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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 西安科技大学高新学院西安科技大学高新学院 毕业设计（论文） 系系 别别 ： 机电信息学院 专专 业业： 机械设计制造及其自动化 学学 生生 姓姓 名名： 学学 号：号： 设计设计( (论文论文) )题目题目： 五金制钉机液压系统设计 起起 迄迄 日日 期期: : 设计设计( (论文论文) )地点地点: : 西安科技大学高新学院 指指 导导 教教 师师: : 专业教研室负责人专业教研室负责人: : 2012 年 月 日 I 摘 要 本设计是通过对五金制钉机工作原理、工作的环境和工作的特点进行分析，并结合 实际，在进行细致观察后，对五金制钉机的整体结构进行了设计，对组成的各元件进行 了选型、计算和校核。 本文设计的五金制钉机主要技术参数：液压系统工作压力 8-16MPa； 切断剪力 165.64kN； 镦粗力 166.84kN; 每根金属线的直径为 1.6mm, 每分钟循环次数 86 次。经 过设计完全满足任务书的课题要求。 关键词：五金制钉机，液压设计，结构设计 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） Abstract The design is based on metal nail-making machine working principle, the working environment and the working characteristics of the analysis, and combined with the practice, the careful observation, the metal nail-making machine structure of the overall design, the various parts of the selection, calculation and checking. In this paper the design of hardware nail-making machine main technical parameters: hydraulic system working pressure 8-16MPa; cutting shear upsetting force of 165.64kN; 166.84kN; each wire diameter 1.6mm, 86 times the number of cycles per minute. After the design fully meets the demands of the subject. Key Words:Key Words: metal nail-making machine, hydraulic design, structural design 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 . I Abstract II 目 录 III 第 1 章 概述 6 1.1 液压传动发展概况 . 6 1.2 液压传动的工作原理及组成部分 . 6 1.2.1 液压传动的工作原理 6 1.2.2 液压传动的组成部分 7 1.3 液压传动的优缺点 . 8 1.4 液压系统的设计步骤与设计要求 . 9 1.4.1 设计步骤 9 1.4.2 明确设计要求 9 第 2 章 制钉机总体结构与液压原理设计 10 2.1 主机的功能结构 10 2.2 工作原理 . 11 2.3 课题设计要求 13 第 3 章 制钉机工作机构设计 13 3.1 切断液压缸的主要参数 13 3.2 镦粗液压缸的主要结参数 . 13 3.3 活塞杆强度计算 14 3.4 液压缸活塞的推力及拉力计算 15 3.4.1 切断液压缸 . 15 3.4.2 镦粗液压缸 16 3.4 活塞杆最大容许行程 16 3.5 液压缸内径及壁厚的确定 17 3.5.1 液压缸内径计算 . 17 3.5.2 液压缸壁厚计算 . 17 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 3.6 液压缸筒与缸底的连接计算 18 3.7 缸体结构材料设计 . 19 3.7.1 缸体端部连接结构 . 19 3.7.2 缸体材料 . 19 3.7.3 缸体技术条件 . 20 3.8 活塞结构材料设计 . 20 3.8.1 活塞与活塞杆的联接型式 . 20 3.8.2 活塞的密封 . 20 3.8.3 活塞的材料 . 21 3.8.4 活塞的技术要求 . 21 3.9 活塞杆结构材料设计 21 3.9.1 端部结构 . 21 3.9.2 端部尺寸 . 21 3.9.3 活塞杆结构 . 22 3.9.4 活塞杆的技术要求 . 22 3.10 活塞杆的导向、密封和防尘 22 3.10.1 导向套 . 22 3.10.2 活塞杆的密封与防尘 . 23 3.11 缸盖的材料 . 23 第 4 章 液压系统设计 24 4.1 系统液压可以完成的工作循环 24 4.2 液压执行元件的配置 . 24 4.3 负载分析计算 . 24 4.4 液压泵及其驱动电动机的选择 . 25 4.4.1 液压泵的最大工作压力 . 26 4.4.2 计算液压泵的最大流量 . 26 4.4.3 选择液压泵的规格 . 27 4.4.4 计算液压泵的驱动功率并选择原动机 . 28 4.5 其他液压元件的选择 28 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） V 4.5.1 液压阀及过滤器的选择 . 28 4.5.2 油管的选择 . 