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西安科技大學(xué)高新學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
系 別：
機(jī)電信息學(xué)院
專 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號：
0901140436
設(shè)計(jì)(論文)題目：
小型鹽浴爐快速淬火裝置
起 迄 日 期:
2012年9月 24 日 — 2012年12月16日
設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn):
西安科技大學(xué)高新學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
專業(yè)教研室負(fù)責(zé)人:
日期: 2012 年 月 日
摘 要
鹽浴爐是用熔融鹽液作為加熱介質(zhì)、將工件浸入鹽液內(nèi)加熱的工業(yè)爐。根據(jù)爐子的工作溫度，通常選用氯化鈉、氯化鉀、氯化鋇、氰化鈉、氰化鉀、硝酸鈉 、硝酸鉀等鹽類作為加熱介質(zhì)。鹽浴爐的加熱速度快，溫度均勻。工件始終處于鹽液內(nèi)加熱，工件出爐時(shí)表面又附有一層鹽膜，所以能防止工件表面氧化和脫碳。鹽浴爐可用于碳鋼、合金鋼、工具鋼、模具鋼和鋁合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 時(shí)效等熱處理加熱，也可用于鋼材精密鍛造時(shí)少氧化加熱。鹽浴爐加熱介質(zhì)的蒸氣對人體有害，使用時(shí)必須通風(fēng)。鹽液溫度依鹽液成分而不同,一般在150～1300℃之間。磁場的作用能使鹽液循環(huán)翻動,有利于鹽液溫度均勻,又能提高工件的加熱速度。由于溫度超過人體所能承受的范圍，必須要有一套裝置來完成淬火要求。
關(guān)鍵詞：鹽浴爐，加熱介質(zhì)，淬火裝置
III
Abstract
Salt 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 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1 鹽浴爐介紹 1
1.2 選題依據(jù) 2
1.3 課題內(nèi)容及思路 2
第2章 液壓原理圖設(shè)計(jì) 5
2.1 液壓機(jī)液壓系統(tǒng)圖擬定 5
2.2 工作循環(huán)圖 7
第3章 升降液壓缸設(shè)計(jì) 8
3.1 初步確定液壓缸參數(shù) 8
3.2 活塞桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算 9
3.3 液壓缸工作行程的確定 10
3.4 活塞的設(shè)計(jì) 11
3.5 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.6 端蓋和缸底的設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
3.7 缸體長度的確定 14
3.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 14
3.9 排氣裝置 14
3.10 密封件的選用 16
3.11 防塵圈 17
3.12 液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu) 17
第4章 液壓泵的參數(shù)計(jì)算 19
第5章 電動機(jī)的選擇 19
第6章 液壓元件的選擇 20
6.1 液壓閥及過濾器的選擇 20
6.2 油管的選擇 22
6.3 油箱容積的確定 22
第7章 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 22
7.1 壓力損失的驗(yàn)算及泵壓力的調(diào)整 22
7.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗(yàn)算 24
第5章 傳動部分設(shè)計(jì) 26
5.1主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26
5.2 減速系統(tǒng)（確定齒輪的參數(shù)） 26
5.2.1選擇材料 26
5.2.2 壓力角的選擇 27
5.2.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 27
5.2.4齒寬系數(shù) 27
5.2.5 確定齒輪傳動的精度 27
第6章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
6.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 28
6.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
6.1.2 導(dǎo)向裝置 29
6.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計(jì) 29
6.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 30
6.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
6.3手臂伸縮的設(shè)計(jì) 31
總結(jié)與展望 35
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 37
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 鹽浴爐介紹
鹽浴爐salt-bath furnace指用熔融鹽液作為加熱介質(zhì)、將工件浸入鹽液內(nèi)加熱的工業(yè)爐。根據(jù)爐子的工作溫度，通常選用氯化鈉、氯化鉀、氯化鋇、氰化鈉、氰化鉀、硝酸鈉、硝酸鉀等鹽類作為加熱介質(zhì)。鹽浴爐的加熱速度快，溫度均勻。工件始終處于鹽液內(nèi)加熱，工件出爐時(shí)表面又附有一層鹽膜，所以能防止工件表面氧化和脫碳。鹽浴爐可用于碳鋼、合金鋼、工具鋼、模具鋼和鋁合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 時(shí)效等熱處理加熱，也可用于鋼材精密鍛造時(shí)少氧化加熱。鹽浴爐加熱介質(zhì)的蒸氣對人體有害，使用時(shí)必須通風(fēng)。鹽浴爐分內(nèi)熱式和外熱式兩大類。內(nèi)熱式鹽浴爐又分為電極鹽浴爐和電熱元件鹽浴爐兩種。
