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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 液壓傳動技術(shù)的概述
1.1液壓傳動的基本原理和特征
1.1.1.基本原理：
液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件(液壓缸或馬達)把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和回轉(zhuǎn)運動。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機械傳動中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動元件相類似。
在液壓傳動中，液壓油缸就是一個最簡單而又比較完整的液壓傳動系統(tǒng)，分析它的工作過程，可以清楚的了解液壓傳動的基本原理。
1.1.2.液壓傳動的特征：
（1）液壓工作介質(zhì)是在受調(diào)節(jié)和控制下工作，故可作“傳動”之用，亦可作“控制”之用，二者很難截然分開。
（2）液壓技術(shù)中，與外負載（推理或轉(zhuǎn)矩）相對應(yīng)的液體參數(shù)是壓力；與運動速度（或轉(zhuǎn)速）相對應(yīng)的液體參量是流量。壓力和流量液壓系統(tǒng)中兩個最基本的參數(shù)，壓力的高低取決于負載大小，流量大小取決于速度高低和執(zhí)行元件的主要尺寸（液壓缸徑或馬達排量）。
（3）如果忽略各種損失，液壓傳動的力（或轉(zhuǎn)矩）與速度（或轉(zhuǎn)速）彼此無關(guān)，既可實現(xiàn)與負載無關(guān)的任何運動規(guī)律，也可借助各種控制機構(gòu)實現(xiàn)與負載有關(guān)的各種運動規(guī)律。
（4）液壓傳動是以液體的壓力能來傳遞動力的傳遞并且符合能量守恒定律，壓力與流量的乘積等于功率。
（5） 液壓傳動時省力，不省功。
1.2液壓傳動發(fā)展的概況
液壓傳動和氣壓傳動稱為流體傳動，是根據(jù)17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為應(yīng)用的一門技術(shù)。
迄今，大致經(jīng)歷了啟蒙期、發(fā)展期、成型期和成熟期四個時期。盡管當(dāng)今液壓技術(shù)面臨著來自電氣傳動及控制技術(shù)的新競爭和綠色環(huán)保的新挑戰(zhàn)，但是由于其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，使其在國民經(jīng)濟發(fā)展中，將仍然發(fā)揮無可替代的重大作用。如今，流體傳動技術(shù)水平的高低已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。
1795年英國約瑟夫·布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在倫敦用水作為工作介質(zhì),以水壓機的形式將其應(yīng)用于工業(yè)上，誕生了世界上第一臺水壓機。1905年將工作介質(zhì)水改為油，又進一步得到改善。
第一次世界大戰(zhàn)(1914-1918)后液壓傳動廣泛應(yīng)用，特別是1920年以后，發(fā)展更為迅速。液壓元件大約在19 世紀末20 世紀初的20年間才開始進入正規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)階段。1925 年維克斯(F·Vikers)發(fā)明了壓力平衡式葉片泵，為近代液壓元件工業(yè)或液壓傳動的逐步建立奠定了基礎(chǔ)。20 世紀初康斯坦丁·尼斯克(G·Constantimsco)對能量波動傳遞所進行的理論及實際研究；1910年對液力傳動(液力聯(lián)軸節(jié)、液力變矩器等)方面的貢獻，使這兩方面領(lǐng)域得到了發(fā)展。
第二次世界大戰(zhàn)(1941-1945)期間，在美國機床中有30%應(yīng)用了液壓傳動。應(yīng)該指出，日本液壓傳動的發(fā)展較歐美等國家晚了近20 多年。在1955 年前后，日本迅速發(fā)展液壓傳動，1956 年成立了“液壓工業(yè)會”。近20~30 年間，日本液壓傳動發(fā)展之快，居世界領(lǐng)先地位。
我國的液壓工業(yè)開始于20世紀50年代，液壓元件最初應(yīng)用于機床和鍛壓設(shè)備。60年代獲得較大的發(fā)展，以參透到國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。在機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、制造業(yè)、冶金、汽車、航空航天、船舶、運輸以及軍工等都有流體傳動和控制技術(shù)。當(dāng)前液壓技術(shù)正向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、長壽命、高度集成化等方向發(fā)展。同時，新元件的應(yīng)用、系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計、計算機仿真和優(yōu)化、微機控制等工作，也取得顯著地成果，將推動液壓傳動技術(shù)更先進的方向發(fā)展。
目前，我國的液壓件已從低壓到高壓形成系列，并生產(chǎn)出許多新型元件，如插裝式錐閥、電液比例閥、電液伺服閥、電液數(shù)字控制閥等。我國的機械制造工業(yè)認真消化和推廣引進國外先進的液壓技術(shù)的同時，也在大力研制、開發(fā)國產(chǎn)液壓件新產(chǎn)品，加強產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和新技術(shù)應(yīng)用的研究，積極采用國際標準，合理調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對一些性能差而且不符合國家標準的液壓產(chǎn)品，采用逐步淘汰的措施。由此可見，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，液壓技術(shù)將獲得進一步的發(fā)展，在各種機械設(shè)備上的應(yīng)用將更加廣泛。
1.3液壓傳動在各領(lǐng)域的應(yīng)用
汽車工業(yè)━━自卸式汽車、高空作業(yè)車、消防車等
工程機械━━挖掘機、裝載機、推土機等
機床工業(yè)━━銑床、刨床、磨床、壓力機、組合機床、加工中心等
農(nóng)業(yè)機械━━聯(lián)合收割機的控制系統(tǒng)等
輕工機械━━注塑機、造紙機、校直機、打包機等
起重機械━━起重機、吊車、叉車、液壓千斤頂?shù)?
