立式组合机床动力滑台液压系统设计论文.doc

南昌航空大学科技学院学士学位论文毕业设计（论文）题 目： 立式组合机床动力滑台液压系统设计 学 院： 南昌航空大学科技学院专业名称： 机械设计制造其及自动化班级学号： 088105208学生姓名： 李 虎指导教师： 柴 京 富 2012 年 5 月 目录1概述- 3 -1.1 本论文的设计内容- 3 -1.2 液压传动的发展概况- 3 -1.3 液压传动在机械行业中的应用- 4 -1.4 静液压传动装置的应用- 5 -1.5 液压传动的工作原理和组成- 6 -1.6 液压传动的优缺点- 7 -2 液压系统工况分析及系统图的拟定- 9 -2.1 液压系统的设计要求- 9 -2.2液压系统工况分析- 10 -2.3 确定液压缸的主要参数- 12 -2.4 液压传动系统原理图的拟定- 13 -3液压元件的选择- 19 -3.1 确定液压油泵- 19 -3.2 叠加阀简介及选择- 20 -3.3 管件的选择及计算- 22 -4 液压缸及油箱的设计- 24 -4.1液压缸常用类型- 24 -4.2 液压缸主要零部件设计- 24 -4.3 油箱的设计- 32 -5 辅助元件的选择及液压传动装置的总体设计- 35 -5.1辅助元件的选择- 35 -5.2 液压传动装置的总体设计- 36 -5.3 液压系统的安装、配管- 38 -6 验算液压系统技术性能及验收标准- 40 -6.1验算液压系统技术性能- 40 -6.2 组合机床用液压元件的验收标准- 41 -结束语- 44 -谢辞- 45 -参考文献- 46 -立式组合机床动力滑台液压系统设计1概述1.1 本论文的设计内容作为一种高效率的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。本次课程设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设计步骤，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。液压传动系统由液压泵、阀、执行器及辅助件等液压元件组成。液压传动原理是把液压泵或原动机的机械能转变为液压能，然后通过控制、调节阀和液压执行器，把液压能转变为机械能，以驱动工作机构完成所需求的各种动作。本文研究内容是立式组合机床液压动力滑台液压系统设计，该文的设计过程基本上体现了一个典型的液压传动系统的设计思路。液压传动在金属切削机床行业中得到了广泛的应用。如磨床、车床、铣床、钻床以及组合机床等的进给装置多采用液压传动，它可以在较大范围内进行无级调速，有良好的换向性能，并易实现自动工作循环。组合机床是由具有一定功能的通用部件（动力箱、滑台、支承件、运输部件等）和专用部件（夹具、多轴箱）组成的高效率专用机床。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进展；在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多新成就，采用液压传动的程度现已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。随着机械制造行业在国民经济中地位的提高，液压技术的应用范围也越来越广泛，对其性能也提出了更高的要求，决定了它在技术方面的革新已迫在眉睫。1.2 液压传动的发展概况液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。第一个使用液压原理的是1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。1905年他又将工作介质水改为油,进一步得到改善。 第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用,特别是1920年以后,发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的20年间,才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。60年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。 目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。