100吨四柱液压机液压系统设计【含CAD图纸和说明书】
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1 引言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。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。它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。液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。1、动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。2、执行元件液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。3、控制元件包括压力阀方向阀等。它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。1、液压传动的优点：（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高；（7）容易实现过载保护。随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、100T四柱化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。本文从液压现场总线技术、自动化控制软件技术、水压元件及系统、液压节能技术等方面介绍液压传动技术发展动态。本文研究内容是100T四柱液压机液压系统设计，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。2 100T四柱液压压力机液压系统设计2.1液压系统的设计要求2.1.1 主要结构及总体布局100T四柱液压机是一种用静压来加工金属、塑料、橡胶、粉末制品的机械。在许多工业部门得到了广泛的应用。课题所设计的液压系统是100T四柱液压机液压系统,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GE系列液压元件的选用，液压缸采用单作用活塞液压缸，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。2.1.2 液压传动系统的技术要求1) 公称力：1000N；液体最大工作压力25MP；2) 滑块行程：600mm；3) 滑块行程速度：空程为27mm/s，工作为10-24mm/s，回程为80mm/s；4) 滑块下平面至工作台面最大距离为800mm，工作台720580mm；5) 采用GE系列液压元件 ；2.1.3对液压系统工作性能等方面的要求液压压力机要求整个液压系统在工作时必须平稳可靠，各种位置精度的要求在系统安装时确定。保证液压系统的高效率和较高的自动化率。2.1.4工作环境和工作条件本课题所设计的液压压力机在普通车间使用，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，避免对机床造成直接的冲击振动。2.1.5 其它方面的要求本课题所设计的液压系统对重量、外形尺寸、经济性没有特殊的要求 ，但必须符合一些公认的普遍设计原则：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。并且系统所有的连接阀均按叠加阀系列设计。2.2系统工况分析及确定系统参数本章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，确定了设计系统的工作压力，以及液压缸的行程，工作速度，回程速度等等的一些具体的系统主参数。2.2.1分析系统工况对液压系统进行工况分析，就是要查明它的每个执行元件在各自工作过程中的运动速度和负载的变化规律。当用理论分析确定系统的实际负载时，就需要确定工作负载、惯性负载和阻力负载。(1) 空程上液压缸的上滑块在液压力的作用下快速下行，承受了阻力负载、惯性负载。由计算，其中=25、=12560、=0.5、=37994求得F=62957000N(2) 慢速加压液压缸的活塞杆在液压力的作用下快速靠近工作面，接触后缓慢加压。由计算，求得F=94357000N(3) 保压延时液压缸的活塞杆在液压力的作用接触工作面后，增加液压力，使之达到所需的数值，并保持一段时间，使加工零件表面的粗糙度达到要求。(4) 快速返回液压缸的活塞杆在完成了工作任务后，需快速返回到指定的位置，有利于下一个工步的完成，为下一个工作零件做准备。由计算，求得F=29500300N(5) 原位停止液压缸的上、下活塞杆在完成了工作任务，返回到指定位置，并停止。操作者将工作面上的以加工好的零件取出，为下一个零件准备。至此，液压系统的一个工作循环就完成了，直到下一次开按钮，第二个工作循环才开始。2.2.2负载图和速度图的绘制负载图按上面数值绘制，如图1所示。速度图按已知数值v1=27、v2=12、滑块行程 =600mm等绘制。如图2-1 液压压力机液压缸的负载和速度如下图所示： 图2-1 压力机液压缸的负载和速度图所示2.2.3确定主要参数(1) 确定系统的工作压力系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定。