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臥式鏜床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是針對(duì)臥式鏜床的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，除了滿足主機(jī)在動(dòng)作和性能方面規(guī)定的要求外，還必須符合體積小、重量輕、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用和維修方便等一些公認(rèn)的普遍設(shè)計(jì)原則。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)已知的條件，來(lái)確定液壓工作方案、液壓流量、壓力和液壓泵及其它相關(guān)元件的設(shè)計(jì)。
此次設(shè)計(jì)主要是將自己所學(xué)的知識(shí)結(jié)合輔助材料運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，鞏固和深化已學(xué)知識(shí)，掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一般步驟和方法，正確合理的確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件，能熟練的運(yùn)用液壓基本回路，組成滿足基本性能要求的液壓系統(tǒng)。
作為一種高效率的專用機(jī)床，組合機(jī)床在大批、大量機(jī)械加工生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本次設(shè)計(jì)將以臥式鏜床的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，其中包括液壓系統(tǒng)的工況分析、主要參數(shù)確定、液壓系統(tǒng)原理圖的擬定、液壓元件的選擇、系統(tǒng)性能驗(yàn)算等。
關(guān)鍵詞：臥式鏜床，液壓系統(tǒng)，工況，油缸
Abstract
The graduation project is designed for horizontal boring machine 's hydraulic system , in addition to meeting the requirements in the host action and performance requirements , but also must comply with the small size, light weight, low cost, high efficiency, simple structure, reliable operation , use and easy maintenance and some accepted universal design principles. The design of the hydraulic system is mainly based on known conditions , to determine the design of the hydraulic work program , hydraulic flow, pressure and hydraulic pumps and other related components.
The design is mainly their learned knowledge combined with auxiliary materials applied to the design , to consolidate and deepen the knowledge already learned to master the general steps and methods of hydraulic system design calculations to determine the correct and reasonable actuators, hydraulic components selection criteria can skilled use of basic hydraulic circuit , consisting of a hydraulic system to meet the basic performance requirements .
As a highly efficient machine tools, combination tools in large numbers , the production of a large number of machining a wide range of applications. The design will be horizontal boring machine hydraulic system design as an example, the hydraulic system design methods and design steps, including conditions of the hydraulic system analysis to determine the main parameters , select the hydraulic system schematic formulation, hydraulic components , system performance checking and so on.
Keywords: Horizontal boring machine , Hydraulic system, Operating conditions , Cylinder
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒論 5
1.1鏜床的概述 5
1.2液壓系統(tǒng)概述 5
1.3選題背景 6
1.4課題研究現(xiàn)狀 6
1.4.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 6
1.4.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
第二章 臥式鏜床工況分析 8
2.1工作參數(shù)選定 8
2.2系統(tǒng)工況分析 8
2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析 8
2.2.2 負(fù)載分析 9
第三章 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 11
3.1確定主要參數(shù) 11
3.1.1液壓缸的工作壓力的確定 11
3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 12
3.1.3 液壓缸工況圖的繪制 13
3.2液壓系統(tǒng)方案選型與分析 15
3.2.1方案分析 15
3.2.2方案確定 16
3.3液壓回路選擇 16
3.3.1調(diào)速方式的選擇 16
3.3.2調(diào)速與速度換接回路 16
3.3.3換向回路 18
3.3.4組成液壓系統(tǒng)原理圖 18
第四章 液壓缸的設(shè)計(jì) 20
4.1 液壓缸的主要零件確定及其技術(shù)要求 20
4.1.1 缸體 20
4.1.2 缸蓋 20
4.1.3 活塞 20
4.2液壓缸主要尺寸的確定 21
4.2.1 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 21
4.2.2 液壓缸工作行程的確定 22
4.2.3 缸蓋厚度的確定 23
4.2.4 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 23
4.2.5 缸體長(zhǎng)度的確定 24
4.2.6 固定螺栓得直徑 24
4.2.7 液壓缸強(qiáng)度校核 24
4.3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
4.3.1 缸體與缸蓋的連接形式 26
4.3.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 27
4.3.3 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 27
4.3.4 密封裝置 28
4.3.5 緩沖裝置 29
4.3.6 排氣裝置 30
4.3.7 液壓缸的安裝結(jié)構(gòu) 31
第五章 液壓元件的計(jì)算和選擇 32
5.1確定液壓泵和電機(jī)的規(guī)格 32
5.2 油箱的設(shè)計(jì) 32
