小型盐浴炉快速淬火装置设计【12张CAD图纸】
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- 内容简介：
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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：0901140436设计(论文)题目：小型盐浴炉快速淬火装置起 迄 日 期: 2012年9月 24 日 2012年12月16日设计(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:日期: 2012 年 月 日摘 要盐浴炉是用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉。根据炉子的工作温度，通常选用氯化钠、氯化钾、氯化钡、氰化钠、氰化钾、硝酸钠 、硝酸钾等盐类作为加热介质。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。工件始终处于盐液内加热，工件出炉时表面又附有一层盐膜，所以能防止工件表面氧化和脱碳。盐浴炉可用于碳钢、合金钢、工具钢、模具钢和铝合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 时效等热处理加热，也可用于钢材精密锻造时少氧化加热。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时必须通风。盐液温度依盐液成分而不同,一般在1501300之间。磁场的作用能使盐液循环翻动,有利于盐液温度均匀,又能提高工件的加热速度。由于温度超过人体所能承受的范围，必须要有一套装置来完成淬火要求。关键词：盐浴炉，加热介质，淬火装置IIIAbstractSalt bath furnace with molten salt solution as the heating medium, the workpiece to be immersed in salt solution for heating furnace. According to the operating temperature, usually using sodium chloride, potassium chloride, barium chloride, sodium cyanide, potassium cyanide, sodium nitrate, potassium nitrate salts as heating medium. Salt bath furnace heating speed, temperature uniformity. The workpiece is always in a salt solution within the heating, the workpiece surface and released when accompanied by a layer of salt film, thereby preventing the surface oxidation and decarbonization. Salt bath furnace can be used for carbon steel, alloy steel, tool steel, die steel and aluminium alloy quenching, annealing, tempering, cyanide, and aging heat treatment heating, can also be used for precision forging and less-oxidatien heating. Salt bath furnace heating medium steam is harmful to the human body, must be used with ventilation. Salt solution temperature in salt solution composition and different, generally between 150 1300 . The effect of magnetic field can make salt liquid circulating shift, the benefit of salt liquid temperature uniformity, but also can improve the heating speed of workpiece. Because of the temperature exceeds the human body can bear the scope, we must have a device to complete the quenching requirements.Key Words:salt bath furnace, heating medium, quenching device目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 盐浴炉介绍11.2 选题依据21.3 课题内容及思路2第2章 液压原理图设计52.1 液压机液压系统图拟定52.2 工作循环图7第3章 升降液压缸设计83.1 初步确定液压缸参数83.2 活塞杆的设计与计算93.3 液压缸工作行程的确定103.4 活塞的设计113.5 导向套的设计与计算113.6 端盖和缸底的设计与计算133.7 缸体长度的确定143.8 缓冲装置的设计143.9 排气装置143.10 密封件的选用163.11 防尘圈173.12 