【《全液压模锻锤液压系统设计》18000字】

第第页共38页全液压模锻锤液压系统设计1绪论课题背景及目的模锻锤是通过锤头在下落过程中积累动能然后在极短的时间内将其作用在锻件上，从而使锻件发生塑性形变成为所需要的形状，是一种能够完成各种锻压工艺的定能量的机械设备，在制造业中使用非常广泛且常见。液压传动是广泛应用传动形式，能够实现能量在输入与输出之间进行传递、转换以及控制，其工作介质为液体。与带传动、齿轮传动等其它形式的传动相比，它的优点有效率高，能量大以及控制的自动化的实现相对简单等。全液压模锻锤主要分为锻锤结构和液压系统两部分，其中液压系统又对模锻锤能否实现工作以及工作时的性能起着至关重要的影响，也是影响模锻锤整体性能的重要部分。作为液压系统的五大部分之一，控制系统对液压系统的调节起着非常重要的作用。现有液压锤的控制方式分为多个插装阀共同控制以及通过专门的滑阀或锥阀控制两大类，两者都能控制液压缸上下腔的进油和排油来完成模锻锤的打击与回程。但是，数个插装式锥阀联合控制存在结构复、控制要求较高以及故障率较高等问题；专门的滑阀或锥阀控制结构同样复杂，而且还存在允许通过的油量比较小、阀芯运动时惯性大以及换向时不够灵敏等问题，除此之外，分离式安装时会导致油液沿程损失大、油路复杂，水平安装则容易产生不均匀的磨损[13]。全液压模锻采用液压传动的工作方式，需要能够完成打击、回程等工作循环，这使得模锻锤的液压系统总是在循环的工作周期处于动态过程中，特别是在对击的瞬间通常都会对液压系统产生非常大波动。因此需要对液压系统进行分析以及合理的设计，从而提高模锻锤工作时的性能。因此，我将以全液压模锻锤作为研究对象，对其采液压系统进行设计，并在AMESim软件上将设计的全液压模锻锤液压系统进行仿真，随后分析仿真的结果。使能够该模锻锤正常运行的同时工作部件不会失调，确保在动态过程中工作性能拥有足够的稳定性。国内外研究状况工业在我国的经济发展中发挥着非常重要的作用。在机械、矿山等行业中，模锻件始终发挥着很重要的作用，而模锻件的生产与模锻锤密不可分；在模锻锤的不断发展的历程中出现了气动锤和液压锤两种类型。而液压锤因为模锻时力量大、噪音低、工作寿命长，所以其得到了更普遍的使用。随着工业发展，对模锻件精度等方面的要求也逐渐提高，这导致对模锻锤的要求也不断提高，液气锤的不足之处也被一一发现了，如气体密封效果不是很好，液体与气体产生互串，回弹时会对液压缸产生连续打击，打击时频率比较低等缺点[1]。全液压模锻因为是依靠纯液压驱动，所以完全不存在液体与气体发生互串等问题。从结构上来看，目前大多数的全液压的模锻锤主要分为两种类型，分别是消振锤和对击锤，其中消振锤锤身质量大而且需要相对静止，所以初期建设费用会比较大，而对击锤完成模锻则依靠上下锤头等速对击来实现，但是由于下锤头上跳量大而导致操作起来不方便。全依靠液压传动的锤身微动型模锻锤，除了全液压模锻锤精度高、效率高等优点外，还克服了蒸-空锤的能量损失过大、打击时产生振动较大，以及对击锤操作不方便等缺点[2]。除此之外，锤身微动的结构还能够极大程度上地减少有砧座锤工作时产生的振动，同时减轻了重量，省去了前期的建设费用[3]。全液压模锻锤采用了全液压驱动、液压联动的驱动形式；由锤身微动与上锤头对击来完成模锻，锤身由一个联通缸控制，而联通缸的运动则是由上锤头液压缸通过联结机构来控制，因此，在液压系统中只需对上锤头的液压缸进行控制就能实现模锻，但是在提锤和对模时也需要锤身同时运动，因此在这两个工况下所产生的能耗也比较大[4]。该模锻锤由机身和液压系统组成，对于这样的全液压模锻锤，需要的打击能量和流量都非常大，对精度、稳定性等也有着很高的要求，所以针对该类模锻锤的液压系统所提出的要求日益增加。作为模锻锤动力来源，液压系统除了需要能够使液压锤完成各个工况下的工作循环，如打击、回程等，还需要保证在进行各个工况下的工作时模锻锤能够稳定、高效、高质量地完成模锻任务。