机电专业毕业设计论文005.pdf

40 1250 数控液压折弯机 液压系统改装设计 Redesign of Hydraulic System for 40 1250 CNC H ydraulic Press Brake 1 摘 要 本次设计主要是在现有 40 1250 的数控液压折弯机的基础上 为了扩大其加工 能力 减少生产投入 将原机床改造为 40 2500 的数控液压折弯机 即对折弯机的 某些工作部件或系统的改进设计 本课题为完成其中液压系统的改进 具体设计过程及内容 首先 是对折弯机及液压传动的基本原理的介绍 其次 根据数控液压折弯机的工作循环为快速下降 慢速加压 折弯 快速回程三个阶段 在满足要求基础上设计 改装 优化液压系统图及控制方案 接着 进行液压缸负 载与运动的分析 并绘负载图与速度图 再次 拟定绘制整个液压系统管路图 计 算并选取合适的液压元件 因液压系统中很多元件都是标准件 这次设计的重点对 非标准件的设计 例如油缸 油箱 法兰 管接头等 最后 是对液压系统的性能 的运算 即油液温升及系统发热的计算 关键词 数控液压折弯机 液压缸 柱塞泵 液压系统 改装设计 1 目 录 摘要 Abstract 目录 绪论 1 1 折弯机及液压系统简介 2 1 1 课题背景 2 1 1 1 折弯机简介 2 1 1 2 设计内容简介 3 1 2 液压传动的基本知识 4 1 2 1 液压系统的组成 4 1 2 2 液压传动的概念 5 1 2 3 液压系统的优点 5 2 液压系统设计 6 3 液压系统元件设计 9 3 1 液压缸的设计 9 3 1 1 液压折弯机的技术参数 9 3 1 2 液压缸负载分析和运动分析 9 3 1 3 液压缸零部件结构 材料与技术要求 12 3 1 4 液压缸的结构设计 14 3 1 5 液压缸的各工作阶段压力和流量计算 22 3 2 液压泵的设计 24 3 2 1 液压泵的性能参数计算 24 3 2 2 轴向柱塞泵的工作原理 26 3 2 3 轴向柱塞泵的工作要求 26 3 2 4 液压泵的选择 26 3 3 油箱的设计 27 3 3 1 油箱的基本功能 27 1 3 3 2 油箱的种类 27 3 3 3 油箱的设计要求及结构 27 3 3 4 油箱附件 28 3 4 系统其它元件的选用 29 3 4 1 蓄能器的选用 29 3 4 2 电机的选择 30 3 4 3 液压元件的选择 30 3 4 4 油管的选择 31 4 液压系统性能验算 32 结论 33 致谢 34 参考文献 35 附录 1 数控液压折弯机液压系统改装设计图 36 2 绪 论 折弯机使用最简单的通用模具 通过滑块简单的上下往复直线运动 能折出各种 各样的复杂零件 随着计算机技术 自动化技术的发展和现代化大生产对产品的多品种小批量的 需求 数控折弯机得到了很大的发展 过去在普通折弯机上对一工件进行多道折弯 加工时 需对整批工件进行多道折弯 上下料频繁 效率低 而折弯机数控化后 通过自动调整后档料架和滑块行程可连续加工需要多道折弯的工件 而且加工精度 产品的均匀性得到了保证 提高了生产率 具有良好的应用前景 由于数控折弯机对国民基础建设起着不可替代的作用 因此世界各国均较为重 视 进入21世纪以来 中国锻压机床行业经过技术引进 合作生产及合资等多种方 式的运作 快速地提升了我国折弯机整体水平 近年设计制造的许多产品 其技术 性能指标已经接近或达到世界先进水平 但由于大家都在进步 所以国内产品与国 外名牌产品的差距并无明显缩短 因此 我国折弯机行业和企业需以战略的思路和 有效的措施应对当前的机遇和挑战 国内的发展已基本达到瓶颈 目前我国的国产大多数折弯机都没有上下模的液 压快速夹紧装置 工作台挠度补偿装置 气动托持装置 多种型式的后挡料器等可 供用户选择的部件和附件 不能为用户提供多种类型的模具 这一切均需填补空白 分析技术上的差距 制定有效措施加速折弯机的数控化和柔性化 我国折弯机 的数控化程度较之发达国家低 而且数控系统主要依靠进口 因此 若要真正提高 机床的数控化和柔性化 就要大力研发自己的数控系统 以满足国产机床数控化的 需要 依托汽车 电子工业 促进高技术冲压装备的研发应用 同时液压传动发展非常的迅速 特别是近年来加工技术的提高 更是为液压传 动的发展铺平了道路 虽然国内液压传动发展很快 但与国外其他国家相比还是比 较落后 具体表现在 液压系统的承受压力不高 介质的泄漏等 其整体表现为液 压系统的性价比明显低于国外同行 液压传动在实现工业自动化方面与电的配合有 了很大的发展 所以液压传动的发展前景是很广阔的 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 1 1 1 折弯机及液压系统简介 1 1 课题背景 1 1 1 折弯机简介 折弯机对折弯金属板料具有较高的劳动生产率和较高的折弯精度 采用钢板连 接机构 具有足够的强度和刚度 液压传动保证工作是不至于因板料厚度变化或下 模 V 形槽选择不当而引起的严重超载事故 此外折弯机工作平稳可靠 操作方便 具有点动 单次行程 并能保压 用户只须配备各种不同的模具 就能将金属板料 折弯成各种不同形状的工件 机器的主要部件均由钢板焊接或锻钢制造而成 强度 高 刚性好 性能可靠 折弯机组成如下 1 机架 由左右立柱 内撑挡 油箱等组成框形机架 工作台座于立柱下部并联接 2 滑块 滑块由整块钢板制成 与左右油缸中的活塞杆连接在一起 两个并联油缸分别 固定在左右立柱上 通过液压驱动使活塞带动滑块上下动作 其同步方式为电液伺 服同步方式 由数控系统控制 两同步的流量可自动调整 