數(shù)控銑床夾緊裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計（含6張CAD圖紙和說明書、答辯稿）

目錄前言11 概述21.1 液壓傳動的現(xiàn)狀及展望21.2 液壓傳動的優(yōu)點缺點22 液壓系統(tǒng)的設(shè)計52.1技術(shù)要求52.2動力分析和運動分析52.2.1 工位夾緊缸的負載計算52.2.2 工位夾緊缸的負載計算62.3 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定82.3.1系統(tǒng)工作壓力的確定82.4液壓執(zhí)行器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算92.4.1工位夾緊缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定92.4.2工位夾緊缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定102.4.3液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率113 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證133.1 制定基本方案133.2 油路循環(huán)方式的分析和選擇133.3調(diào)速方案的分析和選擇143.4液壓動力源的分析與選擇153.5 液壓回路的分析、選擇與合成163.6液壓原理圖的擬定與設(shè)計164 計算和選擇液壓元件184.1 液壓泵的選擇184.1.2 液壓泵站組件的選擇184.1.3 液壓泵的計算與選擇184.2 液壓控制閥的選擇214.2.1 選擇依據(jù)214.2.2 選擇閥類元件應(yīng)注意的問題214.3 液壓附件的計算和選擇224.3.1 確定管件的尺寸224.3.2 確定油箱容積245 液壓系統(tǒng)性能驗算265.1液壓系統(tǒng)壓力損失驗算265.1.1工位夾緊缸的壓力損失驗算265.2 估算系統(tǒng)效率275.3 系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升296 液壓動力源裝置的設(shè)計317 液壓裝置的總體配置337.1液壓控制閥的塊式集成337.2集成塊設(shè)計338 液壓系統(tǒng)的污染控制358.1污染物的形態(tài)和來源358.2油液污染對液壓系統(tǒng)的危害358.3污染控制措施368.4油液的過濾379 液壓系統(tǒng)泄露控制與密封389.1泄露及其危害389.2 液壓系統(tǒng)防漏與治漏的主要措施389.3液壓裝置泄露控制的基本準則399.4 密封裝置的選擇4010 液壓系統(tǒng)噪聲的控制4111液壓介質(zhì)的選擇4211.1液壓油的主要性能4211.2液壓油的質(zhì)量要求4211.3液壓油的選用4312 液壓系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維護和檢修4412.1 液壓系統(tǒng)的安裝4412.1.1在液壓系統(tǒng)中安裝液壓元件時的注意事項4412.1.2在液壓系統(tǒng)中安裝液壓泵時的注意事項4412.2液壓系統(tǒng)調(diào)試4412.2.1 調(diào)試前的檢查4512.2.2 使用液壓系統(tǒng)要注意的問題4512.2.3 系統(tǒng)耐壓試驗4612.3液壓系統(tǒng)的維護和檢修4712.3.1液壓站使用中的注意事項4812.3.2檢修液壓系統(tǒng)時的注意事項4813 結(jié)論50致謝51參考文獻52附錄A 譯文53附錄 外文文獻66 前言與其他傳動方式相比較，液壓傳動具有其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎囊括了國民經(jīng)濟各工業(yè)部門。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜。產(chǎn)品的精度要求越來越高、更新?lián)Q代的周期也越來越短，從而促進了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。用普通的機床加工精度低，效率低，勞動度大，已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)要求，從而一種新型的數(shù)字程序控制的機床應(yīng)運而生。這種機床是一種綜合應(yīng)用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量和機械設(shè)計等新技術(shù)的機電一體化的產(chǎn)品。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床，它對加工精度和自動化都有嚴格的要求。數(shù)控車床上的工位夾緊裝置對于加工的精度有著直接的關(guān)系，以往的機床的工位夾緊裝置使用簡單的機械裝置，在加工時容易產(chǎn)生大的加工誤差。隨著數(shù)控車床自動化程度的提高，使用液壓系統(tǒng)控制這一過程已經(jīng)大大提高了自動化和加工精度。液壓傳動在機械設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛。有的設(shè)備是利用其能傳遞大的動力，且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的優(yōu)點，如工程機械、礦山機械、冶金機械等；有的設(shè)備是利用它操縱控制方便，能較容易地實現(xiàn)較復(fù)雜工作循環(huán)的優(yōu)點，如各類金屬切削機床、輕工機械、運輸機械、軍工機械、各類裝載機等。