3t液压千斤顶结构设计

  3t液压千斤顶结构设计_建筑/土木_工程科技_专业资料。毕业设计说明书 题目名称: 院系名称: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 3t液压千斤顶结构设计 机电学院 2012 年 6 月 摘 要 在实际生产中我们总是会遇到一些将重物如

  毕业设计说明书 题目名称: 院系名称: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 3t液压千斤顶结构设计 机电学院 2012 年 6 月 摘 要 在实际生产中我们总是会遇到一些将重物如机床、笨重的箱子、井 下的轨道等在没有起吊设备的情况下移动或抬起的情况,仅靠人工操作 是很难实现的,这时我们就需要用到千斤顶。 千斤顶与我们的生活息息相关,在各行各业如建筑、铁路、汽车维 修等部门均得到广泛的应用,因此千斤顶技术的发展将直接或间接影响 到这些部门的正常运转和工作,而液压千斤顶又是千斤顶的一种。在液 压千斤顶结构设计中,对液压元件制造精度要求高,工艺复杂,成本较 高应向标准化发展,液压元件维修较复杂,且需有较高的技术水平,元 件尽量符合互换性。通过研究液压千斤顶的内部结构、工作原理。使我 们对千斤顶有进一步的了解,使我们更加科学合理的应用千斤顶。 关键字:广泛,工艺,互换性,工作原理 1 Abstract As the development of the marketing economy, nowadays, the privately owned enterprise becomes the important support in the economy and the society. But as the competition becomes keen, the privately owned enterprise also confronts the tough challenge. It is one of the most important and useful subject on how to improve the core competitiveness to make this kind of enterprise maintain the vigorous vitality. Keywords:Privately Owned Enterprise Shared Vision Visioning Procedure 2 前言 液压千斤顶是典型的利用液压传动的设备,液压千斤顶具有结构紧 凑、体积小、重量轻、携带方便、性能可靠等优点,被广泛应用于流动性 起重作业,是维修、汽车、拖拉机等理想工具。其结构轻巧坚固、灵活可 靠,一人即可携带和操作。千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置,通过 顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备。本次对车用 液压千斤顶进行三维建模以及运动仿真旨在了解液压千斤顶的内部结 构,油液流动方式,密封方式,并且通过对液压千斤顶的分析了解液压 传动的原理以及应用。通过查阅大量文献,和对千斤顶各部件进行绘制 建模不但熟悉了千斤顶内液压传动原理还使得我对一些绘图软件的操作 更加熟练。同时也在以前书本学习的基础上对液压传动加深了理解。 3 1 液压传动概述 液压传动的应用范围的基本原理 自 18 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起,液压传动技术已有 二三百年的历史。直到 20 世纪 30 年代它才较普遍地用于起重机、机床 及工程机械。在第二次世界大战期间,由于战争需要,出现了由响应迅 速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次世界大战结 束后,战后液压技术迅速转向民用工业,液压技术不断应用于各种自动 机及自动生产线 年代以后,液压技术随着原子能、空间技 术、计算机技术的发展而迅速发展。因此,液压传动真正的发展也只是 近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪 声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时,新型液压元件和液压系 统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制 (CDC)、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技 术发展和研究的方向。 我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上,后来又用于拖拉 机和工程机械。现在,我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、 生产技术以及进行自行设计,现已形成了系列,并在各种机械设备上得 到了广泛的使用。 液压传动有许多突出的优点,因此它的应用非常广泛,如一般工。 