板料折弯机液压设计

1、1 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 N 61075.1 滑块重量 N 41095.1 快速空载下降 行程 175mm 速度(1v 22/m m s 慢速下压(折弯 行程 30mm速度(2v 12/m m s快速回程 行程 205mm速度(3v 50/m m s1.2任务分析根据滑块重量为N 41095.1为了防止滑块受重力下滑,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t s=。折弯机滑块上下为直线往复运动,且行程较小(175mm ,

2、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。

3、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

4、。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

5、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较好,调速范

6、围也比较宽工作效率更高,发热却是最小的。考虑到最大折弯力为N6.2 ,故选泵缸开式容积调速回路。25103 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:快速下降慢速下压(折弯快速退回。主要性能参数与性能要求如下:折弯力NF61075.1=;板料折弯机的滑块重量41095.1=GN ;快速空载下降速度 ,工作下压速度sm s mm v /012.0/122=,快速回程速度sm s mm v /05.0/503=,板料折弯机快速空载下降行程1175L m m=0.175m ,板料折弯机工作下压行程230L m m=0.03m ,板料折弯机快速回程:H=205mm=0.205m ;启动制动时

7、间st 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 mt=式中 m 工作部件总质量 v 快进或快退速度t运动的加速、减速时间求得惯性负载 Ntv g G tv mF m 2192.0022.08.91095.14=下再求得阻力负载 静摩擦阻力 N F sf39001095.12.04= 动摩擦阻力 NF fd19501095.11.04=表3.1 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 sfF F = 3900 4286 加速 fd mF F F =+2169 2384 快进 fdF F =

8、19502143 工进 fd F F F =+1751950 1925220 快退fdF F =119502143注:液压缸的机械效率取0.91cm =4 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smm v /221=,smm v /122=,smm v /503=,mmL 1751=,mmL 302=,快速回程mmL 2053= 图4.1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193KN 时工作压力130P M P a=。将液压缸的无杆腔作为主工作腔,考虑到缸下行时

9、,滑块自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。261max1071.0103091.01925220mp F A cm =液压缸内径:mmm A D3003.0071.0441=按GB/T2348-2001,取标准值D=320mm=32cm 根据快速下降与快速上升进的速度比确定活塞杆直径d:3.22250222=-=dD DV V 快下快上cmmm d 55.225.225=,取标准值d=220mm=22cm 则:无杆腔实际有效面积222132803.844A Dcm=有杆腔实际有效面积(2222221.424223244cmdDA =-=-

10、=液压缸在工作循环中各阶段的压力和流量计算见表5.1。表5.1 各阶段的压力和流量工作阶段 计算公式 负载F/N 工作腔压力p/Pa 输入流量/m in L快速下降 启动 11m cmF P A =;111q v A =0 0 _等速 219 2994106.1 工作下压 (折弯 21cmF P A =;221q v A =19252206103.2657.90快速回程启动 32cmF P A =;332q v A =4286 0.11610 _ 等速 2384 0.62610 127.2 制动21430.056610_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

11、率快速下降 启动 10P =恒速 31112994106.110/60 5.3P p q W-=工作下压 (折弯 6322226.31057.910/602538025.4P p q W K W-=快速回程启动 633330.1110127.210/60233.20.23P p q W K W-= 恒速 634440.06210127.210/60131.40.13P p q W K W-= 制动635550.05610127.210/60118.70.12P p q W K W-=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6.1选择液

12、压回路6.1.1调速回路容积调速回路优点主要有避免溢流能量损失,效率高,不易发热;缺点是造价高。考虑到折弯机工作时所需功率较大,故采用容积调速方式。故该液压系统采用闭式。 (a (b图6.1 调速回路6.1.2 换向回路和卸荷回路为满足速度的有级变化,采用压力补偿变量液压泵供油。即在快速下降时,液压泵以全流量供油当转换成慢速加压折弯时,泵的流量减小,在最后5mm内,使泵流量减到零。故采用压力补偿变量泵卸荷回路因为当液压缸反向回程时,泵的流量回复到全流量,故液压缸的运动方向采用三位四通M型电液换向阀控制,停机时,换向阀处于中位,使液压泵卸荷。 (a-b图6.2 快速和换向回路6.1.3 压力控制