液压缸的安装连接结构17第4章 液压泵的参数计算19第5章 电动机的选择19第6章 液压元件的选择206.1 液压阀及过滤器的选择206.2 油管的选择226.3 油箱容积的确定22第7章 验算液压系统性能227.1 压力损失的验算及泵压力的调整227.2 液压系统的发热和温升验算24第5章 传动部分设计265.1主传动系统设计265.2 减速系统（确定齿轮的参数）265.2.1选择材料265.2.2 压力角的选择275.2.3 齿数和模数的选择275.2.4齿宽系数275.2.5 确定齿轮传动的精度27第6章 手臂结构设计286.1 手臂伸缩与手腕回转部分286.1.1 结构设计286.1.2 导向装置296.1.3 手臂伸缩驱动力的计296.2 手臂升降和回转部分306.2.1 结构设计306.3手臂伸缩的设计31总结与展望35参考文献36致 谢37第1章 绪论第1章 绪论1.1 盐浴炉介绍盐浴炉salt-bath furnace指用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉。根据炉子的工作温度，通常选用氯化钠、氯化钾、氯化钡、氰化钠、氰化钾、硝酸钠、硝酸钾等盐类作为加热介质。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。工件始终处于盐液内加热，工件出炉时表面又附有一层盐膜，所以能防止工件表面氧化和脱碳。盐浴炉可用于碳钢、合金钢、工具钢、模具钢和铝合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 时效等热处理加热，也可用于钢材精密锻造时少氧化加热。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时必须通风。盐浴炉分内热式和外热式两大类。内热式盐浴炉又分为电极盐浴炉和电热元件盐浴炉两种。用途电极盐浴炉 通过金属电极将低压 (5.536伏)大电流交流电引入炉内，电流流过盐液发热。盐液既是发热体，又是对工件加热的介质。盐液温度依盐液成分而不同，一般在1501300之间。磁场的作用能使盐液循环翻动，有利于盐液温度均匀，又能提高工件的加热速度。电极盐浴炉由电极、耐火炉衬、密封金属炉罐、绝热层和炉壳构成，由专用变压器供电。因固态盐不导电，开炉时先向起动电极送电，利用起动电极的电阻发热使一部分盐先熔化，然后接通主电极使电流通过熔盐发热工作。主电极有插入式和埋入式两种结构形式。插入式电极：电极从炉口插入炉内。这种电极结构简单，装卸方便。埋入式电极：电极埋在盐中，不接触空气，使用寿命较长。用这种电极的炉膛容积利用系数高，但电极拆卸较困难。两种电极都可用碳钢或耐热钢锻成，也可铸造。构造电热元件盐浴炉 它由管状电热元件、金属槽(锅)、搅拌器、隔热层和炉壳构成。通电后元件发热将盐熔化。这种炉多用硝盐，故又称硝盐炉。硝盐最高工作温度不超过 550。温度超过此限会加剧硝盐分解，发生事故，因此需要设置超温报警装置。如将硝盐改为苛性钠或苛性钾，则成为碱浴炉，这种炉子适用于钢的光亮淬火。 外热式盐浴炉 盐浴炉的金属炉罐（坩埚）放在炉膛内，用电或火焰进行加热，热效率较低，仅在小型盐浴炉上采用。1.2 选题依据盐浴炉是用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉。根据炉子的工作温度，通常选用氯化钠、氯化钾、氯化钡、氰化钠、氰化钾、硝酸钠 、硝酸钾等盐类作为加热介质。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。工件始终处于盐液内加热，工件出炉时表面又附有一层盐膜，所以能防止工件表面氧化和脱碳。盐浴炉可用于碳钢、合金钢、工具钢、模具钢和铝合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 时效等热处理加热，也可用于钢材精密锻造时少氧化加热。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时必须通风。盐液温度依盐液成分而不同,一般在1501300之间。磁场的作用能使盐液循环翻动,有利于盐液温度均匀,又能提高工件的加热速度。由于温度超过人体所能承受的范围，必须要有一套装置来完成淬火要求。由于生产中许多工件需要快速淬火，而人工又不能满足一些精密工件快速生产、安全、稳定性的需要，小型盐浴炉快速淬火装置似乎成了不可或缺的一套必备装置。它实现了工厂生产的快速、稳定和可靠性，同时又大大降低了工人的风险。国内许多工厂由于不具备大批量购买能力和制作技术（此项器械制作技术为专利），未能实现普及使用。尽量降低此类机器的生产成本从而降低价格同时还能保证廉价高质量与等同效率成为目前研究的最具价值型课题，市场需求量大能保证其具有非常大的市场价值。本次设计的目的在于尽量减少生产成本，简化机械结构，便于操作，同时又能最大程度的保障其安全性和使用寿命，用最简单的一套装置来达到复杂装置的生产功能和生产效率，达到安全快速生产的目的。1.3 课题内容及思路设计思路及工作方法 此装置采用顶端底端固定，中间利用一个可以旋转的齿轮实 现机械臂的转动，底端液压泵起升降作用，当机械臂正常旋转时，液压 泵处于顶起状态，机械臂每4S转动半周，需要降下机械臂时，液压泵处于下压状态，顶端齿轮与底端齿轮分离，机械臂失去动力停止旋转，仅做升降运动，顶起到两个齿轮啮合，机械臂恢复转动，从而实现每半周4S的停转和起降，保障了快速淬火的需要和稳定性，淬火过程较长可用调节开关来关闭总电源节约能源，满足了大部分工厂的生产需要研究的主要内容：1.快速淬火装置的结构设计1.1装置结构组成主动力系统，减速系统，液压升降系统，啮合轮转系统及机械臂，辅助装置。1.2装置的总体布局立式，上端主动力系统及减速系统，下端液压升降系统，中端啮合轮转系统及机械臂。