1.3 液压传动在机械行业中的应用机床工业磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等工程机械挖掘机、装载机、推土机等汽车工业自卸式汽车、平板车、高空作业车等农业机械联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等轻工机械打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等冶金机械电炉控制系统、轧钢机控制系统等起重运输机械起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等矿山机械开采机、提升机、液压支架等建筑机械打桩机、平地机等船舶港口机械起货机、锚机、舵机等铸造机械砂型压实机、加料机、压铸机等1.4 静液压传动装置的应用静液压传动由于具有无级变速，调速范围宽，可以实现恒扭或恒功率调速，容易实现电控等优点，在工程机械中具有良好的应用前景。但是在铲土运输机械和起重机械中作为主要传动就用却很少，其主要问题是在于国内液压元件质量差，而国外的液压元件价格又太高，会造成主同成本过高。90年代以来，国内已引进了德国林德公司静液压叉车，以及利勃海尔公司静液压推土机的装载机，但在国内市场所占份额很小。从国内工程机械市场的实际出发，本文对静液压传动在国内的推广应用提出探讨性的意见如下：（1）静液压传动叉车在发达国家已经被广泛采用，由于国内部分仓库、码头和工厂等使用部门对叉车的机动性能（尤其是低速性能）、噪声已经有较高的要求，因此这些部门正在成为国内静液压叉车用户。国内叉车和液压元件生产企业应该看到静液压叉车的良好前景，联合研究开发适合我国国情的叉车静液压系统，提供能先进，工作可靠，价格适中的产品。也可以采用与国际静液压元件制造公司联合开发的方式，加快开发的速度。（2）中小型多功能工程机械由于具有挖掘，装载，叉车和起重等多功能，在发达国家已经得到了广泛的应用。随着我国经济建设尤其是城市建设的发展，中小型多功能工程机械也将在我国推广应用，而它们无疑将首先采用静液压传动作为其主要传动装置。国内工程机械企业应该看到中小型多功能工程机械的发前景，联合国内外静液压元件生产企业共同开展对它们的研究开发，以促进中小型多功能工程机械在我国的发展。（3）在国内大型铲土运输和起重机械中，由于配套的静液压与电子控制元件的技术难度大，价格太高，在国内用户中难以接受。因此，在我国暂时不宜将静液压传动研究开发的重点放在与大型铲土运输和起重机械配套上，而应将重点放在上述两类工程机械上。1.5 液压传动的工作原理和组成液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。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。 驱动机床工作台的液压系统是由油箱、过滤器、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、接头等组成。1.5.1 工作原理1)电动机驱动液压泵经滤油器从油箱中吸油，油液被加压后,从泵的输出口输入管路。油液经开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸，推动活塞而使工作台左右移动。液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。2)工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减少，工作台的移动速度减少。由此可见，速度是由油量决定的。 1.5.2液压系统的基本组成1）能源装置液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。2）执行装置液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。3）控制装置液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。4）辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。5）工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。1.6 液压传动的优缺点 1.6.1 液压传动的优点1）在相同的体积下，液压执行装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等功率的情况下，液压执行装置的体积小、重量轻、结构紧凑。液压马达的体积重量只有同等功率电动机的12%左右。2）液压执行装置的工作比较平稳。由于液压执行装置重量轻、惯性小、反应快，所以易于实现快速起动、制动和频繁地换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达到每分钟500次，实现往复直线运动时可达每分钟1000次。3）液压传动可在大范围内实现无级调速（调速比可达1：2000），并可在液压装置运行的过程中进行调速。 4）液压传动容易实现自动化，因为它是对液体的压力、流量和流动方向进行控制或调节，操纵很方便。