一 绪论
1.1 液压传动与控制概述
液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现各种机械量的输出（力、位移或速度等）的。它与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大，结构小、响应快等特点，因而被广泛的应用于各种机械设备及精密的自动控制系统。液压传动技术是一门新的学科技术，它的发展历史虽然较短，但是发展的速度却非常之快。自从1795年制成了第一台压力机起，液压技术进入了工程领域；1906年开始应用于国防战备武器。
第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服控制系统。从60年代起，由于原子能、空间技术、大型船舰及电子技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，从民用到国防，由一般的传动到精确度很高的控制系统，这种技术得到更加广泛的发展和应用。
在国防工业中：海、陆、空各种战备武器均采用液压传动与控制。如飞机、坦克、舰艇、雷达、火炮、导弹及火箭等。
在民用工业中：有机床工业、冶金工业、工程机械、农业方面，汽车工业、轻纺工业、船舶工业。
另外，近几年又出现了太阳跟踪系统、海浪模拟装置、飞机驾驶模拟、船舶驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射装置、宇航环境模拟、高层建筑防震系统及紧急刹车装置等，均采用了液压技术。
总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。它的发展如此之快，应用如此之广，其原因就是液压技术有着优异的特点，归纳起来液压动力传动方式具有显著的优点：其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率大；液压传动装置体积小、结构紧凑、布局灵活，易实现无级调速，调速范围宽，便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化便于实现数字化。
1.2 液压机的发展及工艺特点
液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，自19世纪问世以来发展很快，液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。
作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。
近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从70年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。我国从1970年开始对这种阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的优越性。
液压机工艺用途广泛，适用于弯曲、翻边、拉伸、成型和冷挤压等冲压工艺，压力机是一种用静压来加工产品。适用于金属粉末制品的压制成型工艺和非金属材料，如塑料、玻璃钢、绝缘材料和磨料制品的压制成型工艺，也可适用于校正和压装等工艺。
由于需要进行多种工艺，液压机具有如下的特点：
（1） 工作台较大，滑块行程较长，以满足多种工艺的要求；
（2） 有顶出装置，以便于顶出工件；
（3） 液压机具有点动、手动和半自动等工作方式，操作方便；
（4） 液压机具有保压、延时和自动回程的功能，并能进行定压成型和定程成型的操作，特别适合于金属粉末和非金属粉末的压制；
（5） 液压机的工作压力、压制速度和行程范围可随意调节，灵活性大。
二 150t液压机液压系统工况分析
本机器(见图1.1)适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、塑料制品及粉末制品的压制成型。本机器具有独立的动力机构和电气系统。采用按钮集中控制，可实现调整、手动及半自动三种操作方式。本机器的工作压力、压制速度、空载快速下行和减速的行程范围均可根据工艺需要进行调整，并能完成一般压制工艺。此工艺又分定压、定程两种工艺动作供选择。定压成型之工艺动作在压制后具有保压、延时、自动回程、延时自动退回等动作。 本机器主机呈长方形，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。该机并设有脚踏开关，可实现半自动工艺动作的循环。
2.2 工况分析
本次设计在毕业实习调查的基础上，用类比的方法初步确定了立式安装的主液压缸活塞杆带动滑块及动横梁在立柱上滑动下行时，运动部件的质量为500Kg。
1．工作负载 工件的压制抗力即为工作负载：
2. 摩擦负载 静摩擦阻力：
