卧式双面多轴钻孔组合机床液压系统设计说明书.doc
卧式双面多轴钻孔组合机床液压系统设计【8张CAD高清图纸和文档】【YC系列】
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摘 要本次毕业设计的是卧式双面多轴钻孔组合机床液压系统设计，多轴钻床俗称多轴器、多孔钻或多轴钻孔器，是一种用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备，常用于机械制造厂和修配厂加工中小型工件的孔。在生产中液压专用钻床有着较大实用性，可以以液压传动的大小产生不同性质的钻床。此次设计主要是将自己所学的知识结合辅助材料运用到设计中，巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般步骤和方法，正确合理的确定执行机构，选用标准液压元件，能熟练的运用液压基本回路，组成满足基本性能要求的液压系统。在设计过程中最主要的是图纸的绘制，这不仅可以清楚的将所设计的内容完整的显示出来，还能看出所学知识是否已完全掌握了。整个设计过程主要分成六个部分：参数的选择、方案的制定、执行元件的设计、图的编制、钻床液压系统的设计以及最后有关的验算。主体部分基本在执行元件和液压系统的设计两部分中完成的。关键词：多轴钻床，液压系统，液压缸AbstractThe graduation project is a combination of horizontal drilling-sided multi-axis machine tool hydraulic system design, known as multi-axis multi-axis drilling, drilling porous or multi-axis drilling, is a field for mechanical drilling, tapping machine tools, commonly used in machinery manufacturing and repair shop machining holes small and medium workpiece.In the production of special hydraulic drilling machine has a greater practicality, the size of the hydraulic drive can generate drilling different nature. The design is to combine the knowledge they have learned in the supplementary material applied to the design, to consolidate and deepen the knowledge already learned to master the general steps and hydraulic system design and calculation methods, the correct determination of reasonable executive body, the choice of standard hydraulic components, energy skilled use of hydraulic basic circuit components to meet basic performance requirements of the hydraulic system. In the design process, the most important is to draw drawings, which not only can clearly designed content will be displayed intact, but also to see whether the knowledge has been completely mastered.Throughout the design process is divided into six parts: selection parameters, program development, design actuator design, the preparation of graphs, drilling and hydraulic systems related final checking. Basically completed the main part in the design and implementation of the components of the hydraulic system of two parts.Keywords: Multi-axis drilling, Hydraulic systems, Cylinder目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题背景11.2国内外发展和研究状况11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状11.3国内外发展的趋势2第2章 工况分析32.1设计要求32.2系统工况分析32.2.1 运动分析32.2.2 负载分析4第3章 液压系统总体设计63.1确定主要参数63.1.1液压缸的工作压力的确定63.1.2 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定73.1.3 液压缸工况图的绘制83.2液压系统方案选型与分析103.2.1方案分析103.2.2方案确定113.3液压回路选择113.3.1工作台部分113.3.2夹紧部分133.3.3组成液压系统原理图13第4章 液压缸的设计154.1 液压缸的主要零件确定及其技术要求154.1.1 缸体154.1.2 缸盖154.1.3 活塞154.2液压缸主要尺寸的确定164.2.1 液压缸壁厚和外径的计算164.2.2 液压缸工作行程的确定174.2.3 缸盖厚度的确定184.2.4 