金属打包机的液压系统设计【11张CAD图纸】
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毕业生论文第1章 绪 论1.1文献综述1.1.1课题研究背景打包机是压缩包装机械中的主要种类之一，它利用压缩设备在一定压缩条件下，在不破坏材料性质的前提下，对各种松散材料施加压力，从而减小体积、增大容积密度，压出外形尺寸统一、比重大、密度高的包块，适合集装箱装运的需要。从而减少运输成本，增加经济效益。目前广泛应用的打包机，一类是用于将棉、纱、布、麻、羊毛及其制品等松散物压缩打包的非金属打包机，一类是适用于金属回收加工行业及有色、黑色金属冶炼行业的金属打包机。本次课题要求设计的金属打包机即属于后者，是一种典型的金属回收机械，它是将机械工业的余废料、即一定厚度下的边角余料，线材、切屑及小型薄壁金属容器、包装物、小型构架，废旧金属生制品等金属物料，挤压成具有一定规格和紧密度的束块，便于运输和回炉冶炼。从所掌握的资料来看，目前国内所拥有并使用的金属打包机，除简陋及代用设备（如夹板锤、摩擦压力机之类）外，分为丝杆传动和液压传动两大类。由于丝杆传动的功率损失太大，压头力的传动不稳定，加工的包块的密度低，以及丝杆传动易磨损等缺点的限制，不能得到发展，已逐步淘汰；而液压传动的金属打包机具备传递压力大、容易实现自动变速、传动平稳等优点，随着金属回收工业的发展，液压金属打包机的发展也相当迅速，有一批适合我国国情、不同规格和品种的设备投入到各金属回收单位。1.1.2课题研究的意义留心观察我们的生活，不难发现，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，各工业部门的金属下脚料及生活用金属制品的废弃物都日益增多，一方面，这些废弃物的随意丢置，将会对人类环境产生严重污染；另一方面，人类社会的不断消耗，各类矿物资源也会逐渐减少。因此，如何利用金属废弃物，既防止环境污染，又变废为宝，资源永续。就成为一个重要的研究课题摆在人类面前。打包机由于能实现对废旧金属的打包回收，充分将资源再利用，因而在国民经济中占据着重要的地位，有着广阔的应用前景。尤其在目前党中央大力倡导构建节约型社会的影响下，可以预见，各行各业对这类机械的需求量还会日益增加。鉴于这种情况，研究设计金属打包机的液压控制系统，结合相应的单片机进行控制，实现打包自动化，提高打包质量和效率，降低工人劳动强度，是具有一定的现实意义。1.2设计内容简介1.2.1研究解决的问题本文主要是设计一台金属打包机。传统的打包机设备主要由动力系统、传动机构和工作机构组成。动力系统是机器的动力源；工作机构是完成机器工作任务的直接工作部分；而传动机构则是为了使动力源适应工作机构对力和速度、以及其他操作性能（停车、换向）要求的装置。本次设计任务的特点，是要结合现代化生产的需要，尝试采用一种新型且被广泛应用于工业生产的单片机集成控制，取代传统的继电器控制系统，设计集机械结构设计、单片机控制、液压流体传动于一体的金属打包机。并达到如下的工作要求：要求打包负载1250KN；压缩后金属包体积为0.250*0.250*0.250M3。步骤正确，工作安全可靠，使用维护方便，并能调节系统压力。1.2.2整体设计方法考虑到打包机的工作不太复杂，工作相对比较稳定，安装好后不需要频繁移动机体等特点，在本次设计中决定采用整体结构，将液压系统、PLC电气控制制台和打包机主体集中安置，这样设计，操作者可以适时根据各工作机构的工作状况而采取合适的指令进行控制，使机器工作安全可靠。1金属打包机主体的设计 打包机机体的设计 压缩室的设计压缩室的尺寸设计进行弯曲强度校核2液压系统的设计液压泵的选择：提供达到一定流量和压力的油泵作为液压发生机构。液压缸及控制油路的设计：要求能实现如下工作过程：从料斗中倒入要压制的废金属料主缸活塞快速推进倒入数次料后，主缸活塞快速推进数次主缸活塞重压一次（工进）辅缸打开压缩室门主缸活塞从压缩室快速推出金属包，再退出压缩室辅缸关闭压缩室门。液压阀的选择：选择系统的控制、调节装置，将工作液体按一定的方向、一定的压力、一定的流量送往各执行机构，包括方向阀、压力阀、流量阀三大类。辅助装置的确定：选择将上述几个部分连接起来的管道、油箱、警接头、滤油器、仪表等。3、单片机程序及控制线路的设计设计单片机的控制线路选择单片机的控制器 在选择好相应的单片机和确定了控制对象的控制任务后，即可根据工艺、信息流程具体安排输入、输出的配置。