Q11Y型闸式剪板机液压系统设计4张CAD图

Q11Y型闸式剪板机液压系统设计4张CAD图,Q11Y,型闸式剪,板机,液压,系统,设计,CAD Q11Y 型闸式剪板机液压系统设计 摘 要 近年来，随着我国航空、高铁、汽车等重要制造行业需求量的大幅增长，剪板机起着举足轻重的作用的同时也取得了快速发展。液压剪板机在工业加工领域有着重要地位，通过分析现状和实地考察，从机械剪板机与液压剪板机中选择较先进的液压闸式剪板机为研究对象。在设计中通过各种剪板机的性能、实用性、经济性的对比体现它的优点，完成原理图、装配图、零件图设计，剪切力计算、刚度校核等，最终设计出经济实用的剪板机。 关键词：液压闸式；剪板机；刀架；挡料板 V ABSTRACT Recently,aviation,high speed rail and automobile manufacture has entered a golden age of rapid development. Hydraulic shearing machine play a vital role in the process,meanwhile,it also develop rapidly. There is no doubt that hydraulic shearing machine’s important position in the industry. By the analysis of present situation and on-the-spot investigation,from the mechanical shearing machine and hydraulic shearing machine,choose the latter which is much more advanced as a studying object. Compared with different model of shearing machine,hydraulic shearing machine reflect the advantage in performance,practicality,functionality and efficiency. It is either essential to comprehend the principle,design the shearing machine blueprint and fulfill the calculation of shear force & rigidity check. Eventually,an economic and efficiency hydraulic shearing machine will be designed. Key words: hydraulic brake type; shearing machine; tool post; baffle plate 目 录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 ....................................... 1 1.1 课题选择的背景和缘由 1 1.1.1 我国液压剪板机的现状及发展趋势 1 1.1.2 国外液压剪板机的现状及发展趋势 2 1.2 剪板机常见种类归纳与分析 3 1.2.1 平行刃剪板机 3 1.2.2 斜刃剪板机 4 1.2.3 圆盘式剪板机 5 1.3 设计的目的和意义 5 第 2 章 方案研究 6 2.1 对剪板机参数的研究 6 2.2 液压传动方案 9 第 3 章 剪板机液压系统参数计算 13 3.1 剪板机基本参数计算 13 3.1.1 计算剪切力 13 3.1.2 各液压缸的载向力计算 14 3.1.3 计算液压缸的主要结构尺寸 15 第 4 章 动力元件的分析与计算 18 4.1 液压泵的计算与选型 18 4.1.1 确定液压泵的最大工作压力 PP 18 4.1.2 确定液压泵的流量 QVMAX 18 4.1.3 选择液压泵规格 19 4.2 电动机类型和结构形式的选择 19 4.2.1 电动机选型分析 19 4.2.2 电动机功率的选择 20 第 5 章 管路与油箱的计算与选择 22 5.1 管道的选择 22 5.2 油箱的设计 24 5.2.1 油箱的设计要点 24 5.2.2 油箱容积计算 25 第 6 章 液压执行元件的选型 28 6.1 过滤器的计算与选型 28 6.2 蓄能器的计算与选型 31 6.2.1 蓄能器原理 31 6.2.2 蓄能器分类 31 6.2.3 蓄能器用途 33 6.2.4 蓄能器分类与功用 34 6.2.5 蓄能器使用维修 34 6.3 阀的计算与选型 38 6.4 液压辅件的设计 39 6.4.1 集成块 39 6.4.2 空气滤清器 39 6.4.3 液位计的选择 40 6.4.4 管接头的选择 40 第 7 章液压油的选择 41 7.1 液压油的选择 41 7.2 液压油的要求 41 7.3 选择液压油的依据 41 总 结 43 致 谢 44 参考文献 45 第一章 绪论 1.1 课题选择的背景和缘由 随着我国制造业的发展，剪板机床的发展越来越成为机械制造行业的中流砥柱，剪板机广泛适用于航空、汽车、农机、电机、电器、仪器仪表、医疗器械、家电、五金等行业，是高效率、高精度的板料直线剪切通用设备。随着液压技术的发展， 机械剪板机逐步被液压剪板机所取代。对液压系统的工作原理进行分析研究，改进液压系统设计对提升剪板机性能、提高生产效率起着十分重要的作用。