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鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目：YB32-200型壓力機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師： 王菡 職稱： 講師
學(xué)生姓名： 張亮 學(xué)號(hào)：1102130432
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
院（系）： 機(jī)電工程學(xué)院
答辯日期： 2015年6月23日
摘要
液壓壓力機(jī)是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一，是集機(jī)﹑電﹑液為一體的現(xiàn)代化高技術(shù)設(shè)備。本文針對(duì)實(shí)現(xiàn)快速空程下行—慢速加壓—保壓—快速回程—停止的工作循環(huán)的需求，提出了設(shè)計(jì)題目。并對(duì)該機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)﹑液壓系統(tǒng)﹑和所需缸的尺寸進(jìn)行了全面設(shè)計(jì)。
在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先確定整機(jī)為二梁四柱結(jié)構(gòu)，依此為基礎(chǔ)，根據(jù)工況分析，確定了液壓的系統(tǒng)壓力和安裝方式，計(jì)算出主缸﹑頂出缸的內(nèi)徑尺寸﹑活塞桿的尺寸﹑缸蓋以及導(dǎo)向套的尺寸。接著完成了對(duì)主缸和頂出缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和各個(gè)零部件之間裝配方式的選擇。最后繪制了主缸和頂出缸的裝配圖和主要零件圖。
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先分析壓力機(jī)的壓制工藝，根據(jù)液壓壓力機(jī)的用途﹑特點(diǎn)和要求，利用液壓傳動(dòng)的基本原理，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)，確定了液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。計(jì)算了整個(gè)液壓系統(tǒng)的流量，并根據(jù)流量和壓力進(jìn)行了液壓閥的選擇﹑液壓站的設(shè)計(jì)和各個(gè)輔助元件的選擇。計(jì)算了整個(gè)系統(tǒng)的功率，據(jù)此選擇了電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，最后完成了整個(gè)液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算。
關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng) ；壓力機(jī)；液壓控制系統(tǒng)；液壓機(jī)
Abstract
Hydraulic press is one of the products most widely used in molding production equipment, is a machine, electricity and liquid as one of modern high-tech equipment. Aiming to achieve rapid backlash downside - Slow pressure - packing - fast return - needs to stop duty cycle, we proposed a design. And the aircraft's hydraulic system mechanical systems and cylinder size required for a comprehensive design.
In the mechanical system design, first determine the whole structure is two-beam four, followed by the foundation, according to the working conditions analyzed to determine the hydraulic system pressure and installation, calculate the top of the master cylinder inner diameter of the cylinder rod as to size, the size of the cylinder head and the guide sleeve. Then complete the assembly between the way the master cylinder and the top of the cylinder structure optimization design and the choice of the individual components. Finally draw the master cylinder and the top of the cylinder assembly drawing and major parts drawing.
Hydraulic system design, the first press of the pressing process analysis, based on the use of hydraulic presses characteristics and requirements, using the basic principle of hydraulic transmission, and on this basis, the design of the hydraulic system schematics to determine the hydraulic system The actuator. Calculate the flow rate of the hydraulic system, and based on the flow and pressure of the design and selection of each auxiliary hydraulic valve element selection ﹑ hydraulic station. Calculate the power of the entire system, whereby selected motor model, and finally completed the checking of the hydraulic system.
Keyword：Hydraulic system, Presses , Hydraulic Control System, Hydraulic Press 目錄
1 緒論 1
1.1液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況 1
1.2壓力機(jī)的發(fā)展 1
2 液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì) 4
2.1液壓壓力機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 4
2.2工況分析 4
2.2.1液壓壓力機(jī)工況分析 4
2.2.2主缸負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖的繪制 5
2.2.3頂出缸缸負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖的繪制 6
2.3擬定液壓系統(tǒng)原理圖 7
2.3.1確定供油方式 7
2.3.2調(diào)速方式的選擇 7
2.3.3液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì) 7
2.3.4主液壓缸的運(yùn)動(dòng) 9
2.3.5頂出缸的運(yùn)動(dòng) 10
3 液壓系統(tǒng)的計(jì)算和元件選型 11
3.1液壓缸的計(jì)算與選型 11
3.1.1確定液壓缸的主要參數(shù) 11
3.1.2缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1.3缸蓋厚度的確定 15
3.1.4最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 15
3.1.5液壓缸工作行程的確定 17
3.1.6缸體長(zhǎng)度的確定 17
3.1.7液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.1.8液壓機(jī)頂出缸設(shè)計(jì) 21
3.2確定液壓泵和電動(dòng)機(jī) 23
3.3液壓閥的選擇 26
3.4液壓站的設(shè)計(jì) 27
3.4.1液壓油箱的設(shè)計(jì) 27
3.4.2確定管道尺寸 30
4 輔助元件的選擇 31
4.1管道 31
4.2管接頭 31
4.3密封件 31
4.4濾油器 31
4.5空氣濾清器 31
4.6液位計(jì) 31
5 液壓系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 33
5.1液壓系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 33