1.3主动力系统设计采用直流伺服电机型号：50 FRAME 功率：3kw1.4减速系统采用齿轮减速装置，使顶端啮合齿轮转速为4S每半周1.5液压升降系统采用小型液压机型号：YHD30-200型 公称压力2000KN1.6啮合轮转系统及机械臂机械臂吊起工件最大质量5千克,吊起高度1.5米,横移距离1.5米,工件温度450500C.底端啮合齿轮加装滚动轴承连接液压机1.7快速淬火装置的辅助装置研究方法及措施1分析淬火装置的工作原理，确定装置的主要参数；2对淬火装置进行结构设计，工艺参数的确定；3.液压机控制系统的设计课题要解决的技术问题1.如何保证系统工作的稳定性；2.齿轮减速系统的结构和详细参数；37第4章 本章标题第2章 液压原理图设计2.1 液压机液压系统图拟定图2.11斜盘式变量柱塞泵， 3小电机,4大电机，6滤油器,7电控比例溢流阀,8.22.24溢流阀， 9.18. 23换向阀，10压力继电器，11单向阀，12压力表，13.18液控单向阀，14外控顺序阀，16顺序阀，15上液压缸，19下液压缸，21节流器，工作过程A: 启动：电磁铁全断电，主泵卸荷。主泵（恒功率输出）电液压换向阀9的M型中位电液换向阀20的K型中位TB： 快进：液压缸15活塞快速下行：1YA，5YA通电，电磁铁换向阀17接通液控单向阀18的控制油路，打开液控单向阀18，进油路：主泵1 电液换向阀9 单向阀11上液压缸15回油路：液压缸15下腔 液控单向阀18电液换向阀9电液换向阀20的K型中位T 液压缸15活塞依靠重力快速下行：大气压油吸入阀13液压缸15上腔的负压空腔C： 工进：液压缸15接触工件慢速下行：（增压下行）液压缸活塞碰行程开关2XK，5YA断电，切断经液控单向阀18快速回油通路，上腔压力升高，切断（大气压油吸入阀13 上液压缸无杆腔）吸油路。回油路：液压缸15下腔顺序阀16电液换向阀9电液换向阀20的K型中位TD： 保压：液压缸15上腔压力升高达到预调压力，压力继电器10发出信息，1YA断电，液压缸15进口油路切断，单向阀11和吸入阀13的高密封性能确保液压缸15活塞对工件保压。主泵（恒功率输出）主泵 电液压换向阀9的M型中位 电液压换向阀20的K型位T实现主泵卸荷。E： 保压结束，泄压，液压缸15回程：时间继电器发出信息，2TA通电（1YA断电），液压缸15上腔压力很高，外控顺序阀14，使主泵1电液压换向阀9吸入阀的控制油路由于大部分油液经外控顺序阀14流回油箱，压力不足以立即打开吸入阀13通油箱的通道，只能打开吸入阀的卸荷阀13（或叫卸荷阀13的卸荷口），实现液压缸15上腔（只有极少部分油液经卸荷阀口回油箱）先卸荷，后通油箱的顺序动作，此时：主泵1大部分油液电液压换向阀9外控顺序阀TF： 液压缸15活塞快速上行： 液压缸15上腔卸压达到吸入阀13开启的压力值时，外控顺序阀14关闭，切断主泵1大部分油液电液换向阀9外控顺序阀14T的卸荷油路实现：进油路：主泵1电液换向阀9液控单向阀20液压缸15下腔回油路：液压缸15上腔吸入阀13TG: 升降工件:液压缸15活塞快速上行到位,PLC发出信号, 2YA断电,电液压换向阀9关闭,3YA通电电液压换向阀20右位工作 进油路:主泵1电液压换向阀9的M型中位电液换向阀20液压缸19无杆腔回油路：液压缸19有杆腔电压换向阀20TH: 升降活塞退回：3YA断电，4YA通电，电压换向阀20左位工作进油路：主泵1电液换向阀9的M型中位电液换向阀20液压缸19上腔回油路：液压缸19下腔电液换向阀20TK： 压边浮动拉伸：薄板拉伸时，要求升降液压缸19下腔要保持一定的压力，以便液压缸19活塞能随液压缸15活塞驱动的动模一起下行对薄板进行拉伸，3YA通电，电液换向阀20右边工作，6YA通电，电磁换向阀23工作，溢流阀24调节液压缸19下腔油垫工作压力。2.2 工作循环图 （点动.半自动.自动） 表2.1动作元件 工步1YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 YA7 YAPJ原位上缸快进+上缸工进+保压+上缸快退+下缸工进+下缸快退+压边浮动拉伸(注：PJ压力继电器。)第3章 升降液压缸设计3.1 初步确定液压缸参数表3-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表3-2 各种机械常用的系统工作压力1机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032由表3-1和表3-2可知， 组合机床液压系统的最大负载约为13777N，初选液压缸的设计压力P1=3MPa，为了满足工作台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，这里的液压缸课选用单杆式的，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的等效面积A1与A2应满足A1=2A2（即液压缸内径D和活塞杆直径d应满足：d=0.707D。为防止切削后工件突然前冲，液压缸需保持一定的回油背压，暂取背压为0.5MPa，并取液压缸机械效率。则液压缸上的平衡方程故液压缸无杆腔的有效面积：液压缸直径液压缸内径： 按GB/T2348-1980，取标准值D=80mm；因A1=2A，故活塞杆直径d=0.707D=56mm（标准直径）则液压缸有效面积为：2.缸体壁厚的校核查机械设计手册，取壁厚为10mm。则根据时； （4-2）可算出缸体壁厚为：1.25，满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算： 56mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。