因此需要对液压系统进行合理设计，同时研究其工作性能，从而提升模锻锤的工作性能。模锻锤在打击时中通常会产生较大的压力和波动，这些都会在很大程度上影响液压锤的工作稳定性，因此对于该液压系统的设计除了打击能量等静态性能外还需考虑其是否能够满足液压锤传动的高效率、控制的高精度等要求，更应该重视其动态特性，通过对工作过程中的动态特性行研究分析，能够更好地改进该液压系统，从而提高该液压系统控制精度等各个方面的性能。1.2.1国外研究状况液压锤在国外的发展可以追溯到上世纪30年代，但是被那时的液压技术水平所限制，直到60年代，才随着液压技术水平的迅速提高而的到快速的发展。对于现在液压锤的发展情况来说，液压锤在结构、驱动方式等方面都不完全相同，主要还是分为了有砧座和对击式两大类。有砧座的液压锤在结构上基本分为砧座和落锤两部分，液压系统也只需控制安装在落锤上部的液压缸来完成模锻，工作时由落锤下落来对砧座上的模锻件进行打击，是放油打击单动落锤的典型代表。其主要的驱动方式也分为液气驱动和纯液压驱动两种[5]。到了上世纪80年代，随着对模锻锤的要求不断提高，纯液压驱动的模锻锤已完全取代了液气驱动的模锻锤。该类锤以依靠液压系统来控制其上腔的进油和回油来完成对锻件的打击工作[6]。对击式液压锤则与之前的落锤不同，它拥有两个锤，在进行打击时，上锤头下落、下锤头上跳，二者在空中完成对锻件的打击，打击时需要保证二者的动量相等，于是上锤头与下锤头质量的比值来调整两个锤头打击时的速度，于是将其分为了等速和下锤头小行程两种对击形式，锤身微动型便是下锤头小行程对击锤的一直典型代表。由于二者在空中完成打击，因此对于砧座的要求不高，在工作时产生的振动也相对来说比较小[7]。等速对击液压锤按照联动方式主要可以分为两种类型，分别是钢带联动式和液压联动式，其中，钢带联动因磨损问题相对严重而导致使用寿命不高，因此更适用于中小型模锻锤，液压联动锤虽然结构可靠但是却十分复杂，所以常被用于大中型对击模锻锤[6]。下锤头小行程对击锤的种类比较多，顾名思义，该类对击锤的下锤头在打击时虽然也会上跳但上跳的行程远小于上锤头下落的行程，一般通过放油来完成打击；一旦进行打击，有杆腔将油液排出，无杆腔的被压缩的气体随之开始膨胀，上锤头依靠自重及膨胀气体的共同作用下快速向下运动，下锤头同时会实现比较小的上跳[8]。拉斯科公司则制造了一种新型的液压锤，该锤由全液压驱动，打击时采用差动连接的回路，从而加快液压缸的运动，锤头快速下降，完成打击。打击完成后，无杆腔与油箱相接，与有杆腔的连接中断，锤头受到有杆腔的恒压的液压油的作用快速完成回程[6]。全液压锤通过液压驱动，与液气锤相比，该方式动态响应所需时间更短、打击时产生的能量更大、节能高效更好，还解决了液气锤液体与气体发生互串、闷模时间过于长、回程的速度比较慢等不足[9]。1.2.2国内研究状况早在半个世纪前，我国就开始对蒸-空模锻锤改造，研究起了液压模锻锤的制造。液压模锻锤与蒸-空模锻锤相比,有着十分显著的优点:①采用对击来实现模锻,机器本身所需要的重量轻,够用大幅度减少对金属使用；②打击时产生振动小,对环境等基础要求比较低,而且不需要庞大的系统,运输量少,能够节约大量资金；③采用电机-泵直接驱动,传动效率高的同时还利用了重力的作用,能够减少大部分的能耗；④可以对打击的能量进行调节，从而减少不必要的能耗；⑤U型的机架,能够减少很大程度的偏载,可另外安装顶出锻件的装置,可以用于高精度的锻造；⑥能用程序对其进行控制,能够实现机械化、自动化的生产；⑦锤头导向精度高,能够生产出高质量、高精度的产品；⑧采用全液压驱动，不会发生排气漏气等现象,故打击时产生的噪声低、振动小[10]。我国对液压模锻锤的改进：（1）改进对工作方式我国液压对击锤早在上世纪七十年代中期就已研制成功，其打击能量为63KJ。该锤通过液气驱动，液压缸的上腔充有压缩气体，闭式的液压回路通过液压泵来进行传动，主要是通过对液压缸的下腔进行控制来完成打击与回程。