折弯机液压系统设计

1、折弯机液压系统设计立式板料折弯机是机械、电气、液压三者紧密联系,结合的一个综合体.液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式,液压传动系统的设计在现 代机械的设计工作中占有重要的地位.因此,?液压传动?课程是工科机械类各 专业都开设的一门重要课程.它既是一门理论课,也与生产实际有着密切的联系. 为了学好这样一门重要课程,除了在教学中系统讲授以外,还应设置课程设计教 学环节,使学生理论联系实际,掌握液压传动系统设计的技能和方法.液压传动课程设计的目的主要有以下儿点：1、综合运用液压传动课程及其他有关先修课程的理论知识和生产实际只 是,进行液压传动设计实践,是理论知识和生产实践机密结合起来,从

2、而使这些 知识得到进一步的稳固、加深提升和扩展.2、在设计实践中学习和掌握通用液压元件,尤其是各类标准元件的选用原 那么和回路的组合方法,培养设计技能,提升学生分析和嫁接生产实际问题的水平, 为今后的设计工作打下度好的根底.3、通过设计,学生应在计算、绘图、运用和熟悉设计资料包括设计手册、 产品样本、标准和标准以及进行估算方面得到实际练习.摘要1任务分析11.1技术要求11.2任务分析12方案确实定22.1运动情况分析22.1.1 变压式节流调速回2 2.1.2容积调速回路23负载与运动分析34负载图和速度图的绘制45液压缸主要参数确实定56统液压图的拟定87压元件的选择107.1液压泵的选择

3、107.2阀类元件及辅助元107.3油管元件117.4油箱的容积计算127.5油箱的长宽高确127.6油箱地面倾斜度137.7吸油管和过滤器之间管接头的选137.8过滤器的选取137.9堵塞的选取147.10空气过滤器的选取147.11液位/温度计的选取148液压系统性能的运算158.1压力损失和调定压力确实定 158.1.1沿程压力损失158.1.2局部压力损失158.1.3压力阀的调定值计算168.2油液温升的计算 168.2.1快进时液压系统的发热量168.2.2快退时液压缸的发热量178.2.3压制时液压缸的发热量178.3油箱的设计178.3.2散热量的计算179参考文献181任务分

4、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1400000N滑块重量17000N快速空载下降 行程220mm速度 2.0m/min慢速下压折弯行程24mm快速回程行程244mm速度v32.6m/min1.2任务分析根据滑块重量为17000N,为了预防滑块受重力下滑,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 & = 0.2.折弯机滑块上下为直线往复运动,且行程较小220mm,故可选单 杆液压缸作执行器,且液压缸的机械效率么=0.93 °

5、由于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限制.当电液换向阙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 速阀来限制.快进和工进之间的转换由行程开关限制.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 行程阀来限制.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,使电液换向瓣换向.由于折弯机压力比拟大,所以此时进油腔的压力 比

6、拟大,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I阀来调节,此时换向阙处于中位.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.由于滑 块受自身重力作用,滑块要产生下滑运动.所以油路要设计一个液控单向阙,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,可预防油压对液压泵的冲击,对泵起到保护作用.2方案确实定2.1运动情况

7、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限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,从而对流入液压缸的的流量进行 限制.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,低速时泵承载水平很差,变载下的运动平稳性都比拟差,可使

8、用比例阙、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 量都比拟小,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 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,都可以提升回路的速度刚 性.综合以上两种方案的优缺点比拟,泵缸开式容积调速回路和变压式节流调回 路相比拟,其速度刚性和承载水平都比拟好,调速范围

9、也比拟宽工作效率更高, 发热却是最小的.考虑到最大折弯力为1400000N,应选泵缸开式容积调速回路.word3负载与运动分析要求设计的板料折弯机实现的工作循环是：快速下降一慢速下压折 弯一快速退回.主要性能参数与性能要求如下：折弯力F= 1400000板料折 弯机的滑块重量GE7000N；快速空载下降速度vmax = 2.0/n/nin =OO33/s,工作下压速度v2 =1.4/77/nin =0.0233/n/5 , 快速回程速度 v3 = 2.6/?/nin = 0.043?/s ,板料折弯机快速空载下降行程s】=220 = 0.22m , 板料折弯机工作下压行程s,= 24= 0.0

10、24？,板料折弯机快速回程： 53 =244mm=0.244m：启动制动时间A/=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ilm = 0.93 o由公式Fm =fn式中:m 工作部件总质量;/Xu一快进或快退速度；/运动的加速、减速时间 七沮啊,町旧扑匚 AvGAv170000.033.求碍惯性负载孔卜=m = x一 =x= 289N；1 ATg&9.80.2再求得阻力负载静摩擦阻力 % =0.2x17000 =3400N动摩擦阻力 Ffd =0.1x17000 =17S N表一液压缸在各工作阶段的负载值单位:N工况负载组成负载值F推力F/cm起动F=F