系统压力高省材料、结构紧凑、重量轻、是液压的发展方向，但要注意治漏，噪声控制和可靠性问题的妥善处理，具体选择参考机械设计手册表20-2-11;本毕业设计课题给出液压系统的液体最大工作压力为25Mpa。 (2)计算液压缸主要尺寸公称力F=1000KN=1106KN,液体最大工作压力P=25MP=25106，求得活塞面积=0.04，所以=0.04,即D=0.2257m=225.7mm。查表取D=220mm。根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：= d=179.07按标准取d=。由以上数据求出液压缸实际有效面积如下：无杆腔：= =37994有杆腔：=12560活塞杆面积：A=-=25434(3) 确定液压缸的运动速度本课题给定了液压缸的工作速度为：空程速度：27 工作速度：12 回程速度：80(4) 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600mm。(5) 确定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。液压缸的空程速度为V1 =27，工作速度为V2 =12，回程速度为V3=80.空程：Q1=V1D2=0.027m/s(0.22)2=0.001026m3/s=61.56L/min；工作：Q2 = V2D2=0.012m/s(0.22)2=0.000456m3/s=27.36L/min；回程：Q3=V3（D2-d2）=0.08m/s(0.222-0.182）=0.001m3/s=60L/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 。2.3拟定液压传动系统草图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100T四柱液压机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图。2.3.1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，空气和脏物易进入回路；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。本课题设计的液压系统，空间不受限制，不需另设置散热装置，且系统只需完成简单的动作，从而系统的结构简单。另外，控制油路可用节流阀调节液压缸的运动，所以本课题设计的液压传动系统类型采用开式。2.3.2选择液压回路各种液压回路是根据系统的设计要求和工况图从各自的多种成熟结构方案中评比挑选出来的。选择工作从对主机主要性能起决定性影响的回路开始。首先要确定基本回路，因为它是决定主机动作和性能的基础，然后在此回路的基础上再增设其它一些辅助回路及辅助元件，以便完整地实现技术要求。1）调压回路调压回路的功用在于调定和限制液压源的最高工作压力，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。这里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有负载决定，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为保证系统安全工作，除了在泵的出口并联一个溢流阀，以限定系统压力；还要在其远程控制端连一个电磁换向阀，使系统卸荷，这样变量泵可在空载下迅速启动，还可减少油液发热。简图如下：图2-2 压力控制回路2）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，但是在换向要求高的主机（例如，各类磨床）上换向回路中换向阀就须特殊设计。这类换向回路还可以按换向要求的不同而分成时间控制制动式和行程控制制动式两种。为了便于平台在任意位置停止，使调整方便，故采用三位四通“O”型机能的电磁换向阀换向，同时用一个二位二通电磁阀实现快进与工进之间的转换。简图如下：图2-3 换向回路3）调速回路和油路循环形式的确定节流调速回路是通过改变流量控制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；然而，由于它的能量损失大、效率低、发热大，且负载特性较差，故一般多用于功率不大、负载变化不大的场合。根据流量控制阀在回路中的位置，节流调速回路分为进油节流调速、回油节流调速、旁路节流调速和复合节流调速等几种。由上章工况分析可看出，本课题所设计的液压系统在快进、快退阶段，所需压力较低、流量较大，且持续时间较短；而系统在工作进给阶段，所需压力较高、流量较小，持续时间较长。同时考虑到所设计的液压系统功率不大，工作负载为阻力负载，且工作过程中变化不大，故选用出口节流调速回路。本设计选用单向出口节流调速回路。用溢流阀和串联在执行元件出油路上的流量控制阀调节流出执行元件的油液流量，从而控制执行元件的速度。由于系统采用节流调速方式，系统必为开式循环形式。简图如下页所示： 图2-4 调速回路4) 保压回路保压回路的功用使是系统在液压缸不动或仅有极微小的位移下稳定的维持住压力。