曲軸滾壓強化機液壓系統(tǒng)的設(shè)計

曲軸滾壓強化機液壓系統(tǒng)的設(shè)計,曲軸,壓強,液壓,系統(tǒng),設(shè)計 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 1 曲軸滾壓強化機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 摘要:本曲軸滾壓機的特點是采用強化滾壓與滾壓校直相結(jié)合，設(shè)計為三級變壓液 壓系統(tǒng)。滾壓過程中滾壓力成階梯型變化，實現(xiàn)自動定位、強化滾壓、光整滾壓 三個過程。以提高滾壓質(zhì)量和滾壓校直作用。即開始按較小的夾緊力進行滾壓， 以便曲軸定位；當(dāng)滾壓數(shù)圈后，滾壓力增至最大值，做強化滾壓；滾壓至需要圈 數(shù)后壓力又降至一定值做光整滾壓。再滾數(shù)圈，滾壓循環(huán)結(jié)束。液壓系統(tǒng)液壓閥 配置形式選擇集成塊式。液壓集成塊是安裝各種液壓元器件，并在其內(nèi)部按液壓 原理圖實現(xiàn)元件間孔道連通的復(fù)雜功能閥塊，其結(jié)構(gòu)緊湊，元件密度高，占據(jù)空 間小，變化靈活，易標(biāo)準(zhǔn)化等特點。 關(guān)鍵詞:曲軸；滾壓強化；液壓系統(tǒng) 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 2 Crankshaft Rolling strengthen the design of the hydraulic system ABSTRACT Abstract: The crankshaft rolling machine used to strengthen the characteristics of rolling and rolling straightening the integration of design for the three PSA hydraulic system. Rolling into the process of rolling pressure on the ladder-type changes, automatic positioning, strengthening rolling, rolling three-whole process. Rolling to improve school quality and rolling straight role. That is to embark on the smaller clamping force to roll in order to crank positioning when rolling a few laps later, rolling to the maximum pressure, so strengthening rolling, rolling to need a few laps after the pressure has to do a certain value Finishing rolling. Rolling again a few laps, rolling cycle ended.. Hydraulic system hydraulic valve configuration of choice for integrated block. Hydraulic Manifold is the installation of various hydraulic components, and in its internal realization of the principle of hydraulic components of the complex functions of the channels connected valve block, the compact, high-density components, occupy small space, changes in flexible, easy to standardize And so on. Key word: crankshaft; Rolling Strengthening; hydraulic system 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 3 - 目 錄 摘要 ......................................................................1 ABSTRACT..................................................................2 1 緒論 ................................................................- 5 - 1.1 圓角滾壓強化的概念 ...............................................- 5 - 1.2 曲軸圓角滾壓強化機理 .............................................- 5 - 1.2.1 微觀組織機理 ....................................................- 5 - 1.2.2 表面質(zhì)量機理 ....................................................- 5 - 1.2.3 殘余壓應(yīng)力機理 ..................................................- 6 - 1.3 曲軸圓角滾壓工藝 .................................................- 7 - 1.4 滾壓強化的發(fā)展趨勢 ...............................................- 8 - 2 曲軸滾壓強化機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 ........................................- 8 - 2.1 工藝參數(shù)的選擇 ...................................................