折弯机液压系统设计讲解

1、 第 1 章 任务分析 1.1 技术要求设计制造一台立式板料折弯机， 该机压头的上下运动用液压传动， 其工作循环为： 快速下降、慢速加压（折弯） 、快速退回。给定条件为： 折弯力 1000000N 滑块重量 15000N 快速下降速度 23mm/s 慢速加压（折弯）速度 12mm/s 快速上升速度 53mm/s 快速下降行程 180mm 慢速加压（折弯）行程 20mm 快速上升行程 200mm1.2任务分析 根据滑块重量为 15000N，为了防止滑块受重力下滑，可用液压方式平衡滑块重量， 滑块导轨的摩擦力可以忽略不计。 设计液压缸的启动、 制动时间为t=0.2s。 折弯机 滑块上下为直线往复运

2、动，且行程较小（200mm）,故可选单杆液压缸作执行器,且 液压缸的机械效率cm=0.91。 因为板料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。各个阶段的转换由一个三位四通的电液换向阀控制。当电 液换向阀工作在左位时实现快速回程。 中位时实现液压泵的卸荷， 工作在右位时实现 液压泵的快速和工进。 其工进速度由一个调速阀来控制。 快进和工进之间的转换由行 程开关控制。 折弯机快速下降时， 要求其速度较快， 减少空行程时间， 液压泵采用全 压式供油。 其活塞运动行程由一个行程阀来控制。 当活塞以恒定的速度移动到一定位 置时， 行程阀接受到信号， 并产生动作， 实现由快

3、进到工进的转换。 当活塞移动到终 止阶段时， 压力继电器接受到信号， 使电液换向阀换向。由于折弯机压力比较大， 所 以此时进油腔的压力比较大，所以在由工进到快速回程阶段须要一个预先卸压回路， 以防在高压冲击液压元件， 并可使油路卸荷平稳。 所以在快速回程的油路上可设计一 个预先卸压回路， 回路的卸荷快慢用一个节流阀来调节， 此时换向阀处于中位。 当卸 压到一定压力大小时， 换向阀再换到左位， 实现平稳卸荷。 为了对油路压力进行监控， 在液压泵出口安装一个压力表和溢流阀， 同时也对系统起过载保护作用。 因为滑块受 自身重力作用， 滑快要产生下滑运动。 所以油路要设计一个液控单向阀， 以构成一个

4、平衡回路， 产生一定大小的背压力， 同时也使工进过程平稳。 在液压力泵的出油口设 计一个单向阀，可防止油压对液压泵的冲击，对泵起到保护作用。 第 2 章 负载与运动分析2.1 运动情况分析 由折弯机的工作情况来看，其外负载和工作速度随着时间是不断变化的。所以设 计液压回路时必须满足随负载和执行元件的速度不断变化的要求。 因此可以选用变压 式节流调速回路和容积式调速回路两种方式。 2.1.1 变压式节流调速回路 节流调速的工作原理，是通过改变回路中流量控制元件通流面积的大小来控制流 入执行元件或自执行元件流出的流量来调节其速度。 变压式节流调速的工作压力随负 载而变， 节流阀调节排回油箱的流量，

5、 从而对流入液压缸的的流量进行控制。 其缺点： 液压泵的损失对液压缸的工作速度有很大的影响。 其机械特性较软， 当负载增大到某 值时候，活塞会停止运动，低速时泵承载能力很差，变载下的运动平稳性都比较差， 可使用比例阀、 伺服阀等来调节其性能， 但装置复杂、 价格较贵。 优点： 在主油箱内， 节流损失和发热量都比较小，且效率较高。宜在速度高、负载较大，负载变化不大、对平稳性要求不高的场合。 2.1.2容积调速回路 容积调速回路的工作原理是通过改变回路中变量泵或马达的排量来改变执行元 件的运动速度。优点：在此回路中，液压泵输出的油液直接进入执行元件中，没有溢 流损失和节流损失，而且工作压力随负载的