从而完成以下几个自动控制过程： 上辅缸快退，料斗门打开，金属废料从料斗中倒入压缩室； 上辅缸快进，关闭料斗门；主缸快进，压紧废料，主缸压力达到设定值后快退到初始位；上辅缸快退，料斗门打开，继续加料；重复以上步骤5-6次； 主缸工进，重压一次，压力达到设定值后，主缸停止几秒，保压； 主缸快退卸压； 下辅缸上升，顶开压缩室前门，主缸快进，将压缩包推出压缩室； 主缸快退，下辅缸下降，关闭压缩室前门； 完成一个周期，可进行下一次打包；1.3本章小结根据生产需要和技术、经济要求，完成打包机液压控制系统、机构设计和软件开发。要求能够实现所设计的打包机经济实用、性能可靠，使用、维护方便，液压系统采用单片机控制，控制过程简单、灵活、可靠，能较好地满足系统的设计要求.并能调节系统压力。工艺加工手段效果好。能广泛运用于有色金属加工行业。且还能使本机具备以下特点：工作效率高、能耗低、加工成本低、无金属损耗和环境污染。第2章 打包机主体的设计分析打包机主体设计分析的主要任务是进行打包机的结构设计、以及主缸压包和辅缸出包的运动结构形式，并对相关部分进行强度校核。2.1打包机的结构设计打包机机体设计的基本任务是根据工作要求以及推杆推压金属废料块的运动方式选定合适的机体结构，并合理地选定有关的结构尺寸，然后设计出满足条件的打包机的压缩室。所以，对打包机的推压包块的运动过程进行分析，是完成机体设计的前提。2.1.1打包机的运动打包机从加料后开始工位运转，到包块的推出，运动停止，为一个单次工作循环。其程序如下：1、合盖，封闭进料口，形成压缩室。在上辅缸关闭进料口门后，主缸快进，对松散的金属废料进行一次予压缩。压缩室的高即为包块高。2、主缸压头继续前进，向X正向加压。直至废料压缩成包块达到包块宽度位置时止。这样，在压缩室的前端形成一个高压室。3、再次加料后，主缸循环快进、工进，提供高压，这级压力是在高压室内，对已初步形成的束块，进行整形定性的最终挤压，形成紧密度较高的束块。达到包块的长度要求。4、包块成形后，松泄主压头压力，下辅缸作用推开机身侧边的出包门。5、利用主压头继续前进，将包块从侧门推出机外。6、主、侧压头退回，侧门关闭，机盖启开。即可进行下一个工作循环的加料。上述这几个程序是基本的工位循环，其间还有一些辅助运动，如持续加压，保压、泄压等。2.1.2打包机的总布局打包机一般分为二大部分主机部分和动力系统。1、主机部分。根据对打包机运动情况的分析可知，主缸系统应水平安置在机体上，侧门系统垂直于主缸系统安置，上辅缸系统安置在主缸上方，另外再加上一些辅助机构，这样就构成了机器进行打包工作的部分，即主机部分。按构成的结构分，应该包括：(1)机体机体是安装机器各部分的基础。其结构是个上开式的箱形型式，亦是容纳物料的料箱，机体的基本构件由于是几大块拼接而成，其位置和形式都是一定的，没有什么调节、修定的要求，所以装拆均容易(一般也不用拆卸)。使用中也不容易损坏。若出现损坏(断裂或某些地方严重磨损)、则需更换新构件或修补。（2)上辅缸系统上辅缸系统是控制进料口进料的机构。由上辅缸及辅缸推压头组成。其功能是将金属物料送进料箱内的，并推向高压室。上辅缸装在机体后架中间的大孔内，并用大园螺母从后面锁紧。压头直接套装在侧缸活塞杆伸出端，由一个大螺栓从端面中间紧固，再盖以侧压头护板。由于侧压头在料箱内还要组成高压室的一壁，其位置是有严格要求的，所以在侧压头与活塞杆接触的台阶处，有一个调整垫圈，为使活塞杆的行程终了时，侧压头护板的前面与主压头护板侧边刚好要接触并有一定的问隙，就靠调整垫圈的厚度来保证。(3)主缸系统主缸系统是加压机构，其横卧安装于机体的前架一端，与机体垂直组合装配成一体，整个系统主要由主缸总成、主缸横梁、主压头、门梁及圆螺母等组成，其功能就是对被侧压头推压到高压室内的较疏松的束块，进行第二级挤压，使其达到一定的密度，主压头的最大推力，就是打包机的公称压力，经主压头挤压最后形成的包块，其长度尺寸大致是一致的。主缸将束块压成尺寸要求后即停止。（4）出料门系统出料门系统是控制出料门的开闭，使主缸将挤压成功的包块推出机外的部分。由出料门、辅助缸总成、支座等主要零、部件组成。它的功能只是起辅助作用，机器在加料、挤压工作时，由出料门将压缩室的门洞封闭，包块成形后，将出料门推开，便于包块从门洞内推出，出料门装在由门梁和侧架贴合形成的滑道内，辅助缸装在侧架外壁上，辅助缸活塞杆与出直接铰接，由辅助缸带动出料门在滑道内往复滑动，对侧架上的门洞进行开关。由于出料门是在高压室位置，直接承受主缸的挤压力，工作时开门前的主缸卸压的步骤和时间一定要保证，否则，门将打不开或者损坏机件。2、动力系统动力系统就是机器的液压发生、控制机构。布置在机器的后部、侧缸的两侧。而电控操纵箱则置于机器同主缸的一侧。整个系统由下列部分组成：(1)油箱部分油箱部分是动力系统的支承基础，亦是机器液压传动的油源，整个油箱是个长方行的封闭箱体，装于主机的后端。(2)油泵电机组油泵电机组机器的主动力源，由柱塞泵和三相交流电动机组成，二者用减速箱联接，安装在油箱面上，通过油管与各类液压元件相连成油路。