保证了滑块的同步精度 滑块位置的检测由光栅尺实现 滑块运行时由导轨装置导向 3 工作台加凸机构 位于工作台右侧面 由电机 蜗杆减速器 螺杆螺母 斜垫块 拉杆及圆弧块 组成 4 液压系统 电动机和油泵安装在油箱上部和内部或者侧壁 泵块安装在油箱上 两同步块 安装在左右两个油缸顶面 5 前托料架 后挡料 前托料架由手动调节 后挡料位置由电机 皮带 齿轮 挡料架和编码器完成 前后位移 当前有手动微调 顶杆能绕轴心转动 防止工件在折弯时造成损坏 挡 料上网高低由丝杆手动调节 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 2 6 模具 采用工具钢经锻造 热处理 铣削 磨削等加工而成 上模为两件拼接 下模 为整体 借助工作台前后压板和螺钉以调整下模模口对正上模而完成板料折弯 主要外形结构图见下图 1 1 1 左立板 2 左液压缸 3 油箱 4 右液压缸 5 滑块 6 工作台 图 1 1 折弯机结构图 1 1 2 设计内容简介 本次设计主要针对折弯机的液压系统 因液压系统中很多零部件已标准化 所 以在设计过程中只对标准件进行选型 没有进行设计 对于非标准件 像油缸 油 箱等进行了设计 具体设计过程及内容 1 是折弯机及液压传动的基本原理的介绍 2 根据数控液压折弯机的工作循环为快速下降 慢速加压 折弯 快速回程 三个阶段 设计 改装 优化液压系统图及控制方案 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 3 3 进行液压缸负载与运动的分析 并绘负载图与速度图 4 拟定绘制整个液压系统管路图 计算并选取合适的液压元件 液压系统中 很多元件都是标准件 这次设计的重点对非标准件的设计 例如油缸 油箱 5 是对液压系统的性能的运算 即油液温升及系统发热的运算 1 2 液压传动的基本知识 1 2 1 液压系统的组成 1 从不同的角度出发 可以把液压系统分成不同的形式 1 按油液的循环方式 液压系统可分为开式系统和闭式系统 2 按系统中液压泵的数目 可分为单泵系统 双泵系统和多泵系统 3 按所用液压泵形式的不同 可分为定量泵系统和变量泵系统 4 按向执行元件供油方式的不同 可分为串联系统和并联系统 全液压传动机械性能的优劣 主要取决于液压系统性能的好坏 包括所用元件 质量优劣 基本回路是否恰当等 系统性能的好坏 除满足使用功能要求外 应从 液压系统的效率 功率利用 调速范围和微调特性 振动和噪声以及系统的安装和 调试是否方便可靠等方面进行 一个完整的液压传动系统包括五个基本组成部分 即动力元件 油泵 执行元 件 油缸 控制元件 各种阀 辅助元件和工作介质等五部分组成 1 动力元件 油泵 它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成油液压力 能 是液压传动中的动力部分 2 执行元件 油缸 液压马达 它是将液体的液压能转换成机械能 其中 油缸做直线运动 马达做旋转运动 3 控制元件 包括压力阀 流量阀和方向阀等 它们的作用是根据需要无级 调节液动机的速度 并对液压系统中工作液体的压力 流量和流向进行调节控制 4 辅助元件 除上述三部分以外的其它元件 包括压力表 滤油器 蓄能装 置 冷却器 管件 主要包括 各种管接头 高压球阀 快换接头 软管总成 测压 接头 管夹等 及油箱等 5 工作介质 工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液 它经过油泵 和电动机实现能量转换 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 4 1 2 2 液压传动的概念 2 1 液压传动 它是以液压油为工作介质 通过动力元件 油泵 将原动机的机 械能变为液压油的液压能 在通过控制元件 然后借助执行元件 油缸或油马达 将 压力能转化为机械能 驱动负载实现直线或回转运动 且通过对控制元件和对流量 的调节 调定执行元件的力和速度 2 液压控制 和液压传动一样 系统中也包括动力元件 控制元件和执行元 件 也是通过油液的传递功率 二者不同之处是液压控制具有反馈装置 反馈装置 的作用是执行元件的输出量反馈回去与输出量进行比较 用比较后的差值来控制系 统 使执行元件的输出随输入量的变化而变化或保持恒定 液压传动系统中用的是通断式或逻辑控制元件 就其控制目的 是保持被调定 值的稳定或单纯变换方向 也叫定值和顺序控制元件 液压控制系统中用的是伺服控制元件 具有反馈结构 并用电气装置进行控制 有较高的控制精度和响应速度 所控制的压力和流量连续变化 输出功率可放大 1 2 3 液压系统的优点 1 在目前四大类传动方式 电气 机械 液压和气压 中 没有一种动力传动是十 全十美的 而液压传动具有下述极其明显的优点 1 从结构上看 其单位重量的输出功率和单位尺寸输出的功率在四类传动方 式中力压群芳的 有很大的力矩惯量比 在传递相同的功率的情况下液压传动装置 的体积小 重量轻 惯性小 结构紧凑 布局灵活 2 从工作性能上看 动作响应快 能够迅速换向和变速 调速范围宽 便于 电气控制相配合 以及与计算机的连接 便于实现自动化 3 从使用维护上看 元件的润滑性好 易实现过载保护与保压 安全可靠 元件易实现系列化 标准化 通用化 4 所有采用液压技术的设备安全可靠性好 5 经济 液压技术的可塑性和可变性强 可以增强柔性生产的柔度 和容 易对生产程序进行改变和调整 液压元件相对来说制造成本也不高 适应性比较强 6 液压易于微机控制等技术相结合 构成 