油压机液压系统的设计Word文档格式.docx
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课题组分工
液压系统主要参数的确定及元件选择；
PLC电气控制系统设计
利用MCGS组态软件设计油压机的实时在线监控系统
油压机的三维虚拟动态设计以及项目报告的撰写
摘要
本次毕业设计对象是150T卧式油压机液压系统这套装置主要用于轴类零件、型材等的校正工艺，轴、套类零件的压装以及简单板材零件的拉伸、弯曲、压印、成形、落料等工艺，也可进行一般粉末、塑料制品的压制适用于所有深拉伸工艺。
实现压头的快进、工进、保压以及压制完成后的快回的动作过程。
设计内容主要包括确定液压系统方案、设计、选择液压元件、辅件、机械部分的受力分析力以及机械部分的强度校核、液压控制系统的设计。
关键词 油压机控制系统工作过程
摘要
第1章绪论………………………………………………………………2
1.1课题背景………………………………………………………2
1.2研究主要内容及方法…………………………………………2
1.3预期结果………………………………………………………3
第2章系统设计及参数计算……………………………………………4
2.1液压传动系统设计计算及液压系统方案的确定………………5
2.1.1
系统的工况分析…………………………………………5
2.1.2
液压系统原理图…………………………………………6
2.2液压系统的计算和原件选型……………………………………8
2.2.1确定液压缸主要参数…………………………………8
2.2.2
驱动电机的选择…………………………………………11
2.2.3
阀类原件及辅助元件的选择的选择…………………………11
2.2.4管路选择……………………………………………………12
2.2.5系统校验……………………………………………………15
2.3电气控制系统的设计………………………………………………17
2.3.1油压机工作循环图………………………………………17
2.3.2电气控制要求……………………………………………17
2.3.3电气控制设计结果…………………………………………17
第3章三维设计及仿真建模等……………………………………………18
3.1油压机的三维动态仿真…………………………………………18
3.2油压机的实时在线监控系统………………………………………19
第4章实验方案、结果及分析等………………………………………20
4.1实验方案的确定……………………………………………………21
4.1.1实验原理图………………………………………………21
4.1.2PLC实验程序……………………………………………21
4.1.3实验装置PLC输入输出配置……………………………22
4.1.4PLC接线图………………………………………………22
4.2实验结果…………………………………………………………22
结论………………………………………………………………………23
参考文献
………………………………………………………………26
第1章绪论
1.1课题背景
油压机是一种通过专用液压油做为工作介质，通过液压泵作为动力源，靠泵的作用力使液压油通过液压管路进入油缸/活塞，然后油缸/活塞里有几组互相配合的密封件，不同位置的密封都是不同的，但都起到密封的作用，使液压油不能泄露。
最后通过单向阀使液压油在油箱循环使油缸/活塞循环做功从而完成一定机械动作来作为生产力的一种机械。
油压机由主机及控制机构两大部分组成。
油压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及充液装置等。
动力机构由油箱、高压泵、低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。
动力机构在电气装置的控制下，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。
油压机按结构形式分类
现主要分为：
四柱式油压机、单柱式（C型）油压机、卧式油压机、立式框架油压机等。
按油压机的用途分类主要分为金属成型油压机、折弯油压机、拉伸油压机、冲裁油压机、粉末（金属，非金属）成型油压机、压装油压机、挤压油压机等。
1.2研究内容及方法
研究的主要内容：
1）确定油压机液压系统的原理图。
2）对油压机主缸各组成部分进行运动和结构的设计、材料选择、辅助元件的选择。
3）油压机控制系统的设计。
4）运用MCGS组态软件实现油压机的实时监控。
研究方法（或技术路线）：
1）查阅相关文献，搜集有关油压机的资料。
初步了解油压机的发展及应用。
2）通过参观实物，对油压机的结构、工作原理、特点有进一步的了解。
3）确定油压机液压系统的原理图。
5）设计油压机的控制系统。
6）运用MCGS组态软件实现油压机的实时监控。
7）用proe软件画出油压机的三维仿真图。
1.3预期结果
1）通过查阅和研究国内外有关油压机的文献，写出了文献综述。
2）研究并设计出符合要求的卧式150吨油压机的液压系统原理图。
3）完成油压机电气控制系统的设计并画出油压机控制系统的梯形图。
4）了解MCGS组态软件，并能熟练运用此软件进行油压机的实时监控。
5）了解常用的Proe设计软件，并能熟练运用一种Proe软件进行油压机的三维仿真设计。