13、回路为了防止垂直放置的液压缸中的压头在下降过程中由于重力而出现速度失控现象,故选用平衡回路,即在液压缸的回油路上设置一个内控单向顺序阀。调压回路采用变量泵调压回路6.2 液压系统合成根据以上选择的液压基本回路,合成为图4-2所示的定量泵-回油路节流调速液压系统图。 图6.3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6.3系统液压图的确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

14、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

15、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6.4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MPaP 3.261=,此时液压缸的输入流量极小,且进油路元件较

16、少故泵到液压缸的进油压力损失估计取为0.5P M P a =。所以泵的最高工作压力M P a P p 8.263.265.0=+=。液压泵的最大供油量p q 按液压缸最大输入流量(106.1L/min 计算,取泄漏系数K=1.1,则71.1161.1061.1=p q 。根据以上计算结果查阅机械设计手册表23.5-44,选用规格为A7V 型斜轴式轴向柱塞泵,其额定压力P=35MPa ,排量为80mL/r,额定转速为2100r/min ,流量为q=112.5L/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26.3+0.5=26.8MPa ,流量为1.157.963.69/m

17、in L =,取泵的总效率0.85=,则液压泵的驱动电机所要的功率为KWq p Pp p 47.3385.06069.638.2660=,根据此数据按JB/T9619-1999,选取Y225M-6型电动机,其额定功率35P K W =,额定转速2100r/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2100/m in 60/126/m intq n V r m L r L =,大于计算所需的流量116.71L/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。表

18、7.1 液压元件的型号及规格序号 元件名称 额定压力/Pa 额定流量ml/r 型号及规格 说明1变量泵3580A7V 额定转速2100r/min 驱动电机功率为35KW2 溢流阀 调压0.532160 YF3-*-20B-C 通径20mm 3 行程阀 - - YF3-*-20B-C4三位四通换向阀28 160 WEH10G通径10mm5 单项顺序阀最大工作压力32MPa 160HCT06L1m ax 160/m inq L =(单向行程调速阀6 节流阀 - FBG-3-125-10 7单向阀开启0.15MPa最大200S20A220通径20mm8 压力继电器 2.5 HED209 调速阀 2F

19、RM10-217.3 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。 流量速度快进 压制快退输入流量L/min (8.1341.4248.80369.638.803/2111=-=-=A A q A q p 157.9q =163.69p q q =排出流量L/min (12.718.8038.1341.424/1122=A q A q (58.308.

20、8039.571.424/1122=A q A q(74.1201.42469.638.803/2112=A q A q运动速度m/min(7.1101.4248.8031069.63/(43211=-=-=-A A q vp21134/57.9100.72803.810v q A -=33124/63.6910/424101.5v q A -=表5.2 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24dqA v v =得2qd v=算得,液压缸进油路油管内径mm96.1101196.0605108.13423-=进d液压缸回油路管内径363.691020.

21、0088560d m m m-=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 m m =,内径25d m m =,回油路管的外径32D m m =,内径20d m m =。7.4油箱的容积计算容量V (单位为L计算按教材式(7-8 : PV q =,由于液压机是高压系统,11=。 所以油箱的容量 1163.69700.59P V q L=,而 700.590.8875.7L =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1:1.5:2由此可算出油箱的宽、长、高大约分

22、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0.8L 。因为推杆总行程为205mm ,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,此时油箱中的液体体积达到最小为:80028.90.8770V L=-=油min则油箱中油液的高度为:17701000/(160

