【《某全液压模锻锤液压系统设计案例》6600字】

某全液压模锻锤液压系统设计案例1.1全液压模锻锤设计要求1.1.1全液压模锻锤使用要求该设计针对的对象为全液压模锻锤液压系统，打击形式采用锤身微动式，其打击能量为50KJ，打击速度v为5m/s，质量比γ为4。其工作环境主要为车间，在工作时需要模锻锤连续打击锻件，会频繁使用到液压系统，因此需要保证液压系统能够长时间的进行工作，同时模锻锤在工作时所需要的打击能量大，这很有可能破坏液压缸以及液压管路甚至产生更大的泄露，也会产生较大的噪音。因此，模锻锤的液压系统必须满足复杂的传动与控制系统、巨大的传递动力、高精度控制及系统高柔性化等要求。1.1.2全液压模锻锤液压系统设计要求根据液压系统使用工况要求、相关标准规定，并考虑液压传动系统设计的一般原则，对该全液压模锻锤液压系统有如下基本设计要求：(1）液压回路应能够提供一定的工作压力，满足模锻锤冲击时对液压系统的要求；(2）液压系统的工作流量应不小于两个液压缸完整工作行程的需要；(3）液压缸应该反应迅速、动作平稳、同步性高、密封良好、工作可靠；(4）由于该液压系统的工作压力比较大，因此更加需要对其设置保护回路，一旦压力过大，保护回路开启，对液压系统进行卸荷来达到保护液压系统的目的；(5）液压锤在工作时产生的冲击巨大，而控制液压锤运动的液压缸的价格比较高，因此还需对其设置单独的保护回路；(6)液压管路和管接头应密封性良好，管路布置应合理美观，避免管路出现过度弯折、扭曲、拉伸以及管路间的摩擦。正常工作情况下，液压软管应密封良好，不能出现泄漏，并具有一定的防油能力、防臭氧能力、防真空能力、防液压冲击能力等；(7）液压管件应具有足够的抗压强度，能承受液压系统的工作压力。软管、硬管、管接头的破坏压力，应至少为液压回路打击工况的4倍；(8）使用的液压油也应该具备有以下性能，包括：润滑、稳定、防锈、抗腐蚀、抗乳化、洁净、阻燃等；(9)考虑与举升和制动液压系统的集成，使液压元件安装与管路布置紧凑、简洁、安全、可靠；(10）在选择以及布置液压元件安装位置时，也应该考虑各种情况的发生，提高其各方面的性能，便于系统的安装、检修及维护。1.1.3全液压模锻锤液压系统四种典型工况液压转向系统的使用工况是系统设计的主要依据。该模锻锤的液压执行元件是两个双作用活塞缸，液压控制系统应完成的动作:两个液压缸分别控制上下锤完成模锻锤的打击与回程。具体来说，50KJ锤身微动型全液压模锻锤液压系统应可满足以下三种工作工况:(1）提锤工况：上锤头在双作用活塞缸的带动下向上运动，提升到一定高度；(2）悬锤工况：能够通过控制让模锻锤的锤头随时停止，一旦遇到紧急情况迅速的停止而减少对模锻锤、锻件的损坏以及对操作人员生命安全的保护。(3）打击回程工况：上锤头和锤身各自依靠一个独立双作用活塞缸来带动，在进行打击时，工作缸形成差动连接，带动上锤头作匀加速直线运动实现快速下行，下锤头同时做匀加速直线运动以上锤头四分之一的速度上跳，从而实现上下锤头对击；打击完成后回程时，液压缸无杆腔中液压油回到油箱，上锤头和锤身就能快速返回到指定位置。(4）寸动对模工况：在安装锻模时通过寸动来进行对模，因为寸动时所需的流量远小于打击时的流量，所以，专门设置一个寸动对模回路来完成该工况。其中提锤、打击回程和寸动对模工况满足不同时进行，不相互干涉的原则，其中寸动对模工况由上锤头液压单独完成，而悬锤工况需要在打击回程工况进行时能够随时使其停止并进入悬锤工况。1.2全液压模锻锤液压系统总体设计1.1.1选择液压系统执行元件液压系统采用的执行元件类型，主要是根据该液压系统所要实现的功能而定。上锤头和锤身的的运动是上下的直线运动，且负载力与活塞杆重合；所以模锻锤液压系统的执行元件选择两个双作用液压缸。