机 电 液 光 一体化以为成为 世界的潮流 便于实现数字化 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 5 2 液压系统设计 根据板料折弯机的使用要求及对加工板料的特殊要求 考虑采用液压传动作为 板料折弯机的主要传动形式 由机器的特性可知 在机器工作时上模块必须有以下 几个动作 快速向下 慢速向下 点动向下 保压 快速向上 机器工作时 为了节约能源 在滑块距被加工工件较远时 滑块采用快速向下 的动作 这样不仅节约能源 而且可以提高劳动生产率 当滑块距被加工工件很近 时 通常为 20 40mm 滑块的下移速度会明显降低 此时 主要是因为上模将要接触 工作 为了避免有较大的刚性冲击其下降速度减小 即为滑块的慢速向下阶段 当 上模块接触被加工工件时 考虑到加工板料的特殊要求 上模块必须向下点动的形 式来加工工件 以避免板料应力在短时间内迅速增大 损坏被加工工件 保压过程 是板料折弯机工作过程不可缺少的 刚刚压制好的工件会因为应力的存在而有恢复原来形状的本性 为了保证加工 精度 折弯机在压制过程结束后必须进行保压过程 一般情况下 加工板料越厚保 压时间越长 反之亦然 当压制工作全部完成以后 为了节约能源和提高劳动生产 效率 上模块即滑块采用快速向上动作 以便下一个工作过程的开始 为满足以上工作位置的要求 设计液压系统见图 2 1 其工作原理为 1 油泵空运转 起动电动机 其旋向应按油泵上的箭头方向旋转带动轴向柱塞泵 油箱内的油 液经滤油器 16 吸入油泵吸油口 油泵出口的油液经电磁溢流阀 13 回油箱 此时电 磁阀均不动作 2 滑块快速下行 当阀 13 11 7 中的 1YA 2YA 3YA 电磁铁得电 油泵出口的油液经阀 11 8 进入油缸上腔 同时打开阀 5 9 此时油缸下腔的油液经阀 9 10 11 或者 7 6 回 油箱 由于滑块自重作用 油缸上腔的油液大量吸入 油缸下腔回油路又畅通 使 滑块实现快速下行 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 6 注 阀 7 调至 12MPa 阀 13 调至 25MPa 阀 12 可从 12 25MPa 范围内调节 滑块回程时 1YA 失电 1 秒钟 实现泄压 然后 YV1 得电 滑块回程 图 2 1 液压系统原理图 3 滑块慢速工进 滑块快速下行至撞块接触行程开关 便是慢速工进的始点 此时 1YA 2YA 电磁 铁继续动作 3YA 电磁铁断电 使阀 7 关闭断流 阀 5 阀芯复位关闭 油缸有杆腔 的油液只能从阀 9 阀 10 阀 11 回油箱 回油路的通流面积减小 滑块由快速下行 转换为慢速工进 这样可减少板料冲击 也减小机床本身的冲击振动 滑块上模接 序号 名称 1 油缸 2 油箱 3 截止阀 4 空气滤清器 5 液控单向阀 6 节流阀 7 电磁溢流阀 8 直控单向顺序阀 9 液控单向阀 10 直控平衡阀 11 两位四通电磁阀 12 远程调压阀 13 电磁溢流阀 14 耐震压力表 15 轴向柱塞泵 16 滤油器 17 内齿形弹性联轴器 18 电动机 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 7 触了板料时 油泵压力升高 直至阀 12 的调定值 一部分油液经阀 12 回油箱 4 滑块回程 当折弯保压 系统卸压后 滑块实现回程 此时阀 13 中的 1YA 得电 2YA 3YA 电磁铁失电 油泵出口油液经阀 8 9 10 进入油缸下腔 同时打开二只液控单向阀 5 油缸上腔的油液经二只液控单向阀 5 或者 11 8 回油箱 此时滑块回程 向上回 程的速度是恒定的 5 滑块点动 滑块下行时 由脚踏开关脚踏向下 控制阀 13 11 中的 YV1 YV2 电磁铁工作 时间 实现点动的下降距离 6 电池阀动作顺序 见表 2 1 表 2 1 电磁阀动作规范表 系统 泄荷 滑块快 速下行 滑块工 进下行 向下 点动 保 压 系统 泄压 滑块 回程 YV1 YV2 YV3 注 为得电 为失电 7 注意事项 液压系统油液必须经保持清洁 使用一段时间后 如发现油液变质及时更换 新油 同时清洗系统管道及滤油器 加油时必须从空气滤清器处加入 并保持油位 至液位消温计的上刻线 工作油液为 N4 6 液压油 不能和其他油液混合使用 油温在 10 60 范围内工作 如超出范围应采取降温措施 工 步 电 磁 铁 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 8 3 液压系统元件设计 3 1 液压缸的设计 3 1 1 液压折弯机的技术参数 3 为满足使用要求 设计之初 经过与折弯机其他部分改装设计的同组同学讨论 并参照文献 3 后 决定初拟 40 2500 规格的数控折弯机的部分技术参数及设计参数 见表 3 1 其中立柱间距 喉口深度 主电机功率 滑块行程和速度及滑块导轨摩擦 系数为参考文献 3 滑块自重根据其长宽高估算取值104N 表 3 1 折弯机的技术参数 工作台长度 立柱间距 喉口深度 主电机功率 2500mm 2050mm 220mm 5 5KW 960r min 最大折弯力 滑块重力 G 快速下降的速度v1 慢速加压的速度v2 4 105N 104N 23mm s 20mm s 快速上升的速度v3 快速下降的行程 1 慢速加压的行程 2 慢速加压的行程 3 53mm s 180mm 20mm 200mm 滑块静摩擦系数f 滑块动摩擦系数f 液压系统工作压力 0 2 0 1 25MPa 3 1 2 