开题报告--大型启闭机液压缸的设计

开题报告--大型启闭机液压缸的设计本文简介：毕业设计（论文）开题报告题目大型启闭机液压缸设计完成日期2014年01月15日大型启闭机液压缸设计1课题来源本课题是在启闭机液压缸近几十年的发展成就和现阶段工程应用要求的基础上提出的。在我国水利水电工程中，液压启闭机最早应用于官厅水库高压闸门中，很长时间以来，受国内外工业技术水平的不高，启闭机液压缸

开题报告--大型启闭机液压缸的设计本文内容：

毕业设计（论文）

开题报告

题目

大型启闭机液压缸设计

完成日期

2014

年

01月

15日

大型启闭机液压缸设计

1

课题来源

本课题是在启闭机液压缸近几十年的发展成就和现阶段工程应用要求的基础上提出的。在我国水利水电工程中，液压启闭机最早应用于官厅水库高压闸门中，很长时间以来，受国内外工业技术水平的不高，启闭机液压缸的发展和应用受到了多种因素的制约，发展缓慢，造价是最重要的制约因素。改革开放后，一方面，国内外工业技术水平的快速发展；另一方面，国外先进技术和液压元器件产品大量进入国内外市场，加速了液压启闭机技术的发展，也更加拓宽了其应用的前景。2O世纪7O年代末，采用厚壁无缝钢管作坯料，经拉镗滚压一次加工成形液压缸内孔工艺的成功实践，使液压缸总成的自重大幅度减轻，从而使液压启闭机方案的技术经济指标大大优化，在工程中应用的优势骤增，工程实践经验的积累又较大的促使了该项技术的发展。

如今，由于液压启闭机与其他种类的启闭机相比有以下优点：技术先进，工艺合理，结构紧凑，经济性好；液压传动效率高；可实现无级调速；运行平稳、安全、可靠，维修方便；便于集中控制和自动化操作；有利于优化水工建筑物的总体布置。因此，液压启闭机在水利水电工程中的得到了更广泛的应用，几乎所有型式的闸门都可以用相应的液压启闭机来操作。但随着工程应用的规模的扩大，特别是大型水利水电工程，对大型启闭机液压缸设计提出了迫切的需要，要求启闭机液压缸朝着大尺寸、高承载力方向发展。在液压启闭机的构件中，液压缸是其核心部件，故液压缸的设计好坏直接关系到液压启闭机制造质量的优劣。

2

研究目的和意义

研究目的：如今液压启闭机的应用工程，特别是对于水利水电工程，都朝着大规模、重载荷的方向发展，因此对大型启闭机液压缸的设计和应用有着迫切需求。在液压启闭机的构件中，液压缸是其核心部件，故液压缸的设计好坏直接关系到液压启闭机制造质量的优劣。为满足现在工程应用的需要，此课题旨在在先前启闭机液压缸的研发和应用基础上，从设计参数出发，根据液压启闭机的使用工况，结合所学的液压传动与机械设计相关知识，从由缸体、端盖、活塞、活塞杆等零件入手，重点分析密封与缓冲装置，设计出结构合理、高承载力、安全适用的大型启闭机的液压缸，以满足大规模工程应用的需要。

研究意义：在满足大规模工程应用需求、减小工程预算、促进水利水电工程的发展等方面具有具有重要的意义。

3

国内外外液压缸研究现状和发展趋势

3.1文献综述

通过阅读国内外相关文件，对启闭机液压缸的设计进行全面的了解，现就对所阅读的一部分文献进行分析和概括：

（1）三峡船闸人字门启闭机液压缸的挠度与纵压稳定性计算_郭应龙、常苏华

该论文主要是针对水利电力建设中经常会遇到的细长油缸因为过大的挠度将会导致缸头密封及活塞与缸壁的过度磨损，从而引起油液的外泄或油缸出力的下降和稳定性的不足造成液压缸的整体失稳、挠曲，而带来更加严重的后果等问题，旨在探讨启闭机液压缸的挠度与纵压稳定性计算方法，这些问题已日益引起人们的普遍关注，并成为这类液压缸设计中必须验算的重要项目之一。

