小型单缸立式液压机液压系统设计(200吨液压机).doc

2012届工程机械专业毕业设计（论文）重庆交通大学毕业设计题 目：小型单缸立式液压机液压系统设计 学 院：机电与汽车工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化（工程机械）学 生：xx xx 学 号：xxxxxxxx 指导教师：缪 毅 2012年 5 月 2531目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 方案分析及液压原理图的拟定31.1 引言31.2 液压系统的工作要求31.3 负载分析和运动分析41.3.1 确定执行元件的形式41.3.2 进行负载分析和运动分析41.3.3 确定系统主要参数51.4 制定基本方案，拟定液压系统图7第2章 液压元件参数计算与选择132.1 确定液压缸的主要参数132.1.1 初选液压缸的工作压力132.1.2 确定液压缸的主要结构参数132.1.3 确定液压缸的工作压力、流量和功率132.2 液压泵及其驱动电动机的选择132.3 液压控制阀的选择142.4 选择压力表152.5 选择辅助元件152.6 蓄能器及过滤器的选择172.7 液压系统验算17第3章 液压油缸的设计183.1 引言183.2液压缸的设计计算183.2.1缸筒和缸盖组件183.2.2排气装置213.3活塞及活塞杆组件213.3.1 确定活塞及活塞杆的连接形式213.3.2 选择活塞及活塞杆的材料213.3.3 活塞及活塞杆的连接计算223.3.4 活塞与缸筒的密封结构223.3.5 活塞杆的结构223.3.6 活塞杆的强度校核233.3.7 活塞杆的导向、密封和防尘233.3.8活塞233.3.9缓冲装置243.4 缸体长度的确定24第4章 液压油箱设计254.1 引言254.2 油箱的类型254.3 油箱的容量254.4 油箱设计264.4.1 箱顶、通气器、注油口264.4.2 箱壁、清洗孔、吊耳（环）、液位计264.4.3 箱底、放油塞、支脚264.4.4 隔板和除气网274.4.5 管路的配置27结束语28致谢29参考文献30摘 要液压机作为一种通用的无削成型加工设备，其工作原理是利用液体的压力传递能量以完成各种压力加工的。其工作特点之一是动力传动为“ 柔性”传动, 不象机械加工设备一样动力传动系统复杂, 这种驱动原理避免了机器过载的情况。一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术，它的发展如此之快，应用如此之广，其原因是液压技术有着优异的特点，归纳起来液压机的液压系统传动方式具有显著的优点：液压机单位重量的输出的功率和单位尺寸的输出功率；液压传动装置体积小、结构紧凑、布置灵活，易实现无级调速，调速范围宽，便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护和保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化便于实现数字化。关键词：液压机，液压技术，液压系统ABSTRACTHydraulic machine as a general without molding processing equipment, its working principle is the use of liquid pressure transfer energy to complete a variety of pressure processing. The work is one of the characteristics of power transmission as flexible transmission; unlike mechanical processing equipment power transmission system is complex, the drive principle to avoid overload condition.All the engineering fields, all mechanical equipment occasions, can be used in hydraulic technology, it developed so fast, so wide, its reason is the hydraulic technology has excellent characteristics, summed up the hydraulic machine hydraulic system driving mode has significant advantages : hydraulic unit weight of output power and unit size