基于液压控制的冲床自动送料机的设计

- 1 -目 录摘要1关键词11 前言12 液压技术的概况32.1 研究概况及发展趋势综述32.2 液压技术产品的主要发展方向32.3 现阶段急需发展的关键技术33 自动送料机的工作原理及结构特点44 主要数据的拟定及计算54.1 确定运动数据54.2 液压缸的设计计算54.2.1 液压缸的负载计算54.2.2 确定液压缸的主要参数65 液压系统的拟定85.1 液压系统简介85.2 液压系统的组成95.3 液压控制回路95.3.1 压力控制回路95.3.2 速度控制回路105.3.3 方向控制回路105.4 液压系统原理图的拟定115.4.1 送料机动作顺序11- 2 -5.4.2 液压系统原理图及介绍116 液压元件参数计算与选择126.1 液压泵的选则126.2 液压阀的选择136.3 其他辅助元件的选择146.4 液压系统油液温升的验算157 液压缸结构的设计157.1 液压缸主要尺寸的设计计算157.1.1 液压缸主要尺寸的确定157.1.2 液压缸壁厚和外径的计算167.1.3 液压缸工作行程的确定177.1.4 缸盖厚度的确定 177.1.5 最小导向长度的确定 187.1.6 缸体长度的确定197.2 液压缸的结构设计197.2.1 缸筒与缸盖的连接形式197.2.2 活塞的设计207.2.3 缸筒的设计217.2.4 缓冲装置217.2.5 活塞杆的设计218 结论239 参考文献23致谢24- 3 -基于液压控制的冲床自动送料机的设计摘 要: 本次毕业设计是基于液压控制的冲床自动送料机的设计，主要内容包括了解冲床自动送料机工作原理，从而确定系统的总控制方案，以及对液压元件的计算及选取，送料系统的液压缸计算这几个主要问题的解决，根据实际情况进行负载分析，设计一套冲床自动送料的液压回路，并对所需液压元件及电动机等进行分析计算选择。本次设计通过冲床自动送料机的设计，大大提高的冲床的工作效率，节约了劳动成本。关键词：冲床；送料机；液压系统Punch Automatic Feeding Mechanism Based on the Hydraulic ControlStudents:liukangAbstract：This these is based on the press hydraulic system conveying mechanism design, the main content includes understanding punch working theory of the automatic feeder, then determining the total control scheme of system, as well as calculating and selecting of hydraulic components, calculating the hydraulic cylinder , according to the load analysis in actual situation, designing a set of punching machine hydraulic circuit, and the need for the analysis of hydraulic components, and motor selection of the design, through the improvement of automatic feeding mechanism disign, it greatly improve the work efficiency of the punch, save the labor cost.Key words: Punching machine ；Conveying mechanism ；The hydraulic system- 4 -1 前言液压传动是用液体作为工作介质，利用液体的压力能来实现运动和力的传递的一种传动方式。液压传动能传递能量和对系统进行控制。液压传动和起亚传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。第一次世界大战（1914-1918）后液压传动广泛应用，特别是 1920 年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯（F.Vikers）发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动逐步建立奠定了基础。第二次世界大战（1941-1945）期间，在美国机床中有 30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近二十多年，但是在 1955 年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会” 。