冷拔钢管材质及用途介绍

冷拔钢管是用于机械结构、液压设备的尺寸精度高和表面光洁度好的精密冷拔无缝管。选用精密无缝管制造机械结构或液压设备等，可以大大节约机械加工工时，提高材料利用率，同时有利于提高产品质量。优质碳素结构钢冷拨无缝管，主要用10、20号钢制造，除保证化学成分和机械性能外要做水压试验，卷边、扩口、压扁等试验。

§9.2 液压系统设计计算举例 题目：设计一卧式单面多轴钻镗组合机床动力滑台液压系统。要求：动力滑台的工作循环是：快进-工进-快退-停止。液压系统的主参数与性能要求如下：采用水平放置的平导轨，动力滑台可随时在任意位置停止。技术参数如下：静摩擦系数；动摩擦系数；工进速度；移动部件总重10000N；快进、快退速度；切削力；工进行程；快进行程；加、减速时间。设计：一、工况分析 1、运动分析根据设计要求，本例的运动循环图如图9.2-1所示，其中图9.2-1（a）为工作循环图，图9.2-1（b）为速度循环图。2、负载分析因导轨为水平放置，若不考虑切削力引起的倾覆力矩对导轨摩擦力的影响，需要考虑的机构负载为：静摩擦力：动摩擦力：惯性力：取液压缸的机械效率，可以计算出液压缸在工作循环内各运动阶段的负载如表9.2-1所示。表9.2-1 液压缸各运动阶段负载表 动阶段计算公式总机构负载/N起动2222加速1376快进1111工进28889快退1111据已知结果可以画出如图9.2-2所示的负载循环图。二、确定液压执行元件主参数 1、初选液压缸工作压力根据表9.2-2初选液压缸工作压力为4MPa，根据表9.2-3初选液压缸背压P2为0.6MPa。表9.2-2 各类设备常用的工作压力 设备类型机床农业机械、小型工程机械液压机、重型机械、起重运输机械磨床组合机床车床铣床齿轮加工机床拉床龙门刨床工作压力/MPa≤23～52～4<6.3<1010～1620～32表9.2-3 执行元件参考背压 系统类型油路结构背压/MPa中、低压系统简单的系统和一般轻载的节流调速系统0.2～0.5中、高压系统回油路带调速阀的调速回路0.5～0.8高压系统回油路带背压阀0.5～1.5 采用带补油泵的闭式回路0.8～1.5 同上比中低压系统高50%～100% 如锻压机械等 2、液压缸主参数确定为简单方便决定采用单杆活塞式液压缸，初步决定选用差动快进回路。由于要求快进快退速度相等，所以取：由表9.2-1知液压缸的最大负载发生在工进阶段，据此来计算液压缸内径。可得：查表9.2-4、表9.2-5，圆整为标准直径D=100mm，d=70mm。表9.2-4 液压缸内径系列（GB2348-80） 810121620253240506380（90）100（110）125（140）（160）（180）200250320400500630 表9.2-5 活塞杆直径系列（GB2348-80） 4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003、液压系统工况分析根据标准直径，可得出液压缸的有效面积为：根据液压缸运动循环图和负载循歪图以及上面算出的液压缸有效面积A1，A2，可算出液压缸各个工作阶段的压力、流量、功率。计算结果见表9.2-6。表9.2-6 液压缸工况表 工作阶段负载进油压力回油压力所需流量输入功率F/NP1/MPaP2/MPaq/（L·min–1）P/（kW）差动快进11110.921.4213.440.206工进288893.990.60.390.026快退11111.450.614.040.339注：取差动快进时油液从有杆腔流到无杆腔的压力损失。据上表可以画出液压缸工况图，如图9.2-3所示p-t、q-t、P-t。三、拟订液压系统原理图 1、基本回路选择（1）调速回路从液压缸的工况分析可以看出，本例属于小功率系统，且对于低速性能要求较高，为此采用调速阀进油路节流调速。