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大型 水压机 驱动 系统 以及 控制系统

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- -62 总体方案的确定2.1 设计任务分析2.1.1 设计要求某大型水压机的各种动作是通过以分配器为主体的液压机构实现的。开启分配器的力很大，是通过伺服系统驱动的。设计一驱动系统及控制系统，通过闭环反馈控制，启闭分配器，实现水压机的控制。主要设计参数及设计要求： A分配器规格：600*300*420（mm）B阀开启力：15KNC开启曲线：12.5 度推程 10.9mmD阀数量：4 个（通径）E驱动方式：液压驱动FPLC 控制2.1.2 任务分析该题目要求我们设计某大型水压机的驱动系统和控制系统，通过闭环反馈控制，启闭分配器，实现水压机的控制。由于水压机的分配器的实质是根据不同的工作过程来开闭相应的阀来完成动作。而阀的开启是依靠一个翻板机构的转动来将其顶开，是由阀芯的运动完成的。因此，设计的重点是设计一个分配器，以及电液伺服控制系统。设计的控制系统，要实现分配器的动作的自动控制。在设计的控制系统中，要用到检测装置得到的数据来控制分配器的动作，因此，设计的液压控制系统是一个闭环控制系统。综上所述，该设计题目的完成需要解决以下几个主要的问题：A.由于阀的开启所需的开启力比较大，因此阀的开启用什么来驱动？B.分配器的具体结构的设计？C.如何驱动分配器的动作，使之对应相应的控制信号？D.系统要能实现自动操作，要有较高的控制精度和灵敏度，如何实现？- -72.2 总体方案的确定2.2.1 分配器的设计方案方案一：阀的开启采用机械系统来实现，如采用凸轮机构来驱动。基本的原理如图 2.1：在这个方案中，液压缸带动齿条做往复的直线运动，齿条和齿轮啮合传动将直线运动转换成圆周运动。齿轮固定安装在轴上，另外，4 个凸轮也固定在该轴上。凸轮的转动就将分配器上的阀顶开，驱动阀的动作，这样就可以运用液压系统实现对水压机的操纵控制。在该轴的右端装备有一个单圈绝对型编码器（CVE10） ，用此检测器来检测轴旋转过的角度，藉此来控制阀的开启程度。由于题目要求的凸轮的开启曲线为 12.5 度推程 10.9mm，需要凸轮旋转的角度不大，因此所选的检测器必须将数据准确，快速地传送出来。在该方案中，操作形式为电控形式，分配器的控制方式为“油控水” 。分 配 器1.分配器 2.FHS 58 单圈绝对型编码器 3.凸轮4.齿轮 5.齿条传动液压缸 6.电磁换向阀图 2.1 用凸轮驱动阀的分配器的原理简图方案二：阀的开启采用液压系统来实现。基本的原理如图 2.2：在该方案中，阀的开启由液压缸直接顶开。如图 2.2 所示，每个阀的顶杆下方均有一个液压缸，通过液压系统来控制阀的动作。方案三：阀的开启采用机械系统来实现。跟方案一不同的是该方案的分配阀采用的控制机构为摇杆式机构。这种方案的基本原理如图 2.3 所示：在这种方案中，顶杆与转轴强制联接。这样同样也可以实现对分配阀的启闭控制。- -8分 配 器 液 压 缸电 磁 换 向 阀图 2.2 用液压缸驱动阀的分配器的原理简图图 2.3 强制联接的摇杆结构- -92.2.2 方案的比较和选择摇杆式结构的优点是可以采用顶杆与转轴强制联接的结构（图 2.3） 。这种结构可以使阀可靠地关闭，不致发生因密封和导套处的摩擦使得顶杆中途阻滞而发生阀关不住的现象。它的缺点是早开的阀必须随晚开的阀继续开启，阀的开启不能任意的控制。凸轮式结构的优点是阀的开启曲线可以任意的控制，而且凸轮式结构传递的运动比较平稳，可靠。在分配阀阀腔并列排列时，较摇杆式可获得较小的力臂长度。如果采用摇杆式结构，为了减小力臂长度，就得将进液阀和排液阀呈交错排列，但这种排列确造成了分配器长度的增加，并且力臂的长度也仍较凸轮式为大。 采用液压缸来驱动分配阀的启闭可以获得比较大的开启力，而且结构也比较的简单。但是液压系统的密封性要求比较高，一旦出现泄露问题，对分配阀的开启控制就会出错。它没有机械系统那样安全、可靠。方案一中凸轮轴的转动依靠齿轮、齿条的啮合传动来实现，采用齿轮传动有其自身的优点：1）效率高 在常见的机械传动中，以齿轮传动的效率最高，这对大功率的机械传动来说十分的重要。2）结构比较紧凑 。3）工作可靠，工作寿命比较长 使用设计正确、合理，维护良好的齿轮机构，工作十分可靠，寿命可达一、二十年，这也是其它的机械系统所不能比拟的。4）传动比稳定。综上所述，由于液压系统没有机械系统可靠，而且摇杆式机构的力臂过大，因此选择第一种方案：分配阀的启闭用凸轮机构来驱动。因此，最终的方案就是，采用伺服油缸来作为执行机构，推动齿轮齿条机构，带动凸轮机构的转动来驱动分配阀的启闭。在凸轮轴的一端装备有检测装置来检测分配器的转动角度即油缸的位移，反馈给控制器实际的位置信号。整个系统是一个数字电液伺服系统。由操作台上操作手柄、按钮来发出控制信号。由可编程逻辑控制器（PLC）来实现油压系统的控制，从而驱动执行油缸，通过机械凸轮机构来实现分配阀的正确动作。