25KN单柱液压机液压系统方案设计书大学本科参考方案设计书资料.docx
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25KN单柱液压机液压系统方案设计书大学本科参考方案设计书资料
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
全套内容CAD图纸和毕业论文
目录
主要符号表
1概述…………………………………………………………………1
§1.1液压传动发展概况……………………………………………1
§1.2液压传动的工作原理及其组成部分…………………………1
1.2.1液压传动的工作原理……………………………………………1
1.2.2液压传动的组成部分……………………………………………2
§1.3液压传动的优缺点……………………………………………3
2液压系统设计………………………………………………………5
§2.1明确设计要求，制定基本方案………………………………5
2.1.1设计要求………………………………………………………5
2.1.2制定液压系统基本方案…………………………………………5
§2.2液压系统各液压元件的确定…………………………………6
2.2.1液压介质的选择…………………………………………………6
2.2.2拟定液压系统图…………………………………………………7
§2.3液压系统主要参数计算………………………………………9
2.3.1选系统工作压力…………………………………………………9
2.3.2液压缸主要参数的确定…………………………………………9
2.3.3液压缸强度校核………………………………………………10
2.3.4液压缸稳定性校核………………………………………………12
2.3.5计算液压缸实际所需流量………………………………………15
2.3.6绘制液压缸工况图………………………………………………15
§2.4液压阀的选择………………………………………………16
2.4.1液压阀的作用…………………………………………………16
2.4.2液压阀的基本要求……………………………………………16
2.4.3液压阀的选择…………………………………………………16
3液压泵站及其辅助装置……………………………………18
§3.1液压泵站………………………………………………………18
3.1.1液压泵站概述及液压泵站油箱容量系列标准……………………18
3.1.2各系列液压泵站的简述………………………………………19
§3.2液压泵………………………………………………………20
3.2.1液压泵的选择…………………………………………………20
3.2.2液压泵装置……………………………………………………21
§3.3电动机功率的确定…………………………………………22
§3.4液压管件的确定……………………………………………23
3.4.1油管内径确定…………………………………………………23
3.4.2管接头………………………………………………………23
§3.5滤油器的选择………………………………………………23
3.5.1滤油器的作用及过滤精度………………………………………23
3.5.2选用和安装……………………………………………………24
§3.6油箱及其辅件的确定………………………………………24
3.6.1油箱…………………………………………………………24
3.6.2空气滤清器……………………………………………………26
3.6.3油标…………………………………………………………27
4液压缸的设计计算……………………………………………28
§4.1液压缸的基本参数的确定……………………………………28
§4.2液压缸主要零件的结构、材料及技术要求…………………28
4.2.1缸体…………………………………………………………28
§4.3缸盖…………………………………………………………31
4.3.1缸盖的材料……………………………………………………31
4.3.2缸盖的技术要求………………………………………………31
§4.4活塞…………………………………………………………31
4.4.1活塞与活塞杆的联接型式………………………………………31
4.4.2活塞与缸体的密封……………………………………………32
4.4.3活塞的材料……………………………………………………32
4.4.4活塞的技术要求………………………………………………32
§4.5活塞杆………………………………………………………33
4.5.1端部结构………………………………………………………33
4.5.2端部尺寸………………………………………………………33
4.5.3活塞杆结构……………………………………………………34
4.5.4活塞杆材料………………………………………………………35
4.5.5活塞杆的技术要求……………………………………………35
§4.6活塞杆的导向、密封和防尘………………………………35
4.6.1导向套…………………………………………………………35
4.6.2杆的密封与防尘………………………………………………36
§4.7液压缸的缓冲装置…………………………………………36
§4.8液压缸的排气装置…………………………………………36
§4.9液压缸安装联接部分的型式……………………………37
4.9.1液压缸进出油口的联接………………………………………37
4.9.2液压缸的安装方式……………………………………………37
5结论……………………………………………………………………38
致谢………………………………………………………………………39
参考文献………………………………………………………………………40
附录A…………………………………………………………………………41
附录B…………………………………………………………………………53
1、概述
1.1液压传动发展概况
液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，但如从17世纪中叶巴斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，也已有二三百年历史了。
近代液压传动在工业上的真正推广使用只是本世纪中叶以后的事，至于它和微电子技术密切结合，得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以精确控制，更是近10年内出现的新事物。
