自动冷压机液压系统设计及计算书

1、自动冷压机液压系统设计及计算书一工况分析: 冷压机液压系统需完成的功能： 粉料定容投料的容腔尺寸定位。 粉料成形压制。 刀头的卸模顶出。要完成以上功能，需具备两个液压缸，设计两液压缸位置为上下安装。上缸实现粉料压制和与下缸同步保压卸模；下缸要实现精确模腔定容、与上缸同时压制和卸模顶出刀头。1 液压系统工序流程单层刀头压制流程：下缸回程（投料）Þ下缸慢速回程Þ下缸暂停（到定容尺寸）Þ下缸降至压制位暂停Þ上缸压制快进Þ上缸压制慢进Þ上缸压制Þ上下缸同时压制（可选）Þ上下缸同步卸模（可选）Þ上缸回程，同时下缸上

2、升顶出工件Þ上缸快速回程（此时下缸顶出工件暂停）Þ上缸回至起始位停Þ下缸降至起始位停（零位）多层刀头压制流程：下缸回程（投料）Þ下缸慢速回程Þ下缸暂停（到第一层定容尺寸）Þ下缸慢速回程Þ下缸暂停（到第二层定容尺寸）×××××× Þ下缸慢速回程Þ下缸暂停（到最终层定容尺寸）Þ下缸下缸降至压制位暂停Þ上缸压制快进Þ上缸压制慢进Þ上缸压制Þ上下缸同时压制（可选）Þ上下缸同步卸模（可选）

3、2;上缸回程，同时下缸上升顶出工件Þ上缸快速回程（此时下缸顶出工件暂停）Þ上缸回至起始位停Þ下缸回起始位（零位）多层投料不定层压制流程从略，详见液压原理图阀件动作真值表。2 上下液压缸负载分析压制单刀头压机，其压机的惯性负载、摩擦负载可忽略，上缸主要承担刀头压制成形负载。按目前冷压刀头制造工艺要求和国内模具制造材料限制，压制负载为22.5kg/cm²，目前压制单刀头最大面积为6 cm²，设计压机吨位为15吨。下缸承担压制和卸模负载，压制负载同上油缸，最大卸模负载通常小于最大压制负载，设计按最大压制负载考虑。设计冷压机采用轮辐式压力传感器，直接安

4、装在上液压缸与上压头之间，压制是直接测量作用在刀头上的力，并将此值传送到PLC进行控制。液压系统的管路损耗、摩擦力等因素不对测量值造成影响。3 上下液压缸运动分析上缸运动行程长，为避开投料装置，空行程约为100mm，每工作循环往复运动大于200mm，要求运动速度尽量快，以提高工作效率。设计22.5S内完成一运动循环。下缸承担投料容腔的精确定容和卸出刀头的工作。容腔的尺寸定位采用可连续测量位移的磁致伸缩位移传感器，该位移传感器是实现多层投料连续定位的最好选择，是目前连续位移测量分辨率和重复精度最高的传感器之一。设计选择美国MTS磁致伸缩位移传感器，分辨率0.005mm，更新时间5ms。如果下缸定

5、位时运动速度为1mm/s，5ms的数据刷新会带来0.005mm的位置误差。考虑实际电气信号传输和液压阀响应速度的影响以及液压缸低速运行的平稳性能，需要设计无爬行、高响应的液压缸，满足小于1mm/s的平稳运动要求和快速的高低速转换。二确定液压系统的主要参数压力和流量是液压系统中两个最主要的参数，这两个参数是设计和选择液压元件、附件和油泵规格型号的依据。1 确定系统工作压力系统压力的选定，关系到整个系统设计的合理程度。系统压力选得过低，液压设备的尺寸和重量就增加；选得过高，将受到元件强度、容积效率、系统可靠性及寿命等因素的限制。因此，系统压力应结合各方面的因素综合考虑。由前液压缸负载分析所述，设计