- -102.3 设计内容分析确定采用方案一，即采用机械机构来驱动分配阀的启闭和正常的动作。由于水压机的每一个动作都是通过不同的分配阀的启闭来实现的，因此在设计的第一个任务是设计分配器的机械结构。由于水压机在正常的工作中需要完成的动作比较多，因此一台大型的水压机必须要有若干个分配器来实现水压机的动作，由于题目的要求是设计某一个分配器，根据题目的要求，本次设计要设计的分配器上有四个分配阀，而且并没有确定要设计的是什么分配器，所以在设计的过程中，只要实现分配阀按照一定的规律打开、关闭就可以。假设每次打开两个分配阀，这样，凸轮机构的设计就比较的简单。另外没有要求分配阀打开时间的运动规律，所以凸轮的廓线就可以根据实际情况具体的设计，比较自主。根据方案一，凸轮轴的转动采用齿条传动液压缸来驱动，因此本次设计的第二个主要任务是设计液压驱动、控制系统。要采用液压系统来驱动液压缸动作来带动凸轮机构的动作。并且要设计控制系统，要实现分配器的动作的自动控制。在设计的控制系统中，要用到检测装置得到的数据来控制分配器的动作，因此，设计的液压控制系统是一个闭环控制系统。设计的系统为一个数字电液伺服系统，由操作台上操作手柄、按扭发出控制信号，由 PLC 实现油压系统的控制，从而驱动执行油缸，通过凸轮机构，实现分配器的正确动作。设计过程主要包括三个方面的内容：1.确定总体方案。根据设计的要求及参考相关的资料，确定出整个设计的总体方案，并且要比较选优，选择最合适的方案。2.驱动系统设计。主要设计凸轮机构、凸轮轴、支架以及齿条传动液压缸。还包括键的选择、校核；滚动轴承的选择、校核和挡圈的选择等内容。3.液压系统、控制系统设计。液压系统主要是确定液压系统的基本原理图以及选择各个液压元件的选择和计算。控制系统主要是 PLC 的选型和确定整个系统的控制、操作系统框图。- -475 控制系统设计5.1 PLC概述PLC 是可编程控制器的简称，它是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对 PLC 的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。5.1.1PLC 的主要特点（1）高可靠性所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。（2）丰富的 I/O接口模块PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，- -48它还有多种通讯联网的接口模块，等等。（3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU、电源、I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（4）编程简单易学PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。（5）安装简单，维修方便PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 5.1.2PLC 的功能（1）逻辑控制 （2）定时控制 （3）计数控制 （4）步进顺序控制（5） PID 控制 （6）数据处理：PLC 具有数据处理能力。 （7）通信和联网（8）PLC 还有许多特殊的功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定位控制模块，CRT 模块等5.2 PLC的工作原理和基本结构5.2.1PLC的工作原理最初研制生产的 PLC 主要用于替代传统的继电器,接触器构成的控制装置，但是这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点（包括它的常开触点或常闭触点）不论在继电器控制电路的哪一个位置都会立即同时动作，然而 PLC 的 CPU 则- -49采用顺序逐条的扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括他的常开触电或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该处点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PLC 扫描用户程序的时间一般小于 100ms，因此，PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样，对于 I/O 响应要求不高的场合，PLC 与继电器控制装置在 I/O 的处理结果上就没有什么差别了。根据题目的要求和系统的具体工作状态，采用可编程控制器（PLC）来实现对整个系统的控制。5.2.2 PLC的基本结构PLC 实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由 CPU、存储器、基本 I/O 接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。 （1）CPU 单元CPU 是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。CPU 一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU 的功能有：它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。CPU 常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理器常见的如 Intel 公司的 8086、80186、到 Pentium 系列芯片，单片机型的微处理器如 Intel 公司的 MCS-96 系列单片机，位片式微处理器如 AMD 2900 系列的微处理器。小型 PLC 的 CPU 多采用单片机或专用 CPU，中型 PLC 的 CPU 大多采用 16位微处理器或单片机，大型 PLC 的 CPU 多用高速位片式处理器，具有高速处理能（2）存储器可编程控制器的存储器由只读存储器 ROM、随机存储器 RAM 和可电擦写的存储器 EEPROM 三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 只读存储器 ROM 用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在 ROM 中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器 RAM- -50中，RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器 EEPROM 或由高能电池支持的 RAM 中。EEPROM 兼有 ROM 的非易失性和 RAM 的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。（3）I/O 单元及 I/O扩展接口I/O 单元PLC 内部输入电路作用是将 PLC 外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合 PLC 输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至 PLC 内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms 之间。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量 I/O 单元、数字量 I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本 I/O 单元、扩展 I/O 单元两大类。I/O 扩展接口可编程控制器利用 I/O 扩展接口使 I/O 扩展单元与 PLC 的基本单元实现连接，当基本 I/O 单元的输入或输出点数不够使用时，可以用 I/O 扩展单元来扩充开关量I/O 点数和增加模拟量的 I/O 端子。（4）外设接口外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成 PLC 的控制网络。PLC 通过 PC/PPI 电缆或使用 MPI 卡通过 RS-485 接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。（5）电源电源单元的作用是把外部电源（220V 的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过 PLC 内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为 PLC 内部电路需要的工作电源（直流 5 伏、正负 12 伏、24 伏） ，并为外部输入元件（如接近开关）提供 24V 直流电源（仅供输入端点使用） ，而驱动 PLC 负载的电源由用户提供。- -515.3 控制系统设计5.3.1分配器工况的分析该分配器的控制部分主要包括分配阀的打开和关闭两个工况。根据分配器的工作状态，设计出的控制系统主要是控制电磁换向阀的动作。根据设计的液压系统以及分配器的具体的工作状态，整个系统的工况有：（1）主泵的启动（2）辅助泵的启动（3）系统的启动（4）分配器 1 动作（包括 1、4 阀的开启和闭合，2、3 阀的开启和闭合）（5）分配器 2 动作（包括 1、4 阀的开启和闭合，2、3 阀的开启和闭合）（6）分配器 3 动作（包括 1、4 阀的开启和闭合，2、3 阀的开启和闭合）（7）分配器 4 动作（包括 1、4 阀的开启和闭合，2、3 阀的开启和闭合）5.3.2 控制、操作系统的总体方案图设计的控制系统是一个闭环控制系统，检测装置将检测到的轴转角信号反馈给控制器以控制系统的正常工作。