油压机液压系统的设计

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书（机电控制专业课程设计）项目名称： 油压机液压系统的设计 燕山大学课程设计（论文）任务书项目名称150T卧式油压机液压系统的设计指导教师姓名小组成员分工液压系统工作原理图；液压系统主要参数的确定及元件选择；PLC电气控制系统设计；利用MCGS组态软件设计油压机的实时在线监控系统； 油压机的三维虚拟动态设计项目考察知识点项目考察专业知识:液压元件、液压传动、液压伺服控制及电气控制系统PLC。计算机工具：(1)MCGS组态、 CAD、 Proe等。项目设计参数公称压力/t：150；设计油压/MPa：20；活塞行程/mm：300；快进过程最大工作压力4MPa项目实施

2、内容1、液压传动系统的设计 2、电气控制系统的设计 3、基于MCGS组态软件的实时在线监控系统 4、油压机的三维动态仿真设计项目试验内容运用启动试验台初步模拟油压机工作过程的动作项目结题须提交材料(1)液压传动控制系统原理图 A1(2)电气控制梯形图 A1(3)液压系统参数计算说明书1份(4)实时在线监控系统使用说明书1份(5)三维虚拟动态仿真分析报告 1份(6)试验测试报告 1份须提交纸质及电子版各1份项目实施时间节点要求第一周 查询资料确定系统原理第二周 确定各种数据及进行PLC模拟、三维仿真第三周 MCGS组态软件监控及说明书的书写小组分工及贡献姓 名课题组分工液压系统工作原理图；液压系

3、统主要参数的确定及元件选择；PLC电气控制系统设计利用MCGS组态软件设计油压机的实时在线监控系统油压机的三维虚拟动态设计以及项目报告的撰写摘 要本次毕业设计对象是150T卧式油压机液压系统这套装置主要用于轴类零件、型材等的校正工艺，轴、套类零件的压装以及简单板材零件的拉伸、弯曲、压印、成形、落料等工艺，也可进行一般粉末、塑料制品的压制 适用于所有深拉伸工艺。实现压头的快进、工进、保压以及压制完成后的快回的动作过程。设计内容主要包括确定液压系统方案、设计、选择液压元件、辅件、机械部分的受力分析力以及机械部分的强度校核、液压控制系统的设计。关键词油压机 控制系统 工作过程 目 录摘要 第1章 绪

4、论21.1 课题背景 21.2 研究主要内容及方法 21.3 预期结果 3第2章 系统设计及参数计算 42.1 液压传动系统设计计算及液压系统方案的确定 5 系统的工况分析 5 液压系统原理图 62.2 液压系统的计算和原件选型 8 2.2.1 确定液压缸主要参数 8 2.2.2 驱动电机的选择 11 2.2.3阀类原件及辅助元件的选择的选择 11 2.2.4 管路选择12 2.2.5 系统校验15 2.3 电气控制系统的设计 17 油压机工作循环图 17 电气控制要求 17 电气控制设计结果 17第3章 三维设计及仿真建模等 183.1 油压机的三维动态仿真 183.2 油压机的实时在线监控

5、系统19第4章 实验方案、结果及分析等 204.1 实验方案的确定 21 实验原理图 214.1.2 PLC实验程序 21 实验装置PLC输入输出配置 224.1.4 PLC接线图 224.2 实验结果 22结论 23参考文献 26第1章 绪论1.1 课题背景油压机是一种通过专用液压油做为工作介质，通过液压泵作为动力源，靠泵的作用力使液压油通过液压管路进入油缸/活塞 ，然后油缸/活塞里有几组互相配合的密封件，不同位置的密封都是不同的，但都起到密封的作用，使液压油不能泄露。最后通过单向阀使液压油在油箱循环使油缸/活塞循环做功从而完成一定机械动作来作为生产力的一种机械。油压机由主机及控制机构两大部

6、分组成。油压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及充液装置等。动力机构由油箱、高压泵、低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。动力机构在电气装置的控制下，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。油压机按结构形式分类 现主要分为：四柱式油压机、单柱式（C型）油压机、卧式油压机、立式框架油压机等。 按油压机的用途分类 主要分为金属成型油压机、折弯油压机、拉伸油压机、冲裁油压机、粉末（金属，非金属）成型油压机、压装油压机、挤压油压机等。1.2 研究内容及方法研究的主要内容：1) 确定油压机液压系统的原理图。2）对油压机主缸各组成部分进行运动和结构的设计、材料选