最简单的保压回路就是使用密封性能较好的液控单向阀的回路，但阀类元件出的泄漏使这种回路的保压时间不能维持很久。下图是一种采用0型三位四通换向阀的保压回路，其工作原理是利用三位四通换向阀的中位机能进行系统保压。这时液压泵卸荷。这种回路保压时间长，压力稳定性高，适用于保压性能较高的中压系统等。图2-5 保压回路5）锁紧回路这种回路的功用在于通过切断执行元件的进油、出油通道来使它停在规定的位置上。锁紧回路应能满足可靠、迅速、平稳、持久等要求。简图如下：图2-6 锁紧回路2.3.3拟定液压系统原理图一个液压系统都是由许多的的回路组合而成，所以将上面的几个回路的图形进行拼搭，组合在一起.。再根据本设计课题的实际要求需采用叠加阀技术，故需要将所选液压元件转换成叠加阀系列元件，并对图形进行必要的修改和整理；(1) 将调速阀换成单向调速阀，添加一个单向阀，有利于实现对液压缸的快进的调节。(2) 为了有效的监控液压机的压力变化，在溢流阀前加一个压力表。经过修改、整理后的液压系统图便如图2-5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。原理图如下：图2-7 液压系统原理图2.4液压元件的选择及计算2.4.1液压泵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决定作用，所以对液压元件一定要有合理的选择。1）液压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。由工况分析可清楚的看出：系统工作循环主要由相对于快进、快退行程的低压大流量和相应于工进行程的高压小流量两个阶段所组成，其最大流量和最小流量之比很大，其相应的时间比有很小。这表明，系统在一个工作循环中的绝大多数时间内处于高压小流量工作。从提高系统效率出发，选用单定量泵油源显然是不合理的，但是由于额定压力（25Mpa）较大，所以这里选用柱塞泵供油。它和调速阀组成的容积节流联合调速回路，一方面可以保证运动的平稳性及速度的稳定，另一方面可实现流量适应，减小系统功率的损失和系统发热。因此液压泵选用径向柱塞泵。a、确定液压泵的最大工作压力: 式中：P1液压缸的最大工作压力25Mpa; 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=（0.20.5）Mpa,管路复杂，进口有调速阀的取=（0.51.5）Mpa；由工况分析一节可清楚看到，液压缸的最大工作压力出现在工进阶段，=25Mpa。由于工进阶段液压缸输入流量很小，进油路中元件较少，故泵至缸间的进油路压力损失选取=0.4Mpa，所以，25+0.4=25.4Mpa；b、 确定液压泵的流量:液压缸的输出流量为：式中：k系统泄漏系数,一般取k=1.11.3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,最大流量出现在快进阶段，所以 Qp=1.2（60L/min+）75.6L/minc、选择液压泵和电动机的规格:根据以上求得的和值，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JB-型径向柱塞泵（型号为JB-G73），根据液压工程手册查得。同时由产品样本查的此泵驱动功率为10KW，此值完全能满足系统需要。选择驱动电机型号为JB-218-300型，其额定功率为55KW，转速为1500r/min。根据上面选定的液压泵规格及系统工作情况，可综合液压缸在各工作阶段的实际进、出流量，运动速度和持续时间，从而为选择其他液压元件及性能计算打下基础。2.4.2 GE系列阀简介及其选择1) 概述GE系列液压阀包括压力、流量、方向控制三大类，全系列共计70个品种，近3000种规格某些液压阀是根据液压系统发展的特殊需要而开发的，以满足广大用户的需要。目前GE系列阀已在机床、造纸、注塑、等行业广泛应用，主机单位反应使用情况良好。3) GE系列阀的选用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，如下：(1) 三位四通电磁换向阀：3WE6-50/W110R(2) 溢流阀： YF3-10L(3) 电动单向调速阀： 2FRM-16(4) 单向顺序阀： DZ25DP-10(5) 二位二通电磁换向阀：22B(E)-H6B(6) 压力表开关： KF-L8/20E其中由于GE系列液压阀规格限制，选用二位四通电磁阀代替原系统图中的二位二通电磁阀，其具体操作为：堵A口，油路循环为P-B,T口回油。 2.4.3辅助元件的选择1）滤油器的选择滤油器在选择中必须要考虑的主要因素：过滤液的性质及与过滤材料的相容性；通过滤油器的流量及流量的变化与波动程度；系统的工作压力以及压力压力是稳态的还是时变的；系统的工作温度，以及系统要求的过滤精度等。选择滤油器应注意以下几点：(1) 安装滤油器时要注意滤油器壳体上标明的液流方向，正确安装在系统中；(2) 当滤油器压差指示器显示红色信号时，要及时清洗或更换滤芯；(3) 在清洗或更换滤芯时，要防止外界污染侵入工作系统；(4) 清洗金属编织方孔网滤芯原件时，可用刷子在汽油等中刷洗；(5) 滤芯元件在清洗时，应该堵住滤芯端口，防止清洗下的污物进入滤芯内腔造成内污染；过滤器的工作能力，取决于滤芯的过滤面积，滤芯本身的性能、油的粘度与温度、过滤前后的压力差以及油中固体颗粒的含量。