当液压控制和电气控制或气动控制结合使用时，能实现较复杂的顺序动作和远程控制。5）液压装置易于实现过载保护且液压件能自行润滑，因此使用寿命长。 6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便。 1.6.2 液压传动的缺点 1)液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地要有泄漏，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用，例如螺纹和齿轮加工机床的内传动链系统。2）液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动。3）液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性。因此，在低温和高温条件下，采用液压传动有一定的困难。4）为了减少泄露，液压元件的制造精度要求高，因此，液压元件的制造成本高，而且对油液的污染比较敏感。 5）液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出了更高的要求，既要系统地掌握液压传动的理论知识，又要有一定的实践经验。 6）随着高压、高速、高效率和大流量化，液压元件和系统的噪声日益增大，这也是要解决的问题。 总而言之，液压传动的优点是突出的，随着科学技术的进步，液压传动的缺点将得到克服，液压传动将日益完善，液压技术与电子技术及其它传动方式的结合更是前途无量。 2 液压系统工况分析及系统图的拟定2.1 液压系统的设计要求本组合机床用于钻、扩、铰等孔的加工。动力滑台为立式布置，动力滑台拟采用液压驱动；工件采用机械方式夹紧。课题所设计的液压系统是立式组合机床液压动力滑台液压系统,主要是完成系统原理图和该系统主要零件的结构及有关设计计算。液压泵及叠加式液压元件的选用，液压缸采用双作用液压缸，液压缸作为液压系统的执行元件安装在机床的床身上，与液压供油装置分开布置，避免两者之间形成振动干涉。2.1.1 液压传动系统的技术要求动力滑台工作台工作循环为：快进 工进 快退 停止；平导轨静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1；液压缸活塞的行程:快进行程为150mm,工进行程为250mm.液压执行元件为液压缸，其运动速度大小为： 快进速度：3m/min； 工进速度：0.05mm/s； 加减速时间：0.3s；轴向切削负荷为20000N，移动部件总重力为3000N。2.1.2 工作环境和工作条件组合机床的液压系统应使其工作时运行平稳、可靠，满足工况要求，保证组合机床的可靠性和性能要求。本课题所设计的组合机床在普通车间使用，工作环境要求不高，对环境温度、湿度、尘埃情况没有特殊的要求，液压系统的安装必须稳定，避免对机床产生直接的冲击振动，影响机床加工精度及寿命。本课题设计的液压系统对重量、外形尺寸、经济性没有特殊的要求 ，但必须符合一般的普遍设计原则：重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用维护方便。根据设计任务书要求选择叠加阀系列液压元件。2.2液压系统工况分析 图2-1动力滑台的工作循环图2.2.1 液压系统工况分析，确定主要参数在明确了液压系统的设计要求后，针对设计系统在性能和动作方面的特性，确定设计系统的工作压力，以及计算液压缸的最大行程，工作速度，回程速度等等一些具体的系统主参数 A)分析液压系统工况工况分析是确定液压系统主要参数的基本依据，包括液压执行元件的动力分析和运动分析。阻力负载： Ff=uF （1）式中：Ff-摩擦力；u-摩擦系数；F-工作压力惯性负载：Fm=（2）式中：Fm-惯性力； G-活塞杆的自身重力； g-重力加速度，取10m/s2 -快进速度； -快进时间。启动加速阶段：取液压系统的机械效率为0.9F= （Ff + Fm）=（fs*G+）（3） =（0.23000+） =778N工进阶段：F= （Ff + Fw）=（0.23000+20000）（4） =22889N式中Fw为轴向切削负荷快进阶段： F= =0.23000（5） =667N快退阶段： F= （+ G）=（0.23000+3000） =4000N t/s 动力滑台负载循环图，速度循环图（见图2-2） 2.3 确定液压缸的主要参数1）初选液压缸的工作压力根据计算得出各阶段负载值的最大值，并参考同类机床，取液压缸工作压力为4Mpa。2） 计算液压缸的主要结构参数最大负载为工进阶段负载F=22889N，求得：活塞腔工作时 D= （2-6）式中F-液压缸的最大工作负载（N）。 -作用在活塞上的有效压力（Pa），当无背压时，为系统工作压力；当有背压时，为系统工作压力与背压之差；该设计课题系统背压取为0.6MPa。 -液压缸的机械效率，一般取=0.95。 即 D=9.2310-2m 根据液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值，查表取D=100。因该设计对活塞往复运动的速度比无要求时，常取d=在这里取d=3.07m，查标准值取d=36mm。3) 确定活塞杆的最大行程本设计课题给定了活塞杆最大行程为150+250=400mm。4) 计算液压缸的流量液压缸的流量通过工作速度和液压缸的内径来确定。液压缸的工进速度为V1 =0.05 mm/s，回程速度为V2=3m/min.工进：Q1=V1D12 （2-7）=0.00005m/s0.12=3.92510-7=0.024L/min快退：Q2 = V2D22 （2-8）=m/s(0.12-0.0322)=21.14L/min快进：Q3= V3D32 （2-9）=m/s0.12=3.92510-4=23.55L/min所以泵的最大流量Qmax=23.55L/min.针对不同零件的具体加工要求，系统的流量可以通过控制元件调速阀来调节大小 。2.4 液压传动系统原理图的拟定液压传动系统的草图是从液压系统的工作原理和结构组成上来具体体现设计任务所提出的各项要求，它包括三项内容：确定液压传动系统的类型、选择液压回路和组成液压系统。确定液压传动系统的类型就是在根据课题提供的要求下，参照立式组合机床液压系统的具体特点，选择适合的系统类型。选择液压回路就是在根据课题提供的要求和液压传动系统具体运动特点，选择适合本课题的液压回路。组成液压系统就是在确定各个液压回路的基础上，将各个液压回路综合在一起，根据课题的实际要求，对液压系统草图进行适当的调整和改进，最终形成一个合理有效、符合课题设计要求的液压传动系统原理图。 2.4.1 确定液压传动系统的类型液压传动系统的类型究竟采用开式还是采用闭式，主要取决于它的调速方式和散热要求。一般的设计，凡具备较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统，要求尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积-节流调速的系统，都宜采用开式。在开式回路中，液压泵从油箱吸油，把压力油输送给执行元件，执行元件排出的油则直接流回油箱。开式回路结构简单，油液能得到较好的冷却，但油箱的尺寸大，空气和赃物易进入回路；凡容许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统，对工作稳定和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统都宜采用闭式。在闭式回路中，液压泵的排油管直接与执行元件的进油管相连，执行元件的回油管直接与液压泵的吸油管相连，两者形成封闭的环状回路。闭式回路的特点是双向液压泵直接控制液压缸的换向，不需要换向阀及其控制回路，液压元件显著减少，液压系统简单，用油不多而且动作迅速，但闭式回路也有其缺点，就是回路的散热条件较差，并且所用的双向液压泵比较复杂而且系统要增设补、排油装置，成本较高，故应用还不普遍。本课题设计的液压传动系统类型采用开式液压系统，系统的结构简单。 2.4.2 液压回路的选择液压机械的液压系统虽然越来越复杂，但是一个复杂的液压系统往往是由一些基本回路组成的。液压基本回路就是由有关液压元件组成，能够完成某一特定功能的基本回路。在本设计中选择五种回路，分别为调压回路、调速回路、平衡回路、换向回路和卸荷回路。1) 调压回路调压回路的功用在于调定或限制液压源的最高工作压力，也就是说能够控制系统的工作压力，使它不超过某一预先调定好的数值，或使工作机构在运动过程中的各个阶段具有不同的工作压力。调压控制回路包括连续调压回路、多级调压回路、恒压控制回路等。液压源工作压力级的多少，压力在调节、控制或切换方式上的差异，是这种回路出现多种结构方案的原因，也是对它进行评比、选择时要考虑的因素。该设计选择溢流阀单级调压回路，溢流阀开启压力可通过调压弹簧调定，如果调定溢流阀调压弹簧的顶压缩量，便可设定供油压力的最高值。系统的实际工作压力由负载决定，当外负载压力小于溢流阀调定压力时，溢流阀处无溢流流量，此时溢流阀起安全阀作用。图示2-1油路可靠，价格便宜。 图2-3 调压回路2) 调速回路调速阀调速回路由调速阀、溢流阀、液压泵和执行元件等组成。它通过改变调速阀的通流面积来控制和调节进入或流出执行元件的流量，从而达到调速的目的。这种调速回路具有结构简单、工作可靠、成本低、使用维护方便、调速范围大等优点。用流量控制阀实现速度控制的回路有三种基本方式，节流调速回路分为进口节流调速回路、出口节流调速回路、旁通节流调速回路等。本设计选用单向进油节流调速回路。用溢流阀和串联在执行元件进油路上的调速阀调节流入执行元件的油液流量，从而控制执行元件的速度。