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小吨位全自动液压压砖机及其控制系统 摘要 全自动液压压砖机是进行墙地砖压制成形的关键设备， 是集机、 液、 电为一体的现代化高技术设备。本文针对实验室和工艺瓷砖、异型砖的 生产需求，提出了设计题目，并对小吨位机型的机械系统、液压系统以 及控制系统进行了全面的设计。 本论文在阐述墙地砖粉料性质、压制工艺的基础上，提出了合理的 加工工艺方案，为机械系统、液压系统、控制系统的设计提供了依据。 该设备以萨克米 p h 6 8 0 型全自动液压压砖机为原型， 根据小吨位机型的 特点，采用增压缸结构以提高系统工作压力，并合理设计出压制油缸、 顶模装置等重要结构。同时配合主机压制成形过程， 确定了布料装置的 合理方案口根据压砖机的压制工艺，拟定液压系统原理图，从而确定液 压系统的执行元件;然后分析各个执行元件的工作情况，根据流量和工 作压力进行液压泵和液压控制阀的选型、液压辅助元件的选择和设计， 计算系统功率并选择合适的电动机，最后验算整个液压系统的性能。 本论文通过对压制成形工艺过程的分析，设计出了小吨位全自动液 压压砖机 p l c控制系统，包括软件和硬件两大部分。硬件部分采用了 o mr o n c系列 p型机， 并配备了压力变送器 l d 5 0 0 , a / d模块、 mt 5 0 6 l 型触摸屏等精密元件以控制整个压制工艺过程。 软件部分利用梯形图编 制小型墙地砖成形设备的 p l c控制程序，并编制了触摸屏控制界面， 该用户界面友好，实现了整个压制工艺过程的控制自动化和可视化。 关键词:压制工艺，全自动液压压砖机，机械系统，液压系统，控制系 统，可编程控制器，触摸屏 the s mall- p res s - tonnage autom ati c hydrauli c bri ck m oldi ng p res s and control s ys tem abs tract t h e a u t o m a t i c h y d r a u l i c b r i c k m o l d i n g p r e s s i s t h e c r i t i c a l e q u i p m e n t o f p r e s s i n g t i l e a n d t h e m o d e r n h i g h - t e c h n i c a l e q u i p m e n t w h i c h c e n t r a l i z e s ma c h i n e r y , h y d r a u l i c , e l e c t r i c . a i m i n g a t t h e p r o d u c i n g r e q u i r e m e n t o f l a b o r a t o r y a n d a r t t i l e , t h e t h e m e i s b r o u g h t f o r w a r d a n d t h e m e c h a n i c a l s y s t e m , t h e h y d r a u l i c p r e s s s y s t e m a n d c o n t r o l s y s t e m a r e d e s i g n e d t h o r o u g h l y . o n t h e b a s i s o f e x p o u n d i n g t h e q u a l i t y o f t h e p o w d e r y ma t e r i a l a n d p r e s s i n g t e c h n o l o g y , w e b r i n g f o r w a r d t h e l o g i c a l a n d t e c h n o l o g i c a l p r o j e c t w h i c h p r o v i d e s t h e g i s t o f d e s i g n . r e f e r r i n g t o t h e s a c mi p h 6 8 0 a n d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r o f t h e s m a l l - t o n n a g e d e v i c e , t h e d e v i c e u s e s s u p e r c h a r g e r t o i n c r e a s e t h e w o r k i n g p r e s s u r e a n d t h e i m p o r t a n t ma i n c y l i n d e r a n d l i f t o u t a t t a c h m e n t a r e d e s i g n e d l o g i c a l l y . a t t h e