目前液压传动的剪板机在国外已经得到普遍推广，基于液压剪板机的众多优点，液压剪板机在不久的将来会被普遍使用，因此对液压剪板机研究、改进及优化设计是完全有必要的。 1.1.1 我国液压剪板机的现状及发展趋势 近年来我国液压剪板机行业发展迅速，一些中小企业如雨后春笋崛地而起， 但行业发展依然问题很多，由于我国液压剪板机行业长期进行价格战，致使国内剪板机水平一直处于世界中低位水平。我们液压剪板机厂家应认识到问题的严重性，改变发展方式。 中小型液压剪板机企业在这一过程中增速比较多，所占比重比较大。而大型液压剪板机企业较少，国内液压剪板机行业品牌性不强，市场竞争力较差。从行业的发展现状来看，液压剪板机行业本身也面临着淘汰落后产能的风险。液压剪板机行业由于产能与市场供需矛盾的原因，价格竞争激烈，价格大战是液压剪板机厂家陷入了非常困难的境地，产业的经济效益低下，企业的盈利水平持续下降。由于国内外市场对液压剪板机的需求都离不开中小企业，所以会需要一个较长期的淘汰过渡期。 业内人士指出，国内的液压剪板机企业要想取得新的突破，就需要不断努力， 在产品的质量和产品的科技含量方面逐步提高，这对于下游的液压剪板机企业来说，既是一次新的挑战，也是整个液压剪板机产业的一次新机遇。 22 长期以来，国内液压剪板机设备行业一直有这样的特点：生产规模小，入门 门槛低，整体技术含量不高产品档次普遍偏低、雷同。但是，经过十余年的发展， 液压剪板机行业技术水平不断提升，业内人士指出，国内企业已经加快研究液压 剪板机技术，一定程度上降低了能耗，减轻了污染，为社会带来了更多的效益和 价值，为实现绿色生产，低碳生产做出应有的贡献。但现阶段，我国液压剪板机 革命还未成功，剪板机生产企业较为集中，竞争异常激烈，创新能力普遍较低， 能够推出自主知识产权的新技术、新产品的企业少的可怜，导致技术发展缓慢。知识成果没有有效地转化为现实生产力，目前液压剪板机领域技术的研发和革新 主要依靠高校和科研院所，由于与企业的脱节，知识成果很难有效的化为企业的 生产力。由此可见，在这方面我国相关企业应该进行全面、多层次的节能技术改 造，大力发展应用可再生能源全面推进我国在液压剪板机方面的技术改革和应用。同时，由于液压剪板机也是能耗大户，随着近年来能源的日趋紧张，新型的节能 高效液压剪板机得到了快速推广和普及，这也是此类设备今后发展的必然趋势。 1.1.2 国外液压剪板机的现状及发展趋势 目前液压传动的剪板机在国外已经得到普遍推广，但是中小型，特别是小型的剪板机(4 毫米或 6 毫米以下的剪板机)，仍然是以机械传动的为主。根据国外剪板机的发展情况可以看出国外剪板机的发展趋势。 机械传动剪板机日益为液压传动剪板机所取代(特别是 6 毫米以上的剪板机)。 20 毫米以下的剪板机多采用摆式结构。 生产带喉口和不带喉口的剪板机。在同样的刚度下，不带喉口的剪板机较带喉口的剪板机约轻 15%~25%，根据国外对用户的调查，有 75%~80%多的用户的剪板机不需要喉口，苏联从 1971 年开始，某些规格的剪板机已允许生产带喉口和不带喉口两种系列。 为提高剪切精度，刀架运动方向向后倾 0.5°~2°，或采用摆式结构。剪切角很小或做成可调形式，刀片间隙易于调整，压料力越来越大，越来越多的剪板机做成整体焊接结构，取代了传统的组装床身，综合消除内应力，有很好的刚性与稳定性以提高机器的刚度。为提高机器的生产率和自动化程度，采用自动装卸 料装置，降低辅助时间。减少空程和回程时间，采用变量油泵和液压氮气蓄能器 回程，以提高行程次数。 目前国外的剪板机的附件越来越多，如机动的后挡料，前挡料架、剪切直角及斜角的侧挡料架、板料的支承机构(对于薄板采用磁辊式支承器)及人身安全保护装置等。 1.2 剪板机常见种类归纳与分析 剪板机按其用途和结构的类型可以分为多种，种类也较多。剪板机的分类从不同角度出发，有不同的分法。按剪切方式可分为横剪和纵剪；按剪切轧件的温度分为热剪和冷剪；按剪板机的驱动方式分为机械剪、液压剪、气动剪；按机架的型式分为开式剪和闭式剪；按剪切轧制的品种又可分为轧钢剪板机、钢板剪板机和切管机等。通常，按剪板机的剪刃形状与配置等特点可分为平行刃剪板机、斜刃剪板机和圆盘式剪板机。 1.2.1 平行刃剪板机 平行刃剪板机的两个剪刃是彼此平行的（图 1.1-a），它通常用来在热态下横向剪切方形及矩形断面的钢坯。也可用来冷剪型材，将刀片做成成型剪刃来剪切非矩形断面的轧件。平行刃剪板机按剪切机构的运动特点，分为上切式和下切式两种型式。上切式剪板机的下剪刃是固定的，由上剪刃的上下运动进行剪切。其剪切机构通常采用曲柄连杆机构。下切式剪板机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现剪切的。其剪切机构通常有偏心轴式和浮动式。平行刃剪板机，在工作时能承受的最大剪切力是它的主要参数，故人们习惯上以最大剪切力来命名。 1.2.2 斜刃剪板机 斜刃剪板机的一个剪刃相对另一个剪刃成某一角度放置（图 1.1-b）。斜刃剪板机按剪切机构的运动特点也可分为上切式、下切式和复合式等。斜刃剪板机的剪切力比平刃剪板机小，故电机功率及整机重量等大大减小，实际应用最多，剪板机厂家多生产此类剪板机。该类剪板机按刀架运动形式分闸式剪板机和摆式剪板机；按主传动系统不同分为液压传动和机械传动两类。 （一）上切式斜刃剪 这种剪板机的下剪刃平直而固定，上剪刃是倾斜的并上下运动实现剪切。上切式斜刃剪通常作为单独设备，用来剪切宽的板材，当板材厚度大于 20mm 时， 可用在连续作业线上横切板材，但要有摆动辊道，另外，当板材厚度大于 25mm 不能用圆盘剪切边时，在连续作业线上的两边设置上切式斜刃剪进行切边。 （二）下切式斜刃剪 这种剪板机的上剪刃是固定的，由下剪刃上下运动经行剪切。由于它是下剪刃向上运动进行剪切，故不需要设置摆动辊道，一般多用于连续作业线上横切带材。这种剪板机的剪刃通常是上剪刃是倾斜的，下剪刃是水平的。但近来采用上剪刃是水平的，下剪刃是倾斜的愈来愈多，生产经验证明，这种型式能够保证剪切面相对带板中心线及表面垂直度。 （三）复合式斜刃剪 在连续式作业线上的尾部，为了将原来焊接起来的长带材分成一定重量的卷材，设有复合式斜刃剪。这种剪中间有固定的双刃刀架，上下有活动刀架，也称 上下双层斜刃剪板机。当带材通过固定双刃刀架上部，带材由 1 号卷取机卷取。当需要分卷时，上活动刀架下降切断带材，后面的带材通过固定的双刃刀架下部， 由另一台卷取机卷取。 1.2.3 圆盘式剪板机 这种剪板机的上下剪刃是圆盘状的（图 1.1-c）。剪切时，圆盘刀以相等于轧件的运动速度做圆周运动，形成一对无端点的剪刀。圆盘剪通常设置在板材或 板带的剪切线上，用来纵向剪切运动的板材或板带。 1.3 设计的目的和意义 本次将设计完成一个结构合理、功能完整且满足精度要求的剪板机，以实现对金属材料的剪切。通过剪板机的设计，使学生了解剪板机的工作原理；掌握对剪板机各个部件结构尺寸的计算、强度校核、验算过程、驱动系统的选择；了解常规工程设计的过程，并使所学知识得到深化、巩固和提高。通过毕业设计检验学生对所学课程的掌握程度及对所学知识的应用能力，以此作为评定学生毕业设计成绩的主要依据之一。剪板机是一种利用运动的刀片和固定的刀片，采用合理的刀片间隙，对各种厚度的金属板材施加剪切力，使板材按所需的尺寸断裂分离的设备，常用来裁剪直线边缘的板料毛坯，能保证被剪切板料剪切表面的直线性和平行度要求，并减少板材的扭曲，以获得高质量的工件，广泛适用于机械工业、冶金工业、汽车、造船、电器、电气工程设备、钣金加工、钢管焊接、电子工业、航天航空工业、农业机械制造、餐饮家具等机械行业。在使用金属板材较多的工业部门，都需要根据尺寸要求对板材进行剪切加工，所以剪板机就成为各工业部门使用最为广泛的板材切断设备。通过毕业设计全面系统地进行一次有关机械工程设计的基本训练，培养学生的工程能力，独立分析、解决问题的能力。 第 2 章 方案研究 2.1 对剪板机参数的研究 剪板机的工艺用途是剪切各种长度的板料，可连续剪切长度不限的板料也可将板料切成条料角板等。由于焊接结构及冲压零件数量日益增长，剪板机的数量、规格及品种都得到很大的发展，国外剪板机最大剪切厚度为 60 毫米，最大剪切 长度为 9000 毫米。据国外工业部门的统计，四十四个金属加工部门中，有四十二个部门使用剪板机，只有钟表制造业除外，剪板机目前不仅作为准备工序用， 而且用于零件的最终剪切。因此对剪板机的剪机精度提出了更高要求，在十五年前，剪板机的剪切精度一般不超过0.8～18 毫米，而现在则可达到百分之几毫米。剪板机具有很高的精度，能剪出光滑成直角的剪切面，剪下板条的变形(扭曲、弯曲和拱起)很小。影响剪切精度的主要因素有： 1. 剪切角 剪板机的上剪刃对下剪刃倾斜的角度称为剪切角。剪板机的剪切角对板条的变形和精度影响很大。剪切角愈大对剪切质量愈不利，然而小的剪切角要求较大的剪切力，需要采用大而昂贵的剪板机，目前剪板机结构的发展趋势是采用小的剪切角，现代小型剪板机的剪切角只有 1º左右，大型剪板机的剪切角为 3º左右， 一般剪板机都采用固定的剪切角，但是为了使薄板变形尽可能的小，而又能剪切较厚的板料，现在国外生产剪切角可调的剪板机，特别是在液压剪板机上剪切角的调整易于实现。 2. 剪切间隙 剪切间隙系指上下剪刀片的间隙，它对于切面平整和外观有着很大的意义， 间隙的大小与材料的强度和厚度有关。间隙太小会导致切面不平整，产生尖劈形和 S 形，板边上的摩擦也就增大了，加速刀片变钝，间隙过大时形成一个 S 形的断口，切边很粗糙，变形也增加（见图 2.1）。 正确的选择刀片间隙，剪切面就会与板材平面成 90º，不同间隙对板材剪切质量的影响不同（见图 2.2）。国外生产的剪板机除了少数厂家外(如西德 Wieger机械公司)，绝大多数都做成间隙可调的。 3. 倾斜剪切或摆式剪切 由于上、下刀片间剪切力的作用，板材的剪切面趋向于成 S 形，刀片沿垂直方向动作会导致剪切面不光滑，很早以前就有人提出为了得到光滑的剪切面， 上刀片在下落时，必须具有一定的倾斜角度，这就称为倾斜剪切（见图 2.3）。 国外有很多厂家的剪板机上刀架的运动和垂直面呈 0.5～2º的角度。有的公司(如瑞典 Ursviken 公司)生产的剪机倾角是可调的。为了能实现倾斜剪切，目前国外还比较普遍的采用摆式剪板机。摆动剪切时，上刀架围绕着 O 点进行摆动， 摆动轴心的位置高出工作台面 E 段距离（见图 2.4）。 剪切区内的剪切方向 A—A 倾斜剪切时相同，因此可以得到同样好的剪切效果。此外摆式剪板机的刀片间隙易于调节，旋转轴本身是偏心轴，调整偏心位置即可达到调整偏心的目的。有的旋转轴安装在偏心套内，转动偏心套同样也可以改变旋转轴的位置，从而达到调整刀片间隙的目的。摆式剪板机的结构简单，加工也比较容易，因此使用越来越多。 4. 机器的刚性 剪板机零件的刚性特别是床身和刀架的刚性对剪切精度有很大的影响，现代各国剪板机除了小规格底传动剪板机外，绝大多数都采用钢板制造。钢板制造的床身要比铸造床身刚性好，材质均匀，可防止断裂等现象。目前钢板制造的床身有两种结构型式：整体焊接结构及组合结构，由于整休焊接床身可以提高机器刚性，因此愈来愈多的剪板机做成整体焊接结构的。除小规格的剪板机外，刀架都用钢板焊接而成。 2.2 液压传动方案 剪板机主要是通过上刀片的往复直线运动来实现剪切功能，能实现这个目的主要由液压传动、机械传动和气压传动三种，本次设计采用液压传动方案。 