最小导向长度的确定184.2.5 缸体长度的确定194.2.6 固定螺栓得直径194.2.7 液压缸强度校核194.3 液压缸的结构设计204.3.1 缸体与缸盖的连接形式214.3.2 活塞杆与活塞的连接结构214.3.3 活塞杆导向部分的结构224.3.4 密封装置234.3.5 缓冲装置244.3.6 排气装置254.3.7 液压缸的安装结构25第5章 液压元件的计算和选择275.1确定液压泵和电机的规格275.2 油箱的设计275.2.1液压油箱有效容积的确定275.2.2液压油箱的外形尺寸275.2.3液压油箱的结构设计285.3阀类元件和辅助元件的选择285.4其它元件的选择295.4.1过滤器的选择295.4.2 压力表及压力表开关的选择305.4.3 液位计的选择305.4.4油管的选择30第6章 液压系统的验算326.1 压力损失的验算326.2发热温升的验算34致 谢36参考文献3737卧式双面多轴钻孔组合机床液压系统设计第1章 绪论1.1 选题背景多轴钻床俗称多轴器、多孔钻或多轴钻孔器，是一种用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备，常用于机械制造厂和修配厂加工中小型工件的孔。而液压系统优点多应用也很广泛，一般用于液压传动。在一般工程机械、加工机械、压力机械、机床等，行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等，发电厂涡轮调速装置、测量浮标、升降旋转舞台等，军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等。随着现代加工行业在我国的迅速发展，数控钻床在制造业仲应用越来越广泛，所以数控钻床的研制和推广是加速机械工业技术革命的有效途径之一，成为了推动生产发站内信的重要设备。液压技术作为实现现代传动与控制的关键基础技术之一，已成为各行各业重要的技术基础。而液压元件及其控制已发展成为综合的液压工程技术。利用液压技术可在较宽范围内进行无级调速，具有良好的换向及转接功能，易于实现工作循环等优点，完成工件及刀具的夹紧，控制进给速度和驱动主轴作业。易管现代数控机床、加工中心等先进制造设备中采用机电伺服系统，但采用液压传动与控制仍然是现代金属切削机床自动化的重要途径。1.2国内外发展和研究状况1.2.1 国外研究现状在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 (Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.2.2 国内研究现状我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大量的通用机床不可能全部淘汰。 因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.3国内外发展的趋势根据钻床行业18家骨干企业上报的经济信处统计资料显示，2008年钻床行业的经济运行情况基本良好，主要经济指标仍保持增长的态势，但相比2002年以来机床行业的持续高速增长，增速明显减缓。2008年1-4季度完成工业总产值(现价)74.37亿元，比上年增长15.2%；产品销售产值71.48亿元，比上年增长17.1%；利税总额10.7亿元，比上年增长7.3%。生产情况分析：受金融危机的影响，自2008年8月份，之后多数企业的产量出现了下滑，库存量增加，后续合同减少。企业的经营面临着巨大的挑战。出口情况分析：由于金融危机对北美、欧洲以及南美等国的货币汇率波动的影响较大，汇率的不稳定，造成市场需求出现萎缩，国外客户购买能力下降，使机床出口量持续下滑。总的来说钻床行业呈现如下发展趋势：1）高速度与超精度化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量。2）高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制 造商和数控机床制造商追求的目标。3）多功能化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此数控机床实现了一机多能，以最大限度地提高设备利用率。4）多轴化 随着 5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数 控钻床已经成为当前的一个开发热点。5）网络化 数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。6）柔性化、智能化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济 性方向发展。7）绿色化 目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上。第2章 工况分析2.1设计要求设计一台卧式双面多轴钻孔组合机床的液压系统。要求两面钻削头同时，能实现快进、工进、死挡块停留、快退、停止的自动循环。要求参数如下：轴向切削力：F=45000N；行程：快进行程300mm，工进行程200mm；运行速度：V快进=V快退=4m/min、V工进=45mm/min；工作部件重量估计为G=10000N；摩擦系数：静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fa=0.1；液压缸机械效率：；往复运动的加速和减速时间要求不大于0.2s。2.2系统工况分析2.2.1 运动分析多轴钻床俗称多轴器、多孔钻或多轴钻孔器，是一种用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备，常用于机械制造厂和修配厂加工中小型工件的孔。此处设计要求设计的卧式多轴钻床液压系统，根据设计要求，该卧式双面多轴钻孔组合机床的工作循环可分解为：其动力部件实现的工作循环是：动力部件快进动力部件工进保压停留动力部件快退动力部件停止；夹紧部件实现的工作循环是：夹紧部件快速靠近零件夹紧部件保压夹紧夹紧部件快速返回夹紧部件停止。快进、快退速度为：V快进=V快退=4m/min；工进速度为：V工进=0.045m/min绘制运动部件的速度循环图如图2-1所示。