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1、一.设计一台板料折弯机的液压系统。该机压头的上下运动用液压传动,其工作循环为快速下降、慢速下压(折弯 、快速退回。给定条件为:折弯力 1.11106N滑块重量 1.15104N快速空载下降 行程 199 mm速度(1 23.3 mm/s工作下压 (折弯 行程 31.1 mm速度 (2 13.2 mm/s快速回程 行程 210 mm速度 (3 54.5 mm/s液压缸采用 V 型密封圈,其机械效率 91. 0=cm 。要求拟订液压系统图,计算和 选择液压元件。学生课程设计说明书 题 目:板料折弯机液压系统设计摘 要立式板料折弯机是机械、电气、液压三者紧密联系,结合的一个综合体。 液压传动与机械传
2、动、 电气传动并列为三大传统形式, 液压传动系统的设计在现 代机械的设计工作中占有重要的地位。因此, 液压传动课程是工科机械类各 专业都开设的一门重要课程。 它既是一门理论课, 也与生产实际有着密切的联系。 为了学好这样一门重要课程, 除了在教学中系统讲授以外, 还应设置课程设计教 学环节,使学生理论联系实际,掌握液压传动系统设计的技能和方法。液压传动课程设计的目的主要有以下几点:1、综合运用液压传动课程及其他有关先修课程的理论知识和生产实际只 是, 进行液压传动设计实践, 是理论知识和生产实践机密结合起来, 从而使这些 知识得到进一步的巩固、加深提高和扩展。2、在设计实践中学习和掌握通用液压
3、元件,尤其是各类标准元件的选用原 则和回路的组合方法, 培养设计技能, 提高学生分析和嫁接生产实际问题的能力, 为今后的设计工作打下良好的基础。3、 通过设计, 学生应在计算、 绘图、 运用和熟悉设计资料 (包括设计手册、 产品样本、标准和规范以及进行估算方面得到实际训练。关键词 板料折弯机 ,液压传动系统,液压传动课程设计。目 录摘要1任务分析 1 1.1 技术要求 11.2 任务分析 12 方案的确定 2 2.1运动情况分析 22. 1. 1变压式节流调速回路 22. 1. 2容积调速回路 23 负载与运动分析 34 负载图和速度图的绘制 45 液压缸主要参数的确定 46系统液压图的拟定
4、67 液压元件的选择 8 7.1 液压泵的选择 8 7.2 阀类元件及辅助元件 8 7.3 油管元件 9 7.4油箱的容积计算 10 7.5油箱的长宽高确 10 7.6油箱地面倾斜度 11 7.7吸油管和过滤器之间管接头的选择 11 7.8过滤器的选取 11 7.9堵塞的选取 11 7.10空气过滤器的选取 127.11液位 /温度计的选取 128 液压系统性能的运算 13 8.1 压力损失和调定压力的确定 13 8.1.1沿程压力损失 13 8.1.2局部压力损失 13 8.1.3压力阀的调定值计算 14 8.2 油液温升的计算 14 8.2.1快进时液压系统的发热量 14 8.2.2 快退
5、时液压缸的发热量 14 8.2.3压制时液压缸的发热量 14 8.3油箱的设计 15 8.3.1系统发热量的计算 158.3.2 散热量的计算 159 参考文献 17 致谢 181 任务分析1.1技术要求设计制造一台立式板料折弯机, 该机压头的上下运动用液压传动, 其工作循 环为:快速下降、慢速加压(折弯 、快速退回。给定条件为:折弯力 6110N 滑块重量 41.510N 快速空载下降 行程 180mm速度(1v 23/mm s慢速下压(折弯 行程 30mm速度(2v 12/mm s快速回程 行程 210mm速度(3v 53/mm s1.2任务分析根据滑块重量为 41.510N ,为了防止滑
6、块受重力下滑,可用液压方式平衡 滑块重量,滑块导轨的摩擦力可以忽略不计。设计液压缸的启动、制动时间为 0.2t s =。折弯机滑块上下为直线往复运动,且行程较小(210mm , 故可选单 杆液压缸作执行器 , 且液压缸的机械效率 0.91cm =。 因为板料折弯机的工作循环 为快速下降、慢速加压(折弯 、快速回程三个阶段。各个阶段的转换由一个三 位四通的电液换向阀控制。 当电液换向阀工作在左位时实现快速回程。 中位时实 现液压泵的卸荷, 工作在右位时实现液压泵的快速和工进。 其工进速度由一个调 速阀来控制。 快进和工进之间的转换由行程开关控制。 折弯机快速下降时, 要求 其速度较快, 减少空行