业用的塑料加工机械、压力机械、机床等;行走机械中的工程机械、建 筑机械、农业机械、汽车等;钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊 调整装置等;土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、 桥梁操纵机构等;发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等;船舶用的甲 板起重机械(绞车)、船头门、舱壁阀、船尾推进器等;特殊技术用的 巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等;军事工业用的火炮操 纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵 控制装置等。 液压传动的基本原理是在密闭的容器内,利用有压力的油液作为工作介 4 质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质,一般为矿 物油,它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 在液压传动中,液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系 统,分析它的工作过程,可以清楚的了解液压传动的基本原理。 2 液压传动系统的组成 液压系统主要由:动力元件(油泵)、执行元件(油缸或液压马达)、控 制元件(各种 阀)、辅助元件和工作介质等五部分组成。 1、动力元件(油泵) 它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液 压力能;是液压传动中的动力部分。 2、执行元件(油缸、液压马达) 它是将液体的液压能转换成机械能。 其中,油缸做 直线运动,马达做旋转运动。 3、控制元件 包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要 无级调节液动机的速度,并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向 进行调节控制。 4、辅助元件 除上述三部分以外的其它元件,包括压力表、滤油器、蓄 能装置、冷却器、管件及油箱等,它们同样十分重要。 5、工作介质 工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液,它经过 油泵和液动机实现能量转换。 3 液压传动的优缺点 1、液压传动的优点 (1)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如,相同功率液 压马达的体积为电动机的 12%~13%。液压泵和液压马达单位功率的重 5 量指标,目前是发电机和电动机的十分之一,液压泵和液压马达可小至 0.0025N/W(牛/瓦),发电机和电动机则约为 0.03N/W; (2)能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度,并可实现无极调速,且 调速范围最大可达 1:2000(一般为 1:100)。 (3)换向容易,在不改变电机旋转方向的情况下,可以较方便地实现工 作机构旋转和直线)液压泵和液压马达之间用油管连接,所以借助油管的连接可以方便 灵活地布置传动机构,这是比机械传动优越的地方。例如,在井下抽取 是由的泵可以采用液压传动来驱动,以克服长驱动轴效率低的缺点。由 于液压缸的推力很大,又加之容易布置,在挖掘机等重型工程机械上, 已基本取代了老式的机械传动,不仅操作方便,而且外形美观大方; (5)由于采用油液为工作介质,元件相对运动表面间能自行润滑,磨损 小,使用寿命长; (6)操纵控制简便,自动化程度高,借助于各种控制阀,特别是采用液 压控制和电气控制结合使用时,能很容易的实现复杂的自动工作循环, 而且可以实现遥控; (7)容易实现过载保护,借助于设置溢流阀等,同时液压件能自行润滑, 因此使用寿命长。 (8)液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。 2、液压传动的缺点 (1)使用液压传动对维护的要求高,工作油要始终保持清洁; (2)为了减少漏油,以及满足某些性能上的要求,对液压元件制造精度 要求高,工艺复杂,成本较高; (3)液压元件维修较复杂,且需有较高的技术水平; (4)液压传动对油温变化较敏感,这会影响它的工作稳定性。因此液压 6 传动不宜在很高或很低的温度下工作, 一般工作温度在-15℃~60℃范围 内较合适。 (5)液压传动在能量转化的过程中,特别是在节流调速系统中,其压力 大,流量损失大,故系统效率较低 ; (6) 液压系统中的漏油现象等因素,影响运动的平稳性和正确性,使 得液压传动不能保证严格的传动比。 3 液压传动在机械中的应用 驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。根据所 用的部件和零件,可分为机械的、电气的、气动的、液压的传动装置。 