冶金工業(yè)━━電爐控制系統(tǒng)、軋鋼機控制系統(tǒng)等
礦山機械━━開采機、提升機、液壓支架等
建筑機械━━打樁機、平地機、混凝土輸送車、攪拌車等
航空工業(yè)━━飛機起落架等
船舶港口機械━━起貨機、舵機等
鑄造機械━━壓鑄機、加料機等
筑路機械━━壓路機、鋪料機等
液壓傳動在其他方面應(yīng)用也很廣泛，像工業(yè)機器人，自動生產(chǎn)線設(shè)備等等，在此不再贅述。
1.4液壓彎管機的發(fā)展狀況
我國的彎管機加工工藝從青銅器時代開始萌芽的，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時期已經(jīng)有了相當(dāng)發(fā)達的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時有出土文物與甲骨文記錄表明，這個時期生產(chǎn)的青銅工具和生活工具，在制造過程中都要經(jīng)過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術(shù)比西歐早一千多年。表明金屬切削加工進入了一個新的階段。有記錄表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)的琢玉工具，這也就是金屬切削機床的前身。70年代在河北滿城一號漢墓出土的五銖錢，其外圓上有經(jīng)過車削的痕跡，刀花均勻，切削振動，波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上，然后裝在木質(zhì)的車床上，用手拿著工具進行切削。美國自20世紀60年代就開始使用垂直液壓（即立式）彎管機，可以彎制152.4~762mm（6~30英寸）各種壁厚的鋼管。70年代后，冷彎管機的性能進一步完善，同時，彎管內(nèi)胎研制成功，與冷彎機配套使用，能夠彎制薄壁高強度大口徑的輸油輸氣管道鋼管，最大彎管直徑達到1524mm（60英寸）。原蘇聯(lián)研制冷彎管機基本也是從20世紀60年代開始的，功能與美國機器相仿，但由于其主機液壓系統(tǒng)采用臥式機構(gòu)，平面占用空間較大，運輸及現(xiàn)場擺布存在較大困難。目前，世界上有美國、加拿大和德國等發(fā)達國家近10家冷彎機生產(chǎn)廠，所產(chǎn)機型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式，內(nèi)胎形式有氣動式和液壓式兩種。氣動式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點在于行走速度快、彎管預(yù)制效率高，但需要另行配置空氣壓縮機，系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差，難以控制。液壓式內(nèi)胎借助于整機液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，且液壓傳動平穩(wěn)可靠，能夠保證管道在預(yù)判過程中不發(fā)生橢圓變形。
如今我國彎管機的設(shè)計特點具有以下顯著的特點：
1. 搖臂，其作用是保證彎管彎曲半徑符合要求，其夾緊座是限制鋼管在彎曲過程中反彈。
2. 矯直輥一是防止在彎曲過程垂直方向變形，與浮動防橢圓夾具配合使用保證彎曲后的鋼管橢圓度符合要求。
3. 導(dǎo)向輥裝置一有兩組導(dǎo)向輥和機架及夾緊傳動系統(tǒng)組成，導(dǎo)向輥開合由液壓驅(qū)動來完成，其功能是與搖臂共同完成鋼管水平方向的彎曲。
4. 推送裝置（由小車、床上、傳動軸、牽引鏈等組成）推動鋼管前進，在搖臂和導(dǎo)向輥作用下鋼管產(chǎn)生彎曲。
5. 驅(qū)動裝置他是推送裝置的動力源
6. 泵站分高壓和低壓的兩部分，為導(dǎo)向輥開合、搖臂夾緊座、油缸、推送裝置小車卡盤開合、矯直輥開合提供動力。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機的型式日趨多樣化，彎管性能也在大幅度地提高。微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使彎管機的功能更趨完美。
液壓彎管機是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一。自其問世以來，在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。目前，液壓彎管機的液壓系統(tǒng)和整機結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外液壓彎管機的發(fā)展不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)上，也主要突出在高效化、高速化、低能耗；機電一體化，以充分合理利用機械和電子的先進技術(shù)促進整個液壓系統(tǒng)的完善；自動化、智能化，實現(xiàn)對系統(tǒng)的自診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理功能；液壓元件集成化、標準化，以有效防止泄露和污染等四個方面。
液壓彎管機在液壓系統(tǒng)的油路結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國內(nèi)外趨向于集成化、封閉式設(shè)計，插裝閥、疊加閥和復(fù)合化元件，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，更加微型。
我國目前的液壓玩管機主要有數(shù)控式的、電動的、手動等形式，以適用于不同場合。我國現(xiàn)在，由于西部的開發(fā)，因此在石油、天然氣的輸送上，采用的都是比較粗的鋼管，故需要研制大口徑的液壓彎管機。
1.5液壓系統(tǒng)的組成及分類
1.5.1.液壓系統(tǒng)的組成
（1）、動力元件。將機械能轉(zhuǎn)換成流體壓力能的裝置，如液壓泵。
（2）、執(zhí)行元件。將流體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能輸出的裝置，如液壓缸、擺動缸、液壓馬達。
（3）、控制元件。對系統(tǒng)中流體的壓力、流量及流動方向進行控制和調(diào)節(jié)的裝置，以及進行信號轉(zhuǎn)換、邏輯運算和放大等功能的信號控制元件，如溢流閥、流量控制閥和換向閥。
（4）、輔助元件。保證系統(tǒng)正常工作所需的裝置，如油箱、管路、濾油器、管接頭蓄能器等。
（5）、工作介質(zhì)。用它進行能量和信號的傳遞，液壓系統(tǒng)是以液壓油作為工作介質(zhì)，如礦物油等。
1.5.2.液壓系統(tǒng)的分類
1.液壓缸
車輛用油缸、單作用油缸、液壓機油缸、擺動油缸、單作用多級油缸（套筒油缸）還有雙作用多級油缸以及彈簧復(fù)位油缸等多種。
2.液壓馬達
液壓馬達，有齒輪馬達、葉片馬達、柱塞馬達等，就是說幾乎定量油泵在理論上均可作為馬達作用。?
3.低速大扭矩液壓馬達
（1）?內(nèi)嚙合擺線馬達。
（2）?內(nèi)曲線液壓馬達，分軸轉(zhuǎn)和殼轉(zhuǎn)兩種型式。
（3）?雙料盤軸向柱塞馬達。
（4）?徑向柱塞式液壓馬達。
（5）?球塞式低速大扭矩液壓馬達。
（6）?靜力平衡低速大扭矩低液壓馬達。
1.6液壓傳動的優(yōu)缺點
1.6.1.液壓傳動的優(yōu)點
1）傳動平穩(wěn)??在液壓傳動裝置中，由于油液的壓縮量非常小，在通常壓力下可以認為不可壓縮，依靠油液的連續(xù)流動進行傳動。油液有?
吸振能力，在油路中還可以設(shè)置液壓緩沖裝置，故不像機械機構(gòu)因加工和裝配誤差會引起振動扣撞擊，使傳動十分平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應(yīng)用在要求傳動平穩(wěn)的機械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動。???
2）質(zhì)量輕體積小??液壓傳動與機械、電力等傳動方式相比，在輸出同樣功率的條件下，體積和質(zhì)量可以減少很多，因此慣性小、動作靈敏；這對液壓仿形、液壓自動控制和要求減輕質(zhì)量的機器來說，是特別重要的。例如我國生產(chǎn)的1m3挖掘機在采用液壓傳動后，比采用機械傳動時的質(zhì)量減輕了1t。??
3）承載能力大??液壓傳動易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，因此廣泛用于壓制機、隧道掘進機、萬噸輪船操舵機和萬噸水壓機等。???
4）容易實現(xiàn)無級調(diào)速??在液壓傳動中，調(diào)節(jié)液體的流量就可實現(xiàn)無級凋速，并且凋速范圍很大，可達2000：1，很容易獲得極低的速?度。???
5）易于實現(xiàn)過載保護??液壓系統(tǒng)中采取了很多安全保護措施，能夠自動防止過載，避免發(fā)生事故。???
6）液壓元件能夠自動潤滑??由于采用液壓油作為工作介質(zhì)，使液壓傳動裝置能自動潤滑，因此元件的使用壽命較長。???
7）容易實現(xiàn)復(fù)雜的動作??采用液壓傳動能獲得各種復(fù)雜的機械動作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺，可加工出不規(guī)則形狀的零件。???
8）簡化機構(gòu)??采用液壓傳動可大大地簡化機械結(jié)構(gòu)，從而減少了機械零部件數(shù)目。???
9）便于實現(xiàn)自動化??液壓系統(tǒng)中，液體的壓力、流量和方向是非常容易控制的，再加上電氣裝置的配合，很容易實現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)。目前，液壓傳動在組合機床和自動線上應(yīng)用得很普遍。
10）便于實現(xiàn)“三化”??液壓元件易于實現(xiàn)系列比、標準化和通用化．也易于設(shè)計和組織專業(yè)性大批量生產(chǎn)，從而可提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)?品質(zhì)量、降低成本。?