s a m e t i m e , o n t h e b a s i s o f t h e p r e s s i n g p r o c e s s , t h e l o g i c a l p r o j e c t o f p u s h i n g t i l e a n d f e e d i n g m e c h a n i s m i s p u t f o r w a r d . n e x t b a s e d o n t h e p r e s s i n g t e c h n o l o g y , w e d r a w o u t t h e i l l u s t r a t i v e d i a g r a m o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m, a n d d e c i d e t h e e x e c u t i v e c o m p o n e n t s o f i t . t h e n w i t h t h e a n a l y s i s o f t h e e x e c u t i v e c o m p o n e n t s g o i n g a n d o n t h e b a s i s o f t h e fl u x a n d w o r k i n g p r e s s u r e , w e c h o o s e t h e h y d r a u l i c p u m p , v a l v e a n d d e s i g n t h e h y d r a u l i c a s s i s t a n t c o m p o n e n t s . t h e n w e c a l c u l a t e t h e s y s t e m p o w e r a n d c h o o s e t h e t y p e o f e l e c t r o m o t o r . f i n a l l y t h e h y d r a u l i c s y s t e m s c a p a b i l i t y g o e s t o b e c h e c k e d . i n t h i s d i s s e r t a t i o n w i t h t h e a n a l y s i s o f p r e s s i n g p r o c e s s , t h e p l c c o n t r o l s y s t e m o f t h e s m a l l - p r e s s - t o n n a g e a u t o m a t i c h y d r a u l i c b r i c k m o l d i n g p r e s s i s d e s i g n e d w h i c h i n c l u d e s t h e s o f t w a r e a n d t h e h a r d w a r e . we u s e o mr o n p l c e q u i p p e d w i t h l d 5 0 0 , a/ d mo d u l e a n d mt 5 0 6 l t o u c h s c r e e n t o c o n t r o l t h e ma c h i n e . t h e c o n t r o l s o f t wa r e f o r t h e s ma l l - p r e s s - t o n n a g e d e v i c e i s p r o g r a m m e d o n t h e l a d d e r d i a g r a m a n d w e d e s i g n t h e c o n t r o l i n t e r f a c e s o f t o u c h s c r e e n , w h i c h a r e f r i e n d l y a n d r e a l i z e t h e a u t o m a t i o n o f t h e p r e s s i n g p r o c e s s . k e y wo r d s : p r e s s i n g t e c h n o l o g y , t h e a u t o ma t i c h y d r a u l i c me c h a n i c a l s y s t e m , h y d r a u l i c s y s t e m , c o n t r o l s c r e en b r i c k mo l d i n g p r e s s , s y s t e m, p l c , t o u c h n 第一章 绪论 1 . ，国内外全自动液压压砖机的概况及发展趋势 自动液压压砖机主要用于陶瓷墙地砖的压制成形，是集机、电、液为一体化 的高技术、高精度的现代化陶瓷墙地砖生产线中的关键设备。