波纹管成型机的设计

编 号无锡太湖学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： 波纹管成型机的设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 波纹管成型机的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班 级： 机械 92 学 号： 0923074 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日I无 锡 太 湖 学 院信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1题目 波纹管成型机的设计 、专题 二、课题来源及选题依据本课题是对现有设备进行测绘，并在改进的基础上制造完成，以满足实际生产的要求。学生在设计中 对现有液压系统进行分析，须重新设计整机;液压原理。因设备已投入生产，故学生在 设计过程中，可掌握 较强 的实际工作经验，完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，很好的掌握机电一体化技术。能熟悉如何从图纸到实际工作完成的整个过程，并经实际的动手完成真正能正常工作的设备。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1达到技术指标所规定要求，满足实际工作需要。2主机部件工作时定位准确，启停无冲击。3. 制品的模具三维图及工作图。实习地点：无锡。主要技术指标：1. 最高合模力 100 吨2. 油箱容积 500 L3. 最大周期 10 S 工作量要求： 1总装图：液压站装配图。主要部装图：阀站装配图；液压缸装配图; 模具总装 图。II重要零件图：液压站集成块零件图。2液压原理图；电气原理图。3完整的设计说明书（选型；强度；液压；电器。 ）。4油缸的应力应变分析;；液 压站集成块三维图；液 压站三维总装图；阀站三维总装图；模具三维装配图。5必要的技术资料翻译（8000 字符）。 四、接受任务学生：机械 92 班 姓名 王蛟龙 五、开始及完成日期：自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师 签名签名签名教 研 室 主 任学科组组长研究所所长签名系主任 签名2012 年 11 月 7 日III摘 要波纹成型机是生产波纹管的核心设备，生产出的波纹管已经广泛用于各个工业领域，它是集机电液为一体的现代化高技术设备。本文针对生产的要求，提出了设计题目。并对该机的机械系统、液压系统和控制系统进行了全面设计。在机械结构设计中，首先分析了波纹管成型的工作过程，并在此基础上进行了模具结构设计、主压油缸设计、油推水油缸设计、各种液压站元件的设计。液压系统设计中，根据波纹管成型的工作过程，进行了液压系统原理图的设计，确定了液压系统的执行元件。计算了整个液压系统的流量，并根据流量和压力进行了液压阀的选型、油箱的设计和各个辅助元件的选择，计算了各个系统的功率，据此选择了电动机的型号，最后绘制了液压泵站的装配图。由于传统波纹管成型机采用继电器和接触器等元件作为系统的控制元件，存在可靠性、灵活性差等缺点。文中通过实例说明利用 PLC 对其进行改造。电气控制系统采用可编程控制器 PLC 作为整台机器的控制器，并对 PLC 的工作过程进行了介绍，对 PLC 相关原件进行了选型，同时绘制了 PLC 控制系统的输入、输出接线图，即控制系统电气原理图，并采用了梯形图编程，实现了整机的自动化。本设计已经应用于生产，取得了良好的效果。关键词：波纹管成型机；液压系统; PLC IVAbstractBellows machine is the core of bellows production equipment to produce the bellows which have been widely used in various industrial fields. It is a modernized technical equipment which centralizes the machinery, hydraulic and electric system.Aiming at the requirement of production, the author puts forward the topic and devises the mechanical system, hydraulic system and controlling system thoroughly.In the mechanical structure design, firstly the working process of the Bellows machine was analyzed , and on this basis, a die structure design, the main fuel tank design, oil pushing water fuel tanks and various components of the