11、sf34003736加速F=Fld+Fm19892186快进F=FId17001868工进F=F/F14017001540330快退F=FId17001868注:液压缸的机械效率取S =0.934负载图和速度图的绘制负载图按上面数据绘制,如下列图所示.速度图按己知数值vmax=2.0m/min=0.33m/s, v2 =1.4m/min=0.23m/s, v3 =2.6m/nin =0.043?/s ,* = 220" = 0.22/7, s2 = 24nun = 0.024?快速回程方=244mm=0.244m(b)图一板料折弯机液压缸的负载图和速度图a负载图b速度图5液压缸主要参

12、数确实定由表11-2和表11-3可知,板料折弯机液压系统在最大负载约为154KN时 工作压力A=30MP".将液压缸的无杆腔作为主工作腔,考虑到缸下行时,滑块 自重采用液压方式平衡,那么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.max1540330一 0.91x30x1()6=0.056 m24XA Fmax液压缸内径:1540330 e=0.2/77? = 270V re m x /?(0.91x30x10按 GB/T2348-2001,取标准值 D=320mm=32cm根据快速下降与快速上升进的速度比确定活塞杆直径d:- = P -=还=2.3 = d

13、= 15.35cwV5 D2-J2 20 1取标准值d=16cm=160mm贝ij：无杆腔实际有效面积4 =Z>2 = Jx322 =803.8c/zr有杆腔实际有效面积A, =-(D2-J2) = -x (322 -162) = 603.2顷2 -445.1液压缸壁厚和外径的计算:液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算.按经验去30mm,液压缸缸简材料为无缝钢管,可液压缸的壁厚一般是指液压缸缸简结构中最薄处德厚度.一般计算可分为薄壁圆筒和厚 壁圆筒.根据课题所给参数,此液压缸系统应当属于中低压系统,如果根据薄壁来计算,所 得壁厚往往很小,就是强度满足不了要求,在切削加工中的变形、安装变形

14、等引起液压缸工 作过程卡死活漏油.因此一般不做计算, 用公式P、Dd> 2.式中：b .液压缸壁厚ni：D-液压缸内径m：Py-实验压力,一般取最大工作压力的1.25-1.5倍MPa：cr-缸简材料的许用应力.无缝钢管为100-110MPa；验证可得液压缸壁厚b > 33.2mm,故取35mni°5.2液压缸工作行程确定由课题所给行程参数220+24=244mm.并根据GB2349-80液压缸活塞行程参数系列可 得,最大行程L=250mmo 缸盖厚度确实定一般液压缸多为平底缸盖,起有效厚度t暗战强度要求可用下面两式进行近似计算. 无孔时12 0.4330、1有孔时t2 0

15、.433., PR式中：t缸盖有效厚度mD, 缸盖止口内径m d°缸盖孔的直径m5.3最小导向长度确实定当活塞杆全部外伸时,从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑而中点的距离H称之为最 小导向长度.如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度增大,影响液压缸的稳定性,因此 设计时必须保证有一定的最小导向长度.对于一般液压缸,最小导向长度H应满足以下条件：L DH Z120 2式中：L-液压缸的最大行程：D液压缸的内径o由课题参数计算的H> 172.5mm所以取最小导向长度H=180mm缸体长度确实定液压缸缸体内部长度应等于活塞行程一活塞的宽度之和.缸体外形长度还要考虑 到两端端盖的厚度,一般

16、液压缸缸体长度不应大于内径的20-30倍.液压缸在工作循环中各阶段的压力和流量计算见表5.1.表5.1各阶段的压力和流量工作阶段计算公式负载F/N工作腔压力 p/Pa输入流量/ L/min快速下降启 动Mm00等速186825538160.6工作下压 折弯F4一 . ;%一5 Aj7an154033021070000112.42 ->0快速回程启 动FE 一 1；%一'也倾37366810018680. 082xlO6156.8带动一20870.073 xlO6液压缸在工作循环中各阶段的功率计算见表5.2表5.2工作循环中各阶段的功率快速 下降启动R = 0恒速R = P0 =2

17、5538 X 160.6x10-3 = 4101W工作下压折弯P2 = p2q2 = 21070000 x 112.4x 10技=2368268 w a 2369 KW速程 快回启动R = /招3 =68000 x 156.8x 10-3 =10.66KW恒速P4 = p4q4 = 34000 xlOl .5xlO-3 = 3.45KW制动P5 = p 血=0.073 x 106 x 101.5 x 1 O'3 = 7409.5W = 7.41 KW根据以上分析与计算数据处理可绘出液压缸的工况图5.1：P/MPqq/L/piinI160.6112.42L/nm356.8£36