6、变化而变化，因此效率高、发热量小。当 加大液压缸的有效工作面积，减小泵的泄露，都可以提高回路的速度刚性。 综合以上两种方案的优缺点比较，泵缸开式容积调速回路和变压式节流调回路相 比较，其速度刚性和承载能力都比好，调速范围也比较宽，工作效率更高，而发热却 是最小的。 考虑到最大折弯力为 106N， 数值比较大， 故选用泵缸开式容积调速回路。 2.2 液压缸外负载力分析计算 要求设计的板料折弯机实现的工作循环是： 快速下降 工作下压(折弯) 快 速回程 停止。 主要性能参数与性能要求如下：折弯力 F=1000000N;板料折弯机的滑块重量G=1000000N;快速空载下降速度=23mm/s;工作下

7、压速度=12mm/s；快速回程速度 =53mm/s； 板料折弯机快速空载下降行程 =180mm；板料折弯机工作下压行程 =20mm； 板料折弯机快速回程 =200mm；启动制动时间t=0.2s；液压系统执行元件选为液压缸。 液压缸采用 V 型密封圈，其机械效率=0.91。快速下降，启动加速： (/t 为下行平均加速度,m/ )均速时外负载为 0N慢速折弯 折弯时压头上的工作负载可分为两个阶段：初压阶段，负载力缓慢的线性增加， 越达到最大折弯力的 5%，其行程为 15mm；终压阶段，负载力急剧增加到最大折弯 力，上升规律近似于线性，行程为 5mm。 初压阶段： %=50000N终压阶段： 快速回

8、程 启动阶段： （/t 为回程平均加速度，m/)等速阶段： F=G=15000N 制动阶段： 表 2.1 液压缸在各工作阶段的负载值(单位:N)工况 负载值 F 起动，加速 176匀速 0折弯初压 50000 折弯终压 1000000快速回程启动 15405 快速回程等速15000 快速回程制动 14595 注：液压缸的机械效率取 cm=0.912.3 负载图和速度图的绘制 折弯机各工况持续时间 快速下行： 慢速折弯：初压阶段 终压阶段 快速回程： 根据以上分析与计算数据处理可绘出液压缸的 Ft 图和 vt 图 3.1： 图 2.1 折弯机液压缸的 F t 图和 vt 图 2.4 本章小结 本

9、章分析了折弯机各个过程的外负载和流速， 并对液压回路的形式做了选择， 对折弯机三个工作阶段做了定量的数据分析，并提供了折弯机液压缸的 Ft 图和 vt 图。 第 3章 液压缸主要参数的确定3.1 确定液压缸的主要尺寸 根据 液压设计简明手册 10 页表 21， 预选液压缸的设计压力 P1=23MPa。 将液 压缸的无杆腔作为主工作腔，考虑到液压缸下行时，滑块的自重采用液压方式平衡， 则可计算出液压缸无杆腔的有效面积，取液压缸的机械效率cm=0.91 则可计算出 液压缸无杆腔的有效面积： =液压缸内径（活塞杆直径） 根据液压设计简明手册1 1页表 2.4 ,将液压缸内经圆整为标准值D=250mm

10、=25cm。根据快速下行与快速上升的速度比确定活塞杆直径 d 由于 故活塞杆直径 d=0.752D=0.752250=188mm 根据液压设计简明手册1 1 页表 25，取标准值为 d=180mm=18cm从而可计算得 液压缸无杆腔的实际有效面积为： 液压缸有杆腔的实际有效面积为： 3.2 液压缸工况 工作循环中各阶段的功率计算如下： A.快速下降阶段： 启动时 =39421 128.43=4.45w 恒速时 B.慢速加压阶段： 初压时 终压时， 行程有只 5mm，持续时间仅 =0.417s压力和流量变化情况较复杂， 故作 如下处理： 压力由 1.12MPa 增至 22.4MPa，其变化可近似

11、用线性函数 p（t）表示即 （3.1）流量由 588.75 /s 减小为零，其变化为零，其变化规律可近似用线性函数 q（t） 表示即 （3.2）上两式中，t 为终压阶段持续时间，取值范围 00.417s 从而得到此阶段功率方程 P= = 588.75 （3.3）这是一个开口向下的抛物线方程令=0可求得极值点 t=0.197s 此处的最大功率为： =588.75（1.12+51.03） =3466.63w=3.467KW 而 t=0.917s 处的压力和流量可由式（4.1）和式（4.2）算得： =1.12+51.030.197=1 1.17MPa =588.75（10.197/0.417） =3