hydraulic station were designed.In the process of the device of hydraulic system, according to the working process of slewing telescopic gangway, the principle plot of hydraulic system was devised; furthermore, the performing elements were designed. At the same time, the author computed the flux of the whole system. And then, based on the flux and the pressure, the author accomplished the choices of valves, the design of gasoline tank and the choices of assistant components. And then, the author computed the power of the whole system and chose the model of electromotor. At last, the component plot of hydraulic station was drawn.The traditional Bellows machine using relays and contactor as controlling elements shows some disadvantages, such as low reliability and flexibility. This paper discusses the improved design based on PLC.The controlling system adopts the PLC as the controller of the entire machine. It introduce the working process of PLC, chose the model of the PLC and related elements. At the same time, the author drew the input and output circuit of the controlling system, namely the electric principle plot. The machine realized the automation of producing process by making use of the trapezium shape to programme. The design has already been applied to practice, and has gained a very good effect.Key Words: Slewing telescopic gangway；hydraulic system; PLCV目 录摘 要 .IIIABSTRACT .IV目 录 .V1 绪论 .11.1 概况和发展趋势 .11.1.1 无锡南方液压气动成套有限公司简介 .11.1.2 国内波纹管的概况和发展趋势 .11.1.3 波纹管成型机简介 .31.2 课题的提出与意义 .41.3 课题的主要内容 .42 总体方案的确定 .62.1 设计依据 .62.2 确定模具结构设计方案 .62.3 确定液压系统设计方案 .62.4 确定控制系统设计方案 .63 模具结构的设计 .83.1 概述 .83.2 设计依据 .83.3 设计范围及其设计方案 .83.3.1 模具的工艺分析 .83.3.2 模具的结构设计 .93.3.3 模具环刚度的计算 .113.3.4 模具的加工 .124 液压系统的设计及其校核 .134.1 液压系统的组成 .134.1.1 能源装置 .134.1.2 执行元件 .134.1.3 调节控制元件 .134.1.4 辅助元件 .134.2 液压系统的主要优缺点 .134.2.1 液压传动的优点 .134.2.2 液压传动的缺点 .134.3 液压系统设计 .144.3.1 概述及液压系统方案设计 .144.3.2 液压系统原理图的拟定 .164.3.3 主压油缸的设计 .164.3.4 油推水油缸的设计 .20VI4.3.5 液压能源装置设计 .244.3.6 液压阀的选择 .244.3.7 液压辅助元件的设计与选择： .274.3.8 液压系统元件清单 .304.3.9 液压管路的联接 .324.3.10 安装后的调试 .325 控制系统的设计 .345.1 PLC 与继电器控制系统的比较 .345.2 PLC 与微型计算机的比较 .345.3 PLC 可靠性高的原因 .345.4 PLC 的安装与抗干扰措施 .355.4.1 安装环境和注意事项 .355.4.2 电源和接地 .355.5 PLC 系统的调试和运行 .365.5.1 通电前的检查 .365.5.2 