毕业设计（论文）-双缸四柱液压机的液压系统设计和PLC控制（全套图纸）

摘摘 要要 双缸四柱液压机应用广泛，是在加工工艺过程中极为常用的一种机 械设备。该液压机的组成部分包括主机和一个控制机构，其中主机部分 包括机架、主缸、顶出缸和它的充液装置等。控制机构则包括动力系统 和液压控制系统。其中动力系统机构是由油箱高压泵和低压控制系统以 及这个电动机和不同的压力阀或者是方向阀来组成的。而液压控制系统 是液压机工作运转的重要部分，它直接关系到液压机的性能。液压系统 主要由动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。双缸 四柱液压机在工作的过程中各个部分所起的作用也是各不相同。液压机 的主机的作用是提供主要结构；动力系统是提供动力；而液压控制系统 由动力系统驱动，通过控制液压的方向和压力，实现液压机的工作过程。 液压传动容易实现自动化操作，采用电液联合控制后，可以实现更高程 度的自动控制以及远程遥控。由于液压传动的工作介质是流体矿物油， 有较大的沿程和局部阻力损失。当系统的工作压力比较高时，还会产生 比较大的泄漏，泄漏的矿物油将直接对环境造成污染，有时候还容易引 起安全事故。油液受温度的影响很大，因此液压油不能在很高或很低的 温度条件下工作。由于液压油的可压缩性和泄漏，液压传动不能保证恒 定的传动比和很高的传动精度，这是液压传动的最大不足之处。此外， 液压传动的故障排除不如机械传动、电气传动那样容易，因而对使用和 维护人员有较高的技术水平要求。虽然液压传动存在这些缺陷，但总体 上优点还是盖过了缺点，因而应用还是很广泛。 双缸四柱液压机是一类结构紧凑、动作轻快、耗能低下、操作易行 的液压机，受到广泛的关注。在本次设计中通过查阅大量的文献资料和 动态性能仿真软件，利用液压机的结构特点和 PLC 控制系统，通过泵， 油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和运输来完成各种工艺动作， 从而进一步设计出液压机的液压系统和 PLC 的系统设计。该液压机的主 要技术指标：公称力 6300KN,顶出力 1000KN，滑块行程 900mm,顶出行程 350mm，滑块工作速度 6-10mm/s,主要设计内容如下： （1）对液压系统进行设计。主要包括系统的工作压力、液压缸的结 构尺寸、液压元件的选择、系统的制定方案、液压的工作原理图。 （2）对 PLC 系统进行设计。主要包括 PLC 输入输出接线图、PLC 输入 输出地址分配表、PLC 程序编制、PLC 控制系统梯形图设计与调试。 关键词: 双缸四柱液压机； 液压系统； 可编程控制器（PLC） 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Abstract Widely used parallel bars four- column hydraulic press, are very commonly used in the process of machining process of a kind of mechanical equipment.Part of the hydraulic press, including host and a control mechanism, in which the host part includes frame, main cylinder and cylinder of pack out and the charging device, etc.Control mechanism includes power system and hydraulic control system.Including power system organization is made up of tank of high pressure pump and low voltage control system and direction of the motor and the different pressure valve or valve to form.And hydraulic control system is an important part of hydraulic press work operation, it is directly related to the performance of the hydraulic press.Hydraulic system is mainly composed of power devices, actuators, control components and auxiliary components of four parts.Parallel bars four- column hydraulic press in the process of work the role of each part is also each are not identical.Hydraulic press for the hosts role is to provide the main structure;Power system is to provide