小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引 言液壓傳動(dòng)是以流體作為工作介質(zhì)對(duì)能量進(jìn)行傳動(dòng)和控制的一種傳動(dòng)形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機(jī)件控制之后來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。相對(duì)于電力拖動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)而言，液壓傳動(dòng)具有輸出力大，重量輕，慣性小，調(diào)速方便以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，建筑機(jī)械和機(jī)床等設(shè)備上。作為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)與控制的重要技術(shù)手段，液壓技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與其他傳動(dòng)控制技術(shù)相比，液壓技術(shù)具有能量密度高配置靈活方便調(diào)速范圍大工作平穩(wěn)且快速性好易于控制并過(guò)載保護(hù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)電液一體化整合系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造和使用維護(hù)方便等多種顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而使其成為現(xiàn)代機(jī)械工程的基本技術(shù)構(gòu)成和現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)

2、要素。液壓壓力機(jī)是壓縮成型和壓注成型的主要設(shè)備，適用于可塑性材料的壓制工藝。如沖壓、彎曲、翻邊、薄板拉伸等。也可以從事校正、壓裝、砂輪成型、冷擠金屬零件成型、塑料制品及粉末制品的壓制成型。本文根據(jù)小型壓力機(jī)的用途特點(diǎn)和要求，利用液壓傳動(dòng)的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，再經(jīng)過(guò)必要的計(jì)算來(lái)確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來(lái)選用液壓元件的規(guī)格和進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。小型壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)呈長(zhǎng)方形布置，外形新穎美觀，動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、動(dòng)作靈敏可靠。該機(jī)并設(shè)有腳踏開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)工藝動(dòng)作的循環(huán)。1 設(shè)計(jì)題目 小型液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一臺(tái)小型液壓壓力機(jī)的

3、液壓系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)快速空程下行、慢速加壓、保壓、快速回程、停止的工作循環(huán)，快速往返速度為4.5m/min，加壓速度為40-260mm/min，壓制力為350000N，運(yùn)動(dòng)部件總重力為25000N，油缸垂直安裝，設(shè)計(jì)該壓力機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。3 工況分析首先根據(jù)已知條件繪制運(yùn)動(dòng)部件的速度循環(huán)圖：L（mm）V(m/min400-4.54.50.04圖3-1計(jì)算各階段的外負(fù)載并繪制負(fù)載圖工件的壓制力即為工件的負(fù)載力：F=350000N摩擦負(fù)載 靜摩擦系數(shù)取0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.1則靜摩擦阻力 Ffs=0.2×25000=5000N動(dòng)摩擦阻力 Ffd=0.1×25000=2500N

4、慣性負(fù)載 Fm=m（v/t）t為加速或減速的時(shí)間一般t=0.010.5s，在這里取t=0.2sFm=（25000×4.5）/（10×0.2×60）=938N自重 G=25000N表1 液壓缸在各工作階段的外負(fù)載工作循環(huán)外負(fù)載F（N）啟動(dòng)F=G+Ffs30000N加速F=G+Fm+Ffd28438N快進(jìn)F=G+Ffd27500N共進(jìn)F=G+Ft+Ffd3775000N快退F=G-Ffd22500N負(fù)載循環(huán)圖如下L(mm)F(N)30000284382750037750040022500圖3-24 擬定液壓系統(tǒng)原理4.1確定供油方式考慮到該機(jī)床壓力要經(jīng)常變換和調(diào)節(jié)，并

5、能產(chǎn)生較大的壓制力，流量大，功率大，空行程和加壓行程的速度差異大，因此采用一高壓泵供油。4.2調(diào)速方式的選擇工作缸采用活塞式雙作用缸，當(dāng)壓力油進(jìn)入工作缸上腔，活塞帶動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，其速度慢，壓力大，當(dāng)壓力油進(jìn)入工作缸下腔，活塞向上運(yùn)動(dòng)，其速度較快，壓力較小，符合一般的慢速壓制、快速回程的工藝要求。得液壓系統(tǒng)原理圖: 圖4-14.3液壓系統(tǒng)的計(jì)算和選擇液壓元件（1）液壓缸主要尺寸的確定1）工作壓力P的確定。工作壓力P可根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器的類(lèi)型，來(lái)初步確定由手冊(cè)查表取液壓缸工作壓力為25MPa。 2）計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d。由負(fù)載圖知最大負(fù)載F為377500N，按表2取p2可不計(jì),考慮到快