过滤出入口的压差越大，阻力越小时，过滤的出油能力越大。根据上述要求和本课题的要求，选择滤油器型号: XU-502002）空气滤清器的选择一般应在油箱盖上设置空气过滤器，它包括空气过滤器和注油过滤网。选择：。技术参数：空气阻力0.02Mpa，加油网孔0.5mm。3）选择压力表选择： Y-150T4）选择液位仪一般在油箱侧壁上设置液位计，以指示液面位置。液位计应设置在加油时容易看到的地方。选择： YWZ-125T2.4.4管件的选择及计算1) 确定油管的内径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。油管的管径不宜选得过大，但也不能选得过小。过大，容易使液压装置的结构庞大；过小，容易使管内液体流速加大，系统压力损失加大或产生振动和噪音，影响正常工作。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。因此在强度保证的情况下，管壁可尽量选的薄些。管道的内径d= 式中：Q-通过管道的流量： V-管内允许流速： 允许流速的推荐值如下表 表1液体流经的管道推荐速度液压泵吸油管道0.6-1.5，一般常取1 液压系统压油管道2.5-5，压力高，管道短，粘性小，取最大值液压系统吸油管道1.5-2因此管道直径计算如下：液压泵吸油管道：=0.036m 取=40mm液压系统压油管道：=0.016m 取=20mm液压系统回油管道：=0.029m 取=30mm2) 管路、管接头的选择管接头是油管与油管，油管与液压元件之间的可拆式连接件，它必须具有装拆方便，连接牢固，密封可靠，外形尺寸小，通流能力大，压降小，工艺性好等各项要求。管路旋入端用的连接螺纹采用国家标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。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。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。这里选用卡套式端直通管接头（GB3733.1-83）,这种管接头具有结构简单，性能良好、重量轻、体积小、使用方便、不用焊接等一系列优点，是液压、气动系统中较为理想的管路连接体。2.5液压油缸的设计液压油缸是液压系统的执行元件，它是一种把液体的压力能转换为机械能，以实现直线往复运动的能量转换装置。由于液压缸结构简单，工作可靠，在锻压设备中应用广泛。2.5.1选择液压缸的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。机床上用的液压缸大致可分为三类：活塞式液压缸，柱塞式液压缸，摆动式液压缸。本设计课题为100T四柱液压机，属于高压缸。本液压缸需要来回直线运动，故不选用摆动式液压缸；而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，不能满足本课题的要求；综上所述，液压缸选用单作用活塞缸。单作用活塞缸的活塞、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是，可实现回程。2.5.2液压缸主要参数的确定由以上计算可知该液压缸的最大驱动力约为1000KN，液体最大工作压力为25Mpa，油缸行程最小行程应满足600mm，油缸工作速度为12和空程速度为27、回程速度为80。在确定液压系统主要参数时已得出：液压缸内径 D=220mm活塞杆直径 d=180mm已取标准内径。2.5.3液压缸结构设计 液压缸基本上可以分为活塞和活塞杆，缸筒和缸盖，密封装置和缓冲装置。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（1）缸筒的结构和材料一般情况下，缸筒和缸盖的结构形式和使用材料有关。在此液压缸筒用45号钢。可保证结构通用性好，缸体加工容易，装卸方便，能充分满足设计要求。（2）对缸筒的要求a.内表面与活塞密封件及导向套的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少， 尺寸公差等级和形位公差等级足以活塞密封件的密封性。b.有足够的强度，能长期承受最高工作压力，而不至产生永久变形以及 能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不至产生弯曲。（3）缸筒的强度校验在前一节中我们已经确定了缸筒的内径，为180mm，拟选缸筒厚度为10mm,则外径为200mm，现在校验它的强度。额定压力必须要小于一个值，这样缸筒才是符合强度要求的，即： 0.35 式中：-液压缸额定压力-液压缸外径 -液压缸内径 -材料的极限应力 所以： 0.35400 26.6本设计课题给定的为25.4，所以缸筒工作安全。（4）液压缸固定螺栓直径校核 式中： Z-固定螺栓数，取Z=8(均布) ；F-液压缸负载；k-螺纹拧紧系数k=（1.12-1.5），这里取1.3；- /(1.22.5), 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=8。所以：=23.1mm选取标准值为24mm。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24。