机械设计毕业论文-简易剪板机设计.doc

毕毕业业设设计计( (论论文文) ) 剪板机设计 学生姓名 学院名称山东科技大学 专业名称机械设计制造及其自动化 指导教师 2014 年月日 键入文字 I 摘摘 要要 本文设计了一台简易剪板机，能够实现对厚度 10mm，宽度 2000mm 的板材进行剪切， 剪断时间小于 10s，重点就机架、刀架等重要部件进行了设计，在设计中通过对比国内外 剪板机，力求设计出结构简单，操作简便，同时经济、合理的剪板机，具体设计思路上： 利用液压系统控制刀架，大大减少了剪切的时间并且提高了剪切精度。采用人工送料以 降低成本。近年来，随着模具技术和冲压技术的发展，剪板机的应用范围在不断地扩大， 数量在不断地增加。预计不久的将来，剪板机在冲压用剪板机中的比例将会愈来愈大。 关键词关键词 机架; 刀架; 液压系统; 剪切精度 键入文字 I 目 录 1 开题报告.1 1.1 开题报告 .1 1.2 剪板机分类及应用.1 1.3 设计的意义和设计步骤.2 1.3.1 剪板机设计步骤 .3 1.3.2 剪板机设计要求 .3 2 剪板机基本性能参数.4 2.1 剪板机规格与技术特征.4 2.2 剪板机基本性能参数.4 2.2.1 剪切力确定 .4 2.2.2 压料力的确定 .5 2.2.3 剪切角的确定 .6 2.2.4 上刀片的行程量 .6 3 剪板机机械设计.7 3.1 整体设计 .7 3.1.1 方案选择 .7 3.1.2 机体设计 .8 3.1.3 整体布局与传动系统设计 .8 3.2.机架9 3.2.1 立柱断面应力计算与校核 .9 3.2.2 垂直平面的弯矩、应力计算与校核 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.3 水平面内的弯矩、应力计算与校核 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3 刀架 错错误误！未未定定义义书书签签。 3.3.1 刀架分类 .9 3.3.2 刀架计算与校核 10 3.4 托料装置 12 3.5 刀具 13 4 液压部分设计14 4.1 基本方案 14 4.1.1 调速方案 14 4.1.2 压力控制方案 14 4.1.3 顺序动作方案 15 4.2 供油方式卸荷回路15 4.3 液压系统性能的验算17 4.3.1 负载分析及运动分析 17 键入文字 II 4.3.2 确定液压缸参数 18 4.3.3 活塞的设计 20 4.3.4 动力元件选择 22 4.4 液压系统的调试23 4.5 液压系统的维护及注意事项24 结论 26 致谢 27 参考文献28 键入文字 1 1 1 开题报告开题报告 1.11.1 开题报告开题报告 制造业的发展，剪板机床的发展越来越成为机械制造行业的中流砥柱，通用型高性能 剪板机，广泛适用于航空、汽车、农机、电机、电器、仪器仪表、医疗器械、家电、五 金等行业。 锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备，1842 年，英国工程师史密 斯创制第一台蒸汽锤，开始了蒸汽动力锻压机械的时代。1795 年，英国的布拉默发明水 压机，但直到 19 世纪中叶，由于大锻件的需要才应用于锻造。随着电动机的发明，十九 世纪末出现了以电为动力的机械剪板机和空气锤，并获得迅速发展。二十世纪初，锻压 机械改变了从 19 世纪开始的向重型和大型方向发展的趋势，转而向高速、高效、自动、 精密、专用、多品种生产等方向发展。于是出现了每分种行程 2000 次的剪板机。所谓剪 板机一般是指每分钟的行程次数为普通剪板机的 510 倍的剪板机。剪板机是带有自动 送料装置，可完成板料高效率、精密加工的机械剪板机，具有自动、高速、精密三个基 本要素。 近十多年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技 术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和 体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与 交叉融合，推动了先进冲压成形技术的形成和发展。 冷冲压生产的机械化和自动化，为了满足大量生产的需要，冲压设备已由单工位低速剪 板机发 展到多工位剪板机。一般中小型冷冲件，既可在多工位剪板机上生产，也可以在 剪板机上采用多工位级进模加工，是冷冲压生产达到高度自动化。 在汽车、航空航天、电子和家用电器领域，需要大量的金属板壳零件，特别是汽车 行业要求生产规模化、车型个性化和覆盖件大型一体化。进入 21 世纪，我国汽车制造业 飞速发展，面对这一形势，我国的板材加工工艺及相应的冲压设备都有了长足的进步。 1.2 剪板机分类及应用 剪板机属于直线剪切机类，主要用于剪裁各种尺寸金属板材的直线边缘。在轧钢、 汽车、飞机、船舶、拖拉机、桥梁、电器、仪表、锅炉、压力容器等各个工业部门中有 广泛应用。 剪板机种类较多，按其工艺用途和结构类型可以分为： 1.平刃剪板机 剪切质量好，扭曲变形小，但剪切力大，耗能大。机械传动的较多。该剪板机上下 两刀刃彼此平行，常用于轧钢厂热剪切初轧方坯和板坯；按其剪切方式又可分为上切式 和下切式。 2.斜刃剪板机 键入文字 2 剪板机的上下两刀片成一个的角度，一般上刀片是倾斜的，其倾斜角一般为 16。斜刃剪板机剪切力比平刃剪板机小，故电机功率及整机重量等大大减小，实 际应用最多，剪板机厂家多生产此类剪板机。