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液压毕业设计论文
1.引言
钢坯表面极易被氧化形成氧化皮，且这层氧化皮会在生产中产生废料而影响工作，而采用钢坯修复机的目的将氧化皮去掉，使钢坯的利用率提高。
可用的方法很多，例如：
1.可用手持钢坯的人为方法将其表面的氧化皮去掉，但是会对人造成危害，而且效率低，如传统的砂轮打磨。
2.将钢坯烧红后磕掉其表面的氧化层，但是这种方法使得被处理后的钢坯会在短时间内再被氧化，而且效率低、机器易磨损，如钢模板修复机。
使用钢坯修复机来去除表面的氧化层不但可以提高效率、减少危害，而且可以使被处理过的钢坯在冷却后保持一段时间不被氧化，即使在雨中被淋而产生少量生锈但是不会有太大影响。
钢坯修复机采用滚筒机输送而不采用皮带输送是因为：
滚筒输送机比皮带输送机应用广泛，可用于储积、分流、合流及较重负载的运输，另外也应用于油污、潮湿及高温、低温的环境。
而且滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便。
传统的钢坯修磨机是由一种设有由窝轮、窝杆等组成的回转机构，可使砂轮与钢坯纵向运动的夹角在45-90度间变换的长臂回转式的钢坯修磨机。
它既能作直磨用，也可以作斜磨用，兼有两者的优点，该机修磨范围较大、质量好且结构简单，检测维修方便，适用于大、中、小形钢坯和锻坯的全扒皮修磨。
而采用钢坯修复机不但兼顾了钢坯修磨机的所有优点，而且还有具有效率高的优点。
钢坯修复机的部分操作通过液压控制，使得钢坯自动翻转，且具有实用、结构简单，操作方便，自动化程度高，劳动强度抵，环境污染小，钢坯修整质量、精度高的优点，是现代炼钢行业钢坯修复的理想设备。
虽然我国目前没有生产，只是在大连特钢厂有两台由意大利引进的钢坯修复机，因此需要研制技术含量高，且质量稳定的高档产品来满足国民经济的要求和行业需求，所以钢坯修复机在世界上一定会有相当大的发展前景。
【15】
2.液压技术概况
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发展，在完善比例控制，伺服控制，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，日益显示出显著的成绩。
今天，为了和最新技术的发展保持同步，液压技术必须不断创新，不断地提高和改进元件和系统的性能，以满足日益变化的市场需求，体现在如下一些比较重要的特征上：
1）提高元件性能，创制新型元件，体积不断缩小。
为了能在尽可能小的空间内传递尽可能大的功率，液压元件的结构不断地在向小型化方向发展。
2）高度的组成化、集成化和模块化。
液压系统由管式配置经板式配置，箱式配置、集成块式配置发展到叠加式配置、插装式配置，使连接的通道越来越短，这种组合件不但结构紧凑、工作可靠，而且使用简便，也容易维护保养。
模块化发展也是非常重要的方面，完整的模块以及独立的功能单元，对用户而言，只需要简单地进行组装即可投入使用，这样不仅可以大大节约用户的装配时间，同时用户也无须配备各种经专门培训的技术人员。
3）和微电子结合，走向智能化。
汇在一起的联接体只要一收到微处理机或者微型计算机处送来的信息，就能实现预先规定的任务。
综上所述可以看到，液压工业在国民经济中的作用实在是很大的，它常常可以用来作为衡量一个国家工业水平饿重要标志之一。
与世界上主要的工业国家相比，我国的液压工业还是相当落后的，标准化的工作有待于继续做好，优质化的工作须形成声势，智能化的工作则刚刚在准备起步，为此必须奋起直追，才能迎头赶上。
液压系统的设计步骤大体如下：
1）液压系统的工况分析
2）拟订液压系统原理图
3）液压系统的计算和选择液压元件
4）对液压系统进行验算
5）绘制正式工作图和编制技术文件
设计的最后一步是要整理出全部图纸和技术文件。