（2）三峡船闸人字门启闭机液压缸挠曲与稳定性试验研究_郭应龙、陶亦寿

本论文主要还是在讨论液压缸挠度问题，介绍了细长卧式液压缸的挠曲与稳定性试验的情况与试验结果，验证了作者的有关计算方法与计算结果，提出了一些新的问题和处理问题的原理与方法。迄今为止，大量有关液压缸整体稳定性的研究都只是限于理论分析。由于模型比尺较小，未曾考虑自重挠度及其对液压缸整体稳定性的影响。这一点，在三峡启闭机中却是不容忽略的。因此，针对三峡船闸启闭机特定的液压缸进行模拟试验，是具有重要意义的。

（3）小浪底工程启闭机械设计_行少阜

该论文具体介绍了小浪底工程启闭机械设计。小浪底工程独特的水工建筑物总体布置格局和调洪、调沙运用的特殊要求，决定了闸门启闭机械设计品种上的多样性和技术上的复杂性。在液压启闭机密封装置设计中，引入了无泄漏油缸的概念，采用了蓄能保压系统。

（4）液压启闭机中液压缸的设计_赵瑞花

该论文主要针对启闭机的核心部件液压缸的设计。液压缸主要由缸体、端盖、活塞、活塞杆、缓冲及密封装置等组成，因此，本文即从以上等零件的设计展开，结合各启闭机液压缸的工作条件，对启闭机液压缸各组成部分的作用进行了分析及对主要尺寸进行了精确的分析计算。

（5）液压缸结构设计及通用程序_王雨露

该论文针对目前启闭机液压缸常常过早破坏的问题，分析了其主要原因（①工程设计使用的液压缸设计方法不理想，大都是根据设计者的直观经验及简单的力学经验公式，人为假一些几何参数，以校核通过为准，故很难保证质量。②液压缸常规设计中的校核分析公式计算误大无法计算法兰及缸底过渡区的应力场，而瘫是这两个部位应力最高，是破坏的主要发生部位）。并且，将传统设计方法与优化设计理论相结合，提出了一种工程实用的液压缸结构设计方法及程序，使得计算简便准确，适合于一般法兰和缸底支承液压缸的结构设计。

（6）液压缸结构设计及运行特性分析_刘晓明

该论文结合了液压缸的静态结构设计和动态运行特性，包括液压缸参数计算、液压缸强度校核、液压缸缓冲装置、建立液压缸活塞运动数学模型和液压缸速度特性曲线。

（7）液压缸稳定性计算公式算法探讨_李维嘉

该论文主要在探讨液压缸稳定性计算公式算法。因为设计过程中，尤其是对于行程较大的液压缸的设计，稳定性校核是一项很重要的内容。当液压缸承受的负载力超过稳定临界力时，即丧失稳定。本文讨论了液压缸设计过择中常用的稳定性计算的两个公式，给出了一种简便、有效的迭代算法，从而避免了传统的查图表的繁琐工作。