图2-1 速度循环图2.2.2 负载分析液压缸所受外载荷F包括三种类型，分别为工作负载、摩擦阻力负载、惯性负载即：F = Fw+ Ff+ Fa1）工作负载Fw对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力，在本设计中工进工作负载即为轴向切削力故：Fw=45000N2）导轨摩擦阻力负载Ff启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于平行导轨Ff可以由下式求的：Ff = f ( G + FRn ) G 运动部件重力1000N； FRn 垂直于导轨的工作负载，此设计中为零； f导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。求得Ffs = 0.210000N = 2000NFfa = 0.110000N = 1000N上式中Ffs 为静摩擦力，Ffa 为动摩擦力。3）运动部件速度变化时的惯性负载FaFa = 式中g重力加速度； 加速或减速时间，本设计中要求不大于0.2s，取=0.1s； 时间内的速度变化量。故：Fa = N =680.3N根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载（见表2-1），并画出如图2-2所示的负载循环图。表2-1工作循环各阶段的外负载序工作循环外负载F(N)1启动、加速F = Ffs + Fa2680.32快进F = Ffa10003工进F = Fw+ Ffa460004快退启动加速F = Ffs + Fa2680.35快退F = Ffa1000图2-2 负载循环图第3章 液压系统总体设计3.1确定主要参数3.1.1液压缸的工作压力的确定执行元件的工作压力可以根据负载循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型了确定（见表3-1和表3-2）。表3-1 按负载选择执行元件的工作压力负载/ KN50工作压力/MPa0.811.522.5334455表3-2 各种机械常用的系统工作压力设备类型机 床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械等磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力0.82.0352881010162032所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为46000N，其它工况时的负载都相对较低，参考表3-1和表3-2按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力。在镗孔加工时，为了防止孔被镗通时负载突然消失而产生的镗头前冲，液压缸回油腔应有一定的背压，查液压工程手册（回油路带背压阀）取背压为。表3-3 执行元件背压的估计值系 统 类 型背压p1 （MPa）中、低压系统08MPa简单的系统和一般轻载的节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的调速系统0.50.8回油路带背压阀0.51.5采用带补液压泵的闭式回路0.81.5中高压系统816MPa同上比中低压系高50%100%高压系统1632MPa如锻压机等出算可忽略3.1.2 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定为了节省能源宜选用较小流量的油源。利用单活塞缸差动连接满足快进速度的要求，且往复快速运动速度相等，这样就给液压缸内径D和活塞杆直径d规定了的关系。由此求得液压缸无杆腔面积为:活塞杆直径可以由值算出，由计算所得的D与d的值分别按表3-4和表3-5圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。表3-4 液压缸内径尺寸系列 (GB2348-1980) (mm)810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630注：括号内数值为非优先选用值表3-5 活塞杆直径系列 (GB2348-1980) (mm)45681012141618222252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400由GB/T2348-1980查得标准值为D=125mm，d=90mm。由此计算出液压缸的实际有效面积为:对选定后的液压缸内径D，必须进行稳定速度的验算。要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效工作面积，即A = 式中 流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得。 液压缸的最低速度，由设计要求给定。如果液压缸节流腔的有效工作面积A不大于计算所得的最小有效工作面积，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸的内径，以满足速度稳定的要求。按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度，由式（3-4）可得A=cm2 =10cm2式中qmin是由产品样品查得GE系列调速阀AQF3-E10B的最小稳定流量为0.05L/min。调速阀安装在进油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应该选取液压缸无杆腔的实际面积，即A = A1 = 122.7cm2可见上述不等式满足，液压缸能够达到所需低速。3.1.3 液压缸工况图的绘制油缸各工况的压力、流量、功率的计算如下：（1）计算各工作阶段液压缸所需的流量（2）计算各工作阶段液压缸压力快速进给时液压缸做差动连接。由于管路中有压力损失，取此项损失为P= P2- P1=0.5MPa，同时假定快退时回油压力损失为0.5MPa。（3）计算各工作阶段系统输入功率根据以上数据，可以计算出液压缸在一个工作循环各阶段的压力、流量和功率，如表3-6所示，并根据此绘制出其工况图如图3-1所示。