(3)控制阀组控制阀组液压系统的控制装置，由液压系统中所需要的各种液压元件及通路体组成，安装于油箱面上，各液压阀选用板式结构，集中安装，结构非常紧凑，各元件拆卸维修都很方便。(4)管路系统管路系统是将各元器件连接起来形成通路体的部分。(5)操纵箱操纵箱是机器的电控中心，机器各运动程序的自动选择、控制均通过此箱进行，电控箱主要分上下两部分，箱上部分及面板，集中装没有显示压力和调整压力的压力表、操纵按纽；下部是电器柜，机器的主要电气元件均置于柜内。整个机器就由以上部分构成，另外还有一些液压管道、电气管道及行程开关等部分，在本次设计中就没有进行设计分析了。图2.1 打包机总装图2.2 打包机压缩室的设计与强度校核打包机的强度校核包括对活塞杆的弯曲强度校核、压头的剪切强度的校核以及压缩室门的剪切强度校核，因为在液压系统设计部分已对活塞杆进行校核，故本章节的校核主要是对压头和压缩室门板进行的。2.2.1 压头的强度校核因压头为焊接式厚为20mm的压板主要承受挤压应力而在工作过程中它所承受的挤压应力可忽略不计固不作要求.2.2.2 压缩室的设计压缩室的尺寸设计：根据压缩后金属包体积为0.250*0.250*0.250m3。确定压缩室尺寸为：0.80*0.250*0.270m3。选用材料为HT200，铸件壁厚（3050）mm，抗拉强度：=160（MPa）。压缩时推力为1250KN，压力为21MPa，选用壁厚t=40mm活塞与压缩室之间的挤压强度。= 世隔绝 （1-1）出包门与压缩室侧壁的剪切应力.式中: 出包门与压缩室侧壁的拉压应力求得C点处的剪力最大FC为1250KN0ABFCFAFB图2-2 弯曲强度图图2-3 剪切强度图 （1-2） （1-3）求得最大弯矩Mmax为168.75Nm,W为72000mm2,由公式4-2得：2.3438Mpa满足强度要求。第3章 打包机液压系统的设计3.1 液压系统的特点(1）方便实现无级调速，调速范围大；(2）在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量较轻；(3）工作平稳，换向冲击小，便于实现步骤换向；(4）便于实现过载保护，而且工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命较长；(5）操纵简单，便于实现自动化。特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动工作循环；(6）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。 综上所述故选用液压传动控制液压系统的设计是整个金属打包机设计的一大部分。液压系统是机器中液压传动部分的总称。它的任务是根据机器的用途、特点和要求,利用液压传动的基本原理。拟订出合理的液压系统图,再经过必要的计算确定液压系统的参数,然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。综上所述,要确定液压系统的基本回路,先要了解分析该液压系统要实现的某些动作和拟达到的工作性能。3.2液压系统工况分析3.2.1 分析系统工况本次设计的金属打包机是一种典型的金属回收机械,它是将机械工业的余废料等金属物料挤压成具有一定规格和紧密度的束块.其工作情况大致如下:从料斗中倒入要压制的废金属料主缸活塞快速推进倒入数次料后，主缸活塞快速推进数次主缸活塞重压一次（工进）辅缸打开压缩室门主缸活塞从压缩室快速推出金属包，再退出压缩室辅缸关闭压缩室门。简而言之,就是要实现上辅缸、主缸的水平直线和下辅缸的竖直直线运动.3.2.2确定液压系统的主要参数任务书中已给定的参数如下:（1）打包机负载1250kN（2）废料压制成块料体积为0.25*0.25*0.25m3（3）打包机液压缸行程为800mm（4）上下辅缸行程为800mm根据已知数据,在参考了一系列金属打包机的基础上,并结合此次设计的技术要求,用类比法初步选取速度值如下:主油缸: 快速空行程速度 =50mm/s 工作行程速度 =12.5mm/s 顶出压块速度 =50mm/s 快速退回速度 =50mm/s上辅缸: 快速下降 =125mm/s 快速上升 =86.2mm/s下辅缸: 快速下降 =69.5mm/s 快速上升 =80mm/s 液压系统的压力的确定:液压缸的输出力是有工作压力和活塞的有效面积A决定,而液压缸的输出速度是由输出液压缸的流量q和活塞的有效面积A来确定.即 由两式可见,当液压缸的输出力一定时,若缸的工作压力取得大,则活塞有效面积减小,液压缸的结构就紧凑；若液压缸的工作压力取得小,则活塞有效面积增大,缸的结构尺寸增加。