（8）液压缸设计中的几个主要问题的简述_闫宝芳

该论简要文阐述了液压缸设计中的几个主要问题，即设计步骤及参数的确定和主要零部件的设计和参数的选取。

（9）液压缸复合型缓冲结构及缓冲过程的分析_武晓凤

该论文讨论了液压缸设计中的一个重要问题，即缓冲。介绍了多种缓冲装置并且解释了其工作原理，分析各种装置的特点及其应用场合。

（10）液压缸间隙密封流场仿真分析_鄢勇

该论文讨论了液压缸设计中的一个重要问题，即密封。介绍了多种密封装置并且解释了其工作原理，分析各种装置的特点及其应用场合。

（11）三峡水利枢纽中的液压启闭机_董必钦

该论文主要讨论的是：①液压启闭机在三峡水利枢纽中的地位与需求

②液压启闭机国内外、外技术发展概况

③三峡液压启闭设备的关键技术。文章对液压启闭机在水利工程应用中的地位、发展状况及关键技术做了简要的阐述。

通过大量阅读国内外外关于液压启闭机的文献和参考相关书籍，对液压启闭机的国内外发展现状和发展趋势有了一定的了解。每篇文章都是对液压缸设计中的某个方面问题进行了深入的分析研究，包括液压缸各组成部分的结构设计、尺寸计算、强度和其稳定性校核及其校核公式探讨等各个方面。

3.2

国内外液压缸研究现状

液压传动相比机械、电气传动具有许多优越性，液压传动容易获得大的力或力矩；输出相同功率，电动机的惯量要比液压马达大50倍；获得相同加速度，电动机所需起动功率要比液压马达高出25%；液压马达所占空间是电动机的1/2，而重量却是它的1/10；液压传动设备具有体积小重量轻的特点；易于实现无级调速和过载保护、传动平稳、噪音低、自润滑性能好、磨损小、只要定期查验与保持系统清洁度，就可长期稳定运行。因此液压传动有取代机械传动的趋势，在三峡水利枢纽工程中广泛采用了不同规格的液压启闭设备。

液压杠是液压机器最早采用的液压元件之一，表面看来似乎没有什么变化，实际上已有很大的发展。这不仅表现在液压缸结构的改进、工作范围的扩大、品种规格的增多和工作性能的提高，而且还表现在对液压缸的研究正在逐步深化，设计、计算的理论正在逐步完善。

从国内外的技术资料和专利中可以看出，各种结构新颖的液压缸不断出现，其共同特点是液压缸结构复合化。例如以液压缸为主体，将电机、泵、阀和其它元件组装为一体，构成独立的液压部件；将气缸和液压缸装在一起，使用气体动力推动液压缸工作；将摆动液压缸和推力液压缸组装在一起，实现多自由度的动作要求；将若干不同行程的液压缸串联起来，经过不同的动作组合，进行各种不同长度的点位控制；将液压缸分成三个工作油腔，利用差动工作原理，实现六种不同速度的运动；将步进电机和带有反馈机构的滑阀与液压缸装配成电液步进液压缸，用于数字程序控制的机床和其它机械设备等等，这样不仅紧凑了机械设备的结构，而且使用方便。除此以外，还出现了不少特殊结构的液压缸，如钢索缸，它用包覆尼龙外皮的钢丝绳代替活塞杆传递动力，能借助洽轮任意改变动力的传递方向；缸筒能卷曲的液压缸，能减少工作时所占用的空间；带有自锁装置的液压缸，能防止在停止运动时外力作用而发生窜动等等。

另外，近年来国内外发表的不少论文中，研究了液压缸的稳定性、强度和局部应力以及液压缸的寿命等问题，研究了液压缸的运动特性和缓冲理论。由于电子计算机应用，用有限元法计算液压缸的强度，以重量及成本为目标函数的优化设计也日益增多。但是，与机械传动零件相比较，液压缸的结构和强度设计理论还处于较低级的阶段。例如对齿轮的研究就相当深，很多看来是非常细小的问题都有专文论述，并形成较成熟的计算方法。然而，在液压缸的设计工作中，常用的某些基本公式目前尚不尽合理，只能用来作粗略的计算。有时则采用保守的计算方法，或选取较大的安全系数，以弥补计算中的某些不足。例如在校核液压缸稳定性时，将液压缸看作为等截面整体杆而直接引用欧拉公式进行计算，其结果比较保守，’致使材料消耗、体积、重量都有所增加。另一方面，由于对液压缸复的受力情况估计不足，选取的安全系数虽较大，但仍难免会出现不安全的情况。因而，今后有必要进行大最的实验研究工作，进一步完兽液压缸的设计理论。