表3-6液压缸在不同阶段所需压力、流量和功率工作阶段系统负载/N回油腔压力/MPa工作腔压力/MPa输入流量q/L/min输入功率P/W快速前进1111.11.0360.69325.44176工作进给51111.11.04.655.52257快速退回1111.10.51.2323.64291注：取液压缸机械效率图3-1 液压缸的工况图3.2液压系统方案选型与分析3.2.1方案分析（1）以速度变换为主的液压系统 1）能实现工作部件的自动工作循环，生产率高； 2）快进与工进时，其速度与负载相差较大； 3）要求进给速度平稳、刚性好，有较大的调速范围； 4）进给行程终点的重复位置精度高，有严格的顺序动作。（2）以换向精度为主的液压系统 1）要求运动平稳姓高，有较低的稳定速度； 2）启动与制动迅速平稳、无冲击，有较高的换向频率（最高可达150次/min）；3)换向精度高，换向前停留时间可调。（3）以压力变换为主的液压系统 1）系统压力要经常变换调节，且能产生很大的推力； 2）空程时速度大，加压时推力大，功率利用合理； 3）系统多采用高低压泵组合或恒功率变量泵供油，以满足空程与压制时，其速度与压力的变化。（4）多个执行元件配合工作的液压系统1）在各执行元件动作频繁换接，压力急剧变化下，系统足够可靠，避免误动作；2）能实现严格的顺序动作，完成工作部件规定的工作循环；3）满足各执行元件对速度，压力及换向精度的要求。3.2.2方案确定卧式双面多轴钻孔组合机床的主要部件是动力滑台。动力滑台其中的液压滑台是利用液压缸将泵站所提供的液压能转变成滑台运动所需的机械能。它的液压系统的特点是驱动功率一般属于中小功率，速度变化范围大，附在变化也大。为了保证加工元件的表面质量，要求液压系统的速度稳定性要好，所以选择以速度变换为主的液压系统作为卧式双面多轴钻孔组合机床的液压系统。根据工况分析，所设计双面钻床对调速范围、低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。3.3液压回路选择3.3.1工作台部分（1）调速方式的选择由于机床液压系统调速是关键问题，因此首选调速回路。有工况图可知：所设计的机床液压系统功率小，为了防止孔被钻通时负载突然消失而产生的钻头前冲，液压缸回油腔应有一定的背压，故可采用回油路调速阀调速回路。（2）调速与速度换接回路这台机床的液压滑台工作进给速度低，传递功率也较小，很适宜选用节流调速方式，由于钻孔时切削力变化小，而且是正负载，同时为了保证切削过程速度稳定，采用调速阀进口节流调速，为了增加液压缸运行的稳定性，在回油路设置背压阀，分析液压缸的V-L曲线可知，滑台由快进转工进时，速度变化较大，选用行程阀换接速度，以减小压力冲击。图3-2调速与速度换接回路从工况图上可以清楚地看到：整个工作循环过程中，液压缸要求交替提供快行程的低压大流量和慢行程的高压小流量油液。最大流量与最小流量之比约为24。而快进、快退所需时间为：工进时间为：则有：因此该液压系统运行过程中99.9%的时间处于小流量工进状态，从降低成本的角度出发，不宜选用双联泵，只需用单个定量泵就可以。现确定定量泵方案如图3-3所示。图3-3 泵供油油源（3）换向回路此双面钻床快进时采用液压缸差动连接方式，使其快速往返运动，即快进、快退速度基本相等。滑台在由停止转快进，工进完毕转快退等换向中，速度变化较大，为了保证换向平稳，采用有电液换向阀的换向回路，由于液压缸采用了差动连接，电液换向阀宜采用三位四通阀，为了保证机床调整时可停在任意位置上，现采用中位机能O型。快进时，液压缸的油路差动连接，进油路与回油路串通，且又不允许经背压阀流回油箱。转为工进后进油路与回油路则要隔开，回油则经背压阀流回油箱，故须在换向阀处、在进、回路连通的油路上增加一单向阀，在背压阀后增加一液控顺序阀，其控制油与进入换向阀的压力油连通，于是快进时液压缸的回油被液控顺序阀切断（快进空行程为低压，此阀打不开），只有经单向阀与进油汇合，转工进后（行程阀断路），由于调速阀的作用，系统压力升高，液控顺序阀打开，液压缸的回油可经背压阀回油箱，与此同时，单向阀将回油路切断，确保液压系统形成高压，以便液压缸正常工作。绘出该部分回路图。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用行程开关做终点转换控制。图3-4换向回路3.3.2夹紧部分本系统采用了电磁阀换向控制系统动作迅速，由二位二通电磁阀控制。保证工作迅速可靠。油泵也采用变量泵供油，在夹紧过程中，压力较低，流量较大，当夹紧后需要压力较高。流量较小，排油量随压力变化的限压式变量泵正好满足这种要求。同时可减少功率损失，降低温升。夹紧后，系统压力升高，达到压力继电器调定值后，压力继电器发出信号，开始工进。3.3.3组成液压系统原理图根据上面选定的基本回路，在综合考虑设计要求，便可组成完整的液压系统原理图，如图3-5所示。图3-5 双面钻床液压系统图第4章 液压缸的设计液压缸是液压传动系统中的执行元件，用来实现工作机构直线往复运动或小于360摆动运动的能量转换装置。活塞缸结构简单、工作可靠，因此在液压系统中得到了广泛的使用。在完成了液压系统的设计后，还必须对主要参数进行计算与校核，确定液压缸的材料，并对液压缸各部分的结构进行了设计。4.1 液压缸的主要零件确定及其技术要求4.1.1 缸体液压缸缸体的常用材料一般为20、35、45号无缝钢管，铸铁可采用HT200HT350间的几个牌号或球墨铸铁。由于球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳强度，也具有良好的塑性和韧性，其屈服度比钢高。因此，球墨铸铁制造承受静载荷的构件比铸钢节省材料，重量也轻。所以本设计的液压缸采用Q235。铸件需进行正火消除内应力处理。1）缸体的内径因为须与活塞配合，防止漏油，所以要尽量减少表面粗糙度，可采用H8、H9配合。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，且均需研磨。 2）缸体内径的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差应按8级精度选取。3）缸体端面的垂直度公差可按7级精度选取。4）缸体与缸头采用螺纹连接时，螺纹应用6级精度的米制螺纹。