液压实验台系统设计毕业设计任务书

 三  江  学  院  本科生毕业设计（论文）   题     目    液压实验台系统设计                                            高职         院（系）       机械设计及自动化            专业  学生姓名       孙中赞      学号     G105152032            指导教师      陈本德        职称       讲师            指导教师工作单位          三江学院                      起讫 日期                                           目录  第一章  绪论   1.1课题背景及其意义   1.2 机电一体化实验台概述  1.3 国内外发展状况  1.4 课题研究的主要内容   第二章  设计任务的主要方案   2.1 本课题将要完成的主要任务   2.2 本课题的关键问题及技术路线   2.2.1 液压系统设计步骤   2.2.2 液压执行器设计压力的选取   2.2.3 制定基本方案和绘制液压系统图  第三章  液压系统执行元件的设计   3.1 执行元件类型   3.2 系统 压力的初步确定   3.3 液压执行元件的主要参数   3.3.1 液压缸内径与活塞杆外径   3.3.2 刀具库旋转液压马达的选择   3.3.3活塞杆的强度计算和稳定性校核   3.3.4 液压缸壁厚，最小导向长度计算   3.3.5 液压缸的流量计算  3.4 夹具液压缸的结构设计  3.4.1 缸筒与缸盖   3.4.2 活塞与活塞杆   3.4.3 缓冲装置  3.4.4 排气装置   3.4.5 密封装置   第四章  液压系统的设计分析   4.1 拟定液压系统原理图  4.1.1 速度控制回路的选择  4.1.2 换向回路的 选择   4.1.3 压力控制回路的选择  4.2 液压元件的选取    4.2.1 液压泵的选择    4.2.2 液压阀的选择   4.2.3 电机的选择   4.2.4 管件的选择   4.2.5 油箱的设计计算   4.2.6 液压油的选择   第五章   液压泵站与液压集成块  5.1 液压泵站   5.1.1 液压泵站的组成及分类   5.1.2 液压泵站的选择   5.2 液压集成块  5.2.1 块体的结构   5.2.2 集成块结构尺寸的确定   5.2.3集成块的加工   第六章  结论   致谢   参考文献                            第一章  绪论  1.1课题背景及其意义  机电一体化又称机械电子学， 英文 称为 Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学 Electronics 的后半部分组合而成 的单词 。机电一体化最早出现在 1971 年日本杂志机械设计的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用 ,机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机 器有了人性化，智能化。  20 世纪 90 年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地，也为产业化发展提供了坚实的基础。  机电一体化主要研究目的是把机械技术与微电子 技术和信息技术有机地结合为一体，实现整个系统的最优化。机电一体化可以充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。机械电子学系统主要由机械主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成。较高级的系统不但有硬件，而且还有相应的软件 ,利用软件技术可以实现硬件难以实现的功能 ,使机械系统增加柔性。典型的机械电子系统有数控机床、加工中心、工业机器人等。机械电子学技术除用于单个机器、设备或一般的生产系统的技术改造之外，还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自 动化等方面 。 17 1.2 机电一体化实验台 概述  实验是科学研究与探索的重要手段，也是学生掌握知识和基本技能的重要环节。为培养学生具有机、电、液一定的理论知识和较强的实践技能；具有机械加工设备的初步操作技能和数控加工、数控编程的能力；具备从事机电技术必需的理论知识和综合职业能力的机电设备、自动化设备和生产线的运行与维护人员，并具有设备改造能力的高等技术综合性应用型人才。能在机电设备制造企业、从事机电产品设计与开发、企业与车间生产技术管理等工作，以及机电一体化设备 的安装、调试、维修、销售及管理；普通机床的数 控化改装等 15。其中，机电一体化实验设备发挥了极其重要的作用，并得到了广泛应用。如 HJD-4型机电一体化教学实验设备。  机电一体化实验内容涉及机械、电气、计算机技术、通讯技术、液压等方面技术，覆盖面广，综合性强。各功能部件敞开性好，有利于加深学生的感性认识。通过多个模块，灵活组成各种系统。实验过程接近实际机电产品的组装调试过程，实战性强。  学生可根据自己的构思进行创新设计。为机电类本科生、专科生的课程设计、毕业设计及课外创新设计提供条件。同时为教师和相关技术人员从事机电产品开发提供实验平台，  培训机电一 体化系统的应用与设计的工程技术人才，为企业培养机电一体化设备的维护管理人员。  