经常还将不同的形式组合起来运用——四位一体。由于液压传动具有很 多优点,使这种新技术发展得很快。液压传动应用于金属切削机床也不 过四五十年的历史。航空工业在 1930 年以后才开始采用。特别是最近二 三十年以来液压技术在各种工业中的应用越来越广泛。 在机床上,液压传动常应用在以下的一些装置中: 1.进给运动传动装置磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液 压传动;车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架;铣床、刨床、 组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。这些部件有的要求 快速移动,有的要求慢速移动。有的则既要求快速移动,也要求慢速移 动。这些运动多半要求有较大的调速范围,要求在工作中无级调速;有 的要求持续进给,有的要求间歇进给;有的要求在负载变化下速度恒定, 有的要求有良好的换向性能等等。所有这些要求都是可以用液压传动来 实现的。 2.往复主体运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑 枕,由于要求作高速往复直线运动,并且要求换向冲击小、换向时间短、 能耗低,因此都可以采用液压传动。 3.仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统 来完成。 其精度可达 0.01~0.02mm。此外,磨床上的成形砂轮修正装 置亦可采用这种系统。 7 4.辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间 隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、 工件输送装置等,采用液压传动后,有利于简化机床结构,提高机床自 动化程度。 5.静压支承重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝 杠螺母机构等处采用液体静压支承后,可以提高工作平稳性和运动精度。 表 1-1 液压传动在各类机械行业中的应用实例 行业名称 工程机械 起重运输 机械 矿山机械 建筑机械 农业机械 冶金机械 轻工机械 汽车工业 智能机械 应用场所举例 挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等 汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等 凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、电投咪牌液压支架 等 打桩机、液压千斤顶、平地机等 联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等 电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等 打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、 减振器等 折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、 机器人等 4 国内外千斤顶发展情况 国外发展情况 早在 20 世纪 40 年代,卧式千斤顶就已经开始在国外的汽车维修部门使 用,但由于当 时设计和使用上的原因,其尺寸较大,承载量较低。后来随着社会需求量的 增大以及千斤顶本身技术的发展,在 90 年代初国外绝大部分用户已以卧 式千斤顶替代了立式千斤顶。在 90 年后期国外研制出了充气千斤顶和便 8 携式液压千斤顶等新型千斤顶。充气千斤顶是由保加利亚一汽车运输研 究所发明的,它用有弹性而又非常坚固的橡胶制成。使用时,用软管将千斤 顶连在汽车的排气管上,经过 15~20 秒,汽车将千斤顶鼓起,成为圆柱体。 这种千斤顶可以把 115t 重的汽车顶起 70cm。Power-Riser Ⅱ型便携式液 压千斤顶则可用于所有类型的铁道车辆,包括装运三层汽车的货车、联运 车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定位的机械锁定环,一个三维 机械手,一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤 器。另外一种名为 Truck Jack 的便携式液压千斤顶则可用于对已断裂的 货车转向架弹簧进行快速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对装有 70~125t 级转向架的大多数卸载货车进行维修,并能完全由转向架侧架 支撑住。它适用于车间或轨道上无需使用钢轨道碴或轨枕作承。 国内发展情况 我国千斤顶技术起步较晚,由于历史的原因,直到 1979 年才接触到类似于 国外卧式千 斤顶这样的产品。但是经过全面改进和重新设计,在外形美观,使用方便, 承载力大,寿命长等方面,都超过了国外的同类产品,并且迅速打入欧美市 场。