畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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前言第 1 頁(yè) （共 46 頁(yè)）專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 前言相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)是一門新的技術(shù)。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)相比，具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中都得到了廣泛的應(yīng)用，并且具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景。機(jī)床中采用液壓傳動(dòng)主要是因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)可以實(shí)現(xiàn)無極變速、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。目前，我國(guó)已經(jīng)形成了門類齊全的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化液壓元件系列產(chǎn)品。同時(shí)，我國(guó)在消化、吸收國(guó)外先進(jìn)液壓技術(shù)的同時(shí)，大力研發(fā)國(guó)產(chǎn)液壓元件新的產(chǎn)品，加強(qiáng)了產(chǎn)品質(zhì)量可靠性以及新技術(shù)應(yīng)有的研究，不斷的調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)一些差的液壓件產(chǎn)品采取逐步淘汰的措施。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，液壓技術(shù)將越來越成熟，應(yīng)用更加廣泛。本文通過一系列的論證，從選取液壓系統(tǒng)方案入手，對(duì)專業(yè)銑床的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，我貫徹少而精、理論與實(shí)際相結(jié)合的原則，主要對(duì)液壓系統(tǒng)和液壓缸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)部分零部件用 PROE 進(jìn)行了實(shí)體建模。在設(shè)計(jì)專業(yè)銑床液壓系統(tǒng)中，汪老師對(duì)本設(shè)計(jì)給予了極大的幫助和輔導(dǎo)，在此我向汪老師表示衷心的感謝。由于個(gè)人水平和能力有限，文中難免存在疏漏和不足，謬誤及不妥之處敬請(qǐng)老師指正。2 選題背景2.1 題目來源及題目類別：題目來源：生產(chǎn)實(shí)際和老師的科學(xué)研究題目類別：畢業(yè)設(shè)計(jì)2.2 研究的目的和意義液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過該畢業(yè)設(shè)計(jì)，要求達(dá)到以下目的： 1. 鞏固和深化已學(xué)知識(shí)，掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一般方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 2 頁(yè) （共 46 頁(yè)）工程設(shè)計(jì)能力和綜合分析問題、解決問題能力； 2. 正確合理地確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件；能熟練地運(yùn)用液壓基本回路、組合成滿足基本性能要求的液壓系統(tǒng)； 3. 熟悉并會(huì)運(yùn)用有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)手冊(cè)和產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料。對(duì)學(xué)生在計(jì)算、制圖、運(yùn)用設(shè)計(jì)資料以及經(jīng)驗(yàn)估算、考慮技術(shù)決策、CAD 技術(shù)等方面的基本技能進(jìn)行一次訓(xùn)練，以提高這些技能的水平。2.3 國(guó)內(nèi)外專用銑床的發(fā)展和研究狀況“十五”以來，尤其是最近二、三年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和國(guó)家對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的大力支持，我國(guó)許多重要行業(yè)對(duì)加工中心和數(shù)控銑床的需求愈來愈大。有需求有市場(chǎng)，就有生產(chǎn)，這是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律。所以國(guó)內(nèi)不少?gòu)奈瓷婕爸圃煦姶驳膹S家，都紛紛上陣，通過引進(jìn)技術(shù)、合作生產(chǎn)等形式，開發(fā)研制各種加工中心和數(shù)控銑床，滿足廣大用戶的需求。根據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)重點(diǎn)骨干企業(yè)的統(tǒng)計(jì)資料和其他有關(guān)資料表明，2005 年我國(guó)已有 11 個(gè)企業(yè)批量生產(chǎn)各種加工中心 422臺(tái)，生產(chǎn)特種數(shù)控銑床 75 臺(tái)。其中年產(chǎn)超過 80 臺(tái)的企業(yè)有 3 家：沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、寧波海天精工機(jī)械有限公司、威海華東數(shù)控股份有限公司。而沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)在 2005 年生產(chǎn)包括五軸聯(lián)動(dòng)加工中心等各種產(chǎn)品 135 臺(tái)，占銑床加工中心總產(chǎn)量的 32%?！笆濉逼陂g，是我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)發(fā)展最快的五年，通過引進(jìn)技術(shù)合作生產(chǎn)等形式，在新產(chǎn)品研發(fā)方面取得較大進(jìn)展。在高速、高精、多軸、復(fù)合等方面都有較大突破，尤其是加工中心和數(shù)控銑床更為突出。從 1999 年江蘇多棱（原常州機(jī)床總廠）帶頭打破西方封鎖，試制成功具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國(guó)第一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門鏜銑床以來，已有濟(jì)南二機(jī)、桂林機(jī)床、北京一機(jī)等多家公司推出五軸聯(lián)動(dòng)加工中心和數(shù)控銑床。尤其是今年 2 月份在上海舉辦的中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)（CCMT2006）上，實(shí)力雄厚的沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)，一次推出 6 臺(tái)大型加工中心，其中 3臺(tái)具有五軸聯(lián)動(dòng)功能，1 臺(tái)具有五面加工功能，1 臺(tái)為車銑加工中心，這也突出體現(xiàn)了我國(guó)加工中心和數(shù)控銑床在五軸聯(lián)動(dòng)功能上，開始走向成熟。近年來，有的廠產(chǎn)品在主軸轉(zhuǎn)速、快速進(jìn)給、機(jī)床精度等主要技術(shù)參數(shù)已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。尤其是北京一機(jī)截止到今年 6 月底，僅一年半的時(shí)間就簽約生產(chǎn)工作臺(tái)寬度 4 米、5 米的超重型動(dòng)梁加工中心和數(shù)控銑床 10 臺(tái)，說明我國(guó)生產(chǎn)中、高檔重型和超重型選題背景第 3 頁(yè) （共 46 頁(yè)）加工中心和數(shù)控銑床的廠家在產(chǎn)量和技術(shù)水平上有的已邁進(jìn)國(guó)際機(jī)床大廠的行列。在近幾屆國(guó)內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上，看到我國(guó)加工中心和數(shù)控銑床在結(jié)構(gòu)性能、技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量等方面，都有很大提高。