100t四柱液压机液压系统-学位论文.doc

液压与气压传动课程三级项目
——100T四柱式液压机液压系统的分析与设计研究报告

组 员： 宋达
王建军
唐心凯

指导教师： 刘劲军

2016-05-08

燕山大学液压与气压传动课程三级项目任务书
院（系）：机械工程学院 基层教学单位： 机控系

姓 名
课题组分工

5

100T四柱液压机液压系统设计
摘 要
本设计为四柱式液压机，四柱液压机的主机主要由上梁、导柱、工作台、移动横梁、主缸、顶出缸等组成。其中主缸可完成快速下行、慢速加压、保压延时、释压换向、快速返回、原位停止的动作；顶出缸可实现向上顶出、停留、向下退回、原位停止的动作。本设计主机最大工作负载为1000KN。通过对液压缸工况分析确定液压缸负载的变化，拟定液压系统图和电磁铁动作顺序。并设计主液压缸，计算主液压缸的尺寸和流量，主缸的速度换接与安全行程限制通过行程开关来控制。根据技术要求及设计计算选择液压泵、GE系列电磁阀等液压元件。通过液压系统压力损失和温升的验算，液压系统的设计可以满足液压机顺序循环的动作要求，设计的四柱液压机能够实现塑性材料的锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲等成型加工工艺。
该液压机结构紧凑，动作灵敏可靠，速度快，能耗小，噪音低，压力和行程可在规定的范围内任意调节，操作简单。

关键词：四柱液压机；液压系统；

目 录

燕山大学液压与气压传动三级项目研究报告
四柱液压机液压系统设计

1绪论

1. 1 概述
液压机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现各种工艺的机器。液压机被广泛应用于机械工业的许多领域。例如在锻压领域，液压机被广泛应用于自由锻造、模锻、冲压、挤压、剪切、拉拔成型及超塑性等许多工艺中；在机械工业的其他领域，液压机被应用于粉末制品，塑料制品、磨料制品、金刚石成型、校正压桩、压砖、橡胶注塑成型等十分广泛的不同工作领域。
液压机一般是由本体、动力系统、液压控制系统三部分组成。本体一般是由机架、液压缸部件、运动部分及其导向装置以及其他辅助装置组成。工艺要求使影响液压机本体结构形式的最主要因素。由于在不同液压机上完成的工艺是多种多样的，因此液压机的本体结构形式也是不同的。根据机架形式，液压机可以分为立式和卧式；根据机架的组成形式，液压机可分为梁柱式、单柱式、框架式、钢丝缠绕预应力牌坊式等。其中三梁四柱式是最为常见的类型，如图1-1所示。其机身是由工作台、滑块、上横梁、立柱、锁母和调节螺母等组成。其执行元件的结构简单，结构上易于实现很大的工作压力、较大的工作空间，因此适应性强，便于压制大型工件或较长、较高的工件；由于执行元件结构简单，所以布置灵活，可以根据工艺要求来多方位布置；活动横梁的总行程和速度都可在一定范围内、相当大程度上调节，适应工艺过程对化快速度的不同要求；通过不同阀的组合实现工艺过程的不同顺序；安全性能好，不易超载，有利于保护模具；工作平稳。撞击、振动、噪声较小，对工人及厂房有很大好处。

1.2发展趋势
随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。自19世纪问世以来发展很快，已经广泛应用于国民经济的各个部门，种类繁多，发展迅速，成为机床行业的一个重要组成部分。但由于我国液压起步晚，液压机只有50年的发展历史，80年代以后我国液压机开始进入高速发展阶段。目前我国已建立了自己的液压机设计和制造行业。
由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展体现在新的方向。随着比例伺服技术的发展，液压机的停位精度、速度控制精度越来越高，液压机趋向高精度发展。高速化、高效化、低能耗提高了液压机的工作效率，降低生产成本；自动化、智能化，微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理的功能；液压元件集成化，标准化，集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。
在国际上来看，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。

2液压系统载荷速度计算
四柱液压机的工作过程如下：上液压缸驱动上滑块，实现“快速下行-慢速加压-保压延时-释压换向-快速返回-原位停止”的动作循环；下液压缸驱动下滑块，实现“向上顶出-停留-向下退回-原位停止”的动作循环。如2-1图所示。