动摩擦阻力：
3. 惯性负载
自重：
4. 液压缸在各工作阶段的负载值：
其中： ——液压缸的机械效率，一般取 =0.9-0.97。工况 负载组成 推力 F/
2.3负载图和速度图的绘制：
负载图按上面的数值绘制，速度图按给定条件绘制，如图：
三 液压机液压系统原理图设计
3．1 自动补油的保压回路设计
考虑到设计要求，保压时间要达到5s，压力稳定性好。若采用液压单向阀回路保压时间长，压力稳定性高，设计中利用换向阀中位机能保压，设计了自动补油回路，且保压时间由电气元件时间继电器控制，在0-20min内可调整。此回路完全适合于保压性能较高的高压系统，如液压机等。
自动补油的保压回路系统图的工作原理：
按下起动按纽，电磁铁1YA通电，换向阀6接入回路时，液压缸上腔成为压力腔，在压力到达预定上限值时压力继电器11发出信号，使换向阀切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由换向阀M型中位机能保压。当液压缸上腔压力下降到预定下限值时，压力继电器又发出信号，使换向阀右位接人回路，这时液压泵给液压缸上腔补油，使其压力回升。回程时电磁阀2YA通电，换向阀左位接人回路，活塞快速向上退回。
3．2 释压回路设计：
释压回路的功用在于使高压大容量液压缸中储存的能量缓缓的释放，以免她突然释放时产生很大的液压冲击。一般液压缸直径大于25mm、压力高于7Mpa时，其油腔在排油前就先须释压。
根据设计很实际的生产需要，选择用节流阀的释压回路。其工作原理：按下起动按钮，换向阀6的右位接通，液压泵输出的油经过换向阀6的右位流到液压缸的上腔。同时液压油的压力影响压力继电器。当压力达到一定压力时，压力继电器发出信号，使换向阀5回到中位，电磁换向阀10接通。液压缸上腔的高压油在换向阀5处于中位（液压泵卸荷）时通过节流阀9、换向阀10回到油箱，释压快慢由节流阀调节。当此腔压力降至压力继电器的调定压力时，换向阀6切换至左位，液控单向阀7打开，使液压缸上腔的油通过该阀排到液压缸顶部的副油箱13中去。使用这种释压回路无法在释压前保压，释压前有保压要求时的换向阀也可用M型，并且配有其它的元件。
机器在工作的时候，如果出现机器被以外的杂物或工件卡死，这是泵工作的时候，输出的压力油随着工作的时间而增大，而无法使液压油到达液压缸中，为了保护液压泵及液压元件的安全，在泵出油处加一个直动式溢流阀1，起安全阀的作用，当泵的压力达到溢流阀的导通压力时，溢流阀打开，液压油流回油箱。起到保护作用。在液压系统中，一般都用溢流阀接在液压泵附近，同时也可以增加液压系统的稳定性。使零件的加工精度增高。
3．3液压机液压系统原理图拟定
上液压缸工作循环
（1） 快速下行。按下起动按钮，电磁铁1YA通电，这时的油路为：
液压缸上腔的供油的油路
变量泵1—换向阀6右位—节流阀8—压力继电器11—液压缸15
液压缸下腔的回油路
液压缸下腔15—液控单向阀7—换向阀6右位—电磁阀5—背压阀4—油箱
油路分析：变量泵1的液压油经过换向阀6的右位，液压油分两条油路：一条油路通过节流阀7流经继电器11，另一条路直接流向液压缸的上腔和压力表。使液压缸的上腔加压。液压缸15下腔通过液控单向阀7经过换向阀6的右位流经背压阀，再流到油箱。因为这是背压阀产生的背压使接副油箱旁边的液控单向阀7打开，使副油箱13的液压油经过副油箱旁边的液控单向阀14给液压缸15上腔补油。使液压缸快速下行，另外背压阀接在系统回油路上，造成一定的回油阻力，以改善执行元件的运动平稳性。
（2） 保压时的油路情况：
油路分析：当上腔快速下降到一定的时候，压力继电器11发出信号，使换向阀6的电磁铁1YA断电，换向阀回到中位，利用变量泵的柱塞孔从吸油状态过渡到排油状态，其容积的变化是由大变小，而在由增大到缩小的变化过程中，必有容积变化率为零的一瞬间，这就是柱塞孔运动到自身的中心线与死点所在的面重合的这一瞬间，这时柱塞孔的进出油口在配油盘上所在的位置，称为死点位置。柱塞在这个位置时，既不吸油，也不排油，而是由吸转为排的过渡状态。液压系统保压。而液压泵1在中位时，直接通过背压阀直接回到油箱。
（3） 回程时的油路情况：
液压缸下腔的供油的油路：
变量泵1——换向阀6左位——液控单向阀7——液压油箱15的下腔
液压缸上腔的回油油路：
液压腔的上腔——液控单向阀14——副油箱13
液压腔的上腔—节流阀8——换向阀6左位——电磁阀5——背压阀4——油箱
油路分析： 当保压到一定时候，时间继电器发出信号，使换向阀6的电磁铁2YA通电，换向阀接到左位，变量泵1的液压油通过换向阀旁边的液控单向阀流到液压缸的下腔，而同时液压缸上腔的液压油通过节流阀9（电磁铁6YA接通），上腔油通过换向阀10接到油箱，实现释压，另外一部分油通过主油路的节流阀流到换向阀6，再通过电磁阀19，背压阀11流回油箱。实现释压。
下液压缸的工作循环：
向上顶出时，电磁铁4YA通电，5YA失电。