1.3 国内外发展状况  机电一体化的发展大体可以分为三个阶段： (1)20世纪 60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起到了积极的作用。那时，研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结 合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 (2)20世纪 70-80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到 20世纪 80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认 ；机电一体化技术和产品得到了极大发展 ；各国均开始对机电一体化技术和产品给予很大的关注和支持。 (3)20世纪 90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。  我国是从 20世纪 80年代初才开始进行这方面的研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组，并将该技术列入“ 863计划”中。在制定“九五”规划和 2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带 来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作， 取得了一定成果。但与日本等 一些 先进国家相比，仍有相当 大的 差距 ，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套 合理实用的技术和产品 。  1.4 课题 研究的 主要 内容  1）了解机电一体化实验台工作过程和原理及控制系统设计计算方法；  2）详细设计实验台液压传动系统；  3）通过设计、计算，选择来实现实验台的整个液压系统作用。  1.5 本章小结  本章内容首先介绍了机电一体化的应用，分析了 当今 社会对 这方面的 需求，然后简要介绍了本设计的 主旨 。在日新月异的今天，创新与改变是发生变革的先导。我国 在 机电一体化设备的发展 比较快，而且社会对其需求任然巨大。这是发展创新的契机。本设计的目的 :对实现加工部分液压控制进行初步尝试，提升我们关于此类加工设备的技术。本设计的思路与方法，就是对于各种面临的问题，要运用所学知识，在定下大方向后， 具体解决各方面细节 。                         第二章  设计 任务的主要方案  2.1 本课题将要完成的主要任务  结合实际 应用 ，对 实验台液压系统进行 设计，其中包括各种参数的计算，各种部件的选择，以及设计 图纸 。  主要技术要求是：  1）能够实现 实验台上各项相关工作；工作台 的平衡升降以及转向 ； 2）在 完成 工作过程中要求采用合适手段保持 工作平稳，动作安全可靠； 3）选择合适的传动方式 实现 工作 的各种动作 ； 4）选择合适的布局，使系统布局紧凑，结构合理 。 其 主要 参数如表 2.1 所示。  表 2.1 实验台主要技术参数  技术规格  单位  参数  工作台尺寸：长 *宽  mm 160*160 行程  X轴  mm 150 Y轴  mm 150 Z轴  mm 150 C轴     180 进给速度 (x， y， z）  mm/min 1 1200(步进）  1 1500(伺服）  快速速度 (x， y， z）  mm/min 1500(步进）  2000(伺服）  刀库刀具容量    8 换刀时间  s 120 交流电源  380AV/220AV,50HZ 变频器  400W 步进电机  双极恒流驱动；步距角 1.8 伺服电机  0 3000r/min,400W 2.2 本 课题的关键问题及技术路线 . 2.2.1 液压系统设计步骤  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；  6）绘制工作图。  2.2.2 液压执行器设计压力的选取  实际设计工作中，应综合考虑执行器及其他液压元件、辅件的尺寸、质量加工工艺性、成本及系统的可靠性和效率等因素。不同的主机行业采用的工作压力不同，通常采用类比法，根据主机类型来选取执行器的设计压力。  油箱滤油器液压泵溢流阀压力表单向阀换向阀节流阀液压缸 图 2.1 液压系统的 图形符号图  2.2.3 制定基本方案和绘制液压系统图  1）制定调速方案  液压执行元件确定之后，其运动方向和运动 速度的控制是拟定液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。  2）制定压力控制方案  液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定 量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。  液压执行元件在工作循环中，某段时间不需 要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。  3）制定顺序动作方案  主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制连续的动作。  4）选择液压动力源  液压系统的工作介质完全由液压源来提 供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。  5）绘制液压系统图  整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率 。 