机电液综合试验(课程设计)

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第一章液压传动系统的设计1

1.1机械动作要求及参数11.2根据要求设计方案11.3计算和选择液压元件11.4液压元件41.5工作状态表51.6电气控制系统51.7电气控制系统的安装与调试6其次章液压缸的设计与计算7

2.1液压缸的内径D和活塞杆的直径d的计算72.2验算最小稳定速度82.3液压缸主要零件材料选择和加工要求82.4液压缸壁厚和外径的计算92.5液压缸工作行程的确定102.6最小导向长度的确定102.7缸盖固定螺栓d3的计算102.8活塞杆的校核102.9活塞的宽度B确定102.10缸体长度的确定112.11缸体与缸盖采的联接及计算112.12活塞与活塞杆的连接及计算122.13活塞及活塞杆处密封圈的选用132.14活塞杆导向部分的结构132.15液压缸的缓冲装置14心得体会15

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第一章液压传动系统的设计

1.1机械动作要求及参数

工作时最大负载F=13000N，液压缸的工作压力为P1=2.5MPa，快进、快退速度V快=5m/min，工进速度V工=0.6m/min，油缸内径与活塞杆直径比D/d=2，回油腔背压P2=0.5MPa。油路压力损失p0.3MPa；Qmin0.2L/min。

1.2根据要求设计方案

根据要求设计的控制系统图如图1-1所示

:

图1-1液压传动控制系统图

1.3计算和选择液压元件

1.3.1液压泵的压力流量和选择泵的规格

1)泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为:

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ppp1p

(1-1)

式中pp——液压泵最大工作压力；p1——执行元件最大工作压力；

p——进油管路中的压力损失，本设计中p0.3MPapp

=pp1=2.5+0.3=2.8Mpa(1-2)

上式中计算所得的pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储存量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力pp应满足pn1.25~1.6pp。中低压系统去小值，高压系统取大值。在本设计中

pn=1.25pp=1.252.8=3.5Mpa(1-3)

2)泵的流量确定。液压泵的最大流量应为

qpKLqmax(1-4)

式中qp——液压泵的最大流量；

qmax——同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。假使这时溢流阀正

进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量2~3L/min；

KL——系统泄露系数，KL1.2

qpKLqmax1.239.2547.1Lmin(1-5)

3)选择液压泵的规格

根据算得的qp和pp，选用CB-32限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量q032.5mLr，泵的额定压力pn10MPa，电动机转速nH1450rmin，容积效率

v0.9，总效率0.7。

1.3.2与液压泵匹配的电动机的选定

首先分别算出快进与工进两种不同工况的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。

工进时的外负载为13000N,压力损失为0.3Mpa.

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pp

13000

4

10

2

6

0.31.96MPa

(1-6)

0.1

快进时所需电动机功率为

P

ppqp

0.547.1600.7

0.56kW(1-7)

工进时所需电动机功率为

P

ppqp

1.9647.1600.7

2.2kW

查询电动机产品样本，选用Y100-4型电动机，其额定功率为2.2kW，额定转速为1430r/min。

1.3.3确定其它元件及辅件

1）确定阀类元件及辅件

根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，阅产品样本，选出的阀类元件和辅件规格如表1-1所列。

表1-1阀类元件及辅助元件规格

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2)确定油管内径

表1-2允许流速推荐值

油管内径为：

d

10mm14.14mm

3

（1-8）

根据内径尺寸系列，选取内径为20mm的软管。

1.4液压元件如下表1-3

表1-3液压元件的选用

根据动作要求和提供的元件，设计液压传动系统，设计油路图如图1-1，其工作状况由表1-4所示

油路中用到的上述提供的元器件有：二位二通电磁换向阀、调速阀、先导式溢流阀、三位四通电磁换向阀等。

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1.5工作状态表

电磁阀工作时的得失电状况如表1-4

表1-4工作状态表

1.6电气控制系统

根据图1-1液压传动系统及表1-4所示，设计电器控制系统如图1-2所示：

图1-2电器控制系统

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1.7电气控制系统的安装与调试

(1)基本工作过程

快进：按下SB2,启动液压泵，按下SB3使3DT和1DT得电，执行快进。工进：碰见行程开关YA4，使3DT失电，1DT仍得电，执行工进。快退：碰见行程开关YA6，使3DT和2DT得电，1DT失电，执行快退。强退：按下SB4，使3DT和2DT得电1DT失电，执行强退。

