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重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
課 題 名 稱： 壓力機液壓系統(tǒng)的設(shè)計及
零件的加工工藝
專 業(yè) 班 級：
學(xué) 生 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師： 林 洪
二O一四 年 四 月
摘 要
液壓機是一種用靜壓來加工金屬、塑料、橡膠、粉末制品的機械，在許多工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計在現(xiàn)代機械的設(shè)計工作中占有重要的地位。液體傳動是以液體為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的一種傳動系統(tǒng)。本文利用液壓傳動的基本原理，擬定出合理的液壓傳動系統(tǒng)圖，再經(jīng)過必要的計算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格。確保其實現(xiàn)快速下行、慢速加壓、保壓、快速回程、停止的工作循環(huán)。
關(guān)鍵詞： 液壓機、液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計
I
Abstract
Hydraulic machine is a kind of static pressure to the processing of metal, plastic, rubber, the powder product of machinery, in many industrial department a wide range of applications. The design of the hydraulic drive system in modern mechanical design work occupies an important position. Transmission fluid is the liquid medium for the work carried out energy transfer and control of a transmission system.This paper using hydraulic transmission to the basic principle of drawing up a reasonable hydraulic system map ,and then after necessary calculation to determine the liquid pressure system parameters , Then according to the parameters to choose hydraulic components specification. To ensure the realization of the fast down, slow pressure, pressure maintaining, rapid return, stop work cycle.
Key words: hydraulic machine, course design, hydraulic transmission system design.
26
目錄
摘 要 I
Abstract II
1 前言 1
1.1液壓傳動的發(fā)展概況 1
1.2液壓傳動在機械行業(yè)中的應(yīng)用 1
1.3 液壓機的發(fā)展及工藝特點 2
1.4液壓系統(tǒng)的基本組成 3
2 小型壓力機的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計 1
2.1小型壓力機的基本結(jié)構(gòu) 1
2.2 任務(wù)分析 2
2.2.1技術(shù)要求 2
2.2.2任務(wù)分析 2
2.3 方案的確定 3
2.3.1變壓式節(jié)流調(diào)速回路 3
2.3.2容積調(diào)速回路 3
2.4 工況分析 4
3 液壓缸主要參數(shù)的確定 6
3.1 液壓缸主要尺寸的確定 6
3.2活塞桿強度計算 6
3.3液壓缸活塞的推力及拉力計算 7
3.4活塞桿最大容許行程 8
3.5液壓缸內(nèi)徑及壁厚的確定 9
3.5.1液壓缸內(nèi)徑計算 9
3.5.2液壓缸壁厚計算 9
3.6液壓缸筒與缸底的連接計算 10
3.7 缸體結(jié)構(gòu)材料設(shè)計 11
3.7.1缸體端部連接結(jié)構(gòu) 11
3.7.2缸體材料 11
3.7.3缸體技術(shù)條件 11
3.8 活塞結(jié)構(gòu)材料設(shè)計 11
3.9活塞桿結(jié)構(gòu)材料設(shè)計 13
3.10活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵 14
3.11 缸蓋的材料 14
3.12液壓缸各工作循環(huán)中各階段的功率 15
4 液壓系統(tǒng)圖 16
4.1 液壓系統(tǒng)圖分析 16
4.2 液壓系統(tǒng)原理圖 16
5 液壓元件的選擇 18
5.1液壓泵的選擇 18
5.2 閥類元件及輔助元件 18
5.3油箱的容積計算 19
6 液壓系統(tǒng)性能的運算 20
6.1 壓力損失和調(diào)定壓力的確定 20
6.2 油液溫升的計算 21
6.3 散熱量的計算 22
結(jié)論 23
致 謝 24
參考文獻 25
1 前言
1.1液壓傳動的發(fā)展概況
液壓傳動和氣壓傳動稱為流體傳動，是根據(jù)17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為應(yīng)用的一門技術(shù)。如今，流體傳動技術(shù)水平的高低已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。
第一個使用液壓原理的是1795年英國約瑟夫·布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在倫敦用水作為工作介質(zhì),以水壓機的形式將其應(yīng)用于工業(yè)上,誕生了世界上第一臺水壓機。1905年他又將工作介質(zhì)水改為油,進一步得到改善。
我國的液壓工業(yè)開始于20世紀50年代，液壓元件最初應(yīng)用于機床和鍛壓設(shè)備。60年代獲得較大發(fā)展，已滲透到各個工業(yè)部門，在機床、工程機械、冶金、農(nóng)業(yè)機械、汽車、船舶、航空、石油以及軍工等工業(yè)中都得到了普遍的應(yīng)用。當(dāng)前液壓技術(shù)正向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、長壽命、高度集成化等方向發(fā)展。同時，新元件的應(yīng)用、系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計、計算機仿真和優(yōu)化、微機控制等工作，也取得了顯著成果。
目前，我國的液壓件已從低壓到高壓形成系列，并生產(chǎn)出許多新型元件，如插裝式錐閥、電液比例閥、電液伺服閥、電業(yè)數(shù)字控制閥等。我國機械工業(yè)在認真消化、推廣國外引進的先進液壓技術(shù)的同時，大力研制、開發(fā)國產(chǎn)液壓件新產(chǎn)品，加強產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和新技術(shù)應(yīng)用的研究，積極采用國際標準，合理調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對一些性能差而且不符合國家標準的液壓件產(chǎn)品，采用逐步淘汰的措施。由此可見，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，液壓技術(shù)將獲得進一步發(fā)展，在各種機械設(shè)備上的應(yīng)用將更加廣泛。
1.2液壓傳動在機械行業(yè)中的應(yīng)用
機床工業(yè)——磨床、銑床、刨床、拉床、壓力機、自動機床、組合機床、數(shù)控機床、加工中心等
工程機械——挖掘機、裝載機、推土機等
汽車工業(yè)——自卸式汽車、平板車、高空作業(yè)車等
農(nóng)業(yè)機械——聯(lián)合收割機的控制系統(tǒng)、拖拉機的懸掛裝置等
輕工機械——打包機、注塑機、校直機、橡膠硫化機、造紙機等
冶金機械——電爐控制系統(tǒng)、軋鋼機控制系統(tǒng)等
起重運輸機械——起重機、叉車、裝卸機械、液壓千斤頂?shù)?