进油路：
液压泵——换向阀19左位——单向节流阀18——下液压缸下腔
回油路：
下液压缸上腔——换向阀19左位——油箱
当活塞碰到上缸盖时，便停留在这个位置上。
向下退回是在4YA失电，3YA通电时产生的，
进油路：
液压泵——换向阀19右位——单向节流阀17——下液压缸上腔
回油路：
下液压缸下腔——换向阀19右位——油箱
原位停止是在电磁铁3YA，4YA都断电，换向阀19处于中位时得到的。
四 液压系统的计算和元件选型
4．1 确定液压缸主要参数：
按液压机床类型初选液压缸的工作压力为25Mpa,根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。快进时采用差动连接，并通过充液补油法来实现，这种情况下液压缸无杆腔工作面积 应为有杆腔工作面积 的6倍，即活塞杆直径 与缸筒直径 满足 的关系。
快进时，液压缸回油路上必须具有背压 ,防止上压板由于自重而自动下滑，根据《液压系统设计简明手册》表2-2中，可取 =1Mpa，快进时，液压缸是做差动连接，但由于油管中有压降 存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估计时可取 ,快退时，回油腔是有背压的，这时 亦按2Mpa来估算。
1) 计算液压缸的面积
可根据下列图形来计算
—— 液压缸工作腔的压力 Pa
—— 液压缸回油腔的压力 Pa
故：
当按GB2348-80将这些直径圆整成进标准值时得： ,
由此求得液压缸面积的实际有效面积为：
2) 液压缸实际所需流量计算
① 工作快速空程时所需流量
液压缸的容积效率，取
② 工作缸压制时所需流量
③ 工作缸回程时所需流量
4．2液压元件的选择
4．2.1确定液压泵规格和驱动电机功率
由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为 ，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为 （含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为
上述计算所得的 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，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力 应满足：
液压泵的最大流量应为：
式中 液压泵的最大流量
同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量 。
系统泄漏系数，一般取 ，现取 。
1．选择液压泵的规格
由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。大流量。所以选轴向柱塞变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：
1） 工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（ ） ，最高可以达到 。
2） 流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。
3） 改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。
4） 柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。
根据以上算得的 和 在查阅相关手册《机械设计手册》成大先P20-195得：现选用 ，排量63ml/r，额定压力32Mpa，额定转速1500r/min，驱动功率59.2KN，容积效率 ，重量71kg，容积效率达92%。
2．与液压泵匹配的电动机的选定
由前面得知，本液压系统最大功率出现在工作缸压制阶段，这时液压泵的供油压力值为26Mpa，流量为已选定泵的流量值。 液压泵的总效率。柱塞泵为 ，取 0.82。
选用1000r/min的电动机，则驱动电机功率为
选择电动机 ，其额定功率为18.5KW。
4.2.2阀类元件及辅助元件的选择
1. 对液压阀的基本要求：
(1). 动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。油液流过时压力损失小。
(2). 密封性能好。结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大
2. 根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件型号和规格
主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格：
序号 元件名称 估计通过流量