6、進(jìn)，快退速度相等，取d/D=0.7 D=4Fw/p1cm1/2=0.141 (m)根據(jù)手冊(cè)查表取液壓缸內(nèi)徑直徑D=140（mm）活塞桿直徑系列取d=100（mm）取液壓缸的D和d分別為140mm和100mm。按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度AQmin/Vmin=0.05x1000/3=16.7(cm2)液壓缸節(jié)流腔有效工作面積選取液壓缸有桿腔的實(shí)際面積，即A2=（D2d2）/4=3.14×（14021002）/4 =75.36 cm2A1= 2A2=157.3 cm2滿(mǎn)足不等式，所以液壓缸能達(dá)到所需低速。根據(jù)上述D和d的值，可估算出液壓缸在各個(gè)工作階段中的壓力、流量和功率，如表

7、2所示，并據(jù)此繪出工況圖如圖4-2所示。表2 液壓缸在不同工作階段的壓力、流量和功率值工 況負(fù)載F（N）液 壓 缸計(jì) 算 公 式回油腔壓力p2(MPa)輸入流量q(/s)進(jìn)油腔壓力p1(MPa)輸入功率P(kw)快進(jìn)（差動(dòng)）啟動(dòng)3000004.269P1=(F/)+A2P/(A1-A2)q=(A1-A2)v1P=p1q加速28438P1+p(p=0.3Mpa)4.062恒速275000.58883.9372.318工 進(jìn)3775000.6 0.010325.850.266P1=(F/)+p2A2/A1q=A1v2P=p1q快退啟動(dòng)3000004.15P1=(F/)+p2A1/A2q=A2v3P

8、=p1q加速284380.65.16恒速275000.56525.032.843注：液壓缸的機(jī)械效率取m=0.9 （2）確定液壓泵的流量，壓力和選擇泵的規(guī)格 1）泵的工作壓力的確定 考慮到正常工作中進(jìn)油管有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為式中，Pp液壓泵最大工作壓力； P1執(zhí)行元件最大工作壓力； 進(jìn)油管路中的壓力損失，簡(jiǎn)單系統(tǒng)可取0.20.5Mpa。故可取壓力損失P1=0.5Mpa 25+0.5=25.5MPa 上述計(jì)算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過(guò)度階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超出靜態(tài)壓力，另外考慮到一定的壓力儲(chǔ)備量，并確保泵的壽命，因此選泵的壓力值Pa應(yīng)為Pa 1.25P

9、p-1.6Pp 因此Pa=1.25Pp=1.2525.5=31.875MPa圖4-2 2）泵的流量確定,液壓泵的最大流量應(yīng)為 QKL（Q）max油液的泄漏系數(shù)KL=1.2故Qp=KL（Q）max=1.235.33=42.39L/min 3）選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上計(jì)算的Pa和Qp查閱相關(guān)手冊(cè)現(xiàn)選用IGP5-032型的內(nèi)嚙合齒輪泵， nmax= 3000 r/min nmin=400r/min 額定壓力p0=31.5Mpa，每轉(zhuǎn)排量q=33.1L/r，容積效率=85%，總效率=0.7. 4）與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)選定首先分別算出快進(jìn)與工進(jìn)兩種不同工況時(shí)的功率，取兩者較大值作為選擇電動(dòng)機(jī)規(guī)格的依據(jù)

