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摘要
國產壓磚機的技術參數、技術性能等己達到或部分超過國外先進壓磚機的水平，但液壓系統的設計主要借助于經驗，而理論上的研究工作較少。因此，對自動壓磚機的液壓系統理論基礎僅進行研究，為改進、優(yōu)化液壓系統，提高壓制次數，縮短循環(huán)時間，提升壓磚機的產能提供理論支持有一定的積極意義。本文主要任務就是了解液壓壓磚機的整體結構，對液壓機本體結構的主要部件進行強度核算，保證機器的運行安全。同時根據壓力和流量這兩個液壓系統的主要參數來選擇液壓元件、輔件和原動機的規(guī)格。最后對液壓機的技術性能進行估算，以便從幾種設計方案中比較出最佳方案，或判斷其設計質量。本文中進行了：系統壓力損失計算，系統效率計算，系統發(fā)熱與溫升計算，液壓沖擊計算等。
關鍵詞：壓磚機；本體結構；優(yōu)化設計
Abstract
The design and manufacturing level of hydraulic automation tile press has taken remarkable achievement not only by introduction, duplication and digestion of oversea advanced equipment, but also by independent manufacturing of hydraulic automation tile press with knowledge authorization. Although the technological parameters and functions of domestic hydraulic automation tile press has been gained or exceeded partly oversea advanced technological level of hydraulic automation tile press, design on the hydraulic system is based on working experience with less theoretic research. Therefore, it is positive to do theoretic base research on hydraulic system to improve, optimize hydraulic system, shorten cycle time and increase production. Learn the whole construction of the hydraulic jewel press machine, and figure up the strength of the main components to ensure its safe running.?Pressure and flow capacity are the main parameter of hydraulic system, according to which we can calculate and choose the specifications of elements, auxiliaries and the prime motor. And last,estimate the technical data of hydraulic press to cull a best one from the several designed plans, or to judge its quality.? This paper contains: calculations of system pressure, system efficiency, system heat emitting and temperature raising, hydraulic shock and so on.?
key words: brick press noumenon configuration optimum design
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目錄
1 緒論…………………………………………………………………………………………..1
1.1液壓壓磚機的現狀與發(fā)展趨勢…………………………………………………………..1
1.1.1國內液壓壓磚機的現狀與發(fā)展趨勢………………………………………………….1
1.1.2國外液壓壓磚機的現狀與發(fā)展趨勢………………………………………………….2
2 設計計算的內容和步驟……………………………………………………………………..4
3 液壓機本體結構及設計計算………………………………………………………………..5
3.1液壓壓磚機液壓系統的組成及功能……………………………………………………..5
3.2液壓壓磚機的液壓回路…………………………………………………………………..5
3.3本體結構的選擇…………………………………………………………………………..5
3.4立柱的強度計算…………………………………………………………………………..6
3.5橫粱的強度與剛度計算…………………………………………………………………..7
4 確定液壓系統的主要參數…………………………………………………………………..11
4.1 初選系統壓力…………………………………………………………………………….11
4.2 計算液壓缸主要尺寸及其選擇………………………………………………………….11
4.3 計算液壓馬達排量……………………………………………………………………….15