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品相比，還有較大差距，首先是自主創(chuàng)新能力不夠，當(dāng)前多以仿制為主，或引進(jìn)技術(shù)合作生產(chǎn)，缺乏自主知識(shí)品牌的高檔產(chǎn)品，往往關(guān)鍵的核心技術(shù)，關(guān)鍵的功能部件，還是從國(guó)外購(gòu)買。例如，在今年 CCMT2006 上海機(jī)床展會(huì)上，共展出了 8 臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心，采用的關(guān)鍵部件——雙擺角銑頭，除了濟(jì)南二機(jī)和桂林機(jī)床是自己開發(fā)的以外，其余 6 臺(tái)都是購(gòu)買意大利意薩、菲迪亞等國(guó)外公司產(chǎn)品。其次是產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是整機(jī)可靠性，還有較大差距，這也是用戶最關(guān)注的問題之一。應(yīng)該看到，目前除少數(shù)企業(yè)外，龍門類產(chǎn)品技術(shù)含量普遍較低，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化程度不高。這些都是國(guó)內(nèi)主機(jī)廠需要下大力氣認(rèn)真改進(jìn)、努力提高的地方。目前的知名生產(chǎn)廠家有：1、北京第一機(jī)床廠，從 1960 年北一試制 X212 龍門銑床以來，至今已有四十多年的歷史，尤其是 1984 年至今的 22 年間，北一在引進(jìn)世界上生產(chǎn)數(shù)控龍門鏜銑床著名廠家德國(guó)瓦德里?？票す镜南冗M(jìn)技術(shù)及合作生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通過消化吸收和科研攻關(guān)，不但成功地合作生產(chǎn)了 8 臺(tái)重型和超重型加工中心和數(shù)控銑床，而且掌握了其中的關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。2、濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，從 1992 年開始，引進(jìn)著名機(jī)床制造商法國(guó)福斯特里納公司的先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行長(zhǎng)期合作生產(chǎn)以來，開發(fā)了工作臺(tái)移動(dòng)式、移動(dòng)式、定梁、動(dòng)梁等多種形式的數(shù)控銑床和加工中心。目前，濟(jì)二生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心和數(shù)控銑床，已經(jīng)被水泵業(yè)、軌道客車等用戶所認(rèn)可。3、沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，多年來，一直以生產(chǎn)鉆鏜床著稱的沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）公司旗下的中捷機(jī)床有限公司、中捷搖臂鉆床廠，近年來，通過引進(jìn)國(guó)外龍門五面加工制造技術(shù)，消化、吸收，大力開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的五面數(shù)控加工機(jī)床，在 CIMT2005 和 CCMT2006 機(jī)床展覽會(huì)上，都推出多臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)和五面加工加工中心和數(shù)控銑床。4、桂林機(jī)床股份有限公司，多年來，通過與北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)名校進(jìn)行卓有成效的產(chǎn)學(xué)研合作和請(qǐng)國(guó)外專家講課等協(xié)作形式，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)萬能銑頭，并利用自動(dòng)萬能銑頭，成功開發(fā)了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門銑床。自2001 年在第七屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，展出采用華中數(shù)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門銑床以來，已開發(fā)多臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)產(chǎn)品。5、寧波海天專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 4 頁(yè) （共 46 頁(yè)）精工機(jī)械有限公司，隸屬于寧波海天集團(tuán)公司的寧波海天精工機(jī)械有限公司，是機(jī)床行業(yè)的新兵，但是起點(diǎn)較高，通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，目前主要生產(chǎn)龍門加工中心、臥式加工中心和數(shù)控車床三大系列產(chǎn)品。2.4 國(guó)內(nèi)外專用銑床的發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)銑床行業(yè) 18 家骨干企業(yè)上報(bào)的經(jīng)濟(jì)信處統(tǒng)計(jì)資料顯示，2008 年銑床行業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況基本良好，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍保持增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但相比 2002 年以來機(jī)床行業(yè)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，增速明顯減緩。2008 年 1-4 季度完成工業(yè)總產(chǎn)值(現(xiàn)價(jià))74.37 億元，比上年增長(zhǎng) 15.2%；產(chǎn)品銷售產(chǎn)值 71.48 億元，比上年增長(zhǎng) 17.1%；利稅總額 10.7 億元，比上年增長(zhǎng) 7.3%。生產(chǎn)情況分析：受金融危機(jī)的影響，自 2008 年 8 月份，之后多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)量出現(xiàn)了下滑，庫(kù)存量增加，后續(xù)合同減少。企業(yè)的經(jīng)營(yíng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。出口情況分析：由于金融危機(jī)對(duì)北美、歐洲以及南美等國(guó)的貨幣匯率波動(dòng)的影響較大，匯率的不穩(wěn)定，造成市場(chǎng)需求出現(xiàn)萎縮，國(guó)外客戶購(gòu)買能力下降，使機(jī)床出口量持續(xù)下滑。當(dāng)前市場(chǎng)需求分析：伴隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)危機(jī)的不斷加深及全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的放緩，機(jī)床行業(yè)受宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，呈現(xiàn)出增長(zhǎng)逐步減緩的趨勢(shì)。自去年下半年以后，機(jī)床市場(chǎng)需求出現(xiàn)了嚴(yán)重滑坡。從用戶行業(yè)上看，汽車行業(yè)是機(jī)床行業(yè)的主要下游行業(yè)之一，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)受國(guó)際、國(guó)內(nèi)整體經(jīng)濟(jì)的影響較大，美國(guó)汽車三大巨頭正面臨著前所未有的震蕩，其結(jié)果有可能使國(guó)際汽車行業(yè)重新洗牌，給國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，期待今年下半年能夠恢復(fù)并帶動(dòng)機(jī)床市場(chǎng)的需求；航空航天業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)支持的下游行業(yè)，保持著較快的發(fā)展速度，對(duì)機(jī)床產(chǎn)品需求仍較高；電力設(shè)備工業(yè)有望維持正常增長(zhǎng)，繼續(xù)拉動(dòng)中高檔重型數(shù)控機(jī)床的需求；而船舶、模具、一般機(jī)械制造業(yè)，則受宏觀經(jīng)濟(jì)影響很大，下行趨勢(shì)已經(jīng)形成，對(duì)機(jī)床的需求有所下降。