雙作用液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),作用,液壓缸,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 由于液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此，它被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建筑、石油化工、交通運(yùn)輸、軍事器械、礦山冶金、輕工、農(nóng)機(jī)、漁業(yè)、林業(yè)等各方面。液壓缸是液壓系統(tǒng)中最廣泛應(yīng)用的一種液壓執(zhí)行元件。液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行元件,它主要是用來(lái)輸出直線運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了雙作用液壓缸的結(jié)構(gòu)，主要部分包括了缸頭，缸底，活塞，活塞桿以及密封元件。油缸采用吊耳安裝，缸頭、缸底與缸筒之間采用螺釘連接。由于額定壓力較大，因此對(duì)各個(gè)聯(lián)結(jié)部件進(jìn)行了校核。最后基于AutoCAD軟件畫(huà)出了液壓缸的二維圖，基于SolidWorks軟件畫(huà)出液壓缸的三維模型，基于UG 軟件畫(huà)出液壓缸部分零件并生成NC代碼。 關(guān)鍵詞：液壓缸；液壓傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) I ABSTRACT Because hydraulic drive has many outstanding advantages, it is widely used in machinery manufacturing, engineering construction, petrochemical, transportation, military equipment, mining metallurgy, light industry, agricultural machinery, fisheries, forestry and other aspects. Hydraulic cylinders are the most widely used hydraulic actuators in hydraulic systems. Hydraulic cylinder is the hydraulic pump output pressure can be converted into mechanical energy of the implementation of components, it is mainly used to output linear motion. In this paper, the structure of the double acting hydraulic cylinder is designed. The main part includes cylinder head, cylinder bottom, piston, piston rod and sealing element. Cylinder with lug installed, cylinder head, cylinder head and cylinder between the use of screw connection. As the rated pressure is large, the various coupling parts are checked. Finally, based on AutoCAD software to draw the two-dimensional image of the hydraulic cylinder. Key Words：hydraulic cylinder; hydraulic transmission; structural design II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 設(shè)計(jì)工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 1 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究 1 1.3 目前所存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。 1 1.4 重點(diǎn)解決的問(wèn)題 3 1.5 擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面 3 1.6 擬采用的主要研究方法 3 1.7 設(shè)計(jì)參數(shù) 4 2 液壓技術(shù)及液壓缸簡(jiǎn)介 5 2.1 液壓理論的發(fā)展與我國(guó)液壓工業(yè)歷史簡(jiǎn)述 5 2.2 液壓的傳動(dòng)原理 5 2.3 液壓缸的作用 5 2.4 工程機(jī)械的液壓缸的特點(diǎn) 6 2.5 液壓系統(tǒng)的主要組成 7 2.6 液壓系統(tǒng)常見(jiàn)圖形符號(hào) 7 3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1 液壓缸的設(shè)計(jì)原則 8 3.2 液壓缸的設(shè)計(jì)步驟 8 3.3 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝形式 9 3.4 缸筒的設(shè)計(jì) 9 3.5 法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 3.6 活塞的設(shè)計(jì) 13 3.7 活塞桿的設(shè)計(jì) 16 3.8 緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 3.9 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3.10 輔件的選用 18 4 液壓缸尺寸設(shè)計(jì) 19 4.1 液壓缸主要參數(shù)及材料性能 19 4.2 液壓缸類(lèi)型及安裝方式的確定 19 4.3 主要尺寸的計(jì)算 19 5 液壓缸的裝配與日常維護(hù) 30 5.1 液壓缸的裝配 30 5.2 液壓缸的日常維護(hù) 30 6 結(jié) 論 31 參 考 文 獻(xiàn) 32 附錄1：外文翻譯 34 附錄2：外文原文 47 附錄3：活塞的數(shù)控加工程序的編制 59 致 謝 60 雙作用液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 設(shè)計(jì)工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 液壓傳動(dòng)技術(shù)不僅用于傳統(tǒng)的機(jī)械操縱、助力裝置，也用于機(jī)械的模擬加工、轉(zhuǎn)速控制、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料進(jìn)給控制，以及車(chē)輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向、主動(dòng)懸掛裝和制動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，也擴(kuò)展到航空航天和海洋作業(yè)等領(lǐng)域。而液壓油缸是液壓傳動(dòng)中將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)的執(zhí)行元件，被廣泛應(yīng)用于各種液壓機(jī)械設(shè)備中。液壓油缸的設(shè)計(jì)合理性、制造質(zhì)量，直接影響整個(gè)液壓機(jī)械設(shè)備的的使用狀態(tài)，乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和生產(chǎn)的安全性。所以，液壓油缸的合理化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究 目前國(guó)內(nèi)工程機(jī)械液壓缸存在的問(wèn)題是可靠性差，最主要的問(wèn)題是首次無(wú)故障時(shí)間過(guò)短，且經(jīng)常出現(xiàn)一些小故障。不論是從產(chǎn)品外觀質(zhì)量，還是從工藝技術(shù)或者試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，我們與國(guó)外液壓缸都有很大差距。 