所以研究液壓系統(tǒng)有很好的應(yīng)用價值和廣闊的前景。我國進入世界貿(mào)易組織之后，對我國的機械行業(yè)是個機遇，更是一個艱難的挑戰(zhàn)。因此作為二十一世紀的主人，我們更應(yīng)該通過作大量的設(shè)計制造和廣泛地使用各種先進的機器，以便能加快我國國民經(jīng)濟的增長速度，加快我國現(xiàn)代化建設(shè)。1 概述1.1 液壓傳動的現(xiàn)狀及展望目前，液壓傳動及控制技術(shù)不僅用于傳統(tǒng)的機械操縱、助力裝置，也用于機械的模擬加工、轉(zhuǎn)速控制、發(fā)動機燃料進給控制，以及車輛動力轉(zhuǎn)向、主動懸掛裝置和制動系統(tǒng)，同時也能夠擴展到航空航天和海洋作業(yè)等領(lǐng)域。當前液壓技術(shù)正在繼續(xù)向以下幾個方面發(fā)展。1）節(jié)能近年來，由于世界能源的緊缺，各國都把液壓傳動的節(jié)能問題作為液壓技術(shù)發(fā)展的重要課題。20世紀70年代后期，德、美等國相繼研制成功負載敏感泵及低功率電磁鐵等。最近美國威克斯公司又研制成功用于功率匹配系統(tǒng)的CMX閥。2）液壓與微電子、計算機技術(shù)相結(jié)合20世紀80年代以來，逐步完善和普及的計算機控制技術(shù)和集成傳感技術(shù)為液壓技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合創(chuàng)造了條件。隨著微電子、計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種數(shù)字閥和數(shù)字泵，并出現(xiàn)了把單片機直接裝在液壓組件上的具有位置或力反饋的閉環(huán)控制液壓元件及裝置。3）提高液壓傳動的可靠性由于有限元法在液壓元件設(shè)計中的應(yīng)用，可靠性實驗、研究工作的廣泛開展以及新材料、新工藝的發(fā)展等，是液壓元件的壽命得到提高。由于對飛機、船舶、冶金等一些重要液壓系統(tǒng)采用多裕度設(shè)計，并在系統(tǒng)中設(shè)置旁路凈化回路及具有初級智能的自動故障檢測儀表等，加強了油液的污染度控制。上述領(lǐng)域內(nèi)的一些重要成果，使液壓系統(tǒng)的可靠性逐年提高。4）高度集成化疊加閥、集成塊、插裝閥的應(yīng)用以及把各種控制閥集成于液壓泵及液壓執(zhí)行元件上形成組合元件，有些還把單片機等集成在其控制機構(gòu)上，達到了集機、電、液于一體的高度集成化。此外，高壓、高轉(zhuǎn)速、低噪聲組件的研究，高效濾材的研究，環(huán)保型工作介質(zhì)及其相應(yīng)高壓液壓組件的研究等也是值得關(guān)注的動向。1.2 液壓傳動的優(yōu)點缺點工程機械廣泛應(yīng)用的傳動方式主要有機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動和液壓傳動。它們各有優(yōu)缺。機械傳動是發(fā)展最早而且應(yīng)用最普遍的一種傳動方式。具有傳動準確可靠，操作簡單，機構(gòu)直觀易掌握，負荷變化對傳動比影響小等優(yōu)點。但是對自動控制的情況，單純靠機械傳動來完成就顯得結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重，而且遠距離操縱困難、操作力度大、安裝位置變化的自由度小等缺點。電氣傳動是通過電來進行傳動和控制的，利用交流電機來傳動，簡單而且價廉，應(yīng)用最廣，也是各種傳動的組成部分。但交流電機一般難于進行無級變速，而直流電機雖然可以實現(xiàn)無級變速，但支流電源價格比較昂貴。電氣控制，特別是電子計算機控制，具有信號變化方便，遠距離操縱容易等獨特優(yōu)點，在自動化程度要求高的場合是必不可少的。氣壓傳動是以壓縮空氣為傳動介質(zhì)，可通過調(diào)節(jié)氣量很容易的實現(xiàn)無級變速。同時有傳遞及變換信號方便、反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、無污染等優(yōu)點?？諝怵ざ刃?，故管道壓力損失小，流速大，而且可獲得高速度。但是氣動傳動的致命弱點是空氣壓縮性大，無法獲得均勻而穩(wěn)定的運動。此外為減少泄漏，提高效率，氣動系統(tǒng)的壓力不能太高。這使其不能用于大功率場合。液壓傳動是用液體作為介質(zhì)來傳遞能量的，液壓傳動與上述三種傳動比較有以下一些優(yōu)點：1）液壓傳動可在運行過程中方便地實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，調(diào)速范圍可達1000：1。液壓傳動裝置可在極低的速度下輸出很大的力，如果采用機械傳動裝置減速，其減速器結(jié)構(gòu)往往十分龐大；2）在輸出相同功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。由于液壓系統(tǒng)中的壓力比電樞磁場中單位面積上的磁力大30倍40倍，液壓傳動裝置的體積和質(zhì)量只占相同功率電動機的12%左右。因此，液壓傳動易于實現(xiàn)快速啟動、制動及頻繁幻想，每分鐘的換向次數(shù)可達500次（左右擺動）、1000次（往復(fù)移動）；3）液壓傳動易于實現(xiàn)自動化，特別是采用電液和氣液傳動時，可實現(xiàn)復(fù)雜的自動控制；4）液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護。當液壓系統(tǒng)超負荷（或系統(tǒng)承受液壓沖擊）時，液壓油可以經(jīng)溢流閥排回油箱，系統(tǒng)得到過載保護；5）易于設(shè)計、制造。