14 2.3 本章小结  本章主要阐述设计任务的主要方案，在 设计前认真研究设计任务书，准备好设计资料；同类型设计题 目的同学之间相互讨论、研究，确定最好方案；将设计计算的演算结果记载完整；设计过程中贯彻“三边”方法，即边算、边画、边改，设计草图完成后先交指导老师审阅后再修改 巩固 ；在 陈本德 老师的指导下，通过毕业设计学会综合运用所学的液压传动技术、自动控制系统、机电一体化等基础知识来分析问题和解决实际问题的方法和基本思路，使自己受到工程设计和科学研究得到初步训练，并拥有独自设计和解决问题的能力。确定一套完整的液压系统的总体设计方案，能更好的应用于教学 实践， 设计计算说明书按格式书写整齐；最后认真做好答辩准备工作，准备答辩 。        第三章  液压系统执行元件 的设计  3.1 执行元件类型  液压缸是液压传动系统中的一种执行元件，它是将液压油的压力能转变为机械能的转换装置，一般用于实现机械的直径往复运动或摆动运动。由于液压传动没有间隙、运动平稳。因此得到了广泛的应用。根据液压缸的结构形式，可将其分为三种类型，即：活塞型（又分双出杆活塞式和单出杆活塞式）、柱塞式、摆动式（又分摆动液压缸和齿条液压缸） 11。 如表 3.1， 根据本系统设计要求，选取了单杆活塞式液压缸。液压马达也是液压系统的一种执行元件，它是将液压油的压力能转变为机械能（扭矩 和转速）的转换装置。根据液压缸的结构形式，可将其分为齿轮式，叶片式，柱塞 式（又分轴向柱塞式和径向柱塞式）。根据本系统设计要求，选取了叶片式 液压马达 。  表 3.1 执行元件类型的选择  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  单活塞杆液压缸  有效工作面积大、双向不对称  往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进， A1=2A2 往返速度相等  柱塞缸  结构简单  单向工作，靠重力或其他外力返回  摆动缸  单叶片式转角小于 360 度  双叶片式转角小于 180 度  小于 360 度 的摆动  小于 180 度的摆动  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    3.2 系统压力的初步确定  液压缸的选择要遵循系统压力的大小，要根据载荷的大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定的情况下 ，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不是很经济；反之，压力选的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定尺寸不太受限的设备，压力可选低一些， 按 表 3.2初步选取 工作台工作压力 1Mpa。  表 3.2 各种机械常用的系统工作压力  机械类型  机         床  农业机械，小型工程机械，建筑机械  液压机，大中型挖掘机，重型机械  磨床  组合机床  龙门刨床  拉床  工作压力MPa 0.82 35 28 810 1018 2032 3.3 液压执行元件的主要参数  3.3.1 液压缸内径与活塞杆外径  1) 刀具库运动液压缸  根据要求，刀具库运动工作行程 80mm，前进时间为 3s.工作最大负载F=1200N。根据参考文献，初步选定液压缸工作压力 P=1MP，由此初步定出液压缸内径：  4 4 1 2 0 0 3 9 . 1 03 . 1 4 1FD m mp 活塞杆外径 d 的计算可以根据速度比的要求来计算。   活塞杆外径 d 与活塞直径 D的关系，令杆径比 =d/D，其比值可按表 3.3和表 3.4进行 选取 。  表 3.3 按工作压力选取 d/D 工作压力 MPa 5.0 5.07.0 7.0 d/D 0.50.53 0.620.7 0.7    表 3.4 按速度比要求确定 d/D （ 21/vv）  1.25 1.33 1.46 0.161 2 d/D 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71 设计中，根据工作压力的大小，选用速度比 时可参考 表 3.5 进行 选取。  表 3.5 工作压力和速度比的关系  工作压力 p/Mpa <10>20 速度比  1.33 1.46,2 2 综上，可得活塞杆外径： d=0.5D=19.55mm 表 3.6 液压缸直径系列       表 3.7 活塞杆直径系列         根据标准，选取液压缸内径系列 D=40mm， d=20mm。  算得无杆腔有效工作面积 221 1 1 2 . 5 64A D c m 有杆腔有效工作 22 9.42A cm  2) 刀具架液压缸  进刀缸工作行程 10mm，前进时间 1s。最大工作负载 F=700N，根据参考文献，初步选定工作压力为 P=1MP，由此初步定出缸内径：  4 4 7 0 0 2 9 . 8 63 . 1 4 1FD m mp 活塞杆外径：  d=0.5D=14.93mm  根据标准，选取液压缸内径系列 D=32mm， d=16mm。  算得无杆腔有效工作面积 221 1 8 . 0 44A D c m 有杆腔有效工作 22 6.03A cm  3) 夹具液压缸   最大工作负载 F=1500N，初步选定工作压力 P=1MP，行程 80mm，前进时间 3s。  计算无杆腔内径：  4 4 1 5 0 0 4 3 . 7 13 . 1 4 1FD m mp 活塞杆外径 d=0.5D=21.86mm 按标准选取 D=50mm， d=25mm。  