机械专业切管机毕业设计论文

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第一章 绪论

在机械制造、工程施工和建筑安装工作中, 钢管的传统切割方法主要是依靠手工锯割、锯床锯割、滚轮挤压、砂轮切割和气焊切割等。这些钢管切割方法在不同程度上都存在着切割效率低、工人劳动强度大、工作环境差的缺点。而且, 有的方法还存在着锥形切口(如滚轮挤压)、切口粗糙、凹凸不平(如气焊切割)、切削噪声大(如砂轮切割)、不易在现场施工作业等缺陷。针对上述问题, 近年工厂来广泛采用高效自动切割机，她效率高、操作简便, 有的还能实现自动化，能够对不同管径、壁厚和材质的钢管进行切割的钢管切割机。

包钢的高效自动切管机是由武汉重型机床厂生产的一种专用钢管切断机床，广泛的应用于工业领域。它是一种专用的切断机床，适用于大批量、自动或半自动的切断无缝钢管的头部和尾部，紧接着对切断后的两端进行倒角，机床的刚度大，功率大，自动化程度高，生产效率也高，是无缝钢管厂的必要设备，在生产无缝钢管的工艺中起着精整地作用。其年钢管切头量为40万吨，切断后管子断面可自动倒内角外角或切大坡口。装上镗孔辅件后也可以镗0、3、5、7、11、14、五种角度及各种规格管径的锥空口。机床有切头自动定长检测装置，可以完成经冷锯切断后的管端平端面。倒内角的工作分为手动、半自动、全自动。

该切管机通过机—电—液一体化的设计与综合，能够实现自动化控制，而且在其生产过程中效率高，操作方便、快捷，该设备广泛应用于无缝钢管的生产领域，因此对该设备的性能和生产工艺过程的掌握显得无比重要。该设备是在原有的半自动切管机的基础上改造而成。经改造后的切管机的执行元件由液压站提供动力源。在工作现场除了清理切削铁屑的工人，整个过程可在电气，液压的控制下实现自动切割钢管的动作。操作方便，快捷，大大提高了生产效率。如加工直径为102mm的钢管，每小时可达130根；加工直径245mm的钢管，每小时为68根。

该切割机的特点是 ：该机床的执行元件全部采用液压传动。由油缸顺序动作来完成切割过程。分别为翻板油缸、托辊油缸、夹紧油缸、水平刀架油缸和倒角油缸。

各个油缸依次动作，完成相应的控制动作。两台液压泵循环工作为切管机提供压力，液压泵的压力油分两路分别进入两组控制油缸（每组控制油缸由以上介绍的五个油缸组成）。这两组控制油缸分别控制两个切管机进行钢管的切头和切尾动作。每台切管机的

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一个工作循环如下：

1. 钢管通过输送轨道输送到停料台；

2. 通过翻板将停料台上的钢管翻倒另一输送轨道上去；

3. 钢管经轨道输送到切割机内的调配位置，伸出的多余费钢将被切掉； 4. 用滚子托架把钢管支起，使钢管能在托架上转动，并避免钢管和轨道的摩擦； 5. 夹紧装置把钢管夹紧； 6. 主轴旋转；

7. 刀台快进—工进，使刀头接触到钢管处，然后进行切断动作； 8. 切断后刀台快速退回，同时另一自动刀架对钢管进行倒角（倒内角）； 9. 主轴减速并停止转动； 10. 夹紧装置放松； 11. 托架放下；

12. 钢管由输送轨道退出切割机；

13. 翻板把头部切制好的钢管对齐，然后再进行切尾工作（同切头）； 14. 切尾动作循环同切头相同；

15. 此时，即可放下另一根钢管，从而实现一个工作循环。

切割机的各个动作都是由液压控制的，本次设计的就是切割机系统的液压控制部分。

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第二章 总体方案的设计

2.1 毕业设计任务及设计参数 2.1.1 设计参数：

翻板拉杆：速度 V升＝V降＝13m/min

行程 450mm

水平刀架：管径 φ180 管长 25m

壁厚 8～18mm 主轴转速 150r/min 主电机转速 825r/min

进给量 0.4mm/r 快进速度 V进＝90mm/s 快退速度 V退＝90mm/s 工进行程 50mm 快进行程 160mm 快退行程 210mm 刀具材料 YT15 刀具主偏角 90° 刀具副偏角 10° 刀具耐磨时间 90min 钢种 45#

托 架：速度 V升＝V降＝3.6m/min 行程 35mm

夹紧拉杆：速度 V夹＝V松＝3.6m/min 行程 170mm

2.1.2 设计任务：

1、完成毕业实习并上交实习报告，实习报告要求全部计算机打印； 2、完成专题外文资料翻译5000以上印刷符号，要求计算机打印；

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3、完成与设计题目相关的专题小论文的撰写工作，题目自定，不小于3000汉字，要求全部计算机打印；

4、完成设计计算说明书，在2万字左右。要求文字通顺、书写工整、条理清晰，说明透彻，计算准确、资料齐全、按统一规定格式、封面、装订成册，要求全部计算机打印。

5、制图：要求装配图和零部件图符合工程制图规范，要求至少1张1#图纸手工绘制，其它图纸CAD或CAXA绘制，本设计要求完成如下图纸设计。

① 切管机总图，0#； ② 液压泵站，0#； ③ 液压原理图，0#； ④ 集成块，5+1#； 2.1.3 专题部分要求 1、总体方案的设计

总体方案的确定及有关说明。包括停料台的位置，翻板的位置，托架的位置 ,夹紧装置的位置 ,各种油缸的数量、位置，水平刀架的位置，液压装置的位置以及有关附属设备的用途、安装位置等。

2、液压系统的设计； 3、液压集成块的设计； 4、液压泵站的设计； 5、操作和设备维护； 6、结束语。

2.1.4 本题目的重点和难点以及与同组其它学生所做题目的关系 本题目的重点：液压系统的设计； 本题目的难点：液压集成块的设计。 自己设计一个题目，与同组其他学生无关。 2.1.5 可行方案的筛选方法提要 各种设计方案比较、选择、计算绘图，要求学生自己确定可行方案并筛选。 2.1.6 与本设计题目相关的理论知识提要 与本设计题目相关的理论知识包括流体力学；金属材料及热处理；公差与配合； 机械设计；液压传动；电液比例技术；液压控制系统；机电控制等

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2.2 总体方案的确定及有关说明

2.2.1 组成部分

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

钢管输送轨道 翻板机构 停料台 托架 刀台 夹紧装置 机械传动部分 液压控制回路 液压泵

10. 油箱 11. 液压缸 12. 机架

13. 其他辅助设备 2.2.2 设备的安装位置及有关说明

整个系统的执行元件由液压站提供动力，液压站的压力油分两路分别到两台切管机，两台切管机分别完成切头、切尾和倒角的动作。两台切管机之间布置的是停料台和翻板装置，以及将管道送入切管机内预定位置的输送轨道。钢管在完成了切头的工序后被输送到另一切管机完成切尾的动作。整个工作的过程是由控制部分发出控制信号来驱动执行元件动作实现自动化的生产。本设备的布置如图2.1所示

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水平刀架液压管道切管机托架控制部分液压站停料台及翻板装置输送轨道输送轨道停料台及翻板装置液压管道切管机水平刀架托架

图2.1设备的安装位置

2.2.3 各种油缸数量的初步确定

水平刀架（倒角）油缸 1个 托架油缸 4个 翻板油缸 1个 夹紧油缸 1个

2.3 确定液压系统方案

根据以上切割机的工作要求，设计相应的液压系统，来控制切割机的动作循环，现有以下两个方案。 2.3.1 方案一：

此方案是在液压回路中的液压阀全部采用插装阀。插装阀在高压大流量的液压系统中应用很广，由于插装元件以标准化、模块化，将几个插装式元件组合一下便可以组成复合阀。和普通液压阀相比，它有如下优点：

1. 采用锥阀结构，内阻小，响应快，密封好，泄露少。

2. 机能多，集成度高，配置不同的先导控制级就能实现方向、压力、流量的多

种控制。

3. 通流能力大，特别适用于大流量的场合，它的最大通径可达200～250mm，

通过的流量可达1000L/min。

4. 结构简单，易于实现标准化，系列化。

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当然插装阀也有一些缺点：

1. 现在插装阀大多采用盖板式的，盖板内有油路，容易堵塞，出现故障。 2. 插装阀多用二通插装阀，多个二通插装阀和各种先导阀组合，才能构成方向

控制阀、压力控制阀和流量控制阀。这就会使油路复杂，元件增多，也易出现故障。

3. 插装阀的路路通问题：由于插装阀回路都是有一个个独立的控制液阻组合起

来的，因此它们动作的一致性不可能像传统滑阀系统那样可靠，如果先导油路设计不当，有可能产生所谓的瞬间路路通现象，这不但对于一些要求保压的系统或蓄能器系统是不允许的，有时甚至使整个系统瘫痪。 以翻板油缸的液压原理图为例