该锤的打击能力的改变时通过改变锤头下落的高度来实现，用于控制液压缸回程的信号确要在打击结束后才能发出，这样就会导致液压锤闷模的时间比较长以及回弹时会对液压缸进行多次打击等问题。除此之外，由于回程是依靠上腔的压缩气体膨胀开完成，因此存在阻力大、速度较慢、打击频率较低等问题。液气驱动也导致在锤头快速运动是气体密封无法保证，可能会出现液体与气体发生互串的情况[11]。随着液压技术水平的不断提高，纯液压驱动已经完全取代了液气驱动成为了模锻锤的主要驱动方式。这类液压锤控制打击能量的方式是通过改变进入液压缸的流量来实现，工作方式分为进油打击和放油打击两种，因此用程序进行控制也变得更加简单，所生产的锻件质量、精度等方面大大提高，生产效率也有了显著的提升。该锤除了打击时高压油进入液压缸的无杆腔外，其它时候处于卸荷的状态，所以回程速度得到大幅度的提高，泄漏量也大大减小。改进液压元件液压锤的种类各种各样，其上面所使用液压换向阀也多种多样，根据阀芯的种类可以它们大致分为滑阀和锥阀两种类别。滑阀采用的是间隙密封所以密封性相对来说比较差，在阀芯与阀口之间进行密封，但是因为这个密封拥有一定的长度，所以基本上不会发生阀路瞬时导通的情况。锥阀的密封方式则与之不同，采用的是线密封，所以密封性能好而且响应更快，但是需要依靠多个阀联合使用才能实现多路换向，因此换向时很容易导致阀路瞬时导通。因此便有人针对以上问题制造了一种新的换向装置，将两者进行了组合，滑阀的密封长度被缩短了，但是死区依然存在，所以不会发生阀路间瞬时导通；同时用锥阀来完成工作时的密封，获得其良好的密封性能[12]。文献[12]公开了一种用于液压锤上的换向装置及其使用方法。阀芯和阀芯活塞组合依靠螺纹连接进行组合;密封面采用锥形的设计，在工作时依靠线密封进行密封，不仅减小了油液泄漏量，也提高了容积效率；因为滑阀密封长度的存在，工作时互锁阀路间的导通的情况不会发生，从而使得系统工作更可靠，避免不必要的能量损失[12]。（3）改进液压控制系统作为液压系统的五大部分之一，控制系统对液压系统的调节起着非常重要的作用。现有液压锤的控制方式分为多个插装阀共同控制以及通过专门的滑阀或锥阀控制两大类，两者都能控制液压缸上下腔的进油和排油来完成模锻锤的打击与回程。但是，数个插装式锥阀联合控制存在结构复、控制要求较高以及故障率较高等问题；专门的滑阀或锥阀控制结构同样复杂，而且还存在允许通过的油量比较小、阀芯运动时惯性大以及换向时不够灵敏等问题，除此之外，分离式安装时会导致油液沿程损失大、油路复杂，水平安装则容易产生不均匀的磨损[13]。1.3未来改进方向与发展趋势本设计通过对全液压模锻锤的液压系统进行设计与分析，为全液压模锻锤的控制提供一种方式。根据液压系统和电路对模锻锤进行控制，使模锻锤工作时的控制起来更加简单，从而提高生产效率。综合国内外模锻锤的现状，全液压模锻锤系统在未来将朝着以下几个方向发展：（1）对液压系统中的元件进行改进，从而提升液压系统的性能。从模锻锤的发展历史可以看出，液压技术的水平往往能够决定液压设备的发展水平；因此性能更好的液压元件更能有效的提升液压系统的总体性能，可以通过对液压元件进行改进来提高模锻锤的工作性能。（2）智能化。通过液压回路电路共同作用对全液压模锻锤打击时的压力和速度进行控制，来使其对液压模锻锤的控制更加准确，从而提高模锻件的精度；也可以使模锻锤不断的进行循环打击直到完成模锻，减少工作时的操作步骤从而提高模锻时的效率。（3）提高液压系统合理性。除了提高液压系统的工作性能外，还可以设计出更加方便维修与零件更换的液压系统，从而提高模锻锤的使用寿命，减少模锻的成本。改变打击方式。从下落打击到等速对击再到锤身微动的对击，打击的方式在不断地发展，打击时的动能也在逐渐增加。模锻锤的功率也越来越大，液压模锻锤的泄露、噪音等问题也会越来越明显，因此，选择合适的打击方式也是提高全液压模锻锤性能的方式之一。