the power;And hydraulic control system driven by power system, by controlling the direction of the hydraulic pressure and pressure. Hydraulic transmission is easy to realize automation using electrohydraulic combined control, can achieve a higher degree of automatic control and remote control.Due to the working medium of hydraulic drive is a fluid mineral oil, the path and the local resistance loss has bigger.When the system pressure is higher, but also will produce larger leakage, leakage of mineral oil will direct damage to the environment, sometimes easy to cause accidents.Oil is affected by temperature is very large, so the hydraulic oil cannot work under high or low temperature conditions.In addition, the hydraulic transmission of troubleshooting not as easy as mechanical drive and electrical drive, and thus to use and maintenance personnel have a higher level of technical requirements.Although the hydraulic drive these drawbacks, but overall benefits still outweigh the disadvantages, and application is very extensive.The parallel bars four- column hydraulic press is a kind of compact structure, action fast hydraulic press, low energy consumption, easy operation, widely attention.In this design by looking at a large number of literature data and dynamic performance simulation software, using the structure characteristics of the hydraulic press and PLC control system, through the pump, oil cylinder and various hydraulic valve to achieve energy conversion, control and transport to complete a variety of process action, thus further design of hydraulic press hydraulic system and PLC system design.The main technical indexes of the hydraulic press: nominal power 6300 kn, top 1000 kn, the output of the slider stroke 900 mm, ejection stroke 350 mm, the slider working speed 6- 10 mm/s, the main design content is as follows: （1）TO carry on the design of hydraulic system.Mainly includes the structure of the system working pressure, the hydraulic cylinder size, selection of hydraulic components, constituting the system scheme, the working principle of hydraulic drawing. （2）TO PLC system design.Mainly includes the PLC input and output wiring diagram and PLC I/o address allocation table, PLC programming, trapezoidal diagram of PLC control system design and debugging. Key words: The parallel bars four- column hydraulic press; The hydraulicsystem; The programmable controller(PLC) 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 液压机的现状概要 1 1.2 双缸四柱液压机的概述 1 第二章 双缸四柱液压机总体设计 . 