10、。由于在慢進(jìn)時(shí)泵輸出的流量減小，泵的效率急劇降低，一般在流量在0.21L/min范圍內(nèi)時(shí)，可取0.030.14.同時(shí)還應(yīng)該注意到，為了使所選擇的電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)泵的流量特性曲線最大功率時(shí)不至停轉(zhuǎn)，需進(jìn)行演算，即Pa×Qp/,式中，Pd所選電動(dòng)機(jī)額定功率；Pb內(nèi)嚙合齒輪泵的限定壓力；Qp壓力為Pb時(shí)，泵的輸出流量。 快進(jìn)時(shí)所需電機(jī)功率為：P電機(jī)=P/=3.31kw 工進(jìn)時(shí)所需電機(jī)功率為：P工進(jìn)=4.06 kw查閱電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣本，選用Y132S1-2型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為5.5KW，額定轉(zhuǎn)速為2900r/min。4.4液壓閥的選擇 根據(jù)所擬定的液壓系統(tǒng)圖，按通過(guò)各元件的最大流量來(lái)選擇液壓元件

11、的規(guī)格。選定的液壓元件如表所示：序號(hào)元件名稱(chēng)最大流量（L/min最大工作壓力（Mpa）型號(hào)選擇1濾油器72.4XU-D32X100XU-D32X1002液壓泵49.6345IGP5-323三位四通電磁閥60.32534YF30-E20B4單向調(diào)速閥3040ADTL-105二位三通電磁閥60.323YF3B-E20B6單向閥18-150031.5SA107壓力表開(kāi)關(guān)35KF-288溢流閥6316YF3-E10B4.5確定管道尺寸油管內(nèi)徑尺寸一般可參照選用的液壓元件接口尺寸而定，也可接管路允許流速進(jìn)行計(jì)算，本系統(tǒng)主要路流量為差動(dòng)時(shí)流量Q=47.1Lmin壓油管的允許流速取V=3m/s則內(nèi)徑d為 d

12、=4.6(35.33/3)1/2=15.8mm若系統(tǒng)主油路流量按快退時(shí)取Q=33.91Lmin，則可算得油管內(nèi)徑d=15.4mm. 綜合d=20mm吸油管同樣可按上式計(jì)算（Q=49.6Lmin ，V=2ms）現(xiàn)參照YBX-16變量泵吸油口連接尺寸，取吸油管內(nèi)徑d為29mm4.6液壓油箱容積的確定根據(jù)液壓油箱有效容量按泵的流量的57倍來(lái)確定則選用容量為400L。 4.7液壓缸的壁厚和外徑的計(jì)算液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度，從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異，一般計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒，起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸

13、一般用無(wú)縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算PD/2=38.25×140/2×100=26.78mm（=100110MP）故取=30mm液壓缸壁厚算出后，即可求出缸體的外徑D1為D1D+2=140+2×30=200mm4.8缸蓋厚度的確定一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求可用下面兩個(gè)公式進(jìn)行 近似計(jì)算無(wú)孔時(shí)：t0.433D（P）=23.2mm有孔時(shí)：t0.433 D2（P D2（D2d0）1/2式中， t-缸蓋有效厚度D-缸蓋止口內(nèi)直徑D2-缸蓋孔的直徑4.9最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面中

14、點(diǎn)的距離H稱(chēng)為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初試撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿(mǎn)足以下要求 H>=L/20+D/2=400/20+140/2=90mm取H=95mm活塞寬度B=（0.61.0）D1=1404.10缸體長(zhǎng)度的確定液壓缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般的液壓缸的缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑地2030倍液壓元件的選擇確定液壓泵規(guī)格和驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。由前面工況分析，由最大壓制力和液壓主機(jī)類(lèi)型，初定上液壓泵的工作壓力取為，考慮到進(jìn)出油路上閥和管道的壓力損失為（含回油

15、路上的壓力損失折算到進(jìn)油腔），則液壓泵的最高工作壓力為上述計(jì)算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過(guò)渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過(guò)靜態(tài)壓力，另外考慮到一定壓力貯備量，并確保泵的壽命，其正常工作壓力為泵的額定壓力的80%左右因此選泵的額定壓力應(yīng)滿(mǎn)足：液壓泵的最大流量應(yīng)為：式中液壓泵的最大流量同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行所需流量之和的最大值，如果這時(shí)的溢流閥正進(jìn)行工作，尚須加溢流閥的最小溢流量。系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取，現(xiàn)取。qp=KL(q)max+q=1.1*（393+2.5）=395.5L/min（1）選擇液壓泵的規(guī)格由于液壓系統(tǒng)的工作壓力高，負(fù)載壓力大，功率大。大流量。所以選軸向柱塞變量泵。柱塞變量