- 8 - 2.1.1 滾壓力 ..........................................................- 8 - 2.1.2 滾壓次數(shù) ........................................................- 9 - 2.2 液壓系統(tǒng)使用要求及速度負(fù)載分析 ...................................- 9 - 2.2.1 使用要求 ........................................................- 9 - 2.2.2 速度負(fù)載分析 ....................................................- 9 - 2.3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計 ................................................- 10 - 2.3.1 確定液壓泵類型及調(diào)速方式 .......................................- 10 - 2.3.2 選用執(zhí)行元件 ...................................................- 10 - 2.3.3 多級調(diào)壓回路 ...................................................- 10 - 2.3.5 換向回路的選擇 .................................................- 10 - 2.3.5 組成液壓系統(tǒng)繪原理圖 ...........................................- 10 - 2.5 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計算 ..............................................- 12 - 2.5.1 液壓缸參數(shù)計算 .................................................- 12 - 2.5.2 液壓泵的參數(shù)計算 ...............................................- 12 - 2.5.3 電動機的選擇 ...................................................- 14 - 2.5 液壓元件和裝置的選擇 ............................................- 15 - 2.5.1 液壓閥的選擇 ...................................................- 15 - 2.5.2 過濾器的選擇 ...................................................- 16 - 2.5.3 油管的選擇 .....................................................- 16 - 2.5.5 油箱的設(shè)計 .....................................................- 16 - 2.5.5 液壓閥配置形式的選擇 ............................................- 17 - 2.6 驗算液壓系統(tǒng)性能 ................................................- 18 - 2.6.1 壓力損失的驗算及泵壓力的調(diào)整 ...................................- 18 - 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 4 - 2.6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗算 .......................................- 18 - 結(jié)論 .....................................................................20 致謝 .....................................................................20 參考文獻： ...............................................................21 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 5 - 1 緒論 曲軸是高速運轉(zhuǎn)并受循環(huán)應(yīng)力作用的重要機器零件，其工作條件十分惡劣。 由于受循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的作用，局部產(chǎn)生漸進性永久變形，最終導(dǎo)致裂紋或完 全斷裂。因此使用前需要進行強化處理。曲軸圓角滾壓技術(shù)是強化的主要方法 之一，它的特點是強化效果顯著、生產(chǎn)效率高和成本低。根據(jù)資料統(tǒng)計，球鐵 曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高 120%-300%，鋼曲軸壽命可提高 70%-150%。 1.1 圓角滾壓強化的概念 表面滾壓強化是一種無屑光整加工方法。它是在常溫狀態(tài)下，利用高硬度 材料(如淬火鋼，硬質(zhì)合金以及紅寶石等)制成的工具對被加工零件表面施加一 定的壓力，使表面層金屬產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力的一種強化方法。 圓角滾壓強化是一種特殊的表面滾壓強化。它是在曲軸的軸頸與主軸頸、 曲柄與連桿之間的圓角上采用滾壓旋轉(zhuǎn)加壓在軸頸部位形成塑性變形帶改變危 險界面處的拉應(yīng)力狀態(tài)，使之形成合理分布的壓應(yīng)力狀態(tài)的一種特殊的表面強 化方法。