結(jié)論 35
致謝 36
參考文獻(xiàn) 38
V
1 緒論
1.1液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況
液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)總稱為流體傳動(dòng)，是根據(jù)17世紀(jì)帕斯卡提出的液體靜壓力傳動(dòng)原理而發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，在工農(nóng)業(yè)及其各個(gè)領(lǐng)域光偉應(yīng)用。如今，流體傳動(dòng)技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。[1]
我國(guó)的液壓工業(yè)開始于20世紀(jì)50年代，液壓元件最初應(yīng)用于機(jī)床和鍛壓設(shè)備。60年代獲得較大發(fā)展，已滲透到各個(gè)工業(yè)部門，在機(jī)床、工程機(jī)械、冶金、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車、船舶、航空、石油以及軍工等工業(yè)中都得到了普遍的應(yīng)用。當(dāng)前液壓技術(shù)正向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、長(zhǎng)壽命、高度集成化等方向發(fā)展。同時(shí)，新元件的應(yīng)用、系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化、微機(jī)控制等工作，也取得了顯著成果。
目前，我國(guó)的液壓件已從低壓到高壓形成系列，并生產(chǎn)出許多新型元件，如插裝式錐閥、電液比例閥、電液伺服閥、電業(yè)數(shù)字控制閥等。[2]我國(guó)機(jī)械工業(yè)在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的液壓技術(shù)的同時(shí)認(rèn)真消化，努力研制、開發(fā)屬于我國(guó)自主的液壓件新產(chǎn)品。同時(shí)為了保證新產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性積極采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)一些性能差不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的液壓件產(chǎn)品，采取措施，逐步淘汰。由此可見，伴隨著科學(xué)新技術(shù)的迅猛發(fā)展，液壓技術(shù)將會(huì)被賦予一種新的力量，機(jī)械工業(yè)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。[3]
液壓機(jī)作為制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一，自19世紀(jì)問世以來發(fā)展很快，液壓機(jī)在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。由于液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)和整機(jī)結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)比較成熟，目前國(guó)內(nèi)外液壓機(jī)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面，還主要是在高速，高效率，低能耗；提高整個(gè)液壓系統(tǒng)充分合理的利用先進(jìn)的機(jī)械和電子技術(shù)的液壓集成；[4]自動(dòng)化、智能化，液壓元件集成化、標(biāo)準(zhǔn)化四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)診斷和調(diào)整，以有效防止泄露和污染。[5]
1.2壓力機(jī)的發(fā)展
壓力機(jī)的發(fā)展歷史只有100年。壓力機(jī)是伴隨著工業(yè)革命的的進(jìn)行而開始發(fā)展的，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)開創(chuàng)了工業(yè)革命的時(shí)代，傳統(tǒng)的鍛造工藝和設(shè)備逐漸不能滿足當(dāng)時(shí)的要求。因此在1839年，第一臺(tái)蒸汽錘出現(xiàn)了。此后伴隨著機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展，鍛件的尺寸也越來越越大，鍛錘做到百噸以上，即笨重又不方便。在1859-1861年維也納鐵路工廠就有了第一批用于金屬加工的7000KN、10000KN和12000KN的液壓機(jī)，1884年英國(guó)羅切斯特首先使用了鍛造鋼錘用的鍛造液壓機(jī)，它與鍛錘相比具有很好的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，在1887-1888年制造了一系列鍛造液壓機(jī)，其中包括一臺(tái)40000KN的大型水壓機(jī)，1893年建造了當(dāng)時(shí)最大的12000KN的鍛造水壓機(jī)。
在第二次世界大戰(zhàn)后，為了迅速發(fā)展航空業(yè)。美國(guó)在1955年左右先后制造了兩臺(tái)31500KN和45000KN大型模鍛水壓機(jī)。
近二十年來，世界各國(guó)在鍛造操作機(jī)與鍛造液壓機(jī)聯(lián)動(dòng)機(jī)組，大型模鍛液壓機(jī)，擠壓機(jī)等各種液壓機(jī)方面又有了許多新的發(fā)展，自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制的新技術(shù)在液壓機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，機(jī)械化和自動(dòng)化程度有了很大的提高。國(guó)外的鍛造自動(dòng)化也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。現(xiàn)代化的大型自由鍛造車間的鍛造液壓機(jī)、操作機(jī)、鍛造吊車實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)控制，全部機(jī)械化，并配有鍛件尺寸自動(dòng)測(cè)量裝置，鍛造壓機(jī)與操作機(jī)數(shù)控聯(lián)動(dòng)，鍛造加熱爐自動(dòng)控制。[6]中小型自由鍛實(shí)現(xiàn)了壓機(jī)與操作聯(lián)動(dòng)微要控制、計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的自動(dòng)程序鍛造。熱模鍛方面，大型汽車零件模鍛件大部分采用以多工位熱模鍛壓機(jī)為主休的綜合自動(dòng)線，美國(guó)、德國(guó)、日本基本采用熱模鍛壓力機(jī)取代原有的模鍛錘，中小型模鍛件采用多工位高速自動(dòng)熱鐓機(jī)，最高速度達(dá)到4000-12000件/小時(shí)。德國(guó)穆勒.萬加頓公司開發(fā)研制了直接驅(qū)動(dòng)的螺旋壓力機(jī)，并組成全自動(dòng)鍛造線，最大噸位達(dá)到25000噸，主要用于中、重零件的模鍛和精密鍛造。[7]提高生產(chǎn)率是永恒的追求目標(biāo)，各鍛壓廠家均致力于鍛壓機(jī)械的高速化研究，各鍛壓廠家均致力于鍛壓機(jī)械的高速化研究，在數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)上，主要采用伺服控制的液壓主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來提高壓機(jī)的行程次數(shù)。
在追求高速化加工的同時(shí)，還必須盡可能縮短生產(chǎn)輔助時(shí)間，以取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在數(shù)控壓機(jī)上配備伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三坐標(biāo)上下料裝置，可使沖壓中心實(shí)現(xiàn)高效板材加工。將幾種工藝或幾個(gè)工序復(fù)合在一臺(tái)機(jī)床上完成，是當(dāng)前各類機(jī)床大幅壓縮生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率的重要技術(shù)途徑，在鍛壓機(jī)械上也得到了成功應(yīng)用，效果十分顯著。[8]如：德國(guó)、美國(guó)、日本已相繼開發(fā)出激光一步?jīng)_復(fù)合機(jī)，將模具沖切與激光切割有機(jī)地結(jié)合起來，工件一次上料即可完成沖孔、沖切、翻邊、淺拉伸、切割等多道工序，最大限度地節(jié)省了輔助時(shí)間，特別適合孔型多而復(fù)雜的面板類工件的加工及多品種小批量板料加工。