5.2.1液壓油箱有效容積的確定 32
5.2.2液壓油箱的外形尺寸 32
5.2.3液壓油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
5.2.4油箱的制造工藝 33
5.2.5油箱各零件的作用 33
5.3閥類元件和輔助元件的選擇 35
5.4其它元件的選擇 35
5.4.1過(guò)濾器的選擇 35
5.4.2 壓力表及壓力表開(kāi)關(guān)的選擇 36
5.4.3 液位計(jì)的選擇 37
5.4.4油管的選擇 37
第六章 液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算 38
6.1 壓力損失的驗(yàn)算 38
6.2發(fā)熱溫升的驗(yàn)算 40
結(jié) 論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附錄：英文文獻(xiàn)翻譯 45
英文文獻(xiàn)翻譯原文 50
第一章 緒論
1.1鏜床的概述
主要用鏜刀對(duì)工件已有的預(yù)制孔進(jìn)行鏜削的機(jī)床。通常，鏜刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，鏜刀或工件的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。它主要用于加工高精度孔或一次定位完成多個(gè)孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關(guān)的其他加工面的加工。使用不同的刀具和附件還可進(jìn)行鉆削、銑削、切它的加工精度和表面質(zhì)量要高于鉆床。鏜床是大型箱體零件加工的主要設(shè)備。螺紋及加工外圓和端面等。
由于制造武器的需要，在15世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了水力驅(qū)動(dòng)的炮筒鏜床。1769年J.瓦特取得實(shí)用蒸汽機(jī)專利后，汽缸的加工精度就成了蒸汽機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題。1774年英國(guó)人J.威爾金森發(fā)明炮筒鏜床，次年用于為瓦特蒸汽機(jī)加工汽缸體。1776年他又制造了一臺(tái)較為精確的汽缸鏜床。1880年前后，在德國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)帶前后立柱和工作臺(tái)的臥式鏜床。為適應(yīng)特大、特重工件的加工，20世紀(jì)30年代發(fā)展了落地鏜床。隨著銑削工作量的增加，50年代出現(xiàn)了落地鏜銑床。20世紀(jì)初，由于鐘表儀器制造業(yè)的發(fā)展，需要加工孔距誤差較小的設(shè)備，在瑞士出現(xiàn)了坐標(biāo)鏜床。為了提高鏜床的定位精度，已廣泛采用光學(xué)讀數(shù)頭或數(shù)字顯示裝置。有些鏜床還采用數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)定位和加工過(guò)程自動(dòng)化。
鏜床分為臥式鏜床、落地鏜銑床、金剛鏜床和坐標(biāo)鏜床等類型(見(jiàn)彩圖)。①臥式鏜床：應(yīng)用最多、性能最廣的一種鏜床，適用于單件小批生產(chǎn)和修理車間。②落地鏜床和落地鏜銑床：特點(diǎn)是工件固定在落地平臺(tái)上，適宜于加工尺寸和重量較大的工件,用于重型機(jī)械制造廠。③金剛鏜床:使用金剛石或硬質(zhì)合金刀具，以很小的進(jìn)給量和很高的切削速度鏜削精度較高、表面粗糙度較小的孔，主要用于大批量生產(chǎn)中。④坐標(biāo)鏜床：具有精密的坐標(biāo)定位裝置，適于加工形狀、尺寸和孔距精度要求都很高的孔，還可用以進(jìn)行劃線、坐標(biāo)測(cè)量和刻度等工作，用于工具車間和中小批量生產(chǎn)中。其他類型的鏜床還有立式轉(zhuǎn)塔鏜銑床、深孔鏜床和汽車、拖拉機(jī)修理用鏜床等。
1.2液壓系統(tǒng)概述
一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。
動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。
執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開(kāi)關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、快換接頭、高壓球閥、膠管總成、測(cè)壓接頭、壓力表、油位油溫計(jì)等。
液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。
液壓系統(tǒng)由信號(hào)控制和液壓動(dòng)力兩部分組成，信號(hào)控制部分用于驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力部分中的控制閥動(dòng)作。
1.3選題背景
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)的壯大，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位的制造業(yè)領(lǐng)域得以健康快速的發(fā)展。制造裝備的改進(jìn)，使得作為制造工業(yè)重要設(shè)備的各類機(jī)加工藝裝備也有了許多新的變化，尤其是孔加工，其在今天的液壓系統(tǒng)的地位越來(lái)越重要。
近幾年，液壓傳動(dòng)由于應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、新材料等后取得了新發(fā)展，使液壓系統(tǒng)和元件正向高壓、高速、高精度、高效率的方向發(fā)展，在完善比例控制、伺服控制、數(shù)字控制等技術(shù)上取得新的成就。液壓系統(tǒng)的發(fā)展方向是：創(chuàng)制新型技能、微型元件、高度的組合化、集成化和模塊化和微電子結(jié)合，走向智能化。
總之，液壓工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用是很大的，它常常用來(lái)衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。與世界主要的工業(yè)國(guó)家相比，我國(guó)的液壓工業(yè)還有相當(dāng)差距，標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)質(zhì)化的工作有待于繼續(xù)做好，智能化的工作剛剛起步，為此必須急起直追，才能迎頭趕上。
1.4課題研究現(xiàn)狀
1.4.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
液壓技術(shù)自18世紀(jì)末英國(guó)制成世界上第一臺(tái)水壓機(jī)算起，已有300多年的歷史了，但其真正的發(fā)展只在第二次世界大戰(zhàn)后60多年的時(shí)間內(nèi)，戰(zhàn)后液壓技術(shù)迅速向民用工業(yè)轉(zhuǎn)移，在機(jī)床、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車等行業(yè)中逐步推廣。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著原子能技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)得到了河大的發(fā)展，并滲透到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中去。當(dāng)前液壓技術(shù)正向高壓、高速、大功率、高效、低噪音、高可靠性、搞度集成化的法相發(fā)展。同時(shí)，新型液壓元件和液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試、計(jì)算機(jī)直接控制、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、可靠性技術(shù)，以及污染控制技術(shù)等方面也是當(dāng)前液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)發(fā)展和研究的方向。