翻板油缸

图2.2 插装阀控制的翻板油缸液压原理图

2.3.2 方案二：

此方案是在液压回路中的液压阀全部采用普通的液压阀，此方案的优点是：

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1. 普通液压阀容易买到，不用组合使用，连接简单。 2. 系统油路简单、明了，出现故障时容易排查。 3. 系统便于实现自动控制。 此方案的缺点：

1. 通流能力受到一些影响。 2. 密封性不太好，有泄露。 3. 集成度不高。 以翻板油缸的液压原理图为例

翻板油缸

图2.3 普通阀控制的翻板油缸液压原理图

2.3.3 液压系统方案的确定

参照以上两个液压系统方案的优缺点，本次设计的液压系统应简单、明了，不易出现故障，稳定性好。系统的流量要求不太大，系统元件也不多不必高度集成，用方案二就能很好的完成设计要求，普通液压阀便于购买，维护、更换方便，组成的液压回路简单，不易出现故障。所以选用方案二。 2.3.3.1 执行元件的确定

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翻板油缸：执行的动作通过绕一轴的旋转完成将钢管从停料台翻到输送轨道上，此动作可由摆动油缸来完成。

托辊油缸：托辊油缸完成的是直线运动，因而可选用单杆活塞双作用液压缸。它的特点是：有效的工作面积大，双向不对称。

夹紧油缸：完成的是直线运动，选用单杆活塞双作用液压缸。

水平刀架(倒角)油缸：完成的是直线运动，选用的是单杆活塞双作用液压缸。 2.3.3.2 方向控制回路的确定

液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟订液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现的。本设计采用换向阀来实现。

翻板油缸在360度内旋转，完成180度的旋转后必须停住，等待下一动作的命令，因此选用三位四通换向法来完成动作。

托辊油缸只有上升和下降两个动作，因此可选用二位四通换向阀来完成换向动作。 夹紧油缸只有快进，夹紧，放松三个动作，可采用二位四通换向阀来完成控制动作。 水平刀架(倒角)油缸由快进、工进、快退和停止四个动作采用三位四通换向阀。 2.3.3.3 制定调速方案

速度控制通过改变液压执行元件的输入或输出的流量或者利用密封空间的溶剂变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合—容积节流调速。

节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀来改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。这种调速方式结构简单，由于这种系统必须用节流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。此设计中考虑的效率和节能等方面的因素不选用节流调速方案。

容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的，其特点是没有溢流损失和节流损失，效率高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵，此种调速方案适用于功率大、运动速度也高的液压系统。但是对有活塞的运动速度不易控制，初步采用容积调速。

容积节流调速一般用变两泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量并使供油量和需油量相适应。故此系统采用容积节流调速。 2.3.3.4 制定顺序动作方案

主机执行机构的顺序动作，根据设备的类型的不同，有的按固定的程序运行，有的则是随机或人为的。工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动多路换向阀来实现，加

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工机械的各执行元件的顺序动作多采用行程开关当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。本系统的执行元件采用执行元件来控制。

另外还采用压力控制，液压泵无载启动，经过一段时间，当泵正常运转后，延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。 2.3.3.5 系统的安全措施

为了使系统不因压力过大而破坏，在液压泵的压油管路上安装溢流阀，当系统的压力超过调定值的时候，溢流阀打开，液压油通过溢流阀回油箱。 2.3.3.6 系统的卸荷

当系统短时间内停止工作，为了不频繁地开关电机和液压泵，在回路中设置卸荷回路，使系统的油液直接流回油箱。 2.3.3.7 系统的过滤冷却回路

为了防止油液中的杂质对液压系统产生危害，在液压系统中设置过滤系统；液压系统的泵及油液在流过控制阀、弯管时有功率损失，损失的功率转化为油液的热能，使油液的温度升高，当油温过高时，就会使油液变质，从而使液压系统发生故障，所以液压系统要设置冷却系统。 2.3.3.8 系统能源装置的选择

系统在整个工作过程中的流量变化很大，为了降低功率损耗，因此该系统采用变量泵向系统供油。同时系统中加蓄能器，作为系统动力源的补充。在蓄能器的出口处接一控制装置，当系统需要较大的流量时，控制装置打开，蓄能器和泵同时向系统供油，满足系统所需的流量。

2.4 液压工作原理草图

液压工作原理草图初步拟定如图2.2所示：

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倒角油缸水平刀架油缸翻板油缸托架油缸夹紧油缸

图2.4液压原理草图

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第三章 液压部分的设计计算

3.1 油缸的设计计算

油缸的材料：选用45号钢 ?b?600Mpa,?s?340Mpa,?s?14% 3.1.1 翻板油缸

3.1.1.1 翻板油缸的负载的确定

翻板油缸选用摆动式液压缸，可将液压能转换为机械能，实现往复摆动，回转角度为360°，它是带齿轮齿条机构的液压缸，齿条带动齿轮正反向回转并输出转矩。本系统采用轴输出转矩，液压缸的轴与翻板油缸相连，翻板油缸可在360°内转动，每旋转180°完成一个钢管的举升动作，在360°内可以完成两个举升动作。然后空载的情况下反转360°后继续以上的循环动作。

取钢管的长度为25m，取最大壁厚18mm,可计算钢管的重量 查得钢的密度为7.85t/m3 M管7.85??0.182?0.1662?25??V??0.95t 式（3.6）

4??考虑到一定的安全储备取M管=2，取翻板的自重为1t

M=M管+M托=2+1=3t

G?Mg?3?9.8?103?29400N

图3.1翻板

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如图所示的翻板取L1=L2=0.45m

在如图3.1所示的实线位置油缸的受力最大，则按实线位置进行计算： 设翻板油缸的扭矩为 M缸

M1=G管×（0.45-0.09）+M翻 式（3.1） M2=M翻+M缸 式（3.2） 由力矩平衡即M1=M2得

G管×0.36+M翻= M翻+M缸 式（3.3）

M缸=M管×g×0.36×103=2×9.8×0.36×103=7056 N·m

3.1.1.2 翻板油缸的确定

由转矩计算公式经计算选用法兰UBFZS140摆动式液压缸，轴输出、双齿条结构、摆动角度360°。

（根据[4] 表17-6-109） 当在额定工作压力P=6.3Mpa下工作时,转矩验算如下：

M转=2770(P-1.2)，（根据[4] 表17-6-109）将额定工作压力P=6.3Mpa代入上式得 M转=2770(P-1.2)=2770（6.3-1.2）=14127>7056，符合实际要求 由V升=V降=13m/min

n?D 式（3.4） 10001000u1000?13得： n???9.2r/min

?D3.14?450 u?∴该油缸的流量为： Q翻=0.04836×360×9.2=160 L/min 式（3.5）

0.04836为每度转角用油量

（根据[4] 表17-6-109）

3 .1.2 托架油缸

3.1.2.1 托架油缸负载的确定

M管=2t, 托辊的自重取为2 t

则M=M管+M辊=4 t

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∴ G=Mg=4×9.8×103=39200N

11∴每个油缸的负载为 ： F钢?G?3920?0980N0

443.1.2.2 托架油缸缸筒内径的确定 对于无杆腔的内径

D?4F1 式（3.7） ?P?cm（根据[5] P166）

F1 ——液压缸的理论推力 N

P —— 供油压力 Mpa 此处取为工程压力6.3Mpa （根据[12] 表12.3-13）

?cm——液压缸的机械效率，一般取为0.95

?D?4F14?9800??46mm 式（3.8）

?P?cm3.14?6.3?0.95?106（根据[5] P166）

考虑到液压缸阻力和机械部分的摩擦力取公称直径D=50mm，由机械零件设计手册第二版下册 表31-5查得钢筒的外径为60mm。 对于有杆腔 ?D'? F2——为液压缸的理论拉力

∵F2≦F1 ∴ D’≦D

∴水平刀架油缸的内径取为D1=50mm。

内径为D1=50mm，由 [4] 表17-6-37，初步选择UY WF 50×35-10型的液压缸，活塞杆直径为36mm。 3.1.2.3 缸筒壁厚的验算

由上述选择的液压缸知壁厚为10mm

由D/δ=50/10=5〈10属于厚壁，按下式进行校核

?[σ]?0.4PyD??δ??1? 式（3.9）

?2?σ]?1.3Py?[?4F2? ?P?cmD为钢筒内径；

Py为钢筒试验压力，当钢筒的额定压力Pn≤16M时取Py=1.5Pn，Pn=6.3Mpa；

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[σ]为钢筒材料的许用应力[σ]=σb/n=600/5=120Mpa（n为安全系数，通常取n=5）；

(根据[7] P81)

0.05?120?0.4?1.5?6.3????10??1??0.0018m?1.8mm ??2?120?1.3?1.5?6.3?（验算通过） 3.1.2.4 活塞杆的校核

活塞杆的材料选45号钢。 3.1.2.4.1 活塞杆直径d的校核

由上述选择的液压缸知活塞杆的直径为36mm， d?4F 式（3.10） ?[?](根据[7] P81)

d?36mm?(验算通过)