近二三十年间，日本液压传动发展之快，已居世界领先地位。虽然液压传动相对于机械传动是一门新技术，但是经过多年的改进发展，随着液压油液压元件的改进升级，使液压系统变得更简单、更方便、更加安全可靠，成本也更加低廉。液压传动的引用领域已经非常广泛；一般工业用的塑料加工机械、压力机械；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械，汽车、钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、桥梁操纵机构；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂；船舶用的甲板其中机械（绞车） 、船头门、舱壁阀、船尾推进器；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的受访装置和方向舵控制装置等。送料机分为手动送料机、液动送料机和电动送料机，电动送料机、液动式送料机，包括承料部分、预料部分和实时送料部分；承料部分主要是以轴来支撑原料的重量以便更好的预送料，预送料部分的功能是把材料先从捆状拉成直条状，以便送料部分快速送料同时减轻高速送料时的巨大冲击力，送料部分能调节送料的长度时间等，其主要是通过液压系统来调节，操作上也十分简便。液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声以及液压元件和系统的经久耐用、高度集成化等方面取得了重大的进展；在完善比列控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多成就。将液压传动应用于送料机中，将优化机器性能，改善能源利用方式，减少成本，降低噪声，控制方便，安全可靠，操作简单。同时对减少能耗、- 5 -提高工作效率和安全性，改善工作环境都有重大意义。随着液压技术的发展，它在机床上的应用必将不断地得到扩大和完善。液压气动技术具有独特的优点，如:液压技术具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点；气动传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制系统。因此，液压气动技术广泛用于国民经济各部门。特别是在机械加工制造中，液压气动技术得到了越来越广泛的应用，也取得了很好的效果。冲床是具有广泛用途的机床，通过模具，能做出落料，冲孔，成型，拉深，修整，精冲，整形，铆接及挤压件等等，广泛应用于各个领域。而通过对自动送料机的设计能有效提高冲床的自动化程度，可靠性和安全性，提高产品质量和生产效率。2 液压技术的概述2.1 研究概况及发展趋势液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。世界液压元件的总销售额为 350 亿美元。据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的 2%3.5%，而我国只占 1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。液压气动技术具有独特的优点，如:液压技术具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点；气动传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制系统。因此，液压气动技术广泛用于国民经济各部门。走向 21 世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。2.2 液压产品的主要发展方向(1) 节省能耗，提高效率(2) 用 AC 电机或变频电机驱动定量泵。(3) 发展机电一体化元件和系统。(4) 发展具有比例阀的耐污染和伺服阀高精度、高频响的直动型电液控制阀。(5) 发展内置电子系统的电液伺服比例元件、液压定位油缸等。(6)重视环保。环保型产品将具竞争优势，随着人们环境意识的加强，开发保护型液压产品，将成为今后国内液压技术的主流。(7) 适应主机机电一体化的需要。- 6 -(8) 应用现代控制技术，提高电液压自动控制系统的性能(9) 大力发展水压系统和元件，扩大其应用领域。2.3 现阶段急需发展的关键技术(1) 液压传动与控制系统的节能技术，如负荷传感技术、新型节能系统和元件。(2) 机电一体化技术及 IT 技术的应用高精度、高频响电液、电气伺服比例系统和元件，液粘调速器速度控制技术。数字液压、气动系统和元件，直动型电液控制元件。(3) 液压系统及污染控制技术。(4) 无泄漏液压系统和元件。(5) 水压传动与控制技术。