...wd......wd......wd...1設計課題1.1設計要求設計一臺銑削專用機床液壓系統(tǒng)用液壓缸，要求液壓系統(tǒng)完成的工作循環(huán)是：工件夾緊→工作臺快進→工作臺工進→工作臺快退→工件松開。1.2原始數據運動部件的重力為25000N，快進、快退速度為5m/min，工進速度為100～1200mm/min，最大行程為400mm，其中工進展程為180mm，最大切削力為20000N，采用平面導軌，夾緊缸的行程為20mm,夾緊力為30000N，夾緊時間為1s。2液壓系統(tǒng)的開展概況一個完整的液壓系統(tǒng)由五個局部組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件〔附件〕和液壓油。由于液壓技術廣泛應用了高技術成果，如自動控制技術、計算機技術、微電子技術、磨擦磨損技術、可靠性技術及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術有了新的開展，也使液壓系統(tǒng)和元件的質量、水平有一定的提高。盡管如此，走向二十一世紀的液壓技術不可能有驚人的技術突破，應當主要靠現有技術的改良和擴展，不斷擴大其應用領域以滿足未來的要求。液壓系統(tǒng)在將機械能轉換成壓力能及反轉換方面，已取得很大進展，但一直存在能量損耗，主要反映在系統(tǒng)的容積損失和機械損失上。如果全部壓力能都能得到充分利用，則將使能量轉換過程的效率得到顯著提高。為減少壓力能的損失，必須解決下面幾個問題：減少元件和系統(tǒng)的內部壓力損失，以減少功率損失。主要表現在改良元件內部流道的壓力損失,采用集成化回路和鑄造流道,可減少管道損失,同時還可減少漏油損失。減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量，防止采用節(jié)流系統(tǒng)來調節(jié)流量和壓力。采用靜壓技術，新型密封材料，減少磨擦損失。開展小型化、輕量化、復合化、廣泛開展通徑電磁閥以及低功率電磁閥。改善液壓系統(tǒng)性能，采用負荷傳感系統(tǒng)，二次調節(jié)系統(tǒng)和采用蓄能器回路。為及時維護液壓系統(tǒng)，防止污染對系統(tǒng)壽命和可靠性造成影響，必須開展新的污染檢測方法，對污染進展在線測量，要及時調整，不允許滯后，以免由于處理不及時而造成損失。液壓系統(tǒng)維護已從過去簡單的故障拆修，開展到故障預測，即發(fā)現故障苗頭時，預先進展維修，去除故障隱患，防止設備惡性事故的開展。要實現主動維護技術必須要加強液壓系統(tǒng)故障診斷方法的研究，當前，憑有經歷的維修技術人員的感宮和經歷，通過看、聽、觸、測等判斷找故障已不適于現代工業(yè)向大型化、連續(xù)化和現代化方向開展，必須使液壓系統(tǒng)故障診斷現代化，加強專家系統(tǒng)的研究，要總結專家的知識,建設完整的、具有學習功能的專家知識庫，并利用計算機根據輸入的現象和知識庫中知識，用推理機中存在的推理方法，推算出引出故障的原因，提高維修方案和預防措施。要進一步引發(fā)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)通用工具軟件，對于不同的液壓系統(tǒng)只需修改和增減少量的規(guī)則。另外，還應開發(fā)液壓系統(tǒng)自補償系統(tǒng)，包括自調整、自潤滑、自校正，在故障發(fā)生之前，進市補償，這是液壓行業(yè)努力的方向。電子技術和液壓傳動技術相結合，使傳統(tǒng)的液壓傳協(xié)與控制技術增加了活力，擴大了應用領域。實現機電一體化可以提高工作可靠性，實現液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，改變液壓系統(tǒng)效率低，漏油、維修性差等缺點，充分發(fā)揮液壓傳動出力大、貫性小、響應快等優(yōu)點,其主要開展動向如下：[1](1)電液伺服比例技術的應用將不斷擴大。