要使工作机构得到同样的速度,就要求有较大的流量,此时,将有关的液压泵、阀等液压元件的规格要求相应增大,这就可能导致整个液压传动系统的结构庞大,因此,确定液压缸的工作压力p时,要根据设备的工作要求、元件的制造水平等因素综合考虑.在充分考虑系统所需流量、系统的效率和性能、工作可靠性、工艺性和经济性等因素后,设计时,采用类比法来确定.参考表3.1、3.2 ,取系统工作压力p=25MPa.表3.1 各类液压设备常用的工作压力：设备类型磨床组合机床车/铣镗床龙门刨床农业机械,小型工程机械工程机械锻压设备船用系统工作压力/MPa26.32410101616321425表3.2 不同负载下的液压缸常用的工作压力：负载/KN50工作压力/MPa0.811.522.53344557选定液压缸的工作压力根据设计要求选定系统工作压力为21Mpa为下面的设计提供依据3.3拟订液压系统原理图3.3.1确定供油路线考虑到该设备在工作进给时负载较大,速度较低,而在快进快退时负载较小,速度较高,从节省能量、减少发热考虑,泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油,现采用双联叶片泵供油.3.3.2液压回路的设计首先，设计调速回路。 调速回路的比较：液压系统中的调速回路应能满足如下一些要求，这些要求是评比调速回路的依据。 （1）能在规定的调速范围内调节执行元件的工作速度。（2）在负载变化时,已调好的速度变化愈小愈好,并应在允许的范围内变动。（3）具有驱动执行元件所需的力或转矩。（4）使功率损失尽可能小，效率尽可能高,发热尽可能小(这对保证运动平稳性亦有利。调速回路的选用：调速回路的选用与主机采用液压传动的目的有关,而且要综合考虑各方面的因素后才能做出决定；其次要考虑的是功率的大小，一般认为3kw以下的用节流调速回路；35kw的用容积节流调速回路或容积调速回路；5kw以上的则用容积调速回路；最后从费用上考虑，要求费用低廉时用节流调速回路；允许费用高些时用容积节流调速回路或容积调速回路。综上，本系统采用容积节流调速。在中小型打包机的液压系统中,进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀,根据打包机对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点,决定采用双联叶片泵和调速阀组成的容积节流调速.这种调速回路具有效率高 发热小和速度刚性好的特点。其次,考虑速度换接方式。本系统采用电磁阀的快慢速换接回路,它的特点是结构简单、调节行程比较方便,阀的安装也较容易,但速度换接的平稳性较差. 在本系统中液压泵和液压缸回路中均采用三位四通电磁换向阀作为换向回路，且采用中位机能是O型，因为当运动到目的地停留时，让系统不卸荷。最后，考虑压力控制回路。系统的调压问题已在油路中解决,卸荷问题采用先导式溢流阀来实现。3.3.3 拟订液压系统图液压系统回路有开式和闭式两种。通过比较可知闭式系统结构比紧凑、对称，但系统较为复杂，为了保证控制系统能正常工作，需要提供低压液压油给控制回路，所以回路中需安排一个低压保护措施来保证控制正常；在闭式系统中油温升高后，散热较慢，需要提供专门的散热回路来冷却工作油，这就增加了液压设备，使系统复杂化；闭式系统采用容积调速回路，而容积调速回路一般是用在大功率，经济条件允许宽裕的场合。开式回路结构上比闭式回路简单，散热条件好，无须附加专门的散热回路来冷却油液，经济上要求不高，保护回路易于实现，采用双单向节流调速，方便快捷亦可实现容积调速回路的无级调速，对于本打包机比较合适。3.3.4液压系统原理图的分析设计本液压系统属于中高压系统，综合考虑各种因数，采用齿轮泵向系统供油。综合以上各个部分的调速回路方案，补充系统的保护回路，方向控制回路和卸荷回路而设计出系统总的液压原理图。其打包的工作过程如下：启动电源开关，液压泵开始工作，油路上升，电磁铁Y2通电，换向阀接入左工位，这时液压缸上升，将压缩室门关闭；液压缸上升到预定高度，触发行程开关，电磁铁Y2断电，电磁铁Y1通电，上辅缸快退，打开进料口进料；液压缸快退至左极限位置，触发行程开关，电磁铁Y2得电，上辅缸快进，关闭进料口；液压缸右行触发行程开关，使电磁铁Y4通电，换向阀接入左工位，主缸快进，准备压缩金属块；主缸推进压缩金属块至某中间位置时，触发压力继电器，使电磁铁Y4通电，行程阀接入右工位，油液通过调速阀，对主缸的速度进行控制，主缸工进；随着主缸推进，金属压缩成块，当主缸不再前行时，系统压力不断升高，使压力继电器起作用，并通过时间继电器，实现系统的保压延时；而卸荷是时间继电器使电磁铁Y3通电，换向阀以右工位接入，主缸快退；主缸快退至左极限位置，触发电磁铁YA4，换向阀以右工位接入，下辅缸快退打开压缩室门；下辅缸行至下极限位置，触发电磁铁Y4，使换向阀以左工位接入，使主缸快速前进，顶出压缩好的金属包；而后，在主缸到达右限位时，触发电磁铁Y3，使换向阀以右工位接入，主缸快退，从而完成一个工作循环。