我們國(guó)內(nèi)液壓缸與國(guó)外的可靠性差距比較大，一方面是成套方案提供能力尚不足，另一方面，在工藝制造技術(shù)的研究上還不夠深入。 國(guó)外對(duì)液壓缸的研究比較成熟，國(guó)外很多液壓缸制造商在液壓缸的設(shè)計(jì)、工藝、試驗(yàn)等方面有很多創(chuàng)新點(diǎn)，可滿足特殊工況的需求。他們把液壓缸和傳感器、外圍的液壓件或機(jī)械機(jī)構(gòu)件一起供應(yīng)，創(chuàng)造其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。尤其是特種液壓缸注重機(jī)電一體化技術(shù)、集成傳感及新材料和涂層技術(shù)的應(yīng)用，向著更快、更輕、更環(huán)保、更安全可靠的方向發(fā)展。 比如，國(guó)外某公司開(kāi)發(fā)的缸徑小于10mm的特小型液壓缸使得氣缸和液壓缸的規(guī)格更加齊全。他們做的液氣液壓缸是液壓和氣動(dòng)的復(fù)合產(chǎn)品。并在液壓缸上增加控制裝置，把控制技術(shù)結(jié)合進(jìn)來(lái)使得這種混合液壓缸的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大[9]。 1.3 目前所存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。 （一）存在問(wèn)題：液壓缸結(jié)構(gòu)傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比；工作過(guò)程中常用較多能量損失（摩擦損失、泄露損失等）；對(duì)油溫的變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性容易受到溫度變化的影響；為了減少泄露，液壓元件在制造精度上的要求比較高，因此造價(jià)高; 液壓傳動(dòng)出故障時(shí)不易找出原因，使用和維修要求有較高的技術(shù)水平；液壓缸的活塞桿在油壓的作用下伸出或縮回時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象，并有時(shí)伴有振動(dòng)和異響，從而引起整個(gè)液壓系統(tǒng)的振動(dòng)，并帶動(dòng)主機(jī)其它部件振動(dòng)等缺點(diǎn)，所以液壓缸結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步發(fā)展改良，以便適應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。 （二）發(fā)展方向： (1)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 現(xiàn)在越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始研究檢測(cè)技術(shù)與產(chǎn)品可靠性結(jié)合，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用到工程機(jī)械液壓缸中。 比如利用磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)液壓缸行程信息，信號(hào)再反饋到控制系統(tǒng)，收集缸底、耳環(huán)鉸點(diǎn)磨損信息，以此判斷液壓缸是否失效[17]。 另外已經(jīng)有企業(yè)開(kāi)始利用精確控制液壓缸行程來(lái)進(jìn)行智能化主機(jī)作業(yè)，比如挖掘機(jī)的平地、挖坡作業(yè)等，利用這種方法能夠自動(dòng)進(jìn)行較大難度的作業(yè)。 體現(xiàn)在液壓技術(shù)方面，第一位的是能效和狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷"傳感器和測(cè)試設(shè)備在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不但用于實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)，還逐漸開(kāi)始應(yīng)用到故障檢測(cè)和狀態(tài)維修方面目前狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在軍工機(jī)械中，比如坦克、裝甲車(chē)等重要設(shè)備中，很有必要在工程機(jī)械設(shè)備中進(jìn)行廣泛推廣。徐州徐工液壓件有限公司已成功研發(fā)智能液壓缸檢測(cè)系統(tǒng)，主要進(jìn)行液壓缸壓力、溫度、位移以及缸筒變形量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及診斷，并于 2012年寶馬展會(huì)上順利展出[9]。 (2)可靠性研究 《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020年）》將基礎(chǔ)件和通用部件列為優(yōu)先主題，將重大產(chǎn)品、重大設(shè)施和復(fù)雜系統(tǒng)的安全性、可靠性和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)列入重要研究方向。液壓缸作為工程機(jī)械的核心零部件，可靠性研究也是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)重要的研究方向[9]。 我們要重視試驗(yàn)技術(shù)和產(chǎn)品測(cè)試，通過(guò)型式試驗(yàn)，證明產(chǎn)品性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；通過(guò)耐久性試驗(yàn)，保證產(chǎn)品壽命長(zhǎng)久；通過(guò)生產(chǎn)精益管理，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。耐久性壽命試驗(yàn)的目的，不是為了證明產(chǎn)品有多好，而是為了發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題，從而不斷改進(jìn)。耐久性壽命試驗(yàn)，最重要的不是結(jié)果，而是試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題和情況。不要過(guò)于拘泥于現(xiàn)有的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)必須擁有自己的試驗(yàn)測(cè)試體系，做具有中國(guó)特色的綜合性試驗(yàn)平臺(tái)。而做試驗(yàn)平臺(tái)必須要做好工況研究，只有無(wú)限接近主機(jī)工況的試驗(yàn)平臺(tái)才能真正的反映產(chǎn)品的性能[15]。 另外，工況研究要堅(jiān)持進(jìn)行，工況研究不是一時(shí)半會(huì)就能研究出成績(jī)，而是長(zhǎng)期堅(jiān)持積累的過(guò)程。液壓缸企業(yè)都要在這個(gè)方面增加投入，只有基礎(chǔ)研究深入，才能從根本上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而解決問(wèn)題。 (3)清潔度 污染對(duì)液壓元件是致命的，只有把裝配車(chē)間和粗加工、精加工以及焊接車(chē)間隔開(kāi)，清潔過(guò)或清洗過(guò)的部件才允許進(jìn)入下一道工序，試驗(yàn)工序需要定期檢查試驗(yàn)用油液清潔度，這樣，才能保證最終產(chǎn)品的清潔，才能讓用戶放心。 目前，我們國(guó)內(nèi)部分企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施液壓缸生產(chǎn)車(chē)間全封閉、恒溫控制，并且在整個(gè)液壓缸零部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行清潔度的控制，生產(chǎn)的液壓缸清潔度指標(biāo)值如果采用“顆粒計(jì)數(shù)法”檢測(cè)時(shí)，出廠前殘留在液壓缸缸體內(nèi)部。油液的固體顆粒污染等級(jí)可控制在GB/T 14039—2002《液壓傳動(dòng) 油液固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)》規(guī)定的范圍內(nèi)[16]。 (4)液壓缸零部件再制造 和其他行業(yè)一樣，目前液壓缸行業(yè)也已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注液壓缸的再制造。