400kN单柱液压锻压机总体设计（含全套CAD图纸） .pdf

400kn 单柱液压锻压机的总体设计 i 摘要 液压锻压机由于锻造速度快 控制精度好 自动化程度高 工艺范围广以及节能 节材显著 被认为是锻造设备的发展方向之一 是目前大型自由锻锤及中小型普通水压 机的更新换代产品 随着现代化工业的发展 人们对锻件的尺寸精度和生产效率提出了越来越高的要 求 因而对液压锻压机的锻造速度和压下精度的要求也随之提高 为了适应这种需求 液压锻压机得到了较大的发展和进步 目前国内外新发展的液压锻压机多数以液压油为 介质 采用泵直接驱动 计算机控制 同时与操作机进行联动控制 此处针对 400kn 的液压锻压机的液压回路部分 电气控制部分以及机械部分做出了 详细的总体设计和研究 在原有的液压锻压机的产品基础上做出创新和改良 使锻压机 能够完成快进顶出 慢速压制以及快速退回 且对相关的部件进行强度及稳定性的校核 在其总体设计中更深入地了解液压传动的相关知识 并做出机身的整体设计 做到无装 配及加工问题 除此之外 本文还对锻压液压机的电气控制部分进行了设计 此处的电气控制是基 于 plc 所设计的 关键词 400kn 液压锻压机 液压系统回路设计 plc 控制 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 ii abstract the hydraulic machine being considered as the best forging machine because of its high efficiency easier to control automation and large range of saving energy and materials which are the productions taking of free forging and small normal water powered machines right now as the development of the modern industry people begin to put more emphasis on the producing efficiency and dimension more and more requirements about the speed and pressing accuracy are taken on to meet this hydraulic machine has taken a big development at present the machine is controlled by computers and acts through pumps being gang controlled with manipulator this paper is used to analysis the hydraulic system electrical controls and machinery of forging machines even research the whole system we can make revolution and innovation on the original basis we will try best to make the machine otherwise i have designed the plc controlled system of the hydraulic machine key words 400kn hydraulic machine hydraulic system loop plc control 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 iii 目录 1 绪论 1 1 1 设计题目 400kn 单柱液压锻压机 2 1 2 具体设计任务 2 2 400kn 液压锻压机液压传动系统设计 5 2 1 锻压机的工作原理 5 2 2 锻压系统技术要求与已知条件 6 2 3 执行原件的配置 6 2 4 负载分析和运动分析 7 2 5 液压元件选型 12 2 6 液压缸的设计 17 3 液压锻压机的机械部分设计与计算 26 3 1 锻压机的机械功能部件 26 3 2 固定件的强度校核 29 4 液压机电气控制系统设计 30 4 1 基于 plc 的电气控制 30 4 2 三相异步电动机 32 4 3 配电箱 33 5 总结 34 致谢 36 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 iv 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 1 1 1 绪论绪论 锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备 