4.4 計算液壓缸或液壓馬達流量…………………………………………………………….16
4.4.1液壓缸的最大流量…………………………………………………………………….16
4.4.2 液壓馬達的最大流量…………………………………………………………………16
4.5 液壓馬達的選用………………………………………………………………………….17
5 擬訂液壓系統圖……………………………………………………………………………..18
5.1 確定和選擇基本回路…………………………………………………………………….18
5.2 調速方式的選擇………………………………………………………………………….18
5.3 油路循環(huán)形式的選擇…………………………………………………………………….19
5.4 需要綜合考慮的其他問題……………………………………………………………….19
6 液壓元件的選用……………………………………………………………………………...21
6.1 液壓泵的選擇……………………………………………………………………………..21
6.1.1 確定液壓泵的工作壓力……………………………………………………………….23
6.1.2 確定液壓泵的流量…………………………………………………………………….23
6.1.3 選擇液壓泵的規(guī)格…………………………………………………………………….24
6.1.4 確定驅動液壓泵的功率……………………………………………………………….24
6.2 控制閥的選擇…………………………………………………………………………….26
6.2.1 壓力控制閥的選擇原則……………………………………………………………….26
6.2.2 流量控制閥的選擇…………………………………………………………………….26
6.2.3 方向控制閥的選擇…………………………………………………………………….26
6.3 蓄能器的選擇…………………………………………………………………………….28
6.4 管道種類的選擇………………………………………………………………………….28
6.4.1 管道內徑的確定……………………………………………………………………….29
6.4.2管道壁厚的確定………………………………………………………………………..30
6.4.3 管接頭的選擇………………………………………………………………………….31
6.5確定油箱容量……………………………………………………………………………..31
6.6 過濾器的選用…………………………………………………………………………….32
6.7 液壓油的選用…………………………………………………………………………….33
7 液壓系統性能估算…………………………………………………………………………...35
7.1 系統壓力損失計算………………………………………………………………………..35
7.2 系統效率估算……………………………………………………………………………..36
7.3 液壓沖擊估算……………………………………………………………………………..37
8 壓制油缸優(yōu)化設計…………………………………………………………………………...39
8.1前言………………………………………………………………………………………...39
8.2單層厚壁油缸的應力和應變分析………………………………………………………...39
8.3薄壁油缸的應力和應變分析……………………………………………………………...41
8.3.1油缸壓力為零時，薄壁油缸的應力和應變…………………………………………..42
8.3.2油缸應力為P時，薄壁油缸的應力和應變…………………………………………..43
8.4薄壁油缸的優(yōu)化設計……………………………………………………………………...44
8.4.1優(yōu)化目標的提出………………………………………………………………………..44
8.5總結………………………………………………………………………………………...45
結論……………………………………………………………………………………………...46
致謝……………………………………………………………………………………………...47
參考文獻………………………………………………………………………………………...48
附錄……………………………………………………………………………………………...49
附錄1………………………………………………………………………………………..49
附錄2……………………………………………………………………………………….58
1 緒 論
全自動液壓壓磚機是集機、電、液、氣、計算機技術和陶瓷工藝技術高度一體化的高科技專用設備，也是當代世界墻地磚生產線上最關鍵的裝備。說它專用，主要是出于它的加工原料為含少量水的噴霧干燥顆粒狀泥粉料，成形工藝技術是按照特定的升壓線實施多次加壓及排氣，有別于一般的液壓力機。說它關鍵，主要是在流水線上作業(yè)，前面連接著原料加工，后面連接著干燥燒成，壓磚機能否正常應對前后的環(huán)節(jié)的生產，甚至對整條流水線的正常運轉都有著重大的意義。
1.1 液壓壓磚機的現狀與發(fā)展趨勢
1.1.1 國內液壓壓磚機的現狀與發(fā)展趨勢