18、96系统液压图的拟定考虑到液压机工作时所需功率较大,故采用容积调速方式；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Y型电磁换向阙和二位二通电磁换向阀限制.停机时三位四通换向 阀处于中位,使液压泵卸荷；3为了预防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阙；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液压缸下降过程中压力头由于自重使下降速度越来越快

19、,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I阀,来调定系统压 力.由于本机采用接近开关限制,利用接近开关来切换换向阀的开与关以实行自 动限制；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 电器限制最大压力,当压力到达调定压力时,压力继电器发出电信号,限制电磁 阀实现保压；综上的折弯机液压系统原理如下列图：工作程序YA1YA2YA3快进+-+工进+-快退-+停止-电磁铁动作顺序表11折弯机液压系统原理1-变量泵2溢流阀3-压力表及其开关4三位四通电液换向阀5-单向顺序

20、阀 6液控单向阀7行程阀8调速阀9单向|阀10过滤器11液压缸12压力继电 器7液压元件的选择7.1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4 =21.07 MR/,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AP =0.5MR,.所以泵的最高工作压力 今=0.5 + 21.07 =21.57 MP“.液压泵的最大供油量按液压缸最大输入流量(160.6L/min)计算,取泄 漏系数 K=1.1,那么 , = 1.1 x 160.6 = 176.66L/ nin.根据以上计算结果查阅?机械设计手册?表23.5-44,选用规

21、格为A7V型斜 轴式轴向柱塞泵,其额定压力P=35MPa,排量为100mL/r,额定转速为2100r/min.由于液压缸在保压时输入功率最大,这时液压缸的工作压力为 21.07+0.5=21.57MPa,流量为 1.1x112.42 = 123.66L/min ,取泵的总效率 =0.85 那么液压泵的驱动电机所要的功率为P =也箜 =2】57兰123.66 =,6060x0.85根据此数据按JB/T9619-1999,选取Y225M-9型电动机,其额定功率 P = 60kw,额定转速2100r/min,按所选电动机的转速和液压泵的排量,液压泵 最大理论流量q, =nxV = 2100/7nin

22、x 100L/r = 210L/min ,大于计算所需的流量 176.66L/min,满足使用要求.7.2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7.1.表7.1液压元件的型号及规格序 号元件名称额定压力/Pa额定流量ml/r型号及规格说明1变量泵35100A7V额定转速2100r/min驱动电机功率为35KW2溢流阀调 压0.5-32160YF3-*-20B-C通径20mm3行程阀-YF3-*-20B-C4三位四通换向阀28160WEH10G通径10mm5单项顺序阀最大工 作压力32MPa160HCT0

23、6L10皿=160 乙/min 单向行程调速阀6节流阀-FBG-3-125-107单向阀开 启0.15MPa最大200S20A220通径20mm8压力继电器2. 5HED209调速阀2FRM10-217.3油管元件各元件间连接管道的规格按元件接口处尺寸决定,液压缸进、出油管那么按输 入、排出的最大流量计算,由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进出流 量已与已定数值不同,所以重新计算如表5.2,表中数值说明液压缸压制、快退速度七,七与设计要求相近,这说明所选液压泵的型号,规格是适宜的.流量速 度快进压制快退输入流 量L/minS =(A|X0p)/(A -冬)=803.8x123.66=19

24、5.5803.8 - 603.2= 112.420 =% = 156.8排出流 量L/min02 =(A2 x/)/A=603.2x195.5 r147 602 =(& X0)/A= 603.2x112.42 睥)q2 = (A? X%)/A】= 603.2x156.8 = 2()8 9803.8803.8603.2运动速 度m/minH =%/(/ f)=123.66x1 O'3“v2 =/ / A=112.42x10-31 4V3 =0"= 156.8x10-3 2 6(803.8 603.2)x1 CT, 一803.8x10-4603.2x10-4 *表5.2液

25、压缸在各个阶段的进出流量由表中数值可知,当油液在压力管中速度取5m/s时,按教材P177式(79)J =算得,液压缸进油路油管内径=2x95.5夕.=2&8mm；Vxv妃 V 仃x5x60液压缸回油路管内径4, = 2 x56*l°： = 15.5mm: x 5 x 60这两根油管选用参照?液压系统设计简明手册?,进油管的外径D=42mm,内 径d=36mm,回油路管的外径D=20mm,内径d=16mm.7.4油箱的容积计算容量V (单位为L)计算按教材式(7-8) : V=&q由于液压机是高压系统, = llo 所以油箱的容量 V =翎,=11 x 123.66 =