为防止孔钻通时工作台前冲及增加运动平稳性，在回油路上设背压阀。由于是节流调速，采用开式回路。（2）供油方式本例快进与工进速比达3.5/0.05=70，若采用单个定量泵供油，则工进时溢流损失过大，系统效率必然低下，采用限压式变量泵或双泵供油比较合理。考虑到双泵供油噪声小，寿命长，成本低，决定选用双泵供油方式。（3）快速回路因为设计要求快进快退速度相等，为使结构简单，并尽量减小油泵的流量，同时采用差动连接和双泵供油两种快速回路来实现快进。参见表9.2-7。表9.2-7 电磁铁动作表 1YA2YA行程阀4快进+--工进+-+快退-+±原位---（4）速度换接回路由于快进转工进时速度变化很大，为使速度转换平稳，防止冲击和振动，选用二位二通机动换向阀来实现快进和工进的转换。利用二位二通机动换向阀通断前后系统压力的变化控制液控顺序阀来切断差动回路，二位二通机动换向阀的通断由工作台上的撞块控制。（5）换向回路本例的快退速度很大，为使换向平稳，采用电液换向阀换向回路，因为是差动快进，选用三位五通电流液换向阀，以获得不同的回油方式。为防止换向失灵损坏设备，采用死挡铁和压力继电器配合实现换向返回，同时增加单向阀6以提供快退时的回油通道。2、液压系统合成将上面所选定的基本回路组合起来，增添隔离差动回路的单向阀7，防止停机时空气侵入系统的单向阀2等，即可组成如图9.2-4所示系统。为了测量小泵溢流阀、大泵卸荷阀、背压阀及液压缸进口处的工作压力，设置p1，p2，p3三个测压点，并选用多路压力表开关，使只用一个压力表就能测量各点压力。四、液压元件选择计算 1、液压泵选择取系统泄漏系数，沿程总压力损失，调速阀压降0.5MPa，可得泵的工作压力与流量如表9.2-8所示。表9.2-8 液压泵工作压力与流量表 工作阶段计算公式溢流阀溢流量/（L·min-1）液压泵输出压力/MPa溢流阀溢流量/（L·min-1）差动快进01.4215.46工进34.993.45快退01.9516.15（注：取溢流阀的最小溢流量为：；p1可以从表9.2-6查到）由表9.2-8可知：（1）快进、快退时大小泵同时供油：工进时小泵单独供油：（2）取溢流阀调整压力比泵的工作压力高0.5MPa，则小泵溢流阀调整压力为：大泵卸荷阀调整压力应大于快退压力，即：取压力储备为25%，则小泵的额定压力为：根据上述讨论查产品样本，选定液压泵型号为YB1-4/16；额定压力6.3MPa；额定转速960r/min；容积效率；双泵总效率，则：小泵额定流量为：大泵额定流量为：大小泵流量和为：能够满足快进、快退要求。2、电动机选择首先分别计算各工作阶段的电机功率。（1）快进阶段快进阶段为大小泵同时供油，有：（2）工进阶段工进阶段为小泵供油，大泵卸荷。取大泵卸荷压力为，有：（3）快退阶段快退阶段为大小泵同时供油，有：由于总功率不大，按最大功率选择电机。查产品样本，选用型号为Y90S-6的电机。额定功率0.75kW，额定转速960r/min，满足要求。3、液压元件选择根据各液压元件在工作中的最高压力和最大流量，可以选定各元件的规格型号。为统一起见，本例所有阀的额定压力都选6.3MPa，额定流量则根据各元件的最大流量选定。由于快退时三位五通换向阀的流量为泵流量的两倍，达17.3×2L/min=34.6L/min，若选用25L/m的规格，压力损失过大，故选用63L/m规格，其余阀的选用与类似。由于本系统决定采用集成块配置，故全部选用板式元件。选择结果见表9.2-9。