中國現已是世界公認的墻地磚生產大國，有著世界最大的壓磚機市場。但在壓磚機上，卻一直依賴于進口，其中主要來年自意大利和德國，自國家“七五”計劃以來，由國家建材局組織實施的墻地磚技術裝備現代化和國產化項目不斷取得進步，在自主開發(fā)與國外先進技術相結合，引進技術與消化吸收相結合的方針指導下，國產液壓壓磚機取得了從無到有、從小到大的重大發(fā)展和技術進步，填補了國內空白，并且產品還開始出口到東南亞等國。目前國內己生產出從百噸到萬噸等多種規(guī)格的液壓壓磚機，累計達近萬臺。國產液壓壓磚機在主要技術參數、主要技術性能、主機結構、液壓系統、電路系統等方面己達到國外先進水平，能在上線生產可靠運行，完全可替代進口相同噸位壓磚機。國內已掌握液壓壓磚機的設計和制造技術，具有設計、制造各種結構和各種噸位壓磚機的能力和經驗。隨著壓磚機的種類越來越齊全，噸位越來越大，技術越來越成熟，一批批擁有豐富理論知識和實際經驗的專業(yè)科研隊伍逐步形成。相信在不久以后，在世界的舞臺上，中國將會成為壓磚機強國，國產壓磚機將會起著舉足輕重的作用，也必將為社會發(fā)展作出重大貢獻。
與國外的液壓壓磚機相比，雖說國產壓磚機在主要技術參數、主機結構型式以及液壓元件、密封件、電氣元件的選用上，它們已無多大區(qū)別，但在壓磚機的性能、質量、可靠性、工藝水平、外觀等方面尚有一定的差距。要盡快趕上或超過國外液壓壓磚機的水平，還應該做好幾點工作:
1)繼續(xù)研究和完善液壓壓磚機的主機結構、液壓系統、電控部分，使之特點化，國外產品的共同點都是以液壓機構為工作機構，引入當代的科技成果，逐步完善，最終走向機電液一體化的高技術裝備，但他們又都保持著企業(yè)的特點，如在液壓油路的設計、控制顯示手段、機架結構、布料系統設計等。因此，行業(yè)人士看壓磚機，一看就知道是什么壓磚機，又都知道是哪個公司生產的壓磚機，也能評論這些壓磚機的優(yōu)點與劣勢。
2)時刻關注國外液壓壓磚機的最新技術，及時消化吸收并創(chuàng)新體現在國內的液壓壓磚機上，使國產液壓壓磚機能跟隨科技進步和市場需求的變化不斷改進產品，開發(fā)新產品。國外的壓磚機企業(yè)緊跟行業(yè)終端產品而開發(fā)，緊跟社會的新科技不斷提高，在這一點上值得國內同行借鑒。
3)成本意識有待提高，在保證液壓壓磚機的可靠性、先進性和精品的前提下，應注意降低制造成本，使國產液壓壓磚機價格低于國外液壓壓磚機，增強市場競爭力。
1.1.2 國外液壓壓磚機的現狀與發(fā)展趨勢
從20世紀70年代至今，國內外墻地磚壓制成形機械設備有了很大的發(fā)展，取得了長足的進步。意大利、德國、日本、中國等國家的一些陶瓷機械制造公司不斷推出了一大批結構日益完善、生產效率高、自動化程度高的全自動液壓壓磚機。這些全自動液壓壓磚機總的特點是壓制力大，主機結構剛度大，壓制制度(壓力、壓制速度、壓制時間)靈活可調，各種參數數字顯示，壓制過程監(jiān)控，故障跟蹤顯示，程序存儲方便，自動化程度高，高效節(jié)能，性能可靠，操作維護簡單，并且可以滿足不同墻地磚壓制成形工藝的要求。
意大利是墻地磚壓制成形機械設備主要生產國，有薩克米(Sacmi )、西蒂(SiTi),娜塞提(Nassetti )、唯高(Welko )四家公司。德國生產全自動液壓壓磚機的公司有萊斯·布赫(LAEIS BUCHER)公司、道爾斯特(DORST)公司、內奇(Netzsch )公司，但目前國內使用的德國墻地磚成形液壓壓磚機主要是萊斯.布赫公司制造。
綜觀國外全自動液壓壓磚機近幾年的發(fā)展，結合國內外等多家液壓壓磚機產商的產品特點，不難概括出今后全自動液壓壓磚機的發(fā)展趨勢:
1)朝大噸位發(fā)展
3000, 4000, 5000, 7200噸等系列大噸位液壓壓磚機已于數年前進入市場，有消息稱，10000噸以上液壓壓磚機也己投入生產。
2)推出寬臺面的液壓壓磚機
不少公司推出了一些寬臺面的液壓壓磚機，增加磚坯的壓制塊數，以提高生產率。
3)液壓系統趨于簡化，注重系統的節(jié)能
最典型的是國外液壓壓磚機液壓系統動力源己從傳統的定量泵驅動發(fā)展為新型的高效變量泵驅動。增加了一些壓力能回收油路，盡量減少能量消耗。
4)注重液壓系統的清潔和過濾
因為液壓系統的故障75%均由于是液壓油的不潔而造成的，故各公司都十分注重液壓系統的清潔和液壓油的過濾，普遍采用全過濾方式(即在主泵的進、出口均設置過濾器)，提高過濾精度。
5)增加機架的整體剛性，減少壓制時機架的彈性變形
6)大量采用電液比例控制技術
電液比例技術是作為連接現代電子技術和大功率液壓設備之間的橋梁，已經成為現代控制工程技術的基本構成之一，在近15年中得到了廣泛應用。它具有節(jié)能、可靠、簡化系統、調節(jié)方便和價格較低等優(yōu)點。國外液壓壓磚機首先在料車的速度控制上應用了電液比例控制技術，其后應用到活動橫梁的速度控制上，近年來又有應用到頂模裝置的速度控制上。采用電液比例控制技術和先進的檢測元件，可使料車速度、活動橫梁速度、頂模裝置的速度在任意行程任意位置實現無級調節(jié)與轉換，且轉換位置準確，重復精度高，調節(jié)方便、易實現。
7)采用先進的PLC控制系統
可實現各種參數的自動顯示，壓制程序的修改，過程的監(jiān)控，故障診斷的實時幫助和隨機教學等功能。
8)全新概念的布料系統
為滿足人們對磚坯裝飾的要求越來越高，使生產的磚達到天然石材的效果，因此近兩年來在布料系統上做了許多的研究和改進，如二次布料裝置、自由布料技術等。
2 設計計算的內容和步驟
液壓系統有液壓傳動系統和液壓控制系統之分。前者以傳遞動力為主，追求傳動特性的完善；后者以實施控制為主，追求控制特性的完善。但從結構和組成原理看，二者無本質的差別。本次設計，是液壓傳動系統的設計。一臺機器究竟采用什么樣的傳動方式，必須根據機器的工作要求，對機械、電力、液壓、和氣壓等各種傳動方案進行全面的方案論證，正確估計液壓傳動的必要性、可行性和經濟性。當確定采用液壓傳動。設計內容和步驟如圖2-1所示。
液壓系統性能估算
是否符合要求
全自動液壓壓磚機壓制油缸優(yōu)化設計
明確設計依據進行工況分析
對立柱和三梁進行強度核算
液壓缸的設計
液壓元件選擇和專用件設計
圖2-1 設計流程圖
3 液壓機本體結構及設計計算
3.1 液壓壓磚機液壓系統的組成及功能