再來看一下我國(guó)的情況，冷沖壓方面，目前我國(guó)主要汽車生產(chǎn)廠，約有90%的沖壓線采用一臺(tái)雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)（或多桿單動(dòng)拉伸壓力機(jī)）和4-6臺(tái)單動(dòng)壓力機(jī)組成沖壓流水線，手工上下料完成大型覆蓋件的沖壓生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)節(jié)拍最高只有3-5次/分；[9]人身安全和工件環(huán)境差；在手工上下料和傳送工件過程中，易造成工件劃傷等缺陷，沖壓制件質(zhì)量差；整條沖壓線長(zhǎng)60米左右，約需20-24名操作工人，占地面積大，人工成本高，沖壓件制造成本比國(guó)外高2-3倍，是我國(guó)汽車工業(yè)嚴(yán)重缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一。[10]我國(guó)有90%的沖壓線采用人工上下料，另有10%的沖壓線實(shí)現(xiàn)了單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化，生產(chǎn)節(jié)拍最高為6-8次/分，而代表當(dāng)今沖壓技術(shù)國(guó)際水平的大型多工位壓力機(jī)，在我國(guó)汽車工業(yè)中的應(yīng)用仍是空白。這也是我國(guó)沖壓行業(yè)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的主要差距所在，在很大程度上制約了我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展。熱鍛方面，大型自由鍛造的設(shè)備能力過剩，設(shè)備布局分散，利用率極低，機(jī)械化、自動(dòng)化程度低，鍛件加工余量大，工人勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大。[11]國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)制造了三條800T雙機(jī)聯(lián)動(dòng)快鍛機(jī)組，但自動(dòng)化程度不高；國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)引進(jìn)少量的快鍛機(jī)組和精鍛生產(chǎn)線；汽車大型模鍛件的自動(dòng)化方面，只有一汽、二汽等少數(shù)大公司從國(guó)外引進(jìn)熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)線，絕大部分仍采用蒸空模鍛錘和壓力機(jī)模鍛相結(jié)合的格局，自動(dòng)化程度低；中小件的模鍛，仍然是模鍛錘占多數(shù)，基本上是手工操作，錘上模鍛機(jī)械手實(shí)際應(yīng)用很少，高速自動(dòng)熱鍛機(jī)主要依賴進(jìn)口。[13]
隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，特別是以轎車為代表的汽車工業(yè)快速發(fā)展，帶動(dòng)汽車零件的產(chǎn)量和質(zhì)量不斷提高。但必須清醒地認(rèn)識(shí)到，中國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平仍有很大差距，國(guó)際大汽車公司必然嚴(yán)重沖擊中國(guó)汽車工業(yè)，國(guó)內(nèi)同行之間的競(jìng)爭(zhēng)也將日趨激烈。中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，離不開裝備工業(yè)的大力支撐，鍛壓設(shè)備制造業(yè)必須滿足汽車工業(yè)大批量生產(chǎn)的要求，向自動(dòng)化、高效率方向發(fā)展。解放后我國(guó)迅速建立獨(dú)立自主的完整的工業(yè)體系，同時(shí)仿造并自行設(shè)計(jì)各種液壓機(jī)，同時(shí)也建立了一批這方面的科研隊(duì)伍。[15]到了六十年代，我國(guó)先后成套設(shè)計(jì)并制造了一些重型液壓機(jī)，其中有300000KN的有色金屬模鍛水壓機(jī)，120000KN有色金屬擠壓水壓機(jī)等。特別是近十年來，又有了一些新的發(fā)展。比如，設(shè)計(jì)并制造了一批較先進(jìn)的鍛造水壓機(jī)，并已向國(guó)外出口，與此相應(yīng)的，我國(guó)也陸續(xù)制造了各種液壓機(jī)的系列及零部件標(biāo)準(zhǔn)。[16]
但是，我們也應(yīng)清楚地意識(shí)到我們與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，還不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要。許多先進(jìn)的設(shè)備和大型機(jī)仍需進(jìn)口，目前應(yīng)充分發(fā)揮我們的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)我國(guó)在這方面的競(jìng)爭(zhēng)力，這不僅是有助于我們從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變也是國(guó)家安全的需要。 2 液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)
2.1液壓壓力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
小型壓力機(jī)機(jī)身屬于四立柱機(jī)身。機(jī)身由上橫梁、下橫梁和四根立柱組成。液壓機(jī)的各個(gè)部件都安裝在機(jī)身上，其中上橫梁的中間孔安裝工作缸，下橫梁的中間孔安裝頂出缸，工作臺(tái)面上開有開有T型槽，用來安裝模具?；顒?dòng)橫梁的四個(gè)角上的孔套裝在四立柱上，上方和工作缸活塞相連接，由其帶動(dòng)橫梁上下運(yùn)動(dòng)。機(jī)身在液壓機(jī)工作中承受全部的工作載荷。
工作缸采用單桿活塞缸，當(dāng)壓力油進(jìn)入工作缸上腔，活塞帶動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，其速度慢，壓力大，當(dāng)壓力油進(jìn)入工作缸下腔，活塞向上運(yùn)動(dòng)，其速度較快，壓力較小，符合一般的慢速壓制、快速回程的工藝要求。
活動(dòng)橫梁是立柱式液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件，位于液壓機(jī)機(jī)身的中間，中間圓孔和上橫梁的工作活塞桿連接，四角孔在工作活塞的帶動(dòng)下，靠立柱導(dǎo)向作上下運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)橫梁的底面也開有T型槽，用來安裝模具。
液壓機(jī)的動(dòng)力部分是液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽蛞簤簷C(jī)的工作缸提供高壓液體。如下圖2.1為液壓機(jī)的實(shí)體圖形，供油裝置和控制裝置。
圖2.1 液壓機(jī)
2.2工況分析
2.2.1液壓壓力機(jī)工況分析
設(shè)計(jì)一臺(tái)小型液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)快速空程下行—慢速加壓—保壓—快速回程—停止的工作循環(huán)，主缸快速進(jìn)給速度為0.08m/s，快退速度為0.03m/s，加壓速度0.006m/s,壓制深度200mm，保壓時(shí)間：40s，移動(dòng)部件自重：G=30KN，工作行程700mm,取靜摩擦因數(shù)fs=0.2，動(dòng)摩擦因數(shù)fd=0.1；加速、減速時(shí)間為0.05s, 頂出缸頂出速度0.02m/s，頂出缸回程速度0.05m/s，工作行程250mm, 頂出缸頂出力350KN油缸垂直安裝，設(shè)計(jì)該壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)。
工作負(fù)載 工件的壓制抗力即為工作負(fù)載：Ft=200KN
摩擦負(fù)載 靜摩擦阻力：Ffs=0.2×30000=6000N
動(dòng)摩擦阻力：Ffd=0.1×30000=3000N
慣性負(fù)載
最大慣性負(fù)載取決于移動(dòng)部件的質(zhì)量和最大加速度，其中最大加速度可通過工作臺(tái)最大移動(dòng)速度和加速度時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。[10]已知加速 減速時(shí)間為0.05s,快速進(jìn)給速度為0.08m/s，因此慣性負(fù)載可以表示為：
Fm= == 4898N
具體參數(shù)及各工作階段主缸負(fù)載和頂出缸負(fù)載如表2.2.1-1和表2.2.1-2所示：
表2.2.1-1 液壓缸主缸在各工作階段的負(fù)載
工況
負(fù)載組成
負(fù)載值F/N
液壓缸推力/N F1=F/m
啟動(dòng)
F=Ffs
6000
6315.79
加速
F=Ffd+Fm
7898
8313.68
快進(jìn)
F=Ffd
3000
3157.89
工進(jìn)
F=Ffd+Ft
203000
213684.21
快退
F=Ffd
3000
3157.89
表2.2.1-2 液壓缸頂出缸在各工作階段的負(fù)載
工況
負(fù)載組成
負(fù)載值F/N
液壓缸推力/N F1=F/m
啟動(dòng)
F=Ffs
6000
6315.79
工進(jìn)
F=Ffd+Ft
39000
41052.63
快退
F=Ffd
3000
3157.89
注：1.液壓缸的機(jī)械效率m通常在0.9～0.95之間，此處取0.95.