12、10.61/s=18.64L/minC.快速回程阶段： 启动时 =236.2855.3=1252.3 /s=75.138L/min =0.711252.3W=889w=0.899KW 恒速时 =1252.3 /s=75.138L/min =0.691252.3W=864W=0.864KW 制动时 =1252.3 /s=75.138L/min =0.671252.3 W=839.04W=0.839KW 无杆腔实际有效面积 490.625有杆腔实际有效面积 236.285液压缸在工作循环中各阶段的负载和流量计算 见表 3.1： 表 3.1 各阶段的压力和流量工 作 阶 段 计算公式 负载说明快速下

13、降 启动176;为下行平均价速度，m/ 由于忽略滑块导轨摩擦力，故快速下降等速时外 负载为 0折弯时压头上的工作负载可分为两个阶段：初压 阶段，负载力缓慢的线性增加，越达到最大折弯力 的 5%,其行程为 15mm； 终压阶段， 负载力急剧增加到最大折弯力， 上升规律近似于线性， 行程为 5mm。；为回程平均加速度，m/等速0慢速折弯初压=5% 50000终压=1000000快速回程 启动15405等速 F=G 15000 制动 14595液压缸在工作循环中各阶段的功率计算见表 4.2： 表 3.2 工作循环中各阶段快 速 下 降启动=39421128.43=4.45w 恒速工 作 下 压 折

14、弯初压=1.12=659.4w终压 =588.75=3.467w快 速回 程 启动=恒速 制动 根据以上分析与计算数据处理可绘出液压缸的工况图 3.1： 图 3.1 液压缸的工况图3.3 本章小结 本章主要计算出了液压缸的各个主体尺寸，并分析了液压缸各个阶段的工作状 况，拟定了液压缸的工况图。 第 4章 液压系统图的拟定 4.1 制定基本方案 考虑到液压机工作时所需功率较大，固采用容积调速方式； ( 1） 为满足速度的有极变化， 采用压力补偿变量液压泵供油， 即在快速下降的时 候， 液压泵以全流量供油。 当转化成慢速加压压制时， 泵的流量减小， 最后流量为 0； (2)当液压缸反向回程时， 泵

15、的流量恢复为全流量供油。 液压缸的运动方向采用 三位四通电液换向阀和二位二通电磁换向阀控制。停机时三位四通换向阀处于中位， 使液压泵卸荷； (3) 为了防止压力头在下降过程中因自重而出现速度失控的现象， 在液压缸有杆腔回路上设置一个单向阀；(4)为了压制时保压， 在无杆腔进油路上和有杆腔回油路上设置一个液控单向阀； （5） 为了使液压缸下降过程中压力头由于自重使下降速度越来越快， 在三位四通 换向阀处于右位时， 回油路口应设置一个溢流阀作背压阀使回油路有压力而不至于使 速度失控；（6） 为了使系统工作时压力恒定， 在泵的出口设置一个溢流阀， 来调定系统压力,由于本机采用接近开关控制，利用接近开

16、关来切换换向阀的开与关以实行自动控制； （7） 为使液压缸在压制时不至于压力过大，设置一个压力继电器， 利用压力继电器控制最大压力，当压力达到调定压力时， 压力继电器发出电信号,控制电磁阀实现保压。综上的折弯机液压系统原理如下图： 1-变量泵 2-溢流阀 3-压力表及其开关 4-单向阀 5-三位四通电液换向阀 6-单向顺序阀 7-液压缸 8-过滤器 9-行程阀 10-调速阀 1 1-单向阀 12-压力继电器 图 4.1 折弯机液压系统原理图 4.2 折弯机工作原理 因为板料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。 各个阶段的转换由一个三位四通的电液换向阀控制。