礦山機械——開采機、提升機、液壓支架等
建筑機械——打樁機、平地機等
船舶港口機械——起貨機、錨機、舵機等
鑄造機械——砂型壓實機、加料機、壓鑄機等
本機器適用于可塑性材料的壓制工藝。如沖壓、彎曲、翻邊、薄板拉伸等。也可以從事校正、壓裝、砂輪成型、冷擠金屬零件成型、塑料制品及粉末制品的壓制成型。本機器具有獨立的動力機構(gòu)和電氣系統(tǒng)。采用按鈕集中控制，可實現(xiàn)調(diào)整、手動及半自動三種操作方式。本機器的工作壓力、壓制速度、空載快速下行和減速的行程范圍均可根據(jù)工藝需要進行調(diào)整，并能完成一般壓制工藝。此工藝又分定壓、定程兩種工藝動作供選擇。定壓成型之工藝動作在壓制后具有保壓、延時、自動回程、延時自動退回等動作。 本機器主機呈長方形，外形新穎美觀，動力系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、動作靈敏可靠。該機并設(shè)有腳踏開關(guān)，可實現(xiàn)半自動工藝動作的循環(huán)。
1.3 液壓機的發(fā)展及工藝特點
液壓機是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一，自19世紀問世以來發(fā)展很快，液壓機在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國民經(jīng)濟各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。由于液壓機的液壓系統(tǒng)和整機結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)外液壓機的發(fā)展不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面，也主要表現(xiàn)在高速化、高效化、低能耗；機電液一體化，以充分合理利用機械和電子的先進技術(shù)促進整個液壓系統(tǒng)的完善；自動化、智能化，實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理功能；液壓元件集成化、標準化，以有效防止泄露和污染等四個方面。
作為液壓機兩大組成部分的主機和液壓系統(tǒng)，由于技術(shù)發(fā)展趨于成熟，國內(nèi)外機型無較大差距，主要差別在于加工工藝和安裝方面。良好的工藝使機器在過濾、冷卻及防止沖擊和振動方面，有較明顯改善。在油路結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國內(nèi)外液壓機都趨向于集成化、封閉式設(shè)計，插裝閥、疊加閥和復(fù)合化元件及系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中得到較廣泛的應(yīng)用。特別是集成塊可以進行專業(yè)化的生產(chǎn)，其質(zhì)量好、性能可靠而且設(shè)計的周期也比較短。
近年來在集成塊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型液壓元件組成的回路也有其獨特的優(yōu)點，它不需要另外的連接件其結(jié)構(gòu)更為緊湊，體積也相對更小，重量也更輕無需管件連接，從而消除了因油管、接頭引起的泄漏、振動和噪聲。邏輯插裝閥具有體積小、重量輕、密封性能好、功率損失小、動作速度快、易于集成的特點，從70年代初期開始出現(xiàn)，至今已得到了很快的發(fā)展。我國從1970年開始對這種閥進行研究和生產(chǎn)，并已將其廣泛的應(yīng)用于冶金、鍛壓等設(shè)備上，顯示了很大的優(yōu)越性。
液壓機工藝用途廣泛，適用于彎曲、翻邊、拉伸、成型和冷擠壓等沖壓工藝，壓力機是一種用靜壓來加工產(chǎn)品。適用于金屬粉末制品的壓制成型工藝和非金屬材料，如塑料、玻璃鋼、絕緣材料和磨料制品的壓制成型工藝，也可適用于校正和壓裝等工藝。
由于需要進行多種工藝，液壓機具有如下的特點：
（1） 工作臺較大，滑塊行程較長，以滿足多種工藝的要求；
（2） 有頂出裝置，以便于頂出工件；
（3） 液壓機具有點動、手動和半自動等工作方式，操作方便；
（4） 液壓機具有保壓、延時和自動回程的功能，并能進行定壓成型和定程成型的操作，特別適合于金屬粉末和非金屬粉末的壓制；
（5） 液壓機的工作壓力、壓制速度和行程范圍可隨意調(diào)節(jié)，靈活性大。
1.4液壓系統(tǒng)的基本組成
1）能源裝置——液壓泵。它將動力部分（電動機或其它遠動機）所輸出的機械能轉(zhuǎn)換成液壓能，給系統(tǒng)提供壓力油液。
2）執(zhí)行裝置——液壓機（液壓缸、液壓馬達）。通過它將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能，推動負載做功。