2.2.2主缸負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖的繪制
根據(jù)工況負(fù)載和已知速度條件，可繪制負(fù)載圖和速度圖，如圖2.2.2-1和圖2.2.2-2所示：
圖2.2.2-1 速度圖
圖2.2.2-2負(fù)載圖
2.2.3頂出缸缸負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖的繪制
根據(jù)工況負(fù)載和已知速度條件，可繪制負(fù)載圖和速度圖，如圖2.2.3-1和2.2.3-2所示：
圖2.2.3-1 頂出缸速度循環(huán)圖
圖2.2.3-2 頂出缸負(fù)載循環(huán)圖
2.3擬定液壓系統(tǒng)原理圖
2.3.1確定供油方式
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)小型液壓壓力機(jī)，考慮到該液壓機(jī)壓力要經(jīng)常變換和調(diào)節(jié)，壓制時(shí)的負(fù)載比較小，流量大，空行程和壓制行程的速度差異大，因此采用一臺(tái)低壓變量泵供油即可。
2.3.2調(diào)速方式的選擇
工作缸采用單桿活塞缸，當(dāng)壓力油進(jìn)入工作缸上腔，活塞帶動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，其速度慢，壓力大，當(dāng)壓力油進(jìn)入工作缸下腔，活塞向上運(yùn)動(dòng)，其速度較快，壓力較小，符合一般的慢速壓制、快速回程的工藝要求。
液壓壓力機(jī)動(dòng)作循環(huán)圖如下圖2.3.2-1所示：
圖2.3.2-1 壓力機(jī)動(dòng)作循環(huán)圖
2.3.3液壓系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一臺(tái)小型液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)快速空程下行——慢速加壓——保壓——快速回程——停止的工作循環(huán)，油缸垂直安裝。
根據(jù)要求可以分析設(shè)計(jì)：
液壓系統(tǒng)中變量柱塞泵在得到由高壓軸供油時(shí), 上下兩個(gè)滑塊分別操控主液壓缸和頂出缸動(dòng)作，依次實(shí)現(xiàn)下面動(dòng)過要求。
液壓系統(tǒng)主缸動(dòng)作:快速下降、緩慢加壓、保壓延時(shí)、卸壓后換向、快速返回并原位停止; 頂出缸向上頂出、停留、退回、原位停止。與此同時(shí)把主液壓缸和頂出缸設(shè)計(jì)成互鎖裝置, 只有當(dāng)主缸換向閥位于中位時(shí), 頂出缸換向閥才能接通壓力油, 這樣能確保動(dòng)作的協(xié)調(diào)可靠。
下圖（圖2.3.3-1）所示為該液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖：
圖2.3.3-1 液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖
1-頂出缸 2-頂出缸換向閥 3-先導(dǎo)換向閥 4-主缸安全閥 5-主液壓缸 6-充液筒 7-主缸換向閥 8-壓力繼電器 9-預(yù)泄壓換向閥 10-順序閥 11-泵站溢流閥 12-減壓閥 13-頂出缸溢流閥 14-頂出缸安全閥 15-變量泵 16-濾油器 17-遠(yuǎn)程調(diào)壓閥 18-單向閥 19、20-液控單向閥.