它跟其它的曲軸強化方法比較起來具有以下的特點:能夠降低曲軸表面 粗糙度，強化被滾壓的表面，經(jīng)滾壓后產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，硬化層深度一般為 0. 5-1.5mm，硬度可提高 5%-50%。能減小切削加工時留下的刀痕跡等表面缺陷， 從而降低了應(yīng)力集中程度。由于滾壓是冷加工，不需要熱能，處理時間短。因 此它的成本較低，生產(chǎn)效率高。 1.2 曲軸圓角滾壓強化機理 曲軸的圓角處是曲軸應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位，因此它的疲勞破壞一般發(fā)生在曲軸軸頸 和曲柄連接的過渡圓角處。滾壓強化機理是指曲軸經(jīng)過圓角滾壓后在各方面提高其疲勞壽 命的理論。包括微觀組織、表面質(zhì)量和殘余壓應(yīng)力強化機理三個方面。 1.2.1 微觀組織機理 曲軸在滾壓過程中表層金屬在滾輪的作用下會發(fā)生強烈的塑性形變。金屬 塑性變形的最基本方式是滑移，即一部分晶體沿某一晶面和晶向相對于另一部 分晶體發(fā)生相對滑移。曲在載荷的作用下晶體發(fā)生反復(fù)滑移，它的特點主要在 晶體中晶粒的位向及晶界對塑性變形的影響上。晶界能夠阻礙位錯運動，由于 晶粒的位向不同，因此它們之間相互約束，阻礙晶粒的變形。在同樣變形影響 下，一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)越多，則變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行因此不會產(chǎn)生 局部應(yīng)力集中，從而使多晶體能承受較大量的塑形變形而不破壞，同時滑移的 結(jié)果還使晶粒的位錯密度增加、晶格畸變，一部分符號相反的位錯相互抵消， 而符號相同的位錯則重新排列并形成小角度的位錯墻，形成輪廓清晰尺寸更加 微小的亞晶粒。亞晶粒的細(xì)化和位錯密度增高這些變化將會顯著提高材料的屈 服強度和疲勞性能。 另一方面，過大的塑性變形將導(dǎo)致孿生、晶體拉長、晶粒轉(zhuǎn)動、破碎等塑 性變形，晶格嚴(yán)重扭曲。滾壓表面甚至出現(xiàn)鱗片狀波紋、花斑、表面變脆脫皮 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 6 - 等現(xiàn)象，將降低曲軸的疲勞壽命。因此在實際中還要控制滾壓強化層的深度。 1.2.2 表面質(zhì)量機理 零件表面加工后引起的粗糙表面是應(yīng)力集中的主要因素之一，常成為極危 險的尖端切口，形成應(yīng)力集中。在交變應(yīng)力作用下，疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集 中的地方，應(yīng)力集中促疲勞裂紋的形成和擴展表面越粗糙、缺陷的缺口底部越 尖銳、缺口深度越大則有效應(yīng)力集中系數(shù)值越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，因此疲勞 強度和疲勞壽命是隨表面粗糙度的下降而增加，即表面越粗糙，疲勞強度和疲 勞壽命降低就越嚴(yán)重。 為了降低曲軸表面的應(yīng)力集中，對曲軸主軸頸和連桿頸進行磨削加工后， 它的表面粗糙度很容易達到 Ra= 0.8μm，但圓角處由于加工困難很難保證要求 的表面粗糙度，而恰恰它又是危險截面。曲軸圓角滾壓加工相當(dāng)于一個低粗糙 度的硬表面在另一個高粗糙度的軟表面上滾動。由于工具有極高的耐磨性，工 具和零件的硬度相差懸殊，在滾壓過程中工具基本不發(fā)生變形，而零件表面上 的微凸體受到擠壓后，凸峰兩側(cè)的金屬被下壓，而且還要從凸峰兩側(cè)的凹谷擠 出.這樣可使微觀不平度減小，從而獲得小的表面粗糙度。曲軸經(jīng)過圓角滾壓可 以使圓角表面粗糙度達到 Ra=O.1μm 以下，這樣就大大減少了圓角處的應(yīng)力集 中，大大提高了曲軸的疲勞強度。 1.2.3 殘余壓應(yīng)力機理 早在上個世紀(jì) 30 年代人們就發(fā)現(xiàn)延長疲勞壽命的有效途徑可能通過引人殘 余壓應(yīng)力。實際上材料中殘余壓應(yīng)力最明顯的作用是對材料疲勞性能的影響。 也是由于這一點，殘余壓應(yīng)力才受到人們越來越多的關(guān)注，成為過去一段時間 材料科學(xué)研究的熱點之一。目前主要通過以下兩種不同的途徑進行研究。 （1） 應(yīng)力強度因子方面 材料表面的缺陷或裂紋只有當(dāng)外加交變載荷達到某一界限時，即裂紋尖端 的應(yīng)力強度因子達到了材料本身的臨界應(yīng)力強度因子時，裂紋才開始擴展。當(dāng) 有平均應(yīng)力存在條件下，界限應(yīng)力強度因子幅為： △m ={1.2(△K)}/{1+0.2(1+R)/(1-R)}th 式中：R—為交變載荷中的平均應(yīng)力。 由于殘余壓應(yīng)力能夠降低外加交變載荷中的平均應(yīng)力的作用，因此可以減 小零件實際承受的應(yīng)力強度因子幅值△K。由公式(1)可以看出,R 值的下降能夠 提高裂紋開始擴展的界限應(yīng)力強度因子幅值△Kth。那么在一定交變載荷條件下， 原來可能發(fā)生擴展的類裂紋，在有殘余壓應(yīng)力存在的情況下，由于△Kth 值得 到提高，要使裂紋擴展，則必須繼續(xù)增大交變應(yīng)力。這就是殘余壓應(yīng)力在提高 有裂紋材料疲勞強度中所起的作用。 （2）裂紋閉合的影響方面 Elber 于上個世紀(jì) 70 年代初提出了裂紋閉合的概念。曲軸圓角經(jīng)過滾壓后 產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能夠平衡曲軸加工和工作時的表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使零件的 表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力的存在可以使裂紋的尖端閉合，同時還可以 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 7 - 抑制裂紋尖端的繼續(xù)擴展。因此可以提高曲軸的疲勞壽命。 隨后國內(nèi)外對殘余應(yīng)力提高疲勞壽命作了一些研究，但大多都是以個別應(yīng) 力分量作為疲勞失效準(zhǔn)則的。Popinocanu NG 在上個世紀(jì) 80 年代根據(jù)等效應(yīng)力 假說建立了最佳殘余應(yīng)力計算方法，等效應(yīng)力準(zhǔn)則更全面地考慮了各個應(yīng)力分 量對疲勞失效的影響。