所有的液壓壓磚機液壓系統都是由動力部分、控制部分、執(zhí)行部分及輔助部分四大部分組成。
1)動力部分。動力部分主要由電動機和柱塞泵(或葉片泵)組成，向液壓系統提供壓力油。
2)控制部分?？刂撇糠忠话阌蓧毫刂崎y、方向控制閥、流量控制閥三大類的閥件組成。液壓壓磚機的液壓系統一般將這些閥件組成三大集成塊，即頂模、布料集成塊，系統壓力調節(jié)集成塊和壓制循環(huán)集成塊?？刂撇糠值淖饔檬窃谙尬婚_關(包括行程開關和接近開關)和延時器的配合下，按照壓制成形的工藝要求，控制液壓壓磚機各個執(zhí)行機構動作的先后次序，以實現運動循環(huán)的同步化。
3)執(zhí)行機構部分。執(zhí)行機構是將壓力能轉變?yōu)闄C械能，主要包括油缸和液壓馬達。油缸的作用是實現直線往復運動，將壓力直接傳遞給坯體;液壓馬達是作回轉運動。一般是液壓馬達通過一個帶移動導桿的曲柄導桿機構(曲拐)將液壓馬達的回轉運動變換為料車的往復直線運動。
4)輔助部分。輔助部分主要由油箱、冷卻器(加熱器)、管路與接頭、濾油器、蓄能器等組成。它們的功能是貯存油液、控制油溫、輸送油液、對油液進行過濾、清除油液中的雜質，儲存能量等。
3.2液壓壓磚機的液壓回路
液壓壓磚機的工作原理一般是用一張液壓原理圖(或稱為液壓系統圖)來表示的，它表示液壓壓磚機液壓系統各執(zhí)行元件能實現的動作循環(huán)及控制方式，一般還配有一張壓制曲線圖，即表示電磁鐵得失電的工作循環(huán)圖。通過液壓原理圖可以分析構成液壓壓磚機的液壓回路由哪些基本回路構成，回路的特點和基本性能等;可以分析各執(zhí)行機構每一個動作時的液壓油走向，從中找出各液壓元件的作用，各液壓元件的相互影響。因此熟悉掌握液壓壓磚機的液壓原理圖是從事液壓壓磚機設計、使用、調整、維修及排除設備液壓故障等方面工作的工程技術人員和技術工人的基本功，也是排除液壓壓磚機液壓故障的基礎，是查找液壓故障的一種最基本的方法。
3.3本體結構的選擇
液壓機本體結構設計應考慮以下三個基本原則：
1)盡可能好地滿足工藝要求，便于操作；
2)具有合理的強度與剛度，使用可靠，不易損壞；
3)具有很好的經濟性，重量輕，制造維修方便。
其中，工藝要求是最主要的影響因素。由于在液壓機上進行的工藝是多種多樣的，因此液壓機的本體結構型式也必然是多種多樣的。從機架型式看，有立式與臥式。從機架組成方式民有立拄式、單臂式和框架式，立往式中又分四柱、雙注、三住及多住等。從工作缸的數量看，有單缸，三缸或多缸。
雙柱下拉式
在過去傳統的三梁四柱式結構中，液壓機本體的重心高出地面很多，穩(wěn)定性控差。
60年代開始，出現下拉式(下傳動)結構，如圖所示，它由兩根立柱及上、下橫梁組成一個可動的封閉式框架，工作缸安裝在下橫梁上，也隨框架一起運動，而工作柱塞則固定在不動的固定梁上。固定梁上還裝有立校的導套和回程缸，立柱按對角線布置。
下拉式結構的優(yōu)點為：
1)壓機重心低幾乎與地面處于同一水噸因此穩(wěn)定性好。在偏心載荷作用T，當下拉式結構機架變形很大冰重心S仍在原位，而在上傳動結構中。在偏線作用下，重心S偏移很多，從而引起機架的嚴重晃動。
2)工作缸在地面以下，地面上幾乎沒有什么管道，當用油為工作介質時，不易著火，比較安全。管道連接處不受壓機晃動或機架變形的影響，不易損壞。
3)上橫梁寬度不決定于工作缸外徑，因此上橫梁可設計得較窄，便于操作。
4)立柱按對角線布置，立縱橫兩個方向上可布置活動工作臺及橫向移砧裝置，操作工人右較寬廣的工作視野，壓機輔助工具也有較大的工作空間。
5)壓機地面上高度小，可安裝在高度較低的車間里。
但其缺點為：
1)地坑深度大大加深，地下工程量較大。
2)運動部分質量較大，慣性大。
由于下拉式結構具有較多的優(yōu)點，因此得到迅速推廣。中小型鍛造液壓機中近年逐漸采用此種結構。
由以上優(yōu)缺點比較，故HF1100全自動液壓機采用本機架結構。
3.4 立柱的強度計算
本液壓機立柱的初步設計尺寸為 d=23.4cm(立柱光滑部分直徑)
退刀槽處過渡圓角半徑r為3 cm。立柱材料為45#鋼正火處理。則立柱下端上螺紋到光滑部分過渡區(qū)局部結溝尺寸的最小直徑為20.4cm。
由于是小型液壓機，應將立柱考慮為插入端的懸臂梁，m=0.25。
e為載荷作用點相對液壓機中心線的偏心距，此處取e=2
式（3-1）
4F= = ×=1.31× 式（3-2）
0.1 =0.1×=8.49×
式（3-3）
=
＜=2000×
疲勞強度核算
由于已設計退刀槽處過渡圓角半徑r為30mm
式（3-4）
式（3-5）
從有關資料[14]中查出理論應力集中系數值為1.46，對于45#鋼，正火狀態(tài)，q值可取
為0.70，則有效應力集中系數為：
=1+q(－1)=1+0.7(1.46－1)=1.32 式（3-6）
則=1.321487=1962×
而〔〕為2000×，因此該機架結構是安全的。
3.5橫粱的強度與剛度計算
(1)概述
三個橫梁(上橫梁、活動橫梁及下橫梁)外形輪廓尺寸很大，為了節(jié)約金屬和減輕重量，一般做成箱形，在安裝各種缸、柱塞及立柱的地方做成圓筒形，中間加設筋板，承載大的地方筋板較密，以提高剛度，降低局部應力。合理地布置筋板，可以使橫梁重量輕，又有足夠的強度和均勻的剛度。筋板一般按方格形或輻射形布置。
橫梁由鑄造或焊接制成，目前以鑄造為多，一般采用ZG35B鑄鋼，2000KN以小液壓機也有用鑄鐵的。在設計鑄造橫梁時，應注意使各部分厚度沒有突然的變化，以避免不均勻冷卻而產生內應力，在各處連接過渡區(qū)應有較大的圓角。
隨著軋制板材和焊接技術的發(fā)展，鋼板焊接橫梁也日益增多，其特點為加工周期短結構重量輕、強度高及外形美觀。一般采用A3或16Mn板材。但大型焊接橫梁要求焊接技術較高，焊后整體退火往往要求大型熱處理設備，特別是由于焊接應力及變形規(guī)律不易掌握，使用時易產生裂紋，因此受到一定限制。
