液压式砌块制备机液压系统设计 机械设计制造及其自动化（设备工程）专业毕业设计 毕业论.doc

本 科 毕 业 论 文（2012届本科）论文题目 液压式砌块制备机液压系统设计 学 院 机械与电气工程学院 系 别 机械设计制造及其自动化（设备工程）专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 完成日期 2012年6月1日 教务处制液压式砌块制备机液压系统设计摘要 我国的黄河由于泥沙长期淤积使河床不断抬升，形成“地上河”，给黄河的防汛工作带来极大的困难与风险。针对黄河泥沙资源化中大型备防石的制作问题，参考液压免烧式成型砖设备，开发集机械、电气和液压于一体的自行走式砌块制备机，就地取材，就地治理，为合理有效地利用黄河泥沙提供切实可行的手段。 本文在充分研究液压式砌块制备机的机械构造、工作原理以及相关技术要求的基础上，侧重液压式砌块制备机液压系统的设计，包括液压回路的设计和液压件的选型设计。具体内容如下：第1章主要介绍课题提出的背景以及液压传动系统的特点；第2章主要对设备的液压系统进行方案设计；第3章是针对设备的施工设计；第4章针对系统进行动态仿真。关键词 砌块制备机,机电一体化,液压系统ABSTRACT Yellow River sediment deposition in the river because long-term to continuously rise, form the ground river, to the Yellow River flood bring great difficulties and risks. Sediment resources in the yellow stone for the production of the medium, reference hydraulic from burning type brick molding equipment, the development set mechanical, electrical and hydraulic pressure in the integration of to go type block preparation machine, use local materials, on-site management, for the rational use of the Yellow River silt provide practical means. Based on the full study of hydraulic machine mechanical structure of block preparation, work principle and relevant technical requirements, this paper is on the basis of hydraulic block on preparation machine hydraulic system design, including hydraulic circuit design and hydraulic parts of the selection of the design. Specific content as follows: chapter 1 mainly introduces the background of the subject and put forward the characteristics of hydraulic drive system; Chapter 2 of the hydraulic system of main equipment scheme design; Chapter 3 is for the equipment construction design; Chapter 4 of system dynamic simulation.Keywords block preparation machine, mechanical and electrical integration, hydraulic system目录第一章 绪 论41.1 课题背景41.2 液压传动的特点及应用51.3 液压传动系统的组成及作用61.4 液压技术的发展趋势7第二章 液压式砌块制备机的液压系统方案设计82.1 液压系统总体设计82.1.1 液压式砌块制备机的结构简介和工作原理82.1.2 