3.1.2.4.2 活塞杆弯曲的稳定性的验算

4?9800?10.2?10?3m?10.2mm 63.14?120?10d

图3.2 活塞杆弯曲示意图

LB>(10～15)d,因受力完全在轴线上，主要按下式验算

F1≤Fk/nk

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Fk??2E1I*106KLB22 N 式（3.11）

（根据[5] P169）

E1?E?1.8*105 Mpa 式（3.12）

(1?a)(1?b) I??d464?0.049d4?8.2?10?8 式（3.13）

K ——液压缸安装及导向系数 K=1 （后端法兰） nk——安全系数，通常取nk=3.5～6,此处取为6

Fk??2E1I*106?2?18?105?8.2?10?8?106KLB220.12?0.52?58211074N 式（3.14）

Fk/nk =58211074/6=9701846 N 式（3.15）

∴ F1

由以上的校核可知UY WF 50×35-10型液压缸符合设计要求，此液压缸为冶金设备用的，尾部法兰连接，行程为35mm，工作压力在10Mpa时的推力为19.63KN，壁厚10mm，活塞杆直径为36mm，活塞面积为19.63cm2，活塞选用组合式活塞，车氏C 形滑环密封。该型液压缸为冶金及重型机械专门设计，属于重负载液压缸，它工作可靠，耐冲击，耐污染，适用于高温高压、环境恶劣的场合。 3.1.2.6 流量的计算

托架油缸速度 V升=V降=3.6m/min

Q=uA=3.6×3.14×0.052×103/4=7.065L/min 式（3.16）

四个油缸的总的流量为 Q总=4×Q=4×7.065=28.26L/min 3.1.3 水平刀架（倒角）油缸的设计计算 3.1.3.1 切削力的计算

切削及切槽过程中

主切削力： Fz=CFzapxFzfyFzKFz 式（3.17） 背吃刀力： Fy=CFuapxFufyFuKFu 式（3.18）

（根据[13] P16）

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其中KFz ,KFu为分力计算试中当时及加工条件和求经验公式的条件不符时各种因素对修正系数的积。

CFz ,CFu决定于被加工材料和切削条件的系数

xFz,xFu, yFz, yFu, nFz, nFu分别为分力公式中切削深度ap，进给量f和切削速度Uc的指数 u?πDn3.14?108?150??84.78m/s 式（3.19） 10001000查手册《机械加工工艺手册》p885表27-24确定以下参数

切槽及切段时：

CFz=3600，xFz=0.72，yFz=0.8 CFu=1390，xFu=0.73，yFu=0.67

KF=KMFKγoFKKγFKλsFKγξFKTF n KMF????b??650?? 刀具的主偏角K?=90o, ?KK?F=0.89 z , KK?Fu=0.50 取刃倾角?s?0o， K?sFz?1.0 ，K?sFu?1.0 前角 ?oo?10 ，K?oFz?1.0 ，K?oFu?1.0 刀具耐用度 T=90min

切断刀 KTFz?0.92

, KTFu?0.92 由手册 ?b?60M0pa

K600Fz?(650)0.75?1.0?0.89?1.0?0.87?0.92?0.67 F11缸?4G?441160?10290N

ap在切断和车槽时为切削刃的长度

B=3.5-16.5mm, 取B=4mm。 ∴主切削力： Fz=CFzapxFzfyFzKFz

?3600?100.72?0.40.8?0.67?6082?N?

背吃刀力： Fy=CFuapxFufyFuKFu

?1390?100.73?0.40.67?0.27?1091?N?

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式（3.20）

[1][2]） （根据内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

∴水平刀架油缸的负载为：

F缸=2×Fy=2×1091=2181（N） 3.1.3.2 水平刀架油缸内径的确定

?D?4F14?2182??0.02m1 6?P?cm3.1?46.?30.?9510考虑到系统的阻力及惯性力等因素的影响，取标准直径为40mm。

由机械零件设计手册第二版下册 表31-5查得钢筒的外径为50mm。

内径为D1=40mm，由机械设计手册第四版第四卷 表17-6-37，初步选择UY WF 40×210-10型的液压缸，活塞杆直径为28mm。 3.1.3.3 钢筒壁厚的验算

由上述选择的液压缸知壁厚为10mm

由D/δ=40/10=4〈10属于厚壁，按下式进行校核

?[σ]?0.4PyD???1? δ??2?σ]?1.3Py?[?0.04?120?0.4?1.5?6.3????10??1????0.0014m?1.4mm 2?120?1.3?1.5?6.3?（验算通过） 3.1.3.4 活塞杆的校核

活塞杆的材料选45号钢。 3.1.3.4.1 活塞杆直径d的校核

由上述选择的液压缸知活塞杆的直径为28mm， d?4F ?[?] d?28mm?(验算通过)

4?2182?3?4.8?10m?4.8mm 63.14?120?103.1.3.4.2 活塞杆弯曲的稳定性的验算

LB>(10～15)d,因受力完全在轴线上，主要按下式验算

F1≤Fk/nk

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Fk??2E1I*106KLB22 N

E1?E?1.8*105 Mpa

(1?a)(1?b)?0.049d4?3?10?8

I??d464K—— 液压缸安装及导向系数 K=1 （后端法兰） nk——安全系数，通常取nk=3.5～6,此处取为6 Fk??2E1I*106KLB22??2?18?105?3?10?8?1061?0.522?2129670N

Fk/nk =2129670/6=354950 N

∴ F1

3.1.3.5 水平刀架油缸的确定

由以上的校核可知UY WF 40×210-10型液压缸符合设计要求，此液压缸为冶金设备用的，尾部法兰连接，行程为210mm，工作压力在10Mpa时的推力为12.57KN，壁厚10mm，活塞杆直径为28mm，活塞面积为12.57cm2，活塞选用组合式活塞，车氏C 形滑环密封。 3.1.3.6 流量的计算

水平刀架油缸快进（退）时的流量最大 快进（退）速度 V=0.54m/min

Q=uA=0.54×3.14×0.042×103/4=6.78L/min

3.1.4 夹紧油缸

3.1.4.1 夹紧油缸负载的确定 ：

工件受主切削力Fz=6082N的力的作用，要保证被夹紧不动，夹紧力所产生的摩擦力必须大于等于6082N,考虑到安全性取Fz=6090N

工件和夹紧力之间的摩擦系数为：光滑表面 ?=0.15 （根据[14] 表6-2） 所需的最小夹紧力

19

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F=

11FZ??6090?13533N 3?3?0.15∴ N1=N2=N3=13533N （根据[14] P275）

图3.3 夹紧装置工作示意图

按照夹紧力的计算公式

FK=F×K

FK——实际所需夹紧力，F按静力平衡原理计算出的理论夹紧力

K——安全系数，通常取1.5—2.5，精加工和连续切削时取小值，粗工和断续切削时取大值，此处取K=2.5 （根据[14] P276）

∴ FK1=FK2=FK3=KN=2.5×13533=20299.5N ∴ F夹=20299.5×3=60898.5N 3.1.4.2 夹紧油缸的内径

?D?4F14?60898.5??113.9mm?P?cm3.14?6.3?0.95?106

（根据[5] P166）

考虑到液压缸阻力和机械部分的摩擦力取公称直径D=125mm，由机械零件设计手册第二版下册 表31-5查得钢筒的外径为146mm。

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内径为D1=125mm，由机械设计手册第四版第四卷 表17-6-37，初步选择UY WF 125×170-10型的液压缸，活塞杆直径为90mm。 3.1.4.3 钢筒壁厚的验算

由上述选择的液压缸知壁厚为21mm

由D/δ=125/21=5.95〈10属于厚壁，按下式进行校核

δ?D?2?[σ]?0.4Py??1?? ?[σ]?1.3Py????21?0.125?120?0.4?1.5?6.3?2??1.3?1.5?6.3?1??0.0045m?4.5mm ?120???（验算通过） 3.1.4.4 活塞杆的校核

活塞杆的材料选45号钢。 3.1.4.4.1 活塞杆直径d的校核

由上述选择的液压缸知活塞杆的直径为90mm， d?4F?[?] d?28mm?4?60898.53.14?120?106?25.4?10?3m?25.4mm (验算通过)

3.1.4.4.2 活塞杆弯曲的稳定性的验算

LB>(10～15)d,因受力完全在轴线上，主要按下式验算

F1≤Fk/nk

2FE1I*106k??K2L2 N （根据[5] BEE51?(1?a)(1?b)?1.8*10 Mpa

4 I??d64?0.049d4?3.2?10?6

K ——液压缸安装及导向系数 K=1 （后端法兰） nk——安全系数，通常取nk=3.5～6,此处取为6

21

P169）

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Fk??2E1I*106?2?18?105?3.2?10?6?106K2LB20.5?0.3022?2.52?1010N

Fk/nk =2.52×106/6=4.2×109 N

∴ F1

（验算通过） 3.1.4.5 夹紧油缸的确定

由以上的校核可知UY WF 125×170-10型液压缸符合设计要求，此液压缸为冶金设备用的，尾部法兰连接，行程为170mm，工作压力在10Mpa时的推力为127.72KN，壁厚21mm，活塞杆直径为90mm，活塞面积为127.72cm2，活塞选用组合式活塞，车氏C 形滑环密封。 3.1.4.6 流量的计算