1.4研究内容本文主要研究锤身微动型全液压模锻锤的液压系统，使锤身微动全液压模锻锤正常运行和工作部件不失调，保证动态过程中工作性能的稳定性。主要从以下几个方面展开研究：①明确液压系统使用要求，进行工况分析②液压系统方案设计③液压系统的主要参数计算④液压元件的计算与选型⑤液压系统性能验算⑥使用FluidSim4.5绘制液压系统图和动作电路图、编制技术文件⑦使用AMESim软件对液压系统进行建模与仿真2全液压模锻锤液压系统设计2.1全液压模锻锤设计要求2.1.1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。2.1.2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。2.1.3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。2.2全液压模锻锤液压系统总体设计2.2.1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。2.2.2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。2.2.3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2.3全液压模锻锤液压系统运动以及负载分析2.3.1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。2.3.2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0.212s2.3.3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。2.3.4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。2.4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。2.5液压原理图及电路图图2.1液压系统原理图图2.2动作电路图2.6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2.1和图2.2所示。2.6.1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2.6.2模锻锤液压系统工作分析图2.1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，形成差动连接，从而提升活塞杆下降的速度。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13→插装阀10→单向阀1（20）→调速阀25（26）→液压缸3（2）无杆腔；回油路：液压缸3（2）有杆腔→调速阀23（22）→插装阀14（15）→液压缸3（2）无杆腔；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、7、9、11、13；回油路：插装阀8、10、12、14、15→电磁换向阀17、18→油箱。（4）回程电磁铁2Y、3Y2通电，电磁换向阀17和18右位同时接入系统，压力油经过插装阀11、8以及调速阀23（24）分别进入液压缸2（3）的有杆腔，从液压缸2（3）的无杆腔出来的液压油经过单向阀22（21）、插装阀13回到油箱。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11→插装阀8→调速阀23（24）→液压缸2（3）有杆腔；回油路：液压缸2（3）无杆腔→单向阀22（21）→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、7、9、12、14、15；回油路：插装阀8、10、11、13→电磁换向阀17、18→油箱。