工况分析82.1.3 拟定液压系统原理图102.2 液压系统的计算和元件选型172.2.1确定液压缸的主要参数172.2.2液压元件的选型212.3 验算液压系统性能252.3.1 验算系统压力损失252.3.2 验算系统发热温升252.4液压系统工作介质的选择262.5主液压缸的结构设计272.5.1 主液压缸主要结构尺寸的设计272.5.2 活塞的设计322.5.3 导向套的设计与计算332.5.4其他设计计算34第三章 液压泵站的设计353.1 液压装置的结构形式353.2 选择液压泵站的类型353.3 液压油箱的设计363.3.1 油箱的类型363.3.2 油箱的功用363.3.3 油箱容量的确定373.3.4 油箱外形尺寸的确定373.3.5 液压油箱的结构设计38第四章 液压系统的仿真40第五章 基于PLC的液压系统自动控制425.1 PLC电气控制系统简介425.2 PLC在液压式砌块制备机上的应用43第六章 结论44附录 PLC源程序45参考文献48致谢49液压式砌块制备机液压系统设计第一章 绪 论1.1 课题背景节能环保成为时代的主题已经是毋庸置疑的，由于人类用以维持生产和生活的资源与能源正在逐渐减少，而且随着人类活动的日趋活跃，我们的生态环境正在经受前所未有的考验。曾几何时，碧水蓝天是我们歌颂的对象，而现在却变成了一种可望而不可即的奢望。人类在改造自然的同时已经将自然破坏得体无完肤，并且越来越频繁地受到来自自然的无情报复。因此，才有了节能环保和可持续发展等概念的提出。因为我们意识到，浪费与污染无异于自掘坟墓，我们必须在保证自己生存发展的前提下还自然以碧水蓝天，还后代子孙以生存的权利。黄河本身具有其与众不同的特点。它流经我国的黄土高原地区，沿途携带了大量的泥沙，经过长年累月的积淀，使得黄河下游河道的河床高于两岸地面，形成“地上河”，防洪治理具有特殊的困难。河流堤防中最常见的一种构筑物叫做丁坝，其主要功能是防止河岸受流水的直接冲蚀而产生掏刷破坏。丁坝是黄河堤岸安全的重要屏障，其构筑材料多来自开采的天然石块。然而，在距离山区较远的平原地区，石块的开采和运输需要耗费巨大的人力物力，这成为直接制约黄河丁坝建设的巨大障碍；另一方面，随着免烧砖技术的日益成熟，使得黄河大量的泥沙有了用武之地。因为泥沙正是免烧砖的主要原料之一，因此用免烧砖块替代开采石块用于丁坝的建设这项一举两得的工程便顺理成章地被提了出来。本文设计的液压式砌块制备机就是这样一种设备，它的整套设备都安装在工程车上，可从黄河中就地取材，在河堤上移动式作业，将黄河泥沙压制成600*600*600大小的砖块，以供黄河堤防之用。免烧式压制砖块比之传统的开采石块具有以下两大优点： (1)节能环保，节约成本。由于开采石块受到产地的限制，需要花费大量的开采和运输费用，在油价节节攀升的今天，用开采石块作为堤防材料显然会增加建设的成本；另外，大量地开采石块势必会破坏被开采地区的生态环境，这种损失将是不可估量的。而用免烧砖代替开采石块可在极大程度上解决以上问题，液压式砌块制备机为一移动式设备，可随工程车在任意河段进行作业，简单便携，灵活性强，随制随用。在节省大量运输费用的同时保护了山体的自然生态环境。 (2)化废为宝，物尽其用。“世界上没有真正的垃圾，只有放错地方的资源”。免烧砖的诞生是这个观点又一个有力的诠释。免烧式液压制砖机的原料来源广泛，如炉渣、矿渣、沙子、尾砂矿、石粉、水渣、煤矸石、粉煤灰等都是生产免烧砖的重要原材料。黄河多年平均来沙量达16亿吨，如此数量巨大的泥沙一方面使黄河的防汛形势日益严峻，另一方面却为免烧砖提供了为数可观的原料，为黄河的堤防建设创造了坚实的物质条件。移动式的液压制砖设备可因地制宜、就地取材，在降低黄河堤防建设投入的同时，可有效地改善黄河的通流能力，可谓一举两得。1.2 液压传动的特点及应用顾名思义，液压传动就是利用液体的压力来传递动力和信息的传动方式。与机械传动和电气传动相比，液压传动不仅具备其独特的优点同时也存在由其传动特点所决定的缺陷。 （1）液压传动的优点液压传动过程均匀平稳，特别是具有良好的低速稳定性，能有效避免出现爬行现象。可方便地进行大范围的无级调速，这是机械传动和电气传动很难做到的。功率密度大，与机械传动和电气传动相比，输出同等的力或力矩，采用液压传动系统可大大地减轻设备的自重。这对于大功率、响应速度要求高同时需要减小设备体积、自重的场合意义重大。可方便地进行远程控制。因为液压元件是采用管道连接的，故允许液压泵与执行元件相距较远；另外，液压元件可根据生产现场的实际需要进行灵活的安装，对工作环境适应能力较强。