液壓系統(tǒng)將由過去的電氣液壓on-oE系統(tǒng)和開環(huán)比例控制系統(tǒng)轉向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng),為適應上述開展,壓力、流量、位置、溫度、速度、加速度等傳感器應實現標準化。計算機接口也應實現統(tǒng)一和兼容。(2)開展和計算機直接接口的功耗為5mA以下電磁閥，以及用于脈寬調制系統(tǒng)的高頻電磁閥(小于3mS)等。(3)液壓系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油的污染等數值將實現自動測量和診斷,由于計算機的價格降低,監(jiān)控系統(tǒng),包括集中監(jiān)控和自動調節(jié)系統(tǒng)將得到開展。(4)計算機仿真標準化，特別對高精度、“高級〞系統(tǒng)更有此要求。(5)由電子直接控制元件將得到廣泛采用，如電子直接控制液壓泵，采用通用化控制機構也是今后需要探討的問題，液壓產品機電一體化現狀及開展。充分利用現有的液壓CAD設計軟件，進展二次開發(fā)，建設知識庫信息系統(tǒng)，它將構成設計-制造-銷售-使用-設計的閉環(huán)系統(tǒng)。將計算機防真及適時控制結合起來，在試制樣機前，便可用軟件修改其特性參數，以到達最正確設計效果。下一個目標是，利用CAD技術支持液壓產品到零不見設計的全過程，并把CAD/CAM/CAPP/CAT，以及現代管理系統(tǒng)集成在一起建設集成計算機制造系統(tǒng)〔CIMS〕，使液壓設計與制造技術有一個突破性的開展。新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液壓的開展引起新的飛躍。為了保護環(huán)境，研究采用生物降解迅速的壓力流體，如采用菜油基和合成脂基或者水及海水等介質替代礦物液壓油。鑄造工藝的開展，將促進液壓元件性能的提高，如鑄造流道在閥體和集成塊中的廣泛使用，可優(yōu)化元件內部流動，減少壓力損失和降低噪聲，實現元件小型化。3設計步驟3.1工況分析首先根據條件，繪制運動部件的速度循環(huán)圖，如圖3.1所示。然后計算個階段的外負載并繪制負載圖。液壓工所受外負載F包括三種類型，即(3-1)式中——工作負載，對于金屬切削機床來說，即為沿活塞運動方向的切削力，在本設計中；——運動部件速度變化時的慣性負載；——導軌摩擦阻力負載，啟動時為靜摩擦阻力，啟動后為動摩擦阻力，對于平導軌可由下式求得——運動部件重力；——垂直于導軌的工作負載，本設計中為零；——導軌摩擦系數，在本設計中去靜摩擦系數為0.2，動摩擦系數為0.1則求得(3-2)(3-3)上式中為靜摩擦阻力，為動摩擦阻力。(3-4)式中——重力加速度——加速或減速時間，一般；——時間內的速度變化量。在本設計中(3-5)根據上述計算結果，列出個工作階段所受的外負載〔見表3.1〕，并畫出如圖3.2所示的負載循環(huán)圖。表3.1工作循環(huán)各階段的外負載工作循環(huán)外負載工作循環(huán)外負載啟動、加速9230工進2500快進2500快退2500圖1.1速度循環(huán)圖圖2.2負載循環(huán)圖3.2擬定液壓系統(tǒng)3.2.1確定供油方式考慮到該機床在工作進給時負載較大，速度較低。而在快進、快退時負載較小，速度較高。從節(jié)省能量、減少放熱考慮，泵源系統(tǒng)宜選用雙泵供油或變量泵供油?，F采用帶壓力反響的限壓式變量葉片泵。3.2.2調速方式的選擇在中小型專用機床的液壓系統(tǒng)中，進給速度的控制一般采用節(jié)流閥或調速閥。根據銑削類專用機床工作時對低速性能和速度負載特性都有一定要求的特點，決定采用限壓式變量泵和和調速閥組成的容積節(jié)流調速。