16、泵適用于負(fù)載大、功率大的機(jī)械設(shè)備（如龍門(mén)刨床、拉床、液壓機(jī)），柱塞式變量泵有以下的特點(diǎn)：1） 工作壓力高。因?yàn)橹c缸孔加工容易，尺寸精度及表面質(zhì)量可以達(dá)到很高的要求，油液泄漏小，容積效率高，能達(dá)到的工作壓力，一般是（），最高可以達(dá)到。 2） 流量范圍較大。因?yàn)橹灰m當(dāng)加大柱塞直徑或增加柱塞數(shù)目，流量變?cè)龃蟆?3） 改變柱塞的行程就能改變流量，容易制成各種變量型。 4） 柱塞油泵主要零件均受壓，使材料強(qiáng)度得到充分利用，壽命長(zhǎng)，單位功率重量小。但柱塞式變量泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。材料及加工精度要求高，加工量大，價(jià)格昂貴。根據(jù)以上算得的和在查閱相關(guān)手冊(cè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)成大先P20-195得：現(xiàn)選用，排量63ml

17、/r，額定壓力32Mpa，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，驅(qū)動(dòng)功率59.2KN，容積效率，重量71kg，容積效率達(dá)92%。（2）與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)的選定由前面得知，本液壓系統(tǒng)最大功率出現(xiàn)在工作缸壓制階段，這時(shí)液壓泵的供油壓力值為26Mpa，流量為已選定泵的流量值。液壓泵的總效率。柱塞泵為，取0.82。 選用1000r/min的電動(dòng)機(jī)，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為：選擇電動(dòng)機(jī) ，其額定功率為18.5KW。5 液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算 已知該液壓系統(tǒng)中進(jìn)回油管的內(nèi)徑均為12mm，各段管道的長(zhǎng)度分別為：AB=0.3m AC=1.7m AD=1.7m DE=2m 。選用L-HL32液壓油，考慮到油的最低溫度為15查得15時(shí)該

18、液壓油曲運(yùn)動(dòng)粘度 V=150cst=1.5cms，油的密度=920kgm5.1壓力損失的驗(yàn)算 （1）工作進(jìn)給時(shí)進(jìn)油路壓力損失，運(yùn)動(dòng)部件工作進(jìn)給時(shí)的最大速度為0.25mmin ，進(jìn)給時(shí)的最大流量為23.55Lmin ，則液壓油在管內(nèi)流速V為：V1=Q（dd4）=（23.55×1000）（3.14×2.9×2. /4）=59.45(cms)管道流動(dòng)雷諾數(shù)Rel為Rel=59.45×3.21.5=126.8Rel2300可見(jiàn)油液在管道內(nèi)流態(tài)為層流，其沿程阻力系數(shù)l=75 Rel=0.59進(jìn)油管道的沿程壓力損失P為：P1-1=l（ld）·（V2 =0.

19、59×1.7+0.3(0.029×920×0.5922)=0.2MPa查得換向閥34YF30-E20B的壓力損失P=0.05MPa忽略油液通過(guò)管接頭、油路板等處的局部壓力損失，則進(jìn)油路總壓力損失P為：P1=P1-1+P1-2=(0.2×1000000+0.05×1000000)=0.25MPa （2）工作進(jìn)給時(shí)間回油路的壓力損失，由于選用單活塞桿液壓缸且液壓缸有桿腔的工作面積為無(wú)桿腔的工作面積的二分之一，則回油管道的流量為進(jìn)油管的二分之一，則：V2=V/2=29.7（cms）Rel=V2dr=29.7×21.5=57.52=75Rel

20、=7557.5=1.3回油管道的沿程壓力損失P為：P2-1=（ld）×（P×VXV2）=1.3×20.029×920×0.5952/2=0.56MPa查產(chǎn)品樣本知換向閥23YF3B-E20B的壓力損失P=0.025MPa。換向閥34YF30-E20B的壓力損失P=0.025MPa ,調(diào)速閥ADTL-10的壓力損失 P=0.5MPa回油路總壓力損失P為P2=P2-1+P2-2+P2-3+2-4=0.55+0.025+0.025+0.5=1.1MPa（3）變量泵出口處的壓力P： Pp=（Fcm+A2P2）（A1+P1） =（3075000.9+0.