6）进一步对油压机的结构、原理、特点有了一个非常深入的了解从而设计出满足现代社会需求的高效率、经济性的油压机。
7）自身的自主设计能力得到了锻炼，具有了初步的科研、开发能力，为将来踏下结实的一步。
第2章系统设计及参数计算
2.1液压传动系统设计计算
液压传动系统的设计应在明确项目设计参数的情况下，通过已知的参数对系统进行工况分析然后确定方案。
2.1.1系统的工况分析
本次设计在毕业实习调查的基础上，用类比的方法初步确定了立式安装的主液压缸活塞杆带动滑块及动横梁在立柱上滑动下行时，运动部件的质量为500Kg。
工作负载：
F=150×
103×
10=1.5×
106N
惯性负载：
启动加速：
F1=500×
6.5/（0.1×
60）=541.67N
快进到工进：
F2=500×
（6.5-0.6）/（0.1×
60）=491.7N
工进到保压：
F3=500×
0.6/（0.1×
60）=50N
保压到快退：
F4=F1
快退到停止：
F5=F1
快进最大负载：
Fm=20KN
液压缸的工作效率范围0.9-0.95（因为不知道密封条件，所以选在工作效率时选择选择0.9）
表2-1
工况
负载组成
力
启动加速
F1
541.67N
快进到工进
Fm
20kN
工进到保压
F3+F
50N+1.5×
保压到快退
F4
快退到停止
F5
2.1.2系统原理图设计：
设计方案一：
图2-1
工作原理：
按下启动按钮，电磁铁1YA通电，电磁阀1右位接入回路，电磁阀2左位接入回路，油液流入辅助缸，进行快进；
当接近工件时，3YA通电，电磁阀右位接入回路，主缸进行工进，1YA失电，电磁阀1切换到中位，进行保压过程，保压结束后，2YA失电，通过辅助缸实现快退。
动作表：
表2-2
1YA
2YA
3YA
4YA
快进
+
-
工进
保压
快退
设计方案二：
图2-2
工作原理
2号泵主要控制缸的快进和快退，5YA通电，实现快进，2号泵卸荷，1号泵开启，3YA通电，主缸进行工进动作，快退是4YA和6YA同时通电，泵实现快退动作。
表2-3
5YA
6YA
方案比较
方案一使用一个泵，实现了计划要求的动作，但顶置油箱需不断向内充油，设计不完善。
方案二采用双泵供油，分工明确，届时检修维护均较方便快捷。
综上所述，选择方案二
2.2液压系统的计算和原件选型
2.2.1确定液压缸主要参数：
按液压机床类型初选液压缸的工作压力为25Mpa,根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。
活塞杆直径
与缸筒直径
满足d/D=0.7，有手册16~32MPa，属高压系统，由《液压系统简明手册》可知，初算是被压可忽略不计
图2-3
主缸：
F/η=A1P1
A1=F/P1η=150×
10/（20×
0.9×
106）=0.83
P1——液压缸工作腔的压力（单位：
Pa）
P2——液压缸回油腔的压力（单位：
可得D=0.188md=0.7D=0.132m
当按GB2348-80将这些直径圆整成进标准值时得：
D=200mm，d=140mm
可虑到压力储备和泵的寿命，设定其正常工作压力为泵的额定压力的80%
工进时：
q=AV/η=22×
Π×
6/（4×
0.9）=20.944L/min
泵的排量至少为：
V=q/1500=13.996ml/r
由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为20Mpa，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为1MPa（含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为
P=P1+ΔP=20Mpa
上述计算所得的P是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力P应满足：
P额=P/0.8=25MPa
由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。
大流量。
所以选轴向柱塞变量泵。
柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：
1）工作压力高。
因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（200-400）×
105Pa，最高可以达到1000×
105Pa。
2）流量范围较大。
因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。
3）改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。
4）柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。
但柱塞式变量泵的结构复杂。
材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。
由以上可得，
初选主泵为25MCY14-1B
其具体参数为：
排量为25ml/r
额定压力为32MPa
额定转速为1500r/min
驱动功率为24.6kw
容积效率为92%
重量为27kg
辅助缸：
