摘 要本設(shè)計為中型四柱式液壓機，主機最大工作負(fù)載設(shè)計為 2000KN。主機主要由上梁、導(dǎo)柱、工作臺、移動橫梁、主缸、頂出缸等組成。本文重點介紹了液壓系統(tǒng)的設(shè)計。通過具體的參數(shù)計算及工況分析，制定總體的控制方案。經(jīng)方案對比之后，擬定液壓控制系統(tǒng)原理圖。液壓系統(tǒng)選用插裝閥集成控制系統(tǒng)，插裝閥集成控制系統(tǒng)具有密封性好，通流能力大，壓力損失小等特點。為解決主缸快進時供油不足的問題，主機頂部設(shè)置補油油箱進行補油。主缸的速度換接與安全行程限制通過行程開關(guān)來控制；為了保證工件的成型質(zhì)量，液壓系統(tǒng)中設(shè)置保壓回路，通過保壓使工件穩(wěn)定成型；為了防止產(chǎn)生液壓沖擊，系統(tǒng)中設(shè)有泄壓回路，確保設(shè)備安全穩(wěn)定的工作。此外，本文對液壓站進行了總體布局設(shè)計，對重要液壓元件進行了結(jié)構(gòu)、外形、工藝設(shè)計，對主機、電氣控制系統(tǒng)進行了簡要設(shè)計。通過液壓系統(tǒng)壓力損失和溫升的驗算，本文液壓系統(tǒng)的設(shè)計可以滿足液壓機順序循環(huán)的動作要求，能夠?qū)崿F(xiàn)塑性材料的鍛壓、沖壓、冷擠、校直、彎曲等成型加工工藝。關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；液壓機；畢業(yè)設(shè)計IIABSTRACTThis paper design for the medium frame of hydraulic machines, the mainframe’s largest work load design for 2000KN. Mainframe mainly by the beam、guided 、worktable、mobile beams、master cylinder、cylinder head out of components etc. This paper focuses on the hydraulic system design. Through specific parameters and hydraulic mechanic situation analyzes, formulation of a master control program. By contrast, developed hydraulic control system diagram.Hydraulic systems use cartridge valve integrated control system, integrated cartridge valve control system has good sealing, flow capacity, small pressure loss characteristics etc. To solve the master cylinder express entered the shortage of oil supply in the top of the mainframe installed oil tank. Master cylinder for the speed of access restrictions and security through the trip exchanging to control switches.To ensure the quality of the work-piece molding, in the hydraulic system installed packing loop through packing work-piece stability molding; To prevent hydraulic shocks, pressure relief system with a loop to ensure that this equipment can be a safe and stable work. In addition, the paper hydraulic station on the overall layout of the key components of the hydraulic structure、shape、technique for a specific design.By the loss of hydraulic system pressure and temperature checked. Hydraulic system is designed to meet the hydraulic action sequence and cycle requirements can be achieved by forging plastic materials, stamping, cold extrusion, straightening, bending, and other molding processes. Keywords: Hydraulic System ；Hydraulic Pressure machine；Graduation designIII目 錄第 1 章 緒論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 液壓機現(xiàn)狀概要 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 本文擬達到的要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2第 2 章 四柱液壓機總體方案設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????32.1 四柱液壓機主要設(shè)計參數(shù) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32.2 四柱液壓機工作原理分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32.2.1 四柱液壓機的基本組成 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32.2.2 