output power; hydraulic transmission device has the advantages of small volume, compact structure, flexible arrangement, easy to realize stepless speed regulating, wide speed regulation range, convenient and electrical control with automation; easy to realize overload protection and holding pressure, safe and reliable; element is easy to realize serration, standardization, generalization; hydraulic and computer control the new technical combination, constitute a machine - electric - hydraulic - light for the realization of digital integration.KEYWORDS: hydraulic machine, hydraulic system, hydraulic technology第1章 方案分析及液压原理图的拟定1.1 引言作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。与其他传动控制技术相比，液压技术具有能量密度高配置灵活方便调速范围大工作平稳且快速性好易于控制并过载保护易于实现自动化和机电液一体化整合系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势，因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。液压压力机是压缩成型和压注成型的主要设备，适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、塑料制品及粉末制品的压制成型。本文根据小型压力机的用途特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。小型压力机的液压系统呈长方形布置，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。1.2 液压系统的工作要求液压机的滑台的上下运动拟采用液压传动，要求通过电液控制实现的工作循环如图1-1：快速空程下行慢速加压保压快速回程停止。压制力为2000000N，运动部件总重为20000N，快速往返速度为3m/min，加压速度为40-250mm/min，要求采用液压方式实现运动部件的平衡；不考虑各种损失。图 1-11.3 负载分析和运动分析1.3.1 确定执行元件的形式液压机为立式布置，滑块做上下直线往复运动，往返速度相同，故可以选缸筒固定的单杆双作用活塞液压缸（取缸的机械效率），作为执行元件驱动滑块进行压制作业。1.3.2 进行负载分析和运动分析根据已知参数对液压缸各工况外负载进行计算，其计算结果如表 1-1所列。表 1-1工况计算公式外负载/N说明快速下降启动加速500 ；为下行平均加速度，；由于忽略滑块导轨摩擦力，故快速下滑时为负载为0；压制时压头上的工作负载可分为两个阶段：初压阶段，负载力缓慢地增加，约达到最大压制力的5%，其行程为15mm；终压阶段，负载力急剧增加大最大压制力，上升规律近似于线性，其行程为5mm；为回程平均加速度，；取启动、制动时间=0.2s等速0慢速加压初压100000终压2000000快速返回启动20500等速20000制动19500参照文献6，第六章6.4节板料折弯机液压系统设计计算。取快速下降行程为180mm，快速上升行程为200mm。已知加压速度为40-250mm/min，取加压速度为4mm/s。根据已知参数，各工况持续时间近似计算结果见表1-2。表1-2工况计算式时间/s说明快速下行慢速加压分两个阶段：初压阶段行程为15mm；终压阶段行程为5mm。慢速加压初压终压快速回程利用上述数据，并在负载和速度过渡段做粗略的线性处理后便得到如图1-2所示的液压机液压缸负载循环图和速度循环图。图1-21.3.3 确定系统主要参数参考同类型液压机，预选液压缸的工作压力，将液压缸的无杆腔作为主工作腔，考虑到液压缸下行时用液压方式平衡，则可算出液压缸无杆腔的有效面积：液压缸内径（活塞直径）：跟据参考文献6,表9-7，按国标GB/T 24381993，将液压缸内径圆整为标准值，。根据快速上升与快速下降的速度相等，采用液压缸差动连接来实现，从而确定活塞杆直径，由，得：跟据参考文献6,表9-8，按国标GB/T 24381993，将活塞杆外径圆整为标准值，取d=250mm，从而算得液压缸有杆腔与无杆腔的实际有效面积为：液压缸在工作循环中各阶段的压力流量计算如表1-3所列。