F/η=A2P2
A2=F/P1η=601.86/（4×
106）=1.67×
10-4
可得D=0.0146md=0.7D=0.00102m
圆整后得D=16mm，d=10mm
泵的额定压力Pn=4/80%=5Mp
流量：
q=（π0.162/4）×
65/0.9=1.45L/min
同主泵的选择方法，对应的泵的选择为：
10MYCY14-1B
具体参数为：
排量10ml/r
额定压力为32Mpa
额定转速1500
容积效率92%
重量16kg
2.2.2驱动电机选择：
工况变化时各参数变化表
表2-4
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入功率
601.86
2.45×
10-2
------
变化
261.3
1500546.3
4.78
18.84
90.0552
快退加速
1.50×
159.276
液压泵压力
Pt=FL/A1=4.78+0.5=5.28Mpa
上得静态压力，考虑到动态压力大于静态压力且需压力储备
P额=1.5P额=7.92MPa
泵流量:
Q=kq
其中k为泄露系数，范围为1.1~1.3，取中间值1.2
Q=kq=1.2×
18.84=22.608
电机：
P电=p泵×
q泵/η=（5.28+0.2）×
106×
22.608/（60×
0.7）=2.95KW
选电机Y100L2-4
额定功率30kw，转速1430，效率82.5，重量38kg
2.2.3阀类元件及辅助元件的选择
1.对液压阀的基本要求：
（1）.动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。
油液流过时压力损失小。
（2）.密封性能好。
结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大
2.根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件型号和规格
主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格：
表2-5
序号
元件名称
型号
1
斜盘式柱塞泵
25MCY14-1B
2
3
WU网式滤油器
WU-160*180
4
安全阀
DB10G02H20
5
三位四通电磁阀
34DO-B10H-T
6
液控单向阀
S10GB230
7
单向节流阀
MK10G1.2
8
二位二通电磁阀
22EF3B-E10B
9
压力继电器
DP1-63B
10
压力表开关
KFL8－30E
11
油箱
12
主液压缸
13
辅助液压缸
2.2.4油管的选择与计算
油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。
本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P=31.25MPa
，钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。
本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。
尼龙管用在低压系统；
塑料管一般用在回油管用。
胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。
胶管分高、低压两种。
高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。
低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。
由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。
1.管接头的选用：
管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。
管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：
焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。
管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。
锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；
细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。
液压系统中的泄漏问题大部分都出现在它管系中的接头上，为此对管材的选用，接头形式的确定（包括接头设计、垫圈、密封、箍套、防漏涂料的选用等），管系的设计（包括弯管设计、管道支承点和支承形式的选取等）以及管道的安装（包括正确的运输、储存、清洗、组装等）都要考虑清楚，以免影响整个液压系统的使用质量。
国外对管子的材质、接头形式和连接方法上的研究工作从不间断，最近出现一种用特殊的镍钛合金制造的管接头，它能使低温下受力后发生的变形在升温时消除——即把管接头放入液氮中用芯棒扩大其内径，然后取出来迅速套装在管端上，便可使它在常温下得到牢固、紧密的结合。
