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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 26 頁 共 26 頁
目 錄
1 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2 鋼管管端成型機的總體方案論證與擬訂．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2.1 主機結(jié)構(gòu)方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2.2 液壓站結(jié)構(gòu)方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
3 液壓系統(tǒng)的功能原理,計算與設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
3.1 明確液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
3.2 動力分析和運動分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
3.3 計算主要參數(shù)，作出工況圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3.4 擬定液壓系統(tǒng)圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.5 元件選型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
4 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
4.1 油箱的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
4.2 中間集成塊組的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4.3 液壓泵組的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
4.4 管路的布置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
5 主機計算與設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
6 零件圖設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
結(jié)束語．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
1 緒論
鋼管管端成型主要是指將鋼管管端加工成杯狀、喇叭狀等異形，這一過程即脹管過程。脹管技術(shù)主要應(yīng)用于換熱器、冷凝器、高壓加熱器等設(shè)備制造中管子與管板的脹緊連接。目前國內(nèi)脹管法主要分為機械脹管、爆炸脹管、橡膠脹管、液壓脹管四種方法。爆炸脹管有時可以將管子炸裂并且爆炸聲較大，產(chǎn)生很大的噪音，橡膠脹管和液壓脹管是最新的脹管方法，生產(chǎn)效率很高，但是生產(chǎn)設(shè)備價格昂貴。基于以上考慮，本課題研究的鋼管管端成型機采用機械脹管的方法比較經(jīng)濟，并且機械脹管法比較普遍，容易實現(xiàn)工作要求，原理簡單易操作。
該機用于將鋼管管端加工成杯狀、喇叭狀，適用于批量生產(chǎn)，可以完成直徑為27～42mm鋼管的脹形加工，而且也可滿足其它材料管件的脹形加工。目前，國內(nèi)專門制造用于管端成型的通用機床比較少，大多數(shù)都是專用機床，生產(chǎn)效率比較高，但是靈活性小，對于不同管件的加工具有一定的局限性。因此，有必要設(shè)計這樣一種可以適應(yīng)不同管件脹形加工的通用機床，并且在不需要進行大批量生產(chǎn)的情況下，代替了小批量單件生產(chǎn)時的手工脹管，而且可以節(jié)省時間和生產(chǎn)消耗，提高單件的生產(chǎn)效率，及時滿足產(chǎn)品零部件的需要。因此本課題設(shè)計的這一產(chǎn)品具有較高的使用價值和普遍性。
該機由主機和液壓站構(gòu)成。
主機有兩個執(zhí)行器，均由液壓系統(tǒng)控制，它們是工作液壓缸和夾緊液壓缸，并分別固定在機座上。機座為焊接體，材料為HT200；工作液壓缸、芯軸和脹套構(gòu)成了脹管機構(gòu)；夾緊液壓缸和夾緊塊構(gòu)成了夾緊機構(gòu)。為了滿足不同規(guī)格管件的要求，芯軸、脹套和夾緊塊可以配套更換。由于生產(chǎn)周期較短，芯軸和脹套承受了較大的交變應(yīng)力，非常易于損壞，所以需要及時更換。