3.3 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机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4（a）液压缸行程系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 液压缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 液压缸形成系列（GB 2349-80）62402603003403804204805306006507508509501050120013001500170019002100240026003000340038003.4 活塞的设计由于活塞在液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。活塞与缸体的密封形式分为：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）、密封圈密封三大类。其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因数小，安装空间小）、Y形密封圈（用在20Mpa压力下、往复运动速度较高的液压缸密封）、形密封圈（耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa压力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。综合以上因素，考虑选用O型密封圈。3.5 导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。如果导向长度过短，将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: （4-5）一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1 液压缸最小导向长度1因此:最小导向长度，取H=9cm；导向套滑动面长度A=活塞宽度B=隔套K的宽度2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。 1）普通导向套 这种导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用6。 2）易拆导向套 这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行，维修十分方便。它适用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况下。 3）球面导向套 这种导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋劲“现象。这样，不仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。 4）静压导向套 活塞杆往复运动频率高、速度快、振动大的液压缸，可以采用静压导向套。由于活塞杆与导向套之间有压力油膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力油中浮动，所以摩擦因数小、无磨损、刚性好、能吸收振动、同轴度高，但制造复杂，要有专用的静压系统。3.6 端盖和缸底的设计与计算 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P液压力，； 密封环形端面平均直径，cm； 材料的许用应力，。2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.端盖的结构 端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外，还必须考虑活塞杆的导向，密封和防尘等问题6。缸体端部的连接形式有以下几种： A焊接 特点是结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内缸不易加工。主要用于柱塞式液压缸。 B螺纹连接（外螺纹、内螺纹） 特点是径向尺寸小，质量较小，使用广泛。缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸徐专用工具；安装时应防止密封圈扭曲。 C法兰连接 特点是结构较简单，易加工、易装卸，使用广泛。径向尺寸较大，质量比螺纹连接的大。非焊接式法兰的端部应燉粗。 D拉杆连接 特点是结构通用性好。缸体加工容易，装卸方便，使用较广。外形尺寸大，质量大。用于载荷较大的双作用缸。 E半球连接，它又分为外半环和内半环两种。外半环连接的特点是质量比拉杆连接小，缸体外径需加工。半环槽消弱了缸体，为此缸体壁厚应加厚。内半环连接的特点是结构紧凑，质量小。安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油口边缘擦伤。F钢丝连接 特点是结构简单，尺寸小，质量小。3.7 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。