压砖机具有压制成 形力大、整机刚度大、压制制度 ( 压制力、压制速度、压制时间)灵活可调、各 种参数数字显示、压制过程监控、故障跟踪显示、程序存储方便、自动化程度高、 性能可靠等优点，可以满足不同墙地砖压制成形工艺的要求，因此在陶瓷墙地砖 生产中得到了广泛的应用。 从2 0 世纪 7 0年代至今，国外墙地砖压制成形机械设备有了很大的发展， 取得 了长足的进步。意大利、德国、日本、中国等国家的一些陶瓷机械制造公司不断 推出了一大批机构 日益完善、生产效率高、自动化程度高的全 自动液压压砖机。 综合国外几家主要公司生产的液压压砖机特点，我们认为目前国内外全自动液压 压砖机的发展趋势可概括如下: 1 .朝大吨位发展 液压压砖机的吨位主要是依据生产墙地砖规格大小、 生产效率高低而定， 随着 国内生产墙地砖规格的不断变大， 单机的生产效率提高， 国外已推出了3 0 0 0 , 4 0 0 0 , 5 0 0 0 , 7 2 0 0 吨等系列大吨位液压压砖机。 2 .推出宽台面的液压压砖机 目前不少公司推出了一些宽台面的液压压砖机， 增加砖坯的压制块数，以提高 生产率。 3 .液压系统趋于简化，注重系统的节能 最典型的是国外液压压砖机液压系统动力源已从传统的定量泵驱动发展为新 型的高效变量泵驱动，增加了一些压力能回收油路，尽量减少能量消耗。 4 注重液压系统的清洁和过滤 因为液压系统的故障 7 5 %均由于液压油的不洁而造成的， 故各公司都十分注重 液压系统的清洁和液压油的过滤，普遍采用全过滤方式 ( 即在主泵的进出口均设 置过滤器) ，提高过滤精度。 5 .增加机架的整体刚性，减少压制时机架的弹性变形 例如将上横梁和低压油箱设计成一体，以增加上横梁的抗弯截面，采用套筒 拉杆梁柱结构、钢带缠绕预应力结构等，都是为了提高整机的刚度，减少弹性变 形，提高砖坯的压制质量。 6 .大量采用电液比例控制技术 电液比例技术是作为连接现代电子技术和大功率液压设备之间的桥梁， 己经成 为现代控制工程技术的基本构成之一，它具有节能、可靠、简化系统、调节方便 和价格较低等优点。国外液压压砖机首先在料车的速度控制上应用了电液比例控 制技术，其后应用到活动横梁的速度控制上，近年来又有应用到顶模装置的速度 控制上。采用电液比例控制技术和先进的检测元件，可使料车速度、活动横梁速 度、顶模装置速度在任意行程任意位置实现无级调节与转换，且转换位置准确， 重复精度高，调节方便、易实现。 7 .采用先进的p l c控制系统 可实现各种参数的自动显示， 压制程序的修改， 过程的监控，故障诊断的实时 帮助和随机教学等功能。 8 .全新概念的布料系统 为满足人们对砖坯装饰越来越高的要求，使生产的砖达到天然石材的效果， 因此近两年来在布料系统上做了许多的研究和改进，如二次布料装置、自由布料 技术等。 目前国内已掌握现代陶瓷墙地砖自动液压压砖机的设计和制造技术，具备设 计、制造生产各种结构型式和各种吨位液压压砖机的能力和经验。已制造出的液 压压砖机在技术性能上达到国外同类压砖机的水平，具有较好的可靠性，可替代 相同吨位的进口液压压砖机上线生产。 应该说国内制造的液压压砖机在主要技术参数、主机结构型式以及液压元件、 密封件、电气元件的选用上，与国外的液压压砖机已无多大区别，但在液压压砖 机的性能、质量、可靠性、工艺水平、外观等方面尚有一定的差距。d 1 1 . 2课题的提出与意义 自 上个世纪九十年代以来， 世界各地的墙地砖压制成形几乎全部采用液压压砖 机，传统使用的其他机型 ( 例如摩擦压力机)基本上被淘汰。随着墙地砖生产工 艺以及技术水平的提高，液压压砖机的吨位和 自动化程度也越来越高。然而在实 际生活中，一些小面积的墙地砖只要二、三百吨的小吨位压力就可以达到要求。 另外对于近年兴起的工艺瓷砖，一般形状奇异不规则，主要用来装饰墙面，美化 居室，也可作为工艺品出售，对强度的要求不高，因此该课题的目的是设计一台 2 0 0 吨全自动液压压砖机的小吨位机型满足以上要求。 虽然小吨位压砖机已经不是 市场的主流，但因其特殊的作用，在很多领域内还是有着广泛的应用。如实验室 应用，现代装饰的小型异形砖的生产等。 布料装置是 2 0 0吨全自动液压压砖机的一个重要部分，其设计是否合理将影 响到整个压砖机生产效率，如果能将主机、顶模装置和布料装置很好地配合，并 在 p l c和触摸屏控制系统实时的有效控制下，这对于改善墙地砖的质量、提高产 量，以及提高其经济效益有着重要的作用。本课题所设计的全自动液压压砖机的 p l c控制系统不但能对墙地砖成型加工过程进行实时有效的控制，而且触摸屏操 作界面友好，达到一定水平。 目前，国内开发制造液压压砖机的厂家大都采用国外的先进技术。例如，大 量采用电液比例控制技术;采用先进的 p l c控制系统，并配合触摸屏技术。为了 提高小吨位液压压砖机的特殊作用以及生产效率，该课题将采用上述提到的先进 控制技术，使得小吨位液压压砖机在市场竟争中能占一席之地。 1 . 3课题的主要内容 本课题的主要内容是完成 2 0 0吨全自动液压压砖机的设计。 在设计中， 要根据 加工对象的原料、性质、强度以及加工要求，确定出完成设定加工要求的生产过 程、工艺过程的最佳方案。