小型油压机液压系统设计

第一章绪论一、液压机的介绍1.液压机的发展及用途液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，自19世纪问世以来发展很快，液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从70年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。我国从1970年开始对这种阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的优越性。液压机工艺用途广泛，适用于弯曲、翻边、拉伸、成型和冷挤压等冲压工艺，压力机是一种用静压来加工产品。适用于金属粉末制品的压制成型工艺和非金属材料，如塑料、玻璃钢、绝缘材料和磨料制品的压制成型工艺，也可适用于校正和压装等工艺。2.液压机的特点由于需要进行多种工艺，液压机具有如下的特点：1.工作台较大，滑块行程较长，以满足多种工艺的要求；2.有顶出装置，以便于顶出工件；3.液压机具有点动、手动和半自动等工作方式，操作方便；4.液压机具有保压、延时和自动回程的功能，并能进行定压成型和定程成型的操作，特别适合于金属粉末和非金属粉末的压制；5.液压机的工作压力、压制速度和行程范围可随意调节，灵活性大。二、液压传动技术的介绍1.液压传动技术的历史进展与发展趋势1.1液压传动技术的历史进展从公元前200多年前到17世纪初，包括希腊人发明的螺旋提出工具和中国出现的水轮机等，是液压技术最古老的应用，然液压技术知道20世纪30年代才真正得到推广与应用，20世纪30年代后，由于车辆、航空、船舶等功率传动的推动，相继出现了斜轴式及弯轴式轴向柱塞泵，径向和轴向液压马达。1936年HarryVickers发明了先导控制压力阀力标制的管制系列压力控制元件，第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、功率高、精度高的液压传动装置而推出了液压技术的发展。战后，液压的技术迅速转为民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车行业中逐步得到推广。今天为了和最新技术的发展保持同步，液压技术不断创新，主要体现以下特征：提高了元件的性能，创制新型元件，体积不断缩小；高度的组合化集成化和模块化；和微电子结合，走向替能化。1.2我国液压传动技术的发展趋势我国的液压技术开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械，通过从国外引用技术，我国液压工业已取得了很大的进步，但与国外的先进水平相比，还存在很多的差距，发展余地很大。2.液压传动的工作原理及其组成部分2.1液压传动的工作原理液压系统利用液压泵将原动件的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管道的传递，借助于液压执行元件（缸或马达）把液体的压力能转化为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动，其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它起到润滑、冷却和防锈作用。2.2液压传动的组成部分动力元件：原动机和液压泵，将原动机产生的机械能转化为液体的压力能，输出具有一定的压力的油液。执行元件：液压缸、液压马达和摆动液压马达，将液体的压力能转变为机械能，用从驱动工作机构的负载做功，实现往复直线运动，连续回转运动或摆动。控制元件：压力、流量、方向控制阀及其他控制元件控制调节液压系统中从泵到执行元件的油液压力流量方向，以保证执行元件，驱动的主机工作结构完成预定的运动规律。辅助元件：油箱、管件、过滤器、热交换器、蓄能器、指示仪表等。工作介质：各类压力油作为系统的载能介质，在传递能量的同时并能起润滑冷却的作用。3.液压传动的优点借助油管可从方便地布置传动机构。单位重量的输出功率大。可以实现大范围的无级调速。惯性小、相应快。可以自行润滑自动实现过载保护借助于各种阀及与电气配合，可从实现自动控制和程序控制。液压装置工作比较稳定。液压系统的设计制造方便。