1.4.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)液壓工業(yè)的真正發(fā)展是在六十年代開(kāi)始起步的，而液壓控制技術(shù)的發(fā)展則更晚一些，目前，液壓控制技術(shù)已成為一種極為廣泛的基礎(chǔ)技術(shù)，盡管我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域也獲得了極為廣泛的應(yīng)用，單液壓及控制技術(shù)長(zhǎng)期落后于國(guó)外的現(xiàn)狀還是嚴(yán)重制約了我國(guó)主體水平的提高和工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。因而迅速提高我國(guó)液壓技術(shù)和控制技術(shù)的數(shù)字化，具有極為重要的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，我國(guó)液壓氣動(dòng)密封行業(yè)堅(jiān)持技術(shù)進(jìn)步，加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，涌現(xiàn)出一批各具特色的高新技術(shù)產(chǎn)品。如北京機(jī)床所的直動(dòng)式電液伺服閥、杭州精工液壓機(jī)電公司的低噪聲比例溢流閥、寧波華業(yè)公司的電液比例流量閥，均為機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。為應(yīng)對(duì)我國(guó)加入WTO后的新形勢(shì)，我國(guó)液壓行業(yè)各企業(yè)加速科技創(chuàng)新，不斷提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，一批優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品成功地位國(guó)家重點(diǎn)工程和重點(diǎn)主機(jī)配套，取得較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。
第二章 臥式鏜床工況分析
2.1工作參數(shù)選定
選定臥式鏜床的要求參數(shù)如下：
要求循環(huán)：快進(jìn)→工進(jìn)→快退→停止；
切削推力：25000N；
行程：快進(jìn)行程400mm，工進(jìn)行程50mm；
運(yùn)行速度：V快進(jìn)=V快退=6m/min、V工進(jìn)=0.05-0.10m/min；
運(yùn)動(dòng)部件重G=9800N；
摩擦系數(shù)：靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)fa=0.1；
液壓缸機(jī)械效率：；
快速起動(dòng)時(shí)間不大于0.2s。
2.2系統(tǒng)工況分析
2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該銑床的工作循環(huán)為：“快進(jìn)→工進(jìn)→快退→停止”的自動(dòng)工作循環(huán)，且各工部速度如下：
快進(jìn)、快退速度為：V快進(jìn)=V快退=6m/min
工進(jìn)速度為：V工進(jìn)=0.05-0.10m/min
繪制運(yùn)動(dòng)部件的速度循環(huán)圖如圖2-1所示。
圖2-1 速度循環(huán)圖
2.2.2 負(fù)載分析
液壓缸所受外載荷F包括三種類型，分別為工作負(fù)載、摩擦阻力負(fù)載、慣性負(fù)載即：
F = Fw+ Ff+ Fa
1）工作負(fù)載Fw
對(duì)于金屬切削機(jī)床來(lái)說(shuō)，即為沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的切削力，在本設(shè)計(jì)中工進(jìn)工作負(fù)載即為切削推力故：
Fw=25000N
2）導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載Ff
啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦力，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦力，對(duì)于平行導(dǎo)軌Ff可以由下式求的：
Ff = f ( G + FRn )
G ——運(yùn)動(dòng)部件重力9800N；
FRn ——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，此設(shè)計(jì)中為零；
f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。求得
Ffs = 0.2×9800N = 1960N
Ffa = 0.1×9800N = 980N
上式中Ffs 為靜摩擦力，F(xiàn)fa 為動(dòng)摩擦力。
3）運(yùn)動(dòng)部件速度變化時(shí)的慣性負(fù)載Fa
Fa =
式中g(shù)——重力加速度；
——加速或減速時(shí)間，本設(shè)計(jì)中要求不大于0.2s，取=0.1s；
——時(shí)間內(nèi)的速度變化量。
故：
Fa = ×N =1000N
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，列出各工作階段所受的外負(fù)載（見(jiàn)表2-1），并畫(huà)出如圖2-2所示的負(fù)載循環(huán)圖。
表2-1工作循環(huán)各階段的外負(fù)載
序
工作循環(huán)
外負(fù)載F(N)
1
啟動(dòng)、加速
F = Ffs + Fa
2960
2
快進(jìn)
F = Ffa
980
3
工進(jìn)
F = Fw+ Ffa
25980
4
快退啟動(dòng)加速
F = Ffs + Fa
2960
5
快退
F = Ffa
980
圖2-2 負(fù)載循環(huán)圖
第三章 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
3.1確定主要參數(shù)
3.1.1液壓缸的工作壓力的確定
執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖中的最大負(fù)載來(lái)選取，也可以根據(jù)主機(jī)的類型了確定（見(jiàn)表3-1和表3-2）。
表3-1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力
負(fù)載/ KN
<5
510
1020
2030
3050
>50
工作壓力/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備
類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型
工程機(jī)械
液壓機(jī)、重型
機(jī)械等
磨床
組合
機(jī)床
龍門(mén)
刨床
拉床
工作壓力
0.8~2.0
3~5
2~8
8~10
10~16
20~32
所設(shè)計(jì)的動(dòng)力滑臺(tái)在工進(jìn)時(shí)負(fù)載最大，其值為25980N，其它工況時(shí)的負(fù)載都相對(duì)較低，參考表3-1和表3-2按照負(fù)載大小或按照液壓系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。
在鏜孔加工時(shí)，為了防止孔被鏜通時(shí)負(fù)載突然消失而產(chǎn)生的鏜頭前沖，液壓缸回油腔應(yīng)有一定的背壓，查液壓工程手冊(cè)（回油路帶背壓閥<0.51.5>）取背壓為。
表3-3 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值
系 統(tǒng) 類 型
背壓p1 （MPa）
中、低壓系統(tǒng)0~8MPa
簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2~0.5
回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)
0.5~0.8
回油路帶背壓閥
0.5~1.5
采用帶補(bǔ)液壓泵的閉式回路
0.8~1.5
中高壓系統(tǒng)＞8~16MPa
同上
比中低壓系高50%~100%
高壓系統(tǒng)＞16~32MPa
如鍛壓機(jī)等
出算可忽略
3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定
為了節(jié)省能源宜選用較小流量的油源。利用單活塞缸差動(dòng)連接滿足快進(jìn)速度的要求，且往復(fù)快速運(yùn)動(dòng)速度相等，這樣就給液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d規(guī)定了的關(guān)系。由此求得液壓缸無(wú)桿腔面積為:
