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液压三年级项目

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：

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：

机电控制工程系

项目名称

100t四柱式液压机液压系统

指导教师姓名

刘劲军

小组成员分工

王建军

唐心凯

宋达

项目考察知识点

本课程的三级项目针对典型液压系统工作原理的分析与设计，通过该项目的实施使学生加深对液压传动基础知识的理解，并初步具备运用所学知识进行实际液压系统分析与设计的能力，复杂系统的计算机辅助设计及计算能力，相关标准、手册的查阅能力等。

项目设计参数

公称压力：

1000KN；回程力：

320KN；顶出力：

190KN；拉伸时压边力：

210KN；

滑块最大行程：

600mm；顶出活塞最大行程：

200mm；滑块至工作台最大距离：

900mm；顶出活塞至工作台最大距离：

215mm；滑块速度空程下行：

60mm/s；工作最大：

14mm/s；回程：

47mm/s；

顶出活塞速度顶出：

70mm/s；退回：

140mm/s；

项目实施内容

设计一液压机液压系统。

要求系统的工作压力、压制速度、空载下行和减速的行程范围可根据工作需要进行调整，并能完成定压和定行程成形两种工艺方式。

定压成形的动作为：

快速下行——减速——压制——保压——回程——停止。

定行程成形的动作为：

快速下行——减速——压制——回程——停止。

液压泵站要求：

1）液位、压力、温度有显示及报警；2）油温范围（30—45）℃；3）滤油器精度15μm，有堵塞显示及报警。

项目结题须提交材料

（1）液压传动系统原理图A2；

（2）液压系统参数计算说明书1份；

（3）答辩汇报PPT。

项目实施时间节点要求

第一周查阅资料，分析系统原理，了解系统性能及典型工艺过程，完成参数计算和原理图设计；

第二周编写项目研究报告及答辩汇报PPT。

小组分工及贡献

姓名

课题组分工

宋达

王建军

唐心凯

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；

四柱液压机液压系统设计

1绪论

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。

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/

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

5-10

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。

1——斜盘式变量柱塞泵，2——齿轮泵，3——小电机,4——大电机，6——滤油器,7——电控比例溢流阀,8.22..24——溢流阀，9.18.23——换向阀，10——压力继电器，11——单向阀，12——压力表，13.18——液控单向阀，14——外控顺序阀，16——顺序阀，15——上液压缸，19——下液压缸，21——节流器，

工作过程A:

启动：

电磁铁全断电，主泵卸荷。

主泵（恒功率输出）→电液压换向阀9的M型中位→电液换向阀20的K型中位→TB：

快进：

液压缸15活塞快速下行：

1YA，5YA通电，电磁铁换向阀17接通液控单向阀18的控制油路，打开液控单向阀18，进油路：

主泵1→电液换向阀9→单向阀11→上液压缸15回油路：

液压缸15下腔→液控单向阀18→电液换向阀9→电液换向阀20的K型中位→T液压缸15活塞依靠重力快速下行：

大气压油→吸入阀13→液压缸15上腔的负压空腔C：

工进：

液压缸15接触工件慢速下行：

（增压下行）液压缸活塞碰行程开关2XK，5YA断电，切断经液控单向阀18快速回油通路，上腔压力升高，切断（大气压油→吸入阀13→上液压缸无杆腔）吸油路。

回油路：

液压缸15下腔→顺序阀16→电液换向阀9→电液换向阀20的K型中位→TD：

保压：

液压缸15上腔压力升高达到预调压力，压力继电器10发出信息，1YA断电，液压缸15进口油路切断，单向阀11和吸入阀13的高密封性能确保液压缸15活塞对工件保压。

主泵（恒功率输出）主泵→电液压换向阀9的M型中位→电液压换向阀20的K型位→T实现主泵卸荷。

E：

保压结束，泄压，液压缸15回程：

时间继电器发出信息，2TA通电（1YA断电），液压缸15上腔压力很高，外控顺序阀14，使主泵1→电液压换向阀9→吸入阀的控制油路由于大部分油液经外控顺序阀14流回油箱，压力不足以立即打开吸入阀13通油箱的通道，只能打开吸入阀的卸荷阀13（或叫卸荷阀13的卸荷口），实现液压缸15上腔（只有极少部分油液经卸荷阀口回油箱）先卸荷，后通油箱的顺序动作，此时：

主泵1大部分油液→电液压换向阀9→外控顺序阀→TF：

液压缸15活塞快速上行：

液压缸15上腔卸压达到吸入阀13开启的压力值时，外控顺序阀14关闭，切断主泵1大部分油液→电液换向阀9→外控顺序阀14→T的卸荷油路实现：

进油路：

主泵1→电液换向阀9→液控单向阀20→液压缸15下腔回油路：

液压缸15上腔→吸入阀13→TG:

顶出工件:

液压缸15活塞快速上行到位,PLC发出信号,2YA断电,电液压换向阀9关闭,3YA通电电液压换向阀20右位工作

进油路:

主泵1→电液压换向阀9的M型中位→电液换向阀20→液压缸19无杆腔

回油路：

液压缸19有杆腔→电压换向阀20→TH:

顶出活塞退回：

3YA断电，4YA通电，电压换向阀20左位工作进油路：

主泵1→电液换向阀9的M型中位→电液换向阀20→液压缸19上腔回油路：

液压缸19下腔→电液换向阀20→TK：

压边浮动拉伸：

薄板拉伸时，要求顶出液压缸19下腔要保持一定的压力，以便液压缸19活塞能随液压缸15活塞驱动的动模一起下行对薄板进行拉伸，3YA通电，电液换向阀20右边工作，6YA通电，电磁换向阀23工作，溢流阀24调节液压缸19下腔油垫工作压力。

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

1YA

2YA

3YA

4YA

5YA

6YA

7YA

原位

上缸快进

上缸工进

保压

上缸快退

下缸工进

下缸快退

压边

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=102.40

按标准取活塞杆直径

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：

=38013

（3-2）

有杆腔：

=28509.9

（3-3）

活塞杆面积：

=9503.1

（3-4）

表3-1d和D的关系

1.15

1.25

1.33

1.46

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：

工作速度：

回程速度：

（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=0.00228m3/s=136.84L/min；

工作：

Q2=V2×

D2=0.014m/s×

×（0.22）2=0.000532m3/s=31.93L/min；

回程：

Q3=V3×

（D2-d2）=0.047m/s×

×（0.222-0.12）=0.00142m3/s=85.1L/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

≥／%

45MnB

1030

835

（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。

总结

我们组这次三级项目的任务书是100T四柱式液压机的液压系统设计，首先我们分析了给定的系统已知条件，大致了解了该液压系统的工作原理和工作过程。

该系统可分为两部分分别是：

上液压即主要压制缸的液压系统，下缸即顶出缸的液压系统，我们根据该系统的动作要求设计了液压系统原理图，并且给出了电磁铁的工作表。

在计算部分我们主要计算了液压缸的参数，例如：

缸的内径、活塞杆的直径、缸的长度等，并对系统的效率、功率、工作油温进行计算校核，使其满足工作要求。

整个设计过程我们加深了对液压机的了解和认识，充分运用了所学的基本知识。

同时又锻炼了我们团队合作的能力，提高了工作效率。

心得

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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