從市場(chǎng)需求看，普通機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品市場(chǎng)需求急劇下滑，傳統(tǒng)普通產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)存量大幅增加。而中、高檔數(shù)控機(jī)床，成套設(shè)備和大型重型數(shù)控機(jī)床需求相對(duì)集中，這說明行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了非常大的變化，單臺(tái)產(chǎn)品平均價(jià)格走高，市場(chǎng)需求繼續(xù)向高端傾斜，重型機(jī)床領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。3 液壓緩沖裝置方案論證液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。 當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。 液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式（如圖 3-1）和節(jié)流口變化式（如圖方案論證第 5 頁(yè) （共 46 頁(yè)）3-1）兩種。圖 3-1 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置圖 3-2 節(jié)流口變化式緩沖裝置在此設(shè)計(jì)中，為了更加方便的調(diào)節(jié)緩沖裝置的靈敏度，也就是為了使得調(diào)節(jié)緩專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 6 頁(yè) （共 46 頁(yè)）沖裝置可以調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足不同的緩沖需要，決定采取節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置。這種緩沖裝置應(yīng)用也最廣。4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 已知條件設(shè)計(jì)一臺(tái)專用銑床的液壓系統(tǒng)，其工作循環(huán)是“工件夾緊——工作臺(tái)快進(jìn)——工作臺(tái)工進(jìn)——工作臺(tái)快退——工件松開”。運(yùn)動(dòng)部件的重力為 25000N，快進(jìn)、快退適度為 5m/min, 工進(jìn)速度為 100~1200mm/min, 最大行程 400mm, 其中工進(jìn)行程180mm,最多切削力為 18000N，采用平面導(dǎo)軌，夾緊缸的行程為 20mm，夾緊力為30000N，加緊時(shí)間為 1s。4.2 工況分析首先根據(jù)已知條件，繪制運(yùn)動(dòng)部件的速度循環(huán)圖，如圖 4-1 所示。然后計(jì)算各階段的外負(fù)載并繪制負(fù)載圖。液壓缸所受外載荷 F 包括三種類型，即F = Fw+ Ff+ Fa式中 Fw——工作負(fù)載，對(duì)于金屬切削機(jī)床來說，即為沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的切削力，在本設(shè)計(jì)中 Fw 為 18000N。Fa——運(yùn)動(dòng)部件速度變化時(shí)的慣性負(fù)載。Ff——導(dǎo)軌摩擦力負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦力，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦力，對(duì)于平行導(dǎo)軌 Ff 可以由下式求的：Ff = f ( G + FRn )G ——運(yùn)動(dòng)部件重力。FRn ——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，此設(shè)計(jì)中為零。f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為 0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為 0.1。求得Ffs = 0.2×25000N = 5000NFfa = 0.×25000N = 25000N上式中 Ffs 為靜摩擦力，F(xiàn) fa 為動(dòng)摩擦力。Fa = Ggvt?式中 g——重力加速度。——加速或減速時(shí)間，一般 = 0.01~0.5s。t?t—— 時(shí)間內(nèi)的速度變化量。vt此設(shè)計(jì)中液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 7 頁(yè) （共 46 頁(yè)）Fa = × N = 4230N2509.8.60?根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，列出各工作階段所受的外負(fù)載（見表 4-1） ，并畫出如圖 4-2 所示的負(fù)載循環(huán)圖。圖 4-1 速度循環(huán)圖 圖 4-2 負(fù)載循環(huán)圖表 4-1 工作循環(huán)各階段的外負(fù)載工作循環(huán) 外負(fù)載 F(N) 工作循環(huán) 外負(fù)載 F(N)啟動(dòng)、加速 F = Ffs + Fa 9230 工進(jìn) F = Fw+ Ffa 20500快進(jìn) F = Ffa 2500 快退 F = Ffa 25004.3 擬定液壓系統(tǒng)原理圖4.3.1 確定供油方式考慮到該機(jī)床在工作進(jìn)給時(shí)負(fù)載較大，速度較低。而在快進(jìn)、快退時(shí)負(fù)載較小，速度較高。從節(jié)能、減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)適宜選用雙泵供油或者變量泵供油?，F(xiàn)采用帶壓力反饋的限壓式變量葉片泵。4.3.2 調(diào)試方式的選擇在中小型專用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或者調(diào)速閥。根據(jù)銑削類專用機(jī)床工作時(shí)對(duì)低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn)，決定采用限壓式變量葉片泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點(diǎn)，并且調(diào)速閥安裝在回油路上，這樣具有承受負(fù)切削力的能力。專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 8 頁(yè) （共 46 頁(yè)）4.3.3 速度換接方式的選擇本系統(tǒng)采用電磁閥的快慢速換接回路，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)行程方便，閥的安裝比較容易，但是速度換接的平穩(wěn)性較差。若要提高系統(tǒng)的換接平穩(wěn)性，則可以改用行程閥切換的速度換接回路。4.3.4 夾緊回路的選擇用二位四通電磁閥來控制夾緊，松開換向動(dòng)作時(shí)，為了避免工作時(shí)因?yàn)橥蝗粩嚯姸砷_，應(yīng)該采用失電夾緊方式?？紤]到夾緊時(shí)間可以調(diào)節(jié)和當(dāng)油路壓力瞬時(shí)下降時(shí)還能保持夾緊力，所以要接入節(jié)流閥調(diào)速和單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓器，用來調(diào)節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定。最后把所選的液壓回路組合起來，即可以組成圖 4-3 所示液壓系統(tǒng)原理圖。圖 4-3 液壓系統(tǒng)原理圖4.4 液壓系統(tǒng)的計(jì)算和選擇液壓元件4.4.1 液壓缸的主要尺寸的確定1）工作壓力 p 的確定。工作壓力 p 可以根據(jù)負(fù)載大小以及機(jī)器的類型來初步取得，現(xiàn)參閱表 5-1 來取液壓缸的工作壓力為 3MPa。2）計(jì)算液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d。由負(fù)載圖知最大負(fù)載 F 為 20500N，按表液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 9 頁(yè) （共 46 頁(yè)）5-2 可以取得 為 0.5Mp, cm 為 0.95 考慮到快進(jìn)、快退速度相等，即2p?22()4qvdDd???快 進(jìn) 快 退所以有 d/D = 0.7。將上述數(shù)據(jù)代入式（5-3）可以得到D = m = 9.9×10-2m??25053.140.910.73????????????