7、择、辅助元件的选择。3）油压机控制系统的设计。4）运用MCGS组态软件实现油压机的实时监控。研究方法（或技术路线）：1）查阅相关文献，搜集有关油压机的资料。初步了解油压机的发展及应用。2）通过参观实物，对油压机的结构、工作原理、特点有进一步的了解。3）确定油压机液压系统的原理图。5）设计油压机的控制系统。6）运用MCGS组态软件实现油压机的实时监控。7）用proe软件画出油压机的三维仿真图。1.3 预期结果1）通过查阅和研究国内外有关油压机的文献，写出了文献综述。2）研究并设计出符合要求的卧式150吨油压机的液压系统原理图。3）完成油压机电气控制系统的设计并画出油压机控制系统的梯形图。4）了解

8、MCGS组态软件，并能熟练运用此软件进行油压机的实时监控。5）了解常用的Proe设计软件，并能熟练运用一种Proe软件进行油压机的三维仿真设计。6）进一步对油压机的结构、原理、特点有了一个非常深入的了解从而设计出满足现代社会需求的高效率、经济性的油压机。7）自身的自主设计能力得到了锻炼，具有了初步的科研、开发能力，为将来踏下结实的一步。第2章 系统设计及参数计算2.1液压传动系统设计计算 液压传动系统的设计应在明确项目设计参数的情况下，通过已知的参数对系统进行工况分析然后确定方案。系统的工况分析本次设计在毕业实习调查的基础上，用类比的方法初步确定了立式安装的主液压缸活塞杆带动滑块及动横梁在立柱

9、上滑动下行时，运动部件的质量为500Kg。工作负载： F=15010310=1.5106N惯性负载： 启动加速： F1=5006.5/(0.160)=541.67N 快进到工进： F2=500(6.5-0.6)/(0.160)=491.7N 工进到保压： F3=5000.6/(0.160)=50N 保压到快退： F4=F1 快退到停止： F5=F1快进最大负载： Fm=20KN液压缸的工作效率范围0.9-0.95（因为不知道密封条件，所以选在工作效率时选择选择0.9）表2-1工况负载组成力启动加速F1541.67N快进到工进Fm20kN工进到保压F3+F50N+1.5106N保压到快退F454

10、1.67N快退到停止F5541.67N2.1.2系统原理图设计：设计方案一：图2-1工作原理：按下启动按钮，电磁铁1YA通电，电磁阀1右位接入回路，电磁阀2左位接入回路，油液流入辅助缸，进行快进；当接近工件时，3YA通电，电磁阀右位接入回路，主缸进行工进，1YA失电，电磁阀1切换到中位，进行保压过程，保压结束后，2YA失电，通过辅助缸实现快退。动作表：表2-21YA2YA3YA4YA快进+-工进+-+-保压-+-快退-+-设计方案二：图2-2工作原理2号泵主要控制缸的快进和快退，5YA通电，实现快进，2号泵卸荷，1号泵开启，3YA通电，主缸进行工进动作，快退是4YA和6YA同时通电，泵实现快退

11、动作。动作表：表2-31YA2YA3YA4YA5YA6YA快进-+-+-工进+-+-保压-快退+-+方案比较方案一使用一个泵，实现了计划要求的动作，但顶置油箱需不断向内充油，设计不完善。方案二采用双泵供油，分工明确，届时检修维护均较方便快捷。综上所述，选择方案二2.2 液压系统的计算和原件选型确定液压缸主要参数：按液压机床类型初选液压缸的工作压力为25Mpa,根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。活塞杆直径与缸筒直径满足d/D=0.7，有手册1632MPa，属高压系统，由液压系统简明手册可知，初算是被压可忽略不计图2-3主缸：F/=A1P1A1=F/P1=15010310/(200.91

12、06) =0.83P1 液压缸工作腔的压力（单位：Pa）P2 液压缸回油腔的压力（单位：Pa）可得D=0.188m d=0.7D=0.132m当按GB2348-80将这些直径圆整成进标准值时得： D=200mm，d=140mm可虑到压力储备和泵的寿命，设定其正常工作压力为泵的额定压力的80% 工进时：q=AV/=226/(40.9)=20.944L/min 泵的排量至少为：V=q/1500=13.996ml/r由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为20Mpa，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为1MPa（含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力