液壓站體積較小，因此放置在機座的下部，可以減少整臺機器的所占空間。液壓站由中間集成塊組和液壓動力源構(gòu)成，這兩者直接安裝在箱頂表面。液壓控制閥均安裝在集成塊組上，通過集成塊內(nèi)部的通油孔道來實現(xiàn)功能。集成塊通過管接頭與管道和執(zhí)行器連接。液壓動力源由電動機和液壓泵構(gòu)成，二者直接通過梅花形聯(lián)軸器連接，其軸的中心高可由電動機下的調(diào)整墊塊來實現(xiàn)。
該機結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，容易拆裝和搬運。一般的工廠都可以使用本機，減少生產(chǎn)消耗，提高生產(chǎn)效率，改善經(jīng)濟效益。
2 鋼管管端成型機的總體方案論證與擬訂
本課題為鋼管管端成型機的設(shè)計，用于將無縫鋼管管端加工為杯狀、喇叭狀等異型。該機由主機和液壓站組成。
2.1 主機結(jié)構(gòu)方案
機械脹管可分為前進式脹管法和后退式脹管法。前進式脹管法普遍應(yīng)用在低溫、低壓熱交換器的強度脹管，其適用范圍，設(shè)計壓力≤4MPa，脹桿和脹子的相對運行設(shè)計溫度≤300℃。后退式脹管法應(yīng)用在設(shè)計壓力≤9.8MPa，設(shè)計溫度≤400℃。本課題的設(shè)計壓力為8.3 MPa ，因此用后退式脹管法，又叫拉脹法。
主機結(jié)構(gòu)有臥式和立式兩種。由于本機采用拉脹法，若為立式則必定具有很大的高度，且設(shè)計時要考慮工作液壓缸的背壓問題，因此該機采用臥式結(jié)構(gòu)。這樣該機所占空間體積會明顯減小，且容易對其具體結(jié)構(gòu)進行布局，合理安排各機構(gòu)的位置，并可在其機座下留有一定的空間放置液壓站
由于拉脹法使工件承受的力主要是由軸向轉(zhuǎn)化為徑向的力，因此對于工件的軸向定位影響較小，不需要很大的夾緊力，這是拉脹法優(yōu)于前進式脹管法的明顯之處，但是也必須需要夾緊裝置將其固定。
圖 1 總體方案結(jié)構(gòu)圖
為提高機械效率，工作過程中盡量減少傳動機構(gòu)，以最簡單的方式將液壓缸活塞桿的軸向運動轉(zhuǎn)換為芯軸的軸向運動。由于液壓缸活塞桿端部直徑較大，芯軸體積較小，因此需要一個中間裝置將芯軸與活塞桿連接起來，并且使兩者的中心線保持在同一高度。夾緊裝置也由液壓缸控制其運動方式和運動時間。為滿足高的傳動效率，夾緊缸活塞桿中心線應(yīng)與工作缸活塞桿中心線相垂直且在同一平面內(nèi)。基于以上考慮，得到主機總體方案。(見圖1)
2.2 液壓站結(jié)構(gòu)方案
該機的液壓系統(tǒng)有兩個執(zhí)行器，即兩個液壓缸，一個作為工作缸，一個作為夾緊缸。其動作循環(huán)圖分別見圖2和圖3
圖2 工作缸動作循環(huán)圖
圖3 工作缸動作循環(huán)圖
液壓站通常由液壓動力源（泵站）、液壓控制裝置（閥站）、蓄能器架、電氣控制柜（箱）幾個獨立的部分組成。
由于本機結(jié)構(gòu)簡單，液壓原理也相對比較簡單，因此本機的液壓站只由液壓動力源（泵站）和液壓控制裝置（閥站）組成。
液壓動力源由電動機和液壓泵組成，液壓控制裝置是中間集成塊組，這兩部分都安裝在油箱頂面。液壓控制閥均安裝在中間集成塊上，通過中間集成塊內(nèi)部的油道孔實現(xiàn)閥的控制功能。中間集成塊與執(zhí)行器間用管接頭和管路連接。
3 液壓系統(tǒng)的功能原理,計算與設(shè)計
3.1 明確液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求
首先明確本設(shè)計中液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求，是我進行液壓系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點。本設(shè)計中，主機為臥式結(jié)構(gòu)，間歇式運轉(zhuǎn)，工作缸和夾緊缸需采用液壓傳動。對于工作缸，它采用拉脹法對工件管端端口進行脹形，并將液壓缸活塞桿的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)槊浱椎膹较驍U張；對于夾緊缸，采用立式安裝，通過前端法蘭與機架相連接，將活塞桿的直線運動傳遞給夾緊塊，使夾緊塊沿工件的徑向運動，從而實現(xiàn)對工件的夾緊與松開。整個生產(chǎn)過程中，工作循環(huán)較頻繁，生產(chǎn)周期很短。
3.2 動力分析和運動分析
3.2.1 脹形力的計算
脹形力由以下公式計算
P＝ (1)
式中 P—擴散管脹口力，N；
—擴散管坯料的屈服強度，MPa；
t—擴散管坯料厚度，mm；
d—脹口前擴散管坯料外徑，mm；
d—脹口前擴散管坯料內(nèi)徑，mm。