四柱液壓機的工作原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????42.3 四柱液壓機工藝方案設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.4 四柱液壓機總體布局方案設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.5 四柱液壓機零部件設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.5.1 主機載荷分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.5.2 主機工作臺設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????102.5.3 控制臺設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10第 3 章 四柱液壓機液壓系統(tǒng)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????103.1 液壓傳動的優(yōu)越性概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????113.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????113.2.1 液壓機負(fù)載確定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????113.2.2 液壓機主缸工藝過程分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.3.1 液壓機主缸工況分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.3.2 液壓機頂出缸工況分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.3.3 液壓系統(tǒng)原理圖擬定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.3.4 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????213.4 液壓系統(tǒng)零部件設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????283.4.1 液壓機主缸設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????283.4.2 液壓機頂出缸設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????323.4.3 液壓油管設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33IV3.4.4 液壓油箱設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????353.5 液壓站布局設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????363.5.1 液壓站設(shè)計需要考慮的問題 ????????????????????????????????????????????????????????????????????363.5.2 液壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????363.6 液壓系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性驗算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????373.6.1 液壓系統(tǒng)壓力損失驗算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????373.6.2 液壓系統(tǒng)溫升驗算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????41第 4 章 四柱液壓機電氣系統(tǒng)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????424.1 電氣控制概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????424.2 四柱液壓機電氣控制方案 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????424.2.1 四柱液壓機電氣控制方式選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????424.2.2 電氣控制要求與總體控制方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????424.3 四柱液壓電氣控制電路設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????434.3.1 四柱液壓機主電路設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????434.3.2 四柱液壓機控制電路設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????434.3.3 電氣控制過程分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45第 5 章 四柱液壓機安裝調(diào)試和維護 ?????????????????????????????????????????465.1 四柱液壓機的安裝 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????475.2 四柱液壓機的調(diào)試 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????475.3 四柱液壓機的保養(yǎng)維護 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47結(jié)論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51附錄 1??