1.6.2.液壓傳動的缺點
1）液壓元件制造精度要求高??由于元件的技術(shù)要求高和裝配比較困難，使用維護比較嚴格。???
2）實現(xiàn)定比傳動困難??液壓傳動是以液壓油為工作介質(zhì)，在相對運動表面間不可避免的要有泄漏，同時油液也不是絕對不可壓縮的。因此不宜應(yīng)用在在傳動比要求嚴格的場合，例如螺紋和齒輪加工機床的傳動系統(tǒng)。???
3）油液受溫度的影響??由于油的粘度隨溫度的改變而改變，故不宜在高溫或低溫的環(huán)境下工作。???
4)不適宜遠距離輸送動力??由于采用油管傳輸壓力油，壓力損失較大，故不宜遠距離輸送動力。???
5）油液中混入空氣易影響工作性能??油液中混入空氣后，容易引起爬行、振動和噪聲，使系統(tǒng)的工作性能受到影響。???
6）油液容易污染??油液污染后，會影響系統(tǒng)工作的可靠性。???
7） 發(fā)生故障不易檢查和排除
1.7液壓系統(tǒng)的圖形符號
如下圖所示，采用了液壓系統(tǒng)用的液壓圖形符號繪制成的工作原理圖。使用了這些圖形符號，可使液壓系統(tǒng)圖簡單明了，更加直觀，容易理解。有些液壓元件的職能如果無法用這些符號表達時，可以采用它的結(jié)構(gòu)示意圖。
1—油箱；2—濾油器；3—液壓泵；4—溢流閥；5—節(jié)流閥；6—三位四通手動換向閥；7—液壓缸
圖1.1 液壓系統(tǒng)
1.8電動彎管機
1.8.1 電動彎管機的工作原理
多數(shù)彎管機的基本工作原理是：通過確定合理的支點和受力點并施加一定的彎矩或彎曲力，使管材發(fā)生塑性變形，從而實現(xiàn)管材的彎曲成形。
本次設(shè)計的DWG-4D型電動液壓彎管機主要的工作部位由上下花板、錕軸、彎模和液壓缸組成，對管材彎曲的方式是推彎。通過上下花板孔，將各個部件連接起來，形成確定合理支點和受力點。當(dāng)液壓缸活塞桿帶動彎模伸出時，彎模與管材在接觸，產(chǎn)生向前的力，而管材受到被上下花板固定的錕軸反作用力，形成力矩。隨著彎模力矩的增大，當(dāng)達到管材屈服強度極限時，管材產(chǎn)生塑性變形而彎曲。
2.2 主要技術(shù)參數(shù)
曲率半徑：4D
彎管直徑范圍：21.3~108mm
管材的壁厚：2.75~4.5mm
彎曲角度：90°~180°
最大推力：300kN
使用電壓：三相交流 380
適用溫度：—20~50°C
圖2.1 電動液壓彎管機實物圖
第二章 管材彎曲
2.1管材的力學(xué)性能分析
一般的管材通常為碳素結(jié)構(gòu)鋼，該材料受力變形的特點如圖所示。（縱坐標為作用于材料上的力，橫坐標為變形量）
當(dāng)力F小于Fe的時候，材料處于彈性變化階段，受力移除后材料回復(fù)原狀；當(dāng)力F介于Fe和Fs之間的時候，材料處于屈服階段，受力移除后不能恢復(fù)原狀；當(dāng)力F達到Fb的時候，材料達到強度極限，再增加力F，材料本身結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生斷裂或強度不夠產(chǎn)生危險。
為管材的橫截面積公式，用力F比上W為管材的許用應(yīng)力，變形量比上材料原長度為應(yīng)變量，因此可得相應(yīng)的許用應(yīng)力—應(yīng)變量圖（如圖所示）。
此圖表現(xiàn)了從加載開始到破壞為止，應(yīng)力與應(yīng)變量的對應(yīng)關(guān)系。由此可見，要是管材彎曲，所受力必須在與之間。若小于僅僅只是彈性變化，達不到彎曲的目的；若在與之間，雖有材料產(chǎn)生塑性變形，但只是材料強度降低，沒有破壞材料，正是彎曲管材的所需；若應(yīng)力大于時，材料被破壞，成為廢品，此時的成為抗拉強度極限。管材材料的抗拉極限可從材料手冊上查到。
圖2.2 管材力學(xué)性能分析圖
2.2管材彎曲過程的分析
2.2.1胚料受外力矩M彎曲
管材開始是彈性彎曲，胚料的曲率發(fā)生變化，其后是變形區(qū)內(nèi)外層首先進行塑性狀態(tài)，并逐漸向材料中心擴展進行自由彎曲。期間，管材的外層在切向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生拉伸變形，而內(nèi)層在切向壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生壓縮變形。最后是模具和胚料互相接觸并沖擊管材的校正彎彎曲，達到所需精度或角度。而這三個階段的彎曲力各不相同。在彈性彎曲階段的彎曲力相對較??；在自由彎曲階段的彎曲力比隨行程的變化而變化；校正彎曲階段的彎曲力隨行程急劇增加。如下圖：
1—彈性彎曲階段；2—自由彎曲階段；3—校正彎曲階段
圖2.3 應(yīng)變階段
2.2.2管材彎曲過程
（1）、彈性彎曲階段：當(dāng)彎曲力矩不大時，在胚料變形區(qū)的內(nèi)外二表面引起的應(yīng)力小于材料的屈服強度，其應(yīng)力分布如圖所示
（2）、彈—塑性彎曲階段：當(dāng)彎曲力矩繼續(xù)增大時，胚料的曲率半徑隨著變小，胚料變形區(qū)的內(nèi)外表面，先由彈性變形狀態(tài)到塑性變形狀態(tài)，以后塑性變形由內(nèi)外表面向中心逐步擴展，如圖所示。
（3）、純塑性彎曲階段：當(dāng)彎曲力矩增大時，胚料變形區(qū)的材料完全處于塑性變形狀態(tài)，如圖所示。
圖2.4 彎曲變形及內(nèi)切向應(yīng)力分布圖
2.3工件工藝分析
此工作件采用的是直徑為108mm，壁厚為4.5mm的無縫鋼管作為彎管件，材料為10號鋼，其工件如圖所示。彎管件要求不能有裂紋，不能有過大的外凸。不能有趨紋。
圖2.5 彎管示意圖
2.4管材彎曲的計算及彎管能力的校核
2.4.1彎曲最小半徑的確定
在管材彎曲工藝中，采用不同的彎曲方式來加工管材，其最小彎曲半徑也各不相同。各種方式彎曲管材的最小半徑如下表所示：
表2.1 管材彎曲時的最小半徑r（單位：mm）
彎曲方式
壓彎
繞彎
滾彎
推彎
最小彎曲半徑
（3~5）D
（2~2.5）D
6D
（2.5~3）D
注：D為管材外徑
本臺電動彎管機采用推彎，依據(jù)上表可知，最小彎曲半徑r為（2.5~3）D，取最大值r=3D。
2.4.2管材中性層曲率半徑（）
管材中性層曲率半徑根據(jù)公式算出，是切應(yīng)力為零的那一層半徑，這對彎曲管材有很大的影響和意義。其計算公式如下：
本次設(shè)計的DWG-4D型液壓彎管機，其自定型號的曲率半徑為4D,所以有=4D=108x4=432（mm）
2.4.3管材彎曲力矩的計算
管材的彎曲是一個復(fù)雜的工藝過程，很難計算出他需要的彎曲力，采用計算其彎曲力矩。因而管材彎曲力矩的大小是確定彎管機力能參數(shù)的基礎(chǔ)，它是根據(jù)力學(xué)理論分析和推到得到的估算公式。
故彎曲力矩M為:
其中
為抗拉強度
為管材內(nèi)徑
為管材壁厚
為屈服應(yīng)強度
為中性層的彎曲半徑
而根據(jù)10號鋼的力學(xué)性能可知
抗拉強度
屈服強度
伸長率
斷面收縮率
硬度：未熱處理，
所以取
即
2.5彎曲管材斷面形狀的畸變及其防止
