液压传动课程设计报告

摘要将液压缸提供的液压能重新转换成机械能的装置称为执行元件。

执行元件是直接做功者，从能量转换的观点看，它与液压泵的作用是相反的。

根据能量转换的形式，执行元件可分为两类三种：液压马达、液压缸、和摆动液压马达，后者也可称摆动液压缸。

液压马达是作连续旋转运动并输出转矩的液压执行元件；而液压缸是作往复直线运动并输出力的液压执行元件。

本说明书根据前人设计好的液压缸，设定一定的工作压力和载荷，根据液压缸的材料，用手工计算和软件编程的方法分别校核缸筒内径，壁厚，活塞杆的稳定性，抗爆能力等，并设计快进、工进、快退系统图，选择液压阀的型号，完成课程设计的教学要求。

关键字：液压缸、执行元件、液压阀、稳定性校核AbstractHydraulic cylinder will be able to provide the hydraulic-mechanical energy conversion device called actuators. Work is a direct implementation of components, from the point of view of energy conversion; it is the role of the hydraulic pump opposite. According to energy conversion in the form of implementation of the three components can be divided into two categories: hydraulic motors, hydraulic cylinders, hydraulic motors and swing, which may also be said swing hydraulic cylinder. Hydraulic motor is the continuous torque and rotational movement of the hydraulic actuators, and hydraulic cylinder is a reciprocating linear motion and the output of the hydraulic components. And this statement according to the designed hydraulic cylinders，set a work pressure and load，according to the materials of hydraulic cylinder, with manual calculation and software programming method, check cylinder diameter and thickness, the stability of the piston rod, anti-explosion ability, and designed for fast forward, the Progressive, fast forward, and other movements, choose hydraulic valve model, and complete the course design of the teaching requirement.keyword：Hydraulic cylinder actuators hydraulic valvestability cheaking目录1 绪论 (4)1.1课程设计的目的 (4)1.2 课程设计的教学要求 (4)1.3 本文的设计工作 (4)2 总体结构及方案设计 (5)2.1 个人零件图 (5)2.1.1 液压缸底座零件图二维图纸 (5)2.1.2 液压缸底座三维图 (5)2.2 液压缸总装图 (6)2.2.1 液压缸总装图二维图纸 (6)2.2.2 液压缸总装图三维图 (7)3 液压缸的载荷设计验算 (8)3.1 使用的工作状况 (8)3.2 设计参数 (8)3.3 设计计算校核 (8)3.3.1 公式计算法 (8)3.3.2 应用MATLAB软件校核计算 (8)3.3.3 应用ANSYS有限元分析缸筒径向变形 (11)3.3.4 应用ANSYS有限元分析缸筒轴向变形 (14)4 液压缸快进、供进、快退系统图 (18)参考文献 (20)1、绪论1.1课程设计的目的课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。

通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计〈论文〉打基础。

●进一步巩固和加深学生所学专业基础课-液压与气压传动理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；●培养学生实践动手能力,使学生得到独立分析和解决实际问题的初步训练；●培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。

1.2 课程设计的教学要求坚持理论联系实际的优良传统，加强基本功训练，充分发挥学生的主观能动性与教师因材施教、严格要求相结合，继承与创新相结合，抓智力因素教育与非智力因素教育相结合，做到教书育人。

课程设计的指导教师下达课程设计任务书，指导、督促、检查学生课程设计的进行情况，课程设计完成后负责学生的成绩考核。

学生需认真阅读课程设计任务书，熟悉有关设计资料及参考资料，熟悉有关设计规范的有关内容，认真完成任务书规定的设计内容，在教师指导下，按时独立完成规定的内容和工作量。

本课程设计的计算说明书不少于五千字。

要求计算说明书计算准确、文字通顺、书写工整。

要求图纸、图面布置合理、正确清晰、符合相关标准及有关规定。

1.3 本文的设计工作与液压泵和液压马达相比，液压缸的设计相对简单，但并不是轻而易举的，而是一件细致的工作。

如果白手起家设计一台液压缸，那也是相当耗时和费力的。

尤其对第一次从事液压元件设计的新手来说，最大的困难不是理论计算，而是零件图的细节设计；结构形状的构思，配合精度等级的选择，形位公差的确定，工艺要求和技术要求等。

对于常见常用的单活塞杆液压缸来说，液压缸的结构设计参数有：液压缸的内径D（活塞的外径），缸筒外径D1，缸体长度L1，行程S，油口直径d’及接口法兰尺寸，活塞杆直径d，活塞宽度B，活塞杆长度L，活塞头部与尾部的机构及尺寸。