(2)上橫梁的強度及剛度計算方法
由于上橫梁的剛度遠大于立拄的剛度，因此可以將上橫梁簡化為簡支梁，支點間距離為寬邊立柱中心距。工作缸壓力簡化為作用于法藍半圓環(huán)重心上的兩個集中力。圖3-1為經過以上簡化的單缸液壓柱上橫粱受力圖。
最大彎矩在梁的中點
圖3-1 單缸液壓機上梁受力簡圖
式中 P--液壓機公稱壓力(N)；
D--缸法藍的環(huán)形接觸面平均直徑(cm)；
--立柱寬邊中心距(cm)。
最大剪力為
最大撓度在梁的中點，由于梁的跨度與高度相比不是很大，因此應考慮剪力對撓度的影響，梁中點的撓度為
式（3-7）
式中 E——梁的彈性模量；
J——梁的截面慣性矩；
G——梁的剪切彈性模量；
F——梁的截面積，
K僅與截面形狀及尺寸有關，矩形截面K＝1.2
本液壓機的設計中， P=1.1N
D==17.83cm
t=166cm
Q==5.5N
將以上數據代入最大撓度計算公式得
=0.336mm
相對撓度 =mm/M＞0.15mm/M 式（3-8）
比允許值大，所以剛度適中，強度方面是安全的。
(3)活動梁的強度
對單缸液壓機，一般只校核活動橫梁承壓面上的擠壓應力，如材料為ZG35，則許用擠壓應力為（800~1200）。對三缸液壓機，在兩側缸加壓時，活動橫梁承受彎矩。對于大型液壓機，尚需考慮活動橫梁的自重G。
活動橫梁很少因為強度不夠而損壞，但生產中曾出現過違章操作將活動橫梁壓在限程套上加壓而引起破壞。
再此，關于活動橫梁的強度校核就不做過多闡述。
（4）下橫梁的強度及剛度計算
本設計中液壓機下橫梁的載荷為均布載荷分布，受力簡圖如圖3-2
圖3-2
最大彎矩為
式中 q為均布力 q= 式（3-9）
=
=8333.33
為均布力分布寬度，若設=
最大彎矩為
=
式（3-10）
最大撓度為
式（3-11）
本設計中，=166cm
K=1.2
由上已知條件得 mm
=＞0.15mm/M 式（3-12）
比允許值大，所以剛度適中，強度方面是安全的。
4 確定液壓系統的主要參數
壓力和流量是液壓系統的主要參數。根據這兩個參數來計算和選擇液壓元、輔件和原動機的規(guī)格。當系統壓力選定后，液壓缸的主要尺寸或馬達排量即可確定，接著就可根據液壓缸的速度或液壓馬達的轉速確定其流量。
4.1 初選系統壓力
以下表4-1是目前我國幾類機械常用的系統工作壓力，他反映了這些系統繁榮特點和選用工作壓力的經驗。
表4-1機械常用的系統壓力
設備類型
機床
農用機械、小型工程機械及輔助機構
液壓機、中大型挖掘機重型機械
磨床
組合機床
龍門刨床
拉床
系統壓力
（MPA）
0.8～2
3～5
2～8
8～10
10～16
20～32
系統壓力選定得是否合理，直接關系到整個系統設計的合理程度。在液壓系統功率一定的情況下，若系統壓力選得過低，則液壓元、輔件的尺寸和重量就增加，系統造價也相應增加；若系統壓力選得過高，則液壓設備的重量、尺寸和造價會相應降低。例如，飛機液壓系統的壓力從21MPa到28MPa，則其重量下降約5％，所以以及減小13％。然而，若系統壓力選得過高，由于對制造液壓元、輔件的材質、密封、制造精度等要求的提高，反而會增大液壓設備的尺寸、重量和造價，其系統效率和使用壽命也會相應下降，因此不能一味追求高壓。就目前的技術和材質情況，一般認為選取壓力為35MPa左右為最經濟。
根據此表，本次設計選系統壓力為32MPa。
4.2 計算液壓缸主要尺寸及其選擇
如何從現有國產液壓缸四大系列若干種規(guī)格中，選用所需要的液壓缸，應綜合考慮以下兩個方面：
1)應從占用空間的大小、重量、剛度、成本和密封性等方面，比較各種液壓缸的缸筒、缸蓋、缸底、活塞、活塞桿等零部件的結構形式、各零部件的連接方式，已經油口連接方式，密封結構、排氣和緩沖裝置等。
2)應根據負載特性和運動方式綜合考慮液壓缸的安裝方式，使液壓缸只受運動方向的負載而不受徑向負載。液壓缸的安裝方式有法蘭型、銷軸型、耳環(huán)型、拉桿型等安裝方式，在選定時，應使液壓缸不受復合力的作用并應考慮易找正性、剛度、成本和可維護性等。綜合考慮液壓缸的結構和安裝方式后，即可確定所需液壓竿的規(guī)格
液壓缸由缸筒、活塞、活塞桿、端蓋和密封件等主要部件構成。液壓缸可作成缸筒固定活塞桿運動形式和活塞桿固定缸筒運動形式。本設計所采用的是缸筒固定活塞桿運動形式。為滿足各種機械的不同用途，液壓缸種類繁多，其分類根據結構作用特點，活塞桿形式、用途和安裝支撐形式來確定。按供油方式可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只往缸的一側輸入壓力油，活塞僅作單向出力運動，靠外力使活塞桿返回。雙作用缸則分別向缸的兩側輸入壓力油，活塞的正反向運動均靠液壓力來完成。由《液壓氣動系統設計手冊》得知，工程液壓缸為雙作用單活塞桿液壓缸，安裝方式多采用耳環(huán)型。
所以本液壓系統選用雙作用單活塞桿液壓缸 如圖4-1
液壓執(zhí)行元件實質上是一種能量轉換裝置，液壓缸把輸入液體的液壓能轉換成活塞直線移動或葉片回轉擺動的機械能予以輸出。所謂輸入的液壓能是指輸入工作液體所具有的流量Q和液力P，輸出的機械能對活塞桿缸是指葉片軸擺動時所具有的速度V和扭矩M。這些所有參數都是靠工作容積的變化來實現的，所以說，液壓缸也是一種容積式的執(zhí)行元件，它具有容積液壓元件的共性。
圖4-1 液壓缸計算簡圖
本設計采用雙作用單活塞桿油缸，
當無桿腔為工作腔時
式（4-13）
有桿腔為工作腔時
式（4-14）
式中
當用以上公式確定液壓缸尺寸時，需要先選取回油腔壓力，即背壓P2和桿徑比d/D.表4-2所列為根據回路特點選取背壓的經驗數據。
表4-2 背壓經驗數據
回路特點
背壓（MPA）
回路特點
背壓（MPA）
回油路上設有節(jié)流閥
0.2~0.5
采用補油泵的閉式回路
1~1.5
回油路上有背壓閥或調速閥
0.5~1.5
根據上表選P2為0.5
桿徑比d/D一般下述原則選?。?