表3.3液压系统工作控制通电表序号工作流程Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7（上）开门进料关门主缸快进主缸工进保压主缸快退（下）开门主缸快速推出主缸退回同时（下）关门图3-1（液压工作原理图）3.4液压系统的计算和液压元件的选定3.4.1液压缸的设计计算3.4.1.1主要参数的确定根据液压缸的工况特点,选择液压缸为双作用单活塞杆式.安装方式为轴向底座式。根据动力和运动分析,确定主要尺寸参数：液压缸工作压力的确定,前已选择确定p=16MPa液压缸内径:根据需要的液压缸的理论输出力F和系统的选定的供油压力p来计算缸筒内径D(m),计算公式如下: D=-3=275.8（mm） （3-1）式中 F-液压缸的理论输出力(N) p-供油压力(MPa)根据以上计算公式算得的液压缸内径D的大小,取值并圆整到标准值取D=500(mm)。活塞杆直径:由表2.3可取d=0.7D,得d=350(mm),查表: 取d=360(mm)表3.4 机床液压缸活塞杆直径推荐值活塞杆受力情况受拉伸 受压缩,工作压力p1(MPa)p1557活塞杆直径d(0.30.5)D(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D液压缸的行程 主要依据执行机构的运动要求而定,但为简化工艺,降低成本,增加产品通用性,应尽量采用标准系列值 ,在此取S=1100(mm)计算各工作阶段液压缸所需的流量：q快进=2快进=241.27/minq工进=2工进=60.3 L/min由于打包机进料口液压缸压缩室门并未从事主要工作,所以在本设计中并没有对上下辅缸的流量进行过多的计算分析,以及随后的液压缸的设计计算也是只对主缸进行的.3.4.1.2液压缸的结构设计1、缸筒（1）主要技术要求有足够的强度,能长期承受最高工作压力及短时期动态实验压力而不会产生永久性变形.有足够的刚度,能承受活塞侧向力和装置的反作用力,而不至于产生弯曲.内表面在活塞密封件及导向环的摩擦力作用下,能长期工作,且摩损极少,几何精度高,确保活塞密封.（2）结构形式通常根据缸筒与缸盖的连接形式来选用缸筒结构,不同的连接形式有不同的优点和缺点,要依据额定的工作压力 用途 使用环境等因素合理选用缸筒结构,本设计中采用的是半环联接的形式,其特点为:结构较简单,易加工,易装卸,使用广泛。（3）材料缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性,根据液压缸的参数 用途和毛坯的来源,可选用碳素钢45号的无缝钢管.（4）缸筒计算缸筒厚度计算：=0+c1 式中 0-缸筒材料强度要求的最小值(m) c1-缸筒外径公差余量(m)缸筒厚度的计算可有以下几种情况:当 /D0.08时,按薄壁缸筒计算 0maxD/（2）=42（mm）式中 D-缸筒内径(m) pmax缸筒内最高工作压力,当工作压力p16Mpa时, pmax=320; -材料的许用应力(MPa)，=b/n=600/5=105(MPa) 式中 b-缸筒材料的抗拉强度(MPa) n-安全系数,参考表2.4取n=5。表3.5 安全系数n材料静载荷交变载荷冲击载荷不对称对称钢3 5812铁4 61015缸筒外径 D1=D+2=404(mm)缸筒厚度验算： 对缸筒壁厚要作以下验算：额定工作压力pN(MPa)应底于一定极限值,以保证工作安全 pN0.35S（D12-D）2/ D12=54MPa为避免塑性变形,额定工作压力应满足 pN(0.350.42)pPl=36.5543.86MPa式中 pPl-缸筒发生完全塑性变形的压力. pPl=2.3Slg=104.43（ MPa)式中 S -缸筒材料的屈服强度(MPa) D1-缸筒外径(m) D-缸筒内径(m) pN-额定工作压力(MPa)缸筒底部厚度：当缸底为平面且无油孔时缸底厚度h为 ： h=0.433D-3=63.4（mm） (3-2) 式中 D-缸筒内径(m) D max-缸筒内最高工作压力 -缸底材料的许用应力(MPa)缸筒联接计算：缸筒的主要联接形式有：法兰联接式、焊接式，整体式。法兰联接式强度高，便于拆装、容易加工，成本低能承受高压；焊接式强度不高但不便于拆装，而整体式结构复杂加工不便。故选用法兰联接式。缸筒与缸盖采用法兰环联接时, 螺栓主要受拉伸应力的破坏缸筒的危险截面A-A上的拉应力（MPa)为 ：= pmaxD12/（D1-h）2-D2= =91.81（MPa） (3-3)满足强度要求。 