3）控制裝置——液壓閥。通過它們的控制和調(diào)節(jié)，使液流的壓力、流速和方向得以改變，從而改變執(zhí)行元件的力（或力矩）、速度和方向，根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
4）輔助裝置——油箱、管路、蓄能器、濾油器、管接頭、壓力表開關(guān)等.通過這些元件把系統(tǒng)聯(lián)接起來，以實現(xiàn)各種工作循環(huán)。
5）工作介質(zhì)——液壓油。絕大多數(shù)液壓油采用礦物油，系統(tǒng)用它來傳遞能量或信息。
2 小型壓力機的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計
2.1小型壓力機的基本結(jié)構(gòu)
小型壓力機機身屬于四立柱機身。機身由上橫梁、下橫梁和四根立柱組成。液壓機的各個部件都安裝在機身上，其中上橫梁的中間孔安裝工作缸，下橫梁的中間孔安裝頂出缸，工作臺面上開有開有T型槽，用來安裝模具?；顒訖M梁的四個角上的孔套裝在四立柱上，上方和工作缸活塞相連接，由其帶動橫梁上下運動。機身在液壓機工作中承受全部的工作載荷。
工作缸采用活塞式雙作用缸，當(dāng)壓力油進入工作缸上腔，活塞帶動橫梁向下運動，其速度慢，壓力大，當(dāng)壓力油進入工作缸下腔，活塞向上運動，其速度較快，壓力較小，符合一般的慢速壓制、快速回程的工藝要求。
活動橫梁是立柱式液壓機的運動部件，位于液壓機機身的中間，中間圓孔和上橫梁的工作活塞桿連接，四角孔在工作活塞的帶動下，靠立柱導(dǎo)向作上下運動，活動橫梁的底面也開有T型槽，用來安裝模具。
在機身下部設(shè)有頂出缸，通過頂桿可以將成型后的塑件頂出。
液壓機的動力部分是高壓泵，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽蛞簤簷C的工作缸和頂出缸提供高壓液體。
圖2.1：小型壓力機
2.2 任務(wù)分析
2.2.1技術(shù)要求
設(shè)計一小型油壓機的液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)的工作循環(huán)是：快速下降—壓制—保壓—快退—原位停止。主要性能參數(shù)與性能要求如下：壓制時外負載FL=15000N；運動部件自重G=6000N；快進、快退速度0.1m/s，工進速度0.88×10-3m/s；快進行程L1=150mm，工進行程L2=50mm；往復(fù)運動的加速時間Δt=0.2s；保壓時間40s。
2.2.2任務(wù)分析
根據(jù)重量為6000N ，為了防止滑塊受重力下滑，可用液壓方式平衡滑塊重量。設(shè)計液壓缸的啟動、制動時間為=0.2s 。液壓機滑塊上下為直線往復(fù)運動，且行程較?。?00mm）,故可選單桿液壓缸作執(zhí)行器,且液壓缸的機械效率 。因為液壓機的工作循環(huán)為快速下降、慢速加壓、保壓、快速回程四個階段。各個階段的轉(zhuǎn)換由一個三位四通的換向閥和一個二位二通的換向閥控制。當(dāng)三位四通換向閥工作在左位時實現(xiàn)快速回程。中位時實現(xiàn)液壓泵的卸荷，亦即液壓機保壓。工作在右位時實現(xiàn)液壓泵的快進和工進。其工進速度由一個調(diào)速閥來控制?？爝M和工進之間的轉(zhuǎn)換由二位二通換向閥控制。液壓機快速下降時，要求其速度較快，減少空行程時間，液壓泵采用全壓式供油，且采用差動連接。由于液壓機壓力比較大，所以此時進油腔的壓力比較大，所以在由保壓到快速回程階段須要一個節(jié)流閥，以防在高壓沖擊液壓元件，并可使油路卸荷平穩(wěn)。為了對油路壓力進行監(jiān)控，在液壓泵出口安裝一個溢流閥，同時也對系統(tǒng)起過載保護作用。油路要設(shè)計一個單向閥，以構(gòu)成一個平衡回路，產(chǎn)生一定大小的背壓力，同時也使工進過程平穩(wěn)。在液壓力泵的出油口設(shè)計一個單向閥，可防止油壓對液壓泵的沖擊，對泵起到保護作用。
2.3 方案的確定
由液壓機的工作情況來看，其外負載和工作速度隨著時間是不斷變化的。所以設(shè)計液壓回路時必須滿足隨負載和執(zhí)行元件的速度不斷變化的要求。因此可以選用變壓式節(jié)流調(diào)速回路和容積式調(diào)速回路兩種方式。
2.3.1變壓式節(jié)流調(diào)速回路
節(jié)流調(diào)速的工作原理，是通過改變回路中流量控制元件通流面積的大小來控制流入執(zhí)行元件或自執(zhí)行元件流出的流量來調(diào)節(jié)其速度。變壓式節(jié)流調(diào)速的工作壓力隨負載而變，節(jié)流閥調(diào)節(jié)排回油箱的流量，從而對流入液壓缸的的流量進行控制。其缺點：液壓泵的損失對液壓缸的工作速度有很大的影響。其機械特性較軟，當(dāng)負載增大到某值時候，活塞會停止運動，