该类剪板机按刀架运动形式分闸式剪板机 和摆式剪板机；按主传动系统不同分为液压传动和机械传动两类。 3.多用途剪板机： (1)板料折弯剪切机：即在同一台机械上可完成剪切和折弯两种工艺。 (2)联合冲剪机：即可完成板材的剪切，又可对型材进行剪切，多用于下料工序。 4.专用剪板机： (1)板材开平线剪板机：用于板材开卷校平线上，为配合生产线速度快剪切要求而设 计的高速剪板机，厚板线上多为液压高速剪板机，薄板线上多配气动剪板机;高速线上配 有飞剪机，连续生产，效率高。 (2)钢结构生产线剪板机：多用于角钢、H 型钢自动生产线完成剪断工序。 (3)冷弯成型线剪板机：例如汽车纵梁冷弯线、车厢侧挡板生产线、彩钢板成型线等 生产线上配置的专用剪板机等。 1.3 设计的意义和设计步骤 毕业设计和毕业论文是本科生培养方案中的重要环节。学生通过毕业论文，综合性 地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题，在作毕业论文的过程中，所学知识得到 疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。通过这次检验，不但可以提高学生的综 合训练设计能力、科研能力（包括实际动手能力、查阅文献能力，撰写论文能力） 、还是 一次十分难得的提高创新能力的机会，并从下个方面得到训练： 1.学会进行方案的比较和可行性的论证； 2.了解设计的一般步骤； 3.正确使用各种工具书和查阅各种资料； 4.培养发现和解决实际问题的能力。 利用所学的机械各方面的知识，我选择这个课题为我的毕业设计，进行大胆的尝试。 设计中主要以课本和各种参考资料作为依据，从简单入手，循序渐进，逐步掌握设计的 一般方法，把所学的知识形成一个整体，以适应以后的工作需要。当然，初次设计，知 识有限，经验不足，一些问题考虑不周，也可能存在有某些错误和遗漏，恳请各位老师 批评指正。 剪板机是各类机械产品的一种，设计时着手于其原理和主要部件的计算校核，了解 剪板机的工作状态，以此为基础设计刀架、机架等各类零部件，液压部分可以采用简单 的单缸液压系统，主要考虑保证液压平衡性能。 键入文字 3 1.3.1 剪板机设计步骤 设计中一般采用三阶段法，即总体设计、部件设计和零件设计或者初步设计、技术 设计与工艺设计。在实验设计与计算机辅助设计（CAD）中，多采用既分阶段又与平行兼 顾的设计，以便相互协调. 总体设计程序为： 1.明确设计思想 2.分析综合要求 3.收集资料、对剪板机进行学习研究 4.设计剪板机总体方案 5.设计剪板机总装图 6.设计剪板机主要零件图 7.设计液压系统 8.进行控制系统的设计 9.撰写设计说明书 1.3.2 剪板机设计要求 设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手剪板机各部分 设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。 1.主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等； 2.剪板机的工作过程及其各部件的配合形式； 3.液压系统的稳定性控制； 4.各动作机构的载荷大小及其性质； 5.对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； 6.自动化程序、操作控制方式的要求； 7.对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求； 8.对效率、成本等方面的要求。 键入文字 4 2 剪板机基本性能参数 2.1 剪板机规格与技术特征 本次设计题目要求达到剪切厚度10mm，剪切宽度2000mm，剪断时间10s，主要技术 特征包括课剪板厚，可剪板宽，喉口深度，剪切角度，行程次数（机械传动空载，液压 传动满载） 参考文献 1 得到一般剪板机的规格与技术特征如下: 表 2-1 剪板机的规格与技术特征 喉口深度 ( 毫米) 行程次数 不少于次/ 分钟 可剪 板厚（毫 米） 可剪 板宽（毫 米） 标准 型 加大 型 剪切 角度机械传 动空载 液压传 动满载 250045 10 4000300 3 13 2.2 剪板机基本性能参数 决定剪板机性能的主要有：剪板机的剪切力，压料力，剪切角和上刀片的行程量。 2.2.1剪切力确定 斜刃剪板机的总剪切力比平刃剪板机的小，它包含三个组成部分：基本剪切力；被 剪下部分板料的弯曲抗力以及板料在剪切区变形的弯曲抗力。总剪切力与剪切角的关系 接近反比例，即随着剪切角的增加而减小。 N) 10 1 1 6 . 0 1 (6 . 0 2 5 5 2 5 Xy tg Z tg h kP b bzh 式中 k刀片的磨钝系数，100时，k=1.15-1.2 b 被剪金属的抗拉强度 b 被剪金属的伸长率 5 h被剪板厚（毫米） 剪切角（度） 刀片间隙（毫米） y刀片间隙的相对值，y=/h 键入文字 5 C压料脚轴线到下刀刃的距离（毫米） ，从表2-1中查得 X压料脚距离的相对值，X=C/h Z弯曲系数，取0.95 表2-2 压料脚轴线到下刀刃的距离 h（毫米）2.56.31012.51632 C（毫米）657090 板材为10mm 厚板材，属于中厚型板材，这种板材的一般材料为 Q235，屈服点为235M Pa，抗拉强度为375-460MPa，因此，确定各函数值如下。 