式中 D1缸筒的宽度， D1=0.384（m）；L-卡环宽度（m） L=0.025（m） H卡环厚度（m） H=0.025（m） pmax-系统最高工作压力（MPa）pmax=16.5（MPa）2、活塞（1）结构形式 活塞根据密封装置的型式来选用其结构形式,按工作压力、环境温度、介质等条件来选定密封形式为活塞与缸筒采用Y密封圈与活塞杆的密封采用O型密封圈的活塞.其具备密封性能好,摩擦因数小,安装空间小,扩冲击,广泛用于固定密封和运动密封具有振动场合的特点。（2）活塞与活塞杆的联接形式活塞与活塞杆的联接形式采用卡环联接如图3-2。该联接结构简单、装拆方便不易松动、应用在高压、负载大、有振动场合。图3-2 活塞联接方式（3）材料 选用碳素钢20或者35或45钢。3、活塞杆（1）结构外端部结构形式为焊接联接,内端部结构形式为卡环联接其中活塞杆与缓冲套之间采用螺纹联接。活塞与活塞杆为卡环时卡环主要受挤压或者剪切应力的影响发生破坏.卡环材料为45钢表3.6热处理S MPab MPaS MPaaku(J/km)HBt0.3tpMPa840C水淬510C回火71693417.952.999.5254528829（2）卡环强度校核活塞的理论拉力F为1250KN剪切力校核:A=t=96MPat挤压应力校核:A=24016mm2b=16880mm时,导向套的滑动面的长度取(0.61.0)d,其中d为活塞杆直径。 导向套的长度：L=0.6d=216(mm)5、缸头厚度计算螺钉连接法兰： (3-5)式中： F法兰所受的总力， d密封环内径（mm）密封环外径（mm）P系统工作压力（MPa）q附加密封力（MPa），若采用金属材料密封时，q=螺钉孔分布圆直径（mm）密封环平均直径（mm） 法兰材料的许用应力。3.4.1.3液压缸的排气与缓冲由于各种原因,液压系统会混入空气,影响运动的平稳性,如活塞低速运动时产生爬行,启动时造成冲击，换向时降低精度等。因此在设计液压缸时,必需考虑空气的排除.对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸,则需要设置排气装置,如排气塞或排气阀等,排气塞(阀)通常安装在液压缸的最高处,双作用液压缸应安装两个排气塞(阀).在系统开始工作前,先打开排气塞(阀),让活塞全行程空载往复数次(高压系统应将压力降至0.51MPa),把空气排净后,再将排气塞(阀)拧紧关闭.一般地,阀体材料为30或45碳素钢;针阀材料为不锈钢3Cr13;锥部热处理至硬度3844HRC.液压缸带动工作部件运动时,因运动件的质量较大,运动速度较高,则在到达行程终点时,会产生液压冲击,甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞.造成液压冲击和噪声,甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件的损坏,为防止这种现象的发生,因此,在大型高速或要求较高的液压缸中,往往在行程末端设置缓冲装置.缓冲装置的结构形式很多，但工作原理都是当活塞行程快到终点而接近缸盖时,增大液压缸回油阻力,使回油腔中产生足够大的缓冲压力,使活塞减速,从而防止活塞撞击缸盖.此次设计选用的是固定式恒节流面积.它的工作原理是:当活塞移进缸盖时,活塞上的凸台进入缸盖的凹腔,将封闭在回油腔的油液从凸台和凹腔之间的环状缝隙中挤压出去,使回油腔中压力升高而形成缓冲压力,从而使活塞减慢了移动速度。这样做能使液压缸的结构简单化,有利于加工,降低液压缸的成本,而且缓冲的效果较好。 缸体 排气阀 图3-4 排气装置3.4.2选择液压元件1液压泵的选择（1） 液压泵工作压力的确定考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失,所以泵的工作压力为: （3-6）式中 Pp液压泵最大工作压力，P1是液压执行元件中的最高工作压力，是泵到执行元件间的总的管路损失，初算时简单系统可取0.20.5MPa, 复杂系统可取0.51.5MPa,在此取=0.5MPa；故液压泵的工作压力为： Pp= P1+=25.5（MPa）上述计算所得的p是系统的静态压力,考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力.另外考虑到一定的压力储备量,并确保泵的寿命,因此选泵的额定压力应满足pn(1.251.6)Pp,中底压取小值,高压系统取大值.本次设计中取pn=1.6Pp=31.875MPa.（2） 液压泵流量的确定：液压泵的最大流量应为 式中 qp-液压泵的最大流量-同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。 