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52附錄 2??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53第 1 章 緒 論1.1 液壓機現(xiàn)狀概要液壓傳動技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)有了較為完善、成熟的理論和實踐基礎(chǔ)。液壓傳動技術(shù)與傳統(tǒng)的機械傳動相比，操作方便簡單，調(diào)速范圍廣，很容易實現(xiàn)直線運動并且還具有自動過載保護功能。液壓傳動容易實現(xiàn)自動化操作，采用電液聯(lián)合控制后，可以實現(xiàn)更高程度的自動控制以及遠(yuǎn)程遙控。由于液壓傳動的工作介質(zhì)是流體礦物油，有較大的沿程和局部阻力損失。當(dāng)系統(tǒng)的工作壓力比較高時，還會產(chǎn)生比較大的泄漏，泄漏的礦物油將直接對環(huán)境造成污染，有時候還容易引起安全事故。油液受溫度的影響很大，因此液壓油不能在很高或很低的溫度條件下工作。由于液壓油的可壓縮性和泄漏，液壓傳動不能保證恒定的傳動比和很高的傳動精度，這是液壓傳動的最大不足之處。此外，液壓傳動的故障排除不如機械傳動、電氣傳動那樣容易，因而對使用和維護人員有較高的技術(shù)水平要求。雖然液壓傳動存在這些缺陷，但總體上優(yōu)點還是蓋過了缺點，因而應(yīng)用還是很廣泛。液壓機自 19 世紀(jì)問世以來得到了很快的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，成了產(chǎn)品壓力加工成型不可或缺的機械設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，電子技術(shù)、液壓技術(shù)的不斷成熟，液壓機也得到了更進一步的發(fā)展。到目前為止，液壓機的最大公稱壓力已經(jīng)達到了 750MN，控制技術(shù)也由原來傳統(tǒng)的繼電器控制變?yōu)榭删幊炭刂破骱凸I(yè)計算機控制，這使液壓機的運行平穩(wěn)性、控制精度、產(chǎn)品質(zhì)量有了保證，同時生產(chǎn)效率得到了很大的提高。液壓機加工與傳統(tǒng)機械加工相比屬于無屑加工，應(yīng)用范圍廣泛，一般用于塑性材料的冷擠、校直、彎曲、沖裁、拉伸等。此外液壓機還用于粉末冶金、翻邊、壓裝等產(chǎn)品的成型加工工藝。液壓機還能實現(xiàn)復(fù)雜工件和不對稱工件的加工，產(chǎn)品廢品率較低。液壓機根據(jù)加工工件的不同性質(zhì)，還可進行適當(dāng)?shù)膲毫π谐陶{(diào)整，滿足產(chǎn)品的加工要求。液壓機主要由主機、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三部分組成。液壓機的整個工作過程的實現(xiàn)，首先是由電氣系統(tǒng)來控制液壓系統(tǒng)，然后再由液壓系統(tǒng)控制主機主缸和頂出缸的順序動作?？偟膩碚f，液壓機操作簡單，維護方便。雖然液壓機目前應(yīng)用十分廣泛，但是潛在的問題還很多。液壓機屬于高壓工作設(shè)備,進行壓力加工時,隨著壓力的不斷升高泄漏也會不斷增大,這樣不利于保證零件的加工精度，同時還會對環(huán)境造成污染。除此之外，液壓機還存在如下缺陷，液壓機壓力加工完成后，卸壓時存在很大的液壓沖擊，這樣對液壓元件及其它設(shè)備損害很大；按下啟動按鈕后，動作靈敏性不及電氣控制；液壓機出現(xiàn)故障不能夠正常工作，故障不容易及時找到并排除，給維護帶來了一定的技術(shù)難題和不便；液壓機工作時產(chǎn)生的液壓沖擊、氣蝕等現(xiàn)象，會縮短液壓元件的使用壽命。- 2 -為了催生更大的生產(chǎn)力，液壓機的設(shè)計需要改進。液壓油路設(shè)計、控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計將是液壓機今后值得研究的方向。（1）油路設(shè)計方面為了防止泄油和外界的污染，液壓機油路的設(shè)計趨于集成化、封閉循環(huán)式，這樣可以延長設(shè)備的使用壽命。除此之外，液壓元件設(shè)計盡量標(biāo)準(zhǔn)化，集成化。集成液壓系統(tǒng)減少了管路連接，可以降低泄漏和污染。液壓元件的標(biāo)準(zhǔn)化給維護帶來了方便。（2）控制系統(tǒng)方面液壓機屬于高壓設(shè)備，控制系統(tǒng)除控制設(shè)備安全可靠的工作之外，還應(yīng)該讓控制精度變得更高，人機交互變得更簡單，操作更方便，自動化、高速化、智能化程度更好。綜上所述，液壓機的發(fā)展促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。伴隨著電氣控制技術(shù)、液壓傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓機的自動化程度、加工精度將進一步得到提高，實現(xiàn)智能化控制。1.2 本文擬達到的要求（1）液壓機總體方案設(shè)計，其中包括主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計、部件裝配方案設(shè)計；（2）通過液壓系統(tǒng)總體設(shè)計方案的對比，確定合理的液壓系統(tǒng)設(shè)計方案。