6、压机吨位150kN180kN，设计液压系统压力25MPa。2 液压缸的工作面积和流量 工作面积：从满足负载力的要求出发，液压缸的有效工作面积为：式中 F 液压缸负载，按15000kg计算m 液压缸的机械效率，设计低摩擦油缸取0.95p 液压缸的工作压力，考虑系统损耗按22MPa计算则液压缸无杆腔面积：通过圆整，设计缸筒内径为Ø95，有效工作面积约70.88cm2。考虑到设备工作效率、上缸高低速度差要求较大而带来的回油流量偏大以及油缸的刚性等因素，该油缸未按国标推荐值选取缸径尺寸和液压缸两腔面积比（速度比），在液压缸密封等结构要求允许条件下，尽量加大油缸活塞杆径尺寸，设计活塞杆直径为&

7、#216;80，由此得出液压缸有杆腔面积为20.62cm2。液压缸速度比：式中 A1,A2 为液压缸有杆腔、无杆腔面积V1,V2 为两腔同等流量下的活塞杆速度液压缸最高、最低运动速度下的供油流量：上缸空行程长，考虑效率因素要求有尽量快的空行程运动速度。根据目前国外冷压机生产单层刀头的生产效率为5s/个，设计上缸有杆腔供油时最快运动速度为280300mm，则有杆腔最大供油量：。作为执行模腔定容功能的下缸，在有杆腔供油状态下要实现小于1mm/s的运动速度，其最小供油量：。三拟定液压系统原理图1系统回路确定如前所述，冷压机液压系统中的执行元件为两个液压缸。从运动形式上分析：上缸要具备快速压制功能，下

8、缸要具备精确定容功能。由于检测系统和液压阀件动态响应速度的限制（磁致式位移传感器数据刷新5ms，伺服阀0100%阶跃信号的响应时间12ms，比例方向阀0100%阶跃信号的响应时间为150ms）下缸要实现精确定容必须降低定容时的运动速度，如下缸以1mm/s的速度运行，因比例阀150ms的响应时间，就有可能带来0.15mm的重复定位误差。所以，液压系统既要为上缸提供较大流量实现快速运动以提高冷压机生产效率，又要具备为下液压缸提供稳定小流量供油的能力。从压制负荷分析：上下液压缸有各自独立的运动形式和共同的压力控制系统。在对刀头的压制和卸模工序中有同步要求，形成压力适应回路的模式。通过研究和以国外设备

9、为参考，确定自动冷压机液压系统回路形式为用比例方向阀或伺服阀的压力适应回路，是由定量泵供油，泵的工作压力自动地与系统中的负载相适应的回路。回路中设有电液比例溢流阀，可随着比例方向阀或伺服阀的开口大小自动对其进行压力补偿，使比例方向阀或伺服阀工作油口的压差为一定值。于是通过比例方向阀或伺服阀的负载流量就仅与阀口开度成比例，而与负载压力的变化无关。由此可见，比例方向阀或伺服阀不仅控制液压缸的运动方向，也连续可调地控制了输入液压缸的流量。比起节流调速回路，该回路效率高，能耗小。液压缸的工作压力自动跟随负载压力变化，始终保持比负载压力高一恒定值，实现了压力适应。国外同等类型自动冷压机，采用伺服阀作为方

10、向和速度控制，由于高的动态响应，使得所控制液压缸在极短时间内实现定容位置设定值的反馈调节，产品重复精度高、生产效率高。但目前国产伺服阀适用性差、产品不定型，国内较少使用；进口伺服阀存在价格贵（2万余元）、供货周期长（四个月）等问题。通过市场调查和试验研究，我们认为，为了今后的市场推广，有必要在国产阀件上作文章，用国内比较成熟的电液比例方向阀实现方向和速度的控制，避开比例方向阀中位死区，不用其作定位值左右调节，只利用其能连续调节液压缸速度的功能，通过合理分配生产流程时间、提高液压缸低速运动性能，在满足生产效率的情况下，利用降低液压缸运动速度弥补比例阀响应速度低的缺陷。电液伺服阀和电液比例阀性能比

