液压机控制系统原理设计.doc

摘要

自18世纪末世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。本世纪60年代以后，液压技术随着空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。现在，我国的液压系统在各种机械设备上得到了广泛的使用。
压力机是锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、粉末冶金、成形、打包等加工工艺中广泛应用的压力加工机械设备。液压压力机（简称液压机）是压力机的一种类型，它通过液压系统产生很大的静压力实现对工件进行挤压、校直、冷弯等加工。液压机的结构类型有单柱式、三柱时、四柱式等形式。
PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力有很好的应用，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.
　　近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
PLC发展的重点：1、人机界面更加友好；2、网络通讯能力大大加强；3、开放性和互操作性大大发展；4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛；5、工业以太网的发展对PLC有重要影响。
关键字：液压系统 压力机 PLC 自动控制

一． 压力机液压系统
液压机的主要运动是上滑块机构和下滑块顶出机构的运动，上滑块机构由主液压缸(上缸)驱动，顶出机构由辅助液压缸(下缸)驱动。液压机的上滑块机构通过四个导柱导向、主缸驱动，实现上滑块机构：
快速下行→慢速下行→慢速加压→保压延时→预卸→慢速回程→快速回程→停止
下缸布置在工作台中间孔内，驱动下滑快顶出机构实现：
向上顶出→向下退回
液压机液压系统工作原理图如下：

1-液压泵，2-溢流阀，3、9、12、15-电磁换向阀，4、13-顺序阀，5-滑阀，6-压力继电器，7-压力表，8、11、17-单向阀，10、16-调速阀，14-充液阀，18-主油缸，19-辅助油缸，20-邮箱，21、22-过滤器
图3-液压机液压系统图

表1 液压机液压系统动作循环表
动作程序
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
6YA
上

缸
快速下行
＋
－
－
－
＋
-
慢速加压
＋
－
－
－
－
-
保压
－
＋
－
－
－
-
泄压慢速回程
－
＋
－
－
－
-
快速回程
-
＋
-
-
-
＋
停止
－
－
－
－
－
-
下
缸
顶出
－
－
＋
－
－

退回
－
－
－
＋
－

停止
－
－
－
－
－
-

二．PLC端子接线图：

详细说明如下：
根据液压图的构成确定PLC所选型号为C系列P型——C20P。
PLC所用电源电压为100-240V 50/60Hz交流电源。其控制方式为存储程序方式，主控制元件选用MPUC-MOS LS-TTL。程序方式为梯形图方式，输入输出继电器点数为20点。其中输入继电器12点，输出继电器为8点。
图中SB1按钮 0000 为油泵启动按钮； SB2按钮0001为系统工序开始执行按钮；SB3按钮0002为紧急制动按钮；SQ1-SQ4 （0003—0006）是行程开关；SP1（0007）为压力继电器。
YA1与YA2分别是控制滑块上、下行的电磁阀的右位和左位；YA3与YA4是控制下缸体推出和拉回的电磁阀的右位和左位；YA5是控制滑块下行快慢的电磁阀；YA6是控制滑块上行快慢的电磁阀。KM1是启动油泵的接触器。FR是过热保护。
具体工作过程为：先按下按钮SB1启动油泵，此时压力机空载运行。当按下SB2后压力机开始工作，即实现滑块快速下行-滑块慢速下行-保压-预卸-滑块慢速回程-滑块快速回程-推拉缸推出-拉回-循环结束。按钮SB3为紧急制动按钮，即在任何时候按下它之后，压力机都会立刻停止工作。