用途
電極鹽浴爐 通過金屬電極將低壓 (5.5～36伏)大電流交流電引入爐內(nèi)，電流流過鹽液發(fā)熱。鹽液既是發(fā)熱體，又是對工件加熱的介質(zhì)。鹽液溫度依鹽液成分而不同，一般在150～1300℃之間。磁場的作用能使鹽液循環(huán)翻動，有利于鹽液溫度均勻，又能提高工件的加熱速度。電極鹽浴爐由電極、耐火爐襯、密封金屬爐罐、絕熱層和爐殼構(gòu)成，由專用變壓器供電。因固態(tài)鹽不導(dǎo)電，開爐時(shí)先向起動電極送電，利用起動電極的電阻發(fā)熱使一部分鹽先熔化，然后接通主電極使電流通過熔鹽發(fā)熱工作。主電極有插入式和埋入式兩種結(jié)構(gòu)形式。①插入式電極：電極從爐口插入爐內(nèi)。這種電極結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便。②埋入式電極：電極埋在鹽中，不接觸空氣，使用壽命較長。用這種電極的爐膛容積利用系數(shù)高，但電極拆卸較困難。兩種電極都可用碳鋼或耐熱鋼鍛成，也可鑄造。
構(gòu)造
電熱元件鹽浴爐 它由管狀電熱元件、金屬槽(鍋)、攪拌器、隔熱層和爐殼構(gòu)成。通電后元件發(fā)熱將鹽熔化。這種爐多用硝鹽，故又稱硝鹽爐。硝鹽最高工作溫度不超過 550℃。溫度超過此限會加劇硝鹽分解，發(fā)生事故，因此需要設(shè)置超溫報(bào)警裝置。如將硝鹽改為苛性鈉或苛性鉀，則成為堿浴爐，這種爐子適用于鋼的光亮淬火。
外熱式鹽浴爐 鹽浴爐的金屬爐罐（坩堝）放在爐膛內(nèi)，用電或火焰進(jìn)行加熱，熱效率較低，僅在小型鹽浴爐上采用。
1.2 選題依據(jù)
鹽浴爐是用熔融鹽液作為加熱介質(zhì)、將工件浸入鹽液內(nèi)加熱的工業(yè)爐。根據(jù)爐子的工作溫度，通常選用氯化鈉、氯化鉀、氯化鋇、氰化鈉、氰化鉀、硝酸鈉 、硝酸鉀等鹽類作為加熱介質(zhì)。鹽浴爐的加熱速度快，溫度均勻。工件始終處于鹽液內(nèi)加熱，工件出爐時(shí)表面又附有一層鹽膜，所以能防止工件表面氧化和脫碳。鹽浴爐可用于碳鋼、合金鋼、工具鋼、模具鋼和鋁合金等的淬火、退火、回火、 氰化、 時(shí)效等熱處理加熱，也可用于鋼材精密鍛造時(shí)少氧化加熱。鹽浴爐加熱介質(zhì)的蒸氣對人體有害，使用時(shí)必須通風(fēng)。鹽液溫度依鹽液成分而不同,一般在150～1300℃之間。磁場的作用能使鹽液循環(huán)翻動,有利于鹽液溫度均勻,又能提高工件的加熱速度。由于溫度超過人體所能承受的范圍，必須要有一套裝置來完成淬火要求。
由于生產(chǎn)中許多工件需要快速淬火，而人工又不能滿足一些精密工件快速生產(chǎn)、安全、穩(wěn)定性的需要，小型鹽浴爐快速淬火裝置似乎成了不可或缺的一套必備裝置。它實(shí)現(xiàn)了工廠生產(chǎn)的快速、穩(wěn)定和可靠性，同時(shí)又大大降低了工人的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)許多工廠由于不具備大批量購買能力和制作技術(shù)（此項(xiàng)器械制作技術(shù)為專利），未能實(shí)現(xiàn)普及使用。盡量降低此類機(jī)器的生產(chǎn)成本從而降低價(jià)格同時(shí)還能保證廉價(jià)高質(zhì)量與等同效率成為目前研究的最具價(jià)值型課題，市場需求量大能保證其具有非常大的市場價(jià)值。
本次設(shè)計(jì)的目的在于盡量減少生產(chǎn)成本，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于操作，同時(shí)又能最大程度的保障其安全性和使用壽命，用最簡單的一套裝置來達(dá)到復(fù)雜裝置的生產(chǎn)功能和生產(chǎn)效率，達(dá)到安全快速生產(chǎn)的目的。
1.3 課題內(nèi)容及思路
設(shè)計(jì)思路及工作方法
此裝置采用頂端·底端固定，中間利用一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的齒輪實(shí) 現(xiàn)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動，底端液壓泵起升降作用，當(dāng)機(jī)械臂正常旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓 泵處于頂起狀態(tài)，機(jī)械臂每4S轉(zhuǎn)動半周，需要降下機(jī)械臂時(shí)，液壓泵處于下壓狀態(tài)，頂端齒輪與底端齒輪分離，機(jī)械臂失去動力停止旋轉(zhuǎn)，僅做升降運(yùn)動，頂起到兩個(gè)齒輪嚙合，機(jī)械臂恢復(fù)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)每半周4S的停轉(zhuǎn)和起降，保障了快速淬火的需要和穩(wěn)定性，淬火過程較長可用調(diào)節(jié)開關(guān)來關(guān)閉總電源節(jié)約能源，滿足了大部分工廠的生產(chǎn)
需要研究的主要內(nèi)容：
1.快速淬火裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1裝置結(jié)構(gòu)組成
主動力系統(tǒng)，減速系統(tǒng)，液壓升降系統(tǒng)，嚙合輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)及機(jī)械臂，輔助裝置。
1.2裝置的總體布局
立式，上端主動力系統(tǒng)及減速系統(tǒng)，下端液壓升降系統(tǒng)，中端嚙合輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)及機(jī)械臂。
1.3主動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用直流伺服電機(jī)
型號：50 FRAME 功率：3kw
1.4減速系統(tǒng)
采用齒輪減速裝置，使頂端嚙合齒輪轉(zhuǎn)速為4S每半周
1.5液壓升降系統(tǒng)
采用小型液壓機(jī)
型號：YHD30-200型 公稱壓力2000KN
1.6嚙合輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)及機(jī)械臂
機(jī)械臂吊起工件最大質(zhì)量5千克,吊起高度1.5米,橫移距離1.5米,工件溫度450—500C.底端嚙合齒輪加裝滾動軸承連接液壓機(jī)
1.7快速淬火裝置的輔助裝置
研究方法及措施
1．分析淬火裝置的工作原理，確定裝置的主要參數(shù)；
