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西安科技大学高新学院毕业设计（论文）系 别：机电信息学院专 业：机械设计制造及其自动化学 生 姓 名：学 号：设计(论文)题目：五金制钉机液压系统设计起 迄 日 期: 设计(论文)地点:西安科技大学高新学院指 导 教 师:专业教研室负责人: 2012年 月 日摘 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37五金制钉机液压系统设计毕业设计（论文） AbstractThe 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: metal nail-making machine, hydraulic design, structural design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 概述61.1 液压传动发展概况61.2 液压传动的工作原理及组成部分61.2.1 液压传动的工作原理61.2.2 液压传动的组成部分71.3 液压传动的优缺点81.4 液压系统的设计步骤与设计要求91.4.1 设计步骤91.4.2 明确设计要求9第2章 制钉机总体结构与液压原理设计102.1主机的功能结构102.2 工作原理112.3课题设计要求13第3章 制钉机工作机构设计133.1切断液压缸的主要参数133.2 镦粗液压缸的主要结参数133.3活塞杆强度计算143.4液压缸活塞的推力及拉力计算153.4.1切断液压缸153.4.2 镦粗液压缸163.4活塞杆最大容许行程163.5液压缸内径及壁厚的确定173.5.1液压缸内径计算173.5.2液压缸壁厚计算173.6液压缸筒与缸底的连接计算183.7 缸体结构材料设计193.7.1缸体端部连接结构193.7.2缸体材料193.7.3缸体技术条件203.8 活塞结构材料设计203.8.1活塞与活塞杆的联接型式203.8.2活塞的密封203.8.3活塞的材料213.8.4活塞的技术要求213.9活塞杆结构材料设计213.9.1端部结构213.9.2端部尺寸213.9.3活塞杆结构223.9.4活塞杆的技术要求223.10活塞杆的导向、密封和防尘223.10.1导向套223.10.2活塞杆的密封与防尘233.11 缸盖的材料23第4章 液压系统设计244.1系统液压可以完成的工作循环244.2 液压执行元件的配置244.3 负载分析计算244.4 液压泵及其驱动电动机的选择254.4.1液压泵的最大工作压力264.4.2计算液压泵的最大流量264.4.3选择液压泵的规格274.4.4计算液压泵的驱动功率并选择原动机284.5其他液压元件的选择284.5.1液压阀及过滤器的选择284.5.2油管的选择294.5.3 油箱及其辅件的确定304.6 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325.1 机架的基本尺寸的确定325.2 架子材料的选择确定335.3 主要梁的强度校核33参考文献36总 结37致 谢38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；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。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，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=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 (3.1)切断液压缸内径（活塞直径） (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=0.732=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 (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。快进时采用差动联接，并取无杆腔有效面积等于有杆腔有效面积的两倍，即。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。初选最大负载工进阶段的负载F=22000N，按此计算则 (3.4)镦粗液压缸直径由可知活塞杆直径 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 按标准直径算出 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 (3.5)或 (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 镦粗液压缸 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： (3.7)当活塞杆后退时的拉力： (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： (3.9)式中 D活塞直径（即液压缸内径）cm d活塞杆直径 cm-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： 当活塞杆后退时的拉力： 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： 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和压力下液压缸活塞上的推力及拉力数值。 3.4.2 镦粗液压缸当活塞杆前进时的推力： 当活塞杆后退时的拉力： 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： 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和压力下液压缸活塞上的推力及拉力数值。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。图3.2 安装型式简图根据长度公式 (3.12) (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=52.54cm=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=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： (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： (3.15)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=Pn150/100当额定压力Pn16MPA时，Pp=Pn125/100 (3.16)缸体材料的抗拉强度，Pan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 镦粗液压缸 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：图3.3 缸体联接螺纹处的拉应力 (3.17)螺纹处的剪应力 (3.18)合成应力 (3.19)式中 Z螺栓或拉杆的数量 材料为45钢时，=303.7 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。