Q11Y 型闸式剪板机液压传动系统原理图如图 2.5 所示： 图 2.5 液压系统原理图 1. 过滤器 2.液压泵 3.电机 4.压料油缸 5.手动截止阀 6.插装阀 7.二位四通电磁换向阀（如图起二位二通电磁换向阀作用）8.三位四通电磁换向阀（如图起三位三通电磁换向阀作用）9.溢流阀 10.左油缸 11.右油缸 12.蓄能器 工作原理： 待机：机器启动，油泵 2 从油箱吸油，液压油经过过滤器 1 通过开启状态的 插装阀 6.1 回到油箱。 剪切：1DT 得电，6.1 和 9.1 组成溢流阀，系统建立压力，液压油一路通过开启的手动截止阀 5.1 进入压料油缸 4，压料油缸活塞杆下压。3DT 得电，另外一路液压油进入由插装阀 6.2，控制油路液压油通过三位三通电磁换向阀 8 左位 和溢流阀 9.2（6.2+9.2=顺序阀），到一定压力值后顺序阀开启，油液进入油缸，蓄能器吸收左油缸下腔的液压油。 回程：1DT 失电，系统卸荷，2DT 得电，插装阀 6.2 控制油口 X 接油箱，刀架 13 在蓄能器 12 的作用下回程，两主油缸的油首先通过开启状态的插装阀 6.2 再通过开启状态的插装阀 6.1 流回油箱，压料油缸 4 在弹簧作用下也通过开启状 态的手动截止阀 5.1 和插装阀 6.1 流回油箱。 剪切角调大：关闭手动截止阀 5.1 切断压料油缸 4 供油，1DT 得电系统建立 压力，三位三通电磁换向阀 8 默认工位（此时插装阀起单向阀作用，切断主油缸供油并顶住油缸）手动截止阀 5.3、5.4 开启，蓄能器 12 和左油缸 11 之间形成差动回路，同时蓄能器吸油，左油缸活塞杆下降，剪切角增大。 剪切角调小：手动截止阀 5.1、1DT 如上，手动截止阀仅仅开启 5.5，5.2、5.3、5.4 保持关闭，插装阀 6.2 顶住右油缸 10，左油缸 11 的活塞杆在蓄能器 12 作用下上行，其上腔液压油流回油箱，剪切角减小。 蓄能器充油：1DT 不通电，插装阀 6.1 开启状态，系统不建立压力，手动截止阀仅仅开启 5.2，5.3、5.4、5.5 保持关闭，刀架下降到下死点。此时关闭手动截止阀 5.1，断开压料油缸，1DT 再得电，系统建立压力，插装阀 6.2 此时为单向阀，A—B 不通。压力油经过开启状态的手动截止阀 5.2 进入蓄能器 12，达到一定压力后关闭 5.2，蓄能器充油完毕，刀架在蓄能器作用下返回上止点。 优点：①采用插装阀为主油路工作，结构简单，通流能力大，适合于各种高压大流量系统，即使长期连续工作，没有冷却器也能保持正常工作油温。 ②改变不同的先导控制阀及盖板，便可轻易地实现不同阀的功能，而插装主阀的结构不变，便于标准化，集成化。 ③控制油路所需压力小，降低了故障率，先导控制阀功率小，有明显的节能效果。 ④蓄能器的使用使刀架回程时油泵卸荷，回程功耗低，减少发热保持正常油温。 第 3 章 剪板机液压系统参数计算 3.1 剪板机基本参数计算 表 3.1 液压剪板机基本参数 主要技术规格 单位 大小 1．剪板抗拉强度 MPa 450 2．油液最大工作压力 MPa 16 3．最大被剪宽度 mm 3200 4．最大被剪厚度 mm 6 5．剪切角 0.5°-1.5° 6．行程次数 Min-1 16 3.1.1 计算剪切力 剪切板料厚度为 6mm，根据诺沙里公式： F = 0.6s d h2 æ1+ Z  tana + 1 ö 注： F——剪切力 b x tana ç è 0.6d x 1+ 10d x ÷ sby2X ø  （3-1） s b ——被剪板料抗拉强度，取 450MPa d x ——被剪板料的延伸率，取 26% h——板料厚度，h=6mm α——剪切角α=0.5°（剪切角最小时剪切力最大） X 压系数，取 7.7 Y 刀片间隙相对值 y=0.083 Z 弯曲系数，取 0.95 将已知数据代入上式解得：F=5.66×105 N 3.1.2 各液压缸的载向力计算 （1） 主油缸的载向力计算 Fw1=R+Ffs+Fa （3.2） 注：R—液压执行的工作负载 Ffs—垂直于上刀架的负载（因为刀架竖直方向运动，可不计） Fa—惯性负载 根据经验：刀架质量 m=100kg，a=20m/s2 Fa=ma （3.3） =100×20 =2000N 分配给两主油缸的剪切力负载为 0.5F Fw1=R+Fa （3.4） =0.5F+ Fa =2.83×105N+2000N =2.85×105N （2） 压料缸的载向力计算 根据经验压料缸惯性负载 Fa=ma=75×20=1500N Fw2=R+Fa （3.5） =5.66×105N+2000N =5.68×105N 取机械效率 0.92 计算液压缸外负载，列下表： 表 3.2 液压缸工况 液压缸名称 工况 液压缸外负 载 Fw 活塞内载荷 F 主油缸 下压 2.85×105N 3.09×105N 回程 0.2×105N 0.2×105N 压料缸 压紧 5.68×105N 6.17×105N 复位 0.15×105N 0.163×105N 3.1.3 计算液压缸的主要结构尺寸 （1）确定主油缸的活塞直径（油缸内径）及和活塞杆直径主油缸最大载荷时为下压工况，其载荷力为 3.09×105N 系统最大工作压力为 16MPa 工作在活塞杆受压状态，如图 3.1 图 3.1 液压缸工作示意图 注： A1—无杆腔活塞有效作用面积 m2 A2—有杆缸活塞有效作用面积 m2 P1—液压缸工作腔压力 P2—液压缸回油腔压力D—活塞直径 d—活塞杆直径 根据液压系统原理图，先计算右油缸的活塞杆直径 D1= （3.6） = =0.156m 根据表 3.3， 表 3.3 常用液压缸内径表 D1 取 160mm d/D 活塞杆直径与液压缸内径之比 表 3.4 常用活塞杆直径与液压缸内径比例 根据表 3.4，因为系统最大工作压力为 16MP， PSYSTEM ≥7MPa 时，d/D=0.7 所以 d1=0.7D1=112m d1 取整，取 110mm 查表得速比为 2 （速比：无杆腔进油时活塞运动速度与有杆腔进油时活塞运动速度之比） = 1 因为液压闸式剪板机油箱采用串联设计，所以要求右油缸上腔即无杆腔面 积与左油缸下腔即有杆腔面积相等。