2 2.1 双缸四柱液压机主要指标参数 2 2.2 双缸四柱液压机工作原理分析 2 2.2.1 双缸四柱液压机的基本组成 . 2 2.2.2 双缸四柱液压机的工作原理 . 3 2.3 双缸四柱液压机工艺方案设计 4 2.4 双缸四柱液压机总体布局方案设计 5 2.5 双缸四柱液压机零部件设计 5 2.5.1 主机载荷分析 . 5 2.5.2 主机工作台设计 . 9 2.5.3 控制台设计 . 9 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 . 10 3.1 液压系统设计要求 10 3.1.1 液压机负载确定 . 10 3.1.2 液压机主机工艺过程分析 . 10 3.2 液压系统设计 10 3.2.1 液压机主缸工况分析 . 10 3.2.2 液压机顶出缸工况分析 . 13 3.2.3 液压系统原理图设计 . 14 3.3 液压元件的设计 17 3.4 液压系统零部件设计 18 3.4.1 液压机主缸设计 . 18 3.4.2 液压机顶出缸设计 . 22 3.4.3 液压油管设计 . 24 3.4.4 液压油箱设计 . 26 3.5 液压站布局设计 27 第四章 双缸四柱液压机的液压系统主要性能计算 . 29 4.1 液压系统压力损失计算 29 4.2 液压系统发热温升计算 32 第五章 双缸四柱液压机的控制系统设计 . 34 5.1 控制系统概述 34 5.2 双缸四柱液压机控制系统方案设计 34 5.2.1 双缸四柱液压机控制方案选择 . 34 5.2.2 PLC 控制要求与总体控制方案 . 34 5.3 双缸四柱液压机 PLC 控制电路设计 35 5.3.1 双缸四柱液压机主电路设计 . 35 5.3.2 双缸四柱液压机控制电路设计 . 35 5.3.3 PLC 控制过程分析 36 5.4 PLC 系统设计 . 36 5.4.1 PLC 输入输出地址分配表 37 5.4.2 PLC 输入输出接线图 38 5.4.3 PLC 控制框图设计 40 5.4.4 PLC 控制梯形图设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 液压机的现状概要液压机的现状概要 液压机自 19 世纪问世以来得到了很快的发展，在工业生产中已经有了广泛的应 用，成了产品压力加工成型不可或缺的机械设备。随着科学技术的日新月异，电子技 术、液压技术的不断成熟，液压机也得到了更进一步的发展。到目前为止，控制技术 也由原来传统的继电器控制变为可编程控制器和工业计算机控制， 这使液压机的运行 平稳性、控制精度、产品质量有了保证，同时生产效率得到了很大的提高。 液压机加工与传统机械加工相比属于无屑加工，应用范围广泛，一般用于塑性材 料的冷挤、校直、弯曲、冲裁、拉伸等。液压机还能实现复杂工件和不对称工件的加 工，产品废品率较低。液压机根据加工工件的不同性质，还可进行适当的压力行程调 整，满足产品的加工要求。液压机主要由主机、液压系统、电气系统三部分组成。液 压机的整个工作过程的实现，首先是由电气系统来控制液压系统，然后再由液压系统 控制主机主缸和顶出缸的顺序动作。 综上所述，液压机操作简单，维护方便。 1.2 双缸四柱液压机的概述双缸四柱液压机的概述 双缸四柱液压机的机械及液压装置为基础，配以可编程控制器，根据液压机的工 作过程，按照生产工艺要求进行自动控制。在以往我们的钻机的自动化程度不高，效 率不高，体积大系统的抗干扰能力差。而且操作比较繁琐，增大了工人的工作量。所 以在以后的社发展进程中机械相关设备与液压系统及 PLC 控制系统相结合的方向会 越来越多。 利用 PLC 最具优势的开关量控制与自身具备的 PTO 控制及 PID 控制功能紧密结 合，对液压机的运行速度及液压油温进行控制。通过高精度比例溢流阀和 PLC 的模 拟输入输出模块对顶出缸的油压进行控制,并结合板材变压边力成形工艺,在单动液压 机上实现变压边力控制。在板材成形过程中通过可编程控制终端对成形力、压边力及 凸模行程进行实时监视和控制。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 2 第二章第二章 双缸四柱液压机总体设计双缸四柱液压机总体设计 2.1 双缸四柱液压机主要指标参数双缸四柱液压机主要指标参数 （1）双缸四柱液压机主要技术参数见表 2.1 表 2.1 液压机技术参数 参 数 项 参 数 公称力（最大负载） 6300KN 工进时液体最大工作压力 25MPa 主缸回程力 400KN 顶出缸顶出力 1000KN 主缸滑块行程 900mm 顶出活塞行程 350mm 主缸滑块距工作台最大距离 1100mm 滑块工作速度 610mm/s 工作台的大小 100mm 主缸快退速度 0.03m/s 顶出活塞顶出速度 0.02m/s 顶出活塞退回速度 0.05m/s 工作台面大小 根据设备稳定性进行设计 22001600，16001600,32502000 （2）双缸四柱液压机的主要功能 通过液压传动系统传递动力，完成零件的压力成型加工。 （3）双缸四柱液压机的适用范围 液压机主要用于冷挤、校直、弯曲、冲裁、拉伸、粉末冶金、翻边、压装等成型 工艺。 2.2 双缸四柱液压机工作原理分析双缸四柱液压机工作原理分析 2.2.1 双缸四柱液压机的基本组成双缸四柱液压机的基本组成 四柱液压机主要由主机、液压控制系统、电气控制系统三部分组成。其中主机包 括工作台、导柱、滑块、上缸、顶出缸等结构；液压系统由控制元件、执行元件、辅 助元件、动力装置、工作介质等组成；电气控制控制系统主要由继电器、接触器、按 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 3 钮、行程开关、电器控制柜等组成。 2.2.2 双缸四柱液压机的工作原理双缸四柱液压机的工作原理 （1）双缸四柱液压机主机组成简图 2.1 1-滑块 2-导柱 3-工作台 4-安装地基 5-顶出缸 6-主缸 7-上横梁 8-辅助油箱 图 2.1 双缸四柱液压机主机组成简图 （2）双缸四柱液压机工作原理分析 双缸四柱液压机的动作顺序通过电气系统、液压系统控制，控制顺序框图如图 2.2。 图 2.2 双缸四柱液压机控制顺序图 从上面的控制顺序框图可以看出， 液压机的工作原理由电气控制系统控制液压系 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 4 统，液压控制系统再控制主机工作，主机动作触及行程开关，将信号反馈给电气控制 系统，实现循环控制。 （3）双缸四柱液压机工作循环分析 双缸四柱液压机工作循环如图 2.3 所示。 滑块快速下行 工进、加压保压 顶出 快速回程停止 图 2.3 双缸四柱液压机工作循环图 双缸四柱液压机工作循环如图 2.3（a） ，滑块在自重的作用下快速下行，碰到行 程开关后由快进变为工进，随后进行加压、保压。保压时间完成后，滑块快速回程， 直到回到原来的位置，停止运动；图 2.3（b）表示顶出缸的工作循环过程，主缸快进、 工进、保压、退回停止后，顶出缸才运动，将工件顶出。 2.3 双缸四柱液压机工艺方案设计双缸四柱液压机工艺方案设计 （1）控制方式的选择 采用液压系统与电气系统相结合的控制方式。具有调整、手动、半自动三种工作 方式，可实现定压、定程两种加工工艺； （2）液压系统： 液压油路采用封闭式回路，供油方式选用变量泵供油，液压控制元件采用插装阀 形式。针对液压机快进时供油不足以及工进时的高压特性，系统应设有补油和卸压装 置； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 5 （3）电气控制： 采用继电器、行程开关、接触器、手动按钮等元件进行手动、半自动控制； （4）主机： 主机结构形式采用“三梁四柱”的形式，主缸和顶出缸为执行元件。 2.4 双缸四柱液压机总体布局方案设计双缸四柱液压机总体布局方案设计 总体布局如图 2.4 所示 1-主机 2-液压油管 3-控制台 4-插装阀 5-液压泵装置 6-液压油箱 7-电气控制柜 图 2.4 四柱液压机总体布局简图 图2.4为液压机整体布局简图，分为三个部分，即：主机、液压系统、电气控制 系统。液压系统的所有部件都集中安装在液压油箱上，使液压站布局结构变得紧凑。 电气控制元件集中设计在电气柜中。启动、停止、快进、顶出、调整、等控制按钮设 置在控制台上，方便及时操作。 2.5 双缸四柱液压机零部件设计双缸四柱液压机零部件设计 2.5.1 主机载荷分析主机载荷分析 参考表 2.1，四柱液压机的最大工作负载为 6300KN，主缸回程力为 400KN，顶 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 6 出缸顶出力为 1000KN。由于工作时的负载远大于其它工况时的负载，因此在进行载 荷设计时，取负载 6300KN 对液压机进行受力计算。 液压机结构形式为“三梁四柱”式，工进加压的负载作用在横梁和导柱上，受载时 横梁受压，导柱受拉，受力如图 2.5 所示 横梁 导柱 F-负载 T-导柱拉力 图 2.5 横梁、导柱受力图 （1）导柱设计 材料选择： 导柱在工作过程中主要承受拉力，材料必须具备较高的抗拉强度。导柱材料选择 45 圆钢，也可选用锻件形式。 热处理要求： 导柱除了承受拉力之外，外圆柱表面与滑块之间还存在摩擦力。为了减少导柱表 面的磨损，通过表面热处理提高表面硬度增加表面耐摩性。总的热处理工艺为调质和 表面淬火。 理论设计计算： 液压机的最大负载约为 6300kN，通过力传递后，最后由四根导柱承受 6300kN 的拉力，作用在每根导柱上的拉力为 1575kN。由许用拉应力公式(2.1)，可计算导柱 的安全直径 D。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 7 （2.1） 式中： 许用应力；取 45 钢 =80100MPa； F轴向拉力； A横截面积。 即： m Pa NF D089 . 0 108014 . 3 105 . 