液壓元件已實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化。液壓系統(tǒng)的設(shè)計、制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也有很大的靈活性。液壓傳動的缺點：1）不能保證嚴格的傳動比。著是由于液壓介質(zhì)的可壓縮性和不可避免的泄露等因素引起的；2） 系統(tǒng)工作時，對溫度的變化較為敏感。液壓截至的粘性隨溫度變化而變化，從而使液壓系統(tǒng)不易保證在高溫和低溫下都具有良好的工作穩(wěn)定性；3） 在液壓傳動中，能量需經(jīng)過兩次變換，且液壓能在傳遞過程中有流量和壓力的損失，所以系統(tǒng)能量損失較大，傳動效率較低；4） 元件的制造精度高、造價高，對其使用和維護提出了較高的要求；5） 出現(xiàn)故障時，比較難于查找和排除，對維修人員的技術(shù)水平要求較高。從液壓傳動的優(yōu)缺點來看，優(yōu)點大于缺點。采用液壓傳動符合本次設(shè)計的工位夾緊裝置的工作條件。 2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計2.1技術(shù)要求本設(shè)計是完成某機床需要對零件進行兩工位裝夾裝置（裝夾裝置靜動摩擦因數(shù)，）的設(shè)計，擬采用缸筒固定的液壓缸驅(qū)動夾緊裝置，完成工件裝夾運動。夾緊裝置由液壓與電氣配合實現(xiàn)的自動循環(huán)要求為：工位夾緊缸夾緊工位夾緊缸松開工位夾緊缸夾緊工位夾緊缸松開。機床工位夾緊裝置的運動參數(shù)和動力參數(shù)如表2-1所列。表2-1 機床工位夾緊裝置的運動參數(shù)和動力參數(shù)Tab.2-1 The movement and dynamic parameters of Machinist - clamping device工況行程/mm速度時間/運動部件重力G/N負載/N啟動、制動時間工位夾緊缸夾緊350.012245050000.053松開0.0351工位夾緊缸夾緊250.125150020000.050.2松開0.250.12.2動力分析和運動分析2.2.1 工位夾緊缸的負載計算慣性負載夾緊： =2450/9.810.012/0.05 =59N松開： =2450/9.810.035/0.05 =175N靜摩擦負載 =0.2（2450+0） = 490N動摩擦負載 =0.1（2450+0） =245N2.2.2 工位夾緊缸的負載計算慣性負載夾緊：=1500/9.810.125/0.05 =382N松開： =1500/9.810.25/0.05 =765靜摩擦負載 =0.2（1500+0） = 300N動摩擦負載 =0.1（1500+0） =150N由此得工位夾緊缸和工位夾緊缸在工作的各個階段所受的負載，由表2-2所示表2-2工位夾緊缸的外負載計算結(jié)果Tab.2-2 The load calculation results of clamping cylinder工況負載組成外負載F/N啟動490加速304夾緊5245反向啟動490加速420松開245表2-3工位夾緊缸的外負載計算結(jié)果Tab.2-3 The load calculation results of clamping cylinder工況負載組成外負載F/N啟動300加速532夾緊2150工況負載組成外負載F/N反向啟動300加速915松開1502.3 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定2.3.1系統(tǒng)工作壓力的確定根據(jù)液壓執(zhí)行元件的負載表可以確定系統(tǒng)的最大負載數(shù)，在充分考慮系統(tǒng)所需的流量、性能等因素后，可參照表2-4或者2-5選擇系統(tǒng)的工作壓力表2-4按負載選擇工作壓力Tab.2-4 Choose actuating pressure according to the loads負載 /kN50系統(tǒng)壓力/MPa5-7表2-5 按主機類型選擇系統(tǒng)工作壓力Tab.2-5 Select system pressure By the types主機類型設(shè)計壓力/MPa機床精加工機床0.82半精加工機床35龍門刨床28拉床810農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械、工程機械輔助機構(gòu)1016液壓機、大中型挖掘機、中型機械、起重運輸機械2032地質(zhì)機械、冶金機械、鐵道車輛維護機械、各類液壓機具等25100本設(shè)計根據(jù)主機類型是數(shù)控銑床，初步選擇系統(tǒng)壓力為4MPa。為了防止夾緊時發(fā)生沖擊，液壓缸需保持一定回油背壓。參考表2-6液壓執(zhí)行器的背壓力取0.2表2-6液壓執(zhí)行器的背壓力Tab.2-6 The selection of the Backpressure value系統(tǒng)類型背壓力(MPa)中低壓系統(tǒng)簡單系統(tǒng)和和一般輕栽節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.20.5回油帶背壓閥調(diào)整壓力一般為0.51.5回油路設(shè)流量調(diào)節(jié)閥的進給系統(tǒng)滿載工作時0.5設(shè)補油泵的閉式系統(tǒng)0.81.5高壓系統(tǒng)初算是可忽略不計2.4液壓執(zhí)行器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算2.4.1工位夾緊缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定本設(shè)計將工位夾緊缸的有桿腔作為主工作腔，則有公式： （21）公式中 液壓缸無桿腔的有效面積； 液壓缸有桿腔的有效面積；液壓缸的最大負載力；液壓缸的機械效率（一般取0.9-0.97）本設(shè)計取0.95； 液壓缸工作腔壓力； 系統(tǒng)的背壓，本設(shè)計取0.2Mpa。