起升油缸设计(3级)

引言起升油缸设计（3级）引言液压缸是将液压能转变为机械能、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。

它的结构简单、工作可靠。

用它来实现往复运动，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了广泛应用。

液压缸输出力和活塞有效面积及其两边压差成正比；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。

起升油缸设计（3级）1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。

按活塞杆的形式，液压缸又可分为单活塞缸和双活塞缸。

按缸的用途，液压缸可分为串联缸，增压缸，增速缸，步进缸。

按供油方向：液压缸可分为单作用缸和双作用缸。

活塞的复位只能借助弹簧, 或靠活塞自重, 或靠外力作用。

单作用液压缸基本上只有一个有效作用面积。

根据技绪论术构造, 这一类的油缸只能产生推力。

双作用液压缸是能由活塞的两侧输入压力油的液压缸。

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。

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.起升油缸设计（3级）图1-2 多级液压缸结构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、液压缸活塞直径的确定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,零件的功能工艺规程的制定等。

1.5 应用场合本三级液压缸主要用于ZJ20钻机ZJ30钻机和SXJ750-4修井机等。

在实际工作中此起升油缸是用来将承载式井架竖立起来，工作载荷大，移动速度慢，安全性能要求高。

如图（1-3、1-4、1-5）所示为四机厂产品实物图。

绪论图1-3 液压缸实物图图1-4液压缸实物图图1-5液压缸实物图起升油缸设计（3级）2液压缸结构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。

此缸用于车用修井机井架的起落，属于高压低低速缸。

起升时通过高压油推起，下落时依靠自重回落。

由于井架竖起时没有倾倒力，需要靠液压缸将井架倾斜，再依靠自重回落。

因此该液压缸一二级采用单作用的柱塞结构，三级采用双作用的活塞结构。

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 液压缸的选材缸体：35号钢。

35钢无焊接件，可用调质处理提高强度表面粗糙度，工艺要求内孔一般用珩磨。

柱塞：35号钢。

活塞：35号钢。

活塞杆：35号钢，一般表面要镀硬铬，表面粗糙度要Ra=0.2~0.4m缸底：焊接，35号钢锻件。

2.3 液压缸的工作分析伸出时，零级缸套处高压泵供油，一二三级缸体同时伸出。

当一级缸体到达限位处，二三级缸继续同时伸出。

二级缸到达限位处时，三级缸最后伸出，使井架竖立。

最后调节三级活塞，使井架保持垂直。

收回时，三级活塞处高压泵供油，活塞收回，井架倾斜一定角度。

二级缸靠自重收回，最后一级缸靠自重收回。

2.4方案确定液压缸结构分析方案1:图2-1 方案一结构图该图是柱塞结构简图，该方案是在柱塞外圆上安装一组导向装置，但不装密封圈。

在柱塞伸出时，对液压缸打油，当液压缸内充满液压油时，根据各级液压缸的截面面积的大小依次伸出，在缩回时，初定方案是打油，利用油压使液压缸各级依次缩回。

但是由于该方案中并没有安装密封装置，如果采用回油的方式，则会在液压缸的一级柱塞和二级柱塞这两级液压缸中产生卸油的现象，导致压力不足，液压缸无法缩回，影响工作效率。

由于该三级油缸属于轻型油缸，活塞的截面尺寸不大，可以先用回油的方式，利用较小的油压将活塞先缩回，然后再利用井架下降时的自重，将一级和二级柱塞压回。

由于井架的质量大，所以压力足以将液压缸全部缩回，这样既可以保证液压缸正常的工作状态，也可以避免回油时压力不足导致液压缸无法缩回的问题。

同时，由于该方案在柱塞的外圆上安装有导向装置，所以在柱塞伸出和缩回时能够保证一级柱塞与缸套，二级柱塞和一级柱塞之间较好的同轴度，可以尽量避免液压缸在移动过程中出现卡死的情况。

方案2:图2-2 方案二结构图起升油缸设计（3级）该方案是在两级柱塞上开一个密封沟槽，安装密封装置，但不开导向沟槽，不安装导向环。

这种方式在液压缸伸出时，根据油压作用面积的大小依次伸出，在液压缸缩回时，由于使用了密封装置，故在液压缸中能够保证一定的油压使液压缸缩回，但是该方案中没有使用导向装置，在缩回时，液压缸并不一定能够保证良好的同轴度，所以会出现卡死的现象，但是在实际工作中，如果不能及时的发现该原因，而认为是油压不足而导致的液压缸停止，所以一般都用继续增加油压的方式，油压柱塞都是薄壁缸体，在压力过大或者过于集中时，会出现“胀肚”的现象----也就是柱塞径向尺寸扩大。

方案3：图2-3 方案三结构图该方案是在柱塞上既开导向沟槽也开密封沟槽，密封沟槽是为了安装密封圈，防止泄油，保持油压，这样在液压缸缩回时，打油不会因为泄油导致油压不足而无法缩回，所以可以用打油的方式可以使各级缸体依次缩回。

导向沟槽是为了保证在柱塞伸出和缩回时与缸套的同轴度，安装了该装置可以尽量减少柱塞在运动过程出现偏离轴线运动而卡死的现象。

但是该方案的缺点在于，由于既安装的导向装置，也安装了密封装置，所以加工工艺复杂，成本增加，并且费时费力，由于有了密封装置，所以在缩回时采用打油的方式，使用油压使各级依次缩回，这样因为油压作用，回我使各级缸体在运动过程中出现震荡和碰撞的现象，运动不平稳，并且又需要单独再在各级缸体开设回油孔，工序增多，成本和加工周期都增加。

方案对比：1第一种方案优点：能够保证比较好的同轴度，在缸体运动的过程中可以减少柱塞和缸套之间非轴向运动而卡死的情况。

在缩回时，如果不采用油压缩回的方式，则只需要利用井架的自重，将各级缸体依次压回即可。

这样既可以减少加工工序，也可以减少成本和液压缸结构分析人力，并且运动更加平稳。

缺点：没有使用密封装置，在各级缸体缩回时，不能用打油的方式将其缩回，不然会因为泄油的原因而使液压缸无法缩回。

2第二种方案：优点：能够保证较好的密封效果，在各级液压缸缩回时，可以用打油的方式将液压缸逐级缩回，可以较快将其缩回，效率增加，在缩回时也不会因为泄油而导致油压不足的问题，而使液压缸无法缩回。

缺点：该方案只有密封装置，没有安装导向装置，无法保证较好的同轴度，在运动过程中可能会出现柱塞偏离轴线运动而卡死。

3第三种方案：优点：该方案兼顾了上面两张方案的优点。

缺点：加工工艺复杂，成本高，耗费较多的人力和时间，在实际工作中控制难度也加大。

方案确定：采用第一种方案设计，只安装导向装置，保证其运动过程中的同轴度，为了避免打油过程中因为没有密封装置而泄油，导致油压不足的问题，可以直接采用井架自重将各级缸体依次压回，工艺简单，操作方便，成本更低。