锻压机械包括成形用的锻 锤 机械压力机 液压机 螺旋压力机和平锻机 还有矫正机 开卷机 锻造操作机 剪切机等辅助机械 锻压机主要应用在金属成形方面 所以又被称为金属成形机 锻压 机械是通过对金属施加压力使之成形 压力大是它的基本特征 因此大多是重型设备 设备上多数都装有安全防护的相关装置 来保障设备的使用寿命和操作人员的人身安 全 液压机的行程根据设计要求是可变的 能够在任意位置发出最大的工作力 见图 1 1 工作平稳 没有震动是液压机的两大优点 并且容易达到较大的锻造深度 最适 合用在大锻件的锻造或者大规格板料的拉深 打包和压块等工作 液压机主要包括有水 压机和油压机 某些弯曲 矫正 剪切机械也被归属在液压机一类 图图 1 11 1 单柱锻压机单柱锻压机 锻造液压机综合利用了机械液压技术 自动控制技术 传感检测与信号处理技术等 是在高功能 高技术 高质量 高可靠行 低能耗意义上实现特定功能价值的意向系统 工程 是目前锻压机械中机电一体化的领先产品 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 2 1 1 设计题目 400kn 单柱液压锻压机 液压锻压机在现今的重工生产中应用十分普遍 而且也是是工业基础装备的重要组 成部分之一 在航空航天 汽车制造 交通运输 冶金化工等等重要工业部门得到广泛 应用 单柱液压锻压机大多配合闭式模锻模使用 图图 1 21 2单柱式结构示意图单柱式结构示意图 1 2 具体设计任务 1 2 1 主要技术参数 公称锻压力 400kn 系统最大工作压力 16mpa 最大开口 550mm 工作台有效面积 左右宽 500mm 前后深 450mm 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 3 主液压缸行程 350mm 1 2 2 工作量要求 设计计算说明书 1 5 万字以上 完成总装配图 a0 图纸 1 张 完成部分零件图 a1 图纸 3 张等 完成电气控制系统图 a1 图纸 1 张 1 2 3 进度规划 2011 年 12 月 2012 年 1 月 收集资料 确定设计系统总体方案 翻译有关外 文资料及阅读技术文献 书写开题报告 2012 年 1 月 2012 年 2 月 开始总体设计 完成机械部分 传动部分设计 完成总装配图 a0 图纸 1 张 完成部分零件图 a1 图纸 3 张等 2012 年 2 月 2012 年 3 月 完成电气控制部分设计 完成电气控制系统图 a1 图纸 1 张 撰写说明书 2012 年 3 月 2012 年 4 月 中期答辩 2012 年 4 月 2012 年 5 月 编写毕业论文 2012 年 5 月 2012 年 6 月 毕业答辩准备和答辩 1 3 设计内容 400kn 的锻压机由机械部分 液压回路及电气控制部分所组成 本次的设计主要围 绕这三部分展开 1 3 1 液压回路的连接 单柱液压锻压机的液压回路主要为液压传动 以传递动力为主 在回路中应运用方 向阀 流量阀 电磁换向阀来实现活塞的快进 工进 快退 急停和保压 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 4 1 3 2 电气控制 采用三相异步电机为动力驱动 设计 plc 程序作为以上的电气控制 可实现调整和半自动两种控制方式 还可以使 用延时继电器来满足不同的工艺需求 1 3 3 机械部分 单柱液压锻压机由机座 工作台 活塞缸 油箱 管路等部分组成 主要的设计工 作为机身的设计 液压缸的安装以及工作台的固定方式 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 5 2 2 400kn400kn 液压锻压机液压传动系统设计液压锻压机液压传动系统设计 2 1 锻压机的工作原理 平常所用的锻压机 主要由驱动机床工作台的液压系统和闭式模锻模组成 它的工 作原理 液压系统带动闭式模锻模的工作 液压泵由电动机带动旋转后 从油箱中吸油 油液经滤油器进入液压泵 当它从泵中输出进入压力管后 将换向阀手柄 开停手柄方 向往内的状态下 通过开停阀 节流阀 换向阀进入液压缸左腔 推动活塞和工作台上 下或者左右移动 这时 液压缸右腔的油经换向阀和回油管排回油箱 如果将换向阀手柄方向转换成往外的状态下 则压力管中的油将经过开停阀 节流 阀和换向阀进入液压缸右腔 推动活塞和工作台向左移动 并使液压缸左腔的油经换向 阀和回油管排回油管 工作台的移动速度是由节流阀来调节的 当节流阀开大时 进入液压缸的油液增多 工作台的移动速度增大 当节流阀关小时 工作台的移动速度减小 为了克服移动工作台时所受到的各种阻力 液压缸必须产生一个足够大的推力 这 个推力是由液压缸中的油液压力产生的 要克服的阻力越大 缸中的油液压力越高 反 之压力就越低 输入液压缸的油液是通过节流阀调节的 液压泵输出的多余的油液须经 溢流阀和回油管排回油箱 这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于 