當活塞桿受拉時，一般取d/D=0.3~0.5,當活塞桿受壓時，為保證活塞桿的穩(wěn)定性，一般取d/D=0.5~0.7。桿徑比d/D還常常用液壓缸的往返速比i=v2/v1（其中v1,v2分別為液壓缸的正反行程速度）的要求來選取，其經驗數據如表4-3所列。
表4-3 液壓缸常用往返速比
i
1.1
1.2
1.33
1.46
1.61
2
d∕D
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.7
一般工作機械返回行程不工作，其速度可以大一些，但也不宜過大，以免產生沖擊。一般認為i≤1.61較為合適。如采用差動連接，并要求往返速度一致時，應取=，即d=0.7D.即d/D=0.7,即i=2。
由此可求出液壓缸的內徑為：D=138，
表4-4 液壓缸內徑尺寸系列
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
根據上表，將所得液壓缸尺寸圓整到標準值為D=140
計算得活塞桿直徑d=80
表4-5 活塞桿直徑系列
4
5
6
7
8
10
12
14
16
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
以上兩表分別選自（GB2348-80），圓整到此標準值，是為制造時采用標準的密封件。此外，也可已確定的D值在下表中直接查出d值：
表4-6 不同缸內徑和往返速比的活塞桿直徑
缸內徑
D
往返速比
2
1.46
1.33
1.25
1.15
40
28
22
20
18
14
50
35
28
25
22
18
63
45
35
32
28
22
80
55
45
40
35
28
90
60
50
45
40
32
100
70
55
50
45
35
110
80
60
55
50
40
125
90
70
60
55
45
140
100
80
70
60
50
160
110
90
80
70
55
180
125
100
90
80
63
200
140
110
100
90
70
由此，液壓缸內徑與活塞桿直徑變?yōu)橐阎?，所以又可求出液壓缸無桿有效面積分別為32400、23300。
根據以上分析及《液壓氣動系統設計手冊》本設計選取的液壓缸的型號為。其缸徑為140mm,活塞桿直徑為80mm，速比為1.46，推力為246.3KN，拉力為165.88KN，最大行程為4000mm。
4.3 計算液壓馬達排量
液壓馬達是用來拖動外負載做功的，它將油液的壓力能轉換成旋轉形式的機械能。按照其工作職能，屬于執(zhí)行元件。
液壓馬達的主要性能參數包括排量、流量和容積效率。排量是指在沒有泄露的情況下，馬達每轉一轉所需要的液壓油的體積。排量恒定不變的馬達叫做定量馬達，排量可以調節(jié)的馬達叫變量馬達。
流量是指馬達在單位時間內所需要的液壓油的體積。與液壓泵一樣，液壓馬達的流量也有理論流量和實際流量之分。如果液壓馬達的排量為Q，欲使馬達以轉速q旋轉，則所需要的理論流量Q=nq.但泄漏不可避免。
液壓馬達的排量
式（4-15）
式中
根據上式可求得液壓馬達排量為450m/r
4.4 計算液壓缸或液壓馬達流量
4.4.1 液壓缸的最大流量
式（4-16）
式中
A— 液壓缸的有效面積（）
則4.