工作安全可靠，液压阀的使用使液压系统易于控制并能实现过载保护。（2）液压传动的缺点传动效率较低。由于液压传动过程中存在机械摩擦损失和液压油泄露损失，所以其总效率比机械传动和电气传动的效率低。无法保证精确的传动比。由于传动介质的可压缩性和泄露的存在，液压传动无法保证严格的传动比。对油液污染敏感。液压系统安全、稳定工作的前提是保证工作介质的清洁，受污染的油液对系统的危害极大，它会加剧液压元件的磨损、降低传动效率甚至使系统失效。 液压元件的制造精度要求较高，在一定程度上提高了液压系统的造价。尽管液压系统目前仍存在一定的缺陷，但其优点却是十分明显的，且随着液压技术的日益成熟，其某些缺点正得到逐步的弥补，故其依然得到快速的发展和广泛的应用。 （3）液压传动的应用自从1654年帕斯卡提出液体的静压原理至今，液压技术已经经历了从启蒙、发展到成型、成熟等发展阶段，且在现代科学技术和相关领域最新成果的基础上，不断克服其自身存在的缺点，成为现代机械设备的重要组成部分。其应用几乎涵盖了国民经济的各个领域：如工业机械（包括矿山冶金机械、机床机加工中心、压力加工机械等）；行走机械（包括建筑机械、农林牧机械、工程机械、汽车等）；船舰（包括船舶 的甲板机械、舵机、操纵及控制系统）；航空航天（包括飞机、宇宙飞船、卫星发射装置）。1.3 液压传动系统的组成及作用 液压传动系统的组成如图1.1所示： 工作介质动力元件执行原件 输入机械能 PQ PQ 输出机械能 T 辅助元件控制元件 图1.1 液压系统的能量转换及构成元件示意图（1） 动力元件液压系统中的动力元件即指液压缸，其工作原理是利用密封容积的变化，将电动机或内燃机输入的机械能转变为液压油的压力能。（2）工作介质 液压系统中的工作介质通常为液压油，它是能量的载体，是连接原动件和执行件的桥梁。 （3）执行元件执行原件与动力元件的作用相反，它是将油液的压力能能转换为机械能的装置，一般指液压缸和液压马达。液压缸将液压能转换成往复直线运动，输出力和速度；液压马达将液压能转换成回转运动，输出扭矩和和转速。（4）控制元件控制元件在液压系统中用于控制系统的压力、流量和方向，包括各种液压阀。（5）辅助元件辅助元件包括油箱、滤油器、管道、管接头、蓄能器等。它们虽然称为辅助元件，但却是液压系统中不可或缺的组成部分。1.4 液压技术的发展趋势当前液压技术正朝高速、高压、高效、大功率、低噪声、高可靠性、高集成化的方向发展。其发展趋势主要集中体现在以下几个方面。（1）开发高效节能的元件。世界能源日益紧缺，高效节能已经成为液压系统乃至整个制造业的重要课题之一。高效节能，换言之就是以最小的投入获得最快最大的产出，这是一项系统的工程，涉及设计、制造、材料、工艺等各方面的问题。（2）发展集成、小型化和轻量化的液压元件。随着液压技术应用范围的逐步拓展，其系统也越来越趋于复杂，因此要求液压元件具有高可靠性、易维修、节省安装空间，故必须发展上述类型的液压元件。继叠加阀、集成块、插装阀等油路集成方式之后，近几年又出现了动力元件上附加控制元件的一体化复合液压装置。（3）开发研究以环保、安全可靠和可持续发展为目标的液压系统。由于石油资源的不可再生性，以及泄露造成的污染，促使以纯水为介质的液压系统具备进步的时代意义。（5）技术标准化研究。标准化是许多行业尤其是制造业极其重要的发展基础，它可以极大地提高生产效率，促使行业的快速发展。液压传动技术较机械传动技术要年轻许多，其标准化依然任重而道远。第二章 液压式砌块制备机的液压系统方案设计2.1 液压系统总体设计2.1.1 液压式砌块制备机的结构简介和工作原理 （1）结构简介液压式砌块制备机的机身为四立柱机身，压制液压缸安装于上横梁的中间孔上，主机正下方、支撑面上铺设专用轨道，成型模具（下模箱）从主机底部一侧沿专用轨道进出主机，制备机的主机和相关设备（包括液压泵站、传送带、自动搅拌机、中央控制单元等）都安装在工程车上，以适应野外作业环境。 （2）工作原理系统工作过程中，搅拌机对原料进行搅拌；搅拌完成的原料通过传送带送至成型模具里；原料填满后，电机驱动成型模具从一侧沿轨道进入主机下方指定位置；成型模具底部的四个支腿在液压作用下伸出以使成型模具底部的四个轮子悬空，液压缸锁紧，使成型模具准确定位在主压头正下方；之后主液压缸推动压头下降，当压头刚好降至与下模顶部平齐时停止下落，此时，安装在主压头中的四个超声波压头在油液推动下伸出并发射超声波，一定频率的超声波振实成型模具里面的原料；原料初步密实后，超声波压头收回，主压头继续下压使砖块达到设计的尺寸和密实度；压制完成后，主压头收回，成型模具支腿收回以让四个轮子接触支撑面，电机驱动轮子将成型模具与砖块一起送出主机进行脱模，至此完成一个工作循环。