板料折弯机液压系统设计

江苏师范大学液压与气压传动课程设计说明书题目：板料折弯机液压系统设计学生姓名：学号：所在院(系)：海洋港口学院专业：机械设计制造及其自动化班级：12级机械班指导教师：赵刚职称：副教授目录1任务分析……………11.1技术要求…………………11.2任务分析…………………12方案确实定………………………32.1运动情况分析………………3变压式节流调速回路…………………3容积调速回路…………33负载与运动分析…………………44负载图和速度图的绘制…………55液压缸主要参数确实定……………66统液压图的拟定………………………97压元件的选择…………………117.1液压泵的选择…………127.2阀类元件及辅助元件………127.3油管元件………………137.4油箱的容积计算………………………147.5油箱的长宽高确……………147.6油箱地面倾斜度……………157.7吸油管和过滤器之间管接头的选择………157.8过滤器的选取………………157.9堵塞的选取…………………167.10空气过滤器的选取………167.11液位/温度计的选取………178液压系统性能的运算………188.1压力损失和调定压力确实定……………18沿程压力损失…………18局部压力损失…………18压力阀的调定值计算…………………198.2油液温升的计算……………19快进时液压系统的发热量……………20快退时液压缸的发热量………………20压制时液压缸的发热量………………208.3油箱的设计…………………21系统发热量的计算……………………21散热量的计算………219设计小结………………………2210参考文献…………231任务分析1.1技术要求设计制造一台板料折弯机，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127400N滑块重量1.5t=快速空载下降行程180mm速度0.4cm/s慢速下压〔折弯〕行程20mm速度0.00016m/s快速回程行程200mm速度0.0008m/s启动制动时间Δt0.2s1.2任务分析根据滑块重量为，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。折弯机滑块上下为直线往复运动，且行程较小〔200mm〕,故可选单杆液压缸作执行器,且液压缸的机械效率。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。由于折弯机压力比拟大，所以此时进油腔的压力比拟大，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。当卸压到一杆液压缸作执行器,且液压缸的机械效率。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。由于折弯机压力比拟大，所以此时进油腔的压力比拟大，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。2方案确实定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。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，变载下的运动平稳性都比拟差，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拟小，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。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拟，泵缸开式容积调速回路和变压式节流调回路相比拟，其速度刚性和承载能力都比拟好，调速范围也比拟宽工作效率更高，发热却是最小的。考虑到最大折弯力为127400N，应选泵缸开式容积调速回路。3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：快速空载下降→慢速下压(折弯)→快速回程→停止。主要性能参数与性能要求如下：折弯力；板料折弯机的滑块重量N；快速空载下降速度，工作下压速度，快速回程速度，板料折弯机快速空载下降行程，板料折弯机工作下压行程，板料折弯机快速回程：；启动制动时间，以单活塞杆液压作为执行元件，采用V型密封圈，其机械效率。由式可得：式中—工作部件总质量—快进或快退速度—运动的加速、减速时间 惯性力再求得阻力负载静摩擦阻力动摩擦阻力表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F/起动F=F29403231加速F=F+F47645235快进F=F17641938工进F=F+F129164141938快退F=F176419384负载图和速度图的绘制负载图按上面数据绘制，如下列图a)所示。速度图按己知数值,,,,,快速回程。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液压缸主要参数确实定所设计的动力滑台在工进时负载最大，在其它工况负载都不太高，参考表2和表3，初选液压缸的工作压力。将液压缸的无杆腔作为主工作腔，考虑到缸下行时，滑块自重采用液压方式平衡，那么可计算出液压缸无杆腔的有效面积，取液压缸的机械效率ηcm=0.91。鉴于动力滑台快进和快退速度相等，这里的液压缸可选用单活塞杆式差动液压缸〔A1=2A2〕，快进时液压缸差动连接。工进时为防止孔钻通时负载突然消失发生前冲现象，液压缸的回油腔应有背压，参考表4选此背压为p2=0.6MPa。表2按负载选择工作压力负载/KN<55-1010-2020-3030-50>50工作压力/MPa<0.8-11.5-22.5-33-44-5≥5表3各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.8-23-52-88-1010-1820-32表4执行元件背压力系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.2-0.5回油路带调速阀的系统0.4-0.6回油路设置有背压阀的系统0.5-1.5用补油泵的闭式回路0.8-1.5回油路较复杂的工程机械1.2-3回油路较短且直接回油可忽略不计表5按工作压力选取d/D工作压力/MPa≤5.05.0-7.0≥7.0d/D0.5-0.550.62-0.700.7表6按速比要求确定d/DV1/V21.151.251.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.71注：V1—无杆腔进油时活塞运动速度；V2—有杆腔进油时活塞运动速度。由式得：那么活塞直径为16.35cm。参考表5及表6，得，根据表7、表8圆整后取标准数值得D=180mm,d=125mm。表7液压缸内径尺寸系列(mm)810121620253240506380〔90〕100〔110〕125〔140〕160〔180〕200〔220〕250320400500表8活塞杆直径系列(mm)456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400由此求得液压缸两腔的实际有效面积为:无杆腔面积：有杆腔面积：根据计算出的液压缸的尺寸，可估算出液压缸在工作循环中各阶段的压力、流量和功率，如表9所列，由此绘制的液压缸工况图如图2所示。表9液压缸在各阶段的压力、流量和功率值工况推力F0/N回油腔压力p2/MPa进油腔压力p1/MPa输入流量q×/m3/s输入功率P/KW计算公式快进启动3231—0.80——加速5235p1+Δp0.96——恒速1938p1+Δp0.694.910.034工进1419380.65.890.410.024快退启动2178—1.4——加速16440.51.56——恒速10890.51.300.014注:1.Δp为液压缸差动连接时，回油口到进油口之间的压力损失，取Δp=0.5MPa。2．快退时，液压缸有杆腔进油，压力为p1，无杆腔回油，压力为p2。