23、11044H 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(1100241108l l t m m m m=+=+= 宽为:12(1600241608w w t m m m m=+=+=高为:(20044(770420049781h h m m m m m m=+=+=7.6油箱底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

24、在此选用卡套式软管接头查机械设计手册4表23.966得其连接尺寸如下表: 表7.3 单位:mm公称压力 MPa 管子内径 0d mm 0Dm in L 卡套式管接头0d 公称尺寸 极限偏差G(25 22 18.5250.105 38 227.8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(63.69 2.5/m in 159.2/m inqqL L =泵入过滤器查中国机械设计大典表42.77得,先取通用型WU 系列网式吸油中过滤器:表7.47.9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42.7178选

25、取外六角螺塞作为堵塞,详细尺寸见下表:型号通径 Mm 公称流量 /m in L过滤精度m CXL-250100 50 250 100表7.5d1dD eS L h b 1b R C重量Kg基本尺寸极限偏差12 1.25M 10.2 22 15 1300.24-4 12 3 3 1 1.0 0.0327.10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: 2263.69/m in 127.4/m inqqL 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:表7.6参数 型号 过滤注油口径 mm注油流量 L/min 空

26、气流量 L/min 油过滤面积 L/min 1H mm 2H mm 1D mm 2D mm 3D mm 四只螺钉均布 mm 空气进滤精度 mm 油过滤精度mE 2F -5032 32 265 270 154 58 66 82 96 M614 0.105125注:油过滤精度可以根据用户的要求是可调的。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57.9L/min,主要压力损失为阀件两

27、端的压降可以省略不计。快进时液压杆的速度sm A q v p /67.1108.803108.1344311=-,此时油液在进油管的速度sm Aq v p /57.460102525.0108.134623=-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020C 时421.010/m s -=,所以有34/ 4.572510/11011422320eR vd -=油液在管中的流动状态为层流,则阻力损失系数066.01142/75=,若取进油和回油的管路长均为2m ,油液的密度为3890/K g m =,则进油路上的沿程压力损失为Pav d l p

28、 52421091.457.4289010252066.02/1=-。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 rq q 和,则当通过阀的流量为q 时的阀的压力损失rq ,由2(r r qp p q =算得MPaP 354.01608.1345.02= =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min/1.718.8031.4248.1341212L A A q q =则回油

29、管路中的速度sm v/41.2102525.060101.71623=-;由此可以计算出603100.1102538.1/43=-vd R e (6032320,所以为层流; 12.075=eR ,所以 回 油 路 上 的 沿 程 压 力 损 失 为Pav d l p 248.041.228901025212.02/2422=-。由上面的计算所得求出:总的压力损失MPaP A A p p 622.0248.08.8031.424491.02112=+=+=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

30、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MPap A F p p 02.3622.08.80319252201=+=+=,所以卸荷阀的调定压力值应该取3.02MPa 为好。溢流阀的调定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MPaPa A F p 46.0101.424/1095.1442=-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

31、功率为:KWW Fv P 0048.082.4022.02190=泵的输出功率为:KWW pqP i 0133.09.1285.060/1021929943=-因此快进液压系统的发热量为:KWP P H i i 0081.00048.00129.00=-=-=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:WFv P 2.119050.023840=泵的输出功率WpqP i 6.15485.060/1010062.036=-快退时液压系统的发热量为:KWP P H i i 0354.02.1196.1540=-=-=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:KWW Fv

32、 P 103.237.23102012.019252200=泵的输出功率KWW pqP i 858.2924.2985885.060/109.57103.2636=-因此压制时液压系统的发热量为:(029.0294722.44264 6.58683i i H P P K W K W=-=-=总的发热量为KWH i799.6755.60354.00081.0=+=按教材式(112求出油液温升近似值(CT 032389.78800/10799.6=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 。油箱具体设计见附图2(油箱的装配图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 KWH799.6=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,显然系统的总发热功率H 全部