正式工作图一般包括如下内容：
液压系统原理图；自行设计的全套工作图（指液压缸和液压油箱等非标准液压元件）；液压泵、液压阀及管路的安装总图。
技术文件一般包括以下内容：
基本件、标准件、通用件及外购件汇总表，液压系统安装和调试要求，设计说明书等。
【15】
3.液压系统性能与参数的初步确定
3.1工况分析
工况分析是分析机械工作过程的具体情况，其内容包括负载分析、速度分析和功率变化规律的分析。
对液压系统进行工况分析其目的就是要查明它的每个执行元件在各个动作阶段内的运动速度和所承受的负载并绘制成图。
而液压执行元件的工况图是选择系统液压元件和基本回路的依据。
这是因为：
1）液压泵和各种控制阀的规格是根据工况图中的最大压力和最大流量选定的；
2）各种液压回路及其油源形式都是按工况图的不同阶段内的压力和流量变化情况初选后，再通过相互比较确定的；
3）将工况图所反映的情况与调研得来的参考方案进行对比，可以对原来设计参数的合理性做出鉴别，或进行调整。
3.1.1液压缸的负载分析
通过现场调研获知，此液压系统的液压缸的工作行程为5m，钢坯尺寸为长10m宽150mm高150mm,钢坯密度取7.8kg/m3,动摩擦系数为1.5，且在水平位置时外负载最大，大约为25800N。
3.1.2液压缸的速度分析
通过现场调研得知，此液压系统的液压缸速度在0.1m/s-0.2m/s之间，具体数值没有要求，但是要保证钢坯运行过程平稳，液压缸锁紧使系统冲击小，因此取活塞杆伸出时速度为0.1m/s,活塞杆退回时速度为0.2m/s。
【12】
3.2液压系统参数的初步确定
3.2.1确定液压缸的主要参数
液压缸是液压传动中的主要执行元件之一，它是把液压能转换成机械能的能量转换装置。
液压缸结构简单、工作可靠，广泛应用于机械的液压传动中。
目前，工业中常用的液压缸的结构形式有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三大类。
活塞缸和柱塞缸可实现往复直线运动，输出速度和推力；摆动缸则实现往复摆动，输出角速度（转速）和转矩。
形式如下：
活塞缸
1单杆活塞缸
单杆活塞缸是活塞的一端带有活塞杆的液压缸。
结构如图2-1所示。
这种油缸由于活塞两侧受力面积不等，活塞往返运动时所产生的推力和速度各不相等。
活塞杆外伸时，油缸产生的推力大，速度小；而活塞杆作差动连接时，可实现快速运动。
故这种油缸工业上常用来实现“快速进给”、“慢速工进”和“快速回位”。
图1单杆活塞缸
2双杆活塞缸
双杆活塞缸是活塞的两端都带有活塞杆的液压缸。
结构如图2-2所示。
其工作原理与单杆活塞缸相同，由于活塞两侧受压面积相同，油缸两端的供油压力P和供油量Q相同时，其往返运动速度及产生的推力都分别相等。
图2双杆活塞缸
柱塞缸
柱塞缸是单作用缸，结构如图2-3所示，回程依靠自重或外力，常倾斜或竖直安装。
柱塞与缸体内壁不接触，油缸内孔只需粗加工，简化了缸体的加工工艺，制造简便。
工作时总是承受压力。
因此柱塞必须有足够的刚度，直径比较大，且只能实现一个方向的运动，特别适应在行程比较长的场合。
图3柱塞缸
摆动缸
常用的摆动缸有单叶片式和双叶片式两种。
这类油缸是靠转子的回转来传动力和运动的。
输出的是周期性的回转运动，其回转角小于300°。
这种液压缸由于密封性较差等原因，一般只用于低压系统，如送料夹紧和工作台回转的辅助运动装置。
本次设计的液压系统要求动作可靠，且为往复直线运动，故应采用活塞缸。
而且单作用活塞缸可以输出多种速度，差动连接时还可以实现快速运动，并且体积较双杆活塞缸小，结构紧凑。
本液压系统只要求动作可靠，滑动水口打开速度要快，综合考虑上述两种活塞缸的适应场合、制造成本及体积大小等因素，本液压系统采用差动式单作用活塞缸。
【12】
3.2.2确定液压缸的尺寸
①初选液压缸工作压力
液压缸的推力F是由液压缸的工作压力p和活塞的有效工作面积A来确定的，而活塞的运动速度v由输入缸的流量Q和活塞的有效工作面积A确定的，