當計算液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)時，還需確定活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑的關(guān)系，以便在計算出液壓缸內(nèi)徑D時，利用這一關(guān)系獲得活塞桿的直徑d。通常是由液壓缸的往返速比確定這一關(guān)系，即，按這一關(guān)系得到的d的計算公式入如下表表2-7根據(jù)往返速度比計算活塞桿直徑d的公式Tab.2-7 The recommended values of The piston rod diameter d往返速度比1.11.21.331.461.612活塞桿直徑d0.3D0.4D0.5D0.55D0.62D0.7D油缸的速比，可由機械設(shè)計手冊查得。本設(shè)計取=1.33。則由上表查得d=0.5D。得D=49.9（mm）按GB/T2348-1980 ,取標準值： D=50（mm）又d=0.5D，得d=25（mm），取標準值d=28（mm）則液壓缸無桿腔實際有效面積為： =19.6有桿腔實際有效面積為： =13.52.4.2 工位夾緊缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定工位夾緊缸的無桿腔作為主工作腔，則有公式：則有 得 D=27.9（mm）按GB/T23481980 ,取標準值： D=32（mm）又 d=0.5D，得 d=16（mm），取標準值 d=20（mm）則液壓缸無桿腔實際有效面積為： =8.04有桿腔實際有效面積為：=4.892.4.3液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率根據(jù)上述假定條件經(jīng)計算得到液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率，如下表所示： 表2-8 工位夾緊缸工作循環(huán)個階段的壓力、流量和功率 Tab.2-8 The pressure, rate of flow and power of the clamping cylinderat different stage工作階段計算公式負載/N回油腔壓力/MPa工作腔壓力/MPa輸入流量Q輸入功率/w啟動4900.98加速3040.20.53夾緊52450.24.380.97270.96反向啟動4900.40加速4200.20.30松開2450.20.274.11618.52表2-9 工位夾緊缸工作循環(huán)各個階段的壓力、流量和功率Tab.2-9 The pressure, rate of flow and power of the clamping cylinderat different stage工作階段計算公式負載/N回油腔壓力/MPa工作腔壓力/MPa輸入流量Q輸入功率/w啟動3000.39加速5320.20.44夾緊21500.23.066.03307.53反向啟動3000.65加速9150.20.85松開1500.20.654.11679.463 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證3.1 制定基本方案液壓系統(tǒng)的設(shè)計，除了滿足主機在動作和性能方面規(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)簡單、工作可靠、使用和維修方便等一些公認的普遍設(shè)計原則。本液壓系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容大致為： 1）油路循環(huán)方式的分析與選擇；2）調(diào)速方案的分析和選擇；3）液壓動力源的分析與選擇；4）液壓回路的分析、選擇與合成；5）液壓系統(tǒng)原理圖的擬訂。3.2 油路循環(huán)方式的分析和選擇液壓系統(tǒng)油路循環(huán)方式分為開式和閉式兩種，他們各自的特點及相互比較見下表表3-1開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的比較Tab.3-1 Compare of Hold dyadic system and Shut dyadic system油液循環(huán)方式開式閉式散熱條件較方便，但是油箱較大較復(fù)雜，需要用輔泵來換油冷卻抗污染性較差，但可采用壓力油箱或者油箱呼吸器來改善較好，但是油液過濾要求較高系統(tǒng)效率管路壓力損失較大，用節(jié)流調(diào)速時效率低管路腰里損失較小，容積調(diào)速時效率較高限速 制動形式用平衡閥進行能耗限速，用制動閥進行能耗制動，引起油液發(fā)熱液壓泵由電動機拖動時，限速及制動過程中拖動電能向電網(wǎng)輸電，回收部分能量，即是再生限速和再生制動其他對泵的自吸性能要求高對主泵的自吸性能要求低油路循環(huán)方式的選擇主要取決于液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式和散熱條件。一般來說，凡是有較大空間可以存放油箱而且不需要另設(shè)散熱裝置的系統(tǒng)，要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單的系統(tǒng)，采用節(jié)流調(diào)速或者容積節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，均宜采用開式系統(tǒng)。