（左油缸直径大于右油缸） D p A1 = 右油缸无杆腔面积： 4 2 0.02mm2 （3-7） p (D 2 - d2）= p D 2 左油缸有杆腔面积：4 2 2 4 1 （3-8） 得 D2=0.224m， 取 220mm d2=0.7D2=0.157m，取 160mm 工作行程一般取大于等于活塞杆直径，在这里 L=160mm 第 4 章 动力元件的分析与计算 4.1 液压泵的计算与选型 4.1.1 确定液压泵的最大工作压力 PP pP ³ p1 + å Dp  （4-1） å Dp = 0.5MPa 代入数据得系统最大工作压力为 16.5 MPa 为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般比最大工作压力大 25% - 60% 在这里pP =20.6 – 26.4 Mpa 4.1.2 确定液压泵的流量 QVMAX 首先计算右油缸活塞杆压油速度 V V1 = NL 60s （4-2） 注：N—行程次数 L—活塞杆行程距离 代入数据得：V1 = 0.04267m / s 速比为 2，V2 = 2V1 先计算系统流量 Q=AV （4-3） 代入数据得：Q1 = Q2 = 50L / min 再计算所需液压泵的流量QP ³ k(å QMAX ) （4-4） 其中 k 为漏损系数，一般取 1.1 代入数据得QP ³ 55L / min 所选泵的流量必须高于 55L/min 4.1.3 选择液压泵规格 查机械设计手册得知： 1. 选择液压泵的流量时，禁忌小于或等于液压系统工作时的最大流量 2. 液压泵的流量与原动机的转速有关，禁忌原动机的转速不在液压泵的工作转速范围之内，否则应当设置增速或减速装置。 3. 液压泵的实际流量等于泵的转速与实际转速之积，它应当等于或者稍稍大于液压系统设计中计算出的流量 4. 液压泵的最高压力与最高转速禁忌同时使用，以延长液压泵的使用寿命 5. 一般认为液压泵在 1000-1800r/min 范围工作时，对总效率的影响不大 参考机械设计基础课程设计指导书，设电机带动液压泵工作的转速为 1500r/min 计算选择液压泵所需的流量Q  排need  ³ QSYSTEM n  （4-5） 注：n 为泵的最高转速。 代入数据得：Q排need ³ 36.7ml/r 查机械设计手册得，泵选 CBF-F40 B 型齿轮泵 其公称排量为 40ml/r，额定工作压力 20MPa，最高工作压力 25Mpa，最高转速 2000r/min，容积效率≥92%，总效率≥83%，满足要求。 4.2 电动机类型和结构形式的选择 4.2.1 电动机选型分析 直流伺服力矩电机可以实现恒力矩调速，用的是速度环，在使用电机时，每个电机需要配一个电机驱动器。 电机的种类 1．按工作电源分类：可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2．按结构及工作原理分类：可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。 电动机的功率．应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意如果电动机功率选得过小就会出现“小马拉大车”的现象，造成长期的电机过载，绝缘因热损伤，甚至电动机会烧毁。 本次设计所选用的电动机的类型和机构形式应根据电源种类、工作条件、载荷大小和性质变化、启动性能、制动、正反转的频率程度等条件来选择。 电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源，因此，无特殊要求时，均应采用三相交流电动机。其中异步电动机是交流电动机的一种，它是把电能转化为机械能的一种动力机械，一般以三相异步交流电动机应用最广泛。 Y 系列三相异步电动机为封闭式三相异步电动机，能防止灰尘、铁屑或其它杂物侵入电机内部，效率高，耗能少，性能好，噪音低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便。不仅使用于水泵、鼓风机、金属切削机床及运输机械， 更使用于灰尘较多、水土飞溅的地方，如碾米机，磨粉机，脱壳机及其它农业机械，矿山机械等。 根据工作环境和要求，选用 Y 系列三相异步电动机。 4.2.2 电动机功率的选择 电动机的容量选择的是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。容量选的过小，不能保证工作机的正常的工作或使电动机因过载而过早的损坏;而容量选的过大，则电动机的价格较高，能力又不能充分利用，而且由于电动机经常不满载运行，其效率和功率因数都较低，增加电能消耗而造成能源的浪费。 确定液压泵的驱动功率，在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定， 即（p-t），（qv-t）图变化较平缓，则：P ppqvp h （4-6） = p 注： pp —液压泵的最大工作压力，Pa qvp —液压泵的流量，m3/s hp —液压泵的总效率，已知为 83% 代入数据得：P=24500W 查表选电动机 Y200L-4-B3 型 Y 系列三相异步电机。 