经过多年设计与制造的实践,除了卧室斤顶以外,我国还研规格齐全, 形成系列产品 5 液压千斤顶特点 液压千斤顶是一种将密封在油缸中的液体作为介质,把液压能转换为机械 能从而将重 物向上顶起的千斤顶 。它结构简单,体积小,重量轻,举升力大,易于维修, 但同时制造精度要求较高,若出现泄漏现象将引起举升汽车的下降,保险 系数降低,使用其举升时易受部位和地方的限制。传统液压千斤顶由于手 柄、活塞、油缸、密封圈、调节螺杆、底座和液压油组成。它利用了密 9 闭容器中静止滚体的压力以同样大小向各个方向传递的特性。优点:输出 推力大;缺点:效率低。 6 液压千斤顶常见故障排除 1 重载时顶杆不能升起。当千斤顶顶到某一高度后, 顶杆就不再升高这表 明千斤顶内 缺少工作油, 应予补足。 2 顶杆抖动。这说明回油阀关闭不严, 可将回油阀针再向里拧紧一些。若 仍不能顶起, 且压杆周围漏油, 则为顶杆密封圈损坏, 应予更换。若不能顶起且压杆周 围也无漏油, 再检查回油阀和进油阀门能否关严包括压杆筒体端面接合 处的密封垫圈情况若上述均无异常, 则为顶杆密封圈损坏或其固定螺打 松动, 应予更换或拧紧。 3 空载时顶杆就不能升起。首先检查千斤顶的油量,不足时应添加。若千 斤顶不缺油可 将千斤顶回油阀针松开, 拆下加油孔油塞, 然后用脚踩住千斤顶底座, 双 手向上拔起顶杆再压下去, 如此反复拔、压顶杆几次, 以排除空气若做完 上述检查后, 拧紧加油孔油塞和回油阀, 再试空顶若此时顶杆仍不能上 升, 应将千斤顶放平, 拆去回油阀, 检查阀与座的接触情况是否良好, 若 有脏物, 应予清除若有坑、槽、不平应予更换。最后检查进油阀门是否密 封良好,顶杆密封圈有无损坏或脱落, 若有则及时更换。 4 漏油。千斤顶的漏油部位多在座与筒体结合处、顶杆周围、回油阀的锁 紧螺纹处、 加油孔的固定油塞处、压杆周围等。漏油原因多为密封垫圈损坏必须及 时更换 7 千斤顶技术展望 10 随着我国汽车工业的快速发展,汽车随车千斤顶的要求也越来越高;同时 随着市场竞争 的加剧,用户要求的不断变化,将迫使千斤顶的设计质量要不断提高,以适 应用户的需求。用户喜欢的、市场需要的千斤顶将不仅要求重量轻,携带 方便,外形美观,使用可靠,还会对千斤顶的进一步自动化,甚至智能化都有 所要求。如何充分利用经济、情报、技术、生产等各类原理知识,使千斤 顶的设计工作真正优化?如何在设计过程中充分发挥设计人员的创造性 劳动和集体智慧,提高产品的使用价值及企业、社会的经济效益? 如何在 知识经济的时代充分利用各种有利因素,对资源进行有效整合等等都将是 我们面临着又必须解决的重要的问题。 8 液压千斤顶的工作原理 图 8.1 是液压千斤顶的工作原理图。大油缸 9 和大活塞 8 组成举升 液压缸。杠杆手柄 1、小油缸 2、小活塞 3、单向阀 4 和 7 组成手动液压 泵。如提起手柄使小活塞向上移动,小活塞下端油腔容积增大,形成局 部线 中吸油;用力压下 手柄,小活塞下移,小活塞下腔压力升高,单向阀 4 关闭,单向阀 7 打 开,下腔的油液经管道 6 输入举升油缸 9 的下腔,迫使大活塞 8 向上移 动,顶起重物。再次提起手柄吸油时,单向阀 7 自动关闭,使油液不能 倒流,从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄,就能不断 地把油液压入液压缸下腔,使重物逐渐地升起。如果打开截止阀 11,液 压缸下腔的油液通过管道 10、截止阀 11 流回油箱,重物就向下移动。这 就是液压千斤顶的工作原理。 通过对上面液压千斤顶工作过程的分析,可以初步了解到液压传动的基 11 液压千斤顶工作原理分析 图 8.1 液压千斤顶工作原理图 1.杠杆手柄 2.小油缸 3.小活塞 4.单向阀 5.吸油管 6.管道 7.单向阀 8.大活塞 9.大油缸 10.管道 11.截止阀 12.油箱 12 本工作原理。液压传动是利用有压力的油液作为传递动力的工作介质。 压下杠杆时,小油缸 2 输出压力油,是将机械能转换成油液的压力能, 压力油经过管道 6 及单向阀 7,推动大活塞 8 举起重物,是将油液的压力 能又转换成机械能。大活塞 8 举升的速度取决于单位时间内流入大油缸 9 中油容积的多少。由此可见,液压传动是一个不同能量的转换过程。 8.1 液压千斤顶的作用 本液压千斤顶是杭州万海五金经营部销售的 QYL5D 油压千斤。为三 一重工股份有限公司配套加工的外协件,它用在飞机的起落架以及吊车, 挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机的支撑架的机构中,主要是 起到支撑作用。因此,该零件的质量及精度在使用中是非常重要的,必 须制作出合理的工艺规程以确保零件的质量。 8.2 液压千斤顶主要构件分析 该系统是一个组焊件,技术条件要求为:组焊后加工,热处理调质 达到 HB240~HB280。表面粗糙度最高达到 Ra2.3 ?m,最低达到 Ra12.5 ?m, 尺寸公差较小,另外有一处位置公差要求,这就需要经过粗加工、半精 加工、精加工过程。本零件用于大批量生产。本系统主要运用了:杠杆 原理,帕斯卡原理,单向阀原理等。 13 9 液压缸的设计 9.1 液压缸的主要形式及选材 液压缸能将液压能转换为机械能,用来驱动工作机构作直线运动或 摆动运动。