17、当电液换向阀工作在左位时实现 快速回程。 中位时实现液压泵的卸荷， 工作在右位时实现液压泵的快速和工进。 其工 进速度由一个调速阀来控制。 快进和工进之间的转换由行程开关控制。 折弯机快速下 降时，要求其速度较快，减少空行程时间，液压泵采用全压式供油。其活塞运动行程 由一个行程阀来控制。当活塞以恒定的速度移动到一定位置时，行程阀接受到信号， 并产生动作， 实现由快进到工进的转换。 当活塞移动到终止阶段时， 压力继电器接受 到信号， 使电液换向阀换向。 由于折弯机压力比较大， 所以此时进油腔的压力比较大， 所以在由工进到快速回程阶段须要一个预先卸压回路， 以防在高压冲击液压元件， 并 可使油路卸

18、荷平稳。 所以在快速回程的油路上可设计一个预先卸压回路， 回路的卸荷 快慢用一个节流阀来调节， 此时换向阀处于中位。 当卸压到一定压力大小时， 换向阀再换到左位， 实现平稳卸荷。 为了对油路压力进行监控， 在液压泵出口安装一个压力 表和溢流阀， 同时也对系统起过载保护作用。 因为滑块受自身重力作用， 滑快要产生 下滑运动。 所以油路要设计一个液控单向阀， 以构成一个平衡回路， 产生一定大小的 背压力， 同时也使工进过程平稳。 在液压力泵的出油口设计一个单向阀， 可防止油压 对液压泵的冲击，对泵起到保护作用。 4.3 本章小结本章主要制定了液压系统的系统图， 分析了每个工作过程所需的液压元件，

19、及其 工作原理，最后绘制了液压系统图。 第 5 章 液压元件的选择 5.1 液压泵的选择由液压缸的工况图，可以看出液压缸的最高工作压力出现在加压压制阶段时 p1=22.4MPa，此时液压缸的输入流量极小，且进油路元件较少故泵到液压缸的进油压 力损失估计取为 0.5MPa。所以算得泵的最高工作压力 Pp 为： Pp=22.4+0.5=22.9MPa 液压泵的最大供油量 按液压缸最大输入流量（75.138L/min)计算，取泄漏系 数 K=1.1,则： =1.175.138L/min=82.65L/min 根据以上计算结果与所需流量，拟初选限压式变量液压泵的转速为 n=1500r/min，暂取泵的

20、容积效率v=0.90，根据液压传动系统设计与使用P30 237 式 ()可算得泵的排量参考值为： 根据以上结果查阅产品样本， 选用规格相近的 63YCY141B 斜盘式压力补偿变量型轴 向柱塞泵，其额定压力 =32MPa，排量 V=63mL/r，额定转速 n=1500r/min，容积效率v=0.92。其额定流量为： =6315000.92=86.9499L/min,符合系统对流量的要求。 根据工况图可知， 最大功率出现在终压阶段 t=0.197s 时， 由此时的液压缸工作压力和 流量可算得此时液压泵的最大理论功率： 由液压传动系统设计与使用P31 表 212 查得，取泵的综效率为=0.85，则

21、算得液压泵驱动功率为： 由 液压传动系统设计与使用 P31 表 213 查得选用个规格相近的 Y132S4 型封闭式 三相异步电动机，其额定功率为5.5KW，额定转速为1440r/min。按所选电动机转速和液压泵的排量,液压泵的最大实际流量为： =1440630.92=83.46（L/min） 大于计算所需流量 82.65L/min，满足使用要求。 5.2 阀类元件及辅助元件根据阀类元件及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流 量可选出这些液压元件的型号及规格，结果见表 5.1。 表 5.1 液压元件的型号及规格序号 元件名称额 定 压 力 /额 定 流 量 /L /min 型

22、号及规格 说明 1斜盘式轴向柱塞泵3263ml/r (排量)63YCY11B额定转速 150 0r/m in 驱动电机功率为 5.5KW2溢流阀 35250 DB10通径为 10m m 3压力表开关40AF6EP30/Y400通径为 6m m4单向阀 31.5120S15P 通径为 15m m5三位四通电液换向 阀 281604WEH10G 通径为 10m m6单向顺序阀31.5150 DZ10 通径为 10m m7液压缸 自行设计 8过滤器0.02压力损失100XU-10080J通径为 32m m5.3 油箱的设计液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。 液压油