4.4.2 液壓馬達的最大流量
式（4-17）
式中
則456L/min
4.5 液壓馬達的選用
以已確定的液壓馬達的基本參數、排量、轉拒、轉速、工作壓力，作為依據，再從滿足基本參數的若干中液壓馬達中挑選轉速范圍、滑差特性、總效率、容積效率等符合系統要求，并從占用空間、安裝條件以及在工作機構上的布置等方面綜合考慮后，擇優(yōu)選定。
由于本設計為小型液壓機，所以選用柱塞馬達。其技術參數為：型號為A6V，最大排量為28.1~500mL/r,最高壓力為40Mpa，最大理論轉矩為143~2543N.m。
5 擬訂液壓系統圖
擬訂液壓系統圖是液壓系統設計中的一個重要步驟。這一步要做的工作：一是選擇基本回路，二是把選出的回路組成液壓系統。下面概要的介紹一下:
5.1 確定和選擇基本回路
表5-1 液壓馬達的應用范圍
馬達類型
適用工況
應用實例
馬達類型
適用工況
應用實例
齒輪馬達
負載轉矩不大，速度平穩(wěn)性要求不高
鉆床、風扇
軸向柱塞馬達
負載速度大，有變速要求，負載轉矩較小，低速平穩(wěn)性要求高
起重機、鏟車、鉸車、內然機車、數控機床
葉片馬達
負載轉矩不大，要求燥聲較小
磨床回轉工作臺，機床操縱系統
球塞馬達
負載轉矩較大，速度中等
塑料機械、行走機械等
擺線馬達
負載速度中等，要求體積較小
塑料機械、煤礦機械、挖掘機、行走機械
內曲線徑向馬達
負載轉矩很大，轉速低，平穩(wěn)性要求高
挖掘機、拖拉機、起重機、采煤機牽引部件
它是決定主機動作和性能的基礎，是構成系統的骨架。這就要抓住各類機器液壓系統的主要矛盾。如對速度的調節(jié)、變換和穩(wěn)定要求較高的機器，則調速換接回路往往是組成這類機器液壓系統的基本回路；對輸出力、力矩或功率調節(jié)有主要要求而對速度要求無嚴格要求的機器，如本挖掘機，其功率的調節(jié)和分配是系統設計的核心，其系統特點是采用復合油路、功能調節(jié)回路等。為了說明本設計液壓系統的動作過程，以后將介紹動臂提升回路和行走回路。
5.2 調速方式的選擇
由于驅動液壓泵的原動機有電動機和內燃機兩種，所以液壓系統的調速方式也相應有減壓調速和油門調速兩種方式。如液壓機等，一般用電動機做原動機，其液壓系統一般只能用液壓調速；而象本設計所設計的工程機械等多用內燃機做原動機，其液壓系統既可采用油門調速又可采用液壓調速，經比較，選用液壓調速。
油門調速，就是通過調節(jié)內燃機發(fā)動機油門的大小來改變發(fā)動機的轉速（即改變液壓泵的轉速），從而改變液壓泵的流量，以達到對執(zhí)行機構的調速要求，實質上是一種容積調速。油門調速無溢流損失，可減少系統發(fā)熱，但調速范圍受到發(fā)動機最低轉速的限制，因此還往往配以液壓調速。
液壓調速分為節(jié)流調速、容積調速和容積節(jié)流調速三大類。主要根據工況圖上壓力，流量和功率的大小，以及系統對溫升、工作平穩(wěn)性的要求來選擇調速回路。例如，壓力較低、功率較小、負載變化不大、工作平穩(wěn)性要求不高的場合，宜選用節(jié)流閥調速回路；功率較小、負載變化較大、速度平穩(wěn)性要求較高的場合，宜采用調速閥調速回路；功率中等，要求溫升小時，可采用容積調速；即要溫升小又要工作平穩(wěn)性較好時。宜采用容積節(jié)流調速；功率較大（25KW）以上，要求溫升小而穩(wěn)定性，要求不高的情況，宜采用容積調速回路。如本設計。
5.3 油路循環(huán)形式的選擇
液壓系統的油路循環(huán)形式有開式和閉式兩種。這主要取決于系統的調速方式：節(jié)流調速、容積節(jié)流只能采用開式系統；而容積調速多 采用閉式系統。開式與閉式系統的比較下表5-2。根據分析，本系統采用開式油路循環(huán)形式，即執(zhí)行元件的排油回油箱，油液經過沉淀、冷卻后再進入液壓泵的進口。
5.4 需要綜合考慮的其他問題
1)要注意防止回路間可能存在的相互干擾
2)提高系統效率，防止系統過熱
這就要求在選擇回路以及整個設計過程中，力求減少系統的壓力和容積損失。
3)防止液壓沖擊
由于工作機構運動速度的變換（啟動、變速、制動）工作負載突然消失以及沖擊性負載等原因，往往會產生液壓沖擊，影響系統的正常工作。這需要采取相應的防止措施。對液壓缸到達行程終點因慣性引起的沖擊，可在液壓缸端部設緩沖裝置或采用行程節(jié)流閥回路；對負載突然變化時產生的沖擊，可在回路上加背壓閥；如為沖擊性負載，可在執(zhí)行元件的進出口處設置動作敏捷的超載安全閥；為防止由于換向閥換向過快而引起的沖擊，可采用換向速度可調的電液換向閥等；對于大型液壓機，由于困在液壓缸內的大量高壓油突然釋壓而引起的沖擊，可采用節(jié)流閥以及帶卸壓閥的液控單向閥等元件控制高壓油逐漸卸壓的方法，來防止沖擊。
表5-2 開式與閉式系統的比較
循環(huán)形式
開式
閉式
適應工況
一般均能適應，一臺液壓泵可向多個執(zhí)行元件供油
限于要求換向平穩(wěn)、換向速度高的一部分容積調速系統。一般一臺液壓泵只能向一個執(zhí)行元件供油
結構特點和造價
結構簡單，造價低
結構復雜，造價高
散熱
散熱好，但油箱大