算得无杆腔有效工作面积为 221 1 1 9 . 6 2 54A D c m 有杆腔有效工作 22 1 4 .7 2A cm  3.3.2 刀具库旋转液压马达的选择  刀具库旋转液压马达最大转矩为 20T N m ，初步选定工作压力为 1MP；  计算排量：  20 0 . 0 2 3 5 /0 . 8 5 1TV L rp 式中： n为液压马达转速         为液压马达总效率  由机械设计手册查得 YM-A-32B-J-L型叶片马达 满足要求，其技术规格如下：  压力： 6Mpa 公称排量： 32ml/r 转矩： 21.97N.m 转速： 100-2000r/min 生产厂家：榆次液压件厂  3.3.3 活塞杆的强度计算和稳定性校核  1）活塞杆的强度计算  活塞杆在稳定 情况下，如果只受推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行：     62104Fd                            （ 3.1）      式中：    F    活塞杆的推力    N              d    活塞杆直径      m                  材料的许用应力   MPa   活塞杆用 45 号钢                         , 3 4 0 , 2 . 5s s M P a nn 代入数据：  a) 刀具库运动液压缸  36321 . 2 1 0 1 0 43 . 1 4 ( 2 0 1 0 ) =3.82MPa < =136Mpa b) 刀具架液压缸  36320 . 7 1 0 1 0 43 . 1 4 (1 6 1 0 ) =3.48MPa <  c) 夹具液压缸  36321 . 5 1 0 1 0 43 . 1 4 ( 2 5 1 0 ) =3.06MPa <  故活塞杆的强 度满足要求。  2）稳定性校核      液压缸承受轴向压缩载荷时，当活塞杆的计算长度 l 与活塞杆直径 d 之比大于10 时（即 10ld） ,应该校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。  本设计中各液压缸活塞杆的 10ld，故活塞杆的稳定性校核过程省略。  3.3.4 液压缸壁厚，最小导向长度计算  1） 液压缸壁厚  液压缸壁厚又结构和工艺要 求等确定，一般按照薄壁筒计算，壁厚由下式确定：   2YPD                             （ 3.2）   式中：    D 液压缸内径 ；                 缸体壁厚 ；      YP 液压缸最高工作压力 ， 一般取 YP =（ 1.2-1.3） p；   缸体材料的许用应力 ， 钢材取   1 0 0 1 1 0 M P a 。  代入数据 ，确定刀具架液压缸壁厚：  661 . 3 2 . 5 1 0 0 . 0 3 2 0 . 0 0 0 5 22 1 0 0 1 0 cm  考虑到液压缸的加工要求，查机械设计手册，取壁厚 10mm  刀具库运动液压缸和夹具液压缸壁厚可参考表 3.8进行选取。  表 3.8工程机械用液压缸外径系列  缸径 /mm 液压缸外径 /mm P<16Mpa 20Mpa 25Mpa 31.5Mpa 40 50 50 50 54 50 60 60 60 63.5 63 76 76 76 83 80 95 95 95 102 90 108 108 108 114 100 121 121 121 127 110 133 133 133 140 125 146 146 146 152 140 168 168 168 168 160 194 194 194 194 180 219 219 219 219 200 245 245 245 245  2） 最小导向长度  导向套在油缸中的位置如下图 3.1 所示。它的作用是支撑细长的活塞 杆作往复运动，有一个固定的滑动轨道。有了导向套这个支撑点，也增加了活塞杆的工作强度。        1 导向套； 2 活塞杆； 3 活塞； 4 一缸体； K 隔套     图 3.1 导向套的位置及结构尺寸           导向套的结构尺寸，按经验数据确定如下。     L1=（ 0.6 1)d B=(0.6 L)D 活 塞杆全部外伸时，从活塞支撑面重点到导向滑动面中点的距离为活塞的最小导向长度 H，如果最小导向长度过小，将会使液压缸的初始挠度增大，影响其稳定性，因此设计时必须保证有最小导向长度，对于一般的液压缸，液压缸最大行程为 S，缸筒内 径为 D 时 活塞杆运动时，伸出油缸最大长度时，要注意活塞与导向套两零件中点间距离 L 值的控制。即  20 2SDL                            （ 3.3）   式中 ：    S 活塞杆行程；           D 缸体内径。    代入数据：  a) 刀具库运动液压缸  8 0 4 0 242 0 2H m m    b) 刀具架液压缸  1 0 3 2 1 6 . 52 0 2H m m    c) 夹具液压缸  8 0 5 0 292 0 2H m m    L 值过小时会影响油缸工作的稳定性，同时还会削弱油缸和活塞杆的弯曲强度。从安全方面考虑，为了保证活塞杆运行时不小于 L 值，通常在活塞与导向 套之间加一个隔套（见图 3.1)。  隔套的长度由最小导向长度 H 确定。 导向套一般多用耐磨铸铁或青铜合金等材料铸造，也可用耐磨系、数较小的尼龙 或聚四氟乙烯材料制造。  3.3.5 液压缸的流量计算      计算液压缸工作速度及流量，根据有关资料，系统的液压缸速度比211.33vv 。  