液压缸负载分析和运动分析 1 1 折弯机滑块做上下直线运动 且行程较小 可选单杆双作用液压缸作执行 器 取液压缸的机械效率为 cm 0 91 根据参考文献 1 P225 对液压缸在快速下降 慢速折弯 快速回程阶段的外 负载进行计算 忽略滑块导轨摩擦 见下表 3 2 表 3 2 负载计算 工况 计算公式 外负载 N 快速下降 启动加速 1 g 1 117 2 等速 0 慢速折弯 初压 e1 5 2 104 终压 e2 4 105 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 9 接表 3 2 快速回程 启动加速 2 G g 3 10270 1 等速 F G 10000 制动 2 g 3 9729 7 式中 1 快速下降启动加速阶段惯性负载 2 快速回程启动加速阶段惯性负载 G 滑块重量 滑块加速时间 e1 慢速折弯初压负载 e2 慢速折弯终压负载 最大折弯力 由于忽略滑块导轨摩擦力 所以快速下降等速阶段时外负载为 0 惯性负载 1 g 1 10000 9 81 23 10 3 0 2 117 2 2 g 3 15000 9 81 53 10 3 0 2 270 1 2 滑块导轨摩擦阻力计算 见表 3 3 表 3 3 摩擦阻力计算 惯性负载 N 1 117 2 2 270 1 静摩擦阻力 fs N 动摩擦阻力 fd N fs 0 2 10000 2000 fd 0 1 10000 1000 式中 静摩擦阻力 动摩擦阻力 f 滑块静摩擦系数 f 滑块动摩擦系数 3 经计算发现 由于存在较大的摩擦阻力 远大于惯性负载故不能忽略滑块 导轨摩擦力 下表 3 4 是在考虑滑块摩擦的情况下负载分析 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 10 表 3 4 负载计算 工况 负载组成 负载值 F N 推力 F cm N 快速下降 启动 fs 2000 2197 8 加速 fd 1 1117 2 1227 7 等速 fd 1000 1098 9 慢速折弯 初压 fd 5 21000 23076 9 终压 fd 401000 440659 3 快速回程 启动 fs G 12000 13186 8 加速 fd 1 G 11270 1 12384 7 等速 fd G 11000 12087 9 制动 fd G 2 10729 9 11791 1 4 负载图和速度图绘制 已知快速下降 1 180mm 慢速折弯 2 20mm 快速回程 3 1 2 200mm 负载图按 上面计算的数值绘制 其中在快速下降等速阶段到慢速折弯阶段负载直线上升及 时如下图 3 1 所示 速度图则按已知的折弯机技术参数绘制 如图 3 2 所示 图 3 1 液压缸负载图 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 11 图 3 2 液压缸速度图 5 折弯机各阶段工况时间 见表 3 4 表 3 4 工况时间 工况 计算式 时间 s 说明 快速下行 t L v1 7 82 折弯时分为两个阶段 初压阶段为 15mm 终压阶段为 5mm 慢速折 弯 初压 t L v2 0 75 终压 t L v2 0 25 快速上行 t L v3 3 77 3 1 3 液压缸主要零部件结构 材料与技术要求 4 缸筒与端盖 缸筒与端盖连接用法兰形式连接 缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性 能长期承受最高工作压力及短 期动态实验压力而不致产生永久变形 有足够的刚度 能承受活塞侧向力和安装的 反作用力而不致产生弯曲 对焊接的缸筒 还要求有良好的焊接性能 根据缸筒内径 选用 45 号钢 抗拉强度 b 600MPa 屈服强度 s 355MPa 伸 长率为 5 硬度为 HV229 197 1 缸筒技术要求 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 12 缸筒内径选用 H8 H9 或 H10 配合 内径的表面粗糙度 当活塞密封采用橡胶 密封件时 取 a R0 4 0 1 m 当采用活塞环密封时 取 a R为 0 4 0 2 m 而且均 须珩磨 缸筒端面 T 的垂直度公差可选取 7 级精度 缸筒内径的圆度和圆柱度公差可选取 8 级或 9 级精度 缸筒端部用螺纹连接时 螺纹应选用 6 级精度的细牙螺纹 为了防止腐蚀以及其它使用的特殊要求 缸筒内表面可镀铬 镀层厚度为 30 40 m 镀后珩磨并抛光 2 活塞技术要求 活塞的结构主要考虑与缸筒内壁的滑动和密封 以及与活塞杆之间的连接和 密封 活塞的结构形式取决于密封件的形式 密封形式由压力 速度温度来决定 活塞的密封 活塞与缸筒常用的密封有间隙密封 活塞环 O 型密封圈 采用 组合密封装置 活塞与活塞杆之间为间隙密封 配合之间的密封为固定密封 采用 O 型圈密封密封槽开在活塞杆上 活塞的导向 导向环的作用 具有精确的导向作用 并可吸收活塞运动时产 生的侧向力 带导向环的活塞在缸筒内为非金属接触 摩擦系数小 无爬行 导向 环能改善活塞与缸筒的同轴度 使间隙均匀 减少泄漏 轴环采用耐磨材料 使用 寿命长 且具有良好的承载能力 采用组合型导向环 活塞的材料 选用碳素钢 45 号 3 活塞杆技术要求 活塞杆的导向 密封和防尘 活塞杆的导向 密封和防尘结构全部在前端盖 内 具体结构见液压缸图 活塞杆采用非金属导向环 前端盖用碳素钢制成 其内孔安装用聚四氟乙烯 等非金属耐磨材料制成的导向环 为活塞杆导向 