散熱差，常用輔助液壓系統泵換向冷卻
抗污染能力
較差，可采用壓力油箱來改善
較好，但油液過濾要求較高
管路損失及功率
管路損失大，用節(jié)流調速時，效率低
管路損失較小，用容積調速時，效率較高
4)確保系統安全可靠
液壓系統運行中的不穩(wěn)定因素是多樣的，例如異常的負載、停電、外部環(huán)境條件的急劇變化，操作人員的誤操作等，都必須有相應的安全回路或措施，確保人身和設備安全。例如，為了防止工作部件的漂移、下滑、超速等，應有鎖緊、平衡、限速等回路；為了防止操作者的誤操作，或由于液壓元件失靈而產生誤操作，應有誤動作防止回路等。
5)應盡量采用標準化、通用化元件，這可縮短制造周期便于互換和維修。
6 液壓元件的選用
6.1 液壓泵的選擇，參照下表6-1選擇：
表6-1 液壓泵的性能和應用范圍
類型
性能
參數
齒輪泵
葉片泵
螺
桿
泵
柱塞泵
內嚙合
外
嚙
合
單
作
用
雙
作
用
軸向
徑
向
軸
配
流
直
軸
端
面
配
流
斜
軸
端
面
配
流
閥
配
流
楔
塊
式
擺
線
轉
子
壓力范圍
小
于30
1.6
~
16
小
于25
小
于6.3
6.3
~
32
2.5
~
10
小
于
40
小
于
40
小
于70
10
~
20
排量范圍
0.8
~
300
2.5
~
150
0.3
~
650
1
~
320
0.5
~
480
1
~
9200
0.2
~
560
0.2
~
3600
小
于420
20
~
720
續(xù)表6－1
類型
性能
參數
齒輪泵
葉片泵
螺
桿
泵
柱塞泵
內嚙合
外
嚙
合
單
作
用
雙
作
用
軸向
徑
向
軸
配
流
楔
塊
式
擺
線
轉
子
直
軸
端
面
配
流
斜
軸
端
面
配
流
閥
配
流
流量脈動
1
~
3
小
于
等
于
3
11
~
27
小
于
1
1
~
5
1
~
5
小
于
等
于
14
小
于
2
小
于
等
于14
應用范圍
機床、工程機械、農業(yè)機械、航空、船舶、一般機械
機床、注塑機、液壓機、起重機、工程機械、飛機
精密機床食品化工
工程機械、鍛壓機械、運輸機械、礦山機械、冶金機械、船舶、飛機等
根據此表，可選擇單作用葉片泵，又經查表得，型號CY14—1B，排量為2.5~25.mL/r,轉數為1000~1500r/min，工作壓力為32MPa。
6.1.1 確定液壓泵的工作壓力
液壓泵的最大工作壓力為
式（6-1）
—執(zhí)行元件的最大工作壓力
—液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間的壓力損失。初算時可按經驗數據選?。汗苈泛唵?、流速不大的取;管路復雜、流速較大的取。而見下表：
表6-2 泵工作時的最高壓力
工況
缸工作壓力
進油管道損失
泵最高壓力
說明
快進
9.7
5.4
15.1
工進
36.5
7.0
43.5
快退
16
3.5
19.5
有計算查表已知，執(zhí)行元件的最大工作壓力為40，壓力損失選取1.0，則液壓泵的最大工作壓力為：2
=36.5+1.0=37.5MPa 式（6-2）
6.1.2 確定液壓泵的流量
多液壓缸同時動作時，液壓泵的流量要大于同時動作的幾個液壓缸所需的最大流量，并要考慮系統的漏損和液壓泵磨損后容積效率的下降，由于本設計 采用差動液壓缸回路時，液壓泵所需流量為：
式（6-3）
式中 — 分別為液壓缸有桿腔、無桿腔的有效面積；
— 活塞的最大移動速度。
K—系統泄漏系數，一般取1.1~1.3；大流量取小值，小流量取大值；在確定流量時，尚需加上溢流閥的最小溢流量，一般取2~3L/min。
經計算為：，由表6-1可知小于等于14L/min.，選用12L/min.
6.1.3 選擇液壓泵的規(guī)格
按照系統中擬訂的液壓泵的形式，根據其最大工作壓力和流量，參照產品樣本就可選擇液壓泵的規(guī)格。CY14—1B。
需要指出的是，按上式確定的僅是系統靜態(tài)時，液壓泵的最大工作壓力。系統工作過程中存在過渡過程的動態(tài)壓力，其數值往往要比靜態(tài)壓力大得多，液壓泵也不例外。故所選液壓泵的最大工作壓力不但不得超過該泵的額定壓力，從安全性、可靠性考慮，還應留有較大余地。一般推薦，所選定的液壓泵的額定壓力應比該泵最大工作壓力大25%~60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。高壓系統的壓力儲備宜取小值，中、低壓系統的壓力儲備宜取大值；最高壓力出現時間較短的，其壓力儲備可取小些；反之，應取大些。
另外，液壓泵的轉速與他的壽命、燥聲、氣穴等緊密相關。產品樣本上給出了容許轉速范圍，但一般不使泵在最低、最高轉速下長期運行。特別是用內燃機驅動的液壓泵，當油溫低時，在低速運行，則吸油困難，且因潤滑不良，造成卡咬失效故障；高轉速運行，則易產生氣蝕、震動、異常磨損等有害現象。
6.1.4 確定驅動液壓泵的功率
對于雙連泵，實現快進、工作循環(huán)的回路，所以在計算雙聯泵所需功率時，根據快進、工進兩個階段的工作壓力、流量分別計算其所需驅動功率，然后取較大者。計算過程如下：
當工進時，液壓泵的最大工作壓力為