04 4 6 6 = = 圆整后取导柱直径 D=90mm， 为了防止四根导柱因瞬间的受力不均而被破坏， 导 柱直径可适当加大，取 D=110mm。 （2） 横梁设计 材料选择：横梁工作时的受力为弯曲力，材料应具有一定的抗弯强度。选用 45 钢，毛坯采用锻件。 热处理要求：横梁进行调质处理。 理论计算校核： 横梁受力可以简化为简直梁,中间受载的情形，如图 2.6 所示。 截 面 1-1 图 2.6 横梁滑块受力简图 初步确定横梁的长、宽、高尺寸分别为 1310、1045、575mm，截面为矩形。即： 在负载作用下的剪力和弯矩如图 2.7 所示。 A F = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 8 图 2.7 (a) 剪力图 (b) 弯矩图 由弯矩图 2.7(b)可知，横梁 C 点 11 截面弯矩最大，该截面是危险截面。为了 保证横梁能够正常工作，必须对该截面进行强度校核。正应力计算公式为： W Mmax max = (2.2) 式中： max 最大弯曲正应力； max M 最大弯矩； W抗弯截面系数( 3 m )。 矩形截面抗弯系数 W 计算公式为： 6 2 bh W = (2.3) 式中： b矩形截面的宽； h矩形截面的高。 即： 3 2 058 . 0 6 575 . 0 045 . 1 mW = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 双缸四柱液压机总体设计 9 MPa m mkN 1 . 8 058 . 0 .475 3 max = 45 钢的弯曲许用应力=100MPa，而横梁的最大弯曲应力 = 8.1MPa，远小 于材料的许用应力，经过校核，设计尺寸满足要求。 2.5.2 主机工作台设计主机工作台设计 液压机工作台主要受压，由于工作台不是很高，刚度要求可以满足，因此在设计 计算时只要进行抗压强度的校核即可，校核过程从略。 材料选择：工作台主要受压，材料选用铸钢 45。 工艺要求： 机械加工时，工作台表面做成 T 形槽，如图 2.8 所示。 图 2.8 工作台 T 形槽 2.5.3 控制台设计控制台设计 材料选择：控制台主要用于安装控制按钮，不承受动载荷，强度要求不是很高， 满足使用要求即可，材料选用 Q235A。 加工工艺：控制台的制作加工采用焊接方式完成。 外形设计：控制台外形尺寸设计应考虑操作方便。外形简图如图 2.9 所示。 1- 控制按钮 2- 控制面板 3- 控制台底座 图 2.9 液压机控制台外形简图 max 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 10 第三章第三章 双缸四柱液压机液压系统设计双缸四柱液压机液压系统设计 3.1 液压系统设计要求液压系统设计要求 3.1.1 液压机负载确定液压机负载确定 参考四柱液压机技术参数表 2.1 可知，液压机的最大工作负载为 6300KN，工进 时液体最大压力为 25MPa,由此确定液压机设计负载为 6300KN 型四柱液压机。 3.1.2 液压机主机工艺过程分析液压机主机工艺过程分析 压制工件时主机的工艺过程：按下启动按钮后，主缸上腔进油，横梁滑块在自重 作用下快速下行，此时会出现供油不足的情况，补油箱对上缸进行补油。触击快进转 为工进的行程开关后，横梁滑块工进，并对工件逐渐加压。工件压制完成后进入保压 阶段，让产品稳定成型。保压结束后，转为主缸下腔进油，滑块快速回程，直到原位 后停止。横梁滑块停止运动后，顶出缸下腔进油，将工件顶出，工件顶出后，顶出缸 上腔进油，快速退回。 3.2 液压系统设计液压系统设计 3.2.1 液压机主缸工况分析液压机主缸工况分析 （1）主缸速度循环图 根据液压机系统设计参数及表 2.1 中主缸滑块行程为 900mm， 可以得到主缸的速 度循环图如下： 图 3.1 主缸速度循环图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 11 （2）主缸负载分析 液压机启动时，主缸上腔充油主缸快速下行，惯性负载随之产生。此外，还存在 静摩擦力、动摩擦力负载。由于滑块不是正压在导柱上，不会产生正压力，因而滑块 在运动过程中所产生的摩擦力会远远小于工作负载，计算最大负载时可以忽略不计。 液压机的最大负载为工进时的工作负载。通过各工况的负载分析，液压机主缸所受外 负载包括工作负载、惯性负载、摩擦阻力负载，即： F = Fw + Ff + Fa ( 3.1 ) 式中： F 液压缸所受外负载； Fw 工作负载； Ff 滑块与导柱、活塞与缸筒之间的摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力负载， 启动后为动摩擦力负载； Fa 运动执行部件速度变化时的惯性负载。 a. 惯性负载 Fa计算 计算公式： t v g G Fa = ( 3.2 ) 式中： G 运动部件重量； g 重力加速度 9.8m/ 2 s； 时间内的速度变化量； 加速或减速时间，一般情况取 = 0.010.5s。 查阅相同型号的四柱液压机资料，初步估算横梁滑块的重量为 30KN。由液压机 所给设计参数可及：v= 0.08m/s, 取 = 0.05s，代入公式 3.2 中。 即： N s sm sm N Fa4989 05 . 