（5）缸筒制造加工要求a.缸筒端面的垂直度公差值可按照7级精度选取。b.缸筒内径的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差值应该按照8级精度选取。c.热处理调质，硬度为HB241285.缸体内表面镀铬，厚度为30-40微米,镀后研磨或者抛光。缸筒的零件图如下图所示： 图2-9 缸筒2）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，也不能有间隙过大。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；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。（1）活塞材料 查书液压工程手册，可知：无导向环活塞：用高强度铸铁HT200300或球墨铸铁。有导向环活塞：用优质碳素钢20号、35号及45号。本设计采用有导向环的活塞，因此选用35号钢。（2）活塞结构型式根据密封装置型式来选用活塞结构型式。通常分为整体活塞和组合活塞两类。整体活塞在活塞四周上开沟槽，安置密封圈，结构简单，但给活塞的加工带来困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样，主要受密封型式决定。组合式活塞大多可以多次拆装，密封件使用寿命长。依据以上知识,本设计采用整体式活塞。（3）活塞的尺寸确定 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。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。根据密封圈的大小来确定槽的深度和宽度。（4）活塞的密封密封形式与活塞的结构有关，可根据液压缸的不同作用和不同工作压力来选择,一般有密封圈密封、活塞环密封、间隙密封。这里采用O形加挡圈密封。密封圈的选定根据液压工程手册GB3452.3-88选定尺寸和类型。（5）活塞的技术要求a.外径的圆柱度公差值，按9、10或者11级精度选取。b.端面对内孔轴线的垂直度公差值，应该按照7级精度选取。c.活塞外径对内孔的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。 图2-10 活塞3）活塞杆的设计(1) 活塞杆的结构与材料活塞杆的材料为45号钢，采用实心结构。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。(2) 活塞杆尺寸的确定活塞杆的总长要根据油缸的行程来确定，本课题的工作台行程为600，再综合其它方面的要求，我选取活塞杆的总长为800mm。(3) 活塞杆的技术要求a 安装活塞的轴肩端面与活塞杆的轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm。b 活塞杆的外圆粗糙度Ra值一般为0.10.3。c 活塞杆在导向套中滑动，一般采用H8/h7或H8/f7配合。d 圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。e 安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mm。f 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。g 为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需镀铬处理，并进行抛光或磨削加工。h 活塞杆内端的卡环槽、螺纹和缓冲柱塞也要保证与轴线的同心，特别是缓冲柱塞，最好与活塞杆做成一体。(4) 活塞与活塞杆的连接活塞与活塞杆连接有多种型式，所有型式均需有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开,它分为卡环型，轴套型，螺母型等几种型式。同时在活塞与活塞杆之间设置静密封。本设计采用螺母型连接；其图如下： 图2-11 活塞杆图4) 导向环的设计导向环安装在活塞外圆的沟槽内或活塞杆导向套内圆的沟槽内，以保持活塞与缸筒或活塞杆与其导向套同轴度，并用以承受活塞或活塞杆的侧向力。(1) 导向环的型式有嵌入型和浮动型。嵌入型导向环：在活塞外圆加工出燕尾型截面沟槽，用QAL9-4或紫铜制的铜带，表面加工成略带拱形，用木槌铆入沟槽内，最后加工导向环外圆。导向环圆周切出一个45度斜口。浮动型导向环：用高强度塑料等制的带，装在活塞外圆的矩形截面沟槽内，侧向保持有间隙，导向环可在沟槽内移动，并有一个45度斜开口。也可在沟槽底用粘合剂固定导向环。本设计采用浮动型导向环。(2) 导向环的尺寸采用不同的材料，导向环的尺寸也不同。聚四氟乙烯（也有掺青铜粉）导向环：根据活塞外圆直径或导向套内圆直径，导向环厚度可为1.52.5mm,宽度可为5.625mm。纤维增强酚醛树脂掺石墨导向环，厚度可为35mm，宽度可为2.525mm。基于此，本设计采用聚四氟乙烯导向环，其厚度为2.5mm，宽度为10mm。5）导向套的设计导向套是用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证密封效果，导向套的典型结构形式是采用了轴套式。