5）当缸体带有耳环或轴销时，孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线垂直公差值按9级精度选取。此液压缸体的外径需要与机架配合，应进行加工，且与中心线同轴度的要求。装卸时需把吊环螺栓吊起。所以缸体端部选用螺纹连接，螺纹连接径向尺寸小，质量轻，使用广泛。装卸需用专用工具，安装时应防止密封圈扭曲。4.1.2 缸盖本液压缸采用在缸盖中压入导向套，缸盖选用HT200铸铁，导向套选用铸铁HT200，以使导向套更加耐用。4.1.3 活塞液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁，灰铸铁，钢及铝合金等。本设计液压缸活塞材料选用45号钢，需要经过调质处理。1）活塞外径D对内孔d的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。2）端面T对内径d轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。3）外径D的圆柱度公差值，按9、10、11级精度选取。4）活塞与缸体的密封结构由前可以选用O型密封圈。4.2液压缸主要尺寸的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。所以设计时，可用类比法来确定。液压缸的工作压力，缸筒内径 D=125mm，活塞杆外径d=90mm。4.2.1 液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指液压缸中最薄处的厚度。从材料力学可以知道，承受内压力的圆筒，其内应力分别规律因为壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般采用无缝钢管，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒壁厚公式计算 式中 液压缸壁厚（m）。 D液压缸内径（m）。 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）。额定压力16Mpa,取=1.5 MPa。 缸筒材料的许用应力。 = ，其中为材料抗拉刚度，n为安全系数，一般取n = 5。的值为：锻钢： = 110120 MPa；铸钢： = 100110 MPa；无缝钢管： = 110110 MPa；高强度铸铁： = 60MPa；灰铸铁： = 25MPa。在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使得液压缸的刚度往往不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或者漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式公式进行校核。对于D/10时，应该按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。对于脆性材料以及塑性材料 式中的符号意思与前面相同。液压缸壁厚算出后，即可以求出缸体的外径为： +式中值应该按无缝钢管标准，或者按有关标准圆整为标准值。在设计中，取试验压力为最大工作压力的1.5倍，即 = 1.55MPa =7.5MPa。而缸筒材料许用应力取为= 100 MPa。应用公式 得， 下面确定缸体的外径，缸体的外径 + = 125+214.06mm = 153.12mm。在液压传动设计手册中查得选取标准值 = 155mm。在根据内径D和外径重新计算壁厚， = = mm = 15mm。4.2.2 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可以根据执行元件机构实际工作的最大行程来确定，并且参照表4-1中的系列尺寸来选取标准值。表4-1液压缸活塞行程参数系列 （mm）255080100125160200250320400500630800100012501600200025003200400040639011014018022028036045055070090011001400180022002800390024026030034038042048053060065075085095010501200130015001700190021002400260030003800注：液压缸活塞行程参数依、次序优先选用。由已知条件知道最大工作行程为500mm,参考上表系列，取液压缸工作行程为500mm。4.2.3 缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效的厚度t按强度要求可以用下面两式进行进似计算。无孔时： 有孔时： 式中 缸盖有效厚度（m）。 缸盖止口内径（m）。 缸盖孔的直径（m）。在此次设计中，利用上式计算可取t=40mm4.2.4 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面的距离H称为最小导向长度（图3-2）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，从而影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定得最小导向长度。对于一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求式中 液压缸的最大行程。 液压缸的内径。为了保证最小导向长度H，如果过分增大和B都是不适宜的，必要时可以在缸盖和活塞之间增加一个隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即在此设计中，液压缸的最大行程为500mm，液压缸的内径为125mm，所以应用公式的 =mm =87.5mm。活塞的宽度B一般取得B =（0.61.0）D；缸盖滑动支撑面的长度，根据液压缸内径D而定。当D80mm时，取；当D80mm时，取。活塞的宽度B = （0.61.0）d =5490mm，取70mm4.2.5 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应该大于内径的2030倍。