结合梯形图来说明自动控制工作原理为：0000是油泵启动按钮SB1的输入继电器，当按下SB1时，输入继电器0000得电，这时内部辅助继电器1000得电并自锁，从而使输出继电器0506得电，0506驱动油泵的接触器，这样油泵就开始工作供油。当按下工序启动按钮SB2,而使输入继电器0001得电，这时辅助继电器1002得电并自锁。这样又接通了输出继电器0500，0504。0500是驱动电磁阀YA1，而0504是驱动电磁阀YA5。这样就开始了快速下行。其中，先启动油泵是为了让油泵首先拥有良好的工作状态，这样在接通油路时使油泵可以马上投入到正常的工作状态。当滑块快速下行碰到行程开关SQ2时候，输入继电器0004接通，从而使辅助继电器1003接通，这时就切断0504的输出。YA5失电，这时整个油路只有电磁阀1的右位接通。整个是滑块的慢速下行过程。这时开始整个油缸的油压开始上升。当达到预定设置的数值时候，压力继电器触头动作使输入继电器0007得电，从而使辅助继电器1004得电，并自锁。与此同时使0500失电，整个油路关闭，此时实现了保压的过程。在1004得电的同时也使时间计时器开始了工作，可见整个保压的过程时可以设定好时间的。当计时的时间到了。其TIM00动合触点闭合。不但切断了自身计时输入的触发信号。同时也使辅助继电器1005得电并自锁。1005得电从而使输出继电器0501得电驱动电磁阀1的左位接入，此时是滑块的慢速回程的过程，这是由于油路中有调速阀的原因。当回程到再次碰到行程开关SQ2时，0004再次得电，从而使1003再次自锁得电，这时由于0501也得电，从而使0505也得电。YA6接通，滑块开始了快速回程的过程。直到碰到行程开关SQ1，而使输入继电器0003得电，从而使1006自锁，1006使0501等工作的电磁阀失电，与此同时使0502得电YA3得电，下缸体开始上升即推拉缸推出，当碰到行程开关SQ3时，使输入继电器0005得电，1007得电并自锁。同时使0502失电，并使辅助继电器1008得电并自锁。当然0503得电，YA4得电开始工作，这时的油路实现的功能是推拉缸的拉回。直到碰到行程开关SQ4，使输入继电器0006得电，1009得电并自锁。同时切断了油泵的驱动0506的输出，整个加工过程结束。想开始新的加工过程，必须重新开始执行上述的过程。
需要说明是整个油路的供油时候都加入了油泵正常工作的判断，如何驱动油泵的辅助继电器1000被中断，那么程序中自动切断所有的执行过程。其中，紧急制动按钮SB2就是通过在按下按钮的过程中使辅助继电器1001得电，其动断触点就打开，从而使1000失电，这也就中断了整个加工过程。还需要说明是PLC执行的顺序，PLC执行分三个阶段，输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出处理阶段。可利用其特点，编出灵活程序。
下面是具体的指令语句表
地址 指令 数据
0000 LD 0000
0001 OR 1000
0002 AND NOT 1000
0003 AND NOT 1001
0004 OUT 1000
0005 LD 1000
0006 OUT 0506
0007 LD 0002
0008 OUT 1001
0009 LD 0001
0010 OR 1002
0011 AND 1000
0012 OUT 1002
0013 LD 1002
0014 IL
0015 LD NOT 1004
0016 OUT 0500
0017 LD NOT 1003
0018 OUT 0504
0019 ILC
0020 LD 0004
0021 OR 1003
0022 AND NOT 1004
0023 AND NOT 1006
0024 OUT 1003
0025 LD 0007
0026 OR 1004
0027 AND NOT TIM00
0028 OUT 1004
0029 LD 1004
0030 TIM 00
#0600
0031 LD TIM00
0032 OR 1005
0033 AND 1000
0034 OUT 1005
0035 LD 1005
0036 AND NOT 1006
0037 AND 1000
0038 OUT 0501
0039 LD 1003
0040 AND 0501
0041 OUT 0505
0042 LD 0003
0043 OR 1006
0044 AND NOT 1007
0045 AND NOT 1 0 0 2
0046 OUT 1006
0047 LD 1006
0048 AND 1000
0049 AND NOT 1007
0050 OUT 0502
0051 LD 0005
0052 OR 1007
0053 AND NOT 1008
0054 OUT 1007
0055 LD 1007
0056 OR 1008
0057 AND 1000
0058 OUT 1008
0059 LD 1008
0060 OUT 0503
0061 LD 0006
0062 OR 1009
0063 AND 1000
0064 AND NOT 1 0 0 6
0065 OUT 1009
0066 END
三.参数的相关计算：
关于液压缸的设计计算
由上可知，液压缸采用单活塞杆缸
因为所给液压缸最大工作压力为21MPa
根据《液压系统设计》P11页表中得出：21MPa>7MPa，选=0.7.
根据《液压系统设计》P11页表中得出：φ===2.
根据《液压与气压传动》P327页表8-10，选用O型活塞密封圈密封，=0.96.
根据《液压与气压传动》P321页表8-3，因回油路带调速阀，背压力，=1MPa.
由根据《液压与气压传动》P327页表8-9公式得出：
液压缸保压时：
===0.045731 =457.31
=2=0.091463 =914.63
D==0.341 m
d=0.7D=0.239 m
根据《液压工程手册》P722表7-1，圆整，得出：
D=0.4m
=0.1257
d=0.28 m
=0.0641
φ=1.96
一． 关于液压泵的设计计算
确定液压泵的最大工作压力
根据《液压系统设计》P13页 =+
为从液压泵出口到液压缸入口之间总的管路损失。的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单，流速不大的，取=（0.2~0.5)MPa；管路复杂，进口有调速阀的，取=（0.5~1.5）MPa。故取=0.3，因=21MPa,则=21.3MPa.
确定液压泵流量
=KQ
K为系统泄漏系数，一般取K=1.1~1.3，我们取K=1.2。
Q为液压缸最大流量，可从（Q-t）图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取,分析当快进时取最大流量，因所给快进速度为0.1
Q==0.12570.1=0.01257=754.2
确定液压泵规格
根据以上求得的Pp和Qp值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%~60%。按大25%计算：21.31.25=26.625MPa
P==244851 W=244 KW
根据《液压工程手册》P557页，选A7V250斜轴式变量泵。
确定液压泵的驱动功率
根据型号A7V250斜轴式变量泵，排量250ml/r，当np=1800r/min,且若取液压泵容积效率ηv=0.9,则实际输出油量为qp=[250*1800*0.9/1000] L/min.
则驱动电动机所需总功率为P=P1*qP/ηp=21*405/(60*0.75)=189 KW
选JS126-4 额定功率225KW 电压380V 转速1475r/min
效率93.6% 中型笼型异步电动机。根据《机械设计手册》P40-125.