1.1.2确定液压系统工作压力在液压系统的设计过程中，系统工作时压力的确定十分重要，工作压力的选定需要考虑负载以及设备类型等因素，还要考虑元件的尺寸和成本等经济方面的因素。选择合适的工作压力能够提高元件寿命，也会对系统动力性和经济性产生较大的影响。液压系统的工作压力可以根据表2-1及表2-2进行选择。表2-2执行元件背压系统类型背压/MPa简单系统回油路时经过调速阀回油路拥有背压阀使用一个泵进行补油的闭式回路回油路较复杂回油路短，直接回油箱0.2~0.50.4~0.60.5~1.50.8~1.51.2~3可忽略不计综合表2-1及2-2，初选模锻锤液压系统工作压力为20MPa，系统背压1MPa。1.1.3模全液压锻锤液压系统回路设计（1）选用液压系统回路方式对于全液压模锻锤液压系统设计，综合考虑模锻锤在工厂工作，需连续短时间工作，但是需要较大的占地面积，所以在此系统中我将采用开式回路：油箱为液压泵提供液压油，油箱还需要能够容纳从执行元件中返回的液压油。液压油可以在油箱中获得很好的散热和冷却，除此之外还能将液压油中的杂质沉淀下来防止其再次进入液压系统中。综上所述，开式回路更适用于此液压系统。选用液压油及液压动力源工作场所在室内，工作压力大，流量大。为了减少泄露，选黏度较大的普通液压油。而柱塞泵拥有密封性能好、精度高以及工作压力高比较适合模锻锤这样的高压大流量的液压系统。因此，系统选用变量柱塞泵。（3）选择调速方式和调压方式1）选择调速方式①方向控制：中小流量系统通常通过换向阀对液压油的油路进行控制。高压大流量系统则大多通过插装阀与先导控制阀进行组合来完成控制。而锤身微动型模锻锤液压系统所需要的工作压力大、工作时所需流量也大，因此我选择将插装阀与先导控制阀组合起来对上锤头以及锤身的液压缸进行控制。②速度控制方式按下表2-3进行选择。表2-3速度控制方式比较调速类型供油方式特点适用场合节流调速进油变量泵（开式）回路比较简单、价格不高，存在溢流、节流损失，效率低启动冲击较小，仅适用低速、轻载、小功率场合回油能承受负值负载、运行平稳性好，用于负载变化不大、低速、小功率场合旁路有节流无溢流能耗，效率比较高多用于高速、速度平稳性要求不高、功率要求较大的场合容积调速定/变量泵（闭式）无溢流损失和节流损失，效率高，但是速度稳定性比较差适用于高压大流量的液压系统，比如起重运输机械、矿山机械以及重型机床等容积-节流调速变量泵（开式）效率高、稳定性好，但是结构比较复杂锤身微动型模锻锤属于锻造设备，根据上表2-3所述，在此液压系统中，我选用的是容积-节流调速，使用恒压变量泵提供高压油，利用压力卸荷阀对变量泵进行控制，一旦系统压力达到溢流阀所设定得值时，卸荷阀对变量泵进行卸荷，这样有利于该液压系统节能。2）选择调压方式液压执行元件工作需要稳定的工作压力，需要能够调节的工作压力的情况也存在。节流调速系统一般用变量泵来供液压油的输入，靠溢流阀来进行调节并保持稳定的工作压力。容积调速系统则用变量泵供油，溢流阀对液压系统进行保护。而在此次设计的液压系统中，采取恒压变量泵供油的方式，使用压力卸荷阀对变量泵输出流量以及压力进行控制，必要时可以直接使泵卸荷，起到安全保护作用，同时可以通过改变卸荷阀的数量，对系统压力进行调节。3）液压系统主要回路方式的选定根据锤身微动型全液压模锻锤的工作特点、负载性质以及性能要求，先确定对模锻锤性能起决定性的主要回路，然之后在对其它回路进行确定。主要回路如下表2-4所示：表2-4不同系统主要回路选择表液压系统主要回路液压系统主要回路机床液压系统调速和速度换接回路惯性负载较大的系统缓冲制动回路压力机液压系统调压回路有多个执行元件的系统顺序/同步回路有垂直运动部件的系统平衡回路有空载运行要求的系统卸荷回路本系统虽然只拥有两个执行元件，涉及伸缩机构的伸缩与停止，但是由于需要对这个其伸缩的速度进行转换来实现不同的工况，因此，需要采用速度换接回路来改变伸缩的速度。