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则液压缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.8 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）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端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，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，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当液压缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床液压系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.9 排气装置 如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置，压力油进入液压缸后，缸内仍会存在空气6。由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行,影响液压缸的正常工作。比如液压导轨磨床在加工过程中，这不仅会影响被加工表面的光洁程度和精度，而且会损坏砂轮和磨头等机构。为了避免这种现象的发生，除了防止空气进入液压系统外，还必须在液压缸上设置排气装置。配气装置的位置要合理，由于空气比压力油轻，总是向上浮动，因此水平安装的液压缸，其位置应设在缸体两腔端部的上方；垂直安装的液压缸，应设在端盖的上方。一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞如图4-2（a）所示。表4-5 排气阀（塞）尺寸6d阀座阀杆孔cDM16611619.29323117108.53484623M20x2814725.41143392213114594828 图4-2 (a) 整体排气孔 图4-2（b） 组合排气孔 图4-2（c） 整体排气阀零件结构尺寸由于螺纹与缸筒或端面连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出来并经过斜孔排除缸外。这种排气装置简单、方便，但螺纹与锥面密封处同轴度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，造成外泄漏。组合排气塞如图4-2（b）所示，一般由络螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面排出空气。排气装置的零件图及尺寸图见4-2（c）以及表4-2（d）。图4-2（d） 组合排气阀零件结构尺寸3.10 密封件的选用1.对密封件的要求 液压缸工作中要求达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。在设计时，正确地选择密封件、导向套（支承环）和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。从现在密封技术来分析，液压缸的活塞和活塞杆及密封、导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑，具有可靠的密封系统，才能式液压缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。 在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料液压缸，如摆动液压缸等。液压缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。 密封件一般以断面形状分类。有O形、U形、V形、J形、L形和Y形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。2.O形密封圈的选用 液压缸的静密封部位主要是活塞内孔与活塞杆、支承座外圆与缸筒内孔、缸盖与缸体端面等处6。这些部位虽然是静密封，但因工作由液压力大，稍有意外，就会引起过量的内漏和外漏。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈虽小，确实一种精密的橡胶制品，在复杂使用条件下，具有较好的尺寸稳定性和保持自身的性能。在设计选用时，根据使用条件选择适宜的材料和尺寸，并采取合理的安装维护措施，才能达到较满意的密封效果。 安装O形圈的沟槽有多种形式，如矩形、三角形、V形、燕尾形、半圆形、斜底形等，可根据不同使用条件选择，不能一概而论。使用最多的沟槽是矩形，其加工简便，但容易引起密封圈咬边、扭转等现象。3.动密封部位密封圈的选用 液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支承座（导向套）的密封等。 形密封圈是我国液压缸行业使用极其广泛的往复运动密封圈。它是一种轴、孔互不通用的密封圈。一般，使用压力低于16MPa时，可不用挡圈而单独使用。当超过16MPa并用于活塞动密封装置时，应使用挡圈，以防止间隙“挤出”。3.11 防尘圈防尘圈设置与活塞杆或柱塞密封外侧，用于防止外界尘埃、沙粒等异物侵入液压缸，从而可以防止液压油被污染导致元件磨损。1.防尘圈A型防尘圈 是一种单唇无骨架橡胶密封圈，适于在A型密封结构形式内安装，起防尘作用。B型防尘密封圈 是一种单唇带骨架橡胶密封圈，适于在B型密封结构形式内安装，起防尘作用。C型防尘圈 是一种双唇密封橡胶圈，适于在C型结构形式内安装，起防尘和辅助密封的作用。2.防尘罩 防尘罩采用橡胶或尼龙、帆布等材料制作。在高温工作时，可用氯丁橡胶，可在130以下工作。如果温度再高时，可用耐火石棉材料。当选用防尘伸缩套时，要注意在高频率动作时的耐久性，同时注意在高速运动时伸缩套透气孔是否能及时导入足够的空气。但是，安装伸缩套给液压缸的装配调整会带来一些困难。3.12 液压缸的安装连接结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸近处有口的连接等。1.液压缸的安装形式 液压缸的安装形式很多，但大致可以分为以下两类。 