工作状况分析一、进行工况分析液压缸的负载主要包括：工作负载、惯性负载、重力负载、摩擦负载、密封负载和背压负载等。设计题目是小型油压机液压系统设计，在本液压系统中液压缸的主要负载有：移动部件的自重，压制时的负载，快速回程时的负载。一般的油压机多为四立柱式，本设计亦采用此结构。工作循环为：启动—快速下降—压制—保压—快速回退—原位停止。工作负载：压制时外负载：快速回程时外负载：2.移动部件自重：惯性阻力：式中：g——重力加速度。单位为。G——移动部件自重力。单位为。——在t时间内速度变化值。单位为。——启动加速段或减速制动段时间。单位为。4.密封阻力：密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸，液压缸的制造和油液的工作压力有关，在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数，密封负载无法计算，一般用液压缸的机械效率加以考虑，。本设计中取5.背压阻力：背压负载是指液压缸回油腔被压所造成的阻力，在系统方案及液压缸结构尚未确定之前，在负载计算时可暂不考虑。液压缸各动作阶段分析：启动阶段，启动时间0.3s，应考虑在启动加速阶段的惯性力，其方向与运动方向相反，还有重力的作用，其方向与运动方向在此时相同。而在快速下行阶段，仅有重力作用。压制阶段，需要压制力，还受重力作用，重力作用抵消了一部分压制力。保压阶段，负载情况和压制阶段相同。快速回退阶段，重力的方向和运动方向相反而且需压制力。原位停止阶段，仅受重力的作用。根据以上分析，可计算出液压缸各动作阶段中负载，见表1：工况计算公式液压缸的负载（N）启动、加速阶段稳定下降阶段F=压制、保压阶段快退阶段原位停止表1绘制液压缸的负载图和速度图液压缸速度图根据上述分析，可以画出液压缸速度图，见图1：液压缸负载图根据上述分析，可以画出液压缸负载图，见图2：工作原理图的拟定关于各部分回路的选择1.快速下行、压制回路的选择液压机液压系统的特点就是产生大的输出力，为了获得很大的压制力，可采用高压泵供压和大直径的油缸，而后者比较常用。当启动后，上滑块快速下行时，就需要大量的油液进入液压缸的上腔。尽管泵已输出最大的流量，但主缸上腔仍因油液不足而形成负压，吸开充液阀，充液筒内的油便补入主缸上腔。若采用大规格的泵，不仅造价高，而且在压制、保压、退回时损失较大。本设计采用充液筒来补充快速下行时液压泵供油不足，这样使系统功率利用更加合理。在压制时可采用关闭充液筒，泵供油来实现。快速下行、压制回路设计，见图3。2.保压回路的选择本系统采用液控单向阀和单向阀的密封性和液压管路及油液的弹性来保压，要求液压缸等元件的密封性好。保压回路设计，见图4。3.泄压回路的设计为了防止高压系统的液压缸的换向时的液压冲击，需要设计泄压回路。具体是对换向过程进行控制，先使高压腔压力释放后，再切换油路。泄压回路设计，见图5。4.油源选择由于设计要求，在压制时负载大，速度低，在快退时负载小，速度较高。为了节省能源，减小发热，油源选用变量泵供油。本设计的系统中采用限压式变量叶片泵，为了保证系统的安全，在泵的出口处，并联一个溢流阀起安全作用。油源选择，见图6。5.动作转换的控制方式选择在压制后，有规定的保压时间，在保压后，上滑块开始退回。本设计中采用时间继电器配合三位四通电磁阀实现动作的转换。拟定工作原理图1.工作原理图将已选的液压回路，组合成符合设计要求的液压系统泵挥之液压系统原理图。工作原理图，见图7。2.工作原理图的简要分析对工作原理图的简要分析如下：1.快速下行当电磁铁1YA通电后，先导阀6和上缸换向阀9左位接入系统，液控单向阀I2被打开。系统主油路为：进油路：液压泵—顺序阀8—上缸换向阀9左位—单向阀I3—上液压缸12上腔回油路：上液压缸12下腔—液控单向阀I2—上缸换向阀9左位—油箱上滑块在自重的作用下下行，这时，上液压缸上腔所需的油量较大，而液压泵的流量又较小，其不足部分由充液筒13经液压单向阀I1向液压缸上腔补油。2.压制当上滑块下行到接触工件后，因受阻力而减速，液控单向阀I1关闭，液压缸上腔压力升高实现慢速加压。这时的回油路走向与快速下行时相同。3.保压当上液压缸上腔压力升高到使压力继电器10动作时，压力继电器发出信号，使电磁铁1YA断电，则先导阀和上缸换向阀位于中位，保压延时。保压时间由时间继电器控制。4.