2．對淬火裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)的確定；
3.液壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
課題要解決的技術(shù)問題
1.如何保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；
2.齒輪減速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和詳細(xì)參數(shù)；
37
第4章 本章標(biāo)題
第2章 液壓原理圖設(shè)計(jì)
2.1 液壓機(jī)液壓系統(tǒng)圖擬定
圖2.1
1——斜盤式變量柱塞泵， 3——小電機(jī),4——大電機(jī)，6——濾油器,7——電控比例溢流閥,8.22..24——溢流閥， 9.18. 23——換向閥，10——壓力繼電器，11——單向閥，12——壓力表，13.18——液控單向閥，14——外控順序閥，16——順序閥，15——上液壓缸，19——下液壓缸，21——節(jié)流器，
工作過程
A: 啟動：電磁鐵全斷電，主泵卸荷。主泵（恒功率輸出）→電液壓換向閥9的M型中位→電液換向閥20的K型中位→T
B： 快進(jìn)：液壓缸15活塞快速下行：1YA，5YA通電，電磁鐵換向閥17接通液控單向閥18的控制油路，打開液控單向閥18，
進(jìn)油路：主泵1 →電液換向閥9 →單向閥11→上液壓缸15
回油路：液壓缸15下腔 →液控單向閥18→電液換向閥9→電液換向閥20的K型中位→T 液壓缸15活塞依靠重力快速下行：大氣壓油→吸入閥13→液壓缸15上腔的負(fù)壓空腔
C： 工進(jìn)：
液壓缸15接觸工件慢速下行：（增壓下行）液壓缸活塞碰行程開關(guān)2XK，5YA斷電，切斷經(jīng)液控單向閥18快速回油通路，上腔壓力升高，切斷（大氣壓油→吸入閥13 →上液壓缸無桿腔）吸油路。
回油路：液壓缸15下腔→順序閥16→電液換向閥9→電液換向閥20的K型中位→T
D： 保壓：液壓缸15上腔壓力升高達(dá)到預(yù)調(diào)壓力，壓力繼電器10發(fā)出信息，1YA斷電，液壓缸15進(jìn)口油路切斷，單向閥11和吸入閥13的高密封性能確保液壓缸15活塞對工件保壓。主泵（恒功率輸出）主泵→ 電液壓換向閥9的M型中位→ 電液壓換向閥20的K型位→T實(shí)現(xiàn)主泵卸荷。
E： 保壓結(jié)束，泄壓，液壓缸15回程：時(shí)間繼電器發(fā)出信息，2TA通電（1YA斷電），液壓缸15上腔壓力很高，外控順序閥14，使主泵1→電液壓換向閥9→吸入閥的控制油路由于大部分油液經(jīng)外控順序閥14流回油箱，壓力不足以立即打開吸入閥13通油箱的通道，只能打開吸入閥的卸荷閥13（或叫卸荷閥13的卸荷口），實(shí)現(xiàn)液壓缸15上腔（只有極少部分油液經(jīng)卸荷閥口回油箱）先卸荷，后通油箱的順序動作，此時(shí)：主泵1大部分油液→電液壓換向閥9→外控順序閥→T
F： 液壓缸15活塞快速上行： 液壓缸15上腔卸壓達(dá)到吸入閥13開啟的壓力值時(shí)，外控順序閥14關(guān)閉，切斷主泵1大部分油液→電液換向閥9→外控順序閥14→T的卸荷油路實(shí)現(xiàn)：
進(jìn)油路：主泵1→電液換向閥9→液控單向閥20→液壓缸15下腔回油路：液壓缸15上腔→吸入閥13→T
G: 升降工件:液壓缸15活塞快速上行到位,PLC發(fā)出信號, 2YA斷電,電液壓換向閥9關(guān)閉,3YA通電電液壓換向閥20右位工作
進(jìn)油路:主泵1→電液壓換向閥9的M型中位→電液換向閥20→液壓缸19無桿腔
回油路：液壓缸19有桿腔→電壓換向閥20→T
H: 升降活塞退回：3YA斷電，4YA通電，電壓換向閥20左位工作
進(jìn)油路：主泵1→電液換向閥9的M型中位→電液換向閥20→液壓缸19上腔
回油路：液壓缸19下腔→電液換向閥20→T
K： 壓邊浮動拉伸：
薄板拉伸時(shí)，要求升降液壓缸19下腔要保持一定的壓力，以便液壓缸19活塞能隨液壓缸15活塞驅(qū)動的動模一起下行對薄板進(jìn)行拉伸，3YA通電，電液換向閥20右邊工作，6YA通電，電磁換向閥23工作，溢流閥24調(diào)節(jié)液壓缸19下腔油墊工作壓力。
2.2 工作循環(huán)圖
（點(diǎn)動.半自動.自動）
表2.1
動作元件
工步
1YA
2 YA
3 YA
4 YA
5 YA
6 YA
7 YA
PJ
原位
上缸快進(jìn)
+
+
上缸工進(jìn)
+
+
保壓
+
+
上缸快退
+
下缸工進(jìn)
+
下缸快退
+
壓邊浮動拉伸
(注：PJ——壓力繼電器。)
第3章 升降液壓缸設(shè)計(jì)
3.1 初步確定液壓缸參數(shù)
表3-1 按負(fù)載選擇工作壓力[1]
負(fù)載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機(jī)械類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由表3-1和表3-2可知， 組合機(jī)床液壓系統(tǒng)的最大負(fù)載約為13777N，初選液壓缸的設(shè)計(jì)壓力P1=3MPa，為了滿足工作臺快速進(jìn)退速度相等，并減小液壓泵的流量，這里的液壓缸課選用單桿式的，并在快進(jìn)時(shí)差動連接，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿足A1=2A2（即液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，暫取背壓為0.5MPa，并取液壓缸機(jī)械效率。則液壓缸上的平衡方程
故液壓缸無桿腔的有效面積：
液壓缸直徑
液壓缸內(nèi)徑：
按GB/T2348-1980，取標(biāo)準(zhǔn)值D=80mm；因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=56mm（標(biāo)準(zhǔn)直徑）
則液壓缸有效面積為：
2.缸體壁厚的校核
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，取壁厚為10mm。則
根據(jù)時(shí)； （4-2）
可算出缸體壁厚為：
<10mm
則液壓缸的外徑
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即缸體的強(qiáng)度適中），P-缸筒試驗(yàn)壓力。
3.缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。
3.2 活塞桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算