(6) 高速重载齿轮传动设计与制造技术。(7) 高速铁路轴承设计制造技术。(8) 高速、高精度机床主轴轴承设计与制造技术。(9) 各种传动系统降噪和增寿技术。(10) 特种传动技术(谐波传动、机械无级变速等)。(11) 大型传动系统的故障诊断技术。3 自动送料机的工作原理及结构特点送料机分为手动送料机、液动送料机和电动送料机，电动送料机、液动式送料机，包括承料部分、预料部分和实时送料部分；承料部分主要是以轴来支撑原料的重量以便更好的预送料，预送料部分的功能是把材料先从捆状拉成直条状，以便送料部分快速送料同时减轻高速送料时的巨大冲击力，送料部分能调节送料的长度时间等，其主要是通过液压系统来调节，操作上也十分简便。按照送料形式的不同液压送料机可分为推料式与拉料式两大类型，两者的主要区别在与推料式送料机送料时条料为受压状态，一般用调料刚性较好的场合，而拉料式送料机送料时为受拉状态，适用于刚性较差的条料及非金属等的送料。本次设计的送料机采用的是推料式设计，其工作原理如图 1 所示：- 7 -1.主体 2.条料 3.固定夹钳 4.送料油缸 5.移动夹钳图 1 送料机工作原理图Fig1 Working principle of the feeder当液压油进入系统中时，通过内部的控制阀，固定夹钳 3 松开，移动夹钳 5 夹紧条料，同时送料油缸 4 右移送料，当送到一定位置后，给换向阀一个退回信号，此时固定夹钳 3 夹紧条料，冲压机开始冲压，同时移动夹钳 5 松开，送料油缸左移，为下一次送料做准备。4 主要数据的拟定及计算4.1 确定运动数据已知数据:本次设计的送料机为液压控制的冲床送料机，其主要的工作对象为 J系列和 JB23 系列等中小型开式冲床，其工作要求液压缸带动板料实现“快进-快退”如此完成板料的循环送料，本次设计初步拟定的数据如表 1 所示:表 1 初步数据拟定Table 1 Preliminary data to formulate最大送料宽度（mm） 300最大送料长度（mm） 300最大送料厚度（mm） 2.5最快送料次数（次/min） 30机身移动部件质量（kg） 60送料机带动材料运动时负载（N） 3000导轨摩擦系数 0.1板料与夹板摩擦系数 0.24.2 液压缸的设计计算- 8 -4.2.1 液压缸的负载计算已知工作时负载 ，重力负载 ，设启动换向时间为 ，NFW30NFG0s2.0t因为最快送料速度为每分钟 30 次，可取送料缸最快运动速度为 200mm/s,按启动换向时间和运动部件重量计算得到惯性负载 ，摩擦阻力 。15a NFf6取液压缸的机械效率 ，则液压缸工作阶段的负载值见下表：9.0m表 2 液压缸负载值Table 2 The hydraulic cylinder load value工作循环 计算公式 负载 F/N启动加速 mafF/w3567快进 f/ 3400快退 mf/67速度分析：根据送料机的最快送料速度、送料机的最大送料长度设送料机启动换向时间,可以从而绘制出送料缸的负载循环图和速度循环图如下图所示：图 2 负载循环及速度循环图Fig 2 Load loop and speed loop4.2.2 确定液压缸的主要参数1.初选液压缸的工作压力，查液压与气压传动表 9-3，当负载小于 5KN 时，工- 9 -作压力小于 0.8-1MPa，现取液压缸的工作压力为 0.8Mpa.2.计算液压缸结构参数由前面分析可知液压缸的最大推力为快速启动时且为 3567N 时，则m075.18.04356pFD查表 4-2 液压缸内径尺寸系列（GB/T2348-80） ，将以上计算值圆整为标准直径，取 D=80mm，由于液压缸在低压环境下工作，机械设计手册液压缸工作压力与活塞杆直径关系，则 d=(0.5-0.55)D,现取送料油缸的活塞杆直径为 d=40mm,同样按表 4-2 活塞杆直径系列（GB/T2348-80）圆整成标准系列活塞杆直径,选用活塞杆直径为 d=40mm.则送料油缸的个杆腔的有效作用面积为：无杆腔面积 2221 50484.3AmD有杆腔面积 2222 3768.4d3.计算液压缸在工作循环各阶段的压力流量和功率值，取两腔间回路及阀上的压力损失为 0.1MPa。计算结果见表 3.表 3 工作循环各阶段的压力流量和功率值Table 3 In different stages of the work cycle of pressure flow and power values工作循环 计算公式负载 N/F进油压力 MPa/1输入流量 sL/q1输入功率启动加速1Apvq1P3567 0.71 1.00 0.71快进 1FApvq3400 0.67 1.00 0.67- 10 -1qpP快退2FAvq1pP67 0.02 0.75 0.0154.