型号 规格
1 斜盘式柱塞泵
156.8 63SCY14－1B 32Mpa，驱动功率59.2KN
2 WU网式滤油器 160 WU-160*180 40通径，压力损失 0.01MPa
3 直动式溢流阀 120 DBT1/315G24 10通径，32Mpa，板式联接
4 背压阀 80 YF3-10B 10通径，21Mpa，板式联接
5 二位二通手动电磁阀 80 22EF3-E10B
6 三位四通电磁阀 100 34DO-B10H-T 10通径，压力31.5MPa
7 液控单向阀
80 YAF3-E610B 32通径，32MPa
8 节流阀
80 QFF3-E10B 10通径，16MPa
9 节流阀
80 QFF3-E10B 10通径，16MPa
10 二位二通电磁阀
30 22EF3B-E10B 6通径，压力20 MPa
11 压力继电器
－ DP1-63B 8通径，10.5-35 MPa12 压力表开关
－ KFL8－30E 32Mpa，6测点
13 油箱
14 液控单向阀 YAF3-E610B 32通径，32MPa
15 上液压缸
16 下液压缸
17 单向节流阀
48 ALF3－E10B 10通径，16MPa
18 单向单向阀
48 ALF3－E10B 10通径，16MPa
19 三位四通电磁换向阀 25 34DO-B10H-T
20 减压阀 40 JF3-10B
4.2.3 管道尺寸的确定
油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P=31.25MPa ， 钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。
尼龙管用在低压系统；塑料管一般用在回油管用。
胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高、低压两种。高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。
1. 管接头的选用：
管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。
管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：
焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。
液压系统中的泄漏问题大部分都出现在它管系中的接头上，为此对管材的选用，接头形式的确定（包括接头设计、垫圈、密封、箍套、防漏涂料的选用等），管系的设计（包括弯管设计、管道支承点和支承形式的选取等）以及管道的安装（包括正确的运输、储存、清洗、组装等）都要考虑清楚，以免影响整个液压系统的使用质量。
国外对管子的材质、接头形式和连接方法上的研究工作从不间断，最近出现一种用特殊的镍钛合金制造的管接头，它能使低温下受力后发生的变形在升温时消除——即把管接头放入液氮中用芯棒扩大其内径，然后取出来迅速套装在管端上，便可使它在常温下得到牢固、紧密的结合。这种“热缩”式的连接已经在航空和其它一些加工行业中得到了应用，它能保证在40~55Mpa的工作压力下不出现泄漏。本设计根据需要，选择卡套式管接头。要求采用冷拔无缝钢管。
2. 管道内径计算：
（1）
式中 Q——通过管道内的流量
v——管内允许流速 ，见表：
允许流速推荐值
油液流经的管道 推荐流速 m/s
液压泵吸油管
液压系统压油管道 3~6，压力高，管道短粘度小取大值
液压系统回油管道 1.5~2.6
(1). 液压泵压油管道的内径：
取v=4m/s
根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：取d=20mm,钢管的外径 D=28mm;
管接头联接螺纹M27×2。
(2). 液压泵回油管道的内径：
取v=2.4m/s
根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：取d=25mm,钢管的外径 D=34mm;
管接头联接螺纹M33×2。
3. 管道壁厚 的计算
式中： p——管道内最高工作压力 Pa
d——管道内径 m
——管道材料的许用应力 Pa，
——管道材料的抗拉强度 Pa
n——安全系数，对钢管来说， 时，取n=8； 时，
取n=6； 时，取n=4。
根据上述的参数可以得到：
我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度 =600MPa;
(1). 液压泵压油管道的壁厚
(2). 液压泵回油管道的壁厚
所以所选管道适用。
4. 液压系统的验算
上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为32mm,42mm。