2.1.2 工况分析（1）技术要求和已知条件 主液压缸该液压式砌块制备机主压头的工作负载（即压制阻力）为40000N，主压头（上模）的尺寸为，材料为45钢（），则自重为G=937.27N ，工作过程为：快速下降 慢速加压 快速回程。快速下降速度，慢速加压的速度为，快速回程速度为，快速下降行程,振动压头振幅，慢速加压行程,快速回程行程。启动、制动时间。振压液压缸四个振压液压缸呈圆形均布安装于主压头里，其模型如图2.1.1所示。 图2.1 主液压头其伸出后发射一定频率的超声波对成型模具里的原料进行振实，而液压部分只负责控制其伸出与收回，除了压头自重外，几乎不承受其他外加负载，因此这部分的液压回路设计相对简单，压力与流量相对较小。选择工作压力0.5MPa，伸出速度为，返回速度为。压头直径为120mm，厚度为35mm，则压头自重为31kg。计算得每一个液压缸在不同工况下的负载分别为，。支腿液压缸成型模具进入主机下方后，支腿液压缸伸出使轮子脱离支撑面，此时液压缸只承受成型模具的自重，其外尺寸为，内尺寸为，由此可计算其实际体积为： (2.1)材料为45钢，则其重量为=668.035kg，每个支腿液压缸的外负载为 (2.2)压制过程中，成型模具承受了成型模具、砖块的重量以及主液压缸的压制力，通过咨询相关专业人员得知一般泥沙压制的砖块的密度为，则尺寸为的砖块的重量为: (2.3)由此可得四个支腿的液压缸所受的力为: (2.4)则作用在每个支腿液压缸的外负载为: (2.5)压制结束后，主液压缸收回，此时支腿液压缸承受成型模具和砖块的重量，则每个液压缸的外负载变为: (2.6)选择工作压力为1MPa，下行速度，返回速度。 （2）液压执行元件的配置该液压式砌块制备机为立式布置，工作压力不大，主液压缸行程中等，振压液压缸和支腿液压缸行程较小，且往复速度不同，故拟选用缸筒固定的立置单杆活塞缸作为执行元件，驱动各液压缸执行相应的动作。2.1.3 拟定液压系统原理图 （1）动力分析和运动分析 主液压缸的动力和运动分析根据主液压缸的技术要求和已知参数对主液压缸外负载进行计算，结果如表2.1所示： 表2.1 主液压缸外负载力分析计算结果工况计算公式外负载/N说明快速下降启动11.94为下行平均加速度。匀速 0慢速加压40000快速回程启动961.16匀速937.27制动913.38根据已知参数，液压缸各工况持续时间计算结果如表2.2所示： 表2.2 主液压缸工况持续时间 工况计算公式时间/s说明快速下降20压制过程分为两个步骤，先进行超声波振压使砂面下降3mm，再由主压头进行终压。慢速加压4.7快速回程11 主液压缸的运动分析和动力分析如图2.2所示:图2.2 主液压缸的/图 支腿液压缸的动力和运动分析根据主液压缸的技术要求和已知参数对支腿液压缸外负载进行计算，结果如表2.3所示：表2.3 支腿液压缸外负载力分析计算结果 工况计算公式外负载/N说明下行启动1653.39匀速1636.69制动1619.99停留12541.08回程启动32.41匀速0 （2）拟定液压系统原理图 确定供油方式根据该款液压式砌块制备机的技术要求，即适于户外作业、可移动便携式、工作压力不大，故选用实际中应用最为广泛的齿轮泵为系统提供压力油。因为齿轮泵具有以下几大特点：结构简单、制造方便、成本较低、重量轻、外形尺寸小、自吸性能好、对油液污染的敏感性差以及工作可靠等。这些优点都比较符合该款液压式砌块制备机各方面的技术条件。 锁紧回路的设计锁紧回路的功能是液压执行元件在不工作时切断执行元件的油液回路，确保其处于确定位置上，而不会因外力作用而移动。三位换向阀的中位机能、液控单向阀、单向顺序阀或制动器等都可实现锁紧功能。针对液压式砌块制备机，为防止主液压缸和下模箱支腿液压缸分别由于压头和下模箱的自重而下滑所可能产生的误操作和事故，必须在这两个支路中设计锁紧回路，以确保设备安全可靠地工作。在此拟选用液控单向阀实现这两个回路的锁紧功能。液控单向阀是允许油液单向通过，反向截止或按预定信号开启的单向阀，其在普通单向阀的基础上增加了一个液控口以控制油液反向流动时阀门的开闭。其原理图如图2.3所示。 图2.3 液压锁紧回路1液压泵；2溢流阀；3K型三位四通换向阀；4液控单向阀；5液压缸该回路的工作原理为：当电磁铁1得电时，三位四通电磁换向阀处于左工位，油液进入液压缸无杆腔，同时有部分油液进入液控单向阀的液控口使液控单向阀反向导通，有杆腔油液由液控单向阀、三位四通电磁换向阀流回油箱，活塞向下运动。