并据此选择和设计出能可靠完成工艺过程的各种机构、 装置和自动控制系统，最后将它们转化成能供指导制造、装配、安装、运转调试 和维修用的设计图纸和各种说明书等技术文件。 总体说来， 该机的设计主要分为机械设计、 液压系统设计和控制系统设计三大 部分。 1 .机械设计 由于该液压机主要实现的功能有:布料装置推砖给料、主缸带动动梁下压、 顶 模装置顶出砖坯等，相应需要对下列机构进行设计: 1 )主体机构设计 2 )顶模装置设计 3 )布料装置设计 2 .液压系统设计 根据2 0 0吨全自动液压压砖机的压制工艺过程， 设计出液压控制系统回路， 绘 制出液压系统原理图，在此基础上，由己知条件计算和选择各个液压元件，最后 进行系统性能校核。 3 .控制系统设计 该液压机控制系统的设计分为两个部分: 1 )可编程控制器控制系统的设计 根据液压压砖机的控制要求， 确定整个系统的输入、 输出设备的数量，从而确 定p l c的1 / o点数，然后进行 p l c及相关元件的选型:建立 1 / o地址分配表，绘 制 p l c控制系统的输入、输出接线图，即控制原理图:采用梯形图编程，并写出 相应的程序。 2 )触摸屏控制界面的设计 利用触摸屏的人机功能，实时显示运行状态， 并利用触摸屏直接进行手动调试 设备。触摸屏控制界面的设计是按照用户的要求，首先拟定界面的草稿，利用触 摸屏组态软件编辑控制窗口的界面，界面设计完成，然后进行编译，编译通过后， 将触摸屏和p l c连接，就可以将程序下载到触摸屏中进行调试操作。 第二章 全自动液压压砖机 2 . 1压制成型工艺 2 . 1 . 1压制成型及其特点 将含有一定水分的颗粒状粉料装填在模型内， 通过施加一定的压力而形成坯体 的工艺操作称其为压制成型。 由于在压制成型中所采用的模型不同， 施加压力的方式不一样，目前有干压成 形和等静压成形两种方法。等静压成形是将含有一定水分的颗粒状粉料装填在弹 性模型内，通过流体介质 ( 一般为液体)施加一定的压力，该压力将均匀地作用 在弹性模型上，从而使模内的粉体被压制成坯体。粉料的含水量一般为 1 % 3 %, 液体压力约为3 2 m p a o 墙地砖由于器型简单、规整，故一般采用千压成形。干压成形是将含有一定水 分的颗粒粉料装填在钢质模型内，用较高的压力压制成坯体。粉料含水量一般为 6 %-8 %，压制力为2 0 -5 0 m p a ，粉体的压缩率约为5 0 % 6 0 %0 干压成形所要完成的工序动作通常可分解为喂料( 将颗粒状粉料均匀地加入模 型内) 一 粉 压制成形 一 粉 顶出 ( 将成形坯体从模型内顶出) 一 粉推坯 ( 将坯体推出 模框的同时完成喂料) 。这些动作全部由机械完成的压砖机，称为全自动压砖机。 由于粉料干压成形工艺不用石膏模，而使用可达几十万次的金属钢模，坯体 水分低，可节省干燥时间，降低能耗和变形，能连续自动地生产规格齐全、尺寸 精度高的产品，因而在陶瓷工业，特别是在建筑陶瓷行业得到了广泛的应用。 干压成形具有以下一些特点: 1 .采用钢性模型压制。千压成形是将粉料密实均匀地填满模型腔，在压力 p 作用下，模腔的容积由大变小，粉料被压制具有一定形状和尺寸的坯体。坯体的 形状、尺寸由封闭的型腔空间决定，并且该封闭的型腔容积大小是可变的。 所以千压成形是钢性模型压制法。钢性模型压制必不可少的条件是: 1 )粉料必须均匀地填满封闭的但没有气密性的型腔中。不封闭，压力不能形 成;有气密性，粉料中的气体排放不出去，坯体出现严重夹层。 2 )粉料所处的模腔容积是可变的。容积不变，粉料就无法压实。 2 .应有足够大的成形压力。成形压力主要用于克服粉料颗粒间相互靠拢移动 ( 压实)的阻力，粉料与模腔壁面的摩擦力和颗粒的变形力使粉料中的气体排出， 气孔率减少，坯体密实。但这里要强调的一点是，并不是成形压力愈大愈好，而 应根据各种不同坯料的物性、水分等的不同，确定其成形压力。成形压力过大， 会使坯体产生裂纹等缺陷。 3 .成形压力在坯体内的传递呈递减方式，即坯体内各层的压力大小随坯体与 上模的距离增加而递减。 4 .升压速度和保压时间直接影响坯体质量。 2. 1 . 2干压成形的工艺原理 对粉料的要求 适合于压制成形的粉料一般应具备下列几个条件: 1 )粉料的各成分分布均匀，体积密度高，气孔率低，从而可降低压制成形的 压缩比。 2 )流动性要好，压制成形时颗粒间的内摩擦力要小，粉料能顺利地填满模型 的各个角落。 3 )具有一定的颗粒大小和合理的级配并含有最少量的细颗粒部分，因为细颗 粒部分中包含较多的空气，使压制成形困难。 4 )颗粒在压力 下易于破碎，这样可压制成较密实和平整的坯体。 5 )水分要均匀，否则易使压制成形困难。 2 .干压成形的原理 干压成形是基于较大的压力， 将粉料坯料在模型中压制而成的。 粉料在模具中 受压逐渐变成具有一定致密度的坯体，这种坯体具有一定的强度。坯体强度与成 形压力的关系大致分为如下三个阶段，参见图2 - 1 。