低速時泵承載能力很差，變載下的運動平穩(wěn)性都比較差，可使用比例閥、伺服閥等來調(diào)節(jié)其性能，但裝置復(fù)雜、價格較貴。優(yōu)點：在主油箱內(nèi)，節(jié)流損失和發(fā)熱量都比較小，且效率較高。宜在速度高、負載較大，負載變化不大、對平穩(wěn)性要求不高的場合。
2.3.2容積調(diào)速回路
容積調(diào)速回路的工作原理是通過改變回路中變量泵或馬達的排量來改變執(zhí)行元件的運動速度。優(yōu)點：在此回路中，液壓泵輸出的油液直接進入執(zhí)行元件中，沒有溢流損失和節(jié)流損失，而且工作壓力隨負載的變化而變化，因此效率高、發(fā)熱量小。當(dāng)加大液壓缸的有效工作面積，減小泵的泄露，都可以提高回路的速度剛性。
綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點比較，泵缸開式容積調(diào)速回路和變壓式節(jié)流調(diào)回路相比較，其速度剛性和承載能力都比較好，調(diào)速范圍也比較寬工作效率更高，發(fā)熱卻是最小的?？紤]到最大壓制力為320000N，故選泵缸開式容積調(diào)速回路。
2.4 工況分析
2.4.1工作負載
工作負載Fe 液壓缸的常見工作負載有重力、切削力、擠壓力等。阻力負載為正，超越負載為負。
自重G=6000N壓制力F=FL=15000N
2.4.2 摩擦負載
假設(shè)靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動摩擦系數(shù)fd=0.1
2.4.3 慣性負載
慣性負載Fi 慣性負載時運動部件在啟動和制動過程中的慣性力，其平均值可按下式計算 Fi =G/g*?v/?t (N)
式中 g=重力加速度， m/s2，g=9.8m/s2
?v=速度變化量， m/s2
?t=啟動或制動時間，s 一般機械?t =0.1~0.5s，
2.4.4 自重
G=mg=6000N
2.4.5 液壓缸在各工作階段的負載值
查液壓缸的機械效率，可計算出液壓缸在各工作階段的負載情況，如下表表1所示：
表1 液壓缸各階段的負載情況
工 況
負載計算公式
液壓缸負載
液壓缸推力/N
啟 動
1200
1333.33
加 速
6600
7333.33
快 進
600
666.667
工 進
15600
17333.33
快 退
600
666.667
2.4.6 負載圖與速度圖的繪制
根據(jù)工況負載和以知速度和及行程S，可繪制負載圖和速度圖，如下圖（圖1、圖2）所示：
圖1(負載圖)
圖2（速度圖）
3 液壓缸主要參數(shù)的確定
3.1 液壓缸主要尺寸的確定
（1）工作壓力P的確定：
工作壓力P可根據(jù)負載大小及機器的類型，來初步確定由手冊查表取液壓缸工作壓力為25MPa。將液壓缸的無桿腔作為主工作腔，考慮到缸下行時，滑塊自重采用液壓方式平衡，則可計算出液壓缸無桿腔的有效面積，取液壓缸的機械效率ηcm=0.9。
（2）計算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d
由負載圖知最大負載工進F為15600N，取d/D=0.7
=
D==0.0297m=29.7mm
液壓氣動系統(tǒng)及元件 缸內(nèi)徑及活塞桿外徑 標準編號：GB/T 2348-1993
表 GB/T 2348-1993 直徑系列
直徑系列/mm
(GB/T 2348-1993)
4、5、6、8、10、12、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360
按GB/T2348-1993，取標準值D=32mm
d=0.7D=22.4mm 取值d=25mm
由此求得液壓缸的實際有效工作面積
則：無桿腔實際有效面積：=＝803.84
有桿腔實際有效面積：==313.215
3.2活塞桿強度計算
活塞桿在穩(wěn)定工作下，如果僅受軸向拉力或壓力載荷時，便可以近似的采用直桿承受拉、壓載荷的簡單強度計算公式進行計算，
活塞桿應(yīng)力 (3.5)
或 (3.6)
式中P—活塞桿所受的軸向載荷
d—活塞桿直徑
—活塞桿制造材料的許用應(yīng)力
根據(jù)以上公式可知
切斷液壓缸
可見，活塞桿的強度均滿足要求。
3.3液壓缸活塞的推力及拉力計算
液壓油作用在液壓缸活塞上的作用力P，對于一般單邊活塞桿液壓缸來說，當(dāng)活塞桿前進時的推力：
(3.7)
當(dāng)活塞桿后退時的拉力：
(3.8)
當(dāng)活塞桿差動前進時（即活塞的兩側(cè)同時進壓力相同的壓力油）的推力：
(3.9)
式中 D—活塞直徑（即液壓缸內(nèi)徑）cm
d—活塞桿直徑 cm
-液壓缸的工作壓力
表11-133為活塞桿直徑d采用速度比計算得出，不同液壓缸直徑D和壓力下液壓缸活塞上的推力及拉力數(shù)值。
圖3.1 液壓缸活塞的受力
3.4活塞桿最大容許行程
根據(jù)《機械設(shè)計手冊》表11-141和表11-142即可以概略的求出液壓缸的最大容許行程。