再制造不但需要保證產(chǎn)品可靠性，而且前提成本的控制，如何在最低成本下實(shí)現(xiàn)液壓缸的再制造也是當(dāng)前較大的難題。同時(shí)要考慮的問(wèn)題是如何最大化地利用有限資源，減少環(huán)境污染。再制造工程能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益，因此液壓缸的再制造也將成為工程機(jī)械再制造工程重要的一部分[9]。 (5)輕量化 隨著工程機(jī)械向著大噸位、高性能發(fā)展，特別是路面行走工程機(jī)械，由于車(chē)橋載重的限制，主機(jī)對(duì)輕量化的要求愈加強(qiáng)烈，液壓缸的輕量化勢(shì)在必行。 實(shí)現(xiàn)液壓缸輕量化首先是在充分進(jìn)行工況研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如缸底、耳環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模鍛件的減重等等；其次是高強(qiáng)度低密度新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，輕量化以經(jīng)成為液壓缸產(chǎn)品研發(fā)的一種趨勢(shì)[2]。 1.4 重點(diǎn)解決的問(wèn)題 (1)工作過(guò)程中常用較多能量損失（摩擦損失、泄露損失等）； (2)液壓缸的活塞桿在油壓的作用下伸出或縮回時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象，并有時(shí)伴有振動(dòng)和異響，從而引起整個(gè)液壓系統(tǒng)的振動(dòng)，并帶動(dòng)主機(jī)其它部件振動(dòng)等。 1.5 擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面 (1)選擇液壓缸的類(lèi)型和各部分結(jié)構(gòu)形式。 (2)確定液壓缸的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸。 (3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的計(jì)算和校核。 (4)導(dǎo)向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設(shè)計(jì)。 (5)繪制裝配圖、零件圖、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 1.6 擬采用的主要研究方法 1. 市場(chǎng)調(diào)研，并收集相關(guān)資料。 2. 根據(jù)使用要求確定結(jié)構(gòu)形式與安裝方式。 3. 確定設(shè)計(jì)參數(shù) a) 確定最大負(fù)載力和運(yùn)動(dòng)速度 b) 選定工作壓力 c) 確定實(shí)際工作最大行程 4. 尺寸計(jì)算 a） 缸筒內(nèi)徑，壁厚的計(jì)算 b）活塞桿直徑的計(jì)算 c） 液壓缸最大工作長(zhǎng)度的計(jì)算 5. 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) a） 缸筒的整體設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 b）端蓋、缸底及及活塞的設(shè)計(jì) c） 缸筒與端蓋、缸底連接方式的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 d）活塞桿的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 6. 完成輔助裝置的設(shè)計(jì) 7. 繪制總裝圖與零件圖，編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1.7 設(shè)計(jì)參數(shù) 額定壓力：20MPa 行程：320mm 系統(tǒng)最大推力160kN2 液壓技術(shù)及液壓缸簡(jiǎn)介 2.1 液壓理論的發(fā)展與我國(guó)液壓工業(yè)歷史簡(jiǎn)述 回想液壓技術(shù)進(jìn)步的史籍，人們對(duì)“液壓”這個(gè)觀念從發(fā)覺(jué)到了解，到應(yīng)用至生活生產(chǎn)到使用到高新領(lǐng)域中，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)間。 公元前200年，阿基米德發(fā)現(xiàn)以他名字命名的浮力定律之時(shí)，事實(shí)上他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了液體靜壓力作用這一現(xiàn)象。 18世紀(jì)中葉，瑞士數(shù)學(xué)家伯努利發(fā)表了《流動(dòng)動(dòng)力學(xué)》這一研究流體動(dòng)力學(xué)的舉足輕重的著作[2]。他在此書(shū)中得出了液體常態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，也就是如今應(yīng)用廣泛的伯努利方程。 液壓缸是遍及工程領(lǐng)域的執(zhí)行部件。直到1890年后液壓技術(shù)才被應(yīng)用到民用、軍用等各種大中小型的機(jī)器上。 我國(guó)的液壓工業(yè)大約起步于1963年。1965年我國(guó)通過(guò)購(gòu)買(mǎi)日本的樣機(jī)進(jìn)行“逆向研發(fā)”，走出了我國(guó)液壓工業(yè)的第一步[2]。到了70年代我國(guó)已經(jīng)可以生產(chǎn)能滿足各行各業(yè)要求的液壓設(shè)備了。 2.2 液壓的傳動(dòng)原理 整機(jī)由原動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)部分，控制部分和作業(yè)機(jī)構(gòu)的部件組成。 驅(qū)動(dòng)部分只是一個(gè)中間環(huán)節(jié)。 它的作用是將原動(dòng)力（電動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃機(jī)等產(chǎn)生的動(dòng)力）發(fā)送給工作機(jī)構(gòu)。 有許多形式的傳動(dòng)，如機(jī)械傳動(dòng)，動(dòng)力傳動(dòng)，液體驅(qū)動(dòng)，氣體傳輸及其組合驅(qū)動(dòng)。將液體用作能量轉(zhuǎn)移的工作介質(zhì)的方式稱(chēng)為液體驅(qū)動(dòng)。 2.3 液壓缸的作用 液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行器，它們將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)線型往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，設(shè)計(jì)、制造更加的方便，易于使用和維護(hù)，因此被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域[3]。 圖2.1 液壓缸與各種機(jī)構(gòu)配合使用的常見(jiàn)情況 2.4 工程機(jī)械的液壓缸的特點(diǎn) 很多工程機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相當(dāng)大的一部分采用液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然式樣、構(gòu)造不同，但它們有不少相似的地方。 1.工作環(huán)境較惡劣 機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下，在強(qiáng)烈陽(yáng)光直射的前提下，油溫溫度有時(shí)臨近90℃；在特別寒冷的區(qū)域工作時(shí)，溫度能低至-40℃。所以液壓缸要防止外界污染物進(jìn)入腔體，活塞桿需要采取措施防銹。 2.載荷變化復(fù)雜，振動(dòng)和沖擊較大 大多數(shù)工程機(jī)械的液壓缸常與砂礫等堅(jiān)硬物體發(fā)生碰撞，而且經(jīng)常會(huì)受到較大的偏心力矩。因此，各個(gè)零件的強(qiáng)度、韌性和表面硬度在設(shè)計(jì)之時(shí)要注意達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。為此，除了選用較好的材料外（如活塞桿材料往往選用鍛鋼），還應(yīng)采用調(diào)制、淬火、鍍鉻等措施，以增強(qiáng)抵抗外力打擊的能力，且兼有防止銹蝕的作用[2]。 3.