活塞桿直徑可以由值算出，由計(jì)算所得的D與d的值分別按表3-4和表3-5圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。
表3-4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值
表3-5 活塞桿直徑系列 (GB2348--1980) (mm)
4
5
6
8
10
12
14
16
18
2
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
由GB/T2348-1980查得標(biāo)準(zhǔn)值為D=125mm，d=90mm。由此計(jì)算出液壓缸的實(shí)際有效面積為:
對(duì)選定后的液壓缸內(nèi)徑D，必須進(jìn)行穩(wěn)定速度的驗(yàn)算。要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A，必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效工作面積，即
A＞
=
式中 ——流量閥的最小穩(wěn)定流量，一般從選定流量閥的產(chǎn)品樣本中查得。
——液壓缸的最低速度，由設(shè)計(jì)要求給定。
如果液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A不大于計(jì)算所得的最小有效工作面積，則說(shuō)明液壓缸不能保證最小穩(wěn)定速度，此時(shí)必須增大液壓缸的內(nèi)徑，以滿足速度穩(wěn)定的要求。
按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，由式（3-4）可得
A=cm2 =10cm2
式中qmin是由產(chǎn)品樣品查得GE系列調(diào)速閥AQF3-E10B的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。調(diào)速閥安裝在進(jìn)油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應(yīng)該選取液壓缸無(wú)桿腔的實(shí)際面積，即
A = A1 = 122.7cm2
可見(jiàn)上述不等式滿足，液壓缸能夠達(dá)到所需低速。
3.1.3 液壓缸工況圖的繪制
油缸各工況的壓力、流量、功率的計(jì)算如下：
（1）計(jì)算各工作階段液壓缸所需的流量
（2）計(jì)算各工作階段液壓缸壓力
快速進(jìn)給時(shí)液壓缸做差動(dòng)連接。由于管路中有壓力損失，取此項(xiàng)損失為△P= P2- P1=0.5MPa，同時(shí)假定快退時(shí)回油壓力損失為0.5MPa。
（3）計(jì)算各工作階段系統(tǒng)輸入功率
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出液壓缸在一個(gè)工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率，如表3-6所示，并根據(jù)此繪制出其工況圖如圖3-1所示。
表3-6液壓缸在不同階段所需壓力、流量和功率
工作階段
系統(tǒng)負(fù)載/N
回油腔壓力/MPa
工作腔壓力/MPa
輸入流量q/L/min
輸入功率P/W
快速前進(jìn)
1089
1.036
0.636
38.2
240
工作進(jìn)給
28867
0.6
2.64
1.22
32
快速退回
1089
0.5
1.22
35.5
430
注：取液壓缸機(jī)械效率
圖3-1 液壓缸的工況圖
3.2液壓系統(tǒng)方案選型與分析
3.2.1方案分析
(1)以速度變換為主的液壓系統(tǒng)
1）能實(shí)現(xiàn)工作部件的自動(dòng)工作循環(huán)，生產(chǎn)率高；
2）快進(jìn)與工進(jìn)時(shí)，其速度與負(fù)載相差較大；
3）要求進(jìn)給速度平穩(wěn)、剛性好，有較大的調(diào)速范圍；
4）進(jìn)給行程終點(diǎn)的重復(fù)位置精度高，有嚴(yán)格的順序動(dòng)作。
（2）以換向精度為主的液壓系統(tǒng)
1）要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)姓高，有較低的穩(wěn)定速度；
2）啟動(dòng)與制動(dòng)迅速平穩(wěn)、無(wú)沖擊，有較高的換向頻率（最高可達(dá)150次/min）；
3)換向精度高，換向前停留時(shí)間可調(diào)。
（3）以壓力變換為主的液壓系統(tǒng)
1）系統(tǒng)壓力要經(jīng)常變換調(diào)節(jié)，且能產(chǎn)生很大的推力；
2）空程時(shí)速度大，加壓時(shí)推力大，功率利用合理；
3）系統(tǒng)多采用高低壓泵組合或恒功率變量泵供油，以滿足空程與壓制時(shí)，其速度與壓力的變化。
（4）多個(gè)執(zhí)行元件配合工作的液壓系統(tǒng)
1）在各執(zhí)行元件動(dòng)作頻繁換接，壓力急劇變化下，系統(tǒng)足夠可靠，避免誤動(dòng)作；
2）能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的順序動(dòng)作，完成工作部件規(guī)定的工作循環(huán)；
3）滿足各執(zhí)行元件對(duì)速度，壓力及換向精度的要求。
3.2.2方案確定
臥式鏜床的主要部件是動(dòng)力滑臺(tái)。動(dòng)力滑臺(tái)其中的液壓滑臺(tái)是利用液壓缸將泵站所提供的液壓能轉(zhuǎn)變成滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械能。它的液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率一般屬于中小功率，速度變化范圍大，附在變化也大。為了保證加工元件的表面質(zhì)量，要求液壓系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性要好，所以選擇以速度變換為主的液壓系統(tǒng)作為臥式鏜床的液壓系統(tǒng)。
根據(jù)工況分析，所設(shè)計(jì)鏜床對(duì)調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性有一定要求，因此速度控制是該機(jī)床要解決的主要問(wèn)題。速度的換接、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)是該機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。
3.3液壓回路選擇
3.3.1調(diào)速方式的選擇
由于機(jī)床液壓系統(tǒng)調(diào)速是關(guān)鍵問(wèn)題，因此首選調(diào)速回路。有工況圖可知：所設(shè)計(jì)的機(jī)床液壓系統(tǒng)功率小，為了防止孔被鉆通時(shí)負(fù)載突然消失而產(chǎn)生的鉆頭前沖，液壓缸回油腔應(yīng)有一定的背壓，故可采用回油路調(diào)速閥調(diào)速回路。
3.3.2調(diào)速與速度換接回路
這臺(tái)機(jī)床的液壓滑臺(tái)工作進(jìn)給速度低，傳遞功率也較小，很適宜選用節(jié)流調(diào)速方式，由于鉆孔時(shí)切削力變化小，而且是正負(fù)載，同時(shí)為了保證切削過(guò)程速度穩(wěn)定，采用調(diào)速閥進(jìn)口節(jié)流調(diào)速，為了增加液壓缸運(yùn)行的穩(wěn)定性，在回油路設(shè)置背壓閥，分析液壓缸的V-L曲線可知，滑臺(tái)由快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)時(shí)，速度變化較大，選用行程閥換接速度，以減小壓力沖擊。
圖3-2調(diào)速與速度換接回路
從工況圖上可以清楚地看到：整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中，液壓缸要求交替提供快行程的低壓大流量和慢行程的高壓小流量油液。最大流量與最小流量之比約為24。而快進(jìn)、快退所需時(shí)間為：
工進(jìn)時(shí)間為：
則有：
因此該液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中88%的時(shí)間處于小流量工進(jìn)狀態(tài)，從降低成本的角度出發(fā)，不宜選用雙聯(lián)泵，只需用單個(gè)定量泵就可以。現(xiàn)確定定量泵方案如圖3-3所示。