活塞杆与前端盖为非金属接触摩 擦阻力小 使用寿命长 活塞的密封 以往多采用 O 型密封圈和唇形密封圈 这些密封圈形式由于活 塞杆与密封圈之间是干摩擦 摩擦阻力大 磨损快 活塞杆的防尘 以往多采用无骨架防尘圈 目前多采用既可以防尘 又可以 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 13 密封的双唇型防尘圈 外唇起防尘作用 保证活塞杆表面清洁 内唇起密封作用 活塞杆的材料 由专业厂生产的高精度冷拔活塞杆 可直接选用 3 1 4 确定液压缸的结构设计 4 1 缸筒的计算与验算 根据国标 GB7938 1987 预选液压缸的设计压力 1 25MPa将液压缸的无杆腔 作为主工作腔 考虑到液压缸下行时滑块自重采用液压方式平衡 根据文献 4 P1395 缸筒内径可按下列公式计算 缸筒内径示意图如图 3 3 D 4 01 1 10 3 3 1 式中 D 缸筒内径 01 液压缸受到的最大推力 1 液压缸的额定压力 液压缸的执行效率 液压缸负载率 0 5 0 7 图 3 3 缸筒内径示意图 将 01 440659N cm 0 91并选 0 6 带入 3 1 得到 D 4 01 1 10 3 4 440659 0 6 0 91 25 106 0 203 203 按 GB T2348 1993 将内径圆整成标准值 取 D 250mm 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 14 2 缸筒壁厚 的计算 根据文献 4 P1395 缸筒壁厚 的计算可按如下公式 3 2 计算 缸筒壁厚 示意图如图 3 4 当0 08 0 3 时 max 2 3 3 3 2 式中 缸筒壁厚 D 缸筒内径 D1 缸筒外径 最高允许压力 缸筒材料的许用压力 缸筒材料的的抗拉强度 缸筒材料的屈服强度 n 安全系数 图 3 4 缸筒壁厚示意图 缸筒材料选用 45 号钢 600MPa 355MPa 伸长率 16 硬度 HRC229 197 安全系数为 n 1 5 2 5 600 2 300 1 5 1 37 5 取 1 25 1 31 25 代入 3 2 得 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 15 max 2 3 3 37 5 0 25 2 3 300 3 31 25 0 0157m 15 7mm 参考文献 4 P1396 表 23 3 2 圆整后取缸筒壁厚 25mm 1 D 2 300mm 3 缸筒壁厚的验算 根据文献 4 P1395 液压缸的额定压力 1值应低于一定的极限值 保证工 作安全 计算公式如下 1 0 35 1 2 2 1 3 3 式中 D 缸筒内径 1 缸筒外径 缸筒材料的屈服强度 1 液压缸的额定压力 将D 0 25m 1 0 47m 355Mpa 1 25MPa 代入式 3 3 得 1 0 35 1 2 2 1 0 35 355 0 32 0 252 0 32 37 97 经验算 额定压力 1 25MPa 小于极限值 故设计可满足使用要求 根据文献 4 P1395 为避免缸筒在工作时发生塑性变形 液压缸的额定压 力 1值应与塑性变形压力 有一定的比例范围 计算公式如下 1 0 35 0 42 3 4 得到 59 5Mpa 同时 塑性变形压力 还应满足 2 3 log 1 3 5 得到 2 3 log 1 2 3 355 log 0 3 0 25 64 6 故弹性变形符合要求 根据文献 4 P1395 为确保液压缸的安全使用 缸筒的爆裂压力 应远远 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 16 大于耐压试验压力 PT 31 25MPa P1 16MPa 时 1 25P1 计算公式如下 2 3 blog 1 3 6 式中 D 缸筒内径 D1 缸筒外径 P1 液压缸额定压力 PT 液压缸耐压试验压力 b 缸筒材料的抗拉强度 缸筒材料的屈服强度 得到 2 3 blog 1 2 3 600 log 0 3 0 25 109 3 计算求得 值远超过耐压试验压力 值 固可以保证液压缸安全的使用 4 缸底厚度计算 根据参考文献 4 P1397 选用法兰液压缸 则缸筒底部为平面 其厚度 可以 按照四周嵌式的圆盘强度公式近似计算 缸筒底部结构图如图 3 5 0 433 0 1 3 7 式中 缸筒的底部厚度 0 缸底内径 1 液压缸额定压力 缸筒底部材料的许用应力 将 0 0 28m 1 25Mpa 300Mpa 代入式 3 7 可得 0 433 0 1 0 433 0 23 25 300 0 029m 设计取液压缸底端壁厚为 29mm 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 17 图 3 5 缸筒底部结构图 5 活塞杆直径计算及稳定性验算 活塞杆结构图如下图 3 6 图 3 6 活塞杆结构图 活塞杆直径计算 根据参考文献 4 P1404 用快速下行与快速上升的速度比确定活塞杆的直径d 1 2 3 1 2 2 d2 3 8 式中 D 缸筒内径 d 活塞杆直径 1 快速下降的速度 3 快速上升的速度 面积比 速度比 1 无杆腔有效面积 2 有杆腔有效面积 将 D 250mm 1 23mm s 3 53mm s 代入式 3 8 中得 3 1 2 2 2 53 23 2 3 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 18 得到 