按图1-1连接系统油路，连接时需注意调速阀的P1口和P2口的链接。按图1-2连接电气控制线路，连接时注意控制电路接的是220V,从火线引出一根线，最终回到的是零线。接信号指示灯时，是并联到每个电磁上不是串联，否则电路将出现问题。

(2)液压传动系统与电气控制系统调试过程中出现的问题与解决方法

1）由于试验准备不够充分，没有到试验场地进行观测和分析，导致所设计初步油路与试验设备冲突，安装过程中没有认真思考试验室所具有的设备的名称及功用，为了达到最正确的快进、工进以及快退的效果，采用了差动连接进行实现，而导致液压传动系统安装完成后进行调试时，油液喷出。

2）在安装液压系统回路时，为了防止油液从油管接口处泄露，在油管接口处安装了多个垫圈，而因此带来的问题则是油管接不上。

3）试验室中，机电液综合试验台上共有8个传感器，在我们的试验中只需用到3个即可，此次试验，我们采用了传感器1、4、8，在液压系统回路安装完成后，发现液压缸无法快退，原因是活塞杆与传感器未接触，解决的方法是将传感器尽量靠近活塞杆，使其接触。

4）在安装液压系统回路时，未分清两位三通阀的进出口，导致调试时有大量油液泄露。

5）由于试验设备过于老化的原因，即使是所有油路及电路安装正确，也有漏油的现象。

6）在部分电气系统回路安装完成进行调试时，发现电动机转动，但是没有压油，经分析可知，产生此现象的原因是由于电动机反转，此时只需要将U、V、W三根线中的任意两项互换，使电动机正转。

7）为了便利调试电路时判断电路的接通与否，通过将各线圈与灯并联，从而可以通过灯是否亮来判断电路是否接通。

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其次章液压缸的设计与计算

2.1液压缸的内径D和活塞杆的直径d的计算F

图2-1单杆活塞缸

22

4

D2

P1F

4

(Dd)P2Ffc

D2

4(FFfc)

22

)

P2P(Dd1

P1

式（2—1）中：

p1—液压缸工作压力；P2—液压缸回油腔背压力；dD

—活塞杆直径与液压缸内径之比；

F—工作循环中最大的外负载；

Ffc—液压缸密封处摩擦力，它的确切度不易求得，常用液压缸的机械效率m进行估算。

FFfcFm

式（2—2）中：

m—液压缸的机械效率，一般m=0.9～0.97

将m带入式（2-1）中，可求得D为：

2-1）2-2）（

（

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D

4F

P2dP1m11

P1D

2

413000

0.3

2.50.9511

2.5

70

100

2

93mm

（2-3）计算结果为：

D=93mmd=63mm

根据GB/T2348-1993,液压缸内径尺寸系列和液压缸活塞杆外径尺寸对D和d进行圆整，取D=100mm,d=70mm。

2.2验算最小稳定速度

要保证液压缸平稳运行，液压缸工作面积A必需大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin，即AAmin

Amin=Qmin/Vmin（2-4）式（2—4）中：

Qmin——流量阀的最小稳定流量Vmin——液压缸的最低速度要求Qmin=0.2L/min,Vmin=0.6m/minAmin=

计算的A

D4

2

QminVmin

=0.2106/0.6103=333mm2

2

7850mm

Amin，经验算满足要求。

2.3液压缸主要零件材料选择和加工要求

2.3.1缸体

1）材料：无缝钢管45钢

无缝钢管作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期短，适合大批量生产，起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，常用45钢，大多属于薄壁圆筒结构。