此處用最大脹管直徑來計算,可以得到最大脹形力,即d=42mm, d=40.5mm, t=1.5mm,將以上數(shù)值和=320MPa代入公式(1)得
P＝=61073 N
因此得到工作載荷,即F工=61073N。
3.2.2 載荷計算
(1) 計算作用在工作缸活塞上的總機械載荷F
F=F外載+F封 (2)
式中 F外載—活塞桿上所受外部載荷，N；
F封—密封處總摩擦力，N。
F外載=F工+F摩+F慣 (3)
式中 F工—沿活塞方向工作阻力，N；
F慣—啟動制動慣性力，N。
由于此鋼管管端成型機采用拉脹法，總體結(jié)構(gòu)中沒有導(dǎo)軌，因此F摩=0
F慣= (4)
式中 G—運動部件重量，N。
芯軸與脹套體積公式
(5)
取芯軸與脹套的長度l大概為300mm，并取d=40mm，將數(shù)值代入公式(5)得
=37.710-5m3
(6)
將鋼=8.0t/m3，V=37.710-5m3代入公式(6)得
=8.01039.837.710-5=29.6N
初取=3s,工進速度v=8mm/s,則=16mm/s,將以上數(shù)值及g＝9.8m/s2代入公式(4)得
F慣==0.016N
將F工=61073N，F(xiàn)慣=0.016 N， F摩=0代入公式(3)得
F外載=61073+0+0.016=61073.016N
F封 =P摩A工 (7)
本液壓系統(tǒng)中選用O型密封圈密封，工作壓力初選為8MPa<16 MPa ,查表選P摩=0.2MPa，并初選A工=8423mm2 ，則D＝125mm，由液壓缸徑D與活塞桿直徑d滿足d=0.6D，則d＝70mm，A2＝12272mm2，將以上數(shù)值代入公式(7)得
F封=0.2106842310-6=1685 N
將F封=1685 N和F外載=61073.016N代入公式(2)得
F=61073.016+1685=61873.015 N
綜上計算，可取F=61873 N。
(2) 計算作用在夾緊缸活塞上的總機械載荷F
由于該機工作時工件主要承受徑向載荷，因此夾緊力應(yīng)適當(dāng)取值。根據(jù)經(jīng)驗此處可取夾緊力為20000N，即外載F=20000 N。
上夾緊塊為鑄鐵件，其大致形狀及外形尺寸如圖2所示
圖4 上夾具塊外形尺寸圖
如圖2所示尺寸，可以得上夾具塊體積大概為
V=80404010-9=12.810-5 m3
將鑄鐵=7.25 t/m3 和V=12.810-5 m3代入公式(6)得
=7.251039.812.810-5=9.1 N
夾緊缸工作時，活塞桿伸出時的速度為v1=8.5mm/s, v2=12.4mm/s，則=20.9 mm/s，
其=4s,將以上數(shù)值代入公式(4)得
F慣=0.005N
夾緊缸工作壓力初選為4MPa<16 MPa，查表選P摩=0.2MPa，并初選A1=7854mm2，則D＝100mm，由液壓缸徑D與活塞桿直徑d滿足d=0.6D，則d＝56mm，A2＝5391mm2，
將F慣=0.005N和以上數(shù)值代入公式(7)得
F封=0.2106785410-6=1571N
3.3 計算主要參數(shù)，作出工況圖
(1) 工作缸
F工＝61073 N，F(xiàn)慣＝0.016 N，F(xiàn)封=1685 N，取機械效率η＝0.90，A工=8423 mm2 ，A2＝12272mm2，初定行程l＝12 mm，v1=8mm/s，v2=5mm/s
工作缸的外負(fù)載計算見表1
表1 工作缸的外負(fù)載計算
工作階段
計算公式
負(fù)載F/N
壓力MPa
流量L/min
功率W
時間s
計算公式
工進
啟動
F =F工+F慣+ F封
62578
8.3
4
55.3
0.1
,
等速
F =F封
1685
0.22
4
15
1.4
,
快退
啟動
F = F慣+F封
1685
0.15
4
10
0.1
,
等速
F = F封
1685
0.15
4
10
2.2
,
制動
F = F慣+F封
1685
0.15
4
10
0.1
,
由表中數(shù)據(jù)繪制出工作缸的工況圖，見圖5
圖5 工作缸工況圖
(2) 夾緊缸
F工＝20000 N，F(xiàn)夾＝9.1 N，F(xiàn)慣=0.005 N，F(xiàn)封=1571 N，取機械效率η＝0.90，A1=7584 mm2 ，A2＝5391mm2，初定行程l＝20 mm，v1=8.5mm/s，v2=12.4mm/s
夾緊缸的外負(fù)載公式見表2
表2 夾緊缸的外負(fù)載公式
工作階段
計算公式
負(fù)載F/N
壓力MPa
流量L/min
功率W
時間s
計算公式
工進
啟動
F =F慣+F封-F夾
1562
0.22
4
15
0.1
,
等速
F = F封-F夾
1562
0.22
4
15
2.5
,
保壓
F =F工+F封-F夾
21562
3.1
4
207
0.1
,
快退
啟動
F =F慣+F封-F夾
1562
0.32
4
77
0.1
,
等速
F = F封-F夾
1562
0.32