根據(jù)表 5-4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑 D = 100mm，活塞桿直徑 d，按= 0.7 以及表 5-5 活塞桿系列取 d = 70mm。d按工作要求夾緊力由兩個(gè)夾緊缸提供，考慮到夾緊缸的穩(wěn)定，夾緊缸的工作壓力應(yīng)該低于進(jìn)給工作缸的工作壓力，現(xiàn)取夾緊缸的工作壓力為零， cm 為 0.95，則?按照式（5-3）可得D = m = 8.96×10-2m54103.2.9?按照表 5-4 以及表 5-5 液壓缸和活塞桿的尺系列，取夾緊缸的 D 和 d 分別為100mm 和 70mm。按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，由式（5-4）可得A = cm2 = 5 cm2?minqv30.51?式中 qmin是由產(chǎn)品樣品查得 GE 系列調(diào)速閥 AQF3-E10B 的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。調(diào)速閥安裝在回油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應(yīng)該選取液壓缸有桿腔的實(shí)際面積，即A = ×（10 2-72）cm 2 = 40 cm24?可見上述不等式滿足，液壓缸能夠達(dá)到所需低速。3）計(jì)算各工作階段液壓缸所需的流量q 快進(jìn) = ×d2×v 快速 = ×（7×10 -2） 2×5m3/min = 19.2×10-3 m3/min = 4?19.2L/minq 工進(jìn) = ×D2×v 工進(jìn) = ×0.13×1.2m3/min= 9.42×10-3 m3/min = 9.42L/min4?q 工進(jìn) = × ×v 快退 = × ×5m3/min=20×10-3m3/min= 20L/min4???Dd???20.17?q 夾 = D2 v 夾 = ×0.12×20×10-3 m3/min = 9.42×10-3 m3/min = 9.42L/min專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 10 頁(yè) （共 46 頁(yè)）4.4.2 確定液壓泵的流量、壓力和選擇泵的規(guī)格1）泵工作壓力的確定?？紤]到正常工作中進(jìn)油管路有一定得壓力損失，所以泵的工作壓力為pp = P1 + p??式中 p p——液壓泵最大工作壓力。p1——執(zhí)行元件最大工作壓力?！M(jìn)油管路中的壓力損失，初算時(shí)簡(jiǎn)單系統(tǒng)可以取 0.2~0.5MPa，復(fù)雜系??統(tǒng)可以取 0.5~1.5 MPa，此設(shè)計(jì)中取 0.5MPa。pp = p1 + =（3+0.5）MPa??上述計(jì)算所得的 pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜壓力。另外考慮到一定得壓力儲(chǔ)備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應(yīng)滿足 pn （1.25~1.6）p p。中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。?本設(shè)計(jì)中 pn = 1.25 pp = 4.4MPa。2）泵的流量確定。液壓泵的最大流量應(yīng)該為qp KL( )max式中 q p——液壓泵的最大流量。( )max——同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。?KL——系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取 KL = 1.1~1.3，現(xiàn)取 KL = 1.2。qp = KL( )max = 1.2×20 L/min = 24 L/min?3）選擇泵的規(guī)格。根據(jù)以上算得的 qp和 pp再查閱有關(guān)手冊(cè)，現(xiàn)選用 YBX-16 限壓式變量葉片泵，該泵的參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量 qo = 16 mL/min,泵的額定壓力為 pn = 6.3 MPa，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 nH = 1450r/min，容積效率為 v = 0.85，總效率 =0.7。??4）與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)的選定。首先分別算出快進(jìn)和工進(jìn)和兩種不同工況時(shí)的功率，取兩者較大值作為選擇電動(dòng)機(jī)規(guī)格的依據(jù)。由于在慢進(jìn)時(shí)泵輸出的流量減少，泵的效率急劇降低，一般當(dāng)流量在 0.2~1 L/min 范圍內(nèi)時(shí)，可取=0.03~0.14。同時(shí)還應(yīng)該注意到，為了使所選擇的電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過泵的流量特性曲?液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 11 頁(yè) （共 46 頁(yè)）線最大功率點(diǎn)時(shí)不致停轉(zhuǎn)，需進(jìn)行驗(yàn)算，即2PnBpq??式中 Pn——所選電機(jī)額定功率。PB——限壓式變量泵的限定功率。qp——壓力為 PB 時(shí)，泵的輸出流量。首先計(jì)算快進(jìn)時(shí)的功率，快進(jìn)時(shí)的外負(fù)載為 2500N，進(jìn)油路得壓力損失為0.3MPa，由式（1-4）可以得到pp = MPa =0.95 MPa62501.3.74??????????快進(jìn)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)功率 P 為P = = kw = 0.45kwBpq?0.9567?工進(jìn)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)功率 P 為P = kw =0.79 kw3.420查閱電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣本，選用 Y90S-4 型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為 1.1 kw，額定轉(zhuǎn)速為 1400r/min。根據(jù)產(chǎn)品樣本可以查得 YBX-16 的流動(dòng)壓力曲線。再由已知的快進(jìn)時(shí)的流量為24 L/min，工進(jìn)時(shí)的流量為 11 L/min，壓力為 3.5 Mpa，做好泵的實(shí)際工作時(shí)的流量壓力特性曲線，如圖 4-4 所示，查得該曲線拐點(diǎn)處的流量為 24 L/min，壓力為 2.6 Mpa。該工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率為P = kw =1.84 kw2.6407?所選的電動(dòng)機(jī)功率滿足式（1-6） ，拐點(diǎn)處能正常工作。專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 12 頁(yè) （共 46 頁(yè)）圖 4-4 YBX-16 液壓泵特性曲線1--額定流量、壓力下的特性曲線2—實(shí)際工作時(shí)間的特性曲線4.4.3 液壓閥的選擇本液壓系統(tǒng)可以采用力士樂系統(tǒng)或者 GE 系列的閥。方案一：控制液壓缸部分選用力士樂系列的閥，其夾緊部分選用疊加閥。方案二：均選用 GE 系列閥，根據(jù)所擬定的液壓系統(tǒng)圖，按通過個(gè)元件的最大流量來選擇液壓元件的規(guī)格。所選用的液壓元件如表 4-2 所示。此設(shè)計(jì)選擇方案一。表 4-2 液壓原件明細(xì)表序號(hào)元件名稱 方案一 方案二 通過流量（L/min）1 濾油器 XU-B22×100 XU-B22×100 24液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 13 頁(yè) （共 46 頁(yè)）2 液壓泵 YBX-16 YBX-16 243 壓力表開關(guān) K-H6 KF3-EA10B4 三位四通換向閥 4WE6E50/OAG24 34EF30-E10B 205 二位三通換向閥 3WE6A50/OAG24 23EF3B- E10B 206 單向調(diào)速閥 2FRM5-20/6 AQF3-E10B 207 減壓閥 J-FC10D-1 JF3-10B 9.48 壓力表開關(guān) 4K-F10D-1 與 3 共用9 單向閥 A-F10D-D/DP1 AF3-EA10B 9.410 二位四通換向閥 24DF3B-E10B-B 24EF3-E10B 9.411 壓力繼電器 DP1-63B DP1-63B 9.412 單向節(jié)流閥 LA-F10D-B-1 ALF-E10B 9.44.4.4 確定管道尺寸油管內(nèi)徑尺寸一般可以參閱所選用的液壓元件接口尺寸來確定，也可以按管路允許的流速進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)主油路流量為差動(dòng)時(shí)流量 q = 40 L/min。