2）加工要求

钢筒内壁表面加工公差为H8～H9；表面粗糙度为0.32～1.25um。为了防止在装配时损伤密封圈，缸筒必需有倒角，倒角大小建议为20～25。2.3.2活塞

1）材料：45钢

无导向环活塞，采用45钢或球墨铸铁。2.3.3活塞杆

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1）材料：45钢

活塞杆常用35、45钢等材料。对于冲击震动很大的活塞杆，也可使用55钢。一般实心的活塞杆用35、45钢。

2）加工要求

①压缸活塞杆用的材料寻常要求淬火，深度一般为0.5～1.0mm，或活塞杆直径为1mm淬深0.03mm。活塞杆表面需要镀硬铬，厚15～25um，也有要求镀硬铬30～50um。

②塞杆外径公差为f7～f9，表面粗糙度一般为Ra≤0.3～0.4um，精度要求高时，Ra≤0.1～0.2um，活塞端部需有15～25倒角。

③装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。

④为是运行在低载荷状况下，所以省去了表面处理。2.3.4前端盖

1）材料：45钢

缸盖常用35、45钢的锻造或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。2.3.5后端盖

1）材料：45钢

缸盖常用35、45钢的锻造或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料。起导向作用时用铸铁

2.4液压缸壁厚和外径的计算

液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。工程机械的液压缸，一般是用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算

pyD2

（2-5）

式中——液压缸壁厚(m)；

D

——液压缸内径(m)；

倍（MPa）；

py——试验压力，取最大工作压力的1.5

——缸筒材料的许用应力。无缝钢管100MPa。

1.52.5100

2100

1.875mm

（2-6）

依照工程机械标准液压缸外径尺寸系列，所以取外径为114mm。

壁厚为7mm1.875mm，符合要求。

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2.5液压缸工作行程的确定

液压缸的工作行程长度，根据执行机构的实际工作最大行程来确定，并参考GB2349-80系列尺寸来选取标准值。本次设计选取的行程为250mm。

2.6最小导向长度的确定

假使导向长度过小，将使液压缸的初始扰度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必需保证有一定的最小导向长度。

对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下条件

H≧(L/20)+(D/2)

其中L液压缸的最大行程D液压缸的内径

2.7缸盖固定螺栓d3的计算

d3

（2-7）

式中F液压缸负载；

K螺纹拧紧系数，K=1.12～1.5；Z固定螺栓个数；

[σ]螺栓许用应力，[σ]=σ3/(1.22～2.5),σ3为材料的屈服点为

355Mpa。

其中负载为18000N，拧紧系数取1.5，螺栓个数取六个，根据式（2-7）计算得：

d3≥6.5mm,选取M8的螺栓。

2.8活塞杆的校核

当活塞杆长度l10d时，应按强度校核条件校核活塞杆直径d。

d

（2-8）

[σ]=σ/1.4=357Mpa

式中：F最大负载（N）据式（2-8）计算得d≥6.8mm

上述计算得d=70mm6.8mm,满足强度的要求。

2.9活塞的宽度B确定

一般活塞B=(0.6～1.0)D所以选B=60mm

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2.10缸体长度的确定

液压缸刚体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两短端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20～30倍。

因此取缸体长度250+60+5=315mm。

2.11缸体与缸盖采的联接及计算

2.11.1联接的形式选择

缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。

a法兰连接优点：(1)结构简单、成本低(2)简单加工、便于装拆(3)强度较大、能承受高压

缺点：(1)径向尺寸较大(2)重量比螺纹连接的大(3)用钢管焊上法兰、工艺过程繁杂些

b螺纹连接优点：(1)外形尺寸小(2)重量较轻

缺点：(1)端部结构繁杂、工艺要求较高(2)装拆时需用专用工具(3)拧端盖时易损坏密封圈

c半环连接优点：(1)结构较简单(2)加工装配便利

缺点：(1)外形尺寸大(2)缸筒开槽，减弱了强度，需增加缸筒厚度比较各连接形式，本设计中选取半环联接和螺纹联接的形式。2.11.2螺纹联接的计算

缸体螺纹处的拉应力：

KF

4

（2-9）

2

(d1D)