但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失无法验算。4.2.4系统温升的验算
在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。
当V=10mm/s时，即v=600mm/min
即
此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为26MP，则有
即
此时的功率损失为：
假定系统的散热状况一般，取 ，
油箱的散热面积A为
系统的温升为
根据《机械设计手册》成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50
所以验算表明系统的温升在许可范围内。
五 液压缸的结构设计
5.1 液压缸主要尺寸的确定
1) 液压缸壁厚和外经的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸的内径D与其壁厚 的比值 的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算
设 计 计 算 过 程
式中 ——液压缸壁厚(m)；
D——液压缸内径(m)；
——试验压力，一般取最大工作压力的(1.25~1.5)倍 ；
——缸筒材料的许用应力。无缝钢管： 。
= =22.9
则 在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经 为2) 液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参阅<<液压系统设计简明手册>>P12表2-6中的系列尺寸来选取标准值。
液压缸工作行程选
缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。
无孔时
有孔时
式中 t——缸盖有效厚度(m)；
——缸盖止口内径(m)；
——缸盖孔的直径(m)。
液压缸：
无孔时
取 t=65mm
有孔时
取 t’=50mm
3)最小导向长度的确定
当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（如下图2所示）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须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应满足以下要求：
设 计 计 算 过 程
式中 L——液压缸的最大行程；
D——液压缸的内径。
活塞的宽度B一般取B=(0.6~10)D；缸盖滑动支承面的长度 ，根据液压缸内径D而定；
当D<80mm时，取 ；
当D>80mm时，取 。
为保证最小导向长度H，若过分增大 和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即
滑台液压缸：
最小导向长度：
取 H=200mm
活塞宽度：B=0.6D=192mm
缸盖滑动支承面长度：
隔套长度： 所以无隔套。
液压缸缸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端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。
液压缸：
缸体内部长度
当液压缸支承长度LB (10-15)d时，需考虑活塞杆弯度稳定性并进行计算。本设计不需进行稳定性验算。
5.2 液压缸的结构设计
液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。
设 计 计 算 过 程1) 缸体与缸盖的连接形式
缸体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。
本次设计中采用外半环连接，如下图1所示：
图1 缸体与缸盖外半环连接方式优点：
(1) 结构较简单
(2) 加工装配方便
缺点：
(1) 外型尺寸大
(2) 缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚2)活塞杆与活塞的连接结构
参阅<<液压系统设计简明手册>>P15表2-8，采用组合式结构中的螺纹连接。如下图2所示：
图2 活塞杆与活塞螺纹连接方式
特点：
结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。
液压传动系统的故障分析与排故
液压传动是以液压油为工作介质进行能量转换和动力传递的，它具有传送能量大、布局容易、结构紧凑、换向方便、转动平稳均匀、容易完成复杂动作等优点，因而广泛应用于工程机械领域。但是，液压传动的故障往往不容易从外部表面现象和声响特征中准确地判断出故障发生的部位和原因，而准确迅速地查出故障发生的部位和原因，并及时排除。在工程机械的使用、管理和维修中是十分重要的。