当电磁铁得电时，三位四通电磁换向阀处于右工位，油液由液控单向阀进入液压缸有杆腔，无杆腔油液由三位四通电磁换向阀直接流回油箱，液压缸回程运动。当两边电磁铁均断电时，三位四通电磁阀在复位弹簧的作用下回到中位，油液直接流回油箱，液控单向阀关闭，液压缸被锁紧，这样便可有效地防止液压缸在非工作状态下由于压头的自重而自由下滑。 同步回路设计同步动作回路是用于保液压证系统中两个或两个以上的执行元件保持位移或速度相同的回路。该液压式砌块制备机的下模箱的模型如图2.4所示，它是承载原料和成型砖块的容器，由于它是同时肩负运输和成型两个任务，所以在其下方设计了车轮用于运送原料和成型砖，同时安装了液压缸驱动四个支腿在压制过程中使下模箱稳固地放置于压头正下方。鉴于这四个支腿液压缸在工作过程中承受了下模箱、砖块以及压制力的共同作用，在系统中占有重要作用。为了使下模箱在压制开始时保持处于水平状态（若下模箱倾斜，可能导致上压头下压时卡在下模箱里而造成事故），故必须保证四个支腿液压缸具备速度的同步性，这样才能保证在设定时间内具有相同的位移，从而使下模箱保持水平。 图2.4 下模箱模型动作同步回路主要包括以下几种：机械连接同步回路、液压缸串联同步回路、采用流量阀控制的同步动作回路、采用液压泵或液压马达的同步动作回路。其中，采用流量阀控制的同步动作回路又包括并联调速阀的同步动作回路、液压缸双侧节流同步回路和分流集流阀的同步回路。根据液压式砌块制备机的技术要求以及充分分析各种同步动作回路的优劣情况，以简化系统结构、降低制造成本、符合工作要求为主要设计原则，选择了以分流集流阀来实现该同步动作回路。分流集流阀又称同步阀，其主要功能是实现两个或两个以上的执行元件在承受不同的负载时仍能获得相同的位移或速度。分流集流阀可分为分流阀、集流阀和分流集流阀。其中，分流集流阀可同时用作流阀和集流阀。该四液压缸同步动作回路的原理图如图2.5所示，其工作原理为：当电磁铁1得电时，三位四通电磁换向阀处于左工位，油液经过三个分流比分别为3:1、2:1和1:1的分流集流阀，成为四股流量相同的油液分别进入四个液压缸的无杆腔，同时有部分油液进入液控单向阀的液控口使液控单向阀反向导通，有杆腔油液由液控单向阀、三位四通电磁换向阀流回油箱，活塞向下运动，推动下模箱支腿伸出。之后电磁阀1YA断电，三位四通电磁换向阀处于中位，液压泵卸荷，四个液压缸锁紧。当电磁铁得电时，三位四通电磁换向阀处于右工位，油液由液控单向阀进入液压缸有杆腔，无杆腔油液经分流集流阀收集为一股油液从三位四通电磁换向阀流回油箱，液压缸回程运动，下模箱四支腿收回。 图2.5 四液压缸同步动作回路 1液压泵；2溢流阀；3K型三位四通电磁换向阀；4、5、6分流集流阀；7液控单向阀；8四缸支腿机构 液压系统原理图的总体设计 液压系统原理图的总体设计如图2.6所示。液压系统工作循环： I.液压泵启动，1YA和2YA得电，换向阀7和8左工位接通，油液经换向阀7、8的左工位和分流集流阀9、10、11进入成型模具的支腿液压缸无杆腔，液压缸伸出使车轮脱离支撑面，待液压缸完全伸出后，2YA断电使换向阀处于中位，液压泵卸荷，支腿液压缸在液控单向阀作用下锁紧保压。 II.1YA断电，4YA和5YA得电，换向阀7工作于右工位，换向阀20和14工作于左工位，油液经换向阀7、20、14和单向节流阀15进入液压缸17的无杆腔，推动液压缸快速下行，当液压缸压头行至与沙面接触时，6YA断电使换向阀14处于中位，液压泵卸荷，液压缸锁紧。 图2.6 液压系统原理图1油箱；2过滤器；3溢流阀；4液压泵；5截止阀；6压力表；7、20二位三通换向阀；8、14k型三位四通电磁换向阀；9、10、11分流集流阀；12、16液控单向阀；13支腿液压缸；15单向调速阀；17主液压缸；18U型三位四通电磁换向阀；19振压式液压缸 III.4YA断电使换向阀处于右工位，7YA通电使换向阀18处于右工位，油液经换向阀7、20、18流入振压液压缸的无杆腔使压头伸出，压头伸出后7YA断电、4YA通电使换向阀18处于中位且液压泵经换向阀14卸荷，执行原件处于浮动状态，为之后的超声波振压做好准备。 IV.超声波振压完成后，4YA断电、8YA通电，换向阀18处于右工位，振压液压缸19收回。 V.8YA断电，4YA通电使换向阀20工作于左工位，5YA通电使换向阀14工作于左工位，油液重新进入液压缸17的无杆腔，开始对下模具中的原料进行慢速加压；压制完成后，5YA断电，6YA通电使换向阀处于右工位，油液通过液控单向阀进入液压缸17的有杆腔使主压头返回。 VI.