這種調速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點，并且調速閥裝在回路上，具有承受負切削力的能力。3.2.3速度換接方式的選擇本系統(tǒng)采用電磁閥的快慢速換接回路，他的特點是構造簡單、調節(jié)行程比擬方便，閥的安裝也較容易，但速度換接的平穩(wěn)性較差。假設要提高系統(tǒng)換接平穩(wěn)性，則可改用行程閥切換的速度換接回路。3.2.4夾緊回路的選擇用二位四通電磁閥來控制夾緊、松開換向動作時，為了防止工作時突然失電而松開，應采用失電夾緊方式。考慮到夾緊時間可調節(jié)和當進油路壓力瞬時下降時仍能保持夾緊力，所以介入節(jié)流閥調速和單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓閥，用來調節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定。3.3液壓系統(tǒng)的計算3.3.1工作壓力p為，液壓缸的工作壓力為3MPa。3.3.2計算液壓缸內徑D和活塞桿直接d(3-6)式中——工作循環(huán)中最大的外負載。由負載圖知最大負載為22500N。——液壓缸工作壓力——按表2可取為0.5MPa,為0.95。——液壓缸內徑與活塞桿直徑的關系。考慮到快進、快退速度相等，取為0.7。——液壓缸的機械效率，一般取。在本設計中取。在本設計中，(3-7)根據液壓缸內徑尺寸系列，將液壓缸內徑圓整為標準系列[2]直徑；活塞桿直徑d按求得。按最低工進速度驗算液壓缸的最小穩(wěn)定速度(3-8)式中是由產品樣本查的GE系列調速閥AQF30-E10B的最小穩(wěn)定流量為。調速閥是安裝在回油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應選取液壓缸有桿腔的實際面積，即(3-9)可見上述不等式能滿足，液壓缸能到達所需低速。3.3.3計算在各個工作階段液壓缸所需的流量(3-10)(3-11)(3-12)3.3.4液壓缸壁厚和外徑的計算液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。工程機械的液壓缸，一般是用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒構造，其壁厚按薄壁圓筒公式計算(3-13)式中——液壓缸壁厚(m)；——液壓缸內徑(m)；——試驗壓力，取最大工作壓力的1.5倍〔MPa〕；——缸筒材料的許用應力。無縫鋼管。(3-14)液壓缸壁厚算出后，可求出缸體的外徑(3-15)按照工程機械標準液壓缸外徑尺寸系列[3]，所以取外徑為953.3.5液壓缸工作行程確實定液壓缸工作行程長度，可根據執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，參照液壓缸活塞行程參數系列選用工作行程為400mm3.3.6一般液壓缸多為平底缸蓋有孔時(3-16)無孔時(3-17)式中t——缸蓋有效厚度(m)；——缸蓋止口內徑(m)；——缸蓋孔的直徑(m)。在本設計中有孔時(3-18)無孔時(3-19)3.3.7(3-20)活塞寬度B取(3-21)缸蓋滑動支承面的長度(3-22)隔套的長度(3-23)3.3.8缸體長度確實定液壓缸剛體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩短端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內徑的20~30倍。因此取缸體長度=448mm3.3.9活塞桿的細長比為(3-24)柔性系數m取85，末端系數n取2所以，，采用拉金公式計算[4](3-25)安全系數取n=2則(3-26)所以，活塞桿穩(wěn)定。