��1 液压系统的主要故障
��在相对运动的液压元件表面、液压油密封件、管路接头处以及控制元件部分，往往容易出现泄漏、油温过高、出现噪音以及电液结合部分执行动作失灵等现象。具体表现：一是管子、管接头处及密封面处的泄漏，它不仅增加了液压油的耗油量，脏污机器的表面，而且影响执行元件的正常工作。二是执行动作迟缓和无力，表现为推土机铲刀提升缓慢、切土困难，挖掘机挖掘无力、油马达转不起来或转速过低等。三是液压系统产生振动和噪音。四是其他元件出现异常。
��2 故障的检查
��2.1 直接检查法
�凭借维修人员的感觉、经验和简单工具，定性分析判断故障产生的原因，并提出解决的办法。
�2.2 仪器仪表检测法
�在直接观察的基础上，根据发生故障的特征和经验，采取各种检查仪器仪表，对液压系统的流量、压力、油温及液压元件转速直通式检测，对振动噪音和磨损微粒进行量的分析。
�2.3 元件置换法
�以备用元件逐一换下可能发生故障的元件，观察液压系统的故障是否消除，继而找出发生故障的部位和原因，予以排除。在施工现场，体积较大、不易拆装且储备件较少的元件，不宜采用这种方法。但对于如平衡阀、溢流阀及单向阀之类的体积小，易拆装的元件，采用置换法是比较方便的。
�2.4 定期按时监控和诊断�根据各种机械型号、检查内容和时间的规定，按出厂要求的时间和部位，通过专业检测、监控和诊断来检测元器件技术状况，及时发现可能出现的异常隐患，这是使液压系统的故障消灭在发生之前的一种科学技术手段。当然，执行定期检测法，首先要培养一些专业技术检测人员，使他们既精通工程机械液压元件的构造和原理，又掌握和钻研检测液压传动系统的各种诊断技术，在不断积累靠人的直感判断故障经验的同时，逐步发展不解体诊断技术，来完成技术数据采集，辅以电脑来分析判断故障的原因及排除方法。
��3 液压系统的故障预防
��3.1 保证液压油的清洁度
�正确使用标定的和要求使用的液压油及其相应的替代品(详参《工程机械油料手册》)，防止液压油中侵入污物和杂质。因为在液压传动系统中，液压油既是工作介质，又是润滑剂，所以油液的清洁度对系统的性能，对元件的可靠性、安全性、效率和使用寿命等影响极大。液压元件的配合精度极高，对油液中的污物杂质所造成的淤积、阻塞、擦伤和腐蚀等情况反应更为敏感。
�造成污物杂质侵入液压油的主要原因，一是执行元件外部不清洁；二是检查油量状况时不注意；三是加油时未用120目的滤网过滤；四是使用的容器和用具不洁净； 五是磨损严重和损坏的密封件不能及时更换；六是检查修理时，热弯管路和接头焊修产生的锈皮杂质清理不净；七是油液贮存不当等等。�在使用检查修理过程中，应注意解决这些问题，以减少和防止液压系统故障的发生。
�3.2 防止液压油中混入空气
�液压系统中液压油是不可压缩的，但空气可压缩性很大，即使系统中含有少量空气，它的影响也是非常大的。溶解在油液中的空气，在压力较低时，就会从油中逸出产生气泡，形成空穴现象；到了高压区，在压力的冲击下，这些气泡又很快被击碎，急剧受到压缩，使系统产生噪音。同时，气体突然受到压缩时，就会放出大量的热能，因而引起局部受热，使液压元件和液压油受到损坏，工作不稳定，有时会引起冲击性振动。
�故必须防止空气进入液压系统。具体做法：一是避免油管破裂、接头松动、密封件损坏；二是加油时，避免不适当地向下倾倒；三是回油管插入油面以下；四是避免液压泵入口滤油器阻塞使吸油阻力增大，不能把溶解在油中的空气分离出来。
�3.3 防止液压油温度过度�液压系统中的油液的工作温度一般在30℃～80℃范围内比较好，在使用时必须注意防止油温过高。如油箱中的油面不够，液压油冷却器散热性能不良，系统效率太低，元件容量小，流速过高，选用油液粘度不正确，它们都会使油温升高过快。粘度高增加油液流动时的能量损耗，粘度低会使泄漏增多，因此在使用中能注意并检查这些问题，就可以预防油温过高。此外对液压油定期过滤，定期进行物理性能检验，既能保证液压系统的工作性能，又能减少液压元件的磨损和腐蚀，延长油液和液压元件的使用寿命。
��4 液压系统的故障分析
��4.1 传动系统分析法
�工程机械的液压传动系统如果维护得好，一般说来故障是比较少的。由于密封件老化、变质和磨损而产生外泄是很容易观察到的，根据具体情况可设法排除。但是如果液压元件的内部发生了故障是观察不到的，往往不容易一下子就找出原因，有时虽然是同样的故障现象，但产生的原因却不一定相同，要想准确而迅速地找出液压元件的故障的部位和原因，首先要根据发生故障元件的构造图、系统图，分析了解和研究元件的工作原理和特性，再使了解的构造原理与实物对号，具体情况具体分析，检查寻找故障发生的部位和产生的原因，以便采取相应的技术措施来排除故障。
�4.2 逻辑流程分析法
�此方法是根据液压传动系统的基本原理进行逻辑分析，减少怀疑对象，逐步逼近找出故障发生的部位和原因。
��5 液压系统故障的排除