在管材彎曲時，不可避免的產(chǎn)生斷面形狀的畸變。在中性層外側(cè)因受切向拉應(yīng)力使其厚度變??；在中性層內(nèi)側(cè)因受切向壓應(yīng)力使其厚度變厚，甚至產(chǎn)生受壓失穩(wěn)，使其斷面形狀完全破壞。
在彎曲實心板材時，徑向作用力影響不明顯。而在管材的彎曲中，這種作用力能引起斷面形狀的明顯變形，使圓管在彎曲后變成了橢圓形狀，方管成了腹板內(nèi)凹的斷面形狀。這種變形是有害的，實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量減小。
管材形狀的畸變可能引起斷面的減小，增大流體流動的阻力。管材壁厚變薄后，降低了管件承受內(nèi)壓的能力。若其過度的變化，影響管材在結(jié)構(gòu)中的性能效果。因此，在彎曲管材時，常常采用各種各樣的防護措施防止斷面形狀的畸變。
防止斷面畸變的有效方法如下：
1、在彎曲變形區(qū)用芯棒支撐斷面，防止有害的變形。
2、在彎曲胚內(nèi)填充顆粒狀的介質(zhì)，流體介質(zhì)，彈性介質(zhì)或熔點低的金屬等，也可以代替芯棒的作用，起到防止斷面形狀畸變的作用。
3、阻止腹板在徑向壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生塌陷的方法，如應(yīng)用局部加熱的無模彎曲方法。
4、把與管材接觸的模具表面，按管材的斷面形狀，做成與之相吻合的溝槽，減小接觸面上的壓力，阻礙斷面的歪扭，是行之有效的方法。
為了獲得正確的彎管斷面形狀，在生產(chǎn)中也時常在彎曲后采用校行工藝方法。常用的校形工藝有：在彎管內(nèi)通以高壓液體的液壓校形；用鋼球壓入管內(nèi)，并使之通過的鋼球校形法等。
在本設(shè)計中，為防止管材在彎曲的過程中產(chǎn)生斷面畸變，采用芯棒的方法，即在彎管之前，給管材中插入軟的芯棒。
2.6管材彎曲成形的極限
管材彎曲時，變形區(qū)里的應(yīng)力狀態(tài)和變性特點與板材彎曲變形相同。但是，由于管材的薄壁結(jié)構(gòu)的斷面形狀能夠引起許多新的問題，如斷面形狀的畸變、失穩(wěn)等。所以管材成形極限也成了一個極為復(fù)雜的問題。
管材彎曲成形的極限，包含以下幾個方面：
中性層外側(cè)拉伸變形區(qū)內(nèi)最大伸長變形不能超越材料塑性的極限值；
中性層內(nèi)側(cè)壓縮變形區(qū)內(nèi)的受切向壓應(yīng)力作用的薄壁結(jié)構(gòu)部分不致失穩(wěn)起皺的成形極限；
斷面形狀畸變的彎曲成形極限；
如果管材有承受內(nèi)壓的強度要求時的變薄極限值。
在制定管材彎曲成形工藝、確定工藝參數(shù)時，這四種成形極限的條件都要得到保證。
2.7管材彎曲工藝的關(guān)鍵
1.適當(dāng)?shù)氖┘訌澢驈澢氐姆椒?，確保不致因外載施加不當(dāng)而引起斷面形狀的畸變或局部塌癟。
2.以適當(dāng)?shù)姆椒ɑ虿扇”匾拇胧┓乐箯澢冃螀^(qū)內(nèi)胚料斷面形狀的畸變。
3.應(yīng)盡可能用簡單的模具和彎曲設(shè)備。
4.保證一定的生產(chǎn)率。
2.8管材彎曲的回彈量
管材彎曲時，塑性變形與彈性變形同時存在，當(dāng)外載荷移除后，彈性變形恢復(fù)，因而使工件尺寸與模具尺寸不一致，這種現(xiàn)象稱為回彈現(xiàn)象，回彈的大小用回彈量表示。其影響的因素有很多。
2.8.1主要影響回彈的因素
（1）、材料的力學(xué)性能；
（2）、相對彎曲半徑；
（3）、彎曲角度；
（4）、彎曲方式和模具結(jié)構(gòu)；
（5）、彎曲力矩；
（6）、摩擦的影響；
（7）、管材壁厚的影響。
2.8.2減小回彈量的措施
（1）、在接近純彎曲的條件下，可以根據(jù)回彈值的計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對彎曲模工作部分的形狀作必要的修正。
（2）、利用彎曲胚料不同部位回彈方向不同的規(guī)律，適當(dāng)調(diào)整各種影響因素，如模具的圓角半徑、間隙、校正力矩、壓力等，使相反方向的回彈互相抵消。
（3）、把彎曲凸模做成局部突起的形狀，或減小圓角半徑部分的模具間隙，使凸模力集中的作用在引起回彈的彎曲變形區(qū)，改變其應(yīng)力狀態(tài)。
2.9管材彎曲精度的要求及角度的檢驗
在管材彎曲成形以后，我們需要對其進行精度檢驗，看是否達到所需的要求或相應(yīng)的標準。因此，在彎曲之前，要了解產(chǎn)品的通用標準和要求，以便提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能耗。
2.9.1彎曲管材的精度要求
（1) 、熱彎彎管的圓度（彎曲部分同一圓截面上最大外徑與最小外徑之差與最大外徑之比）不應(yīng)大于7%；冷彎彎管的圓度不應(yīng)大于8%；對于主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及設(shè)計壓力>8的管道，彎管圓度不應(yīng)大于5%。彎管兩端直管段端部的圓度應(yīng)符合相應(yīng)鋼管技術(shù)要求。
（2) 、平面彎管彎曲角度的允許偏差為±0.5o；不在同一平面上兩個連續(xù)彎曲空間夾角的允許偏差：當(dāng)夾角成90o時，允許偏差為±1o；當(dāng)夾角不等于90o時，允許偏差為±1.5o。
（3) 、彎管的彎曲半徑允許偏差為±50mm。
（4) 、同一平面上的彎管(包括兩個連續(xù)彎曲)的平面度應(yīng)符合下表三
表2.2 同一平面上彎管的平面度（mm）
結(jié)構(gòu)尺寸
≤500
>500~1000
>1000~1500
>1500
平面度
≤3
≤4
≤6
≤10
注：結(jié)構(gòu)尺寸L為管材兩端向彎曲部分直線交點的兩條直線的長度。
2.9.2彎曲角度的檢驗
平面夾角可采用放樣檢查，或通過測量以彎管兩端直管段中心線為兩邊三角形的三邊長為a、b、c，如下圖所示。
圖2.6 彎曲角度計算示意圖
當(dāng)a=b時， =180o-arccos[()/(2ab)]
當(dāng)a≠b時， =2arccos（0.5c/a）
第三章 電動彎管機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
電動彎管機的機械結(jié)構(gòu)在彎曲管材中起著重要的作用，它是整個彎曲機構(gòu)的核心部件，強度是否足夠，關(guān)系使用者的人身安全及生產(chǎn)效率。電動彎管機的機械結(jié)構(gòu)有很多種，是根據(jù)采取彎管方式而各異。我國的彎管機發(fā)展已有幾十年的歷史，基本上能與國際接軌，而彎管機的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計日趨成熟，形狀與國外并無大異。本設(shè)計中的彎管機的機械結(jié)構(gòu)參照現(xiàn)有的樣式設(shè)計，只在部分結(jié)構(gòu)不同。
3.1電動彎管機機構(gòu)原理圖