11、较如下表：特性类别比例阀伺服阀介质过滤精度/205阀内压力降/MPa0.527稳态滞环/（%）131重复精度/（%）0.510.5频宽/（Hz/-3dB）2520200中位死区有无价格134综合评价能方便地实现自动控制、远程控制；能连续、按比例 地对液压参量进行控制；价格比伺服阀低廉；使用条件同普通液压阀，抗污染性能好；在需要进行位置控制或提高系统性能时，可闭环控制。接受模拟量控制信号，输出随电控信号大小变化且快速响应的液压阀。与比例阀比较具有快速的动态响应及良好的静态特性，是一种高性能、高精度的液压元件；价格较贵；对工作环境要求较高。为解决冷压机上下液压缸工况速度相差大，采用高压小流量和低压

12、大流量泵组合，形成系统的恒功率输出；首次使用同步阀（分流集流阀），可为两液压缸不同负载下提供相同的流量；由于伺服阀流量限制和考虑大流量泵不供油工况，配置液压油卸荷旁路；设计比例溢流阀控制系统压力调节；配置变频调速电机，以获得更小泵流量并降低系统功耗。 采用伺服阀和关键液压元件为进口件的液压系统：（参见液压原理图）使用的主要液压元件有：日本NACHI双联内啮合齿轮泵，特点是工作压力高，可使冷压机在25MP的系统压力下达到180kN吨位；美国MOOG直动式伺服阀，动态响应12ms，中位零遮盖；德国HAVE分流集流阀和比例溢流阀；国内华德、海宏的插装式单向阀和安全阀等。 采用比例方向阀和全部国产液压

13、阀的液压系统：（参见液压原理图）使用的主要液压元件有：台湾KOMPASS双联高压泵，特点是输出液流脉动小，最大工作压力22MP，达到压机150kN吨位，满足国内刀头生产工艺要求；北京华德直动式比例方向阀，动态响应150ms，中位有遮盖；四平液压的分流集流阀；北京华德的先导式比例溢流阀和插装式单向阀和安全阀等。两套液压系统的液压附件均采用国产制品。四液压元件的选择和计算1液压泵的选择 确定液压泵最大工作压力根据目前冷压刀头制造工艺要求和国内模具制造材料限制，压制负载为22.5kg/cm²，一般压制单刀头最大面积小于6 cm²，则液压缸最大工作压力为150kN，由前所知，油缸压

14、制工作面积约20.88 cm²,则液压缸最大工作压力（强）p1max为液压泵最大工作压力其中SDp是液压泵出口到液压缸入口之间所有沿程压力损失之和。由于伺服阀和同步阀的压力损失较大，所以确定液压系统SDp=2.5MPa。则泵的最大工作压力应>23.7MPa。 确定液压泵最大流量液压泵的流量 其中（Sq）max为同时动作的液压缸所需流量之和的最大值，K为系统泄漏系数，一般取1.2。参见液压原理图，液压系统为双联泵，小流量泵的流量由同步阀等分为两液压缸。油工况分析已知系统最大流量约37升/分，自小稳定流量0.12升/分。参照产品规格确定：日本NACHI双联内啮合齿轮泵为IPH-34

15、B-10-20-11，大泵排量20ml/r，小泵排量10ml/r，最高使用压力30 MPa。台湾KOMPASS双联高压泵SVQ215-22+11-FR，大泵排量22ml/r，小泵排量11ml/r，最高使用压力24.5 MPa。2液压系统电机功率的选择按工况中最大功率点选取电机功率，即其中b液压泵效率，取0.8，最高工作压力时泵流量约为15升/分。则电机功率确定为7.5kW。3液压系统主要阀件的选择 阀件的安装形式为了提高系统刚性和响应速度，将伺服阀或比例阀安装在液压缸底部缸底上，其余各阀集中安装在集成块上。阀件安装形式为板式或插装式安装。 由于液压系统有闭环位移控制，所以使用伺服阀或比例方向阀