第一阶段，压力较低时，由于 粉料颗粒位移，填充孔隙，坯体孔隙减小，强度主要来自颗粒之间的机械咬合作 用，此时颗粒之间的接触面积还小，所以强度并不大;第二阶段，成形压力增加， 不仅颗粒位移和填充孔隙继续进行，而且能使颗粒发生变形和破裂，颗粒间接触 面积大大增加，出现分子间的相互作用，因而强度呈直线上升:第三阶段，压力 继续增大，坯体孔隙和密度变化不明显，强度变化也较平坦。在墙地砖生产中应 严格保证砖坯的强度， 这对于提高 产品 质量、 减少成品 损失有重要意义。 么 坯体强度 匕一一 一 上 一 一 一 一 一 卜 成形压力 图2 - 1坯体强度随成形压力的变化规律 f i g . 2 - 1 c h a n g e r u l e o f a d o b e i n t e n s i t y a l o n g w i t h f i g u r a t i o n p r e s s u r e 加压时， 压力是通过坯料颗粒的接触来传递的。 当压力由一个方向往下加压时， 由于颗粒在传递压力的过程中一部分能量要消耗在克服颗粒间的摩擦力和颗粒与 模壁之间摩擦力上，使压力在往下传递时逐渐减小。因此粉料中各点的压力分布 是不均匀的，造成了压实后坯体的密度分布不均匀，这是采用干压压制成形的固 有缺点。一般上层致密，越往下致密度越差;在水平方向是靠近模壁的四周 ( 尤 其是模角)的密度不如中心密实。 4 .干压成形工艺控制 干压成形时， 影响干压成形坯体质量的因素很多， 一般控制下列几个工艺参数。 1 )成形压力 成形压力包括总压力和压强。 总压力取决于坯体所要求的压强的大小和坯体尺寸的大小， 它是选择压砖机吨 位大小的一个主要指标。 合适的成形压强取决于坯体的形状、高度、 粉料的含水量及其流动性、 要求坯 体的致密度等。一般来说，坯体要求致密，形状复杂，则要求压强大。一般情况 下，增加压强可以提高坯体的致密度，但压力达到一定值后，再增加压力，坯体 致密度的增加已经不明显了，因此成形压力不是越大越好。此外，在压实的坯体 中总有一部分残存空气，过大的成形压力将把这部分残存空气压缩，当压制完毕 后卸除压力时，被压缩的空气将膨胀，使坯体产生层裂。由此可见，过高的成形 压力不仅无益于坯体的强度和致密度的提高，反而会引起无谓的能量消耗，使坯 体产生过压层裂的缺陷。具体的成形压强确定应根据产品的规格和技术要求而定。 一般情况， 墙地砖的成形压强为 2 5 一 5 0 m p a 。彩釉砖的成形压强为 2 5 -3 5 m p a , 瓷质砖的成形压强为3 5 -4 5 m p a 。对于一种具体的坯体，应通过试验来确定。 2 )加压方式 单面加压时，坯体中压力的分布是不均匀的，不但有低压区，还有死角。为了 使坯体的致密度均匀一致，宜采用双面加压，可消除底部低压区的死角，但坯体 中部密度较低。若两面先后加压，二次加压之间有间歇，有利于空气排出，使整 个坯体压力与致密度都较均匀。 如果在粉料四周都施加压力( 也就是等静压成形) ， 则坯体密度最均匀。 3 )加压速度 开始加压时，压力应小些，以利于粉料中的空气排出，然后短时( fi j 内释放此压 力，使受压气体逸出。初压时坯体疏松，空气易排出，可以稍快加压。当用高压 使颗粒紧密靠拢后，必须缓慢加压，以免残余空气无法排出，致使释放压力后空 气膨胀，回弹产生层裂。当坯体较厚或者粉料颗粒较细、流动性较差时，则宜减 慢加压速度、延长保压时间。 为了提高压力的均匀性，液压压砖机通常采用加压 2 - 4次，开始稍加压力， 然后压力加大，这样不至于封闭空气排出的通路。最后一次提起上模时要轻缓些， 防止残留的空气急速膨胀产生裂纹。 4 )压缩系数 k 压缩系数k，又称压缩比，是一个重要的工艺参数，它由粉料的性质、水分和 压制力决定。 1 2 . 2全自动液压压砖机总体方案的确定 全自动液压压砖机结构组成包括机械、 液压和电气三大部分， 机械部分由压砖 机主体、布料装置、顶模装置及排气安全装置组成。液压部分包括泵站、阀组、 增压缸、充液油箱以及连接各部分的液压附件。电气部分包括自动控制柜，以及 对液压压砖机工作状态进行监控的接近开关等。其设计程序与内容基本上同于一 般机器的设计，但基于陶瓷机械本身的特性，又有不同于其它机械的地方。首先， 它具有自动工作机的特点，即工艺范围有局限性，工作操作有严格的顺序，工作 循环有时间节奏性等;其次，作为陶瓷机械，它必须具有防尘的功能，能适应恶 劣的工作环境;同时，由于它是通过机械的压制作用把粉状颗粒原料压制成形为 砖坯，因此对粉状颗粒原料的形状、颗粒大小及其级配、含水率、均匀性有一定 的要求。 2 . 2 . 1确定液压压砖机的设计参数及依据 1 .该液压压砖机的功能是:通过布料、压制、顶模等一系列的动作，将调配 好的颗粒状粉料压制成具有一定强度的砖坯制品。 2 .所提供的原料是:含有一定水分的颗粒状粉料，其工艺条件要求如下: i ) 压制成形的粉料( 主要采用a l , q) 大多 采用喷雾干燥造粒， 其粒径范围 在 4 0 6 0 0 f u n 之间，且6 0 % 7 0 % 的粒径集中在2 0 0. 4 0 0 ,u m 之间。 2 )墙地砖的粉料含水率一般为5 %-8 %. 3 . 