d 188mm 按 GB2350 1980 将活塞杆直径圆整成标准值 取 d 200mm 塞杆的强度计算 当活塞全部伸出时 活塞杆端和负载的连接点到液压缸支撑点间的距离假定为 L 由液压缸实际情况及活塞直径可知L 10d 根据参考文献 4 P1404 主要验算活塞杆压缩和拉伸强度 即 d 2 3 9 式中 d 活塞杆直径 01 液压缸受到的最大推力 材料的屈服强度 安全系数 2 4 将 d 200mm F 4 10 5 N 355Mpa 2 代入 3 9 中 得到 d 2 2 4 105 2 355 106 0 169 0 25 所以符合要求 6 缓冲装置的选择 缓冲装置原理图如下图 3 7 根据参考文献 4 P1412 采用节流阀进行节流的缓冲装置 其最高缓冲压力 Pcmax发生在活塞刚进入缓冲区一瞬间内 近似计算式为 1 2 0 2 106 3 10 图 3 7 用节流阀进行节流的缓冲装置图 1 节流阀 2 单向阀 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 19 式中 1 活塞的有效作用面积 2 进油口压力 活塞的缓冲行程 所有运动部件的重量 重力加速度 9 81m 2 0 活塞在缓冲行程开始时的速度 活塞承受的全部载荷 包括重量及液压缸的摩擦阻力 缓冲腔内的有效作用面积 的大小 可通过改变节流阀得节流面积来调定 其值应不超过液压缸最大 允许压力 1 5 7 液压缸进出油口 液压缸进出油口可布置在前后端盖上 其连接型式有螺纹 方形法兰和矩形法 兰等 本设计采用螺纹连接 见下图 3 8 图 3 8 液压缸进出油口尺寸代号 根据国标 GB T2878 1993 规定的液压缸进出油口螺纹尺寸 选用螺纹为 M50 2 EC 为 M50 2 螺纹精度为 6H 油口安装尺寸见表 3 5 表 3 5 油口安装尺寸数据表 摘自 ISO8137 1986 缸径 D EC EE min 250 M50 2 32 方形法兰名义规格 DN EE 0 1 5 EA 0 25 ED 32 32 51 6 M12 1 75 方形法兰名义规格 DN EE 0 1 5 EA 0 25 EB 0 25 ED 32 32 30 2 58 7 M12 1 75 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 20 8 液压缸主要结构见下图 3 9 图 3 9 液压缸装配图 序号 名称 1 螺钉 2 垫圈 3 耐磨环 4 U 型环 5 U 型环 6 耐磨环 7 U 型环 8 O 型环 9 耐磨环 10 斯特封 11 U 型环 12 螺钉 13 垫圈 14 防尘圈 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 21 3 1 5 液压缸的各工作阶段压力和流量计算 5 见表 3 6 表 3 6 液压缸的工作循环中各阶段压力和流量表 工作阶段 计算公式 负载 F N 工作腔压力 P Pa 输入流量 q cm3 s 1 L min 1 快 速 下 行 启动 P 1 q 1 1 1117 2 2 50 104 恒速 1000 2 51 104 1129 0 67 74 慢 速 加 压 初压 P 1 q 1 2 21000 4 7 105 981 74 58 90 终压 401000 8 98 106 981 74 0 58 90 0 快 速 回 程 启动 P 2 q 2 3 11270 1 7 0 105 恒速 11000 6 84 105 936 56 56 19 制动 10729 9 6 67 105 液压缸实际有效面积 1 2 4 252 4 490 87cm2 2 2 2 4 252 202 4 176 71cm2 根据参考文献 5 P21 276 功率P 工作腔压力 输入流量 的计算公式如 下 P q A P 3 11 其中 液压缸负载 液压缸实际有效面积 液压缸机械效率 循环中各阶段的功率计算如下 计算结果见表 3 7 快速下行 启动 阶段P 1 1 0 快速下行 恒速 阶段P 2 2 2 5 104 1129 0 10 6 25 7 慢速加压 初压 阶段P 3 3 4 7 105 981 74 10 6 471 5W 慢速加压 终压 在行程只有 5mm 持续时间t3 0 25s压力和流量的变化情况较 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 22 复杂 为此作如下处理 压力由 0 47MPa 增至 8 98MPa 其变化规律近似用一线性函数 P t 表示 即 P 0 47 8 98 0 47 0 25 0 47 34 04t 3 12 流量由981 74cm3 s 1减小为零 其变化规律可近似用一线性数 q t 表示 即 q 981 74 0 25 0 25 3 13 式 3 12 与 3 13 中 t 为终压阶段持续时间 从而得此阶段功率方程 P 4 981 74 0 25 0 25 0 47 34 04t 3 14 这是一个开口向下 2 次区线方程 令 0 可求得极值点 t 0 118s 时 此处最大功率值为 P 4 981 74 0 25 0 25 0 47 34 04t 2325 7W 而 t 0 118s 处的压力和流量可由式 3 12 与 3 13 算得 P 0 47 34 04t 0 47 34 04 0 118 4 49MPa q 981 74 0 25 0 25 518 36cm3 s 1 31 1L min 1 快速回程 启动 阶段P 