（5）悬锤当观察到模锻完成或者遇到紧急情况时，断开打击回程开关，电磁铁全部断电，电磁换向阀回复到原位。液压缸2、3两腔封闭，上锤头和锤身立即停止运动。此时系统中液压油既不流入液压缸，也不会流出液压缸，从而使模锻锤不进行位移。根据该液压系统动作循环，判断电磁铁通断电和控制阀工作状态如下表2-9所示。表2-9电磁铁和控制阀动作顺序表输出状态工序电磁铁动作状态（+/-）控制元件工作状态1Y2Y3Y13Y2电磁换向阀16电磁换向阀17电磁换向阀18寸动对模+右位左位中位打击-++-左位右位左位回程-+-+左位右位右位提锤+左位左位右位悬锤左位左位中位3液压元件计算与选型3.1执行元件主要参数计算与选择3.1.1液压缸参数计算（1）初定液压缸工作压力根据运动循环各阶段中最大负载力（见下表3-1）来确定。表3-1按负载选执行元件的工作压力负载/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作压力/MPa≤0.8~11.5~22.5~33~44~5>5工作压力20MPa背压1MPa。（2）液压缸选型缸筒内径D一般通过对负载和工作压力计算来确定（查表选取标准值）：以无杆腔作工作腔时（3-1）以有杆腔作工作腔时（3-2）因为两个液压缸都是无杆腔为工作腔，所以液压缸的内径均使用公式（3-1）进行计算：液压缸2的内径（3-3）液压缸3的内径（3-4）根据计算出来的上述相关数据，查阅表3-2，选取合适的液压缸。表3-2HSG工程液压缸的技术规格型号缸径/mm杆径/mm推力和拉力行程范围/mmφ=2推力/Nφ=2时拉力/NHSG*01-50/d*E50323140015010600HSG*01-63/d*E63454987024430800HSG*01-80/d*E805580424424102000HSG*01-90/d*E9063101790519002000HSG*01-100/d*E10070125660640604000HSG*01-110/d*E11080152050716004000HSG*01-125/d*E12590196350945004000HSG*01-140/d*E1401002463001206004000HSG*01-150/d*E1501052827401442804000因此上锤头液压缸选用HSG*01-63/d*E（φ=2），锤身液压缸选用HSG*01-150d*E（φ=2）。3.1.2液压泵性能参数计算（1）确定液压泵的工作压力（3-5）其中pp为液压泵工作时的最大压力、p1液压系统最高工作压力，∑△p为总压力损失，在管路简单或依靠节流调速的液压系统中取0.2~0.5MPa，在管路复杂或依靠调速阀调速的系统取中0.5~1.5MPa。常用中、低压各类阀的压力损失如下表3-3所示。表3-3常用中、低压各类阀的压力损失阀名调速阀节流阀顺序阀换向阀背压阀单向阀△p/MPa0.3~0.50.2~0.30.15~0.30.15~0.30.3~0.80.03~0.05根据液压原理图计算压力损失（3-6）（2）系统最大流量的确定本液压系统有两个执行器即双作用活塞缸，因此选择泵时应按工作缸的最高进给速度来选取，所以液压泵流量规格可恰当选小一些。全液压模锻锤打击时形成差动连接，有效作用面积为活塞杆面积A1,最大速度为上锤头打击终了的速度v1，由于q1=v1A1，则有打击时最大流量：（3-7）（3-8）（3-9）回程时，工作缸上腔接通油箱，有效作用面积为活塞环形面积，工作缸环形面积乘以回程行程S1除以回程时间t2及容积效率η即可得到回程的流量为：（3-10）（3-11）（3-12）取二者最大流量qmax=q总=906L/min此处的最大流量为工作缸所需最大流量，工作缸与泵出口之间还有其他液压元件及管路，因此应该考虑一定的泄漏：(3-13）式中:Qp——泵的输出流量(L/min)；K——液压系统的泄漏系数,通常在1.1~1.3之间，在此处取1.1；Qmax——实际执行元件所需的最大流量(L/min)。