��(1) 液压系统中管子、管子接头和焊接处，由于振动频率较高，常常发生破坏。在换用时要根据压力和使用场合，选用强度足够，内壁光滑清洁，无砂、无伤、无锈蚀、无氧化皮的管子。当管子需要焊接时，最好采用加套管的办法，因为对接可能使管的内径局部缩小；截段时，油管的截面与管子轴线的不垂直度不得大于0.5°，并清除铁屑和锐边倒钝。当管子支承距离过大或支承松动时要设卡固定拧紧，当弯曲半径过小时，易形成弯曲应力，弯曲半径一般应大于管外径的3倍。
�在密封表面处，密封元件的老化变质会使泄漏量增大。密封件的有效寿命通常是：固定元件之间的密封寿命时间为10000h，运动元件之间密封寿命时间为1500h～2000h。到了规定的使用寿命时间后，即使还可用的元件也应该更换。密封面的泄漏还与预压面的压力不够或不均匀有关。预压量增大时，其封油量压力增大，密封效果好，反之则差。再者摩擦表面光洁度与硬度不足也会缩短密封件的寿命。
�密封件设计不合理以及安装时扭曲刮伤也是导致密封圈早期磨损而引起泄漏的原因。
�油液中杂质过多，易加速密封件与摩擦表面的磨损，形成密封件的早期失效，油封工作温度过高或过低也会影响其寿命和工作性能。
� (2) 执行元件运动的速度降低，主要是由于输入执行元件的液压油流量不足；执行元件无力的原因主要是输入液压油压力不足，以及回油管路背压过高等因素所造成的。
�工程机械液压系统所用的油泵多为齿轮泵，其工作压力为210×102kPa，柱塞泵的工作压力可达320×102kPa。泵的输出压力是由荷载决定的，并随着荷载的变化而变化。荷载无限增加，泵的压力也无限升高，直到系统某一部分被破坏。对于齿轮泵：主要是轴承、齿轮啮合面、齿顶与壳体、齿轮端面与泵盖间的磨损和密封件的磨损、老化、损坏使齿轮泵的内漏表现更为突出。在一定转速与一定压力下，对无端面间隙补偿的齿轮泵，其轴线磨损引起的泄漏约占全部内漏量的75%～85%，齿顶间隙内漏量约占15%～20%，其他内漏约占4%～5%，因此我们要抓住主要问题，采取有效的技术措施予以解决，就能使泵恢复其原有性能。
�在维修工作中，我们发现使用了一定时间的齿轮泵，由于啮合挤压，在齿顶和端面会产生毛刺，使泵体和端盖的磨损加剧，尤其是铝合金泵盖更为严重。如能定期修理检查，用油石磨掉所产生的毛刺，则可以延长油泵的寿命。叶片泵的主要故障是定子、叶片、转子、轴承和两侧配流盘的磨损，定子的内表面是由圆弧和过渡曲线组成的，过渡曲线如果采用“阿基米德”螺旋线，则叶片径向等速运动。实践证明，当我们将叶片泵解体修理时，定子内表面就在曲线与圆弧连接部分磨损最严重，换掉磨损严重的定子，可以使叶片泵恢复原有的性能，采用这种修理方法是比较经济的。叶片泵转子、叶片的使用寿命约相当于定子使用寿命的两倍，这在备料时应予以考虑。
�(3) 液压系统的蓄能器是用来调节能量、贮存能量、减少设备容积、降低功率消耗、减少系统发热、缓冲吸收冲击和脉动压力的辅助元件。常见的蓄能器有胶囊式的，它具有漏气损失小、反应灵敏、可以吸收急速的压力冲击和脉动、重量轻、体积小等特点。蓄能器发生故障会影响液压系统的正常工作，因此在检查气压量不足时，应按时充入惰性气体。
�(4) 液压系统中，要求装备精度高的还有液压马达。如果注意日常维护和保养，防止油液污染，一般不会发生故障，进入液压马达的油液须仔细过滤，以减少杂质，防止过快磨损。修理后的马达，应注满干净的液压油，排尽系统中的空气。确定不了马达是否有故障，最好不要拆卸，这样可减少污染的机会和保持配合的精度。液压缸是液压系统中的执行元件，常见的故障有漏油和运动不正常。缸头因密封件损坏而外泄，应立即更换密封件；油缸运动不正常有油缸内漏、油路中有空气、活塞密封件老化和损坏、油液有杂质、平衡阀发生故障等。
�(5) 控制元件是用来实现系统和执行元件对压力、流量方向的要求的。控制阀及时控制系统中最重要的元件，由于阀的配合一般都比较精密，所以在修理时应特别注意，不需拆阀芯的尽量不要抽出阀芯；配合副方位不要错乱，偶件不要互换；螺丝的拧紧力矩要均匀一致，锥形阀芯的接触线磨损可采用研磨修正接触线的办法解决；回位弹簧疲劳时，可予更换。
液压与气动技术发展趋势 ----社会需求永远是推动技术发展的动力，降低能耗，提高效率，适应环保需求，机电一体化，高可靠性等是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产品参与市场竞争是否取胜的关键。 ----由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高。尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。综合国内外专家的意见，其主要的发展趋势将集中在以下几个方面： 1．减少能耗,充分利用能量 ----液压技术在将机械能转换成压力能及反转换方面，已取得很大进展，但一直存在能量损耗，主要反映在系统的容积损失和机械损失上。