5 0 快速回程 恒速 阶段P 6 6 6 84 105 936 56 10 6 640 6 快速回程 制动 阶段P 7 0 表 3 7 液压缸的工作循环中各阶段功率 工作阶段 功率P 快速下行 快速下行 启动 0 快速下行 恒速 25 27 慢速加压 慢速加压 初压 461 5 慢速加压 终压 2325 7 快速回程 快速回程 启动 0 快速回程 恒速 640 6 快速回程 制动 0 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 23 3 2 液压泵的设计 4 3 2 1 液压泵的性能参数及计算公式 以下内容根据文献 4 P311 313 整理 1 液压泵的压力P MPa 额定压力 在正常工作条件下 根据实验结果推荐的允许连续运行的最高压力 额定压力 值与液压泵的结构形式及其零部件的强度 工作寿命和容积效率有关 最高压力 按实验标准规定超过额定压力而允许短暂运行的最高压力 其值主要取决于零 件及相对摩擦副的极限强度 工作压力P 液压泵出口的实际压力 其值取决于负载 2 液压泵的转速 额定转速n 在额定压下 根据实验结果推荐能长时间连续运行并保持较高运行效率的转速 最高转速 在额定的压力下 为保证使用寿命和性能所允许的短暂运行的最高转速 其值 主要与液压泵的结构形式及自吸能力有关 最低转速 为保证液压泵可靠工作或运行效率不致过低所允许的最低转速 3 液压泵的排量及流量 排量V 液压泵主轴转一周所排出的液体体积 排量的大小仅取决于液压泵的结构和几 何尺寸 有时又称为理论排量 理论流量 不考虑泄漏 液压泵的单位时间内所排出的液体的体积 3 s 60 106 3 15 式中 n 液压泵转速 r min 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 24 V 液压泵排量 3 s 实际流量 q 实际运行时在不同的压力下液压泵所排出的流量 实际流量低于理论流量 其 差值 q为液压泵的泄漏量 额定流量 在额定压力 额定转速下 液压泵所排出的实际流量 4 液压泵的功率和效率 输出功率P 液压泵的输出功率 KW 用其流量 q 和出口压力 p 或进出口压力差 表示 10 3 3 16 式中 q 液压泵的实际流量 3 s p 液压泵的进出口压力差 通常液压泵的进口压力近似为零 因 此液压泵的进出口压力差可用其出口压力表示 Pa 输入功率 液压泵的输入功率即原动机的输出的机械功率 总效率 液压泵的输出功率和输入功率之比 3 17 容积效率 在转速一定的条件下 液压泵的实际流量与理论流量之比 1 3 18 式中 液压泵的泄漏量 在液压泵的结构式 几何尺寸确定后 泄漏 量 q 的大小主要取决于泵的出口压力 与液压泵的转速 对定量泵 或排量 对变 量泵 无多大关系 因此液压泵在低速或小排量下工作时 其容积效率将会很低 导致无法正常工作 机械效率 对液压泵 除容积泄漏损失都归于机械损失 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 25 3 2 2 轴向柱塞泵的工作原理 1 轴向柱塞泵就是柱塞泵线与缸体轴线平行且在缸体孔内作往复运动来改 变柱塞底部容积大小实现吸油和压油的柱塞泵 2 轴向柱塞泵不仅额定压力高 而且可以实现多种形式的变量 因此应用极 广在液压泵中占有及其重要的位置 3 轴向柱塞泵柱塞实现往复运动的方式分斜盘式和斜轴式 斜盘式利用斜盘 对柱塞的约束反力和弹簧力的共同作用使柱塞泵缩回或外伸 斜盘式利用缸体轴线 相对泵轴存在一个摆角而被连杆强制的实现柱塞的往复运动 3 2 3 轴向柱塞泵的工作要求 1 轴向柱塞泵与原动机之间要求用弹性连轴器连接 两轴的同轴要求在 0 1mm以内 在后文中作为弹性联轴器的选取的参考 2 轴向柱塞泵在最高处设计有外进油口 泵在起动前应由油口向壳体内灌满 清洁的工作介质 排净壳体的空气 泵工作时泄露油由此油口单独引回油箱 为避 免空气侵入 泄露管应插入液面以下 轴向柱塞泵的壳体最低处开有一放油口 泵 工作时此口螺柱堵上 维修泵时先由此油口将壳体内的油液放光 然后再拆卸零部 件 3 轴向柱塞泵对工作介质的过滤精度要求较高 为10 对开式系统采用 全部回油过滤 吸油口不宜装过滤器 过滤器装在对闭式系统进排油都要进行过滤 4 轴向柱塞泵的传动轴的径向载荷和轴向载荷不得超过说明书或工厂的有 关规定 3 2 4 液压泵的选择 根据参考文献 4 P442 表 10 11 1 考虑所设计液压缸所须额定压力为 25MPa 同时考虑到液压管路损失 故选择额定压力为 32MPa 的 CY14 系列非通轴式轴向柱塞 泵 其技术参数见表 3 8 液压泵及其电动机结构图见图 3 10 表 3 8 63 CY14 1B 型柱塞泵技术参数 型号 额定压 力 公称排量 额定转速 最大理论转 矩 1000r min 时 的功率 63 CY14 1B 32MPa 63ml r 1500r min 329N m 34 5KW 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 26 图 3 10 液压泵及其液压马达外观视图 3 3 油箱的设计 3 3 1 油箱的基本功能 1 1 储存液压传动系统的工作介质 2 散发系统工作过程中产生的一部分热量及沉淀杂质 3 分离油液中的水气等 4 为系统提供元件的安装位置 3 3 2 油箱的种类 1 通常油箱可分为整体式油箱 两用油箱和独立油箱三类 整体式油箱是指在液压系统或机器的构件内形成的油箱 例如 工业生产设备 