23、箱的有效容积 V 可概略的定为： V=(612)式中 V液压油箱有效容量； 液压泵额定流量。取： V=10 V=1086.9499=869.499L 应当注意： 设备停止运转后， 设备中的那部分分油液会因重力作用而流回液压油箱为了防止液压油从油箱溢出 油箱中的液压油位不能太高，一般不超过液压油箱高度的 80% 869.4990.8=1086.873L 按 JB/T79381999 取标准值 V=1250L5.3.1 油箱的长宽高确定 因为油箱的宽、高、长的比例范围是 1：1：11：2：3，此处选择比例是 1：1.5：2 由此可算出油箱的宽、长、高大约分别是 1600MM,1100MM,770M

24、M。并选择开式油 箱中的分离式油箱设计。 其优点是维修调试方便， 减少了液压油的温升和液压泵的振动对机械工作性能的影响；其缺点是占地面积较大。 由于系统比较简单，回路较短，各种元件较少，所以预估回路中各种元件和管道 所占的油液体积为 0.6L。 因为推杆总行程为 200mm， 无杆腔的有效面积为 490.625 L油液高度为： 选取隔板高度为 70cm。钢板厚度为 4mm 当液压缸中油液注满时，此时油箱中的液体体积达到最小为：867L 则油箱中油液的高度为：70cm 由此可以得出油液体下降高度很小，因此选取隔板的高度为 70cm,选用一块隔板。此 分离式油箱采用普通钢板焊接而成，参照书上取钢板

25、的厚度为：t=4mm。为了易于散 热和便于对油箱进行搬移及维护保养，取箱底离地的距离为 200mm。 故可知，油箱的总长总宽总高为：长为： =+= 1600 +24 = 1608mm宽为： 高为： 5.3.2 油箱地面倾斜度 为了更好的清洗油箱，将泄油口置于油箱底部，故取油箱底面倾斜度为：05.4 吸油管和过滤器之间管接头的选择 在此选用卡套式软管接头 查机械设计手册4表 23.966 得其连接尺寸如下表： 表 5.2 管接头连接尺寸表公称压 力管子 内径 mmmm mm卡套式管接头 mm公称尺寸 极限偏差G(25) 22 18.5 25 0.105 38 22 5.5 过滤器的选取 取过滤器

26、的流量至少是泵流量的两倍的原则， 取过滤器的流 量为泵流量的 2.5 倍。故有： 查中国机械设计大典表 42.77 得，先取通用型 SYW 系列网式吸油中过滤器： 表 5.3 过滤器参数尺寸表 型号 通径 mm 公称流量 过滤精度 SYW 0101502501005.6 堵塞的选取考虑到钢板厚度只有 4mm，加工螺纹孔不能太大，查中国机械设计大典表 42.7178 选取外六角螺塞作为堵塞，详细尺寸见下表： 表 5.4 堵塞参数尺寸表dd1De slhbb1Rc重量基本尺寸极限偏差10.22215130-0.244123311.00.0325.7 空气过滤器的选取 按照空气过滤器的流量至少为液压

27、泵额定流量 2 倍的原则，即： 选用 EF 系列液压空气过滤器，参照机械设计手册 表 23.895 得， 将其主要参数列 于下表： 表 5.5 液压空气过滤器参数表 5.8 液位/温度计的选取选取 YWZ 系列液位液温计，参照 机械设计手册 表 23.898 选用 YWZ150T 型。 考虑到钢板的刚度，将其按在偏左边的地方。5.9 本章小结本章主要说明了各个液压元件的选择， 及其各项参数的选取， 并设计计算出了油 箱的各个尺寸数据。 第 6 章 液压系统性能的运算 6.1 压力损失和调定压力的确定 由上述计算可知，工进时油液流动速度较小，通过的流量为 35.325L/min,主要压力损失为阀

28、件两端的压降可以省略不计。快进时液压杆的速度： 此时油液在进油管的速度： 6.1.1 沿程压力损失 沿程压力损失首先要判断管中的流动状态，此系统采用 N32 号液压油，室温为 20 度时 。所以有： 油液在管中的流动状态为层流，则阻力损失系数： 若取进油和回油的管路长均为 2m，油液的密度为，则进油路上的沿程压力损失为： 6.1.2 局部压力损失 局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，由于管道安装和管接头的压力损失一般取沿程压力损失的 10%， 而通过液压阀的局部 压 力 损 失 则 与 通 过 阀 的 流 量 大 小 有 关 ，若 阀 的 额 定 流 量 和