29 4.5.3 油箱及其辅件的确定 30 4.6 液压系统压力损失验算 . 31 第 5 章 切断夹紧装置、机架的设计 32 5.1 机架的基本尺寸的确定 . 32 5.2 架子材料的选择确定 . 33 5.3 主要梁的强度校核 . 33 参考文献 36 总 结 37 致 谢 38 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 27 第 1 章 概述 1.1 液压传动发展概况 液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，但如从 17 世纪中叶巴斯卡提 出静压传递原理、18 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，也已有二三百 年历史了。近代液压传动在工业上的真正推广使用只是本世纪中叶以后的事，至 于它和微电子技术密切结合， 得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并 加以精确控制，更是近 10 年内出现的新事物。 本世纪的 60 年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术（微电子技术） 等的发展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的 一门完整的自动化技术，使它在国民经济的各方面都得到了应用。液压传动在某 些领域内甚至已占有压倒性的优势， 例如， 国外今日生产的 95%的工程机械、 90% 的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动。因此采用液压传动的程 度现在已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。 当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、 高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、数字控制等 技术上也有许多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算 机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，更日益显示出显著的成绩。 我国的液压工业开始于本世纪 50 年代， 其产品最初只用于机床和锻压设备， 后来才用到拖拉机和工程机械上。 自 1964 年从国外引进一些液压元件生产技术、 同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列， 并在各种机械设备上得到了广泛的使用。80 年代起更加速了对西方先进液压产 品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在 产品质量、经济效益、人才培训、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。 1.2 液压传动的工作原理及组成部分 1.2.1 液压传动的工作原理 驱动的液压系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、 换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管组成。它的工作原理：液压泵由电动机 带动旋转后，从油箱中吸油。油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入压 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 7 力管后，将换向阀手柄、开停手柄方向往内的状态下，通过开停阀、节流阀、换 向阀进入液压缸左腔，推动活塞和工作台向右移动。这时，液压缸右腔的油经换 向阀和回油管排回油箱。 如果将换向阀手柄方向转换成往外的状态下，则压力管中的油将经过开停 阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔，推动活塞和工作台向左移动，并使液压缸 左腔的油经换向阀和回油管排回油管。 工作台的移动速度是由节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油 液增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。 为了克服移动工作台时所受到的各种阻力， 液压缸必须产生一个足够大的推 力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻力越大，缸中的油液 压力越高；反之压力就越低。输入液压缸的油液是通过节流阀调节的，液压泵输 出的多余的油液须经溢流阀和回油管排回油箱， 这只有在压力支管中的油液压力 对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时， 油液才能顶开溢 流阀中的钢球流回油箱。所以，在系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决 定的，它和缸中的油液压力不一样大。 如果将开停手柄方向转换成往外的状态下， 压力管中的油液将经开停阀和回 油管排回油箱，不输到液压缸中去，这时工作台就停止运动。 从上面的例子中可以得到： 1）动是以液体作为工作介质来传递动力的。 2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传 动是不相同的。 