中的金属切削机床或金属锻压机床的床身内部空腔往往稍加一点成本就可制成不漏 油的油箱 或者行走机械中的车辆与工程机械上的管形构件用作油箱 这样不需要 额外的附加空间 整体式油箱以最小的空间提供最大的性能 并且通常提供特别整 洁的外观 根据液压泵与油箱相对安装位置不同 又可分为上置式 下置式和旁置式 上 置式油箱将液压泵等装置安装在油箱的上盖板上 结构紧凑 应用最普遍 3 3 3 油箱的设计要求及结构 4 1 油箱必须有足够的容量 以保证系统工作时保持一定液位高度 为满足散 热要求 对于管路比较长的系统 还应考虑停机维修时能容纳油液自由流回油箱时 的容量 当油箱容积不能增大 又不能满足散热要求时 须设冷却装置 2 油箱容量的确定 油箱有效容积 即液面高度只占油箱高度 80 时的油箱容积 一般为液压泵每分 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 27 种输出流量的 3 7 倍 对于行走机械和设备冷却装置的设备 油箱的容量可选择小 些 对于固定设置的设备 空间 面积不受限制的设备 则应采取较大的容量 3 油箱的结构 油箱内应该设置挡板 把油箱分成吸油区和回油区两部分 隔板的高度一般 为油面高度的四分之三 吸油区和回油区的大小相等 也可以把回油区做的大些 以利于杂质的沉淀 在油箱的加油附近设置油面计以便在油箱之外直接看到最高和最低油面 油 面计选择直接观察式的本设计中选用 YWZ 500T 型液面计 加油口放在油箱顶面 油口具有段时间的能力 由于本设计油箱选用开式油 箱 故在油箱的结构中必须有空气过滤器 综合现有条件及考虑到简化油箱结构 所以在设计中选用了 加油口和空气过滤器二者功能集一体的EF6 80型空气过滤器 为了防锈 放凝水 油箱焊接后内壁应作喷丸处理 并涂耐油材料 以提高 油箱使用寿命 本设计中油箱采用钢板焊接而成 箱壁厚度取 6mm 箱底厚度取 10mm 因有 液压元件要装在油箱盖板上 故该板厚度应选为 15mm 均采用普通碳素结构钢 在本设计的液压系统中 泵工作时的流量为 63 min 因考虑到机械工作时压 力较高 易产生大量的热 故油箱选用大一些的 400L 油箱的外形几何尺寸大小为 长 宽 高为 2000 400 600 在油箱上盖和下部设置油盘 油盘须有排油口 便于清洗 油箱内壁应进行 抛丸和喷沙处理 对于矿物油 长采用磷化处理 对于高水基或水乙二醇等介质 则应采用与介质相容的涂料进行涂刷 以防漆脱落而污染介质 3 3 4 油箱附件 1 液压空气过滤器 5 液压系统工作时 液面上升由内向外排出空气 在油箱盖板上垂直安装空气过 滤器 可以过滤吸入的空气 同时使用油箱内的压力和大气压力平衡 避免液压泵 出现空穴现象 EF 型产品把空气过滤和加油过滤合为一体 简化了油箱的结构 根据参考文献 5 P21 720 表 21 8 178 选用 EF 系列液压空气过滤器 具体尺寸见表 3 9 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 28 表 3 9 过滤器技术参数 型号 过滤注油 口径 mm 注油流量 L min 1 空气流量 L min 1 油过滤面 积 cm 2 A mm B mm EF6 80 80 70 675 600 220 80 注 1 表中所列空气流量是流速 15m s 时的值 2 一般空气的流量为液压泵流量的 1 5 倍 选用空气过滤器的安装尺寸见表 3 10 表 3 10 过滤器的安装尺寸 型号 a mm b mm c mm 四支螺钉均 布 mm 空气过滤精 度 mm 油过滤精度 m EF6 80 96 120 140 M8 16 0 105 125 2 液位液温计 4 根据文献 4 P1793 1794 表 29 4 1 所选液位液温计的型号 YWZ 300T 具体尺 寸见表 3 11 表 3 11 YWZ 300T 液位液温计的尺寸 型号 L mm E mm B YWZ 500 527 500 450 3 4 系统其它元件的选用 3 4 1 蓄能器的选用 4 根据文献 4 P1783 1784 表 28 4 2 本设计所选蓄能器的类型为气囊式蓄能器 1 所选蓄能器的技术参数见表 3 12 表 3 12 蓄能器的技术参数 参数 型号 公称压 力 MPa 公称 容积 L 基本尺寸 M d d1 d2 d3 d4 d5 L D NXQ L 2 5 10 H 10 2 5 M42 2 50 42 50 97 137 17 430 152 中国矿业大学成人教育学院2015届毕业设计 29 2 蓄能器的使用注意事项 不能在蓄能器上进行焊接 铆焊及机械加工 不能在充液状态下拆卸蓄能器 非隔离式蓄能器不能放空油液 以免气体进入管路中 3 4 2 电机的选择 6 根据所选液压泵的功率和要求转速 考虑到折弯机所使用的环境及表 3 7 中液 压缸的工作循环最大功率 2 3KW 选用 Y 型电动机比较适合 根据文献 6 P6 表 2 1 选用电动机型号 Y132S1 4 技术参数见表 3 13 表 3 13 电机技术参数 摘自 ZB TK22007 1988 参数 额定功率 Kw 满载转速 r min 启动转矩 额定转矩 最大转矩 额定转矩 轴伸出端直 径 mm Y132S1 4 5 5 1440 2 2 2 2 38k6 参数 轴伸出端安 装长度 mm 电动机中心 高度 mm 外形尺寸长 宽 高 Y132S1 4 80 132 475 280 315 3 4 3 液压元件的选择 4 根据参考文献 4 P615 995 考虑液压系统额定工作压力