活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。其材料取Q235鋼。
1.活塞桿直徑的計(jì)算[1]
由=2 可知活塞桿直徑：
按GB/T2348—1993將所計(jì)算的d值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得：
d=56mm
按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進(jìn)速度v=0.4m/min為最小速度，則由式
（4-3）
本例=78.5>1.25，滿足最低速度的要求。
2.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算：
<56mm （4-4）
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中）
3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動電機(jī)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。
4.活塞桿的密封與防塵
活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時(shí)，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設(shè)計(jì)和維護(hù)，本方案選擇O型密封圈。
3.3 液壓缸工作行程的確定
液壓缸工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)值。液壓缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。
表4-4（a）液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6]
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6]
40
63
90
110
140
180
220
280
360
450
550
700
900
1100
1400
1800
2200
2800
3600
表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）[6]
240
260
300
340
380
420
480
530
600
650
750
850
950
1050
1200
1300
1500
1700
1900
2100
2400
2600
3000
3400
3800
3.4 活塞的設(shè)計(jì)
由于活塞在液壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。
活塞與缸體的密封形式分為：間隙密封（用于低壓系統(tǒng)中的液壓缸活塞的密封）、活塞環(huán)密封（適用于溫度變化范圍大、要求摩擦力小、壽命長的活塞密封）、密封圈密封三大類。其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因數(shù)小，安裝空間?。形密封圈（用在20Mpa壓力下、往復(fù)運(yùn)動速度較高的液壓缸密封）、形密封圈（耐高壓，耐磨性好，低溫性能好，逐漸取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa壓力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。綜合以上因素，考慮選用O型密封圈。
3.5 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1.最小導(dǎo)向長度H的確定
當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長度[1]。如果導(dǎo)向長度過短，將使液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)液壓缸最大行程為L,缸筒直徑為D時(shí),最小導(dǎo)向長度為:
（4-5）
一般導(dǎo)向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d.。活塞寬度B取B=(0.6~1.0)D。若導(dǎo)向長度H不夠時(shí),可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。
圖4-1 液壓缸最小導(dǎo)向長度[1]
因此:最小導(dǎo)向長度，取H=9cm；
導(dǎo)向套滑動面長度A=
活塞寬度B=
隔套K的寬度
2.導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等，可按工作情況適當(dāng)選擇。
1）普通導(dǎo)向套 這種導(dǎo)向套安裝在支承座或端蓋上，油槽內(nèi)的壓力油起潤滑作用和張開密封圈唇邊而起密封作用[6]。
2）易拆導(dǎo)向套 這種導(dǎo)向套用螺釘或螺紋固定在端蓋上。當(dāng)導(dǎo)向套和密封圈磨損而需要更換時(shí)，不必拆卸端蓋和活塞桿就能進(jìn)行，維修十分方便。它適用于工作條件惡劣，需經(jīng)常更換導(dǎo)向套和密封圈而又不允許拆卸液壓缸的情況下。
3）球面導(dǎo)向套 這種導(dǎo)向套的外球面與端蓋接觸，當(dāng)活塞桿受一偏心負(fù)載而引起方向傾斜時(shí)，導(dǎo)向套可以自動調(diào)位，使導(dǎo)向套軸線始終與運(yùn)動方向一致，不產(chǎn)生“憋勁“現(xiàn)象。這樣，不僅保證了活塞桿的順利工作，而且導(dǎo)向套的內(nèi)孔磨損也比較均勻。
4）靜壓導(dǎo)向套 活塞桿往復(fù)運(yùn)動頻率高、速度快、振動大的液壓缸，可以采用靜壓導(dǎo)向套。由于活塞桿與導(dǎo)向套之間有壓力油膜，它們之間不存在直接接觸，而是在壓力油中浮動，所以摩擦因數(shù)小、無磨損、剛性好、能吸收振動、同軸度高，但制造復(fù)雜，要有專用的靜壓系統(tǒng)。
3.6 端蓋和缸底的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構(gòu)成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受液壓力，而且必須具有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔（或裝導(dǎo)向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)的不好容易損壞。