下表2.3.3-2所示為電磁鐵、行程閥和壓力繼電器的動(dòng)作順序表：
表2.3.3-2 動(dòng)作順序表
液壓缸
動(dòng)作名稱
電磁鐵
1DT
2DT
3DT
4DT
主液壓缸
快速下行
＋
－
－
－
慢速加壓
＋
－
－
－
保壓延時(shí)
－
－
－
－
泄壓換向
－
＋
－
－
快速返回
－
＋
－
－
原位停止
－
－
－
－
頂出缸
向上頂出
－
－
－
＋
停留
－
－
－
－
向下退回
－
－
＋
－
原位停止
－
－
－
－
注：電磁鐵：＋表示通電，－表示斷電；行程閥：＋表示通，－表示斷；壓力繼電器：＋表示動(dòng)作，－表示原態(tài)。
2.2.4 主液壓缸的運(yùn)動(dòng)
(1) 主缸活塞快速下行
打開啟動(dòng)按鈕，電磁鐵1DT通電，先導(dǎo)閥3和主缸換向閥7的左位接通系統(tǒng)。主油路為：
進(jìn)油路：液壓泵→順序閥10→主缸換向閥7→單向閥18→主缸上腔；
回油路：主缸下腔→液控單向閥19→主缸換向閥7→下缸換向閥2→油箱。
這時(shí)，主缸活塞連同上滑塊在自重作用下快速下行，盡管泵已經(jīng)輸出最大流量，但主缸上腔仍因油液不足而形成負(fù)壓，吸開充液閥20，充液筒內(nèi)的油便補(bǔ)入主缸上腔。
(2) 主缸活塞慢速加壓
上滑塊快速下行接觸工件后，主缸上腔壓力升高，充液閥20關(guān)閉，變量泵通過壓力反饋輸出流量自動(dòng)減小，此時(shí)上滑塊轉(zhuǎn)入慢速加壓。
(3) 主缸保壓延時(shí)
當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到壓力繼電器8的調(diào)定值時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)使1DT斷電，先導(dǎo)閥3和主缸換向閥2恢復(fù)到中位。此時(shí)，液壓泵通過換向閥中位卸荷，主缸上腔的高壓油被活塞密封環(huán)和單向閥所封閉，處于保壓狀態(tài)。接受電信號(hào)后的時(shí)間繼電器開始延時(shí)。
(4) 主缸泄壓后快速返回
由于主缸上腔油壓高、直徑大、行程長(zhǎng)，缸內(nèi)油液在加壓過程中儲(chǔ)存了很多能量，為此，主缸必須先泄壓后再回程。
保壓結(jié)束后，時(shí)間繼電器使電磁鐵2DT通電，先導(dǎo)閥右位接入系統(tǒng)，控制油路中的壓力油打開液控單向閥9內(nèi)的卸荷小閥芯，使主缸上腔的油液開始泄壓。壓力降低后欲泄換向閥閥芯向上移動(dòng)，以其下位接入系統(tǒng)，控制油路即可使主缸換向閥處于右位工作，從而實(shí)現(xiàn)上滑塊的迅速返回。主油路順序?yàn)椋?
進(jìn)油路：液壓泵→順序閥10→主缸換向閥7→液控單向閥19→主缸下腔；
回油路：主缸上腔→充液閥20→充液筒。
充液筒內(nèi)液面超過預(yù)定位置時(shí)，多余油液由溢流管流回油箱。單向閥C用于主缸換向閥由左位回到中位時(shí)補(bǔ)油，單向閥B用于主缸換向閥由右位回到排油至油箱。
(5) 主缸活塞原位停止
上滑塊回程至擋塊壓下行程開關(guān)電磁鐵2DT斷電，先導(dǎo)閥和主缸換向閥都處于中位，這時(shí)上滑塊停止不動(dòng)，液壓泵在較低壓力下卸荷。
2.2.5頂出缸的運(yùn)動(dòng)
(1) 頂出缸活塞向上頂出
電磁鐵4DT通電時(shí)，頂出缸換向閥右位接入系統(tǒng)。其油路為：
進(jìn)油路：液壓泵→順序閥10→主缸換向閥7→頂出缸換向閥2→頂出缸；
回油路：頂出缸上腔→頂出缸換向閥2→油箱。
(2) 頂出缸活塞向下退回和原位停止
4DT斷電、3DT通電時(shí)油路換向，頂出缸活塞向下退回。當(dāng)擋塊壓在原位開關(guān)時(shí)，電磁鐵3DT斷電，頂出缸換向閥處于中位，頂出缸活塞原位停止。 3 液壓系統(tǒng)的計(jì)算和元件選型
3.1液壓缸主缸的計(jì)算與選型
3.1.1確定液壓缸主缸的主要參數(shù)
由前面的分析已確定選用單桿活塞式雙作用缸，根據(jù)各公司小型液壓機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和液壓缸的公稱壓力系列初選液壓缸的工作壓力為25MPa，液壓缸的公稱壓力見下表3.1.1-1所示。
表3.1.1-1 液壓缸的工程壓力系列
液壓缸的工程壓力系列
0.6
1.0
1.6
2.5
4
6.3
10
16
25
31.5
40.0
根據(jù)選擇的液壓缸形式和初選的液壓缸的工作壓力，可以計(jì)算出液壓缸的缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑及有效面積等參數(shù)。
圖3.1.1-1所示為液壓缸簡(jiǎn)圖：
圖3.1.1-1 液壓缸簡(jiǎn)圖
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)，按液壓缸工作壓力選取d/D可知：當(dāng)工作壓力p=25MPa時(shí)，d/D=0.7，在此處取d/D=0.7。[13]表3.1.1-2所示為液壓缸內(nèi)徑D與活塞桿直徑d的關(guān)系：
表3.1.1-2 液壓缸內(nèi)徑D與活塞直徑d的關(guān)系
按液壓缸工作壓力選取d/D
工作壓力P/(MPa)
d/D
2
0.2～0.0.3
>2～5
0.5～0.58
>6～7
0.62～0.70
>7
0.7
由表2.2.1-1中工作循環(huán)各階段的外負(fù)載值分析知：液壓缸最大外負(fù)載F=200000N，根據(jù)液壓設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)，[25]在中、低壓系統(tǒng)中，回油路中設(shè)置背壓閥，取背壓p 2 =1MPa。
表3.1.1-3所示為執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值：
表3.1.1-3 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值
系統(tǒng)類型
背壓P2（MPa）
中、低壓系統(tǒng)
簡(jiǎn)單系統(tǒng)和輕載節(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)
同上
比中低壓系統(tǒng)高50%～100%
高壓系統(tǒng)
如鍛壓機(jī)械等
初算時(shí)背壓可忽略不計(jì)
根據(jù)前面所確定的液壓缸工作壓力，液壓缸內(nèi)徑與活塞桿直徑的關(guān)系和液壓缸的背壓，可以得到：當(dāng)無桿腔為工作腔時(shí)：
（3.1）
式中
—液壓缸的工作腔壓力；
—液壓缸的回油腔壓力；
—液壓缸無桿腔的有效面積，
—液壓缸有桿腔的有效面積，
—液壓缸內(nèi)徑或活塞直徑；
—活塞桿直徑；
—液壓缸的最大外負(fù)載；
m—液壓缸的機(jī)械效率，由前面選定 m=0.95;
由以上分析取得的條件和公式（3.1）可計(jì)算得：D=327mm，d=0.7D=229mm；
計(jì)算所得的D與d值按照GB/T2348-1993進(jìn)行圓整，[4]由于括號(hào)內(nèi)尺寸為非優(yōu)先選用的尺寸，所以圓整為D=320mm，d=220mm。液壓缸內(nèi)徑系列和活塞桿直徑系列見下面表3.1.1-4和表3.1.1-5所示。
表 3.1.1-4 液壓缸內(nèi)徑系列