該理論指出如果滾壓后表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)使得等效應(yīng) 力在具體工況條件下為最小值，則該殘余壓應(yīng)力為最佳的殘余應(yīng)力狀態(tài)。在該 殘余應(yīng)力狀態(tài)下工件可以獲得最佳的疲勞壽命。 隨著計算機和有限元理論的發(fā)展，應(yīng)用有限元模擬的領(lǐng)域也越來越廣泛。 2003 年美國的 W.Y.Chien 等人對曲軸在具體載荷下建立二維有限元模型，分析 了圓角在非殘余應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力集中，以及曲軸圓角經(jīng)過滾壓后的應(yīng)力分布。 應(yīng)用斷裂機理研究了殘余應(yīng)力對曲軸疲勞壽命的影響。 1.3 曲軸圓角滾壓工藝 曲軸圓角滾壓屬于表面塑性變形范疇，早在 1933 年美國就將滾壓強化方法 應(yīng)用在鐵路上。在 1938 年蘇聯(lián)開始對鐵路車軸軸頸進行滾壓強化試驗。到了上 個世紀(jì) 50 年代發(fā)達國家開始研究曲軸表面的強化滾壓技術(shù)，后來隨著工業(yè)對曲 軸疲勞性能要求越來越高，為了提高生產(chǎn)效率，開始對滾壓設(shè)備進行研究，到 上個世紀(jì) 80 代發(fā)達國家發(fā)明了曲軸強化工藝的全自動滾壓，大大提高了曲軸滾 壓強化的效率。 我國的滾壓技術(shù)在機械行業(yè)中的應(yīng)用起始與上個世紀(jì) 60 代至今在很多機械 企業(yè)中有所應(yīng)用。目前國內(nèi)根據(jù)圓角和工序的不同，可把曲軸滾壓分為切線滾 壓、圓角沉割滾壓。 切線滾壓:在曲軸加工經(jīng)過精磨后直接進行滾壓。它的優(yōu)點是工序簡單，生 產(chǎn)效率高。缺點是很容易在軸頸和軸頸側(cè)表面擠出凸臺，這需要在后續(xù)工藝中 磨去除。這樣很容易把滾壓層磨去，因此削弱滾壓的效果。 圓角沉割槽滾壓:為了克服上述缺點，在切線滾壓工序的基礎(chǔ)上，在滾壓之 前先加工出一個半徑和滾輪一樣的凹槽進行滾壓。這樣在滾壓后進行磨削就不 至于磨到滾壓強化層而削弱強化效果，同時沉割槽還可以分散應(yīng)力集中.但是要 想加工出一個如此精確的凹槽對于一般車削來說很難，而需要專門的數(shù)控車削 車床成本很大。目前國外發(fā)動機的曲軸大部分都使用沉割圓角滾壓工藝。 由于曲軸是典型的非對稱結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，圓角滾壓后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力重 新分布。使得曲軸彎曲，主軸頸跳動較大，超出允許誤差。國外上個世紀(jì) 90 代 針對曲軸在滾壓過程中由于塑性變形產(chǎn)生的軸頸跳動，實現(xiàn)了滾壓+矯直工藝。 它首先對曲軸圓角進行滾壓，然后測量曲軸的不直度，若不合格，再根據(jù)變形 的實際情況，在曲軸的某些部位用不同的壓力繼續(xù)進行滾壓。實踐證明這樣能 將曲軸重新滾壓校直，而圓角處的壓應(yīng)力依然存在。目前將這種具有圓角滾壓 強化、曲軸不直度測量和滾壓校直三道工序合而為一的專門設(shè)備稱為曲軸圓角 滾壓智能加工設(shè)備。 按照滾壓時溫度的不同可以把滾壓分為冷滾壓和溫滾壓。曲軸的溫滾壓加 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 8 - 工就是把曲軸表面加熱到室溫以上再結(jié)晶溫度以下約 300-500℃進行表面圓角 滾壓。上個世紀(jì) 70 年代 日本少數(shù)廠家對溫滾壓技術(shù)進行了研究，并將其應(yīng)用 在曲軸強化上。由于溫滾壓可以的到更好的屈服強度和表面強度。因此溫滾壓 曲軸相能獲得更好的疲勞強度。 1.4 滾壓強化的發(fā)展趨勢 通過所查資料表明，國內(nèi)外滾壓強化的發(fā)展趨勢主要在以下幾個方面: 理論方面:包括對滾壓強化的機理以及滾壓力的計算的研究。以臨界等效應(yīng) 力作為失效標(biāo)準(zhǔn)確定的最佳殘余應(yīng)力，在提高深溝球軸承的壽命放面取得了較 好的效果。而應(yīng)用在曲軸上面的報道很少。因此研究最佳殘余應(yīng)力理論在提高 曲軸壽命領(lǐng)域的應(yīng)用將成為滾壓強化機理的發(fā)展趨勢。 工藝方面:由于對滾壓參數(shù)的研究不是十分充分，如曲軸材料、滾壓工藝參 數(shù)對滾壓層和疲勞強度的影響缺乏系統(tǒng)的研究。不能向設(shè)計者提供系統(tǒng)可靠的 疲勞理論、設(shè)計計算公和完善的材料性能數(shù)據(jù)，因此獲得不同尺寸和材料的曲 軸在不同工況下的最佳工藝參數(shù)(滾壓力的大小、滾壓圈數(shù)、滾壓速度、滾壓位 置、滾論的半徑)成為國內(nèi)曲軸滾壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。 數(shù)值模擬方面:主要是曲軸圓角經(jīng)過滾壓后殘余應(yīng)力狀態(tài)的研究。 2 曲軸滾壓強化機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 2.1 工藝參數(shù)的選擇 2.1.1 滾壓力 強化效果主要以殘余壓應(yīng)力和滾壓層深度（硬化層）來衡量。在一定范圍 內(nèi)，加大滾壓力，則殘余應(yīng)力和滾壓層深度相應(yīng)增加，強化效果提高。但滾壓 是利用塑性變形的一種強化方法，不可能使殘余壓應(yīng)力和滾壓層深度超過限度。 否則，會使?jié)L壓表面起皮，甚至剝落、變形，反而降低滾壓效果。滾壓力增加 還涉及到滾壓工具、滾壓機床的剛性和冷卻潤滑等問題。因此，往往把滾壓力 限制在中等范圍內(nèi)。根椐資料，最大殘余應(yīng)力在材料屈服點的 1.5 倍、滾壓層 最大硬度在材料硬度的 1.5 倍為宜。亦可根據(jù)等強度觀點，將曲軸圓角強度提 高到與其他部位相等或稍高，使曲軸故障不致在圓角區(qū)發(fā)生，這樣也就達到了 強化之目的。 可見滾壓力的選擇，是由滾壓工具、曲軸材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及工作狀況所決定的。 曲軸類型不同滾壓力亦不同。