液压与气压传动课程三级项目——100T四柱式液压机液压系统的分析与设计研究报告.doc

燕山大学液压与气压传动三级项目研究报告液压与气压传动课程三级项目100T四柱式液压机液压系统的分析与设计研究报告组 员： 2016-05-08燕山大学液压与气压传动课程三级项目任务书院（系）：机械工程学院 基层教学单位： 机电控制工程系 项目名称100t四柱式液压机液压系统指导教师姓名刘劲军小组成员分工王建军唐心凯宋达项目考察知识点本课程的三级项目针对典型液压系统工作原理的分析与设计，通过该项目的实施使学生加深对液压传动基础知识的理解，并初步具备运用所学知识进行实际液压系统分析与设计的能力，复杂系统的计算机辅助设计及计算能力，相关标准、手册的查阅能力等。 项目设计参数公称压力：1000KN；回程力：320KN；顶出力：190KN；拉伸时压边力：210KN；滑块最大行程：600mm；顶出活塞最大行程：200mm；滑块至工作台最大距离：900mm；顶出活塞至工作台最大距离：215mm；滑块速度 空程下行：60mm/s；工作最大：14mm/s；回程：47mm/s；顶出活塞速度 顶出：70mm/s；退回：140mm/s；项目实施内容设计一液压机液压系统。要求系统的工作压力、压制速度、空载下行和减速的行程范围可根据工作需要进行调整，并能完成定压和定行程成形两种工艺方式。定压成形的动作为：快速下行减速压制保压回程停止。定行程成形的动作为：快速下行减速压制回程停止。液压泵站要求：1）液位、压力、温度有显示及报警；2）油温范围（3045）；3）滤油器精度15m，有堵塞显示及报警。项目结题须提交材料(1)液压传动系统原理图 A2；(2)液压系统参数计算说明书1份；(3)答辩汇报PPT。项目实施时间节点要求第一周 查阅资料，分析系统原理，了解系统性能及典型工艺过程，完成参数计算和原理图设计；第二周 编写项目研究报告及答辩汇报PPT。小组分工及贡献姓 名课题组分工宋达王建军唐心凯目录小组分工及贡献2目录3摘 要41绪论51.1 概述51.2 发展趋势62液压系统载荷速度计算62.1 载荷的组成和计算72.1.1主液压缸载荷的组成和计算72.1.2绘制负载图和速度图82.1.3初选系统工作压力92.2 液压系统及元件的设计102.2.1拟定液压系统图103液压缸的设计123.1液压缸主要参数的确定123.2液压缸动作时的流量143.3活塞杆的设计14总结16心得17100T四柱液压机液压系统设计摘 要 本设计为四柱式液压机，四柱液压机的主机主要由上梁、导柱、工作台、移动横梁、主缸、顶出缸等组成。其中主缸可完成快速下行、慢速加压、保压延时、释压换向、快速返回、原位停止的动作；顶出缸可实现向上顶出、停留、向下退回、原位停止的动作。本设计主机最大工作负载为1000KN。通过对液压缸工况分析确定液压缸负载的变化，拟定液压系统图和电磁铁动作顺序。并设计主液压缸，计算主液压缸的尺寸和流量，主缸的速度换接与安全行程限制通过行程开关来控制。根据技术要求及设计计算选择液压泵、GE系列电磁阀等液压元件。通过液压系统压力损失和温升的验算，液压系统的设计可以满足液压机顺序循环的动作要求，设计的四柱液压机能够实现塑性材料的锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲等成型加工工艺。该液压机结构紧凑，动作灵敏可靠，速度快，能耗小，噪音低，压力和行程可在规定的范围内任意调节，操作简单。关键词：四柱液压机；液压系统；四柱液压机液压系统设计1绪论1.1 概述液压机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现各种工艺的机器。液压机被广泛应用于机械工业的许多领域。例如在锻压领域，液压机被广泛应用于自由锻造、模锻、冲压、挤压、剪切、拉拔成型及超塑性等许多工艺中；在机械工业的其他领域，液压机被应用于粉末制品，塑料制品、磨料制品、金刚石成型、校正压桩、压砖、橡胶注塑成型等十分广泛的不同工作领域。液压机一般是由本体、动力系统、液压控制系统三部分组成。本体一般是由机架、液压缸部件、运动部分及其导向装置以及其他辅助装置组成。工艺要求使影响液压机本体结构形式的最主要因素。由于在不同液压机上完成的工艺是多种多样的，因此液压机的本体结构形式也是不同的。根据机架形式，液压机可以分为立式和卧式；根据机架的组成形式，液压机可分为梁柱式、单柱式、框架式、钢丝缠绕预应力牌坊式等。其中三梁四柱式是最为常见的类型，如图1-1所示。其机身是由工作台、滑块、上横梁、立柱、锁母和调节螺母等组成。其执行元件的结构简单，结构上易于实现很大的工作压力、较大的工作空间，因此适应性强，便于压制大型工件或较长、较高的工件；由于执行元件结构简单，所以布置灵活，可以根据工艺要求来多方位布置；活动横梁的总行程和速度都可在一定范围内、相当大程度上调节，适应工艺过程对化快速度的不同要求；通过不同阀的组合实现工艺过程的不同顺序；安全性能好，不易超载，有利于保护模具；工作平稳。撞击、振动、噪声较小，对工人及厂房有很大好处。1.2 发展趋势随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。