工作行程較長(zhǎng) 工程機(jī)械的液壓缸常常有著較大的行程，而且經(jīng)常承受縱向壓縮負(fù)載，液壓缸的穩(wěn)定性分析就顯得格外重要，必須根據(jù)實(shí)際的工況來(lái)選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算并選取活塞桿直徑[23]。 4.常使用焊接結(jié)構(gòu) 為防止運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)和撞擊而導(dǎo)致部件脫落，連接各部件常用焊接 。 5.常設(shè)置緩沖減速結(jié)構(gòu) 工程設(shè)備的負(fù)載大，運(yùn)動(dòng)速率大，為了避免在運(yùn)動(dòng)至末端時(shí)受到?jīng)_撞，要另外預(yù)設(shè)特殊結(jié)構(gòu)來(lái)降低速度。 2.5 液壓系統(tǒng)的主要組成 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成部分有一下五個(gè)方面： （1）能源裝置 它把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油液的壓力能，最常見(jiàn)的就是液壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油，使整個(gè)系統(tǒng)能夠動(dòng)作起來(lái)； （2）執(zhí)行裝置 它將油液壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，并對(duì)外做功，如液壓缸和液壓馬達(dá)； （3）控制調(diào)節(jié)裝置 它們是控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流動(dòng)方向的裝置； （4）輔助裝置 它們是除以上三項(xiàng)以外的其他裝置，如油箱過(guò)濾器、油管等，它們對(duì)保證液壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、持久地工作有重要的作用； （5）工作介質(zhì) 液壓油或其他合成液體[4]。 2.6 液壓系統(tǒng)常見(jiàn)圖形符號(hào) 圖2.2 液壓系統(tǒng)常見(jiàn)符號(hào) 3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于油缸的具體工況的不同，具體的設(shè)計(jì)也不盡相同。 3.1 液壓缸的設(shè)計(jì)原則 工程機(jī)械的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛采用直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸。這種油缸較為簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變速，傳動(dòng)力大，工作可靠。 對(duì)差異工況下的液壓缸的要求不盡相同，主要的注意事項(xiàng)如下： 1）液壓缸的最大受力狀況應(yīng)該在它受拉力的狀態(tài)下，或者當(dāng)油缸受壓之時(shí)盡量不會(huì)產(chǎn)生彎矩。 2）按照具體的用途和使用環(huán)境選擇合適的安裝方式。需要額外注意的是油缸不能采用兩端定位。 3）液壓缸的每個(gè)組件都必須參照手冊(cè)上的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而且應(yīng)當(dāng)盡量做到在保證工藝性的條件下降低造價(jià)。 4）油缸除了保證具體工況下的參數(shù)以外，防塵密封等其他與油缸可靠性相關(guān)的性能也應(yīng)具體分析，具體設(shè)計(jì)[5]。 3.2 液壓缸的設(shè)計(jì)步驟 對(duì)于不同工作環(huán)境下的油缸，具體的工作參數(shù)也是天差地別。因?yàn)橐簤河透椎母鱾€(gè)參數(shù)間經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生聯(lián)系，故設(shè)計(jì)的時(shí)候合理即可。多數(shù)情況，只要根據(jù)油缸具體的工況來(lái)制定設(shè)計(jì)順序，并依次計(jì)算每個(gè)參數(shù)，反復(fù)計(jì)算、校核，直至滿足具體的工況要求。 1）按照液壓缸的工作環(huán)境和設(shè)計(jì)需求，選定初步方案。 2）根據(jù)具體的工作環(huán)境選擇油缸適宜的形式來(lái)安裝。 3）確定油缸負(fù)載的變化規(guī)律和圖表數(shù)據(jù)。 4）根據(jù)所受的額定推（拉）力F和選定的壓力p來(lái)計(jì)算相應(yīng)數(shù)據(jù)。 5）確定活塞桿的直徑。 6）設(shè)計(jì)上蓋與下蓋的結(jié)構(gòu)，計(jì)算厚度并選定安全系數(shù)校核強(qiáng)度。 7）將手中的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行規(guī)整和增補(bǔ)。 8）選擇適宜的密封方式，設(shè)計(jì)緩沖降速方式和防塵結(jié)構(gòu)。 9）繪制油缸相關(guān)圖紙[5]。 3.3 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝形式 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸的計(jì)算與校核是其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。談到液壓油缸的設(shè)計(jì)，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是首當(dāng)其沖，并且主導(dǎo)了之后的尺寸設(shè)計(jì)。如果結(jié)構(gòu)上沒(méi)有令人滿意油缸的工藝性、可靠性及造價(jià)方面的控制更是無(wú)從談起。 安裝形式也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其中一部分。如果安裝形式的選擇特別不合理，其使用壽命和效率將會(huì)大大降低。在考慮安裝形式的時(shí)候，應(yīng)對(duì)相應(yīng)零件進(jìn)行受力分析以提高液壓缸的工作穩(wěn)定性。[5] 3.4 缸筒的設(shè)計(jì) 液壓缸的主要零件是缸筒，其與上下蓋、活塞組成密封的空間，再通過(guò)液體壓力推動(dòng)缸內(nèi)活塞左右移動(dòng)[25]。在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證額定推力、拉力、行程等參數(shù)要求，更要確保其有相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度。除此之外，為了確保在工作時(shí)不泄露，所以必須要有適當(dāng)?shù)膸缀尉群捅砻娲植诙鹊囊蟆? 3.4.1 缸筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3.1 常見(jiàn)的缸筒結(jié)構(gòu)形式 缸筒多采用圓筒結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)具有易于加工，受力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最為廣泛[21]。 圖3.2 缸筒三維圖 圖3.3 缸筒 3.4.2 缸筒的連接設(shè)計(jì) 將缸筒與法蘭各自加工出螺紋并旋緊，并將二者用角焊的方式焊接，防止法蘭因沖擊振動(dòng)而松動(dòng)。 以此種方式結(jié)構(gòu)來(lái)連接有著可靠性高、易于維修、裝配加工難度低等優(yōu)點(diǎn)。而突出的法蘭會(huì)使油缸總體的體積、重量有一定程度的增加。 圖3.4 缸筒的連接圖示 3.4.3 缸筒的材料選擇 缸筒是液壓缸的主要零件，他與端蓋、活塞構(gòu)成密封容器，用以容納油液、驅(qū)動(dòng)負(fù)載而做功，因此要有足夠的強(qiáng)度、剛度，以及良好的密封性及可焊性。在此選用45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)）作為液壓缸的材料。 3.4.4 缸筒的技術(shù)要求 （1）內(nèi)徑公差等級(jí)和表面粗糙度 油缸內(nèi)壁使用H8、H9公差等級(jí)，這樣就可以與活塞組成多種不同的間隙配合。油缸內(nèi)壁粗糙度取。 （2）其他技術(shù)要求 1）缸筒內(nèi)徑端部倒角15°~30°，或倒R3以上的圓角；表面粗糙度不差于Ra0.8μm以免裝配時(shí)損傷密封件； 2）缸筒端部需焊接時(shí)，缸筒內(nèi)部的工作表面距離焊縫不得小于20mm； 3）熱處理調(diào)質(zhì)硬度一般為HB241-HB285； 4）為了防腐蝕、提高壽命，缸筒內(nèi)徑可以鍍鉻，鍍層厚度一般為0.03~0.05mm，然后進(jìn)行研磨或拋光。缸筒外露表面可涂耐油油漆。 圖3.5 缸筒加工要求 3.5 法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 法蘭與缸體選用螺紋連接。并將法蘭與缸筒角焊。 圖3.6 法蘭結(jié)構(gòu) 圖3.7 法蘭三維圖 3.6 活塞的設(shè)計(jì) 3.6.1 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3.8 活塞結(jié)構(gòu) 圖3.9 活塞三維圖 由于活塞是在液壓力的作用下沿缸筒作直線運(yùn)動(dòng)，所以其必須與缸筒配合合理，過(guò)緊會(huì)使啟動(dòng)困難，過(guò)松導(dǎo)致其泄露從而降低工作效率。 此處選用整體式活塞，選用此結(jié)構(gòu)的原因是其保養(yǎng)維護(hù)的時(shí)候便于拆卸，密封件有較長(zhǎng)的更換周期。同時(shí)螺紋結(jié)構(gòu)使得活塞與活塞桿之間縫隙減小，不致于發(fā)生泄漏現(xiàn)象。 3.6.2 活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于本次設(shè)計(jì)的額定壓力較大為20MPa，故活塞與缸體間的密封要求較高。選用密閉性能更好的Y形密封圈。它的優(yōu)點(diǎn)是：在它沒(méi)有受到壓力的時(shí)候，僅僅會(huì)因?yàn)榇郊獾淖冃味鴮?duì)內(nèi)壁施加很小的力，因此產(chǎn)生的摩擦阻力較小。而當(dāng)其受到壓力時(shí)，它的唇邊會(huì)緊貼缸體和活塞的表面，產(chǎn)生良好的密封效果。若使用O形圈作為密封件的話，如果靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則O形圈與缸筒間的油膜就會(huì)消失，從而造成啟動(dòng)困難。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高時(shí)，唇部與表面的接觸更加緊密，正是Y形圈的這種“自封作用”使其得到了廣泛的應(yīng)用。 圖3.10 唇形密封圈的工作原理 圖3.10 活塞的密封結(jié)構(gòu) 3.6.3 活塞的材料選擇 油缸缸筒材料多選用鋼材料。倘若活塞的外部輪廓與缸筒內(nèi)壁直接接觸，活塞必須采用灰鑄鐵、球墨鑄鐵、銅或者鋁制材料，而不可以使用僅僅采用通常熱處理的鋼或40Cr鋼[10]。 倘若活塞用到了導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)，那么活塞外輪廓至少要比缸筒內(nèi)徑小毫米，正常工作的情況下，活塞外徑不會(huì)接觸缸筒內(nèi)壁，使用未經(jīng)過(guò)熱處理或僅作調(diào)質(zhì)處理的45鋼做活塞，就沒(méi)有問(wèn)題[3]。 3.6.4 活塞的技術(shù)要求 1）活塞外徑D對(duì)內(nèi)徑D1的徑向跳動(dòng)公差值，按7、8級(jí)精度選取。 2）端面T對(duì)內(nèi)孔D1軸線的垂直度公差值，應(yīng)按7級(jí)精度選取。 3）外徑D的圓柱度公差值，按9、10或11級(jí)精度選取[2]。 3.7 活塞桿的設(shè)計(jì) 3.7.1 活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 桿體采用實(shí)心桿，制造難度低，缺點(diǎn)是增加了整體的重量。桿外端設(shè)計(jì)為帶肩外螺紋，方便日后更換與活塞軸相連附件。為避免工作的過(guò)程中的振動(dòng)致使兩者之間連接出現(xiàn)松動(dòng)，把后緩沖與活塞桿的連接模式也設(shè)計(jì)成以螺紋相連，從而兩者就組成了“對(duì)頂螺母”的形式，達(dá)到了防松的效果。 圖3.11 活塞桿的結(jié)構(gòu) 圖3.12 活塞桿三維圖 3.7.2 活塞桿的材料選用 此處活塞桿使用的是45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)）。對(duì)于活塞桿要求淬火處理，同時(shí)選擇使用在活塞桿表面鍍鉻的方法來(lái)提高其防腐能力[26]。 3.7.3 活塞桿的技術(shù)要求 活塞桿外徑公差；直線度每不大于?；钊麠U外徑d的圓柱度，要使用8級(jí)精度。表面粗糙度，精度要求高時(shí)。 3.8 緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 油缸的活塞桿及活塞桿另一端所連接的部件有一定的重量，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到末端時(shí)會(huì)與缸頭發(fā)生碰撞。增設(shè)緩沖裝置是減輕該撞擊力的最有效的方法。油缸運(yùn)動(dòng)中的沖擊多數(shù)是由于組件的慣性所產(chǎn)生。由公式知，在質(zhì)量m一定的情況下，減小速度是降低沖擊最立竿見(jiàn)影的方法。在這里采用的是能量緩沖法來(lái)減速，其原理是把最后需要排出油缸的油液封閉在一個(gè)空間內(nèi)，迫使其從節(jié)流孔流出。 圖3.13 緩沖結(jié)構(gòu) 當(dāng)活塞逐漸運(yùn)動(dòng)到缸底的時(shí)候，左半部分缸內(nèi)體積逐漸減小，由于油液只能從節(jié)流閥的小孔中流出，故降低了桿的速度，減小了對(duì)底部的沖擊。同時(shí)當(dāng)左側(cè)進(jìn)油時(shí)，油液可經(jīng)過(guò)下方單向閥快速流入缸體，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。 3.9 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 以前為了實(shí)現(xiàn)液壓缸的支撐及導(dǎo)向均使用金屬導(dǎo)向套。因此消耗了大量的有色金屬和加工工時(shí)。隨著科技進(jìn)步，非金屬材料制成的導(dǎo)向帶被更多的用在了支撐和導(dǎo)向上。 為了減少零件的數(shù)量，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，選用一體式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，采用此結(jié)構(gòu)是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工并且降低了整體重量。而且非金屬導(dǎo)向帶的摩擦系數(shù)小、無(wú)爬行，適用于小側(cè)向力的工況。 圖3.14 活塞桿的導(dǎo)向 3.10 輔件的選用 耳環(huán)可根據(jù)部位的不同分成桿用耳環(huán)與筒用耳環(huán)。桿用耳環(huán)多以螺紋連接在油缸活塞桿外端；筒用耳環(huán)一般焊接在缸底后。 圖3.15 耳環(huán) 4 液壓缸尺寸設(shè)計(jì) 4.1 液壓缸主要參數(shù)及材料性能 1）額定工作壓力為20MPa。 2）額定最大推力為160kN 3）行程320mm 螺釘選用10.9級(jí) 4.2 液壓缸類(lèi)型及安裝方式的確定 大多數(shù)工程機(jī)械液壓缸應(yīng)與連桿結(jié)構(gòu)連接，因此用于耳環(huán)的活塞桿端部。 而活塞桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)允許氣缸擺動(dòng)。 所以另一端也應(yīng)該被設(shè)計(jì)成耳環(huán)。 應(yīng)該注意的是，兩個(gè)耳環(huán)的方向一致，以避免彎曲負(fù)載使液壓密封結(jié)構(gòu)泄漏。 4.3 主要尺寸的計(jì)算 4.3.1 缸筒的內(nèi)徑D的計(jì)算 計(jì)算公式為 （4.1） 式中 根據(jù)已知數(shù)據(jù) F=160KN P=20MPa 代入數(shù)據(jù)，求得 D=0.101m 表4.1 液壓缸內(nèi)徑系列 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整D=100mm 4.3.2 活塞桿的直徑d的計(jì)算 根據(jù)速度比的要求來(lái)計(jì)算活塞桿的直徑d （4.2） 式中 根據(jù)下表選取速度比 表4.2 速度比和壓力p的關(guān)系 壓力為20MPa，故選取速度比=1.46。 