夹紧油缸的计算因为送料过程中主要是移动夹紧油缸提供夹紧力从而由送料工作台带动板料进行移动送料，固定夹紧缸主要是在冲床过程中不是以移动夹紧油缸夹紧缸的负载计算：要使送料机在送料过程中，板料不出现打滑等现象造成送料误差，必须要求一个夹紧力将板料固定在压板上，所以需要夹紧油缸提供一定的夹紧力。由上面的计算可知，在送料过程中送料缸最大的驱动力为 F=3567N，因此要使板料不打滑的最小压力为 。查液压与气压传动表 9-3，取夹紧缸N17835F2N的压力为 P=2.5MPa，从而算出夹紧油缸的结构参数: m095.15.243pD6查表 4-2 液压缸内径尺寸系列（GB/T2348-80） ，将以上计算值圆整为标准直径，取 D=100mm，由于液压缸在低压环境下工作，机械设计手册液压缸工作压力与活塞杆直径关系，则 d=(0.5-0.55)D,现取送料油缸的活塞杆直径为 d=50mm,同样按表 4-2活塞杆直径系列（GB/T2348-80）圆整成标准系列活塞杆直径,选用活塞杆直径为d=50mm.则送料油缸的个杆腔的有效作用面积为：无杆腔面积 2221 785041.3AmD有杆腔面积 2222 6.4d夹紧油缸在夹紧工作时的压力、流量：压力： MPa27.85013AFP- 11 -设夹紧所需时间为 0.2S，夹紧缸的工作行程为 20mm，则夹紧缸速度smtl/102.v因此夹紧油缸在工作时所需的流量 slq/785.0785vA5 液压系统的拟定5.1 液压系统简介液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使 送料机完成夹紧、移动等运动，完成送料过程。送料机在运动时所能克服的阻力大小，以及夹紧板料工件时所需的夹紧力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。送料机做各运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，本次送料机的液压传动系统也属于容积式液压传动。5.2 液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。送料杆做直线运动，液动机就是送料时的伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于 360的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸） ，本次设计未涉及。 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使送料机构等能够完成所要求的运动。5.3 液压系统控制回路送料机构的液压系统，根据所需运动的组成，液压系统可繁可简，但不外乎由一些基本控制回路组成，这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节及同步回路。5.3.1 压力控制回路 调压回路 在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在送料机各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采- 12 -用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。 平衡与锁紧回路 在机械液压系统中，为防止送料缸在工作过程中由于系统的缓冲或惯性早成系统在工作过程中板料发生误差，故可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本液压送料机采用单向顺序阀与液控单向阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。5.3.2 速度控制回路送料机构手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量 Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本送料机采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用 LI 型单向节流阀、LCI 型单向节流阀或QI 型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。5.3.3 方向控制回路在本次送料机构的液压系统中，为实现自动控制，即当送料机构达到一定位置时实现自动换向，本次设计的送料缸的方向控制回路采用电液伺服阀进行自动换向、夹紧油缸的换向则采用二位三通、二位四通、三位四通等电磁换向阀控制夹紧油缸的夹- 13 -紧和松开动作。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D 型）和直流电磁阀（E 型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V（也有 380V 或 36V） ，直流电磁阀的使用电压一般为 24V（或 110V） 。