小型液壓機液壓系統(tǒng)設(shè)計

1、引 言液壓傳動是以流體作為工作介質(zhì)對能量進行傳動和控制的一種傳動形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機件控制之后來傳遞運動和動力。相對于電力拖動和機械傳動而言，液壓傳動具有輸出力大，重量輕，慣性小，調(diào)速方便以及易于控制等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工程機械，建筑機械和機床等設(shè)備上。作為現(xiàn)代機械設(shè)備實現(xiàn)傳動與控制的重要技術(shù)手段，液壓技術(shù)在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與其他傳動控制技術(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載保護易于實現(xiàn)自動化和機電液一體化整合系統(tǒng)設(shè)計制造和使用維護方便等多種顯著的技術(shù)優(yōu)勢，因而使其成為現(xiàn)代機械工程的基本技術(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)小型壓力機的用途特點和要求，利用液壓傳動的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，再經(jīng)過必要的計算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格和進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。小型壓力機的液壓系統(tǒng)呈長方形布置，外形新穎美觀，動力系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、動作靈敏可靠。該機并設(shè)有腳踏開關(guān)，可實現(xiàn)半自動工藝動作的循環(huán)。1 設(shè)計題目 小型液壓機的液壓系統(tǒng)設(shè)計2 技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求設(shè)計一臺小型液壓壓力機的

3、液壓系統(tǒng)，要求實現(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，運動部件總重力為25000N，油缸垂直安裝，設(shè)計該壓力機的液壓傳動系統(tǒng)。3 工況分析首先根據(jù)已知條件繪制運動部件的速度循環(huán)圖：L（mm）V(m/min400-4.54.50.04圖3-1計算各階段的外負載并繪制負載圖工件的壓制力即為工件的負載力：F=350000N摩擦負載 靜摩擦系數(shù)取0.2，動摩擦系數(shù)取0.1則靜摩擦阻力 Ffs=0.225000=5000N動摩擦阻力 Ffd=0.125000=2500N慣性負載 Fm=m（v/

4、t）t為加速或減速的時間一般t=0.010.5s，在這里取t=0.2sFm=（250004.5）/（100.260）=938N自重 G=25000N表1 液壓缸在各工作階段的外負載工作循環(huán)外負載F（N）啟動F=G+Ffs30000N加速F=G+Fm+Ffd28438N快進F=G+Ffd27500N共進F=G+Ft+Ffd3775000N快退F=G-Ffd22500N負載循環(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床壓力要經(jīng)常變換和調(diào)節(jié)，并能產(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

5、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，當壓力油進入工作缸上腔，活塞帶動橫梁向下運動，其速度慢，壓力大，當壓力油進入工作缸下腔，活塞向上運動，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)負載大小及機器的類型，來初步確定由手冊查表取液壓缸工作壓力為25MPa。 2）計算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d。由負載圖知最大負載F為377500N，按表2取p2可不計,考慮到快進，快退速度相等，取d/D=0.7 D=4Fw/p1cm1/

6、2=0.141 (m)根據(jù)手冊查表取液壓缸內(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。按最低工進速度驗算液壓缸的最小穩(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際面積，即A2=（D2d2）/4=3.14（14021002）/4 =75.36 cm2A1= 2A2=157.3 cm2滿足不等式，所以液壓缸能達到所需低速。根據(jù)上述D和d的值，可估算出液壓缸在各個工作階段中的壓力、流量和功率，如表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

7、、流量和功率值工 況負載F（N）液 壓 缸計 算 公 式回油腔壓力p2(MPa)輸入流量q(/s)進油腔壓力p1(MPa)輸入功率P(kw)快進（差動）啟動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3775000.6 0.010325.850.266P1=(F/)+p2A2/A1q=A1v2P=p1q快退啟動3000004.15P1=(F/)+p2A1/A2q=A2v3P=p1q加速284380.65.16恒速275000.56525.032