缸体长度L = 500+100mm=600mm。4.2.6 固定螺栓得直径液压缸固定螺栓直径按照下式计算式中 F液压缸最大负载。 Z固定螺栓个数。 k螺纹拧紧系数，k = 1.121.5。根据上式求得 = = 10.3mm4.2.7 液压缸强度校核1）缸筒壁厚校核：。 前面已经通过计算得：D = 125mm, = 15mm。则有10，所以为厚壁缸。 = 15mm = = 11.12mm，可见缸筒壁厚满足强度要求。2）活塞杆稳定性的验算：活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力F不能超过使它稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，从而破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面的形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆的稳定性的校核依照下式（稳定条件）进行式中 安全系数，一般取=24。当活塞杆的细长比时 = 当活塞杆的细长比时，且 = 20120时，则 = 式中 安装长度，其值与安装方式有关。 活塞杆截面最小回转半径， = 。柔性系数。由液压缸支承方式决定的末端系数。E活塞杆材料的弹性模量，对刚取E = 。J活塞杆横截面惯性矩，A为活塞杆横截面积。f由材料强度决定的实验值。根据验算，液压缸满足稳定性要求。4.3 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：液压缸缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分的结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、以及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件的不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。4.3.1 缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖常见连接方式有法兰连接式、半环连接式 、螺纹连接式 、拉杆连接式 、焊接式连接等。图4-1 常见的缸筒和缸盖结构图4-1所示为常见的缸盖和缸筒连接形式。图4-1a 为法兰式连接结构，这种连接结构简单、成本低廉，容易加工，便于装卸，强度较大，能够承受高压。但是外形尺寸较大，常用于铸铁制的缸筒上。图4-1b 为半环式连接结构，这种连接分为外半环连接和内半环连接两者形式。它们的缸筒壁部由于开了环形槽而削弱了强度，为此有时要增加壁厚。它容易加工和装卸、重量较轻，半环连接是一种应用较为普遍的连接结构，常用于无缝钢管和锻钢制的缸筒上。图4-1c、f 为螺纹连接形式，这种连接分为外螺纹连接和内螺纹连接两者形式。它的缸筒端部结构复杂，外径加工必须要求同时保证内外径同心，装卸要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都比较小，结构紧凑，常常用于无缝钢管和锻钢制的缸筒上。图4-1d 为拉杆式连接形式，这种连接结构简单，工艺性好、通用性强、易于装拆，但是端盖的体积和重量都非常大，拉杆在受力后容易拉伸变长，从而影响密封效果，仅适用于长度不大的中低压缸。图4-1d 为焊接式连接，这种连接形式强度高，制造简单，但是焊接时容易引起缸筒的变形。缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。通过综合考虑，在此设计中，缸体端部与缸盖采取法兰连接的形式。4.3.2 活塞杆与活塞的连接结构活塞和活塞杆的结构形式有很多，常见的有一体式、锥销式连接外、还有螺纹式连接和半环式连接等多种形式，如图4-2所示。半环式连接结构复杂，装卸不便，但是工作可靠。图4-2 活塞杆与活塞的结构此外，活塞和活塞杆也有制成整体式结构的，但是它只能适应于尺寸较小的场合。活塞一般用耐磨铸铁制造，活塞杆则不论是空心的还是实心的，大多用钢料制造。经过综合考虑，在此设计中，活塞杆与活塞的连接采取螺纹连接的形式，如图4-3所示。图4-3 活塞杆与活塞的连接形式这种连接方式结构简单，便于拆卸，成本低廉，但是在震动的过程中容易松动，所以加了防松装置，应用范围较广。4.3.3 活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结果可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套导向结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用比较普遍。导向套的位置可以安装于密封圈的内侧，也可以安装于密封圈的外侧。机床和工程机械中一般采用装在内测的结构，有利于导向套的润滑；而压油机常采用装在外测的结构，在高压下工作时，使得密封圈由足够的油压将唇边张开，以提高系统的密封性能。活塞杆处的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。为了清除活塞杆处外漏部分粘附的灰尘，保证油液清洁以及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。此设计经过综合考虑，采取端盖直接导向。4.3.4 密封装置液压缸中常见的密封装置有间隙密封，摩擦环密封，密封圈密封等。间隙密封依靠运动件间的微笑间隙来防止泄露。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面制造出几条微小的环形槽，用以增大油液通过间隙时的阻力。它结构简单，摩擦阻力小，可以耐高温，但是泄露大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。摩擦环密封依靠活塞上的摩擦环（尼龙或者其他高分子材料制成）在“O”形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄露。