3）压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的， 因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。 1.2.2 液压传动的组成部分 液压传动装置主要由以下四部分组成： 1）能源装置把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液 压泵，它给液压系统提供压力油。 2）执行装置把油液的液压能转换成机械能的装置。它可以是作直线运 动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 3)制调节装置对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装 置。例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 不同功能的液压系统。 4)辅助装置上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。 它们对保证系统正常工作也有重要作用。 1.3 液压传动的优缺点 液压传动有以下一些优点： 1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力，因为 液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出 3040 倍。在同等的功率下，液 压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动 机的 12%左右。 2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置 易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转 运动时可达 500 次/min，实现往复直线运动时可达 1000 次/min。 3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达 2000） ，它还 可以在运行的过程中进行调速。 4）液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量或流动方向易 于进行调节或控制的缘故。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合 起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。 5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在失速状 态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压件能 自行润滑，使用寿命较长。 6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、 制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也具有较大的机动性。 7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 液压传动的缺点是： 1）液压传动不能保证严格的传动化，这是由液压油液的可压缩性和泄 漏等原因造成的。 2）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失 等） ，长距离传动时更是如此。 3）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影 响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。 4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 9 较贵，而且对油液的污染比较敏感。 5）液压传动要求有单独的能源。 6）液压传动出现故障时不易找出原因。 总的说来， 液压传动的优点是突出的， 它的一些缺点有的现已大为改善， 有的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。 1.4 液压系统的设计步骤与设计要求 液压传动系统是液压机械的一个组成部分， 液压传动系统的设计要同主机的 总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形 式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率 高、操作简单、维修方便的液压传动系统。 1.4.1 设计步骤 液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。 一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。 1）确定液压执行元件的形式； 2）进行工况分析，确定系统的主要参数； 3）制定基本方案，拟定液压系统原理图； 4）选择液压元件； 5）液压系统的性能验算； 1.4.2 明确设计要求 设计要求是进行每项工程设计的依据。 在制定基本方案并进一步着手液 压系统各部分设计之前， 必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解 清楚。 