根據(jù)滾壓層深度確定滾壓力，預(yù)定滾壓層深度 a，計算滾壓力 P，其計算式 P=2σ sa2m2 式中： m=1+0.07R； = + + + ；R12314R R1——滾輪半徑； R2——連桿軸頸圓角半徑； 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 9 - R3——主軸頸圓角半徑； R5——相關(guān)軸頸半徑； σ s——曲軸材質(zhì)屈服強度； 滾壓層深度對于汽車、拖拉機用內(nèi)燃機曲軸，取其連桿軸頸直徑的 1/30 左 右，為 9800N。 2.1.2 滾壓次數(shù) 滾壓的先決條件是工件要有足夠的塑性。曲軸圓角在滾壓過程形成環(huán)形壓 痕，金屬沿切線和圓角方向流動，圓角兩側(cè)堆積金屬形成凸緣。根據(jù)試驗表明， 在給定壓力下，當(dāng)滾壓至一定次數(shù)后，壓痕深度和凸緣高度達到最大值，不再 繼續(xù)擴展，滾壓深度和殘余應(yīng)力亦不會再增加。若繼續(xù)滾壓只會引起曲軸變形 量增大、滾壓表面光潔度下降，甚至起皮；同時還可能破壞滾壓工具的表面光 潔度。所以滾壓次數(shù)不宜過多，一般在 10~25 次之間為宜，本液壓系統(tǒng)選取 20 次。 2.1.3 滾壓速度 這是指切線速度。滾壓過程中圓角表層金屬產(chǎn)生塑性流動，特別是滾輪滾 壓處更為明顯。當(dāng)滾壓速度太高即使在冷卻潤滑條件充分的情況下，使?jié)L壓表 面出現(xiàn)燒傷和撕裂。同時，滾壓機構(gòu)的慣性和離心力，會引起滾輪顫動，使?jié)L 壓表面產(chǎn)生波紋。這不僅會降低滾壓表面質(zhì)量，損壞滾壓工具，而且還會增大 曲軸彎曲變形。若滾壓速度過低，曲軸扭轉(zhuǎn)變形增加，軸向還略有延伸。 滾壓速度與曲軸圓角的半徑大小及硬度、滾壓工具的結(jié)構(gòu)形狀、滾壓力、 滾壓機床等有關(guān)。在一般情況下取 5~15 m/min。 2.2 液壓系統(tǒng)使用要求及速度負(fù)載分析 2.2.1 使用要求 設(shè)計的曲軸強化滾壓機液壓系統(tǒng)采用三級變壓液壓系統(tǒng)。滾壓過程中，滾 壓力成階梯型變化，實現(xiàn)自動定位、強化滾壓、光整滾壓三個過程以提高滾壓 質(zhì)量和滾壓校直作用。即開始按較小的夾緊力進行滾壓，便于曲軸定位；當(dāng)滾 壓數(shù)圈后，滾壓力增加到最大值，做強化滾壓；滾壓至需要圈數(shù)后，壓力又降 至一定值，做光整滾壓；再滾壓數(shù)圈，滾壓循環(huán)結(jié)束。滾壓力和圈數(shù)由控制機 構(gòu)控制，可隨需調(diào)整。 2.2.2 速度負(fù)載分析 曲軸圓角滾壓工藝參數(shù)：工藝流程為精磨軸頸后滾壓圓角;滾壓速度為 56r/min；定位滾壓的滾壓力為 5900N，最大的強化滾壓力為 9800N，光整滾壓 的滾壓力為 7350N。滾壓力及滾壓圈數(shù)見圖 1；滾壓時的進給速度為 0.25m/min。 各工作階段的滾壓深度根據(jù)公式 a= 可以計算出來msPδ2 定位滾壓的滾壓深度 a1 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 10 - a1= =2.36mmmsPδ2 強化滾壓的滾壓深度 a2 a2= －a 1=3.35－2.36=1mmsδ 圖 1 負(fù)載分析中，暫不考慮回油腔的背壓力，液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力在機械效 率中加以考慮。因工作部件是立式放置，這樣需要考慮的力有：滾壓力，自身重力和慣性 力。 2.3 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計 2.3.1 確定液壓泵類型及調(diào)速方式 參考同類組合機床，選用單作用葉片泵供油、調(diào)速閥進油節(jié)流調(diào)速的開式 回路，溢流閥做定壓閥。 2.3.2 選用執(zhí)行元件 系統(tǒng)工作循環(huán)要求正向快進和工作，反向快退，因此選用單活塞桿液壓缸， 選用無桿腔面積 A1 等于有桿腔面積 A2 的兩倍。八個液壓缸并聯(lián)在油路中。 2.3.3 多級調(diào)壓回路 根據(jù)運動方式和要求，采用多級調(diào)壓回路來實現(xiàn)自動定位、強化滾壓、光 整滾壓三個過程以提高滾壓質(zhì)量和滾壓校直作用。多級調(diào)壓回路為三級調(diào)壓回 路。泵的出口分別接具有不同調(diào)定壓力的溢流閥，其中一個溢流閥直接接在泵 的出口，另外兩個通過三位五通閥接在泵的出口。當(dāng)換向閥中位時，壓力由溢 流閥 8 調(diào)定；當(dāng)換向閥左位時，壓力由溢流閥 10 調(diào)定；當(dāng)換向閥右位時，壓力 由溢流閥 11 調(diào)定，液壓系統(tǒng)原理如圖 2 所示，電磁鐵的動作順序如表 1 所示。 2.3.5 換向回路的選擇 本系統(tǒng)對換向的平穩(wěn)性沒有嚴(yán)格的要求，因此選用電磁換向閥的換向回路。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 11 - 為了實現(xiàn)液壓缸簡單的換向，選用兩位四通換向閥。 2.3.5 組成液壓系統(tǒng)繪原理圖 將上述所選定的液壓回路進行組合，并根據(jù)要求做必要的修改補充，組成 如圖 2 所示的液壓系統(tǒng)圖。為了便于觀察調(diào)整壓力，在液壓缸的進油口處設(shè)置 測壓點。 圖 2 液壓系統(tǒng)原理圖 1 油箱 2 濾油器 3 單作用葉片泵 4 單向閥 5 調(diào)速閥 6 三位四通電磁閥 7 送料缸 8 主溢流閥 9 三位四通電磁閥 10 溢流閥（左檔） 11 溢流閥 （右檔） 12 調(diào)速閥 13 兩位兩通電磁閥 14 調(diào)速閥 15 兩位四通電磁閥 16 滾壓缸 17 油壓表 表 1 液壓系統(tǒng)中各電磁鐵的動作順序 電磁鐵動作 E1 E2 E3 E4 E5 E6 送料 + 快進 + 夾緊 （加壓Ⅰ） + + + 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 12 - 加壓Ⅱ + + 加壓Ⅲ + + 松開 + 退料 + 2.5 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計算 2.5.1 液壓缸參數(shù)計算 (1) 初選液壓缸的工作壓力 參考同類型的組合機床，初定液壓缸的工作壓力為 P1=100×105 Pa。 (2) 確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 本液壓系統(tǒng)要求快退和快進，現(xiàn)采用單桿式的液壓缸。取無桿腔有效面積 A1等于有桿腔有效面積 A2的兩倍，即 A1=2A2。 由圖 1 可知最大負(fù)載為加壓Ⅱ時階段的負(fù)載 F=9800N，按此計算 A1則： A1=F/P1= =0.00098m2=9.8cm25098? 液壓缸直徑 D= = =3.53cmπ 14π 8.9 由 A1=2A2可知活塞桿直徑 d=0.707D=0.707×3.53=2.50cm 按 GB/T2358-1993 將所計算的 D 與 d 值分別圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便 采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得： D=3.6cm d=2.5cm 按標(biāo)準(zhǔn)直徑算出 A1= D2=10.17cm24π A2= (D2-d2)=5.27cm2π 按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量 qmin=0.05L/min，因工進速度 v=0.05m/min 為最小速度，則由公式: A≥ = cm2=10cm2minvq 510.? 本設(shè)計中 A1=10.17cm2>10cm2，滿足最低速度的要求。 (3) 計算液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率 根據(jù)液壓缸的負(fù)載圖和速度圖以及液壓缸的有效面積，可以計算出液壓缸 工作過程各階段的壓力，液壓缸的參數(shù)如表 2 所示。 表 2 液壓缸所需的實際流量、壓力和功率 負(fù)載 F 進油壓力 P 所需 流量 輸入 功率 工作循 環(huán) 計算 公式 N Pa L/min kW 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 13 - 加壓Ⅰ P= AF5900 58.18×105 0.25 0.2 加壓Ⅱ P= 9800 96.36×105 0.25 0.39 加壓Ⅲ P= 7350 72.27×105 0 0 2.5.2 液壓泵的參數(shù)計算 由表可知加壓Ⅱ階段液壓缸工作壓力最大，若取進油路總壓力損失 ∑ΔP=5×10 5Pa，壓力繼電器可靠動作需要壓力差為 5×105Pa，則液壓泵最高 工作壓力為： Pp=P1+∑ΔP+5×10 5=106.36×105 Pa 因此泵的額定壓力可取 Pr≥1.25×106.36×10 5=132.95×105 由表 2 可知攻進時所需的流量最大是 0.25L/min，設(shè)溢流閥最小流量為 2.5L/min，則泵的流量 q≥K∑q max=（1.3×0.25+2.5）L/min=2.76 L/min 跟椐上面計算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本，選用 YB-E6 型的單作用葉片泵， 結(jié)構(gòu)如圖 3 所示,結(jié)構(gòu)尺寸如圖 5 和表 3 所示。該泵的額定壓力 16MPa，最低轉(zhuǎn) 速 600r/min，最高轉(zhuǎn)速 1500r/min。 圖 3 YB-E 型葉片泵的結(jié)構(gòu)圖 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 14 - 圖 5 YB-E 型葉片泵外形尺寸圖 表 3 YB-E 型葉片泵外形尺寸表 尺寸/mm型號 L L1 L2 l1 l2 l3 ΦD 1 ΦD 2 Φd 1 Φd 2 YB-E6 202 131.5 75.5 50 19 35 100dc 128 20d 13 尺寸/mm型號 a a1 b t H H1 S M1 M2 YB-E6 6 12 5 22 205 37 116 M30×2 M20×15 2.5.3 電動機的選擇 系統(tǒng)為單泵供油，泵的流量 qp=(6×10-3/60)m3/s=0.1×10-3,泵的出口壓力 油流經(jīng)單向閥后再經(jīng)過調(diào)速閥，兩位四通閥進入液壓缸大腔，大腔的壓力 p1=96.36×105Pa。由此計算所需要的的電動機功率 P P= = =1872Wηpq.0196.3 3?? 據(jù)此查產(chǎn)品樣本選用 Y100L-1 電動機，電動機功率 2.2kW，額定轉(zhuǎn)速 1500r/min，外形尺寸如圖 5 所示，性能參數(shù)如表 5 所示。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 15 - 圖 5 Y100L-1 電動機外形尺寸圖 表 5 Y100L-1 電動機外形尺寸表 型號 尺寸/mm A A/2 B C 基本尺 寸 基本尺寸 極限偏 差 基本尺寸 基本尺 寸 極限偏差 160 80 ±0.5 150 63 ±2.0 D E F 基本尺 寸 極限偏差 基本尺 寸 極限偏差 基本尺 寸 極限偏差 28 （＋0.009，－0 .005） 60 ±0.37 8 （0，－0. 036） G H K 基本尺 寸 極限偏差 基本尺 寸 極限偏差 基本尺 寸 極限偏差 25 （0，－0.2） 100 （0，－0 .5） 12 （0，－0. 53） AB AC AD HD L 位置度公 差 Y100L-1 205 215 180 255 380 Φ1.0 2.5 液壓元件和裝置的選擇 2.5.1 液壓閥的選擇 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 16 - 根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)中的最高工作壓力與通過該閥的最大流量，可選出選出 這些元件的型號及規(guī)格。本設(shè)計中所有閥的額定壓力都為 160×105 Pa，額定流 量根據(jù)各閥通過的流量，確定為 10 L/min，32L/min，20L/min 三種種規(guī)格，所 有元件的規(guī)格型號列于表 5 中。過濾器按液壓泵流量的兩倍選取吸油用線隙式 過濾器。表中序號與系統(tǒng)原理圖中的序號一致。 