或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时 油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱 所以 在 系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的 它和缸中的油液压力不一样大 如果将开停手柄方向转换成往外的状态下 压力管中的油液将经开停阀和回油管排 回油箱 不输到液压缸中去 这时工作台就停止运动 从上面的例子中可以得到 1 液压传动是以液体作为工作介质来传递动力的 2 液压传动用液体的压力能来传递动力 它与利用液体动能的液力传 动是不相同的 3 液压传动中的工作介质是在受控制 受调节的状态下进行工作的 因此液压传动和液压控制常常难以截然分开 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 6 一个完整的 能够正常工作的液压系统 应由五部分来组成 1 能源装置 动力元件 是一种供给液压系统压力油 把机械能转换成液压能的装置 最常见形式是液压泵 其作用是给液压系统提供压力油 2 执行装置 执行元件 是一种把液压能转换成机械能以驱动工作机构的装置 其形式有作直线运动的液压 缸 有作回转运动的液压马达 也有作往复摆动的摆动马达 摆动缸 他们又称为液 压缸系统的执行元件 3 控制调节装置 控制元件 是一种对系统中的压力 流量或流动方向进行控制或调节的装置 如溢流阀 节流 阀 换向阀和开停阀等元件 这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系统 4 辅助装置 辅助元件 除以上 3 部分外的其他装置 如油箱 滤油器和油管等 他们对保证系统正常工作 是必不可少的 5 工作介质 传递能量的流体 即液压油等 2 2 锻压系统技术要求与已知条件 设计一台液压锻压机 其滑块的上下运动拟采用液压传动 要求通过电液控制实现 的工作循环为 快速下降 慢下压至 保压 泄压 回程 快速退回 公称锻压力为 400kn 系统最大工作压力为 16mpa 最大开口为 550mm 工作台面积为左右宽 500mm 前后深 450mm 主液压缸行程为 350mm 2 3 执行原件的配置 液压锻压机为立式布置 行程较小 350mm 故选用缸筒固定的立置活塞缸 取缸 的机械效率 cm 0 91 进行压制 折弯等作业 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 7 2 4 负载分析和运动分析 下图为液压缸的受力图和外形图 图图 2 12 1 液压缸受力图液压缸受力图 2 4 1 活塞杆伸出的推力 cmcm d ppaf 4 2 11 2 1 3 1 6 1040091 0 1016 a 2 1 027 0 ma 计算液压缸内径和活塞杆直径均与设备的类型有关 例如机床类 对于动力较大的 机床 拉床 刨床 组合机床等 一定要满足应力的要求 计算时以力为主 对于在高 速的机床 磨床 珩磨床和研磨机等 一定要满足速度要求 计算以速度为主 m a d19 0 4 dd2 md13 0 活塞杆是液压缸传递力的主要零件 它要承受拉力 压力 弯曲力和震动冲击等多 种作用 因此在设计中必须保证其足够的强度和刚度 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 8 2 4 2 活塞缩回时的实际压力 kn dd ppaf cmcm 56 21991 0 4 13 0 19 0 1016 4 22 6 22 22 2 2 快速下降时 活塞差动连接 cm aapf 213 2 3 cm d p 4 2 kn26 19391 0 4 13 0 1016 2 6 2 4 3 根据以上计算初选液压缸 算得 md19 0 查表取 mmd200 即液压缸内径 算得 md13 0 查表取 mmd140 即活塞杆直径 222 1 031 0 2 0 44 mda 2 4 22222 2 016 0 14 0 2 0 4 4 mdda 2 5 2 4 4 计算滑块的行程以及速度 按照经验 可设计液压缸滑块快速下降的速度 smmv 23 1 慢速加压的速度 smmv 12 2 快速上升的速度 smmv 53 3 快速下行的行程 smml 200 1 慢速加 压的行程 smml 150 2 快速上升的速度 smml 350 3 启动 制动的时间 st2 0 滑块重力 ng15000 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 9 由活塞的运动速度可求得液压缸的流量 slavq 713 0 031 0 023 0 111 2 6 slavq 372 0 031 0 012 0 122 slavq 848 0 016 0 053 0 233 因此滑块快速下降 启动加速 