1) 刀具库运动液压缸  前进时：  1 0 . 0 8 0 . 0 2 6 7 /3sv m st  41 1 1 1 2 . 5 6 1 0 0 . 0 2 6 7 2 . 0 1 / m i nq A v L 退回时：  2 0 .0 3 5 6 /v m s  21 2 . 0 1 / m i nq q L  2) 刀具架液压缸  前进时：  1 0 . 0 1 0 . 0 1 /1sv m st  1 1 1 0 . 4 8 2 / m i nq A v L  退回时：  2 0 .0 1 3 3 /v m s  21 0 . 4 8 2 / m i nq q L 3) 夹具液压缸                                                                        前进时：  1 0 . 0 8 0 . 0 2 6 7 /3sv m st  41 1 1 1 9 . 6 2 5 1 0 0 . 0 2 6 7 3 . 1 5 / m i nq A v L 退回时：  2 0 .0 3 5 6 /v m s        21 3 . 1 5 / m i nq q L  即 三个 液压缸以其最大速度运动时，所需要的流量为 5.64 /minL 。    3.4 夹具液压缸的结构设计  液压缸是将液压系统的压力能转化为机械能的装置，在该系统中，液压缸将活塞杆的伸缩运动通过一系列的机械结构组合转化为夹具的夹紧松开。液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞与活塞杆、缓冲装置、排气装置和密封装置五个部分，分述如下。 11 3.4.1 缸筒与 缸盖  缸筒与前后缸盖的连接形式 均 采用法兰连接，结构简单，加工和拆装都方便，但外形尺寸和质量都大。  缸筒底部为平面时，  可由下式计算厚度：   0 .4 3 3 pD                            （ 3.4）   式中：       缸筒底部厚度；                  D 缸筒内径；                     p 筒内最大工作压力；                 缸筒材料的许用应力。          代入数据：              2 . 50 . 4 3 3 0 . 0 5100 =3.42mm  缸筒底部厚度应根据工艺要求适当加厚，如在缸筒上设置油口或排气阀，均应增大缸筒底部厚度。  缸筒材料通常选用 20、 35、 45 号钢，当缸筒、缸盖、挂街头等焊接在一起时，采用焊接性能较好的 35 号 钢，在粗加工之后调质。另外缸筒也可以采用铸铁、铸钢、不锈钢、青铜和铝合金等材料加工。  缸筒与活塞采用橡胶密封圈时，其配合推荐采用 H9/f8 ，缸筒内径表面粗糙度取 aR 0 .1 0 .4 m ，若采用活塞环密封时，推荐采用 H7/g6 配合，缸筒内径表面粗糙度取 aR 0 .2 0 .4 m 。  缸筒内径应进行研磨。为防止腐蚀，提高寿命，缸筒内表面应进行渡鉻，渡鉻层厚度应在 30-40 m ，渡鉻后缸筒内表面进行抛光。  缸筒内径的圆度及圆柱度误差不大于直径公差的一半，缸体内表面的公差度误差在 500mm 上不大于 0.03mm。   缸盖材料可以用 35， 45 号钢，或 ZG270-500，以及 HT250， HT350 等材料。  当缸盖自身作为活塞杆导向套时，最好用铸铁，并在导向表面堆镕黄铜，青铜和其他耐磨材料。当单独设置导向套时，导向材料为耐磨铸铁，青铜或黄铜等，导向套压入缸盖。  缸盖的技术要求：与缸筒内径配合的直径采用 h8 ，与活塞杆上的缓冲柱塞配合的直径取 H9，与活塞密封圈外径配合的直径采用 h9 ，这三个尺寸的圆度和圆柱度误差不大于各自直径的公差的一半，三个直径的同轴度误差不大于0.03mm。 1 3.4.2 活塞与活塞杆  活塞和活塞杆的结构形式很多：有整体活塞和分体活塞；有实心活塞杆和空心活塞杆。活塞与活塞杆的连接有螺纹式和半环式等，前者结构简单，但需要螺母防松装置；后者结构复杂，但工作较可靠。此外也有用锥 销连接。本设计中采用螺纹式。  活塞材料及加工要求：  有导向环的活塞用 20， 35 或 45 号钢制成。  活塞外径公差 f8 ，与活塞杆的配合一般为 H8/h8 ，外径粗糙度aR 0 .4 0 .8 m ，外径对活塞孔的跳动不大于外径公差的一半，外径的圆度和圆柱度不大于外径公差的一半。  活塞两端面对活塞轴线的垂直度误差在 100mm 上不大于 0.04mm。  活塞的结构形式应根据密封装置的形式来选择，本设计中选用形 式如下：  1 231  导 向 环    2  密 封 圈    3  活 塞  图 3.2活塞的结构形式  活塞杆及加工要求 ：  活塞杆常用材料为 35、 45 号钢。  活塞杆的工作部分公差等级可以取 f7-f9 ，表面粗糙度不大于aR 0.4 m， 工作表面的直线度误差在 500mm 上不大于 0.03mm。  活塞杆在粗加工后调质，硬度为 229-285HB ，必要时可以进行高频淬火，厚度 0.5-1mm，硬度为 45-55HRC 。  活塞杆导向套装在液压缸有杆腔一侧的端盖内，用来对活塞杆导向，其内侧装有密封装置，保证缸筒有杆腔的密封性，外侧装有防尘圈，以防止活塞杆内缩时把杂质，灰尘及水分带到密封装置，损坏密封装置。  导向套的结构有端盖式和插件式两种，插件式导向套装拆方便，拆卸时不需要拆端盖，故应用较多。结构见装配图。  导向套尺寸主要是指支撑长度，通常根据活塞杆直径，导向套形式，导向套材料的承压能力，可能遇到的最大侧向负载等因素确定。