上浮率计算公式柱塞式液压缸设计计算说明书

2020年10月18日发(作者：班昭)
...
一、课程设计任务
1.1 已知数据：
推力载荷： 150KN行程：150mm
速度：1mmsec
安装方式：后法兰
1.2 设计内容及完成的工作量
1）根据给定要求完成装配图和所有非标零件图
2）完成全部零件三维实体造型，并进行装配
3）完成标准件的计算选型
4）完成非标零件精度设计
5）编写设计计算说明书一份
6）原动机经联轴器驱动泵类负载
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
二、液压缸主要几何尺寸的设计计算
1.3 液压缸工作压力的确定
在液压系统中，为了便于液压元件和管路的设计选用，往往将压力分级
2.1 压力分级
级别 低压 中压

压力范围（ MPa） 0～

>2.5～8
2.5
中高压
>8～16
高压
>16～32
超高压
>32
25
2.2 液压缸的公称压力系列（ GB2346-80）（bar）
40 63 （80） 100 （125） 160
315 400 500 630 800 200 250
依据表 2.2 所规定的公称压力系列，计算或选择的柱塞缸的公称压力为
315bar=31.5MPa
2.2 柱塞杆直径的确定
由柱塞式液压缸柱塞外伸时的推力公式：
6
《液压与

气压传动》
P101
F
1
得：
F
P A 10
1
（2-1）
6
A
1
1
10
P
（2-2）
式中：
F —液压缸的推力，这里为液压缸载荷 (N)
1
P—工作压力（ Mpa）


A —柱塞杆的作用面积（
m
）
1

2
A
1

d

4
2
（2-3）
式中：
d—柱塞杆的直径（ m）
将 2-3 带入 2-2 得 d=0.019m=19m，m
由柱塞杆的标准系列 取 d=32mm
...
...
2
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
1.4 液压缸行程
根据设计要求，行程取 150mm
1.5 柱塞缸内径

D
的确定
1
查表可得

D =42mm
1
机械设计
手册第五

版第 4 卷
22-245
1.6 液压缸外径

D
的确定
2
查表可得

D =50mm
2
1.7 缸筒壁厚
计算得壁厚 δ=(

D - D
1
)2=4mm
2
缸的材料选 45钢
1.8 缸底壁厚
平行缸底，取缸底无油情况，
P
y
h 0.433D
式中：
h —缸底厚度（ mm）
D—液压缸内径（ mm）
P —试验压力（ MPa）, 工作压力
P 16MPa
时， P
y
y
（2-7）
1.5P；工作
压力 P 16MPa 时， P
y
1.25 P
—缸底材料的许用应力（ MPa）
对于：锻钢
铸钢
100 ~ 120MPa
100 ~ 110MPa
...
...
3
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
钢管
铸铁
100 ~ 110MPa
60MPa
45 钢[ ] =120 MPa
将以上数据代入上式得 h=10.4mm，圆整取 15mm。
1.9 端盖厚度的确定
依据机械设计手册 22.6-66 选择活套式法兰缸头，
端盖的厚度：
3F (d
h
H m
d )
（2-8）
(D
g
d
m
2d )
b
式中：
D —缸筒内径（ m）
d —螺钉孔圆周直径（ m）
H
d
—作用力圆周直径（ m）
m
d —螺钉孔直径（ m）
b
d —柱塞缸内径（ m）
1
d —活塞缸筒与缸体配合的外径（ m）
2
D —端盖外径（ m）
g
F —缸头所受到得最大压力（ N）
首先来计算缸头在最大内压的情况下受到的压力
柱塞的面积是：

A =
D
2

1
F：
=0.0014

× 4
2
× 4

m
2
缸壁厚度计算中得出最大压强：
P =39.375MPa
max
所以法兰承受的最大压力为：
F=
P
max
A =55125N
1
...
...

d
1
d
查表得， d
H
=0.085m，
d
m
2
0.046
m，
2

d =0.024m，
d
1
=0.042m，
b
d =0.050m，D
g
=0.110m，缸盖的材料为 45 钢，缸筒材料的许用应力
2
4
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
[ ]=
s
n=3605=72MPa代入上式；
机械设计
手册第