时 n t v g g fi176 2 0 1023 81 9 15000 3 1 1 2 7 滑块快速下降 等速 时 0 1 i f 2 8 滑块慢速加压 初压 时 nffe20000 510400 5 3 max1 2 9 滑块慢速加压 终压 时 nffe400000 max2 2 10 滑块快速回程 启动 时 ng t v g g gfi1540515000 2 0 1053 81 9 15000 3 2 2 2 11 滑块快速回程 等速 时 ngf15000 2 12 滑块快速回程 制动 时 nfg i 1459540515000 2 2 13 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 10 计算各工况持续时间 滑块快速下降时 svlt696 8 23 200 111 2 14 慢速下降加压 初压 时 svlt333 8 12 100 222 慢速下降加压 终压 时 svlt167 4 12 50 2 23 慢速回程时 svlt604 6 53 350 334 可得液压缸的工况图 1 图图 2 22 2液压缸工况图液压缸工况图 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 11 表表 2 12 1 液压缸工作循环中各阶段的压力和流量液压缸工作循环中各阶段的压力和流量 工作阶段计算公式负载nf 工作腔压力pap 输入流量 q 3 s l min 快 速 下 行 启动 cm a f p 1 11v aq 1766238 9271342 78 恒速00 慢 速 加 压 初压 cm a f p 1 21v aq 20000 0 71 10 6 37222 32 终压400000 14 18 10 6 372 022 32 0 快 速 回 程 启动 cm a f p 2 32v aq 15405 1 06 10 6 恒速15000 1 03 10 6 84850 88 制动1459510 6 2 3 5 计算工作循环中各阶段的功率 快速下降 启动 阶段 wqpp45 4 1071392 6238 6 111 2 15 快速下降 恒速 阶段 0 1 p 慢速加压 初压 阶段 wqpp12 264103721071 0 66 22 2 慢速加压 终压 阶段 终压行程为 150mm 持续时间为 st51 12 3 压力增加 变化规律可用一线性函数 p t 表示 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 12 ttp08 171 0 51 12 71 018 14 71 0 2 16 流量由 372 scm 3 减小为零 其变化规律 q t 51 12 1 372 t q 2 17 因此得功率方程 51 12 1 08 1 71 0 372 t tpqp 2 18 此抛物线开口向下 令 0 t p 可得 t 5 93s 时功率最大 kwp39 1 51 12 93 5 1 93 5 08 1 71 0 372 3 当 t 5 93s 时 可算得 mpap11 7 93 5 08 1 71 0 min 74 11 66 195 51 12 93 5 1 372 3 lscmq 快速回程 启动 阶段 kwwqpp899 0 88 898108481006 1 66 444 kwwqpp843 0 54 842108481003 1 66 555 kwwqpp848 0 8481084810 66 666 2 5 液压元件选型 液压回路由液压控制元件和管路及油缸组成 液压控制阀是一种液压系统中用来控 制液流的流量 压力和流动方向的控制元件 是影响液压系统 可靠性和经济性的重要 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 13 元件 除此之外 完整的液压系统还应配上液压泵和电动机 2 5 1 液压泵及其驱动电动机的选择 液压缸的最高工作压力为 mpa18 14 此时缸的输入流量极小 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 故泵的最高工作压力 p p 为 mpapp68 145 018 14 2 19 所需的液压泵最大供油量 p q 按液压缸的最大输入流量 min 78 42l 进行估算 取泄漏系数 1 1 k 则 min 06 4778 421 1lqp 2 20 初拟液压泵的转速 min 1500rn 泵的容积效率 90 0 v 可得泵的排量 rml n q v v v g 86 34 90 0 1500 06 4710001000 2 21 因此选用 25ccy14 1b 型斜盘式柱塞液压泵 其工作原理如图 3 2 其额定压力 mpapn32 排量 rmlv 63 额定转速 min 1500rn 其容积效率为 92 0 v 其 额定容量为 min 94 8692 0 150063lvnq vp 