如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显著提高。为减少压力能的损失，必须解决下面几个问题： ①减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失。主要表现在改进元件内部流道的压力损失,采用集成化回路和铸造流道,可减少管道损失,同时还可减少漏油损失。 ②减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量，避免采用节流系统来调节流量和压力。 ③采用静压技术，新型密封材料，减少磨擦损失。 ④发展小型化、轻量化、复合化、广泛发展3通径、4通径电磁阀以及低功率电磁阀。 ⑤改善液压系统性能，采用负荷传感系统，二次调节系统和采用蓄能器回路。 ⑥为及时维护液压系统，防止污染对系统寿命和可靠性造成影响，必须发展新的污染检测方法，对污染进行在线测量，要及时调整，不允许滞后，以免由于处理不及时而造成损失。 2．主动维护 ----液压系统维护已从过去简单的故障拆修，发展到故障预测，即发现故障苗头时，预先进行维修，清除故障隐患，避免设备恶性事故的发展。 ----要实现主动维护技术必须要加强液压系统故障诊断方法的研究，当前，凭有经验的维修技术人员的感宫和经验，通过看、听、触、测等判断找故障已不适于现代工业向大型化、连续化和现代化方向发展，必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的研究，要总结专家的知识,建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机根据输入的现象和知识库中知识，用推理机中存在的推理方法，推算出引出故障的原因，提高维修方案和预防措施。要进一步引发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件，对于不同的液压系统只需修改和增减少量的规则。 ----另外，还应开发液压系统自补偿系统，包括自调整、自润滑、自校正，在故障发生之前，进市补偿，这是液压行业努力的方向。 3．机电一体化 ----电子技术和液压传动技术相结合，使传统的液压传协与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。实现机电一体化可以提高工作可靠性，实现液压系统柔性化、智能化，改变液压系统效率低，漏油、维修性差等缺点，充分发挥液压传动出力大、贯性小、响应快等优点,其主要发展动向如下： (1)电液伺服比例技术的应用将不断扩大。液压系统将由过去的电气液压on-oE系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统,为适应上述发展,压力、流量、位置、温度、速度、加速度等传感器应实现标准化。计算机接口也应实现统一和兼容。 (2)发展和计算机直接接口的功耗为5mA以下电磁阀，以及用于脉宽调制系统的高频电磁阀(小于3mS)等。 (3)液压系统的流量、压力、温度、油的污染等数值将实现自动测量和诊断,由于计算机的价格降低,监控系统,包括集中监控和自动调节系统将得到发展。 (4)计算机仿真标准化，特别对高精度、“高级”系统更有此要求。 (5)由电子直接控制元件将得到广泛采用，如电子直接控制液压泵，采用通用化控制机构也是今后需要探讨的问题，液压产品机电一体化现状及发展。 液压行业： ----液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术。 ----液力偶合器向高速大功率和集成化的液力传动装置发展，开发水介质调速型液力偶合器和向汽车应用领域发展，开发液力减速器，提高产品可靠性和平均无故障工作时间；液力变矩器要开发大功率的产品，提高零部件的制造工艺技术，提高可靠性，推广计算机辅助技术，开发液力变矩器与动力换档变速箱配套使用技术；液粘调速离合器应提高产品质量，形成批量，向大功率和高转速方向发展。 气动行业： ----产品向体积小、重量轻、功耗低、组合集成化方向发展，执行元件向种类多、结构紧凑、定位精度高方向发展；气动元件与电子技术相结合，向智能化方向发展；元件性能向高速、高频、高响应、高寿命、耐高温、耐高压方向发展，普遍采用无油润滑，应用新工艺、新技术、新材料。 （1）采用的液压元件高压化，连续工作压力达到40Mpa，瞬间最高压力达到48Mpa； （2）调节和控制方式多样化； （3）进一步改善调节性能，提高动力传动系统的效率； （4）发展与机械、液力、电力传动组合的复合式调节传动装置； （5）发展具有节能、储能功能的高效系统； （6）进一步降低噪声； （7）应用液压螺纹插装阀技术，紧凑结构、减少漏油。
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