它是液压执行元件。液压缸由于结构简单,工作可靠,除单 个使用外,还可几个组合或与杠杆、连杠、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮 等其他机构配合,实现多种机械运动,因此应用十分广泛。 液压缸有多种类型。按结构特点可分为活塞式、柱塞式和组合式三大 类;按作用方式又可分为单作用式和双作用式两种。 由于液压缸要承受较大压强,故液压缸采用:45 号钢活塞式单作用 液压缸。 9.2(液压缸主要参数的计算)液压缸的压力 (1)额定压力 Pn: 也称为公称压力,是液压缸能用以长期工作的最高压力。油液作用 在活塞单位面积上的法向力图 3.1。单位为 Pa,其值为: Pn=G/A=3×104 ÷(3.14×0.175×0.175)=2.96×105 Pa 图 3.1 液压缸的计算简图 式中: FL 为活塞杆承受的总负载;A 为活塞的工作面积。 上式表明,液压缸的工作压力是由于负载的存在而产生的,负载越 14 大,液压缸的压力也越大。 表 9.1 为国家标准规定的液压缸公称压力系列。 表 9.1 液压缸公称压力(MPa) 0.4 0.63 1 2.5 4 6.3 10 16 20 25 31.5 (2)工作压力 P: 由于活塞的重力大约在 g=10 N 左右,要远比物体的重力小,所以可 以忽略不计。 所以 P ? FL ? (g+G)/A=3.001×104 ÷(3.14×0.175×0.175) A =2.96×105 Pa ≈Pn = 2.96×105 Pa (3)最高允许压力 pmax : 也称试验压力,是液压缸在瞬间能承受的极限压力。通常为 ≤ pmax 1.5Pn =1.5×2.95×105 Pa =4.42×105 Pa ≈0.442 MPa 9.3 液压缸的输出力与输出力 (1)液压缸的理论输出力 F 出等于油液的压力和工作腔有效面积的乘积, 即 F ? pA=AG=3×104 N 由于液压缸为单活塞杆形式,因此两腔的有效面积不同。所以在相 同压力条件下液压缸往复运动的输出力也不同。由于液压缸内部存在密 封圈阻力回油阻力等,故液压缸的的实际输出力小于理论作用力。 (2)液压缸的理论输入力: 15 F 入 =F 出×A1÷A2=3×104 ×(0.1752÷0.1252) =3×104×(0.030625÷0.015625) =3×104× 1.96 =5.88×102 N 式 中 :A1 表 示 小 液 压 缸 的 横 截 面 积 ,0.01(m) 表 示 小 液 压 缸 的 半 径 ,A2 表示大液压缸的横截面积,0.0175(m) 表示大液压缸的半径。 9.4 液压缸的输出速度 (1)大液压缸的输出速度 v ? q = nSA1/A2=20×0.13×0.00926=0.0241 m/min A q=nSA1=20×0.13×3.14×(0.01)2=8.16×10-6 L/min 式中:V 为液压缸的输出速度;q 为输入液压缸工作腔的流量;A2 为 大液压缸工作腔的有效面积;A1 表示小液压缸的横截面积;n =20 表示小 液压缸每分钟回程 20 次;S=0.13 m 表示小液压缸工作行程为 130 mm (2) 速比 ?v ?v ? v2 v1 ? A1 A2 式中:V1 为活塞前进速度;V2 为活塞退回速度;A1 为活塞无杆腔有效面积; A2 为活塞有杆腔有效面积。 速度不可过小,以免造成活塞杆过细,稳定性不好。其值如表 3.2 示: 工作压力 p/Mpa 表 3.2 液压缸往复速度比推荐值 ≤10 1.25~20 >20 往复速度比 ?v 1.33 1.46~2 20 16 9.5 液压缸的功率 (1)输出功率 P0:液压缸的输出为机械能。单位 W,其值为: p0 ? Fv =3×104×0.0241 =723 W 式中:F 为作用在活塞杆上的外负载;v 为活塞平均运动速度。 (2)输入功率 pi :液压缸的输入为液压能。单位为 W,它等于压力和流 量的乘积, 即 q=nSA1=20×0.13×3.14×(0.01)2=8.16×10-5L/min pi ? pq =2.96×105 ×2.5×10-5 =740 W 式中:p 为大液压缸的工作压力;q 为大液压缸的输入流量。 由于液压缸内存在能量损失(摩擦和泄露等),因此,输出功率小 于输入功率。 9.6 小液压缸的主要参数计算 (1)小液压缸的输出力等于大液压缸的输入力, 即: F=588N (2)小液压缸的流速为: V=(A 大/A 小)×V 大=175×0.0241=4.2175 m/min (3)小液压缸的流量为: q=nSA1=20×0.13×3.14×(0.01)2=8.16×10-6L/min 10 液压控制阀 10.1 方向控制阀 方向控制阀是控制液压系统中油液流动方向的,它为单向阀和换向 阀两类。单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。 17 10.2 普通单向阀 普通单向阀简称单向阀,它的作用是使用油液只能沿一个方向流动, 不许反向倒流。图 4.1 所示为直通式单向阀的结构及图形符号。