7、程时间, 液压泵采用全压式供油。 其活塞运动行程由一个 行程阀来控制。 当活塞以恒定的速度移动到一定位置时, 行程阀接受到信号, 并 产生动作, 实现由快进到工进的转换。 当活塞移动到终止阶段时, 压力继电器接 受到信号, 使电液换向阀换向。 由于折弯机压力比较大, 所以此时进油腔的压力 比较大, 所以在由工进到快速回程阶段须要一个预先卸压回路, 以防在高压冲击 液压元件, 并可使油路卸荷平稳。 所以在快速回程的油路上可设计一个预先卸压 回路, 回路的卸荷快慢用一个节流阀来调节, 此时换向阀处于中位。 当卸压到一定压力大小时,换向阀再换到左位,实现平稳卸荷。为了对油路压力进行监控, 在液压泵出
8、口安装一个压力表和溢流阀, 同时也对系统起过载保护作用。 因为滑 块受自身重力作用, 滑块要产生下滑运动。 所以油路要设计一个液控单向阀, 以 构成一个平衡回路, 产生一定大小的背压力, 同时也使工进过程平稳。 在液压力 泵的出油口设计一个单向阀,可防止油压对液压泵的冲击,对泵起到保护作用。2方案的确定2.1运动情况分析由折弯机的工作情况来看,其外负载和工作速度随着时间是不断变化的。所 以设计液压回路时必须满足随负载和执行元件的速度不断变化的要求。 因此可以 选用变压式节流调速回路和容积式调速回路两种方式。2.1.1变压式节流调速回路节流调速的工作原理, 是通过改变回路中流量控制元件通流面积的
9、大小来控 制流入执行元件或自执行元件流出的流量来调节其速度。 变压式节流调速的工作 压力随负载而变, 节流阀调节排回油箱的流量, 从而对流入液压缸的的流量进行 控制。 其缺点:液压泵的损失对液压缸的工作速度有很大的影响。 其机械特性较 软,当负载增大到某值时候,活塞会停止运动,低速时泵承载能力很差, 变载下的运动平稳性都比较差, 可使用比例阀、 伺服阀 等来调节其性能,但装置复杂、价格较贵。优点:在主油箱内,节流损失和发热 量都比较小,且效率较高。宜在速度高、负载较大,负载变化不大、对平稳性要 求不高的场合。2.1.2容积调速回路容积调速回路的工作原理是通过改变回路中变量泵或马达的排量来改变执
10、行元 件的运动速度。优点:在此回路中,液压泵输出的油液直接进入执行元件中,没 有溢流损失和节流损失, 而且工作压力随负载的变化而变化, 因此效率高、 发热 量小。 当加大液压缸的有效工作面积, 减小泵的泄露, 都可以提高回路的速度刚 性。综合以上两种方案的优缺点比较,泵缸开式容积调速回路和变压式节流调 回路相比较, 其速度刚性和承载能力都比好, 调速范围也比较宽, 工作效率更高, 而发热却是最小的。考虑到最大折弯力为 6110N ,数值比较大,故选用泵缸开 式容积调速回路。23 负载与运动分析 要求设计的板料折弯机实现的工作循环是:快速下降工作下压 (折 弯 快速回程 停止。主要性能参数与性能
11、要求如下:折弯力 F=6110N ; 板料折弯机的滑块重量 G =41.510N ;快速空载下降速度 123/v mm s =0.023m/s, 工作下压速度 212/0.012/v mm s mm s =,快速回程速度 353/v mm s =0.053m/s, 板料折弯机快速空载下降行程 1180L mm =0.18m,板料折弯机工作下压行程 230L mm =0.03m,板料折弯 机 快速回程:H=210mm=0.21m;启动制动 时间 s t 2. 0=, 液压系统执行元件选为液压缸。 液压缸采用 V 型密封圈, 其机械效率0.91cm =。由式 m v F m t= 式中 m 工作部