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 d=56.13mm 表4.3 活塞桿直徑系列 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整d=56mm 4.3.3 1）缸筒壁厚的計(jì)算 由于此次設(shè)計(jì)為中高壓，此處缸筒的厚度按照厚壁筒來(lái)設(shè)計(jì)。 根據(jù)第四強(qiáng)度理論，不管缸筒應(yīng)力如何復(fù)雜，一旦最大的形狀變形到達(dá)簡(jiǎn)單受力時(shí)的變形的危險(xiǎn)值，即看做缸筒失效[27]。它普遍用于塑性材料的強(qiáng)度計(jì)算。 （4.3） 代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，得到 壁厚=12.52mm 2）缸筒壁厚的校核 （4.4） （4.5） （4.6） PN：額定壓力 ：缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力(MPa) ：缸筒爆破壓力. 帶入相應(yīng)數(shù)據(jù)，得 PN=45.36MPa＜20MPa =80.24MPa＜20MPa =133.73MPa 所以計(jì)算出的缸筒壁厚符合要求 3）缸體外徑的計(jì)算 式中 代入壁厚，得到 =125.04mm 按標(biāo)準(zhǔn)圓整=125mm 4） （4.7） 式中 已知： 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 5）缸底厚度的計(jì)算 平行缸底.當(dāng)缸底有油孔時(shí). （4.8） 式中 已知： 求得缸底厚度 6）端蓋厚度的計(jì)算 選擇使用螺釘連接的法蘭型缸頭： （4.9） 圖4.1 端蓋 式中 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 7）導(dǎo)向套長(zhǎng)度計(jì)算 一般情況， 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度要滿足： （4.10） 式中 即 因此導(dǎo)向長(zhǎng)度為。 4.3.4 液壓缸的聯(lián)接計(jì)算 1）缸蓋聯(lián)接計(jì)算 螺栓聯(lián)接的計(jì)算 圖4.2 螺栓 . （4.11） 螺紋處的切應(yīng)力為. （4.12） 合成應(yīng)力為. （4.13） 式中 式中： 代入以上數(shù)據(jù)，得 合應(yīng)力為 2）缸體螺紋連接的計(jì)算 螺紋處應(yīng)力為. （4.14） 切應(yīng)力為. （4.15） 合成應(yīng)力為. （4.16） 式中 求得 3）活塞與活塞桿的聯(lián)接計(jì)算 拉應(yīng)力為 （4.17） 切應(yīng)力為 （4.18） 合成應(yīng)力為 （4.19） 式中： ——液壓缸輸出拉力（N） d——活塞桿直徑（m） ——活塞桿材料的許用應(yīng)力（Pa） 已知： 代入數(shù)據(jù)，得 合應(yīng)力為. 4） （4.20） 式中： 為活塞上的孔徑（m） 為活塞上孔的倒角尺寸（m） 為活塞材料的許用壓應(yīng)力（Pa） 已知： 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 5）耳環(huán)的聯(lián)接計(jì)算 耳環(huán)寬度為 （4.21） 已知：. 代入數(shù)據(jù)，得. 4.3.5 活塞桿穩(wěn)定性校核 當(dāng)液壓缸受到軸向壓縮載荷時(shí)，當(dāng)活塞桿直徑與活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度之比大于10時(shí)，應(yīng)當(dāng)校核活塞桿的縱向抗彎強(qiáng)度或穩(wěn)定性[28]。 圖4.3 液壓缸受壓圖示 等截面計(jì)算法： （4.22） 式中： 實(shí)心活塞桿 （4.23） 式中. 實(shí)心活塞桿 （4.24） A——活塞桿截面積(). 實(shí)心活塞桿 （4.25） 由于活塞桿選取實(shí)心桿結(jié)構(gòu)，并且材料為鋼材，上式可簡(jiǎn)化為 （4.26） 表4.4 末端條件系數(shù) 式中 按公式代入數(shù)據(jù)，求得 所以活塞桿符合設(shè)計(jì)要求 4.3.6 液壓缸儲(chǔ)油量的計(jì)算 液壓缸的儲(chǔ)油量按下式計(jì)算： （4.27） 式中： V——儲(chǔ)油量； D——液壓缸直徑（m） l——行程（m） 其中D=0.1m，l=0.32m 求得 5 液壓缸的裝配與日常維護(hù) 5.1 液壓缸的裝配 液壓缸要根據(jù)規(guī)定安裝，不可以有絲毫的松動(dòng)。安裝油缸時(shí)要注意如下事項(xiàng)： 1）安裝前要將零件端部毛刺去除，用油洗凈并使用壓縮空氣將其吹干。 2）安裝面要與活塞及活塞桿保持一定的垂直度。 3）負(fù)載力應(yīng)該盡量作用于油缸中心線上，防止密封件因側(cè)向力而過(guò)度磨損。 4）兩個(gè)端部的耳環(huán)銷(xiāo)孔應(yīng)保持方向一致，否則會(huì)出現(xiàn)磨損過(guò)度甚至卡死等現(xiàn)象。[2] 5.2 液壓缸的日常維護(hù) 液壓油缸就相當(dāng)于液壓系統(tǒng)的心臟，心臟出問(wèn)題很難修補(bǔ)，所以液壓油缸的維護(hù)更加要謹(jǐn)慎細(xì)致。液壓油缸要承受很大的壓強(qiáng)，負(fù)載越重，它的壓強(qiáng)就會(huì)越大。因此，做好液壓油缸的保養(yǎng)維護(hù)是整個(gè)液壓系統(tǒng)的維護(hù)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 1.定期緊固 各處聯(lián)結(jié)的螺栓除了日常的檢查之外，還要做到定期緊固。 2. 定時(shí)更新密封組件是維持液壓缸可靠性的關(guān)鍵。但應(yīng)當(dāng)考慮液壓缸的實(shí)際工況來(lái)制訂更換的時(shí)間周期，并將更換情況計(jì)入設(shè)備管理檔案。 3. 液壓元件中由于部件間的摩擦和零件制造或裝配中帶入雜質(zhì)。在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，這些雜質(zhì)不可能被過(guò)濾設(shè)備完全攔截，這樣就會(huì)使腔道堵塞，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。有些零件如彈簧，雖然不會(huì)被外界污染物堵塞，但金屬疲勞后也會(huì)失效。因此，定時(shí)清洗或更換失效部件是保證液壓設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的前提。 4.定期過(guò)濾或更換油液 6 結(jié) 論 經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的學(xué)習(xí)和努力，大學(xué)期間最后的一個(gè)作業(yè)——畢業(yè)設(shè)計(jì)終于告一段落。在此時(shí)期我查閱各方面的書(shū)籍并上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，提高了自己獨(dú)立完成任務(wù)的能力。 本次設(shè)計(jì)對(duì)工程機(jī)械常用的液壓油缸進(jìn)行了總結(jié)敘述，參照手冊(cè)對(duì)油缸進(jìn)行尺寸計(jì)算和強(qiáng)度校核。閱讀文獻(xiàn)，查閱相關(guān)資料并針對(duì)目前液壓油缸所存在的工作振動(dòng)大、易泄露等不足進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終優(yōu)化了油缸的密封性、減小了行程末端的沖擊、減小了油缸低速爬行的現(xiàn)象。 在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使我對(duì)AUTOCAD、SolidWorks、UG等制圖軟件有更深的了解，學(xué)會(huì)如何應(yīng)用及合理的規(guī)劃布局。同時(shí)我也重新復(fù)習(xí)了不少相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程，對(duì)相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)和整理，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)都是不全面的，只能作為工作的一個(gè)參考，主要還是要靠自己學(xué)習(xí)后的理解和總結(jié)，這是自己對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大體會(huì)。 