这种材料密封效果好，摩擦阻力较小并且稳定，可以耐高温，磨损后有自动补偿能力，但是加工要求高，装拆不方便，适用于缸筒和活塞之间的密封。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。它利用橡胶或者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。（1）O形密封圈（如图4-4）O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作运动密封时容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封。 图4-4 O形密封圈（2）V形密封圈（如图4-5）V形圈的截面为V形，如图所示，V形密封装置是由压环、V形圈和支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。图4-5 V形密封圈（3）Y形密封圈（如图4-6）Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈(Lip Seal)。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普遍。Y形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图所示为宽断面Y形密封圈。图4-6 Y形密封圈对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受到污染，使密封件磨损，因此常需要在活塞杆密封处增添防尘圈，并且放在向着活塞杆外伸的一段。4.3.5 缓冲装置液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损伤。为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。 当活塞移至端部，缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，从而造成背压迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。 液压缸中常用的缓冲装置有节流口可调式（如图4-7）和节流口变化式（如图4-8）两种。图4-7 节流口可调式缓冲装置图4-8 节流口变化式缓冲装置在此设计中，为了适当的减轻加工难度，决定采取如图4-8所示的缓冲装置。这种缓冲装置可以调节。4.3.6 排气装置排气装置在液压缸中是十分必要的，这是因为油液中混入的空气或者液压缸长期不使用，外界侵入的空气都积聚在液压缸内的最高部位处，影响液压缸运动平稳性，低速时引起爬行现象、启动时造成冲击、换向时降低精度等。液压缸中的排气装置通常有两种形式：一种是在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道接向远处排气；另外一种是在液压缸缸盖最高部位安装排气塞。两种排气装置都是在液压缸排气时打开（让它全行程往复移动多次），排气完毕后关闭。图4-9 常见排气装置4.3.7 液压缸的安装结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸的进、出油口的连接等。1）液压缸的安装形式液压缸的安装形式根据安装位置和工作要求得不同可以有长螺栓安装、脚架安装、法兰安装、轴销和耳环安装等。2）液压缸进、出油口形式以及大小的确定液压缸进、出油口，可以布置在端盖或者缸体上。对于活塞杆固定的液压缸，液压缸进、出油口可以设在活塞杆的端部。如果液压缸没有专用得排气装置，液压缸进、出油口应该设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。液压缸进、出油口得形式一般选用螺孔或者法兰连接。现列出压力小于16MPa小型系列单杆液压缸螺孔连接油口得安装尺寸，见表4-2。表4-2 单杆液压杆油口安装尺寸（ISO8138） (mm)缸体内径D进、出油口缸体内径D进、出油口25M141.580M271.532M141.5100M271.540M181.5125M271.550M221.5160M331.563M221.5200M421.5第5章 液压元件的计算和选择5.1确定液压泵和电机的规格由工况图可知，整个工作循环过程中液压缸的最大工作压力为4.65MPa。选取油路总压力损失为0.8MPa。则泵的最大工作压力为：其次确定液压泵的最大供油量，由工况图可知，液压缸所需的最大流量为25.44L/min，若取系统泄漏系数K=1.05，则泵的流量为最后根据以上计算数据查阅产品样本，确定选择YB-30型叶片泵，当液压泵转速为n=960r/min时，液压泵的输出流量为30L/min。由于液压缸在快退时输入功率最大，如果取泵的效率为，这时驱动液压泵所需电动机功率为根据此数据查阅电动机产品目录，选择Y110L-6型电动机，其额定功率，额定转速。5.2 油箱的设计液压油箱的作用是贮存液压油，分离液压油中的杂质和空气，同时还起到散热的作用。5.2.1液压油箱有效容积的确定液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。液压油箱的有效容量v可概略的确定为：已知该系统为中压系统（p=5MP）取：V=(57)=200L280L取V=250L式中，V 液压油箱的有效容积 液压泵的额定流量5.2.2液压油箱的外形尺寸液压油箱的有效容积确定后，需设计液压油箱的外形尺寸，一般尺寸为（长：宽：高）1：1：11：2：3，为提高冷却效率，在安装位置不受限制时，可将液压油箱的容量予以增大。5.2.3液压油箱的结构设计 液压油箱简称油箱，它往往是一个功能组件，在液压系统中的主要功能是存储液压油液、散发油液热量、溢出空气及消除泡沫和安装元件等。油箱的制造一般采用焊接和铸造两种方式之一，多数油箱采用焊接技术获得。在一般设计中，液压油箱多采用钢板焊接的分离式液压油箱，很少采用机床床身底座作为液压油箱。因此，在此设计中采用了焊接的方式获得油箱。油箱的工作图样是油箱加工和安装的依据。通常油箱应包括箱顶、箱壁、隔板、放油螺塞、吊耳、支脚等零件。