1.端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算
端蓋厚h為：
式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm；
P——液壓力，；
——密封環(huán)形端面平均直徑，cm；
——材料的許用應(yīng)力，。
2.缸底的設(shè)計(jì)
缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。
3.端蓋的結(jié)構(gòu)
端蓋在結(jié)構(gòu)上除要解決與缸體的連接與密封外，還必須考慮活塞桿的導(dǎo)向，密封和防塵等問題[6]。缸體端部的連接形式有以下幾種：
A．焊接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，質(zhì)量小，使用廣泛。缸體焊接后可能變形，且內(nèi)缸不易加工。主要用于柱塞式液壓缸。
B．螺紋連接（外螺紋、內(nèi)螺紋） 特點(diǎn)是徑向尺寸小，質(zhì)量較小，使用廣泛。缸體外徑需加工，且應(yīng)與內(nèi)徑同軸；裝卸徐專用工具；安裝時(shí)應(yīng)防止密封圈扭曲。
C．法蘭連接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單，易加工、易裝卸，使用廣泛。徑向尺寸較大，質(zhì)量比螺紋連接的大。非焊接式法蘭的端部應(yīng)燉粗。
D．拉桿連接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)通用性好。缸體加工容易，裝卸方便，使用較廣。外形尺寸大，質(zhì)量大。用于載荷較大的雙作用缸。
E．半球連接，它又分為外半環(huán)和內(nèi)半環(huán)兩種。外半環(huán)連接的特點(diǎn)是質(zhì)量比拉桿連接小，缸體外徑需加工。半環(huán)槽消弱了缸體，為此缸體壁厚應(yīng)加厚。內(nèi)半環(huán)連接的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小。安裝時(shí)端部進(jìn)入缸體較深，密封圈有可能被進(jìn)油口邊緣擦傷。
F．鋼絲連接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，質(zhì)量小。
3.7 缸體長度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長度不應(yīng)大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。
3.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì)
液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在液壓力的驅(qū)動下運(yùn)動時(shí)具有很大的動量。在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入液壓缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機(jī)械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴(yán)重影響液壓缸和整個(gè)液壓系統(tǒng)的強(qiáng)度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運(yùn)動部件在運(yùn)動時(shí)對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。
當(dāng)液壓缸中活塞活塞運(yùn)動速度在6m/min以下時(shí)，一般不設(shè)緩沖裝置，而運(yùn)動速度在12m/min以上時(shí)，不需設(shè)置緩沖裝置。在該組合機(jī)床液壓系統(tǒng)中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。
3.9 排氣裝置
如果排氣裝置設(shè)置不當(dāng)或者沒有設(shè)置排氣裝置，壓力油進(jìn)入液壓缸后，缸內(nèi)仍會存在空氣[6]。由于空氣具有壓縮性和滯后擴(kuò)張性,會造成液壓缸和整個(gè)液壓系統(tǒng)在工作中的顫振和爬行,影響液壓缸的正常工作。比如液壓導(dǎo)軌磨床在加工過程中，這不僅會影響被加工表面的光潔程度和精度，而且會損壞砂輪和磨頭等機(jī)構(gòu)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，除了防止空氣進(jìn)入液壓系統(tǒng)外，還必須在液壓缸上設(shè)置排氣裝置。配氣裝置的位置要合理，由于空氣比壓力油輕，總是向上浮動，因此水平安裝的液壓缸，其位置應(yīng)設(shè)在缸體兩腔端部的上方；垂直安裝的液壓缸，應(yīng)設(shè)在端蓋的上方。
一般有整體排氣塞和組合排氣塞兩種。整體排氣塞如圖4-2（a）所示。
表4-5 排氣閥（塞）尺寸[6]
d
閥座
閥桿
孔
c
D
M16
6
11
6
19.2
9
3
2
31
17
10
8.5
3
48
4~6
23
M20x2
8
14
7
25.4
11
4
3
39
22
13
11
4
59
4~8
28
圖4-2 (a) 整體排氣孔 圖4-2（b） 組合排氣孔
圖4-2（c） 整體排氣閥零件結(jié)構(gòu)尺寸
由于螺紋與缸筒或端面連接，靠頭部錐面起密封作用。排氣時(shí)，擰松螺紋，缸內(nèi)空氣從錐面空隙中擠出來并經(jīng)過斜孔排除缸外。這種排氣裝置簡單、方便，但螺紋與錐面密封處同軸度要求較高，否則擰緊排氣塞后不能密封，造成外泄漏。組合排氣塞如圖4-2（b）所示，一般由絡(luò)螺塞和錐閥組成。螺塞擰松后，錐閥在壓力的推動下脫離密封面排出空氣。排氣裝置的零件圖及尺寸圖見4-2（c）以及表4-2（d）。
圖4-2（d） 組合排氣閥零件結(jié)構(gòu)尺寸
3.10 密封件的選用
1.對密封件的要求
液壓缸工作中要求達(dá)到零泄漏、摩擦小和耐磨損的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，正確地選擇密封件、導(dǎo)向套（支承環(huán)）和防塵圈的結(jié)構(gòu)形式和材料是很重要的。從現(xiàn)在密封技術(shù)來分析，液壓缸的活塞和活塞桿及密封、導(dǎo)向套和防塵等應(yīng)作為一個(gè)綜合的密封系統(tǒng)來考慮，具有可靠的密封系統(tǒng)，才能式液壓缸具有良好的工作狀態(tài)和理想的使用壽命。
