液压传动课程-压力机液压系统设计

安徽建筑工业学院液压传动设计说明书设计题目压力机液压系统设计机电工程学院班设计者2010年4月10日液压传动任务书11.液压系统用途（包括工作环境和工作条件）及主要参数：单缸压力机液压系统，工作循环：低压下行→高压下行→保压→低压回程→上限停止。自动化程度为半自动，液压缸垂直安装。最大压制力：20×106N；最大回程力：4×104N；低压下行速度：25mm/s；高压下行速度：1mm/s；低压回程速度：25mm/s；工作行程：300mm；液压缸机械效率0.9。2.执行元件类型：液压缸3.液压系统名称：压力机液压系统。设计内容1.拟订液压系统原理图；2.选择系统所选用的液压元件及辅件；3.设计液压缸；4.验算液压系统性能；5.编写上述1、2、3和4的计算说明书。压力机液压系统设计21压力机的功能液压机是一种利用液体静压力来加工金属、塑料、橡胶、木材、粉末等制品的机械。它常用于压制工艺和压制成形工艺，如：锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、翻边、薄板拉深、粉末冶金、压装等等。液压机有多种型号规格，其压制力从几十吨到上万吨。用乳化液作介质的液压机，被称作水压机，产生的压制力很大，多用于重型机械厂和造船厂等。用石油型液压油做介质的液压机被称作油压机，产生的压制力较水压机小，在许多工业部门得到广泛应用。液压机多为立式，其中以四柱式液压机的结构布局最为典型，应用也最广泛。图1.1所示为液压机外形图，它主要由充液筒、上横梁2、上液压缸3、上滑块4、立柱5、下滑块6、下液压缸7等零部件组成。这种液压机有4个立柱，在4个立柱之间安置上、下两个液压缸3和7。上液压缸驱动上滑块4，下液压缸驱动下滑块6。为了满足大多数压制工艺的要求，上滑块应能实现快速下行→慢速加压→保压延时→快速返回→原位停止的自动工作循环。下滑块应能实现向上顶出→停留→向下退回→原位停止的工作循环。上下滑块的运动依次进行，不能同时动作。图1.1液压机外形图1－充液筒；2－上横梁；3－上液压缸；4－上滑块；5－立柱；6－下滑块；7－下液压缸；8－电气操纵箱；9－动力机构32压力机液压系统设计要求设计一台压制柴油机曲轴轴瓦的液压机的液压系统。轴瓦毛坯为：长×宽×厚=365mm×92mm×7.5mm的钢板，材料为08Al，并涂有轴承合金；压制成内径为Φ220mm的半圆形轴瓦。液压机压头的上下运动由主液压缸驱动，顶出液压缸用来顶出工件。其工作循环为：主缸快速空程下行慢速下压快速回程静止顶出缸顶出顶出缸回程。液压机的结构形式为四柱单缸液压机。3压力机液压系统工况液压机技术参数：（1）主液压缸（a）负载压制力：压制时工作负载可区分为两个阶段。第一阶段负载力缓慢地线性增加，达到最大压制力的10%左右，其上升规律也近似于线性，其行程为90mm（压制总行程为110mm）第二阶段负载力迅速线性增加到最大压制力18×105N，其行程为20mm。回程力（压头离开工件时的力）：一般冲压液压机的压制力与回程力之比为5～10，本压力机取为5，故回程力为Fh=3.6×105N。移动件（包括活塞、活动横梁及上模）质量＝3058kg。（在实际压力机液压系统的设计之前，应该已经完成压力机的结构设计，这里假设已经设计完成压力机的机械结构，移动件的质量已经得到。）（b）行程及速度快速空程下行：行程Sl=200mm，速度v1＝60mm/s；工作下压：行程S2=110mm，速度v2＝6mm/s。快速回程：行程S3=310mm，速度v3＝53mm/s。（2）顶出液压缸（a）负载：顶出力（顶出开始阶段）Fd＝3.6×105N，回程力Fdh=2×105N。4（b）行程及速度；行程L4=120mm，顶出行程速度v4＝55mm/s，回程速度v5＝120mm/s。液压缸采用V型密封圈，其机械效率ηcm＝0.91。压头起动、制动时间：0.2s。设计要求。本机属于中小型柱式液压机，有较广泛的通用性，除了能进行本例所述的压制工作外，还能进行冲孔、弯曲、较正、压装及冲压成型等工作。