8、.843注：液壓缸的機械效率取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； 進油管路中的壓力損失，簡單系統(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)在各種工況的過度階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超出靜態(tài)壓力，另外考慮到一定的壓力儲備量，并確保泵的壽命，因此選泵的壓力值Pa應(yīng)為Pa 1.25Pp-1.6Pp 因此Pa=1.25Pp=1.2525.5=31.875M

9、Pa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)以上計算的Pa和Qp查閱相關(guān)手冊現(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機選定首先分別算出快進與工進兩種不同工況時的功率，取兩者較大值作為選擇電動機規(guī)格的依據(jù)。由于在慢進時泵輸出的流量減小，泵的效率急劇降低，一般在流量在0.21L

10、/min范圍內(nèi)時，可取0.030.14.同時還應(yīng)該注意到，為了使所選擇的電動機在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率時不至停轉(zhuǎn)，需進行演算，即PaQp/,式中，Pd所選電動機額定功率；Pb內(nèi)嚙合齒輪泵的限定壓力；Qp壓力為Pb時，泵的輸出流量。 快進時所需電機功率為：P電機=P/=3.31kw 工進時所需電機功率為：P工進=4.06 kw查閱電動機產(chǎn)品樣本，選用Y132S1-2型電動機，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，按通過各元件的最大流量來選擇液壓元件的規(guī)格。選定的液壓元件如表所示：序號元件名稱最大流量（L/min最大工作壓力（Mpa

11、）型號選擇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行計算，本系統(tǒng)主要路流量為差動時流量Q=47.1Lmin壓油管的允許流速取V=3m/s則內(nèi)徑d為 d=4.6(35.33/3)1/2=15.8mm若系統(tǒng)主油路流量按快退時取Q=33.9

12、1Lmin，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倍來確定則選用容量為400L。 4.7液壓缸的壁厚和外徑的計算液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計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，一般計算時可分為薄壁圓筒，起重運輸機械和工程機械的液壓缸一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計算PD/2=38.2

13、5140/2100=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+230=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按強度要求可用下面兩個公式進行 近似計算無孔時：t0.433D（P）=23.2mm有孔時：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最小導向長度的確定當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到缸蓋滑動支撐面中點的距離H稱為最小導向長度過小，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)計時必須保證有一定的最小導向長度。

14、對一般的液壓缸，最小導向長度H應(yīng)滿足以下要求 H=L/20+D/2=400/20+140/2=90mm取H=95mm活塞寬度B=（0.61.0）D1=1404.10缸體長度的確定液壓缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般的液壓缸的缸體長度不應(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)動電機功率。由前面工況分析，由最大壓制力和液壓主機類型，初定上液壓泵的工作壓力取為，考慮到進出油路上閥和管道的壓力損失為（含回油路上的壓力損失折算到進油腔），則液壓泵的最高工作壓力為上述計算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動態(tài)壓

15、力往往超過靜態(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)滿足：液壓泵的最大流量應(yīng)為：式中液壓泵的最大流量同時動作的各執(zhí)行所需流量之和的最大值，如果這時的溢流閥正進行工作，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，負載壓力大，功率大。大流量。所以選軸向柱塞變量泵。柱塞變量泵適用于負載大、功率大的機械設(shè)備（如龍門刨床、拉床、液壓機），柱塞式變量泵有以下的特點：1） 工作壓力高。因為柱塞與缸孔加工容易

16、，尺寸精度及表面質(zhì)量可以達到很高的要求，油液泄漏小，容積效率高，能達到的工作壓力，一般是（），最高可以達到。 2） 流量范圍較大。因為只要適當加大柱塞直徑或增加柱塞數(shù)目，流量變增大。 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，使材料強度得到充分利用，壽命長，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，價格昂貴。根據(jù)以上算得的和在查閱相關(guān)手冊機械設(shè)計手冊成大先P20-195得：現(xiàn)選用，排量63ml/r，額定壓力32Mpa，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，驅(qū)動功率59.2KN，容積效率，重量71kg，容積效率達92%。（2）與液