0 /08 . 0 /8 . 9 30000 2 = t t vt t 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 12 b. 摩擦负载 Ff计算 滑块启动时产生静摩擦负载，启动过后产生动摩擦负载。通过所有作用在主缸上 的负载可以看出，工作负载远大于其它形式的负载。由于滑块与导柱、活塞与缸体之 间的摩擦力不是很大，因而在计算主缸最大负载时摩擦负载先忽略不计。 c. 主缸负载 F 计算 将上述参数 Fa = 4898N ，Fw = 6300000N 代入公式 3.1 中。 即： F =6300000 + 4898 =6304898N （3）主缸负载循环图 a. 主缸工作循环各阶段外负载如表 3.1 表3.1 主缸工作循环负载 工 作 循 环 外 负 载 启 动 F = f 静 + Fa 5 KN 横梁滑块快速下行 F = f 动 忽略不计 工 进 F = f 动 + Fw 6300 KN 快速回程 F = f 回 + F 背 400 KN 注： “f静”表示启动时的静摩擦力， “f动”表示启动后的动摩擦力。 b. 主缸各阶段负载循环如图 3.2 图 3.2 主缸负载循环图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 13 3.2.2 液压机顶出缸工况分析液压机顶出缸工况分析 （1）顶出缸速度循环图 根据液压机系统设计参数和表 2.1 中顶出缸活塞行程为 250mm， 得到顶出缸的速 度循环图如下： 图 3.3 顶出缸速度循环图 （2）顶出缸负载分析 主缸回程停止后，顶出缸下腔进油，活塞上行，这时会产生惯性、静摩擦力、动 摩擦力等负载。由于顶出缸工作时的压力远小于主缸的工况压力，而且质量也比主缸 滑块小很多，惯性负载很小，计算时可以忽略不计；同理摩擦负载与顶出力相比也很 小，也可不计；工件顶出时的工作负载比较大，计算顶出缸的最大工作负载时可以近 似等于顶出力。将参数代入公式 3.1 计算顶出缸的最大负载。 即： F = Fw = 350000N 式中： Fw 顶出力； （3）顶出缸负载循环图 a. 顶出缸工作循环各阶段外负载如表 3.2 表 3.2 顶出缸工作循环负载 工 作 循 环 外 负 载 启 动 F = F 静 + Fa 忽略不计 顶出缸顶出 F = = f 动 + Fw 350 KN 快速退回 F = f 动 + F 背 8 KN 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 14 注： “f静”表示启动时的静摩擦力， “f动”表示启动后的动摩擦力。 b. 顶出缸各阶段负载循环如图 3.4 图 3.4 顶出缸负载循环图 3.2.3 液压系统原理图设计液压系统原理图设计 a. 液压系统供油方式及调速回路的选择 液压机工进时负载大， 运动速度慢， 快进、 快退时的负载相对于工进时要小很多， 但是速度却比工进时要快。为了提高液压机的工作效率，可以采用双泵或变量泵供油 的方式。综合考虑，液压机采用变量泵供油，基本油路如图 3.5 所示。 由于液压机工况时的负载压力会逐步增大，为了使液压机处于安全的工作状态， 调速回路采用恒功率变量泵调速回路。 当负载压力增大时， 泵的排量会自动跟着减小， 保持压力与流量的乘积恒为常数，即：功率恒定，如图 3.6 所示。 1- 液压缸 2- 油箱 3- 过滤器 4- 变量泵 5- 三位四通电磁换向阀 图 3.5 液压机基本回路图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 15 图 3.6 恒功率曲线图 b. 液压系统速度换接方式的选择 液压机加工零件的过程包括主缸的快进、 工进、 快退和顶出缸的顶出、 快速回程。 采用什么样的方式进行速度的安全、准确换接是液压机稳定工作的基础。为了达到控 制要求， 液压系统的速度换接通过行程开关控制。 这种速度换接方式具有平稳、 可靠、 结构简单、行程调节方便等特点，安装也很容易。 c. 液压系统原理图 液压系统采用插装集成控制系统，该控制系统具有密封性好、流通能力大、压力 损失小、易于集成等优点。液压机系统控制原理如图 3.7 所示。 1恒功率变量泵 2定量泵 3、4溢流阀 5远程调压阀 6、21电液换向阀 7压力表 8电磁阀 9液控单向阀 10顺序阀 11卸荷阀(带阻尼孔) 12压力继电器 13单向阀 14充液阀（卸荷阀芯） 15充液阀 16主缸 17顶出缸 18溢流阀 19节流器 20背压阀 22滑块 23档铁 图 3.7 双缸四柱液压机的液压系统原理图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 16 d. 液压系统控制过程分析 快速下行 按下启动按钮。电磁铁 1DT、5DT 通电吸合。低压控制油使电液阀 6 切换至右 位，同时经阀 8 使液控单向阀 9 打开。泵 1 供油经阀 6 右工位、单向阀 13 至主 16 上腔，而主缸下腔液压油经液控单向阀 9、阀 6 右工位、阀 21 中位回油箱。实际 上，此时主阀滑块22在自重作用下快速下降， 泵1的全部流量还不足以补充主腔上 腔空处的容积， 因而在上腔形成局部真空，置于液压缸顶部的充液箱 15 内的油液 在大气压及油位作用下，经液控单向阀 14（充液阀）进入主缸上腔。 