压力油 从 p1 流入时,克服弹簧 3 作用在阀芯 2 上的力,使阀芯 2 向右移动,打 开阀口,油液从 p1 口流向 p2 口。当压力油从 p2 口流人时,液压力和弹 簧力将阀芯压紧在阀座上,使阀口关闭,液流不能通过。 (a)结构原理图 (b)图形符号 图 4.1 单向阀 1、阀体;2、阀芯;3、弹簧 单向阀的弹簧主要用来克服阀芯的摩擦阻力和惯性力,使阀芯可靠 复位,为了减小压力损失,弹簧钢度较小,一般单向阀的开启为 0.03 MPa~ 0.05 MPa(如换上刚度较大的弹簧,使阀的开启压力达到 0.2 MPa~0.6 MPa,便可当背压阀使用)。 由于本千斤顶最低位置为 125mm,这就要求液压缸体积很小,液压 缸内无法使用这种单向阀,所以本千斤顶采用下图所示的单向阀。 18 11 顶起机构的设计 本千斤顶是运用四连杆机构 11.1 弯曲杆(手柄)的设计 工程中常存在大量受弯曲的杆件,这些杆件在外力作用下常发生弯 曲变形,以弯曲为主要变形的杆件称为梁.工程力学中对梁作以下规定: 梁任一横截面上的剪力,其值等于该截面任一侧梁上所有横向力的 代数和。 梁任一横截面上的弯矩,其值等于该截面任一侧所有外力对形心的 力矩的代数和。 11.5 活塞杆的设计 工程实际中经常遇到承受轴向拉伸或压缩的构件。例如,内燃机中 的连杆,钢木组合桁架中的钢拉杆等。 承受轴向拉伸或压缩的杆件称为拉压杆。实际拉压杆的形状,加载 和连接方式各不相同,但都可简化成图 5.7 所示的计算简图,它们的共 同特点是作用于杆件上的外力的合力作用线与杆件轴线重合,杆件的主 要变形是沿轴线方向的伸长或缩短。 (1)千斤顶的活塞杆即为简单的拉压杆,图 5.7 即为水平放置的大活塞杆, 试选材 45 钢,有《机械设计制造基础》(陈立德主编)查得其许用拉 应力为[σ ]= 235 MPa 19 (2)设计截面:选择拉压杆的半径为 r= 12.5 mm 则其许用应力为: σ max = F/A= 588/(3.14×0.0125×0.0125)=1.198 MPa (3)教核强度: σ max = 1.198 MPa <[σ ]= 235 MPa 由此可见,满足其强度。 (4)确定许用载荷: Fmax ≤ A×[σ ]= (3.14×0.0125×0.0125)×235×106= 1.15 ×107 N 图 11.7 拉压杆计算简图 20 12 液压油的选用 液压油是液压传动系统中的传动介质,而且还对液压装置的机构、零件起这 润滑、冷却和防锈作用。液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内 变化,因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。故此,合理的 选用液压油也是很重要的。 一、液压传动工作介质的性质 1、 1、 密度 ρ ρ = m/V [kg/ m3] 一般矿物油的密度为 850~950kg/m3 2、重度 γ γ= G/V [N/ m3] 一般矿物油的重度为 8400~9500N/m3 因 G = mg 所以 γ= G/V=ρg 3、液体的可压缩性 当液体受压力作用二体积减小的特性称为液体的可压缩性。 体积压缩系数 β= - ▽V/▽pV0 ▽体积弹性模量 K = 1 /β 4、 4、 流体的粘性 液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力而产生一种阻 碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力,液体的这种产生内摩擦力的性质 称为液体的粘性。由于液体具有粘性,当流体发生剪切变形时,流体内就产 生阻滞变形的内摩擦力,由此可见,粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。 处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形,因而也不存在变形的抵抗,只 有当运动流体流层间发生相对运动时,流体对剪切变形的抵抗,也就是粘性 才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动,在任何情况下它 都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。 粘性的大小可用粘度来衡量,粘度是选择液压用流体的主要指标,是影 响流动流体的重要物理性质。 1 图 2-2 液体的粘性示意图 当液体流动时,由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体 内各处的速度大小不等,以流体沿如图 2-2 所示的平行平板间的流动情况为 例,设上平板以速度 u0 向右运动,下平板固定不动。紧贴于上平板上的流体 粘附于上平板上,其速度与上平板相同。紧贴于下平板上的流体粘附于下平 板图 2-2 液体的粘性示意图上,其速度为零。中间流体的速度按线性分布。 我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动,当运动较快的流体层在 运动较慢的流体层上滑过时,两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。