调试运行主要过程 .365.6 PLC 系统的维护 .365.7 PLC 控制系统的设计 .375.7.1 设计内容 .375.7.2 控制电路元气件的选用及电路图的绘制 .375.7.3 PLC 的编程 .376 UG 有限元分析方法 .396.1 有限元分析方法简介 .396.2 进行有限元分析的目的和意义 .397 UG 动力学分析 .407.1 UG 运动仿真模块简介 .407.2 如何创建运动仿真 .407.3 波纹管成型机运动仿真 .408 结论与展望 .428.1 结论 .428.2 展望 .42致谢 .43参考文献 .44附录 .45波纹管成型机的设计11 绪论1.1 概况和发展趋势1.1.1 无锡南方液压气动成套有限公司简介无锡南方液压气动成套有限公司座落于无锡高新技术开发区、公司占地面积 13000平方米、生产车间约 9200 平方米、拥有员工 180 人、专业技术工人占 80%、各类大型、成型、加工设备 100 多套、其中部分设备属国内先进水平。专业生产各种国标和非标管接头、高压胶管总成、各种液压油缸、液压系统的骨干企业。产品远销美国、丹麦、意大利、日本等国家。本公司产品可适用于冶金、船舶、机床、工程机械、轻工、立体车库等行业、年销售额达 5000 万元。公司于 2001 年通过 ISO9001-2000 质量体系认证。并拥有多项自主专利产品、公司连续多年被评为市重合同守信誉企业、在广大用户中有很好的评价。公司技术力量雄厚、拥有一批高级工程师、产品设计工程师、是江南大学学生的实习基地。并广泛应用计算机辅助设计。本公司有十多年专业设计、开发、液压系统（液压站） 、液压缸、管接头、高压管等产品的设计能力及丰富的制造生产经验。年生产能力：液压系统 1000 套、液压缸 20000件、高压胶管总成 100000 根、管接头 2000000 件。产品出口日本 NOK、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦等国家。并为英格索兰提供全球配套等等。为武汉重型机床厂、郑州大方桥梁公司、江苏华通机械有限公司、镇江矿山机械厂、西安电炉研究所、南京金城集团、江汉石油管理局第四机械厂、上海天地岛川停车设备制造有限公司、中联重科浦沅分公司、中国船舶总公司第七零二研究所（为 863计划配套 7000 米水下机器人的液压装置）等用户提供国内配套服务。公司本着“质量第一、用户至上” 的宗旨、热诚为广大用户服务！携手共创美好明天、共展宏图！1.1.2 国内波纹管的概况和发展趋势近些年来，波纹管市场发展迅速，产品产出在全国各地持续扩张，国家产业政策鼓励波纹管产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对波纹管行业的关注越来越密切，这使得波纹管行业的发展需求增大。波纹管作为一种仪表元件虽然已有了上百年的历史,但由于它具有结构简单、价格低廉、性能稳定、使用可靠等特点,在今天仪器仪表中仍占有重要的地位,而且它的应用范围已扩大到各个工业领域。随着企业经济的不断发展，装置中泵类设备的不断更新换代及新技术、新材料的不断应用，我们感到在多种泵类机械密封的选择中，波纹管机械密封在化工装置中越来越显示出它的优良性能。在机械密封技术上，波纹管有着突出的优点。表现为： A 结构简单，安装方便，适应性强，静止环具有浮动性；B 浮环结构设计，消除镶装环的各种应力；C 旋转环易于更换，修复；D 结构紧凑，适用于螺杆泵轴向较小的场合；无锡太湖学院学士学位论文2E 旋转环、静止环法兰连接，动泄漏点少。该技术特点是：A 密封可靠，在较长时间使用中不会泄漏；B 使用寿命长，静环和动环高耐磨材料比旋转式密封多用半年；C 摩擦功率损失小；D 适用范围广，能用于低温、高温、高压、各种转速及各种耐腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封；E 弹簧强度大，抗震能力强，稳定性好。大庆油田天然气分公司与有关单位共同研制和使用 DBM-40A-1、DBM-35B-1 等 20 多种波纹管机械密封，密封良好，寿命长。得到了广泛应用，并取得了显著效果。图 1.1 波纹管机械密封 图 1.2 波纹管密封截止阀柴油机排气系统温度补偿器的研制，应用了新结构、新工艺，其特点是精密性和可靠性高。该产品的研究开发，将提高国产波纹补偿器的设计、工艺、装备和检测水平，并能最终替代进口的产品。而且由于金属波纹补偿器具有各种优异的性能，其应用范围与日俱增，随着先进技术的进一步推广应用，必将取得较大的社会效益和经济效益。除满足大功率高可靠柴油发动机的配套需要外，也为其他军工配套打下良好的基础。图 1.3 汽车排气波纹管 图 1.4 通用型波纹管补偿器浙赣铁路九标管段共有 14 座公跨铁立交桥，为了争抢工期，全段公路跨线桥梁的施工由现浇变为提前预制，由于桥梁工点分散，设置了 10 处桥梁预制场地，共预制梁 56片。公路桥梁采用箱形梁，后张法张拉，预应力孔道采用扁波纹管。从施工一开始，就得赶快研究图纸，打每一片梁都坚持检查施工质量，从钢筋数量、尺寸及波纹管的安装波纹管成型机的设计3和混凝土浇筑、预应力张拉、压浆、封锚等各方面都不错过，但在施工过程中，还是偶尔会有波纹管孔道堵塞现象发生，一旦堵塞发生，只能对混凝土结构做“开刀” 处理，然后嵌补，这样的结果是，堵孔多了必然影响结构的质量，严重会造成质量事故。