在本設(shè)計中，油泵向兩個液壓執(zhí)行元件供油而且功率較小，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也比較簡單，所以本設(shè)計采用開式系統(tǒng)。3.3調(diào)速方案的分析和選擇調(diào)速方案對主機的性能起到?jīng)Q定性的作用。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合容積節(jié)流調(diào)速。 節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達的排量來達到調(diào)速的目的。其優(yōu)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運動速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。節(jié)流調(diào)速又分別有進油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進油節(jié)流起動沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負載荷的場合，旁路節(jié)流多用于高速。調(diào)速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中，液壓泵從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開式回路結(jié)構(gòu)簡單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊，但散熱條件差。表3-2各種調(diào)速方式的性能比較Tab.3-2 various forms of Speed Performance Comparison主要性能節(jié)流調(diào)速容積調(diào)速回路容積節(jié)流調(diào)速回路簡式節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)帶壓力補償閥的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)變量泵 定量馬達流量適應(yīng)功率適應(yīng)進油節(jié)流及回油節(jié)流旁路節(jié)流調(diào)速閥在進油路調(diào)速閥在旁油路及溢流節(jié)流調(diào)速回路負載速度剛度差很差好較好好特性承載能力好較差好較好好調(diào)速范圍大小大較大大功率特性效率低較低低較低最高較高高發(fā)熱大較大大較大最小較小小成本低較低高最高適用范圍小功率 輕載或者低速的中 低壓系統(tǒng)及工程機械非經(jīng)常性調(diào)速的場合大功率高速中高壓系統(tǒng)負載變化小，速度剛度要大的中小功率，中壓系統(tǒng)負載變化大速度剛度較大的中高壓系統(tǒng)考慮到系統(tǒng)本身的性能要求和一些使用要求以及負載特性，本設(shè)計決定采用節(jié)流調(diào)速。3.4液壓動力源的分析與選擇 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。為節(jié)省能源提高效率，液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對長時間所需流量較小的情況，可增設(shè)蓄能器做輔助油源。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護元件的要求，通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。本設(shè)計采用節(jié)流調(diào)速，所以使用定量泵供油。3.5 液壓回路的分析、選擇與合成 1）選擇系統(tǒng)一般都必須設(shè)置的基本回路，包括調(diào)壓回路、向回路、卸荷回路及安全回路等。 2）根據(jù)系統(tǒng)的負載特性和特殊要求選擇基本回路，在本系統(tǒng)中考慮到安全的要求，設(shè)置了背壓回路，同時由于是兩個執(zhí)行元件先后動作，且沒有順序聯(lián)動關(guān)系，所以設(shè)置了互不干擾回路。 3）合成系統(tǒng) 選定液壓基本回路之后，配以輔助性回路，如控制油路，潤滑油路、測壓油路等，可以組成一個完整的液壓系統(tǒng)。 在合成液壓系統(tǒng)時要注意以下幾點：防止油路間可能存在的相互干擾；系統(tǒng)應(yīng)力求簡單，并將作用相同或者相近的回路合并，避免存在多余回路；系統(tǒng)要安全可靠，力求控制油路可靠；組成系統(tǒng)的元件要盡量少，并應(yīng)盡量采用標準元件；組成系統(tǒng)時還要考慮節(jié)省能源，提高效率減少發(fā)熱，防止液壓沖擊；測壓點分布合理等。3.6液壓原理圖的擬定與設(shè)計根據(jù)上述分析，可以擬定整個液壓系統(tǒng)的原理圖如下：1油箱 2空氣濾清器 3液位計 4吸油過濾器 5液壓泵6單向閥 7壓力表開關(guān) 8壓力表 9通道體10疊加式溢流閥11疊加式減壓閥 12疊加式雙單向節(jié)流閥13電磁換向閥14疊加式雙液控單向閥 15壓力繼電器 16電動機圖3-1 液壓系統(tǒng)的原理圖Fig.4-1 Hydraulic system diagram4 計算和選擇液壓元件液壓元件的計算是指計算元件在工作中承受的壓力和流量，以便選擇零件的規(guī)格和型號，此外還要計算原動機的功率和油箱的容量。選擇元件時應(yīng)盡量選擇標準件。4.1 液壓泵的選擇4.1.2 液壓泵站組件的選擇 液壓泵站一般由液壓泵組、油箱組件、過濾器組件和蓄能器組件等組成。