主压头回程后，6YA断电，1YA得电使换向阀处于左工位，3YA得电使换向阀8处于右工位，油液经换向阀7、8和液控单向阀流入支腿液压缸无杆腔，成型模具四支腿收回，车轮重新接触支撑面，将压制完成的砖块送出主机。至此，整个液压系统完成了一个工作循环。系统工作过程各电磁换向阀的通、断电情况见表2.4。 表2.4 电磁铁动作顺序表执行元件工况 电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA主压头伸出-+-锁紧-+-终压-+-回程-+-+-超声波压头伸出-+-超声振压-+-回程-+下模箱支腿伸出+-锁紧+-回程+-+- 注：“+”表示电磁铁通电，“-”表示电磁铁失电2.2 液压系统的计算和元件选型2. 2.2.1确定液压缸的主要参数根据主压头的工作负载初选液压缸的设计压力为，采用单杆活塞液压缸。根据主缸压力选取杆径比为 (2.7)则有杆腔与无杆腔的面积之比为。执行元件的背压设定为，机械效率。 （1）主液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 单杆活塞液压缸示意图如图2.7所示。伸出行程时，根据如下方程进行计算： （2.8）式中 无杆腔面积， 有杆腔面积， 活塞直径（缸筒直径）， 活塞杆外径， 液压缸工作腔压力， 液压缸回油腔压力， 机械效率 外负载， 图2.7 单杆活塞液压缸示意图代入已知数据，得 （2.9） （2.10） （2.11）查液压传动P143，根据GB2348-1993将这些直径圆整成标准值得：，。则液压缸的实际有效面积为: （2.12） （3）主液压缸实际所需流量计算 主液压缸快速下降时所需流量 （2.13）液压缸的容积效率，取 （2.14） 主液压缸慢速加压时所需流量 （2.15） 主液压缸快速回程时所需流量 （2.16) （4）确定支腿液压缸和振压液压缸的流量根据已知条件，利用以上的方法可确定支腿液压缸和振压液压缸的工作流量。计算结果如表2.5所示：表2.5 支腿液压缸和振压液压缸的流量工况负载/N速度/（mm/s）流量/（L/min）支腿液压缸伸出1636.69203.5停留12541.0800回程2541.08253.28振压液压缸伸出4.65301.32回程303.8351.16 （5）确定液压泵规格和驱动电机功率 根据前面的工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初选液压泵的工作压力取为，考虑到进出油路上各种液压阀和油液管道的压力损失约为，则液压泵的最高工作压力为 （2.17）上式计算所得的是液压系统的静态压力，考虑到系统在不同工况的过渡阶段出现的动态压力往往会超过起静态压力，另外系统必须要有一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右，因此选泵的额定压力应满足： (2.18)液压泵的最大流量应为： (2.19)式中，为液压泵的最大流量同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量，取最小溢流量。系统泄漏系数，一般取，现取。则 （2.20）液压泵的选择由于该系统的工作压力不大，负载较小，流量小，作业环境相对恶劣，因此选择外啮合齿轮泵。 其特点在2.1.3节已有所叙述，此处不再赘述。根据上面计算所得的最大压力和最大流量，查新编实用液压技术手册液压泵选型的相关表格，选择CB-32型齿轮泵。其技术参数如表2.6所示：表2.6 CB-32型齿轮泵技术参数型号排量（mL/r)压力（MPa)转速(r/min)效率（%）驱动功率（kW)质量（kg) 额定最高额定最高容积效率额定工况CB-32321012.5145016500.908.726.6 与液压泵相匹配的电机的选择由前面的分析可知，液压缸的最大压力出现在压制阶段，此时液压泵的供油压力为4.5MPa，流量为已选定的液压泵的流量值。液压泵的总效率。齿轮泵为0.630.87，取。 则驱动电机的功率为： （2.21）由于CB-32型齿轮泵的驱动功率为8.72kW,据此查机械设计使用手册Y系列三相异步电动机技术参数表，选择一般用途的单速三相异步电动机Y160M-4，其技术参数如表2.7所示： 表2.7 三相异步电动机Y160M-4技术参数型号额定功率/kW 满载时 转速/（r/min)电流/A效率（%）功率因数Y160M-411146022.6880.84根据所选的电动机的转速和液压泵的排量，计算得液压泵的最大实际流量为： （2.22）则该型号的电动机选择满足要求。