13、为P=P1+P=20Mpa 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，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力P应满足：P额=P/0.8=25MPa由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。大流量。所以选轴向柱塞变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：1） 工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（200-400）105Pa，最高可以

14、达到1000105Pa。 2） 流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。 3） 改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。 4） 柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。由以上可得，初选主泵为25MCY14-1B其具体参数为：排量为25ml/r额定压力为32MPa额定转速为1500r/min驱动功率为24.6kw容积效率为92%重量为27kg辅助缸：F/=A2P2A2=F/P1=601.86/(40.9106)=1.6710-4可得D=0.0146m d=0.7D

15、=0.00102m圆整后得 D=16mm，d=10mm泵的额定压力 Pn=4/80%=5Mp流量：q=（0.162/4）65/0.9=1.45L/min同主泵的选择方法，对应的泵的选择为：10MYCY14-1B具体参数为：排量10ml/r额定压力为32Mpa额定转速1500容积效率92%重量16kg2.2.2驱动电机选择：工况变化时各参数变化表表2-4工况负载回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率启动加速601.862.4510-2-变化-快进-261.3-工进1500546.3-4.7818.8490.0552快退加速601.861.5010-2-变化-快退-159.276-液压泵压力Pt=F

16、L /A1=4.78+0.5=5.28Mpa上得静态压力，考虑到动态压力大于静态压力且需压力储备P额=1.5P额=7.92MPa泵流量:Q=kq其中k为泄露系数，范围为1.11.3，取中间值1.2Q=kq=1.218.84=22.608电机：P电=p泵q泵/=（5.28+0.2）10622.608/(601060.7)=2.95KW选电机Y100L2-4额定功率30kw，转速1430，效率82.5，重量38kg2.2.3阀类元件及辅助元件的选择1. 对液压阀的基本要求：(1). 动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。油液流过时压力损失小。(2). 密封性能好。结构紧凑，安装、调整、使用、维护

17、方便，通用性大2. 根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件型号和规格主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格：表2-5序号元件名称型号1斜盘式柱塞泵25MCY14-1B2斜盘式柱塞泵10MYCY14-1B3WU网式滤油器WU-160*1804安全阀DB10G02H205三位四通电磁阀34DO-B10H-T6液控单向阀S10GB2307单向节流阀MK10G1.28二位二通电磁阀22EF3B-E10B9压力继电器DP1-63B10压力表开关KFL830E11油箱

18、12主液压缸13辅助液压缸2.2.4油管的选择与计算油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P=31.25MPa ， 钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。尼龙管用在低压系统；塑料管一般用在回油管用。胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高、低压两种。高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。

19、低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。1. 管接头的选用：管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但

20、要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。液压系统中的泄漏问题大部分都出现在它管系中的接头上，为此对管材的选用，接头形式的确定（包括接头设计、垫圈、密封、箍套、防漏涂料的选用等），管系的设计（包括弯管设计、管道支承点和支承形式的选取等）以及管道的安装（包括正确的运输、储存、清洗、组装等）都要考虑清楚，以免影响整个液压系统的使用质量。国外对管子的材质、接头形式和连接方法上的研究工作从不间断，最近出现一种用特殊的镍钛合金制造的管接头，它能使低温下受力后发生的变形在升温时消除即把管接头放入液氮中用芯棒扩大其内径，然后取出来迅速套装在管端上，便可使它在常温下得到牢固、紧密的结合。这种“

21、热缩”式的连接已经在航空和其它一些加工行业中得到了应用，它能保证在4055Mpa的工作压力下不出现泄漏。本设计根据需要，选择卡套式管接头。要求采用冷拔无缝钢管。2. 管道内径计算： （1）式中 Q通过管道内的流量 v管内允许流速 ，见表：允许流速推荐值表2-6油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管液压系统压油管道36，压力高，管道短粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6 (1). 液压泵压油管道的内径： 取v=4m/s 根据机械设计手册成大先P20-641查得：取d=20mm,钢管的外径 D=28mm; 管接头联接螺纹M272。(2). 液压泵回油管道的内径：取v=2.4m/s根据机械设