第 5 章 管路与油箱的计算与选择 5.1 管道的选择 管道内径的计算，利用公式d = （5-1） v 注： q —通过管道内的流量，m3/s v —管内允许流速，m/s 计算出内径 d 后，按标准系列选取相应的管子与，流速参考表 5.1 表 5.1 液压系统管路允许流速推荐 允许流速推荐值 管道 推荐流速（m3/s） 液压泵吸油管道 0.5-1.5，一般常取 1 以下 液压泵压油管道 3-6，压力高，管道短，黏度小选大 值 液压泵回油管道 1.5-2.5 22 表 5.2 钢管标准内径外径壁厚系列 代入数据并取整，根据表 5.2 得： d1=40mm（ 外 径 50mm） d2=16mm（ 外 径 23mm） d3=25mm（外径 34mm） 冷拔钢管有较理想的内表质量和外观，且柔韧性好，能弯曲成各种形状，有利于少用接头，用于液压系统配管最为广泛。 管道材料采用 15 钢，冷拔无缝钢管。 47 5.2 油箱的设计 5.2.1 油箱的设计要点 图 5.1 油箱零件图 1—液位计；2—吸油管；3—空气过滤器；4—回油管；5—侧板；6—入孔盖； 7—放油塞；8—地脚；9—隔板；10—底板；11—吸油过滤器；12—盖板； 油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。 油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。开式油箱，箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力的惰性气体，充气压力可达 0.05MPa。如果按油箱的形状来分，还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液压器件，所以被广泛采用；圆罐形油箱强度高， 重量轻，易于清扫，但制造较难，占地空间较大，在大型冶金设备中经常采用。 设计油箱时应考虑如下几点。 1） 油箱必须有足够大的容积。一方面尽可能地满足散热的要求，另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质；而工作时又能保持适当的液位。 2） 吸油管及回油管应插入最低液面以下，以防止吸空和回油飞溅产生气泡。 管口与箱底、箱壁距离一般不小于管径的 3 倍。吸油管可安装 100μm 左右的网式或线隙式过滤器，安装位置要便于装卸和清洗过滤器。回油管口要斜切 45° 角并面向箱壁，以防止回油冲击油箱底部的沉积物，同时也有利于散热。 3） 吸油管和回油管之间的距离要尽可能地远些，之间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。隔板高度为液面高度的 2/3～3/4。 4） 为了保持油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。为便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀。对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔，以便于油箱内部的清理。 5） 油箱底部应距地面 150mm 以上，以便于搬运、放油和散热。在油箱的适当位置要设吊耳，以便吊运，还要设置液位计，以监视液位。 6） 对油箱内表面的防腐处理要给予充分的注意。常用的方法有： ①酸洗后磷化。适用于所有介质，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。 ②喷丸后直接涂防锈油。适用于一般矿物油和合成液压油，不适合含水液压液。因不受处理条件限制，大型油箱较多采用此方法。 ③喷砂后热喷涂氧化铝。适用于除水-乙二醇外的所有介质。 ④喷砂后进行喷塑。适用于所有介质。但受烘干设备限制，油箱不能过大。考虑油箱内表面的防腐处理时，不但要顾及与介质的相容性，还要考虑处理 后的可加工性、制造到投入使用之间的时间间隔以及经济性，条件允许时采用不锈钢制油箱无疑是最理想的选择。 5.2.2 油箱容积计算 1 油箱的有效容积(油面高度为油箱高度80%时的容积)应根据液压系统发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在系统负载较大、长期连续工作时是必不可少的。但对于一般情况来说，油箱的有效容积可以按液压泵的额定流量 qp(L/min) 估计出来。例如，适用于机床或其它一些固定式机械的估算式为：V=ξqp 式中：V 为油箱的有效容积(L)；ξ为与系统压力有关的经验数字：低压系统 ξ=2～4，中压系统ξ=5～7，高压系统ξ=10～12。 2. 吸油管和回油管应尽量相距远些，两管之间要用隔板隔开，以增加油液循环距离，使 液有足够的时间分离气泡，沉淀杂质，消散热量。隔板高度最好为箱内油面高度的 3/4。吸油管入口处要装粗滤油器。精滤油器与回油管管端在油面最低时仍应没在油中，防止吸油时卷吸空气或回油冲入油箱时搅动油面而混入气泡。回油管管端宜斜切 45°，以增大出油口截面积，减慢出口处油流速度， 此外，应使回油管斜切口面对箱壁，以利油液散热。当回油管排回的油量很大时， 宜使它出口处高出油面，向一个带孔或不带孔的斜槽(倾角为 5°～15°)排油， 使油流散开，一方面减慢流速，另一方面排走油液中空气。