产品尺寸由模具确定， 该设计中砖坯的最大尺寸为2 0 0 m m x 2 0 0 m m x 8 m m, 生坯强度符合标准:g b 8 9 1 7 - 8 8 , i s o / d i s 1 1 0 5 5 4 / 4 - 1 9 9 4 ;表面质量符合标准: gb1 1 9 4 8 - 8 9 . i s o/ di s 1 1 0 5 4 5 / 2 - 1 9 9 4 . 4 ，公称压力为 2 0 0吨。 5 .压制频率为 6 -8次/ 分。 6 .工作温度 7 .控制要求 2 0 c - 6 0 0c。 故障、缺料停车报警:动梁的下压与布料装置不能相互干涉; 压力过高时，自动卸荷。 2 . 2 . 2确定压制成形工艺过程方案 压制成形工艺过程方案是设计液压压砖机的基础。方案的选择与原料的特性、 产品的结构形状尺寸、生产速度和质量要求等因素有关。需从对产品的质量、生 产率、产品成本、生产 自动化要求以及改善操作工人的劳动条件等各方面进行研 究。应力求使所定的压制成形工艺方案既先进又可靠，在运动原理和结构上是可 行的，机器的机构简单而完善，在保证产品质量的前提下具有较高的生产率。 现代全自动液压压砖机的成形方式有如图2 - 2 所示两种: 盖模成形法和插模成 形法。 画 ( a ) 盖模 ( c o v e r m o ld i n g ) ( b ) 插模 ( in s e r t m o l d i n g ) 图 2 - 2两种成形方式 fl g . 2 - 2 t wo k i n d s o f f i g u r a t i o n mo d e 插模法的最大优点是省力，并在成形某些特种装饰花纹产品时有利。 插模法虽 然对压砖机、模具的质量要求高，且模具的寿命不如盖模长，但压出的砖坯质量 高，砖坯形状适应性也宽，对于本次设计的 2 0 0吨全 自动液压压砖机主要用于实 验室以及可以压制特、异形墙地砖的功能，因此采用插模法比较合适。 由于所提供的原料是松散的颗粒状粉料，具有一定的堆积特性， 所以将粉料送 入模具内之后，要实现墩料动作，然后再进行压制工序。在松散的粉料中，存有 不少空气，如果空气在压制过程中，不能顺利排出的话，会使坯体产生层裂的现 象。由此可见，在压制过程中排出空气非常重要。因此，我们采用多次加压压制， 鉴于该液压压砖机主要是用于工艺瓷砖或实验室，对产品的强度要求不高，则确 定加压次数为两次。 经过综合考虑，初步拟定压制成形工艺过程方案为: 1 .开启电源，泵开始工作; 2 .布料小车前进实现布料，返回到达布料中位时，布料小车再次向前运动很 小一段时间，实现振料，然后返回到原位，同时将模腔中的多余粉料刮平; 3 .主缸带动动梁下行，第一次低压加压; 4 .动梁上抬一段时间，完成对坯料的排气; 5 ，动梁再次下压，第二次高压加压; 6 .停止下降，保压延时; 7 .卸荷，动梁回程; 8 .顶模装置动作，顶出砖坯，此时，动梁返回原位。 至此一个工作循环完成，液压压砖机进入下一个工作循环。 2 . 2 . 3确定控制系统方案 该 2 0 0吨全 自动液压压砖机能完成整个工艺过程，主要依靠液压控制系统和 电气控制系统。液压压砖机的液压控制系统属于很典型的液压系统，压砖机的整 个工艺过程中动梁的上升和下降、顶模的上升和下降等动作，是利用电磁比例阀 和电液比例阀的得电失电来控制油缸进油出油而实现的;而在第一次加压和第二 次加压时，加压时间的长短可由安装在压制油缸上的压力传感器来决定，当压力 值达到p , 时， 压力传感器发出 信号， 加压结束， 动梁略微上升0 s 秒， 完成对坯体 的 排气， 接着再次下压， 当压力值达到p , 时， 延时0 . 5 秒后， 增压缸工作， 压力继 续增大，达到p 2 时，压力传感器再次发出 信号， 停止加压。 压力传感器只能保证 加压的时间，不能保证加压值以及坯体的厚度和强度。 该压砖机的电气控制系统采用操作先进的可编程控制器( p l c ) 控制系统。 p l c 可根据操作用户的指令，完成砖坯的自动压制。p l c 具有体积小、功能强、程序 设计简单、维护方便等优点，特别是它能适应恶劣工业环境的能力和高可靠性。 整个电气控制系统主要采用 p l c ，并配备压力变送器 l d 5 0 0 , a / d模块以及通信 适配器等辅助设备，同时也配备了触摸屏，可以实现各种参数的自动显示、过程 的监控，手动调试设备以及故障诊断的实时帮助。 可编程控制器在满足同样控制要求的情况下，不像计算机控制系统那样复杂、 难以掌握，而且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、降低生产费用。 2 . 2 . 4总体配正设计 总体配置基本上取决于压制工艺过程方案，以压制工艺原理图为基准，结合自 动化方案进行总体配置设计，把加工工艺方案中各工序应具备的装置、传感器、 接近开关进行合理安排，力求达到精简、可靠、高效、操作安全、调整简单、拆 装维修方便等要求。 第三章 机械系统的设计 全 自动液压压砖机机械部分主要由机架、压制油缸、增压缸、顶模装置、布料 装置等组成 。 3 . 1机架的设计 机架承受压制成形时的全部载荷， 因此机架的强度和刚度对整机的性能影响较 大。 液压压砖机的机架目前有四种结构形式:梁柱组合结构;框板组合结构;焊接 或铸造的整体机架;拉杆一 套筒梁柱组合结构。