22、计手册成大先P20-641查得：取d=25mm,钢管的外径 D=34mm; 管接头联接螺纹M332。3. 管道壁厚的计算 式中： p管道内最高工作压力 Pa d管道内径 m管道材料的许用应力 Pa，管道材料的抗拉强度 Pan安全系数，对钢管来说，时，取n=8； 时，取n=6； 时，取n=4。根据上述的参数可以得到：我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度=600MPa; (1). 液压泵压油管道的壁厚 (2). 液压泵回油管道的壁厚 所以所选管道适用。液压系统的验算上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为32mm,42mm。但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损

23、失无法验算。4.2.4系统温升的验算在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。当V=10mm/s时，即v=600mm/min即 此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为26MP，则有即此时的功率损失为：假定系统的散热状况一般，取，油箱的散热面积A为系统的温升为根据机械设计手册成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50所以验算表明系统的温升在许可范围内。2.3 电气控制系统的设计 油压机工作循环图快进压制（工进）保压快退回复原位 电气控制要求电机

24、启动要求：实现Y-降压换接启动，切换时间为5s。快进要求：辅助缸接触工件压力上升到4MPa，辅助缸自动停止工作。保压要求：采用时间继电器计算时间发出到时指令，并显示到操作台上。 电气控制设计结果PLC程序：定义：PROGRAM PLC_PRGVAR T1:TON;(*电机1启动时间*) T2:TON;(*电机2启动时间*) T3: TON;(*保压延时40秒*) M0:BOOL;(*电机1星-三角切换时间到*) M1:BOOL;(*电机1停止按钮后的辅助继电器*) M2:BOOL;(*电机2星-三角切换时间到*)M3:BOOL;(*电机2停止按钮后的辅助继电器*)Step_DD:BOOL;St

25、ep_KJ:BOOL;Step_GJ:BOOL;Step_BY:BOOL;Step_KT:BOOL;END_VAR梯形图及PLC控制输入输出配置：详见图纸150t卧式油压机PLC程序PLC接线图：详见图纸PLC接线图第3章：三维设计及仿真建模等3.1 油压机的三维仿真通过参考油压机的一些书籍及油压机的实物，运用Proe三维仿真软件模拟油压机的动作过程。油压机的三维仿真图整体图：图3-1主视图： 图3-2油压机动作曲线图3-33.2 MCGS组态软件 MCGS组态软件的构成设备窗口、用户窗口、主控窗口、运行策略、实时数据库窗口而用户窗口有传输与控制、实时曲线、历史曲线、报警与指示、封面构成。 M

26、CGS组态软件对油压机的实时监控过程Mcgs主要实现对系统的监控，监控如下：1、对系统流程图的监控当实现快进的时候，通过此软件能够看到主泵2工作，回油阀1、回油阀2和补油阀1处于通状态，以及各油路的流动情况。当实现工进的时候，通过此软件能够看到主泵1工作，工进阀、回油阀2、补油阀1和回油阀1处于通的状态，以及各油路的流动情况。当保压的时候，能看到各元件处于关闭状态。当实现快回的时候，通过此软件能看到主泵2工作，快回阀、补油阀2和补油阀1处于通状态，以及各油路的流动情况。2、对实时数据的监测实现对主泵1的实时压力监测。实现对主泵2的实时压力监测。实现对主缸的实时压力监测。实现对辅助缸的实时压力监

27、测。3、对历史数据的监测实现对主泵1的历史压力监测。实现对主泵2的历史压力监测。实现对主缸的历史压力监测。实现对辅助缸的历史压力监测。4、对系统报警与指示的监控实现各换向阀电磁铁的得电情况的监控。实现对电机运行状况的监控。实现对主油箱液位和液温的报警监控实现对主泵1、主泵2的压力报警监控。实现对滤芯堵塞的报警监控。第4章：实验方案、结果及分析等4.1 实验方案的确定由于实验条件有限，油压机的实际动作过程难以在实验台完全实现，因此我们设计了一种简单的气压回路来模拟油压机的动作过程。 而且实验台的气缸行程太短，若用一个气缸来模拟动作，快进和工进难以区分，所以我们用两个气缸分别模拟油压机液压缸的快进