即F=Ap
v=Q／A
式中F——缸（或活塞）的推力（N）；
p——进油腔的工作压力（MPa）；
A——活塞的有效工作面积（m2）；
Q——输入液压缸的流量（L/min）；
V——缸（或活塞）的运动速度（m/min）。
由上两式可见，当缸的推力一定时，工作压力p取的越高，活塞的有效面积A就越小，缸的结构就紧凑，但液压元件的性能及密封要求要相应提高；工作压力p取的越低，活塞的有效面积A就越大，缸的结构尺寸就越大，要使工作机构得到同样的速度就要求有较大的流量，这样使有关的泵、阀等液压元件的规格相应增大，有可能导致液压系统的庞大。
因此，液压缸的工作压力常采用类比法或通过试验确定。
设计时，液压缸的工作压力可根据负载大小和设备的类型，选择工作压力：
表1各类液压设备常用的工作压力
设备类型
机床
农业机械或中型工程机械
液压机、重型机械、起重运输机
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力p/（Mpa）
0.8-2.0
3-5
2-8
8-10
10-16
20-32
表2液压缸推力与工作压力之间的关系
液压缸力F/KN
＜5
5~10
10~20
20~30
30~50
＞50
工作压力
p/MPa
0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5~7
由于本液压系统设备属于运输机械，体积小，结构紧凑，采用中低压液压系统时，液压缸的尺寸小、体积小，而且成本较低。
综合考虑各种因素，再参考表1、表2本系统选用中低压系统，选取工作压力为P=8MPa。
②计算出液压缸的内径D
通过调查可知系统在取工作压力为8MPa时，系统P2被压可按0.8MPa（回油路带背压阀的回路中背压为0.5-1.5MPa）估算。
由最大负载按公式
A2=F/[ηcm（P1*ψ-P2）],A1=ψ*A2
计算液压缸面积.
其中:
F—缸的最大外负载；
P1—缸的最大工作压力；
P2—缸的背压；
A1—缸无杆腔有效面积；
A2—缸有杆腔有效面积；
ηcm—机械效率；
ψ—缸往返速比ψ=1/λ2
λ—λ=d/D（λ为直径比）
本系统工作压力为8MPa，大于7MPa，活塞杆受压力，故选取λ为0.7带入上式后算得
D=69mm
按国标可圆整为标准直径D=80mm
③计算活塞杆直径d
活塞杆直径d为
d=D×λ=80×0.7=56mm
按国标可圆整为标准直径d=56mm
由此可得液压缸的两腔的实际面积为
液压缸无杆腔面积A1
A1=πD2/4=3.14×0.82=50.24mm
液压缸无杆腔面积A2
A2=π（D2-d2）/4=25.62mm
式中D—液压缸缸筒直径
d—液压缸活塞杆直径
对选定后的液压缸内径D，必须进行最小稳定速度的验算。
要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin,即A>Amin
Amin=qmin/vmin
式中qmin—流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得取q=0.05L/min
vmin—液压缸最低速度,由设计给定取v=0.1m/s
将数值带入Amin=0.05L/min/0.1m/s=8×10-6m2可见此液压缸尺寸符合要求。
④液压缸辅件设计
液压缸缸盖设计
液压缸的缸盖可以选用35、45锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT350铸铁等材料。
当缸体本身优势活塞杆的导向套时，缸盖最好选用铸铁。
同时，应在导向表面上熔堆黄铜、青铜或其他耐磨材料。
也可以在缸盖中压入导向套。
【10】
3.2.3绘制系统工况
根据上面算得的D与d的值，估算液压缸在各个工作阶段中的流量。