五
版第 4 卷
表

2.2-62
得 h=75mm
1.10 导向套尺寸的确定
导向套滑动面的长度 A，在缸径小于 80mm时取
A= （0.6~1.0 ）D
当缸径大于 时取 80mm
A= 0.6~1.0 d
（ ） （ ）
式中：
D mm —缸筒内径（ ）
d mm —柱塞杆直径（ ）
由于缸径 ，则 （ ） D=42mm
*42=25.2~42mm
取 A=42mm
由于安装与密封原因则套的内径为 。
42mm
加工要求：导向套与柱塞杆外圆的配合多为 ～
H8f7 H9f9.
（2-9）
2-10
A= 0.6~1.0
1.11 法兰安装方式
采取如图所示的后端法兰安装方式
机械设计
手册第五
版第 5 卷
后端法兰安装方式
1.12 密封环
本例中选取静密封的为一般的 O型密封圈加挡圈。柱塞杆动密封使用
形环式组合密封圈，本设计选用 d=85mmU形密封圈
U
1.13 防尘圈
...
...
查机械设计手册表 21-6-28 ，选用 2 型特康防尘圈。
5
...
...
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1.14 各种主要零件名称和材料
件号
1
2
3
4
5
6
7
名称
挡板
防尘圈
法兰
套
U形夹织物密封圈
支承环
导套
材料
Q235-F
毛毡
45
ZQSn8-12
橡胶 1-4
Q235-F
ZQSn8-12
1.15 进出油口大小的确定
机械设

液压缸的进出油口，可以布置在端盖或是缸体上。对于活塞杆固定的液
计
压缸可设在活塞杆端部，如果液压缸无专用的排气装置，进出油口应设
手册第
在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。进出油口的形式一
五
般选用螺钉或是法兰连接，依据查表可知的当内径为 80mm时，可以选
版第 5 卷
表
用 M27x2的螺孔连接。
21-6-25
1.16 安装法兰设计
由于

D =110mm，查询国家标准法兰（ GB9119—2000）可选安装法兰：
法
g
兰外径 250mm，内径 135mm，螺栓孔中心圆直径 210mm，螺栓直径 18mm，
螺栓孔数 8，法兰厚度 24mm·
...
...
6
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
三、各零部件的校核及验算
1.17 缸筒设计
2.3
缸筒结构的选择
连接方式如下图：
选取法兰式连接， 并且法兰和缸筒用焊接方式连接。 其优点是结构简单，
易选取、易装卸；缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。
2.4
缸筒的要求
有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；
有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；
内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；
缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。
2.5
缸筒材料的选取及强度给定
部分材料的机械性能如下表：
材料

缸筒

b
MPa
常用
无缝
20 420
钢管 30 500
材料 35 540
机械 45 610
性能
15MnVn 750
27SiMn 1000
s
MPa
s
%
250
300
320
360
500
850
25
18
17
14
26
12
...
...
7
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
30CrMo
35CrMo
本次设计选取 45 号钢
从表中可以得到：
缸筒材料的屈服强度
缸筒材料的抗拉强度、
s
950
1000
800
850
12
12
=360MPa
b
=610MP；a
现在利用屈服强度来引申出：
缸筒材料的许用应力 [ ]=
s
n=3605=72MPa。
其中 n=5是选取的安全系数。
1.18 缸筒壁厚的验算
下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：
液压缸的额定压力 P
n
值应低于一定的极限值，保证工作安全：

P
n
（

D ）
1
D
2
2
s 2
（MPa）
0.35
1）
D
2

2
（3-
根据式 3-1 得到：

P 54.5MPa，由于

P =31.5MPa则满足条
n
件
n
1.19 液压缸的效率
液压缸的效率 由以下三种效率组成：
（A） 机械效率
取
m
m
，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常
0.9
（B） 容积效率
v
，由各密封件泄露所造成的，通常容积效率
1
v
v
为：
装弹性体密封圈时
装活塞环时
v
0.98
（C） 作用力效率
d
...
，由出油口背压所产生的反作用力而造成。
...
m
=0.9
v
=1
d
=0.9
8
...
...
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m
v d
（3-2）
所以总效率 =0.8。
1.20 法兰连接螺栓的强度计算
连接图如下：
螺栓强度根据下式计算：
螺纹处的拉应力
KF
6
10 （MPa）