28、和工进过程。 实验原理图图4-1 PLC实验程序图4-2实验装置PLC输入输出配置4.1.4 PLC接线图图4-34.2 实验结果 经过调试，运用PLC气动实验台，成功模拟油压机实际动作，并通过验收。结论在设计过程中我们主要针对油压机设计了其快进、工进、保压、快退动作过程的原理图，根据原理图及其相关数据设计选择了主缸辅助缸辅助元件。另外根据原理图及PLC控制要求编写了电气控制程序，实现电气控制。在这些的基础上通过MCGS组态软件实时监控压力温度等数据，最后用proe软件实现油压机的三维模拟仿真。由于油压机动作过程中压力控制是个难点问题，在压头回程的过程中如何解决压力的突然释放将是下一步主要开展

29、的工作。另外控制系统可能的不完善及管路布置、密封件老化、油温变化引起泄漏问题也是工作的重点。心得体会近一个月的时间是我们专业课程设计的时间，在这一个月的时间里我学习到了很多的知识。刚刚看到让我们做一个油压机的液压系统时自己很不自信，感觉完成不了这样的任务。不过老师们鼓励我们，在这样的环境下我们开始了设计。在设计的过程中有失败的苦涩，有成功的喜悦。每周我们都和老师讨论交流，在老师的细心知道下我们颇有进展。设计过程中我们组的人充分发挥了主观能动性，团结协作的精神。这使我们收获很大，不仅更了解液压元件等的知识，还有plc编程，实验台的应用等，这给我们以后工作设计打下了很好的基础。最后感谢学院给我们这

30、次课程设计的机会，感谢各位老师对我们的指导。使我在这段时间里收获了很多东西，虽然有失败，但是依然很高兴，希望学院以后多一些这样的素质培养型的活动吧。 我们这次课程设计的题目是150吨卧式油压机，小组有四个成员，各成员分工合作，在老师的指导下，顺利完成了这次任务。近一个月的课程设计即将结束，在这期间，我们体会到了失败的苦涩和成功的喜悦，最重要的是通过这次和实际工程紧密联系的课程设计，我们学习到了书本中不可能学到的知识和很重要的设计思想，这其中包括指导老师给我们的耐心指导、其他小组成员在讨论中体现出的优秀学习品质和自己在其中领悟到的思想，这都使自己受益匪浅。这次课程设计中我主要负责电气控制系统的设

31、计，重点和难点是PLC梯形图的编写。开始时对力士乐PLC一窍不通，后来经过陈刚老师的培训和自己的练习，逐渐对力士乐PLC编程有了一定的了解，并能进行简单的程序编写。又经过反复的练习，终于将模拟实验的梯形图编写出来并通过了实验验收。有了成功的经验，接下来编写工程梯形图就不是很困难了，在限定时间内完成了程序的编写。通过在气动实验台的实验和力士乐软件的学习，认识到PLC编程的重要性，以后我一定要学好编程，争取在工作中有一技之长。在课程设计最后一周，我们主要编写说明书、PPT并互相学习其他成员完成的内容，以便在有限的时间内掌握更多的知识并顺利通过答辩。我们在这期间互相学习，互相帮助，通过彼此的合作，比

32、较顺利的完成了所有任务，这使我深刻的体会到团队合作的重要性。课程设计期间，指导老师给了我们很大的指导和帮助，在此我向给予我们帮助的各位老师表示衷心的感谢，并感谢学院给了我们这次和实际工程紧密结合的设计的机会和优越的实验条件。各位老师，你们辛苦了！ 本次课设我们做的是150t卧式油压机的设计，而我负责的是基于MCGS组态软件的实时在线监控，即在工程运行的时候完成对系统的压力、各继电器得电情况、主油箱液位、液温等的监控。基于上述功能的要求，对MCGS组态软件进行了设计，在设计之初我首先想到的是通过这软件能把泵的工作情况、各阀门通断的情况和油路的流通等等方面一目了然的展现的用户面前，设计了传动与控制窗口，接着是能使用户监测泵的实时压力，而设计了实时曲线窗口。但如果想要了解历史压力数据，就需要历史曲线构件，从而设计了历史曲线窗口。最后要让报警信息及指示信息显示，而设计了报警与指示窗口。这次课设是我们小组四人共同努力完成的，通过这次课设，不仅增加了我们的团体协作精神，而且让我们对150t卧式油压机的设计有