一般采用两个导向段，每段宽度均为 d/3 ，两段中间线间距为 .2d/3 ，导向套总长度不宜过大，以免磨擦太大。 1 3.4.3 缓冲装置  缓冲装置是利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分油液封住，迫使油液从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工件平稳制动，并避免活塞和缸盖的相互碰撞。本设计采用单圆柱式。  当活塞的缓冲柱塞进入端盖凹腔后，圆环形的回油腔中的油液只能通过节流阀流出，这就使活塞制动。调节节流阀的开口，可改变制动阻力的大小。这种缓冲装置起始缓冲效果 好，随着活塞向前移动，缓冲效果逐渐减弱，因此它的制动行程较长。 11 3.4.4 排气装置  排气装置用来排除积聚在液压缸内的空气。一般把排气装置安装在液压缸两端盖的最高处。常用排气阀有整体型和针阀型两种，本设计中选用整体性排气阀，结构见装配图。  3.4.5 密封装置  密封装置的作用在于防止液压缸工作介质的泄露和外界尘埃与异物的侵入。缸内泄漏会引起容积效率下降，达不到所需的工作压力；缸外泄漏则造成工作介质浪费和污染环境。密封装置选用、安装不当，又直接关系到缸的摩擦阻力和机械效率，还影响着缸的动、静态性能。因 此，正确和合理地使用密封装置是保证液压缸正常动作的关键所在，应予高度重视。 11 密封件密封利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄露。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠。 在缸筒和活塞之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。  活塞和活塞杆密封均采用 O 形密封圈，缸筒和活塞密封采用 Y 型密封圈。 O 型密封圈是由耐油橡胶制成，具有结构简单、密封性能好、摩擦力小、沟槽尺寸小且易制造等优点，所以在液压与气动装置中获得广泛使用。 O形密封圈大量地使用于静密封。 O行密封圈 也可用于往复运动的动密封，但由于作动密封时，静摩擦系数较大，启动阻力较大，寿命不长，加之性能优良的唇形密封和其他压紧行密封日益广泛的使用，所以，仅在一般工况及成本要求低的场合有所应用。从理论上讲， O行密封圈也可用于转动密封处，但由于摩擦产生的热量难以发散，易引起材质老化，使磨耗加剧，失去弹性，进而丧失密封性能，故转动密封处应用很少。作为新型同轴组合式密封件中的弹性组合件。  Y 型密封圈主要用于往复运动的密封，如液压缸活塞和活塞杆处的动密封。根据截面长宽比例的不同，可分为宽截面和窄截面两种形式。因受油压的作用 ，工作时 Y形密封圈的两唇边紧紧地贴压缸筒和活塞壁上而起密封作用。  Y 型密封圈的密封作用依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触，并在压力作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。当压力升高时，唇边与耦合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。 12 3.5 本章小结  本章在明确设计要求的基础上，对执行元件 做了设计计算， 液压缸的设计是在选定了工作压力， 分析 了它 的工作状况 之后进行的：先根据使用要求选择结构类型，然后按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸， 给出了个参数的计算 ，进行强度、稳定性验算，最后再进行 结构设计。液压缸各部分结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。                 第四 章  液压系统 的设计 分析  4.1 拟定液压系统原理图  根据加工中心的加工要求和分析，该加工中心对调速，低速稳定性有要求，因此，如何控制的运动是本设计的主要问题， 。稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。此外，与所有液压系统的设计要求一样，该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠 。  4.1.1 速度控制回路的选择  常用的调速方案有三种：节流调速 回路，容积调速回路，容积节流调速回路。本升降机采用节流调速回路，原因是该调速回路有以下特点：承载能力好，成本低，调速范围大，适用于小功率，轻载或中低压系统  ，但其速度刚度差，效率低，发热大。  由于加工中心的运动要求速度变化范围不大，在工进时要求稳定性好，因此都用节流阀控制速度，对于速度有更高要求的，采用调速阀调速。因为系统是小功率系统，所以效率和发热问题不突出，可以不考虑。在其他条件相同的情况下，进油调速回路比回油节流调速能获得更低的稳定速度，所以才用进口节流调速回路。  4.1.2 换向回路的选择  液压系统 对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可 ， 因为工作过程中，刀具库运动液压缸和刀具库旋转马达要有原地停留过程，所以采用滑阀机能为 O型的三位五通换向阀。夹具液压缸和刀具架液压缸采用二位四通阀。 直动式电磁换向阀用电磁铁产生的电磁力直接推到换向阀阀芯换向的阀称为直动式电磁阀。根据阀芯复位的控制方式可分为单电磁阀控制弹簧复位和双电磁控制两种。直动式电磁阀的特点是结构简单，与下述先导式电磁阀相比，控制相同通径主阀时，所需的电磁铁较大。