4
77
1.1
,
制動
F =F慣+F封-F夾
1562
0.32
4
77
0.1
,
由表中數(shù)據(jù)繪制出夾緊缸的工況圖，見圖6
圖6 夾緊缸工況圖
3.4 擬定液壓系統(tǒng)圖
圖7 鋼管管端成型機液壓原理圖
1—油箱；2—吸油過濾器；3—液壓泵；4—電動機；5—單向閥；6—減壓閥；
7—節(jié)流閥；8—電磁換向閥；9—液控單向閥；10—壓力繼電器；11—夾緊缸；
12—工作缸；13—電磁換向閥；14—節(jié)流閥；15—壓力表開關(guān)；16—溢流閥
3.5 元件選型
3.5.1 執(zhí)行器的確定
由前計算結(jié)果已經(jīng)知道，工作缸缸徑為125mm，活塞桿直徑為70mm；夾緊缸缸徑為100mm，活塞桿直徑為56mm。本液壓系統(tǒng)中，工作缸最大壓力8.3MPa，最大流量4L/min；夾緊缸最大壓力3.1MPa，最大流量4L/min。根據(jù)執(zhí)行器的最大壓力，均選輕型拉桿式液壓缸，工作缸采用軸向腳架與機座連接，型號為BLB1125B14R12D；夾緊缸采用桿側(cè)方法蘭與機架連接，型號為BFC1100B14R12D。
3.5.2 液壓泵的確定
(1) 管道系統(tǒng)壓力損失的計算
1) 沿程壓力損失的計算
沿程壓力損失用下式計算
(8)
式中 —沿程阻力系數(shù)；
l—管道長度，m；
—水力直徑，m；
—液體密度，m3/kg；
v—平均流速，m/s。
查《液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計》表2－6得
(9)
式中 Re—臨界雷諾數(shù)。
對于圓管，查《液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計》表2－4得Re＝2300，因此
＝0.03
圓截面管道dH等于管徑d，即dH＝d＝0.014m，l=0.06m，v=1.5m/s，液壓油密度＝0.9174103kg/m3 ，將以上數(shù)值代入公式(8)得
=133Pa＝0.000133MPa
2) 管道局部壓力損失
管道局部壓力損失可用下式計算
(10)
式中 —閥在額定流量下的壓力損失，Pa；
—閥的額定流量，L/min；
q—閥的實際流量，L/min。
查《液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計》表6－7得＝0.848 105Pa，qs＝10 L/min，q＝4 L/min，將以上數(shù)值代入公式(10)得
＝0.014 MPa
2) 總壓力損失∑
總壓力損失由公式
∑=+ (11)
得 ∑=0.000133+0.014＝0.014133 MPa
取∑=0.014 MPa。
(2) 液壓泵的最大工作壓力pp
pp≥∑+p1 (12)
式中 p1—最高工作壓力，MPa。
將∑=0.014 MPa與p1=8.3 MPa代入公式(12)得
pp≥0.014+8.3＝8.314MPa
(3) 液壓泵的最大流量
qp≥Kqmax， (13)
式中 K—系統(tǒng)泄漏系數(shù)；
qmax—系統(tǒng)最大流量，L/min。
將K＝1.1和qmax＝4 L/min得
qp≥1.14=4.4 L/min
(4) 液壓泵的規(guī)格
液壓泵的額定壓力要比pp高60％，即高于13.9 MPa，根據(jù)以上數(shù)值查機械設(shè)計手冊單行本《液壓傳動》表20－5－15，選定液壓泵CB－E1.51.6，排量為1.60mL/r，轉(zhuǎn)速為2000～3000r/min，容積效率取0.90，則1.6030000.90＝4.3 <4.4 L/min，因此選擇的齒輪泵滿足要求。
3.5.3 電動機的選擇
液壓泵的驅(qū)動功率由下式計算
(14)
查《液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計》表5－13，得＝0.90，將其與pp＝8.314MPa和qp=4.4 L/min代入公式(14)得
＝677W=0.677kW
查機械設(shè)計手冊單行本《減（變）速器·電機與電器》表16－1－28選Y系列三相異步電動機，型號Y802－2 JB/9616－1999，額定功率1.1kW，轉(zhuǎn)速2830 r/min，滿足
要求。
3.5.4 液壓控制閥及壓力繼電器等原件的選擇
該機的液壓系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速，而且是采用回油節(jié)流，由于夾緊缸工作時的壓力小于工作缸，因此需要用減壓閥調(diào)壓。先根據(jù)工作缸工作時的壓力和流量選擇主油路控制閥和工作缸油路的制閥，再根據(jù)夾緊缸工作時的壓力和流量選擇夾緊缸油路控制閥，見表3。
根據(jù)該液壓系統(tǒng)原理，所選壓力表開關(guān)、壓力繼電器和吸油過濾器如下：