符合系统对流量的要求 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 14 图图 2 22 2 柱塞泵工作原理图柱塞泵工作原理图 1 1 传动轴 传动轴 2 2 缸体 缸体 3 3 斜盘 斜盘 4 4 柱塞 柱塞 5 5 配油盘配油盘 当 st93 5 时 出现最大功率 可算得液压泵的最大理论功率 kwkqpppt64 1 60 74 111 1 5 011 7 2 22 取泵的总效率 85 0 p 可得液压泵的驱动功率为 kw p p p t p 93 1 85 0 64 1 2 23 查手册 选用型号为 y100l1 4 的封闭式三相异步电动机 其额定功率为 2 2kw 额定转速为 1430r min 按所选的电动机转速和液压泵的排量 液压泵的最大实际流量为 min 88 8292 0 631430lnvqt 2 24 大于计算所需的流量 min 06 47l 校核后满足使用需要 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 15 2 5 2 液压元件的选择 液压系统设计是锻压机设计的重要组成部分 两者的设计通常需要同时进行 综合 考虑 来确保整机性能的优良 设计时 首先要满足主机工作循环时所需要的全部技术 要求 其次应从实际出发 重视调研结果 并且可以吸取现下国外先进的液压机制造设 计技术 力求做到设计出的系统静动态性能好 重量较轻 体积小 效率高 工作安全 可靠 寿命长 结构简单 操作和维护保养方便 经济性好等优点 根据以上设计要求 初步设计 400kn 液压锻压机的液压系统回路 为了实现液压缸的进和退动作 选择电磁换向阀作为液压系统的方向控制阀 电磁换向阀的基本工作原理是通过电磁铁控制滑阀阀芯的不同位置 以改变油液的 流动方向 当电磁铁断电时 滑阀由弹簧保持在中间位置或初始位置 若推动故障检查 按钮可使滑阀阀芯移动 电磁换向阀在液压系统中的作用是用来实现液压油路的换向 顺序动作及卸荷等 由于电磁铁推力有限 电磁换向阀应用在流量不大的液压系统中 为了实现其工进 可以选择调速阀或节流阀作为速度控制阀 节流阀的调节应该轻便 准确 在小流量调节时 如通流截面相对于阀心位移的变 化率较小 则调节的精确性较高 调节节流阀的开口 便可调节执行元件运动速度的大 小 调速阀的工作原理 液压泵出口压力 由溢流阀调整 基本上保持恒定 调速阀出 口处的压力由活塞上的负载决定 所以当负载增大时 调速阀进出口压差将将减小 调速阀在液压系统中的应用和节流阀相仿 它适用于执行元件负载变化大而运动速 度要求稳定的系统中 因此 在本设计中选择调速阀作为速度控制阀 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 16 图图 2 32 3 液压回路液压回路 下表为液压回路的电磁阀得电顺序 表表 2 22 2 电磁阀得电顺序电磁阀得电顺序 ya1ya2ya3ya4ya5 快进 工进 保压 泄压 快退 根据所选择的液压泵和系统工作情况 所选系统的其他液压元件如下表 2 3 液压 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 17 回路图如图 2 2 表表 2 32 3 序号元件名称 额定 压力 mpa 额定流 量 min l 型号 规格说明 1斜盘式柱塞液压泵3286 94 25ccy14 1b 额定转速min 1500r 驱动电 动机功率 1 93kw 2盖板式二通插装阀31 5160 z2ahc16z 4 通径为 16mm 3溢流阀35250db10通径为 10mm 4三位四通电磁换向阀10704we10w通径为 10mm 5顺序阀31 5150dz10通径为 10mm 6压力开关表40 af6ep30 y400 通径为 6mm 7三位四通电磁换向阀10704we10e通径为 10mm 8溢流阀35250db10通径为 10mm 9盖板式二通插装阀31 5160 z2ahc16z 4 通径为 16mm 10单向阀31 5115s15p通径为 15mm 11两位三通电磁换向阀14603we6a通径为 6mm 12单向顺序阀31 5150dz10通径为 10mm 13溢流阀35250db10通径为 10mm 14压力继电器35 st 02 h 20 通径为 8mm 15液控单向阀31 5400sl15g1通径为 15mm 16液压缸自行设计 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 18 2 6 液压缸的设计 缸筒是液压缸的主要零件 它与端盖 缸底合管路等零件构成密闭的容腔 用以容 纳压力油 同时它还是活塞的运动轨道 设计液压缸缸筒时 应该正确确定各部分的尺 寸 确保液压缸有足够的运动速度 输出力和有效行程 同时还必须具有一定的强度 能足以承受液压力 负载力和干扰等冲击力 除此之外 缸筒的内表面还应具有合适的 配合精度 表面粗糙度一级几何精度 