1）轴线固定类 这类安装形式的液压缸在工作时，轴线位置固定不变。机床上的液压缸绝大多数是采用这种安装形式。 A 通用拉杆式。在两端缸盖上钻出通孔，用双头螺钉将缸和安装座连接拉紧。一般短行程、压力低的液压缸。 B 法兰式。用液压缸上的法兰将其固定在机器上。 C 支座式。将液压缸头尾两端的凸缘与支座固定在一起。支座可置于液压缸左右的径向、切向，也可置于轴向底部的前后端。 2）周线摆动类 液压缸在往复运动时，由于机构的相互作用使其轴线产生摆动，达到调整位置和方向的要求。安装这类液压缸，安装形式也只能采用使其能摆动的铰接方式。工程机械、农用机械、翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式。 A 耳轴式。将固定在液压缸上的铰轴安装在机械的轴座内，使液压缸轴线能在某个平面内自由摆动。 B 耳环式。将液压缸的耳环与机械上的耳环用销轴连接在一起，使液压缸能在某个平面内自由摆动。耳环在液压缸的尾部，可以是单耳环，也可以是双耳环，还可以做成带关节轴承的单耳环或双耳环。 C 球头式。将液压缸尾部的球头与机械上的球座连接在一起，使液压缸能在一定的空间锥角范围内任意摆动。2.液压缸油口设计 油口孔是压力油进入液压缸的直接通道，虽然只是一个孔，但不能轻视其作用6。如果孔小了，不仅造成进油时流量供不应求，影响液压缸的活塞运动速度，而且会造成回油时受阻，形成背压，影响活塞的退回速度，减少液压缸的负载能力。对液压缸往复速度要求较严的设计，一定要计算孔径的大小。 液压缸的进出油口，可以布置在缸筒和前后端盖上。对于活塞杆固定的液压缸，进出油口可以设在活塞杆端部。如果液压缸无专用排气装置，进出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。液压缸进出油口的链接形式有螺纹、方形法兰和矩形法兰等。第4章 液压泵的参数计算由表4-6可知工进阶段液压缸压力最大，若取进油路总压力损失，压力继电器可靠动作需要压力差为，则液压泵 最高工作压力可按式算出： 因此泵的额定压力可取1.2546.3Pa=58Pa。由表4-6可知，工进时所需要流量最小是0.24L/min，设溢流阀最小溢流量为2.5L/min，则小流量泵的流量应为，快进快退时液压缸所需的最大流量是20.1L/min，则泵的总流量为；即大流量泵的流量。根据上面计算的压力和流量，查产品样本，选用YB-A26B型的双联叶片泵，该泵额定压力为7MPa，额定转速1000r/min。第5章 电动机的选择系统为双泵供油系统，差动快进、快退时两个泵同时向系统供油；工进时，小泵向系统供油，大泵卸载1。小泵流量:大泵流量:下面分别计算三个阶段所需要的电动机功率P。1.差动快进差动快进时，大泵3的出口压力油经单向阀6后与小泵4汇合，然后经三位五通阀15进入液压缸大腔，大腔的压力，查样本可知，小泵的出口压力损失，大泵出口到小泵出口的压力损失。于是计算可得小泵的出口压力（总效率=0.5），大泵出口压力（总效率=0.5）。电动机功率： 2.工进考虑到调速阀所需最小压力差。压力继电器可靠动作需要压力差。因此工进时小泵的出口压力为：。而大泵的卸载压力取。（小泵的总效率=0.565，大泵的总效率=0.3）。电动机功率: 3.快退类似差动快进分析知：小泵的出口压力（总效率=0.5）；大泵出口压力（总效率=0.51）。电动机功率为： 综合比较，快退时所需功率最大。据此查样本选用Y132M-1异步电动机,电动机功率为3KW,额定转速750r/min。第6章 液压元件的选择6.1 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1。本例所有阀的额定压力都为，额定流量根据各阀通过的流量，确定为10L/min，25L/min和63L/min三种规格，所有元件的规格型号列于表5-1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5-1 液压元件明细表序号元件名称最大通过流量型号1双联叶片泵22.5YB-A26B2单向阀12I-25B3三位五通电磁阀3235-63BY4二位二通电磁阀3222-63BH5调速阀0.32Q-10B6压力继电器D-63B7单向阀16I-25B8液控顺序阀0.16XY-25B9背压阀0.16B-10B10液控顺序阀（卸载用）16XY-25B11单向阀12I-25B12溢流阀4Y-10B13过滤器45XU-B32*10014压力表开关K-6B15减压阀20J-63B16单向阀20I-63B17二位四通电磁阀2024D-40B18单向顺序阀XI-63B19压力继电器D-63B20压力继电器D-63B6.2 油管的选择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45L/min，则液压缸进、出油管直径d按产品样本，选用内径为10mm，外径为18mm的冷拔钢管。6.3 油箱容积的确定中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的57倍，本设计取7倍，故油箱容积为:第7章 验算液压系统性能7.1 压力损失的验算及泵压力的调整1.工进时的压力损失的验算及泵压力的调整工进时管路中的流量仅为0.24L/min，因此流速很小，所以沿程压力损失和局部损失都非常小，可以忽略不计1。这时进油路上仅考虑调速阀的压力损失，回油路上只有背压阀的压力损失，小流量泵的调整压力应等于工进时液压缸的工作压力加上进油路压差，并考虑压力继电器动作需要，则：即小流量泵的溢流阀12应按此压力调整。2快退时的压力损失验算及大流量泵卸载压力的调整因快退时，液压缸无杆腔的回游量是进油量的两倍，其压力损失比快进时要大，因此必须计算快退时的进油路与回油路的压力损失，以便于确定大流量泵的卸载压力。