26、 1360.26 乙而 1360.26/0.8=1700.3.按JB/T7938-1999规定容积取标准值V = 1700L.7.5油箱的长宽高确定由于油箱的宽、高、长的比例范围是1： 12： 23,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800mm,1400mm,1600mmo并选择 开式油箱中的别离式油箱设计.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.由于系统比拟简单,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0.8L.由于推杆总行程为244mm,选取缸的内腔长度为 360mm o

27、忽略推杆所占的体积,那么液压缸的体积为：% = A,L = 803.8 xl0-*x 360 xl03 = 0.0289麻=28.9L当液压缸中油液注满时,此时油箱中的液体体积到达最小为：V油响=1700 28.90.8 = 1670L那么油箱中油液的高度为：H, = 1670 x 1000 /(160 xl40) = 75cm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75cm,并选用两块隔 板.此别离式油箱采用普通钢板焊接而成,参照书上取钢板的厚度为：t=4mmo 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 o故可知,油箱的总长总宽总高为：长为：/

28、= /, +2r = 1600 + 2 x 4 = 1608mn宽为：w =+2t = 1400 + 2 x 4 = 1408 nun高为：h = + 200 +2t = 800 + 200 + 2 x 4 = 1008nun7.6油箱地面倾斜度为了更好的清洗油箱,取油箱底面倾斜度为：r7.7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?机械设计手册一4?表23.9-66得其连接尺寸如下表：表7.3单位：mm公称 压力 MPa管子 内径mm卡套式管接头d.公称尺寸极限偏差6(25)2218.525±0.10538227.8过滤器的选取由过滤器的流量至少是泵流量的两倍的原那么

29、,取过滤器的流量为泵流量的 2.5倍.故有:0瞄器=q 5 入 x2.5 = 156.8x 2.5L/nin = 392乙/ min查?中国机械设计大典?表42.7-7得,先取通用型WU系列网式吸油中过滤器:表7.4型号通径mm公称流量L/min过滤精度 pmWU-400*180F654001807.9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42.7-178选取外六角螺塞作为堵塞,详细尺寸见下表：8液压系统性能的运算8.1压力损失和调定压力确实定由上述计算可知,工进时油液流动速度较小,通过的流量为112.42L/min, 主要压力损失为阀件两端的压降可

30、以省略不计.快进时液压杆的速度v =q /A = -123'66- 1_ = 1.54/H/5 ,此时油液在进油管的速度803.8x10-4123.66x10-3v = qp/a =；=4.2/n/ s0.25x252 x0xO)8.1.1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°C时/ = 1.0x10-4/h2/5,所以有Re = vJ/y = 4.2x36xlO"3/1.Ox 10"4 =1512 <2320 ,油液在管中的流动状态为层流,那么阻力损失系数人=75/& =75/1512 =

31、 0.05 ,假设取进油和回油的管路长均为2m,油液的密度为p = 890Kg/F,那么进油路上的沿 程压力损失为2 QQA顷=xl/dxp/2xv2 =0.05x x x4.22 =21.8x104PoA,36x10T28.1.2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润的局部压力 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那么与通过阀的流量大小有关,假设阀的额定流量和额定压力损 失分别为和%,那么当通过阀的流量为q时的阙的压力损失%,由p、=w,x"2算得瑚, =0.5x空竺成=0.3MPo小于原估算值0.

32、5MPa,所以 qr'160是平安的.同理快进时回油路上的流量% = # = 123"3 2 = 92.8匕/min那么回油A】 803.8管路中的速度V =92*1.' =2.34?/s；由此可以计算出60x0.25x292 x1060 =询/ = 2.34x29x10-3/1.0x1" = 678.6 678.6<2320,所以为层流;九=75/七=75 / 678.6 = 0.11 ,所以回油路上的沿程压力损失为 顼 =Axl/dxp/2xv2 =0.11x x x2.342 =18.5x104P«o七29x102由上面的计算所得求出：

33、 总的压力损失£曾=邱 +生烦 =0.218 +x0.19 = 0.36 hWPrzf 凡"803.8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.8.1.3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,那么在系统中卸荷阀的调定值应该满 足快进时要求,因此卸荷I阀的调定值应大于快进时的供油压力 Pp =- + SA/7 = 1M'330 + 0.361 = 2.2SMPa ,所以卸荷阀的调定压力值应该取p A803.82.28MPa为好.溢流I阀的调定压力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2.6MPa°背压阀的调定压力以平衡板料折变机的F自重,即 p背 2 = 1.9x104/603.2x1 er,=032MPaA8.2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.8.2.1快进时液压系统的发热量快进时液压缸的有效功率为：= Fv = 1868 x 0.033 = 62.3w = 0.0623 KW泵的输出功率为：己=当=竺竺兰黑坐二竺o.听KW0.85因此快进液压