1）主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等； 2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何； 3）液压驱动机构的运动形式，运动速度； 4）各动作机构的载荷大小及其性质； 5）对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； 6）自动化程序、操作控制方式的要求； 7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求； 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 8）对效率、成本等方面的要求。 第 2 章 制钉机总体结构与液压原理设计 2.1 主机的功能结构 随着射钉枪在包装、广告装饰及家具制造、制鞋行业的广泛运用，作为其子 弹的排钉的需求大量增加。 排钉的制造过程： a. 压线将一定直径、一定强度的铁丝在压辊机上压扁； b. 排线将若干条（一般为 80150 条）压扁的铁线拉直并排在一起； c. 并线将排好的线用粘合剂粘合在一起并烘干，成为板料； d. 制钉将板料送到制钉机上成型。 液压传动的制钉机主要由垂直切断夹紧和水平镦粗两个液压缸和送料机构、 气缸驱动的推料机构组成。 制钉机共有 6 道工序： 第一工序：送料。送料机构将板料送到切断液压缸下方； 第二工序：切料夹紧。切断液压缸带动切断模及夹紧装置下降，将板料切断 并夹紧，为下一工序作准备； 第三工序：镦粗。镦粗液压缸带动镦头前进，将板料头部镦粗成为钉头； 第四工序：镦粗退回。镦粗液压缸带动镦头退后，离开钉头。 第五工序：切断退回。切断液压缸上升，离开板料； 第六工序：推料。推料气缸动作，将成品推出模具。 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 11 1-垂直切断液压缸； 2-水平镦粗液压缸； 3-镦头； 4-推料结构； 5-板料； 6-切断夹紧装置 图 2.1 制钉机的结构示意图 2.2 工作原理 制钉机的液压系统的油源为定量液压泵（叶片泵），其最高工作压力由溢流 阀设定，二位二通电磁换向阀用于控制液压泵的卸荷和供油。系统的执行器为切 断液压缸和镦粗液压缸， 其中切断液压缸和镦粗液压缸的运动方向均采用电磁换 向阀作为导阀的液控顺序阀控制。 切断液压缸进回油路中并联的顺序阀和单向阀 用于该缸差动反馈连接，液控顺序阀在缸差动时关闭回油路，在非差动时，提供 回油路。镦粗液压缸的回油路上串联的溢流阀起背压作用。系统中压力继电器作 为电磁铁通断电的发信装置，控制电磁换向阀的换向动作。压力表及其开关分别 用于调整系统最高压力和压力继电器的动作压力时的显示和观测。 制钉机的液压系统原理如图 2.2，系统的油源为定量液压泵（叶片泵），其 最高工作压力由溢流阀 2 设定， 二位二通电磁换向阀用于控制液压泵的卸荷和供 油。系统的执行器为切断液压缸和镦粗液压缸，其中切断液压缸的运动方向采用 电磁换向阀 14 作为导阀的液控顺序阀 5、6、7 控制；而镦粗液压缸的运动方向 采用电磁换向阀 15 作为导阀的液控顺序阀 9、10、11 控制。切断液压缸进回油 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 路中并联的顺序阀 12 和单向阀 13 用于该缸差动反馈连接， 液控顺序阀 4 在缸差 动时关闭回油路，在非差动时，提供回油路，所以阀 4 的调压值应高于阀 12 的 调压值。镦粗液压缸的回油路上串联的溢流阀 8 起背压作用。系统中压力继电器 17 和 19 作为电磁铁通断电的发信装置，控制电磁换向阀的换向动作。压力表及 其开关 3、16、18 分别用于调整系统最高压力和压力继电器 17、19 的动作压力 时的显示和观测。 图 2.2 制钉机的液压系统原理图 系统液压可以完成的工作循环及原理如下： a. 切断液压缸下降。此时换向阀 14 工作在左位。压力油经 6 流入上腔，推 动活塞下降，使顺序阀 12 打开，构成差动回路。下降到行程终点时，由于切断 模接触到钉板使活塞负载增大，阀 4 打开，下腔压力油经 4 流回油箱。 b. 镦粗液压缸前进。切断时油压继续上升，继电器 17 动作，使换向阀 15 右位得电，压力油经顺序阀 10 进入镦粗液压缸右腔，推动活塞前进，左腔油经 阀 8 回油箱。 c. 镦粗和切断液压缸上升、镦粗液压缸后退。镦粗钉头时油路中压力上升， 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 13 使继电器 19 动作，换向阀 14 转向右位，换向阀 15 转为左位，使切断缸上升、 镦粗缸后退。 d. 停止。上升行程开关和后退行程开关分别使换向阀 14、15 回到中位，切 断液压缸、镦粗液压缸停止动作。 2.3 课题设计要求 主要技术参数：液压系统工作压力 8-16MPa； 切断剪力 165.64kN； 镦粗 力 166.84kN; 每根金属线的直径为 1.6mm, 每分钟循环次数 86 次。 第 3 章 制钉机工作机构设计 制钉机的工作机构主要是通过液压缸来进行实现的。 3.1 切断液压缸的主要参数 预选切断液压缸的设计压力 1 p=16Mpa。将液压缸的无杆腔作为主工作腔， 考虑到切断液压缸下行时，滑块自重采用液压方式平衡，则可计算出切断液压缸 无杆腔的有效面积 222 6 3 1 max 1 114114.00 101691. 0 104.6165 cmmm p F A cm (3.1) 切断液压缸内径（活塞直径） mmmm A D12121.10 114.0044 1 (3.2) 按 GB/T2348-1993，将液压缸内径圆整为标准值 D=125mm=12.5cm。 根据快速下行和快速上升的速度比确定活塞杆直径 d：由于 d=0.732D=0.732125=91.5mm 取标准值 d=90mm=9cm。 