12、件总质量 v 快进或快退速度t 运动的加速、减速时间求得惯性负载 41.5100.0231769.80.2m v G v F m t g t N= 再求得阻力负载 静摩擦阻力 40.21.5103000sf F N =动摩擦阻力 40.11.5101500fd F N =表一 液压缸在各工作阶段的负载值 (单位 :N工况 负载组成 负载值 F 推力 /cm F 起动sf F F = 3000 3297 加速fd m F F F =+ 1676 1842 快进fd F F = 1500 1648 工进fd F F F =+ 1001500 1100549 快退fd F F = 1500 1648
13、 注 :液压缸的机械效率取 0.91cm =34 负载图和速度图的绘制负 载 图 按 上 面 数 据 绘 制 , 如 下 图 a 所 示 。 速 度 图 按 己 知 数 值 123/v mm s =, 212/v mm s =, 353/v mm s =, 1180L mm =, 230L mm =, 快 速 回 程 3210L mm = 图一 板料折弯机液压缸的负载图和速度图a 负载图 b速度图5 液压缸主要参数的确定由表 11-2和表 11-3可知, 板料折弯机液压系统在最大负载约为 242KN 时工 作压力 130P MPa =。将液压缸的无杆腔作为主工作腔, 考虑到缸下行时, 滑块自
14、重采用液压方式平衡, 则可计算出液压缸无杆腔的有效面积, 取液压缸的机械效 率 cm =0.91。 2max 16111005490.040.913010cm F A m p = 液压缸内径:0.225225D m mm = 参考 1,按 GB/T2348-1993,取标准值 D=230mm=23cm根据快速下降与快速上升进的速度比确定活塞杆直径 d:222532.3023V D V D d =- 195.619.70d mm cm =取标准值 d=200mm=20cm则:无杆腔实际有效面积 222123415.544A D cm =有杆腔实际有效面积 222222( (2320 101.34
15、4A D d cm =-=-=液压缸在工作循环中各阶段的压力和流量计算见表 5.1。 液压缸在工作循环中各阶段的功率计算见表 5.2表 5.2 工作循环中各阶段的功率 5根据以上分析与计算数据处理可绘出液压缸的工况图 5.1: 图 5.1 液压缸的工况图6 系统液压图的拟定考虑到液压机工作时所需功率较大,固采用容积调速方式;(1 为满足速度的有极变化, 采用压力补偿变量液压泵供油, 即在快速下降 的时候,液压泵以全流量供油。当转化成慢速加压压制时,泵的流量减小,最后 流量为 0;(2 当液压缸反向回程时, 泵的流量恢复为全流量供油。 液压缸的运动方向 采用三位四通 Y 型电磁换向阀和二位二通电
16、磁换向阀控制。 停机时三位四通换向 阀处于中位,使液压泵卸荷;(3 为了防止压力头在下降过程中因自重而出现速度失控的现象, 在液压缸 有杆腔回路上设置一个单向阀;(4 为了压制时保压, 在无杆腔进油路上和有杆腔回油路上设置一个液控单 向阀;(5 为了使液压缸下降过程中压力头由于自重使下降速度越来越快, 在三位 四通换向阀处于右位时, 回油路口应设置一个溢流阀作背压阀使回油路有压力而 不至于使速度失控;(6为了使系统工作时压力恒定,在泵的出口设置一个溢流阀,来调定系统压力。 由于本机采用接近开关控制, 利用接近开关来切换换向阀的开与关以实行自 动控制;(7为使液压缸在压制时不至于压力过大,设置一
17、个压力继电器,利用压力继 电器控制最大压力, 当压力达到调定压力时, 压力继电器发出电信号, 控制电磁 阀实现保压; 综上的折弯机液压系统原理如下图:图 6.1折弯机液压系统原理1-变量泵 2-溢流阀 3-压力表及其开关 4-单向阀 5-三位四通电液换向阀 6-单 向顺序阀 7-液压缸 8-过滤器 9-行程阀 10-调速阀 11-单向阀 12-压力继电器7 液压元件的选择7.1 液压泵的选择由液压缸的工况图,可以看出液压缸的最高工作压力出现在加压压制阶段 时 129.1P MPa =,此时液压缸的输入流量极小,且进油路元件较少故泵到液压缸 的 进 油 压 力 损 失 估 计 取 为 0. 5P