表9.2-9 液压元件明细表 序号元件名称最大流量/（L·min–1）型号规格额定流量/（L·min–1）额定压力/MPa额定压降/MPa1双联叶片泵17.3YB1-4/1613.86.3—2单向阀17.3I-25B256.3<0.23三位五通电液阀34.635DY-63BY636.3<0.34二位二通行程阀34.622C-63B636.3<0.255调速阀0.39Q-10B0.0506.3<0.36单向阀34.6I-63B636.3<0.27单向阀14.04I-25B256.3<0.28顺序阀0.20XY-10B106.3<0.29背压阀0.20B-10B106.3—10溢流阀13.8Y1–25B256.3<0.211单向阀13.8I-25B256.3<0.212益流阀3.46Y1–10B106.3—13滤油器17.3XU-B32×100326.30.3～0.614压力表开关—K–6B—6.3—15压力继电器—DP1–63B—6.3—4、油管选择因为采用集成块配置，内油路由集成块内的孔道实现，只须根据液压阀连接油口尺寸决定钻孔直径。集成块与液压缸间的外油管根据最大流量计算如下：取油液许用流速，可得：查产品样本，选用内径15mm，外径19mm的10号冷拔钢管，壁厚。查材料手册，取10号钢许用应力为，以溢流阀的调整压力作为油管的工作压力，则强度条件为：因为，故强度够。5、油箱容积确定本系统为中低压系统，因此取油箱容积V为额定流量的6倍，则：五、验算液压系统性能 1、压力损失验算因为快退时，油管中油液的流量最大，故只需验算快退时的压力损失。（1）管内雷诺数计算管内液压油的流速：进油路流速：回油路流速：拟选用HL-32普通液压油，设环境温度为25℃。从产品手册查得油的运动粘度为，则：进油路雷诺数为：回油路雷诺数为：进回油路的雷诺数都小于临界值2300，可见管内为层流。（2）油程总压力损失计算因为层流时的压力损失为，取，进回油管长度皆为2m，油的密度，则沿程压力损失为：进油路：回油路：（3）集成块内总压力损失集成块内管路较短，可视为局部损失，很难准确计算。根据经验设进、回油路在集成块内的压力损失相同，其估计值为：（4）阀类元件局部损失快退时有关各阀的局部损失计算结果见表9.2-10。表9.10 阀类元件局部压力损失 元件名称计算公式实际流量/（L·min–1）额定流量/（L·min–1）额定压降/MPa实际压降/MPa单向阀217.3250.20.096三位五通电液阀34.6630.30.090二位二通机动阀34.6630.250.075单向阀634.6630.20.060单向阀1113.820.20.061由图9.2-4可知，快退时进油路经过的元件号是11，2，3，回油路经过的元件号是4（或6），3。由此可得进油路阀类元件局部总损失为：回油路阀类元件总损失为：（5）总压力损失进油路：回油路：进油的总压力损失小于估计值0.5MPa，回油路压力损失略大于0.5MPa，仍在允许范围内，说明设计计算合理。2、液压系统效率验算（1）本系统以液压缸为执行元件，故系统的总效率应等于液压缸输出机械功率与电机输出功率之比，由此可得各阶段系统总效率，如表9.2-11所示。表9.2-11 各工件阶段液压系统总效率 工作阶段液压缸负载/N液压缸速度/（m·min–1）液压缸输出功率/kW电动机功率/kW系统总功率/%快进11113.50.0650.54112工进288890.050.0240.5144.7快退11113.50.0650.7498.6从表可知系统总效率很低，但对于小功率系统还是允许的。（2）热平衡验算由于在整个工作过程中工进时间占到了总周期的99%，且此时效率最低，故发热主要是工进阶段造成的，按工进状态验算系统的热平衡。根据表9.2-11，工进时的总发热功率为：已选定油箱的容积为100L，由式（9.41）得油箱的近似散热面积为：假定通风良好，取油箱散热系数为K=15W/（m2·℃），有：℃设环境温度为25℃，则热平衡温度为：=（25+23.3）℃=48.3℃对一般机床可取 =55℃。因为，故热平衡满足要求。

