一．课题的背景及意义
液压传动元件以其功率大，安装布置简便，易于受控，操作方便舒适，故障率低，便于维护等优点，非常适于结构形态多变，工作条件恶劣的农业机械的应用。几十年来，液压技术不仅在农机，机床，工程机械，建筑机械，航天航空设备等得到越来越多的应用，而且形成了庞大的市场。全世界液压元件市场销售额已超过二百亿美元，我国液压行业产值已近80亿人民币。按其重要程度计算，在国外发达国家，农机用液压元件市场份额始终属于前5名，我国农机用液压元件需求量在四百万件以上，在国内各行业中，数量最多。进入二十一世纪，液压技术在农机上的应用，呈现出快速发展的势头。
国外发达国家在农业现代化装备上广泛应用电子，液压，新型材料等高技术，进一步提高了农机的操纵性、舒适性、方便性和智能化水平，保护农业生态环境，为精确农业提供新的装备。
我国在“十五”期间，将以实现水稻、玉米生产全过程机械化的田间作业机械、节水装备、农用配套动力和关键部件及农用运输等几个领域产品为发展的重点，进行共性关键技术攻关，包括拖拉机，联合收割机动力换档及静液压驱动技术，联合收割机电液自动化作业监测技术与控制技术。
我国到2005年，60%以上的重要农机产品达到国际80年代末期水平，新开发的品种70%以上达到国际90年代水平，拖拉机，联合收割机等重要产品平均无故障间隔时间接近国际80年代后期及90年代初期水平，到2015年，农机综合技术水平基本接近当时的国际水平，这样，液压技术在农机上的应用，得到了契机。
综上所述，在新世纪中，我国液压机械行业将有明显的进步， 液压技术在农机上的应用将显出强大的生命力，为提高农机产品的技术含量，缩小与国外的差距作出重要贡献。
液压传动技术不仅用于传统的机械操纵、助力装置，也用于机械的模拟加工、转速控制、发动机燃料进给控制，以及车辆动力转向、主动悬挂装和制动系统，同时，也扩展到航空航天和海洋作业等领域。而液压油缸是液压传动中将液体的压力能转换成机械能，实现往复直线运动或往复摆动的执行元件，被广泛应用于各种液压机械设备中。液压油缸的设计合理性、制造质量，直接影响整个液压机械设备的的使用状态，乃至整个生产系统的正常运行和生产的安全性。所以，液压油缸的合理化设计具有重要的现实意义。
1．课题的国内外研究动态、目前的水平及发展趋势
液压油缸也是基于以密闭容器中的静压力传递力和功率这一原理实现工作目的的。目前以其可实现大范围的无级调速、体积小、质量轻、结构紧凑、惯性小，易于实现自动化、过载保护以及良好的标准化、系列化、通用化特点广泛应用工程领域。当前正继续向着以下几个方面发展：
（1）节能
近年来，由于世界能源的紧缺，各国都把液压传动的节能问题作为液压技术发展的重要课题。20世纪70年代后期，德、美等国相继研制成功负载敏感泵及低功率电磁铁等。最近美国威克斯公司又研制成功用于功率匹配系统的CMX阀。
（2）与微电子、计算机技术结合
20世纪80年代以来，逐步完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为液压技术与电子技术相结合创造了条件。随着微电子、计算机技术的发展，出现了各种数字阀和数字泵，并出现了把单片机直接装在液压组件上的具有位置或力反馈的闭环控制液压元件及装置。
（3）运行的可靠性
由于有限元法在液压元件设计中的应用，可靠性实验、研究工作的广泛开展以及新材料、新工艺的发展等，使液压元件的寿命得到提高。由于对飞机、船舶、冶金等一些重要液压系统采用多裕度设计，并在系统中设置旁路净化回路及具有初级智能的自动故障检测仪表等，加强了油液的污染度控制。上述领域内的一些重要成果，使液压系统的可靠性逐年提高。
（4）高度的集成化
把叠加阀、集成块、插装阀以及各种控制阀集成于液压泵及液压执行元件上形成组合元件，有些还把单片机等集成在其控制机构上，达到了集机、电、液于一体的高度集成化。
（5）高压、低躁声、提高密封性能等
高压、高转速、低噪声组件的研究，高效滤材的研究，环保型工作介质及其相应高压液压组件的研究等也是值得注意的动向。
2．课题研究的目的、意义及工作设想
合理、正确的设计液压油缸是设计和制造液压设备的基础和保证，同时，也是很好的对整个学习期间专业知识的总结，提高对专业知识的综合利用能力为在实际的工作岗位上打下坚实的专业基础。
3．液压传动的优缺点
一、优点
(1)传动平稳 在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。
(2)质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。
(3)承载能力大 液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。
(4)容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。
(5)易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。