本世纪的60年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术（微电子技术）等的发展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，使它在国民经济的各方面都得到了应用。
液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性的优势，例如，国外今日生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动。
因此采用液压传动的程度现在已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、数字控制等技术上也有许多新成就。
此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，更日益显示出显著的成绩。
我国的液压工业开始于本世纪50年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和工程机械上。
自1964年从国外引进一些液压元件生产技术、同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。
80年代起更加速了对西方先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、人才培训、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。
1.2液压传动的工作原理及组成部分
1.2.1液压传动的工作原理
驱动机床工作台的液压系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管组成。
它的工作原理：
液压泵由电动机带动旋转后，从油箱中吸油。
油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入压力管后，将换向阀手柄、开停手柄方向往内的状态下，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞和工作台向右移动。
这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管排回油箱。
如果将换向阀手柄方向转换成往外的状态下，则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔，推动活塞和工作台向左移动，并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管排回油管。
工作台的移动速度是由节流阀来调节的。
当节流阀开大时，进入液压缸的油液增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。
为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。
要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。
输入液压缸的油液是通过节流阀调节的，液压泵输出的多余的油液须经溢流阀和回油管排回油箱，这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。
所以，在系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的，它和缸中的油液压力不一样大。
如果将开停手柄方向转换成往外的状态下，压力管中的油液将经开停阀和回油管排回油箱，不输到液压缸中去，这时工作台就停止运动。
从上面的例子中可以得到：
1）动是以液体作为工作介质来传递动力的。
2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传
动是不相同的。
3）压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的，
因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。
1.2.2液压传动的组成部分
液压传动装置主要由以下四部分组成：
1）能源装置——把机械能转换成油液液压能的装置。
最常见的形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油。
2）执行装置——把油液的液压能转换成机械能的装置。
它可以是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。
3）制调节装置——对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。
例
如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。
这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系统。
4）辅助装置——上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。
它们对
保证系统正常工作也有重要作用。
1.3液压传动的优缺点
液压传动有以下一些优点：
1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力，因为
液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出30~40倍。
在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。
液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。
2）液压装置工作比较平稳。
由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置
易于实现快速启动、制动和频繁的换向。
液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达500次/min，实现往复直线运动时可达1000次/min。
3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还
可以在运行的过程中进行调速。
4）液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量或流动方向易
于进行调节或控制的缘故。
当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。
