活塞行程S 等于推料活塞行程 S 1S =S 1=360mm
3.3.4油缸壁厚
油缸壁厚可以按照下式估算：
δ≥1.5×4×D 22[σ]
（3.17）
=
1.5×4×160
2×100
=4.8mm 选
δ=10mm 式中：
P －最大工作压力MPa ； P=4Mpa(溢流阀)； —缸径mm ； D 2=160mm ；
D 2—材料的许用应力MPa ； [σ]碳钢材料 =100-200MP a 。

[σ]
3.3.5油缸的速度及速度比
1.活塞上升速度
V 1
V 1=Q A 1
×103
(3.18)
=16×103 20096
=0.80m/min
A 1=
π×D2
2
4
=3.14×1602
4
=20096mm2式中：
Q—流量L/min ；
Q=16L/min；
—活塞作用面积。

A
1
mm2
2.活塞下降速度V
2
V 2=
Q
A
×103 (3.19) =
16×103
17634
=0.90m/min
—活塞作用面积：A
2
A 2=
π×(D2
2
‒d2)
4
=3.14×(1602‒562)
4
=17634mm
油缸往复运动时候的速度比
φ=V
2
V
1
=
A
1
A
2
(3.20)
=0.90 0.80
=1.12
3.3.6油缸作用时间
1.由下列公式算出活塞上升的时间：
T
1
T 1=
1.5πD2
2
S
Q
(3.21)
=1.5×3.14×1602×360×10‒5
16
=27.1s
式中：
—油缸直径mm；
D
2
=160mm；
D
2
S—行程mm；
S=360mm；
Q—泵流量L/min；
Q=16L/min；
d—活塞杆直径mm；
d=56mm。

活塞下降的时间可以根据下列公式算出：
T
2
T 2=
1.5π（D22‒d2）S
Q
(3.22) =
1.5×3.14×（1602‒562）×360×10‒5
16
=23.8s
3.3.7液压缸的输出功率
液压缸的输出功率按照下列公式结算：
N 液=
F v 60
=76865×0.8
60
=1.01kw
式中：
F—油缸输出力N；
F=76865N；
ν—活塞上升速度m/min ； v=1.04m/min ；
因为。

N 电=2.2kw >N 液满足要求
3.3.8油缸最大储油量
V =
πD 2
2×10
‒6
4
(3.23) =
3.14×1602×360×10
‒6
4
=7.2L
3.3.9液压油的要求
(1)适宜的粘度及良好的粘温性能，以确保在工作温度发生变化的条件下能准确、灵敏地传递动力，并能保证液压元件的正常润滑。

(2)具有良好的防锈性及抗氧化安定性，在高温高压条件下不易氧化变质，使用寿命长。

(3)具有良好的抗泡沫性，使油品在受机械不断搅拌的工作条件下，产生的泡沫易于消失八以使动力传递稳定，避免液压油的加速氧化。

(4)良好的抗乳化性，能与混入油中的水迅速分离，以免形成乳化液导致液压系统金属材质的锈蚀和降低使用效果。

3.4主油缸的强度计算
3.4.1缸筒和缸盖焊缝强度
缸筒和缸盖有法兰连接、外半环连接、内半环连接、拉杆连接、焊接和钢丝连接等一些连接方法。

这里我选用的是焊接连接，优点是结构简单尺寸小。

（1）对焊缝进行强度计算
图3.2 缸筒和缸盖焊接根据焊缝应力的强度公式得：
σ=
F
π
4
（D2
1
‒d2
2）η
（3.24）
=
76865×4
3.14×[1802‒(180‒2.5×3)2]×0.7
=78MPa<[σ]
[σ]=
σ
b
n
=
500
4
=125MPa
式中：
F—油缸推力N；
F=76865N；
η—焊接效率η=0.7；
[σ]—许用应力；
N—安全系数 n=3.3—4；
—焊缝材料的抗拉强度；
σ
b
碳钢焊条=490MP a；
σ
b
—油缸外径；
D
1
=180。

D
1
满足要求
3.4.2缸筒的抗拉强度
缸筒的壁厚t=10mm，筒径D=160mm，在内压的作用下，缸体内的横向截面和纵向截面都会产生拉应力，取壁筒上的一单元体，则这个单元体会受到两个方向的拉伸。