（1）导向套的材料 导向套要求磨损系数小,因此，采用了青铜。（2）导向套长度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=600mm;D-为液压缸筒内径,D=180mm;H-为导向套最小导向长度；所以：HH30+90=120mm本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150mm。(3) 导向套的密封导向套与活塞杆之间的密封采用O形密封圈。并且采用防尘圈以防止活塞在后退时把杂质、灰尘及水份带到密封装置处。(4) 导向套的加工技术要求a、导向套外圆与端盖的配合为H8/f7。b、内孔与活塞杆外圆的配合为H8/h7。c、外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mm，圆度和圆柱度公差不大于直径之半。d、内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，以保证良好的润滑。导向套的零件图如下图所示： 图2-12 导向套5）缸盖的设计(1) 缸盖的材料和结构缸盖分为左缸盖和右缸盖，其中一个油口位于左缸盖之上。缸盖的材料选择45号钢。(2) 缸盖的尺寸的确定缸盖与缸筒内壁的接触面为其定位基准。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。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。(3) 缸盖的技术要求a、导向孔的表面粗糙度应不超过Ra=1.6m。b、与缸筒内径配合的直径采用h8，与活塞杆上的缓冲柱塞的配合的直径采用H9。这三个尺寸的圆度和圆柱度误差不大于各自直径公差的一半，三个直径的同轴度误差不大于0.03mm。c、与缸筒接触的端面和与活塞接触的端面对轴线的垂直度误差在直径100mm上不大于0.04mm。缸盖的具体图形如下： 图2-13 左端盖图2-14 右端盖6）缓冲装置的设计缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或油缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和端盖相撞击的目的。在液压缸中常见的装置是节流口可调式，节流口变化式两种。本设计中所设计的液压缸缓冲装置是节流阀调节。液压缸的活塞杆具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的终端和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击力和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械碰撞，但冲击力仍在，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常的工作。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。即：当活塞将行至终端时，被封在活塞和缸盖之间的油液经过节流阀流出。节流口可根据负载情况进行调节，回程时压力油通过单向阀先向活塞加快启动速度，这种缓冲起始缓冲效果大，但随着活塞行进，缓冲效果逐渐减弱，所以制动行程长。液压缸的装配图如下： 图2-15 油缸装配图2.6油箱的设计2.6.1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 式中：V-油箱的有效容积（m3） -经验系数，见表2 Qp-液压泵的流量（m3/min）表2 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 已由以上数据可知： Qp =75L/min取经验系数10所以： V=Qp1075L/min750L因此圆整后油箱的有效容积选取V800L，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1300mm、1000mm、970mm。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板、筋条，以增加刚性。油箱顶盖要稍微加厚些。因此在这里油箱壁厚选取6mm, 箱底厚度应大于箱壁的厚度，选取 10mm ， 箱盖厚度为10mm。2.6.2油箱的结构设计油箱的结构应能使油箱实现存油、散热和分离污物及防止污染的作用。结构设计应注意以下几个问题：1) 开式油箱液面应和大气连通。为防止空气中的污物进入油箱，油箱上部的通气孔上必须配置空气过滤器。一般通气孔兼作注油孔用。2) 在液压泵的吸油管路上，必须安装网式过滤器，以清除较大的颗粒杂质，保护液压泵。过滤器的安装方式应能便于取出过滤器。3) 液压泵的吸入油管和回油管的距离应尽可能远些，管口都应插入最低液面以下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡，管口制成45斜角，以增大吸油及回油截面，使油液流动速度变化不致过大，斜口应面向箱壁。两管件之间要用隔板隔开，并使油液循环，将油液中的气泡和杂质分离和沉淀。