在施工中人们大多使用波纹管成孔，所以防止这种现象的发生就显得十分重要了。其实堵孔现象并不是不能避免的。从对造成堵孔的原因分析人手，人们采取了相应的措施，取得了良好的效果。波纹管已经应用到各个领域，它广泛应用于通信光电缆护套、建筑排水、市政排水农田低压灌溉等等，双壁波纹管在通讯电缆护套管领域,也基本取代了水泥管，波纹管自引进以来，其发展很快，应用领域不断扩大，管材规格也从小到大不断发展。生产厂家不断增多，设备也由全部从国外引进，到目前基本国产化，其所用原料也不断增多，从PVC 到 PE、HDPE、PP 等。近几年来，其发展更快，生产量逐年增多，已成为塑料管材领域的一支重要力量。1.1.3 波纹管成型机简介波纹成型机是生产波纹管的核心设备，由成型模具、传动系统，控制系统三部分组成。成型模具一般由 3040 对上下（或水平）对开的模片组成，沿一定的轨迹移动，模具闭合成圆形管子的成型腔，模具打开，使制品脱模，模具可由水或空气冷却。其成型过程为：从挤出机挤出管坯在一定的水压下，经过吹胀（或真空吸附） ，使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。波纹成型机同时具有牵引管材的作用。波纹成型机有立式和水平式两种，立式波纹成型机其模具上下开合，占地面积小，结构紧凑，但模具更换较困难，特别是大口径模具的更换。水平式波纹成型机其成型模具水平开合，占地面积较大，但更换模具比立式方便得多，因比其应用更广泛。一般小口径管材，采用的是整体式模具，而大口径管材考虑到其模具重量大，更换时不方便，故一般采用托架式模具，换口径时，只需更换托架内的芯模即可，节省了模具制造成本。波纹成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定，需先建立模具运行的数字模型，然后印出其轨迹，最后按照这一轨迹组合模具。双壁波纹管的成型方法一般有真空成型法和壁间充气成型法两种，也有同时使用这两种方法的。真空成型法是通过成型模具上的真空孔使管坯外壁靠负压作用吸附在成型模具上，其内壁靠伸出芯模的定径棒定型。这种方法生产的管子的外观质量较好，但其内外径尺寸稳定性较差，且真空孔易堵塞，造成产品外壁波纹缺陷。壁间充气成型法是在两层料坯中间通压缩空气，把管坯外壁吹胀入成型模具，同时使管内壁贴附在内定径棒上。并可根据管口径，壁原的大小来调气压。应用这种方法生产的管材。尺寸稳定性好。国内生产的波纹管成型机，一般为水平式结构，大口径管材也采用托架式模具。但受其加工设备的限制，其模具的加工精度和同一性与国外同类产品相比还有差距，在生产中机器故障较多，有时还可能造成模具运行轨道的损坏。近年来上海金纬机械制造有限公司开发了一系列大口径双壁波纹管生产线，其波纹成型机采用立式结构，由于模具的加工采用了大型加工中心生产，其同一性和精度均达到较高的水平。同时，模具采用快速冷却系统，可较大程度地提高生产速度。无锡太湖学院学士学位论文4虽然国产的波纹成型机质量不如国外进口产品，但由于其价格比国外同类产品低很多，且其生产的管材能达到要求，故近年来国内大部分波纹管生产厂家还是采用国产生产线。故国产设备的生产厂家这几年发展较快，但还应致力提高加工水平，开发新产品，缩小与国外产品的差距。最近几年，国外研制出了模具速回转系统，即利用机械或气动搬运系统，把最后一对模片重新快速带回开始的工作位置。它的优点是模片数可减少，一般仅需 1218 对模片，在生产大口径管材时，可极大地降低波纹成型机的生产成本。图 1.5 波纹管成型机设备1.2 课题的提出与意义近几年是波纹管发展的黄金时期，它的应用范围已扩大到各个工业领域。本课题是完成波纹管成型过程的总体设计，对该机的机械系统、液压系统和控制系统进行了全面设计。在设计中还须设计液压电控原理及程序，对于进行模具、油缸等进行结构设计以及油缸中重要零件的优化设计并做出必要的有限元分析和运动仿真。本课题使我在设计过程中，能掌握较强的实际工作经验，完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，这样一来就能很好的掌握机电液一体化技术，提高解决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。1.3 课题的主要内容本课题的主要内容是完成波纹管成型的总体设计。最后，将它们转化为能供指导制造、装配、安装、调试和维修用的设计图纸及各类说明书等技术文件。总之，设计的主要内容分为机械系统、液压系统和控制系统三部分。按照用户提出的完整技术要求，写出液压及电气的技术数据，并经用户确认。本设计需满足的要求如下：A 达到技术指标所规定的要求，满足实际工作需要。波纹管成型机的设计5B 整机机构实用，加载部件需做应力应变分析。C 整个机械装置需要做运动学分析。D PLC 全自动控制，要有较高的工作可靠性、安全性。E.工作安全，操作方便根据技术要求，我们需要在搞清设备工作原理的基础上，经改进设计，进行正式图纸绘制。在设计中还需对现有的机构进行分析，如充分利用 UG 和 LINGO 等软件进行有限元应力分析、运动分析和优化设计。