液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80）/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
表3.1.1-5 活塞缸直徑系列
活塞缸直徑系列（GB2348-80）/mm
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
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
液壓系統(tǒng)流量計(jì)算
(1) 主缸所需流量計(jì)算
由設(shè)計(jì)參數(shù)及主缸的尺寸，對(duì)主缸各個(gè)工況所需流量進(jìn)行計(jì)算。已知主缸的快進(jìn)速度為0.08m/s，工進(jìn)速度為0.006m/s，快速回程速度為0.03m/s，主缸內(nèi)徑為320mm，活塞桿直徑為220mm。
由流量計(jì)算公式：
（3.2）
快進(jìn)時(shí)：
=≈385.8L/min
工進(jìn)時(shí)：
=≈28.8L/min
快退時(shí)：
=≈76.2L/min
(2) 頂出缸所需流量計(jì)算
由設(shè)計(jì)參數(shù)及頂出缸的尺寸，對(duì)頂出缸各工況所需流量進(jìn)行計(jì)算。已知頂出缸的頂出速度為0.02m/s，快退速度為0.05m/s，頂出缸內(nèi)徑為200mm，活塞桿直徑為140mm，代入公式（3.2），即：
頂出時(shí)：
37.8L/min
快退時(shí)：
=48L/min
3.1.2缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計(jì)算。
液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。
液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚δ的比值D/δ≥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，一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算：
圓筒公式計(jì)算：
（3.3）
式中
—液壓缸壁厚（m）；
D —液壓缸內(nèi)徑（m）;
—實(shí)驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍；
[σ]—缸筒材料的許用應(yīng)力。鍛鋼：[σ]=110～120MPa ；鑄鋼：[σ]=100～110MPa ；高強(qiáng)度鑄鐵：[σ]=60MPa ；灰鑄鐵：[σ]=25MPa ；無縫鋼管：[σ]=100～110MPa 。
由前面的分析可知，試驗(yàn)壓力=1.4×25.5MPa=35.7MPa，缸筒材料的許用應(yīng)力[σ]=100MPa。
按第四強(qiáng)度理論計(jì)算公式3.2可計(jì)算得：
缸體外徑的計(jì)算：
D1≥D＋2δ
式中
D1—缸體外徑（m）
已知試驗(yàn)壓力=25MPa，缸筒材料的許用應(yīng)力[σ]=100MPa，由缸體外徑計(jì)算公式可得。
D1 ≥0.32m＋0.104m＝0.426m
在此按已取的壁厚計(jì)算得缸筒外徑為426mm。外徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑系列后，取主缸缸體外徑D1＝430mm
3.1.3缸蓋厚度的確定
一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求可用下面兩式進(jìn)行近似計(jì)算。[21]
無孔時(shí)
（3.4）
有孔時(shí)
（3.5）
式中
—缸蓋有效厚度（m）;
—缸蓋止口內(nèi)徑（m）;
—缸蓋孔的直徑（m）。
下面以無孔時(shí)的情況進(jìn)行估算，并在最后增加適度的安全裕量即可滿足液壓缸的設(shè)計(jì)需要。由缸蓋厚度估算公式（3.4）估算得，有效厚度t≥157mm。綜合前面缸筒的安全壁厚，這里取缸蓋厚度為t=160mm。
3.1.4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)支撐面中點(diǎn)的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。[16]如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如下圖3.1.4所示標(biāo)示：
圖3.1.4 主缸導(dǎo)向長(zhǎng)度簡(jiǎn)圖
對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)符合下列公式所附在的范圍之內(nèi)：
（3.6）
式中
L—指液壓缸的最大行程；
D—指液壓缸的內(nèi)徑。
可知主缸的最大行程H=700mm，液壓缸內(nèi)徑D=320mm代入公式（3.6）中，求主缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。
即：
為了保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，不應(yīng)過分增大和B的大小，必要時(shí)可以在缸蓋和活塞之間增加一個(gè)隔套來增加最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。隔套的長(zhǎng)度C可有公式（3.7）求得，即：
（3.7）
式中：
B—活塞的寬度，一般取B=（0.6～1.0）D；
—缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑的不同有不同的算法，當(dāng)D＜80mm時(shí)，取=（0.6～1.0）D；當(dāng)D＞80mm時(shí)，取=（0.6～1.0）d。
活塞寬度系數(shù)取0.6，即活塞的寬度B=0.6D=0.6×320mm =192mm。圓整后取活塞寬度B=200mm。
3.1.5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)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來確定，并參照下表3.1.5中的系列尺寸來選取標(biāo)準(zhǔn)值。[22]
表3.1.5 液壓缸活塞行程參數(shù)系列
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
500
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
由已知條件知道最大工作行程為700mm，參考上表參數(shù)系列，取液壓缸工作行程為700mm。
3.1.6缸體長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度等于活塞的寬度加上活塞的行程。缸體外形長(zhǎng)度必須考慮到兩端端蓋的厚度。總之，一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不能大于內(nèi)徑的20～30倍。
由上面所述，液壓缸的缸體長(zhǎng)度應(yīng)滿足L(20～30 )D?=6400～9600mm；