基本回路如图2-2所示：图2-4 调速回路3) 平衡回路平衡回路的功用在于防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重而自行下落。下图是一种使用单向顺序阀的平衡平很平衡回路。由图可见，当换向阀左位接入回路使活塞下行时，回油路上存在着一定的背压；只要将这个背压阀调得使液压缸内的背压能支承得住活塞与之相连的工作部件，活塞就可以平稳的下落。当换向阀处于中位时，活塞就停止运动，不在继续下移。这种回路在活塞向下快速运动时功率损失较大，锁住时活塞和与之相连的工作部件会因单向顺序阀和换向阀的泄漏而缓慢下落；因此它只使用于工作部件重量不大、活塞锁住时定位要求不高的场合。图2-5 平衡回路 4) 换向回路往复直线运动换向回路的功用是使液压缸和与之相连的主机运动部件在其行程终端处迅速、平稳、准确地变换运动方向。简单的换向回路只须采用标准的普通换向阀。 5) 卸荷回路卸荷回路的功用是在液压泵驱动电机不须频繁启闭的情况下，使液压泵在零压或很低压力下运转，以减少功率损失，降低系统发热，延长液压泵和电机的使用寿命。图2-6 卸荷回路 2.4.3拟定液压传动系统原理图一个液压传动系统都是由许多的回路组合而成，所以将上面的几个液压回路组合在一起.。再根据本设计课题的实际要求采用叠加阀技术，故将所选液压元件转换成叠加阀系列元件，并对液压系统传动原理图进行必要的修改和整理，拟定出完整的符合要求的液压系统原理图。经过修改、整理后的液压系统图如图2-7所示，它在各方面都比较合理、完善了，能够基本达到本课题的设计要求。图 2-7 液压系统原理图3液压元件的选择根据系统要求和设计方案，选择合适的液压元件，对液压系统有很大的影响，所以对液压元件应合理的选择。 3.1 确定液压油泵液压泵是系统的能源装置，它给系统提供压力油，在液压系统中起心脏作用，液压泵的选择是否恰当，直接影响系统的工作性能。1) 确定液压泵的最大工作压力PP.PPP1+P(2-5)式中：P1液压缸的最大工作压力MPa; P从液压泵出口到液压缸的入口之间总的管路损失。可以按实验数据选取，管路简单，流速不大的取P=（0.20.5）MPa,管路复杂，进口有调速阀的取P=（0.51.5 MPa）；结合系统图选取P=0.8MPa，所以，PP4+0.8 =4.8 MPa；2) 确定液压泵的流量液压缸的输出流量为Qpk(max)3s,（2-6）式中：k系统泄漏系数,一般取k=1.11.3; max同时动作的液压缸的最大总流量，对于在工作过程用节流调速的系统，还须加上溢流阀最小溢流量，一般取0.510-4m3/s, 所以 Qp =1.2（23.55L/min+0.510-4m3/s）=1.226.55 L/min=31.86 L/min;3) 选择液压泵和电动机的规格根据以上求得的PP和Qp值，按系统中拟定的液压泵形式，从手册中查得相应的液压泵，不同类型和规格的液压泵，其额定工作压力也不同。选择液压泵的额定工作压力时，选取的额定压力要比最大工作压力大25%左右，以便留出适当的压力储备。电动机的选择要与泵相配合，以满足泵的要求， 根据压力和流量的不同选择液压泵和电动机。设计要求该系统工作效率高，发热少，能耗低，结构简单，因此该设计选择YB型变量叶片泵（型号为YBX-AN），根据机械设计手册单行本液压传动中查得。同时由产品样本查的此泵驱动功率为3.5KW，此值完全能满足系统需要。选择驱动电机型号为Y132M4型，其额定功率为7.5KW，转速为1440r/min。3.2 叠加阀简介及选择 根据液压泵的工作压力和通过阀的实际流量，选择各种液压元件和辅助元件的规格。1) 概述叠加阀是在板式阀集成化的基础上发展起来的新型液压元件，但它在配置形式上和板式阀、插装阀截然不同。叠加阀是安装在板式换向阀和底板之间，由有关的压力、流量和单向控制阀组成的一个集成化控制回路。每个叠加阀除了具有液压阀功能外，还起油路通道的作用。因此，由叠加阀组成的液压系统，阀与阀之间不需要另外的连接体，而是以叠加阀阀体作为连接体，直接叠合再用螺栓结合而成。叠加阀与一般阀在工作原理上基本相同，但在具体结构和连接方式上有其特点，因而它自成体系。每个叠加阀既起到控制元件功能作用，又起油路通道的作用。每种规格通径的叠加阀主油路的位置和数量都与相应通径主换向阀相同。因此，同一通径系列的叠加阀都可以叠加起来组成不同的系统。通常一个液压系统可以叠成一叠或多叠。在每叠中，液压系统的主换向阀安置在最上面；与执行部件连接用的底板块放在最下面；叠加阀均安放在换向阀与底板块之间，其顺序按液压传动系统的动作要求而定。国内生产的叠加阀通径有6、10、16、20和32五个系列，公称压力系列为10、20和31.5Mpa，其中以20Mpa的产品产量较大，我国生产的叠加阀连接尺寸符合ISO4401国际标准。生产企业有大连组合机床研究所、江苏海门液压件厂、河北保定液压件厂和浙江象山液压件厂等。2) 叠加阀组成的液压系统的优点：a.