在液壓元件中，對液壓缸的密封要求是比較高的，特別是一些特殊材料液壓缸，如擺動液壓缸等。液壓缸中不僅有靜密封，更多的部位是動密封，而且工作壓力高，這就要求密封件的密封性能要好，耐磨損，對溫度適應(yīng)范圍大，要求彈性好，永久變形小，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，摩擦阻力小，容易制造和裝卸，能隨壓力的升高而提高密封能力和利于自動補(bǔ)償磨損。
密封件一般以斷面形狀分類。有O形、U形、V形、J形、L形和Y形等。除O形外，其他都屬于唇形密封件。
2.O形密封圈的選用
液壓缸的靜密封部位主要是活塞內(nèi)孔與活塞桿、支承座外圓與缸筒內(nèi)孔、缸蓋與缸體端面等處[6]。這些部位雖然是靜密封，但因工作由液壓力大，稍有意外，就會引起過量的內(nèi)漏和外漏。
靜密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈雖小，確實(shí)一種精密的橡膠制品，在復(fù)雜使用條件下，具有較好的尺寸穩(wěn)定性和保持自身的性能。在設(shè)計(jì)選用時(shí)，根據(jù)使用條件選擇適宜的材料和尺寸，并采取合理的安裝維護(hù)措施，才能達(dá)到較滿意的密封效果。
安裝O形圈的溝槽有多種形式，如矩形、三角形、V形、燕尾形、半圓形、斜底形等，可根據(jù)不同使用條件選擇，不能一概而論。使用最多的溝槽是矩形，其加工簡便，但容易引起密封圈咬邊、扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。
3.動密封部位密封圈的選用
液壓缸動密封部位主要有活塞與缸筒內(nèi)孔的密封、活塞桿與支承座（導(dǎo)向套）的密封等。
形密封圈是我國液壓缸行業(yè)使用極其廣泛的往復(fù)運(yùn)動密封圈。它是一種軸、孔互不通用的密封圈。一般，使用壓力低于16MPa時(shí)，可不用擋圈而單獨(dú)使用。當(dāng)超過16MPa并用于活塞動密封裝置時(shí)，應(yīng)使用擋圈，以防止間隙“擠出”。
3.11 防塵圈
防塵圈設(shè)置與活塞桿或柱塞密封外側(cè)，用于防止外界塵埃、沙粒等異物侵入液壓缸，從而可以防止液壓油被污染導(dǎo)致元件磨損。
1.防塵圈
A型防塵圈 是一種單唇無骨架橡膠密封圈，適于在A型密封結(jié)構(gòu)形式內(nèi)安
裝，起防塵作用。
B型防塵密封圈 是一種單唇帶骨架橡膠密封圈，適于在B型密封結(jié)構(gòu)形式
內(nèi)安裝，起防塵作用。
C型防塵圈 是一種雙唇密封橡膠圈，適于在C型結(jié)構(gòu)形式內(nèi)安裝，起防塵
和輔助密封的作用。
2.防塵罩
防塵罩采用橡膠或尼龍、帆布等材料制作。在高溫工作時(shí)，可用氯丁橡膠，可在130℃以下工作。如果溫度再高時(shí)，可用耐火石棉材料。當(dāng)選用防塵伸縮套時(shí)，要注意在高頻率動作時(shí)的耐久性，同時(shí)注意在高速運(yùn)動時(shí)伸縮套透氣孔是否能及時(shí)導(dǎo)入足夠的空氣。但是，安裝伸縮套給液壓缸的裝配調(diào)整會帶來一些困難。
3.12 液壓缸的安裝連接結(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)、液壓缸近處有口的連接等。1.液壓缸的安裝形式
液壓缸的安裝形式很多，但大致可以分為以下兩類。
1）軸線固定類 這類安裝形式的液壓缸在工作時(shí)，軸線位置固定不變。機(jī)床上的液壓缸絕大多數(shù)是采用這種安裝形式。
A 通用拉桿式。在兩端缸蓋上鉆出通孔，用雙頭螺釘將缸和安裝座連接拉緊。一般短行程、壓力低的液壓缸。
B 法蘭式。用液壓缸上的法蘭將其固定在機(jī)器上。
C 支座式。將液壓缸頭尾兩端的凸緣與支座固定在一起。支座可置于液壓缸左右的徑向、切向，也可置于軸向底部的前后端。
2）周線擺動類 液壓缸在往復(fù)運(yùn)動時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的相互作用使其軸線產(chǎn)生擺動，達(dá)到調(diào)整位置和方向的要求。安裝這類液壓缸，安裝形式也只能采用使其能擺動的鉸接方式。工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、翻斗汽車和船舶甲板機(jī)械等所用的液壓缸多用這類安裝形式。
A 耳軸式。將固定在液壓缸上的鉸軸安裝在機(jī)械的軸座內(nèi)，使液壓缸軸線能在某個(gè)平面內(nèi)自由擺動。
B 耳環(huán)式。將液壓缸的耳環(huán)與機(jī)械上的耳環(huán)用銷軸連接在一起，使液壓缸能在某個(gè)平面內(nèi)自由擺動。耳環(huán)在液壓缸的尾部，可以是單耳環(huán)，也可以是雙耳環(huán)，還可以做成帶關(guān)節(jié)軸承的單耳環(huán)或雙耳環(huán)。
C 球頭式。將液壓缸尾部的球頭與機(jī)械上的球座連接在一起，使液壓缸能在一定的空間錐角范圍內(nèi)任意擺動。
2.液壓缸油口設(shè)計(jì)
油口孔是壓力油進(jìn)入液壓缸的直接通道，雖然只是一個(gè)孔，但不能輕視其作用[6]。如果孔小了，不僅造成進(jìn)油時(shí)流量供不應(yīng)求，影響液壓缸的活塞運(yùn)動速度，而且會造成回油時(shí)受阻，形成背壓，影響活塞的退回速度，減少液壓缸的負(fù)載能力。對液壓缸往復(fù)速度要求較嚴(yán)的設(shè)計(jì)，一定要計(jì)算孔徑的大小。
液壓缸的進(jìn)出油口，可以布置在缸筒和前后端蓋上。對于活塞桿固定的液壓缸，進(jìn)出油口可以設(shè)在活塞桿端部。如果液壓缸無專用排氣裝置，進(jìn)出油口應(yīng)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)出油口的鏈接形式有螺紋、方形法蘭和矩形法蘭等。
第4章 液壓泵的參數(shù)計(jì)算
由表4-6可知工進(jìn)階段液壓缸壓力最大，若取進(jìn)油路總壓力損失，壓力繼電器可靠動作需要壓力差為，則液壓泵 最高工作壓力可按式算出：
因此泵的額定壓力可取1.2546.3Pa=58Pa。
由表4-6可知，工進(jìn)時(shí)所需要流量最小是0.24L/min，設(shè)溢流閥最小溢流量為2.5L/min，則小流量泵的流量應(yīng)為，快進(jìn)快退時(shí)液壓缸所需的最大流量是20.1L/min，則泵的總流量為；
即大流量泵的流量。
根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本，選用YB-A26B型的雙聯(lián)葉片泵，該泵額定壓力為7MPa，額定轉(zhuǎn)速1000r/min。