但由于自己對(duì)液壓缸的認(rèn)識(shí)和知識(shí)的積累還是有些不到位的地方，在設(shè)計(jì)中難免會(huì)出現(xiàn)一些不合理的地方，希望各位老師批評(píng)指正，讓我在日后的工作上少犯錯(cuò)誤。 我會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)液壓和機(jī)械的相關(guān)知識(shí)，爭(zhēng)取在將來(lái)為中國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)做出自己的一份貢獻(xiàn)。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.23 [2] 趙應(yīng)樾.常用液壓缸與其修理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.43 [3] 戚寧.基于Solidworks的液壓缸數(shù)字設(shè)計(jì)[D].山東：山東大學(xué)，2009 [4] 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. A decision support system forthe operational planning of solid waste collection [J] ,Waste Management，2006.6 - 61 - 附錄1：外文翻譯 雙室連接非對(duì)稱(chēng)液壓缸的位置控制 摘要 本文涉及不對(duì)稱(chēng)液壓缸系統(tǒng)的位置控制。液壓系統(tǒng)包括一個(gè)不對(duì)稱(chēng)液壓缸，兩個(gè)腔室通過(guò)孔口，兩位置，雙向比例閥和負(fù)載力連接。本文介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理。 分析了一些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。 分析和仿真結(jié)果表明，兩位雙向比例閥可以實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)液壓缸系統(tǒng)的位置控制。 使用本文提出的控制策略后，可以實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：不對(duì)稱(chēng)，液壓缸，位置控制，流量補(bǔ)償，比例閥，控制策略 1.簡(jiǎn)介 液壓系統(tǒng)廣泛地用于許多領(lǐng)域，如航空，導(dǎo)航，武器工業(yè)，并且液壓系統(tǒng)的大多數(shù)應(yīng)用涉及位置控制系統(tǒng)，它可以是線性或旋轉(zhuǎn)的[1]。由于低成本，高承載能力，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較少的工作空間等優(yōu)點(diǎn)，非對(duì)稱(chēng)液壓缸在線性位置控制系統(tǒng)中起非常重要的作用[2]。有許多著重于這些類(lèi)型的系統(tǒng)的工作，其中發(fā)送到不對(duì)稱(chēng)液壓缸的流體動(dòng)力以各種方式調(diào)節(jié)，例如，配有一個(gè)四通，三位伺服閥，一個(gè)三通，兩位伺服閥[3-5]，或具有數(shù)字調(diào)制閥[6]。通常，液壓缸的端口與閥連接。 但是在一些非常特殊的情況下，兩個(gè)氣缸室通過(guò)孔口連接，在操作過(guò)程中油將從一個(gè)孔流到另一個(gè)孔。 由于這種罕見(jiàn)的應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在過(guò)去幾十年沒(méi)有得到足夠的重視。 如果氣缸的兩個(gè)腔室與孔連接，則單個(gè)開(kāi)/關(guān)閥可以執(zhí)行不對(duì)稱(chēng)液壓缸系統(tǒng)的位置控制[7]。然而，開(kāi)/關(guān)閥控制系統(tǒng)具有固有的紋波，差的靜態(tài)性能，并且不能針對(duì)其相互作用而獨(dú)立地調(diào)節(jié)頻率和振幅。 因此，它將僅適用于具有低控制精度要求的場(chǎng)合[8]。 在本文中，采用單，雙位雙向比例閥來(lái)執(zhí)行不對(duì)稱(chēng)液壓缸系統(tǒng)的位置控制。 建立了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，提供了控制策略。 分析了比例閥響應(yīng)頻率和孔面積對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 以前的研究已經(jīng)表明，由于液壓缸的不對(duì)稱(chēng)性，在由對(duì)稱(chēng)閥控制的非對(duì)稱(chēng)氣缸周?chē)臍飧字邪l(fā)生壓力跳躍在x=0附近[9,10]。 對(duì)兩個(gè)腔室內(nèi)壓力特性的分析表明，液壓缸的結(jié)構(gòu)（圖1）可以有效地避免壓力跳躍，具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[7,11]。然而，不對(duì)稱(chēng)氣缸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差，因?yàn)閮蓚€(gè)腔室被連接，并且氣缸的內(nèi)部泄漏增加[11]。這可能是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在過(guò)去幾年中沒(méi)有廣泛應(yīng)用于工業(yè)的主要原因之一。圖1示出了液壓缸的結(jié)構(gòu)，其包括不對(duì)稱(chēng)液壓缸和孔口。 非桿腔通過(guò)孔與桿腔連接。 圖1 液壓缸示意圖 如圖2所示，液壓系統(tǒng)由非對(duì)稱(chēng)液壓缸，油源，位移傳感器，兩個(gè)壓力傳感器，控制器和比例閥組成。 桿腔與油源連接，非桿腔與閥連接。 目標(biāo)位置，壓力傳感器和位移傳感器的信號(hào)可以用作控制器的輸入，并且控制器計(jì)算比例閥的輸入信號(hào)，以根據(jù)控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)液壓缸系統(tǒng)的位置控制。 圖2 系統(tǒng)示意圖 根據(jù)流量連續(xù)性，工作流程寫(xiě)為： qL = q1 ? q2 （1） 孔口處的流量可以寫(xiě)為 （2） 代入方程 （2） （1），工作流程表示為： （3） 根據(jù)流體的連續(xù)性： （4） 基于牛頓第二定律，活塞的運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)為： （5） 根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，系統(tǒng)的控制原理可以表示如下: 隨著閥口開(kāi)口的尺寸減小，進(jìn)入無(wú)桿室的流量通過(guò)孔口比通過(guò)閥門(mén)的非桿室流出更多，非桿室內(nèi)的壓力逐漸增加，活塞將在的條件下移動(dòng)，當(dāng)閥口開(kāi)口的尺寸增加時(shí)，通過(guò)孔口進(jìn)入非桿室的流量比通過(guò)閥門(mén)的無(wú)桿室外的流量小; 無(wú)桿室內(nèi)的壓力將逐漸減小，活塞向后在的條件下移動(dòng)。顯然，兩位二通比例閥作為新的可變孔; 當(dāng)節(jié)流孔減小時(shí)，節(jié)流動(dòng)作增加，無(wú)桿室內(nèi)的壓力增大，因此向前推動(dòng)活塞。 隨著孔口增加，節(jié)流作用減小，無(wú)桿室的壓力隨活塞向后移動(dòng)而減小（11）。 結(jié)果，通過(guò)調(diào)節(jié)兩位置二通比例閥的開(kāi)口口可以有效地實(shí)現(xiàn)位置控制。 3. 控制策略和系統(tǒng)模型 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，比例閥作為節(jié)流閥。 通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥前開(kāi)口的尺寸來(lái)控制不對(duì)稱(chēng)氣缸系統(tǒng)的位置控制的本質(zhì)是控制非桿室中的油量。 活塞必須跟蹤輸入目標(biāo)位置，否則控制器根據(jù)當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間的差異來(lái)計(jì)算比例閥的開(kāi)口尺寸。 