【正文】 系統(tǒng) 及 液壓 缸 設(shè)計(jì) 【摘要】 液壓技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械工業(yè)中普遍采用的傳動(dòng)技術(shù)。然后利用液壓傳動(dòng)的基本原理，擬定合理的液壓系統(tǒng)原理圖，再經(jīng)過必要的計(jì)算確定液壓缸、液壓泵的主要參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)來確定液壓元件的規(guī)格和進(jìn)行液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的校核，使所有的設(shè)計(jì)均滿足設(shè)計(jì)要求。 Hydraulic system design。 1654 年帕斯卡提出靜壓傳動(dòng)原理； 1795 年，英國(guó)人 Bramah 設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)水壓機(jī)； 1905 年，將工作介質(zhì)由水改為油后，性能得到很大改善；現(xiàn)代液壓傳動(dòng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感技術(shù)的緊密結(jié)合已發(fā)展成為傳動(dòng)、控制和檢測(cè)組成的一門完整地自動(dòng)化技術(shù)。巨大的市場(chǎng)缺口與發(fā)展前景使得大量的資金與人力投入到這個(gè)行業(yè)里來，豐富了人民的日常 生活。這種既古老又新穎的食用油生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式在我們周邊悄然出現(xiàn)，開始占據(jù)著越來越重要的市場(chǎng)份額，吸引著眾多的消費(fèi)者前來購買他們生產(chǎn)的食用油。消費(fèi)者開始注意到這個(gè)關(guān)系身體健康的方面，選擇壓榨法生產(chǎn)的食用油的用戶也越來越多。液壓傳動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)來進(jìn)行能量傳遞的一種傳動(dòng)形式，它通過能量轉(zhuǎn)換裝置（如液壓泵），將原動(dòng)機(jī)（如電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能 [3]，然后通過密封管道、控制元件等，由另一能量裝置（如液壓缸、液壓馬達(dá)）將液體的壓力能 轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載和實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。最早成功應(yīng)用液壓傳動(dòng)裝置的是艦艇上的炮塔轉(zhuǎn)位器；第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事工業(yè)需要反應(yīng)快、精度高。 我國(guó)的液壓技術(shù)開始于 1952 年，液壓元件最初應(yīng)用于機(jī)床和鍛壓設(shè)備，后 來應(yīng)用于工程機(jī)械。由此可見，隨著科學(xué)技術(shù)特別是 控制技術(shù)和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液壓傳動(dòng)于控制技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用將更加廣泛。 4) 液壓傳動(dòng)裝置的控制、調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，操縱 比較方便、省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，于電氣控制配合使用，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序動(dòng)作和遠(yuǎn)程控制。 2） 液壓傳動(dòng)中有機(jī)械損失、壓力損失、泄漏損失，效率較低，所以不宜作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。 6） 液壓傳動(dòng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，不易迅速排除。 當(dāng)前狀況 當(dāng)前用物理方法壓榨 油料的設(shè)備主要有兩種，一種為 螺旋榨油機(jī) （ 圖 11）。另一方面，由于榨螺的 根圓 直徑是逐漸增粗，螺距是逐漸減少的，因而當(dāng)榨螺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺紋使 進(jìn) 料胚 即能向前推進(jìn)，又能向外翻轉(zhuǎn)，同時(shí)靠近榨螺螺紋表面的料層還隨著榨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 12 液壓榨油機(jī) 液壓榨油機(jī) 屬靜態(tài)制油，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、省動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)，它可應(yīng)用于一些零星分散油料（如 米糠、野生油料）以及需要保持特殊風(fēng)味或營(yíng)養(yǎng)的油料（如可可豆、油橄欖、芝麻等）的磨漿液壓制油。 螺旋榨油機(jī)由于生產(chǎn)過程連續(xù)，適用于大批量生產(chǎn)。而液壓榨油機(jī)由于，既能滿足批量生產(chǎn)，又能使用于少量的加工所以適應(yīng)性較強(qiáng)。液壓榨油機(jī)以電力帶動(dòng)液壓泵以液壓傳動(dòng)方式進(jìn)行壓榨，能夠克服手動(dòng)榨油的弊端。 此項(xiàng)設(shè)計(jì)屬實(shí)際運(yùn)用型設(shè)計(jì)，按廠家要求以液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和專用液壓元件（液壓缸）的設(shè)計(jì)為主，使設(shè)備可靠性有較大提高，同時(shí)消除現(xiàn)有設(shè)備的一些常見問題。當(dāng)榨油機(jī)壓力達(dá)到一定數(shù)值（ 依據(jù)系統(tǒng)要求）時(shí)能夠保持壓力穩(wěn)定，使油能夠充分析出。同時(shí)此階段能夠保持 壓力不會(huì)減少，避免系統(tǒng)由于壓力下降導(dǎo)致出油不凈。液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足使用要求的同時(shí)考慮成本、維修等因素。 