当主阀心换向不灵或卡住时，交流电磁铁易 烧毁线圈。选用电磁阀时应注意如下几点：阀的工作机能要符合执行机构的要求，据此确定采用阀的型式（二位或三位，单电或双电，二通或三通 、四通、五通 ）；阀的孔径是否允许通过额定流量；阀的工作压力等级；电磁线圈采用交流或直流，以及电压等级等都要与控制电路一致，并应考虑通电持续力。 11 4.1.3 压力控制回路的选择  系统的调压问题和卸荷问题已在油源中解决，就不需再设置专用的元件或油路。为保证工件确已夹紧后才能做进给运动，在夹具液压缸进口处装一压力继电 器，只有当夹紧力达到压力继电器的调节压力时，才能发出信号，使进给 运动开始。为保护泵的安全，必须在泵的压油管道上装安全阀（溢流阀）和压力表。  综上所述，并作出适当的修改，画出液压系统图，如下图所示。  1-油箱  2-过滤器  3-齿轮泵  4-压力表开关  5-压力表  6-三位四通电磁换向阀  7-调速阀  8-行程开关  9-刀具库旋转马达  10-刀具架液压缸  11-刀具库运动液压缸  12-夹具液压缸  13-压力继电器  14-二位四通电磁换向发  15-液位计  16-温度计  17-溢流阀   图 4.1 液压系统图  4.2 液压 元件的选取  液压元件主要包括有：油泵，电机，各种控制阀，管路，过滤器等。有液压元件的不同连接组合构成了功能各异的液压回路，下面根据主机的要求进行液压元件的选择计算 。  4.2.1 液压泵的选择  泵选型依据，应根据工艺流程，给排水要求，从五个方面加以考虑， 即 液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等 。 使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。 机械方面可靠性高、噪声低、振动小。经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。  1） 确定泵压力                        m a xpP P P                             （ 4.1）   式中：    pP 泵的工作压力 ；              maxP 执行元件的最高工作压力 ；            P 进油路和回油路总的压力损失。  初算时，节流调速和比较简单的油路可以取  0.2 0.5MPa ,对于进油路有调速阀和管路比较 复杂的系统可以取 0.5 1.5MPa 。  代入数据：  1 0 . 5 1 . 5bP P p M P a 在泵的最高工作压力上再考虑加上 25%的压力储备，所以泵的额定压力应为：  1 . 5 1 . 5 2 5 % 1 . 8 7 5P M P a 考虑到液压系统的动态压力及油泵的使用寿命，通常在选择油泵时，其额定压力比工作压力 pP 大 25%-60% ，即泵的额定 压力为 2.5MPa 。  2） 确定液压泵的流量                                m axpQ KQ n                              （ 4.2）  式中：     pq 泵的输出流量   /minL            K 系统泄漏系数 ， 一般取 K= 1.1-1.3；            maxQ 液压缸实际需要的最大流量 ；              n   执行元件个数 。  代入数据：  1 . 3 3 . 1 5 4 1 6 . 3 8 / m i npQL 考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，应加上溢流阀稳定工作的最小流量，一般为 3L/min。   1 6 . 3 8 3 1 9 . 3 8 / m i npQL 综上，由机械设计手册查得 CB-B16 型外啮合齿轮泵满足要求，其技术规格如下：  型号： CB-B16                           排量： 16mL/r  转速： 1450r/min                         额定压力： 2.5MPa, 生产厂家：榆次液压件厂  4.2.2 液压阀的选择  液压阀用来液压系统中油液的压力、流量和流动方向，以满足执行机构性能要求，对液压阀的基本要求：动作灵敏，作用可靠；工作时冲击、振动小；油液流过阀时的压力损失小；密封性能好，阀的机构紧凑，安装、调整、维修都方便；阀的通用性好等。阀的规格，根据系统得工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选择；选择节流阀和调速阀时，要考 虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时也允许有 20%以内的短时间过流量。电磁控制换向阀是利用电磁力使阀芯迅速移动换向的，与液压传动中的电磁阀一样，也由电磁铁和主阀两部分组成。安电磁力作用于主阀阀芯方式不同分为直动式电磁阀和先导式电磁阀两种。他们的工作原理与液压阀中的电磁换向阀相似。1 根据所画液压系统图，计算分析通过各液压阀的最高油压和最大流量，选择各液压阀的规格型号。  