在该液压压砖机的设计中，我们采 用梁柱组合结构，原因是这种结构加工和装配方便，而且立柱可作为动梁的导向 装置，导向刚度大，上模具运动精度高，提高了模具寿命和砖坯质量。另外，该 液压压砖机属小吨位机型，压制力不大，立柱在 2 0 0吨压制力作用下，产生向内 侧的弯曲变形较小，动梁导套与立柱的磨损也较小，所以采用梁柱组合结构。 梁柱组合结构常见的为二柱式和四柱式， 在本次设计中， 考虑到液压压砖机工 作环境、工作特点的要求，以萨克米 p h 6 8 0全自动液压压砖机为参照模式，结合 实验室工作及小批量生产特、异型砖坯的情况，在满足基本压制性能的前提下简 化结构设计，并采纳、吸收了实验室用压砖机的特点，决定机架结构采用三梁四 柱式结构。其主体机构示意图见图3 - 1 所示。 1 一 预紧螺母( b l o c k i n g n u t ) 2 一 定梁( b e a m ) 3 一 压制油缸( m a i n c y l i n d e r ) 4 一 加压活塞( p r e s s i n g p i s t o n ) 5 一 动梁 ( m o v i n g b e a m ) 6 一 立柱 ( v e r t i c a l s h a f t ) 7 一 模具 ( m o u l d ) 8 一 底座 ( b a s e ) 9 一 充液油箱 ( p r e s s u r e o i l b o x ) 图 3 - 1液压压砖机主体结构示意图 fi g . 3 - 1 s k e t c h ma p o f ma i n b o d y 一o - 压砖机主体结构主要由预紧螺母、定梁、压制油缸、加压活塞、动梁、立柱、 底座，充液油箱等组成。装配时施以预紧力的 4根立柱，将底座和定梁紧固在一 起，形成个受力框架。动梁则套装在 4根立柱上，且位于底座和定梁之间，并 与加压活塞用螺钉连接。压制时，加压活塞上下运动，带动动梁实现加压、卸压 过程。内置的增压装置实现对坯体的一次、二次加压。在液压压砖机顶部安装有 一充液油箱，充液油箱内充有液压油和一定的压缩空气或氮气。 3 . 2压制油缸的设计 压制油缸是全自动液压压砖机的心脏， 其运动精度和力传递形式直接影响到整 机的性能和砖坯成形质量。压制油缸是实现动梁上下直线往复运动的执行部件和 传递压制力的部件，它是一种高压油缸。 全自动液压压砖机压制油缸的结构形式有柱塞式和活塞式两种。 1 .柱塞式油缸。柱塞式油缸是一种单作用油缸，只能从一个方向加压，所以 要靠另外的油缸实现回程。其密封的寿命较短，原因是柱塞缸一端通高压油腔， 另一端直接与大气相通，密封件两端的压力差较大，而且有微小的渗漏，都会污 染环境和坯体，均影响使用，必须更换。 2 ，活塞式油缸。活塞式油缸被活塞分隔为两个腔，因此可以获得正反两个方 向的运动，属于双作用油缸。由于活塞式油缸不需另设回程缸，所以结构紧凑， 零件少，安装空间小。活塞在运动时，除了活塞杆有导向作用外，活塞沿缸壁滑 动，也具有导向作用，且导向长度较长，所以活塞式油缸导向性能好。活塞缸密 封件的寿命较长，原因是高压端的密封填充件的微小渗漏属内泄露，只要不影响 使用性能，密封件产生的一些微小泄露可继续使用，不必更换。【 4 1 该2 0 0 吨液压压砖机为中低压机器，故液压系统压力初步定为8 m p a ，则可以 根据公式 ( 3 - 1 ) ，初步求得压制油缸的内径: 己知 : f ( 3 一 1 ) 式中，f 一公称压力，f= 1 .9 6 x 1 护n; d一压制油缸内径，m; p 一压制油缸最大工作压力，p = 8 x 1 0 6 p a 则 : ” 一 , 4f _v np 4 x 1 . 9 6 x 1 0 6 i c x 8 x 1 0 6 澎0 . 5 5 9 m =5 5 9 mm 如果采用系统压力作为压制油缸工作压力的话，所求出的压制油缸的尺寸很 大，这给液压缸的制造带来了较大困难，造价也提高了，同时使整机的体积增大， 因此直接采用系统压力作为工作压力的方案不合适;如果提高系统压力的话，可 以减小压制油缸的直径，但会使液压系统的其它元件 ( 如电磁阀、管道等)的要 求提高，从而使整台机器的造价提高;同时也会使顶模缸的强度要求提高，而其 本身的要求并不高，因此提高系统压力也不是一个最佳的方案。 既然不能提高系统压力，那只要提高压制油缸的工作压力，就可以缩小压制 油缸的尺寸，这样的话，就需要一个增压装置达到增压的目的。我们采用在定梁 内设置一个增压缸的方案，增压缸在压制油缸上方，并与其紧密相连，来自系统 的液压油经过增压缸增压后，再进入压制油缸，这样既能简化结构，使整机结构 紧凑、体积小，又可以在不提高系统压力的前提下，使压制油缸工作压力提高， 因此该方案最佳。 我们将增压缸的增压比定为4: 1 ， 系统压力为 8 mp a ， 则增压后的压制油缸的 工作压力为 3 2 mp a ，考虑到压制过程中的压力损失、液压油泄露等因素，压制油 缸的实际工作压力按 g b 2 3 4 6 - 8 0液压缸公称压力系列圆整取 2 5 mp a 计算。则压 制油缸的缸径计算如下: 己知液压压砖机的公称压力f= 2 0 0 x 1 0 x 9 . 