螺纹处的剪切应力

K KFd
1
3
0
（3-3）
Z

4
d
（MPa）
10
4）

6

2
1
（3-
2.6
d Z
1
2
n
2
3 （MPa） （3-5）
式中：
F —缸筒端部承受的最大推力（ N）；
D —缸筒内径（ m）
d —螺纹外径（ m）
0
d —螺纹底径（ m）
1
K—拧紧螺纹的系数
不变载荷 取
K 1.25 —1.5
变载荷
...
取
K 2.5 — 4
...
9
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
K —螺纹连接的摩擦系数 K
1
0.12
1
——缸筒材料的许用应力（ MPa）；
n
s
s
—缸筒材料的屈服强度（ MPa）；
n —安全系数 取 n—1.5-2.5
最大推力为： F=150KN
使用 8 个螺栓紧固缸盖，即： Z=8
螺纹外径和底径的选择 ：

d =24mm
0

d =20.752mm
1
系数选择：考虑到载荷可能有变化，为了安全，选取：
K=3，
K =0.12
1
最大推力理论 F=P*A=
31.5

2
D
4
=43.6KN
但实际

F =F*0.8= 34.68KN
1
根据式 3-3 得到螺纹处的拉应力为：
根据式 3-4 得到螺纹处的剪应力为：
根据式 3-5 得到合成应力为：
n
=103.8MPa
=55.8MPa
=141.8MPa
8.8 级：
s
由以上运算结果知，应选择螺栓等级为
查表的得：抗拉强度极限
b
=800MPa屈服极限强度
]=
s
=640MPa
不妨取安全系数 n=2 可以得到许用应力值： [
由式 3-6 得到：

n
=141.8MPa , 则
证明选用螺栓等级合适。
n
n=6402=320MPa
[ ] 成立
10
...
...
机械基础综合课程设计设计计算说明书
总 结
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练， 是我们迈向社会， 从事职业
工作前一个必不少的过程， 使我们对以前所学的理论知识进行了综合应用。 所以经过
这次课程设计发现自己所学的知识还很贫乏， 很多东西都需要去了解， 既然从事了这
个行业，那么就要做好，而且要带动所有同学做好。
由于时间紧迫， 掌握的知识还不是太完全， 只是粗略的了解柱塞缸的结构及原理
计算的数据均按照参考资料一步一步设计计算， 在计算的过程中遇到了许多问题， 及
时查找资料，以及和同学共同探讨。
而且在课程设计过程中， 最让我印象深刻的就是： 一个人的力量是有限的， 团队
的力量是无穷的。经过我们共同的努力，才将课程设计做完、做好。
最重要的一点是无论做任何事情都要有颗责任心， 要有上进心。 只有这样， 困难
才会迎刃而解。 在整个课程设计的过程中， 我发现我们光有理论知识， 却缺乏实际的
经验。有些地方都是凭想像完成的。总体来说，课程设计对我们的帮助是很大的，它
需要我们将学过的相关知识系统地联系来， 从中暴露出自身的不足， 以待改进， 并且
提高了我们查阅资料的能力。
本次的课程设计，培养了我综合应用生产实际知识解决工程实际问题的能力；
在设计的过程中还培养出了我们的团队精神， 同学们共同协作， 解决了许多个人无解
决的问题；在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。
11
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机械基础综合课程设计设计计算说明书
参考资料
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
阎邦椿. 机械设计手册第五版第 4 卷. 机械工业出版社 ,2010.1
成大先. 机械设计手册第五版第 5 卷. 北京：化学工业出版社， 2008
范存德. 液压技术手册 . 辽宁科学技术出版社， 2004.
王守成. 容一鸣液压传动， 2006.8
北京科技大学、东北大学编 《材料力学》 高等教育出版社 .2008
刘品 李哲《机械精度设计与检测基础》第 6 版哈尔滨工业大学出版社 .2009
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