80年代初，德国力士乐公司开发了

cERAMAx

(谢拉赫斯)油缸，此产品具有较好的耐腐蚀和耐磨损性能，使用寿命长。这是一种将cIMs(行程测量系统)与陶瓷保护层结合在一起的新型产品，累积同步精度为士1mm。据该公司介绍可提供19种规格的水工机械专用油缸。活塞杆的最大行程可达24m，缸体内径从小125mm到小1000mm，活塞杆外径从中90mm到小720mm。国外的技术资料可以看出，液压缸在以下方面取得了很大的进步：

①在防护技术方面

活塞杆表面采用陶瓷保护层。过去在美国，活塞杆的制造都是较广泛地采用抗腐蚀金属、表层不锈钢壳、镍铬镀层等来制造。80年代初，德国力士乐公司成功研制了特制陶瓷保护层，它具有较高的硬度和足够的弹性和良好的耐腐蚀、耐磨损特性，它的耐冲击能力强，抗弯强度高，承载能力强，使用寿命长，其性能价格比优于镍铬镀层。

②在测控技术方面。

为了保证液压启闭机的正常运行，需对液压缸位移和速度测量。根据视用户的要求和启闭机的工况，国外厂商研制出不同技术途径来满足。例如:德国Ba11naff公司曾在液压缸内腔中安装超声波传感器，来进行在线测量；我国在液压缸行程测量中，常用的是自整角机系统，或一套差动变压器安装在液压缸内。这些装置受环境影响大，精度较低，可靠性也较差。如今，水利工程所用的液压启闭设备，主要工作机构是大直径、大行程的液压缸。对行程显示和速度控制都有要求，为此必须设计出相应的位移和速度测量显示装置，以满足各类启闭机对闸门的各种启闭特性要求。

③在液压系统方面

从国内外水工程采用的液压启闭机的技术特点来看，液压系统设计较以前有较大进步。液压泵与缸之间的连接大都采用不锈钢材质材料焊接而成；在油箱的设计方面，非常注意液压系统的清洁；油监视预警装置，可及时显示出事故，提高系统运行安全；液压泵大都是采用伺服变量泵或比例变量泵；通过液压缸的在线测量装置测量行程速度等

④在安全可靠，延长寿命方面

先启闭机在安全运行方面，已有了很大的进步。无论处在何种工况和负载下，都能把液压缸锁紧，以保证运行中不安全。在一般情况下，通常是在管路中安装隔离阀或是与溢流阀所构成的液压系统回路来达到上述目的。

3.3

国内外液压缸发展趋势

液压缸发展的主要趋势有以下几个方面：

⑴高压化。目前液压缸的最大工作压力已超过140MPa以上。高压化是减小液压缸径向尺寸的有效方法。一台工作压力为70MPa的30吨压力机，能制造得象台钻一样精巧。2000-3000吨液压机若采用100MPa以上的超高压液压缸，则比普通高压液压机可减轻1/2~2/3的重量。

⑵液压缸工作性能地提高。目前超高性能液压缸在极低的速度下能稳定地工作，高速性能已超过1500mm/s。工作温度的范围扩大到-60～+200℃。寿命最长的液压缸要求运行6000km以上不发生任何事故或零件损坏。为了改善液压缸的工作特性，避免行程终端的换向冲击，对级冲装置进行了研究。近几年，国外很多厂家已采用了匀减速平稳制动的缓冲结构，如抛物线环晾节流、阶梯环隙节流、笛孔节流缓冲装置等。

⑶节约能源。能源危机的出现，迫使工业界不得不重视能源消耗问题，这对液压机械不可避免地将产生深刻的影响。因为液压机械不仅需要动力，而且需要液压油作为传递动力的工作介质，因而如何提高效率、节省能源，也是液压缸研究中的重要课题之一。此外，对避免污染、减少噪声、降低成本以及提高可靠性等方面，也正在进行大量的研究。