主要包括液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計、液壓元件結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計、液壓站總體布局設(shè)計；（3）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計，包括主電路和控制電路電路圖設(shè)計；（4）設(shè)計方案確定時，必須考慮選用什么樣的制造材料，達到什么樣的表面加工質(zhì)量，采用什么樣的機械加工設(shè)備，選擇什么樣的熱處理方式等；（5）整個設(shè)備滿足拆裝方便，運輸方便的要求；（6）四柱液壓機能夠準(zhǔn)確完成如下工作循環(huán)：主缸活塞滑塊快速下行、主缸活塞滑塊慢速加壓、主缸保壓、主缸卸壓、主缸活塞滑塊回程、頂出缸頂出、頂出缸退回等；（7）設(shè)備達到總體布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、操作簡單、維護方便、環(huán)境污染小、工作的時候噪音低、自動化程度高等，能夠完成沖壓、冷擠、校直、彎曲、粉末冶金壓制成型、薄板拉伸、壓裝成型等加工工藝。- 3 -第 2 章 四柱液壓機總體設(shè)計2.1 四柱液壓機主要設(shè)計參數(shù)（1）擬設(shè)計的四柱液壓機主要技術(shù)參數(shù)見表 2.1表 2.1 液 壓 機 技 術(shù) 參 數(shù)參 數(shù) 項 參 數(shù)公稱力（最大負(fù)載） 2000KN工進時液體最大工作壓力 25MPa主缸回程力 400KN頂出缸頂出力 350KN主缸滑塊行程 700mm頂出活塞行程 250mm主缸滑塊距工作臺最大距離 1100mm主缸滑塊快進速度 0.08m/s主缸滑塊工進最大速度 0.006m/s主缸快退速度 0.03m/s頂出活塞頂出速度 0.02m/s頂出活塞退回速度 0.05m/s（2）四柱液壓機的主要功能通過液壓傳動系統(tǒng)傳遞動力，完成零件的壓力成型加工。（3）四柱液壓機的適用范圍液壓機主要用于冷擠、校直、彎曲、沖裁、拉伸、粉末冶金、翻邊、壓裝等成型工藝。2.2 四柱液壓機工作原理分析2.2.1 四柱液壓機的基本組成四柱液壓機主要由主機、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三部分組成。 其中主機包括工作臺、導(dǎo)柱、滑塊、上缸、頂出缸等結(jié)構(gòu)；液壓系統(tǒng)由控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件、動力裝置、工作介質(zhì)等組成；電氣控制控制系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)、電器控制柜等組成。2.2.2 四柱液壓機的工作原理- 4 -（1）四柱液壓機主機組成簡圖 2.11-滑塊 2-導(dǎo)柱 3-工作臺 4-安裝地基 5-頂出缸 6-主缸 7-上橫梁 8-輔助油箱圖 2.1 四柱液壓機主機組成簡圖（2）四柱液壓機工作原理分析四柱液壓機的動作順序通過電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)控制，控制順序框圖如圖 2.2。- 5 -啟 動電 氣 系 統(tǒng) 液 壓 系 統(tǒng) 液 壓 機 主 機行 程 開 關(guān)手 動圖 2.2 四柱液壓機控制順序圖從上面的控制順序框圖可以看出，液壓機的工作原理由電氣控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)再控制主機工作，主機動作觸及行程開關(guān)，將信號反饋給電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)循環(huán)控制。（3）四柱液壓機工作循環(huán)分析四柱液壓機工作循環(huán)如圖 2.3 所示?；?塊 快 速 下 行 工 進 、 加 壓 保 壓頂 出 快 速 回 程 停 止圖 2.3 四柱液壓機工作循環(huán)圖四柱液壓機工作循環(huán)如圖 2.3（a） ，滑塊在自重的作用下快速下行，碰到行程開關(guān)后由快進變?yōu)楣みM，隨后進行加壓、保壓。保壓時間完成后，滑塊快速回程，直到回到原來的位置，停止運動；圖 2.3（b）表示頂出缸的工作循環(huán)過程，主缸快進、- 6 -工進、保壓、退回停止后，頂出缸才運動，將工件頂出。2.3 四柱液壓機工藝方案設(shè)計（1）控制方式的選擇采用液壓系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式。具有調(diào)整、手動、半自動三種工作方式，可實現(xiàn)定壓、定程兩種加工工藝；（2）液壓系統(tǒng)：液壓油路采用封閉式回路，供油方式選用變量泵供油，液壓控制元件采用插裝閥形式。針對液壓機快進時供油不足以及工進時的高壓特性，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有補油和卸壓裝置；（3）電氣控制：采用繼電器、行程開關(guān)、接觸器、手動按鈕等元件進行手動、半自動控制；（4）主機：主機結(jié)構(gòu)形式采用“三梁四柱”的形式，主缸和頂出缸為執(zhí)行元件。2.4 四柱液壓機總體布局方案設(shè)計總體布局如圖 2.4 所示1-主機 2-液壓油管 3-控制臺4-插裝閥 5-液壓泵裝置 6-液壓油箱 7-電氣控制柜圖 2.4 四柱液壓機總體布局簡圖圖 2.4 為液壓機整體布局簡圖，分為三個部分，即：主機、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的所有部件都集中安裝在液壓油箱上，使液壓站布局結(jié)構(gòu)變得緊湊。電氣控制元件集中設(shè)計在電氣柜中。啟動、停止、快進、頂出、調(diào)整、等控制按鈕設(shè)置在控制臺上，方便及時操作。- 7 -2.5 四柱液壓機零部件設(shè)計2.5.1 主機載荷分析參考表 2.1，四柱液壓機的最大工作負(fù)載為 2000KN，主缸回程力為 400KN，頂出缸頂出力為 350KN。由于工作時的負(fù)載遠(yuǎn)大于其它工況時的負(fù)載，因此在進行載荷設(shè)計時，取負(fù)載 2000KN 對液壓機進行受力計算。液壓機結(jié)構(gòu)形式為“三梁四柱”式，工進加壓的負(fù)載作用在橫梁和導(dǎo)柱上，受載時橫梁受壓，導(dǎo)柱受拉，受力如圖 2.5 所示 橫 梁導(dǎo) 柱F-負(fù)載 T-導(dǎo)柱拉力圖 2.5 橫梁、導(dǎo)柱受力圖2.5.1.1 導(dǎo)柱設(shè)計材料選擇：導(dǎo)柱在工作過程中主要承受拉力，材料必須具備較高的抗拉強度。