且设计液压原理图、电气原理图，主机等部件。在自动化生产软件的使用编程逻辑方面用 PLC 控制。因类似设备已投入生产，故我在设计过程中，可获得并掌握较强的实际工作经验。最终完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，这样一来就能很好的掌握机电一体化技术，提高了解决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。尤其这几个软件的使用对以后的研究生课程有莫大的帮助和指导性的方向。在设计的时候，课本知识和实际生产经验的结合是我最想拥有的经历。期间充分利用已有的资源在搞清设备工作原理的基础上，调研工厂实际情况包括设备的调试（主要是液压部分和电控部分）以及制造过程遇到的难题和解决方案，因而形成了对设备的机械部分，液压部分，电气部分技术观念和感性认识，为改进，完善设备打下坚实基础。本课题为机电液综合设计，对本科的机械工程学生而言，已经是能够接受和有所创新地完成的项目了。而且整个设备制造技术路线清晰明了。最后在设计完成交付，并实现功能的整个流程中，学习并收获有限元应力优化设计及运动分析等先进设计方法在设计中的作用。综合机电液，加强巩固和糅合这三方面知识结构，为以后的发展打好基础。课题结束后，希望能达到锻炼设计能力，而又能熟悉如何从图纸到设备实际工作调试完成交付使用的整个过程，并经实际的动手完成真正能正常工作的设备。无锡太湖学院学士学位论文62 总体方案的确定2.1 设计依据本课题是对无锡市永兴金属软管有限公司波纹管成型机上所有液压元件进行综合系统的设置，以满足工厂质量控制的要求。经过与厂方代表的协商决定，该成型机能够对以下液压元件进行检测并完成相应的检测项目。A 本套设计依据汽车消声器等特性设计。B 本套设计以满足汽车波纹管一次成型要求设计。C 本套设备以符合相关管材的规范要求设计。D 本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足设备投资少、生产易控制。2.2 确定模具结构设计方案成型模具由 16 对水平对开的模块组成，沿一定的轨迹移动，模具闭合成圆形管子的成型腔，模具打开，使制品脱模，模具可由水或空气冷却。其成型过程为：从挤出机挤出管坯在一定的水压下，经过吹胀，使内外壁分别贴合在成型模具和内定径棒上成型。波纹管成型机的关键就是成型模具运行轨道的确定，需先建立模具运行的数字模型，然后印出其轨迹，最后按照这一轨迹组合模具。2.3 确定液压系统设计方案波纹管成型机的液压系统属于很典型的液压系统，利用成型机可以方便的使波纹管一次性成型。在液压系统的设计方案中，通过设置调压回路、增压回路、换向回路、进、出节流回路实现不同的目的，例如合模、分模等。高低压油泵以及控制油泵的配合使用，使得成型的效率大大提高。油推水油缸用水代替了油，除了减少污染，有利于环保以外，还方便于清洗。本公司波纹管成型机生产出的不锈钢波纹管主要用于汽车的消声器。本液压系统是无锡南方液压气动成套有限公司波纹管成型机装置机设计、制造的专用液压传动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块式结构，液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合 GB3766-87液压系统通用技术条件中的各项技术要求。本液压系统由于采用了开式油箱结构，所以不允许在粉尘大的恶劣环境下工作，使用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘，以保证液压系统具有良好的散热性。所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构，使本系统具有泄漏少，结构紧凑，便于维修的特点。本液压系统在工作原理上具有以下特征：具有吸油滤油器，使本系统工作介质的清洁度得到有效的保证，降低系统的故障率,延长系统各元、附件的使用寿命。波纹管成型机的设计72.4 确定控制系统设计方案传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，所以应时代之要求，需要对系统进行 PLC 控制。现决定采用日本三菱公司生产的 FX 系列 PLC 进行编程。可编程序控制器根据操作者的指令，完成对换向阀等元件的控制，以控制每个执行元件。可编程控制器具有很高的柔性和通用性，同时采用传统的梯形性能可靠，操作维护直观、方便，具有以下特点:油缸油压控制采用压力控制，因而调节方便、可靠；因而调节操作简单 ,控制精确；显示和操作采用高性能和易操作的控制面板，操作、调节、简单直观;可实现手动、单动、自动等工作状态，参数范围大。当故障发生时， PLC 做出相应保护措施。PLC 在满足同样控制要求的情况下，又不像计算机控制系统那样复杂、难以掌握。有利于控制系统的标准化、通用化和柔性化，缩短控制系统的设计、安装和调试周期、降低测试产费用。无锡太湖学院学士学位论文83 模具结构的设计3.1 概述 波纹管成型机生产出的波纹管主要用于汽车的消声器。模具是成型过程的主要装备，也是整个装备的重中之重。波纹管的几何形状、尺寸和精度是由成形模具来保证的。根据金属变形