从而可算得切断液压缸无杆腔和有杆腔的实际有效面积为 22222 2 222 1 071.59)95 .12( 4 )( 4 56.6122.512 44 cmdDA cmDA (3.3) 3.2 镦粗液压缸的主要结参数 要求动力滑台的快进、快退速度相等，现采用活塞杆固定的单杆式液压缸。 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 快进时采用差动联接，并取无杆腔有效面积 1 A等于有杆腔有效面积 2 A的两倍， 即 21 2AA 。为了防止在墩粗时滑台突然前冲，在回油路中装有背压阀，初选背 压Papb 5 108。 初选最大负载工进阶段的负载 F=22000N，按此计算 1 A则 2232 55 1 1 1 .611011. 6 108 2 1 1040 22000 2 1 cmmm pp F A b (3.4) 镦粗液压缸直径 cmcm A D82. 8 1 .6144 1 由 21 2AA 可知活塞杆直径 cmcmDd24. 682. 8707. 0707. 0 按 GB/T2348-1993 将所计算的 D 与 d 值分别圆整到最相近的标准直径， 以便 采用标准的密封装置。圆整后得 cmD9 cmd3 . 6 按标准直径算出 22222 2 222 1 .432).369( 4 )( 4 6 .639 44 cmdDA cmDA 3.3 活塞杆强度计算 活塞杆在稳定工作下，如果仅受轴向拉力或压力载荷时，便可以近似的采用 直杆承受拉、压载荷的简单强度计算公式进行计算， 活塞杆应力 2 4 d P (3.5) 或 P d 4 (3.6) 式中P活塞杆所受的轴向载荷 d活塞杆直径 活塞杆制造材料的许用应力 根据以上公式可知 切断液压缸 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 15 3 2 6 2 10.6251 9 4 4.13 1016 4 d P 镦粗液压缸 3 2 6 2 10.5513 .36 4 4.13 1016 4 d P 可见，活塞杆的强度均满足要求。 3.4 液压缸活塞的推力及拉力计算 液压油作用在液压缸活塞上的作用力 P，对于一般单边活塞杆液压缸来说， 当活塞杆前进时的推力： 1 2 11 4 p D pAP (3.7) 当活塞杆后退时的拉力： 1 22 22 - 4 pdDpAP）（ (3.8) 当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力： 1 2 213 4 -p d pAAP ）（ (3.9) 式中 D活塞直径（即液压缸内径）cm d活塞杆直径 cm 1 p-液压缸的工作压力 3.4.1 切断液压缸 当活塞杆前进时的推力： Np D pAP 96 2 1 2 11 1021016 4 .5124.13 4 当活塞杆后退时的拉力： NpdDpAP 96 22 1 22 22 1011016 4 9-.5124.13 - 4 ）（ ）（ 当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力： Np d pAAP 96 2 1 2 213 1011016 4 94.13 4 - ）（ 液压缸活塞的推力及拉力可以直接从附录中的有关计算中查出； 大部分也可 以从机械设计手册表 11-133 中直接读出。 表11-133为活塞杆直径d采用速度比计算得出， 不同液压缸直径D和压力 1 p 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 下液压缸活塞上的推力 1 P及拉力 2 P数值。 3.4.2 镦粗液压缸 当活塞杆前进时的推力： Np D pAP 86 2 1 2 11 104.52104 4 94.13 4 当活塞杆后退时的拉力： NpdDpAP 86 22 1 22 22 10.31104 4 6.3-94.13 - 4 ）（ ）（ 当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力： Np d pAAP 86 2 1 2 213 105.21104 4 .364.13 4 - ）（ 液压缸活塞的推力及拉力可以直接从附录中的有关计算中查出； 大部分也可 以从机械设计手册表 11-133 中直接读出。 表11-133为活塞杆直径d采用速度比计算得出， 不同液压缸直径D和压力 1 p 下液压缸活塞上的推力 1 P及拉力 2 P数值。 图 3.1 液压缸活塞的受力 3.4 活塞杆最大容许行程 根据机械设计手册表 11-141 和表 11-142 即可以概略的求出液压缸的最 大容许行程。 两个液压缸均采用如图固定自由模式进行安装。 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 17 图 3.2 安装型式简图 根据长度公式 P d l 2 205 (3.12) ClS- (3.13) 可知切断液压缸活塞杆计算长度 l 和实际行程 S 分别为 P d l 2 205 = 8 2 1010 90205 =52.54cm ClS-=52.54-6=46.5cm 镦粗液压缸活塞杆计算长度 l 和实际行程 S 分别为 P d l 2 205 =cm8.772 10125 63205 6 2 ClS- =72.78-5.5=67.28cm 3.5 液压缸内径及壁厚的确定 3.5.1 液压缸内径计算 当 P 和 p 已知，则液压缸内径 D 可按公式得： p P D 4 (3.14) 式中 P活塞杆上的总作用力，N p液压油的工作压力，KN 可知 切断液压缸的内径为 125mm,镦粗液压缸的内径为 90mm。 