29、额 定 压 力 损 失 分 别 为和,则当通过阀的流量为 q 时的阀的压力损失 ，由： 算得： ;小于原估算值 0.5MPa,所以是安全的。同理快进时回油路上的流量： ;则回油管路中的速度： ;由此可以计算出： （4482320,所以为层流） 所以回油路上的沿程压力损失为： 由上面的计算所得求出总的压力损失： 这与估算值有差异，应该计算出结果来确定系统中的压力阀的调定值。6.1.3 压力阀的调定值计算 由于液压泵的流量大， 在工进泵要卸荷， 则在系统中卸荷阀的调定值应该满足快 进时要求，因此卸荷阀的调定值应大于快进时的供油压力： 所以卸荷阀的调定压力值应该取 3MPa 为好。 溢流阀的调定压力

30、值应大于卸荷阀的调 定压力值 0.30.5MPa，所以取溢流阀的调定压力值为 3.5MPa。背压阀的调定压力以 平衡板料折变机的自重，即 6.2 油液温升的计算 在整个工作循环中， 工进和快进快退所占的时间相差不大， 所以， 系统的发热和 油液温升可用一个循环的情况来计算。 在整个工作循环中， 工进和快进快退所占的时间相差不大， 所以， 系统的发热和油液温升可用一个循环的情况来计算。 6.2.1 快进时液压系统的发热量 快进时液压缸的有效功率为： 泵的输出功率为： 因此快进液压系统的发热量为： 6.2.2 快退时液压缸的发热量 快退时液压缸的有效功率为： 泵的输出功率为： 快退时液压系统的发热

31、量为： 6.2.3 压制时液压缸的发热量压制时液压缸的有效功率为： 泵的输出功率： 因此压制时液压系统的发热量为： 总的发热量为: 按教材公式求出油液温升近似值： 温升没有超出允许范围，液压系统中不需要设置冷却器.6.3 油箱的设计 由前面计算得出油箱的容积为 1250L。6.3.1 系统发热量的计算 在液压系统中，损失都变成热量散发出来。发热量已在油温验算时计算出，所以 H=8.83253KW6.3.2 散热量的计算当忽略系统中其他地方的散热， 只考虑油箱散热时， 显然系统的总发热功率 H 全部由油箱来考虑。这时油箱散热面积 A 的计算公式为 式中 A油箱的散热面积（) H油箱需要的散热功率

32、（W） 油温（一般以 55 考虑）与周围环境温度的温差 K散热系数。 与油箱周围通风条件的好坏而不同， 通风很差时 K=89； 良好时 K=1517.5；风扇强行冷却时 K=2023；强迫水冷时 K=1 10175。 所以油箱散热面积 A 为： 6.4 本章小结本章主要计算了液压系统的性能， 计算出各项压力损失和各个工作循环中的发热量和散热量。 设计小结 在这段时间里， 在老师耐心指导下， 使我对大学期间所学课程有了更深的理解， 更深入了对专业知识的了解。 通过这次关于液压的设计，我更加了解了液压系统的结构和设计、分析以及液压在现实生活中的应用。 我主要设计的是折弯机液压系统，接到课题后，感觉有些迷茫不知从哪里着手,主要是运用各类手册、 产品样本来完成设计。 在设计中遇到了诸多的问题， 通过解决这些问题， 使我对液压系统有了更加深入的了解， 同时也发现我对液压系统掌握的远远不够，这促使我以后还要更加努力地学习来不断完善自己。 在这次设计中我完成了老师交给的任务，但是因为自己缺乏这方面的实际经验,设计中还存在着很多的不足之处， 希望各位老师给予批评和指正,以便我将来在实际工作中能够更好地完成任务。 参考文献 1 杨培元， 朱福元 液压系统设计简明手册M 北京： 机械工业出版社，1999，1191. 2 吴宗泽，罗圣国机械设计课