为了充分发挥隔板的作用，要设计两块隔板，上面一块隔板隔气泡，下面一块隔板隔杂质。管端与箱底、箱壁间距离均不宜小于管径的3倍；粗滤油器距箱底不应小于20mm。4) 为了防止油液污染，油箱上各盖板、管口处都要妥善密封。选择合理的密封方式进行有效密封。为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，按GB3766-83规定，箱底离地至少在150mm以上。箱底应适当倾斜，在最低部位处设置堵塞或放油塞，以便排放污油。在油箱盖上焊接四个吊钩，油箱上焊两个提手，以便于油箱的搬移。为了防止油箱内部生锈，应在油箱内壁涂上耐油防锈的涂料。油箱结构设计后应布置好箱盖上电机、泵、叠加阀的位置，叠加阀应放在一端， 这样不仅有利于回油，而且有利于给液压缸供油，电机和泵的位置的确定要考虑为其他辅助元件留下合理的空间。其次，布置其他辅助元件的位置，为保证箱盖的强度，要加厚箱盖的尺寸，确定采用10mm厚的箱盖钢板。2.7液压传动装置的总体设计2.7.1液压传动装置的形式液压传动装置一般的布置方式有两种，即分散式和集中式，其各有优缺点。1) 集中式将液压传动系统、液压控制元件、电动机及油泵独立于机床之外，单独设立一个液压传动装置。优点：液压系统安装维修方便，液压传动装置的发热振动都与机床隔开。缺点：液压传动系统增加了占地面积。2) 分散式将液压传动系统、液压控制元件、电动机及油泵分散在机床各处。优点：结构紧凑，泄漏的油液容易回收，节省占地面积。缺点：液压传动装置的振动，液压油的发热都对机床的工作精度产生不良影响；安装维护不方便。综合上述分析，针对本课题的液压传动系统设计要求，选用集中式较好。因为本系统对选用的各液压元件有较高的要求，且零件的使用寿命有限，从而需持续的维修、更换；又考虑到机床床身的体积较大，装配时不易拆卸，所以将液压传动系统独立设置与安装，使其振动与机床振动隔开，从而不会形成共振，影响系统的性能。2.7.2液压元件的配置方式目前机床液压系统中液压元件的配置方式主要有三种：控制板式、液压站式和集成化式。1) 控制板式控制板式又称操纵箱式。这种配置方式的特点是将液压元件集中地配置于一个或几个箱体上，并在箱体上钻很多孔，作为连接管路。这种方式的优点是结构紧凑、管路少、占地面积小；缺点是箱体上钻孔很多，容易出废品，而且系统出现故障后，不易排除，元件损坏后更换也不够方便。为了避免这些缺点，可以采用由标准元件组成的控制板。2) 液压站式标准化的液压元件及其底板用螺钉固定在垂直的立板上，底板之间用管路连接。这种方式的优点是灵活性大，可以根据工作需要组成最合理的系统，装配、维修也比较方便。同时，采用标准化元件对提高元件的生产率、降低元件的成本、保证元件的质量都有很大的意义。所以这种方式目前在国内外应用较广。这种方式的缺点是需要单独的油箱，占地面积大，同时，当系统较复杂、管路较多时，油管的连接不够方便。3) 集成化式集成化式的特点是采用标准化的或通用化的液压元件，通过一定的连接形式将这些元件组合在一起，以实现一定的控制、调节作用。集成化主要有以下几种型式：集成块式这种型式的特点是采用通用化的集成块，在集成块上实现压力回路、回油路、控制油路和泄油路的连接。这种型式一般用于由基本回路所组成的液压系统。叠加式这种型式的特点是采用标准化的液压元件或零件，通过螺钉将阀体连接起来，组成一个比较完整的回路或系统。 集成化式主要有以下优点：（1）采用标准化的元件，便于制造，性能可靠；（2） 通过在阀体内钻的孔来实现油路的连接，节省了大量的油管和管接头，并为装配和拆卸提供了很大的方便；（3） 结构紧凑，体积小；（4） 管路短，压力损失小；（5） 可以根据工作需要配置于最方便的位置；（6） 避免了外界干扰（如振动）对液压系统工作的影响。由于上述优点，集成化式在液压传动中得到了越来越广泛的应用，国内外已经设计了通用化部件，并形成了系列。因此本次设计采用集成化中的集成块式。 2.7.3对液压传动装置的一般要求(1) 在液压传动装置中各种阀的配置应便于装配、调整和使用时的观察。如电磁换向阀与其他阀之间的距离不应过小，以便于电磁铁的安装和手动操纵；压力表和压力表开关应安装在立板的上部，以便于观察和调整等。对于需要用扳手调整的阀，应留有足够的空间。(2) 液压传动装置应是一个独立的部件，在传动装置上应设置与外界相连的油口等，这样既便于传动装置的测试，又便于传动装置与所控制的部件的连接。(3) 应防止尘土、铁屑及其他脏物进入油箱。油箱上应设置空气滤清器。(4) 为了便于油泵的装配、拆卸以及油泵的进油口滤油器的清洗，油箱的侧壁或上端盖应设计一个较大的窗口，平时用盖子密封。(5) 管子的弯曲应横平、竖直，弯曲处的交角不小于90O。考虑到外观的整齐、美观，油管、电线等应安装于立板的背面。2.8液压系统性能的验算一般的液压系统设计，都需对液压系统的性能进行验算，验算的项目很多，常见的有回路损失验算和发热温升验算。2.8.1 回路压力损失的验算压力损失包括管道内的沿程压力损失和局部压力损失以及阀类元件处的局部损失三项。液体在流动时产生的压力损失有两种：一种是液体在等径直管中流动时因摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失；另一种是由于管道的截面突然变化，液流方向改变或其他形式的液流阻力（如控制阀阀口）而引起的压力损失，成为局部压力损失。