慢速接近 工件加压当主缸滑块22上的挡铁23压下行程开关XW2时，电磁铁5DT断电，阀 8处于常态位，阀9关闭。主缸回油经背压（平衡）阀10、阀6右位、阀21中位至油 箱。由于回油路上有背压力，滑块单靠自重就不能下降，油泵1供给的压力油使之 下行，下行速度减慢。这时主缸上腔压力升高，充液阀14关闭。主泵1的压力油推 动活塞使滑块慢速接近工件，当主缸活塞的滑块22抵住工件后，阻力急剧增加，上 腔油压进一步提高，变量泵1的排油量自动减小，主缸活塞的速度变得更慢，以极 慢的速度对工件加压。 保压 当主缸上腔的油压达到预定值时，压力继电器12发出信号， ）使电磁铁 1DT 断 电，阀6回复中位，将主缸上、下油腔封闭。同时泵1经阀6、阀21的中位卸荷。单 向阀13保证了主缸上腔良好的密封性，主缸上腔保持高压。保压时间可由压力继电 器 12控制的时间继电器调整。 泄压、快速回程 保压过程结束，时间继电器12发出信号，使电磁铁2DT通电（当定程压制成型 时，可由行程开关XW3发出信号），主缸处于回程状态。为了防止液压冲击，保压 后必须先泄压然后再回程。但由于液压机油压高，而主缸的直径大，行程长，缸内 液体在加压过程中受到压缩而储存相当大的能量。如果此时上腔立即与回油相通， 则系统内液体积蓄的弹性能突然释放出来，产生液压冲击，造成机器和管路的剧烈 振动，发出很大的噪声，为此，保压后必须先泄压后再回程。当电液换向阀 6 切换 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 17 至左位后，主缸上腔还未泄压，压力很高，卸荷阀 11（带阻尼孔）呈开启状态，主 泵 1 的油经阀 6 的左工位,阀 11 的回油。这时主泵 1 在较低压力下运转，此压力不 足以使主缸活塞回程，但能够打开液控单向阀 14 的卸荷阀芯，主缸上腔的高压油经 此卸荷阀芯的开口而泄回充液箱 15，这是泄压过程。这一过程持续到主缸上腔压力 降低到较低时，卸荷阀 11 关闭为止。主泵 1 的供油压力升高,推开充液阀 14 的主阀 芯。此时泵 1 的压力油经阀 6 的左位,液控单向阀 9 进入主缸下腔,而主缸上腔油液经 阀 14 回油到充液箱 15 实现主缸开始快速回程。 3. 3 液压元件的设计液压元件的设计 通过液压系统的参数计算查阅液压手册，液压元件选择如表 3.3 所示： 表 3.3 液压元件明细表 序 号 液 压 元 件 名 称 元 件 型 号 额定流量（L/min） 1 恒功率变量泵 250YCY14- 1B 250 2 定量泵 PUQ20- B2R- SS1S- 21- C21- 12 140 3 溢流阀 YEF3- E25B 120 4 溢流阀 YEF3- E20B 120 5 远程调压阀 YF- L8H 20 6 电液换向阀 D4- 04- 3C- AC 120 7 压力表 YAF3- Ea20B 150 8 电磁阀 ZBSF- DN10- 50 120 9 液控单向阀 SV32P 90 10 顺序阀 XD2F- B10H 120 11 卸荷阀（带阻尼孔） YXF- L10 40 12 压力继电器 MJCS- 02WL 80 13 单向阀 AF3- Eb20B 100 14 充液阀（带卸荷阀芯） SVF 90 15 充液箱 16 主缸 HSGK01- 80/40E- 5210 100 17 顶出缸 HSGK01- 80/40E- 5210 100 18 溢流阀 YEF3- E25B 120 19 节流器 GXGL- 30 30 20 背压阀 24F3- E16B 80 21 电液换向阀 D4- 04- 3C- AC 120 22 滑块 23 挡铁 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 18 3.4 液压系统零部件设计液压系统零部件设计 3.4.1 液压机主缸设计液压机主缸设计 通过表液压缸基本尺寸的计算，可及主缸的内径、活塞杆直径等参数。下面对主 缸的其它参数进行具体设计。 （1）主缸缸体材料选择及技术要求 液压缸的结构形式一般有两种形式，即：薄壁圆筒和厚壁圆筒。当液压缸的内径 D 与壁厚 的比值满足 D/10 的圆筒称为薄壁圆筒。 液压缸的制造材料一般有锻钢、 铸钢（ZG25、ZG35） 、高强度铸铁、灰铸铁（HT200、HT350） 、无缝钢管（20、30、 45）等。对于负载大的机械设备缸体材料一般选用无缝钢管制造，主缸缸体材料选用 无缝钢管 45。 液压缸内圆柱表面粗糙度为 Ra0.40.8m；内径配合采用 H8H9；内径圆度、 圆柱度不大于直径公差的一半；缸体内表面母线的直线度 500mm 长度之内不大于 0.03mm；缸体端面对轴线的垂直度在直径每 100mm 上不大于 0.04mm；如果缸体与 端盖采用螺纹连接，螺纹采用 6H 级精度。 （2）主缸壁厚的确定 壁厚计算公式如下： 2 Dpy （3.9） 式中： 液压缸壁厚（m） ； D液压缸内径（m） ； y P 实验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍； 缸筒材料的许用应力。 锻钢： =110120MPa ； 铸钢： =100110MPa ； 高强度铸铁：=60MPa ；灰铸铁：=25MPa ；无缝钢管：=100110MPa 。 