快速退回在保压延时结束后，时间继电器使电磁铁2YA通电，先导阀右位接入系统，使控制压力油推动释压阀7，并将上缸换向阀右位接入系统。这时，液控单向阀I1被打开，其主油路走向为:进油路：液压泵——顺序阀8——上缸换向阀9右位——液控单向阀I2——上液压缸12下腔回油路：上液压缸12上腔——液控单向阀I1——充液筒13这时，上滑块快速返回，返回速度由液压泵流量决定。当充液筒内液面超过预定位置时，多余的油液由溢流管流回油箱。5.原位停止当上滑块返回上升到挡块压下行程开关时，行程开关发出信号，使电磁铁2YA断电，先导阀和上下缸换向阀都处于中位，则上滑块在原位置停止不动。这时，液压泵处于低压卸荷状态。其油路走向为：液压泵—顺序阀8—上缸换向阀9中位—油箱第四章元件的计算与选择、非标准件的设计一、确定液压缸主要尺寸1.工作压力的确定由表1知，由课本189页表9.4，选工作压力。2.计算液压缸的内径D和活塞杆直径最大负载，由课本188页，选执行元件的背压阻力。按，取，当速度比已知，取由公式：可得出：由文献<二>表21-6-16，将直径圆整成标准直径，缸的有效面积：按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度：由文献<一>中式9.4可知：所以满足最小稳定速度要求。3.计算液压缸各运动阶段的压力、流量和功率根据上述所确定液压缸D和d以及压制时的背压力，快退时的背压力，则可估算出液压缸各个工作阶段中的压力、流量和功率如表2所示。并以此用坐标法绘制出“液压缸工况图”，此图可直观看出液压缸各运动阶段主要参数变化情况，如图8所示。表2液压缸的压力、流量和功率工况负载回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率公式启动、加速3182.175.390变化值0稳定下降3333.335.64098.130压制保压51111.11841.673.680.25快退7777.78513.17变化值变化值原位停止270054.5753.160.40图8液压缸工况图确定液压泵的规格和电动机的功率1.确定液压泵的规格1.1计算液压泵的压力液压泵的工作压力应当考虑液压最高有效工作压力和管路系统的压力损失。所以泵的工作压力为：式中：液压泵的最大工作压力。液压缸的最高有效工作压力。管路系统的压力损失，取则:考虑各方面因素，取泵的实际额定压力1.2计算液压泵的流量液压泵的最大流量应为式中：——液压缸所需流量的最大值，——系统的泄漏系数，取则：1.3选择液压泵的规格及型号由文献<二>表21-5-26，选用YB-C129B叶片泵，该泵的基本参数为额定流量，额定压力为，额定转速为，质量,驱动功率为。2.确定电动机的规格2.1确定电动机功率及型号由工况图可知，液压缸最大输入功率在快退阶段，可按此阶段估算电动机功率。由于工况图中的压力值不包括由泵到液压缸这段管路的压力损失，在快退时这段管路的压力损失若取，液压泵总效率。则电动机功率为：由文献<三>附录K，选用电动机Y160L-2，其额定功率为18.5kw,额定转速为2930rpm。三、液压元件及辅助元件的选择1.液压元件的选择根据所拟定的液压原理图，进行计算和分析通过各液压元件的最大流量和最高工作压力，而后按液压元件样本来选择液压元件的规格。见表3。表3各个阀和继电器的流量、速度及压力阀/继电器额定流量L/min压力MPa型号备注电液换向阀50031.5DSHG-06单向阀12525CRG-06液控单向阀12525CP※G-06溢流阀20025BT-6减压阀10021RT-06压力继电器一10HED1K油管的计算与选择主油路上的压油管流量，允许流速取,则管径d为可选择内径为的油管。出油管内径尺寸按流量,来计算，则出油管内径为可选择内径的油管。3.油箱的容量确定油箱的容量第五章液压系统性能的校核一、回路压力损失验算由于在整个循环过程中，工进的时候压力损失最大，故只要工进时的压力损失满足要求，则其余情况下的压力损失都满足要求，则工进时的压力损失为式中——工进时的总的压力损失之和——工进时的沿程压力损失之和——工进时的阀的局部损失之和设该液压系统的进回油管的长度为2m，油管的内径选，选用L-HL32号液压油，其油温在时的运动粘度,密度为由连通中流量相等可得回油路中的速度为,则雷诺数为，可知为层流。故压力损失符合要求。液压系