3.4液壓缸的構造設計3.4.1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。主要連接形式有法蘭連接、螺紋連接、半環(huán)連接。a法蘭連接優(yōu)點：(1)構造簡單、本錢低(2)容易加工、便于裝拆(3)強度較大、能承受高壓缺點：(1)徑向尺寸較大(2)重量比螺紋連接的大(3)用鋼管焊上法蘭、工藝過程復雜些b螺紋連接優(yōu)點：(1)外形尺寸小(2)重量較輕缺點：(1)端部構造復雜、工藝要求較高(2)裝拆時需用專用工具(3)擰端蓋時易損壞密封圈c半環(huán)連接優(yōu)點：(1)構造較簡單(2)加工裝配方便缺點：(1)外形尺寸大(2)缸筒開槽，削弱了強度，需增加缸筒厚度比擬各連接形式，本設計中選取半環(huán)連接的形式。3.4.2活塞桿與活塞的連接構造有幾種常用的形式，分整體式構造和組合式構造。組合式構造又分螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。a整體式構造：構造簡單，適用于缸徑較小的液壓缸b螺紋連接：構造簡單，在振動的工作條件下容易松動，必須用鎖緊裝置。應用較多，如組合機床與工程機械上的液壓缸。c半環(huán)連接：構造簡單，裝拆方便，不易松動，但會出現軸向間隙。多應用在壓力高、負荷大、有振動的場合d錐銷連接：構造可靠，用錐銷連接銷孔必須配鉸，銷釘連接后必須鎖緊，多用于負荷較小的場合。由于本設計是組合機床用的液壓缸，根據螺紋連接多用于組合機床的表達，選用螺紋連接的活塞桿與活塞的連接構造。3.4.3活塞桿導向局部的構造，包括活塞桿與端蓋、導向套的構造，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導向套的構造可以做成端蓋整體式直接導向，也可以做成與端蓋分開的導向套構造。a端蓋直接導向：(1)端蓋與活塞桿直接接觸導向，構造簡單，但磨損后只能更換整個缸蓋(2)蓋與桿的密封常用O型，Y型等密封圈(3)防塵圈用無骨架的防塵圈。b導向套導向：(1)導向套與活塞桿接觸支承導向，磨損后便于更換，導向套也可用耐磨材料(2)蓋與桿的密封常用Y型等密封裝置。密封可靠適用于中高壓液壓缸(3)防塵方式常用J型或三角形防塵裝置。由于密封圈的是選用O形圈的密封類型，常于O形圈配合導向套構造為端蓋直接導向，因此本設計選用端蓋直接導向的導向局部構造。3.4.4活塞及活塞桿處密封圈的選用活塞及活塞桿處的密封圈的選用[5]，根據密封的部位、使用的壓力、溫度、運動速度的范圍不同而選擇不同類型的密封圈。常用的密封圈類型有O形圈、Y形圈、V型和活塞環(huán)[4]。O形圈的構造簡單，密封性好，安裝空間小，摩擦力小，易于制造，所以應用較廣，但運動速度不能太大。Y形圈適用于壓力在20MPa以下、往返速度較高的液壓缸，密封性能可靠。V形圈耐高壓性能好，耐久性也好，缺點是安裝空間大，調整困難，摩擦阻力大，只適用于運動速度較低的液壓缸?；钊h(huán)壽命長，不容易損壞，常常用在不便于拆卸的液壓缸中，缺點是泄漏較大，必須成組使用，加工工藝比擬復雜，所以本錢較高。圖3.2O形圈示意圖由于本設計中液壓缸的工作壓力為5MPa，速度范圍<0.5m/s，因此選用缸體與缸蓋的密封形式選用O形圈的密封形式〔如圖3.2〕?；钊麠U與缸蓋，活塞與缸體的密封選用Y形圈的密封形式。3.4.5常用的緩沖裝置構造有(1)環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置，它適用于運動慣性不大、運動速度不高的液壓系統(tǒng)。(2)三角槽式節(jié)流緩沖裝置，它是利用被封閉液體的節(jié)流產生的液壓阻力來緩沖的。(3)可調節(jié)流緩沖裝置，它調節(jié)針形節(jié)流閥的流通面積，就可改變緩沖作用的強弱和效果。本設計中的液壓缸運動慣性不大、速度也不高，因此選用圓柱形環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置。