自19世纪问世以来发展很快，已经广泛应用于国民经济的各个部门，种类繁多，发展迅速，成为机床行业的一个重要组成部分。但由于我国液压起步晚，液压机只有50年的发展历史，80年代以后我国液压机开始进入高速发展阶段。目前我国已建立了自己的液压机设计和制造行业。由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展体现在新的方向。随着比例伺服技术的发展，液压机的停位精度、速度控制精度越来越高，液压机趋向高精度发展。高速化、高效化、低能耗提高了液压机的工作效率，降低生产成本；自动化、智能化，微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理的功能；液压元件集成化，标准化，集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。在国际上来看，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。 2液压系统载荷速度计算四柱液压机的工作过程如下：上液压缸驱动上滑块，实现“快速下行-慢速加压-保压延时-释压换向-快速返回-原位停止”的动作循环；下液压缸驱动下滑块，实现“向上顶出-停留-向下退回-原位停止”的动作循环。如2-1图所示。图2-1液压机工作循环图2.1 载荷的组成和计算2.1.1主液压缸载荷的组成和计算作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。（1） 工作载荷工件的压制抗力即为工作负载： （2） 导轨摩擦载荷 摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力。 (2-1) -外载荷作用于导轨上的正压力（N）；-摩擦系数，分为静摩擦系数（）和动摩擦系数（）静摩擦阻力： 动摩擦阻力： （3） 惯性载荷 (2-2)式中g重力加速度；g=9.81; -速度变化量（m/s）；-起动或制动时间（s）。一般机械=0.1-0.5s，对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值。行走机械一般取=0.5-1.5。以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷。工作载荷并非每个阶段都在，如该阶段没有工作，则=0。由于液压缸参数未定，估算背压力Fb=12000N。自重： -液压缸的机械效率，一般取0.90-0.95. (2-3)液压缸各阶段负载如表2-1所示。表2-1 液压缸各阶段中的负载工作状态 负载组成负载值F/N推力F/N启动8080N8977.8N加速8390N9322.2N快速下行7590N8433.3N慢速加压988590N1098433.3N快速返回5390N5988.9N2.1.2绘制负载图和速度图由以上分析计算绘制主液压缸负载图和速度图，如图2-2。图2-2 压力机液压缸的负载和速度图2.1.3初选系统工作压力 根据重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用维护方便的原则，针对设计系统在性能和动作方面的特性，确定了设计系统的工作压力。如表2-2、表2-3所示。本设计工作压力为25MPa。表2-2 按载荷选择工作压力载荷/KN50工作压力/MPa0.8-11.5-22.5-33-44-55 表2-3 各种机械常用的系统工作压力机 床机械类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程建筑建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械工作压力/MPa0.8-23-52-88-1010-1820-322.2 液压系统及元件的设计2.2.1拟定液压系统图根据系统的设计要求和工况图，确定基本回路，拟定油路控制原理图，如图2-3。1斜盘式变量柱塞泵，2齿轮泵，3小电机,4大电机，6滤油器,7电控比 例溢流阀,8.22.24溢流阀， 9.18. 23换向阀，10压力继电器，11单向阀，12 压力表，13.18液控单向阀，14外控顺序阀，16顺序阀，15上液压缸，19 下液压缸，21节流器，工作过程 A: 启动：电磁铁全断电，主泵卸荷。主泵（恒功率输出）电液压 换向阀 9 的 M 型中位电液换向阀 20 的 K 型中位T B： 快进：液压缸 15 活塞快速下行：1YA，5YA 通电，电磁铁换向阀 17 接通液控单向阀 18 的控制油路，打开液控单向阀 18， 进油路：主泵 1 电液换向阀 9 单向阀 11上液压缸 15 回油路：液压缸 15 下腔 液控单向阀 18电液换向阀 9电液换向阀 20 的 K 型中位T 液压缸 15 活塞依靠重力快速下行：大气压油吸入阀 13液压 缸 15 上腔的负压空腔 C： 工进： 液压缸 15 接触工件慢速下行：（增压下行）液压缸活塞碰行程开关 2XK，5YA 断电，切断经液控单向阀 18 快速回油通路，上腔压力升高，切断（大气压油 吸入阀 13 上液压缸无杆腔）吸油路。 