導(dǎo)柱材料選擇 45 圓鋼，也可選用鍛件形式。熱處理要求：導(dǎo)柱除了承受拉力之外，外圓柱表面與滑塊之間還存在摩擦力。為了減少導(dǎo)柱表面的磨損，通過表面熱處理提高表面硬度增加表面耐摩性?？偟臒崽幚砉に嚍檎{(diào)質(zhì)和表面淬火。理論設(shè)計計算：液壓機的最大負(fù)載約為 2000kN，通過力傳遞后，最后由四根導(dǎo)柱承受 2000kN的拉力，作用在每根導(dǎo)柱上的拉力為 500kN。由許用拉應(yīng)力公式 (2.1)，可計算導(dǎo)柱的安全直徑 D。(2.1)AF?][?式中：- 8 -—許用應(yīng)力；取 45 鋼 =80～100MPa；][?][?F—軸向拉力；A—橫截面積。即： mPaNFD089.1804.35][6?????圓整后取導(dǎo)柱直徑 D=90mm，為了防止四根導(dǎo)柱因瞬間的受力不均而被破壞，導(dǎo)柱直徑可適當(dāng)加大，取 D=110mm。2.5.1.2 橫梁設(shè)計材料選擇：橫梁工作時的受力為彎曲力，材料應(yīng)具有一定的抗彎強度。選用 45鋼，毛坯采用鍛件。熱處理要求：橫梁進行調(diào)質(zhì)處理。理論計算校核：橫梁受力可以簡化為簡直梁,中間受載的情形，如圖 2.6 所示。截 面 1-圖 2.6 橫梁滑塊受力簡圖初步確定橫梁的長、寬、高尺寸分別為 1310、1045、575mm，截面為矩形。即：在負(fù)載作用下的剪力和彎矩如圖 2.7 所示。- 9 -圖 2.7 (a) 剪力圖 (b) 彎矩圖由彎矩圖 2.7(b)可知，橫梁 C 點 1—1 截面彎矩最大，該截面是危險截面。為了保證橫梁能夠正常工作，必須對該截面進行強度校核。正應(yīng)力計算公式為：(2.2)WMmaxax??式中：—最大彎曲正應(yīng)力；max?—最大彎矩；M—抗彎截面系數(shù)( )。W3m矩形截面抗彎系數(shù) W 計算公式為：(2.3)62bh?式中：—矩形截面的寬；b—矩形截面的高。h即： 32058.67.045.1mW???MPakN1.3max?45 鋼的彎曲許用應(yīng)力[ ]=100MPa，而橫梁的最大彎曲應(yīng)力 =8.1MPa，遠(yuǎn)小max?于材料的許用應(yīng)力，經(jīng)過校核，設(shè)計尺寸滿足要求。2.5.2 主機工作臺設(shè)計液壓機工作臺主要受壓，由于工作臺不是很高，剛度要求可以滿足，因此在設(shè)計- 10 -計算時只要進行抗壓強度的校核即可，校核過程從略。材料選擇：工作臺主要受壓，材料選用鑄鋼 45。工藝要求： 機械加工時，工作臺表面做成 T 形槽，如圖 2.8 所示。圖 2.8 工作臺 T 形槽2.5.3 控制臺設(shè)計材料選擇：控制臺主要用于安裝控制按鈕，不承受動載荷，強度要求不是很高，滿足使用要求即可，材料選用 Q235A。加工工藝：控制臺的制作加工采用焊接方式完成。外形設(shè)計：控制臺外形尺寸設(shè)計應(yīng)考慮操作方便。外形簡圖如圖 2.9 所示。1-控制按鈕 2-控制面板 3-控制臺底座圖 2.9 液壓機控制臺外形簡圖第 3 章 四柱液壓機液壓系統(tǒng)設(shè)計3.1 液壓傳動的優(yōu)越性概述科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，液壓傳動技術(shù)隨之有了比較完善、成熟的理論基礎(chǔ)。- 11 -目前液壓傳動技術(shù)正向著高壓、高速、大功率、高效、低噪音、經(jīng)久耐用、高度集成化的方向發(fā)展。（1）液壓傳動優(yōu)越性1）液壓元件布局靈活；2）液壓傳動操作控制方便，可實現(xiàn)無級調(diào)速；3）液壓傳動容易實現(xiàn)直線傳動，可以進行自動過載保護；4）液壓傳動采用電液控制相結(jié)合的控制方式，可實現(xiàn)自動化控制，還可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；5）液壓系統(tǒng)中液壓元件的磨損比機械傳動小很多，液壓油除了作為傳動介質(zhì)外還起到了潤滑的作用，延長了液壓系統(tǒng)中液壓元件的使用壽命。（2）液壓傳動不足1）液壓傳動沿程、局部阻力損失比較大；2）液壓傳動壓力高時泄漏較大，效率降低，處理不好油液還會對環(huán)境構(gòu)成污染；3）液壓介質(zhì)的泄漏和可壓縮性使系統(tǒng)沒有嚴(yán)格的傳動比；4）液壓傳動存在的液壓沖擊、氣蝕、困油現(xiàn)象影響了設(shè)備的安全工作和使用壽命；5）液壓元件制造精度高，成本貴，系統(tǒng)故障不容易排除，維護技術(shù)成本高；6）液壓系統(tǒng)工作環(huán)境受溫度影響較大，不宜在很高和很低的溫度條件下工作。3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計要求3.2.1 液壓機負(fù)載確定參考四柱液壓機技術(shù)參數(shù)表 2.1 可知，液壓機的最大工作負(fù)載為 2000KN，工進時液體最大壓力為 25MPa,由此確定液壓機設(shè)計負(fù)載為 2000KN 型四柱液壓機。3.2.2 液壓機主機工藝過程分析壓制工件時主機的工藝過程：按下啟動按鈕后，主缸上腔進油，橫梁滑塊在自重作用下快速下行，此時會出現(xiàn)供油不足的情況，補油箱對上缸進行補油。觸擊快進轉(zhuǎn)為工進的行程開關(guān)后，橫梁滑塊工進，并對工件逐漸加壓。工件壓制完成后進入保壓階段，讓產(chǎn)品穩(wěn)定成型。保壓結(jié)束后，轉(zhuǎn)為主缸下腔進油，滑塊快速回程，直到原位后停止。橫梁滑塊停止運動后，頂出缸下腔進油，將工件頂出，工件頂出后，頂出缸上腔進油，快速退回。3.2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)可參考表 2.1- 12 -最大負(fù)載：2000KN； 工進時系統(tǒng)最大壓力：25MPa主缸回程力：400KN； 頂出缸頂出力：350KN主缸滑塊快進速度：0.08m/s； 主缸最大工進速度：0.006m/s主缸回程速度：0.03m/s； 頂出缸頂出速度：0.02m/s頂出缸回程速度：0.05m/s3.