夹紧拉杆速度 V夹=V松=3.6m/min

Q=uA=3.6×3.14×0.125×103/4=44.2L/min

3.1.5 油缸参数的总结表

表3.1 油缸相关的参数

工况 执内负载 F/? (N) 时间 （s） 无杆腔有杆腔工作活塞速度流量面A=2行元/外径件名(mm) 称 积面?D24积压力杆直u (Mpa) 径4Q=uA A=?(D?d)2(m/ (m) d(m) min) (L/m in) - 0.025 13 160 (m2) 升 降 升 翻板 - 油缸 托辊50/60 油缸 - 5 9800.58 1.96× 0/ 0.95= 10316 夹紧 夹紧125/ 油缸 146 608982.83 1.23×1.1× .5/ 0.95= 10-2 10-2 5.21 0.09 3.6 10-3 1.54× 10-4 5.3 6.- - 0.036 3.6 7.07 44.2 22

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64104 快进 工进 水平40/50 刀架油缸 倒角快退 松开 下降 夹紧125/ 油缸 146 托辊50/60 油缸 10316 0 2.83 1.23×1.1× 10-2 10-2 5.3 0.036 3.6 5.5 0 0.09 3.6 39.6 油缸 0 2182/0.950 5+1000=3297 1000 0.39 0.79 5.7 1000.3 1.26×1.06× 10-3 10-3 2.62 0.79 0.028 0.076 0.54 6.78 0.58 1.96×1.54× 10-3 10-4

3.2 液压泵的确定：

3.2.1供油液压泵的确定

3.2.1.1 液压泵的压力的确定

液压泵的最大工作压力Pp

Pp?Pt???p 式（3.21）

式中 Pt——液压缸或液压马达最大工作压力

??p——进油路上的总压力损失。

??p的准确计算要在待选元件选定并绘出管路图时才能确定，在管路简单，流速

不大时，??p取（0.2～0.5）Mpa.在管路复杂进口有高速阀的??p取（0.5～1.5）。此处??p取为0.7Mpa。 （根据[7] 表9.3）

Pp≥6.3+0.7=7Mpa

3.2.1.2 液压泵流量的计算

多液压缸或液压马达同时工作时液压泵的流量为：

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Qp?K(?Qma)x

式中 K——泄漏系数一般取K=1.1～1.3，回路中的泄露量可按总流量最大值的10%～30%估算。 （根据[7] P184）

?Qmax——同时工作的液压泵或液压马达的总流量。

该系统中液压缸依次动作，没有同时工作的液压缸，所以

?Q3.2.1.3选择液压泵的规格

max= Q翻=160 L/min

Qp≥160×1.3=208 L/min

液压泵的选择依据Qp和 Pt的值选择，为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的工作压力一般要比最大工作压力大25%-60% 即（25%～60%）×7=1.75～4.2 Mpa

（根据[7] P184） 该系统选用2台同规格的液压泵，一台工作，另一台备用。

由机械设计手册第四版第四卷表17-8-170查得在工作压力为10Mpa时选用变量叶片泵，额定工作压力16Mpa。

型号：1pv2v410/50RA1MCO16N1。

电动机型号：Y160L-4,功率15Kw,转速1460 r/min，公称排量50ml/r。 一台液压泵工作时的流量为 ： Q泵=qn=1460×0.05=73 L/min 73L/min<160L/min， 不足的流量由蓄能器来补足 3.2.2 自循环过滤系统液压泵的确定

自循环系统的系统压力初步定为0.5Mpa，选用外啮合的齿轮泵，型号：CB-B，排量2.5～125 ml/r，额定压力2.5Mpa，额定转速为1450r/min，容积效率（70～90）%，取排量q=50ml/r，则液压泵的流量为：Q=q×n=0.05×1450=72.5L/min。

(根据[4] 表17-5-6)

3.3 液压阀的选择

3.3.1 水平刀架（倒角）油缸液压系统的阀的选择 三位四通电磁换向阀

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由水平刀架系统回路的压力≤6.3Mpa及流量选用4WE56.0/G24型电磁换向阀，通径：6mm,额定压力：25Mpa,通过的流量为14L/min。 二位三通电磁换向阀

选用3WE56.0/G24型电磁换向阀，通径：5mm,额定压力：25Mpa,通过的流量为14L/min。

（根据[6] 表4.164） 两个单向节流阀

选用LDF-B10C型单向节流阀，通径10mm ,流量调节范围1.2～15 L/min，最大压力31.5Mpa 。 （液压元件产品样表P562） 3.3.2 托架油缸液压系统阀的选择

二位四通电磁换向阀

由托架油缸系统回路的压力≤6.3Mpa及流量28.28 L/min，选用4WE650/G24型二位四通电磁换向阀，通径为6mm，通过的额定流量为80L/min，额定压力压力为16Mpa。

双单向节流阀 （根据[6] 表4.164） 选用Z2FS6型叠加式双单向式节流阀，通径为6mm，流量为80L/min，工作压力31.5Mpa。

（根据[6] 表4.107 ） 3.3.3 夹紧油缸液压系统阀的选择

二位四通电磁换向阀

选用4WE650/G24型电磁换向阀，通径为6mm，通过的额定流量为80L/min，额定压力压力为16Mpa。 （根据[6] 表4.164）

双向节流阀

选用Z2FS6型叠加式双单向式节流阀，同上选用。 减压阀

选用RG-06-C-22型的减压阀，管式连接，最高使用压力21.0MPa，设定压力1.5～20.5MPa，最大流量125L/min，泄油量0.8～1.1L/min。

(根据[4] 表17-7-44)

3.3.4 翻板液压系统的阀的选择 三位四通电液换向阀

选用(S)DSHG-04-3C-50型电液换向阀，最大流量300L/min，最大工作压力31.5Mpa，

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最高先导压力25Mpa,最低先导压力0.8Mpa 。 （根据[6] 表4.181） 双单向节流阀

选用Z2FS10型叠加式双单向式节流阀，流量为160L/min，工作压力31.5Mpa。 （根据[6] 表4.107） 3.3.5 泵站回路上液压阀的选择 溢流阀

选用BG-10-32型电磁溢流阀，板式，通径10mm，最大流量200L/min，压力10Mpa。 （根据[6] 表4.5） 与蓄能器相连的溢流阀选YF-L10B，通径10 mm，额定流量为40 L/min，压力7 Mpa。 单向阀

选用S-20A型单向阀,管式连接，通经10mm，最大流量为200L/min，重量2.5kg 。

（根据[6]）

二位三通电磁换向阀

选用3WE6型电磁换向阀，通径：10mm,额定压力：10Mpa,通过的流量为80L/min。 （根据[6]）

3.4 蓄能器

蓄能器是将压力液体的液压能转换为势能贮存起来，当系统需要时再将势能转换为液压能做功的容器。蓄能器在液压系统中的应用按用途可以分为：作为辅助动力源、维持系统压力、减小液压冲击或压力脉动。

在此系统中一个工作循环中速度差别很大，要求瞬间补充大量的液压油，故蓄能器用作辅助动力源。 3.4.1 蓄能器的初选择

该系统选用囊式蓄能器，优点：空气与油隔离，油不易氧化，尺寸小重量轻，反应灵敏，充气方便，最高工作压力200Mpa ,充氮气。 3.4.2 充气压力

从保护气囊的延长使用寿命的角度出发，对于波纹形气囊 p0=(0.8～0.85)P2

p0 ——蓄能器的充气压力 Pa

p2 ——为液压系统的最高工作压力 此处P2=7.0×106 Pa

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p0=(0.8～0.85)P2=(0.8～0.85)×7×106 =(5.6～5.95)×106pa 取P0=5.6×106 pa 作为辅助动力源，为使其在输出有效工作容积过程中液压机构的压力下相对稳定些，蓄能器的最低推荐工作压力为:

p1=(0.6～0.85)p2=(0.6～0.85) × 7.0×106=(4.2～5.95) ×106 pa

取p1=5 Mpa (根据[4] 表17-8-94) 3.4.3 蓄能器容积的计算 3.4.3.1 绘制工况循环图

根据各执行元件的载荷变化情况，作出耗油量与时间的工况循环图。

图3.4 耗油量与时间的循环图

根据工况循环图，求出一个工作循环内系统所需的平均流量Qcp (L/min)

Qcp??Qiti?60K 式（3.22） T∑Qiti 一个工作周期中各液压机构耗油量总和 T 机组工作周期

?Qtii=[160×6.5+28.28×0.58+44.2×2.83+2×(6.78×0.3+0.076×50+5.7×0.39)+39.6×2.83+22×0.58]/60=22 L

T=6.5+(0.3+50+0.39+2.83+0.58) ×2=114.7 s

Qcp=22/114.7×60=11.5 L/min

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所以液压泵的平均流量为 Qcp=11.5L/min

在一个工作循环内，各瞬间所需的瞬时流量Qi中，超出平均流量Qcp的部分，就是蓄能器提供的流量，小于或等于Qcp的部分是油泵供给的流量。 3.4.3.2 蓄能器的有效工作容积的计算