電動彎管機的機構(gòu)原理是利用上、下花板確定合理的間距將兩根錕軸固定，把管材放入彎模與錕軸之間。當(dāng)液壓缸伸出帶動彎模也向前伸出，使管材被牢牢的卡在中間，彎模繼續(xù)伸出，在彎模與管材接觸產(chǎn)生力，即彎曲力矩；而兩根錕軸與管材接觸點產(chǎn)生反作用力，即支點。當(dāng)力不斷地增大到管材塑性變形的極限時，管材開始變形彎曲，隨彎模形成一定的角度。
圖3.1 電動彎管機機構(gòu)原理圖
3.2電動彎管機的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
3.2.1上、下花板的設(shè)計
上、下花板是為了確定合理的間距，形成支點和受力點。在彎曲管材時，限制錕軸和彎模之間具有固定的距離，不發(fā)生相對運動。彎模在液壓活塞桿的帶動下，產(chǎn)生一定的彎矩是管材彎曲成形，因此，強度一定要足夠，保證安全。
根據(jù)資料顯示，上、下花板結(jié)構(gòu)的設(shè)計十分成熟，故參照現(xiàn)有的電動彎管機彎曲機構(gòu)的設(shè)計樣式，其樣式如下：
圖3.2 上花板樣式圖（三維造型圖）
圖3.3 下花板樣式圖（三維造型圖）
圖3.4 上下花板局部剖面圖（CAD圖）
上、下花板的材料為35號鋼，厚度8mm。
在花板的兩邊均打孔，以適應(yīng)不同管材半徑和彎曲半徑的彎曲。當(dāng)打孔后，消弱了花板的強度，故對其兩邊孔壁進行強度計算。
本次設(shè)計花板邊翼最長為50cm，而根據(jù)力矩公式
即可得到
299.7
根據(jù)力學(xué)分析可知，在花板孔壁上受到的擠壓力：
74.9
擠壓應(yīng)力公式為：
（的單位為）
取孔的直徑為，擠壓受力的最小有效面積
所以，孔內(nèi)壁的擠壓應(yīng)力為：
因為材料的許用應(yīng)力=240MPa≥= 199.25MPa，故強度足夠。
3.2.2錕軸的設(shè)計
錕軸在彎曲管材主要其阻擋作用，因此要有足夠的強度，保證在彎管中不知力過大而使其斷裂或彎曲變形。錕軸采用45#鋼制作，正六邊形，其外切半徑R=100mm,凹槽的表面粗糙度
錕軸的圖形如圖所示：
圖3.5 輥軸實體圖
3.2.3銷的選擇
采用45#鋼，直徑為30mm，長為200mm，材料的許用應(yīng)力=150MPa。
根據(jù)剪切應(yīng)力知：
所以
3.2.4螺栓的選擇
螺栓按照國家標準件進行選取。
3.3彎曲模具的設(shè)計
3.3.1彎曲回彈
彎管機在22~108mm之間的管材彎曲，彎曲的模具則可配備很多不同半徑的彎模。在彎曲過程中，由于彎曲力矩的撤銷后，被彎曲的管材會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，這是材料本身和彎曲工藝的特點所產(chǎn)生的。對于回彈量來說，若回彈過大會影響管材彎曲的精度，故而在設(shè)計彎曲模具時，首先應(yīng)考慮的問題。通常在彎曲模具的設(shè)計中，采用經(jīng)驗公式進行計算，取彎曲模具模塊直徑應(yīng)小于兩倍的彎曲管材曲率半徑。具體計算公式如下：
式中 ―彎曲模具模塊半徑，
―彎曲管材的中性層曲率半徑，
―管材材料的抗拉強度，
―管材的壁厚，
―管材的外徑，
―管材材料的彈性模量，
表3.1 幾種常見材料的彈性模量 單位：
材料名稱
低碳鋼
合金鋼
灰鐵鋼
鋼及其合金
鋁合金
196~216
186~216
78.5~157
72.5~128
70
在彎曲模具的設(shè)計時，通?？紤]的回彈角度約為3?~5?，所以在彎模中間主接觸位置略顯突出，來減小回彈量。
由于管材半徑很多，所以沒有代數(shù)值計算。本設(shè)計中，配備的彎模半徑有：27、42、48、60、76、89、108，單位為
4.3.2弧槽半徑
彎模上圓弧槽半徑的確定因素有很多，經(jīng)查書可知經(jīng)驗公式為：
注：倒圓角半徑一般可取1~2
4.3.3模具材料與表面粗糙度值的選擇
彎?？蛇x用45#鋼或50#鋼制造，為了給彎管內(nèi)緣均勻壓縮創(chuàng)造有力條件，彎管模具圓弧槽的表面粗糙度值為佳。
第4章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算
液壓系統(tǒng)是液壓設(shè)備的一個重要組成部分，它與主機的關(guān)糸密切，是整個設(shè)備動力運行的基本保障。液壓系統(tǒng)的設(shè)計，關(guān)系到整個液壓設(shè)備的性能和安全。液壓系統(tǒng)的設(shè)計，必須從實際出發(fā)，重視調(diào)查研究，積極吸取或內(nèi)外先進的技術(shù)，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高、成本低、操作和維護方便的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計，一般主要出發(fā)點有兩個，一個是注重于液壓系統(tǒng)的工作性能，另一個則是注重于液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的絕對可靠性，通常這兩種出發(fā)點穿插于設(shè)計中。
本次液壓系統(tǒng)設(shè)計的一些基本參數(shù)和要求如下：
設(shè)計一臺電動液壓彎管機，其液壓缸最大推力，液壓缸油缸內(nèi)徑為110mm,液壓缸活塞桿的快速伸出的速度為，工進時的速度為。在活塞桿工進完畢之后需快速退回，其活塞桿的快退速度為?；钊麠U啟動、制動的時間均為。
4.1液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定
4.1.1預(yù)選系統(tǒng)的設(shè)計壓力
本設(shè)備屬于中等精度的工具設(shè)備，負載最大在工進階段，其他狀況下，負載不大，根據(jù)最大壓力要求
故參考《新編實用液壓技術(shù)手冊》，按GB/T2348―1993（），取初選液壓缸的設(shè)計壓力標準值=42。
4.1.2計算液壓缸的主要參數(shù)
為了滿足彎管模具快進、快退速度的不同，且減小液壓泵的流量，故將液壓缸的無桿腔作為工作腔。在伸出時，采用用液壓方式來（背壓）防止活塞桿失控產(chǎn)生的沖擊，使其平穩(wěn)運行，保證安全。
確定了油缸內(nèi)徑為110mm，根據(jù)《新編實用液壓技術(shù)手冊》，按GB/T2348―1993（），可得知油塞桿外徑為85mm。
4.2工況分析
根據(jù)實際的需要，液壓缸采用水平布置。由于電動彎管機的液壓缸水平布置，且往返速度不同，故選用缸筒固定的水平單桿活塞缸，作為執(zhí)行元件驅(qū)動彎模及彎曲機構(gòu)對管材進行彎曲作業(yè)。
液壓缸的機械效率，0.90~0.95，取=0.91；取液壓缸運動部件的質(zhì)量為40（活塞桿和模具）。
摩擦系數(shù)的選?。红o摩擦系數(shù)=0.2，動摩擦系數(shù)=0.1。
（1） 、液壓缸活塞桿靜摩擦力：
液壓缸活塞桿動摩擦力：
==0.1×40×9.8=39.2
（2） 、負載慣性力：取速度差0.023，啟動時間=0.2則
==4