壓油管的允許流速取 v = 4m/s，則內(nèi)徑 d 為d = 2 = 2 mm = 14.5mmqv?40/?如果系統(tǒng)主油路流量按快退時(shí)取 q = 20 L/min，則可以算得油管內(nèi)徑 d = 10.3mm。綜合各種因素，現(xiàn)取油管的內(nèi)徑 d 為 12mm。吸油管同樣可以按上式計(jì)算（q = 24 L/min，v = 1.5m/s） ，現(xiàn)參照 YBX-16 變量泵吸油口連接尺寸，取吸油管內(nèi)徑 d為 25mm。油箱的壁厚公式為 ??pd2???式中 p——油管內(nèi)壓力。——油管材料的許用應(yīng)力。 ，其中 為油管材料的抗拉強(qiáng)度，n 為???b?b安全系數(shù)。對(duì)于鋼管，當(dāng) p＜7MPa 時(shí)，取 n=8; 當(dāng) p＜17.5MPa 時(shí)，取 n=6; 當(dāng)p＞17.5MPa 時(shí)，取 n=4。所以通過計(jì)算得 3mm。4.4.5 液壓油箱容積的確定本系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)，液壓油箱有效容量按泵的流量的 5~7 倍來確定，現(xiàn)選用容量為 160L 的油箱。專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 14 頁(yè) （共 46 頁(yè)）4.5 液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算已知該系統(tǒng)中進(jìn)、回油管的內(nèi)徑均為 12mm，各段管道的長(zhǎng)度分別為：AB = 0.3m,AC = 1.7m,AD = 1.7m,DE = 2m。選用 L-HL32 液壓油，考慮到油的最低溫度為15℃，查得 15℃時(shí)該液壓油的運(yùn)動(dòng)粘度 v = 150cst = 1.5cm2/s,油的密度為 = ?920kg/m3。4.5.1 壓力損失的驗(yàn)算1）工作進(jìn)結(jié)時(shí)的進(jìn)油路壓力損失。運(yùn)動(dòng)部件工作進(jìn)結(jié)時(shí)的最大速度為1.2m/mmin。進(jìn)結(jié)時(shí)的最大流量為 9.42L/min。則液壓油在管內(nèi)流速 v1為v1 = = cm/min =8330cm/min = 139 cm/min24qd?329.410?管道流動(dòng)雷諾數(shù) 為1Re= = = 1111vd39.25?＜2300，可見油液在管道內(nèi)流態(tài)為層流，其沿程阻力系數(shù)1e= = = 0.681?17Re進(jìn)油管道 BC 的沿程壓力損失為= = Pa1p?:2vld?22901.3(.)0.68????查閱換向閥 4WE6E50/AG24 的壓力損失 = Pa。忽略油液通過管12p:6.5接頭、油路板等處的局部壓力損失，則進(jìn)油路總壓力損失 為1p?= + = Pa = Pa1p?1?:2p??6600??6.0?2）工作進(jìn)結(jié)時(shí)的回油路壓力損失。由于選用單活塞桿液壓缸，并且液壓缸有桿腔的工作面積為無桿腔的工作面積的二分之一，則回油管道的流量為進(jìn)油管道的二分之一，則= = 69.5cm/s2v1= = = 55.5Red69.52?液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 15 頁(yè) （共 46 頁(yè)）= = = 1.392?275Re.回油管道的沿程壓力損失 為1p?:= = Pa = Pa21p?:2vld??2290.65.39??60.51?查產(chǎn)品樣本知換向閥 3WE6A50/ OAG24 的壓力損失 = 0.025× Pa，換2p?:6向閥 4WE6E50/OAG24 的壓力損失 = 0.025× Pa，調(diào)速閥 2FRM5-20/6 的23p?:610壓力損失為 = 0.5× Pa。24p?:610回油路總壓力損失 為2= + + + =（0.05+0.025+0.025+0.5）× Pa =0.6× Pa21?23?4p: 6106103）變量泵出口處的壓力= + Pap21/cmFA???p46650/.9.051.0.1578?? ?????? ?? ?=3.2× Pa6104）快進(jìn)時(shí)的壓力損失?？爝M(jìn)時(shí)液壓缸為差動(dòng)連接，自匯流點(diǎn) A 至液壓缸進(jìn)油口C 之間的管路 AC 中，流量為液壓泵出口流量的兩倍即 40 L/min，管路 AC 中的沿程壓力損失 為1p?:= = cm/s = 590cm/s1v24qd?32401.6?= = = 4721Rev59.1= = = 0.1591?1742= = Pa = Pa1p?:2vld?229050.59???60.31?專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 16 頁(yè) （共 46 頁(yè)）同意可以求得管道 AB 段以及 AD 段的沿程壓力損失 和 分別為12p?:13= = cm/s = 295cm/s2v24qd?3201.6?= = = 2362Rev95.1= = = 0.322?2736= Pa = Pa12p?:2290.5.0.31???60.321?= Pa = Pa13?227.? 6.8查閱產(chǎn)品樣本知，流經(jīng)各閥的局部壓力損失為：4WE6E50/OAG24 的壓力損失為 = Pa21p?:60.7?3WE6A50/OAG24 的壓力損失為 = Pa據(jù)分析在差動(dòng)連接中，泵的出口壓力 為p= + + + + +p12?:2p13?:212?:cmFA?= Pa? ?642500.60.8.7019?? ??????? ??? ?= 1.93× Pa1上述驗(yàn)算表明，不需要修改原設(shè)計(jì)。4.5.2 系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算在整個(gè)工作循環(huán)中，工進(jìn)階段所占的時(shí)間最長(zhǎng)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，注意考慮工進(jìn)時(shí)的發(fā)熱量。一般情況下工進(jìn)速度大時(shí)發(fā)熱量大，由于限壓式變量泵在流量不同時(shí)，效率相差極大，所以分別計(jì)算最大、最小時(shí)的發(fā)熱量，然后加以比較，取數(shù)值最大者進(jìn)行分析。當(dāng) v = 10cm/min 時(shí)= = = 0.785L/minq230.1/min4??30.7851??/min液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 17 頁(yè) （共 46 頁(yè)）此時(shí)泵的效率為 0.1，泵的出口壓力為 3.2MPa，則有= kw = 0.42 kwp輸 入 3.2078561?= Fv = kw = 0.034kw輸 出 230?此時(shí)的功率損失為= - = （0.718-0.41kw = 0.31kwP?p輸 入 輸 出可見在工進(jìn)速度低時(shí)，功率損失為 0.386kw，發(fā)熱量最大。假定系統(tǒng)的散熱狀況一般，取 K = kw/( .℃),油箱的散熱面積 A 為310??2cmA = 0.065 = 0.065 = 1.9223v26系統(tǒng)的溫升為= = ℃ = 20.1℃t?PK30.8192??對(duì)于一般機(jī)械允許溫升 25 30℃，數(shù)控機(jī)床油液溫升應(yīng)該小于 25℃，工程機(jī)械:等允許的溫升為 35 40℃。驗(yàn)算表明系統(tǒng)的溫升在許可范圍內(nèi)，不必采取其他的冷卻措施。5 液壓缸的設(shè)計(jì)液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它的職能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是直線速度和力。液壓缸的活塞能完成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，輸出有限的直線位移。 如圖 5-1 所示，液壓缸由缸體 1、活塞 2、活塞桿 3、端蓋 4、活塞桿密封件 5 組成。專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 18 頁(yè) （共 46 頁(yè)）圖 5-1 液壓缸組成液壓缸按作用方式分為單作用液壓缸、雙作用液壓缸和復(fù)合式缸。單作用液壓缸：一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)依靠液壓作用力實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)方向依靠彈簧力、重力等實(shí)現(xiàn)。