来保证液压缸的密封性 运动平稳性和耐用性 2 6 1 确定液压缸的结构尺寸 在本设计中 液压缸是液压系统中的执行元件 它是一种把液体的压力能转换成机 械能以实现直线往复运动的能量转换装置 液压缸结构简单 工作可靠 在液压系统中 得到了广泛的应用 1 缸筒设计 缸筒两端分别与缸盖和缸底相连 构成密闭的压力腔 因而它的结构形式往往和缸 盖密切相关 因此 在设计缸筒结构式 应根据实际的情况 选用结构便于装配 拆卸 的连接方式 缸筒内外径根据标准进行圆整 此处的连接方式均为螺栓连接 2 缸筒壁厚计算 已选液压缸内径 d 200mm 活塞杆 d 140mm 缸筒壁厚的计算 系统压力为 16mpa 属低压工作系统 缸筒材料为碳钢 许用应力 mpa60 壁厚 m dpy 04 0 602 2 0165 1 2 2 25 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 19 取 mm40 外径 mmdd2804022002 1 2 26 取 mmd280 1 3 液压缸油口设计 油口孔是压力油进入液压缸的直接通道 虽然只是一个孔 但不能轻视其作用 如 果孔小 不仅造成进油时流量供不应求 影响液压缸的活塞运动速度 而且会造成回油 时受阻 形成背压 影响活塞的退回速度 减小液压缸的负载能力 对液压缸往复速度 要求较严的设计 一定要计算孔径的大小 液压缸的进出油口可以布置在缸筒和前后端盖上 对于活塞杆固定的液压缸 进出 油口可以设在活塞杆端部 如果液压缸无专用的排气装置 进出油口可以设在液压缸的 最高处 以便空气可以首先从液压缸排出 液压缸进出油口的连接形式有螺纹 方形法 兰和矩形法兰等 此次的设计将液压缸浸出油口设在缸筒上 并且以焊接的方式将螺纹部分连接在缸 筒上 分别分布于活塞头两端 连接方式即螺纹连接 0 d 液压缸油口直径 d 液压缸内径 m v 液压缸最大输出速度 m min 0 v 油口液流速度 m s 有杆腔 smv 023 0 min 38 1m smv 5 1 0 得 mmd25 0 无杆腔 min 18 3 053 0 msmv 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 20 smv 3 0 mmd28 0 图图 2 42 4 上图为油口螺纹的连接方式 4 缸盖厚度计算 在单活塞液压缸中 有活塞杆通过的缸盖称为端盖 无活塞杆通过的缸盖称为缸头 或缸底 端盖 缸底与缸筒构成封闭的压力容腔 它不仅要有足够的强度以承受液压力 而且必须具备一定的连接强度 端盖上有活塞杆导向孔 或装有导向套的孔 及防尘圈 密封圈槽 还有连接螺钉孔 受力情况比较复杂 设计的不好容易损坏 无油孔缸底 m p dh y 054 0 60 165 1 2 0433 0 433 0 2 27 取 mmh55 5 缸头厚度计算 选用常用的法兰式缸头 螺钉连接法兰 法兰厚度 0 3df h 2 28 f 法兰所受合力 pdf 2 4 2 29 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 21 d 法兰受力面积 m p 系统工作压力 pa 得 knf256101624 0 4 62 0 d 螺钉孔分布圆直径 m 估取 mmd120 0 得 mmh22022 0 此处考虑到导向套的定位 因此将导向套和缸盖设计为一体式 6 最小导向长度确定 当活塞杆完全伸出时 从活塞支承面中点到导向套活动面中点的距离称为最小导向 长度 如果导向长度过短 将使液压缸因间隙引起的初始扰度增大 影响液压缸的工作 性能和稳定性 因此 在设计时 必须保证液压缸有一定的最小导向长度 活塞宽度 db 0 1 6 0 2 30 取 b 120mm 最小导向长度应满足 mm dl h 5 117 220 2 31 根据最小导向长度和已设计的液压缸盖的承受面的长度 取导向套长度为 95mm 7 排气装置的选择 如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置 压力油进入液压缸后 缸内仍会存 有空气 由于空气具有压缩性和滞后扩张性 会造成液压缸和整个液压系统在工作中的 颤振和爬行 影响液压缸的正常工作 比如 液压导轨磨床在加工过程中 如果工作台 进给液压缸内存有空气 就会引起工作台进给时的颤振和爬行 这不仅会影响被加工表 面的光洁程度和精度 而且会损坏砂轮和磨头等机构了 如果这种现象发生在炼钢转炉 的倾倒装置液压缸中 那么将会引起钢水的动荡泼出 这是十分危险的 为了避免这种 现象的发生 除了控制空气进入液压系统外 必须在液压缸上设置排气装置 排气装置 的位置要合理 由于空气比压力油轻 总是向上浮动 因此垂直安装的液压缸 应设在 端盖的上方 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 22 m8 60 90 2 1 7 18 图图 2 52 5 排气阀排气阀 2 6 2 液压缸盖螺栓个数的确定 