KL-系统泄漏系数,一般取KL=1.11.3,现取液压泵的泄漏系数K=1.2。求得液压泵流量为： 334.4 L/min（3） 选择液压泵的规格根据以上算得的和qp,再查阅有关手册,现选用柱塞泵，型号ZBN-H55。技术规格：排量：0.3650ml/r；额定压力：25MPa ；驱动功率：47KW；转速范围：3004000r/min。生产厂家:榆次液压元件厂按意大利埃托斯公司技术生产。2 电动机功率的确定打包机在打包的整个工作过程中，压力是不断变化的，所需要的功率变化很大，为满足整个工作工程的需要，按最大功率段来确定液压系统油泵电动机的功率。当截割部阻力达到所测结果最大时，升降缸、牵引部和截割部的压力均达到最大值，此时泵压力达到最大；由前述所知泵的供油额定压力为：32Mpa，泵的流量为： ，取泵的总效率那么泵的驱动功率为：查电动机样本；选型号为Y250-2电动机；额定功率 ；额定转速为1500r/min。3 阀类元件及辅助元件（1） 液压阀的选择液压阀是用来控制液压系统中油液的流动方向或调节其压力和流量的，因此它可以分为方向阀、压力阀和流量阀三大类。一个形状相同的阀，可以因为作用机制不同，具有不同的功能。压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制着系统的压力和流量，而方向阀则利用通流通道的更换控制着油液的流动方向。也就是说，尽管液压阀存在着各种各样的类型，它们之间还保留着一些基本共同之处，例如：在结构上，所有的阀都由阀体、阀心（座阀或滑阀）和驱动阀心动作的元部件（如弹簧、电磁铁等）组成。在工作原理上，所有阀的开口大小，阀进，出口间的压差以及流过阀的流量之间的关系都符合孔口流量公式，仅是各种阀的控制参数不同而已。 液压系统中所用的阀有如下基本要求： 动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和震动小； 油液流过时压力损失小； 密封性能好； 结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大。阀的选择原理：1阀的规格根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有 20%以内的短时间过流量。2阀的型式 按照安装和操作方式选择。在本系统中工作压力16Mpa左右，所以液压阀选中、高压阀。所选阀的规格如下：（1）齿轮泵相连的溢流阀的选择：型号：YFDL32H3，通径10mm，流量：350ml/min，调压范围:7-21MPa;生产厂家：上海液压件。（2）流量控制阀的选择： 选择流量控制阀时主要依据的是流量阀所在的最大工作压力和通过该阀的最大流量。同时，还要考虑流量的调节范围、流量压力特性、最小稳定流量。单向阀5的选择：型号：DFB10H3，通径：10mm，流量：240ml /min，生产厂家：榆次液压元件厂。调速阀10和13的选择：型号：QAEF6/16D，最高压力：21MPa，推荐流量：245ml/min，调节范围：21-31.5MPa，生产厂家：保定液压集团公司。单向调速阀12的选择：型号：2FRM，通径：10mm，流量：250mL /min，生产厂家：上海液压元件二厂。（3）方向控制阀的选择： 选择方向控制阀时，主要依据方向阀所在油路的最大工作压力和通过该阀的最大流量，此外，还应考虑到方向阀的特点、换向频率响应时间、操纵方式、阀口压力损失大小以及阀内卸漏的大小等。二位二通电磁换向阀11的选择：型号：2263B，压力：21MPa，流量：100L /min，生产厂家：榆次液压元件厂。三位四通电磁换向阀7、8、9的选择：型号：DG5V-7-8-T-D，最高压力：21Pa，流量：380mL/min，通径：10mm，生产厂家：榆次液压元件厂。（4）滤油器1的选择： 滤油器装在液压泵吸油管路上，用以保护液压泵。型号：WU250F，压力：25MPa，流量：350mL/min，通径：15mm，过滤精度：100um，生产厂家：天津滤油器厂。（5）压力继电器的选择： 型号：1PDH6LY2，通径：6mm，压力调整范围：420MPa，灵敏度：1.5MPa，通断调节区间：312MPa，外泄量：0.15ml/min，生产厂家：榆次液压元件厂。（6）压力表开关的选择： 压力表用来测量液压系统的压力。型号：KF3E3B，使用压力：16MPa，生产厂家：高行液压元件厂。4 管道尺寸的确定管道内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定,也可按管路允许流速进行计算.