2.2.2液压元件的选型阀类元件用于控制液压系统的压力、流量及油液的流动方向，从而控制执行原件的启停、速度、压力、方向、工作顺序等，以满足机械设备的工作条件。阀类元件无论是品种和数量在任何一类液压系统中都占有相当大的比列，在液压系统中起着举足轻重的作用。其正确选用关系到整个液压系统的静、动态特性以及工作的安全稳定性。辅助元件在液压系统中主要用于保证系统完成相应的传动任务，其对系统的工作效率和使用寿命影响巨大，应在设计过程中予以足够的重视。具体的辅助元件的选型应根据具体的液压系统的技术要求和工作条件综合分析再做出合理的选型决策。（1）对液压阀的基本要求： 结构简单、反应灵敏、工作可靠； 密封性好，压力损失小； 互换性好，便于安装维护。（2）阀类元件及辅助元件的选型根据液压系统中各执行原件的实际工作需要，同时考虑系统各部分的流量泄露和压力损失、安装方式和工作寿命，查新编实用液压技术手册和液压阀使用手册，对系统中所需的液压元件进行选型，结果如表2.8所示： 表2.8 阀类元件和辅助元件的选型序号元件名称估计通过流量型号规格1外啮合齿轮泵28.510MPa，驱动功率8.72kW2WU吸油过滤器2933通径，压力损失0.01MPa3直动式溢流阀256通径，40Mpa，管式联接4二位三通电磁换向阀28.53通径，21Mpa5分流集流阀1410通径,31.5MPa，分流比3:16分流集流阀10.510通径,31.5MPa，分流比2:17分流集流阀710通径,31.5MPa，分流比1:18K型三位四通电磁换向阀143通径，压力21MPa9二位三通电磁换向阀28.53通径，21Mpa10液控单向阀14内泄式，10通径，40MPa11K型三位四通电磁换向阀28.53通径，压力21MPa12U型三位四通电磁换向阀1.53通径，21MPa13单向调速阀28.510通径，14Mpa14液控单向阀28.5内泄式，10通径，40MPa （3）管道尺寸的确定管道用于连接液压系统中的各种液压元件以传递运动或动力。对管道的基本要求是：无泄漏、压力损失小、强度足够、安装方便。根据材质的不同分类，油管包括有缝钢管、无缝钢管、紫铜管、尼龙管、塑料管和耐油橡胶软管等。油管的材料取决于液压系统各部位的实际工作状况（包括工作压力、工作环境、各部分的位置关系等）。无缝钢管装配后能较长久地保持原形，一般用于中高压系统中。橡胶软管用于系统中有相对运动的部件间的连接，装配方便，但制造成本较高且寿命较短。紫铜管容易弯曲成所需的形状，安装方便，管壁摩擦阻力小，但由于铜会加速液压油的氧化，且铜资源并不丰富，因此在工程中应用并不广泛。耐油塑料管价格便宜、安装方便，但耐压能力低，其使用压力一般不得超过0.5MPa。尼龙管用于中低压系统中，能在-40+120温度范围内保持柔性、正常工作。 针对该款液压式砌块制备机的具体情况，系统压力属于中压范围内（2.5MPa8MPa），对于主液压缸（即压制液压缸）可用冷拔的无缝钢管，因为其被安装于机架横梁上，管道可与机架保持相对静止；同时考虑到主液压缸的工作压力以及成本，转弯处可用管接头实现弯曲。而对于下模箱部分，由于在每个工作循环中它都要从主机下面进出一次，则该部分的管道与主机之间存在相对运动，因此要求油管必须具备一定的弯曲能力，所以这部分只能选用橡胶软管。管接头的选用管接头是油管与油管、油管与液压元件之间的可拆装连接件，它必须满足拆装方便、密封可靠、抗振动、具有足够的强度、压力损失小、连接牢固等要求。管接头的结构形式多样，有用于硬管连接的焊接式、扩口式和卡套式，有用于软管连接的扣压式。管路旋入用的连接螺纹采用国标米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M)，前者靠自身锥体旋紧并用聚四氟乙烯密封，在中低压系统中应用广泛；后者密封性能好，常用于高压系统。此系统的管路连接选用锥螺纹连接。油管内径的确定油管的内径可根据通过油管的流量和允许的流速来确定： （2.23）式中 通过油管的流量，； 油管中的允许流速，。推荐值见表2.9表2.9 液压系统各管道流速推荐值油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管0.51.5液压系统压油管道36，压力高，管道短粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6 I.液压泵压油管的内径 根据表2.9推荐值并结合系统的实际情况，取 （2.24）查液压传动P160-161得钢管的公称通径，钢管外径，管接头连接螺纹。 II.