5）液压装置易于实现过载保护。
液压缸和液压马达都能长期在失速状
态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。
液压件能自行润滑，使用寿命较长。
6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、
制造和使用都比较方便。
液压元件的排列布置也具有较大的机动性。
7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。
液压传动的缺点是：
1）液压传动不能保证严格的传动化，这是由液压油液的可压缩性和泄
漏等原因造成的。
2）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失
等），长距离传动时更是如此。
3）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影
响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。
4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价
较贵，而且对油液的污染比较敏感。
5）液压传动要求有单独的能源。
6）液压传动出现故障时不易找出原因。
总的说来，液压传动的优点是突出的，它的一些缺点有的现已大为改善，有的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。
2、液压系统设计
2.1明确设计要求，制定基本方案
2.1.1设计要求
设计要求是进行每项工程设计的依据。
在制定基本方案并进一步着手进行液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面的情况了解清楚。
单柱液压机主机概况：
液压机公称力25KN
液压系统最大工作压力8Mpa
骨块行程125MM
压头下行速度45mm/s
压头上行速度130mm/s
液压系统要完成以下动作循环：
2.1.2制定液压系统基本方案
2.1.2.1确定液压执行元件的形式
在本设计中,液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。
液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。
液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸两类。
活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度。
液压缸除了单个地使用外，还可以组合起来或和其它机构相结合，以实现特殊的功能。
根据参考文献[2]表37.5-1
我们选择活塞缸类中的单杆活塞液压缸，其特点及适用场合见表2-1。
表2-1
名称
特点
适用场合
单杆活塞液压缸
有效工作面积大，双向不对称
往返不对称的直线运动等
2.1.2.2确定液压执行元件运动控制回路
1）为了实现液压缸的进和退，我们选择电磁换向阀作为液压系统的方向控制阀。
电磁换向阀的基本工作原理是通过电磁铁控制滑阀阀芯的不同位置，以改变油液的流动方向。
当电磁铁断电时，滑阀由弹簧保持在中间位置或初始位置（脉冲式阀除外）。
若推动故障检查按钮可使滑阀阀芯移动。
电磁换向阀在液压系统中的作用是用来实现液压油路的换向、顺序动作及卸荷等。
由于电磁铁的推力有限，电磁换向阀应用在流量不大的液压系统中。
2）为了实现其工进，可以选择调速阀或节流阀作为速度控制阀。
节流阀的调节应该轻便、准确。
在小流量调节时，如通流截面相对于阀心位移的变化率较小，则调节的精确性较高。
调节节流阀的开口，便可调节执行元件运动速度的大小。
而调速阀的工作原理：
液压泵出口（即调速阀进口）压力，由溢流阀调整，基本上保持恒定。
调速阀出口处的压力由活塞上的负载决定。
所以当负载增大时，调速阀进出口压差将将减小。
调速阀在液压系统中的应用和节流阀相仿，它适用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。
因此，在本设计中选择调速阀作为速度控制阀。
2.1.2.3液压源系统
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。
在无其它辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。
为节省能源提高效率，液压泵的供油量尽量与系统所需流量相匹配。
油液的净化装置是液压源中不可缺少的。
在此，我们在泵的小口装上粗滤油器。
（进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精滤油器再次过滤。
为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器或其他型式的滤油器。
根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。
2.2液压系统各液压元件的确定
2.2.1液压介质的选择
液压介质应具有适宜的粘度和良好的粘温特性；油膜强度要高，具有较好的润滑性能；能抗氧化，稳定性好；腐蚀作用小，对涂料、密封材料等有良好的适应性；同时液压介质还应具有一定的消泡能力。
选择液压介质时，除专用液压油外，首先是介质种类的选择。
根据液压系统对介质是否有抗燃性的要求，决定选用矿油型液压油或抗燃型液压液。
其次，应根据系统中所用液压泵的类型选用具有合适粘度的介质。
最后，还应考虑使用条件等因素，如环境温度、工作压力、执行机构速度等。
当工作温度在60℃以下，载荷较轻时，可选用机械油；工作温度超过60℃时，应选用汽轮机油或普通液压油。
若设备在很低温度下启动时须选用低凝液压油。
据参考文献[2]表37.3-12中各普通液压油质量指标及应用以及本设计中单柱液压机液压系统的要求选用N32号普通液压油，其各项质量指标见表2-2。
表2-2
名称
N32号普通液压油
代号/原牌号
YA-N32/20号
运动粘度mm2/s（40℃）
28．8~35.2
运动粘度mm2/s（50℃）
17~23
粘度指数≥
90
抗氧化安定性（酸值达2mgKOH/g）≥h
1000
凝点≤℃
-10
闪点（开口）≥℃
170
防锈性（蒸镏水法）
无锈
临界载荷≥N
600
抗泡沫性（93℃）≤ml
起泡50/消泡0
抗磨性（四球，DB）N
800
应用
适用于环境温度0~40℃的各类中高压系统（适用工作压力为6.3-2.1MPa