表 1-3工作阶段计算公式负载F/N工作腔压力p/Pa输入流量q/快速下行启动 50054005086.8305.2恒速00慢速加压初压 100000406.924.4终压2000000406.9024.40快速回程启动20500恒速200005086.8305.2制动19500工作循环中各阶段的功率计算如表1-4。表1-4快速下降（启动）阶段快速下降（恒速）阶段慢速加压（初压）阶段慢速加压（终压）阶段当t=1.125时，功率最大，约为7947W。快速回程（启动）阶段快速回程（恒速）阶段快速回程（制动）阶段1.4 制定基本方案，拟定液压系统图考虑到液压机工作时所需功率较大，故采用容积调速方式。为满足速度的有极变化，采用压力补偿变量液压泵供油。及在快速下降时，液压泵以全流量供油，在慢速加压到保压时，泵的流量逐到零。当液压缸反向回程时，泵的流量恢复到全流量。液压缸的运动方向采用三位四通M型中位机能电液换向阀控制，如图1-3所示，停机时换向阀处于中位，使液压泵卸荷，快速下降时换向阀处于右位，快速上升时换向阀处于左位。在三位四通电磁换向阀与液压缸之间设置一个液控单向阀，其控油口与液压缸的出油口管路相接，进油口与三位四通电磁换向阀相接，出油口与液压缸进油路相接，形成保压回路，见图1-3。图1-3见图1-3，在液压缸的进油路，液控单向阀出油路上连接一个电接点压力表，设置电接点压力表的上限、下限值，当液压缸的压力达到限值时，利用电接点压力发出的电信号来实现切换四通三位电磁换向阀，以实现自动保压。为实现压头的往返速度相等，需要有差动回路，在液压缸的进、出油口及液压缸出油口与换向阀之间分别连接两一个二位二通电磁阀。液压缸快速下降时差动连接，快速上升时切断差动连接。见图1-4。图1-4为防止压头在下降过程中由于自重而出现速度失控现象，在液压缸有杆腔回油路上设置一个内控单向顺序阀，形成平衡回路，见图1-5。图1-5此外在泵的出口并联一个溢流阀，用于系统的安全保护；泵出口并联一个压力表及其开关，以实现测压；在液压泵的出口串联设置一个单向阀，以防止液压油倒灌，见图1-6。图1-6由于液压缸的直径大于250mm、压力大于7MPa，其油腔在排油前就先泄压，因此必须有泄压回路。本系统采用蓄能器以实现降噪泄压，其回路如图1-7所示。回路首次工作时，利用液控单向阀保压，泄压时电磁铁通电使换向阀切换至上位，液压缸无杆腔与蓄能器突然连接，其保压期间积聚的液体压缩势能大部分被蓄能器吸收，以降低泄压时产生的巨大噪声，液压缸下行时电磁铁通电切换至下位，液压源向无杆腔充液时同时蓄能器向液压缸释放回收的液压能，以实现节能作用。图1-7综上，将各回路合并整理，检查以后绘制的液压机液压系统原理图如图 1-8 所示图 1-81-油箱；2-过滤器；3-液压泵； 4-单向阀；5-溢流阀；6-压力表及其开关；7-三位四通电液换向阀；8-液控单向阀；9-平衡阀；10-二位二通电磁换向阀；11-电接点压力表； 12-液压缸；13-蓄能器系统图中个电磁阀的动作顺序见表1-5。表1-5执行其动作电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA启动+-+快速下行+-+-慢速加压+-+-保压-_快速回程-+-+停止-_自动补油保压时，电接点压力表控制的电磁阀动作顺序见表1-6。表1-6电接点压力表电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA压力达到上限值时-压力达到下限值时+-第2章 液压元件参数计算与选择2.1 确定液压缸的主要参数2.1.1 初选液压缸的工作压力根据第1章1.3节的内容，已知液压缸的最大工作负载为2000000N，液压缸工作压力为21.6MPa，为高压液压系统。2.1.2 确定液压缸的主要结构参数根据第1章1.3节的内容，可知液压缸内径D=360mm，活塞杆外径d=250mm，液压缸无杆腔有效面积为，有杆腔有效面积为。2.1.3 确定液压缸的工作压力、流量和功率快速下降阶段，见表1-3，表1-4，液压缸工作压力、流量和功率可知分别为：5400Pa、305.2L/min、27.5W。慢速加压阶段，见表1-3，表1-4。初压阶段：液压缸工作压力、流量和功率分别为1.08MPa、24.4L/min、5494W。终压阶段：液压缸工作压力、流量和功率分别为21.6MPa、24.4L/min、最大功率7947W。快速上升阶段，见表1-3，表1-4。液压缸工作压力、流量和功率分别为0.42MPa、305.2L/min、2136W。2.2 液压泵及其驱动电动机的选择由表1-3 可知，液压缸的工作压力出现在终压后即保压阶段开始时，。此时缸的输入流量极小，且不考虑各种损失，故液压缸至泵间的进油路压力损失取值。