减慢回油流速、减少它的冲击搅拌作用，也可以采取让它通过扩散室的办法来达到。泄油管管端亦可斜切并面壁，但不可没入油中。 管端与箱底、箱壁间距离均不宜小于管径的 3 倍。粗滤油器距箱底不应小于 20mm。 3. 为了防止油液污染，油箱上各盖板、管口处都要妥善密封。注油器上要加滤油网。防止油箱出现负压而设置的通气孔上须装空气滤清器。空气滤清器的容量至少应为液压泵额定流量的 2 倍。油箱内回油集中部分及清污口附近宜装设一些磁性块，以去除油液中的铁屑和带磁性颗粒。 4. 为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，按 GB3766—83 规定， 箱底离地至少应在 150mm 以上。箱底应适当倾斜，在最低部位处设置堵塞或放油阀，以便排放污油。按照 GB3766—83 规定，箱体上注油口的近旁必须设置液位计。滤油器的安装位置应便于装拆。箱内各处应便于清洗。 5. 油箱中如要安装热交换器，必须考虑好它的安装位置，以及测温、控制等措施。 6. 分离式油箱一般用 2.5～4mm 钢板焊成。箱壁愈薄，散热愈快。有资料建议100L 容量的油箱箱壁厚度取1.5mm，400L 以下的取3mm，400L 以上的取6mm，箱底厚度大于箱壁，箱盖厚度应为箱壁的 4 倍。大尺寸油箱要加焊角板、筋条， 以增加刚性。当液压泵及其驱动电机和其它液压件都要装在油箱上时，油箱顶盖要相应地加厚。 7. 油箱内壁应涂上耐油防锈的涂料。外壁如涂上一层极薄的黑漆(不超过 0.025mm 厚度)，会有很好的辐射冷却效果。铸造的油箱内壁一般只进行喷砂处理，不涂漆。 确定油箱容积，V = aqv  （5-2） 注： qv —液压泵每分钟排出的压力油容积 a —经验系数，中压系统选 5-7 代入数据得：V = 7qv = 410 L 根据以上汇总参数绘制油箱装配图。 第 6 章 液压执行元件的选型 6.1 过滤器的计算与选型 液压过滤器作为液压系统污染控制的主要元件，其设计选型是否合理，日常使用(维护)是否正确直接关系到系统的安全及可靠性。而在实际应用中，许多用户对过滤器选型及使用还存在着诸多误区，不加以纠正将会影响液压系统的正常可靠工作。 1 液压系统中过滤器的选型误区 误区一:选择高精度吸油过滤器既能有效的保护泵，又能保证系统的清洁度由于油液中的颗粒污染物会加剧泵的磨损从而影响泵的使用性能和寿命，大 颗粒污染物可能还会卡死泵，严重影响系统的安全、可靠性。因此，有些用户就选择了高精度吸油过滤器，认为其既能保护泵又能保证系统的清洁度。但是，高精度吸油过滤器由于承受了过多污染物而易堵塞，导致泵吸油不畅，以致吸空， 加速泵的磨损，严重影响系统安全。所以，吸油过滤器的压降要进行严格控制。一般液压系统可以考虑安装低精度吸油过滤器来保护泵，并且在对污染物敏感的元件前安装过滤器加以保护，以控制颗粒污染对其影响。为了最有效的截获回路中因元件磨损或外界侵入的污染，建议安装回油过滤器加以控制，以提高整个系统的清洁度。同时在系统运转前应对管道、油箱进行彻底清洗，以保证其油液污染度。这样整个系统的油液污染度基本上都得到了控制，既保护了泵也保护了整个系统。 误区二:过滤器的额定(公称)流量就是系统的实际流量 过滤器的额定流量是油液黏度在 32cst 的时候，油液在规定原始阻力下的清洁滤芯所通过的流量。但在实际应用中，由于使用介质不同和系统的温度不同， 油液黏度也会随时变化。假如按额定流量与实际流量 1:1 选用过滤器，在系统油液黏度稍大时，油液通过过滤器的阻力将增大(如 32 号液压油 0℃时其黏度约为420cst)，甚至达到过滤器的污染堵塞发讯器发讯值，滤芯被认为堵塞。其次，过 滤器的滤芯是属于易损件，工作中逐渐被污染，滤材实际有效过滤面积不断的减少，油液通过过滤器的阻力很快达到污染堵塞发讯器发讯值。这样，过滤器需频繁的清洗或更换滤芯，加大用户的使用成本。 目前，国内各过滤器生产商都规定了其生产的过滤器的额定流量，笔者根据以往经验和众多客户使用情况，系统使用油液为一般液压油时，建议过滤器在选型时按以下流量的倍数选用:①吸油、回油过滤器的额定流量是系统实际流量的 3 倍以上;②管路过滤器的额定流量是系统实际流量的 2.5 倍以上。若使用油液非一般液压油或高黏度液压油时，请咨询各生产厂家选型。 误区三:过滤器选用的精度越高越好 液压系统中固体污染是造成液压系统故障的主要原因，所以就选用高精度过滤器来控制污染。其实不然，这样不但增加了系统的制造成本，还缩短了滤芯的使用寿命。那如何合理的选择过滤器的精度呢?其主要由液压系统的元件对油液的污染度要求所决定，元件要求达到的清洁度越高，过滤器选择的精度也就越高。 当磨损颗粒进入元件的运动副间隙，就会产生磨损的链式反应。所以要把磨损降到最低，并最大限度的延长元件寿命，就必须滤除与间隙尺寸相近的颗粒。典型液压元件要求达到的油液污染度等级和选择过滤器精度推荐值见表 6.1。 误区四:(Xμm)过滤精度的滤芯，其就能滤除大于其精度的所有颗粒 因液压污染控制技术在我国还属于发展阶段，诸多用户对滤芯过滤精度的定义不是太了解，认为系统只要安装了(Xμm)精度的滤芯就能保证系统油液中没有大于(Xμm)颗粒的污染物，其实这是错误的。国家标准 GB/T20079-2006 中规定: 过滤器的过滤能力用过滤比βx(c)表示来表示，其定义为:过滤器上、下游的油液单位体积中大于某一给定尺寸 x(c)的污染物颗粒数之比。 即:过滤精度定义为:过滤器所能有效捕获(βx(c)≥100 时)的最小颗粒尺寸x(c)，以微米为计量单位，用μm 表示。目前，各过滤器制造厂家对过滤比βx(c) 值的大小规定不是很统一。