控制和操作系统如图 5.1，5.2 所示。检 测 装 置 水 压 系 统分 配 器油 压 系 统控 制 器操 作 信 号图 5.1 控制系统的简单框图- -52开 出关 模量 块输开 入关 模量 块输特 能殊 模功 块 水压系统分配器凸轮机构 操 作 信 号旋 转 编 码 器 PLC电磁阀液压缸图 5.2 水压机操作系统图5.3.3 PLC选型工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。- -53所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间， 因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输人输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。目前，小型低档 PLC 系列机属于整体式结构的在国内市场日益丰富。整体式结构的 PLC，共有三种不同的单元、单本单本（主机） 、扩展单元和特殊单元。同一台小容量基本单元加上适合的扩展单元，可实现一个需较多 IO 点的经济合算的控制系统如日本的 FX2 系列 PLC用一台 FX2-32MR,有 16 点输入 16 点输出，加入扩展模块，可最大扩展到 64 个 IO 点，并按需要改变 IO 类型，实现最合理最经济的配置。（1）确定 I/O点数输入设备数量控制电动机的打开需要 2 个常开的按扭开关。控制 16 个分配阀的动作需要 8个按扭开关。解除警报按扭 1 个，急停按扭开关 1 个。由于每个分配器上都有 1 个旋转编码器，所以需要 1 个特殊功能模块，FX-4AD（模拟量输入单元） 。故需要 4个和特殊功能模块通讯的入口。共需要 17 个输入口。输出设备数量控制分配器的动作有 5 个电磁阀，9 个电磁铁，在各个工序执行时有指示灯，共计 8 个。报警时用指示灯 1 个，蜂鸣器 1 个。共需要 18 个输出口。选择可编程控制器的型号为 FX2N-48MR-001。（2）建立输入/输出地址分配表表 5.1 输入地址分配表输入地址 外设名称 输入地址 外设名称X0 主泵启动按扭 X11 分配器 3 中 1、4 阀打开X1 辅助泵启动按扭 X12 分配器 3 中 2、3 阀打开X2 系统启动按扭 X13 分配器 4 中 1、4 阀打开X3 停止按扭 X14 分配器 4 中 2、3 阀打开X4 解除警报按扭 X15 从特殊功能模块读去数据口 1- -54X5 分配器 1 中 1、4 阀打开 X16 从特殊功能模块读去数据口 2X6 分配器 1 中 2、3 阀打开 X17 从特殊功能模块读去数据口 3X7 分配器 2 中 1、4 阀打开 X20 从特殊功能模块读去数据口 4X10 分配器 2 中 2、3 阀打开 X21-X27 备用表 5.2 输出地址分配表输出地址 外设名称 输出地址 外设名称Y0 电磁铁 1YA Y11 分配器 1 中 2、3 阀打开指示灯Y1 电磁铁 2YA Y12 分配器 2 中 1、4 阀打开指示灯Y2 电磁铁 3YA Y13 分配器 2 中 2、3 阀打开指示灯Y3 电磁铁 4YA Y14 分配器 3 中 1、4 阀打开指示灯Y4 电磁铁 5YA Y15 分配器 3 中 2、3 阀打开指示灯Y5 电磁铁 6YA Y16 分配器 4 中 1、4 阀打开指示灯Y6 电磁铁 7YA Y17 分配器 4 中 2、3 阀打开指示灯Y7 电磁铁 8YA Y20 报警指示灯Y10 电磁铁 9YA Y21 蜂鸣器报警Y11 分配器 1 中 1、4 阀打开指示灯 Y22-Y27 备用- -354 液压系统设计4.1 液压系统总体设计4.1.1 设计要求水压机的液压系统各执行机构的工作特征是满足水压机的工作要求，可以实现分配器的正常动作以顶开分配阀来完成水压机的正常动作，并且要保证不同的工序相互协调工作。根据设计要求，本次设计的液压系统的要求是利用液压系统提供足够的动力来使凸轮机构将分配阀按照一定的工作要求打开。4.1.2 确定系统方案（1）选择执行元件的类型根据分配器机械部分的设计可知，推动齿轮做旋转运动的机构为齿条传动液压缸，因此该液压系统的执行元件为液压缸。（2）初选液压系统的压力根据分配器部分的设计，以及分配阀的开启力，初选该液压系统的最大工作压力为 6 。MPa（3）确定液压系统的型式油路循环采用开式，调速方式采用节流调速，液压泵采用定量泵，水压机的动力装置采用泵直接传动。油路循环采用开式系统的优点：1.系统比较简单；2.有体积比较大的油箱，故油的冷却条件比较好；3.油液中的杂质可以沉淀于油箱的底部；油路循环采用开式系统的缺点：1.油箱中管路与空气的接触机会较多，易吸入空气而引起震动；2.换向必须采用换向阀，易产生冲击；- -36调速采用节流调速，且为回油路节流调速。泵直接传动的特点：1.液压缸的行程取决于液压泵的供油量。2.高压泵所消耗的功率相当于液压机作功的功率。3.基本投资少，占地面积小，保养简单。