21、00785×1.1×100）0.01539+0.15 =22.4MPa（4）快進(jìn)時(shí)的壓力損失，快進(jìn)時(shí)液壓缸為差動(dòng)連接，自會(huì)流點(diǎn)A至液壓缸進(jìn)油口C之間的管路AC中，流量為液壓泵出口流量的兩倍即26L/min,AC段管路的沿程壓力損失為P1-1為 V1=Q/（dXd/4）=45.22×1000(3.14×2X2/4×60)=240.02(cms) Rel=vld/r=320.03 1=75/rel=0.234 P1-1=（l/d）×（V2） =0.234.×（1.70.02）×（920×2.4X2.4X2）

22、=0.2MPa同樣可求管道AB段及AD段的沿程壓力損失P1-2 P1-3為V2=Q（dxd4）=295cms Re2=Vdr=236V2=75 Re2=0.38P1-2=0.024MPaP1-3=0.15MPa 查產(chǎn)品樣本知，流經(jīng)各閥的局部壓力損失為： 34YF30-E20B的壓力損失，P2-1=0.17MPa 23YF3B-E20B的壓力損失，P2-1=0.17MPa據(jù)分析在差動(dòng)連接中，泵的出口壓力為PP=2P1-2+P1-2+P2-2+P2-1+P2-2+FA2cm =2×0.2+0.024+0.15+017+0.17+250.00785×0.9 =0.18MPa快退時(shí)

23、壓力損失驗(yàn)算亦是如此，上述驗(yàn)算表明，無(wú)需修改遠(yuǎn)設(shè)計(jì)。5.2 系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 在整個(gè)工作循環(huán)中，工進(jìn)階段所占的時(shí)間最長(zhǎng)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，主要考慮工進(jìn)時(shí)的發(fā)熱量，一般情況下，工進(jìn)速度大時(shí)發(fā)熱量較大，由于限壓式變量泵在流量不同時(shí)，效率相差極大，所以分別計(jì)算最大、最小時(shí)的發(fā)熱量，然后加以比較，取數(shù)值大者進(jìn)行分析當(dāng)V=4cmmin時(shí)流量Q=V（DD4）=×0.14×0.144=0.616Lmin）此時(shí)泵的效率為0.1，泵的出口壓力為22.4MPa則有：P輸入=22.4×0.616（60×0.1）=2.464（KW）P輸出=FV=307500x460×0.0

24、1×0.001=0.21（Kw）此時(shí)的功率損失為P=P輸入P輸出=2.464-0.21=2.23 (Kw)當(dāng)V=25cmmin時(shí)，Q=3.85Lmin 總效率=0.8則P輸入=25×3.85（60×0.8）=1.845（Kw）P輸出=FV=307500×2560×0.01×0.001=1.28（Kw）P=P輸入P輸出=0.565（Kw）可見(jiàn)在工進(jìn)速度低時(shí)，功率損失為2.156Kw，發(fā)熱最大假定系統(tǒng)的散熱狀況一般，取K=10×0.001Kw（cm·）油箱的散熱面積A為 A=0.065V2/3=6.5m2系統(tǒng)的溫升為：T=PKA=2.156（10×0.001×6.6）=33.2驗(yàn)算表明系統(tǒng)的溫升在許可范圍內(nèi)5.3 螺栓校核 液壓缸主要承受軸向載荷Fmax=207000取6個(gè)普通螺栓，則每個(gè)螺栓的工作拉力為Fo=207000/6=34500N螺栓總拉力F=Fa+Cb/(Cb+C