算得泵的最高工作压力为：所需的液压泵的最大供油量按液压缸的最大输入流量（305.2L/min）进行估算。取泄漏系数K=1.1，则：根据系统所需流量，拟初选限压式变量液压泵的转速为n=1500r/min，暂取容积效率，则可算得泵的排量参考值为：根据以上计算结果查阅产品样本，选用规格相近的250YCY141B压力补偿斜盘式轴向柱塞泵，其额定压力，排量V=250ml/r，额定转速n=1500r/min，容积效率。其额定流量为：符合系统对流量的要求。不计任何损失，液压泵的最大理论功率即为液压缸工作时所需的最大功率，见表1-4可知：查手册，选用规格相近的Y160M4型封闭式三相异步电动机电机，其额定功率为11KW，同步转速1500r/min，满载转速1460r/min。按所选电动机转速和液压泵的排量，液压泵的最大实际排量为：满足使用要求。2.3 液压控制阀的选择根据拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀的最高压力和最大流量,参见文献5，表8-23威格士系列液压阀。选择的液压阀如下表2-1。表2-1元件名称技术规格公称压力/MPa通径/mm流量/（L/min）单向阀2550约900溢流阀2550约900三位四通电液换向阀2550约900液控单向阀2550约900平衡阀2550约900二位三通电磁换向阀2550约9002.4 选择压力表参见文献5，表8-38，选择的压力表技术规格如下表2-2所示。表2-2系列名称型号测量范围/MPaY系列压力表YN型耐振压力表060YX型耐振电接点压力表0602.5 选择辅助元件油管内径一般可参照所接元件接口尺寸确定，也可按管路允许流速进行计算。管道内径及壁厚液压管道的两个主要参数，计算公式如下。式中q通过油管的最大流量，；油管中允许流速，（取值见表2-3），m/s；d油管内径，m；油管厚度，m；P管内最高工作压力，MPa；管材抗拉强度，MPa；n安全系数（取值见表2-4）。表2-3 油管中的允许流速油液流经油管吸油管高压管回油管短管及局部收缩处允许流速0.51.52.551.52.557表2-4 安全系数管内最高工作压力/MPa17.5717.517.5安全系数864对高压油管取内径d=50mm，则：符合油管中的允许流速。管材为45钢，其壁厚为:取壁厚=10mm。对吸油管取内径d=80mm，则：符合油管中的允许流速。管材为45钢，其管内压力几乎为零，取其壁厚=5mm。对回油管取内径d=60mm，则：符合油管中的允许流速。管材为45钢，其管内压力最大时为0.43MPa，接近于零，取其壁厚=5mm。2.6 蓄能器及过滤器的选择参见文献5,表8-29蓄能器及其技术规格。选用的蓄能器技术规格如下表2-5：表2-5类型压力/MPa容积/L工作压力耐压HXQ型活塞式蓄能器1725.5139 参见文献5,表8-30 油液过滤器的典型产品及其技术规格。选择的过滤器规格如下表2-6。表2-6类型额定压力/MPa流量/(L/min)过滤精度/NXJ箱内吸油过滤器180mm，满足要求。导向套外圆与端盖内孔的配合采用H7/g6。导向套内径的配合一般多为H8/f9（或H9/f9），其表面粗糙度为0.631.25。外圆与内孔的同轴度不大于0.03mm，圆度与同柱度公差不大于直径公差之半，内孔中的环形油槽要浅而宽，以保证良好润滑。3.3.6.2 活塞杆的密封和防尘参见文献5，表8-57活塞杆常用密封与防尘结构，选用J型防尘圈。3.3.8活塞活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此它于缸筒的配合应适当，即不能过紧，也不能间隙过大。设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构形式，其次还有活塞与活塞杆的连接、活塞材料、活塞尺寸及加工公差等。活塞的结构形式：活塞的结构形式分为整体活塞和组合活塞，根据密封装置形式来选用活塞结构形式，查参考文献5表4-10、4-12与8-50，活塞及活塞杆的密封圈使用，该系统液压缸中可采用Yx形圈密封。所以，活塞的结构形式可选用组合活塞。3.3.9缓冲装置液压缸的行程终端缓冲装置可使带着负载的活塞，在到达行程终端减速到零，目的是消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖的机械撞击，同时也为了降低活塞在改变运动方向时液体发出的噪声，使液压系统速度换接平稳，速度稳定。缓冲装置的工作原理时使缸筒低压油腔内油液（全部或部分）通过节流把动能转化为热能，热能则由循环的油液带到液压缸外。液压缸的活塞速度在0.1m/s时，一般不采用缓冲装置；在0.2m/s时，则必须采用缓冲装置。本设计的液压系统最大速度为3m/min，即0.05m/s小于0.1m/s，但是活塞较大，所以不设置缓冲装置。