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。5.4 液压系统原理图的拟定由于本次设计要求实现液压控制，控制对象为送料机的送料长度。考虑到对位置的进度和响应速度都有一定要求，本次设计选用闭环伺服控制系统，该控制系统通过位置传感器的设定，从而控制送料缸的送料长度，由于控制功率不大，送料缸做直线运动且唯一较大，故采用伺服阀-液压缸系统。液压系统图的绘制是设计送料机的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足送料机动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图，详见附图 1。5.4.1 送料机动作顺序本液压控制冲床送料机构主要动作顺序为板料放入送料机，调整好挡料销，位置控制装置后，按下启动开关后，送料机开始工作，完成板料的夹紧、送料、停止、退回的工作循环。上述动作由电控系统发出信号控制相应的电磁换向阀使系统开始工作，然后当板料通过位置传感器后，及送入一定长度的板料后，发出反馈信号，同过伺服阀的控制，从而改变工作行程，达到自动控制送料的效果。5.4.2 液压系统原理图及介绍该送料机液压传动及控制系统原理图见附图。该系统由三个部分组成。液压伺服阀控制回路主要是完成送料机的自动送料过程，其执行器为带动移动夹板完成送料的送料油缸。指令脉冲的输入由计算机的两个坐标给出，反馈位置采用光电编码器。在不失步的情况下，该伺服控制部分能够在一定速度范围内运动，与电液伺服阀 33 相串联的电液换向阀 32 起安全保护作用，在系统出现工作错误的情况下可以立即停止送料。精过滤器 31 用于保证通过伺服阀的油液清洁，以保证工作的可靠性。液压传- 14 -动的辅助回路及夹紧油缸的运动回路用于协助伺服控制回路完成板料的送料工作，其执行器为两对夹紧缸，两对夹紧缸的油路结构相似，个对缸的动作顺序有各油路中的电液换向阀控制，各油路中配置有单向减压阀、进油节流阀和液控单向阀，以实现夹紧力的调整和缸进退速度的调节，保证启动平稳、动作可靠。油源是整个系统的动力源部分，采用恒压变量泵 5 和定量泵 4 的组合供油方式。当移动固定板上的夹紧油缸21 夹紧板料时，双泵同时供油，定量泵 4 主要输出，变量泵其保压做用，使当定量泵卸荷时，夹紧油缸不至于在压力作用下回流，当伺服控制部分工作时，即送料机开始送礼时，定量泵通过远控顺序阀 10 实现卸荷，单独有恒压变量泵保证夹紧缸对板料的夹紧力，并向伺服控制油路供油。同时恒压变量泵根据伺服系统所需流量而自动在恒压下变量。由三位四通电磁换向阀 12 控制的主溢流阀 11 机远程调压溢流阀 13 用于设定变量泵的最高工作压力、定量泵的压力和停止待命时两泵的卸荷。液压系统的工作原理如下。当向送料机送入预定长度的板料后，调整好挡料螺栓后，电磁铁 7YA 通电使换向阀 12 切换至左位，定量泵 4 升压（压力由 13 设定） 。电磁铁 3YA 通电，使电液换向阀 22 切换至左位，定量泵 4 的压力油经单向阀 6、9 和减压阀 23、单向节流阀 26 进入移动夹紧油缸 21，并导通油路中的液控单向阀 28，对板料进行夹紧，而缸 30 有杆腔经单向节流阀 27，液控单向阀 24 向油箱排油。夹紧板料后，油路中的压力继电器 28、29 发出信号，电磁铁 5YA 通电，送料机进入送料工作，此时油箱油液经三位四通电液换向阀 32 左路进入伺服阀，送料开始，此时系统压力升为恒压变量泵 5 设定的恒定值（由先导式溢流阀 11 设定） ，远控顺序阀 10 打开，定量泵 4 经阀 10 卸荷，各夹紧缸对板料的夹紧力，由恒压变量泵的压力油保证，泵5 向伺服阀供油，在伺服回路的控制下，将板料送到一定位置，送到一定位置后，电液伺服阀 33 通过位置反馈器传输的信号换向，同时电磁铁 4YA 通电，电液换向阀 14进入到左位，移动夹紧缸停止工作，放开板料，同时电液换向阀 14 的 1YA 通电，使固定夹紧板上的夹紧油缸开始工作夹紧工件，送料缸和移动夹紧板则完成后退的动作，从新开始新的工作循环。整个过程有 PC 机控制。控制原理方块图如图 3 所示：- 15 -图 3 自动送料控制方块图Fig3 Automatic feed control block diagram6 液压元件参数计算与选择6.1 液压泵的选择为了实现伺服阀的自动控制，故本次设计采用双泵供油，用变量泵和伺服阀实现送料运动的可调，定量泵主要用于油缸的夹紧辅助工作。液压泵及驱动电动机功率的确定1.