表 5 液壓元件明細(xì)表 序 號 元件名稱 最大通過流量/L·min - 1 型號 1 單作用葉片泵 6 YB-E6 2 單向閥 50 A-10B 3 調(diào)速閥 10 Q-D6B 5 調(diào)速閥 10 Q-D6B 5 兩位四通電磁閥 32 25EO3B-E10B 6 三位四通電磁閥 32 35EO30-E10B 7 三位四通電磁閥 32 35EO30-E10B 8 溢流閥 20 Y-D6B 9 溢流閥 20 Y-D6B 10 溢流閥 20 Y-D6B 11 壓力表開關(guān) K-F6B 2.5.2 過濾器的選擇 [3] 1) 過濾精度應(yīng)滿足液壓系統(tǒng)要求； 2) 具有足夠大的過濾能力，壓力損失??； 3) 有良好的抗腐蝕性，不會對油液造成化學(xué)或機械污染； 5）系統(tǒng)維護方便，更換濾芯容易； 5）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、價格低廉。 由液壓產(chǎn)品樣本中的表 20-8-132 選取過濾器 ZU–H50X10S 型 ，流量 5050 ，額定壓力 32MPa ，過濾精度 10 。minL m? 2.5.3 油管的選擇 根據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定管道尺寸。液壓缸的進、出油管按 輸入、排出的最大流量來計算。由于本系統(tǒng)送料工進中油管內(nèi)痛油量最大，其 實際流量為泵的額定流量 6L/min，則液壓缸進、出油管直徑 d 按產(chǎn)品樣本選用 內(nèi)徑為 15mm，外徑為 19mm 的 10 號冷拔鋼管。 2.5.5 油箱的設(shè)計 (1) 油箱容積的確定 高壓系統(tǒng)的油箱容積一般取液壓泵額定流量的 6~12 倍，在本系統(tǒng)中取 8 倍， 故油箱的容積為： V=(12×6)L=72L (2)油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 17 - 油箱用鋼板焊接而成，形狀可以依主機總體布局而定，為了在相同的容量 下得到最大的散熱面積，油箱的外形宜設(shè)計成立方體或長六面體，油箱設(shè)計應(yīng) 注意以下幾個問題 [5]： 1）油箱內(nèi)部吸油區(qū)與回油區(qū)要用隔板分離，以增大油液循環(huán)的路程，以減 緩油液的循環(huán)速度，便 于分離回油帶來的空氣和污物，提高散熱效率。油箱一般采用隔板并安裝 在油箱的中間位置，隔板高度不低于油面至箱底高度的 2 / 3。 2）油箱底面應(yīng)做成適當(dāng)?shù)男倍?，并在最低位置裝放油塞。油箱底面斜度可 做成雙斜面，放油口在中間隔板處；也可做成向回油側(cè)傾斜的單斜面，放油孔 開在回油側(cè)的最低處。為便于清潔,中間隔板下部應(yīng)開有缺口,使吸油側(cè)的油液 沉淀物可以經(jīng)此缺口至回油側(cè),然后經(jīng)放油口排出。 3）吸油管口與回油口應(yīng)盡量遠離?；赜凸芸诰嘞涞椎木嚯x應(yīng)不小于管徑的 三倍，管端切成 55℃斜口，斜口面向與回油管相距最近的油箱，這樣即有利于 散熱，又有利于雜質(zhì)的沉淀。吸油管口要裝設(shè)有足夠流通能力的濾油器或濾網(wǎng)， 它們距箱底和側(cè)面要有一定的距離以便四面進油，保證液壓泵的吸入性能。 5）系統(tǒng)中的泄漏油管應(yīng)盡量單獨接入油箱。其中各類控制閥的泄漏油管端 部應(yīng)在油面上，以免產(chǎn)生背壓；液壓泵和馬達的外泄漏油管應(yīng)在油面之下，以 免吸入空氣。 5）油箱上部設(shè)加油口，加油口應(yīng)帶有濾油網(wǎng)，平時用蓋子封閉。為了保證 油箱的油面升降時始終與大氣相通油箱上蓋應(yīng)設(shè)有通氣孔，通氣口上設(shè)空氣濾 清器防止空氣中的灰塵進入油箱。由于目前生產(chǎn)的空氣濾清器同時有加油和通 氣的作用，因此加油口和通氣孔可以合二為一，空氣濾清器的規(guī)格根據(jù)液壓泵 的每分鐘流量選取。 6）一般油箱可以通過拆卸上蓋進行清洗，但對大容量的油箱，多采用在油 箱側(cè)壁設(shè)清洗窗口的方法。清洗窗口平時用側(cè)板密封，清洗時在取下。 7）油箱應(yīng)有足夠的強度和剛度，特別是大容量和較高的油箱，因此一般采 用骨架式結(jié)構(gòu)。當(dāng)油箱結(jié)構(gòu)容量較小時，可采用鋼板直接焊接而成。 8）為了檢測油面，油箱側(cè)壁應(yīng)裝設(shè)油面指示計；為了檢測油溫，一般在油 箱上裝設(shè)有溫度計，溫度計直接插入油液；如果系統(tǒng)需要電加熱器，也可以安 裝在油箱的側(cè)壁，其位置必須保證電加熱器始終浸入油中。 9）為防止污染，油箱內(nèi)壁裝有耐油防銹的保護層。 2.5.5 液壓閥配置形式的選擇 對于固定式液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)的動力、控制與調(diào)節(jié)裝置集中安裝成 獨立的液壓站，可使裝配與維修方便，隔開動力源的的振動，并減少油溫的變 化對主機工作精度的影響。液壓元件在液壓站上的配置形式有多種形式可以選 擇。配置形式不同，則液壓系統(tǒng)的壓力損失和元件類型不同。液壓元件的配置 形式目前采用集成化配置，具體有下面三種。 1.集成油路板式 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 18 - 集成油路板是一塊較厚的液壓元件安裝板，板式連接的液壓元件由螺釘安 裝在板的正面，管接頭安裝在板的反面，元件之間的油路全部由板內(nèi)加工的孔 道形成。 2.集成塊式 集成塊是一個通用化的六面體，四周除一面安裝通向執(zhí)行元件的管接頭外， 其余三面都可以安裝板式液壓閥。元件之間的連接油路由集成塊內(nèi)部的孔道形 成。一個液壓系統(tǒng)往往由多塊集成塊組成。進油口和回油口在底板上，通過集 成塊的公共孔直通頂蓋。 3.疊加閥式 疊加閥是自成系列的元件，每個疊加閥既起控制閥作用，又起通道體的作 用，因此它不需要另外的連接塊，只需用長螺栓直接將各疊加閥安裝在底板上， 即可組成所需要的液壓系統(tǒng)，這種配置形式的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、油管少、體 積小、質(zhì)量小，不需設(shè)計專用的油路連接塊。 