三位四通换向阀：选择 O 型，实现中途等待过程  两位四通换向阀：实现正反向运 动的转换  单向调速阀：调速功能  溢流阀：调速稳压  生产厂家：武汉液压件厂  表 4.1 阀类元件明细表  序号  元件名称  数量  规格型号  1 三位四通换向阀  2 4WE10E20 2 两位四通换向阀  2 4WE10C20 3 单向调速阀  4 2FRM10-21 4 压力继电器  1 HED2O 5 溢流阀  1 YF3-10B  4.2.3 电机的选择  1）  液压系统实际需要的输入功率是选择电机的主要依据，由于液压泵存在容积损失和机械损失，为满足液压泵向系统输出所需要的的压力和流量，液压泵的输入功率必须大于 它的输出功率，液压泵实际需要的输入功率为：                   776 1 0 6 1 0 ti mPqPqP                               （ 4.3）           式中：   P 液压泵的实际最高工作压力 ；          q   液压泵的实际流量 ；           iP   液压泵的输入功率 ；           tq   液压泵向系统输出的理论流量 ；             液压泵的总效率 ， 见下表 ；          m   液压泵的机械效率 ；          7610   换算系数 。  代入数据：  671 . 8 7 5 1 0 1 9 . 3 8 0 . 8 6 56 1 0 0 . 7iP K W  表 4.2 液压泵的总效率  液压泵类型  齿轮泵  叶片泵  柱塞泵  螺杆泵  总效率  0.6-0.7 0.6-0.75 0.8-0.85 0.65-0.8  2）电机的 功率也可以根据技术手册找，根据机械设计手册第三版，表23-1-23，可以查得电机的驱动功率为 1.1KW ，本设计以技术手册的数据为标准  ，取电机的功率为 1.1kw。  根据上述计算过程，现在可以进行电机的选取，本液压系统为一般液压系统，通常选取三相异步电动机就能够满足要求，初步确定电机的功率和相关参数如下：     型号： 90 2YS                       额定功率： 1.1kw 满载时转速：  1400 / minr                 电流：  2.75A  效率：  78.%                            净重：  22Kg  额定转矩： 2.2Nm   4.2.4 管件的选择  管件包括管道和管接头，它的主要功用是连接液压 /气压元件和输送流体。对它的主要要求是：有足够的强度，密封性小，压力损失小和拆装方便。  1）管道   在液压系统中，主要使用的是硬管，它比软管 可靠安全，而且经济。硬管一般分为两类：一类是以通径定寸 导管，一类是以外径定寸 筒管。本液压系统中使用的主要是导管。液压系统中的油管也可用橡胶软管和尼龙管作为管道，橡胶软管装配方便，能吸收液压系统中的冲击和振动，尼龙管是一种很 有发展前途的非金属油管，用于低压系统。本液压系统中可考虑使用钢 管。  管道的规格尺寸指内径和壁厚，其中内径可依下式计算  vqd2                                   （ 4.4）  式中 ：    d  管道内径；           q  管内流量；           v  管中油液的流速，吸油管取 0.51.5m/s,压油管取 2.55m/s（压力高的取大值，低的取小值，如压力在 6MPa 以上的取5m/s，在 36MPa 之间的取 4m/s，在 3MPa 以下的取2.53m/s；管道短时取大值；油液粘度大时取小值），回油管取 1.52.5m/s，短管及局部收缩处取 57m/s。  代入 数据 :        a) 进油管  35 . 6 4 1 0 / 6 02 2 1 0 . 9 43 . 1 4 1qd m mv b) 回油管  35 . 6 4 1 0 / 6 02 2 7 . 7 43 . 1 4 2qd m mv c) 压油管  35 . 6 4 1 0 / 6 02 2 6 . 3 23 . 1 4 3qd m mv 2）管接头  是管道之间，管道与元件之间的可拆式连接件。管接头在满足强度足够 的前提下，应当拆装方便，连接牢固，密封性好，外形尺寸小，压力损失小以及公益 性好。  管接头的种类很多，其规格品种可查阅有关手册。液压和气动系统中常用的管接头有，焊接式管接头，卡套式管接头，扩口式管接头，扣压式管接头，快换式管接头，快插式管接头和固定铰接管接头。 本液压系统可采用卡套式管接头，利用管子变形卡住管子并进行密封，重量轻，体积小，使用方便。  管接头的连接螺纹采用国家标准锥螺纹   （ ZM）和普通细牙螺纹（ M）。锥螺纹可依靠自身的锥体旋紧和采用四氟乙烯生料带进密封，广泛应用于中、低压系统；细牙螺纹常在采用组 合垫圈或 O形圈，有时也采用紫铜垫圈进行端面密封后用于高压液压系统。 1 油管的安装与检修直接影响液压系统的工作性能。如果油管安装不合理，不仅会给安装、检修带来很大的困难，而且会使压力损失增大，甚至产生严重的噪声和振动。因此，必须十分重视油管的安装与检修。管路安装前应根据设计要求正确选择油管和管接头。安装时应注意： 1、 油管安装前清洗； 2、 管路尽量平行布置，减少交叉；  3、 管路应尽量短，少拐弯，布置整齐，并保持油管有必要的伸缩余地，规定钢管和铜管弯曲半径应大于其直径的 3 倍，管径小时应取大值 。  4.2.5 油箱 的设计计算  油箱的作用主要是储油；此外，油箱有一定的表面积，能够散发油液工作时产生的热量，沉淀油液中的污物，逸出渗入油液中的空气，有时它还兼作液压元件和阀块的安装台。  1）油箱容积计算  初始设计时，可依据使用情况，按照经验公式确定油箱容积：                          pVQ                                      （ 4.5）       式中 :    V 油箱的容积 ；               pQ 液压泵的流量 ；               经验系数 ， 见下表 。  表 4.3  行走机械  低压系统  中压系统 &n