雙作用液壓缸：兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都依靠液壓作用力來實(shí)現(xiàn)。復(fù)合式缸：活塞缸與活塞缸的組合、活塞缸與柱塞缸的組合、活塞缸與機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合等。5.1 液壓缸的主要尺寸的確定5.1.1 液壓缸的工作壓力的確定液壓缸工作壓力 p 主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，對(duì)不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。設(shè)計(jì)時(shí)，可以用類比法來確定?，F(xiàn)參閱表 5-1 來取液壓缸的工作壓力為 3MPa。表 5-1 液壓設(shè)備常用的工作壓力機(jī) 床設(shè)備類型 磨床 組合機(jī)床龍門刨床 拉床農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型工程機(jī)械液壓機(jī)、重型機(jī)械等工作壓力 0.8~2.0 3~5 2~8 8~10 10~16 20~325.1.2 液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定液壓缸的設(shè)計(jì)第 19 頁(yè) （共 46 頁(yè)）圖 5-2 單活塞液壓缸計(jì)算示意圖由圖 5-2 可知= 214Dp?22()4fcFdpF????= （4-1）211fcD式中 ——液壓缸的工作壓力，初算時(shí)可取系統(tǒng)工作壓力 。1p p——液壓缸回油腔背壓力，可以根據(jù)表 5-2 估計(jì)。2——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，可以按表 5-3 選取。d/D——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載。F——液壓缸密封處的摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機(jī)械效fc率 進(jìn)行估算。m?（5-2）fcmF???式中 ——液壓缸的機(jī)械效率，一般 = 0.9~0.97。cm?c專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 20 頁(yè) （共 46 頁(yè)）將 代入式（4-1） ，可以求得 D 為cm?D = （5-3）22114cmFpd???????????????????????活塞桿直徑可以由 值算出，由計(jì)算所得的 D 與 d 的值分別按表 5-4 和表 5-5d/圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。表 5-2 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值系 統(tǒng) 類 型 背壓 p1 （MPa）簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5~0.8回油路帶背壓閥 0.5~1.5中、低壓系統(tǒng) 0~8MPa采用帶補(bǔ)液壓泵的閉式回路 0.8~1.5中高壓系統(tǒng)＞ 8~16MPa同上 比中低壓系高 50%~100%高壓系統(tǒng)＞16 ~32MPa 如鍛壓機(jī)等 出算可忽略表 5-3 液壓缸內(nèi)徑 D 與活塞桿直徑 d 的關(guān)系按機(jī)床類型選取 d/D 按液壓缸工作壓力選取工作壓力 d/D機(jī)床類別 d/D 工作壓力 p/(MPa) d/D磨床、研磨機(jī)床 0.2~0.3 ≤2 0.2~0.3插床、拉床、刨床 0.5 ＞2~5 0.5~0.58鉆、鏜、車、銑床 0.7 ＞5~7 0.62~0.70—— —— ＞7 0.7表 5-4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--80) (mm)8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 （90） 100 （110）液壓缸的設(shè)計(jì)第 21 頁(yè) （共 46 頁(yè)）125 （140） 160 （180） 200 （220） 250320 400 500 630注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值表 5-5 活塞桿直徑系列 (GB2348--80) (mm)4 5 6 8 10 12 14 16 182 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 400對(duì)選定后的液壓缸內(nèi)徑 D，必須進(jìn)行穩(wěn)定速度的驗(yàn)算。要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積 A，必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效工作面積 ，即minAA＞ min= （5-4）ininqv式中 ——流量閥的最小穩(wěn)定流量，一般從選定流量閥的產(chǎn)品樣本中查得。minq——液壓缸的最低速度，由設(shè)計(jì)要求給定。iv如果液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積 A 不大于計(jì)算所得的最小有效工作面積 ，minA則說明液壓缸不能保證最小穩(wěn)定速度，此時(shí)必須增大液壓缸的內(nèi)徑，以滿足速度穩(wěn)定的要求?，F(xiàn)計(jì)算液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d。由負(fù)載圖知最大負(fù)載 F 為 20500N，按表5-2 可以取得 p2 為 0.5Mp, cm 為 0.95 考慮到快進(jìn)、快退速度相等，所以取 d/D = ?0.7。將上述數(shù)據(jù)代入式（4-3）可以得到D = m = 9.9×10-2m??2542053.10.910.73????????????根據(jù)表 5-4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑 D = 100mm，活塞桿直徑 d，按d/D = 0.7 以及表 2-5 活塞桿系列取 d = 70mm。按工作要求夾緊力由兩個(gè)夾緊缸提供，考慮到夾緊缸的穩(wěn)定，夾緊缸的工作壓力應(yīng)該低于進(jìn)給工作缸的工作壓力，現(xiàn)取夾緊缸的工作壓力為零， cm 為 0.95，則?按照式（5-3）可得專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 22 頁(yè) （共 46 頁(yè)）D = m = 8.96×10-2m54103.2.9?按照表 4-4 以及表 4-5 液壓缸和活塞桿的尺系列，取夾緊缸的 D 和 d 分別為100mm 和 70mm。按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，由式（5-4）可得A = cm2 = 5 cm2?minqv30.51?式中 qmin是由產(chǎn)品樣品查得 GE 系列調(diào)速閥 AQF3-E10B 的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。調(diào)速閥安裝在回油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應(yīng)該選取液壓缸有桿腔的實(shí)際面積，即A = ×（10 2-72）cm 2 = 40 cm24?可見上述不等式滿足，液壓缸能夠達(dá)到所需低速。5.1.3 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計(jì)算。液壓缸的壁厚一般指液壓缸中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可以知道，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分別規(guī)律因?yàn)楸诤竦牟煌鳟?。一般?jì)算時(shí)可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內(nèi)徑 D 與其壁厚 的比值 D/ ≥10 的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)?械和工程機(jī)械的液壓缸，一般采用無縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計(jì)算≥ ??2ypD?式中 ——液壓缸壁厚（m） 。?D——液壓缸內(nèi)徑（m） ?！囼?yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa ） 。額定壓力yp≤16Mpa,取 =1.5 MPa。nynp1.534.??