兩個液壓缸均采用如圖固定—自由模式進行安裝。
圖3.2 安裝型式簡圖
根據(jù)長度公式 (3.12)
(3.13)
可知切斷液壓缸活塞桿計算長度l和實際行程S分別為
==52.54cm
=52.54-6=46.5cm
鐓粗液壓缸活塞桿計算長度l和實際行程S分別為
3.5液壓缸內(nèi)徑及壁厚的確定
3.5.1液壓缸內(nèi)徑計算
當(dāng)P和p已知，則液壓缸內(nèi)徑D可按公式得：
(3.14)
式中 P—活塞桿上的總作用力，N
p—液壓油的工作壓力，KN
可知液壓缸的內(nèi)徑為32mm,
3.5.2液壓缸壁厚計算
一般，低壓系統(tǒng)用的液壓缸都是薄壁缸，薄壁可用下式計算：
(3.15)
式中，—缸壁厚度，m
p—液壓缸內(nèi)工作壓力，Pa
[σ]—剛體材料的許用應(yīng)力
D—液壓缸內(nèi)徑，cm
當(dāng)額定壓力Pn≤16MPA時，Pp=Pn×150/100
當(dāng)額定壓力Pn＞16MPA時，Pp=Pn×125/100
(3.16)
—缸體材料的抗拉強度，Pa
n—安全系數(shù)，一般可取n=5
應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)計算出的液壓缸壁較薄時，要按結(jié)構(gòu)需要適當(dāng)加厚。
因此，根據(jù)上述公式可得，
液壓缸
故切斷液壓缸的壁厚為5mm。
關(guān)于液壓缸的安全系數(shù)，在設(shè)計液壓缸時通常取n=5。但是這在比較平穩(wěn)的工作條件下，強度有些余量；相反，假如工作條件為動載荷或沖擊壓力超過超耐壓力時，有時會出現(xiàn)危險狀態(tài)。因此合理的安全系數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際使用條件選取。
3.6液壓缸筒與缸底的連接計算
缸體法蘭連接螺栓計算
缸體與端部用法蘭連接或拉桿連接時，螺栓或拉桿的強度計算如下：
圖3.3 缸體聯(lián)接
螺紋處的拉應(yīng)力
(3.17)
螺紋處的剪應(yīng)力
(3.18)
合成應(yīng)力
(3.19)
式中 Z—螺栓或拉桿的數(shù)量
—材料為45鋼時，=30
3.7 缸體結(jié)構(gòu)材料設(shè)計
3.7.1缸體端部連接結(jié)構(gòu)
采用簡單的焊接形式，其特點：結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，使用廣泛。缸體焊接后可能變形，且內(nèi)徑不易加工。所以在加工時應(yīng)小心注意。主要用于活塞式液壓缸。
3.7.2缸體材料
液壓缸缸體的常用材料為20、35、45號無縫鋼管。因20號鋼的機械性能略低，且不能調(diào)質(zhì)，應(yīng)用較少。當(dāng)缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需要焊接時，則應(yīng)采用焊接性能比較號的35號鋼，粗加工后調(diào)質(zhì)。一般情況下，均采用45號鋼，并應(yīng)調(diào)質(zhì)到241~285HB。
缸體毛坯可采用鍛鋼，鑄鐵或鑄鐵件。鑄剛可采用ZG35B等材料，鑄鐵可采用HT200~HT350之間的幾個牌號或球墨鑄鐵。特殊情況可采用鋁合金等材料。
3.7.3缸體技術(shù)條件
a. 缸體內(nèi)徑采用H8、H9配合。表面粗糙度：當(dāng)活塞采用橡膠密封圈時，Ra為0.1~0.4，當(dāng)活塞用活塞環(huán)密封時，Ra為0.2~0.4。且均需衍磨。
b. 熱處理：調(diào)質(zhì)，硬度HB241~285。
c. 缸體內(nèi)徑D的圓度公差值可按9、10或11級精度選取，圓柱度公差值應(yīng)按8級精度選取。
d. 缸體端面T的垂直度公差可按7級精度選取。
e. 當(dāng)缸體與缸頭采用螺紋聯(lián)接時，螺紋應(yīng)取為6級精度的公制螺紋。
f. 當(dāng)缸體帶有耳環(huán)或銷軸時，孔徑或軸徑的中心線對缸體內(nèi)孔軸線的垂直公差值應(yīng)按9級精度選取。
g. 為了防止腐蝕和提高壽命，缸體內(nèi)表面應(yīng)鍍以厚度為30~40的鉻層，鍍后進行衍磨或拋光。
3.8 活塞結(jié)構(gòu)材料設(shè)計
3.8.1活塞與活塞桿的聯(lián)接型式
表3.1 活塞與活塞桿的聯(lián)接型式
聯(lián)接方式
備注說明
整體聯(lián)接
用于工作壓力較大而活塞直徑又較小的情況
螺紋聯(lián)接
常用的聯(lián)接方式
半環(huán)聯(lián)接
用于工作壓力、機械振動較大的情況下
這里采用螺紋聯(lián)接。
3.8.2活塞的密封
活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu)，隨工作壓力、環(huán)境溫度、介質(zhì)等條件的不同而不同。常用的密封結(jié)構(gòu)見下表