液压泵的工作压力已知液压缸的最大工作压力为夹紧油缸工作时的 P=2.27MPa，取夹紧油缸进油路上压力损失为 0.2MPa，则定量泵的额定压力应为: MPapP47.20.b 确定液压泵的最大供油量：K-系统的泄露修正系数，一般取 K=1.1-1.3夹紧油缸在工作时，需要的流量为 slKqv /1.476085.1考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，尚需加上溢流阀稳定工作的最小溢流量，一般取 .因此定量泵的流量为：min/3l min/8.513.471qLv查液压元件选取手册产品样本，选用排量为 55ml/r 的 YB-D55 型定量叶片泵泵，额定转速为 1000r/min，则定量泵的最大流量为 55l/min.送料机在工作时由伺服系统控制变量泵送出，选择变量泵的型号为 VPNC-F12-A1-20 的低压变量叶片泵，最大压力为 3.5MP，调定压力为 2.5MP由前面分析可知，系统送料时功率最大，故按此阶段估算电动机功率。若送料时- 16 -压力损失为 0.1MPa，液压泵的总效率为 ，则电动机的功率为：7.0pKWqpb 82.36.1542查电动机产品样本机械设计课程设计手册选用 Y112M-2 型异步电动机 ，额定功率 4KW，满载转速 2890r/min6.2 液压阀的选择根据所拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀的最高压力和最大流量，参考国家标准选择液压阀的型号规格，下面列出各控制阀通过的实际流量及型号规格表 4 各阀通过的实际流量及型号规格Table 4 Each valve by actual flow and model specifications序号 元件名称 型号规格1 定量泵 YB-D552 变量泵 VPNC-F12-A203 滤油器 WU-A1004 单向阀 RVP-85 远控顺序阀 DZ10DP-5X6 先导式溢流阀 DB107 压力继电器 DP-408 远程调压溢流阀 DBP-H10P- 17 -9 减压阀 PR10-30/Y10 液控单向阀 CPT-06-5011 三位四通电液换向阀 34D63B12 单向节流阀 TCV-T6013 电液伺服阀 DG4V36.3 其他辅助元件的选择1 滤油器按泵的最大流量选取流量略大些的滤油器，滤油精度为 100 微米网式或线段式得滤油器皆可。2.油管和管接头的通径与阀一致来选取。3.油箱容积本系统为中低压液压系统，按经验，邮箱的容积一般取泵流量的 5-7 倍。由油箱容量计算公式：V=（5-7）65=325- 455L 取油箱容量 V=350L6.4 液压系统油液温升的验算系统在工作中觉大部分时间处在工作状态，所以可按工作状态来计算温升。液压系统的效率为： %207.1047.2356F34p qv当邮箱的高、宽、长比例在 到 范围内，且油面高度为油箱高度的 80%1:时，邮箱散热面积近似为：23232.5.06.6mVA又因由上面计算知，工作进给时泵的输入功率为 ，效率 ，邮KWp712.0箱的散热系数 ，环境温度按夏季室温 30考虑，计算出邮箱CmKW/1053- 18 -中油液的温度为T= CKApt 7.413.10527.310此值低于允许最高温度，满足使用要求。根据以上各项计算，综合判断液压系统设计合格。7 送料缸结构的设计液压缸有多种类型。按结构特点可分为活塞式、柱塞式和组合式三大类；按作用方式又可分为单作用式和双作用式两种。在单作用式液压缸中，压力油只供入液压缸的一腔，使缸实现单方向运动，反方向运动则依靠外力（弹簧力、自重或外部载荷等）来实现。由于本送料机的自身特点，本次设计缸均选择双作用单杆活塞缸。7.1 液压缸主要尺寸的设计计算7.1.1 液压缸主要尺寸的确定由第四章液压缸主要参数设计计算可知：对于送料缸内径 80mm，活塞杆直径 40mm对于夹紧缸内径 100mm，活塞杆直径 50mm7.1.2 液压缸壁厚和外径的计算液压缸壁厚一般指缸体结构中最薄处的厚度。承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异，一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。当缸体壁厚与内径之比小于 0.1 时，称为薄壁缸体，薄壁缸体的壁厚按材料力学中计算公式： m2PD式中： -缸体壁厚（m）P-液压缸的最大工作压力(Pa)D缸体内径(m)-缸体材料的许用应力（Pa）铸钢： =Pa10105 锻钢： = 2铸铁： =a765- 19 -无缝钢管： =Pa10105 本送料机的送料缸和夹紧缸均采用铸钢作为材料分别求出：送料缸壁厚： m3.0128.7.PD56夹紧缸壁厚： 4.0.56当缸体壁厚与内径 D 之比值大于 0.1 时称为厚壁缸体，通常按材料力学中第二强度理论计算厚壁缸体的壁厚： mP 7.0127.3104208.13.402 65 一次缸体壁厚应不小于 1.14mm，又因该系统为低压系统，所以不必对缸体最薄处壁厚强度进行校核。