这个Yb231是无缝钢管的执行标准的一种，但并不是冷拔无缝钢管的，GB/T3639才是冷拔钢管的执行标准。所以并不能代表是什么钢号不过一般冷拔的话10#

20#

45#

16mn

25mn

27simn

一般常见的就这几种。有不了解的可以上www.jld66.com咨询哦

若欲获得尺寸更小和质量更好的无缝管，必须采用冷轧、冷拔或者两者联合的方法。冷轧通常在二辊式轧机上进行，钢管在变断面圆孔槽和不动的锥形顶头所组成的环形孔型中轧制。冷拔通常在0.5～100T的单链式或双链式冷拔机上进行。

3.2液压机液压系统的设计过程

3.2.1 工况分析

⑴ 运动分析

液压机的工作循环一般包括停止，充液行程，工作行程及回程。

当液压缸的上腔通有高压液体时，实现活动横梁空程向下的充液行程，直到上模接触工件时，液压缸上腔的压强减小，活动横梁减速，以减小振动和撞击。

充液行程结束以后，从高压泵来的高压液体进入液压缸上腔并作用与柱塞上，通过活动横梁对工件进行压力加工。

工作行程结束以后，上腔进水阀关闭，高压液体充入下腔，推动活动横梁向上运动，实现回程。

当活动横梁上行到停止位置时，下腔进水阀关闭，活动横梁由封闭在下腔内的液体所支撑，可以停在行程中的任意位置。

3.2.2 拟定液压系统原理图

⑴ 基本回路的选择

1) 调速回路

调速方式一般有三种：节流调速，容积调速和容积节流调速。

调速方式 使用系统 系统效率 系统特性 经济性

节流调速 小功率系统 低 用调速阀 好 成本低

容积调速 大功率系统 较高 较好 差，成本较高

容积节流调速 中等功率系统 高 较好 较好，成本低

（表3-1）

从液压缸的工作工况分析看出，本设计系统属于中型功率系统，且对低速要求较高，为此采用调速阀进油路容积节流调速。为防止冲压时工作台前冲及增加运动平稳性，在油路上设背压阀。

2）油路循环形式选择

油路的循环形式主要取决于液压系统的调速方式。一般来说，节流调速和容积节流调速均采用开式油路系统，容积调速则采用闭式油路系统。

本次设计中由于选用溶积节流调速，所以应采用开式油路系统。

3)油源形式的选择

油源形式主要依据系统压力，调速方式，系统效率，防止多缸干扰和经济性等条件决定。

考虑到液压机的压力较大，若采用单个定量泵供油，则工作时溢流损失过大，系统效率必然下降，采用限压式变量泵或双泵供油比较合理。考虑双泵供油噪音小，寿命长，成本低，决定选用双泵供油方式。

4）压力控制方式的选择

压力控制方式的选择主要取决于液压系统的调速方式。在节流调速系统时，采用调压回路；在容积调速和容积节流调速系统中采用限压回路。

本设计中由于采用容积节流调速，所以采用限压回路。

5)速度换接回路

由于快进时速度变化很大，为使速度转换平稳，为防止冲劲和振动，选用二位二通机动换向阀来实现快进和工进的转换。利用机动换向阀通断前后系统压力的变化控制顺序阀来切断差动回路，二位二通机动换向阀的通断有工作台上的 撞块来控制。

5)换向回路

本设计的快退速度很大，为使换向平稳，采用电液换向阀换向回路，因为是差动快进，选用三位四通电液换向阀，以获得不同的回油方式。为防止换向失灵损坏设备，采用死档铁和压力继电器配合实现换向返回，同时增加单向阀6以提供快退时的回油通道。

⑵ 液压系统合成

将上面所选的基本回路组和起来，即可组成如图3-1所示系统。

3.2.3 液压元件选择计算

1． 计算液压缸的外负载

液压缸的外负载包括工作负载，摩擦负载和惯性负载，由本次设计的给定的参数来看，选择液压缸的外负载为F=315t=3.087MN

2． 确定液压系统的工作压力

系统的工作压力一般按机器设备的功率大小选择。小功率（＜15KW）的工作压力可选6.3—7.0MPa， 大功率可选7.0—31.5MPa，参考机械常用系统压力表29-8，结合国内同类液压机的使用情况，选取系统的工作压力（即液压缸的工作压力）为P1=25MPa。