圖3-3 泵供油油源
3.3.3換向回路
此鏜床快進(jìn)時(shí)采用液壓缸差動(dòng)連接方式，使其快速往返運(yùn)動(dòng)，即快進(jìn)、快退速度基本相等?；_(tái)在由停止轉(zhuǎn)快進(jìn)，工進(jìn)完畢轉(zhuǎn)快退等換向中，速度變化較大，為了保證換向平穩(wěn)，采用有電液換向閥的換向回路，由于液壓缸采用了差動(dòng)連接，電液換向閥宜采用三位四通閥，為了保證機(jī)床調(diào)整時(shí)可停在任意位置上，現(xiàn)采用中位機(jī)能O型。
快進(jìn)時(shí)，液壓缸的油路差動(dòng)連接，進(jìn)油路與回油路串通，且又不允許經(jīng)背壓閥流回油箱。轉(zhuǎn)為工進(jìn)后進(jìn)油路與回油路則要隔開(kāi)，回油則經(jīng)背壓閥流回油箱，故須在換向閥處、在進(jìn)、回路連通的油路上增加一單向閥，在背壓閥后增加一液控順序閥，其控制油與進(jìn)入換向閥的壓力油連通，于是快進(jìn)時(shí)液壓缸的回油被液控順序閥切斷（快進(jìn)空行程為低壓，此閥打不開(kāi)），只有經(jīng)單向閥與進(jìn)油匯合，轉(zhuǎn)工進(jìn)后（行程閥斷路），由于調(diào)速閥的作用，系統(tǒng)壓力升高，液控順序閥打開(kāi)，液壓缸的回油可經(jīng)背壓閥回油箱，與此同時(shí)，單向閥將回油路切斷，確保液壓系統(tǒng)形成高壓，以便液壓缸正常工作。繪出該部分回路圖。
為了控制軸向加工尺寸，提高換向位置精度，采用行程開(kāi)關(guān)做終點(diǎn)轉(zhuǎn)換控制。
圖3-4換向回路
3.3.4組成液壓系統(tǒng)原理圖
根據(jù)上面選定的基本回路，在綜合考慮設(shè)計(jì)要求，便可組成完整的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖3-5所示。
圖3-5 鏜床液壓系統(tǒng)圖
第四章 液壓缸的設(shè)計(jì)
液壓缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或小于360°擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換裝置?；钊捉Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，因此在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。在完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，還必須對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與校核，確定液壓缸的材料，并對(duì)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
4.1 液壓缸的主要零件確定及其技術(shù)要求
4.1.1 缸體
液壓缸缸體的常用材料一般為20、35、45號(hào)無(wú)縫鋼管，鑄鐵可采用HT200—HT350間的幾個(gè)牌號(hào)或球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，也具有良好的塑性和韌性，其屈服度比鋼高。因此，球墨鑄鐵制造承受靜載荷的構(gòu)件比鑄鋼節(jié)省材料，重量也輕。所以本設(shè)計(jì)的液壓缸采用Q235。鑄件需進(jìn)行正火消除內(nèi)應(yīng)力處理。
1）缸體的內(nèi)徑因?yàn)轫毰c活塞配合，防止漏油，所以要盡量減少表面粗糙度，可采用H8、H9配合。當(dāng)活塞采用橡膠密封圈時(shí)，Ra為0.1～0.4μm，當(dāng)活塞用活塞環(huán)密封時(shí)，Ra為0.2～0.4μm，且均需研磨。
2）缸體內(nèi)徑的圓度公差值可按9、10、11級(jí)精度選取，圓柱度公差應(yīng)按8級(jí)精度選取。
3）缸體端面的垂直度公差可按7級(jí)精度選取。
4）缸體與缸頭采用螺紋連接時(shí)，螺紋應(yīng)用6級(jí)精度的米制螺紋。
5）當(dāng)缸體帶有耳環(huán)或軸銷時(shí)，孔徑或軸徑的中心線對(duì)缸體內(nèi)孔軸線垂直公差值按9級(jí)精度選取。
此液壓缸體的外徑需要與機(jī)架配合，應(yīng)進(jìn)行加工，且與中心線同軸度的要求。裝卸時(shí)需把吊環(huán)螺栓吊起。所以缸體端部選用螺紋連接，螺紋連接徑向尺寸小，質(zhì)量輕，使用廣泛。裝卸需用專用工具，安裝時(shí)應(yīng)防止密封圈扭曲。
4.1.2 缸蓋
本液壓缸采用在缸蓋中壓入導(dǎo)向套，缸蓋選用HT200鑄鐵，導(dǎo)向套選用鑄鐵HT200，以使導(dǎo)向套更加耐用。
4.1.3 活塞
液壓缸活塞常用的材料為耐磨鑄鐵，灰鑄鐵，鋼及鋁合金等。本設(shè)計(jì)液壓缸活塞材料選用45號(hào)鋼，需要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。
1）活塞外徑D對(duì)內(nèi)孔d的徑向跳動(dòng)公差值，按7、8級(jí)精度選取。
2）端面T對(duì)內(nèi)徑d軸線的垂直度公差值，應(yīng)按7級(jí)精度選取。
3）外徑D的圓柱度公差值，按9、10、11級(jí)精度選取。
4）活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu)由前可以選用O型密封圈。
4.2液壓缸主要尺寸的確定
液壓缸工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來(lái)確定，對(duì)不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。所以設(shè)計(jì)時(shí)，可用類比法來(lái)確定。
液壓缸的工作壓力MPa，缸筒內(nèi)徑 D=125mm，活塞桿外徑d=90mm。
4.2.1 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。
液壓缸的壁厚一般指液壓缸中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可以知道，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分別規(guī)律因?yàn)楸诤竦牟煌鳟?。一般?jì)算時(shí)可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。
液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般采用無(wú)縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計(jì)算
≥
式中 ——液壓缸壁厚（m）。
D——液壓缸內(nèi)徑（m）。
——試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）。額定壓力≤16Mpa,取=1.5 MPa。
——缸筒材料的許用應(yīng)力。 = ，其中為材料抗拉剛度，n為安全系數(shù)，一般取n = 5。的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 MPa；無(wú)縫鋼管： = 110~110 MPa；高強(qiáng)度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = 25MPa。
在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的剛度往往不夠，如在切削加工過(guò)程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程卡死或者漏油。因此一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式公式進(jìn)行校核。
對(duì)于D/＜10時(shí)，應(yīng)該按材料力學(xué)中的厚壁圓筒公式進(jìn)行壁厚的計(jì)算。
對(duì)于脆性材料以及塑性材料
≥
式中的符號(hào)意思與前面相同。
液壓缸壁厚算出后，即可以求出缸體的外徑為
≥ +
式中值應(yīng)該按無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，或者按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。