——缸筒材料的許用應(yīng)力。 = ，其中 為材料抗拉剛度，n 為安全??????bb?系數(shù)，一般取 n = 5。 的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 b?b b?MPa；無縫鋼管： = 110~110 MPa；高強(qiáng)度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = b b25MPa。在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的液壓缸的設(shè)計(jì)第 23 頁(yè) （共 46 頁(yè)）剛度往往不夠，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或者漏油。因此一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式公式進(jìn)行校核。對(duì)于 D/ ＜10 時(shí)，應(yīng)該按材料力學(xué)中的厚壁圓筒公式進(jìn)行壁厚的計(jì)算。?對(duì)于脆性材料以及塑性材料≥ ???0.4123ypD?????????式中的符號(hào)意思與前面相同。液壓缸壁厚算出后，即可以求出缸體的外徑 為1≥ +1D2?式中 值應(yīng)該按無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，或者按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。1D在設(shè)計(jì)中，取試驗(yàn)壓力為最大工作壓力的 1.5 倍，即 = 1.5×3MPa yp=4.5MPa。而缸筒材料許用應(yīng)力取為 = 100 MPa。b?應(yīng)用公式 ≥ 得， ≥ MPa = 11.25mm???2ypD?4.5102/?下面確定缸體的外徑，缸體的外徑 ≥ + = 100+2×11.25mm = 1D2?122.5mm。在液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得選取標(biāo)準(zhǔn)值 = 127 mm。在根據(jù)內(nèi)徑 D 和外1徑 重新計(jì)算壁厚， = = mm = 13.5mm。1D?12D?705.1.4 液壓缸工作行程的確定液壓缸工作行程長(zhǎng)度，可以根據(jù)執(zhí)行元件機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來確定，并且參照表 5-6 中的系列尺寸來選取標(biāo)準(zhǔn)值。表 5-6 液壓缸活塞行程參數(shù)系列 （mm）25 50 80 100 125 160 200 250320 400 500 630 800 1000 1250 1600Ⅰ2000 2500 3200 4000Ⅱ40 63 90 110 140 180 220 280專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 24 頁(yè) （共 46 頁(yè)）360 450 550 700 900 1100 1400 18002200 2800 3900240 260 300 340 380 420 480 530600 650 750 850 950 1050 1200 1300Ⅲ1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。由已知條件知道最大工作行程為 400mm,參考上表，取液壓缸工作行程為400mm。5.1.5 缸蓋厚度的確定一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效的厚度 t 按強(qiáng)度要求可以用下面兩式進(jìn)行進(jìn)似計(jì)算。無孔時(shí)： ??20.43yptD??有孔時(shí)： ??20.ytd?式中 ——缸蓋有效厚度（m） 。t——缸蓋止口內(nèi)徑（m） 。2D——缸蓋孔的直徑（m） 。0d5.1.6 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面的距離 H 稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度（圖 5-2） 。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定得最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H 應(yīng)滿足以下要求20LD??式中 ——液壓缸的最大行程。L——液壓缸的內(nèi)徑。D活塞的寬度 B 一般取得 B = （0.6~1.0）D；缸蓋滑動(dòng)支撐面的長(zhǎng)度 ，根據(jù)液1l壓缸內(nèi)徑 D 而定。液壓缸的設(shè)計(jì)第 25 頁(yè) （共 46 頁(yè)）當(dāng) D＜80mm 時(shí)，取 ；1(0.6~) Dl?當(dāng) D＞80mm 時(shí)，取 。d為了保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H，如果過分增大 和 B 都是不適宜的，必要時(shí)可以在1l缸蓋和活塞之間增加一個(gè)隔套 K 來增加 H 的值。隔套的長(zhǎng)度 C 由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H 決定，即 ??12Cl???在此設(shè)計(jì)中，液壓缸的最大行程為 400mm，液壓缸的內(nèi)徑為 100mm，所以應(yīng)用公式 的 = mm = 70mm。20LD??20L??40活塞的寬度 B = 0.8D = 80mm。5.1.7 缸體長(zhǎng)度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)該大于內(nèi)徑的 20~30 倍。缸體長(zhǎng)度 L = 400+80mm=480mm。5.1.8 固定螺栓得直徑 sd液壓缸固定螺栓直徑 按照下式計(jì)算s??5.2skFdZ???式中 F——液壓缸負(fù)載。Z——固定螺栓個(gè)數(shù)。k——螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.12 1.5。~根據(jù)上式求得= = 7.3mm??5.2sd???5.213046?5.1.9 液壓缸強(qiáng)度校核1）缸筒壁厚校核：。ypDD(0)δδ2[]???當(dāng) 時(shí) ， 壁 厚 應(yīng) 滿 足專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 26 頁(yè) （共 46 頁(yè)）。y[]0.4pDD(10)δ1δ23?????當(dāng) 時(shí) ， 壁 厚 應(yīng) 滿 足前面已經(jīng)通過計(jì)算得：D = 100mm, = 13.5mm。則有 ＜10，所以為厚?D7.4δ?壁缸。 = 13.5mm≥ = = 8.9 mm，可見?y[]0.4p123???0.5123???缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。2）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算：活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力 F 不能超過使它穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載 ，以免發(fā)生縱向彎曲，從而破壞液壓缸的正常工作。 的值與活塞桿kF kF材料性質(zhì)、截面的形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U的穩(wěn)定性的校核依照下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行 kFn?式中 ——安全系數(shù)，一般取 =2 4。knk~當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比 ＞ 時(shí)klr12?= kF2EJl?當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比 ≤ 時(shí)，且 = 20 120 時(shí)，則klr12?12?~= kF2kfAlr????????式中 ——安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)。l——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， = 。kr krJA——柔性系數(shù)。1?——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)。2液壓缸的設(shè)計(jì)第 27 頁(yè) （共 46 頁(yè)）E——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)剛?cè)?E = 。