由主缸行程為700mm，活塞寬度為200mm,缸蓋厚度為160mm，通過計(jì)算可知，主缸的長(zhǎng)度取L =1285mm。
在這里綜合液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度和端蓋厚度，取液壓缸缸體長(zhǎng)度L=1080mm。
活塞桿工作中主要受壓，當(dāng)液壓缸的支承長(zhǎng)度Lb≥(10～15)d時(shí)，必須對(duì)活塞桿的彎曲穩(wěn)定性進(jìn)行校核,d為活塞桿直徑。通過計(jì)算可知，Lb的最大值不可能大于L桿+L缸=2330mm，而(10～15)d=2500～3750mm。
將參數(shù)代入Lb≥(10～15)d中，比較后Lb＜(10～15)d，活塞桿滿足使用要求，工作時(shí)不會(huì)失穩(wěn)。
3.1.7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。
(1) 缸體與缸蓋的連接形式
缸體與缸蓋常見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。
各連接形式的特點(diǎn)及應(yīng)用如下：
法蘭式連接：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，常用于鑄鐵或鑄鋼制的缸筒上。
半環(huán)式連接：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)，常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
螺紋式連接：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，常常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
拉桿式連接：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。
焊接式連接：強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但是焊接時(shí)容易引起缸筒的變形。
綜合考慮本設(shè)計(jì)中缸筒材料為鑄鋼、系統(tǒng)壓力低等因素，在此，缸體與缸蓋的連接形式選用螺紋連接式；見下圖3.1.7-1所示。
圖3.1.7-1 螺紋式連接
(2) 活塞桿與活塞的連接形式
活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式有很多，常見的有一體式、卡環(huán)（鍵）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。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝卸不便，但是工作可靠?；钊突钊麠U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。綜合考慮，本設(shè)計(jì)中采用螺紋連接，如圖3.1.7-2所示。
圖3.1.7-2螺紋式連接
(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，以提高系統(tǒng)的密封性能。
(4) 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，緩沖柱塞接近缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端就會(huì)形成封閉空間，該閉合空間中受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。如圖3.1.7-3所示。
圖3.1.7-3 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置
(5) 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（讓它全行程往復(fù)移動(dòng)多次），排氣完畢后關(guān)閉。
(6) 液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)
液壓缸的后缸蓋通過后法蘭與外部其他結(jié)構(gòu)連接，液壓缸的活塞桿頭部通過半環(huán)連接形式與液壓機(jī)的壓制上模具相連接。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。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，見表3.1.7-1。
表3.1.7 單杠液壓桿油口安裝尺寸
缸體內(nèi)經(jīng)
進(jìn)、出油口
缸體內(nèi)經(jīng)
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
160
M33×1.5
50
M22×1.5
200
M42×1.5
63
M22×1.5
220
M60×1.5
綜上所計(jì)算得，繪制裝配圖如圖3.1.7-4所示:
圖3.1.7-4 主缸裝配圖
1-活塞桿 2-導(dǎo)向套 3-防塵塞 4-斯特封組件 5-導(dǎo)向套與缸筒之間的支承環(huán) 6-支承環(huán) 7-軸用Y圈 8-活塞 9-缸筒 10-缸蓋 11-放氣閥 12-螺栓 13-螺母 14-墊圈 15-螺栓 16-密封環(huán) 17-活塞與缸筒之間的密封圈 18-螺塞 19-連接螺栓
3.1.8 液壓機(jī)頂出缸設(shè)計(jì)
(1) 頂出缸缸體材料選擇及制造技術(shù)要求
頂出缸工作時(shí)的最大工作壓力為12.5MPa，比主缸的要小，為了保證頂出缸安全工作，缸體材料也選用無縫鋼管45。
缸體的制造要求應(yīng)該滿足液壓缸內(nèi)圓柱表面粗糙度為Ra0.4～0.8μm；內(nèi)徑配合采用H8～H9；內(nèi)徑圓度、圓柱度不大于直徑公差的一半；缸體內(nèi)表面母線的直線度500mm長(zhǎng)度之內(nèi)不大于0.03mm；缸體端面對(duì)軸線的垂直度在直徑每100mm上不大于0.04mm。
(2) 頂出缸壁厚的確定
將D=0.2m ；[σ]= 110MPa ；=1.3×12.5MPa=16.25MPa代入公式（3.3）中，即：
將D=0.2m ；取δ=0.02m代入公式（3.3），
即：
D外≥0.2m＋0.04m＝0.24m
外徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑系列后，取主缸缸體外徑D外＝240mm。
(3) 頂出缸缸蓋材料、厚度的確定
缸蓋常用制造材料有35鋼、45鋼、鑄鋼，做導(dǎo)向作用時(shí)常用鑄鐵、耐磨鑄鐵。頂出缸缸蓋材料選用35鋼，缸蓋厚度計(jì)算公式見（3.4）：
即：
取缸蓋厚度t=45mm。
(4) 頂出缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定
由表3.1.5-1可知頂出活塞行程L=250mm，頂出缸內(nèi)徑D=200mm，代入公式(3.6)中， 即：
(5) 頂出缸活塞材料、技術(shù)要求、外形尺寸及密封方案的確定
頂出缸活塞選用灰鑄鐵HT200。