3.4.6(1)缸體無縫鋼管45鋼無縫鋼管作缸體毛坯加工余量小，工藝性能好，生產準備周期斷，是與大批量生產，標準液壓缸大局部都采用無縫鋼管，一般常用調質的45號鋼。(2)活塞鑄鐵HT200活塞常用材料灰鑄鐵，耐磨鑄鐵、35及40鋼和鋁合金等。缸徑較小的整體式活塞用35、45鋼，其他多用灰鑄鐵。(3)活塞桿45鋼活塞桿常使用35、45鋼等材料。對于沖擊震動很大的活塞桿，也可以使用55鋼。一般實心的活塞桿用35、45鋼。(4)前缸蓋35鋼缸蓋常用35、45鋼的短劍或鑄造毛坯，也可以使用鑄鐵材料。(5)后缸蓋鑄鐵HT200缸蓋常用35、45鋼的短劍或鑄造毛坯，也可以使用灰鑄鐵材料。起導向作用時則用鑄鐵3.5選擇液壓元件3.5.1確定液壓泵的流量、壓力和選擇泵的規(guī)格1)泵的工作壓力確實定。考慮到正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為(3-28)式中——液壓泵最大工作壓力；——執(zhí)行元件最大工作壓力；——進油管路中的壓力損失，本設計中(3-29)上式中計算所得的是系統(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的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力儲藏量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足。中低壓系統(tǒng)去小值，高壓系統(tǒng)取大值。在本設計中。(3-30)2)泵的流量確定。液壓泵的最大流量應為(3-31)式中——液壓泵的最大流量；——同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正進展工作，尚須加溢流閥的最小溢流量2~3L/min；——系統(tǒng)泄露系數，(3-32)3)選擇液壓泵的規(guī)格根據算得的和，選用YBX-16限壓式變量葉片泵，該泵的根本參數為：每轉排量，泵的額定壓力，電動機轉速，容積效率，總效率。4)與液壓泵匹配的電動機的選定。首先分別算出快進與工進兩種不同工況的功率，去兩者較大值座位選擇電動機規(guī)格的依據?？爝M時的外負載為2500N，進油路的壓力損失定位0.3MPa，(3-33)快進時所需電動機功率為(3-34)工進時所需電動機功率為(3-35)查詢電動機產品樣本，選用Y90S-4型電動機，其額定功率為1.1kW，額定轉速為1400r/min。4系統(tǒng)的驗算改液壓系統(tǒng)中進、回油管的內徑均為12mm，隔斷灌到長度分別為0.3m，1.7m，1.7m，2m。選用L-HL32液壓油，考慮到油的最低溫度為15℃，查得15℃時該液壓油的運動粘度，油的密度。4.1壓力損失的驗算4.1.1運動部件工作進給時的最大速度為1.2m/min，進給時的最大流量為6.03L/min，則液壓油在管內流速為(4-1)管道流動雷諾數為(4-2)可見油管在管內流態(tài)為層流，其沿程阻力系數為(4-3)進油管道的沿程壓力損失(4-4)查得換向閥4WE6E50/AG24的壓力損失忽略油液通過管接頭、油路板等處的局部壓力損失，則進油路總壓力損失為(4-5)4.1由于單活塞桿液壓缸，且液壓缸有桿腔的工作面積為無桿腔的工作面積的一半，則回油管道的力量為進油管道的一半。則(4-6)(4-7)(4-8)回油管道的沿程壓力損失為(4-9)查得換向閥3WE6A50/AG24的壓力損失，換向閥4WE6E50/AG24的壓力損失，調速閥2FR5-20/6的壓力損失。回油路總壓力損失為(4-10)4.1.3變量泵出口處的壓力(4-11)4.1.4快進時的壓力損失快進時液壓缸為差動連接，流量為液壓泵出口流量的兩倍即40L/min。所以沿程壓力損失、和分別為(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)