已知：快退时进油管和回油管长度均为l=1.8m，油管直径d=25m，通过的流量为进油路=22.5L/min=，回油路=45L/min=。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度为15摄氏度，由手册查出此时油的运动粘度v=1.5st=1.5，油的密度，液压系统元件采用集成块式的配置形式。（1）确定油流的流动状态 按式经单位换算为： （6-1）式中 v平均流速（m/s） d油管内径（m） 油的运动粘度（） q通过的流量（）则进油路中液流的雷诺数为： 回油路中液流的雷诺数为：由上可知，进回油路中的流动都是层流。（2）沿程压力损失的计算： （6-2）在进油路上，流速则压力损失为： 在回油路上，流速为进油路流速的两倍即v=4.24m/s，则压力损失为： （3）局部压力损失 由于采用了集成块式的液压装置，所以只考虑阀类元件和集成块内油路的压力损失。通过各阀的局部损失按式计算，结果列于下表：部分阀类元件局部压力损失元件名称额定流量实际通过流量额定压力损失实际压力损失单向阀2251620.82三位五通电磁阀6316/3240.26/1.03二位二通电磁阀633241.03单向阀251220.46若取集成块进油路的压力损失，回油路压力损失为，则进油路和回油路总的压力损失为：查表一得快退时液压缸负载F=521N；则快退时液压缸的工作压力为：计算快退时泵的工作压力： （6-3）而因此，大流量泵卸载阀10的调整压力应大于。从以上验算可以看出，各种工况下的实际压力损失都小于初选的压力损失值，而且比较接近，说明液压系统的油路结构、元件的参数是合理的，满足要求。7.2 液压系统的发热和温升验算在整个工作循环中，工进阶段所占用的时间最长，所以系统的发热主要是工进阶段造成的，故按工进工况验算系统温升。工进时液压泵的输入功率如前面计算：工进时液压缸的输出功率：系统总的发热功率为：已知油箱容积为V=315L=,则油箱近似散热面积A为： （6-4）假定通风良好，取油箱散热系数，则油液温升为：17.4 （6-5）设环境温度，则热平衡温度为：=25+17.4=42.4T=55所以油箱散热基本可达要求。 第5章 传动部分设计5.1主传动系统设计 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5 估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）选择直流电动机表3-1 50 FRAME直流电动机技术数据 功率：3kw功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B605.2 减速系统（确定齿轮的参数）采用齿轮减速装置，使顶端啮合齿轮转速为4S每半周5.2.1选择材料根据表7-1,选择齿轮的材料为45钢,经调质硬度HBS可达229286。5.2.2 压力角的选择由机械原理知识可知,增大压力角,能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大,可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。此处，压力角可取20。5.2.3 齿数和模数的选择 对软齿面的闭式齿轮传动,其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度。而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关,即与齿数和模数的积有关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下,宜选择较小的模数和较多的齿数。这样除能增大重合度,改善传动的平稳性外,还因模数的减小而降低齿高,从而减小金属的切削量,减少滑动速度,减少磨损,提高抗胶合能力。轴上齿轮齿数取25,小齿轮齿数取100,轴上轴齿轮齿数取25,大齿轮齿数取300,模数m取2。5.2.4齿宽系数 由强度公式可知,当载荷一定时,增大齿宽可以减小齿轮直径,降低齿轮圆周速度。但增大齿宽,齿面上的载荷分布不均匀性也将增大。查表7-7,中间轴上的齿轮与大齿轮啮合时取齿宽系数为1.0;悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取为0.5。根据公式 ,计算结果圆整为5的整数倍,作为大齿轮的齿宽,小齿轮齿宽取,以补偿加工装配误差。所以轴上齿轮 与之啮合的小齿轮齿宽 轴上的齿轮齿宽 ,与之啮合的大齿轮齿宽5.2.5 确定齿轮传动的精度 根据GB10095-1988规定,齿轮精度等级分为12级,1级最高,12级最低,常用69级。根据表7-8 选用7级精度的齿轮。表5-2 第一级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙第6章 手臂结构设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。6.1 手臂伸缩与手腕回转部分6.1.1 结构设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时，气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性17。该机械手的手臂结构如附图所示，现将其工作过程描述如下:手臂主要由双作用式气缸1、导向杆2、定位拉杆3和两个可调定位块4等组成。双作用式气缸1的缸体固定，当压缩空气分别从进出气孔c、e进入双作用式气缸1的两腔时，空心活塞套杆6带动手腕回转缸5和手部一同往复移动。在空心活塞套杆6中通有三根伸缩气管，其中两根把压缩空气通往手腕回转气缸5，一根把压缩空气通往手部的夹紧气缸。在双作用式气缸1缸体上方装置着导向杆2，用它防止活塞套杆6在做伸缩运动时的转动，以保证手部的手指按正确的方向运动。