根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，本設(shè)計選擇液壓泵組、油箱組件、過濾器組件。液壓泵組由液壓泵，原動機，連軸器及管路附件等組成。油箱組件由油箱面板，空氣濾清器，液位顯示計等組成。過濾器組將是保持工作介質(zhì)清潔度必備的組將，可根據(jù)系統(tǒng)對介質(zhì)清潔度的不同要求設(shè)置不同等級的粗過濾器，精過濾器等。4.1.3 液壓泵的計算與選擇液壓泵的最大工作壓力： = （41）其中 液壓執(zhí)行元件最大工作壓力； 液壓泵出口大執(zhí)行元件入口之間所有的沿程壓力損失和局部壓力損失之和。初算時按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選?。汗苈泛唵?，管中流速不大時，取 0.2Mpa0.5Mpa；管路復(fù)雜而且管中流速較大或者有調(diào)速元件時，取0.5MPa1.5MPa。由上述選取0.5MPa，然后帶入公式（4-1）計算得：4.38+0.54.88MPa在選擇泵的額定壓力時應(yīng)考慮到動態(tài)過程和制造質(zhì)量等因素，要使液壓泵有一定的壓力儲備。一般泵的額定工作壓力應(yīng)比上述最大工作壓力高2060，所有最后算得的液壓泵的額定壓力應(yīng)為：4.88（1+0.25）6.1MPa表4-1 液壓泵的總效率Tab.4-1 The total efficiency of hydraulic pumps液壓泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率0.650.900.700.850.550.850.800.90液壓泵的流量按下式計算 K （42）式中 K考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保持最小溢流量的系數(shù)，一般取K1.11.3，同時工作的執(zhí)行元件的最大總流量（4.1163=12.348L/min）本設(shè)計取泄漏系數(shù)為1.1，所以： 1.112.34813.583L/min由液壓元件產(chǎn)品樣本查得CBN-E312齒輪泵滿足上述估算得到的壓力和流量要求：該泵的額定壓力為16MPa，公稱排量V12 mL/rev，額定轉(zhuǎn)速為1800r/min?，F(xiàn)取泵的容積效率0.85，當選用轉(zhuǎn)速n1400 r/min的驅(qū)動電機時，泵的流量為： Vn 12 mL/rev0.851400r/min 14L/min由前面的計算可知泵的最大功率出現(xiàn)在工位夾緊階段，現(xiàn)取泵的總效率為 0.85，則： 840W選用電動機型號：Y90S4B5型封閉式三相異步電動機滿足上述要求，其轉(zhuǎn)速為1400r/min，額定功率為1.5kW。電動機與泵之間采用連軸器聯(lián)結(jié)。根據(jù)所選擇的液壓泵規(guī)格及系統(tǒng)工作情況，可計算出液壓缸在各個階段的實際進出流量，運動速度和持續(xù)時間，從而為其他液壓元件的選擇及系統(tǒng)的性能計算奠定了基礎(chǔ)。計算結(jié)果如下表所示：表4-2工位夾緊缸的實際工況Tab.4-2 The actual working conditions of the clamping cylinder工作階段流量/速度/時間/s無桿腔有桿腔夾緊 = =1.410.972=0.012 = =3松開= = =4.67= =4.67 3.21 = =0.039 = 1表4-3工位夾緊缸的實際工況Tab.4-3 The actual working conditions of the clamping cylinder工作階段流量/速度/時間/s無桿腔有桿腔夾緊6.03 = =3.67=0.125 = =0.2松開= =14 23.02= =14 = =0.48 = 0.05上表中油缸的工作腔面積； 油缸回油腔面積； 進油缸流量； 出油缸流量； 油缸的運動速度； 油缸的運動時間。4.2 液壓控制閥的選擇4.2.1 選擇依據(jù)選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動作方式，安裝固定方式，壓力損失數(shù)值，工作性能參數(shù)和工作壽命等。4.2.2 選擇閥類元件應(yīng)注意的問題1)應(yīng)盡量選用標準定型產(chǎn)品，除非不得已時才自行設(shè)計專用件；2)閥類元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時，應(yīng)按液壓泵的最大流量選取。選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速性能的要求；3)一般選擇控制閥的額定流量應(yīng)比系統(tǒng)管路實際通過的流量大一些，必要時，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%；根據(jù)以上要求，現(xiàn)選定各類閥和組將的型號如表4-4所示：表4-4 各種液壓元件的類型選擇Tab.4-4 Various types of hydraulic components of choice序號名稱通過流量/L額定流量/額定壓力/MPa額定壓降/MPa型號規(guī)格1吸油過濾器1420MF-022單向閥1440250.1CIT-03-A13壓力繼電器25MJCS-02B-HH4壓力表010W-2-1/2-100-A15壓力表開關(guān)142110GCT-026疊加式溢流閥1435250.12MRF-02P-K1-207疊加式減壓閥1435250.2MPR-02P-K1-028疊加式單向閥1435210.1MPC-02W-05-309二位四通換向閥23.0280250.2D5-02-3N2-D210疊加式單向節(jié)流閥23.0235210.15MTC-02W-K-I-2011二位四通換向閥1480250.2D5-02-3N2-D212疊加式單向節(jié)流閥1435210.15MTC-02W-K-I-2013空氣濾清器AB-116214液位計LS-3”4.3 