在設(shè)計(jì)中，取試驗(yàn)壓力為最大工作壓力的1.5倍，即 = 1.5×3MPa =4.5MPa。而缸筒材料許用應(yīng)力取為= 100 MPa。
應(yīng)用公式 ≥ 得， ≥
下面確定缸體的外徑，缸體的外徑 ≥ + = 125+2×14.06mm = 153.12mm。在液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得選取標(biāo)準(zhǔn)值 = 155mm。在根據(jù)內(nèi)徑D和外徑重新計(jì)算壁厚， = = mm = 15mm。
4.2.2 液壓缸工作行程的確定
液壓缸工作行程長(zhǎng)度，可以根據(jù)執(zhí)行元件機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來(lái)確定，并且參照表4-1中的系列尺寸來(lái)選取標(biāo)準(zhǔn)值。
表4-1液壓缸活塞行程參數(shù)系列 （mm）
Ⅰ
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
Ⅱ
40
63
90
110
140
180
220
280
360
450
550
700
900
1100
1400
1800
2200
2800
3900
Ⅲ
240
260
300
340
380
420
480
530
600
650
750
850
950
1050
1200
1300
1500
1700
1900
2100
2400
2600
3000
3800
注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。
由已知條件知道最大工作行程為450mm,參考上表系列Ⅱ，取液壓缸工作行程為450mm。
4.2.3 缸蓋厚度的確定
一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效的厚度t按強(qiáng)度要求可以用下面兩式進(jìn)行進(jìn)似計(jì)算。
無(wú)孔時(shí)：
有孔時(shí)：
式中 ——缸蓋有效厚度（m）。
——缸蓋止口內(nèi)徑（m）。
——缸蓋孔的直徑（m）。
在此次設(shè)計(jì)中，利用上式計(jì)算可取t=40mm
4.2.4 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度（圖3-2）。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定得最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。
對(duì)于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足以下要求
式中 ——液壓缸的最大行程。
——液壓缸的內(nèi)徑。
為了保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，如果過(guò)分增大和B都是不適宜的，必要時(shí)可以在缸蓋和活塞之間增加一個(gè)隔套K來(lái)增加H的值。隔套的長(zhǎng)度C由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即
在此設(shè)計(jì)中，液壓缸的最大行程為450mm，液壓缸的內(nèi)徑為125mm，所以應(yīng)用公式的 =mm =85mm。
活塞的寬度B一般取得B =（0.6~1.0）D；缸蓋滑動(dòng)支撐面的長(zhǎng)度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。
當(dāng)D＜80mm時(shí)，??；
當(dāng)D＞80mm時(shí)，取。
活塞的寬度B = （0.6~1.0）d =54~90mm，取70mm
4.2.5 缸體長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)該大于內(nèi)徑的20~30倍。缸體長(zhǎng)度L = 400+100mm=500mm。
4.2.6 固定螺栓得直徑
液壓缸固定螺栓直徑按照下式計(jì)算
式中 F——液壓缸最大負(fù)載。
Z——固定螺栓個(gè)數(shù)。
k——螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.121.5。
根據(jù)上式求得
= = 10.3mm
4.2.7 液壓缸強(qiáng)度校核
1）缸筒壁厚校核：
。
。
前面已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得：D = 125mm, = 15mm。則有＜10，所以為厚壁缸。
= 15mm≥ = = 11.12mm，
可見(jiàn)缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
2）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算：
活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力F不能超過(guò)使它穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，從而破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面的形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U的穩(wěn)定性的校核依照下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行
式中 ——安全系數(shù)，一般取=24。
當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比＞時(shí)
=
當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比≤時(shí)，且 = 20120時(shí)，則
=
式中 ——安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)。
——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， = 。
——柔性系數(shù)。
——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)。
E——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)剛?cè) = 。
J——活塞桿橫截面慣性矩，A為活塞桿橫截面積。
f——由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值。
根據(jù)驗(yàn)算，液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。
4.3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓缸主要尺寸確定以后，就進(jìn)行各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括：液壓缸缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、以及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件的不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
4.3.1 缸體與缸蓋的連接形式
缸體與缸蓋常見(jiàn)連接方式有法蘭連接式、半環(huán)連接式 、螺紋連接式 、拉桿連接式 、焊接式連接等。
圖4-1 常見(jiàn)的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)
圖4-1所示為常見(jiàn)的缸蓋和缸筒連接形式。圖4-1a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，容易加工，便于裝卸，強(qiáng)度較大，能夠承受高壓。但是外形尺寸較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。
圖4-1b 為半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩者形式。它們的缸筒壁部由于開(kāi)了環(huán)形槽而削弱了強(qiáng)度，為此有時(shí)要增加壁厚。它容易加工和裝卸、重量較輕，半環(huán)連接是一種應(yīng)用較為普遍的連接結(jié)構(gòu)，常用于無(wú)縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