（3-14）单个泵的流量：（3-15）（3）选择液压泵的规格根据下表选取液压泵的型号表3-4A7V斜轴式变量泵的技术规格（节选）型号排量/（mL/r）工作压力/MPa最高转速/（mL/r）最大功率/KW最大最小额定最高n1n2n1n2A7V808023.1354022402750123136A7V10710730.820002450125153A7V117117023002650161181A7V16016046.217502100163196A7V250250015001850218270A7V355355013201650273342A7V500500012001500350437因此选取型号为A7V500斜轴式变量泵。（4）确定驱动液压泵的电动机功率在液压泵压力和流量都十分稳定时，该液压系统中的电动机功率为：P=ppqpηp液压泵的总效率ηp参考下表3-5。表3-5液压泵的总效率液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率ηp0.6~0.70.65~0.800.60~0.750.80~0.85计算后取P=218KW3.2液压元件计算与选择3.2.1控制阀选择根据该液压系统工作时的最高压力以及实际流量来对标准元件进行选取。液压系统最高压力为21MPa。所以控制阀的选择如下表3-6：表3-6控制阀选型序号元件名称型号4、5、7~12二通插装阀LC40A40E206、13、14、15二通插装阀LC25A40E2016、17二位四通换向阀24DO-H6B-T18三位四通换向阀34DO-H6B-T19~22单向阀DF80-L-M0123~26调速阀Q-F16D-P27~29溢流阀YF-L10K3.2.2油管选择油管内径（3-17）油管壁厚δ≥pd2σ（3-其中p为管内最大工作压力，[σ]=σb/n，σ为材料许用应力，σb为材料抗拉强度，n为安全系数，当p<7MPa、p<17.5MPa、p>17.5MPa时，分别取n=8、6、4。在本设计中取σb=410MPa，n=4。表3-7管道直径尺寸确定项目q最大流量(L/min)v允许流速(m/s)内径(mm)壁厚(mm)吸油管路498.3273δ≥7.48回油管路488272δ≥7.38高压油管路9062.587δ≥8.91根据计算出的油管参数，查表3-8，悬着标准规格油管。表3-8钢管主要参数（部分）公称通径DN/mm外径/mm管接头连接螺纹/mm壁厚/mm(公称压力PN/MPa)推荐流量/(L/min)2534M33×24.51603242M42×252504050M48×25.54005063M60×26.56306575M60×2810008090M60×2101250100120M60×2102500根据上述相关数据，结合表3-8，在本设计中，进油路和回油路管路均选取公称通径为80mm的无缝钢管，高压油路则选择公称通径为100mm的无缝钢管。3.2.3油箱设计（1）液压系统发热计算1）液压泵发热功率由于模锻锤液压系统在工作时需要完成打击与回程两个工序，因此需要分别计算这两个工序发热功率，从而求出其平均发热功率HP：（3-19）式中：P——液压泵的输入功率，（3-20）ɳP——液压泵的总效率，这里取0.8；p——液压泵实际出口压力（Pa）；T——工作循环周期（s）；Q——液压泵的实际流量（m3/s）；t——工序的工作时间（s）；i——工序的次序。经过计算的到P1≈218006W，P2=54250W，（3-21）液压阀的发热功率当液压泵中的液压油全部经过溢流阀返回油箱时，液压阀的发热功率最大。