取送料缸体壁厚为 3mm，夹紧油缸的缸体壁厚为 4mm。则缸体送料缸缸体的外径为： 8602D1夹紧油缸缸体的外径为： m12在中低压液压系统中，缸体壁厚的强度是次要的，缸体壁厚一般有结构，工艺上的需要而定，只有在压力较高和直径较大时，才有必要校核缸体最薄处的壁厚强度。因此不需要进行强度校核。7.1.3 液压缸工作行程的确定液压缸的工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定。对于送料缸，因为最大送料长度为 300mm，查液压缸活塞工作行程 GB2349-1980，选择送料缸的工作行程为 320mm。对于夹紧油缸工作行程为 20mm。7.1.4 缸盖厚度的确定缸筒底部（即缸盖）有平面和拱形两种形式，由于该系统中液压缸工作场合的特点，缸盖选用平底形式，可得其有效厚度 t 按前度要求可用下面两式进行计算：缸盖有孔时：（5.5）20.43()PtDm缸盖无孔时：（5.6）220. ()(t d- 20 -式中：t 缸盖有效厚度（m）P 液压缸的最大工作压力（ ）Pa缸体材料的许用压力（ ）缸底内径（ m）2D缸底孔的直径（m）0d缸盖的材料选用铸铁，对于送料油缸可以求出：缸盖无孔时： 20.43()PtDm mt 76.3106.843.0. 5缸盖有孔时： 220. ()(PDt d取孔的直接为 30mm,则：mdDPt 7.403.81607.8.43.043.0 562 对于夹紧油缸可以求出缸盖无孔时： 20.43()PtDmPDt 4.81067.43.056缸盖有孔时： 2200.43()(PDt dmdDPt 103.1687.43.0 5602 - 21 -7.1.5 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离 H 称为最小导向长度如图 4 所示 ，如果最小导向长度过小将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。图 4 液压缸结构简图Fig4 The hydraulic cylinder structure diagram对一般的液压缸最小导向长度 H 应满足以下要求： mDL56280320取送料油缸最小导向长度 60mm- 22 -式中：L-液压缸的最大行程D-液压缸的内径 对于夹紧油缸： mDLH512020取夹紧油缸的导向长度为 55mm。7.1.6 缸体长度的确定液压缸缸筒长度由活塞最大行程 L、活塞长度、活塞杆导向长度 H 和特殊要求的其他长度确定（见图 5-3） 。其中活塞长度 B=（0.6-1.0）D=(48-80)mm，取活塞长度B=50mm；导向套长度 A=（0.6-1.5）D=(48-120)mm，取导向套长度为 60mm。必要时可在导向套和活塞之间装一隔套 K，本次设计不进行隔套的安装。为了降低加工难度，一般液压缸的缸筒长度不应大于内径的 20-30 倍，即在本系统中送料缸缸体长度不大于 1600 2400mm,现取缸体长度为 500mm。同理可算出夹紧缸缸体长度不大于 2000-3000，本次设计由于夹紧油缸工作行程及安装等要求，选取缸体长 120mm7.2 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸筒与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。7.2.1 缸筒与缸盖的连接形式缸筒与缸盖的连接形式有多种，如法兰连接、外半环连接、内半环连接、外螺纹连接、拉杆连接、焊接、钢丝连接等。该系统为中低压液压系统，缸体材料为铸钢，液压缸与缸盖可采用外半环连接，该连接方式具有结构简单加工装配方便等特点。7.2.2 活塞活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此它于缸筒的配合应适当，即不能过紧，也不能间隙过大。设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构形式，其次还有活塞与活塞杆的连接、活塞材料、活塞尺寸及加工公差等。(1)活塞的结构形式活塞的结构形式分为整体活塞和组合活塞，根据密封装置形式来选用活塞结构形式，活塞及活塞杆的密封圈使用参数，该系统液压缸中可采用 O 形圈密封。所以，活塞的结构形式可选用整体活塞，整体活塞在活塞四周上开沟槽，结构简单。(2)活塞与活塞杆的连接活塞杆与活塞的连接结构分整体式结构和组合式结构，组合式结构又分为螺纹连- 23 -接、半环连接和锥销连接。该系统中采用半环连接，通过卡环、挡环、弹簧卡圈实现活塞与活塞杆的连接，该连接方式结构简单，容易加工和装拆，重量较轻，长用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。