16、进行液压缸的速度和运动方向控制。两种阀件的通径均为6mm，安装孔可互换，使两种液压系统可使用相同的液压缸。选择美国MOOG直动式伺服阀，额定流量40L/min；选择北京华德直动式比例方向阀，名义流量32L/min，在压降2MPa时，可达到45L/min。其余阀件的选择详见液压原理图。4过滤器的选择 滤油精度不论是伺服阀还是比例阀，都有高于普通阀件的油液清洁度要求，特别是伺服阀，通常要求达到国际标准ISO4406 15/12级标准，应选用510公称过滤精度的滤油器；比例阀要求稍低，为保证较长的使用寿命，应选用1020公称过滤精度的滤油器。 每个伺服阀或比例阀前各安装一个压力管路过滤器，通过流量按

17、40L/min，油运动粘度46 mm²/s，标准粘度32 mm²/s，过滤精度5计算标准粘度下流量：选取滤油器最大流量为计算流量的2倍，为110L/min。 确定滤油器强度32MPa。为保证滤芯堵塞后能及时更换，选择过滤器上带有压差信号发生器。5冷却器的选择冷压机工作过程中，油箱发热难以避免，受结构尺寸的限制，油箱尺寸不能太大，控制油温升高需安装冷却器。油冷却器换热面积：其中：Q油换热量（J）Vm油量 m3/hYm油比重，取850 kg/m3 Cpm油比热，取1.95 kJ/kgDT 油温差，DT=T1-T2 ºCT1进油温度T2出油温度Dt平均温差ºC

18、 t1进水温度ºC t2出水温度ºCk换热系数，取250 W/m2׺C要求进油温度T1=50ºC出油温度T2=30ºC 则DT=20ºC设进水温度t1=25ºC出水温度t2=40ºC则Dt=7.2 ºC冷却器换热面积：根据计算，从产品样本中选取板式热交换器，型号：K105*3。需冷却水流量：其中：Q热量J/hYs比重Cp比热容kJ/kg.k t水温差即冷却水流量约23.7L/min.五液压站的结构设计液压装置的结构形式分集中配置和分散配置两种。冷压机液压装置的结构形式采用集中配置，即将系统的动

19、力源、控制及调节阀件集中组成液压站，相对独立于主机之外。采用集中配置使得装配、维修方便，并减少液压站对主机的影响。1主体结构液压泵组采用上置式立式安装，其结构紧凑，噪音低。将控制阀组一并置于油箱盖板上，组成完整的液压系统总成，阀件采用集成块式安装。2油箱结构设计 油箱容积确定油箱的容量通常为液压泵每分钟排出体积额定值的3倍以上。设计液压系统的最大泵流量约40升/分，由经验得出油箱容积应大于120升。根据整机主体结构，设计油箱尺寸为720X520X1050，有效容积可达330升。 设计油箱底部安装时距地面150mm高，便于散热；在油箱底边设置放油孔；设计油箱有一人孔，便于清洗油箱内部。 设计油箱

20、有良好的密封性，在加油口安装空气滤清器，所有穿过油箱顶板的管子和元件均有可靠密封。朝向油箱内腔的固定孔均为盲孔。 油箱内设隔板，吸油管和回油管尽量远距离布置。 为减少焊渣影响，要求油箱采用不锈钢板材，氩弧焊焊接。3集成块设计通过对系统综合考虑和油箱尺寸的限制，冷压机阀件组装分为三个部分（参见液压原理图） 将控制上缸的伺服阀（或比例方向阀）、单向阀、回油卸流阀安装在上缸缸底；将控制下缸的伺服阀（或比例方向阀）、单向阀安装在下缸缸底；将其余所有阀件安装在一个阀块上，安装在油箱盖板上。三件均应按阀件集成块设计标准加工制造。 阀件设计时充分考虑了油路流量的匹配和孔径的通流面积；考虑了阀块的进出油位置的