（3-22）式中pV——溢流阀调整压力（Pa）QV——流经液压阀的流量（m3/s）。计算得HV=16610W。系统总发热功率（3-23）油箱容积计算根据机械允许最高油温和环境温度，当油箱所允许的最高温度为Tr时，该油箱的需要的最小散热面积Amin：（3-24）式中T0——环境温度（K）；K——油箱的传热系数k/[W/（m2•℃）]，在本设计中选择循环水强制冷却，可以近似取150。当油箱各边长的比值在1：1：1到1：2：3之间，油液全部回到油箱是液面高度达到油箱的80%时，当冷却后能够满足系统温度比Tr低时，公式（3-25）能够对其散热面积进行计算：（3-25）式中V——油箱的有效容积（m3）；A——油箱的散热面积（m2）。采用循环水强制冷却，此时k取150，计算得Amin≈5.414m2，则Vmin≈0.733m3=733L。最后选择油箱容量的优先系列选择油箱容量为800L。3.2.4滤油器选择滤油器的选择，首先要考虑的便是对过滤精度的选择，根据表3-9选择合适的过滤精度。表3-9滤油器过滤精度的选择类别过滤精度/μm类别过滤精度/μm系统低压系统100~150元件滑阀1/3最小间隙7MPa系统50节流孔1/7孔径（孔径小于1.8mm）10MPa系统25流量控制阀2.5~3014MPa系统10~15溢流阀15~25电液伺服系统5高精度伺服系统2.5查表3-9，选择纸质过滤器，过滤精度为10μm。具体型号如表3-10所示。表3-10高压管式纸质过滤器技术性能（部分）型号流量/(L/min)额定压力/MPa过滤精度/μm通径/mm初始压力降/MPa重量/kgZU-H250×10FS2503210Φ380.1524ZU-H250×20FS25020ZU-H400×10FS40010Φ500.232ZU-H400×20FS40020ZU-H630×10FS63010Φ5336ZU-H630×2FS63020根据上述数据，结合表3-10，在本设计中，选取型号为ZU-H630×10FS纸质过滤器。3.3液压系统压力损失验算（1）油液流动状态确定雷诺数：（3-26）式中：v——油液的平均流速（m/s）；d——油管的直径（m）；µ——油液的运动粘度（cm2/s）；q——通过的油液流量（m3/s）。将相关数据代入式（3-26）中，得：吸油路雷诺数（3-27）高压油管路（3-28）回油管路（3-29）由上可知，吸油路和回油路的油液流动均为过渡区，高压油管路中则为紊流光滑区。为了方便计算，均按照紊流光滑区公式进行计算。（2）沿程压力损失计算在进油路上，流速：（3-30）将相关数据代入式（3-30）中对流速进行计算，得：，v2=1.92，v3=1.61。则压力损失为：（3-31）将相关数据代入式（3-31）中，得：（3）局部压力损失计算①阀类元件的压力损失阀类元件压力损失大致范围如表3-3所示。各阀压力损失均按表中的最大值来计算：进油路阀类元件局部压力损失为：（3-32）回油路阀类元件局部压力损失为：（3-33）②集成块内油路的压力损失集成块内油路的压力损失与油管的安装有关，在本次设计中，均取0.05MPa。（4）系统总压力损失计算系统的总压力损失：（3-34）将相关数据代入式（3-34）中，则：进油路总压力损失0.13×2+1.05+0.05=1.36MPa回油路总压力损失=0.13+0.05+0.05=0.23MPa综上所述，打击回程工况下系统内各种实际压力损失均处于适合的范围内，故液压系统的元件参数是合理的，能满足使用要求。4全液压模锻锤AMESim模型建立4.1仿真意义及仿真软件介绍对于一个液压系统的性能的研究，除了静态性能之外还需对动态性能进行更进一步的分析，而前面对液压系统的设计分析都是对其的静态性能进行考虑，因此还需要通过仿真来对所设计的液压系统的动态性能进行研究，通过观察仿真的结果来验证该液压系统的设计是否在动态性能上也能满足设计的要求。目前的仿真软件种类很多，而我这次选择的便是AMESim。