k1.15-1.2，取1.2 375-460MPa，取400MPa b 26% 5 h10（毫米） 3（度） 0.6-0.7（毫米）,500MPa 时，=（6-7%）h=0.60.7，取0.6 b y0.06，y=/h C70 X7，X=C/h Z弯曲系数，取0.95 因此=N zh P4 102 . 3 2.2.2压料力的确定 在剪切过程中，上刀片对板料作用着一个向前的水平推力 T。为防止板料的位移，压 料力必须使板料顶面和底面上产生的水平方向摩擦力大于 T。 剪切开始，上刀片的切入深度达到被剪板厚的瞬间，板料顶面和底面产生的摩擦力均为 N; )( 1yzh PPF 当剪切继续进行超过上述瞬间，则板料顶面摩擦力为 N； y PF 2 而板料底面的摩擦力仍然不变 ; TFF 21 T=0.3 N； zh P 因此 ， zhyzh PPP3 . 0)2( 键入文字 6 当 时， 15 . 0 N zhy PP 2 1 应该说，压料力随总剪切力增大而增大。但是压料力和被剪板宽也有一定关系，当 剪切板宽较大时离开剪切区域较远的压料脚的作用不大。为此，总压料力为 N 25002 1b PP zhy 式中 b被剪板宽（毫米） 带入函数值，得到值为N y P 4 103 . 1 2.2.3剪切角的确定 从剪切力的公式可以清楚的看到，剪切角增大则剪切力下降，从而减轻机器的重量 。但剪切角增大带来的最不利的后果是窄条料的严重扭曲，其次是增大刀架的行程量（ 也就是增加机器的高度和减少每分钟行程次数） 。 通过对比国内外剪板机的主要参数，决定把剪切角定为3。 2.2.4上刀片的行程量 上刀片的行程量主要与剪切角和被剪板宽及板厚有关。剪切板料所必需的最小行程 量由下式决定： mm ba SbtghS / 式中 h最小开口距，即上刀片在上死点位置时工作台面到上刀刃之间的距离（ 毫米） b被剪板宽（毫米） 刀片超越量（毫米） ，查阅表2-3 b S 表2-3 刀片超越量 h （毫米）6.3 1016 2032 4060 当 h不 可调时 38101520 （毫米 b S ）当 h可 调时 10（-6 ） 10（-16 ） 15（-32 ） 20（-60 ） h通过查阅资料得到值为2025mm，取值为20mm，因此得到值为100mm。 a S 键入文字 7 3 剪板机机械设计 3.1整体设计 3.1.1方案选择 1.机械传动剪板机 (1)下传动剪板机 被剪板厚6.3mm 的剪板机多采用机械下传动结构，它具有机器高度小，垂心低和重 量轻的特点。 (2)单边齿轮传动的剪板机 机械传动的剪板机大部分采用这种结构，即最后一级齿轮装在曲轴的一端。结构比 较简单，但是曲轴很长，制造和装配都比较困难。被剪板厚25mm 时可考虑用双边齿轮 传动的形式。 (3)双边齿轮传动剪板机 对于大规格的剪板机，长曲轴的锻造和机械加工都非常困难。如果采用双边齿轮传 动，其传动部件的重量要比单边齿轮传动的减轻2030% (4)蜗杆传动剪板机 蜗杆传动由于传动比较大，因此传动链缩短，结构紧凑，机器高度降低。此外蜗杆 传动具有传动平稳、噪音小的优点。国产剪板机曾经采用过这种结构，但是蜗杆传动效 率较低，制造和装配困难。特别用在大规格的剪板机上，损耗功率就比较明显地增大。 而且维护和修理业困难，因此没有得到广泛的采用。一般适用于被剪板厚13mm 的剪板 机。 2.液压传动剪板机 目前，液压传动剪板机的比重日增，国产剪板机中也在逐步采用液压传动。液压传 动有较多的优点： (1)工作安全、可以防止因超载而引起的机器事故 (2)操作方便，可以实现单次行程、连续行程、点动和中途停止返程等动作，因此易 于实现单机自动和用于流水线上 (3)机器的体积小、重量轻、制造容易 (4)机器振动小，工作平稳，刀具寿命可延长 但是也带来一些不足之处： (1)行程次数较低 (2)电机功率增大 键入文字 8 (3)液压元件容易发生故障，不易即时得到更换 综上所述，结合设计的要求和借鉴其他剪板机的优缺点，确定采用直线运动刀架的液压 机械传动方案，用单缸驱动，安放在剪板机顶端，活塞推动刀架，刀架沿着导柱平 行移动，实现板材的剪切，在保证剪切速度，剪切力的同时，使得整体结构简单，制造 成本低等特点。 3.1.2 机体设计 剪板机的机体结构简图如下： 图 3-1 机体 剪板机的机体顶端用于安放电动机，用螺钉固定；顶端横梁套在机架上，采用间隙 配合，也是用螺钉固定。与梁接口处是用焊接连接；机箱中间用于放置上下刀架、上下 托板，两边导柱将刀架用铜套套在其上，平衡刀架的运动。 3.1.3 整体布局与传动系统设计 1.整体布局 本课题设计的剪板机机属于个人作业机器，所以只需要安放在地面即 可，考虑到周围的环境因素，将剪板机机的整体结构简图（如图 1）所示。剪板机的整体 布局是由机架、横梁、刀架、托板等四大部分，其中主动系统主要由电动机、液压系统 等部分组成；刀架按照被剪板料宽度长度要求而设计；托板、工作台主要起固定及支撑 刀架等零件，以方便人员操作。此种设计合理的安排了机器的空间位置，方便搬迁及维 键入文字 9 修。 2.传动系统 此次传动系统由电动机为动力，通过液压系统，使得上刀架向下直线 运动，到达位置裁剪板料，完成剪板任务。 3.2.机架 剪板机的机架通常由左右立柱、工作台、和连接横梁所组成。这几个部分的连接形 式常见的有三种：整体焊接、组合（用榫头和螺栓来连接）和组合焊接（即组合后 再焊接） 。一般来讲，整体焊接的机架刚性最好，但由于体积庞大，对焊后进行退火和机 械加工带来困难。有的工厂将焊后退火的工作台和连接梁先进行加工，然后以较少的焊 缝和左右立柱焊接。