对该机有如下性能要求：（a）为了适应批量生产的需要应具有较高的生产率，故要求本机有较高的空程和回程速度。（b）除上液压缸外还有顶出缸。顶出缸除用以顶出工件外，还在其他工艺过程中应用。主缸和顶出缸应不能同时动作，以防出现该动作事故。（c）为了降低液压泵的容量，主缸空程下行的快速行程方式采用自重快速下行。因此本机设有高位充液筒（高位油箱），在移动件快速空程下行时，主缸上部形成负压，充液筒中的油液能吸入主缸，以补充液压泵流量之不足。（d）主缸和顶出缸的压力能够调节，压力能方便地进行测量。（e）能进行保压压制。（f）主缸回程时应有顶泄压措施，以消除或减小换向卸压时的液压冲击。（g）系统上应有适当的安全保护措施。4确定压力机液压缸的主要参数（1）初选液压缸的工作压力（a）主缸负载分析及绘制负载图和速度图液压机的液压缸和压头垂直放置，其重量较大，为防止因自重而下滑；系统中设有平衡回路。因此在对压头向下运动作负载分析时，压头自重所产生的向下作用力不再计入。另外，为简化问题，压头导轨上的摩擦力不计。惯性力；快速下降时起动5Faz=mΔvΔt=3058×0.0600.2=917N快速回程时起动与制动Fas=mΔvΔt=3058×0.0530.2=810N压制力：初压阶段由零上升到F1=1.8×106N×0.10=1.8×105N终压阶段上升到F2=1.8×106N循环中各阶段负载见表1.1，其负载图见图1.2a。表1.1主缸的负载计算工作阶段负载力FL（N）液压缸推力LcmFF（N）液压缸工作压力（Pa）11()LLcmFpPA（回程时22LcmFpA）快速下行起动FL=Fa下=917100812533等速FL=000压制初压FL=1.8×1051.98×1052.46×106终压FL=1.8×1061.98×10624.6×106快速回程起动FL=F回=3.6×1053.96×10521×106等速FL=mg=30000329671.75×106制动FL=mg-Fa下=30000-810=29190320771.7×106注：表1.1中的液压缸工作压力的计算利用了后续液压缸的结构尺寸。运动分析：根据给定条件，空载快速下降行程200mm，速度60mm/s。压制行程110mm，在开始的90mm内等速运动。速度为6mm/s，最后的20mm内速度均匀地减至零，回程以53mm/s的速度上升。利用以上6数据可绘制出速度图，见图1.2b。a压力机液压系统负载图b压力机液压缸运动速度图图1.2液压机主液压缸负载和速度图（2）确定液压缸的主要结构参数根据有关资料，液压机的压力范围为20~30MPa，现有标准液压泵、液压阀的最高工作压力为32MPa，如选此压力为系统工作压力，液压元件的工作性能会不够稳定，对密封装置的要求以较高，泄漏较大。参考系列中现已生产的其它规格同类液压机（如63、100、200、300吨液压机）所采用的工作压力，本机选用工作压力为25×106Pa。液压缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。（a）主缸的内径DD=4Fηcmπp=4×1.8×1060.91×π×25×106=0.317m=317mm按标准取D=320mm（b）主缸无杆腔的有效工作面积A1A1=π4D2=π4×0.322=0.0804m2=804cm2（c）主缸活塞杆直径dd=D2-4Fhηcmπp=0.322-4×3.6×1050.91×π×25×106=0.287m=287mm按标准值取d=280mm7D-d＝320–280＝40mm＞允许值12.5mm（据有关资料，（D–d）小于允许值时，液压缸会处于单向自锁状态。）