主缸壁厚 计算，将 D=0.32m ； = 110MPa ； = 1.425.5MPa=35.7MPa 代 入公式（3.9）中，即： y P 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 19 m MPa mMPa 052 . 0 1102 32 . 0 7 . 35 = 液压缸缸体的外径 D 外计算公式如下： D 外D2 (3.10) 将参数代入公式（3.10） ，即： D 外0.32m0.104m0.426m 外径圆整为标准直径系列后，取主缸缸体外径 D 外430mm。 （3）主缸缸盖材料、厚度的确定 缸盖常用制造材料有 35 钢、45 钢、铸钢，做导向作用时常用铸铁、耐磨铸铁。 缸盖材料选用 35 钢，缸盖厚度计算公式如下： 433 . 0 2 y P Dt （3.11） 式中： t缸盖的有效厚度(m)； D2缸盖止口直径； 缸盖材料许用应力。 即： m MPa MPa t057 . 0 100 7 . 35 220433 . 0 圆整后取缸盖厚度 t=60mm。 （4）主缸最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时， 从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离称为最小 导向长度，用 H 表示。如果导向长度太小，会因为间隙引起的挠度而使液压缸的初 始挠度增大，影响液压缸的稳定工作。一般而言，液压缸的最小导向长度应该满足如 下要求： 220 DL H+ (3.12) 导向长度如图 3.10 所示 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 20 活 塞隔 套 图 3.10 主缸导向长度简图 式中： L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。 由表 1.1 可知主缸的最大行程 H=700mm， 液压缸内径 D=320mm 代入公式 （3.12） 中， 求主缸的最小导向长度。 即： mm mmmm H195 2 320 20 700 =+ 为了保证最小导向长度 H，不应过分增大 和 B 的大小，必要时可以在缸盖和 活塞之间增加一个隔套来增加最小导向长度。隔套的长度 C 可有公式（3.13）求得， 即： )( 2 1 1 BlHC+= (3.13) 式中： B活塞的宽度，一般取 B =（0.61.0）D； 缸盖滑动支承面的长度， 根据液压缸内径的不同有不同的算法， 当 D80mm 时，取 =（0.61.0）D；当 D80mm 时，取 =（0.61.0）d。 （5）主缸活塞材料、技术要求、外形尺寸及密封方案的确定 活塞制造材料一般选用灰铸铁(HT150、HT200)、当缸体内径较小时，整体式结 构的活塞选用 35 钢、45 钢。主缸活塞选用灰铸铁 HT200。 活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为 Ra0.81.6m；外径圆度、圆柱度不大于外径公 1 l 1 l 1 l 1 l 1 l 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 双缸四柱液压机液压系统设计 21 差的一半；外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半；端面对轴线垂直度在直径 100mm 上不大于 0.04mm；外径用橡胶密封圈密封的公差配合取 f7f9，内孔与活塞 杆的配合取 H8/f7。 活塞宽度系数取 0.8，即活塞的宽度 B=0.8D=0.8320mm =256mm。圆整后取活 塞宽度 B=260mm。 查表 2- 101,液压机主缸工况时的压力大，泄漏量也会随压力成正比升高，因此密封 圈选用 Y 形密封圈，这种密封圈能承受的大的工作压力，泄漏量小。 （6）主缸活塞杆材料、技术要求及长度确定 活塞杆有空心和实心两种结构形式。空心时一般选用 35 钢、45 钢的无缝钢管； 实心结构选用 35 钢、45 钢。主缸活塞杆选用 45 钢。 活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为 Ra0.40.8m；热处理要求调质 2025HRC； 外径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；外径表面直线度在 500mm 上不大于 0.03mm；活塞杆与导向套之间的配合公差采用 H8/f7，与活塞连接的配合公差采用 H7/g6。 由滑块的行程，确定活塞杆的长度 L 杆=1250mm。 （7）主缸长度的确定 液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和。 缸体的外形尺寸还应考 虑两端端盖的厚度，总体而言，液压缸缸体的长度 L 不应该大于缸体内径 D 的 20 30 倍，即：L（2030）D 。 由主缸行程为 700mm，活塞宽度为 260mm,缸盖厚度为 60mm，通过计算可知，主缸 的长度取 L 缸=1080mm。 （8）活塞杆稳