这样既能保证机架足够的刚度又能减少焊接时的变形和焊接过程中 产生的内应力。组合的机架刚性较差，但易于制造（不需要大型机床加工） 。目前生产的 组合机架往往用榫头和螺栓来连接，组合焊接的机架比组合机架的刚度好一些。 图3-2 机架 剪板机剪切瞬间作用于机架上的力有： 总剪切力（N） zy P 压料力（N） y P T推力（N） ；可以考虑 T=0.3 zy P N刀架对机架导轨的反力（N） 在计算立柱强度时应考虑最坏的载荷条件，假设总剪切力全部作用在一个连杆上， 即是每一块立柱上承受总剪切力。作用于，每一块立柱上的压料力可考虑总压料力的半 数。 3.2.1立柱断面应力计算与校核 键入文字 10 3.3.1刀架分类 刀架是剪板机的重要部件，被剪板料的剪切精度和端口质量在很大程度上与刀架以 及机架上导轨的结构有关，因此应该注意刀架的强度和刚度。 目前常见的刀架结构有三种：整体焊接的直线运动刀架、组合焊接的直线运动 刀架及整体焊接的摆动刀架。 整体焊接的直线运动刀架如果刀架沿垂线运动，一般上刀片只有两个刃，如果刀架 沿前倾线运动则刀片可作成四个刃。这种结构可用于上轴式和侧轴式剪板机。 组合焊接的直线运动刀架中，水平板和筋板先焊好，然后用螺栓固定到立板上 。调节螺栓使刀架在水平面内造成凸弧线，而在剪切时由于水平推力迫使刀架弯曲造成 凹弧线，如果调节适当，两项弯曲将互相抵消而使剪切精度得到提高。刀架运动由偏心 轴和连杆获得，一般都沿前倾运动。被剪板厚10毫米时前倾角采取3。连杆的下端（ 上端）作用在刀架立板顶端的小偏心轴上。 整体焊接结构的摆动刀架多数用于液压机械传动的剪板机。根据活塞和刀架的 连接方式基本山有三种形式： 1.侧面柱塞油缸的刀架； 2.活塞和油缸两端铰接式的刀架； 3.带有柱塞的刀架。这三种刀架断面应考虑抗弯和抗扭。 3.3.2刀架计算与校核 在进行计算时可以忽略去剪切角引起的刀片方向的水平分力，因为剪切角比较小（ 水平分力的最大值不超过0.06） 。刀架导轨上的单位压力随着被剪点的推移而变化，最 zh P 大单位压力应在剪切开始位置确定，因为此时的剪切力只作用在一个连杆上。刀架产生 的挠度和最大应力应在刀架的中间断面确定，因为此时剪切力产生的弯矩最大。 剪板机的下刀刃是一条水平直线，为了让刀架在摆动中实现上刀刃自左至右对板料 的均匀连续剪切，上刀刃上的所有点都必须沿着以刀架回转中心O为圆心，以剪切半径R 为半径的圆弧ss摆动（图4)。为了实现斜剪，上刀刃自左至右必须与水平倾斜一个角度， 即上刀片刃口与下刀片刃口之间有一个夹角，通常称为剪切角。综上所述，上刀刃自左 至右既要在ss圆弧线上又要沿剪切角上升，它的轨迹就形成了一条圆柱螺旋线，其轨迹 方程式为： cosRX sinRY cotRZ 键入文字 11 式中刀架摆角 图3-5 上刀刃轨迹 在载荷的最危险条件下（剪切力作用于中间断面）计算刀架的应力和刚度。整体焊 接刀架断面的计算如下，先确定断面对垂直坐标轴和水平坐标轴的重心位置以及惯性矩， 然后计算出惯性矩积和断面惯性主轴的转角。 按下式确定该断面对主轴和的惯性矩 0 x 0 y 2sinsincos 22 0cccc yxyxx JJJJ 2coscossin 22 0cccc yxyxy JJJJ 当确定弯矩时作用在刀架上的力引向断面的重心，当确定扭矩时该轴引向扭矩轴。 绕扭矩轴的扭矩由下式求得 NM x d y CP L CTM zh ) 2 ( 2 1 0 式中刀架宽度 d L 因此=32458N 0 P =11260N 0 T 键入文字 12 图 3-6 上刀架 下面确定作用在图 5 剖面 c-c 上的弯矩。由产生的弯矩 0 P NM 4 )( 10 0 AP M PW 由力产生的弯矩 0 T NM 4 )( 10 0 AT M TW 式中刀架宽度 1 A 因此=16229NM 0 )(PMW =5630NM 0 )(TMW 由已经得到的弯矩，求得作用在刀架上的弯曲应力 MPa 0 0 )( 1 x xpw w J lM MPa 0 0 )( 2 y yTw w J lM 求得=16MPa 1w =5.6MPa 2w 查资料得 Q235 刀架的许用应力值为 60MPa,液压剪板机则为 80MPa。 刀架在水平面内的允许挠度 f 50 h 式中 h被剪板厚 因此=0.02mm f 3.4托料装置 键入文字 13 剪切薄板时，如果被剪下部分悬出工作台很长，板料就容易向下弯曲，因此要考虑 托料装置，托料装置有两种：一种是从被剪板料底面向上拖住，另一种是从被剪板料上 面吸住。 从底面拖住的托料装置中，托料摆杆在电磁铁工作时处于水平位置，板料就被拖住 。剪切开始前电磁铁就断开，托料摆杆由于自重而向下摆开。 从上面吸住板料的电磁辊装置中。电磁辊装置由几组电磁辊所组成，电磁辊装在支 架的孔内，每个支架由两根拉杆悬挂在刀架的水平板上。当不需要电磁辊时可提起拉杆 并将插销旋转180，板料就可以自由通过。孔的直径略大于电磁辊的支撑轴径，当板料 局部隆起时相应的电磁辊就被抬起。电磁辊的吸力可以调节使其略大于被剪下部分的重 量，如果吸力小于被剪下部分的板料重量则板料容易向下弯曲。吸力的值可以根据板料 相接触的辊子数量来确定，如果吸力过大则可以提起几组辊子，或者提升支架的一端使 局部辊子和板料相接触。 考虑到成本和简单问题，因此选择前一种。 3.5刀具 剪板机的下刀片都具有四个刃。刀架沿前倾直线运动的剪板机上刀片可以具有两个 刃或者四个刃。刀架沿弧线运动的剪板机上刀片只宜有两个刃，而且必须将上刀片用螺 钉或者垫片调整为一个空间曲面，因此上刀片的长度尽可能增大以减少接缝数。