进油腔的流量Q1=V2A1
=0.15m/s×50.24cm2
=45.24L/min
式中A1——液压缸进油腔（无杆腔）的面积（cm2）；
V2——活塞杆移动速度（m/min）；
Q1——液压缸进油腔的流量（L/min）。
回油腔的流量Q2=V2A2
=0.15m/s×25.62cm2
=23.06L/min
式中A2——液压缸回油腔（有杆腔）的面积（cm2）；
V2——活塞杆移动的速度（m/min）；
Q2——液压缸回油腔的流量（L/min）。
实际压力为p1=（F/ηcm+p1A2）/A1
=[（25800/0.95+0.8×106×25.62×10-4）/50.24×10-4]×106
=5.81MPa
根据上述算得的液压缸在各个阶段的流量和进油腔的工作压力，估算液压缸输入功率
P=p1Q1
=5.81MPa×45.24L/min
=4.36kw
3.3系统回路的选择
拟定液压系统图是液压系统设计中的一个重要步骤。
这一步要做的主要工作：
一是选择基本回路，二是把选出的回路组成液压系统。
【8】
3.3.1采用液控单向阀的锁紧回路
锁紧回路的功用是使液压缸能在任意位置上停留，且停留后不会因外力作用而移动位置。
在液压回路中双液控单向阀应用广泛，主要利用液控单向阀的良好密封性，在锁紧回路中，锁紧的可靠性及锁定位置的精度，仅仅受油缸本身内泄露的影响，在保压回路中可保证将活塞锁定在任何位置，并可防止由于换向阀的内部泄露而引起的带有负载的活塞杆下降。
在实际中选用的液控单向阀，一方面应考虑打开时所需要的控制压力，此外还应该考虑系统压力变化对控制油路压力变化的影响，以免出现误开启。
另外一方面因该考虑在油流反向出口无背压的油路中选用内泄式，否则需要外泄式，以降低控制油压力，而外泄式的油口必须无压回油，否则会抵消一部分控制压力。
双向锁的锁紧回路：
当换向阀左位接入时，压力油经左边液控单向阀进入液压缸左腔，同时通过控制口打开右边液控单向阀，使液压缸右腔的回油可经右边液控单向阀回油箱，活塞向右运动。
反之，活塞向左运动。
到了需要停留的位置，只要使换向阀处于中位，因阀的中位为“H”型机能（“Y”型也可）,所以两个液控单向阀均关闭，使活塞双向锁紧。
由于本系统需要在上升过程中将钢坯固定，因此需要设置锁紧回路，且采用上述双向锁的锁紧回路。
【8】
3.3.2采用分流集流阀的同步回路
经现场调研可知，钢坯在被举升的过程中两液压缸需要达到同步，才能使钢坯平稳的被举起，否则会使钢坯因不同步被举起而滑落。
如果只是选用一般的同时进出油达到的同步会因两个液压缸所受负载不同而不能满足要求，如调速阀，同步精度容易受到其性能和油温的影响，系统效率较低。
因此选用分流集流阀来达到举升钢坯的同步。
FJL型分流集流阀又称同步阀，该阀具有结构紧凑，体积小，维护方便等特点。
此阀是按固定比例自动分配或集中两股油流，使执行元件双向同步。
【8】
3.3.3采用节流阀的调速回路
在液压系统中，调速回路往往是拟订液压系统的核心。
调速方式一经确定，其它回路的形式也就基本定了下来。
因此，液压回路的选择工作必须从选择调速回路（包括决定油路的循环形式和油源结构形式）开始。
目前，液压系统中常用的调速回路有节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路三大类。
此液压系统中采用了节流调速回路。
节流调速回路
节流调速回路采用定量泵供油,由节流阀（或调速阀）改变进入或流出执行元件（油缸或马达）的流量来实现速度调节的方法.这种回路的优点是结构简单、成本低、使用维护方便、调速范围大,所以在机压系统中得到了广泛的应用。
但由于它的能量损失大、效率低、发热大,故一般多用在功率不大的场合。
例如各类机床的进给传动装置中。
节流调速回路按照节流阀（或调速阀）在系统中的安装位置的不同,又可分为进口节流调速、出口节流调速和旁路节流调速三种方式。
1）进口节流调速回路