为了保证手嘴伸缩的快速运动。在双作用式气缸1的两个接气管口c、e出分别串联了快速排气阀.手臂伸缩运动的行程大小，通过调整两块可调定位块4的位置而达到。手臂伸缩运动的缓冲采用液压缓冲器实现.手腕回转是由回转气缸5实现，并采用气缸端部节流缓冲，其结构见剖面图;在附图中所示的接气管口a、b是接到手腕回转气缸的;d是接到手部夹紧气缸的。直线气缸1内的三根气管采用了伸缩气管结构，其特点是机械手外观清晰整齐，并可避免气管的损伤，但加工工艺性较差。另外活塞套杆6做成筒状零件可增大活塞套杆的刚性，并能减少充气容积，提高气缸活塞套杆的运动速度。6.1.2 导向装置气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性18。6.1.3 手臂伸缩驱动力的计手臂作水平伸缩时所需的驱动力:图4.3所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图。在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压力油(或压缩空气)输入工作腔时，驱使手臂前伸(或缩回)，其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力19。 图5.3 手臂伸出时的受力状态因此，驱动力计算公式为20: P驱= P惯+P摩+P封+P背 N （5.1)式中: P惯手伶在起动过程中的惯性力(N); P摩摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N);P封密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不 同。P背气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N)，若非工作腔与油箱或大气相连时，则 P背=0。6.2 手臂升降和回转部分6.2.1 结构设计其结构如附图所示。手臂升降装置由转柱1、升降缸活塞轴2、升降缸体3、碰铁4、可调定位块5、定位拉杆6、缓冲撞铁7、定位块联接盘13和导向杆14等组成。转柱1上钻有a、b、c、d、e和f六条气路，在转柱上端用管接头和气 管分别将压缩空气引到手腕回转气缸(用a、b气路)，手部夹紧气缸( 用d气路)和手臂伸缩气缸(用c、e气路)，转柱下端的f气路，将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体3上升，并由两个导向杆14进行导向，同时碰铁4随升降缸体3一同上移，当碰触上边的可调定位块5后，即带动定位拉杆6、缓冲撞铁7向上移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。当J、K两面接触时而定位。上升行程大小通过调整可调定位块5来实现。最大可调行程为170mm,缓冲行程根据抓重和手臂移动速度的要求亦可调整，其范围为15-30，故上升行程最大值为200mm。手臂下降靠自重实现21。实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的， 常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回转缸体10、转轴11 (它与动片焊接成一体，见E-E剖面)、定片12、回转定位块8、回转中间定位块9和回转用液压缓冲器(此部件位置参见附图) 等组成。当压缩空气通过管路分别进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块8和回转中间定位块9的位置而定22。6.3手臂伸缩气缸的设计1、驱动力计算23根据手臂伸缩运动的驱动力公式: （N）其中，由于手臂运动从静止开始，所以v=v。摩攘系数:设计气缸材料为ZL3，活塞材料为45钢，查有关手册可知f=0.17。质量计算:手臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手臂伸缩用液压缓冲器、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg，放松物件后其质量为55kg.接触面积:S=0. 5则上料时:Ff =7010 0. 5=350 (N)=350+70 600 10-3/0.05=1540(N)下料时:Ff =55 100. 5=275 (N) =275+55 600 10-3/0.05 =935 (N)考虑安全因素，应乘以安全系数K=1.2则上料时:F=1540 1. 2=1850 (N)下料时:F=935 1. 2=1120 (N)2、气缸的直径根据双作用气缸的计算公式:其中:F1活塞杆伸出时的推力，N F2活塞杆缩入时的拉力, Nd活塞直径，P气缸工作压力，Pa代入有关数据，得:当推力做功时 =4 1850/(51050.4) =108.5 (mm)当拉力做功时D= (1.01-1.09)(4F2/p) =(1.011.09) (4 1122/(51050.4) =92.12 (mm)圆整后，取D=100mm3、活塞杆直径的计算24根据设计要求，此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有3根伸缩管。因此，活塞杆内径要尽可能大，假设取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)气缸承受纵向推力达到极限力Fk以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F，与工作总阻力F:之和)小于极限力Fk。该极
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