壓力表開關(guān)型號AF6EP30110，壓力10 MPa，通徑6mm；
壓力繼電器型號HED20P15，壓力5 MPa；
吸油過濾器型號WU－16180，流量16 L/min，通徑12mm。
油箱自行設(shè)計。(見4.1節(jié)）
表3 液壓控制閥
名稱
溢流閥
單向閥
電磁換向閥
液控單向閥
減壓閥
節(jié)流閥
型號
DG-02-C-22
S10P120
4WE5E
SV10PB230
DR5DP10-10
LF3-E6B
流量（L/min）
16
10
15
－
15
25
壓力(MPa)
21
31.5
－
31.5
31.5
16
通徑（mm）
－
10
－
10
5
6
數(shù)量
1
1
2
1
1
2
由以上所選元件及液壓系統(tǒng)原理，得到該鋼管管端成型機液壓原理圖，見圖7
P1、P2、P3為三個測壓點。電磁鐵動作順序表見表4
液壓系統(tǒng)原理：
(1) 工作缸工進
1) 進油路 油箱1→吸油過濾器2→液壓泵3→單向閥5→電磁換向閥13(左位) →
表4 電磁鐵動作順序表
工況
1YA
2YA
3YA
4YA
缸14工進
+
-
-
-
缸14保壓
-
-
-
-
缸15工進
-
-
+
-
缸15快退
-
-
-
+
缸14快退
-
+
-
-
說明：通電：+ 斷電：-
液壓缸12(左腔)。
2) 回油路 液壓缸12(右腔)→電磁換向閥13(左位) →節(jié)流閥14→油箱1。
(2) 工作缸快退
1) 進油路 油箱1→吸油過濾器2→液壓泵3→單向閥5→電磁換向閥13(右位) →液壓缸12(右腔)。
2) 回油路 液壓缸12(左腔)→電磁換向閥13(右位) →節(jié)流閥14→油箱1。
(3) 夾緊缸工進
1) 進油路 油箱1→吸油過濾器2→液壓泵3→單向閥5→減壓閥6→電磁換向閥8(左位) →液控單向閥9→液壓缸11(上腔)。
2) 回油路 液壓缸11(下腔)→電磁換向閥8(左位) →節(jié)流閥7→油箱1。
(4) 夾緊缸快退
1) 進油路 油箱1→吸油過濾器2→液壓泵3→單向閥5→減壓閥6→電磁換向閥8(右位) →液控單向閥9→液壓缸11(下腔)。
2) 回油路 液壓缸11(上腔)→電磁換向閥8(右位) →節(jié)流閥7→油箱1。
4 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 油箱的設(shè)計
4.1.1 油箱的作用
油箱具有存儲液壓油液，散發(fā)油液熱量，逸出空氣，沉淀雜質(zhì)，分離水分和安裝元件等作用。
4.1.2 油箱容量的計算
油箱的容量可按下式計算
(17)式中 V—油箱的有效容積，L；
—液壓泵的總額定流量，L/min；
—與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。
此液壓系統(tǒng)為低中壓系統(tǒng)，可取5～7，取較大值可使系統(tǒng)更加安全，因此取=7，液壓泵的總額定流量為4.8 L/min，將以上數(shù)值代入公式(17)得
=33.6L
該設(shè)計中，油箱為開式的獨立油箱，且形狀為矩形。由于該機工作循環(huán)比較頻繁，間隔時間較少，因此需要將油箱設(shè)計的大些以散發(fā)熱量，所以油箱的長、寬、高為600mm、348mm、460mm,其容積為600348460=96L。
4.1.3 液壓系統(tǒng)效率η和油箱散熱量H0計算
(1) 液壓系統(tǒng)效率η由下式估算
(18)
式中 —液壓泵的總效率；
—液壓回路的效率；
—液壓執(zhí)行器的總效率。
查機械設(shè)計手冊單行本《液壓傳動》表20－5－15，得ηP=0.90，ηA可取0.90，ηC可取0.95，將以上數(shù)值代入公式(18)，得
η=0.900.900.90=0.729
(2) 油箱散熱量可按下式計算
(19)式中 —散熱系數(shù)，Ｗ/(m·℃)；
—油箱散熱面積，m2；
—系統(tǒng)溫升，℃。
此油箱是密封的，因此取K=8，A=(600+348+460) 2=2816mm2, 取=35℃，將以上數(shù)值代入公式(19)得
=8281610-635=0.79Ｗ/(m·℃)
4.1.4 油箱的設(shè)計
該油箱為可拆式結(jié)構(gòu)，箱頂除與電動機齒輪泵和集成塊組箱連接外，還安裝有空氣過濾器，這里選網(wǎng)式過濾器，型號為WU—16180。油箱側(cè)壁設(shè)置有液位計、清洗孔和放油螺塞。液位計比較靠近注油口，這是因為注油時可以方便地觀測液位。此處選用的液位計型號為YWZ—80T，清洗孔由法蘭蓋板蓋住并密封，法蘭蓋板型號為YG—250,放油螺塞型號為GB/T 5782—2000，箱底支腳由箱壁彎曲而成，并設(shè)有地腳螺栓孔。箱底傾斜度為1/20，吸油口設(shè)置在靠近箱底的一側(cè)，以提高吸油效率。吸油口通過吸油過濾器直接從郵箱中吸油。箱底設(shè)置有隔板，將吸油區(qū)與回油區(qū)隔開，以延長油液在油箱中逗留的時間，促進油液在油箱中的環(huán)流，更好發(fā)揮郵箱的散熱、除氣、沉淀等功能，隔板高度為200mm。該油箱體積較小，不需設(shè)置吊耳。