8 = 1 .9 6 x 1 护n，根据下面的公式计 算。 a x 凡 = f ( 3 - 2 ) 式中 则式 初 2 、， 、土一二*、二弋 。， 口。、 _。， ， ， ， 。 ， 、 , n 6 、 ， :a=，刀 拙 皿 刚伙 做 四 棍 ，m- :且 口 x u 几 =l 7 1 w r a，c=1 . 7 o x i v ! v; 4 ( 3 - 2 )可化成如下的形式: ” = f4frp2 ( 3 - 3) 最后由公式 内径系列，取d= ( 3 - 3 )计算得压制油缸内径为d 3 1 6 m m，根据j b 2 1 8 3 -7 7 油缸 3 2 0 m m，则压制油缸内横截面积a = 8 .0 4 x 1 0 - m a 由于压制油缸上端和增压缸相连，下端和法兰相连，其形状为筒形缸，则压 制油缸的壁厚一般可按薄壁筒壁厚的公式计算: p d 口 = 二 布 -万- 2 巨j o 式中:id 。 为 材料许用拉应力， ( 3 - 4 ) p a ; 间 。 一 玉， 。 。 为 材 料 的 抗 拉 强 度 ， p a ; n 为安全系数，一般取n 3 . 5 -5 ; p 为压制油缸内液压油的压力，p a . 缸体材料选用 4 5号钢的无缝钢管，查国标 g b 6 9 9 -6 5 得4 5 号钢的抗拉强度 6 6 = 5 9 8 m p a ， 安全系数取n = 5 , p 为经增压缸增压后液压油的压力，p = 2 5 m p a , 压制油缸内径d= 3 2 0 m m，则压制油缸壁厚可由公式 ( 3 - 4 )求得: p d _ 2 5 x 3 2 0 x 5 _ 。 。 ， _ _ e n q 一 二 一 9=书二犷 =二 二 一 一 二 二 二 - 二 =3 3 .4 mm， 取 a=3 5 mm 。 2 沙1 a 2 x 5 9 8 因为求得压制油缸内径为3 2 0 mm， 根据机标3 b 2 1 8 3 -7 7 活塞杆外径尺寸系列， 并考虑到压制油缸活塞杆要和动梁连接，必须承受很大的压力，故适当选取活塞 杆外径为d = 2 5 0 m m。按下列强度条件来验算活塞杆直径: “ _4f1c6 ( 3 - 5 ) 式中:f为油缸推拉力，当活塞杆前进时: _过 2 r=p一 万 一77 络 当活塞杆后退时: f=p i r ( d ， 一 d z ) 叮， 4 77 为油缸机械效率， 一 般取r? , 0 .9 5 ; 6 为材料的许用应力 p a , h 一 令 ， 。 ， 为 材 料 的 屈 服 极 限 ， p a ; 为 安 全 系 数 ， 一 般 n _ 1.4 0 根 据 国 标 g b 6 9 9 -6 5 查得4 5 号钢的屈服极限。 s = 3 5 3 m p a ;安全系数取n = 1 . 4 o 则根据公式 ( 3 - 5 )最后计算得d ? 9 8 .2 m m，而选取的活塞杆直径d = 2 5 0 m m, 满足条件，验算通过。 压制油缸缸体内径采用 h 8 配合。当活塞用橡胶密封圈密封时，内径的加工粗 糙度取r q 0 .4 一 0 . l f a n 。 活塞杆直径采用f 8 配合， 表面粗糙度为r a 0 .4 一 0 .2 ,u m。 圆柱 度和圆度不大于直径公差的一半。缸体的圆柱度、圆度不大于直径公差的一半， 轴线的弯曲度在 5 0 0 mm长度上不大于 0 . 0 3 m m。活塞外径的圆柱度和圆度不大于 直径公差的一半。活塞两端面与活塞杆的垂直度在 l 0 0 m m长度上不大于0 . 0 4 m m o 活塞杆轴线的弯曲度在 5 0 0 m m长度上不大于0 .0 3 m m a 压制油缸缸体采用调质处理，硬度为 h b = 2 4 1 一 2 8 5 。活塞杆初加工后调质至 h b = 2 2 9 2 8 5 ，必要时可以高频淬火至 h r c = 4 5 -5 5 0缸体内表面可以镀铬再进行 研磨抛光，外表面涂耐油油漆。活塞和活塞杆外表面可以镀铬抛光。 3 . 3增压缸的设计 为了简化结构，减小整机的体积，增压缸安装在定梁内，并和定梁制造成一 体。增压缸下部与压制油缸相连，靠四个 m3 0的螺钉通过下法兰将增压缸和压制 油缸紧密连接起来。 增压缸也叫增压器，它能将低压泵供给的低压油，转换成高压油，供给系统 的某一部分，节省高压泵，使液压系统经济化。其工作原理图见图3 - 2 0增压缸由 直径大小不同的两个液压缸串联而成。大液压缸作为原动液压缸，小液压缸作为 输出液压缸。当低压油通入大液压缸，推动活塞前进时，小液压缸内的油液受到 了压力。由于小液压缸活塞有效作用面积小，所以产生的平均压力比大液压缸大， 从而达到增压的目的。因为设置的增压比为 4 : 1 ,所以增压缸大液压缸直径是小 液压缸直径的2 倍。 1 2 1 1 一 大活塞 ( m a i n p i s t o n ) 2 一 小活塞 ( s m a l l p i s t o n ) 3 - 缸体 ( c y l i n d e r b o d y ) 图 3 - 2 增压缸原理图 f i g . 3 - 2 p r i n c i p l e