液壓附件的計算和選擇4.3.1 確定管件的尺寸表4-5 油管中的允許流速Tab.4-5 Allow the pipeline flow油液流經(jīng)油管吸油管高壓管回油管短管及局部收縮處允許速度（m/s）0.51.52551.52.557表4-6 安全系數(shù)Tab.4-6 Safety Factor管內(nèi)最高工作壓力7717.517.5安全系數(shù)864由表4-2和4-3 得知工位夾緊液壓缸有桿腔和無桿腔油管的實際最大流量分別為3.21L/min和4.67L/min，工位夾緊液壓缸有桿腔和無桿腔油管的實際最大流量分別為14L/min和23.02L/min，按照表4-5的推薦值取油管內(nèi)油液的允許流速為4m/min，按計算公式： d （43）式中q通過油管的最大流量； V油管中允許流速； d油管內(nèi)徑。將數(shù)值代入公式（4-3）得工位夾緊液壓缸： 4.9mm 4.1mm工位夾緊液壓缸： 11.1mm 8.6mm根據(jù)JB82766，同時考慮到制作方便，工位夾緊液壓缸兩根油管同時選用101（外徑10mm，壁厚1mm）的10號冷拔無縫鋼管。工位夾緊液壓缸兩根油管同時選用141（外徑14mm，壁厚1mm）的10號冷拔無縫鋼管。由機械設(shè)計手冊查得管材的抗拉強度為412MPa，由表4-6取安全系數(shù)為8，按公式對管子的強度進行校核： （44）式中 p管內(nèi)最高工作壓力； d油管內(nèi)徑； n安全系數(shù)；管材抗拉強度；油管壁厚。將數(shù)值代入公式（4-4）得：1mm= 0.5mm1mm= 0.7mm所以選的管子壁厚安全。其他油管，可直接按所連接的液壓元、輔件的接口尺寸決定其管徑的大小。4.3.2 確定油箱容積油箱的作用是儲油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。其形式有開式和閉式兩種：開式油箱油液液面與大氣相通；閉式油箱油液液面與大氣隔絕。開式油箱應(yīng)用較多。油箱設(shè)計要點：1）油箱應(yīng)有足夠的容積以滿足散熱，同時其容積應(yīng)保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時不滲出，油液液面不應(yīng)超過油箱高度的80%；2）吸箱管和回油管的間距應(yīng)盡量大，之間應(yīng)設(shè)置隔板，以加大液流循環(huán)的途徑，這樣能提高散熱、分離空氣及沉淀雜質(zhì)的效果。隔板高度為液面高度的2/33/4。吸油管及回油管應(yīng)插入最低液面以下，以防止吸空和回油飛濺產(chǎn)生氣泡。管口與箱底、箱壁距離一般不小于管徑的3倍。吸油管可安裝100m左右的網(wǎng)式或線隙式過濾器，安裝位置要便于裝卸和清洗過濾器?；赜凸芸谝鼻?5角并面向箱壁，以防止回油沖擊油箱底部的沉積物，同時也有利于散熱；3）油箱底部應(yīng)有適當斜度，泄油口置于最低處，以便排油；4）注油器上應(yīng)裝濾網(wǎng)；5）油箱的箱壁應(yīng)涂耐油防銹涂料。油箱的容積可以按照下列經(jīng)驗公式進行計算： V （45）式中 V油箱的有效容積/L；液壓泵的總額定流量/； 與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)：低壓系統(tǒng)取=24，中壓系統(tǒng)=57，高壓系統(tǒng)取=1012，對對于行走機械取或經(jīng)常間斷作業(yè)的設(shè)備，系數(shù)取較小值；對于安裝空間允許的固定機械，或需藉助油箱頂蓋安裝液壓泵及電動機和液壓閥集成裝置時，系數(shù)可適當取較大值。本設(shè)計取=6，將數(shù)值代如公式（4-5）得： V614 84 L5 液壓系統(tǒng)性能驗算5.1液壓系統(tǒng)壓力損失驗算由于系統(tǒng)的管路布置尚未具體確定，整個系統(tǒng)的壓力損失無法全面的計算，故只能先估算閥類元件的壓力損失，待設(shè)計好管路布置圖后，加上管路的沿程損失和局部損失即可。5.1.1工位夾緊缸的壓力損失驗算在油缸夾緊時，油液依次經(jīng)過單向閥，疊加式減壓閥，疊加式溢流閥，電磁換向閥，疊加式雙單向節(jié)流閥，。所以進油路上的壓力損失為 （51） =0.0009MPa式中 總的壓力損失； 各種閥的壓降； 流經(jīng)閥的設(shè)計流量； 閥的額定流量。在油缸松開時，退油路上的壓力損失為） 0.0097MPa由此可以看出，系統(tǒng)閥的壓力損失都小于原先的估計值，所以滿足系統(tǒng)的使用要求。因為工位夾緊缸的運動過程是一樣的，使用對此油缸的壓力校驗過程和上面的計算過程是一樣的。如下所示在油缸夾緊時，油液依次經(jīng)過單向閥，電磁換向閥，疊加式雙單向閥，疊加式雙單項節(jié)流閥。進油路上的壓力損失為： =0.017MPa在油缸松開時，退油路上的壓力損失為：0.2Mpa由此看出各種閥同樣滿足使用要求。5.2 估算系統(tǒng)效率由表4-2和4-3可以看出，本液壓系統(tǒng)在整個工作循環(huán)過程中，液壓缸夾緊是主要的工作過程，所以系統(tǒng)效率、發(fā)熱和溫升等可一概用夾緊時的數(shù)值計算。系統(tǒng)效率的計算公式為： （52）式中 執(zhí)行元件的負載壓力； 執(zhí)行元件的負載流量； 液壓泵的供油壓力； 液壓泵的供油流量。