4.1.3 拟定液压系统图根据题目的要求和确定的液压系统的型式，拟定的液压系统图为（图 4.1）分4分2分1分3图 4.1 液压控制系统原理图- -374.2 液压元件的计算和选择4.2.1 主要液压元件的选择和参数计算（1）液压缸的计算和选择计算液压缸的有效工作面积 （4.1）mpPA1ax=2式中 液压缸的最大负载， ；max N液压缸的有效工作压力，N/m 2；1液压缸的机械效率，常取 =0.90.98；m根据公式 4.1，液压缸的有效工作面积为：0835.916.17.2035max=pPA2计算出的活塞的直径为 D=103.7 ，根据设计手册，选择标准的活塞直径125 。m I3:1图 4.2 液压缸的结构图- -38设计液压缸的结构根据分配器的设计要求，采用齿条传动活塞液压缸，具体的结构如图 4.2 所示，由图 4.2 可以看出，在活塞杆上面加工一个齿条，模数为 4，根据设计参数的要求和齿轮、齿条啮合传动的条件，该液压缸的行程为 50 。活塞与缸体之间采用 Om形圈来密封。采用的 O 形圈的规格是 GB3452.1-82。3.512计算液压缸所需流量根据公式：089.083.maxax =AvQs3（2）液压泵的选择在设计液压系统图时选择单级叶片泵特点：叶片泵的结构紧凑，外形尺寸小，运动平稳，流量均匀，噪音小，寿命长，但与齿轮泵相比对油液的污染较敏感，结构较复杂。单级叶片泵有一个排油口和一个吸油口，转子转动一周，每两片间的容积各吸、排油一次，单作用式叶片泵适用于低压大流量的场合。选择的型号为：YB-B48B-FL确定液压泵的流量由于设计的系统中采用了蓄能器，泵的流量根据系统在一个工作循环周期中的平均流量选取，即：（4.2）niiBQTK1sm3式中 K系统泄漏系数，一般取 K=1.2；各液动机在工作周期中所需的流量， ；i 3m工作周期， ；s液动机的数目。n则根据公式 4.2，液压泵的流量为：038.42.8011niiBQTKs3选择泵的规格根据系统的工作压力，流量选取流量与系统相当的泵，参考标准，选择 YB-B48B-FL 型号的单级叶片泵。基本的参数为：理论排量=48.3ml/r，输出流量=42.7 L/min 输入压力为 4.92，额定压力为 7.0MPa，额定转速为 1000 r/min，重量为 25 。MPa kg- -39液压泵的功率驱动液压泵的功率为：（4.3）BQPN310KW式中 液压泵额定压力 ，MPa；BP液压泵额定流量，m 3/s；Q 液压泵总效率。B 转换系数，= 7.092.4maxBPp 液压泵实际使用的最大工作压力，MPa；maxp根据公式 4.3，可以求得驱动液压泵的功率为：8.392.01717.10363 BQPNKW（3）电动机的选择根据所选泵的基本参数，选择一般异步电动机 Y112M-4，额定功率为 4 ，K同步转速为 1440 r/min，净重 43 ；kg（4）溢流阀的选择溢流阀是通过阀口的溢流，使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压，调压或限压作用。在系统中溢流阀用作安全阀使用，用于防止系统过载，此阀是常闭的。根据应用选择直动型溢流阀，型号为 DT-02-B-22（5）节流阀的选择节流阀可以通过控制通过阀的流量，达到调节执行元件的运动速度的目的，在设计的系统中，用节流阀来构成节流调速回路。根据设计的系统，采用出口节流调速。选择 LF3 系列的节流阀，型号为 LF3-E6B。基本的参数为通径 6 ，最大的流m量为 25 L/min，最大的工作压力为 20 ，额定压力为 16MPaMPa（6）换向阀的选择换向阀是利用阀心相对于阀体的相对运动，使油路接通、关断、或变换油液的流动方向，从而使液压执行元件启动，停止或变换运动方向。- -40选择滑阀式换向阀，操纵方式为电磁。选择三位四通电磁换向阀，中位机能为O 型。选择 型电磁换向阀，具体的型号 34DF30-E6B-D，在设计的液压系统中，324FDE整个系统的换向都采用该种换向阀来实现。（7） 单向阀的选择普通单向阀的作用是使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。在设计的液压系统中，单向阀装在液压泵的出口处，这样可以防止系统中的液压冲击影响泵的工作。选择 C*-02/02/06/10 系列的单向阀，型号为 CRT-06-35-50，基本的参数为：额定流量为 125L/min，最高使用压力为 25 ，开启压力为 0.35 ，质量为MPaMPa1.7 。kg（8）压力表的选择压力表选择为 MPa108.p（9）压力表开关的选择压力表开关的选择为 KF 系列，具体的型号为 KF-L8/12E，公称直径为 8 。m4.2.2 液压辅助元件的设计和选择（1）管道根据工作的要求，选择钢管来作为该液压控制系统的油管。根据资料，管道的长度不超过 2030 米时，压力管的液体流量可以为 515。sm/3假设该水压机的压力利用系数为 0.85。