回油路：液压缸 15 下腔顺序阀 16电液换向阀 9电液换向阀 20 的 K 型中位T D： 保压：液压缸 15 上腔压力升高达到预调压力，压力继电器 10 发 出信息，1YA 断电，液压缸 15 进口油路切断，单向阀 11 和吸入阀 13 的高密封 性能确保液压缸 15 活塞对工件保压。主泵（恒功率输出）主泵 电液压换向 阀 9 的 M 型中位 电液压换向阀 20 的 K 型位T 实现主泵卸荷。 E： 保压结束，泄压，液压缸 15 回程：时间继电器发出信息，2TA 通 电（1YA 断电），液压缸 15 上腔压力很高，外控顺序阀 14，使主泵 1电液压换 向阀 9吸入阀的控制油路由于大部分油液经外控顺序阀 14 流回油箱，压力不 足以立即打开吸入阀 13 通油箱的通道，只能打开吸入阀的卸荷阀 13（或叫卸荷 阀 13 的卸荷口），实现液压缸 15 上腔（只有极少部分油液经卸荷阀口回油箱） 先卸荷，后通油箱的顺序动作，此时：主泵 1 大部分油液电液压换向阀 9外 控顺序阀T F： 液压缸 15 活塞快速上行： 液压缸 15 上腔卸压达到吸入阀 13 开 启的压力值时，外控顺序阀 14 关闭，切断主泵 1 大部分油液电液换向阀 9 外控顺序阀 14T 的卸荷油路实现： 进油路：主泵 1电液换向阀 9液控单向阀 20液压缸 15 下腔回油路： 液压缸 15 上腔吸入阀 13T G: 顶出工件:液压缸 15 活塞快速上行到位,PLC 发出信号, 2YA 断电, 电液压换向阀 9 关闭,3YA 通电电液压换向阀 20 右位工作进油路:主泵 1电液压换向阀 9 的 M 型中位电液换向阀 20液压缸 19 无杆腔 回油路：液压缸 19 有杆腔电压换向阀 20T H: 顶出活塞退回：3YA 断电，4YA 通电，电压换向阀 20 左位工作 进油路：主泵 1电液换向阀 9 的 M 型中位电液换向阀 20液压缸 19 上腔 回油路：液压缸 19 下腔电液换向阀 20T K： 压边浮动拉伸： 薄板拉伸时，要求顶出液压缸 19 下腔要保持一定的压力，以便液压缸 19 活塞能随液压缸 15 活塞驱动的动模一起下行对薄板进行拉伸，3YA 通电，电液 换向阀 20 右边工作，6YA 通电，电磁换向阀 23 工作，溢流阀 24 调节液压缸 19 下腔油垫工作压力。图2-3油路控制原理图中电磁铁动作顺序见表2-4。表2-4 电磁铁动作顺序表1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YAPJ原位上缸快进+上缸工进+保压+上缸快退+下缸工进+下缸快退+压边3液压缸的设计3.1液压缸主要参数的确定主缸的内径:公称力F=1000KN=1106KN，液体最大工作压力P=25MPa=25106。求得活塞面积：=0.04 (3-1)所以=0.04即主缸内径D=0.2257m=225.7mm。查表取D=220mm根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：= 得d=102.40按标准取活塞杆直径d=液压缸的往复运动速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25、1.15等几种。表3-1给出了不同速度比是活塞杆直径d和液压缸内径D的关系。由以上数据求出液压缸实际有效面积如下：无杆腔： = =38013 (3-2)有杆腔： =28509.9 (3-3) 活塞杆面积： A=-=9503.1 (3-4)表3-1 d 和D的关系1.151.251.331.462d0.36D0.45D0.5D0.56D0.71D(2) 确定液压缸的运动速度本课题给定了液压缸的工作速度为：空程速度：60 工作速度：14 回程速度：47(3) 确定活塞杆的最大行程本设计课题给定了活塞杆最大行程为600mm。3.2液压缸动作时的流量液压缸的流量通过工作速度和液压缸的内径来确定。液压缸的空程速度为V1 =60，工作速度为V2 =14，回程速度为V3=47. （3-5）空程：Q1=V1D2=0.060m/s(0.22)2=0.00228m3/s=136.84L/min；工作：Q2 = V2D2=0.014m/s(0.22)2=0.000532m3/s=31.93L/min；回程：Q3=V3（D2-d2）=0.047m/s(0.222-0.12）=0.00142m3/s=85.1L/min。3.3活塞杆的设计(1) 活塞杆的材料活塞杆的材料为45号钢，采用实心结构。其两个端部均采用螺纹连接。活塞杆所选材料如表3-3所示。表3-3 活塞杆所选材料型号MPaMPa%45MnB10308359(2) 活塞杆尺寸的确定活塞杆的总长要根据油缸的行程来确定，本课题的工作台行程为600，综合其技术要求，选取活塞杆的总长为800mm。由于LA+B+L-1/2BL100+140+30+600-70=800mmA 导向套滑动面长度；B 活塞宽度；L 液压缸的最大行程；数值在后面3.3.6导向环设