进口节流调速回路是将节流阀安装在液压缸的进油路上。
如下图所示
该回路的优点是：
油缸回油腔和回油管路中的压力较低。
当采用活塞杆油缸并在工作行程时使油液进入无杆活塞腔，就可以获得较大推力的同时，得到较低的工作速度。
其主要缺点是：
油缸没有背压，运动不平稳，容易产生振动和爬行。
在回油路上加一背压阀可以改善这种情况，但背压阀要消耗一定的能量。
此外，油液通过节流阀时要发热，使进入油缸的油温升高，增加泄漏。
但是经现场调研可知，这种调速回路在低速下的速度刚性较好；在负载变化的情况下，负载小时的速度刚性比负载大时要好。
因此，进油口节流调速回路不宜用在负载较重，速度较高或负载变化较大的场合。
图4进口节流调速
2）出口节流调速回路
出口节流调速回路是将节流阀安装在液压缸的回油路上，如图所示。
出口节流调速回路的速度负载特性与进口节流调速回路是完全相同的。
出口节流调速回路能承受负性负载。
油缸有一定的背压，空气不易渗入，运动比较平稳。
此外，油液通过节流阀发热后直接回到油箱，温升较小，油缸泄露较小。
缺点是：
油缸工作腔和回油腔的压力都比进口节流调速回路要高（在相同负载的情况下）。
特别是回油腔，它的背压力有时非常高。
一般只用于功率小，负载变化不大的液压系统中。
但由于出口节流调速回路运动比较平稳，因此应用较多。
图5出口节流调速
3）旁路节流调速回路
旁路节流调速回路是将节流阀安装在与液压缸并联的旁支油路上，如下图所示。
旁路节流调速回路的优点是：
油泵供油压力随负载变化而变化。
负载减小时，供油压力也减小，加上无溢流损失，故在能量利用上较上述两种调速回路合理。
它的机械特性曲线如下图所示。
因此，旁路节流调速回路用于功率大，对平稳性要求不高的场合。
图6旁路节流调速
因考虑到系统需要在活塞杆伸出和退回过程都调速，因此需要在进出油口都加入调速装置，选用单向节流阀对系统进行单向调速。
【8】
3.3.4采用三位四通阀的换向回路
三位四通阀的使用场合：
能使元件在任意位置上停止运动，执行元件正反向运动时，回油方式相同。
经过比较本系统采用三位四通电磁换向阀（“Y”和“O”型）的换向回路。
在拟定液压系统时，注意了以下几方面向题：
1）防止回路间可能存在的相互干扰。
2）确保系统安全可靠液压系统运行中的不安全因素是多种多样的。
例如异常的负载、停电，外部环境条件的急剧变化，操作人员的误操作等，都必须有相应的安全回路或措施，确保人身似设备安全。
例如，为了防止工作部件的漂移、下滑、超速等，应有锁紧、平衡、限速等回路；为了防止操作者的误操作，或由干液压元件失灵而产生误动作，应有误动作防止问路等。
【8】
综上各种油路的选择，可得到如下图所示的钢坯修复机系统原理图：
图7液压系统原理图
1-液压泵2-进油过滤器3-三位四通电磁换向阀Y机能4-叠加式双单向节流阀5-双向锁6-分流集流阀7-三位四通电磁换向阀O机能8-压力表9-压力表开关10-回油过滤器11-液位液温计
3.4液压系统原理的拟定及元件的选择
拟定液压系统原理图包含两项内容：
一是通过分析、对比选出合适的液压回路；二是把选出的回路组合成液压系统【2】
3.4.1液压元件的选择
液压元件的选择主要依据计算出的元件的工作压力和流量、电机的功率等的结果。
选择的原则是尽量选用标准元件。
①泵和电机的选择
在选择油泵时，应首先根据系统对动力源的要求，确定油泵的额定压力和额定流量，然后根据系统的工作环境、工作条件、系统对油泵精度的要求以及油泵本身的工作性能来选取油泵的类型、型号、规格。
目前工业上常用的油泵类型，主要有齿轮泵、双作用叶片泵、限压式变量叶片泵和轴向柱塞泵。
表3列出了上述几种泵的主要性能及优缺点。
从表中可以看出：
外啮合齿轮泵主要适用于中高压及中低压系统，特别是低压系统。
目前常把它用于精度要求不高的一般机床及工程机械上。
中高压齿轮泵常用于航空及造船等方面。
铸造设备中常把低压齿轮泵作为辅助油泵使用。