當(dāng)活塞的當(dāng)前位置等于目標(biāo)位置時(shí)，活塞需要靜止。 由于壓力差，桿室中的油將通過(guò)孔口流到非桿室。 如果活塞需要靜止，則無(wú)桿室應(yīng)保持其油量不變。 由于非桿室中的油量是恒定的，通過(guò)孔口進(jìn)入非桿室的流量必須等于通過(guò)閥門(mén)的室外流量。 對(duì)非對(duì)稱(chēng)氣缸系統(tǒng)的控制策略有很多調(diào)查（13-15）。在本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的條件下，如果采用傳統(tǒng)的PID控制器，忽略了活塞與缸內(nèi)壁之間的摩擦，則控制過(guò)程可以表示為：當(dāng)活塞到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，位置誤差為“0”，PID輸出信號(hào)為“0”，閥關(guān)閉;無(wú)桿室的油量增加，因?yàn)閝 = 0和q> 0，因此活塞向前移動(dòng)。然后，活塞的位置誤差不等于“0”，PID控制器的輸出值不為“0”，閥打開(kāi)，無(wú)桿室的油量減小，活塞向后移動(dòng)，當(dāng)q> q，當(dāng)活塞到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，位置誤差再次為零;所以活塞在目標(biāo)位置周?chē)貜?fù)振蕩。也就是說(shuō)，在PID控制器下，活塞不能穩(wěn)定在目標(biāo)位置，而是在目標(biāo)位置附近的窄范圍內(nèi)振蕩。閥口的開(kāi)口尺寸在一定范圍內(nèi)保持周期性振蕩，這對(duì)控制性能不利。活塞圍繞目標(biāo)位置擺動(dòng)的原因是無(wú)桿室中的油量的變化，其中的本質(zhì)是由于壓力差而從桿1通過(guò)孔流動(dòng)到無(wú)桿室的油在這兩個(gè)房間之間。當(dāng)活塞到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，流量補(bǔ)償可以通過(guò)孔口進(jìn)入無(wú)桿室的流量和通過(guò)閥門(mén)流出室之間的流量補(bǔ)償相等，從而將油體積保持在無(wú)桿腔體和活塞位置不變，并使振蕩衰減。 根據(jù)不對(duì)稱(chēng)氣缸系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)，采用流量補(bǔ)償方式和傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行液壓系統(tǒng)的位置控制。 圖3示出了所提出的控制方案。 圖3 不對(duì)稱(chēng)氣缸系統(tǒng)的控制方案 從上述分析可以看出，該液壓系統(tǒng)采用的控制策略可以表示為：該控制器采用流量補(bǔ)償信號(hào)。 流量補(bǔ)償信號(hào)的值可以通過(guò)補(bǔ)償流量根據(jù)比例閥的壓力和流量特性來(lái)計(jì)算。 當(dāng)活塞到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，根據(jù)補(bǔ)償信號(hào)的調(diào)整，比例閥將處于適當(dāng)?shù)拈_(kāi)口尺寸，這確保通過(guò)孔口進(jìn)入非桿室的流量等于通過(guò)腔室通過(guò)的流量閥門(mén) AMESIM代表執(zhí)行工程系統(tǒng)仿真的高級(jí)建模環(huán)境。 它基于直觀的圖形界面，其中系統(tǒng)在整個(gè)仿真過(guò)程（16）中顯示。 在AMESIM的模型庫(kù)中提供了液壓系統(tǒng)的常見(jiàn)液壓元件模型。 根據(jù)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)連接相應(yīng)的液壓元件建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。 在編制建立的模型并設(shè)定液壓元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，得到液壓系統(tǒng)的仿真模型。 AMESIM下的仿真模型如圖4所示。 圖4 AMESIM下的仿真模型 建立具有相同名稱(chēng)的AMESIM模型的S函數(shù)，SIMULINK下的協(xié)同仿真模型如圖5所示，它是通過(guò)將AMESIM模型導(dǎo)入Simulink并設(shè)置仿真參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖5 SIMULINK下的仿真模型 S功能塊（AMESim：Project_）代表除了圖4中的AMESim / Simulink塊之外的AMESIM模型，圖5中SIMULINK下的模擬模型的其余部分對(duì)應(yīng)于圖4中的AMESim / Simulink塊。 SIMULINK中控制器模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3，計(jì)算程序可以表達(dá)如下： 將e定義為位置錯(cuò)誤： （6） 控制器的輸出信號(hào)可以表示為： （7） 4.模擬與分析 基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，液壓缸，比例閥等液壓元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置在AMESIM型號(hào)下：活塞直徑為50 mm;桿直徑為28mm;最大行程為30mm;液壓缸中運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量為1.5 Kg;在標(biāo)稱(chēng)壓力為3.5MPa的條件下，比例閥的額定流量為7.6L / min;比例閥的響應(yīng)頻率為30 Hz;孔徑為2mm。 Simulink模擬和求解器的環(huán)境參數(shù)如下：供給壓力為9.5 MPa;負(fù)載為5400 N; PID控制器的控制器參數(shù)設(shè)計(jì)為P = 85，I = 2和D = 1;模擬時(shí)間為6秒;并且求解器是可變步長(zhǎng)的ode15s（剛度/ NDF）（內(nèi)置在MATLAB中的ode15s程序）。其他的是默認(rèn)設(shè)置。系統(tǒng)的控制要求是穩(wěn)態(tài)誤差小于0.03 mm;最大百分比超過(guò)4％ 4.1 PID控制器和流量補(bǔ)償PID控制器的仿真結(jié)果 在模擬過(guò)程中，分別對(duì)不同的目標(biāo)位置進(jìn)行模擬。 在PID控制器下，仿真結(jié)果如下圖所示：輸入步進(jìn)目標(biāo)位置曲線和活塞當(dāng)前位置如圖6所示。 絕對(duì)誤差如圖7所示，PID控制器的輸出如圖8所示。 圖6 PID控制器下的位置軌跡 圖7 PID控制器下的絕對(duì)位置誤差 圖8 PID控制器下閥門(mén)的控制信號(hào) 從圖6，圖7和圖8，活塞圍繞目標(biāo)位置振蕩。 閥口的開(kāi)口尺寸在一定范圍內(nèi)振蕩。 在具有流量補(bǔ)償?shù)腜ID控制器下，輸入步進(jìn)目標(biāo)位置曲線和活塞的當(dāng)前位置如圖9所示。 絕對(duì)誤差如圖10所示。 孔口的流速如圖11所示。 圖9 帶有流量補(bǔ)償?shù)腜ID控制器下的位置軌跡 圖10 帶有流量補(bǔ)償?shù)腜ID控制器下的絕對(duì)位置誤差 圖11 PID控制器孔徑流量補(bǔ)償 從圖9和圖10可以看出，可以有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置軌道上的活塞。 位置誤差約為2×10-5 m。 如圖11所示，孔口處的流量在相當(dāng)小的范圍內(nèi)變化。 仿真結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不對(duì)稱(chēng)液壓缸的位置控制，控制性能好。 本文提出的PID控制器與控制器方法的對(duì)比表明，PID控制器的流量補(bǔ)償控制結(jié)果優(yōu)于PID控制器。 4.2孔口尺寸對(duì)系統(tǒng)的影響 在具有流量補(bǔ)償?shù)腜ID控制器下的系統(tǒng)模型中，孔徑配置為不同的值，如2.05 mm，2 mm和1.95 mm，不改變其他參數(shù)。 圖12顯示了絕對(duì)位置誤差，圖13顯示了不同孔徑下孔口處的流速。 不同孔徑尺寸下的模擬結(jié)果如表1所示。 圖12 帶PID補(bǔ)償?shù)腜ID控制器的絕對(duì)位置誤差 圖13 流量補(bǔ)償下PID控制器下孔口流量 表1 不同孔徑尺寸下的模擬結(jié)果 從圖12和表1可以看出，當(dāng)孔口直徑發(fā)生變化時(shí)，活塞位