（4）主缸有杆腔的有效工作面积A2A2=π4（D2–d2）=π4×（0.322–0.282）=0.01885m2=188.5cm2（d）主缸的工作压力活塞快速下行起动时p1=FηcmA1=9170.91×0.0804=12533Pa初压阶段末p1=FηcmA1=1.8×1050.91×0.0804=2.46×106Pa终压阶段末p1=FηcmA1=1.8×1060.91×0.0804=24.6×106Pa活塞回程起动时p2=FηcmA2=3.6×1050.91×0.01885=21×106Pa活塞等速运动时p2=FηcmA2=300000.91×0.01885=1.75×106Pa回程制动时p2=FηcmA2=291900.91×0.01885=1.7×106Pa（e）液压缸缸筒长度液压缸缸筒长度由活塞最大行程、活塞长度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定。其中活塞长度B=（0.6~1.0）D；导向套长度A=（0.6~1.5）d。为了减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20～30倍。（3）计算液压缸的工作压力、流量和功率（a）主缸的流量快速下行时q1=A1v1=804×6=4824cm3/s=289.4L/min工作行程时q2=A2v2=804×0.6=482cm3/s=28.9L/min快速回程时q3=A3v3=183.5×5.3=999cm3/s=59.9L/min（b）主缸的功率计算快速下行时（起动）：P1=p1q1=12533×4824×10-6=60.46W工作行程初压阶段末：P2=p2q2=2.46×106×482×10-6=1186W终压阶段：此过程中压力和流量都在变化，情况比较复杂。压力p在最后20mm行程内由2.46MPa增加到24.6MPa，其变化规律为8p=2.46+24.6-2.4620S=2.46+1.11S（MPa）式中S——行程（mm），由压头开始进入终压阶段算起。流量q在20mm内由482cm3/s降到零，其变化规律为q=482（1－S20）（cm3/s）功率为P=pq=482×（2.46+1.11S）×（1－S20）求其极值，∂P∂S=0得S=8.9（mm）此时功率P最大Pmax=482×（2.46+1.11×8.9）×（1－8.920）=3300.8W=3.3kW快速回程时；等速阶段P=pq=1.75×106×999×10-6=1.748kW起动阶段：此过程中压力和流量都在变化，情况也比较复杂。设启动时间0.2秒内作等加速运动，起动阶段活塞行程为S=0.5vt=0.5×5.3×0.2=5.3mm在这段行程中压力和流量均是线性变化，压力p由21MPa降为1.75MPa。其变化规律为p=21–21-1.755.3S=21–3.6S（MPa）式中S——行程（mm），由压头开始回程时算起。流量q由零增为999cm3/s，其变化规律为q=9995.3S=188S（cm3/s）功率为P=pq=188S（21–3.6S）求其极值，∂P∂S=0得S=2.9（mm），此时功率P最大Pmax=188×2.9×（21–3.6×2.9）=5755W=5.76kW由以上数据可画出主液压缸的工况图（压力循环图、流量循环图和功率循环图）见图1.3。（c）顶出缸的内径DdDd=4Fdηcmπp=4×3.6×1060.91×π×25×106=1419m=142mm按标准取Dd=150mm9a压力循环图b流量循环图c功率循环图图1.3主液压缸工况图5拟订压力机液压系统原理图（1）确定液压系统方案液压机液压系统的特点是在行程中压力变化很大，所以在行程中不同阶段保证达到规定的压力是系统设计中首先要考虑的。确定液压机的液压系统方案时要重点考虑下列问题：（a）快速行程方式液压机液压缸的尺寸较大，在快速下行时速度也较大，从工况图看出，此时需要的流量较大（289.4L/min），这样大流量的油液如果由液压泵供给；则泵的容量会很大。液压机常采用的快速行程方式可以有许多种，本机采用自重快速下行方式。因为压机的运动部件的运动方向在快速行程中是垂直向下，可以利用运动部件的重量快速下行；在压力机的最上部设计一个充液筒（高位油箱），当运动部件快速下行时高压泵的流量来不及补充液压缸容积的增加，这时会形成负压，上腔不足之油，可通过充液阀、充液筒