哈工大-液压大作业-压力机液压系统设计

哈尔滨工业大学液压传动大作业设计说明书设计题目压力机液压系统设计机电工程学院1308XXX班设计者XXX201X年XX月XX日流体控制及自动化系哈尔滨工业大学液压传动大作业任务书学生姓名XXXX班号1308XXX学号11308XXXXX设计题目压力机液压系统1.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：380×104N；最大回程力：76×104N；低压下行速度：40mm/s；高压下行速度：3mm/s；低压回程速度：40mm/s；工作行程：600mm。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。指导教师签字教研室主任签字年月日签发一、工况分析1.主液压缸（1）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3.8×106N，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=7.6×105N。因移动件质量未知，参考其他液压机取移动件（包括活塞、活动横梁及上模）质量＝3000kg。（2）行程及速度快速空程下行：行程Sl=490mm，速度v1＝40mm/s；工作下压：行程S2=110mm，速度v2＝3mm/s。快速回程：行程S3=600mm，速度v3＝40mm/s。2.顶出液压缸（1）负载：顶出力（顶出开始阶段）Fd＝3.6×105N，回程力Fdh=2×105N。（2）行程及速度；行程L4=120mm，顶出行程速度v4＝40mm/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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）主缸和顶出缸的压力能够调节，压力能方便地进行测量。（5）能进行保压压制。（6）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。（7）系统上应有适当的安全保护措施。二、初定液压执行元件的基本参数1.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Faz=mΔvΔt=3000×2.0040.0=600N快速回程时起动与制动Fas=mΔvΔt=3000×2.0040.0=600N压制力：初压阶段由零上升到F1=3.8×106N×0.10=3.8×105N终压阶段上升到F2=3.8×106N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）快速下行起动FL=Fa下=600659等速FL=00压制初压FL=3.8×1054.18×105终压FL=3.8×1064.18×106快速回程起动FL=F回=7.6×1058.35×105等速FL=mg=3000032967制动FL=mg-Fa下=30000-600=2940032308运动分析：根据给定条件，空载快速下降行程490mm，速度40mm/s。压制行程110mm，在开始的90mm内等速运动。速度为3mm/s，最后的20mm内速度均匀地减至零，回程以40mm/s的速度上升。利用以上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。1）主缸的内径DD=4Fηcmπp=mm461m461.010*25**91.010*8.3*466按标准取D=500mm2）主缸无杆腔的有效工作面积A1A1=π4D2=π4×0.502=0.1963m2=1963cm23）主缸活塞杆直径dd=D2-4Fhηcmπp=mm455m455.010*25**91.010*6.7*45.0652按标准值取d=400mmD-d＝500–400＝100mm＞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×（0.502–0.402）=0.0707m2=707cm25）主缸的工作压力活塞快速下行起动时p1=FηcmA1=pa8.33581963.0*91.0600初压阶段末p1=FηcmA1=Mpa13.21963.0*91.010*8.35终压阶段末p1=FηcmA1=Mpa27.211963.0*91.010*8.36活塞回程起动时p2=FηcmA2=Mpa81.110707.0*91.010*6.75活塞等速运动时p2=FηcmA2=Mpa47.00707.0*91.030000回程制动时p2=FηcmA2=Mpa46.00707.0*91.0294006）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1）主缸的流量快速下行时q1=A1v1=1963×4=7852cm3/s=471.1L/min工作行程时q2=A1v2=1963×0.3=588.9cm3/s=35.33L/min快速回程时q3=A2v3=707×4=2828cm3/s=169.68L/min2）主缸的功率计算快速下行时（起动）：P1=p1q1=3358.8×7852×10-6=26.37W工作行程初压阶段末：P2=p2q2=2.13×106×588.9×10-6=1254.4W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2.13MPa增加到21.27MPa，其变化规律为p=2.13+2013.227.21S=2.13+0.96S（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471.1cm3/s降到零，其变化规律为q=471.1（1－S20）（cm3/s）功率为P=pq=471.1×（2.13+0.96S）×（1－S20）求其极值，∂P∂S=0得S=8.89（mm）此时功率P最大Pmax=471.1×（2.13+0.96×8.89）×（1－2089.8）=2790.8W=2.8kW快速回程时；等速阶段P=pq=0.175×106×999×10-6=0.175kW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=0.5×40×0.2=4mm在这段行程中压力和流量均是线性变化，压力p由21MPa降为0.47MPa。其变化规律为p=21–447.021S=21–5.1S（MPa）式中S——行程（mm），由压头开始回程时算起。流量q由零增为2828cm3/s，其变化规律为q=42828S=707S（cm3/s）功率为P=pq=707S（21–5.1S）求其极值，∂P∂S=0得S=2.1（mm），此时功率P最大Pmax=707×2.1×（21–5.1×2.9）=9220W=9.22kW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。3）顶出缸的内径DdDd=4Fdηcmπp=6510*25**91.010*6.3*40.1419m=142mm按标准取Dd=150mma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4）顶出缸无杆腔的有效工作面积A1dA1d=π4Dd2=π4×0.152=0.0177m2=177cm25）顶出缸活塞杆直径dddd=Dd2-4Fdhηcmπp=0.152-4×2×1050.91×π×25×106=0.1063m=106mm按标准取dd=110mm6）顶出缸有杆腔的有效工作面积A2dA2d=π4（Dd2–dd2）=π4×（0.152–0.112）=0.00817m2=81.7cm27）顶出缸的流量顶出行程q4=A1dv4=177×4=708cm3/s=42.5L/min回程q5=A2dv5=81.7×12=980cm3/s=58.8L/min顶出缸在顶出行程中的负载是变动的，顶出开始压头离工件较大（负载为Fd），以后很快减小，而顶出行程中的速度也是变化的，顶出开始时速度由零逐渐增加到v4；由于这些原因，功率计算就较复杂，另外因顶出缸消耗功率在液压机液压系统中占的比例不大，所以此处不作计算。三、拟订液压系统原理图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：（1）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，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；在压机构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、充液筒吸取。高压泵的流量供慢速压制和回程之用。此方法的优点为不需要辅助泵和能源，结构简单；其缺点为下行速度不易控制，吸油不充分将使升压速度缓慢，改进的方法是使充液阀通油断面尽量加大，另外可在下腔排油路上串联单向节流阀，利用节流造成背压，以限制自重下行速度，提高升压速度。由于本例的液压机属于小型压机，下行速度的控制问题不如大型压机突出，所以本例采用的回路见图3.9。在主缸实现自重快速行程时，换向阀4切换到右边位置工作（下行位置），同时电磁换向阀5断电，控制油路K使液控单向阀3打开，液压缸下腔通过阀3快速排油，上腔从充液筒及液压泵得到油液，实行滑块快速空程下行。（2）减速方式液压机的运动部件在下行行程中快接近制件时，应该由快速变换为较慢的压制速度。目前减速方式主要有压力顺序控制和行程控制两种方式；压力顺序控制是利用运动部件接触制件后负荷增加使系统压力升高到一定值时自动变换速度；某些工艺过程要求在运动部件接触制件前就必须减速，本例压制轴瓦工艺就有这个要求，这时适合选用行程减速方式。本系统拟选用机动控制