第5章 電動機(jī)的選擇
系統(tǒng)為雙泵供油系統(tǒng)，差動快進(jìn)、快退時(shí)兩個(gè)泵同時(shí)向系統(tǒng)供油；工進(jìn)時(shí)，小泵向系統(tǒng)供油，大泵卸載[1]。
小泵流量:
大泵流量:
下面分別計(jì)算三個(gè)階段所需要的電動機(jī)功率P。
1.差動快進(jìn)
差動快進(jìn)時(shí)，大泵3的出口壓力油經(jīng)單向閥6后與小泵4匯合，然后經(jīng)三位五通閥15進(jìn)入液壓缸大腔，大腔的壓力，查樣本可知，小泵的出口壓力損失，大泵出口到小泵出口的壓力損失。于是計(jì)算可得小泵的出口壓力（總效率=0.5），大泵出口壓力（總效率=0.5）。
電動機(jī)功率：
2.工進(jìn)
考慮到調(diào)速閥所需最小壓力差。壓力繼電器可靠動作需要壓力差。
因此工進(jìn)時(shí)小泵的出口壓力為：
。而大泵的卸載壓力取。（小泵的總效率=0.565，大泵的總效率=0.3）。
電動機(jī)功率:
3.快退
類似差動快進(jìn)分析知：小泵的出口壓力（總效率=0.5）；大泵出口壓力（總效率=0.51）。
電動機(jī)功率為：
綜合比較，快退時(shí)所需功率最大。據(jù)此查樣本選用Y132M-1異步電動機(jī),電動機(jī)功率為3KW,額定轉(zhuǎn)速750r/min。
第6章 液壓元件的選擇
6.1 液壓閥及過濾器的選擇
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，可選出這些元件的型號及規(guī)格[1]。本例所有閥的額定壓力都為，額定流量根據(jù)各閥通過的流量，確定為10L/min，25L/min和63L/min三種規(guī)格，所有元件的規(guī)格型號列于表5-1中，過濾器按液壓泵額定流量的兩倍選取吸油用線隙式過濾器。
表5-1 液壓元件明細(xì)表
序號
元件名稱
最大通過流量
型號
1
雙聯(lián)葉片泵
22.5
YB-A26B
2
單向閥
12
I-25B
3
三位五通電磁閥
32
35-63BY
4
二位二通電磁閥
32
22-63BH
5
調(diào)速閥
0.32
Q-10B
6
壓力繼電器
D-63B
7
單向閥
16
I-25B
8
液控順序閥
0.16
XY-25B
9
背壓閥
0.16
B-10B
10
液控順序閥（卸載用）
16
XY-25B
11
單向閥
12
I-25B
12
溢流閥
4
Y-10B
13
過濾器
45
XU-B32*100
14
壓力表開關(guān)
K-6B
15
減壓閥
20
J-63B
16
單向閥
20
I-63B
17
二位四通電磁閥
20
24D-40B
18
單向順序閥
XI-63B
19
壓力繼電器
D-63B
20
壓力繼電器
D-63B
6.2 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(jìn)、出油管按輸入、排出的最大流量來計(jì)算。由于本系統(tǒng)液壓缸差動連接快進(jìn)快退時(shí)，油管內(nèi)通油量最大，其實(shí)際流量為泵的額定流量的兩倍達(dá)45L/min，則液壓缸進(jìn)、出油管直徑d按產(chǎn)品樣本，選用內(nèi)徑為10mm，外徑為18mm的冷拔鋼管。
6.3 油箱容積的確定
中壓系統(tǒng)的油箱容積一般取液壓泵額定流量的5~7倍，本設(shè)計(jì)取7倍，故油箱容積為:
第7章 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能
7.1 壓力損失的驗(yàn)算及泵壓力的調(diào)整
1.工進(jìn)時(shí)的壓力損失的驗(yàn)算及泵壓力的調(diào)整
工進(jìn)時(shí)管路中的流量僅為0.24L/min，因此流速很小，所以沿程壓力損失和局部損失都非常小，可以忽略不計(jì)[1]。這時(shí)進(jìn)油路上僅考慮調(diào)速閥的壓力損失，回油路上只有背壓閥的壓力損失，小流量泵的調(diào)整壓力應(yīng)等于工進(jìn)時(shí)液壓缸的工作壓力加上進(jìn)油路壓差，并考慮壓力繼電器動作需要，則：
即小流量泵的溢流閥12應(yīng)按此壓力調(diào)整。
2．快退時(shí)的壓力損失驗(yàn)算及大流量泵卸載壓力的調(diào)整
因快退時(shí)，液壓缸無桿腔的回游量是進(jìn)油量的兩倍，其壓力損失比快進(jìn)時(shí)要大，因此必須計(jì)算快退時(shí)的進(jìn)油路與回油路的壓力損失，以便于確定大流量泵的卸載壓力。
已知：快退時(shí)進(jìn)油管和回油管長度均為l=1.8m，油管直徑d=25m，通過的流量為進(jìn)油路=22.5L/min=，
回油路=45L/min=。液壓系統(tǒng)選用N32號液壓油，考慮最低工作溫度為15攝氏度，由手冊查出此時(shí)油的運(yùn)動粘度v=1.5st=1.5，油的密度，液壓系統(tǒng)元件采用集成塊式的配置形式。
（1）確定油流的流動狀態(tài) 按式經(jīng)單位換算為：
（6-1）
式中 v————平均流速（m/s）
d————油管內(nèi)徑（m）
————油的運(yùn)動粘度（）
q————通過的流量（）
則進(jìn)油路中液流的雷諾數(shù)為：
回油路中液流的雷諾數(shù)為：
由上可知，進(jìn)回油路中的流動都是層流。
（2）沿程壓力損失的計(jì)算： （6-2）
在進(jìn)油路上，流速則壓力損失為：
在回油路上，流速為進(jìn)油路流速的兩倍即v=4.24m/s，則壓力損失為：
（3）局部壓力損失 由于采用了集成塊式的液壓裝置，所以只考慮閥類元件和集成塊內(nèi)油路的壓力損失。通過各閥的局部損失按式計(jì)算，結(jié)果列于下表：
部分閥類元件局部壓力損失
元件名稱
額定流量
實(shí)際通過流量
額定壓力損失
實(shí)際壓力損失
單向閥2
25
16
2
0.82
三位五通電磁閥
63
16/32
4
0.26/1.03
二位二通電磁閥
63
32
4
1.03
單向閥
25
12
2
0.46
若取集成塊進(jìn)油路的壓力損失，回油路壓力損失為，則進(jìn)油路和回油路總的壓力損失為：
查表一得快退時(shí)液壓缸負(fù)載F=521N；則快退時(shí)液壓缸的工作壓力為：
計(jì)算快退時(shí)泵的工作壓力： （6-3）
而
因此，大流量泵卸載閥10的調(diào)整壓力應(yīng)大于。
從以上驗(yàn)算可以看出，各種工況下的實(shí)際壓力損失都小于初選的壓力損失值，而且比較接近，說明液壓系統(tǒng)的油路結(jié)構(gòu)、元件的參數(shù)是合理的，滿足要求。