2.2.2拟定液压系统图
在这种单柱液压机上，实现了“工进→快退→停止”的动作循环（见图2-1）。
可以进行冲剪、弯曲、翻边、装配、冷挤、成型等多种加工工艺。
表2-3示此单柱液压机的动作循环表，图2-2则是这种液压机的液压系统图，其滑块的工作情况如图所示。
图2-1单柱液压机动作循环图
图2-2单柱液压机液压系统图
进油路液压泵1→电磁换向阀2（左位）→单向调速阀3→液压油缸4上腔
回油路液压油缸4下腔→单向顺序阀5→电磁换向阀2（右位）→油箱7
表2-3单柱液压机液压系统的动作循环表
动作名称
信号来源
电磁换向阀2的工作状态
滑块
工进
1YA通电
左位
快退
2YA通电
右位
2.3液压系统主要参数计算
2.3.1选系统工作压力
压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。
还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。
在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。
一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。
公称力为25KN的单柱液压机属小型液压机类型，一般情况下，载荷不会太高，参考资料[2]表37.5-3，初步确定系统工作压力为4MPa。
2.3.2液压缸主要参数的确定
2.3.2.1液压缸设计中应注意的的问题
液压缸的设计和使用正确与否，直接影响到它的性能和易否发生故障。
在这方面，经常碰到的是液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞下垂以及活塞杆的压杆失稳等问题。
所以，在设计液压缸时，必须注意如下几点：
1）尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或受压状态下具有良好的纵向稳定性。
2）考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。
缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应的措施。
但是并非所有的液压缸都要考虑这些问题。
3）正确确定液压缸的安装、固定方式。
如承受弯曲的活塞杆不能用螺纹连接，要用止口连接。
液压缸不能在两端用键或销定们，只能在一端定位，为的是不致阻碍它在受热时的膨胀。
如冲击载荷使活塞杆压缩，定位件须设
置在活塞杆端，如为拉伸则设置在缸盖端。
4）液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到
结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。
2.3.2.2液压缸主要参数的确定
鉴于液压系统的最大工作压力P1=8Mpa>7Mpa由参考文献[1]表5-2推荐初定d=0.7D
取液压缸=0.9则此时活塞所受推力
N
由式（2-1）
=69.45cm2
（2-2）
=9.38cm
则d=0.7·D=6.07cm
参考文献[2]表37.5-8及表37.5-9对这些直径圆整成就近标准值时
得：
D=100mm
d=70mm
由此求得液压缸两腔的实际有效面积为：
cm2
cm2
2.3.3液压缸强度校核
液压缸的缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖处固定螺栓直径在高压系统中必须进行强度校核。
取：
液压缸材料为45#钢，无缝钢管
活塞杆材料45#钢
2.3.3.1壁厚强度校核
根据参考文献[2]表37.7-64及表37.7-65选择液压缸外径为121mm即液压缸壁厚δ=10.5mm
对于本系统：
＜10为厚壁
按壁筒计算：
（2-3）
式中，D为缸筒内径；Py为缸筒试验压力,当缸的额定压力
Pn≤16Mpa时，
取Py=1.5Pn；为缸筒材料的许用应力，，为材料抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5。
所以:
Py=1.5×4=6Mpa
（2-4）
式中N/mm2
n=5
则N/m2
得mm
∴mm＞
故缸体壁厚强度满足。
2.3.3.2液压缸内活塞杆直径校核
活塞杆的直径d按下式进行校核
（2-5）
式中，F为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力,
则：
mm＜d
故活塞杆强度满足。
2.3.3.3液压缸盖固定螺栓直径计算
液压缸盖固定螺栓直径按下式计算：
（2-6）
式中，F为液压缸负载；Z为固定螺栓个数；K为螺纹拧紧系数；
K=1.12~1.5，取K=1.3；
MPa
则：
mm
取ds=10mm
2.3.4液压缸稳定性校核
活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载Fk，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。
Fk的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。
活塞杆稳定性的校核依下式进行：
（2-7）
式中，nk为安全系数，一般取nk=2~4，这里取nk=4。
当活塞杆的细长比＞时
（2-8）
当活塞杆的细长比＞时，且
=20~120时，则
（2-9）
式中，l为安装长度，其值与安装方式有关，见表2-1，为活塞杆横截面最小回转半径，；为柔性系数，其值见表2-2；为由液压缸支承方式决定的末端系数，其值见表2-4；E为活塞杆材料的弹性模量，对钢取E=2.06×1011N/M2；J为活塞杆横截面惯性矩；A为活塞杆横截面积，f为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值均见表2-5。
表2-4液压缸支承方式和末端系数ψ2的值
支承方式
支承说明
末端系数ψ2
一端自由一端固定
1/4
两端铰接
1
一端铰接一端固定
2
两端固定
4
表2-5f、a、ψ1的值
材料
f×108N/M2
ψ1
铸铁
5.6
80
锻铁
2.5
110
软钢
3.4
90
硬钢
4.9
85
由此，根据实际设计的可得：
N/M2；
（2-10）
而l＞125mm，取l=175mm
＜
则活塞杆稳定性按式：
进行校核。
代入数据：
N
而（2-11）
式中，FW为活塞所受最大推力
Pmax为系统最
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