4.2 中間集成塊組的設(shè)計
4.2.1 塊式集成的結(jié)構(gòu)及特點
塊式集成是按典型液壓系統(tǒng)的各種基本回路，做成通用化的六面體油路塊，通常其四周除一面安裝通向液壓執(zhí)行器的管接頭外，其余三面安裝標(biāo)準(zhǔn)的板式液壓閥及少量疊加閥或插裝閥，這些液壓閥之間的油路聯(lián)系由油路塊內(nèi)部的通道孔實現(xiàn)，塊的上下兩面為塊間疊積結(jié)合面，布有由下向上貫穿通道體的公用壓力油孔P回油孔O泄露油孔L及塊間連接螺栓孔，多個回路塊疊積在一起，通過4只長螺栓緊固后，各塊之間的油路聯(lián)系通過公用油孔來實現(xiàn)。
塊式集成的特點如下：
(1) 將適當(dāng)?shù)幕芈穳K疊積于一體，簡化了設(shè)計工作
(2) 由于整個液壓系統(tǒng)由不同功能的單元回路塊組成，當(dāng)需要更改系統(tǒng)增減元件時，只需更換或增減單元回路塊即可實現(xiàn)，所以設(shè)計時靈活性大，更改方便。
(3) 集成塊主要是6個平面及各種孔的加工，與油路板相比，集成塊尺寸要小的多，因此平面和孔道的加工比較容易。便于組織專業(yè)化生產(chǎn)和降低成本。
(4) 由于液壓系統(tǒng)的多數(shù)油路等效成了集成塊內(nèi)的通油孔道，所以大大減少了整個液壓裝置的管路和管接頭數(shù)量，使得整個液壓控制裝置結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，外形整齊美觀，便于裝配維護，系統(tǒng)運行時泄露少，穩(wěn)定性好
(5) 由于實現(xiàn)各控制閥之間油路聯(lián)系的孔道的直徑較大且長度短，所以系統(tǒng)運行時，壓力損失小，發(fā)熱少，效率較高。
基于以上優(yōu)點，因此選擇塊式集成作為閥站的實現(xiàn)方法。
4.2.2 中間集成塊組的設(shè)計
圖8 集成塊單元回路圖
為設(shè)計中間集成塊組，首先將鋼管管端成型機的液壓原理圖轉(zhuǎn)換為集成塊組的單元回路圖，見圖8
根據(jù)以上單元回路圖此集成塊組由三個中間集成塊組成，其中，中間集成塊1的三個側(cè)面分別安裝單向閥、溢流閥和節(jié)流閥，另一個側(cè)面安裝與泵的出口相通的管接頭。中間集成塊2的三個側(cè)面分別安裝節(jié)流閥、減壓閥和三位四通電磁換向閥，另一個側(cè)面安裝與工作缸兩腔相通的管接頭。中間集成塊3的兩個側(cè)面分別安裝液控單向閥和三位四通電磁換向閥，另外一個側(cè)面安裝與夾緊缸兩腔相通的管接頭。壓力繼電器可以通過一個三通管接頭與控制點連接，壓力表開關(guān)安裝在一個自制的支架上并固定在油箱頂上，通過管接頭和管子與中間集成塊組中有測壓點油路的油孔相連。中件集成塊間通過螺柱連接，選用O型橡膠密封圈密封，并用螺栓將中間集成塊1與箱頂固定。
集成塊體的公用油道孔有二孔、三孔、四孔和五孔等多種設(shè)計方案，我采用三孔方案，即在集成塊上分別設(shè)置壓力油孔P、回油孔O和泄油孔L共三個公用孔道，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，公用油道孔數(shù)較少，但是由于其設(shè)置了泄油孔，因此工藝孔較多。
設(shè)計中間集成塊最好可以選用已有的多種集成塊系列及其單元回路，但是根據(jù)本課題的具體情況，需要自行設(shè)計中間集成塊組。
(1) 確定通油孔道的直徑
與閥油口相通的孔道
1) 由于本機液壓系統(tǒng)所需的各控制閥已經(jīng)選出，因此，中間集成塊上與閥的油口相通孔道的直徑就被確定，即與液壓閥的油口直徑相同。
2) 與管接頭相連接的孔道
根據(jù)公式 (15)
① 壓力油孔
查表1－15 油管中的允許流速，取v＝0.5m/s，將其與q=4L/min代入公式(15)得
＝0.013 m＝13mm
② 回油孔
查表1－15 油管中的允許流速，取v＝1.5m/s，將其與q=4L/min代入公式(15)得
＝0.006 m＝6mm
③ 泄油孔
根據(jù)經(jīng)驗確定，低中壓系統(tǒng)中可取d＝6mm
綜上，可取壓力油孔d＝12mm，回油孔d＝6mm，泄油孔d＝6mm。
(2) 連接孔的直徑
1) 固定液壓閥的定位銷孔直徑和螺釘孔直徑分別與選定液壓閥的定位銷直徑及配合要求、螺釘孔的螺紋直徑相同。
2) 連接集成塊組的螺栓規(guī)格類比低壓系統(tǒng)系列集成塊的連接螺栓得，d=M10。此處選用螺柱GB/T 901 M4300，并選用內(nèi)六角頭螺釘與郵箱箱頂連接，其型號為螺釘GB/T 70.1 M1425。
3)油孔間壁厚及其校核
油孔間壁厚按公式(16)進行校核
(16)
式中 v—油管中允許流速，m/s；