122.06/Nm?J——活塞桿橫截面慣性矩，A 為活塞桿橫截面積。f——由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值。根據(jù)驗(yàn)算，液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。5.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓缸主要尺寸確定以后，就進(jìn)行各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括：液壓缸缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、以及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件的不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。5.2.1 缸體與缸蓋的連接形式缸體與缸蓋常見連接方式有法蘭連接式、半環(huán)連接式 、螺紋連接式 、拉桿連接式 、焊接式連接等。圖 5-3 常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)圖 5-3 所示為常見的缸蓋和缸筒連接形式。圖 2-3a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，容易加工，便于裝卸，強(qiáng)度較大，能夠承受高壓。但是專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 28 頁(yè) （共 46 頁(yè)）外形尺寸較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。圖 5-3b 為半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩者形式。它們的缸筒壁部由于開了環(huán)形槽而削弱了強(qiáng)度，為此有時(shí)要增加壁厚。它容易加工和裝卸、重量較輕，半環(huán)連接是一種應(yīng)用較為普遍的連接結(jié)構(gòu)，常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。圖 5-3c、f 為螺紋連接形式，這種連接分為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩者形式。它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外徑加工必須要求同時(shí)保證內(nèi)外徑同心，裝卸要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，常常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。圖 5-3d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好、通用性強(qiáng)、易于裝拆，但是端蓋的體積和重量都非常大，拉桿在受力后容易拉伸變長(zhǎng)，從而影響密封效果，僅適用于長(zhǎng)度不大的中低壓缸。圖 5-3d 為焊接式連接，這種連接形式強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但是焊接時(shí)容易引起缸筒的變形。缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。通過綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，缸體端部與缸蓋采取法蘭連接的形式。5.2.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式有很多，常見的有一體式、錐銷式連接外、還有螺紋式連接和半環(huán)式連接等多種形式，如圖 5-4 所示。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝卸不便，但是工作可靠。圖 5-4 活塞桿與活塞的結(jié)構(gòu)此外，活塞和活塞桿也有制成整體式結(jié)構(gòu)的，但是它只能適應(yīng)于尺寸較小的場(chǎng)合?；钊话阌媚湍ヨT鐵制造，活塞桿則不論是空心的還是實(shí)心的，大多用鋼料制造。經(jīng)過綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，活塞桿與活塞的連接采取螺紋連接的形式，如圖液壓缸的設(shè)計(jì)第 29 頁(yè) （共 46 頁(yè)）5-5 所示。圖 5-5 活塞桿與活塞的連接形式這種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸，成本低廉，但是在震動(dòng)的過程中容易松動(dòng)，所以加了防松裝置，應(yīng)用范圍較廣。5.2.3 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)果可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可以做成與端蓋分開的導(dǎo)向套導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。后者導(dǎo)向套磨損后便于更換，所以應(yīng)用比較普遍。導(dǎo)向套的位置可以安裝于密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝于密封圈的外側(cè)。機(jī)床和工程機(jī)械中一般采用裝在內(nèi)測(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導(dǎo)向套的潤(rùn)滑；而壓油機(jī)常采用裝在外測(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時(shí)，使得密封圈由足夠的油壓將唇邊張開，以提高系統(tǒng)的密封性能?；钊麠U處的密封形式由 O 型、V 型、Y 型和 型密封圈。為了清除活塞桿處外x漏部分粘附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。此設(shè)計(jì)經(jīng)過綜合考慮，采取端蓋直接導(dǎo)向。5.2.4 密封裝置液壓缸中常見的密封裝置有間隙密封，摩擦環(huán)密封，密封圈密封等。間隙密封依靠運(yùn)動(dòng)件間的微笑間隙來防止泄露。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面制造出幾條微小的環(huán)形槽，用以增大油液通過間隙時(shí)的阻力。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小，可以耐高溫，但是泄露大，加工要求高，磨損后無法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸小、壓力較低、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。摩擦環(huán)密封依靠活塞上的摩擦環(huán)（尼龍或者其他高分子材料制成）在“O”形圈專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 30 頁(yè) （共 46 頁(yè)）彈力作用下貼緊缸壁而防止泄露。這種材料密封效果好，摩擦阻力較小并且穩(wěn)定，可以耐高溫，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，但是加工要求高，裝拆不方便，適用于缸筒和活塞之間的密封。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有 O 形、V 形、Y 形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。它利用橡膠或者塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)配合面之間來防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。（1） O 形密封圈（如圖 5-6）O 形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運(yùn)動(dòng)阻力較大，作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動(dòng)密封。 圖 5-6 O 形密封圈（2）V 形密封圈（如圖 5-7）V 形圈的截面為 V 形，如圖所示，V 形密封裝置是由壓環(huán)、V 形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于 10MPa 時(shí)，可增加 V 形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時(shí)，V 形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。