阀类元件处的局部损失只是系统压力损失一小部分。总之，这些损失对于整个液压系统而言，其总量是很小的，所以不需要进行仔细的验算，它对系统的正常工作不会产生太大的影响。2.8.2 发热温升验算发热温升验算是用热平衡原理对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量(以KW计)是液压泵输入功率和液压执行元件有效功率之差。 热量大都通过油箱来散发出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件从有关的设计手册中找出来。根据手册的要求，油箱的三个边的尺寸比例在1：1：1到1：2：3之间，油面高度是油箱高度的80%、且油箱的通风情况良好，油液温升（以计）的计算式可以用单位时间内输入的热量和油箱的有效容积（以L计）近似的表示成=液压执行元件的有效功率：=0.036KW由于整个系统的工作是间断的。虽然在工作阶段，伴随着压力的变化，油液的温度会上升，由于系统工作的间断性，给油液的提供了必要的降温时间，且其工作时间较短，所以温升也不会很大，所以本课题设计的液压系统不需要做温升验算。2.9液压传动系统的安装、配管2.9.1 系统安装前注意事项 1）便于马达或电动机执行工作。2）安装场所宜在灰尘少，通风条件好，受其他机器工作影响小的地方。3）对系统外部的各个零部件、油箱、油管和过滤器等安置于最佳散热位置。4）过滤器、蓄能器等需经常维护、检修的元件，需安装在易于维修的位置。2.9.2 系统安装时注意事项1）清洁度(1) 软管、油管、接头在安装前总不太干净，因而在安装之前要清洗。(2) 尽量避免油变质，也就是说，过滤器必须清洁，尤其是活塞杆，轴和轴的密封。2) 配管(1) 配管时需注意管道的热胀冷缩、管接头处的漏油与空气吸入。管道支架的间隔一般为2m。(2) 橡胶软管要保持合理的弯曲半径，不容许与其它机械及管道接触，否则会在短时间内损坏。 (3) 管子或软管损坏的要立即更换，硬管选用无缝钢管。(4) 钢管与金属管接头在安装前必须绝对清洁、不得有污垢、锈皮、焊渣和切屑等。可以用钢丝刷、洗管器清理或酸洗。酸洗前的管子要进行脱脂处理，酸洗之后要彻底漂洗。(5) 如果导管要存放一段时间，应该堵住管口以防止异物进入。但不得用破布或其他东西堵住管口。3) 加油(1) 油桶要卧式存放，并尽可能在室内或棚内存放。(2) 只准用清洁的容器、软管等从油桶向油箱输送油液。4) 冲洗(1) 冲洗之前应取下精密的系统元件，而在其位置上安装短接件或空心件。(2) 冲洗流量应为系统预期流量的22.5倍。(3) 不能用系统泵作为冲洗泵，同时冲洗油箱以避免污染物滞留在系统油箱中。(4) 用尽可能大的流速进行冲洗，以便清除管接头处的污染物，冲洗压力一般为13Mpa。清洗结束后要清除管道和油箱壁上附着的清洗液。(5) 在系统进行清洗时，在排油回路中设置过滤器，以检测清洗的效果，直至基本上不再有污染物排出时，清洗结束。(6) 清洗油应采用与工作液体相同性质的油液，加入加强溶解力及防腐蚀等的添加剂。2.10从各方面对整个设计进行检查设计的检查是必须做的，它不一定要在整个液压传动装置设计完成之后进行，许多工作可以在液压系统原理图完成之后进行，检查一定要认真仔细。设计检查的内容一般为：1) 所要求的速度、工作压力是否满足要求，功率是否合适；2) 工作循环是否正确，元件的规格选得是否合适，系统能否再简化；3) 系统是否有过载保护；4) 功率利用率是否正常，整个系统的温升是否过高；5) 元件的配置是否便于调整、维修；6) 多回路系统的动作是否会相互干扰；7) 元件的供应情况和经济性。2.11 100T四柱液压机液压元件的验收标准2.11.1柱塞泵的验收标准图2-20 试验系统图 1）泵的流量、效率及外泄漏检查先进行预运转实验。起动油泵电机，调松油泵上的流量调节螺钉，使流量最大；调松压力调节螺钉，使油泵输出压力为23公斤力/厘米2，反复起动、停止电机10次以上，油泵应供油正常。将压力调节螺钉调紧；调节节流阀使油泵压力逐渐上升的最大，再降至零，反复10次，流量随压力变化应正常。在压力p2（图20）下进行10分钟以上的运转，泵不得有振动、噪音、泄漏及吸入空气等现象。图2-212）耐压强度检查将泵压力升高的额定压力的1.5倍，运转5分钟。泵的工作应正常，各油塞、接合面、密封处等不得有渗油、泄漏等异常现象。试验结束后，拆检油泵各零件，不得有破坏与永久变形。3） 压力脉动与噪音检查试验中不得突然出现“掉压”现象，不得出现异常的振动和噪音。调节节流阀，将泵的压力升高。在额定压力范围内，压力脉动值不得大于3公斤力/厘米。4) 油泵寿命试验用溢流阀2将泵压力调至额定压力，长期运转。每隔一段时间进行一次容积效率的测定，一直到不能保持油泵的技术性能指标为止。油泵的使用寿命不得低于3000小时。2.11.2 油缸的验收标准 图2-22 试验系统图1）活塞的漏油检验将溢流阀的压力调至额定压力。向无活塞杆腔输入压力油。将另一腔的油管或油塞打开，然后测量经活塞泄漏至有活塞杆腔的油量。检验时应使活塞停在如下两个位置上进行：第一个位置是活塞处于油缸的中部；第二个位置是活塞处于距有活塞杆腔端盖60毫米处。每次测量均应在活塞移动至预定位置或的第二分钟开始进行。根据机械设计手册查得，其泄漏量不
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