（3） 、工作負載力：
（4） 、液壓缸密封摩擦力：根據(jù)實際情況估取為
=300
根據(jù)以上的數(shù)據(jù)可計算出液壓缸在各個階段的負載情況如下表
表5.1 各階段負載表
各個階段
負載的組成
負載（單位：）
快速階段
-
-
啟動
378.4
加速
343.2
恒速
339.2
工進階段
300339.2
快速退回階段
-
-
啟動
378.4
加速
343.2
恒速
339.2
表5.1
注：快進與工進的轉(zhuǎn)換是由壓力繼電器控制的，進行自動轉(zhuǎn)換
（5） 、液壓缸的工況圖
圖4.1負載圖像
圖4.2速度圖像
4.3液壓回路方案的制定，擬定液壓系統(tǒng)原理圖
4.3.1液壓回路方案的制定
（1）、調(diào)速方式與油源方案
根據(jù)實際情況，考慮到彎管機彎曲工作時所需功率較大，故采用容積式調(diào)速方式。為了滿足工進時速度為恒定值，采用變量液壓油泵供油。即在啟動到工作時，壓力泵是無極變化，始終保持恒定的速度，壓力隨負載的升高而升高。在快進時，采用快速回路，使彎模迅速接近胚料進行彎曲作業(yè)，從而提高系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)節(jié)省能耗。當(dāng)液壓反向退回時，壓力泵的流量恢復(fù)到全流量。
（2） 、方向控制方案
由于系統(tǒng)壓力和流量不大，故選用型號4WH10K40B的10通徑液控換向閥作為系統(tǒng)的主換向閥；本設(shè)備采用電磁換向閥來控制換向閥電磁鐵的通斷來實現(xiàn)換向、速度換接和自動化。電磁閥單個控制液控閥，利用閥座內(nèi)通孔連接以實現(xiàn)方向控制。
（3） 、速度換接回路
快進和工進時的速度換接有型號為2FRE10-40B的10通徑調(diào)速閥來實現(xiàn)。調(diào)速閥有減壓閥和節(jié)流閥兩部分組成，節(jié)流閥和旋鈕連接，通過改變過流面積來實現(xiàn)流量控制。
（4） 、安全保護
為了提高液壓缸及彎模運動的平穩(wěn)性，在液壓缸回油路上設(shè)置單項調(diào)速閥，使液壓缸在快速伸出對管材產(chǎn)生沖擊，或失控時無法控制。在主油路上設(shè)置單向閥，防止工作時的高壓油液倒流，損壞液壓泵。為了保證整個系統(tǒng)運行的安全，在液壓泵出油口并聯(lián)一溢流閥，過載保護。
（5） 、輔助回路
為保證液壓油液的清潔度，油泵出口設(shè)置吸油過濾器；為了監(jiān)測整個系統(tǒng)運行狀態(tài)與安全，液壓泵工作的壓力，在泵出口及其他油路上均設(shè)置壓力表。同時，也可作為系統(tǒng)調(diào)壓時的壓力監(jiān)測之用。
4.3.2擬定液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(tǒng)的組成和工作原理的圖樣。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設(shè)計液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵一步，它對系統(tǒng)的性能機及設(shè)計方案的合理性、經(jīng)濟性具有一定的決定性的影響。故此本設(shè)計根據(jù)實際情況擬定雛形的液壓系統(tǒng)原理圖，有待于在實踐中進一步完善。
（1） 液壓系統(tǒng)原理圖如下：
1-千斤頂，2-調(diào)速閥，3-電磁球閥，4-液控換向閥，5-控制閥塊，6-液控單向閥，7-溢流閥，8-變量泵，9-過濾器，10-油箱，11-單向鎖座，12-球形截止閥，13-壓力表
圖4.3 液壓原理圖
(2） 、控制閥塊及控制原理表，如下：
表4.1 控制閥塊及控制原理表
控制閥
動作
D1
D2
F1
F2
推
推
推
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
(3)、根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，簡要的說明其工作原理
如上圖所示，液壓泵在驅(qū)動電機的帶動下正常工作。當(dāng)液壓彎管機的液壓缸伸出時油液通過控制閥塊5的電磁球閥D1位接通，通過液控換向閥的F1進入工作油腔液壓缸快進，進行彎曲作業(yè)。在彎曲管材結(jié)束時，電磁球閥的D2位連通，通過控制換向閥的F2位進行換向，經(jīng)過調(diào)速閥的調(diào)速，進行回程工作。整個工作中，液控單向閥主要起差動連接作用，備用快速回路。
4.4液壓元件的選型與計算
液壓元件的選型至關(guān)重要，是保證系統(tǒng)在正常條件下工作性可靠、基本性能指標正常、無危險發(fā)生。所以在液壓元件選型時一定要嚴格按照設(shè)計及其計算所得數(shù)據(jù)進行液壓元件的擇優(yōu)選型。
4.4.1液壓泵的選擇
由工況分析知，液壓缸的最高壓力出現(xiàn)在彎曲管材結(jié)束時，即，此時液壓缸的輸入流量較小，也就是進油路的液壓元件較少。故液壓泵至液壓缸間的進油路壓力損失估取為。由此算得液壓泵的最高壓力為：
=+=31.6+0.5=32.6
據(jù)上知，所需的液壓泵最大供油流量，按液壓缸的最大輸入流量（）進行估算。取系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，則：
=1.1×23.98=26.378
根據(jù)系統(tǒng)所需流量，初選變量液壓泵的轉(zhuǎn)速為。取液壓泵的容積效率,根據(jù)下式進行計算：
式中 ——液壓泵的排量，；
——液壓的轉(zhuǎn)速，；
——液壓泵的最大流量，；
——液壓泵的容積效率；
根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算得液壓泵的排量參考值為：
==19.54
參考以上計算結(jié)果查閱產(chǎn)品樣本，根據(jù)《新編液壓技術(shù)實用手冊》選用規(guī)格相近的25※CY14-1B壓力補償變量型斜盤式軸向柱塞泵。其額定壓力,排量，額定轉(zhuǎn)速，容積效率，故此其額度定流量為：
==1500×25×0.92=34.5
而系統(tǒng)所需液壓泵的最大流量。由此可知，滿足系統(tǒng)對流量的要求。
5.4.2驅(qū)動電動機的選擇
由以上計算及分析可知，該系統(tǒng)在工進階段時，負載功率最大，故按此階段的液壓泵所需驅(qū)動功率選擇驅(qū)動電機。此時液壓泵的工作壓力，流量為，取驅(qū)動電機的機械效率，根據(jù)公式計算：
=
式中 ——驅(qū)動電動機的功率，；
——液壓泵工進時的流量；
——驅(qū)動電機的機械效率；
由公式得，驅(qū)動電機的功率為：
===5.09
參考以上計算數(shù)據(jù)查閱產(chǎn)品樣本，根據(jù)《液壓傳動設(shè)計指南》張利平 選用規(guī)格相近的Y132S-4型封閉式三相異步電動機，其額定功率，額定轉(zhuǎn)速為，重量為。