(6)液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。
(7)容易实现复杂的动作 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件．
(8)简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。
(9)便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。
(10)便于实现“三化” 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。
二、缺点
(1)液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。
(2)实现定比传动困难 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。
(3)油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。
(4)不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。
(5)油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。
(6)油液容易污染 油液污染后，会影响系统工作的可靠性。
(7)发生故障不易检查和排除。
二．毕业设计的内容及任务
1．设计思想
基于以密闭容器中的静压力传递力和功率这一原理，结合实际工作中的工况条件和要求，在完成了工况分析、负载计算以及选定工作压力的基础上进行设计。液压传动是利用帕斯卡原理，即在密闭容积内，施加在静止液体边界上的压力，在液体内可以向所有方向等值地传递到液体各点。
液压传动的基本原理：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。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．设计方案
（1）整理有关方面的资料，根据使用要求确定结构形式和安装方式。
（2）根据负载情况、运动速度、最大行程和工作压力等要求计算出主要结构尺寸。
1.结构尺寸的确定原则
液压缸已有系列标准可供选用，但有时还需自行设计一些非标准液压缸。液压缸的结构尺寸与主机的工作机构有直接关系，其设计是在完成了工况分析、负载计算以及选定了工作压力的基础上进行的。
2.缸筒内径的确定
对于活塞杆液压缸，计算缸筒内径D时，通常有两种计算方法，一种是根据液压缸需要生产的推力F和系统选定的工作压力p来计算（设回油压力为零），计算式为
（4—14）
另一种方法是根据运动速度v和输入流量q来确定刚通内径D，计算式为
（4—15）
式中 、 —液压缸的机械效率及容积效率。
按式（4—14）或（4—15）计算出缸筒内径D后，还要根据GB/T2348—1993加以圆整。一般设计缸筒内径采用前一种方法，后一种方法用来校核所设计缸筒内径能否满足最低工作进给的速度要求。
3.活塞杆直径的确定
活塞杆直径d的计算方法，通常是在缸筒内径D已确定，在满足一定速度比 的情况下，来确定活塞杆的直径d，其计算式为
（4—16）
按式（4—16）计算出活塞杆的直径d后，再按标准进行圆整，然后按其结构强度和稳定性进行校核。
4.其他结构尺寸按照使用情况确定
液压缸行程L主要根据执行机构的运动要求而定。为了简化工艺、降低成本、增加产品通用性，应尽量采用国家标准规定的标准系列值（参看GB/T2349—1980）。
当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向滑动面中点的距离H称为液压缸的最小导向长度，对于一般液压缸，其最小导向长度由下式确定，即
（4—17）
式中L—液压缸的最大行程；
D—缸筒内径。
活塞的宽度B一般取0.6D~1D；端盖滑动支撑面长度l1根据内径确定，即
当D>80mm时，取l1=（0.6~1）D
当D<80mm时，取l1=（0.6~1）d
为保证最小导向长度，过分加大B及l1都是不可取的，必要时可以在活塞与导向滑动面之间装隔环，隔环宽度C由下式确定，即
（4—18）
（3）对部分零件进行强度、刚度和稳定性验算并进行缓冲计算
1.缸筒壁厚强度计算及校核
液压缸直径D确定后，其壁厚由强度条件来确定，壁厚强度计算有两种情况。
1）按薄壁筒公式计算
对于低压系统或当缸径D与壁厚δ的比值D/δ≥12.5时，一般按薄壁圆筒计算，即
（4—19）
式中py—试验压力。当工作压力p≤16MPa时，py=1.5p；当压力p＞16MPa时，py=1.25p；
[σ]—缸筒材料的许用应力，[σ]= σb/n，σb为缸筒材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5.