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0.10.4，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.20.4。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3040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对内孔的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。b. 端面T对内孔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=。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Ra0.63, 为了防止腐蚀和提高寿命，表面应镀以厚度约为40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、结构表3.3 导向套的导向方式导向方式备注说明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内径配合一般取为H8/f9，其表面粗糙度则为Ra0.631.25。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）。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，移动部件总重力，快进快退的速度为1.7 m/s，加速、减速时间，静摩擦因数，动摩擦因数。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，动摩擦力为，则 (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 (3.2) 式中 g重力加速度， 启动或制动时间，s；一般机械=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。 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+ (4.1)式中 p1液压缸或液压马达的最大工作压力，16MPa；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=（0.20.5）106Pa，复杂系统取=（0.51.5）106Pa，该系统中取为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。故由公式可知 (4.3)= (4.4)可知 =0.175m/s 可知液压缸的最大移动速度为0.175m/s。液压缸的工作行程根据公式S=0.15m (4.5)故液压泵的最大流量 切断液压缸 qv=K(A1-A2)=1.1 m3/s 镦粗液压缸 取液压泵的最大流量为1204.4.3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（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 = 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= (4.7)然后再倒算（复算）出泵的实际流量即可，对于定量泵，最终选择的泵流量尽可能与系统所需流量相符合。根据上述计算公式，可知 Vg=mL/r泵的输出流量 =20m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），则液压泵驱动功率应按下式计算 （W） (4.8)式中 为液压泵的最大工作压力（Pa）和最大流量（m/s）；为液压泵的总效率，取80%。 =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量都低于25%50%。根据液压传动系统设计与使用的参数信息，选择同步转速为3000r/min的Y225M-2三相异步电动机。满载转速为2970r/min，额定功率为45kW，额定转矩为2.2Nm。4.5其他液压元件的选择4.5.1液压阀及过滤器的选择根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量，可选出这些元件的型号及规格。制钉机系统中，所有液压阀的额定压力都为，额定流量根据各阀通过的流量，所有元件的规格型号列于下表中。过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器。表中序号与系统原理图中的序号一致。 表4.2 液压元件明细表序 号元件名称最大通过流量/L型 号1双叶片叶片泵120YB252溢流阀4Y-10B3、16、18压力表K-6B4溢流阀4Y-10B5、6、7液控顺序阀1.6XY-25B8溢流阀4Y-10B9、10、11液控顺序阀1.6XY-25B12顺序阀1.6XY-25B13单向阀20I-25B14、15三位四通换向阀3235-63BY17、19压力继电器20二位二通换向阀324.5.2油管的选择方案一：在液压、气压传动及润滑的管道中常用的管子有钢管、铜管、胶管等，钢管能承受较高的压力，价廉，但安装时的弯曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。这里作者们采用钢管连接。管道内径计算 (5.9)式中 Q通过管道内的流量v管道内允许流速 允许流速推荐值表5.3 允许流速推荐值油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管道0.51.5，一般取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6取=0.8m/s，=4m/s, =2m/s.分别应用上述公式得=20.2mm,=10.7mm,=15.2mm。根据内径按标准系列选取相应的管子。按表37-9-1经过圆整后分别选取=20mm，=10.7mm, =15mm。对应管子壁厚。方案二：根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸。液压缸的进、出油管按输入、排出的最大流量来计算。由于本系统液压缸差动连接快进快退时，油管内通油量最大，其实际流量为泵的额定流量的两倍达240L/min。综上所述，液压缸进、出油管直径d按产品样本，选用内径为15mm，外径为19mm的10号冷拔钢管（YB 231-70）。4.5.3 油箱及其辅件的确定油箱在液压系统中除了储存油液外，还起着散发油液中的热量（在周围环境温度较低的情况下则是保持油液中热量）、分离油液中的气泡、沉淀固体杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如空气滤清器及液位计等。设计油箱时应考虑如下几点：a .油箱必须有足够大的容积。以满足散热要求，停车时能容纳液压系统中所有的油；而工作时又保持适当的油位要求等。b. 吸油管及回油管应插入最低油位以下。以防止吸油管吸入空气；回油管飞溅产生气泡。管口一般与油箱底、箱壁的距离不小于管径的3倍。吸油管应安装80或100m的网式或线隙式滤油器，安装位置要便于装卸或清洗滤油器。回油管口斜切45角并面向箱壁，以防回油冲击油箱底部的沉积物。c. 吸油管和回油管的距离尽可能远一点，中间要设置隔板，使油液在油箱中流动速度缓慢一点，时间长一些，这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。d. 为了保持油液清洁，油箱应有密封的顶盖，顶盖上应没有带滤油网的注油口及带空气滤清器的通气孔，注油及通气一般都由一个空气滤清器来完成。为了便于放掉油，油箱底应有一定倾斜度，最低处设放油阀。e. 箱壁上应考虑安装液面指示器、冷却器。加热器及温度计等位置。f.油箱也可以设计成完全密封的充压式油箱，用以改善液压的吸油状况。一般充气压力为0.070.1MPa。根据以上六点设计要点以及对照本设计的需要，绘制油箱简图如下：图4-5 油箱简图初始设计时，先按经验确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。初始设计时，先按经验公式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。初设计时，按经验公式 (5.10)式中 液压泵每分钟排出压力油的容积 经验系数,按下表取 =5：表5.4 各系统经验系数系统类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金机械12245761210中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的57倍，故油箱容积为=5120=600L4.6 液压系统压力损失验算验算的目的在于了解执行元件能否得到所需工作压力。系统进油路上的压力损失由管道的沿程压力损失、局部压力损失两部分组成，即 =+（Pa） (5.11)a. 沿程压力损失 =（Pa） (5.12)式中 沿程阻力系数，可按液压传动系统设计与使用表2-34相应的公式进行计算，也可以由图2-14查得； 管道长度，m； 液体密度，； 液流平均速度，。因此由公式可得沿程压力损失 =0.1（Pa） b. 局部压力损失 （Pa） (5.13)式中 局部阻力系数，其具体数值与局部阻力装置的类型和雷诺数有关，通常，当Re时，； 液体密度，；液流平均速度，。因此由公式可得局部压力损失（Pa）第5章 切断夹紧装置、机架的设计由于切断夹紧装置主要通过两个不同的液压缸实现的，故在此不一一叙述了。5.1 机架的基本尺寸的确定机架是支撑及其所有附件的可移动机构。要保证拆装方便、安全；重量要轻，便于移动；架子要有足够的空间安装。而且每个总成之间要考虑它们之间的协调关系。考虑到这些方面的因素后要确定的一些尺寸根据这些数据，大概确定架子的长高。这样架子的地面的结构就确定了。支撑的部件是支撑板，支撑板固定在支承轴上，支承轴安装在机架上。为了使机架能够方便移动，须在架子上装轮子，因此在架子的4个侧面通过螺栓各连接两个轮子，使得架子和轮子连接牢固。靠近转盘这端安装有锁止装置，使得架子在任何位置都能停止固定。5.2 架子材料的选择确定架子的结构确定后，就需要准备材料，买材料时要考虑钢材的性能，同时也要考虑成本，再者还要考虑到其美观，通过到市场调查分析后，台架选用6060的方钢和5050的角钢组合制作。其规格如表一所示。受力比较小的底架就用50的角钢制作，其他的受力大的转架就用60的方钢制作。在转架与支撑板的固定处需要用轴连接。表5-1 钢材的尺寸规格60605050横截面图长度500567材料Q235Q2355.3 主要梁的强度校核估算支撑的质量为25（250N），考虑到一些外在压力，按照重量为600N进行校核。支承轴160，查机械工程材料 P105页表5-2得，Q235钢材的屈服强度 b =375460MPa，取 b=375 MP a解：和轴一样建立如图所示的坐标系。以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图6.1所示的平面直角坐标系。因为：FRD =600N ，把RDE从D点移到E后的受力情况如图6.1所示。图5.1得到一个F和一个力矩M=FabLbe=6000.300NM=180 Nm计算轴的集惯性矩Ip和抗弯截面系数Wz，因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=180/（6773.6910-6）P a=0.26MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.26MP a=1.5 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为5的情况下也是安全的。所以可以进行制作。解：以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图2.2.1所示的平面直角坐标系。轴的受力分析。轴的轴心受力简图如图2.2.1-b所示。通过受力图可以明显看出轴的最大弯矩是在BE点之间。把F从C点移到B 后的受力情况如图2.2.1- b 所示。得到一个F和一个力矩M=FLbe=6000.3NM=180 Nm因为：Fba+Fde=2F=1200N由于轴的受力完全对称，故Fba=Fde=F=600NB点和F点的弯矩为：MB=WF=FbaLde+M=6000.01+180 Nm=601.8Nm 受力情况如图2.2.1所示. 计算轴的极惯性矩Ip 和抗弯截面系数Wz因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=305/（6773.6910-6）P a=0.45MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.45 MP a=2.25 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为5的情况下也是安全的。所以可以进行制作。参