3.5.2 液压缸壁厚计算 一般，低压系统用的液压缸都是薄壁缸，薄壁可用下式计算： cm pD 2 (3.15) 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 式中，缸壁厚度，m p液压缸内工作压力，Pa 刚体材料的许用应力 D液压缸内径，cm 当额定压力 Pn16MPA 时，Pp=Pn 150/100 当额定压力 Pn16MPA 时，Pp=Pn 125/100 n b (3.16) b 缸体材料的抗拉强度，Pa n安全系数，一般可取 n=5 应当注意，当计算出的液压缸壁较薄时，要按结构需要适当加厚。 因此，根据上述公式可得， 切断液压缸 .88 5 44 n b mm pD 18 8 . 82 .5121016 2 6 镦粗液压缸 .88 5 44 n b mm pD 15 8 . 82 91016 2 6 故切断液压缸的壁厚为 18mm，镦粗液压缸的壁厚为 15mm。 关于液压缸的安全系数，在设计液压缸时通常取 n=5。但是这在比较平稳的 工作条件下，强度有些余量；相反，假如工作条件为动载荷或冲击压力超过超耐 压力时， 有时会出现危险状态。 因此合理的安全系数， 应根据实际使用条件选取。 3.6 液压缸筒与缸底的连接计算 缸体法兰连接螺栓计算 缸体与端部用法兰连接或拉杆连接时，螺栓或拉杆的强度计算如下： 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 19 图 3.3 缸体联接 螺纹处的拉应力 Zd KP 2 1 4 (3.17) 螺纹处的剪应力 47. 0 2 . 0 3 1 01 Zd kPdk (3.18) 合成应力 3 . 13 22 n (3.19) 式中 Z螺栓或拉杆的数量 s 材料为 45 钢时， s =30 3.7 缸体结构材料设计 3.7.1 缸体端部连接结构 采用简单的焊接形式，其特点：结构简单，尺寸小，重量轻，使用广泛。缸 体焊接后可能变形，且内径不易加工。所以在加工时应小心注意。主要用于活塞 式液压缸。 3.7.2 缸体材料 液压缸缸体的常用材料为 20、35、45 号无缝钢管。因 20 号钢的机械性能略 低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接 时，则应采用焊接性能比较号的 35 号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用 45 号钢，并应调质到 241285HB。 缸体毛坯可采用锻钢，铸铁或铸铁件。铸刚可采用 ZG35B 等材料，铸铁可 采用 HT200HT350 之间的几个牌号或球墨铸铁。 特殊情况可采用铝合金等材料。 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 3.7.3 缸体技术条件 a. 缸体内径采用 H8、H9 配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时， Ra 为 0.10.4m，当活塞用活塞环密封时，Ra 为 0.20.4m。且均需衍磨。 b. 热处理：调质，硬度 HB241285。 c. 缸体内径 D 的圆度公差值可按 9、10 或 11 级精度选取，圆柱度公差值应 按 8 级精度选取。 d. 缸体端面 T 的垂直度公差可按 7 级精度选取。 e. 当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为 6 级精度的公制螺纹。 f. 当缸体带有耳环或销轴时， 孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线的垂直公 差值应按 9 级精度选取。 g. 为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为 3040m的铬层， 镀后进行衍磨或抛光。 3.8 活塞结构材料设计 3.8.1 活塞与活塞杆的联接型式 表 3.1 活塞与活塞杆的联接型式 联接方式 备注说明 整体联接 用于工作压力较大而 活塞直径又较小的情况 螺纹联接 常用的联接方式 半环联接 用于工作压力、机械振 动较大的情况下 这里采用螺纹联接。 3.8.2 活塞的密封 活塞与缸体的密封结构， 随工作压力、 环境温度、 介质等条件的不同而不同。 常用的密封结构见下表 表 3.2 常用的密封结构 密封形式 备注说明 间隙密封 用于低压系统中的液压缸活塞的密封 活塞环密封 适用于温度变化范围大，要求摩擦力 小、寿命长的活塞密封 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 21 O 型密封圈密封 密封性能好，摩擦系数小；安装空 间小，广泛用于固定密封和运动密封 Y 型密封圈密封 用在 20MPa 下、往复运动速度较 高的液压缸密封 结合本设计所需要求，采用 O 型密封圈密封比较合适。 3.8.3 活塞的材料 液压缸常用的活塞材料为耐磨铸铁、灰铸铁（HT300、HT350） 、钢及铝合 金等，这里采用 45 号钢。 3.8.4 活塞的技术要求 a. 活塞外径 D 对内孔 1 d的径向跳动公差值，按 7、8 级精度选取。 b. 端面 T 对内孔 1 d轴线的垂直度公差值，应按 7 级精度选取。 c. 外径 D 的圆柱度公差值，按 9、10 或 11 级精度选取。 图 3.3 活塞 3.9 活塞杆结构材料设计 3.9.1 端部结构 活塞杆的端部结构分为外螺纹、内螺纹、单耳环、双耳环、球头、柱销等多 种形式。根据本设计的结构，为了便于拆卸维护，可选用内螺纹结构。 3.9.2 端部尺寸 如图，为内螺纹联接简图。查表 11-148，按照本设计要求，选用直径螺距 -螺纹长=33 245KKtA 。 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 图 3.2 螺纹联接简图 3.9.3 活塞杆结构 活塞杆有实心和空心两种，如下图。实心活塞杆的材料为 35、45 号钢；空 心活塞杆材料为 35、45 号无缝钢管。