叶片泵由于工作平稳，流量脉动小，因此特别适用于中压、中速及精度要求较高的液压系统中。
铸造设备、机床及一般工程机械中应用非常广泛。
柱塞泵具有许多优点，虽然价格昂贵及维修较困难，但是性能比其他液压泵要高。
【6】
表3油泵性能及优缺点对照表
性能及优缺点
外啮合齿轮泵
双作用叶片泵
限压式变量叶片泵
轴向柱塞泵
压力范围
7～20
6.3～21
2.5～6.3
6.3～40
流量范围
0.75～550
4～210
25～63
10～250
流量调节
不能
不能
能
能
容积效率
0.7～0.9
0.8～0.94
0.85～0.9
0.95～0.98
总效率
0.6～0.8
0.75～0.85
0.75～0.85
0.85～0.95
输出流量脉冲
很大
很小
一般
1～5%
对油污染敏感度
小
中
中
大
噪声
大
小
较大
大
功率重量比
中
中
小
大
结构
简单
稍复杂
较复杂
复杂
价格
便宜
较贵
较贵
昂贵
维护修理
容易
较难
较难
困难
油液粘度
5～40℃
17～40
31～40
17～29
25～44
40～80℃
63～88
37～54
25～44
40～98
本次设计液压系统属于中低压系统，精度要求较高，综合考虑上述几种泵的优缺点，选取叶片泵。
计算液压泵的工作压力和额定压力
1）液压泵的工作压力
液压泵的工作压力是根据执行元件的工作性质来确定的。
pp≥p1+∑△p1
式中pp——执行元件的最大工作压力；
∑△p1——进油路上的压力损失，系统管路未曾画出以前，按经验资料选取：
一般节流调速系统和管道简单的系统取
∑△p1=2×105～5×105Pa
进油路有调速阀的系统及管道复杂的系统取
∑△p1=5×105～15×105Pa
液压泵的最大工作压力pp=p1+∑△p1
=5.81+0.5
=6.31MPa
2）液压泵的额定压力
系统在工作的过程中常因过渡过程内的压力超调或周期性的压力脉动而存在着动态压力，其值远超过静态压力。
所以液压泵的额定压力应比系统最高压力大25%-60%。
本系统负载变化不大，且无冲击载荷，故取额定压力为：
pn=（1.25-1.6）pp
=6.31×1.25
=7.89MPa
计算液压泵的额定流量
油泵的额定流量应满足液压系统中同时工作的执行元件所需要的最大流量之和。
本系统只有一个执行元件，故其流量为：
Qp≥K（∑Q）max
式中Qp——油泵的额定流量（L/min）；
K——系统泄露系数（约取1.1～1.3）；
（∑Q）max——系统中同时工作的执行元件所需的最大流量之和（L/min）
在本系统，液压缸工作所需的最大流量为45.24L/min，取系统泄露系数K=1.1,则
泵的额定流量Qp为：
Qp≥1.1×45.24L/min
=49.74L/min
根据计算出的额定压力及额定流量，查阅液压手册及产品样本，选定量泵的具体型号规格为YBN型叶片泵（额定压力pp=10MPa，额定流量为75L/min）。
②确定驱动电机的功率
由系统可知，P-L和Q-L曲线变化比较平稳，电机所需功率按下式计算，即：
Pp=ppQP/ηP
式中ηP——液压泵的总效率，查液压手册可以知道，该泵的效率为80%；
pp——液压泵的工作压力（MPa）；
QP——液压泵的额定流量（L/min）。
故所需电机的功率为：
pp=49.74L/min×6.31MPa／0.80
=6.54kw
按电机产品目录，综合考虑选取7.5kw的电动机，其型号为：
Y132S2-2,（P=7.5kw,n=2900r/min）
Y系列三相异步电动机的应用特点是：
效率高，节能，堵转转矩高，噪声低，振动小，运行安全可靠。
作为一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能
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