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計3.3.1 液壓機主缸工況分析3.3.1.1 主缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及表 2.1 中主缸滑塊行程為 700mm，可以得到主缸的速度循環(huán)圖如下：圖 3.1 主缸速度循環(huán)圖3.3.1.2 主缸負(fù)載分析液壓機啟動時，主缸上腔充油主缸快速下行，慣性負(fù)載隨之產(chǎn)生。此外，還存在靜摩擦力、動摩擦力負(fù)載。由于滑塊不是正壓在導(dǎo)柱上，不會產(chǎn)生正壓力，因而滑塊在運動過程中所產(chǎn)生的摩擦力會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作負(fù)載，計算最大負(fù)載時可以忽略不計。液壓機的最大負(fù)載為工進時的工作負(fù)載。通過各工礦的負(fù)載分析，液壓機主缸所受外負(fù)載包括工作負(fù)載、慣性負(fù)載、摩擦阻力負(fù)載，即：F = Fw + Ff + Fa ( 3.1 )式中：F —液壓缸所受外負(fù)載；Fw —工作負(fù)載；- 13 -Ff —滑塊與導(dǎo)柱、活塞與缸筒之間的摩擦阻力負(fù)載，啟動時為靜摩擦阻力負(fù)載，啟動后為動摩擦力負(fù)載；Fa —運動執(zhí)行部件速度變化時的慣性負(fù)載。（1）慣性負(fù)載 Fa 計算計算公式：Fa = ( 3.2 )tvgG??式中：G —運動部件重量；g —重力加速度 9.8m/ ；2S— 時間內(nèi)的速度變化量；v?t—加速或減速時間，一般情況取 =0.01～0.5s。t?查閱相同型號的四柱液壓機資料，初步估算橫梁滑塊的重量為 30KN。由液壓機所給設(shè)計參數(shù)可及： =0.08m/s ，取 =0.05s，代入公式 3.2 中。vt即：Fa = = 4898NsmsN05./8/.932?（2）摩擦負(fù)載 Ff 計算滑塊啟動時產(chǎn)生靜摩擦負(fù)載，啟動過后產(chǎn)生動摩擦負(fù)載。通過所有作用在主缸上的負(fù)載可以看出，工作負(fù)載遠(yuǎn)大于其它形式的負(fù)載。由于滑塊與導(dǎo)柱、活塞與缸體之間的摩擦力不是很大，因而在計算主缸最大負(fù)載時摩擦負(fù)載先忽略不計。（3）主缸負(fù)載 F 計算將上述參數(shù) Fa = 4898N 、Fw = 2000000 N 代入公式 3.1 中。即：F = 2000000 + 4898 = 2004898N3.3.1.3 主缸負(fù)載循環(huán)圖（1）主缸工作循環(huán)各階段外負(fù)載如表 3.1表 3.1 主缸工作循環(huán)負(fù)載工 作 循 環(huán) 外 負(fù) 載啟 動 F = f 靜 + Fa ≈5 KN橫梁滑塊快速下行 F = f 動 忽略不計- 14 -工 進 F = f 動 + Fw ≈2000 KN快速回程 F = f 回+ F 背 ≈400 KN注：“f 靜”表示啟動時的靜摩擦力， “f 動”表示啟動后的動摩擦力。（2）主缸各階段負(fù)載循環(huán)如圖 3.2圖 3.2 主缸負(fù)載循環(huán)圖3.3.2 液壓機頂出缸工況分析3.3.2.1 頂出缸速度循環(huán)圖 根據(jù)液壓機系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)和表 2.1 中頂出缸活塞行程為 250mm，得到頂出缸的速度循環(huán)圖如下：圖 3.3 頂出缸速度循環(huán)圖3.3.2.2 頂出缸負(fù)載分析主缸回程停止后，頂出缸下腔進油，活塞上行，這時會產(chǎn)生慣性、靜摩擦力、動摩擦力等負(fù)載。由于頂出缸工作時的壓力遠(yuǎn)小于主缸的工況壓力，而且質(zhì)量也比主缸滑塊小很多，慣性負(fù)載很小，計算時可以忽略不計；同理摩擦負(fù)載與頂出力相比也很- 15 -小，也可不計；工件頂出時的工作負(fù)載比較大，計算頂出缸的最大工作負(fù)載時可以近似等于頂出力。將參數(shù)代入公式 3.1 計算頂出缸的最大負(fù)載。即：F = Fw = 350000N式中：Fw —頂出力；3.3.2.3 頂出缸負(fù)載循環(huán)圖（1）頂出缸工作循環(huán)各階段外負(fù)載如表 3.2表 3.2 頂出缸工作循環(huán)負(fù)載工 作 循 環(huán) 外 負(fù) 載啟 動 F = F 靜 + Fa 忽略不計頂出缸頂出 F = = f 動 + Fw ≈350 KN快速退回 F = f 動 + F 背 ≈8 KN注：“f 靜”表示啟動時的靜摩擦力， “f 動”表示啟動后的動摩擦力。（2）頂出缸各階段負(fù)載循環(huán)如圖 3.4圖 3.4 頂出缸負(fù)載循環(huán)圖- 16 -3.3.3 液壓系統(tǒng)原理圖擬定3.3.3.1 液壓系統(tǒng)供油方式及調(diào)速回路的選擇液壓機工進時負(fù)載大，運動速度慢，快進、快退時的負(fù)載相對于工進時要小很多，但是速度卻比工進時要快。為了提高液壓機的工作效率，可以采用雙泵或變量泵供油的方式。綜合考慮，液壓機采用變量泵供油，基本油路如圖 3.5 所示。由于液壓機工況時的負(fù)載壓力會逐步增大，為了使液壓機處于安全的工作狀態(tài)，調(diào)速回路采用恒功率變量泵調(diào)速回路。當(dāng)負(fù)載壓力增大時，泵的排量會自動跟著減小，保持壓力與流量的乘積恒為常數(shù)，即：功率恒定，如圖 3.6 所示。1-液壓缸 2-油箱 3-過濾器 4-變量泵 5-三位四通電磁換向閥圖 3.5 液壓機基本回路圖- 17 -圖 3.6 恒功率曲線圖3.3.3.2 液壓系統(tǒng)速度換接方式的選擇液壓機加工零件的過程包括主缸的快進、工進、快退和頂出缸的頂出、快速回程。采用什么樣的方式進行速度的安全、準(zhǔn)確換接是液壓機穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。為了達到控制要求，液壓系統(tǒng)的速度換接通過行程開關(guān)控制。這種速度換接方式具有平穩(wěn)、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、行程調(diào)節(jié)方便等特點，安裝也很容易。3.3.3.3 液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)采用插裝集成控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有密封性好、流通能力大、壓力損失小、易于集成等優(yōu)點。