这种“热缩”式的连接已经在航空和其它一些加工行业中得到了应用，它能保证在40~55Mpa的工作压力下不出现泄漏。
本设计根据需要，选择卡套式管接头。
要求采用冷拔无缝钢管。
2.管道内径计算：
（1）
式中Q——通过管道内的流量
v——管内允许流速
，见表：
允许流速推荐值
表2-6
油液流经的管道
推荐流速m/s
液压泵吸油管
液压系统压油管道
3~6，压力高，管道短粘度小取大值
液压系统回油管道
1.5~2.6
（1）.液压泵压油管道的内径：
取v=4m/s
根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：
取d=20mm,钢管的外径D=28mm;
管接头联接螺纹M27×
2。
（2）.液压泵回油管道的内径：
取v=2.4m/s
取d=25mm,钢管的外径D=34mm;
管接头联接螺纹M33×
3.管道壁厚
的计算
式中：
p——管道内最高工作压力Pa
d——管道内径m
——管道材料的许用应力Pa，
——管道材料的抗拉强度Pa
n——安全系数，对钢管来说，
时，取n=8；
时，取n=6；
时，取n=4。
根据上述的参数可以得到：
我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度
=600MPa;
（1）.液压泵压油管道的壁厚
（2）.液压泵回油管道的壁厚
所以所选管道适用。
2.2.5液压系统的验算
上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为32mm,42mm。
但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失无法验算。
4.2.4系统温升的验算
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=10mm/s时，即v=600mm/min
即
此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为26MP，则有
即
此时的功率损失为：
假定系统的散热状况一般，取
，
油箱的散热面积A为
系统的温升为
根据《机械设计手册》成大先P20-767：
油箱中温度一般推荐30-50
所以验算表明系统的温升在许可范围内。
2.3电气控制系统的设计
2.3.1油压机工作循环图
快进—压制（工进）—保压—快退—回复原位
2.3.2电气控制要求
电机启动要求：
实现Y-Δ降压换接启动，切换时间为5s。
快进要求：
辅助缸接触工件压力上升到4MPa，辅助缸自动停止工作。
保压要求：
采用时间继电器计算时间发出到时指令，并显示到操作台上。
2.3.3电气控制设计结果
PLC程序：
定义：
PROGRAMPLC_PRG
VAR
T1:
TON;
（*电机1启动时间*）
T2:
（*电机2启动时间*）
T3:
TON;
（*保压延时40秒*）
M0:
BOOL;
（*电机1星-三角切换时间到*）
M1:
（*电机1停止按钮后的辅助继电器*）
M2:
（*电机2星-三角切换时间到*）
M3:
（*电机2停止按钮后的辅助继电器*）
Step_DD:
Step_KJ:
Step_GJ:
Step_BY:
Step_KT:
END_VAR
梯形图及PLC控制输入输出配置：
详见图纸150t卧式油压机PLC程序
PLC接线图：
详见图纸PLC接线图
第3章：
三维设计及仿真建模等
3.1油压机的三维仿真
通过参考油压机的一些书籍及油压机的实物，运用Proe三维仿真软件模拟油压机的动作过程。
3.1.1油压机的三维仿真图
整体图：
图3-1
主视图：
图3-2
3.1.2油压机动作曲线
图3-3
3.2MCGS组态软件
3.2.1MCGS组态软件的构成
设备窗口、用户窗口、主控窗口、运行策略、实时数据库窗口
而用户窗口有传输与控制、实时曲线、历史曲线、报警与指示、封面构成。
3.2.2MCGS组态软件对油压机的实时监控过程
Mcgs主要实现对系统的监控，监控如下：
1、对系统流程图的监控
当实现快进的时候，通过此软件能够看到主泵2工作，回油阀1、回油阀2和补油阀1处于通状态，以及各油路的流动情况。
当实现工进的时候，通过此软件能够看到主泵1工作，工进阀、回油阀2、补油阀1和回油阀1处于通的状态，以及各油路的流动情况。
当保压的时候，能看到各元件处于关闭状态。
当实现快回的时候，通过此软件能看到主泵2工作，快回阀、补油阀2和补油阀1处于通状态，以及各油路的流动情况。
2、对实时数据的监测
实现对主泵1的实时压力监测。
实现对主泵2的实时压力监测。
实现对主缸的实时压力监测。
实现对辅助缸的实时压力监测。
3、对历史数据的监测
实现对主泵1的历史压力监测。
实现对主泵2的历史压力监测。
实现对主缸的历史压力监测。
实现对辅助缸的历史压力监测。
4、对系统报警与指示的监控
实现各换向阀电磁铁的得电情况的监控。
实现对电机运行状况的监控。
实现对主油箱液位和液温的报警监控
实现对主泵1、主泵2的压力报警监控。
实现对滤芯堵塞的报警监控。
第4章：
实验方案、结果及分析等
4.1实验方案的确定
由于实验条件有限，油压机的实际动作过程难以在实验台完全实现，因此我们设计了一种简单的气压回路来模拟油压机的动作过程
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