如果接 缝处调整不当将导致刀具磨损的加剧和被剪板边偏差的增大。 刀片顶面应稍低于工作台面，偏差为-0.20毫米。 国产剪板机刀片材料常用6CrW2Si， （热处理后硬度为 RC58-60)。T7A,9CrSi，Cr12P1 ，Cr12Mo 和 Cr6VP 也可作刀片的材料。国外实验用硬质合金 BK15或 BK20镶在剪刀片上来 提高两次刃磨的间隔时间。 刀片的尺寸参阅下表3-2 表3-2 刀片尺寸 被剪板厚 h（毫米） 刀片尺寸 T*H（毫米 ） 螺孔直径 d（毫米） 12.520*6013 41625*8017 202532*12022 324045*15033 键入文字 14 刀片刃部应经常保持清洁，并应涂上含有二硫化钼或石墨的润滑脂。 4 液压部分设计 4.1 基本方案 4.1.1 调速方案 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定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。对于一般中小流量的液压系统，大多通 过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与 先导控制阀的逻辑组合来实现。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来 实现。相应的调整方式有节流调速、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，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量 来调节速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量 大，多用于功率不大的场合。 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。其优点是没有溢流 损失和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适 用于功率大、运动速度高的液压系统。 容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的 流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但 其结构比较复杂。 节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较 小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。 调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。 节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经 系统释放能量后，再排回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混 入空气。 键入文字 15 容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的 排油口相通，形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。 经过比较选用容积调速系统 4.1.2 压力控制方案 液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也 有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用 溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安 全保护作用。 在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压， 而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵 的情况下，需考虑选择卸荷回路。 在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所 需的工作压力。 4.1.3 顺序动作方案 主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是 随机的或人为的。工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工 机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，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。行程 开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的 场合。 另外还有时间控制、压力控制等。例如液压泵无载启动，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。压力控制多用 在带有液压夹具的机床、挤压机压力机等场合。 通过比较，考虑本设计动作方案为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。