工位夾緊缸夾緊時，將數(shù)值代如公式（5-2）得： 0.06工位夾緊缸夾緊時，將數(shù)值代入公式（5-2）得： 0.27系統(tǒng)在一個完整的循環(huán)周期內(nèi)的平均回路效率可按下式計算： （53）式中 一個周期的平均回路效率； 各工作階段的液壓回路效率； 各個工作階段的持續(xù)時間；T一個完整循環(huán)的時間。分別將、工位夾緊缸夾緊時的數(shù)值代入公式（5-3）得： 0.073則系統(tǒng)的總效率為： （54）式中 液壓泵的總效率，取0.85；液壓回路的效率；液壓執(zhí)行元件的總效率，取0.95。所以： 0.850.950.073 0.06本系統(tǒng)的效率是0.06。整個系統(tǒng)的效率很低，主要是由于溢流損失和節(jié)流損失造成的。5.3 系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升 液壓系統(tǒng)的壓力、容積和機械損失構(gòu)成總的能量損失，這些能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱量，是系統(tǒng)的油溫升高，產(chǎn)生一系列不良的影響。為此，必須對系統(tǒng)進行發(fā)熱和溫升計算，以便對系統(tǒng)溫升進行控制?？砂聪率焦浪阆到y(tǒng)的發(fā)熱能量： H（1） （55）式中 H系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量；液壓泵的輸入功率。將數(shù)值代入公式（5-5）得： H 1264w表5-1各種機械允許油溫 Tab.5-1 The allowing temperature of the Machinery 液壓設(shè)備類型正常工作溫度/最高允許溫度/數(shù)控機床30505570一般機床30555570機車車輛40607080船舶30608090冶金機械、液壓機40706090工程機械、礦山機械50807090液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，由系統(tǒng)中各個散熱面散發(fā)至空氣中，其中油箱是主要散熱面。因為管道的散熱面相對較小，且與其自身的壓力損失產(chǎn)生的熱量基本平衡，故一般濾去不計。當只考慮油箱散熱時，其散熱量可按下式計算： KA （56）式中 K散熱系數(shù)（），計算時可選用推薦值：通風(fēng)很差K8；通風(fēng)良好 K1420；風(fēng)扇冷卻時，K2025；用循環(huán)水冷卻時，K110175； A油箱散熱面積； 系統(tǒng)溫升。當系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量H等于其散發(fā)出去的熱量時，系統(tǒng)達到平衡，此時： H/KA當六面體油箱長、寬、高比例為1：1：11：2：3 且液面高度是油箱高度的0.8倍時，其散熱面積的近似計算公式為： A=0.056所以可以導(dǎo)出： （57）式中 V油箱的有效容量。取散熱系數(shù)K=15，將數(shù)值代入公式（5-7）得： 67.6此溫升超過了許用范圍，3050，增大油箱面積，取V814112L，并且取系數(shù)K=20，重新帶入數(shù)值計算得： 41.8所以滿足了許用溫升要求。至此，系統(tǒng)校核完畢，從整個過程來看，此設(shè)計滿足使用需求。6 液壓動力源裝置的設(shè)計液壓動力源（即液壓泵站）是多種元、附件組合而成的整體。是為一個或幾個系統(tǒng)存放一定清潔度的工作介質(zhì)，并輸出一定壓力、流量的液體動力，兼作整體式液壓站安放液壓控制裝置基座的整體裝置。，液壓動力源是整個液壓系統(tǒng)或液壓站的一個重要部件，其設(shè)計質(zhì)量的優(yōu)劣，對液壓設(shè)備性能關(guān)系很大。6.1 液壓泵站的結(jié)構(gòu)形式液壓泵站上泵組的布置方式分成上置式和非上置式。泵組置于油箱上的上置式液壓泵站中，采用立式電動機并將液壓泵置于油箱之內(nèi)時，稱為立式（圖6-1）；采用臥式電動機時稱為臥式（圖6-2）。非上置式液壓泵站中，泵組與油箱并列布置的為旁置式（圖6-3）；泵組置于油箱下面時為下置式（圖6-4）； 圖6-1 圖6-2 Fig.6-1 Fig.6-2 圖6-3 圖6-4 Fig.6-1 Fig.6-1按泵組流量特性分為定量型和變量型；按泵組驅(qū)動方式分為電動型、機動型和手動型。本設(shè)計采用上置式液壓動力源，即泵組布置在油箱之上的動力源，當電動機臥式安裝，液壓泵置于油箱之上時，稱為臥式液壓動力源。當電動機立式安裝，液壓泵置于油箱內(nèi)時，稱為立式液壓動力源。上置式液壓動力源站地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，液壓泵置于油箱內(nèi)的立式安裝動力源，噪聲低且便于收集漏油。這種結(jié)構(gòu)在中、小功率液壓站中被廣泛采用。本次設(shè)計即采用這種結(jié)構(gòu)。當采用臥式動力源時，由于液壓泵置于油箱之上，必須注意各類液壓泵的吸油高度，以防液壓泵進油口產(chǎn)生過大的真空度，造成吸空或氣穴現(xiàn)象。而立式安裝的動力源則可避免這種情況的發(fā)生。7 液壓裝置的總體配置液壓裝置按其總體配置分為分散配置型和集中配置型兩種主要結(jié)構(gòu)類型。集中配置型液壓裝置通常是將系統(tǒng)的執(zhí)行器安放在主機上，而將液壓泵及其驅(qū)動電機、輔助元件等獨立安裝在主機之外，即集中設(shè)置所謂液壓站。液壓站按控制裝置位置和液壓站功能分為動力型和復(fù)合型。其中復(fù)合型又分為整體式和分離式；按液壓站規(guī)模分為單機型、機組型和中央型；按通用化程度分為專用型和通用型。本次設(shè)計采用復(fù)合型整體液壓站設(shè)計。復(fù)合型液壓站是將系統(tǒng)中液壓泵及其驅(qū)動電機、油箱及其附件、液壓控制裝置及其他輔助元件等均安