该仿真软件进行仿真时总过需要经过5个步骤：.草图模式：将仿真所需要的元件从不同的元件库中选取拖入工作界面，然后将各个元件按照设计要求连接在一起；若是需要元件库中没有的元件，还能通过对元件库中的液压元件液压元件进行组合来搭建一个新的元件。子模型模式：对不同的元件使用不同的数学模型，每个子模型都有各自的特点，因此需要根据需求选择正确的子模型。参数模式：按照设计的内容对选中的元件进行参数设计。仿真模式：设置仿真的时间、步长等参数，然后便可以点击仿真；若是参数设计存在问题则会提示仿真失败，需要对参数进行重新设计。仿真结果：仿真完成后，点击需要观察的元件，将所需要观察的数据拖入工作界面，便能对其仿真过程中的数据变化进行观察来分析该液压系统的动态性能。4.2插装阀建模与仿真由于模锻锤的打击能量很大，所以工作时的流量个压力都很大，而一般的换向阀并不适用高压大流量的控制，因此需要利用插装阀和先导换向阀进行组合使用，所以该液压系统中采用了比较多的二通插装阀。该阀具有阻力小、允许通过的流量大、响应时间短等优点。进入液压缸的高压油也全部经过插装阀，因此需要确保插装阀的拥有良好的动态性能，所以需要对其进行仿真。但是由于AMESim的元件库中并没有插装阀的元件，因此我们需要根据其原理来进行建模。二通插装阀有三个接口，一个接入控制的压力油，另外两个则组成一条可以通断的油路；一旦控制油口进入了压力油，另两个接口组成的油路便会在压力的作用下闭合；当控制口中没有压力油时，油路便会导通。根据上述原理搭建的插装阀元件模型如下图4.1所示：图4.1插装阀仿真模型在完成好对插装阀的仿真模型建立之后，为了观察其动态性能，于是将其放入一个简单的液压回路中进行仿真。该液压回路如下图4.2所示：图4.2插装阀动态性能仿真回路其主要参数设计如下表4-1所示：表4-1主要参数设置元件名称参数内容数值插装阀阀芯质量/kg1.33弹簧刚度/（N·m-1）54.6主阀通径/mm40液压泵排量/（mL·r-1）800电动机转速/（r·min-1）1500溢流阀溢流压力/MPa22先导伺服阀阻尼比0.8固有频率/Hz40其仿真结果如下图4.3所示：图4.3插装阀性能仿真结果当控制阀电信号为正时，油液进入进入控制腔，所以存在一定大小的压力，而此时插装阀处于断路，所以出口压力为0，当控制阀信号为负时，油液从控制腔经过控制阀回到油箱，而此时插装阀通路，因此出口压力不为0。根据仿真的结果来看，该插装阀的启闭特性较好。4.3模锻锤液压系统模型的建立该模锻锤主要工作分为打击与回程两个工况，而且上锤头和锤身在这两个工况下的运动类型基本一致，因此采取分别对其的打击与回程进行仿真，但是由于在这两种工况下二者的液压回路基本一样，所以接下来的液压仿真回路将以上锤头为例。4.3.1打击回路模型建立与仿真打击回路的模型建立图4.4打击回路仿真模型其中，插装阀的参数设置如表4-1所示，打击时其它元件的主要参数设置如下表4-2所示：表4-2打击液压系统参数设计元件名称参数名称参数值信号源循环次数1循环时间/s0.25开始输出信号40结束输出信号40伺服阀电流/mA40固有频率/Hz40阻尼比0.8溢流阀1开启压力/MPa21溢流阀2开启压力/MPa25参数设置完成后，点击仿真，仿真结束后将液压缸的速度与位移图拖入工作仿真结果如下图4.5所示：图4.5液压缸位移、速度变化图根据图中的变化曲线可以看出，在到达0.23s秒时液压缸基本都到达了指定位置，打击速度也与设计相差不大，因此该液压系统的打击回路基本符合设计要求。4.3.2回程回路模型建立与仿真回程回路的模型建立图4.6回程回路仿真模型其中，插装阀的参数设置如表4-1所示，回程时其它元件的主要参数设置如下表4-3所示：表4-3回程液压系统参数设计元件名称参数名称参数值信号源循环次数1循环时间/s0.8开始输出信号40结束输出信号40伺服阀电流/mA40固有频率/Hz40阻尼比0.8溢流阀1开启压力/MPa21