某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力 达到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下一 个动作。 4.2供油方式卸荷回路 整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去 掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。 要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。 键入文字 16 为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压 力表、温度计等） 。 大型设备的关键部位，要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要 连续工作。 各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的 常态位置绘制。对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。系统图中应注明各液 压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、 行程阀及其他控制元件的动作表。 考虑到剪板机工作时所需的功率，我们可以采用容积调速方式。为满足速度的有级 变化，用压力补偿变量液压泵供油。即在快速下降时，液压泵以全流量供油，当转换成 慢速加压剪断时泵的流量减小在最后5mm内，使变量泵减到零。当液压缸反向回程时，泵 的流量恢复到全流量，液压缸的运动方向采用三位四通M电磁换向阀控制，停机时换向阀 处于中位，使液压泵卸荷。为防止上刀架及上刀片由于自重而出现速度失控现象，在液 压缸无杆腔回油路上设置一个内控单向顺序阀。本机采用行程控制，利用行程开关来切 换电液换向阀，以实现自动循环。综上拟定的剪板机的液压系统原理如图所示： 图4-1 液压系统图 1-双联叶片泵 2-溢流阀 3-顺序阀 4-单向阀 5-三位四通电磁换向阀 6-调速阀 7、10-单向阀 8-二位三通机动换向阀 9-压力继电器 11-二位二通电磁换向阀 12-滤油器 13-压力表开关 键入文字 17 本系统主要是实现刀架的提升和下降，所以对流量和速度的要求不高，选用定量泵 即可。液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系 统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油 量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调 速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。 为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循 环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间 所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。 油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统 的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回 油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对 温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。 由于工作要求，本系统中需要卸荷回路，设计采用二位二通电磁换向阀实现。 4.3 液压系统性能的验算 液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各回路形式、液压元件及联 接管路等完全确定后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。对一般液压传 动系统来说，主要是进一步确切地计算液压回路各段压力损失、容积损失及系统效率， 压力冲击和发热温升等。根据分析计算发现问题，对某些不合理的设计要进行重新调整， 或采取其他必要的措施。 4.3.1负载分析及运动分析 上刀架作上下直线往复运动，且行程小（只有250mm） ，故可选用单杆液压缸作执行 器，取缸的机械效率 。 91.0cm 根据技术要求和已知参数对液压工况负载进行计算 液压缸外负载力分析计算结果 快速下降 启动加速 2.10 2.0 025.0 8.9 8001 1 t v g G Fi 等速 0 慢速剪切 初压 2500%5max1 FFe 终压 50000max2 FFe 快速回程 启动 4.820800 2.0 05.0 8.9 8002 2 G t v g G GFi 等速 800 GF 键入文字 18 制动 6.779 2.0 05.0 8.9 800 800 2 2 t v g G GFGi 说明：(1)由于忽略摩擦力，故快速下降等速时外负载力为0 (2)剪切时切刀上的工作负载分为两阶段，初压阶段负载力缓慢地线性增加约达总 切力的5%，终压阶段，负载力急剧增加到最大剪切力，上升规律近似于线性。