2）按后壁圆筒公式计算
对于中高压系统或当缸径D与壁厚δ的比值D/δ＜3.2时，一般按后壁筒计算。若缸筒由塑性材料制造，缸筒壁厚应按第四强度理论计算，即
（4—20）
若缸筒由脆性材料制造，缸筒壁厚应按第二强度理论计算，即
（4—21）
2.活塞杆强度及稳定性校核
活塞杆全部伸出时，活塞杆顶端至液压缸支撑点之间的距离称为计算长度l，其值与液压缸的安装形式有关。根据计算长度l与活塞杆直径d的不同比值，应对活塞杆进行不同项目的校核。
当计算长度与活塞杆直径d之比l/d＜10时，属于短行程液压缸，主要校核其拉压强度。
当活塞杆受压时，若计算长度与活塞杆直径d之比l/d＞10，容易出现不稳定状态，发生纵向弯曲破坏，这时必须进行活塞杆的稳定性校核。活塞杆所能承受的符合应满足以下条件，即
（4—22）
式中 —安全系数，一般取 =2~4，冲击载荷较大时 还可取大一些；
—液压缸活塞杆产生纵向弯曲丧失稳定时的临界负荷。
当细长比l/K≥m 时，临界负荷 用欧拉公式计算，即
（4—23）
式中K—活塞杆截面的回转半径， ；
J—活塞杆截面的转动惯量；
A—活塞杆截面积；
m—柔性系数；
n—末端系数；
E—活塞杆材料的弹性模量。
当细长比l/K＜m 时，临界负荷 用戈登—兰金公式计算，即
（4—24）
式中 —材料强度实验值，按表4-2选取；
a—实验常数。
此外还应对螺纹联接强度、卡环联接强度、焊接联接强度和液压缸的制动和缓冲装置进行计算，使所设计的液压缸满足使用要求。
（4）结合注意事项完成结构设计。
设计中与计算中应注意的问题
1）液压缸结构形式的选择关系到液压缸的具体结构设计和性能设计，因此必须根据系统设计要求，对不同形式的液压缸进行充分分析和对比，然后参考同类设备使用情况来确定。
2）在保证实现设计要求的前提下，应使液压缸外形尺寸尽可能小。
3）应尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，但一般情况活塞杆多在受压状态下工作。因此，为避免产生纵向弯曲，应保证液压缸在受压状态下具有良好的稳定性。
4）具体结构设计要按照推荐的结构形式进行，尽量采用标准件，结构尽可能简单，且便于加工、装配和维修。
5）不一定所有液压缸都要设置缓冲和排气装置，应根据具体情况和要求而定，有时可在系统中考虑。
6）确定液压缸安装固定形式时，必须考虑到缸筒和活塞杆受热后会伸长的问题。因此，定位销只能打在液压缸一端的两侧；双杆活塞缸的活塞杆与运动部件不能采用刚性连接。
（5）整理设计说明书，绘制有关图纸，整理有关设计资料、材料。
3．课题研究拟采用的方法和手段
采用单活塞杆式液压缸的设计形式，以液压传动的基础知识为指导，结合力学分析、计算、校核方法，绘图以CAD完成。
1.主要零部件强度校核
2.缸筒壁厚强度计算及校核
3.活塞杆强度及稳定性校核及缓冲计算
设计主要尺寸图纸
（1）油缸装备图一张 ---------- 0号图纸
（2）活塞杆零件图一张-------- 1号图纸
（3）活塞组件图一张 ---------- 2号图纸
（4）零件图一张 ---------- 1号图纸
（5）油缸缓冲装置组件图一张---------- 1号图纸
（6）油缸密封压盖零件图一张----------3号图1张
（7）油缸放气阀组件图一张----------3号图1张
（8）油缸缓冲装置针形阀组件图一张----------3号图1张
4．预计毕业设计课题的最终目标及达到的水平
实现有关液压油缸的高品质设计，要求其使用性能的提高，参数明确合理，应用专业知识系统，并能提高对液压油缸的认识。
三．毕业设计工作计划及进度安排
第1周 明确设计任务，根据课题要求查阅资料，借参考书；
第2周 写开题报告,查阅相关外文资料；
第3周 选择并确定外文翻译内容，进行外文翻译；
第4周 资料整理完成开题报告
第5周 检查开题报告；并继续外文翻译；
第6周 检查外文翻译；
第7周 熟悉零件结构；
第8周 熟悉绘图软件的使用；
第9周 上交开题报告，外文翻译
第10周 进行整体方案及总体结构设计
第11周 进行整体方案及总体结构设计计算
第12周 校合尺寸，开始准备画图
第13周 整体修改整理图纸；
第14周 撰写设计计算说明书；
第15周 修改整理设计计算说明书；
第16周 修改、整理、排版、打印、装订；
第17周 教师评阅，准备答辩。
四．参考文献
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[2] 王先逵.机械制造工艺学.北京.机械工业出版社,2006
[3] 吴宗泽.机械设计师手册. 北京:机械工业出版社,2002
[4] 王章忠.机械工程材料. 北京:机械工业出版社,2001
[5] 李益民.机械制造工艺设计简明手册. 北京:机械工业出版社,2005
[6] 戴亚春.机械制造工艺实习指导书. 北京:化学工业出版社,2007
[7] 何庆.机械制造专业毕业设计指导. 北京:化学工业出版社,2008
[8] 黄如林等.金属加工工艺及工装设计. 北京:化学工业出版社,2006
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