（b ）
图3.3拉应力图
（1）缸体横截面上的拉应力计算可得：
σ’
σ’
=F A =768655338
（ 3.25）
=14MPa A =
π（D 2
1‒D 2）
4 =
3.14×（1802‒1602
）
4
=5338mm 式中：
F—油缸的输出力； F=76865N ；
A －油缸横截面面积。

（2）缸体纵向截面上的拉应力： σ‘’
根据公式计算得：
σ‘’
=F n
t l
（3.26）
F n =
∫
π
0pl D 2
sin φd φ
2（3.27） =plD 2
σ‘’
=pD 2t =4×1602×10
=32MPa
式中：
—纵截面的拉力； F n p—工作压力 p=4MPa ； t—缸筒的壁厚 t=10mm ； D—油缸内径 D=160mm 。

可以看出来纵向截面上应力大于横向截面上的应力，所以缸筒最有可能在
σ‘’
σ’
纵向截面上发生破坏。

根据畸变能密度理论（第四强度理论）： 12[(σ1‒σ2)2+(σ2‒σ3)2+(σ3‒σ1)2
]≪[σ]（3.28）由于作用的横截面和作用的纵向界面都没有剪切力，和皆为主应力，灌装σ'
σ”
σ'
σ”
筒内壁上的内压力p 和外壁上的大气压力都远小于和，则可以近似为零，则缸筒侧σ'
σ”
壁上任意一点的应力状态属于两向应力状态。

所以，，，主应力的σ1=σ’
σ2=σ‘’
σ3=0上述综合值为相当应力，记作
σ1 σ1=
1
2
[(32‒14)2+(14‒0)2+(0‒32)2]（3.29） =
324+196+1024
2
=27.8MPa <[σ]式中：
—许用应力35号钢； [σ]Mpa ；
σs =320；
[σ]=
σs n
=
320
2=160MPa n—安全系数取n=2。

满足要求
3.4.3活塞杆的抗压强度
活塞杆在工作中是受压缩杆件，
图3.4活塞杆
如要使杆件正常工作，就必须使杆件的工作应力不超过材料拉伸的许用应力，
σ=F
A
≤[σ]（3.30） σ=
76865
2461
=31.2MPa
A =
3.14×56
2
4
=2461mm 2
[σ]=σs n =3602
=180MPa （3.31）式中:
F—轴向压力； F=58467N ；
A—活塞横截面面积； mm 2
[σ]—许用应力； —屈服极限45号钢； σs ； σs =360MPa n—安全系数 n 取2。

满足要求
3.4.4活塞杆与活塞肩部的挤压应力
图3.5活塞杆与活塞如图3.5所示,挤压应力由公式（3.32）计算：
σc =
F
A
≤[σc]（3.32）
σ=76865
347
=168.5MPa
A=π
4
×[(50‒4×tan15×2)2‒(40+1.5×2)2]
=347mm2
式中：
A—挤压面积；
mm2
—许用挤压应力MPa；
σ
c。

σ
c
=0.85[σ]=300MPa
满足挤压的要求
活塞的材料为ZG1Cr13，不锈钢的抗压强度是拉伸的4-5倍，可以不用校核。

3.4.5活塞杆稳定性计算
液压缸承受轴向压缩载荷时，若活塞杆安装长度L 与活塞杆直径d 之比大于10时，对活塞杆纵向弯曲强度应进行验算。

活塞杆所能承受的负载P ，应小于使它工作稳定的
临界载荷。

即：
P k
P ≪
p k n k
式中：
—N
p k —系数取=2-4
n k n k 的值与活塞的材料的性质、形状、直径和长度，以及液压缸安装方式等因素有关。

p k 本液压缸的安装方式为一端固定，一端铰接。

当活塞杆长细比时，临界载荷按式（3.33）计算：
l
r k
<φ1φ2p k
p k =f A
1+∝φ2（1r k ）
2（3.33）式中：
—活塞安装长度mm 。

最大伸出时，活塞杆端支点与液压缸点间的距离； l =560；
l —活塞杆横截面的最小回转半径mm ； r k ； r k =
J A
=d 4=14mm —柔性系数。

45号钢（中碳钢）=85；
1ϕ1ϕ—末端系数。

由液压缸支撑方式决定。

本结构为一端固定，一端铰接； 2ϕ故取=2； 2ϕA—活塞杆截面积
A =π4d 2
=π4
×562=2462mm 2
d—活塞杆直径d=56mm ；
f—材料强度实验值 45号中碳钢f=490MPa ；
—系数45号中碳钢；
α∝=1
5000。