21、可安装性和各阀件的调节便利。 集成块各孔加工精度和各表面粗糙度设计参见零件图。4管路及管路布置冷压机液压系统油管管路采用卡套式管接头连接，尽量减少接头焊接。 要求管道的排列整齐一致，水平管道不平行度2/1000；垂直管道的不垂直度2/400。 管道的配置必须使管道、液压阀和其它元件装卸、维修方便。 配管时必须使管道有一定刚性，拐弯处和长度1.5m处设置支架或管夹。六液压缸的结构设计不论在电液伺服系统还是电液比例阀调节系统，液压缸作为系统中的执行元件，其性能指标直接影响系统的精度和动、静态品质。由于自动冷压机对上缸有频繁的快慢速变换要求；下缸要在数秒内实现运动速度从约10mm/s到小于1mm/s

22、的转变且实现高于±0.03mm定位精度。因此，要求设计液压缸除了具备一般液压缸承受载荷所必需的强度、刚性和结构性能外，着重考虑按伺服缸密封标准设计其密封环节，以小于1mm/s低速下无爬行、粘着滞涩现象为原则设计。（低速运动下，运动件产生目光不易觉察的振动或时断时续的速度不均匀现象，称为爬行。）考虑液压系统压力、流量的平衡和减少设计零部件、标准件种类，将上下液压缸结构、尺寸等尽量一致。 1 液压缸的结构设计（参见油缸装配图） 采用积木式结构，结构紧凑、刚性好，便于维修。该结构缸筒壁厚及前法兰尺寸刚性好，强度和刚性校核从略。前、后法兰用高强螺栓连接，须对螺栓强度校核。螺纹合应力 （MPa

23、）其中螺纹系数取1.5F缸筒端部承受的最大推力（N）d1螺纹底径（m） Z 螺栓数量 材料的许用应力= s/ns材料屈服强度（MPa），n安全系数1.52.5，取1.5前法兰使用16根8.8级M10螺栓，s=640 MPa，则=427 （MPa）后法兰使用8根10.9级M12螺栓，s=900 MPa，则=600（MPa）前后法兰连接螺栓强度满足使用要求。 液压缸内置磁致式位移传感器，方便外部安装，提高传感器的使用寿命；传感器安装与缸底，造成缸底局部薄弱，计算缸底厚度： 其中：d 缸底厚度（m），Do 计算厚度处的直径（m），Pn 额定压力（MPa）, 材料的许用应力（MPa），s材料屈服强度（

24、MPa），n安全系数1.52.5，取2.5。已知Do=0.05m ，最大Pn=25 MPa，按45#钢选择，=120 MPa，由此得出，考虑传感器安装孔的影响，设计此处缸底厚度大于30mm。 将伺服方向阀或比例方向阀集成在缸底，减少油路损失和对阀件的干扰，对提高系统刚性和响应速度极为有利，同时也减小了液压站的安装尺寸。2 液压缸的密封设计冷压机液压缸要求低摩擦、无外漏、无爬行、无滞涩、高响应、寿命长，要满足系统静态精度、动态品质的要求。所以它的密封与支承导向环设计极为重要，不能简单地延用普通液压缸的密封与支承导向。液压缸密封分动密封和静密封两种情况： 本设计中静密封：端盖与缸筒、端盖与阀块、阀块与液压阀以及液压缸与油管之间的密封，是固定密封。设计采用形橡胶密封圈和组合密封垫，其规格、沟槽尺寸按国家标准GB3452.3-88GB3452.1-92GB3452.2-88选择设计。确保固定密封处在工作压力下和短时1.5倍压力下均无外泄漏。 本设计中动密封：活塞与缸筒、活塞杆与端盖之间的密封。设计采