液压泵回油管道内径取 （2.25）查液压传动P160-161得钢管的公称通径，钢管外径，管接头连接螺纹。管壁厚度的确定钢管或铜管的壁厚的计算公式： （2.26）式中 油管内最高工作压力 油管内径 m 油管材料的许用应力 ， 油管材料的抗拉强度 n安全系数，当时，取n=8；时，取n=6； 时，取n=4。根据系统的压力大小，取安全系数为n=4，油管材料为10号无缝钢管，其抗拉强度为=410MPa，则 。 I.液压泵压油管道的壁厚 （2.27） II.液压泵回油管道的壁厚 （2.28） 查表统一选择管道壁厚推荐值。2.3 验算液压系统性能由于液压系统的许多参数是通过估计或经验确定的，其设计的合理性需要进行必要的验证。在完成油路装配草图后，便可以对液压系统的某些技术参数进行验算，从而得到相应的改进措施以改善系统的局部或整体性能。验算内容主要包括压力损失、液压冲击和发热温升等。2.3.1 验算系统压力损失由于任何液压元件都会在不同程度上存在泄漏现象，这直接导致了系统压力的损失。主要包括控制元件的压力损失、液压管道的沿程压力损失和管件局部损失（如弯管处的压力损失)。由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失暂无法验算。2.3.2 验算系统发热温升液压系统工作过程中，由于泄露、摩擦等现象的存在，造成了系统的容积损失和机械损失，这些损失所消耗的能量大部分转化为系统发热，从而导致系统温度的上升。若系统的温度上升到一定的界限，可能会影响液压油的品质，使系统无法正常工作。因此，必须对液压系统的发热温升进行验算，并采取适当措施加以干预，将系统温升控制在正常合理的范围内。在整个液压系统中，发热最为严重的是压制阶段。为了简化计算，发热温升验算时主要考虑压制阶段的温升情况。慢速加压时，则600mm/min此时，有（2.29）液压泵的效率为0.9，出口压力为4.5MPa。则 （2.30） （2.31）则功率损失为： (2.32)假定系统的散热状况一般，查表取油箱散热系数,当油箱的尺寸比（长：宽：高）为1:（1-2):(1-3),油面高度达油箱高度的0.8，油箱靠自然冷却使系统保持在最高允许温度以下时，油箱散热面积A为： （2.33）系统的温升为： （2.34）此温升很小，不会影响油液的品质。2.4液压系统工作介质的选择液压系统工作介质即指液压油，它是液压系统中必不可少的组成部分，其重要性犹如血液之于人体，它对液压系统的性能、寿命和可靠性有着重要影响。液压油在流动过程中产生的压力能是液压传动的根本动力来源。在液压系统中，液压油除了传递运动和动力外，还起到润滑和散热等作用。因此，液压油的正确选择对保证液压系统稳定、高效、安全地运行起着至关重要的作用。不同的液压系统对液压油的要求各不相同，这是选择液压油的主要依据。 （1）液压油的主要特性液压油的主要特性包括：黏度、比热容、闪点、倾点、中和值、可压缩性、体积膨胀性、剪切安定性、含水量和含灰量、抗泡沫性、抗磨性、抗乳化性、水解稳定性等。这些特性不仅是液压油性能的评价指标，也是选择液压油的主要参考内容。 （2）对液压油的一般要求虽然不同的液压系统对液压油有着具体不同的要求，但对以液压油为介质的液压系统，一般需要满足以下的基本要求：适当的黏度和良好的黏温特性；良好的抗氧化性；良好的抗泡沫性；良好的抗乳化性；良好的抗磨性；良好的相容性。 （3)系统液压油的选型根据该款液压式砌块制备机的技术条件和工作环境，充分分析比较不同类型液压油的特性和适用范围，选择HR32液压油作为该设备主机液压系统的工作介质。2.5主液压缸的结构设计2.5.1 主液压缸主要结构尺寸的设计 (1) 主液压缸壁厚和外径的设计缸筒壁厚计算公式如下： (2.35)式中 t缸筒壁厚 m； 需许用应力 MPa； P缸筒试验压力，一般取最大工作压力的(1.25-1.5)倍 MPa； D缸筒内径 m无缝钢管： ，则主液压缸的缸筒壁厚为： (2.36)取壁厚为，则缸筒外径为: (2.37) (2)活塞杆的设计与计算由前文已知，活塞杆的直径为。主液压缸的活塞杆在工作过程中既承受拉力也承受压力，因此必须同时对其强度和稳定性进行校核，以保证其能满足实际工作条件。 活塞杆的材料及精度要求选用活塞杆材料为45钢，调质后镀铬。活塞缸与导向套的配合采用，活塞杆与活塞安装轴段的同轴度公差为0.008mm，活塞杆的表面粗糙度为。活塞杆强度校核已知活塞杆面积为: (2.38)压制力为，45钢的屈服极限为，取安全系数为，则活塞杆的许用应力为: (2.39)慢速加压时，对于活塞杆有： (2.40)所以，活塞杆的强度满足