圖4-1c、f 為螺紋連接形式，這種連接分為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩者形式。它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外徑加工必須要求同時(shí)保證內(nèi)外徑同心，裝卸要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，常常用于無(wú)縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
圖4-1d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好、通用性強(qiáng)、易于裝拆，但是端蓋的體積和重量都非常大，拉桿在受力后容易拉伸變長(zhǎng)，從而影響密封效果，僅適用于長(zhǎng)度不大的中低壓缸。
圖4-1d 為焊接式連接，這種連接形式強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但是焊接時(shí)容易引起缸筒的變形。
缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。通過(guò)綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，缸體端部與缸蓋采取法蘭連接的形式。
4.3.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式有很多，常見(jiàn)的有一體式、錐銷式連接外、還有螺紋式連接和半環(huán)式連接等多種形式，如圖4-2所示。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝卸不便，但是工作可靠。
圖4-2 活塞桿與活塞的結(jié)構(gòu)
此外，活塞和活塞桿也有制成整體式結(jié)構(gòu)的，但是它只能適應(yīng)于尺寸較小的場(chǎng)合。活塞一般用耐磨鑄鐵制造，活塞桿則不論是空心的還是實(shí)心的，大多用鋼料制造。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，活塞桿與活塞的連接采取螺紋連接的形式，如圖4-3所示。
圖4-3 活塞桿與活塞的連接形式
這種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸，成本低廉，但是在震動(dòng)的過(guò)程中容易松動(dòng)，所以加了防松裝置，應(yīng)用范圍較廣。
4.3.3 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)
活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)果可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可以做成與端蓋分開(kāi)的導(dǎo)向套導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。后者導(dǎo)向套磨損后便于更換，所以應(yīng)用比較普遍。導(dǎo)向套的位置可以安裝于密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝于密封圈的外側(cè)。機(jī)床和工程機(jī)械中一般采用裝在內(nèi)測(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導(dǎo)向套的潤(rùn)滑；而壓油機(jī)常采用裝在外測(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時(shí)，使得密封圈由足夠的油壓將唇邊張開(kāi)，以提高系統(tǒng)的密封性能。
活塞桿處的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。為了清除活塞桿處外漏部分粘附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。此設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)綜合考慮，采取端蓋直接導(dǎo)向。
4.3.4 密封裝置
液壓缸中常見(jiàn)的密封裝置有間隙密封，摩擦環(huán)密封，密封圈密封等。
間隙密封依靠運(yùn)動(dòng)件間的微笑間隙來(lái)防止泄露。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面制造出幾條微小的環(huán)形槽，用以增大油液通過(guò)間隙時(shí)的阻力。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小，可以耐高溫，但是泄露大，加工要求高，磨損后無(wú)法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸小、壓力較低、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。
摩擦環(huán)密封依靠活塞上的摩擦環(huán)（尼龍或者其他高分子材料制成）在“O”形圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄露。這種材料密封效果好，摩擦阻力較小并且穩(wěn)定，可以耐高溫，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，但是加工要求高，裝拆不方便，適用于缸筒和活塞之間的密封。
油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。它利用橡膠或者塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)配合面之間來(lái)防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。
（1）O形密封圈（如圖4-4）
O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運(yùn)動(dòng)阻力較大，作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動(dòng)密封。
圖4-4 O形密封圈
（2）V形密封圈（如圖4-5）
V形圈的截面為V形，如圖所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10MPa時(shí)，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時(shí)，V形圈的開(kāi)口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。
圖4-5 V形密封圈
（3）Y形密封圈（如圖4-6）
Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈(Lip Seal)。它是一種摩擦阻力小、壽命較長(zhǎng)的密封圈，應(yīng)用普遍。Y形圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封。根據(jù)截面長(zhǎng)寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖所示為寬斷面Y形密封圈。
圖4-6 Y形密封圈
對(duì)于活塞桿外伸部分來(lái)說(shuō)，由于它很容易把臟物帶入液壓缸，使油液受到污染，使密封件磨損，因此常需要在活塞桿密封處增添防塵圈，并且放在向著活塞桿外伸的一段。
4.3.5 緩沖裝置
液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。
當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開(kāi)始插入缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。
液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式（如圖4-7）和節(jié)流口變化式（如圖4-8）兩種。
圖4-7 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置
圖4-8 節(jié)流口變化式緩沖裝置
在此設(shè)計(jì)中，為了適當(dāng)?shù)臏p輕加工難度，決定采取如圖4-8所示的緩沖裝置。這種緩沖裝置可以調(diào)節(jié)。