根据 实际测定的数据所知,流体层间的内摩擦力 F 与流体层的接触面积 A 及流体 层的相对流速 du 成正比,而与此二流体层间的距离 dz 成反比,即: F=μ Adu/dz 以 τ =F/A 表示切应力,则有: τ =μ du/dz (2-6) 式中:μ 为衡量流体粘性的比例系数,称为绝对粘度或动力粘度;du/dz 表 示流体层间速度差异的程度,称为速度梯度。 上式是液体内摩擦定律的数学表达式。当速度梯度变化时,μ 为不变常 数的流体称为牛顿流体,μ 为变数的流体称为非牛顿流体。除高粘性或含有 大量特种添加剂的液体外,一般的液压用流体均可看作是牛顿流体。 流体的粘度通常有三种不同的测试单位。(1)绝对粘度 μ 。绝对粘度又 称动力粘度,它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。动力粘度 μ 在物 理意义上讲,是当速度梯度 du/dz=1 时,单位面积上的内摩擦力的大小,即: 2 ? ? ? du dz (2-7) 动力粘度的国际(SI)计量单位为牛顿·秒/米 2,符号为 N·s/m2,或为 帕·秒,符号为 Pa·s。 (2)运动粘度 ν 。运动粘度是绝对粘度 μ 与密度 ρ 的比值: ν =μ /ρ (2-8) 式中:ν 为液体的动力粘度,m2/s;ρ 为液体的密度,kg/m3。 运动粘度的 SI 单位为米 2/秒,m2/s。还可用 CGS 制单位:斯(托克斯),St 斯的单位太大,应用不便,常用 1%斯,即 1 厘斯来表示,符号为 cSt,故: 1cSt =10-2St =10-6m2/s 运动粘度 ν 没有什么明确的物理意义,它不能像 μ 一样直接表示流体 的粘性大小,但对 ρ 值相近的流体,例如各种矿物油系液压油之间,还是 可用来大致比较它们的粘性。由于在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与 密度的比值,为方便起见才采用运动粘度这个单位来代替 μ /ρ 。它之所以 被称为运动粘度,是因为在它的量纲中只有运动学的要素长度和时间因次的 缘故。机械油的牌号上所标明的号数就是表明以厘斯为单位的,在温度 50℃ 时运动粘度 ν 的平均值。例如 10 号机械油指明该油在 50℃时其运动粘度 ν 的平均值是 10cSt。蒸馏水在 20.2℃时的运动粘度 ν 恰好等于 1cSt,所 以从机械油的牌号即可知道该油的运动粘度。例如 20 号油说明该油的运动 粘度约为水的运动粘度的 20 倍,30 号油的运动粘度约为水的运动粘度的 30 倍,如此类推。动力粘度和运动粘度是理论分析和推导中经常使用的粘度单 位。它们都难以直接测量,因此,工程上采用另一种可用仪器直接测量的粘 度单位,即相对粘度。 (3)相对粘度。相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘 性的。相对粘度又称条件粘度。各国采用的相对粘度单位有所不同。有的用 赛氏粘度,有的用雷氏粘度,我国采用恩氏粘度。恩氏粘度的测定方法如下: 测定 200cm3某一温度的被测液体在自重作用下流过直径 2.8mm 小孔所需的时 间 tA,然后测出同体积的蒸馏水在 20℃ 时流过同一孔所需时间 tB(tB=50~ 52s),tA 与 tB 的比值即为流体的恩氏粘度值。恩氏粘度用符号°E 表示。被 测液体温度 t℃时的恩氏粘度用符号°Et 表示。 °Et = tA/tB 3 (2-9) 工业上一般以 20℃、50℃和 100℃ 作为测定恩氏粘度的标准温度,并 相应地以符号 °E20、°E50 和°E100 来表示。 知道恩氏粘度以后,利用下列的经验公式,将恩氏粘度换算成运动粘度。 ν =7.31°E-6.31/°E×10-6 (2-10) 为了使液体介质得到所需要的粘度,可以采用两种不同粘度的液体按一定比 例混合,混合后 的粘度可按下列经验公式计算。 °E=[a°E1+b°E2-c(°E1-°E2)]/100 (2-11) 式中:°E 为混合液体的恩氏粘度;°E1,°E2 分别为用于混合的两种油液 的恩氏粘度, °E1>°E2;a,b 分别为用于混合的两种液体°E1、°E2 各占的百分数, a+b=100;c 为与 a、b 有关的实验系数,见表 2-1。 表 2-1 系数 c 的值 a/% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 b/% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 c 6.7 13.1 17.9 22.1 25.5 27.9 28.2 25 17 (4)压力对粘度的影响。在一般情况下,压力对粘度的影响比较小,在工程 中当压力低于 5MPa 时,粘度值的变化很小,可以不考虑。当液体所受的压 力加大时,分子之间的距离缩小,内聚力增大,其粘度也随之增大。因此, 在压力很高以及压力变化很大的情况下,粘度值的变化就不能忽视。