3． 计算液压缸的有效面积

（1） 液压缸应具备的有效面积为：

（3-1）

式中 F——液压缸外负载力 N；

——液压缸进出口压力差 Pa ；

图3-1 液压系统图

——缸的工作腔压力 Pa ；

——缸的背压力 Pa ；

——液压缸的机械效率 ，一般取0.85----0.99

详细计算请参考第4章。

（2） 液压缸的直径

（3-2）

式中 A——液压缸的面积 ；

详见第4章液压缸的设计计算。

4．液压缸所需流量

液压缸所需的流量计算公式为：

/s

式中 A——缸的有效面积 ；

——缸或活塞最大移动速度 m/s ；

所以

4． 确定油泵的规格

（1） 液压泵的工作压力

液压泵的工作压力 应满足以下条件：

Pa ；

式中 ——液压泵允许的最大压力 Pa ；

——进，出口油路中的总压力损失 Pa ，包括局部损失和沿程损失。

对于流速不大，一般节流调速及管路简单的系统取0.2---0.5MPa ；

对于高压大流量，油路有调速阀及管路复杂的系统取 0.5---1.5MPa 。

根据本次设计的内容，取 =0.5 MPa

所以

（2） 液压泵的流量

液压泵的流量应满足以下条件：

式中 K——系统漏损系数，一般取1.1----1.3 ；

——同时动作的各液压执行器的最大总工作流量 ；

取 K=1.1

所以

（3） 液压泵的规格

液压泵的规格一般根据工作压力 和流量Q选取。根据所计算的工作压力和流量，查表选择：

ZM9.5 型轴向柱塞泵，其各参数如下：

表3-1

理论排量 1.51

额定工作压力 21 MPa

最高工作压力 28 MPa 额定转速 150

最高转速 300

输入功率 11KW

输出扭矩 31.4 Nm 变量方式 自供油压，手动随动，定量

5． 确定泵的驱动功率N

（1） 泵的驱动功率N为：

W；

式中 ——泵的实际最大工作压力 Pa ；

——泵的额定流量 ；

——泵的总效率

查表30—1 取 =0.81

则有

即泵的驱动功率为N=3821.6 W。

（2） 选用电机型号及参数

根据泵的驱动功率，选用电机型号为：J ---42---6

其基本参数为：

转速

额定功率

6． 控制阀的选择

（1） 阀的规格

阀的选择依据为：节流阀，调速阀按系统工作压力，最大流量和最小稳定流量来选 ；主溢流阀按系统工作压力和泵的最大流量来选；其他各种阀则按其所接入的回路所需最大流量和工作压力来选。