提锤和悬锤工况均由上锤头液压缸独自完成，因此需要设计一个顺序回路使其单独运动。由于模锻锤始终是垂直运动。表2-5液压系统组成基本回路及其性能分析表序号基本回路名称性能特点1容积节流调速回路效率比较高、调速比较稳定等优点2电磁式换向回路通过输入电信号能够对电磁换向阀进行换向从而改变液压油的流向，换向平稳、响应比较快3差动连接回路让液压缸的回油重新进入另一个腔，从而在不提高流量大大提高液压缸的运动速度4同步回路用模锻锤液压系统中，将进油的回路分别与两个执行元件相连，使其能够同时运动5卸荷回路用二位二通阀控制插装阀对系统进行卸荷，需卸荷时，二位二通阀通过电磁换向，此时插装阀导通，高压大流量的液压油经过插装阀回到油箱6调压回路通过溢流阀对压力进行控制及保护系统，一旦压力过大液压油经溢流阀流回油箱1.3全液压模锻锤液压系统运动以及负载分析1.3.1全液压模锻锤基本参数上世纪80年代，我国已有许多单位已开始了研究锤身微动型液压对击液压模锻锤的工作。为了规范液压锤进行良好的发展，机械工业部组织有关单位进行了大量的调研工作，并通过了“砧座微动型液压模锻锤基本参数系列草案”的审查会，于1984年成功制定并颁布了砧座微动型液压模锻锤的基本参数的标准JB3582-84。1999年该标准有得到了扩充，如表2-6所示。1.3.2全液压模锻锤结构参数计算为了操作方便，锤身与锤头质量应合理分配，锤身在对击时的上跳量应要求越小越好。本课题初步选定锤身微动型全液压模锻的打击能量为50KJ，打击时的总速度v为5m/s，质量比γ为4，其他参数从表2-6中确定。上锤头的质量、行程、速度为m1，S1，v1；锤身的质量、行程、速度为m2，S2，v2，表示。因对击锤设计需要满足打击时上锤头与锤身拥有的的动量相等有：（2-1）即（2-2）上锤头和锤身的速度总和v已经给出，则有（2-3）其中v1和v2可用质量比求得：（2-4）又有给定打击行程S，则有S=S1+S2，其中S1和S2可用质量比求（2-5）由打击能力表达式及动量表达式（2-6）将（2-4）式代入（2-6）式得（2-7）由匀加速度运动公式（2-8）（2-9）代入已知参数计算出50KJ锤身微动全液压模锻锤基本结构性能参数如表2-7中数据所示：表2-750KJ全液压模锻锤基本参数序号项目参数单位1打击能力E50KJ2上锤头质量m15000kg3锤身质量m220000kg4打击速度v5m/s5上锤头打击速度v14m/s6锤身打击速度v21m/s7上锤头打击行程S1424mm8锤身上跳高度S2106mm9上锤头打击行程加速度a118.87m/s210锤身打击行程加速度a24.17m/s211打击行程时间0.212s1.3.3液压系统各执行元件运动顺序50KJ锤身微动型全液压模锻锤各液压缸运动顺序设计为：（1）上锤头液压缸退回液压杆退回，达到一定的高度，为放入锻件做准备。（2）上锤头液压缸缓慢伸出液压杆缓慢伸出，与锻件接触即停止，完成寸动对模。（3）上锤头液压缸退回液压杆退回一定的高度，使得上锤头与锻件的距离为530mm。（4）上锤头和锤身液压缸伸出液压杆伸出到指定位置完成对击。（5）上锤头和锤身液压缸退回上锤头和锤身液压杆都退回，其中锤身完全退回，上锤头仍然退回到与锻件的距离为600mm。（6）循环（4）（5）通过液压杆循环的伸出与退回完成模锻。（7）上锤头和锤身液压缸停止上锤头和锤身液压缸液压杆停止运动，不伸出也不退回。（8）进行动作（5）当液压杆退回之后，可以对锻件进行观察或将其取出。（9）上锤头液压缸伸出液压杆完全伸出，上锤头与锤身接触。