按所選驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和液壓泵的排量計算，液壓泵的最大實際流量Q為：
由此可知，，故滿足系統(tǒng)的需求。
5.4.3液壓閥的選取原則
液壓閥的選取原則：按照所擬定的液壓系統(tǒng)原理圖，并根據(jù)系統(tǒng)的最高工作壓力和通過該閥的最大流量，從產(chǎn)品樣本中選取標準液壓控制閥。要求閥的額定壓力和額定流量，一般應(yīng)大于系統(tǒng)工作壓力和通過該閥的最大流量。必要時允許通過閥的最大流量可超過流量的20%，但不能過大，以免引起發(fā)熱、噪聲、壓力損失增大等。溢流閥應(yīng)按泵的最大流量選??；流量閥應(yīng)按系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)范圍選取，其最小穩(wěn)態(tài)流量應(yīng)能滿足工作部件最低穩(wěn)定速度的要求。對于可靠性要求特別高的系統(tǒng)來說，閥類元件的額定壓力應(yīng)高出其工作壓力較多。
根據(jù)所選的液壓泵規(guī)格及系統(tǒng)工作狀況，選取的液壓元件如下表所示：
表4.2 選取各類液壓元件明細表
元件名稱
參數(shù)值
參數(shù)
數(shù)量
額定壓力
（）
型號
通徑
（）
生產(chǎn)廠家
溢流閥
1
42
DBDS10K10B
10
北京華德液壓
液控方向閥
1
42
4WH10K40B
10
北京華德液壓
單向閥
2
42
S10K11B
10
北京華德液壓
調(diào)速閥
1
42
2FRE10-40B
10
北京華德液壓
節(jié)流閥
1
42
MK10G1.2B
10
北京華德液壓
液壓缸
自行設(shè)計
自行設(shè)計
自行設(shè)計
自行設(shè)計
自行設(shè)計
壓力表開關(guān)
1
42
AF6EP30/Y400
10
榆次液壓件廠
電磁閥
1
42
M-3SEW6C-30B
10
北京華德液壓
第5章 液壓缸的設(shè)計及其計算
液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它的職能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能。液壓缸輸入的是流體的流量和壓力，輸出的是直線運動速度和力。液壓缸作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是系統(tǒng)性能及功能的體現(xiàn)，所以在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮其工作循環(huán)、負載條件、整體及零部件的工作條件、材料使用、強度及剛度、生產(chǎn)工藝、連接及拆裝操作、密封、緩沖及排氣等要求，協(xié)調(diào)各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸與位置關(guān)系，同時還要對其外觀造型、經(jīng)濟性等給予足夠的重視。
液壓缸的組成：由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置及排氣裝置等部分組成。其中，緩沖裝置和排氣裝置是根據(jù)具體實際應(yīng)用場合而定，其余的是必不可少的。
通過上章的初步計算可知液壓缸的基本尺寸，液壓缸內(nèi)徑，活塞缸的直徑。
5.1液壓缸設(shè)計中應(yīng)注意的問題
1、盡量使活塞桿在受力狀態(tài)下承受最大負載，或在受壓狀態(tài)下活塞桿具有良好的縱向穩(wěn)定性。
2、液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)盡可能按推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計標準進行設(shè)計，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、加工、裝配和維修方便。
3、考慮液壓缸行程終端處的制動和液壓缸的排氣問題。
4、正確確定液壓缸的安裝和固定方式，考慮液壓缸的熱變形，它只能一端定位。
5.2主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與選用
5.2.1缸筒壁厚的計算
液壓缸缸筒的壁厚一般指缸筒的厚度，是否能承受系統(tǒng)工作壓力的關(guān)鍵。缸筒壁一般可分為薄壁和厚壁。當(dāng)液壓缸內(nèi)徑與其厚度的比值的為薄壁；相反亦為厚壁，工程機械所用液壓缸大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)形式，其壁厚計算公式如下：
式中 ——實驗壓力，；工作壓力，；工作壓力時，。
D ——液壓缸內(nèi)徑，；
——缸體材料的需用應(yīng)力，；
——缸體材料的抗拉強度，；
——安全系數(shù)，一般n=1.5～2.5，取n=2.5
本次設(shè)計，缸筒材料采用45#鋼制造，其許用應(yīng)力為：
則缸筒的壁厚為：
參照《液壓傳動設(shè)計指南》張利平，選取標準值，液壓缸的外徑，即。
1-接頭座，2-缸套，3-油管，4-左端蓋
圖5.1缸套示意圖
5.2.2液壓缸的油口尺寸
一般液壓缸的油口包括油口孔和連接螺紋。油口可設(shè)在缸筒或端蓋上，油口孔徑應(yīng)根據(jù)活塞最大運動速度和油口最高液體流速確定，其公式如下：
式中 ——油口孔經(jīng),；
D——液壓缸內(nèi)徑,；
——液壓缸的最大運行速度,；
——油口的液流速度，；一般取液流速度不等于5，取=5。
代入數(shù)據(jù)計算油口孔經(jīng)為：
參考《液壓傳動設(shè)計指南》張利平 取標準值，其螺紋尺寸為（GB/T 2878—1993）。
5.2.3液壓缸缸底厚度的計算
液壓缸的缸底有許多種形式如平底、拱形等。一般多為平底，其厚度的大小影響整個缸的工作性能，故在設(shè)計計算時要進行一定的強度校核。缸底厚度的計算與校核可參照四周嵌住的圓盤強度公式進行近似計算，其公式如下：
當(dāng)缸底無有口時：
參考《液力傳動與氣壓傳動手冊》選取標準值。
圖5.1端蓋示意圖
5.2.4活塞與活塞桿的計算
（1）、活塞與活塞桿的連接形式有三種，一般根據(jù)具體的工作壓力、活塞桿直徑及機械振動的大小進行選擇。其分類如下：
A、整體結(jié)構(gòu)式 適用于工作壓力較大而活塞直徑又較小的情況
B、螺紋連接式 常采用的連接方式用于壓力一般的情況
C、半環(huán)連接式 用于工作壓力和機械振動較大的情況
注意：對于非整體式結(jié)構(gòu)，需設(shè)定鎖緊措施，以免工作時因往復(fù)運動而松開。同時，應(yīng)在活塞與活塞桿之間需設(shè)置靜密封，防止泄漏。
在本次設(shè)計中，依據(jù)實際工作狀況，活塞與活塞桿連接采用整體結(jié)構(gòu)式連接，。
（2）、材料的選擇
活塞桿、活塞的材料 采用實心活塞桿，材料為45#鋼，活塞桿的粗加工之后要要調(diào)質(zhì)到硬度為229～285HB。