图2-1液压机工作循环图
2.1 载荷的组成和计算
2.1.1主液压缸载荷的组成和计算
作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。
（1） 工作载荷
工件的压制抗力即为工作负载：
（2） 导轨摩擦载荷
摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力。
(2-1) --外载荷作用于导轨上的正压力（N）；
---摩擦系数，分为静摩擦系数（）和动摩擦系数（）
静摩擦阻力：
动摩擦阻力：
（3） 惯性载荷
(2-2)

式中g—重力加速度；g=9.81;
-速度变化量（m/s）；
-起动或制动时间（s）。一般机械=0.1-0.5s，对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值。行走机械一般取=0.5-1.5。
以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷。工作载荷并非每个阶段都在，如该阶段没有工作，则=0。由于液压缸参数未定，估算背压力Fb=12000N。
自重：
-液压缸的机械效率，一般取0.90-0.95.
(2-3)

液压缸各阶段负载如表2-1所示。

表2-1 液压缸各阶段中的负载
工作状态
负载组成
负载值F/N
推力F//N
启动

8080N
8977.8N
加速

8390N
9322.2N
快速下行

7590N
8433.3N
慢速加压

988590N
1098433.3N
快速返回

5390N
5988.9N
2.1.2绘制负载图和速度图
由以上分析计算绘制主液压缸负载图和速度图，如图2-2。

图2-2 压力机液压缸的负载和速度图
2.1.3初选系统工作压力
根据重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用维护方便的原则，针对设计系统在性能和动作方面的特性，确定了设计系统的工作压力。如表2-2、表2-3所示。本设计工作压力为25MPa。

表2-2 按载荷选择工作压力
载荷/KN
<5
5-10
10-20
20-30
30-50
>50
工作压力/MPa
<0.8-1
1.5-2
2.5-3
3-4
4-5
≥5
表2-3 各种机械常用的系统工作压力

机 床

机械类型
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
农业机械
小型工程建筑
建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
工作压力/MPa
0.8-2
3-5
2-8
8-10
10-18
20-32
2.2 液压系统及元件的设计
2.2.1拟定液压系统图
根据系统的设计要求和工况图，确定基本回路，拟定油路控制原理图，如图2-3。

图2-3是油路控制原理系统图，工作时，电液换向阀5通电，压力油由泵2打出， 经顺序阀3，进入电液换向阀5的右位，再通过单向阀8 ，进入上缸12的上腔。同时，经电磁阀6补油进入油缸上腔。回油从上缸的下腔经过（单向顺序阀）背压阀13和液控单向阀14，通过电液换向阀6，流回到油箱。
与此同时， 上缸在自重的作用下， 加速了向下的快速运动，使上缸的上腔瞬时间形成了真空带，补油箱10的油会通过液控单向阀11 ，被吸进上缸的上腔， 以消除真空， 保持上缸的快速下移。
当上缸带动上模与下模合模后， 压力油继续输入上油缸的上腔， 油缸上腔的压力开始升高，由于油压的升高，补油箱处的液控单向阀被关闭， 切断了补油箱的供油，使上缸12下行速度开始放慢。油缸上腔压力继续升高， 当压力超过了压力继电器9的调定值时， 压力继电器发出信号，控制电液换向阀5转换到中位， 切断油缸12上腔的供油， 上缸停止运动，系统开始保压。
保压完后， 电液换向阀5的左位被接通， 泵2打出的压力油， 经过顺序阀3， 通过电液换向阀5的左位，再经过液控单向阀13 、（单向顺序阀）背压阀12 ， 进入上油缸12的下腔， 推动油缸向上运动，同时电磁阀6切换到左位，油箱补油加速回程。 油缸12上腔的回油通过液控单向阀11 ， 流回到补油箱10 。使得上缸能快速退回原位。
当将电液换向阀5的中位和电液换向阀18的右位接通时， 泵2打出的压力油，经过电液换向阀18的左位， 进入下缸16的下腔，回油从下缸16的上腔经过电液换向阀18的左位，流入回油箱，下缸上行顶出工件。
在工件取出后， 电液换向阀18的右位开始工作， 压力油进入下缸15的上腔， 下缸下腔的回油经过阀的右位流入回油箱， 下缸向下运动， 恢复原位。
阀12在保压时可防止上油缸12上腔的油液倒流，行程开关 15用于控制上、下缸的极限位置，压力表分别显示上、下油缸和整个系统的压力。
2.2.2电磁铁动作顺序
图2-3油路控制原理图中电磁铁动作顺序见表2-4。
表2-4 电磁铁动作顺序表
动作名称
电磁换向阀
电动机
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
6YA
1D
电机启动