本设计采用实心活塞杆，选用 45 号钢。 图 3.3 空心活塞杆 图 3.4 实心活塞杆 3.9.4 活塞杆的技术要求 a. 活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为 HB229285，必要时，再经过 高频淬火，硬度达 HRC4555。在这里只需调质到 HB230 即可。 b. 活塞杆的圆度公差值，按 911 级精度选取。这里取 10 级精度。 c. 活塞杆的圆柱度公差值，应按 8 级精度选取。 d. 活塞杆的径向跳动公差值，应为 0.01mm。 e. 端面 T 的垂直度公差值，则应按 7 级精度选取。 f. 活塞杆上的螺纹，一般应按 6 级精度加工（如载荷较小，机械振动也较小 时，允许按 7 级或 8 级精度制造） 。 g. 活塞杆上工作表面的粗糙度为 Ra0.63m, 为了防止腐蚀和提高寿命，表 面应镀以厚度约为 40m的铬层，镀后进行衍磨或抛光。 3.10 活塞杆的导向、密封和防尘 3.10.1 导向套 a. 导向套的导向方式、结构导向套的导向方式、结构 表 3.3 导向套的导向方式 导向方式 备注说明 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 23 缸盖导向 减少零件数量，装配简单，磨损 相对较快 管通导套 可利用压力油润滑导向套，并使 其处于密封状态 可拆导向套 容易拆卸，便于维修。适用于工 作条件恶劣、经常更换导向套的场合 球面导向套 导向套自动调整位置，磨损比较 均匀 本设计采用缸盖导向。 b. 导向套材料导向套材料 导向套的常用材料为铸造青铜或耐磨铸铁。 由于选用的是和缸盖一体的导向 套，所以材料和缸盖也是相同的，都选用耐磨铸铁。 c. 导向套的技术要求导向套的技术要求 导向套的内径配合一般取为 H8/f9，其表面粗糙度则为 Ra0.631.25m。 3.10.2 活塞杆的密封与防尘 这里仍采用 O 型密封圈，材料选择薄钢片组合防尘圈，防尘圈与活塞杆的 配合可按 H9/f9 选取。薄钢片厚度为 0.5mm。 3.11 缸盖的材料 液压缸的缸盖可选用 35、45 号锻钢或 ZG35、ZG45 铸钢或 HT200、HT300、 HT350 铸铁等材料。在这里选择 ZG45 铸钢。缸盖按 9、10 或 11 级精度选取。6.6 液压缸的排气装置 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 24 第 4 章 液压系统设计 制钉机的制作过程包括：切断钉子的切断液压缸，镦粗钉子的镦粗液压缸， 将钉子镦粗与夹紧的切断夹紧装置。 针对切断液压缸与镦粗液压缸的设计是实现 整个制钉机工作的基础，重点设计了切断液压缸与夹紧液压缸的结构、切断夹紧 装置、机架。并根据系统压力、流量选择了液压阀、电机、泵。本文的设计能够 满足制钉机要求(系统压力 16MPa,切断力与夹紧力都满足题目所要求的 165.64KN 和 166.84KN,每分钟循环 86 次)具有方便快捷制钉的特点。 4.1 系统液压可以完成的工作循环 a. 切断液压缸下降； b. 镦粗液压缸前进； c. 切断液压缸上升和镦粗液压缸后退； d. 停止。 4.2 液压执行元件的配置 由于制钉机要求立式布置， 行程较小， 故选用缸筒固定的立式单杆活塞杆 （取 缸的机械效率1.90 cm ） 。作为执行元件，驱动滑块及剪切、墩粗机构对板料进 行剪切、墩粗。 4.3 负载分析计算 a. 初选液压缸的工作压力为Pap 5 1 1040，移动部件总重力NG8000， 快进快退的速度为 1.7 m/s，加速、减速时间st.20，静摩擦因数2 . 0 s f，动 摩擦因数1 . 0 d f。 b. 负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装备产生的摩擦 阻力在机械效率中加以考虑。这样需要考虑的力有：墩粗力、导轨摩擦力和惯性 力。导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静摩擦力为 fs F，动摩擦力为 fd F，则 NNFfF NNFfF Ndfd Nsfs 80080001 . 0 160080002 . 0 (3.1) 惯性负载是运动部件在启动和制动过程中的惯性力， 其平均值可按下式计算 t v g G Fi (3.2) 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 25 式中 g重力加速度， 22 /81. 9,/smgsm ;/smv速度变化量， -t启动或制动时间，s；一般机械t=0.10.5，轻载低速运动部件 取小值，重载高速部件取大值，行走机械一般取 2 /5 . 15 . 0sm t v 。 N t v g G Fi.58151 1.89 8000 上述三种负载之和即为液压缸的外负载 F。 4.4 液压泵及其驱动电动机的选择 确定液压执行元件的形式 液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回 转运动，二者的特点及适用场合见下表 4.1 表 4.1 各执行元件的特点 名 称 特 点 适 用 场 合 双活塞杆液压缸 双向对称 双作用往复运动 柱塞缸 结构简单 单向工作，靠重力或其 他外力返回 齿轮泵 结构简单，价格便宜 高转速低扭矩的回转运 动 叶片泵 体积小，转动惯量小 高转速低扭矩动作灵 敏的回转运动 摆线齿轮泵 体积小，输出扭矩大 低速，小功率，大扭矩 的回转运动 轴向柱塞泵 运动平稳、扭矩大、转 速范围宽 大扭矩的回转运动 径向柱塞泵 转速低，结构复杂，输 出大扭矩 低速大扭矩的回转运 动 注：A1无杆腔的活塞面积 A2有杆腔的活塞面积 常用液压泵主要有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等类型，各种泵间的特性有很大 差异。