在工程 实际应用中,当液体压力在低于 50MPa 的情况下,可用下式计算其粘度: ν p=ν 0(1+α p) (2-12) 4 式中:ν p 为压力在 p(Pa)时的运动粘度;ν 0 为绝对压力为 1 个大气压时的 运动粘度;p 为压力(Pa);α 为决定于油的粘度及油温的系数,一般取 α =(0.002~0.004)×10-5,1/Pa。 (5)温度对粘度的影响。液压油粘度对温度的变化是十分敏感的,当温 度升高时,其分子之间的内聚力减小,粘度就随之降低。不同种类的液压油, 它的粘度随温度变化的规律也不同。我国常用粘温图表示油液粘度随温度变 化的关系。对于一般常用的液压油,当运动粘度不超过 76mm2/s,温度在 30~ 150℃ 范围内时,可用下述近似公式计算其温度为 t℃的运动粘度: ν t=ν 50(50/t)n (2-13) 式中:ν t 为温度在 t℃时油的运动粘度;ν 50 为温度为 50℃时油的运动粘 度;n 为粘温指数。粘温指数 n 随油的粘度而变化,其值可参考表 2-2。 表 2-2 粘温指数 ν 50/mm2·s 2.5 6.5 9.5 12 21 30 38 45 52 60 -1 n 1.3 1.5 1.7 1.7 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4 9929934229 液压传动所用液压油一般为矿物油。它不仅是液压系统传递能量的工作 介质,而且还有润滑,冷却和防锈的作用。液压油质量的优劣直接影响液压 系统的工作性能。 为了更好地传递运动和动力,液压油应具备如下性能: (1)润滑性能好; (2)纯净度好,杂质少; (3)合适的粘度和良好的粘温特性; (4)抗泡沫性,抗乳化性和防锈性好,腐蚀性小; (5)对热,氧化,水解都有良好的稳定性,使用寿命长; (6)对液压系统所用金属及密封件材料等有良好的相容性; (7)比热和传热系数大,体积膨胀系数小,闪点和燃点高,流动点和凝 5 固点低。 一般根据液压系统的使用性能和工作环境等因素确定液压油的品种。当 品种确定后,主要考虑油液的粘度。在确定油液粘度时主要应考虑系统工作 压力,环境温度及工作部件的运动速度。当系统的工作压力大,环境温度较 高,工作部件运动速度较大时,为了减少泄漏,宜采用粘度较高的液压油。 当系统工作压力小,环境温度较低,而工作部件运动速度较高时,为了减少 功率损失,宜采用粘度较低的液压油。 当选购不到合适粘度的液压油时,可采用调和的方法得到满足粘度要求 的调和油。当液压油的某些性能指标不能满足某些系统较高要求时,可在油 中加入各种改善其性能的添加剂,如抗氧化,抗泡沫,抗磨损,防锈以及改 进粘温特性的添加剂,使之适用于特定的场合。 因此,该千斤顶选用千斤顶专用液压油。 结论 毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的学习机 会,通过这次对液压千斤顶理知识和实际设计的相结合,锻炼了我的综合运 用所学专业知识,解决实际工程问题的能力,同时也提高了我查阅文献资料、 设计手册、设计规范能力以及其他专业知识水平,而且通过对整体的掌控, 对局部的取舍,以及对细节的斟酌处理,都使我的能力得到了锻炼,经验得 到了丰富,并且意志品质力,抗压能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在,提高是有限的 但却是全面的,正是这一次毕业设计让我积累了许多实际经验,使我的头脑 更好的被知识武装起来,也必然让我在未来的工作学习中表现出更高的应变 能力,更强的沟通力和理解力。 顺利如期的完成本此毕业设计给了我很大的信心,让我了解专业知识的同时 也对本专业的发展前景充满信心,但同时也发现了自己的许多不足与欠缺, 6 留下了些许遗憾,不过不足与遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行,今 后我更会关注新科技新设备新工艺的出现,并争取尽快的掌握这些先进知 识,更好的为祖国的四化服务。 结论 毕业设计是在我们学完大学全部基础课以及专业课之后进行的,它是一 次深入的综合性的总复习,也是一次理论联系实际的训练。 毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所掌握的专业技术理论和基 本技能来分析和解决工程技术问题,使我们建立正确的工程设计思想。通过 毕业设计,我们把理论与实践相结合,初步学会了如何编写技术文件、正确 使用技术资料手册及相关的工具书,培养了我们严肃认真、一丝不苟和实事 求是的工作作风,进一步巩固和提高自己所掌握的基础知识、基本理论和基 本技能,提高了自己的设计、计算、制图以及计算机绘图的能力。是从一名 学生向一名工程技术人员转变的过渡过程,为我们以后走上工作岗位打下了 一个很好的基础。 本次设计的题目为液压千斤顶系统设计,是理论性、应用性、实践性、 综合性的设计过程。液压千斤顶系统设计是集液压技术,机械设计和机械制 造于一身的实践与理论与一体的大练兵! 机械加工工艺、机械设计与制造是企业技术人员的一项主要工作内容。 机械加工工艺规程的制订与生产实际有着密切的联系,机械设计与制造要求 设计者具有一定的专业技术理论。 这种千斤顶广泛使用于中小型城市及农村的日常生活,主要用于厂矿、 交通运输等部门作为车辆理及其它起重、支撑等工作。其结构轻巧坚固、灵 活可靠,一人即可携带和操作。 7 8