17、壓泵匹配的電動機的選定由前面得知，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的電動機，則驅(qū)動電機功率為：選擇電動機 ，其額定功率為18.5KW。5 液壓系統(tǒng)的驗算 已知該液壓系統(tǒng)中進回油管的內(nèi)徑均為12mm，各段管道的長度分別為：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時該液壓油曲運動粘度 V=150cst=1.5cms，油的密度=920kgm5.1壓力損失的驗算 （1）工作進給時進油路壓力損失，運

18、動部件工作進給時的最大速度為0.25mmin ，進給時的最大流量為23.55Lmin ，則液壓油在管內(nèi)流速V為：V1=Q（dd4）=（23.551000）（3.142.92. /4）=59.45(cms)管道流動雷諾數(shù)Rel為Rel=59.453.21.5=126.8Rel2300可見油液在管道內(nèi)流態(tài)為層流，其沿程阻力系數(shù)l=75 Rel=0.59進油管道的沿程壓力損失P為：P1-1=l（ld）（V2 =0.591.7+0.3(0.0299200.5922)=0.2MPa查得換向閥34YF30-E20B的壓力損失P=0.05MPa忽略油液通過管接頭、油路板等處的局部壓力損失，則進油路總壓力損失

19、P為：P1=P1-1+P1-2=(0.21000000+0.051000000)=0.25MPa （2）工作進給時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桿腔的工作面積的二分之一，則回油管道的流量為進油管的二分之一，則：V2=V/2=29.7（cms）Rel=V2dr=29.721.5=57.52=75Rel=7557.5=1.3回油管道的沿程壓力損失P為：P2-1=（ld）（PVXV2）=1.320.0299200.5952/2=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=0.0

20、25MPa ,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+0.007851.1100）0.01539+0.15 =22.4MPa（4）快進時的壓力損失，快進時液壓缸為差動連接，自會流點A至液壓缸進油口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）=45.221000(3.142X2/460)=240.

21、02(cms) Rel=vld/r=320.03 1=75/rel=0.234 P1-1=（l/d）（V2） =0.234.（1.70.02）（9202.4X2.4X2） =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)分析在差動連接中，泵的出口壓力為PP=2P1-2+P1

22、-2+P2-2+P2-1+P2-2+FA2cm =20.2+0.024+0.15+017+0.17+250.007850.9 =0.18MPa快退時壓力損失驗算亦是如此，上述驗算表明，無需修改遠設(shè)計。5.2 系統(tǒng)溫升的驗算 在整個工作循環(huán)中，工進階段所占的時間最長，為了簡化計算，主要考慮工進時的發(fā)熱量，一般情況下，工進速度大時發(fā)熱量較大，由于限壓式變量泵在流量不同時，效率相差極大，所以分別計算最大、最小時的發(fā)熱量，然后加以比較，取數(shù)值大者進行分析當V=4cmmin時流量Q=V（DD4）=0.140.144=0.616Lmin）此時泵的效率為0.1，泵的出口壓力為22.4MPa則有：P輸入=22

23、.40.616（600.1）=2.464（KW）P輸出=FV=307500x4600.010.001=0.21（Kw）此時的功率損失為P=P輸入P輸出=2.464-0.21=2.23 (Kw)當V=25cmmin時，Q=3.85Lmin 總效率=0.8則P輸入=253.85（600.8）=1.845（Kw）P輸出=FV=30750025600.010.001=1.28（Kw）P=P輸入P輸出=0.565（Kw）可見在工進速度低時，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=100.001Kw（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（100.0016.6）=33.2驗算表明系統(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個普通螺栓，則每個螺栓的工作拉力為Fo=207000/6=34500N螺栓總拉力F=Fa+Cb/(Cb+Cm)Fo Fa為螺栓預(yù)緊力Cb為螺栓剛度 Cm為被連接件剛度