頂出缸活塞外圓柱表面的粗糙度為Ra0.8～1.6μm；外徑圓度、圓柱度不大于外徑公差的一半；外徑對(duì)內(nèi)孔的徑向跳動(dòng)不大于外徑公差的一半；端面對(duì)軸線垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm；外徑用橡膠密封圈密封的公差配合取f7～f9，內(nèi)孔與活塞桿的配合取H8/f7。
計(jì)算活塞寬度時(shí)區(qū)寬度系數(shù)為0.8，即活塞的寬度B=0.8D=0.8×200mm =160mm。取活塞寬度B=160mm。
查表2.2.1-2，液壓機(jī)頂出缸工況時(shí)的工作壓力比主缸要小很多，密封圈選用O形密封圈。
(6) 頂出缸活塞桿材料、技術(shù)要求及長(zhǎng)度確定
活塞桿有空心和實(shí)心兩種結(jié)構(gòu)形式。空心時(shí)一般選用35鋼、45鋼的無縫鋼管；實(shí)心結(jié)構(gòu)選用35鋼、45鋼。頂出缸活塞桿選用35鋼。
活塞桿外圓柱面粗糙度為Ra0.4～0.8μm；熱處理要求調(diào)質(zhì)20～25HRC；外徑圓度、圓柱度不大于直徑公差的一半；外徑表面直線度在500mm上不大于0.03mm；活塞缸與活塞連接的配合公差采用H7/g6，與導(dǎo)向套之間的配合公差采用H8/f7。
由已經(jīng)得出的主缸活塞的行程，確定活塞桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)桿=705mm。
(7) 頂出缸長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度等于活塞的寬度加上活塞的行程。而缸體的外形尺寸必須要考慮兩端端蓋的厚度，總的來講，液壓缸缸體的長(zhǎng)度L不得大于缸體內(nèi)徑D的20～30倍，即：L≤（20～30）D 。
由以上計(jì)算得知主缸行程為250mm，活塞的寬度為160mm,缸蓋的厚度為25mm，通過計(jì)算可知，主缸的長(zhǎng)度取L缸=650mm。
(8) 校核活塞桿的穩(wěn)定性
當(dāng)液壓缸的支承長(zhǎng)度Lb≥(10～15)d時(shí)，應(yīng)該對(duì)活塞桿的彎曲穩(wěn)定性進(jìn)行校核,d為活塞桿直徑。通過計(jì)算可知，Lb的最大值不可能大于L桿+L缸=1355mm，而(10～15)d=2000～3000mm。
將參數(shù)代入Lb≥(10～15)d中，比較后Lb＜(10～15)d，活塞桿滿足使用要求，工作時(shí)不會(huì)失穩(wěn)。
綜上所計(jì)算得，繪制裝配圖如圖3.1.7-5所示:
圖3.1.7-5 頂出缸裝配圖
1-缸筒 2-活塞 3-活塞桿 4-導(dǎo)向套 5-缸蓋 6-斯特封組件 7-防塵圈 8-活塞與活塞桿之間的密封環(huán) 9-支承環(huán) 10-螺塞 11-卡環(huán) 12-彈簧卡套 13-緊定螺釘
3.2確定液壓泵和電動(dòng)機(jī)
3.2.1確定液壓泵的流量、壓力和選擇泵的規(guī)格
(1) 泵的工作壓力的確定
考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為
（3.8）
式中：
Pp—液壓泵最大工作壓力；
P1—執(zhí)行部件的最大工作壓力；
—進(jìn)油路中的壓力損失，對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，取0.2～0.5MPa，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，取0.5～1.5MPa。
代入公式（3.8）可求得泵的工作壓力。
上述計(jì)算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力，另外考慮到一定的壓力儲(chǔ)備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力Pn應(yīng)滿足。中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。所以，此處選取Pn = 1.25Pp=6.25MPa
(2) 液壓泵最大流量計(jì)算
通過對(duì)液壓缸所需流量的計(jì)算，以及各自的運(yùn)動(dòng)循環(huán)原理，泵的最大流量可由公式(3.8)計(jì)算得到。
（3.9）
式中：
—液壓泵的最大流量；
KL—液壓系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取KL=1.1～1.3，取KL=1.2；
—同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時(shí)溢流閥正處于溢流狀態(tài)，還應(yīng)加上溢流閥的最小溢流量。
將參數(shù)代入公式（3.9）中，即：
≈463L/min
(3) 選擇液壓泵的規(guī)格
液壓機(jī)的執(zhí)行件有兩個(gè)，即：主缸和頂出缸。主缸和頂出缸各自工況的快進(jìn)、工進(jìn)、回程速度又不盡相同，這樣對(duì)功率的消耗也不同。電動(dòng)機(jī)額定功率的確定必須根據(jù)消耗功率最大的工況來確定，因此要分別計(jì)算主缸、頂出缸各工況消耗的功率。功率計(jì)算公式如下：
（3.10）
式中：
P-電動(dòng)機(jī)額定功率；
Pp-液壓泵的工作壓力；
-液壓泵的流量；
η-液壓泵的總效率，取η=0.7。
(4) 主缸各工況功率計(jì)算
①.快進(jìn)功率
主缸滑塊快進(jìn)時(shí)，在自重作用下速度比較快，而液壓泵此時(shí)的輸出油量不能滿足滑塊的快速下行。快進(jìn)時(shí)的負(fù)載很小，只有活塞與缸筒、導(dǎo)柱與滑塊之間的摩擦負(fù)載，這樣泵的出口壓力也很小，消耗的功率不會(huì)很大。
②.工進(jìn)功率
由主缸負(fù)載循環(huán)圖2.2.2-2可知，工進(jìn)時(shí)主缸最大負(fù)載為2000KN，無桿腔面積A=≈0.08㎡，進(jìn)油回路壓力損失取P=0.5MPa，則液壓泵的壓力Pp由公式（3.11）計(jì)算。
（3.11）
即：
將、=28.8L/min、η=0.7代入公式（3.10）中，求得工進(jìn)功率為：
③.快退功率
由圖2.2.2-2可知，快退負(fù)載400KN,，取進(jìn)油回路壓力損失取P=0.5MPa，代入公式（3.11），求得泵的壓力。
即：
將、=76.2L/min、η=0.7代入公式（3.10）中，求得快退功率即為：
(5) 頂出缸各工況功率計(jì)算
①.頂出功率
由頂出缸負(fù)載循環(huán)圖2.2.3-2可及，頂出時(shí)主缸最大負(fù)載為350KN，無桿腔面積A=≈0.032㎡，進(jìn)油回路壓力損失取P=0.5MPa，那么液壓泵的壓力Pp可由公式（3.10）計(jì)算。
即：
將、=37.8L/min、η=0.7代入公式（3.10）中，求得工進(jìn)功率即為：
②.回程功率
頂出缸回程時(shí)，負(fù)載只有活塞與缸筒間的摩擦負(fù)載。負(fù)載大小應(yīng)該比頂出時(shí)的負(fù)載要小很多，這樣回程消耗的功率也比頂出時(shí)消耗的功率要小，因此，回程功率計(jì)算從略。
③.電動(dòng)機(jī)額定功率及型號(hào)的確定
電動(dòng)機(jī)額定功率的確定，應(yīng)依據(jù)消耗功率最大的工況。比較主缸、頂出缸各工