标准化、通用化、集成化程度高；b.结构紧凑、体积小、重量轻、占地面积小；c.设计、加工、装配周期短；d.液压系统改变而需增减元件时，重新组装方便迅速；e.元件之间是无管连接，消除了因油管、管接头等引起的漏油、振动和噪声；f.配置形式灵活、使用安全可靠、外观整齐美观、维修保养容易；g.采用我国叠加阀组成的集中供油系统节电效果显著。3) 叠加阀的选用用油管和管接件将液压元件连接起来，是过去应用最广泛的一种连接形式。这种连接形式需要的油管和管接头数量较多，装拆困难，占用空间大，空气容易进入，目前已经很少采用。随着液压技术的不断发展，目前多数采用无管连接。其中一种方法就是将液压阀元件安装在通用的底板上，在板内钻孔作为回路的通油孔。通油板寿命长，泄露少，不易出故障，维修方便，但要钻孔深，液阻损失较大，占用面积也较大，追加元件较困难；另一种方法是将液压阀元件叠加起来安装在底板上，在液压阀和底板内钻孔作为回路的通油孔，称为液压叠加阀回路。其通路不用管连接，目前已经趋于标准化。根据液压系统的工作压力和通过阀类元件和辅助元件的实际流量，结合本课题设计要求，选出液压元件的具体型号和规格，见表2-1 序号名称通过流量型号规格1溢流阀40L/minYF-B102电动单向调速阀40L/minLF-B10C3压力表开关4K-F10D-120Mpa4电磁换向阀60L/min34BO-10B16Mpa5单向顺序阀40L/minXA-Fa10D-B20Mpa表2-1 元件的型号及规格3.3 管件的选择及计算1) 管路、管接头的选择管件包括管道和管接头。液压系统中元件与元件之间的连接，液压能量的输送是借助于硬管、软管、油路块及连接板中的流道来实现的。本设计系统中采用精密无缝钢管（GB/T3639-1983），因其能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好；卡套式管接头适用于油、气及一般腐蚀性介质的管路系统。这种管接头结构简单、性能良好、重量轻、体积小、使用方便、不用焊接，是液压系统中较为理想的管路连接件。因此钢管的接头采用卡套式锥螺纹直通管接头按（GB/T 3734.1-1983）选取，这些钢管均要求在退火状态下使用，管道连接采用55非密封管螺纹， 液压元件及其连接板油口主要使用米制螺纹中的普通细牙螺纹（M）和米制锥螺纹（ZM）。细牙螺纹的密封性好，常用于高压系统，但需采用组合垫圈或O型密封圈进行端面密封。2) 确定油管的内径油管的管径不宜选得过大，以免使液压装置的结构庞大；但也不能选得过小，以免是管内液体流速加大，系统压力损失加大或产生振动和噪音，影响正常工作。在强度保证的情况下，管壁可尽量选的薄些。薄璧易于弯曲，规格较多，装接较易，采用它可减少管系接头数目，有利于解决系统的泄漏问题。液压系统中的泄漏问题大部分出现在管系中的接头上，为此对接头形式的确定，管系的设计及管道的安装应具体考虑。管道的内径d= （2-7）式中：Q-通过管道的流量；m3/s V-管内允许流速；m/s表2-2 允许流速的推荐值液体流经的管道推荐速度m/s液压泵吸油管道0.5-1.5，一般常取1 m/s液压系统压油管道3-6，压力高，管道短，粘性小，取最大值液压系统回油管道1.5-2.6所以：液压泵吸油管道：d1=0.0224m液压系统压油管道：d2=0.009m液压系统回油管道：d3=0.018m4 液压缸及油箱的设计液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。液压缸在液压系统中的作用是将液压能转变成机械能，使机械实现直线往复运动或小于360o的往复摆动运动。液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。 4.1液压缸常用类型随着液压技术的飞速发展和普遍应用，液压缸的类型也逐渐繁多。液压缸可分为推力液压缸和摆动液压缸，推力液压缸又可以分为活塞缸、柱塞缸两类，活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度。本设计课题为组合机床液压机，专门传递推力，属于中压缸。柱塞缸只能实现一个方向的运动，反向运动要靠外力。通常成对反向布置使用，这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，不但结构复杂，而且动作不够灵敏，不能满足本设计的要求；双作用单活塞杆液压缸结构简单，制造便宜，容易操作，安装面积小，可以满足力和运动的要求。综上所述，液压缸选用单作用活塞缸。双作用单活塞杆液压缸的活塞、活塞杆和导向套上都装有密封圈，因而液压缸被分隔为两个互不相通的油管，当活塞腔通入高压油而活塞杆腔回油时可实现工作进程，当从反方向进油和回油时可实现快速回程。 4.2 液压缸主要零部件设计 通用液压缸用途广泛，适用于机床、车辆、重型机械、自动控制等机械的液压传动。已有国标和国际标准规定其安装尺寸。