由于过滤精度是根据过滤比来确定的，所以同样的过滤精度因为其实际的βx 值不同，滤芯的过滤效率就完全不一样。因此(Xμm)过滤精度的滤芯还是不能完全滤除大于其精度的颗粒.系统如果选择了过滤比βx 值较小的过滤器，其油液污染度也较难控制。 日常使用(维护)过滤器误区 误区一:带有旁通阀的过滤器在滤芯堵塞后可长时间不清洗或更换滤芯 很多用户会认为过滤器的旁通阀和系统的安全阀具有同种功能:滤芯堵塞后旁通阀打开，系统油液全流量通过，对系统没有影响，这是一种错误的认识。当过滤器的旁通阀开启后，被滤芯阻拦的污染物(已过滤出的污染颗粒)会通过旁通阀重新进入系统，此时局部油液的污染浓度是最高的，对液压元件有极大损害， 此前的污染控制也将失去意义。除非系统要求工作连续性非常高，否则最好选用不带旁通阀的过滤器。即使选用了带有旁通阀的过滤器，当过滤器的污染堵塞发讯器发讯时，也要及时清洗或更换滤芯，这才是保证系统安全可靠运行的办法。 误区二:以过滤器的使用寿命来判断过滤器性能的优劣 很多用户由于没有油液污染度检测设备，就以过滤器的使用寿命来判断过滤器性能的优劣。以过滤器堵塞快慢就说明其性能的好与坏，这两种观念都是片面的。因为过滤器的过滤性能主要由过滤比、纳污容量、原始压力损失等性能指标来体现，只有在同样的工况并保证液压系统清洁度要求的情况下，使用寿命越长越好。 在液压系统中能否正确选型和使用过滤器，是液压系统污染控制的关键，也 是系统安全运行的可靠保证。为了让系统和元件有一个理想的工作寿命，必须对油液进行污染控制，配置合理的不同类型的过滤器，以达到最经济最可靠的效果， 并对过滤器进行良好的日常维护保养确保系统安全可靠运行。 根据液压系统的需要，确定过滤器的类型、过滤精度和尺寸大小，选择过滤器的通油能力时，一般应大于实际通过流量的 2 倍以上，在此，过滤精度选择 20 微米。查液压设计手册得： 过滤器选用 QU-H250×20F，参数符合要求。 6.2 蓄能器的计算与选型 蓄能器是液压气动系统中的一种能量储蓄装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。 6.2.1 蓄能器原理 液压油是不可压缩液体，因此利用液压油是无法蓄积压力能的，必须依靠其他介质来转换、蓄积压力能。例如，利用气体（氮气）的可压缩性质研制的皮囊式充气蓄能器就是一种蓄积液压油的装置。皮囊式蓄能器由油液部分和带有气密封件的气体部分组成，位于皮囊周围的油液与油液回路接通。当压力升高时油液进入蓄能器，气体被压缩，系统管路压力不再上升；当管路压力下降时压缩空气膨胀，将油液压入回路，从而减缓管路压力的下降。 6.2.2 蓄能器分类 蓄能器按加载方式可分为： （1） 弹簧式 它依靠压缩弹簧把液压系统中的过剩压力能转化为弹簧势能存储起来，需要时释放出去。其结构简单，成本较低。但是因为弹簧伸缩量有限，而且弹簧的伸缩对压力变化不敏感，消振功能差，所以只适合小容量、低压系统（P≦1.0～ 1.2MPa），或者用作缓冲装置。 图 6.1 弹簧式蓄能器 （2） 重锤式 它通过提升加载在密封活塞上的质量块把液压系统中的压力能转化为重力势能积蓄起来。其结构简单、压力稳定。缺点是安装局限性大，只能垂直安装； 不易密封；质量块惯性大，不灵敏。这类蓄能器仅供暂存能量用。 这两种蓄能器因为其局限性已经很少采用。但值得注意的是，有些研究部门从经济角度考虑在这两种蓄能器的结构上做一些改进，在一定程度上克服了其缺点。比如国内某厂采用改进弹簧式蓄能器的结构。加大弹簧外径（大于液压腔直径）、限定弹簧行程（将弹簧最大载荷限定在许用极限载荷以内）的方法提高了蓄能器的工作压力和容量，降低了成本。 图 6.3 外弹簧式蓄能器 （3） 气体式 它以波义尔定律（PVn=K=常数）为基础，通过压缩气体完成能量转化，使用时首先向蓄能器充入预定压力的气体。当系统压力超过蓄能器内部压力时，油液压缩气体，将油液中的压力转化为气体内能；当系统压力低于蓄能器内部压力时，蓄能器中的油在高压气体的作用下流向外部系统，释放能量。选择适当的充气压力是这种蓄能器的关键。这类蓄能器按结构可分为管路消振器、气液直接接触式、活塞式、隔膜式、气囊式等。 6.2.3 蓄能器用途 蓄能器有两种用途。①当低速运动时载荷需要的流量小于液压泵流量，液压泵多余的流量储入蓄能器，当载荷要求流量大于液压泵流量时，液体从蓄能器放出来，以补液压泵流量之不足。②当停机但仍需维持一定压力时，可以停止液压泵而由蓄能器补偿系统的泄漏，以保持系统的压力。 图 6.4 蓄能器示意图 蓄能器也可用来吸收液压泵的压力脉动或吸收系统中产生的液压冲击压力。蓄能器中的压力可以用压缩气体、重锤或弹簧来产生，相应地蓄能器分为气体式、重锤式和弹簧式。气体式蓄能器中的气体与液体直接接触者，称为接触式，其结 构简单，容量大，但液体中容易混入气体，常用于水压机上。气体与液体不接触的称为隔离式，常用皮囊和隔膜来隔离，皮囊体积变化量大，隔膜体积变化量小， 常用于吸收压力脉动。重锤式容量较大，常用于轧机等系统中，供蓄能用。 6.2.4 蓄能器分类与功用 蓄能器的种类主要分为：弹簧式和充气式。蓄能器的功用 （1） 短期大量供油 （2） 系统保压 （3） 应急能源 （4） 缓和冲击压力 （5） 吸收脉动压力 蓄能器的功能主要分为存储能量、吸收液压冲击、消除脉动和回收能量四大类。 第一类：存储能量。这一类功用在实际使用中又可细分为：①作辅助动力源，减小装机容量；②补偿泄漏；③作热膨胀补偿；④作紧急动力源；⑤构成恒压油源。 第二类：吸收液压冲击。换向阀突然换向、执行元件运动的突然停止都会在液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，造成仪表、元