18、 M P a=。 所 以 泵 的 最 高 工 作 压 力 0. 529. 129. 6p P M P a =+=。液压泵的最大供油量 p q 按液压缸最大输入流量(15.9L/min计算,取泄漏 系数 K=1.1,则 1.115.917.49/min p q L =。根据以上计算结果查阅 机械设计手册 表 23.5-40, 选用规格为 PVB*的压 力补偿变量型轴向柱塞泵,其额定压力 P=35MPa,排量为 60mL/r,额定转速为 1000r/min,流量为 q=60L/min。由 于 液 压 缸 在 保 压 时 输 入 功 率 最 大 , 这 时 液 压 缸 的 工 作 压 力 为 29.
19、1+0.5=29.6MPa,流量为 1.18.959.85/min L =, 取泵的总效率 0.85=,则液 压泵的驱动电机所要的功率为 29.69.855.7160600.85p p p q P KW =,根据此数据按 JB/T9619-1999,选取 Y225M-6型电动机,其额定功率 20P KW =,额定转速 980r/min,按所选电动机的转速和液压泵的排量,液压泵 最大理论流量 980/min 60/58.8/min t q n V r mL r L =,大于计算所需的流量 44.2L/min,满足使用要求。7.2 阀类元件及辅助元件根据阀类元件及辅助元件所在油路的最大工作压力和通
20、过该元件的最大实 际流量可选出这些液压元件的型号及规格,结果见表 7.1。 7.3 油管元件 各元件间连接管道的规格按元件接口处尺寸决定,液压缸进、出油管则按输 入、 排出的最大流量计算, 由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进出流 量已与已定数值不同,所以重新计算如表 5.2,表中数值说明液压缸压制、快退 速度 2v , 3v 与设计要求相近,这表明所选液压泵的型号,规格是适宜的。 表 7.2 液压缸在各个阶段的进出流量由表中数值可知,当油液在压力管中速度取 5m/s时,按教材 P177式(7-92d = 液压缸进油路油管内径 20.017617.6d m mm =进 ; 液压缸回油路管
21、内径 20.01414d m mm =回 ; 这两根油管选用参照液压系统设计简明手册 P111,进油管的外径 34D mm =,内径 25d mm =,回油路管的外径 32D mm =,内径 20d mm =。7.4油箱的容积计算容量 V (单位为 L 计算按教材式 (7-8 : P V q =, 由于液压机是高压系统,11=。 所以油箱的容量 1128.49313.39P V q L =, 而 313.390.8391.7L =按 JB/T7938-1999规定容积取标准值 1000V L =.7.5油箱的长宽高确定因为油箱的宽、高、长的比例范围是 1:12:23,此处选择比例是 1:1.5
22、:2由此可算出油箱的宽、长、高大约分别是 1600mm,1100mm,770mm 。并选择开式油箱中的分离式油箱设计。其优点是维修调试方便,减少了液压油的温 升和液压泵的振动对机械工作性能的影响;其缺点是占地面积较大。由于系统比较简单,回路较短,各种元件较少,所以预估回路中各种元件和 管道所占的油液体积为 0.6L 。因为推杆总行程为 240mm ,选取缸的内腔长度为360mm 。 忽 略 推 杆 所 占 的 体 积 , 则 液 压 缸 的 体 积 为4331803.810360100.028928.9v A L m L -=缸当 液 压 缸 中 油 液 注 满 时 , 此 时 油 箱 中 的
23、 液 体 体 积 达 到 最 小 为 :80028.90.6770V L =-=油 min则油箱中油液的高度为:17701000/(160110 44H cm =由此可以得出油液体下降高度很小, 因此选取隔板的高度为 44cm, 并选用两块隔 板。此分离式油箱采用普通钢板焊接而成,参照书上取钢板的厚度为:t=4mm。 为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养,取箱底离地的距离为 200mm 。故可知,油箱的总长总宽总高为:长为:12(110024 1108l l t mm mm =+=+=宽为:12(160024 1608w w t mm mm =+=+=高为:(20044 (7704200