选择液压泵的主要依据是其最大工作压力和最大流量。同时还要考虑定量 或变量、原动机类型、转速、容积效率、总效率、自吸特性、噪声等因素。这些 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 因素通常在产品样本中均有反映。 叶片泵也就是常说的离心泵， 优点是结构简单， 流量大，调节也很方便。故选择叶片泵作为系统的油源。 通过查资料，得知叶片泵的额定压力是 16Mpa，中压，排量 1350mL/r，最 高转速 5004000r/min，最大功率 320kW，容积效率 8094%，总效率 7590%， 适用黏度 20200mm2/s，自吸能力好，功率质量比大，输出压力脉动小，污染敏 感度大，叶片磨损后效率下降较小，黏度对效率的影响较小，噪声小中，价格 中，适用于机床、液压机、注塑机、工程机械、飞机及要求噪声较低的场合。 4.4.1 液压泵的最大工作压力 液压泵的最大工作压力 pp取决于执行元件（液压缸或液压马达）的最大工 作压力，即 ppp1+p (4.1) 式中 p1液压缸或液压马达的最大工作压力，16MPa； p系统进油路上的总压力损失系统管路未曾确定前，可按经验进行 估取， 简单系统取p= （0.20.5）106Pa， 复杂系统取p= （0.51.5）106Pa， 该系统中取p为 0.5106Pa。 故可知 pp16106+0.5106=16.5106Pa，即液压泵的最大工作压力为 17Mpa。 4.4.2 计算液压泵的最大流量 主液压缸的最大流量 qP（m3/s）取决于系统所需流量 qv 对于采用差动缸回路的系统，液压泵的最大流量为 qPqv=K(A1-A2)vmax (4.2) 式中 A1、A2液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积，m3； vmax液压缸的最大移动速度，m/s； K系统的泄漏系数， 一般取 1.11.3 （大流量取小值， 小流量取大值） 。 由于制钉机每分钟循环次数为 86 次， 故可知两个液压缸循环一次约为 0.7s， 初选切断液压缸和镦粗液压缸前进和后退的时间相同， 故每次前进或者后退的时 间约为 0.175s。故由公式 m F a i 可知 (4.3) 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 27 m F a i = 2 /1 81. 9 8000 5 .815 sm atv (4.4) 可知 smatv/175. 01=0.175m/s 可知液压缸的最大移动速度 max v为 0.175m/s。 液压缸的工作行程根据公式 S= 2 2 1 at= 2 175. 01 2 1 =0.15m (4.5) 故液压泵的最大流量 切断液压缸 1p q qv=K(A1-A2) max V=1.153.911975.1071.059-56.6122）（ m3/s 镦粗液压缸 smVAAKqq vp /344.5875.10)4 .326 .63(1 . 1)( 3 max212 取液压泵的最大流量为 120sm / 3 4.4.3 选择液压泵的规格 按照液压系统图中拟订的液压泵的型式及上述计算得到的 pp和 qP值，由产 品样本或手册选取相应的液压泵规格。 为了保证系统不致因过渡过程中过高的动 态压力作用被破坏，液压泵应有一定的压力储备量，所选泵的额定压力一般要比 最大工作压力大 25%60%（高压系统取小值，中低压系统取大值） 。 关于泵的流量，在实际选择中，由于产品样本上通常给出泵的排量、转速范 围及典型转速下不同压力下的输出流量，故在系统所需流量 qv已知的情况下， 泵的流量 P q（L/min） 、转速 n(r/min)与排量 V（mL/r）应综合考虑。事实上，由 于泵的输出流量 qP为 P q=Vn 10-3 v (4.6) 式中 v泵的容积效率，%； 所以， 一般首先根据系统所需流量 qv（L/min） 和初选的液压泵转速 n1(r/min) 及泵的容积效率v（可从产品样本查得或估取为v=0.9）计算泵排量参考值， 即 Vg= V v n q 1 1000 (4.7) 然后再倒算（复算）出泵的实际流量 0 qp即可，对于定量泵，最终选择的泵流量 五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） 尽可能与系统所需流量相符合。 根据上述计算公式，可知 Vg= V v n q 1 1000 = 9 . 03000 1000 v q 27.444 .903000 53.91191000 mL/r 泵的输出流量 min/953.1199 . 0103000427.4410 33 LVnq vp =20 4- 10ms/ 3 根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，最后确定选取 YB-25 型单级叶 片泵。 4.4.4 计算液压泵的驱动功率并选择原动机 a. 驱动功率的计算 若工作循环中，泵的压力和流量比较恒定（即工况图上 p-t 曲线和 q-t 曲线 变化较为平稳） ，则液压泵驱动功率 p P应按下式计算 p pp p qp P （W） (4.8) 式中 PP qp 、为液压泵的最大工作压力（Pa）和最大流量（m 3/s） ； p 为液压泵 的总效率，取 80%。 p pp p qp P =KW.542 8 . 0 10201017 4-6 b. 电动机的选择 固定设备的液压系统，其液压泵通常用电动机驱动。 根据上述计算出的功率和液压泵的转速及其使用环境， 从产品样本或手册中 选定其型号规格额定功率、转速、电源、结构型式（立式、卧式，开式、封闭 式等），并对其进行超载能力核算，以保证每个工作阶段电动机的峰值超载