液壓機系統(tǒng)控制原理如圖 3.7 所示。1、 2、6、18 、15、10、11-先導(dǎo)溢流閥 1S、2S、3S-行程開關(guān) 3、7-緩沖閥 14 單向閥 4、5、8、9、12、13、16、17、19、20-電磁換向閥 21-補油郵箱 22-充液閥 23、24-液壓缸 25 壓力表 F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10-插裝閥 26-變量泵 27-過濾器 28、29、30、31 梭閥- 18 -圖 3.7 液壓機插裝閥控制系統(tǒng)原理圖3.3.3.4 液壓系統(tǒng)控制過程分析整個液壓控制系統(tǒng)包括五個插裝閥集成塊，插裝閥工作原理分析如下：F1、F2 組成進油調(diào)壓回路，其中 F1 為單向閥，用于防止系統(tǒng)中液壓油倒流回泵，F(xiàn)2 的先導(dǎo)溢流閥 2 用于調(diào)整系統(tǒng)的壓力，先導(dǎo)溢流閥 1 用于限制系統(tǒng)的最高壓力，緩沖閥 3 與電磁換向 4 用于液壓泵卸載和升壓緩沖；F3、F4 組成主缸 23 油液三通回路，先導(dǎo)溢流閥 6 是用于保證主缸的安全閥，緩沖閥 7 與電磁換向閥 8 用于主缸上腔卸壓緩沖；F5、F6 組成主缸下腔油液三通回路，先導(dǎo)溢流閥 11 用于調(diào)整主缸下腔的平衡壓力，先導(dǎo)溢流閥 10 為主缸下腔安全閥；F7、F8 組成頂出缸上腔油液三通回路，先導(dǎo)溢流閥 15 為頂出缸上腔安全閥，單向閥 14 用于頂出缸作液壓墊，活塞浮動時上腔補油；F9、F10 組成頂出缸下腔油液三通回路，先導(dǎo)溢流閥 18 為頂出缸下腔安全閥。除此之外，進油主閥 F3、 F5、F7、F9 的控制油路上都有一個壓力選擇梭閥，用于保證錐閥關(guān)閉可靠，防止反壓開啟。3.3.3.5 液壓機執(zhí)行部件動作過程分析液壓機主缸、頂出缸工作循環(huán)過程分析如下：（1）主缸1）啟動——按下啟動按鈕，所有電磁鐵處于失電狀態(tài)，三位四通電磁閥 4 閥芯處于中位。插裝閥 F2 控制腔經(jīng)閥 3、閥 4 與油箱接通，主閥開啟。液壓泵輸出的油液經(jīng)閥 F2 流回油箱，泵空載啟動。2）主缸滑塊快速下行——電磁鐵 1Y、3Y、6Y 得電，這時插裝閥 F2 關(guān)閉，F(xiàn)3、F6 開啟，泵向系統(tǒng)供油，輸出油液經(jīng)閥 F1、F3 進入主缸上腔。主缸下腔油液經(jīng)閥 F6 快速流回油箱?；瑝K在自重作用下快速下行，這時會因為下行速度太快，泵的輸出流量來不及填充上腔而在上腔形成負(fù)壓。充液閥 21 打開，上部油箱對上腔進行補油，滑塊的快速下行。3）滑塊減速下行——當(dāng)滑塊行至一定位置觸動行程開關(guān) 2S 后，電磁鐵 6Y 失電，7Y 得電，插裝閥 F6 控制腔先導(dǎo)溢流閥 11 接通，閥 F6 在閥 11 的調(diào)定壓力下溢流，主缸下腔會產(chǎn)生一定的背壓。主缸上腔的壓力這時會相應(yīng)升高，充液閥 21 關(guān)閉。主缸上腔進油僅為泵的輸出流量，滑塊減速下行。4）工進——當(dāng)滑塊減速行進一段距離后接近工件，主缸上腔的壓力由壓制負(fù)載決定，主缸上腔的壓力會不斷升高，變量泵輸出流量會相應(yīng)自動減少。當(dāng)主缸上腔的- 19 -壓力達到先導(dǎo)溢流閥 2 的調(diào)定壓力時，泵的輸出流量全部經(jīng)閥 F2 溢流，此時滑塊停止運動。5）保壓——當(dāng)主缸上腔的壓力達到所需要求的工作壓力后，電接點壓力表發(fā)出電信號，電磁鐵 1Y 、 3Y、7Y 全部失電，閥 F3、F6 關(guān)閉。主缸上腔閉鎖，實現(xiàn)保壓，同時閥 F2 開啟，泵卸載。6）主缸上腔泄壓——主缸上腔此時的壓力已經(jīng)很高，保壓一段時間后，時間繼電器發(fā)出電信號，電磁鐵 4Y 得電，閥 F4 控制腔通過緩沖閥 7 及電磁換向閥 8 與油箱接通，由于緩沖閥 7 的作用，閥 F4 緩慢開啟，主缸上腔實現(xiàn)無沖擊泄壓，保證設(shè)備處于安全工作狀態(tài)。7）主缸回程——當(dāng)主缸上腔的壓力降到一安全值后，電接點壓力表發(fā)出電信號，電磁鐵 2Y、5Y、4Y、12Y 得電，插裝閥 F2 關(guān)閉，閥 F4、F5 開啟，充液閥 21 開啟，壓力油經(jīng)閥 F1、F5 進入主缸下腔，主缸上腔油液經(jīng)充液閥 21 和閥 F4 分別流回上部油箱和主油箱，主缸完成回程。8）主缸停止——當(dāng)主缸回程到達上端點，觸擊行程開關(guān) 1S，全部電磁鐵失電，閥 F2 開啟，泵卸載。閥 F5 將主缸下腔封閉，上滑塊停止運動。（2）頂出缸1）工件頂出——當(dāng)主缸回程停止運動后，按下頂出按鈕，電磁鐵 2Y、9Y 、10Y得電，插裝閥 F8、F9 開啟，液壓油經(jīng)閥 F1、F9 進入頂出缸下腔，上腔油液經(jīng)閥 F8流回油箱，工件頂出。2）頂出缸退回——按下退回按鈕，電磁鐵 9Y、10Y 失電，電磁鐵2Y、8Y、11Y 得電，插裝閥 F7、F10 開啟，液壓油經(jīng)閥 F1、F7 進入頂出缸上腔，下腔油液經(jīng)閥 F10 流回油箱，頂出缸回程。（3）液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序表電磁鐵動作順序如表 3.3表 3.3 液 壓 機 液 壓 系 統(tǒng) 電 磁 鐵 動 作 順 序 表執(zhí)行部件 工 況 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y 8Y 9Y 10Y 11Y 12Y快速下行 + + +工進、加壓+ + +保 壓泄 壓 +回 程 + + + +主缸停 止- 20 -頂 出 + + +退 回 + + +頂出缸 停 止注：“+ ”表示電磁鐵處于得電狀態(tài)。3.3.4 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)計算3.3.4.1 液壓缸基本尺寸計算（1）主缸工作壓力、內(nèi)徑、活塞桿直徑的確定查表 2-1 [1]并參考表 2.1 中設(shè)計參數(shù)，因液壓機的工作負(fù)載比較大，取主缸的工作壓力為 P=25MPa。