蓄能的有效工作容积为

?V??V式（3.23） t?Q i???V——液压系统最大耗油量时，各工作点的总耗油量。i表示液压系统最大耗油

i量时的工作点数；此系统翻板油缸工作时耗油量最大，

?V=160×3.25/60=8.6 L

i?——考虑整个液压系统泄漏的泄漏系数，可取?=1.2

?Q——液压泵的总耗油量（L/min）此处为73L/min

t——最大耗油量时的泵的工作时间 (s)

(根据[4] 表17-8-94)

?V?8.6?1.2?73?3.25?6.3L 60系统中设置两个蓄能器，则每个蓄能器的有效容积为6.3/2=3.15L 3.4.3.3 蓄能器总容积的计算

由波义耳定律：

p0V0n=p1V1n=p2V2n=C 式（3.24）

当系统的气体压缩或膨胀的时间在1min以内的，由于来不及和外界进行热交换，

故可以近似认为是绝热过程，绝热指数n=1.4（对氮气或空气）。

绝热过程蓄能器的总容积为

V0??V?1?1p00.715?()0.715?()0.715?p2?p1? 式（3.25）

(根据[4] 表17-8-94)

ΔV=3.15L, p0=5.6Mpa, p1=5Mpa, p2=7Mpa

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V0?3.15??1?0.715?1?0.715?5.60.715?????p???p?????2????1???14L

3.4. 4 蓄能器的选择

系统选用两个囊式NXQ12-L25/※蓄能器，公称容积16L,公称通经40mm，A=900mm，B=740mm,C=90mm,D=219mm，质量63kg,公称压力10Mpa。

(根据[4] 表17-8-99)

3.5 过滤器的选择

过滤器是液压系统的重要元件，它可以清除液压系统的污染物，保持液压油的清洁度，确保液压元件工作的可靠性。它的工作能力取决于滤芯的有效过滤面积、滤芯本身的性能、油的粘度和油温、过滤前后油的压力差、以及油中固体颗粒的含量。选系统液压泵入口处和自循环过滤系统的过滤器进行计算和选择。 3.5.1 泵的入口处的过滤器的计算和选择

3.5.1.1 过滤器的选择

系统的流量为73L/min，压力为7Mpa,据此由机械设计手册第四版第四卷 表17-8-131选用吸油口用线隙式过滤器，型号①XU-100×80J，通径32mm，流量为100L/min,过滤精度80 ?m，原始压力损失为≤0.02Mpa 。额定压力为6.18 Mpa。 3.5.1.2 滤芯有效工作面积 A (m2)

A?Q??10?4 (m2) 式（3.26） ??p式中 Q——过滤器的额定流量，L/min

?——油的动力粘度 Pa·s ?p——压力差Pa

?——滤芯材料的单位过滤能力，L/cm2,由试验测定；在20℃时,线隙式滤芯?=10

(根据[4] 表P17-717)

Q?73??73?30?1062?4?4?4?4A??10??10??10?1.09?10 m 66??p10?0.02?1010?0.02?103.5.2 回油管路过滤器的选择

回油管路过滤器安装于系统回油管路上, 滤除系统中污染物, 避免进入油箱, 从

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而间接地保护系统。回油过滤器精度等级一般为20μm。由液压工程手册P1397表10.2-13选用低压管式纸质滤芯，型号为ZU-A160×10S，流量为160 L/min，过滤精度为20μm，压力损失为0.12Mpa。额定压力为1.6 Mpa。 滤芯有效工作面积 A(m2)

Q?73??73?30?1062?4?4?4A??10??10??10?52.14 m

??P0.035?0.12?1060.035?0.12?1063.5.3自循环过滤系统的过滤器的选择 3.5.3.1 过滤器的选择

自循环系统的流量为72.5L/min，系统的压力为0.5Mpa，据机械设计手册第四版第四卷表17-8-129选取低压线隙式过滤器，型号：①XU-A100×30S，通径32mm，额定流量100L/min，额定压力1.6Mpa,过滤精度30?m，额定压力为6.18 Mpa。重量5.18kg。 3.5.3.2 滤芯的有效工作面积 A (m2)

Q?73??73?30?1062?4?4?4?4A??10??10??10?1.09?10 m。 66??p10?0.02?1010?0.02?103.6油箱的容积与计算

油箱有效容量一般为泵流量的3～7倍， 对于固定设备，空间、面积不受限制的设备，选用较大的容量。冶金机械液压系统的油箱容量通常取为泵流量的7～10倍。

（根据[4] P17-742）

初步取油箱的容积为

V0=10Q=10×160=1600 L

由[4]表17-8-161选不带支持脚的矩形油缸，工作容量为1676L。B=1000mm,L=2000mm,H=860mm 3.6.1 发热计算 3.6.1.1液压泵功率损失

H=P(1-?) 式（3.27）

如在一个工作循环中，有几个工序，则可根据各个工序的功率损失，求出总平均功率损失H1

1nH1??pi(1??)ti 式（3.28）

Ti?1

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P 液压泵的输出功率P=p×q/? p 泵实际出口压力 pa q 泵实际流量 m3/s

?液压泵的总效率，一般在0.7～0.85之间，常取?=0.8

T 工作循环周期 s

t 工序的工作时间s （根据[4] 表17-8-158） 此工作循环中有四个工序，各个工序功率损失如下： 3.6.1.1.1 翻板油缸动作时

翻板油缸的转速为n=9.2 r/min ,每转所用的时间为60/9.2=6.5 s 所以上升用的时间为

t=6.5/2=3.25 s

此处p=7.0×106 pa ，q=73 L/min =1.2×10-3 m3/s ∴ P=p×q/?=7×106×1.2×10-3 /0.8=1.05×104 w

H翻=P(1- ?)=1.05×104×(1-0.8)=2.1×103 w

3.6.1.1.2 托辊油缸动作时 上升时

t=0.035×60/3.6=0.58s

q=28.28L/min=0.471×10-3m3/s

P=p×q/?=7×106×0.471×10-3 /0.8=4.1×103 w

H托= P(1- ?)=4.1×103×(1-0.8)=820w

下降时

t=0.035×60/3.6=0.58s q=22L/min=0.37×10-3m3/s

P=p×q/?=7×106×0.37×10-3 /0.8=3.2×103 w H托= P(1- ?)=3.2×103×(1-0.8)=640w

3.6.1.1.3夹紧油缸动作时 夹紧时

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t=0.45×60/3.6=2.83s q=44.2L/min=0.74×10-3m3/s

P=p×q/?=7×106×0.74×10-3 /0.8=6.4×103 w H家= P(1- ?)=6.4×103×(1-0.8)=1.28×103 w

松开时

t=0.45×60/3.6=2.83s q=39.6L/min=0.66×10-3m3/s

P=p×q/?=7×106×0.66×10-3 /0.8=5.8×103 w H家= P(1- ?)=5.8×103×(1-0.8)=1.16×103 w

3.6.1.1.4水平刀架油缸和倒角油缸动作时

水平刀架油缸的快进时

t=0.3s

q=6.78L/min=0.11×10-3m3/s P=p×q/?=7×106×0.11×10-3 /0.8=989w H家= P(1- ?)=989×(1-0.8)=197.8 w

水平刀架油缸工进时

t=50 s

q=0.076L/min=1.3×10-6m3/s P=p×q/?=7×106×1.3×10-6 /0.8=11.2w H家= P(1- ?)=11.4×(1-0.8)=2.28 w

水平刀架油缸快退时

t=0.39 s

q=5.7L/min=9.5×10-5m3/s P=p×q/?=7×106×9.5×10-5 /0.8=831w H家= P(1- ?)=831×(1-0.8)=166.3w

倒角油缸同上水平刀架油缸

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有以上可得液压泵总平均功率损失：

T=2×(3.25+0.58+2.83+0.3+50+0.39)=114.7 s

?Pi?1???ti=2100×6.5+820×0.58+640×0.58+1280×2.83+1160×2.83+（197.8×

0.3+2.28×50+166.3×0.39）×2=21878.4w

1nH1??pi(1??)ti=21878.4/114.7=190.7 w

Ti?13.6.1.2 阀的功率损失

其中以泵的全部流量流经溢流阀返回油箱时，功率损失为最大

H2=pq=7.0×106×1.2×10-3=8.4×103 w 式（3.29）

（根据[4] 表17-8-158）

3.6.1.3 管路及其他功率H3损失

此项功率损失包括很多复杂因素，由于其值较小，加上管路散热的关系，计算时常忽略，一般可取全部能量的0.03～0.05倍，即

H3=(0.03～0.05)P

取H3=0.04P=0.04×1.05×104=420W （根据[4] 表17-8-158） 3.6.1.4 系统的功率损失

H??Hi?H1?H2?H3=190.7+8.4×103+420=9×103 W 式（3.30）

3.6.2 散热计算

液压系统各部分所产生的热量，在开始时一部分由运动介质及装置本体所吸收，较少一部分向周围辐射，当温度达到一定数值，散热量与发热量相对平衡，系统即保持一定的温度不再上升，若只考虑油液温度上升所吸收的热量和油箱本身所散发的热量时，系统温度T随运转时间t的变化关系如下：