24、4 9781h h mm mm mm =+=+=7.6油箱地面倾斜度为了更好的清洗油箱,取油箱底面倾斜度为:17.7吸油管和过滤器之间管接头的选择在此选用卡套式软管接头查机械设计手册 4表 23.9 66得其连接尺寸如下表: 7.8过滤器的选取取过滤器的流量至少是泵流量的两倍的原则,取过滤器的流量为泵流量的2.5倍。故有 :2.5(44.22.5 /min 110.5/min qq L L =泵入 过滤器查 中国机械设计大典 表 42.7 7得, 先取通用型 WU 系列网式吸油中过滤器:表 7.4 7.9堵塞的选取考虑到钢板厚度只有 4mm ,加工螺纹孔不能太大,查中国机械设计大典表 42.7
25、 178选取外六角螺塞作为堵塞,详细尺寸见下表: 7.10空气过滤器的选取按照空气过滤器的流量至少为液压泵额定流量 2倍的原则,即: 2244.2/min 88.4/min qq L L p =过滤器选用 EF 系列液压空气过滤器,参照机械设计手册表 23.8-95得,将其主要参数列于下表: 7.11液位 /温度计的选取选取 YWZ 系列液位液温计,参照机械设计手册表 23.8-98选用 YWZ-150T 型。考虑到钢板的刚度,将其按在偏左边的地方。8 液压系统性能的运算8.1 压力损失和调定压力的确定由上述计算可知,工进时油液流动速度较小,通过的流量为 55.44L/min,主 要 压 力
26、损 失 为 阀 件 两 端 的 压 降 可 以 省 略 不 计 。 快 进 时 液 压 杆 的 速 度314172. 93100. 9/803. 810pq v m s A -=, 此 时 油 液 在 进 油 管 的 速 度 32672.93102.48/0.25251060pq v m s A -= 8.1.1沿程压力损失沿程压力损失首先要判断管中的流动状态, 此系统采用 N32号液压油, 室温 为 20度 时 421.010/m s -=, 所 以 有 34/2.482510/1.0106202320e R vd -=,油液在管中的流动状态为层 流, 则阻力损失系数 75/0.12e R
27、=, 若取进油和回油的管路长均为 2m , 油 液 的 密 度 为 3890/Kg m =, 则 进 油 路 上 的 沿 程 压 力 损 失 为 122532890/20.122.482.61025102p l d v Pa -=。 8.1.2局部压力损失局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力 损失,由于管道安装和管接头的压力损失一般取沿程压力损失的 10%,而通过液 压阀的局部压力损失则与通过阀的流量大小有关, 若阀的额定流量和额定压力损 失 分 别 为 r r q q 和 , 则 当 通 过 阀 的 流 量 为 q 时 的 阀 的 压 力 损 失 r q , 由
28、2( r rq p p q =算得 272.930.5( 0.104160p MPa =小于原估算值 0.5MPa, 所以 是安全的。 同理快进时回油路上的流量 122172.93489.844.4/min 803.8q A q L A =则回油管 路中的速度 32644.4101.51/600.252510v m s -=;由此可以计算出 13341.512510/3751.010e R vd -= (3752320,所 以 为 层 流 ; 75750.2375e R =, 所 以 回 油 路 上 的 沿 程 压 力 损 失 为 222642890/20.21.510.161025102p