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，设置一个压力继电器，利用压力继电器控制最大压力，当压力到达调定压力时，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列图：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，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。所以泵的最高工作压力。液压泵的最大供油量按液压缸最大输入流量〔〕计算，取泄漏系数K=1.1,那么。根据以上计算结果查阅《机械设计手册》表，选用规格为YB-B60B型叶片泵，其额定压力P=7MPa，排量为61mL/r,额定转速为1000r/min，流量为q=53.9L/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6.39MPa，流量为3.24L/min,取泵的总效率，那么液压泵的驱动电机所要的功率为。表10液压泵的总效率液压泵的类型齿轮泵叶片泵柱塞泵螺杆泵总效率根据此数据按JB/T9619-1999，选取Y100L2-4型电动机，其额定功率，额定转速1430r/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，大于计算所需的流量3.24L/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11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761YB-B60B额定转速1000r/min驱动电机功率为3KW2溢流阀调压0.5-712C175通径20mm3行程阀--YF3-*-20B-C4三位四通换向阀2880WEH10G通径10mm5单项顺序阀最大工作压力32MPa160HCT06L1(单向行程调速阀)6节流阀--FBG-3-125-107单向阀开启0.15MPa最大200S20A220通径20mm8压力继电器2．5HED209调速阀2FRM10-217.3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、出油管那么按输入、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,与设计要求相近，这说明所选液压泵的型号，规格是适宜的。表12液压缸在各个阶段的进出流量流量速度快进压制快退输入流量L/min=6.72排出流量L/min10.840.421.53运动速度m/min3.80.0110.065由表12可以看出，液压缸在各阶段的实际运动速度符合设计要求。表13允许流速推荐值管道推荐流速/(m/s)吸油管道0.5～1.5，一般取1以下压油管道3～6，压力高，管道短，粘度小取大值回油管道1.5～3由表12中数值可知，当油液在压力管中速度取5m/s时，按教材公式算得，液压缸进油路油管内径；液压缸回油路管内径；这两根油管都按GB/T2351-2005选用外径φ10mm、内径φ5mm的无缝钢管。7.4油箱的容积计算容量(单位为L)计算按教材式(7-8):，由于液压机是高压系统，。所以油箱的容量，而按JB/T7938-1999规定容积取标准值.表14油箱容量JB/T7938-1999(L)46.310254063100160250315400500630800100012501600200031504000500063007.5油箱的长宽高确定因为油箱的宽、高、长的比例范围是1：1~2：2~3，此处选择比例是1：1.5：2由此可算出油箱的宽、长、高大约分别是146.7mm,220mm,293.4mm。并选择开式油箱中的别离式油箱设计。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。由于系统比拟简单，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225mm，选取缸的内腔长度为350mm。忽略推杆所占的体积，那么液压缸的体积为当液压缸中油液注满时，此时油箱中的液体体积到达最小为：那么油箱中油液的高度为：=115.5mm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20cm,并选用两块隔板。此别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100mm。故可知，油箱的总长总宽总高为：长为：宽为：高为：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：`7.7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》得其连接尺寸如下表：表15单位：mm公称压力MPa管子内径mm卡套式管接头公称尺寸极限偏差G(25)12.510140.09032127.8过滤器的选取取过滤器的流量至少是泵流量的两倍的原那么，取过滤器的流量为泵流量的2.5倍。故有：查《机械设计手册》表23.8—16得，先取通用型WU系列网式吸油中过滤器：表16型号通径Mm公称流量过滤精度WU-160180401601807.9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《机械设计手册》选取外六角螺塞作为堵塞，详细尺寸见下表：表17dDeSLhbRC重量Kg根本尺寸极限偏差10.22215134123311.00.0327.10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3倍的原那么，即：选用EF系列液压空气过滤器，参照《机械设计手册》得，将其主要参数列于下表：表18参数型号过滤注油口径mm注油流量L/min空气流量L/min油过滤面积L/minmmmmmmmmmm四只螺钉均布mm空气进滤精度mm油过滤精度mE-50259662707945395163M4100.279125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》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确实定由上述计算可知，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，此时油液在进油管的速度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，所以有，油液在管中的流动状态为层流，那么阻力损失系数，假设取进油和回油的管路长均为2m，油液的密度为，那么进油路上的沿程压力损失为。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那么与通过阀的流量大小有关，假设阀的额定流量和额定压力损失分别为，那么当通过阀的流量为q时的阀的压力损失，由算得小于原估算值0.5MPa,所以是平安的。同理快进时回油路上的流量那么回油管路中的速度；由此可以计算出〔183.6<2320,所以为层流〕;,所以回油路上的沿程压力损失为。由上面的计算所得求出：总的压力损失这与估算值有差异，应该计算出结果来确定系统中的压力阀的调定值。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，那么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，所以卸荷阀的调定压力值应该取4.25MPa为好。溢流阀的调定压力值应大于卸荷阀的调定压力值0.3~0.5MPa，所以取溢流阀的调定压力值为4.5MPa。背压阀的调定压力以平衡板料折变机的自重，即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。快进时液压系统的发热量快进时液压缸的有效功率为：泵的输出功率为：因此快进液压系统的发热量为：快