4

主要内容

4.1

设计任务

⑴结合液压启闭机使用工况和设计参数，选择恰当的液压缸类型；

⑵从由缸体、端盖、活塞、活塞杆等零件入手，确定缸筒与端盖的连接形式、活塞与活塞杆的连接形式，重点分析密封、缓冲和排气装置；

⑶液压缸各组成部分设计完成后，完成总体结构设计，绘制装配图；

⑷选材并计算主要尺寸，最后校核。

4.2

设计思路

⑴明确液压启闭机工作原理；

⑵明确设计要求和设计参数，简单布置启闭机液压缸工作形式，选择液压缸类型；

⑶从由缸体、端盖、活塞、活塞杆等零件入手，确定缸筒与端盖的连接形式、活塞与活塞杆的连接形式，重点设计密封、缓冲和排气装置，完成装配图；

⑷选材，计算，最后校核。

4.3

设计特点

（1）

设计内容全面，从零件的选材和技术要求，到液压缸各组成部分结构设计，再到整个装配图，并且进行了严格的技术和强度校核。

（2）

中液压缸各组成部分装置的设计中，对多种结构进行了特性分析和比较，然后在根据工况、设计要求和使用场合，最终确定其结构。每一个结构确定都进行了严密地分析，都有确凿的依据。

（3）

所设计的结构力求简单，并且承受的载荷尽量大。

5

设计成果的应用价值

近年来，随着国外液压技术的飞速发展，在大型水电工程中，各类闸门的启闭已逐步由液压传动替代了机械驱动，在三峡水利枢纽工程中也不例外。该工程中选用的液压启闭机具有规格大、数量多、技术水平高、制造难度大等特点，这些启闭机安装在本枢纽工程泄洪、发电、通航等关键部位，它们运行的安全可靠性和稳定性将影响三峡工程总体效益的发挥。液压启闭机在三峡水利枢纽中的地位与需求三峡工程是一项具有防洪、发电、航运等巨大综合效益的水利枢纽工程，因此，其工程质量和运行的安全可靠性是至关重要的。而液压启闭机在完成上述任务中处于极端重要的地位，起着决定性的作用。这些液压启闭机的可靠运行是确保长江航运通畅的关键之一。

在垂直式升船机中，上、下闸首处的卧倒门采用液压启闭机。船厢的防撞设施、安全锁定装置，钢丝绳平衡系统也采用了液压传动。

因此，大型启闭机液压缸由很重大的应用价值。

6

工作的主要阶段、进度

进度及要求

起止日期

要求完成的内容及质量

2013年11月28日至2014年5月22日

完成课题的起止总时间

2013年11月28日

下达任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。

2013年11月29日至

2014年1月17日

阅读指定的参考资料及文献(包括5-10万个印刷符号与课题或本专业相关的外文资料)，整理收集资料，明确课题任务，完成两大件：开题报告（含文献综述）和外文翻译

2014年2月17日至

2月28日

毕业实习，撰写实习报告

2014年3月3日至5月16日

完成毕业设计（论文）正文：即设计计算，建模编程、调试程序，绘图，编写毕业设计说明书、完成论文结构的设计和撰写论文，提交初稿及修改论文，包括：论文提纲、理论分析及计算等；

2014年5月17至5月22日

整理毕业设计（论文）资料，完善并提交成果

2014年5月23至5月29日

教师批阅、评阅毕业设计（论文）成果

2014年6月3至6月6日

毕业答辩

7

最终目标及完成时间

完成启闭机液压缸各组成部分的结构设计，绘制液压缸总体结构设计图，进行主要尺寸计算，确定主要零件的材料选取及技术要求，进行强度和稳定性校核。达到设计出结构合理，安全适用，满足大规模、重载荷应用场合的大型启闭机液压缸的目标。

完成时间：2014,06,01

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