d—油管內(nèi)徑，mm；
—油管壁厚，mm；
p—管內(nèi)最高工作壓力，MPa；
—管材抗拉強度，MPa；
n—安全系數(shù)。
查《液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計》表1－15，得n=1.5，p=8.3 MPa，dmax=12mm，由于此系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，因此中間集成塊的材料選用HT200，其=250 MPa，將以上數(shù)值代入公式(16)得
=0.29
本設(shè)計中塊間孔道尺寸最小為5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.29mm，因此強度足夠。
4) 中間集成塊的外形尺寸
中間集成塊的外形尺寸大于安放元件的尺寸，為避免使塊的外形尺寸和重量過大，調(diào)整尺寸為20mm，考慮到孔徑大小及其最小壁厚以及外形、重量等因素，最終中間集成塊2的長、寬、高分別為180mm、120mm、120mm, 中間集成塊3的長、寬、高分別為180mm、120mm、120mm,由于中間集成塊1要與箱頂連接，因此其多出了兩個寬度為35mm、高度為30mm的連接凸臺，其高度為120 mm，寬度為120 mm。
4) 液壓閥的布置
安裝閥的時候盡量使在同一個塊上的閥的進出油孔道不在同一平面，以防止加工孔的時候孔道干涉，還有一個問題就是在塊上的閥與相連接的管接頭的干涉問題，在設(shè)計的時候已在各孔道處留有安裝余量。由于此液壓系統(tǒng)有三個測壓點，所以選擇六點型的壓力表開關(guān)，并將其安裝在一個支架上，支架固定在箱頂。壓力繼電器安裝在一個與塊連接的三通管接頭的一端，另一端與執(zhí)行器連接。塊上除安裝液壓閥外，還打有通過管接頭與執(zhí)行器相連接的孔道。
4.3 液壓泵組的結(jié)構(gòu)設(shè)計
電動機和液壓泵采用臥式安裝，兩者直接通過梅花形連軸器連接。泵軸與電機軸嚴(yán)格對中，實現(xiàn)這一要求的結(jié)構(gòu)是電動機安裝在一墊塊上，可以調(diào)整電機軸的中心高，從而調(diào)整電機軸與泵軸的同軸度。液壓泵安裝在一支架上，連軸器靠緊在支架上，實現(xiàn)了軸向定位。
4.4 管路的布置
在4.1.2節(jié)已計算過最小管徑和最小壁厚。本液壓站的管路中一律采用焊接式管接頭，這樣可以在滿足設(shè)計要求的同時大大節(jié)省生產(chǎn)成本。管件采用無縫鋼管和直角焊接接管，材料均為10號鋼，結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝和拆卸。泵的出口與集成塊組間的連接選用軟管，這樣可以使集成塊組和泵的位置之間沒有太大的限制。
5 主機計算與設(shè)計
主機動力分析見3.2節(jié)。
主機工作過程中，主要承受軸向力并最有可能損壞的是芯軸，現(xiàn)對芯軸進行校核。芯軸零件圖如圖9所示
圖9 芯軸
由3.2節(jié)已計算出芯軸承受軸向力F=61073N,如圖9中所示，危險截面為A截面，其應(yīng)力σ可按下式計算
(17)
其中A=π×(112-7.52)=203mm2,將數(shù)值代入公式(17)得
=301MPa
芯軸材料為40Cr，查機械設(shè)計手冊單行本《常用工程材料》表3－1－9，得其強度極限 σb=570 MPa，因此A截面應(yīng)力σ<σb，強度滿足要求。
主機由脹形機構(gòu)、夾緊機構(gòu)和機座構(gòu)成。
脹形機構(gòu)由芯軸、脹套、工作液壓缸、連接體和脹套的支撐體構(gòu)成。工作液壓缸安裝在機座的凸臺上，支撐體與機座間有墊片，以調(diào)整芯軸和工作缸活塞桿的中心高。連接體和液壓缸活塞桿螺紋部分設(shè)置有調(diào)整螺母，以達(dá)到軸向定位的作用。
夾緊機構(gòu)由夾緊塊、夾緊缸和支架構(gòu)成。夾緊缸安裝在支架上。夾緊塊分為上夾緊塊和下夾緊塊，上夾緊塊與夾緊缸的活塞桿連接，并設(shè)置有調(diào)整螺母，以實現(xiàn)軸向和徑向的定位作用。下夾緊塊安裝在機座的凸臺上，中間有墊塊，以調(diào)整夾緊塊、芯軸、工作缸活塞桿的中心高。
機座采用HT200鑄出，經(jīng)過時效處理，消除內(nèi)部應(yīng)力，機座下部為放置液壓站留有空間，并設(shè)置有地腳螺栓孔，用來和地面連接。
6 零件圖設(shè)計
圖10 夾緊塊
1—上夾緊塊；2—下夾緊塊
夾緊塊外形如圖10所示:
上、下夾緊塊抱緊工件實現(xiàn)對工件的軸向和徑向定位。上夾緊塊較下夾緊塊短，可以節(jié)省材料，減小夾緊缸活塞桿承受的慣性力。裝夾工件時，鋼管可以順著下夾緊塊滑到脹套的外徑，方便省事，提高生產(chǎn)效率。下夾緊塊較長，可以更好的適應(yīng)加工工件長度的變化。
圖11 支撐體