液压缸的结构基本上可以分为缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封装置、导向装置和缓冲装置等。在设计过程中，根据要求结合实际设计要求设计出结构合理，并能实现工作要求的液压缸。1) 缸筒的设计a.缸筒结构和材料通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素。缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。该设计液压缸筒采用45号钢，缸筒和缸盖之间连接用螺栓连接，虽然外形尺寸较大，重量大，但结构通用性好，缸体加工容易，装卸方便，能充分满足设计要求。b.对缸筒的要求：缸筒要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形；缸筒要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲；缸筒内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公差等级和形位公差等级足以满足活塞密封件的密封性；需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形。c.缸筒的强度校验在前一节中我们已经确定了缸筒的外径和内径，分别为120mm和100mm，现在我们来校验它的强度。额定工作压力Pn应低于一定极限值，以保证工作安全即：Pn 0.35 Mpa （2-8） 式中：Pn-液压缸额定压力D1-缸外径 D-缸内径 s-材料的极限应力 s =340MPa 所以 Pn 0.35340 =36.4Mpa本设计课题给定的Pn为4.8Mpa，所以缸筒工作安全。d.液压缸固定螺栓直径校核ds （2-9）式中： Z- 固定螺栓数，取Z=6(均布) ；F-液压缸负载；k-螺纹拧紧系数k=1.12-1.5，这里取1.2；-s/(1.22.5), s为材料的屈服极限 因为：Z取得较小的值时，螺栓的直径将会变大，从而加大安装空间，可能会发生安装是干涉的情况；如果Z值取得太大，则势必加大调整时的难度，经过综合考虑，这里取Z=6。所以：ds=4.17mm在该设计中选取标准值为16mm。根据实际情况，选取普通圆柱螺栓。由机械设计指导查的该螺栓的规格为M1680。e.缸筒制造加工要求热处理：调质，硬度为HB241285。缸体内表面镀铬，厚度为30-40,镀后需进行研磨。缸筒内径D的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差值应该按照8级精度选取。缸筒端面对内径的垂直度公差值可按照7级精度选取。2) 缸盖的设计缸盖分为左缸盖和右缸盖。缸盖的材料为铸铁a.缸盖的尺寸的确定缸盖的尺寸是由导向套、缸筒、活塞杆及固定装置的尺寸来确定。其法兰的尺寸由安装条件确定。缸盖与缸筒的内壁的接触面为其定位基准。缸盖与缸体的内壁接触处采用了O型密封圈进行密封。为了保证缸盖与缸筒两者轴线的同轴度，其装配面要经过磨削加工，且要保证柱面轴线与法兰面的加工表面有一定的垂直度要求。左缸盖的进油口安置在上方，而右缸盖的出油口安排在侧面，为了防止漏油，采用直角油管接出，详见下面的图。b.缸盖的技术要求缸盖的内孔和外圆的圆柱度公差值，应该按照9、10或者11级精度选取。 缸盖的零件图具体如下图2-8左缸盖图2-9右缸盖3) 活塞的设计由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；配合过大，会引起液压缸内部泄漏，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。a.活塞结构型式与材料根据密封装置型式来选用活塞结构型式。液压缸的内径和其受力大小来决定。活塞材料用耐磨铸铁，活塞与缸筒之间的密封圈用0型密封圈， 0型密封圈耐高压，耐磨性好，低温性能好。b.活塞尺寸及加工公差 活塞的宽度一般为活塞外径的0.61.0倍。活塞的外径应略小于缸筒的内径，活塞与缸筒之间是用密封圈来连接的，因为缸筒的内径为100，则取活塞的外径为100，其内孔的大小是根据与之相配合的活塞杆的直径来确定的。活塞外径的配合一般采用f9，外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差一半，Ra视结构型式不同而各异。活塞杆的直径的确定见下一节。根据密封圈的大小来确定槽的深度和宽度。密封圈的选定根据液压工程手册来选。活塞的零件图如图2-10所示： 4) 活塞杆的设计a.活塞杆的结构与材料活塞杆的材料选用45号钢，实心结构同时对活塞杆进行淬火，淬火深度为0.51mm。其两个端部均采用螺纹连接，当活塞杆的端部为螺纹连接时，其尺寸可依据GB2350-80液压缸、气缸活塞杆螺纹尺寸系列查表求得。