計算主缸內(nèi)徑和活塞桿直徑。由主缸負(fù)載圖 3.2 可知最大負(fù)載 F=2000KN。查表 2-3 [1]，由主缸工作壓力為 25MPa 選取 d/D 為 0.7，取液壓缸的機械效率ηcm = 0.95。液壓缸受力如圖 3.8 所示。圖 3.8 液壓機主缸受力簡圖由圖 2.8 可知 2212)(44PdDFP????D= (3.3)]})(1[{221cm?式中：P1—液壓缸工作壓力；- 21 -P2—液壓缸回路背壓，對于高壓系統(tǒng)初算時可以不計；F—工作循環(huán)中最大負(fù)載；ηcm—液壓缸機械效率，一般 ηcm = 0.9～0.95。將參數(shù)代入公式（3.3） ，P2 忽略不計，可求得液壓缸內(nèi)徑即：D= mm95.01254.36?PaN≈327mm查表 2-4 [1],將液壓缸的內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑，取 D=320mm；那么由d/D=0.7 可以求得活塞桿直徑。即：d=0.7D=0.7x327≈229mm同理查表 2-5 [1],將活塞桿直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑，取 d=220mm。經(jīng)過計算液壓機主缸的內(nèi)徑、活塞桿直徑分別為：D=320mm ；d=220mm。（2）頂出缸工作壓力、內(nèi)徑、活塞桿直徑的確定頂出缸工作負(fù)載與主缸相比要小很多，查表 2-1 [1],取頂出缸的工作壓力P=12MPa,計算頂出缸內(nèi)徑和活塞桿直徑。由頂出缸負(fù)載圖 3.4 可知最大負(fù)載 F=350KN。查表 2-3 [1]，缸工作壓力為 12MPa，選取 d/D 為 0.7，取液壓缸的機械效率ηcm = 0.95。液壓缸受力如圖 3.9 所示。圖 3.9 液壓機頂出缸缸受力簡圖將參數(shù)代入公式（3.3） ，P2 忽略不計，可求得液壓缸內(nèi)徑即：D= mm95.0124.3.6?PaN- 22 -≈198mm查表 2-4 [1],將液壓缸的內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑，取 D=200mm；那么由d/D=0.7 可以求得活塞桿直徑。即：d=0.7D=0.7x198≈138mm同理查表 2-5 [1],將活塞桿直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑，取 d=140mm。經(jīng)過計算液壓機頂出缸的內(nèi)徑、活塞桿直徑分別為：D=200mm ；d=140mm 。3.3.4.2 液壓系統(tǒng)流量計算（1）主缸所需流量計算參考表 2.1 及主缸的尺寸，對主缸各個工況所需流量進行計算。已知主缸的快進速度為 0.08m/s，工進速度為 0.006m/s，快速回程速度為 0.03m/s，主缸內(nèi)徑為320mm，活塞桿直徑為 220mm。由流量計算公式：（3.4）???Aq快進時：=快 進快 進 ???Aq smsm/1043.6/08.32.43????）（?≈385.8L/min工進時：=工 進工 進 ???q ss/1048./06.32.4 3????）（?≈28.8L/min快退時：=快 退快 退 ???Aq smsm/1027./03.])2.()3.0[4 3??????（?≈76.2L/min（2）頂出缸所需流量計算參考表 2.1 及頂出缸的尺寸，對頂出缸各工況所需流量進行計算。已知頂出缸的頂出速度為 0.02m/s，快退速度為 0.05m/s，頂出缸內(nèi)徑為 200mm，活塞桿直徑為140mm，代入公式（3.4 ） ，即：頂出時：=頂 出頂 出 ???Aq smsm/1063./0243????）（?- 23 -≈37.8L/min快退時：=快 退快 退 ???Aq smsm/108./05.])14.2.0[4 32??????（）（?=48L/min（3）液壓泵額定壓力、流量計算及泵的規(guī)格選擇1）泵工作壓力確定實際工作過程中，液壓油在進油路中有一定的壓力損失，因此在計算泵的工作時必須考慮壓力損失。泵的工作壓力計算公式為：PP????1（3.5）式中：Pp—液壓泵最大工作壓力；P1—執(zhí)行部件的最大工作壓力；—進油路中的壓力損失，對于簡單的系統(tǒng)，取 0.2～0.5MPa，對于復(fù)??雜系統(tǒng)，取 0.5～1.5MPa 。本液壓機執(zhí)行部件的最大工作壓力 P1=25MPa，進油路中的壓力損失，取=0.5MPa。代入公式（3.5）可求得泵的工作壓力。P即： MaP5.2.0??通過計算，泵的工作壓力 Pp=25.5MPa。該壓力是系統(tǒng)的靜壓力，而系統(tǒng)在各種工礦的過渡階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力有時會超過靜壓力。此外，為了延長設(shè)備的使用壽命，設(shè)備在設(shè)計時必須有一定的壓力儲備量，并確保泵的壽命，因此在選取泵的額定工作壓力 Pn 時，應(yīng)滿足 ，取 Pp=1.25。pn)6.1~25.(?即：Pn = 1.25Pp=1.25x25.5MPa≈31.9MPa2）液壓泵最大流量計算通過對液壓缸所需流量的計算，以及各自的運動循環(huán)原理，泵的最大流量可由公式(3.6)計算得到。(3.6)max)(qKLP??式中：—液壓泵的最大流量；Pq- 24 -KL—液壓系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 KL=1.1～1.3，取 KL=1.2；—同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正處max)(q?于溢流狀態(tài)，還應(yīng)加上溢流閥的最小溢流量。將參數(shù)代入公式（3.6）中，即：≈463L/minmin/8.352.1LqP??3）液壓泵規(guī)格選擇查表 5-17 [1]，根據(jù)泵的額定壓力，選取液壓泵的型號為： 250YCY14-1B。基本參數(shù)如下：排量：250mm/r ； 額定壓力：32MPa ；額定轉(zhuǎn)速：1000r/min ； 容積效率：92% ；4）泵的流量驗算：由液壓泵的基本參數(shù)可知泵每分鐘排量 =160ml/r×1000r