T?T0?H??KA?1?exp()t? （K） 式（3.31） KA?Cm??当t→t∞是系统的平衡温度为

Tmax?T0?H KAA——油箱的散热面积m3

A=ab+2ca+2bc=2×0.88+2×2.2×1+2×0.88×1=7.9 m3

K ——油箱的传热系数 w(m2) 周围通风良好时K=15 w/(m2℃)

33

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T0 —— 环境温度 ℃ T0取为20℃ （根据[4] 表17-8-158）

Tmax?T0?H9000?20??133.2 ℃

15?7.9KA油箱中油液的温度一般推荐为30～50℃，最高温度不超过65℃，最低温度不低于15℃。

所以油路中必须加冷却器。 3.6.3 油箱中油液的冷却 3.6.3.1 冷却方法

采用回油路中强制对流冷却降低油温 3.6.3.2 需用冷却器的散热面积

A?H?H' （m3） 式（3.32）

K1??mH ——系统的发热功率。一般只考虑泵及溢流阀的发热量H1和H2,即

H=H1+H2=8400+190.7=8590.7 W

H′ ——油箱的散热功率

H′=KA△? 式（3.33）

K=15 w/(m℃) A= 7.9 m3 ，△?=35℃

2

∴ H′=15×7.9×35=4.15×103 W

K1——蛇形铜管表面传热系数w/(m2k)，一般k=375～384 w/(m2k) 取k1=380 w/(m2k)

??m——油与冷却水之间的平均温度差 k

??m?T1?T2t1?t2 ℃ 式（3.34） ?22（根据[4] 表17-8-159）

油进入冷却器的温度T1=60℃ ,流出时的温度T2=50℃,冷却水进入冷却器的温度t1=25℃,流出时的温度t2=30℃。

??m?T1?T2t1?t2133?4025?30=???86.5?27.5?59 ℃

2222A?H?H'8590.7?4150=?0.2m2

K1??m380?59冷却器在使用过程中换热面上有沉淀和附着物，影响环热效率。实际选用的换热面

34

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积应比此值大30%，即A=1.3×0.2=0.26m2

L?A 式（3.35） ?d管内径，通常在15～25mm范围内选取取为 25mm ∴ L? 冷却器选择

选用固定管板式2LQG2W型冷却器，热交换面积0.2～4.25m2,工作压力1.0Mpa,冷却介质压力0.5Mpa,油侧压力降为 < 0.1Mpa，介质粘度10～325×10-6m2s-1

（根据[4] 表17-8-112）

3.6.4 油箱油液的加热

在低温环境工作，为保持合适的油温，油箱需进行加热，加热的发热能力按下式进行计算：

H?C?V?? w 式（3.36） TA0.26??3.3m ?d3.14?0.025C——油的比热 J(Kg·K) C≈(1675～2093) J(Kg·K) 取C=1800 J(Kg·K)

?——油的密度Kg/m3 取?=900Kg/m3

V——油箱的容积 m3

??——油加热后的温升 K 取为??=30℃

T ——加热时间 初步取为T=120s 根据[4] 表17-8-159）

H?C?V??1800?900?0.889?30=?3.6?105

120T选用电加热进行加热点加热器的功率 选SRY4-220/8型加热器

N≥H/860?=3.6×105/860×0.7=598 KW

(?=0.06-0.08 取?=0.7)

3.7 液压元件的选用总结表 ：

35

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表3.2 液压元件选用明细表

序号 名称 型号 压力 规格 流量 最大实际通径 数量 流量 (mm) （Mpa） (L/min) （L/min） 1 三位四通电4WE56.0/磁换向阀 2 单向节流阀 G24 LDF-B10C 3 二位三通电3WE56.0/磁换向阀 4 G24 16 80 - 10 2 25 14 - 5 2 31.5 30 - 6 4 25 14 - 6 2 二位四通电4WE650/磁换向阀 G24 5 双单向节流Z2FS10 阀 31.5 160 1 6 双单向节流阀 Z2FS6 31.5 80 - 6 2 7 三位四通电(S)DSHG- 31.5 液换向阀 04-3C-50 BG-10-32 10 S-20A SRY4-220/8 - 300 - - 1 8 9 10 溢流阀 单向阀 加热器 400 200 - - - 25 30 2 3 - - - 3 11 压力表 12 蓄能器 Y-60 10 - - - - - 40 5 2 NXQ12-L2 - 5/※ 13 过滤器 ①XU-100× - 100 - 32 2 36

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80J 14 过滤器 ①XU-A100×30S 15 冷却器 2LQG2W 16 截止阀 YJZQ-H40 17 压力继电器 HED10 18 二位三通电 磁换向阀 19 减压阀 3WE6 RG-06-C-22

21 125 - 6 1 31.5 60 - 6 2 10 - 35 - 2 20 - - - 19 1.0 - - - 1 - 100 - 32 1 3.8 油管与管接头的计算与选择

系统中一般的管道的通经按所连接的元件的通经选择，只有比较重要的管道才进行计算

3.8.1 油管的计算与选择

3.8.1.1 泵出口处与泵直接相连的管道选用软管连接

软管的内径的计算公式为

1QA?* 式（3.37）

6uA——软管的流通截面积 cm2

Q——管内的流量 这里的Q取泵工作时的流量73L/min

u——管内流速，m/s，通常软管的允许流速为u≤6m/s,这里取为4m/s。

(根据[4] 表17-8-1)

1Q173A?????3.04 cm2

6u64 37

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?d?4?3.04??1.97 cm=19.7 mm

选用钢丝增强液压软管和软管组合件（GB/T3683-1992）,适用于使用普通液压液体工作温度范围在-40～100℃的工况下，参考机械设计手册第四版第四卷 表17-8-4，选用公称内径为22mm的Ⅰ型软管。 3.8.1.2 吸油管的直径

吸油管路的油液的流速的推荐值为u≤0.5～2 m/s,取许用流速为2m/s,通过管内的流量为73 L/min。

管子内径的计算公式为

d?4.61Q73?4.61?27.9 mm u2取管子的内径为公称通径32mm 管道的壁厚的计算

??P——工作压力 Mpa

pd 2?p?p——许用应力 ?p= ?b/n,p<7Mpa时，n=8

管道的材料45号钢，?b=610Mpa，?p= ?b/n=610/8=76.25Mpa。

??pd7?32??1.47 mm (根据[4] 表17-8-1) 2?p2?76.25参考机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2 钢管的外径取为42 mm 管接头的螺纹连接选用M42×2 3.8.1.3 泵站到液压缸之间油管的选择

3.8.1.3.1 泵站到水平刀架（倒角）油缸的油管直径

压油管路的油液的流速的推荐值为u≤2.5～6 m/s,取许用流速为4m/s,通过管内的流量为6.78 L/min。

管子内径的计算公式为 d?4.61取管子的内径为公称通径8mm

38

Q6.78?4.61?5.4 mm u4内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

管道的壁厚的计算 ??pd 2?p??pd7?8??0.37 mm 2?p2?76.25 (根据[4] 表17-8-1) 参考机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2 钢管的外径取为14 mm 管接头的螺纹连接选用M14×1.5 3.8.1.3.2 泵站到翻板油缸的油管直径

取许用流速为6m/s,通过管内的流量为160 L/min。 管子内径的计算公式为

d?4.61Q160?4.61?23.8 mm u6取管子的内径为公称通径25mm 管道的壁厚的计算

??pd7?25??1.15 mm 2?p2?76.25 (根据[4] 表17-8-1)

参考机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2 钢管的外径取为34 mm 管接头的螺纹连接选用M33×2 3.8.1.3.3 泵站到夹紧油缸的油管直径

取许用流速为6m/s,通过管内的流量为44.2 L/min。 管子内径的计算公式为

d?4.61Q44.2?4.61?12.5 mm u6取管子的内径为公称通径15mm 管道的壁厚的计算

??pd7?15??0.69 mm (根据[4] 表17-8-1) 2?p2?76.25参考机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2 钢管的外径取为22 mm 管接头的螺纹连接选用M22×1.5

39

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3.8.1.3.4 泵站到托架油缸的油管直径

取许用流速为6m/s,通过管内的流量为28.28 L/min。 管子内径的计算公式为

d?4.61Q28.28?4.61?10 mm u6取管子的内径为公称通径12mm 管道的壁厚的计算

??pd7?12??0.55 mm 2?p2?76.25(根据[4] 表17-8-1)

参考机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2 钢管的外径取为18 mm 管接头的螺纹连接选用M18×1.5

3.8.1.4 回油管路的管径的计算

回油管路内的流速的推荐值为u≤1.5～4 m/s ,取u=4 m/s,回油管路的总流量为翻板油缸工作时的流量即为160L/min。

d?4.61Q160?4.61?29 mm u4(根据[4] 表17-8-1)