表3.2 常用的密封結(jié)構(gòu)
密封形式
備注說明
間隙密封
用于低壓系統(tǒng)中的液壓缸活塞的密封
活塞環(huán)密封
適用于溫度變化范圍大，要求摩擦力小、壽命長的活塞密封
O型密封圈密封
密封性能好，摩擦系數(shù)?。话惭b空間小，廣泛用于固定密封和運動密封
Y型密封圈密封
用在20MPa下、往復(fù)運動速度較高的液壓缸密封
結(jié)合本設(shè)計所需要求，采用O型密封圈密封比較合適。
3.8.3活塞的材料
液壓缸常用的活塞材料為耐磨鑄鐵、灰鑄鐵（HT300、HT350）、鋼及鋁合金等，這里采用45號鋼。
3.8.4活塞的技術(shù)要求
a. 活塞外徑D對內(nèi)孔的徑向跳動公差值，按7、8級精度選取。
b. 端面T對內(nèi)孔軸線的垂直度公差值，應(yīng)按7級精度選取。
c. 外徑D的圓柱度公差值，按9、10或11級精度選取。
圖3.3 活塞
3.9活塞桿結(jié)構(gòu)材料設(shè)計
3.9.1端部結(jié)構(gòu)
活塞桿的端部結(jié)構(gòu)分為外螺紋、內(nèi)螺紋、單耳環(huán)、雙耳環(huán)、球頭、柱銷等多種形式。根據(jù)本設(shè)計的結(jié)構(gòu)，為了便于拆卸維護，可選用內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)。
3.9.2端部尺寸
如圖，為內(nèi)螺紋聯(lián)接簡圖。查表11-148，按照本設(shè)計要求，選用直徑螺距-螺紋長=。
圖3.2 螺紋聯(lián)接簡圖
3.9.3活塞桿結(jié)構(gòu)
活塞桿有實心和空心兩種，如下圖。實心活塞桿的材料為35、45號鋼；空心活塞桿材料為35、45號無縫鋼管。本設(shè)計采用實心活塞桿，選用45號鋼。
圖3.3 空心活塞桿 圖3.4 實心活塞桿
3.9.4活塞桿的技術(shù)要求
a. 活塞桿的熱處理：粗加工后調(diào)質(zhì)到硬度為HB229~285，必要時，再經(jīng)過高頻淬火，硬度達HRC45~55。在這里只需調(diào)質(zhì)到HB230即可。
b. 活塞桿的圓度公差值，按9~11級精度選取。這里取10級精度。
c. 活塞桿的圓柱度公差值，應(yīng)按8級精度選取。
d. 活塞桿的徑向跳動公差值，應(yīng)為0.01mm。
e. 端面T的垂直度公差值，則應(yīng)按7級精度選取。
f. 活塞桿上的螺紋，一般應(yīng)按6級精度加工（如載荷較小，機械振動也較小時，允許按7級或8級精度制造）。
g. 活塞桿上工作表面的粗糙度為Ra0.63, 為了防止腐蝕和提高壽命，表面應(yīng)鍍以厚度約為40的鉻層，鍍后進行衍磨或拋光。
3.10活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵
3.10.1導(dǎo)向套
a. 導(dǎo)向套的導(dǎo)向方式、結(jié)構(gòu)
表3.3 導(dǎo)向套的導(dǎo)向方式
導(dǎo)向方式
備注說明
缸蓋導(dǎo)向
減少零件數(shù)量，裝配簡單，磨損相對較快
管通導(dǎo)套
可利用壓力油潤滑導(dǎo)向套，并使其處于密封狀態(tài)
可拆導(dǎo)向套
容易拆卸，便于維修。適用于工作條件惡劣、經(jīng)常更換導(dǎo)向套的場合
球面導(dǎo)向套
導(dǎo)向套自動調(diào)整位置，磨損比較均勻
本設(shè)計采用缸蓋導(dǎo)向。
b. 導(dǎo)向套材料
導(dǎo)向套的常用材料為鑄造青銅或耐磨鑄鐵。由于選用的是和缸蓋一體的導(dǎo)向套，所以材料和缸蓋也是相同的，都選用耐磨鑄鐵。
c. 導(dǎo)向套的技術(shù)要求
導(dǎo)向套的內(nèi)徑配合一般取為H8/f9，其表面粗糙度則為Ra0.63~1.25。
3.10.2活塞桿的密封與防塵
這里仍采用O型密封圈，材料選擇薄鋼片組合防塵圈，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。
3.11 缸蓋的材料
液壓缸的缸蓋可選用35、45號鍛鋼或ZG35、ZG45鑄鋼或HT200、HT300、HT350鑄鐵等材料。在這里選擇ZG45鑄鋼。缸蓋按9、10或11級精度選取。6.6液壓缸的排氣裝置
3.12液壓缸各工作循環(huán)中各階段的功率
根據(jù)P＝pq可得液壓缸在工作循環(huán)中各階段的功率，其結(jié)果如表5所示。
表5-2 液壓缸各工作循環(huán)中各階段的功率
工作階段
工率W
快進
452
工進
410
快退
410
按以上數(shù)據(jù)可繪制液壓缸的工況圖如圖5-1所示。
圖5-1 工況圖
4 液壓系統(tǒng)圖
4.1 液壓系統(tǒng)圖分析