3.4 缸体长度的确定液压缸的缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和，缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度，导向套宽度，一般液压缸缸体长度不大于内径的2030倍,即在本系统中缸体长度不大于7200010800mm。参见文献5,表4-19。本系统中：活塞行程L=200mm；活塞宽度B=（0.61）D=216360mm，其中D为液压缸内经；导向套滑动面的长度A=（0.61）D=216360mm；取活塞宽度B=216mm，导向套滑动面的长度A=216mm，液压缸缸底厚度H=125mm，液压缸缸盖厚度H=75mm。液压缸缸体内部长度为液压缸行程长度、中隔圈宽度与活塞宽度之和，即：200+50+216=466mm液压缸缸体外形长度为液压缸内部长度、导向套宽度与缸盖厚度之和，即：466+153+66+125=810mm第4章 液压油箱设计4.1 引言液压油箱简称油箱，它往往时一个功能组件，在液压系统中主要用于储存液压油、散发油液热量、溢出空气及消除泡沫和安装元件等。按新近的液压系统污染控制理论的要求，油箱不应该时一个容纳污垢的场合，而要求在油箱中油液本身时达到一定清洁度等级的油液，并以这样清洁的油液提供给液压泵及整个液压系统的工作油路。4.2 油箱的类型按油箱的结构和用途分，通常分为整体式油箱、两用油箱和独立邮箱三种类型。整体式邮箱是指在液压系统或机器内部的构件内形成的油箱；两用油箱是指液压油与机器中的其他目的的用油的公用油箱，独立油箱是应用最应用最广泛的一类油箱，其热量主要通过油箱壁靠辐射和对流作用散发，因此油箱是尽可能窄而高的形状。根据油箱液面与大气是否相通，又可分为开式油箱和闭式油箱。因此本系统选用开式油箱。4.3 油箱的容量 油箱的容量是油箱的基本参数。油箱的容量包括油液的容量和空气的容量。 油箱的容量可用经验法或根据散热加以确定，本符合JB/T 79381999 液压泵站油箱公称容量系列（见参考文献5表7-21）的规定。用经验法确定油箱的容量注意一下三种情况： 油箱的容量通常为液压泵每分钟排出体积额定值的35倍； 采用定量泵或非压力补偿变量泵的液压系统，油箱容量的要大于泵流量的3倍以上； 采用压力补偿压力油泵时，应尽量提供至少为系统每分钟所需油液体积的平均值（以升记）3倍的油箱容积。本系统液压泵为压力补偿变量液压泵，其每分钟输出油液的流量为345L/min，根据情况，参照文献5,表8-33标准油箱外形尺寸，选用公称油箱容积为1000L的油箱，其外形尺寸参见文献5,表8-33。油箱的外形长、宽、高分别为2340mm，860mm，815mm。此油箱为不带支脚油箱，取油箱的壁厚为8mm。4.4 油箱设计4.4.1 箱顶、通气器、注油口 油箱的顶部结构取决于它上面安装的元件。当箱顶上安装泵组时，顶板厚度为侧板的四倍，以免产生振动。箱顶上一般要设置通气器、注油口，通气器常为附带注油口的结构。取下通气帽可以注油，放回通气帽即成通气过滤器。通气过滤器的网眼应小于250，过流量应大于20L/min，过滤精度不小于40，其容量应为液压泵容量两倍。油箱箱顶上的螺纹孔应该用盲孔（不通孔），以防止污染物落入油箱内。油箱箱顶与箱壁的连接细节见参考文献6，图7-67。4.4.2 箱壁、清洗孔、吊耳（环）、液位计当箱顶与箱壁之间不可拆连接时，应在箱壁上至少设置一个清洗孔。清洗孔的数量与位置应便于用手清洗油箱所有内表面。清洗口盖板应能由一个人拆装。清洗孔盖板应配有可重复使用的弹性密封圈。清洗孔盖板法兰盖板细节可参见参考文献6，图7-66所示。清洗孔尺寸、法兰盖板及密封件的细节可参见参考文献6，图7-66，表7-20。为了便于油箱搬运，应在油箱四角上方焊接吊耳，对于无支脚油箱应设置起吊用孔。液位计一般设置在油箱外壁上，并靠近注油口，以便于注油时观测液面。液位计的下刻线至少比吸油过滤器或吸油管上缘高出75mm，以防止吸入空气。4.4.3 箱底、放油塞、支脚应在箱底设置放油塞（M181.5），以便于油箱清洗和油液更换。为此箱底应朝清洗孔和放油塞倾斜，倾斜坡度通常为1/251/20，这样就可以使沉积物（油泥和水）聚集到油箱中的最低点。为了便于放油和搬运，应把油箱架起来，油箱至少离地150mm。但本设计选用无支脚油箱，因此不设置支脚。4.4.4 隔板和除气网油箱中，尤其是在油液容量超过100L的油箱中应设置隔板。隔板要把系统吸油区和回油区隔开，并尽可能使油液在油箱内沿油箱壁环流。 隔板缺口处要有足够大的过流面积，使环流速度为0.30.6m/s。隔板结构见参考文献6，图7-70 。溢流式隔板的高度不应低于液面高度的2/3；隔板下应有缺口，使吸油侧的沉淀物经此缺口以至回油侧，并经放油口排出。油箱结构参见参考文献5，表833不带支脚矩形油箱。为了有助于油液中的气泡浮出液面，可在油箱设置除气网。除气网用网眼直径为0.5mm的金属网制作，并倾斜布置。如果隔板与油箱内表面之间采用