b.活塞杆尺寸的确定前面已经求得活塞杆的最大直径为80mm，根据类比可知符合稳定性要求，活塞杆的总长要根据油缸的行程来确定，本课题的油缸行程为400，再综合其它方面的要求，我选取活塞杆的总长为600。c.活塞杆的技术要求:活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为229-285HB，必要时，再经高频淬火，硬度达到HRC45-55。活塞杆上的螺纹，一般应该按照6级精度加工，如载荷较小，机械振动也较小时，允许按照7级或者8级精度制造。活塞杆的外圆粗糙度Ra值一般为0.10.3。太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑，因此该设计选取为0.16。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚度为0.030.05，并进行抛光或磨削加工。活塞杆的零件图及具体形状如图2-11所示 5) 密封装置的设计a.活塞与缸筒之间的密封活塞与缸筒之间的密封圈用耐高压，耐磨性好，低温性能好的O型密封圈,O型密封圈对于作往复运动的活塞密封效果好。b.其他密封装置端盖和缸筒之间属于静密封，用石棉密封，其他的密封都采用了不同安装型号的O型密封圈进行密封。6) 导向套的设计活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。导向套的典型结构形式有轴套式和端盖式两种，本设计采用轴套式。a.导向套的材料及尺寸的确定导向套长度过短，将使缸因配合间隙引起的初始挠度增大。影响液压缸的工作性能和稳定性，因此，设计必须保证缸有一定的最小导向长度，一般缸的最小导向长度应满足： H 式中：S-为液压缸的最大行程，S=150;D-为液压缸筒内径,D=105;H-为导向套最小导向长度；所以， mm设计中导向套采用两个导向段，每段宽度为d/3，两段中线间距离2d/3。最终根据设计要求的需要，选择导向套的长度为75。金属导向套一般采用磨损系数小、耐磨性好的青铜材料制作。因此，这里采用了锡青铜这种材料。b.导向套的加工要求导向套外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7；内孔与活塞杆外圆的配合为H9/f9；外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03,圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半，内孔有环形槽装防尘圈，导向套与端盖内侧接触处采用O型密封圈密封；导向套的表面粗糙度Ra为0.631.25。导向套的零件图如2-12图所示： 7) 缓冲装置的设计缓冲装置的工作原理是使缸筒低压腔内油液通过节流把动能转换为热能，热能则由循环的油液带到液压缸外。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端实现速度的递减，直至为零。变节流型缓冲装置在缓冲过程中通流面积随缓冲过程的变化而变化，缓冲腔内的缓冲压力保持均匀或按一定的规律变化，能取得满意的缓冲效果，该设计采用变节流型缓冲装置的锥形的型式4.3 油箱的设计4.3.1 油箱的容量设计油箱的作用主要是储备油，此外，因为油箱有一定的表面积，能够散发油液工作时产生的热量；同时还具有沉淀油液中的污物，使渗入油液中的空气逸出，分离水分的作用；有时它还兼作液压元件和阀块的安装台等功能。本课题设计的油箱为分离式油箱，单独设计，与主机分开，减少油箱的发热和液压系统振动对主机工作精度的影响。油箱的有效容积及尺寸的确定油箱有效容量一般为泵每分钟流量的37倍。对于行走机械，冷却效果比较好的设备，油箱的容量可选择小些；对于固定设备，空间、面积不受限制的设备，则应采用较大的容量。油箱中油液温度一般推荐3050。液压油箱有效容积V的确定，其主要依据就是保证泵有足够的流量。又因为设备停止后，设备中的那部分油液会因为重力作用而流回油箱，为防止液压油液从油箱中溢出，油箱中的液压油位不能太高，一般不应超过液压油箱高度的80%。计算公式：V=QV （2-10） 式中：V-油箱的有效容积（m3） -经验系数，见表2-3 Qp-液压泵的流量（m3/min） 表2-3经验系数系数类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械12245761210 已知： Qp =2.35510-2 m3/min经验系数6所以： V=Qp62.35510-21.41310-1 m3因此圆整后油箱的有效容积选取V250L，根据机械设计手册单行本液压传动中查得油箱的外形尺寸长、宽、高分别为1010、620、670mm。分离式油箱一般用2.54mm钢板焊成。箱壁愈薄，散热愈快，大尺寸油箱要增加焊角