（1）考慮到液壓機工作時所需功率較大，固采用變量泵的容積調(diào)速方式。
（2）為了滿足速度的有極變化，采用壓力補償變量液壓泵供油，即在快速下降的時候，液壓泵以全流量供油。當(dāng)轉(zhuǎn)化成慢速加壓壓制時，泵的流量減小，最后流量為0。
（3）當(dāng)液壓缸反向回程時，泵的流量恢復(fù)為全流量供油。液壓缸的運動方向采用三位四通M型電磁換向閥和二位二通電磁換向閥控制。停機時三位四通換向閥處于中位，使液壓泵卸荷。
（4）為了防止壓力頭在工作過程中因自重而出現(xiàn)自動下降的現(xiàn)象，在液壓缸有桿腔回路上設(shè)置一個單向閥。
（5）為了實現(xiàn)快速空程下行和慢速加壓，此液壓機液壓系統(tǒng)采用差動連接的調(diào)速回路。
（6）為了使液壓缸下降過程中壓力頭由于自重使下降速度越來越快，在三位四通換向閥處于左位時，回油路口應(yīng)設(shè)置一個順序閥作背壓閥使回油路有壓力而不至于使速度失控。
（7）為了實現(xiàn)自動控制，在液壓缸的活塞桿運動方向上安裝了三個接近開關(guān)，使液壓系統(tǒng)能夠自動切換工作狀態(tài)。
（8）為了使系統(tǒng)工作時壓力恒定，在泵的出口設(shè)置一個溢流閥，來調(diào)定系統(tǒng)壓力。
4.2 液壓系統(tǒng)原理圖
綜上分析可得小型液壓機液壓系統(tǒng)原理如圖6-1所示。
圖6-1 液壓機液壓系統(tǒng)原理圖
1-變量泵 2-溢流閥 3-油箱 4-單向閥5-三位四通電磁換向閥 6-單向順序閥 7-液壓缸8-過濾器 9-調(diào)速閥 10-二位二通電磁換向閥
5 液壓元件的選擇
5.1液壓泵的選擇
由液壓缸的工況圖，可以看出液壓缸的最高工作壓力出現(xiàn)在加壓壓制階段時P＝19.78MPa ，此時液壓缸的輸入流量極小，且進油路元件較少故泵到液壓缸的進油壓力損失估計取為=0.5MPa 。所以泵的最高工作壓力=19.78+0.5=20.28MPa 。
液壓泵的最大供油量 按液壓缸最大輸入流量（98.96L/min）計算，取泄漏系數(shù)K=1.1,則=108L/min。
根據(jù)以上計算結(jié)果查閱《機械設(shè)計手冊》，選用63YCY14—1B壓力補償變量型軸向柱塞泵，其額定壓力P=25MPa，排量為V=80mL/r,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min。
由于液壓缸在工進時輸入功率最大，這時液壓缸的工作壓力為20.28MPa，流量為1.24L/min ,取泵的總效率=0.85，則液壓泵的驅(qū)動電機所要的功率 =540W，
根據(jù)此數(shù)據(jù)按JB/T8680.1-1998，選取Y2-711-4型電動機，其額定功率P=550W ，額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min,按所選電動機的轉(zhuǎn)速和液壓泵的排量，液壓泵最大理論流量nV=120L/min ，大于計算所需的流量108L/min，滿足使用要求。
5.2 閥類元件及輔助元件
根據(jù)閥類元件及輔助元件所在油路的最大工作壓力和通過該元件的最大實際流量可選出這些液壓元件的型號及規(guī)格，結(jié)果見表7-1。
表7-1 液壓元件的型號及規(guī)格
序號
元件名稱
額定壓力/Pa
排量ml/r
型號及規(guī)格
說明
1
變量泵
25
80
63YCY14—1B
額定轉(zhuǎn)速3000r/min驅(qū)動電機功率為550W
2
溢流閥
調(diào)壓25
12
C175
通徑20mm
3
三位四通換向閥
28
160
WEH10G
通徑20mm
4
順序閥
最大工作壓力32MPa
160
HCT06L1
(單向行程調(diào)速閥)
5
調(diào)速閥
28
160
FBG-3-125-10
6
單向閥
開啟0.15MPa
最大200
S20A220
通徑20mm
7
二位二通換向閥
28
160
2WE10D10
通徑20mm
5.3油箱的容積計算
容量V (單位為L)計算按教材式(7-8) : ，由于液壓機是高壓系統(tǒng)，。 所以油箱的容量：=692.72L
取V＝700L
6 液壓系統(tǒng)性能的運算
6.1 壓力損失和調(diào)定壓力的確定
（1）進油管中的壓力損失
由上述計算可知，工進時油液流動速度較小，通過的流量為1.24L/min,主要壓力損失為閥件兩端的壓降可以省略不計?？爝M時液壓桿的速度=5.6m/min，此時油液在進油管的速度
V==4.34m/s
1）沿程壓力損失：
沿程壓力損失首先要判斷管中的流動狀態(tài)，此系統(tǒng)采用N32號液壓油，室溫為20度時，所以有
=954.8<2320
油液在管中的流動狀態(tài)為層流，則阻力損失系數(shù)
=0.079，若取進油和回油的管路長均為4m，油液的密度為=900，則進油路上的沿程壓力損失為
=0.122MPa.