查机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2 选用公称通径为32mm，外径为42mm的钢管。

3.8.1.5 自循环过滤系统的管径的计算

自循环系统的系统压力初步定为0.5Mpa，则液压泵的流量为： 72.5L/min。 自循环系统的管内油液的流速u取为3/s,则管径的计算如下：

d?4.61Q72.5?4.61?22.7 mm u3 (根据[4] 表17-8-1)

由机械设计手册第四版第四卷 表17-8-2选取公称直径d=25mm。 3.8.2 管接头的选择 3.8.2.1 软管接头

由软管内径为22mm，可选A型软管接头，公称通径为20mm，工作压力8Mpa，D

40

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为M36×2，D0=25mm，l=14mm。 (根据[4] 表17-8-49) 3.8.2.2 泵站到水平刀架油缸的油管的管接头

由管子外径为14mm，可选扩口式端直通管接头， d0=12mm， d为M36×2，l=12mm。

(根据[4] 表17-8-35)

3.8.2.3 泵站到翻板油缸的油管的管接头

由管子外径为34mm，可选卡套式直通管接头，工作压力25Mpa， d为M42×2，L=65 mm ，l=20mm。 (根据[4] 表17-8-33) 3.8.2.4 泵站到托架油缸的油管的管接头

由管子外径为18mm，可选卡套式直通管接头，工作压力25Mpa， d为M22×1.5，L=46 mm ，l=14mm。 (根据[4] 表17-8-33) 3.8.2.5 泵站到夹紧油缸的油管的管接头

由管子外径为22mm，可选卡套式直通管接头，工作压力25Mpa， d为M48×2，L=60 mm ，l=22mm。 (根据[4] P17-642表17-8-33) 3.8.2.6 回油管的管接头

由管子外径为42mm，可选卡套式直通管接头，工作压力25Mpa， d为M27×2，L=55 mm ，l=16mm。 (根据[4] 表17-8-33)

3.9 压力损失的计算

3.9.1沿程压力损失的计算

分两段进行沿程损失的计算。两泵汇流段的管子，内径为d1=0.022m，长L1=6m， 液压站至水平刀架油缸段的管道的内径为d2=0.008m,长L2=10m。工作介质选L-HM油，工作温度下的粘度为?=30×10-6m2/s，密度为ρ=0.82×103kg/m3。

（根据[4] P17-119 表17-4-24）

l?u ?PT??11?1 式（3.38）

d122（根据[7] P34）

3.9.1.1雷诺数的计算

Re?ud? 式（3.39）

u——管内的平均流速，m/s d——圆管的内径 ， m

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?——流体的运动粘度, m2/s （根据[7] P30） 3.9.1.2 泵站内的沿程压力损失

管内流速 u?Q?1.2?10?3?3.16m/s

?4d2?4?0.02223.16?0.0222Re???2317 ?6?30?10udRe<2320 管内为层流

?1?∴沿程压力损失为：

l1?u160.82?103?3.162?PT1??1??0.028???0.031 Mpa 6d120.0222?1026464??0.028 Re23173.9.1.3 液压泵站至油缸的沿程压力损失

泵站到水平刀架油缸的距离最远，所以到水平刀架油缸的沿程损失最大。

管内流速 u?Q?20.113?10?3?4d?4?2.2m/s

?0.00822.2?0.222Re???586.7

?30?10?6udRe<2320 管内为层流

?2?26464??0.1 Re58.67l2?u2100.82?103?2.22?PT2??2??0.1???0.25 Mpa 6d220.0082?10所以沿程压力损失??PT

l?ul?u??PT??11?1??22?2?0.031?0.25?0.28 Mpa

d12d22223.9.2管件局部压力损失的计算

管件的局部压力损失计算入口处带丝网、弯管处以及分支管处的局部压力损失。其余地方的压力损失不计。

42

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?Pr1???u22 式（3.40）

（根据[7] P35表2-42）

3.9.2.1 入口处带丝网局部压力损失计算

A1/A取为0.8，由机械设计手册第四版第四卷表17-1-21查得?=1.1 管内流速 3.16 m/s

局部压力损失 ?Pr1???u220.82?103?3.16?1.1??0.0014 62?103.9.2.2 弯管处的局部压力损失计算

由机械设计手册第四版第四卷表17-1-25查得 折管在?=90°时，?2=1.12 局部压力损失为 ?Pr1???u220.82?103?3.16?1.1??0.0015 62?103.9.2.3 分支管处的局部压力损失的计算

由[4] 表17-1-26查得 ?3=1.3 局部压力损失为 ?Pr1?所以总的局部压力损失为：

??Pr??Pr1??Pr2??Pr3?0.0014?0.0015?0.0017?0.0046 Mpa

??u220.82?103?3.16?1.3??0.0017 62?103.9.3 控制元件的压力损失的计算

计算液压泵至水平刀架油缸油路上的控制元件压力损失，油液流经一个单向阀压降为0.2Mpa，一个电液控换向阀压降为0.3Mpa，一个单向节流阀压降为0.2Mpa。

?Q?Pv??PvN??Q?N??? 式（3.41） ?2Q 实际流量 QN 额定流量 （根据[4]P17-36式17-2-9） 3.9.3.1流经单向阀的局部压力损失：

2?Q1?73????Pv1??PvN1???0.027 Mpa ?Q??0.2?200???N1?23.9.3.2流经电液控换向阀局部压力损失：

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流经三位四通电磁换向阀

2?Q2?6.78????Pv2??PvN2???0.07 Mpa ?Q??0.3??14??N2?2流经二位四通电磁换向阀的局部压力损失也是 0.07 Mpa 3.9.3.3流经单向节流阀的局部压力损失：

2?Q3?6.78????Pv3??PvN1???0.015 Mpa ?Q??0.3??30??N3?2所以总的局部压力损失为：

??Pv??Pv1??Pv2??Pv3?0.027?0.07?2?0.015?0.18 Mpa

所以系统的总的压力损失为：

??p???P???P???P= 0.28+0.0046+0.18=0.46 Mpa

Tjv3.10 系统的工作循环

图3.5为钢管切割机的液压系统图，由图可见，这个系统在电气的配合下能自动地实现工作循环，其工作情况如下。

MM

图3.5 液压系统原理图

1.油箱；2.过滤器；3.齿轮泵；4.冷却器；5.磁棒；6.叶片泵；7.换向阀；8.溢流阀；9.单向阀； 10.蓄能器；11.减压阀；12.换向阀；13.双单向节流阀；14.换向阀；15.双单向节流阀； 16.双单向节流阀；17.换向阀；18.换向阀；19.换向阀；20.单向节流阀；21.单向节流阀

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3.10.1 翻板油缸工作情况

翻板油缸前进时，5YA通电，换向阀14左位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→换向阀14（左位）→双单向节流阀15→翻板油缸左腔； 回油路 翻板油缸右腔→双单向节流阀15→换向阀14（左位）→过滤器2→油箱。 翻板油缸退回时，4YA通电，换向阀14右位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→换向阀14（右位）→双单向节流阀15→翻板油缸右腔； 回油路 翻板油缸左腔→双单向节流阀15→换向阀14（右位）→过滤器2→油箱。 3.10.2 托辊油缸工作情况

托辊油缸上升时，7YA通电，换向阀17左位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→换向阀17（左位）→双单向节流阀16→托辊油缸下腔； 回油路 托辊油缸上腔→双单向节流阀16→换向阀17（左位）→过滤器2→油箱。 托辊油缸下降时，6YA通电，换向阀17右位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→换向阀17（右位）→双单向节流阀16→翻板油缸下腔； 回油路 翻板油缸上腔→双单向节流阀16→换向阀17（右位）→过滤器2→油箱。 3.10.3 夹紧油缸工作情况

夹紧油缸前进时，3YA通电，换向阀12左位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→减压阀11→换向阀12（左位）→双单向节流阀13→夹紧油缸左腔；

回油路 夹紧油缸右腔→双单向节流阀13→换向阀12（左位）→减压阀11→过滤器2→油箱。

夹紧油缸退回时，2YA通电，换向阀12右位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→减压阀11→换向阀12（右位）减压阀11双单向节流阀13→夹紧油缸右腔；

回油路 夹紧油缸左腔→双单向节流阀13→换向阀12（右位）→减压阀11→过滤

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器2→油箱。

3.10.4 水平刀架油缸工作情况

水平刀架油缸前进时，9YA通电，换向阀18、19左位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→换向阀18（左位）→单向节流阀21→水平刀架油缸左腔；

回油路 水平刀架油缸右腔→单向节流阀20→换向阀19左位→换向阀18（左位）→过滤器2→油箱。

水平刀架油缸退回时，8YA通电，换向阀18右位接入系统，换向阀19左位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

进油路 液压泵→单向阀9→换向阀18（右位）→换向阀19左位→单向节流阀20→水平刀架油缸右腔；

回油路 水平刀架油缸左腔→单向节流阀21→换向阀18（右位）→过滤器2→油箱。 当刀架前进时发生故障时，为了防止刀架的损坏，10YA通电，换向阀19右位接入系统，打开截止阀，油液通过换向阀19右位，流回油箱。 3.10.5 卸荷和过载时工作情况