2

螺纹处的切应力为:

K1KFd0

0.2(d1^3-D^3)（2-10）

n

x

（2-11）

式中：σ螺纹处的拉应力（Pa）

K螺纹拧紧系数，静载荷时，取K=1.25～1.5；动载荷时，取K=2.5～4,(取

K=3)

K1螺纹内摩擦系数，（取K1=0.12）d0螺纹外径md1螺纹内径mD液压缸内径m

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τ螺纹外的切应力Pa[σ]螺纹材料的许用应力Pa

[σ]=σs/n（2-12）σs螺纹材料的屈服点pa（σs=355MPa）n安全系数（n=2）σn合成应力（Pa）

F缸体螺纹处所受到的拉力（N）将各参数带入式（2-10）、（2-11）、（2-12）得：

σ=15.63MPaτ=5.39MPaσn=18.2MPa[σ]=175Mpa所以σn=18.2MPa[σ]=175MPa,其螺纹联接符合要求。

2.12活塞与活塞杆的连接及计算

2.12.1联接的选择

活塞杆与活塞的连接结构有：整体式结构和组合式结构。组合式结构又分螺纹连接、半环连接和锥销连接。a整体式结构：结构简单，适用于缸径较小的液压缸

b螺纹连接：结构简单，在振动的工作条件下简单松动，必需用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。

c半环连接：结构简单，装拆便利，不易松动，但会出现轴向间隙。多应用在压力高、负荷大、有振动的场合

d锥销连接：结构可靠，用锥销连接销孔必需配铰，销钉连接后必需锁紧，多用于负荷较小的场合。

由于本设计是组合机床用的液压缸，根据螺纹连接多用于组合机床的表达，选用螺纹连接的活塞杆与活塞的连接结构。2.12.2螺纹联接校核

活塞杆危险截面处的拉应力：

KF1

4

（2-13）

d1^2

切应力为：

K1KF1d00.2d1

3

（2-14）

合应力为：

n

n

≤[σ]（2-15）

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式中：F1液压缸输出压力

F1

4

(D

2

d)p

2

4

(0.10.07)310

226

12023.6N

（2-16）

式中：d活塞杆直径；

[σ]活塞杆材料的许用应力；

[]

sn

3552

175Mpa

将各参数带入式（2-14）、（2-15）、（2-16）得：

σ=3.19Mpaτ=1.51Mpaσn=4.13Mpa

所以σn=4.13Mpa≤[σ]=175Mpa,其螺纹联接满足要求。

2.13活塞及活塞杆处密封圈的选用

活塞及活塞杆处的密封圈的选用，根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。常用的密封圈类型有O形圈、Y形圈、V型和活塞环。

O形圈:结构简单，密封性好，安装空间小，摩擦力小，易于制造，所以应用较广，但运动速度不能太大。

Y形圈:用于压力在20MPa以下、来回速度较高的液压缸，密封性能可靠。V形圈:性能好，耐久性也好，缺点是安装空间大，调整困难，摩擦阻力大，只适用于运动速度较低的液压缸。

活塞环:命长，不简单损坏，往往用在不便于拆卸的液压缸中，缺点是泄漏较大，必需成组使用，加工工艺比较繁杂，所以成本较高。

图2.1O形圈示意图

由于本设计中液压缸的工作压力为5MPa，速度范围0.5m/s，因此选用缸体与缸盖的密封形式选用O形圈的密封形式（如图2.1）。活塞杆与缸盖，活塞与缸体的密封选用O圈的密封形式。

2.14活塞杆导向部分的结构

活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套结构。

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a端盖直接导向：(1)端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个缸盖(2)盖与杆的密封常用O型，Y型等密封圈(3)防尘圈用无骨架的防尘圈。b导向套导向：(1)导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料(2)盖与杆的密封常用Y型等密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸(3)防尘方式常用J型或三角形防尘装置。

由于密封