初压行程 约占工作行程的2/3，终压行程约占工作行程的1/3。 剪板机各工况持续时间 快速下行 s v L t2.9 25 230 1 1 1 慢速剪切 初压 s v L t5.0 20 10 2 2 2 终压 s v L t25 . 0 20 5 2 20 20 快速回程 s v L t5 50 250 3 3 3 4.3.2确定液压缸参数 1.液压缸尺寸计算 根据机械设计手册，我们预选液压缸的设计压力为5Mpa，将液压缸的无杆腔作为主 工作腔，考虑到液压缸下行时，上刀架及上刀片自重采用液压方式平衡，则可计算出液 压缸无杆腔的有效面积为 m P F A cm 2 1 max 1011 . 0 500000091 . 0 50000 液压缸内径 mmm A D3 .1181183 . 0 011 . 0 441 按国标GB/2348-1993 取标准值D=120mm=12cm 根据快速下行与快速上升的速度比确定活塞杆直径d 2 25 50 22 2 1 3 dDD v v 求出d=84.8mm 取标准值d=85mm 液压缸的实际有效面积为： cmD A 222 104.113 44 12 键入文字 19 cmdD A 2222 2 232.56) 5 . 812 ( 4 )( 4 2.液压缸压力与流量计算 快速下行 启动阶段 Pa A F P cm i 992 91 . 0 10 04.113 2 . 10 4 1 1 min/92.16/ 6 . 2825 . 204.113 3 11LscmvAq 恒速阶段 P=0 q=0 慢速加压 初压阶段 Pa A F P cm e 10 234.0 91.0 10 04.113 2500 6 4 1 1 min/54.13/08.226204.113 3 21Ls cm vAq 终压阶段 Pa A F P cm e 10 86 . 4 91 . 0 10 04.113 50000 6 4 1 1 0min/54.130/08.226 3 Ls cm q 快速回程 启动阶段 Pa A F P cm 10 6 . 1 91 . 0 10 32.56 4 .820 5 4 2 q=0 恒速阶段 Pa A F P cm 10 56 . 1 91 . 0 10 32.56 800 5 4 2 min/86.16/ 6 . 281532.56 3 32Ls cm vAq 制动阶段 Pa A F P cm 10 52 . 1 91 . 0 10 32.56 6 . 779 5 4 2 q=0 3.功率计算 快速下行（启动）阶段： wPqp28.0 10 6.282992 6 快速下行（恒速）阶段： 0p 慢速加压初压阶段： wPqp55 10 6.282 10 234.0 66 慢速加压终压阶段：在行程只有5mm，持续时间仅，压力与流量的变 st25.020 键入文字 20 化情况较为复杂，为此作如下处理： 压力由0.243MPa增至4.86MPa，其变化规律可近似用一线性函数P（t）表示，即 ttP47.18243.0 25.0 243.086.4 243.0 流量由226.08减其变化规律，也可以近似用一线性函数q(t)表示，即 )41(08.226) 25.0 1(08.226t t q 从而得此阶段功率方程 )47.18243.0)(41(08.226ttPqp 令，求得极值点t=0.1184s 0 t p 此处最大功率为 wpp1.289)1184.047.18243.0)(1184.041(08.226max 在t=0.1184s处，压强 MPaP43.21184.047.18243.0 流量 min/12 . 7 /119)1184 . 0 41 (08.226 3 Ls cm q 快速回程阶段： 启动 wPqp45 10 6 . 282 10 6 . 1 65 恒速 wPqp44 10 6 .282 10 56 . 1 65 制动 wPqp 8 . 42 10 6 . 282 10 52 . 1 65 4.3.3 活塞的设计 活塞有整体式和组合式两大类。整体式活塞结构简单可靠，但加工比较复杂，适用 于活塞尺寸小，活塞杆较短的场合。组合式活塞的典型结构有焊接式，螺纹联接，卡环 联接，双螺母联接。本设计采用双螺母联接。 活塞杆的设计 (1)活塞杆的直径取为 d=2/5D=80mm (2)活塞杆的强度和稳定性校核 液压缸支承点和活塞杆端点的最大长度液压缸属于短行程，600 B Lmm10d800mm 按轴向拉伸或压缩计算强度。 2 4F d 键入文字 21 MPa mm KN 33.1135 . 6 )80( 324 2 所以符合强度要求 1.活塞杆头部取平头圆柱形 活塞杆采用表面硬化处理，如 45 钢表面高频淬火，硬化层深度 0.051 毫米(或直 径的 3%)，硬度 4555HRC，表面应镀硬铬，厚度 1525 微米，防腐要求特别高时，则 要先镀一层软铬或镍，后镀硬铬，镀后抛光，用于低负载、低速或良好环境时，活塞杆 表面可以不处理。 活塞杆外径公差取，直线度误差小于等于 0.02 毫米每一百毫米,表面粗糙度 7 f 9 f 0.30.4m，精度要求高时取 0.10.2m。 a R 所以 符合强度要求 2.