5.3阀类元件和辅助元件的选择图2-6液压系统原理图中包括调速阀、换向阀、单项阀等阀类元件以及滤油器、空气滤清器等辅助元件。根据上述流量及压力计算结果，对图2-6初步拟定的液压系统原理图中各种阀类元件及辅助元件进行选择。其中调速阀的选择应考虑使调速阀的最小稳定流量应小于液压缸工进所需流量。图2-6中溢流阀、单向阀、调速阀和电磁换向阀的选择可根据调定压力和流经阀的额定流量来选择阀的型式和规格，其中溢流阀的作用是调定工作进给过程中液压泵的供油压力，因此该阀应选择电磁式溢流阀。连接在液压泵出口处的单向阀用于保护液压泵。调速阀的作用是控制回油路流量，进而控制工进速度。两位两通电磁换向阀的作用是快进转工进和工进转快退。三位四通电磁换向阀的作用是控制整个系统中快进、工进和快退之间的转换。还有最后本设计所选择方案如表5-1所示，表中给出了各种液压阀的型号及技术参数。表5-1 阀类元件的选择序号元件名称通过的最大流量L/min规格型号额定流量L/min 额定压力/MPa额定压降/MPa1叶片泵YB1-30306.32三位四通电磁换向阀5034D0-B10H-T*256.30.33两位两通电磁换向阀30.0822D-25256.30.34调速阀1Q-10B106.30.55单向阀71.83I-63B636.30.26两位两通电磁换向阀30.0822D-25256.30.37溢流阀3.5Y-63B636.38空气滤清器QUQ29滤油器WU-6580-J10压力表开关K-6B注：此为电动机额定转速时液压泵输出的实际流量。5.4其它元件的选择5.4.1过滤器的选择在液压系统中，由于工作油液中的杂质（包括从系统外部进入的脏物颗粒和系统中液压元件的磨损微粒）进入液压系统，容易引起液压元件工作表面的损坏，而使液压元件的寿命大大缩短，为了保证液压系统的正常工作，提高液压元件的正常寿命进入液压系统中的工作液体必须经滤油器过滤。本系统选用线隙式滤油器。滤油器的结构大同小异，主要有滤芯和壳体，油液从滤芯外部流入，穿过滤芯从内部流出，滤芯起过滤作用。按滤芯的过滤机理，可分为表面型滤油器、深度型滤油器和磁性过滤器。按照过滤器的流量至少是液压泵总流量的两倍的原则，取过滤器的流量为泵流量的2.5倍。由于所设计组合机床液压系统为普通的液压传动系统，对油液的过滤精度要求不高，故有因此系统选取通用型WU系列网式吸油过滤器，参数如表5-2所示。（1）滤油器安装本系统滤油器安装在油泵的吸油管上。这种安装能直接防止大颗粒杂质进入液压泵内，保证了液压系统中所有设备不受杂质的影响，但增长了油泵的吸油阻力，而且当滤油器堵塞时，使油泵工作条件恶化。为了避免油泵的损坏，通常在油泵的吸入口安装过滤精度低的线隙式过滤器。（2）排油孔螺塞为了换油及清洗箱体时排出油污，在箱座底部油池低处设有排油孔，平时排油孔用螺塞及封油垫封住。排油孔螺塞材料一般用Q235，封油垫材料可用石棉橡胶纸，排油孔螺塞的直径可按箱座壁厚的34倍选取，M=24X1.5。表5-2 通用型WU系列网式吸油中过滤器参数型号通径mm公称流量过滤精度尺寸M（d）HDWU6580-J32125631205.4.2 压力表及压力表开关的选择液压泵的出口、安装压力控制元件处、与主油路压力不同的支路及控制油路、蓄能器的进油口等处，均应设置测压点，以便用压力表对压力调节或系统工作中的压力数值及其变化情况进行观测。压力表测量范围应大于系统的工作压力的上线，即压力表量程约为系统最高压力的1.5倍左右。在本次设计中，经计算压力表量程约为MPa。根据使用要求，选用K-1型的压力表开关，压力表的精度等级选2.5级。系统常用的压力表形式为一般弹簧管压力表，即选用电接点式压力表，以便在观测系统压力的同时，在系统压力变化时通过微动开关内设的高压和低压触点发信，控制电动机或电磁阀等元件的动作。压力表应安装在调整系统压力时能直接观察到的部位，压力表接入压力管道时，应通过阻尼小孔以及压力表开关，以防止系统压力突变或压力脉动而使压力表损坏。 5.4.3 液位计的选择油箱的侧壁为了便于观察，应安装能目视的透明液位计，以便注油时观察液面。液位计通常带有温度计且刻有上、下液面限位线。液位计的下刻线至少应比吸油过滤器或吸油管口上缘高出75mm，以防吸入空气。液位计的上刻线对应着油液的容量。液位计与油箱的连接处油密封措施。对于油温有严格要求的液压装置，可采用传感式液位温度计，其温度计是利用灵敏度较高的双金属片的热胀冷缩原理来测油温的。在本次设计中，液位计选取YWZ-80型。5.4.4油管的选择油管的内径可按照所连接元件的接口尺寸确定，也可以按照管路中允许的流速来计算。本例中，由表5-3推荐取油液在压油管的流速v=3m/s,按式4.1算得液压缸无杆强及有杆腔相连的油管的内径为 （5.1）式中 q通过油管的流量； v推荐管道中油液的流速，可按表5-3数值选取。取d=15mm。最后，参照计算由选定的液压元件连接油口尺寸确定油管内经。表5-3 液压油流经不同元件时的推荐流速液压泵的吸油管路d=1525mm0.61.2d32mm1.5压油管路d=1550mm3.0d50mm4.0流经控制阀等短管路6.0溢流阀15安全阀30第6章 液压系统的验算已知该系统中进、回油管的内径均为15mm，各段管道的长度分别为：AB = 0.3m,AC = 1.7m,AD = 1.7m,DE = 2m。选用L-HL32液压油，考虑到油的最低温度为15，查得15时该液压油的运动粘度v = 150cst = 1.5cm2/s,油的密度为 = 920kg/m3。6.1 压力损失的验算1）工作进给时的进油路压力损失。运动部件工作进给时的最大速度为4m/min。进给时的最大流量为25.44L/min。则液压油在管内流速v1为v1= cm/min =8330cm/min=139cm/min管道流动雷诺数为 =1112300，可见油液在管道内流态为层流，其沿程阻力系数 =0.68进油管道BC的沿程压力损失为 =Pa查阅换向阀4WE6E50/AG24的压力损失 = Pa。忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失为 = + = Pa = Pa2）工作进结时的回油路压力损失。由于选用单活塞杆液压缸
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