缸体与缸盖采用螺栓连接 螺纹处的拉应力 zd kf 2 1 4 2 32 螺纹处的切应力应为 zd kfdk 3 1 01 2 0 2 33 合成应力为 3 13 22 n 2 34 k 螺纹拧紧系数 静载时 取 k 1 25 1 5 动载时 取 k 2 5 4 1 k 螺纹内摩擦系数 一般取 1 k 0 12 0 d 螺纹外径 m 此处 mmd16 0 1 d 螺纹内经 m 当采用普通螺纹时的 tdd0825 1 01 此处 mmd 4 14 1 mmt5 1 t 螺纹螺距 z 螺栓个数 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 23 螺栓材料为 45 可得 mpa n s 300 2 1 360 2 35 算得螺栓个数 12 z 2 6 3 活塞杆稳定性校核 已知活塞最大工作压力 knf400 对于实际受压杆件 为了不致丧失稳定性 应该有一定的安全储备 因此 压杆的 稳定条件为 w y y n p p n 2 36 式中 y n为实际工作安全系数 为规定的安全系数 油缸活塞杆 w n 4 6 活塞杆材料为 45 钢 此处选用 4 w n 在进行稳定计算时 需要根据实际压杆的柔度的大小选用相应的 p 计算公式 校核压杆稳定性 1 计算临界力 为了进行稳定性校核 首先必须算出临界力 y p 而选择何种公式计算 y p 则需先 算出压杆的柔度才能确定 可将活塞杆两端简化为铰支座 故 1 已知活塞杆长度 mml830 其柔度为 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 24 71 23 140 48301 4 d l i l 2 37 i 惯性半径 对于 45 号钢 可算出 e 45 钢的弹性模量 e 196 216gpa 97 10220 10210 6 92 p 2 38 显然 p 又因为 b a s s 2 39 查表可知 45 钢的 a 461mpa b 2 568mpa 屈服极限 mpa s 353 可求得 45 钢 的 36 60 s 得 s 由临界应力总图可得临界应力 scr 即 mpa cr 353 故各压杆的临界力为 knap cry 01 543410140 4 10353 626 2 40 由压杆的稳定条件 w y n p p 2 41 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 25 已知工作压力 knp400 得 w y n p p n 6 13 400 01 5434 因此 可确定压杆工作稳定 下图为活塞杆应力分析图 图图 2 6 活塞杆应力分析活塞杆应力分析 2 6 32 6 3 液压缸的连接方式液压缸的连接方式 如图 3 1 所示 用内螺纹法兰连接液压缸 用螺栓固定于液压机机身的台肩之上 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 26 3 3 液压锻压机的机械部分设计与计算液压锻压机的机械部分设计与计算 3 1 锻压机的机械功能部件 锻压机的机械部分设计较为简单 大部分部件由焊接而成 液压缸与机身的配合尺 寸是需要注意的地方 其次是锻压部分的尺寸 与锻压模具相关 先构思出锻压模具 再根据模具的尺寸来确定整机的尺寸 1 机身 锻压液压机的机身部分主要由锻钢焊接而成 在液压缸的安装处除有钢板外 还设 计有两块 50mm 厚的钢板加固 机身如图 3 1 所示 图图 3 13 1 机身使用材料为 45 钢 已知机身受力面积 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 27 2 0892 0 ma 因此 钢板所受应力为 mpa a f 48 4 0892 0 10400 3 3 1 远远小于 45 钢的比例极限 mpa s 21 2 冲压模架 冲压模架是最典型的锻压机械功能部件 最早实现了标准化和专业化生产 在机械 压力机上完成冲裁 落料 拉伸 切口等冲压工序 都离不开冲压模具 在此次的设计中 冲压模用六角螺栓固定在工作台的 t 字槽中 图图 3 23 2 t t 字槽剖面图字槽剖面图 3 脱模装置 本次的设计题目中 选用顶出装置为脱模机构 使用顶杆 可以达到较大的顶出力 但效率较低 根据运动准确 不卡死为准则设计 且要做到机构的本身有足够的强度和 刚度 尽量靠近型芯 4 工作台 工作台分为上工作台与下工作台 工作台上开有 t 形槽 用以固定闭式锻模 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 28 图图 3 33 3 上工作台主视图上工作台主视图 3 2 固定件的强度校核 主要校核固定液压缸处的螺栓稳定性 螺栓危险截面的拉伸应力为 2 1 0 4 d f 3 2 螺栓危险截面的扭转切应力为 5 0 16 2 tan 3 1 2 0 d d f v 3 3 由于螺栓是塑性的 根据第四强度理论 