则高压油管的直径为：（4.4）mvQd09.1368.463.4=根据设计手册，选取管道的标准值，则高压油管的内径取为 。m15吸油管道的直径为：vd59.238.1463.4=根据设计手册，选取管道的标准值，则吸油管的内径取为 。25- -41（2）蓄能器的选择蓄能器的作用是储存油液的压力能，可以用来在短时间内供应大量的压力油液，可以用来维持系统的压力以及减小液压冲击或压力脉动。选择活塞式蓄能器，作辅助动力源使用。选择 HXQ-B10D 型号的蓄能器。（3）冷却器的选择液压系统的工作温度一般希望保持在 3050的范围之内，最高不超过 65，最低不低于 15。液压系统如果不能依靠自然冷却使油液的温度保持在上述的范围之内时，就必须安装冷却器。在液压系统中，因液压泵、液压缸的容积损失和机械损失以及控制元件及管路的压力损失和液体损失等消耗的能量几乎全部转化为热量。这些热量除了一部分散发到周围空间，大部分使油液的温度及元件的温度升高，如果油液的温度过高，将严重地影响系统的正常工作。所以在设计的液压控制系统中采用了冷却器。选择独立的冷却回路，具体的结构如图 4.3 所示，单独的液压泵将热的工作介质通入冷却器，冷却器不受液压冲击的影响。对冷却器的基本要求：1. 有足够的散热面积；2. 散热效率高；3. 油液通过时压力损失少；4. 结构力求简单、紧凑、坚固、体积小、重量轻。冷 却 器油 箱 过 滤 器 齿 轮 泵电 动 机图 4.3 冷却回路的结构图- -42选择 CB-32 型的齿轮油泵装置，基本的参数为：Q=32.5 ，P=10MPa n=1450rml minrW=8.7 ， V=220/380 KWV电动机选择为 Y160L1-4 系列，基本参数为：额定功率为 15 ，额定转速为KW1458r/min。选择 型的冷却器。LQG2（4）过滤器的选择过滤器的作用是用来过滤混在液压油液中的杂质，使进入到系统中的油液的污染度降低，保证系统正常的工作。选择表面型的网式滤油器， 根据设计手册，推荐过滤精度为 15 ，选择的型um号为： ，额定的压力为 6.18 。这种结构的过滤器结构比较简单，2063XuMPa通流能力强，清洗方便，但是过滤精度不高。在设计的液压系统中，将滤油器安装在油箱和液压泵之间，因此该滤油器对要求是滤油器必须要有比较大的通流能力和比较小的阻力；它的主要作用是用来保护液压泵，但是液压泵中产生的磨损物将进入到系统中去；必须通过液压泵的全部流量。（5）油箱及其附件功用和结构的选择油箱的功用是用来存储油液，此外还有散热、释放混在油液中的空气、沉淀油液中的杂质等作用。由于设计的系统比较简单，所以选用分离式的油箱，这样油箱散发的热量和液压源的振动对主机的影响就比较小。为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，油箱离地面的高度选为 200。m油箱的容积计算：主回路油箱的容积为：（4.5）36096.103.482mLQV辅助泵系列的油箱的容积： 361475.5.2因此，油箱的总容量为 ，根据手册，选标准值 。379.0mV 3.0V=- -434.2.3 液压系统主要元件列表 根据所设计的液压系统，将系统主要的液压元件列表，如表 4.1 所示。表 4.1 液压元件的明细栏序号 元件名称 规格代号 数量 说明1 单级叶片泵 YB-B48B-FL 1 主泵2 齿条传动液压缸 1 自行设计3 异步电动机 Y112M-4 1 主泵系统用4 直动型溢流阀 DT-02-B-22 15 节流阀 LF3-E6B 16 电磁换向阀 34DF30-E6B-D 1 三位四通7 单向阀 CRT-06-35-50 18 压力表 1 测量范围 0.8-10 MPa9 压力表开关 KF-L8/12E 110 蓄能器 HXQ-B10D 111 齿轮泵 CB-32 1 辅助泵12 电动机 Y160L1-4 1 辅助泵系统用13 网式滤油器 2063Xu214 冷却器 WLQG115 高压油管 钢管 1516 吸油管 钢管 2517 油箱 3.0mV=14.4 液压控制系统分析4.4.1 液压系统的工作情况（1）系统动作循环表设计的水压机的控制系统主要是控制分配阀的启闭，根据前面设计的控制系统的线路图，在机械和电气的配合下，可以实现泵的启动、系统的启动、各分配器中分配阀的正常动作。其具体的工作情况如表 4.2。- -44在设计的控制系统中只画了一个分配器，但是在实际的情况下，一个大型水压机的操纵、控制系统需要好几个分配器来共同实现，现在考虑 4 个分配器的情况。 表 4.2 水压机的液压控制系统的动作循环表电磁阀的工作状态动作名称 信号来源1 2 3 4 5主泵空载启动 电动机 1 启动 左 中 中 中 中辅助泵启动 电动机 2 启动 / / / / /系统启动 1YA 通电 右 中 中 中 中1、4 阀打开 2YA 通电 右 左 中 中 中分配阀 1 动作2、3 阀打开 3YA 通电 右 右 中 中 中1、4 阀打开 4YA 通电 右 中 左 中 中分配阀 2 动作2、3 阀打开 5YA 通电 右 中 右 中 中1、4 阀打开 6YA 通电 右 中 中 左 中分配阀 3 动作2、3 阀打开 7YA 通电 右 中 中 右 中1、4 阀打开 8YA 通电 右 中 中 中 左分配阀 4 动作2、3 阀打开 1YA 通电 右 中 中 中 右（2）工作过程主泵空载启动（卸荷油路）：启动电动机 1，单级叶片泵启动，油液经油箱、过滤器、叶片泵、电磁换向阀 1 流回油箱，这样可以实现主泵的空载启动。