关于管道尺寸的设计计算
采用45号钢
吸油管道：取=0.8 则d===0.14 m
压油管道：取=4.5 则d===0.06 m
回油管道：取=2 则d===0.089m
管道壁厚的计算
=
其中P=21MPa，[]=，采用45号钢，Y型冷加工，硬时，P>17.5MPa知,=647,n=4，所以=161.75
根据《液压工程手册》P1430，《液压系统设计》P14
吸油管道 ==0.00908 m
压油管道 ==0.00389 m
回油管道 ==0.00578 m

关于油箱的设计计算
采用开式油箱
根据《液压工程手册》P1421，《液压系统设计》P14
油箱容量经验公式 V=
选择a=5
所以V=5754.2=3771 L
为了避免漏油，温度不超过
关于调速阀的选择
在工进时，调速阀流量最大

在保压时，调速阀压差到最大值
此时=0
，其中，，
=
可知，因油箱选择1MPa标准大气压，调速阀压差11.93-1=10.93MPa
根据《液压工程手册》P1013页，选择QF-B32C型调速阀。
关于滤油器的选择
因液压泵实际输出油量=405 L/min
根据《液压工程手册》P1393表10.2-9，选择WLXI-16-100型金属网波纹滤芯技术规格滤油器。
序号
元件名称
估计通过流量L/min
额定流量
L/min
额定压力
MPa
压降
MPa
型号规格
1
斜轴式变量泵
400
405
35
—
A7V250
2
调速阀
220
240
24
—
QF-B32C
3
三位四通电液阀
550
529.9
20
< 0.5
CMD140
4
滤油器
—
450
—

WLXI-16-100
5
压力继电器
—
—
10
—
HEDKA/10

七．液压系统性能验算

（一）关于液压系统压力损失
压力损失包括管路的沿程损失，管路的局部压力损失和阀类元件的局部损失,总的压力损失为
==84.009，其中,(假设管内多湍流层），Re为雷诺系数，取2340，=0.027.

（为额定压力损失，为实际流量，为额定流量）

所算结果符合初步估计压力损失
计算液压系统的散热功率
液压系统的散热渠道主要是油箱表面，但如果系统外接管路较长，而且计算发热功率时，也应考虑管路表面散热。

式中 ——油箱散热系数
——管路散热系数
——分别为油箱，管道的散热面积（）
——油温与环境温度之差（）
根据《液压系统设计》P16表2.5-1 表2.5-2 表2.5-3分别选择=16 =10 =25
油箱体积V=3771L,假设油箱按照正方体设计，则 根据经验 液体高度为油箱高度的0.8倍，即
一般与油直接接触的表面算全散热面积，与油不直接接触的表面积算半散热面，则整理出公式如下：

管路的散热面积一般为管路的外表面面积：

KW
参考文献：
1. 赵永成、汤武初.《机电传动控制》.(第二版).中国计量出版社，2007.6：p139-270;
2. 王积伟、章宏甲.《液压与气压传动》.（第二版）.机械工业出版社，2006.4：1-375；
3. 周士昌.《液压系统设计》.机械工业出版社，2003.7：8-18；
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15