29、l d v Pa -=。 由 上 面 的 计 算 所 得 求 出 :总 的 压 力 损 失p =1221A p p A +489.80.260.160.36803.8MPa =+= 这与估算值有差异,应该计算出结果来确定系统中的压力阀的调定值。8.1.3压力阀的调定值计算由于液压泵的流量大, 在工进泵要卸荷, 则在系统中卸荷阀的调定值应该满 足 快 进 时 要 求 , 因 此 卸 荷 阀 的 调 定 值 应 大 于 快 进 时 的 供 油 压 力 124205090.363.36803.8p F p p MPa A =+=+=,所以卸荷阀的调定压力值应该取 3.36MPa 为好。 溢流阀的调定
30、压力值应大于卸荷阀的调定压力值 0.30.5MPa, 所 以取溢流阀的调定压力值为 3.5MPa 。背压阀的调定压力以平衡板料折变机的自 重,即 4422.710/489.8100.55F p Pa MPa A -=背 8.2 油液温升的计算在整个工作循环中, 工进和快进快退所占的时间相差不大, 所以, 系统的发 热和油液温升可用一个循环的情况来计算。8.2.1快进时液压系统的发热量快进时液压缸的有效功率为:04550.033150.015P Fv W KW = 泵的输出功率为:3622044210/6053.90.05390.85i pqP W KW -= 因此快进液压系统的发热量为:14(
31、00.05390.0150.039i i H P P KW KW=-=-=8.2.2 快退时液压缸的发热量快退时液压缸的有效功率为:034670.053183.8P Fv W = 泵的输出功率为:202023760.85i pq P W W = 快退时液压系统的发热量为:(02376183.621922.192i i H P P W KW =-=-= 8.2.3压制时液压缸的发热量压 制 时 液 压 缸 的 有 效 功 率 为 :024205090.0122904.62.9046P Fv W KW = 泵的输出功率 3622044.210323.40.3230.85i pqP W KW -=
32、因 此 压 制 时 液 压 系 统 的 发 热 量 为 :(02.90460.3232.5816i i H P P KW KW =-=-=总的发热量为 0.0392.1922.58164.8123i H KW =+=按教材式(11 2求出油液温升近似值(34.81231089.1T C = 温升没有超出允许范围,液压系统中不需要设置冷却器。8.3油箱的设计由前面计算得出油箱的容积为 1000L 。8.3.1系统发热量的计算在液压系统中,损失都变成热量散发出来。发热量已在油温验算时计算出, 所以 4.8123H KW =8.3.2 散热量的计算当忽略系统中其他地方的散热, 只考虑油箱散热时, 显
33、然系统的总发热功率 H 全部由油箱来考虑。这时油箱散热面积 A 的计算公式为H A K t= 式中 A油箱的散热面积(2m H 油箱需要的散热功率(W t 油温(一般以 55C 考虑与周围环境温度的温差K散热系数。与油箱周围通风条件的好坏而不同,通风很差时 K=89;良好时 K=1517.5; 风扇强行冷却时 K=2023; 强迫水冷时 K=110175。 所以油箱散热面积 A 为:24812.33.181789.1H A m K t =9 参考文献1 中国机械设计大典第 5卷, 机械控制系统设计 /中国机械工程学会, 中国机械设计大典编委会 南昌:江西科学技术出版社, 2002.12 成大先 机械设计手册单行本,液压传动。北京:化学工业出版社, 2004.13 王积伟 液压传动 2版 北京:机械工业出版社, 2006.12. 普通高等教育“十一五”规划教材。4 机械设计手册 3版 第 4卷 /机械设计手册编委会编著 北京:机械工业出版社, 2004.85 杨培元、朱福元 液压系统设计简明手册 北京:机械工业出版社, 1995.106 王积伟、章宏甲、黄谊 液压传动第 2版 北京:机械工业出版社, 2007.7致谢感谢老师,还有我的同学们在本次课程设计期间给予我的帮助和指导。由 于时间和水平有限,本设计难免存在缺点和错误,望指导老师批评指正。