液壓執(zhí)行元件的載荷的組成與計(jì)算 1）工作載荷 Fg 工作載荷是作用在活塞桿軸線上的擠壓力，在此為最大軸向 力 KMFg 1200? 2） 慣性載荷 aF tvgGFa ??? . （ 31） G — 運(yùn)動(dòng)部件受到的重力（ N ） g — 重力加速度； 2/ smg ? v? — 速度變化量（ sm/ ） t? — 起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間（ s ） 則求得慣性載荷為 NtvgGF a 0 2 * 0 0* ????? 3）摩擦阻力 mF 液壓缸密封處的摩擦阻力 mF ，由于各種缸的密封材質(zhì)和密封形成不同，難以精確計(jì)算，一般估算為： FF mm )1( ??? （ 32） （ 2） 其中， m? — 液壓缸的機(jī)械效率，一般取 ?m? mWFF ?? （ 33） 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 3） 則可求得 KNKNFFmWmm *)()1( ????? ?? 通過計(jì)算可知由于慣性載荷值很小，在設(shè)計(jì)計(jì)算中忽略不計(jì)。 [10] 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸有關(guān)計(jì)算參數(shù)見圖（ 35）。 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 表 32 液壓缸實(shí)際工作壓力 工況 載荷 KN 工作壓力 Mpa 計(jì)算公式 下行 11AFp? 保壓延時(shí) 1200 12AFp? 快速上行 2 23AFp? 計(jì)算液壓缸實(shí)際所需流量 根據(jù)最后確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算出液壓缸實(shí)際所需流量，見表 33 。有桿腔進(jìn) (回 )油路溢流閥保證當(dāng)在液壓缸上行到位置，而油泵未停止供油時(shí)溢流，保護(hù)液壓缸缸蓋不會(huì)因承受過高壓力而損壞。 圖 36 液壓系統(tǒng)圖 液壓元件的選擇 液壓泵的選擇 1）液壓泵工作壓力的確定 ???? PPPP 1 (37) 1P — 液壓缸的最高工作壓力，對(duì)本系統(tǒng) MpaP ? 。取泄漏系數(shù) K為 。 考慮到保壓延時(shí)階段一般時(shí)間較短，而 電動(dòng)機(jī)一般允許短時(shí)間超載 25%，這樣電動(dòng)機(jī)的功率還可以降低一些，查產(chǎn)品樣本可以選擇 的電動(dòng)機(jī)。 v —— 管內(nèi)允許流速 ( sm/ )。 d — 管道內(nèi)徑（ m ）。 油箱容量的確定 根據(jù)油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式 vaqV? (312) 其中， vq — 液壓泵每分鐘排出壓力有的容積（ 3m ） a — 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般鍛壓機(jī)械取 6— 12，在此取 8?a *8 mV ?? 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 驗(yàn)算回路中的壓力損失 本系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，主要驗(yàn)算從液壓泵到液壓缸回路的壓力損失 1）沿程壓力損失 沿程壓力損失為進(jìn)油路的壓力損失。 通過圖 2，從液壓泵到液壓缸進(jìn)油口要經(jīng)過單向閥和三位四通閥。對(duì)此液壓系統(tǒng)主要功率損失有： 液壓泵的功率損失： WtPTP prth 2 2 06 0 0)(2 2 0 01 8 0 01).1.(.11 ???????? ? (318) 其中， tT — 工作循環(huán)周期（ s ） 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) rP — 液壓泵的輸入功率（ W ） p? — 液壓泵的總效率 t— 液壓泵的工作時(shí)間 液壓執(zhí)行元件的功率損失： WtPTP rth 1 1 01 8 0 0)(2 2 0 01 8 0 01).1.(.12 ???????? ? 其中， tT — 工作循環(huán)周期（ s ） 油液流經(jīng)閥或管路的損失： WqpP vh 300 0 0 1 0 8 5 0 0 ????? (319) 則系統(tǒng)的總的發(fā)熱功率為： WPPPP hhhhr 36030110220321 ??????? (320) 2）計(jì)算液壓系統(tǒng)的散熱功率 前面初步求得油箱的有效容積為 m ，按 abhV ? 求得油箱各邊之積： 33 .. mmhba ?? (321) 取 a 為 ， b 為 ， h 為 。 圖 47 液壓缸缸體 通過 計(jì)算液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸，知液壓缸缸體的內(nèi)徑 mmD 280? 。 ? — 強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)于無縫鋼管， 1?? ?？紤]到加工要求缸底材料選用 45號(hào)鋼。缸底上加工出四個(gè)螺栓孔供 聯(lián)結(jié)螺栓穿過。在液壓缸工作時(shí)活塞上承受的最大壓力為 所以在活塞靠近缸底端采用 Yx 密封圈進(jìn)行密封， 能夠承受 的壓力。通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知在活塞直徑為mmD 280? 時(shí)，密封圈溝槽的寬度為 mm20 ， O型圈的溝槽寬度為 。此液壓缸活塞桿直徑 mmd 200? ，所以采用空心桿形式，在保證性能的同時(shí)減輕重量。在承受 壓應(yīng)力時(shí)要保證 : SSN nAF ??? ??? ][ (428) 其中， NF — 活塞桿承受最大工作壓力（ N ） A — 活塞桿截面積（ 2m ） S? — 活塞桿材料屈服極限應(yīng)力（ Mpa ），此活塞桿材料取 45 鋼MpaS 355?? Sn — 安全系數(shù)，在此系統(tǒng)中取 ?Sn 則 263 008 10355 0. mnFA S SN ?? ???? ? 活塞桿內(nèi)徑 mAdd 1 0 08 221 ?????? ? 活塞桿壁厚 mdd 0 1 4 1 7 11 ??????，將此厚度圓整為 mm151 ?? 。 缸蓋的設(shè)計(jì) 液壓缸回程時(shí)受力不大，缸體下部承受的最大壓力為 Mpa2 ，同時(shí)缸蓋本身也是活塞桿的導(dǎo)向套，所以缸頭選用材料為