（2） 阀的型式

1） 节流阀按系统最大工作压力 和最大流量 来选取。

由表32—5 选取 L型（联合型）可调节流阀，其最大工作压力为31.5MPa ，额定流量为33----13360 。

2） 溢流阀按最大压力 和泵的最大工作流量 来选取。

由表32—5 ，选取Y 型溢流阀（联合型），其最大压力为0.6----31.5MPa ，额定流量为33----33400 。

3） 单向阀的选取

由表32—5 ，选取DF型（揄次型），其压力为21----35 MPa ，额定流量为417----20000 。

液控单向阀选为DFY型液压操纵单向阀，其最大工作压力为21MPa ，额定流量为417----66667 。

液动换向阀选为 Y 型（联合型），其最大工作压力为31.5MPa ，额定流量为1667----33400 。

背压阀选为 B型（广州型），其最大工作压力为6.3MPa ，额定流量为167----4172 。

压力继电器选为 PF型（榆次型），其最大工作压力为0.7----21MPa 。

溢流阀选为 YD型电磁溢流阀（联合型），其最大工作压力为0.6----31.5MPa ，额定流量为667----33340 。

各阀的选择见表3-2。

表3-2 液压元件明细表

序号 元件名称 最大流量

型号 规格

额定流量

额定压力

/MPa 额定压降

/MPa

1 轴向柱塞泵 30.56 ZM9.5 24.73 21 －

2 单向阀 30.56 DF型 40 21--35 ＜0.4

3 三位五通电液阀 61.12 34D／EY－＊H16B－T 75 32 ＜0.3

4 二位二通电磁阀 40 22＊＊－H10B－＊＊ ＜0.25

5 调速阀 进量0.62 S2FRM6 1.5 31.5 0.6～1.2

6 单向阀 快进20.69 A－Aa10L 40 31.5 ＜0.2

7 液控单向阀 61.12 DF-B20A 100 31.5 ＜0.2

8 顺序阀 60 DZ6DP1-50/315＊M＊60 60 31.5 －

9 背压阀 0.2 B型 10 6.3 ＜0.2

10 溢流阀 24.73 YD-B10K 40 31.5 ＜0.2

11 单向阀 24.73 A-Ha10L 40 31.5 ＜0.2

12 溢流阀 5.83 YF-B10K 40 26 －

13 滤油器 30.56 2N-H40＊20S 40 31.5 0.3～0.6

14 压力继电器 0.05 PF型 0.05 21 －

8. 管件的选择

(1) 油管类型的选择：油管类型主要根据使用场合和系统的自身工作压力来选择。一般的选用原则是，中高压系统优先选用无缝钢管；装配不便的中低压系统可用其它铜管，有相对运动部件的联接采用橡胶软管。

油管内径计算：用通过油管的最大流量和油管内允许的最大流量和油管内允许的最大流速来确定油管内径。

式中 Q——管内最大流量；

V——许用流速（通常吸油管道 1～2m/s,一般取1m/s以下对于压油管, 3—6m/s,压力高,管道短或油黏度小的情况下取大值,反之取小值.）.

对于回油管, 1.5—2.5m/s.

由以上计算知,油缸最大流量 ,取油在管道内的流速V=3m/s,则压油管内径为:

查表33-1，选择内径d=8mm的无缝钢管。

(2) 压油管壁厚

油管壁厚计算：根据油管的强度条件，管道壁厚为

（3-3）

式中 ——管内最大压力 Pa；

d——管道内径 m；

——油管材料许用应力 Pa对于钢管, ( -----抗拉强度 Pa s----安全系数,当 时,s=8当 时,s=6当 时,s=4)

本设计中,取s=4, 对于钢管,

所以

所以

考虑与阀等件的联接,取

为了方便起见,回油管和压油管选用相同,即选用同一个型号的管道.

因为采用油路板配置，内油路由油路板内的通道实现，只需根据液压阀连接油口尺寸决定钻孔直径。阀块与液压缸间的外油管根据最大流量计算如下：

取油液许用流速 =3m/s,由式（4-2）有

查《机械设计师》 上册 手册选用内径为20mm外径为30mm的10号冷拔钢管，壁厚 为5mm。

查设计手册，取10号钢许用应力为 =50MPa，以溢流阀的调整压力作为油管的工作压力，则强度条件根据公式（3-3）有

= mm=4.32 (mm)

因为 =5mm＞4.32mm故强度足够。

9. 油箱容积确定

油箱的主要功能为储油和散热，通常根据散热的要求来确定由乡的容积。根据经验公式来确定:

推荐如下:

低压系统： V=(2～4) ；

中压系统： V=(5～7) ； (3-4)

高压系统： V=(6～12)

对于带冷却器的油箱，容积可适当减少。

4.3.3 液压缸壁厚和外径的计算

液压缸的厚度由液压缸的强度条件来确定。液压缸的壁厚一般指钢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，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分薄壁圆筒和厚壁圆筒。

液压缸的内径D与其壁厚 的比值D/ 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，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

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