(3)活塞的密封活塞与缸筒的密封采用 O 形圈密封活塞与缸体的密封采用 O 形圈密封，O 形圈的代号为：75.55.3GB/T3452.1-1992，活塞密封沟槽尺寸如图 5.3。 的最大值为d80，最小值为 78.250，活塞与活塞杆的密封采用 O 形圈密封，因该系统为低压液压系统,所以活塞杆上的密封沟槽不设挡圈,其沟槽尺寸与公差由 GB/T3452.3-98 确定, O 形圈代号为： 34.52.65GB/T3452.1-92。(4)活塞材料因为该系统中活塞采用整体活塞，无导向环结构，所以活塞材料可选用HT200HT300 或球墨铸铁，结合实际情况及毛坯材料的来源，活塞材料选用 HT200。(5)活塞尺寸及加工公差活塞的宽度一般取 B=( )D,缸筒内径为 80mm,现取 B=50,活塞的外径采用0.61f9,活塞的内孔直径 D1设计为 40mm，精度为 h8，表面粗糙度视结构形式不同而各异。其结构简图见图 5 活塞的详细结构见附图 2。图 5 活塞结构简图Fig 5 The piston structure diagram7.2.3 缸筒的设计缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸体还要求有良好的焊接性能，结合该系统中液压缸的参数、用途和毛坯的来源等，缸筒的材料可选用铸钢。- 24 -在液压缸主要尺寸设计与计算中已设计出液压缸体壁厚最小厚度应不小于 1.7mm，缸体的材料选用铸钢，缸体内径可选用 H8、H9 或 H10 配合。缸筒与缸盖之间的密封采用 O 形圈密封，O 形圈的代号为 87.5 3.55 GB/T3452.1-1992，密封沟槽及其公差可按 GB/T3452.3-1988 确定。7.2.4 缓冲装置液压缸的行程终端缓冲装置可使带着负载的活塞，在到达行程终端减速到零，目的是消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖的机械撞击，同时也为了降低活塞在改变运动方向时液体发出的噪声。因为该送料机构的送料油缸在工作中速度换接平稳，进给速度稳定，且送料完成后通过伺服阀来换向调速，所以液压缸上可不设置缓冲装置。7.2.5 活塞杆的设计（1）活塞杆结构尺寸的确定活塞杆杆体分为实心杆和空心杆两种，实心杆加工简单，采用较多，该送料系统中夹紧油缸和送料有缸的活塞杆杆体均采用实心杆。对于送料油缸：已知活塞杆的直径为 40mm,活塞杆的材料选用 45 钢,根据液压缸的实际结构尺寸,活塞杆的总长度设计确定为 600,轴径为 40 的长度为 420，活塞杆上安装活塞的部分即轴径为 32mm 的部分精度采用 h8,活塞杆与活塞的密封采用 O 形圈密封,代号为 28.5 2.55 GB/T3452.1-1992。活塞杆与活塞的密封前面已设计说明。活塞杆与活塞的连接结构采用半环式连接,该连接方式结构简单,容易加工和装拆。因为该送料机构采用的是活塞杆带动送料工作台运动,故设计采用活塞缸与工作台面的连接采用螺纹紧固件进行连接，此次设计选取内六角头圆柱头螺钉查机械设计手册，采用 M10,螺纹长度 40（GB/T70.1-2000） 。对于夹紧油缸；已知活塞杆的直径为 50mm，活塞杆的材料选用 45 钢,根据液压缸的实际结构尺寸,活塞杆的总长度设计确定为 190,轴径为 50 的长度为 60，活塞杆上安装活塞的部分即轴径为 42mm 的部分精度采用 h8,活塞杆与活塞的密封采用 O 形圈密封,代号为 37.5 2.55 GB/T3452.1-1992。活塞杆与活塞的密封前面已设计说明。活塞杆与活塞的连接结构采用半环式连接,该连接方式结构简单,容易加工和装拆。因为该送料机构采用的是活塞杆带动送料工作台运动, 故设计采用活塞缸与工作台面的连接采用螺纹紧固件进行连接查机械设计手册，活塞杆与夹紧板连接处螺顶采用 M8,螺纹长度 16（GB/T70.1-2000）的内六角头圆柱螺钉 。（2）活塞杆强度的计算- 25 -对于送料油缸：活塞杆在稳定的工况下，如果只是受轴向推力或拉力可以近似地用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： MPap26d4/10F p 28.01/.357d4/103626所以活塞杆满足强度要求。式中：F 活塞杆作用力（N）d 活塞杆直径（m）材料许用应力（对中碳钢） =400ppMPa活塞杆上一般都设有螺纹、退刀槽结构，这些部位往往使活塞杆上的危险截面，也要进行计算，危险截面处的合成应力应满足： 21.8()npFPad式中： 危险截面的直径（m）2d活塞杆的拉力(N)2F材料许用应力（对中碳钢） =400ppMPa因为活塞杆上螺纹、退刀槽中直径最小的为 28，此处的截面为危险截面，所以： pPadF75.32014.68.12n活塞杆危险截面处满足强