4.3.6 排氣裝置
排氣裝置在液壓缸中是十分必要的，這是因?yàn)橛鸵褐谢烊氲目諝饣蛘咭簤焊组L(zhǎng)期不使用，外界侵入的空氣都積聚在液壓缸內(nèi)的最高部位處，影響液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，低速時(shí)引起爬行現(xiàn)象、啟動(dòng)時(shí)造成沖擊、換向時(shí)降低精度等。
液壓缸中的排氣裝置通常有兩種形式：一種是在缸蓋的最高部位處開(kāi)排氣孔，用長(zhǎng)管道接向遠(yuǎn)處排氣；另外一種是在液壓缸缸蓋最高部位安裝排氣塞。兩種排氣裝置都是在液壓缸排氣時(shí)打開(kāi)（讓它全行程往復(fù)移動(dòng)多次），排氣完畢后關(guān)閉。
圖4-9 常見(jiàn)排氣裝置
4.3.7 液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)
液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)包括液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)、液壓缸的進(jìn)、出油口的連接等。
1）液壓缸的安裝形式
液壓缸的安裝形式根據(jù)安裝位置和工作要求得不同可以有長(zhǎng)螺栓安裝、腳架安裝、法蘭安裝、軸銷和耳環(huán)安裝等。
2）液壓缸進(jìn)、出油口形式以及大小的確定
液壓缸進(jìn)、出油口，可以布置在端蓋或者缸體上。對(duì)于活塞桿固定的液壓缸，液壓缸進(jìn)、出油口可以設(shè)在活塞桿的端部。如果液壓缸沒(méi)有專用得排氣裝置，液壓缸進(jìn)、出油口應(yīng)該設(shè)在液壓缸的最高處，以便空氣能首先從液壓缸排出。液壓缸進(jìn)、出油口得形式一般選用螺孔或者法蘭連接?，F(xiàn)列出壓力小于16MPa小型系列單桿液壓缸螺孔連接油口得安裝尺寸，見(jiàn)表4-2。
表4-2 單桿液壓桿油口安裝尺寸（ISO8138） (mm)
缸體內(nèi)徑D
進(jìn)、出油口
缸體內(nèi)徑D
進(jìn)、出油口
25
M14×1.5
80
M27×1.5
32
M14×1.5
100
M27×1.5
40
M18×1.5
125
M27×1.5
50
M22×1.5
160
M33×1.5
63
M22×1.5
200
M42×1.5
第五章 液壓元件的計(jì)算和選擇
5.1確定液壓泵和電機(jī)的規(guī)格
由工況圖可知，整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中液壓缸的最大工作壓力為3.12MPa。選取油路總壓力損失為0.8MPa。則泵的最大工作壓力為：
其次確定液壓泵的最大供油量，由工況圖可知，液壓缸所需的最大流量為38.2L/min，若取系統(tǒng)泄漏系數(shù)K=1.05，則泵的流量為
最后根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)查閱產(chǎn)品樣本，確定選擇YB-40型葉片泵，當(dāng)液壓泵轉(zhuǎn)速為n=960r/min時(shí)，液壓泵的輸出流量為40L/min。
由于液壓缸在快退時(shí)輸入功率最大，如果取泵的效率為，這時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓泵所需電動(dòng)機(jī)功率為
根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄，選擇Y110L-6型電動(dòng)機(jī)，其額定功率，額定轉(zhuǎn)速。
5.2 油箱的設(shè)計(jì)
液壓油箱的作用是貯存液壓油，分離液壓油中的雜質(zhì)和空氣，同時(shí)還起到散熱的作用。
5.2.1液壓油箱有效容積的確定
液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來(lái)考慮。液壓油箱的有效容量v可概略的確定為：
已知該系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)（p=3MP）取：
V=(5～7)=200L～280L
取V=250L
式中，V —液壓油箱的有效容積
—液壓泵的額定流量
5.2.2液壓油箱的外形尺寸
液壓油箱的有效容積確定后，需設(shè)計(jì)液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸為（長(zhǎng)：寬：高）1：1：1～1：2：3，為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時(shí)，可將液壓油箱的容量予以增大。
5.2.3液壓油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓油箱簡(jiǎn)稱油箱，它往往是一個(gè)功能組件，在液壓系統(tǒng)中的主要功能是存儲(chǔ)液壓油液、散發(fā)油液熱量、溢出空氣及消除泡沫和安裝元件等。
油箱的制造一般采用焊接和鑄造兩種方式之一，多數(shù)油箱采用焊接技術(shù)獲得。在一般設(shè)計(jì)中，液壓油箱多采用鋼板焊接的分離式液壓油箱，很少采用機(jī)床床身底座作為液壓油箱。因此，在此設(shè)計(jì)中采用了焊接的方式獲得油箱。
油箱的工作圖樣是油箱加工和安裝的依據(jù)。通常油箱應(yīng)包括箱頂、箱壁、隔板、放油螺塞、吊耳、支腳等零件。
5.2.4油箱的制造工藝
a.材料 通常油箱的箱頂、箱壁、箱底和隔板的常用材料為Q235A鋼板，伺服系統(tǒng)的油箱宜采用不銹鋼板，箱壁和箱頂所采用板材的平直度應(yīng)符合GB/T1184—1996中的12級(jí)，且應(yīng)無(wú)嚴(yán)重銹蝕。清洗孔法蘭蓋板可采用HT200經(jīng)切削加工后用螺釘聯(lián)接在油箱側(cè)壁上，吊耳常用材料為25鋼。箱頂和箱壁常用可拆連接。
b.焊接前后的注意事項(xiàng) 油箱焊接前，板邊要加工出坡口。焊接時(shí)，板間應(yīng)留有適量的縫隙。焊接前，必須清楚板材焊接部位及周圍的氧化層和鐵銹。如果是分層焊接，沒(méi)焊完一層，必須用鋼絲刷刷凈焊層，進(jìn)行檢查，有無(wú)夾渣、氣孔、咬邊等現(xiàn)象。如果有，可用氣動(dòng)工具等挖去后補(bǔ)焊，然后再焊另一層。
箱體焊接時(shí)應(yīng)盡量用夾具將板材定位、固定并檢查其幾何尺寸與形位公差。
c.焊接后的油箱須徹底清理以便清除所有泥土、切削、毛刺和氧化皮。輕度銹蝕可用鋼絲刷或砂輪機(jī)清理，嚴(yán)重銹蝕和氧化的表面應(yīng)噴丸處理。
5.2.5油箱各零件的作用
1）隔板
①作用 增長(zhǎng)液壓油流動(dòng)循環(huán)時(shí)間，除去沉淀的雜質(zhì)，分離、清除水和雜質(zhì)，調(diào)節(jié)溫度，吸收液壓油壓力的波動(dòng)及防止液面的波動(dòng)。
②安裝型式 把隔板設(shè)置成低于液壓油面，其高度為最低油面的2/3，使液壓油從隔板的上方流過(guò)。
2）吸油管與回油管
① 回油管出口 回油管出口型式，有直口、斜口、彎管直口、帶擴(kuò)散器的出口等幾種形式，斜口應(yīng)用的較多，一般為斜口。為了防止液面波動(dòng)，可將回油管出口設(shè)計(jì)為斜口?；赜凸鼙仨毞胖迷谝好嬉韵?，一般距離液壓油箱底面的距離大于300mm，回油管出口絕對(duì)不允許放在液面以上。
② 吸油管 吸油管前設(shè)置了濾油器，其精度為100～200目的線隙式濾油器。濾油器應(yīng)有足夠的容量，避免阻力太大。濾油器與箱底間的距離應(yīng)不小于20mm。吸油管應(yīng)插入液壓油面以下，防止吸油時(shí)卷入空氣或因流入液壓油箱的液壓油攪動(dòng)油面，致使油中混入氣泡。
③ 吸油管與回油管的方向 為了使油液流動(dòng)具有方向性，要綜合考慮隔板、吸油管和回油管的配置，盡量把吸油管和回油管用隔板隔開(kāi)。為了不使回油管的壓力波動(dòng)波及吸油管，吸油管及回油管的斜口方向應(yīng)一致，而不是相對(duì)著。
3）防止雜質(zhì)進(jìn)入
為了防止液壓油被污染，液壓油箱應(yīng)做成完全密封性的。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
①不要將配置管簡(jiǎn)單的插入液壓油箱，這樣空氣、雜質(zhì)和水分等便會(huì)從其周圍的間隙浸入。同時(shí)應(yīng)盡量避免將液壓泵直接裝在液壓油箱頂蓋上。
②在結(jié)合面上需襯入密封填料、密封膠和液態(tài)密封膠，以保證可靠的密封性。如在液壓油箱的上蓋可直接焊上。
③為保證液壓油箱通大氣并凈化抽吸空氣，需配置