7.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗(yàn)算
在整個(gè)工作循環(huán)中，工進(jìn)階段所占用的時(shí)間最長，所以系統(tǒng)的發(fā)熱主要是工進(jìn)階段造成的，故按工進(jìn)工況驗(yàn)算系統(tǒng)溫升。
工進(jìn)時(shí)液壓泵的輸入功率如前面計(jì)算：
工進(jìn)時(shí)液壓缸的輸出功率：
系統(tǒng)總的發(fā)熱功率為：
已知油箱容積為V=315L=,則油箱近似散熱面積A為：
（6-4）
假定通風(fēng)良好，取油箱散熱系數(shù)，則油液溫升為：
℃≈17.4℃ （6-5）
設(shè)環(huán)境溫度，則熱平衡溫度為：
=25℃+17.4℃=42.4℃[T]=55℃
所以油箱散熱基本可達(dá)要求。
第5章 傳動部分設(shè)計(jì)
5.1主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電動機(jī)的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動機(jī)功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式
（3-5）
選擇直流電動機(jī)
表3-1 50 FRAME直流電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 功率：3kw
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵(lì)
B
60
5.2 減速系統(tǒng)（確定齒輪的參數(shù)）
采用齒輪減速裝置，使頂端嚙合齒輪轉(zhuǎn)速為4S每半周
5.2.1選擇材料
根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～286。
5.2.2 壓力角的選擇
由機(jī)械原理知識可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。
5.2.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇
對軟齒面的閉式齒輪傳動,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。
5.2.4齒寬系數(shù)
由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式 ,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。
所以
軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬
軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬
5.2.5 確定齒輪傳動的精度
根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級分為12級,1級最高,12級最低,常用6～9級。根據(jù)表7-8 選用7級精度的齒輪。
表5-2 第一級嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
第6章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。
6.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分
6.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手臂的伸縮是直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時(shí)，氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機(jī)械手中采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性[17]。
該機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下:
手臂主要由雙作用式氣缸1、導(dǎo)向桿2、定位拉桿3和兩個(gè)可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔c、e進(jìn)入雙作用式氣缸1的兩腔時(shí)，空心活塞套桿6帶動手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復(fù)移動。在空心活塞套桿6中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉(zhuǎn)氣缸5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導(dǎo)向桿2，用它防止活塞套桿6在做伸縮運(yùn)動時(shí)的轉(zhuǎn)動，以保證手部的手指按正確的方向運(yùn)動。為了保證手嘴伸縮的快速運(yùn)動。在雙作用式氣缸1的兩個(gè)接氣管口c、e出分別串聯(lián)了快速排氣閥.手臂伸縮運(yùn)動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達(dá)到。手臂伸縮運(yùn)動的緩沖采用液壓緩沖器實(shí)現(xiàn).手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)氣缸5實(shí)現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié)流緩沖，其結(jié)構(gòu)見剖面圖;在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手腕回轉(zhuǎn)氣缸的;d是接到手部夾緊氣缸的。直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是機(jī)械手外觀清晰整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。另外活塞套桿6做成筒狀零件可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運(yùn)動速度。
6.1.2 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。
目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機(jī)械手