活塞在外徑加上耐磨環(huán)。
活塞桿強度的校核
1）、活塞桿是液壓缸的重要工作部件，它的強度決定液壓缸的工作能力和性能。若其強度不夠，易發(fā)生不安全事故，或者導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)癱瘓失去正常工作的能力。
活塞桿的強度校核公式如下：
式中 ——活塞桿上的作用力，N；
——活塞桿材料的許用應(yīng)力，；（取=240）
依據(jù)上市計算得：
而，因此知活塞桿強度足夠。
2）、另有，活塞桿一般都設(shè)計有螺紋、退刀槽等結(jié)構(gòu)。這些部位往往均是活塞桿上的危險截面，為了保證強度，需進行強度校核，其計算公式如下：
式中 ——為活塞桿上的拉力，；
——危險截面直徑，m；
根據(jù)實際情況取，代入數(shù)據(jù)得：
由于，故強度足夠。
3）、活塞穩(wěn)定性的驗算
若時，活塞桿需進行彎曲穩(wěn)定性的驗算，為安裝距離。
本設(shè)計的安裝距，故不需進行穩(wěn)定性的驗算。
圖5.1油塞桿示意圖
5.2.5液壓缸工作行程的確定
液壓缸工作行程長度一般是根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)實際工作的最大行程確定，并參照下表選取標準值。
表5.1液壓缸行程系列(GB/T 2349-80)
油缸內(nèi)徑
行程
25
500
50
630
80
800
100
1000
125
1250
160
1600
200
2000
250
2500
320
3200
400
4000
本設(shè)計依據(jù)實際工作的最大行程選取標準值L=800mm。
5.2.6液壓缸最小導(dǎo)向長度的計算
當(dāng)活塞桿全部伸出時，從活塞支撐面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度。如果導(dǎo)向長度過短，將使液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計時必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長度。
對于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度應(yīng)滿足下式：
式中 L——最大工作行程，mm；
D——缸筒內(nèi)徑，mm；
最小導(dǎo)向長度為：
參考《實用液壓技術(shù)叢書——液壓缸》臧克江，取標準值最小導(dǎo)向長度
5.2.7缸筒與缸蓋的連接
液壓缸的缸筒與缸蓋的連接方式有很多，如螺紋連接、螺栓連接、焊接、半環(huán)連接。本設(shè)計采用螺紋連接，結(jié)構(gòu)緊湊。
5.2.8排氣與緩沖
（1）、緩沖的設(shè)計 當(dāng)液壓缸中活塞運動速度在6以下時，一般不設(shè)緩沖裝置，而運動速度在12以上時，必須設(shè)置緩沖裝置。本設(shè)計中液壓缸活塞桿的最高速度為3.8，故不需設(shè)置緩沖裝置，靠自身的密封阻力即可完成緩沖作用。
（2）、排氣的設(shè)計 液壓缸在安裝過程中或長時間停放重新工作時，液壓缸里和管道系統(tǒng)中會滲入空氣，防止執(zhí)行元件在工作中出現(xiàn)爬行、噪聲、振動和發(fā)熱等不正?，F(xiàn)象，需把缸中和系統(tǒng)中的空氣排出。
液壓缸的排氣裝置一般設(shè)置在液壓缸最高處的端部或者把進出油口設(shè)置在最高處，隨油液帶走。排氣的方法有：放氣孔、放氣閥、放氣塞等。
依據(jù)液壓缸工作情況的需要，排氣裝置采用放氣錐塞，當(dāng)液壓缸工作一定時間，松動放氣錐塞，將缸內(nèi)或系統(tǒng)中的空氣排出，即定期排氣。
5.3密封與防塵的選擇
5.3.1活塞與缸筒的密封結(jié)構(gòu)
活塞與缸筒之間既有相對運動，又需要使液壓缸兩腔之間不泄漏。因此在密封結(jié)構(gòu)上應(yīng)慎重考慮，否則將會影響液壓缸的效率和系統(tǒng)的工作性能。
活塞與缸筒的密封結(jié)構(gòu)通常有三大類，如下：
間隙密封 用于低壓系統(tǒng)中的液壓缸活塞的密封
活塞環(huán)密封 適用于溫度變化范圍大，要求摩擦小、壽命長的活塞密封
密封圈密封
a、o形 密封性能好，摩擦因數(shù)小，安裝空間小
b、y形 用在20壓力下，往復(fù)運動速度較高的液壓缸密封
Yx形 耐高壓，耐磨性好，低溫性能好，逐漸代替Y形密封圈
V形 可用于50壓力下，耐久性好，但摩擦阻力大
U形 用于32一下的系統(tǒng)中，密封性好，阻力較小
在本設(shè)計中，根據(jù)實際運動的需求，活塞與缸筒之間采用O型密封圈進行密封。
5.3.2活塞桿的密封與防塵
在液壓缸內(nèi)部裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。同時，在外側(cè)裝有防塵圈，防止活塞桿在退回時把雜質(zhì)、灰土及水分帶到缸體內(nèi)部，損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故需要密封與防塵結(jié)構(gòu)。
一般活塞桿密封與防塵結(jié)構(gòu)有四大類，如Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈。
本次綜合考慮，活塞桿的密封與防塵結(jié)構(gòu)采用O型密封圈，因其結(jié)構(gòu)簡單，密封性能好，使用壽命長，摩擦力小。
注：因?qū)嶋H有很多小類形，具體結(jié)構(gòu)很多，所以以上密封圈的具體型號及結(jié)構(gòu)參考《液壓傳動設(shè)計指南》張利平 進行選取，此處不再贅述。
第6章 液壓系統(tǒng)性能的驗算
液壓系統(tǒng)在初步確定之后，就需對系統(tǒng)有關(guān)性能加以驗算，來判別系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，并對液壓系統(tǒng)進行完善和改進。系統(tǒng)的驗算是一個較為復(fù)雜的問題，驗算的項目很多，因此目前只采用一些簡化的公式進行近似的估算，以便定性的說明情況。常見的驗算項目有壓力損失、雷諾數(shù)、系統(tǒng)發(fā)熱溫升等驗算。
6.1雷諾數(shù)
雷諾數(shù)是確定油液在管道流動的狀態(tài)。對于液壓系統(tǒng)來說至關(guān)重要。液流的狀態(tài)可分為層流和穩(wěn)流。層流時，液體流速較低，粘性力起主導(dǎo)作用，液體的能量損耗主要是摩擦損失，它直接轉(zhuǎn)化為熱能，使液體溫度升高；紊流時，液體流速較高，粘性力減弱，慣性矩起主導(dǎo)作用，液體的能量損耗主要是動能損失，它使液體攪動混合，產(chǎn)生漩渦、尾流，造成氣穴，撞擊管殼，引起振動和噪聲。
從上分析可知，在實際生產(chǎn)中人們總是希望液流狀態(tài)為層流狀態(tài)，這對系統(tǒng)十分有益。因此用臨屆雷諾數(shù)來判定。查閱《流體力學(xué)