这些结构形式，尺寸参数的选择或确定的依据是液压缸的负载力F 和运动速度u.本次设计采用已有的液压零件参考图纸，应用AutoCAD，Pro-E软件做出2D 图,3D图，并进行组装和渲染，再应用MATLAB,ANSYS软件根据所要求的载荷进行校核计算和有限元分析，大大减小了设计难度。

2 总体结构及方案设计本组设计的液压缸内经为125mm,外径为152mm,行程为1.5m.采用底部为铰支安装的底座，法兰式缸体，空心活塞杆，活塞杆接头为带关节轴承的杆头。

液压缸底座与缸体采用焊接方法连接，活塞杆杆头和杆尾与杆体也采用焊接方法连接。

2.1 个人零件图2.1.1 液压缸底座零件图图1 开怀液压缸二维图2.1.2 液压底座三维图图2 液压缸底座三维图2.2 液压缸总装图2.2.1 液压缸总装图二维图纸图3 液压缸总装图2.2.2 液压缸总装图三维图(a)（b） (c)(d) (e)图4 三维效果图3 液压缸的载荷设计验算3.1 使用的工作状况● 该液压缸处于常温室内安装；● 该液压缸采用垂直安装，起举升作用；● 工作速度满足密封件要求。

3.2 设计参数●液压缸缸径：D=φ125mm;D1=152mm ●活塞杆杆径：d=φ90mm ；d1=51mm ●液压缸行程：S=1500mm ； ●工作压力： p=21MPa; ● 工作载荷： F=125KN 。

3.3 设计计算校核3.3.1 公式计算法设计依据额定压力MPa p n 25=1）、活塞杆的设计计算液压缸推力F=125KN活塞杆的材料： 采用45#调质 HB220~280活塞杆只计算推力时的强度M P a d d F 94.28)051.009.0(4125000)(422212=-⨯=-⨯=ππσ 未调质屈服极限强度： MPa s 335=σ调质后屈服极限强度： MPa s 685=σ安全系数n=5时，活塞杆的极限应力为MPa MPa p 94.281375685>>==σ ,故设计符合要求 2）、活塞杆的稳定性计算62252261106155.12102.0049.08.110⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=ππS k I E F K，故稳定性满足要求取KN n F F n kK k 1537504=<<=3）、缸筒壁厚的验算缸筒的材料为45#无缝钢管，外径152mm ，内径125mm ，壁厚13.5mm ，其屈服强度为685MPa ，调质处理HB220~280。

验算壁厚：在屈服极限下的极限压力 MPa D D D p s n 61.77152.0)125.0152.0(68535.0)(35.0'22221221=-⨯=-⨯=σ n n p p >' 故壁厚满足要求3.3.2 应用MATLAB 软件校核计算以025.1P P ⨯=校核 材料屈服极限皆取1000MPa1）、应用MATLAB 软件编程校核液压缸的安全系数程序如下：clcclearb=13.5e-3;D=125e-3;pA=21*1.25e6;delta=1000e6;bizhi=b/D;pmax=pA;if bizhi<=0.08, idelta=pmax*D/(2*b);elseidelta=pmax*D/(2*b)+3*pmax/2;endn=delta/idelta程序运行结果为n = 6.2149安全系数n=6.2149 >5,故设计是安全的。