1.3.4液压系统工作负载计算分析液压缸工作负载分析计算液压缸的油缸工作负载受力分析如下：（2-10）式中：Fg———重力负载，N；Ff———摩擦阻力，N；（2-11）Fa———惯性负载，N；µm———油缸的机械效率，在本次设计中取0.9。（2-12）因为由于上锤头和锤身质量较大，而且运动方向均垂直于地面，因此忽略运动时产生的摩擦阻力。负载计算：打击行程最大负载：上锤头锤身回程负载回程则F1′=56850N，F2′=193200N。所以最大负载F1max=56850N，F2max=314889N。1.4模锻锤液压系统主要工作循环本设计的锤身微动型全液压模锻锤用于在工厂内对锻件打击来形成需要的模锻件。主要工作循环如下：上锤头落下、锤身上跳→上锤头提升到指定位置、锤身落回原位置。上锤头也在上锤头液压缸作用下进行运动，锤身则由锤身液压缸控制其进行运动，从而形成对击。1.5液压原理图及电路图图1.1液压系统原理图图1.2动作电路图1.6全液压模锻锤液压系统典型性能分析本次所设计的锤身微动型全液压模锻锤液压系统原理图以及动作电路图如上图1.1和图1.2所示。1.6.1系统所用液压元件及其在系统中功能液压系统中所用到的液压元件及其在该系统中的功能如下表2-1所示；表2-8系统所用液压元件及其作用表类型序号液压元件名功能动力元件1柱塞式变量泵将压力油从油箱输入进液压系统执行元件2、3双作用活塞液压缸控制上锤头和锤身对锻件进行打击控制元件4~15二通插装阀控制液压油油路的通断从而控制液压缸的运动16~17二位四通电磁换向阀同时控制多个插装阀的中油路的启闭18三位四通电磁换向阀同时控制多个插装阀的中油路的启闭19~22单向阀使液压油只能单向流动23~26调速阀通过调节进入液压缸的流量来控制其速度27~29溢流阀一旦液压系统中压力过高，就会进行卸荷保护液压系统和液压元件辅助元件30过滤器阻止杂质从油箱进入液压系统中31~36液压油箱给液压系统提供液压油1.6.2模锻锤液压系统工作分析图1.1所示全液压模锻锤液压系统的工况分析如下：（1）提锤（回程）按下提锤的按钮，电磁铁3Y2通电，电磁换向阀18的右位接入系统；压力油从变量泵1先后经插装阀11、插装阀7调速阀23和进入液压缸2的有杆腔，此时上锤头缓慢提升，液压缸2无杆腔回油通过单向阀22和插装阀13进入油箱，当提升到指定位置时3Y2断电。此时系统中油液流动情况为：①主油路进油路：变量泵1→插装阀11→插装阀7→调速阀23→液压缸2（有杆腔）；回油路：液压缸2（无杆腔）→单向阀22→插装阀13→油箱。②控制油路：进油路：变量泵1→插装阀4→电磁换向阀16、17、18→插装阀5、6、8、10、12、14、15；回油路：插装阀7、9、11、13→电磁换向阀17、18→油箱。（2）寸动对模当上锤头提升到预定位置时，按下寸动对模按钮。电磁铁1Y通电，电磁换向阀16的右位接入系统；压力油从泵经过插装阀5和插装阀9进入液压缸2的无杆腔，液压缸2有杆腔回油先后经过调速阀22、插装阀7和插装阀6进入油箱。此时系统中油液流动情况为：①主油路进油路：变量泵1→插装阀5→插装阀9→液压缸2（无杆腔）；回油路：液压缸2（有杆腔）→调速阀22→插装阀7→插装阀6→油箱。②控制油路：进油路：变量泵1→插装阀4→电磁换向阀17、18→插装阀8、10、11、12、13、14、15；回油路：插装阀5、6、7、9→电磁换向阀16、17→油箱。（3）打击电磁铁2Y、3Y1通电，电磁换向阀17的右位以及的18左位同时接入系统，压力油经插装阀13、插装阀10、单向阀19（20）以及调速阀25（26）后进入液压缸3（2）无杆腔，从液压缸3（2）有杆腔出来的液压油也分别经过调速阀24（23）和插装阀14（15）重新进入液压缸3（2）无杆腔，