分配器 1 动作1）1、4 阀打开进油路 2YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 2（左位）进入齿条传动液压缸（左腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（右腔） 、电磁换向阀 2（左位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。- -452）2、3 阀打开 进油路 3YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 2（右位）进入齿条传动液压缸（右腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（左腔） 、电磁换向阀 2（右位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。分配器 2 动作1）1、4 阀打开进油路 4YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 3（左位）进入齿条传动液压缸（左腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（右腔） 、电磁换向阀 3（左位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。2）2、3 阀打开 进油路 5YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 3（右位）进入齿条传动液压缸（右腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（左腔） 、电磁换向阀 3（右位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。分配器 3 动作1）1、4 阀打开进油路 6YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 4（左位）进入齿条传动液压缸（左腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（右腔） 、电磁换向阀 4（左位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。2）2、3 阀打开 进油路 7YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 4（右位）进入齿条传动液压缸（右腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（左腔） 、电磁换向阀 4（右位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。分配器 4 动作1）1、4 阀打开进油路 8YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 5（左位）进入齿条传动液压缸（左腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（右腔） 、电磁换向阀 5（左位） 、减速阀、电磁换向阀- -461（右位）流回油箱。2）2、3 阀打开 进油路 9YA 得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀 1（右位） 、单向阀、电磁换向阀 5（右位）进入齿条传动液压缸（右腔） ，驱动凸轮机构动作。回油路 油液经液压缸（左腔） 、电磁换向阀 5（右位） 、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。4.4.2.其它元件和回路的作用（1）冷却回路采用单独的冷却回路，启动电动机 2，油液经油箱、齿轮泵、过滤器、冷却器冷却后又回到油箱中，实现对油液的冷却。（2）蓄能器蓄能器作为辅助动力源使用。（3）溢流阀溢流阀起安全阀的作用，当系统的压力超过溢流阀的调定压力时，溢流阀打开，油液经溢流阀流回油箱，使整个系统的压力不致过大。- 1 -1 绪论1.1 课题的来源和研究的意义自上世纪 50 年代以来，我国的液压技术取得了飞速的发展，就水压机来说，1961 年 12 月，上海江南造船厂成功地建成国内第一台 12000 吨水压机，这台水压机的制造成功，为中国重型机械工业填补了一项空白，也为我国的锻造事业跨进世界先进行列起了重要作用。