2）、应用MATLAB 软件编程校核液压缸壁厚由公式21221)(35.0'D D D p s n -⨯=σ可编写程序如下：clcclearyl=1000e6;D=125e-3;D1=152e-3;pA=21*1.25;pj=0.35*yl*(D1*D1-D*D)/(D*D)/1e6if pA<pj,disp('缸安全使用')elsedisp('缸不安全使用，请重新设计')end程序运行结果为pj = 167.5296缸安全使用3）、应用MATLAB 软件编程校核液压缸是否满足塑性变形要求 程序如下：clcclearyl=1000e6;D=125e-3;D1=152e-3;pA=21*1.25e6;prL=2.3*yl*log10(D1/D);bizhi=pA/prLif bizhi>0.35 or bizhi<0.42,disp('该缸满足塑性变形要求！') elsedisp('该缸不满足塑性变形要求，重新设计！')end程序运行结果为bizhi = 0.1344该缸不满足塑性变形要求，重新设计！4）、应用MATLAB 软件编程计算液压缸的径向变形量由公式ΔD=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⨯v D D D D E p D r 221221可编写程序如下：clcclearD=125e-3;D1=152e-3;pn=21*1.25e6;E=2.06e11;v=0.3; pr=1.5*pn;disp('一级缸缸筒径向变形量（mm ）')deltDd=pr*D*1000*((D1^2+D^2)/(D1^2-D^2)+v)/E程序运行结果为一级缸缸筒径向变形量（mm ） deltDd =0.13095）、应用MATLAB 软件编程计算液压缸的爆裂压力 由爆裂压力公式DD p b r 1log 3.2⨯⨯=σ编写程序如下： clcclearD=125e-3;D1=152e-3;pn=21*1.25e6;yl=1000e6;pr=1.5*pn;disp('--缸筒爆破力--')pEd=2.3*yl*log10(D1/D)if pEd>pr,disp('爆裂压力满足要求')elsedisp('爆裂压力不满足要求，重新设计！')end程序运行结果为--缸筒爆破力--pEd = 1.9535e+008爆裂压力满足要求3.3.3 应用ANSYS有限元分析缸筒径向变形1）、选择单元类型Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→Brick 8node 45→OK→Close2）定义材料参数Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural →Linear→Elastic→Isotropic→input EX 2.6E11 PRXY 0.3→OK3）生成几何模型Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Cylinder→Hollow Cylinder→Input Rad-1 0.0625 Rad-2 0.076 Depth 1.639→OK.适当旋转模型，如下图所示4）划分网格Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Tool→Mesh→Pick all→Close 5)模型施加约束和载荷(1）将端面固定Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Areas→选择两个端面→OK→ALL DOF→OK(2）在缸筒内部施加1.5*21MPa的压力Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→选择缸筒的内壁→OK→Input VALUE 1.5*21e6→OK6)、分析计算Main Menu→Solution→Current LS→OK7)、结果显示1）显示变形图Main Menu→General Postproc→Plot Results→Deformed Shapes→Def+Undeformed→OK2)显示应力图Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu →Stress→von Mises stress图5 变形图图6 应力图由分析的结果可知：液压缸径向的最大变形量为0.0414mm，所受到的最大应力为36.5MPa3.3.4 应用ANSYS有限元分析缸筒轴向变形1)、选择单元类型Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→Solid→Brick 8node 45→OK→Close2)、定义材料参数Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→Structural →Linear→Elastic→Isotropic→input EX 2.6E11 PRXY 0.3→OK3)、生成几何模型Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Cylinder→Hollow Cylinder→Input Rad-1 0.1495 Rad-2 0.125 Depth 1.768→OK.适当旋转模型，如下图所示4)、划分网格Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Tool→Mesh→Pick all→Close5)、模型施加约束和载荷(1）将一个端面固定Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→On Areas→选择一个端面→OK→ALL DOF→OK(2）在另一个端面施加1.5*21MPa的压力Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→选择另一个端面→OK→Input VALUE 1.5*21e6→OK6)、分析计算Main Menu→Solution→Current LS→OK7)、结果显示(1）显示变形图Main Menu→General Postproc→Plot Results→Deformed Shapes→Def+Undeformed→OK(2)显示应变图Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu →Stress→von Mises stress图7 变形图图8 应力图由分析的结果可知：液压缸径向的最大变形量为0.198mm，所受到的最大应力为32.3MPa4 液压缸快进、工进、快退系统4.1液压缸快进、工进、快退系统图图9 液压系统图1-背压阀;2-顺序阀; 3、6、11-单向阀;4-供进调速阀;5-压力继电器;7-液压缸; 8-行程阀;9-先导阀;10-换向阀;12-液压泵4.2液压缸系统循环图（1）快速前进电磁铁1YA通电，换向阀10左位接入系统，顺序阀2因为系统压力不高仍处于关闭状态。