2）局部壓力損失：
局部壓力損失包括管道安裝和管接頭的壓力損失和通過液壓閥的局部壓力損失，由于管道安裝和管接頭的壓力損失一般取沿程壓力損失的10%，而通過液壓閥的局部壓力損失則與通過閥的流量大小有關(guān)，若閥的額定流量和額定壓力損失分別為，則當(dāng)通過閥的流量為q時的閥的壓力損失，由算得=0.19MPa小于原估算值0.5MPa,所以是安全的。
則進油路上的壓力總損失為：＝0.122+0.0122+0.19＝0.3242MPa
（2）回油管路上的壓力損失：
快進時回油路上的流量＝50.47L/min，則回油管路中的速度
v==1.2m/s，
由此可以計算出
=360<2320，
油液在管中的流動狀態(tài)為層流，則阻力損失系數(shù)
＝0.208,
所以回油路上的沿程壓力損失為
＝0.02MPa。
而通過液壓閥的局部壓力損失：＝0.05MPa
則回油路上的壓力總損失為：＝0.02+0.002+0.05=0.072MPa
由上面的計算所得求出總的壓力損失：
=0.36MPa
這與估算值相符。
6.2 油液溫升的計算
在整個工作循環(huán)中，工進和快進快退所占的時間相差不大，所以，系統(tǒng)的發(fā)熱和油液溫升可用一個循環(huán)的情況來計算。
（1）快進時液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量
快進時液壓缸的有效功率為：＝374W
泵的輸出功率為：=524W
因此快進液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為:
=150W
（2） 快退時液壓缸的發(fā)熱量
快退時液壓缸的有效功率為：=374W
泵的輸出功率為：==485W
快退時液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：=111W
（3）壓制時液壓缸的發(fā)熱量
壓制時液壓缸的有效功率為：=378W
泵的輸出功率==481W
因此壓制時液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：=103W
總的發(fā)熱量為:H=150+111+103=364W
則求出油液溫升近似值為：
=6.7
溫升沒有超出允許范圍，液壓系統(tǒng)中不需要設(shè)置冷卻器。
6.3 散熱量的計算
當(dāng)忽略系統(tǒng)中其他地方的散熱，只考慮油箱散熱時，顯然系統(tǒng)的總發(fā)熱功率H全部由油箱來考慮。這時油箱散熱面積A的計算公式為
式中 A—油箱的散熱面積（）
H—油箱需要的散熱功率（W）
—油溫（一般以考慮）與周圍環(huán)境溫度的溫差
K—散熱系數(shù)。與油箱周圍通風(fēng)條件的好壞而不同，通風(fēng)很差時K=8～9，良好時K=15～17.5；風(fēng)扇強行冷卻時K=20～23；強迫水冷時K=110～175。
這里取自然良好的通風(fēng)散熱，所以油箱散熱面積A為：
＝3.2
結(jié)論
這次畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容是液壓機液壓系統(tǒng)的設(shè)計。對我們來說液壓系統(tǒng)的設(shè)計是一門新的知識，在設(shè)計程中，碰到了一些與以往不同的方法及概念，總結(jié)起來，我認為最大的欠缺就是缺乏一個整體的觀念，常常在不經(jīng)意中，只考慮到滿足一個或幾個性能要求，而沒有以一個整體的思想來考慮問題。比如，我們設(shè)計系統(tǒng)圖時，很容易忘記考慮系統(tǒng)保壓和液壓泵卸荷等問題，假如忘記考慮這些問題，就難以實現(xiàn)預(yù)定的工作要求。為此我也花了很長時間，經(jīng)過反復(fù)思考最終設(shè)計出符合工作要求的系統(tǒng)圖。
另一方面，在這次的設(shè)計中，我用到了一些經(jīng)驗公式以及一些在一定范圍內(nèi)取值的數(shù)據(jù)，以前我習(xí)慣了在精確公式及數(shù)值下計算，而且在查閱工具書方面的能力還不足，還需要在今后的設(shè)計中進一步加強。出現(xiàn)以上的種種缺陷的關(guān)鍵問題在于我們?nèi)狈@方面專業(yè)能力的鍛煉。但經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計之后讓我對于液壓系統(tǒng)的應(yīng)用更加了解。還有設(shè)計的時候應(yīng)該具有嚴緊的態(tài)度，因為很多工程問題都是人命關(guān)天。所以我們要從現(xiàn)在開始就養(yǎng)成一種嚴緊的學(xué)習(xí)和工作態(tài)度，以后在工作中才能盡量避免一些重大失誤。
通過這次的畢業(yè)設(shè)計，讓我對液壓系統(tǒng)以及液壓閥件有了更深的認識，對設(shè)計液壓裝備時應(yīng)有的要求有了新的見解，完成同樣的要求，有不同的設(shè)計方案，但是我們應(yīng)向使用性能，結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟性更優(yōu)的方向發(fā)展。當(dāng)然這還需要我們不斷地刻苦學(xué)習(xí)，然后在前人實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，勇于創(chuàng)新，尋求更經(jīng)濟實惠的設(shè)計。
由于能力所限，在設(shè)計過程中還有許多不足之處，懇請老師批評指正！
致 謝
本畢業(yè)設(shè)計是在老師的指導(dǎo)下完成的。老師讓我受益不淺，他淵博的知識，嚴謹?shù)娘L(fēng)格，高度的責(zé)任感。在做設(shè)計的過程中也遇到了很多問題，老師給了我很多的關(guān)心和幫助，并總是問指導(dǎo)我們的設(shè)計過程。
通過這次的畢業(yè)設(shè)計，我深深感到，做任何事都要有耐心，細心。設(shè)計的過程，許多計算有時會讓我感到心煩意亂；有時是不小心計算誤差，只能被無情地重做。但教師思想教育比平常更多，病人，認為他們的社會責(zé)任感的未來，思想在世界上是因為一些小錯誤，我不提醒自己，因為畢業(yè)的時候，很多人應(yīng)該知道的地方都沒有時間去仔細地去追求，但是我相信，方向是最重要的，因為方向，將用最少的精力去做事情，這工作，我的人生。因為在實際生產(chǎn)生活，工作是千差萬別的，只有找到自己最喜歡的，最有前途的工作，有更多的熱心人士，但也是最有可能在自己的崗位上做出一定的貢獻。
要形成良好的習(xí)慣的高度負責(zé)，一絲不茍。說實話，畢業(yè)設(shè)計真是有點累了。然而，其設(shè)計結(jié)果，畢業(yè)設(shè)計仔細回味的旅程，一個罕見的成功立刻讓我昏昏欲睡。頓消。雖然這是我剛學(xué)的第一個走，一點在我的生命中的成功，但它讓我覺得更成熟了。
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