+
快速下行
+

+

+
减速及压制
+

+

+
保压
+

+

+
卸压

+

+
+
回程停止

+
顶出缸顶出

+

+
退回

+

+
静止

3液压缸的设计
3.1液压缸主要参数的确定
⑴主缸的内径:
公称力F=1000KN=1×106KN，液体最大工作压力P=25MPa=25×106。
求得活塞面积：==0.04 (3-1)
所以
==0.04
即主缸内径D=0.2257m=225.7mm。查表取
D=220mm
根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：
=
得d=179.07
按标准取活塞杆直径
d=
液压缸的往复运动速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25、1.15等几种。表3-1给出了不同速度比是活塞杆直径d和液压缸内径D的关系。
由以上数据求出液压缸实际有效面积如下：
无杆腔： = =3799 (3-2)
有杆腔： ==12560 (3-3)
活塞杆面积： A=-=25434 (3-4)
表3-1 d 和D的关系
φ
1.15
1.25
1.33
1.46
2
d
0.36D
0.45D
0.5D
0.56D
0.71D
(2) 确定液压缸的运动速度
本课题给定了液压缸的工作速度为：
空程速度：60
工作速度：14
回程速度：47
(3) 确定活塞杆的最大行程
本设计课题给定了活塞杆最大行程为600mm。
3.2液压缸动作时的流量
液压缸的流量通过工作速度和液压缸的内径来确定。液压缸的空程速度为V1 =60，工作速度为V2 =14，回程速度为V3=47.
（3-5）
空程：Q1=V1×D2=0.060m/s××(0.22)2=0.001026m3/s=61.56L/min；
工作：Q2 = V2×D2=0.014m/s××(0.22)2=0.000456m3/s=27.36L/min；
回程：Q3=V3×（D2-d2）=0.047m/s××(0.222-0.182）=0.001m3/s=60L/min。

3.3活塞杆的设计
(1) 活塞杆的材料
活塞杆的材料为45号钢，采用实心结构。其两个端部均采用螺纹连接。活塞杆所选材料如表3-3所示。
表3-3 活塞杆所选材料
型号
≥／MPa
≥／MPa
≥／%
45MnB
1030
835
9
(2) 活塞杆尺寸的确定
活塞杆的总长要根据油缸的行程来确定，本课题的工作台行程为600㎜，综合其技术要求，选取活塞杆的总长为800mm。
由于L≥A+B+L-1/2B
L≥100+140+30+600-70=800mm
A— 导向套滑动面长度；
B— 活塞宽度；
L— 液压缸的最大行程；数值在后面3.3.6导向环设计中具体计算。

3.4液压系统的发热温升计算
在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。
当V=12mm/s时，即v=720mm/min

此时泵的效率为0.8，泵的出口压力为25.4MP，则有
=14.5KW

即
此时的功率损失为：
14.5-13.2=1.3KW （4-7）
假定系统的散热状况一般，取，
油箱的散热面积A为
（4-8）
系统的温升为
℃=12.1℃ （4-9）
室温为20℃，热平衡温度为32.1℃，根据《机械设计手册》成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30℃-65℃，验算表明没有超出允许范围。

参考文献
[1].章宏甲，黄谊.液压传动.北京：机械工业出版社，2000.
[2].雷天觉.液压工程手册.北京：机械工业出版社，1990.
[3].路甬祥.液压气动技术手册.北京：机械工业出版社，2003.
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