活塞杆头部取平头圆柱形 活塞杆采用表面硬化处理，如 45 钢表面高频淬火，硬化层深度 0.051 毫米(或直 径的 3%)，硬度 4555HRC，表面应镀硬铬，厚度 1525 微米，防腐要求特别高时，则 要先镀一层软铬或镍，后镀硬铬，镀后抛光，用于低负载、低速或良好环境时，活塞杆 表面可以不处理。 活塞杆外径公差取，直线度误差小于等于0.02毫米每一百毫米,表面粗糙度 7 f 9 f 0.30.4m，精度要求高时取0.10.2m。 a R 活塞杆的运动速度较快，运动部件质量较大时，为了防止运动部件到终端时与缸的 端盖产生撞击，液压缸应该有缓冲装置。缓冲装置利用油液的节流原理实现制动。常见 的缓冲装置有环形间隙式、节流可变式和节流口可调式。每种还有多种结构形式。环形 间隙缓冲装置由活塞上的圆形凸台和液压缸端盖上的凹形腔组成.当活塞移动接近端盖时,凸 台进入凹孔,将封闭在活塞与端盖间的油液从环状间隙中挤出。活塞速度被减慢，形成缓 冲。这种装置结构简单，开始作用时缓冲效果很大，但效果逐渐减弱，缓冲作用还受油 温的影响。形成环状间隙的凸台可以做成圆锥形阶梯形和抛物线形等，可以改进其缓冲 效果。 图 4-2 环形间隙式、节流可变式液压缸 在系列化的成品液压缸中，由于事先无法知道液压缸的实际速度和运动部件的质量， 为简单起见，多采用环形间隙式缓冲。 节流可变式缓冲装置在活塞上开有轴向的三角形节流槽，活塞与端盖间的油液须经 三角槽流出，而使活塞制动。缓冲均匀，制动精确。出油口须装单向阀，用于反向启动。 键入文字 22 节流口可调缓冲装置也有凸台和凹孔结构，还在液压缸的端盖上装有节流阀和单向 阀，活塞与端盖间的油液经针形节流阀开口，可改变吸收能量的大小。单向阀用于反向 启动。这种结构应用较广泛。 考虑到本液压缸的结构和所承受的重力和冲击不大，本设计所采用的是节流可变式 缓冲装置。 4.3.4动力元件选择 可以看到液压缸工作的整个过程中最高工作压力出现在加压结束时P=4.86MPa，此时 缸的输入量极小，且进油路元件较少，故泵至缸间的进油路压力损失估取为， MPaP5.0 可以算得泵最高工作压力，液压泵的最大供油量按液压缸最大输 MPaPp36 . 5 5 . 086 . 4 入流量进行估算，取泄露系数K=1.1，则， min/92.16L min/612.181.192.16Lqp 根据以上计算结果查阅手册，选用规格相近的25YCY1B压力补偿斜盘式轴向柱塞泵， 其额定压力为32MPa,排量为25ml/s。 最大工作压力出现在终压阶段，由此时的液压缸工作压力式和流量式可算得此时液 压泵的最大理论功率 wPPKqpt375)5.0363.2(1191.1)( 取泵的总效率，则液压泵的实际功率即所需电动机功率为 85. 0p w p p p t p441 85. 0 375 查阅相关手册，选用Y8024型三相交流异步电动机，其额定功率为0.75kw，额定转 速为1390r/min。 按所选电动机转速和液压泵的排量，液压泵的最大理论流量为 min/75.34min/34750251390LmlnVqt 大于计算所需流量18.612L/min，满足适用要求。 根据所选择的液压泵规格及系统工作情况，容易选择系统的其它液压元件，一并列 出，如下表4-2： 表4-2 液压元件规格 序号液压件名称 通过的最大实际 流量（L/min） 型号规格规格 键入文字 23 1双联叶片泵18YB-10/12 (10/12)L/min 6.3MPa 2溢流阀7.296Y-25B 25L/min 6.3MPa 3顺序阀18XY-25B 25L/min 6.3MPa 续表4-2 4单向阀18I-25B 25L/min 6.3MPa 5 三位四通电磁换 向阀 4434D-63B 63L/min 6.3MPa 6调速阀18Q-25B 25L/min 6.3MPa 7、10单向阀18I-25B 25L/min 6.3MPa 8 二位三通机动换 向阀 1823C-25B 25L/min 6.3MPa 9压力继电器-DP1-63B 调速范围 1-6.3MPa 11 二位二通电磁换 向阀 1822D-25B 25L/min 6.3MPa 12滤油器18XU-40100 40L/min 100m 13压力表开关-K-6B6.3MPa 4.4 液压系统的调试 液压系统总体布局有集中式、分散式。 集中式结构是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或安装 在地下，组成液压站。如冷轧机、锻压机、电弧炉等有强烈热源和烟尘污染的冶金设备， 一般都是采用集中供油方式。 分散式结构是把液压系统中液压泵、控制调节装置分别安装在设备上适当的地方。 机床、工程机械等可移动式设备一般都采用这种结构。 键入文字 24 液压阀的配置形式 1.板式配置 板式配置是把板式液压元件用螺钉固定在平板上，板上钻有与阀口对应 的孔，通过管接头联接油管而将各阀按系统图接通。这种配置可根据需要灵活改变回路 形式。液压实验台等普遍采用这种配置。 2.集成式配置 目前液压系统大多数都采用集成形式。它是将液压阀件安装在集成块 上，集成块一方面起安装底板作用，另一方面起内部油路作用。这种配置结构紧凑、安 装方便。 预安装时，先将液压系统，液压缸固定在规定的基础上，然后根据图纸要求把液压 系统各部件的进出油口按原理图管路连线要求用要求的管路连接起来，弯管处椭圆度不 低于97%； 正式安装前，要将管道内部冲洗干净，本套设备要求冲洗后管道内部清洁度不低于 17/14（ISO4406） ，相当于Nas8级； 正式安装时，各管口要求擦拭干净，不准有砂粒、焊渣等污物进入管道内，管道安 装完毕后，可在适当位置上安装管