卸荷时溢流阀8远程控制口接入回路，1YA通电，换向阀7右位接入系统，这时系统中油液流动情况如下：

液压泵→溢流阀8远程控制口→换向阀7（右位）→过滤器2→油箱。 过载时溢流阀8打开，这时系统中油液流动情况如下： 液压泵→溢流阀8→过滤器2→油箱。

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第四章 集成块的设计

4.1 集成块的结构与特点

块式集成是按典型液压系统的各种基本回路，做成通用化的六面体油路块（集成块）。通常其四周除一面安装通向液压执行器（液压缸或液压马达）的管接头外，其余三面安装标准的板式液压阀及少量叠加阀或插装阀，这些液压阀之间的油路联系由油路块内部的通道孔实现，块的上下两面为块间叠积结合面，布有由下往上贯穿通道体的公用压油孔P、回油孔O（T）、泄露油孔L及块间连接螺栓孔，多个回路块叠积在一起，通过四只长螺栓固紧后，各块之间的油路联系通过公用油孔来实现。 块式集成有以下优点：

1. 可简化设计。可用标准元件按典型动作组成单元回路块，选取适当的回路块叠积于 一体，即可构成所需液压控制装置，故可简化设计工作。

2. 设计灵活，更改方便。因整个液压系统由不同功能的单元回路块组成，当需更改系统、增减元件时，只需更换或增减单元回路块即可实现，所以设计时灵活性大，更改方便。

3. 易于加工，专业化程度高。集成块主要是六个平面及各种孔的加工，尺寸小，平面和孔道的加工比较容易，便于组织专业化生产和降低成本。

4. 结构紧凑，装配维护方便。由于液压系统的多数油路等效成了集成块内的通油孔道，所以大大减少了整个液压装置的管路和管接头数量，使得整个液压控制装置结构紧凑，占地面积小，外形整齐美观，便于装配维护，系统运行时泄漏少。

5. 系统运行效率较高。由于实现各控制阀之间油路联系的孔道的直径较大且长度短，所以系统运行时，压力损失小，发热少，效率较高。

块式集成的主要缺点是：集成块的孔系设计和加工容易出错，需要一定的设计和制造经验；系统运行时故障诊断较困难。

4.2 集成块的设计

4.2.1 分解液压系统并绘制集成块单元回路图

集成块单元回路图实质上是液压系统原理图的一个等效转换，它是设计块式集成液压控制装置的基础，也是设计集成块的依据。 见集成块单元回路图

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分解集成块单元回路图时，应优先采用现有系列集成块单元回路，以减少设计工作量。集成块上液压阀的安排应紧凑，数量应尽量少，以减少整个液压控制装置的结构尺寸和重量。集成块的数量与液压系统的复杂程度有关，一摞集成块组，初基块和顶块外，中间块一般1～7块。当所需中间块多于7快时可按系统工作特点和性质，分组多摞叠积，否则集成块的高度和重量过大，容易失稳。减少中间块数目的主要途径有：液压阀数目较少的简单回路合用一个集成块；液压泵的出口串接单向阀时，可采用管式连接的单向阀（串接在泵与集成块组的基块之间）；采用少量叠加阀、插装阀及集成块专用嵌入式插装阀；集成块侧面加装过渡板与阀连接；基块与顶块上布置适当的元件等。 4.2.2 集成块的设计

尽管目前已有多种集成块系列及其单元回路，但是现代液压系统日趋复杂，导致系列集成块有时不能满足用户的使用和设计要求，工程实际中仍有不少回路集成块需要自行设计。

4.2.2.1 确定公用油道孔的数目

集成块的公用油道孔，有二孔、三孔、四孔、五孔等多种设计方案。应用较多的为二孔式和三孔式。本设计采用三孔式。

三孔式的特点：在集成块上分别设置压力油孔P、回油孔O和泄漏油孔L共三个公用孔道。优点：结构简单，公用孔道孔数较少。缺点：因泄油孔L要与各元件的泄漏油口相通，故其连通孔道一般细而长（Φ5～6mm），加工较困难，且工艺孔较多。

螺栓孔LPO螺栓孔图4.1 三孔式集成块结构简图

4.2.2.2 确定孔道直径及油孔间壁厚

集成块上的孔道可分为三类：第一类是通油孔道，其中包括管道上下面的公用

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孔道，安装液压阀的三个侧面上直接与阀的油口相通的孔道，另一侧面安装管接头的孔道，不直接与阀的油口相通的中间孔道即工艺孔四种；第二类是连接孔，其中包括固定液压阀的定位销和螺钉孔（螺孔），成摞连接各集成块的螺栓孔（光孔）；第三类是质量在30Kg以上的集成块的起吊螺钉孔。 4.2.2.2.1 通油孔的直径

与阀的油 口相通孔道的直径，应与液压阀的油口直径相同。与管接头相连接的孔道其直径一般应按通过的流量和允许的流速计算，但孔口需按管接头螺纹小径钻孔并攻丝。由前面所选的阀可得：

与4WE56.0/G24型三位四通电磁换向阀相通的通油孔直径为6mm； 与4WE650/G24型二位四通电磁换向阀相通的通油孔直径为6mm； 与3WE56.0/G24型二位三通电磁换向阀相通的通油孔直径为5mm； 与(S)DSHG-04-3C-50型三位四通电液换向阀相通的通油孔直径为13mm； 与LDF-B10C型单向节流阀相通的通油孔直径为10mm； 与Z2FS6型双单向节流阀相通的通油孔直径为6mm； 与Z2FS10型双单向节流阀相通的通油孔直径为10mm； 与BG-10-32型溢流阀相通的通油孔直径为10mm； 与S-20P型单向阀相通的通油孔直径为10mm； 与RG-06-C-22型减压阀相通的通油孔直径为13mm； 工艺孔应用螺塞或球涨堵死。

泄油孔的直径一般由经验确定，例如对于低中压系统，流量较小时可取Φ6mm，当流量较大时可取Φ10mm。（液压传动系统及设计 P252） 4.2.2.2.2 连接孔的直径

固定液压阀的定位销孔直径和螺钉孔（螺孔）的直径，应与所选的液压阀的定位销直径及配合要求与螺钉孔的螺纹直径相同。有选定的液压阀可得：

与4WE56.0/G24型三位四通电磁换向阀相通的螺钉孔直径为Φ9.4mm Φ5.3mm；

与4WE650/G24型二位四通电磁换向阀相通的螺钉孔直径为Φ9.4mm Φ5.3mm；

与3WE56.0/G24型二位三通电磁换向阀相通的螺钉孔直径为Φ9.4mm Φ5.3mm；

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与(S)DSHG-04-3C-50型三位四通电液换向阀相通的螺钉孔直径为Φ11mm； 与LDF-B10C型单向节流阀相通的螺钉孔直径为10mm； 与Z2FS6型双单向节流阀相通的螺钉孔直径为Φ5.5mm； 与Z2FS10型双单向节流阀相通的螺钉孔直径为Φ6.7mm； 与DBW20-1-30/0型溢流阀相通的螺钉孔直径为Φ26mm Φ18mm； 与S-20型单向阀相通的螺钉孔直径为20mm； 与RG-06-C-22型减压阀相通的螺钉孔直径为Φ11mm； 4.2.2.2.3 起吊螺钉孔的直径

单个集成块质量在30Kg以上时，应按质量和强度确定螺钉孔的直径。由于本设计中集成块的质量较小，所以不用设置起吊螺钉孔。 4.2.2.2.4 油孔间壁厚及其校核

通油孔间的最小壁厚的推荐值不小于5mm。当系统压力高于6.3Mpa时，或孔间壁厚较小时，应进行强度校核，以防止系统在使用中被击穿。本设计最小壁厚大于5mm且压力也不高于6.3Mpa，所以不必校核。 4.2.2.3 中间块外形尺寸的确定

中间块用来安装液压阀，其高度H取决于所安装元件的高度。H通常应大于所安装的液压阀的高度，中间块的长度和宽度尺寸均应大于安装元件的尺寸，以便于设计集成块内的通油孔道时调整元件的位置。

一般长度方向调整尺寸为40～50mm，宽度方向为20～30mm。

通常每块上的元件不宜多于8个，块在三个尺度方向的最大尺寸不宜大于500 mm。

本设计由所选的阀最长为222 mm，最高为175 mm，又由安装位置，确定集成块为250 mm×200 mm×200 mm。 4.2.2.4 布置集成块上的液压元件 4.2.2.4.1 中间块上：本设计选四个中间块

第一个的正面和两个侧面上分别安装二位三通换向阀、单向阀和溢流阀。 第二个的正面安装三位四通换向阀，左侧面安装二位三通换向阀，右侧面安装两个单向节流阀，背面为与油缸的连接面。

第三个的正面安装电液换向阀，左侧面安装二位四通换向阀，右侧面安装两个双单向节流阀，背面为与油缸的连接面。

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