螺栓预紧状态下的计算应力为 3 13 22 ca 3 4 即应满足 mpa d f ca 355 4 3 1 2 1 0 3 5 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 29 在此处 mpa732 12 mpa37 6 5 0 55 163 1 mpa ca 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 30 4 4 液压机电气控制系统设计液压机电气控制系统设计 液压机的电气控制系统通常采用继电器控制 plc 控制 工业计算机控制等方式 继电器控制和 plc 控制是目前用的最多的控制方式 继电器控制系统主要由继电器 接 触器 按钮 形成开关等元件组成 继电器控制具有结构简单 维护方便 价格低廉 抗干扰能力强 但固定的接线方式 使继电器控制的通用性和灵活性差 plc 控制系统 主要由 cpu 存储器 输入输出接口 编程器等元件组成 plc 控制具有编程简单 维 护方便 通用性强 体积小 设计调试期短 性能稳定 抗干扰能力强 价格比继电器 控制系统贵 4 1 基于 plc 的电气控制 4 1 1plc4 1 1plc 概述概述 在本次设计中控制部分用可编程控制器 即 plc 关于可编程控制器的定义 1980 年 nema 将可编程控制器定义为 可编程控制器是一种带有指令存储器 数字的或模 拟输入 输出接口 以运算为主 能完成逻辑 顺序 定时 计数和算术运算等功能 用于控制机器或生产过程的自动控制装置 从定义可知 plc 也是一种计算机 它有 着与通用计算机相类似的结构 即由中央处理器 cpu 存储器 memory 输入 输出 i o 接口及电源组成的 只不过它比一般的通用计算机具有更强的与工业过程相连 的接口和更直接的适应控制要求的编程语言 4 1 24 1 2 控制部分设计控制部分设计 plc 采用三菱 fx2n 系列芯片 32m 型的控制规模为 16 点 内置 8k 的容量 cpu 处 理速度为 s 8 0 在右侧可连接扩展模块和特殊功能模块 这种形式适合工作频繁的机 械中 功能比较强大 可实现循环扫描和即时刷新并用编程语言是梯形图方式 输入 16 点 00000 00015 输出 16 点 01000 01015 采用梯形图编程方式 工艺流程是分步进行 所以按照流程图所需进行编译 输入 输出控制部分在电路图标出 由于是循环工艺流程 所以在编程中多出加入了延时 4 1 3i o4 1 3i o 口分配口分配 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 31 图图 4 14 1i 0i 0 分配分配 表表 4 14 1plcplc 地址地址 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 32 4 1 44 1 4 梯形图设计梯形图设计 x 为 plc 的输入地址 y 为 plc 的输出地址 m 为中间继电器 按下 sb1 按钮 电 机启动 当电气启动后 按下 sb2 按钮 plc 编程器开始根据如图 4 2 所编程序开始工 作 表 4 1 为 plc 芯片的地址分配表 图图 4 24 2 电气部分梯形图电气部分梯形图 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 33 4 2 三相异步电动机 根据液压缸的驱动功率 在机械手册中选用合适的三相一部电动机 在此次的设计 中选用型号为 y100l1 4 的封闭式三相异步电动机作为锻压机的驱动电机 其工作原理是当向三项定子绕组中通过入对称的三项交流电时 就产生了一个以同 步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场 由于旋转磁场以 n1 转 速旋转 转子导体开始时是静止的 故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势 感应电动势的方向可用右手定则判断 由于转子导体两端被短路环短接 在感应电 动势的作用下 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流 转子的载流 导体在定子磁场中受到电磁力的作用 力的方向用左手定则判定 电磁力对转子轴产 生电磁转矩 驱动转子沿着旋转磁场方向旋转 4 3 配电箱 配电箱是按电气控制的设计要求将开关设备 测量仪表 保护电器 继电器和辅助 装置组和安装在半封闭的金属柜中 构成低压配电装置 在此次的锻压机设计中配电箱安装在锻压机的左侧 用简单的继电器组成的电气控 制回路来控制液压缸的动作 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 34 5 5 总结总结 在一个学期的努力中完成了 400kn 单柱液压锻压机的总体设计 也在设计过程中遇 到过诸多问题 如如何在按照运动要求下 设计出简洁实用的