液壓集成塊是安裝各種液壓元器件，并在其內(nèi)部按液壓原理圖實現(xiàn)元件間 孔道連通的復(fù)雜功能閥塊，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，元件密度高，占據(jù)空間小，變化 靈活，易標(biāo)準(zhǔn)化等特點，因而本系統(tǒng)采用集成塊式。 2.6 驗算液壓系統(tǒng)性能 2.6.1 壓力損失的驗算及泵壓力的調(diào)整 工進時管路中的流量僅為 0.25L/min，因此流速很小，所以沿程壓力損失 和局部壓力損失都非常小，可以忽略不計。這時進油路上只考慮調(diào)速閥的壓力 損失 Δp 1=5×105Pa，泵的調(diào)整壓力應(yīng)該等于工進時液壓缸的工作壓力 p1加上 進油路壓差 Δp 1，并考慮壓力繼電器的動作需要，則 pp= p1+Δp 1+5×105Pa=(96.36+5+5) ×105Pa=106.36×105Pa 即主溢流閥應(yīng)按此壓力調(diào)整。 2.6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗算 液壓系統(tǒng)工作時，液壓泵和執(zhí)行元件存在著容積損失和機械損失，管路和 各種閥類元件通過液流時要產(chǎn)生壓力損失和泄露。所有的這樣損失所消耗的能 量均轉(zhuǎn)變成熱能，使油溫升高。連續(xù)工作一段時間后，系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量與散 發(fā)到空氣中的熱量相等達到熱平衡狀態(tài)，此后溫度不再升高。不同的主機，因 工作條件與工況不同，最高允許油溫是不同的，系統(tǒng)發(fā)熱溫升的計算，就是計 算系統(tǒng)的實際油溫，如果實際油溫小于最高允許油溫則系統(tǒng)滿足要求。系統(tǒng)中 散發(fā)熱量的元件主要是油箱。 在整個工作循環(huán)中工進階段所占用的時間最長，所以系統(tǒng)的發(fā)熱主要是工 進階段造成的，故按工進工況驗算系統(tǒng)溫升。 工進時液壓泵的輸入功率如前面計算 P1=390W 工進時液壓缸的輸出功率 P2=Fv=(9800×0.25/60) W=39.2W 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 19 - 系統(tǒng)總的發(fā)熱功率 Φ 為 Φ= P 1－P 2=350.8W 已知油箱容積 V=72L=72×10-3m3，則按照 A=0.065 郵箱近似散熱面積32V A 為 A=0.065 = 0.065 m3=1.13m22V27 假定通風(fēng)良好，取油箱散熱系數(shù) CT=15×10-3kW/(m2·°C)，則利用公式可 得油液溫升為 ΔT= = °C=20.7°CATΦ 13.058?? 表 6 各種機械允許油溫 ℃ 液壓設(shè)備類型 正常工作溫度 最高允許溫度 數(shù)控機床 30～50 55～70 一般機床 30～55 55～70 機車車輛 50～60 70～80 船舶 30～60 80～90 冶金機械、液壓機械 50～70 60～90 工程機械、礦山機械 60～80 70～90 設(shè)環(huán)境溫度 T2=25°C，則熱平衡溫度為 T1=T2+ΔT=25°C+20.7°C=55.7°C≤[T 1]=60°C 所以油箱散熱可以達到要求。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 20 - 6.結(jié)論 在“曲軸滾壓機液壓系統(tǒng)的設(shè)計”當(dāng)中，注重理論和實踐相結(jié)合；充分運用了 學(xué)習(xí)的各種基礎(chǔ)和專業(yè)知識，自始至終以工程觀點貫穿與整個設(shè)計過程中，以 實際應(yīng)用為基礎(chǔ)，充分分析了設(shè)備的優(yōu)點與缺點，進而確定了設(shè)計的主要部分。 曲軸是高速運轉(zhuǎn)并受循環(huán)應(yīng)力作用的重要機器零件，其工作條件十分惡劣。 由于受循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的作用，局部產(chǎn)生漸進性永久變形，最終導(dǎo)致裂紋或完 全斷裂。因此使用前需要進行強化處理。曲軸圓角滾壓技術(shù)是強化的主要方法 之一，它的特點是強化效果顯著、生產(chǎn)效率高和成本低。根據(jù)資料統(tǒng)計 【6】 ，球 鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高 120%-300%，鋼曲軸壽命可提高 70%-150%。 滾壓工藝對于曲軸的疲勞強度，較之其它強化手段，具有提高疲勞強度幅 度大，生產(chǎn)效率高，工藝簡單，經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，受到了國內(nèi)外汽車及內(nèi)燃 機行業(yè)的重視得到了廣泛的應(yīng)用。 7．致謝 歷時十二周的畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了，本次設(shè)計是大學(xué)當(dāng)中最具有代表性，時間最 長的首次完整設(shè)計，也是我們學(xué)習(xí)成果的一次集中展示通過認(rèn)真的思考，積極 的獲取資料以及努力的工作，完成了很多知識，從設(shè)計的過程當(dāng)中領(lǐng)悟了書本 上沒有的東西。這次設(shè)計也讓我在指導(dǎo)老師的精心的輔導(dǎo)下對大學(xué)四年所學(xué)專 業(yè)技能得到了更好的加深和鞏固，為大學(xué)時期的學(xué)習(xí)畫上了圓滿的句號。 本次設(shè)計得到了多位老師和同組同學(xué)的幫助，特別是指導(dǎo)教師李連豪老師的 認(rèn)真幫助與指導(dǎo)。在此期間老師的耐心輔導(dǎo)，以及淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度 使我深受感動和啟迪。在這里我向所有幫助過我的老師、同學(xué)表示深深的感謝。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)論文 - 21 - 參考文獻 [1] 成大先. 機械設(shè)計手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2002. 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