它主要用于锻造有色金属合金的一般锻件和带孔的复杂锻件，特别是用于锻造航空航天工业需要的特殊加工部件，如飞机大梁、机翼龙骨、长征火箭和巡肮导弹的端环等。它也是锻造万吨巨轮发动机主轴、大型发电机转子轴、大型轧钢机架、炮管及导弹壳等不可缺少的设备。万吨水压机建成后，为国家电力、冶金、化学、机械和国防工业等部门锻造了大批特大型锻件；30 多年来，仍在正常运转，为社会主义建设作出了重大的贡献。本世纪 60 年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，传统的水压机不管是结构、功能、吨位、操作系统还是控制系统都显得比较陈旧和落后。比如结构过于复杂、工作的压力比较小、体积庞大。因此，现在研究水压机仍有十分重要的意义，尤其是对现有的水压机系统和结构进行改造十分必要。1.2 液压机的发展概况液压传动相对于机械机械传动来说是一门新技术，但自从 18 世纪末，英国制成世界上第一台水压机以来，液压技术已经发展了两百多年。直到 20 世纪 30 年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次世界大- 2 -战结束后，液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。1884 年在英国曼彻斯特首次使用了锻造钢锭用的锻造水压机，由于它与锻锤相比具有很多优点，因此发展很快，1893 年建造了当时最大的 120MN 的锻造水压机。随着航空工业的迅速发展，模锻液压机的公称压力不断提高。1934 年德国制造了 70MN 的模锻水压机，第二次世界大战期间，德国又制造了一台 300MN 的模锻水压机。1955 年左右，美国先后制造了二台 315MN 及二台 450MN 的大型模锻水压机。此外在英国、法国、联邦德国也都先后建造过 200MN300MN 的各种大型模锻液压机，而在法国安装的由苏联设计与制造的 650MN 模锻液压机，则是西欧目前最大的一台。由于液压机在工作中的广泛适应性，它还普遍应用于国民经济的各个部门，如板材成形，粉末冶金、管、线型材积压、胶合板压制、打包、人造金刚石、耐火砖压制、电缆包覆、炭极压制成形、轮轴压装、较直等等。各种类型的中小型液压机发展十分迅速，有力地促进了各种工业的发展。1949 年以前，我国没有自己独立的工业体系，也根本没有液压机制造工业，只有一些修配用的小型液压机。1949 年以后，我国迅速建立了自主的完整工业体系。我国已能自行设计和制造汽车、机车、发电设备、轧钢设备、飞机、火箭、人造卫星等产品，这些都促进各种液压机的发展。19571962 年间，我国已开始自行设计、自行制造各种锻压设备，其中有近30 台 10000 到 31500KN 的中型锻造水压机及二台 120MN 到 125MN 的大型锻造水KN压机，同时，也初步建立了一支设计和制造液压机的技术队伍。我国的液压技术开始于上世纪 50 年代，但是真正意义上的液压技术的发展开始于上世纪 80 年代。50 年代，我国自行设计制造了 1000 吨的水压机，这在当时，它对我国锻造工业起着积极的推动作用。因此，一个时期以来它成为我国工业战线的佼佼者。80 年代以来，液压机技术有了飞速发展，主要表现在以下几个方面：1.迅速采用数控（NC）及计算机控制（CNC）技术，以实现工艺过程自动化及提高各运动部分的控制精度。例如中小型锻造液压机在逐步实现液压机及操作机联动的基础上可以采取计算机程序控制，在锻件高度方向的尺寸公差，已可控制在1mm 左右，目前，中小型快锻液压机已有取代老式蒸汽空气自由锻锤的趋势。在中小型模锻液压机方面，采用微机辅助的检测控制系统，可以根据压力大小来补偿工作台、机架、滑块及模具等环节受载变形带来的误差，从而使滑快停止位置达到很高的精度.在液压板料折弯机中，采用计算机控制的自动弯曲补偿装置，可经常- 3 -保持折弯机床身和上横梁之间的平行度，从而保证了 3m 长的薄板弯曲件沿弯曲线的角度偏差在 0.5 度。CNC 知道弯管机可以存储一千多个程序段，可以知道弯曲不同弧度的管子，送进、夹紧、折弯自动化。可编程微处理机控制的知道矫正液压机，其控制块包括检测、计算和存储，在考虑毛坯原始弯曲程度、材料硬度性能等原始条件下，经过计算机运算，可得出优化的矫正过程。从一种矫正工件换到另一种所需辅助时间仅为几分钟。矫正过程中出现的问题可随时在屏幕上显示出来，以便于修正。2.采用各种先进的快速滑阀或插装阀，减少阀的换向时间，使阀的响应时间减少到 10ms 以下。3.采用各种有效的缓冲扎，以减少冲载时的振动及噪声，扩大液压机的应用范围。4.逐步向柔性加工系统（FMS）发展，即把微电子技术、自动检测反馈、工业机器人和自动仓库结合在一起，将多台不同功过程中出现的问题可随时在屏幕上显示出来，以便于修正。5.出现了快速换模装置，它包括设立中间模具库、模具转台、横向换毡装置及快速夹紧机构等，以适应多品种小批量的市场需求。例如 Hasencleve