本系统主油路流量为 差动时流量q=L/min,压油管的允许流速取v=m/s,则内径d为 （3-7）式中 通过管道的内的流量v管内允许的流速 为了方便联接管道内径由管接头确定管接头选用JB/ZQ4203-86锥密封焊接端直通圈柱管螺纹管接头管外径为10mm和GB5625-1-85扩口式端直通管接头管外径为10mm材料为钢丝编织胶管通径10,二层钢丝,工作压力25MPa ,最小弯曲半径160.5 液压油箱容积的确定在中高压或高压大功率系统中(P6.3MPa),可取V=(612)Pp.其中 V- 有效容量, Pp-液压泵额定流量。现选用容量为3000L的油箱。3.4.3液压系统的性能验算3.4.3.1发热温升的估算本系统属中高压系统，无迅速起动、制动要求，在设计中已考虑了防冲击、可调环节及相关的防冲措施，故不必进行冲击验算。仅做发热温升验算。能耗和温升已成为诱发各种故障的重要潜在原因，虽然曾进行了能耗控制设计，但完成各设计步骤汇总成整体液压系统后，发热和温升估算仍需进行，以便修改方案采取进一步提高效率的措施或判定是否加设专门的强迫冷却装置等。系统发热主要是由泵及液动机能量转换中的功率损失和系统的压力和溢流、泄漏等流量损失所造成的。工进在整个工作循环中所占的时间比例较大，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量，一般情况下，工进速度大时发热量大。工进时=60.3 此时泵的效率为0.85 泵的出口压力为25 MPa=15KW （3-8） （3-9）则功率损失= （3-10）由此可见工进时的功率损失为最大,发热也为最大.假定系统的散热状况一般,取 油箱的散热面积为: V-油箱的容积.即V=2500L系统温升为:即满足要求。第4章 PLC控制系统设计PLC的优点：使用范围广、维护方便、速度快、休积小；具有逻辑、顺序、定时、计数、运算等能很容易地达到人们所期望的目标。4.1 PLC控制器的选择控制系统采用PLC的控制方式，取代原来的继电器控制方式。PLC的主要特点为：可靠性高。PLC的MTBF一般在4000050000h以上，有的在1020万h，且均有完善的自诊断功能。结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。功能强大。编程方便，控制具有极大灵活性。适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。安装简单、维修方便。系统设计、调试周期短。与DCS相比，价格低、性价比高。当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。主要类型有：西门子、三菱、欧姆龙本次设计拟采用日本三菱公司FX2系列的PLC，其优点如下：系统配置既固定又灵活，编程简单，备有可自由选择、丰富的品种，令人放心的高性能、高速运算，外部机器通讯简单化以及共同的外部设备。且PLC控制液压系统具有高可靠性且控制精确、稳定。其具有很强的数学运算功能。输人信号直接将按钮、行程开关、压力继电器等各种信号触点接到对应的PLC输人点上；输出为继电器方式，将功率元件电磁铁接在输出端。继电器组成具有一定逻辑关系的网络，控制数个电磁铁按一定的顺序通断，从而控制液压系统动作。4.2 系统控制要求系统控制的要求是利用PLC来实现对油压操纵系统的控制，从而驱动伺服油缸，实现液压阀的准确动作。分析油压操纵系统原理图后可知，具体的控制要求为：启动主机液压电机；用逻辑锥阀控制系统工作和非工作时段，工作时，多余的流量通过溢流阀流回油箱，非工作时，逻辑锥阀打开，通过锥阀流回油箱，降低功率损耗同时也降低温升。油压系统中设有压力继电器和时间继电器，压力继电器用来保持系统压力在允许的压力范围，当压力达到限定范围时，触发时间继电器，实现对系统的保压延时；三位四通阀上的电磁阀1、2、3、4、6、7的通电和断电来控制油液的流向，控制各液压油缸的运动；二位二通阀上的电磁阀7的通电和断电来控制油液的流速，控制主液压油缸进给运动的速度。系统中要有必要的限位保护。系统中要有必须的状态指示。 4.3 I/O点数的确定 根据油压操纵系统和系统控制要求，可以确定系统输入和输出设备的数量。（1）输入设备的数量齿轮泵的启动和停止按钮各1个，液压电机的控制按钮1个，因此，共需要开关输入3点。自动操作方式启动按钮1个，需要开关输入1点油路中的压力继电器1个，需要开关输入1点。压缩金属块的行程开关1个，主缸、上辅缸的左右限位开关各1个，共需要开关输入3点；下辅缸的上下限位开关各1个，共需要开关输入2点。因此，总共需要开关量输入10点。（）输出设备的数量
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