支撐體如圖11所示:
脹套穿過支撐體，同連接體相連，外端的凸緣靠在支撐體上實現(xiàn)軸向定位。支撐體通過內(nèi)六角頭螺釘與機座相連，底部有墊片，以調(diào)整脹套、芯軸與工作缸活塞桿的中心高。
連接體外形如圖12所示:
圖12 連接體
連接體左端的螺紋部分與芯軸的內(nèi)螺紋孔相連接，右端螺紋孔同工作缸活塞桿螺紋部分連接，并通過調(diào)整螺母實現(xiàn)軸向定位。
機座外形如圖13所示:
圖13 機座
1—凸臺；2—凸臺；3—凸臺
下夾緊塊安裝在凸臺1上，工作液壓缸為軸向底座安裝形式，兩底座分別與凸臺2和凸臺3相連接。凸臺2和凸臺3的間距與工作液壓缸底座間距相同。機座下部安置液壓站。
結(jié) 束 語
本課題研究設(shè)計的是一種具有一定發(fā)展前景的鋼管管端成型機，該機用于將無縫鋼管管端加工成杯狀、喇叭狀等異形，可以完成直徑為Φ27～Φ42mm無縫鋼管管端的脹形加工，也可用于其它材料管件的脹形加工。
目前，國內(nèi)專門制造用于管端成型的通用機床比較少，大多數(shù)都是專用機床，生產(chǎn)效率比較高，但是靈活性小，對于不同管件的加工具有一定的局限性。本機是一種可以適應(yīng)不同管件脹形加工的通用機床，并且在不需要進行大批量生產(chǎn)的情況下，代替了小批量單件生產(chǎn)時的手工脹管，而且可以節(jié)省時間和生產(chǎn)消耗，提高單件的生產(chǎn)效率，及時滿足產(chǎn)品零部件的需要。
此次設(shè)計根據(jù)四種不同原理的脹管方法制定了一套解決方案，并對本機的總體方案進行論證與擬定，從而對其進行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時對本機的液壓系統(tǒng)進行設(shè)計。首先通過計算，確定本機執(zhí)行器所受外載，計算出執(zhí)行器的相關(guān)參數(shù)并對其選型，繼而對驅(qū)動電機和泵進行選型。選定液壓系統(tǒng)中的控制閥和輔件后，繪制出本機的液壓系統(tǒng)原理圖，并將其轉(zhuǎn)化為集成塊單元回路圖，根據(jù)此圖對集成塊組進行設(shè)計。最后對液壓泵
組和油箱進行設(shè)計，并合適的布置管路，即對液壓站進行設(shè)計。
由于本機的工作循環(huán)周期較短，運動方向變化頻繁，使本機所承受的交變應(yīng)力較明顯，因此對于本機工作部分的強度要求較高。另外，本機是半自動化的，生產(chǎn)效率相對于全自動化會很低，因此有待設(shè)計一種生產(chǎn)效率可以更高的全自動化的管端成型機。
致 謝
緊張充實的畢業(yè)設(shè)計伴隨著我走過了大學(xué)的畢業(yè)生活，在這里非常感謝張利平老師在我即將面向新環(huán)境的時候給我敲響了警鐘，指明了我前進的方向，改變了我一生的生活態(tài)度。從張老師這里，我既學(xué)會了對待科學(xué)一絲不茍的作風(fēng)，又鍛煉了自己的意志，明白了什么才是走上社會所需要的真才實干。
我還要感謝和我一起走過這畢業(yè)生活的同組同學(xué)，正是我們彼此幫助，互相友愛，才使我們共同前進。
還有就是要感謝大學(xué)四年中辛苦育人的老師們，祝你們身體健康，萬事如意！
參 考 文 獻
1 張利平.液壓站設(shè)計與使用.北京：海洋出版社，2004
2 張利平等.液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1997
3 張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005
4 張利平.現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用220例.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004
5 張利平.液壓站設(shè)計與使用.北京：海洋出版社，2004
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7 成大先.機械設(shè)計手冊單行本（液壓傳動）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004
8 成大先.機械設(shè)計手冊單行本（潤滑與密封）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004
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11 成大先.機械設(shè)計手冊單行本（機械制圖·極限與配合）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004
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