剪板机液压系统设计.docx

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剪板机液压系统设计

扬州市职业大学

毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

剪板机液压系统设计

系别：

机械工程系

专业:

机电一体化

班级:

02机电

（2）

姓名:

周金秋

学号:

指导老师:

完成时间:

2005年6月

毕业设计的目的

毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练，这对学生即将从事的有关技术工作和未来事业的开拓都有重要的意义，其主要目的是：

一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。

二、培养了学生正确使用技术资料，国家设计计策，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。

三、培养学生树立正确的设计思想的设计的构思和创新思维掌握工程设计的一般程序规范和方法。

四、培养学生进行调查研究面向实际，面向生产，而向工人和工程技术人员学习和基本工作态度，工作作风和工作方法。

五、是从理论到实际的一次结合。

第一章概述

一．摘要

本机器用于剪切厚度为1～6mm,宽度为2500mm的钢板。

被剪切板料强度以450N/mm2为准,如需剪切其它强度的板料时,应相应减薄被剪板料的厚度。

本机器采用钢板焊接结构,液压传动,氮气缸回程,电气控制.工作平稳可靠,机器体积小,重量轻,刚性好,操作方便等优点。

调整刃口间隙迅速方便,机器设有前后挡料,后挡料采用机械传动,转数器显示数值,并能作手动微调,调节方便可靠.前挡料采用标尺计数,挡块定位,另外还设有灯光照明,便于划线剪切,通过时间继电器可任意调节上刀架的行程,以提高剪切窄板料的效率。

二．课题简介

本课题来源于江苏国力锻压机床有限公司，本课题设计的对象为剪板机。

此机器用于剪切厚度为1～6mm，宽度为2500mm的钢板，被剪切板料强度以450N/mm2为准,如需剪切其它强度的板料时,应相应减薄被剪板料的厚度。

与同类产品比较，本机器采用钢板焊接结构,液压传动,氮气缸回程,电气控制.工作平稳可靠,机器体积小,重量轻,刚性好,操作方便等优点。

由于此机器设计工作量大，设计时间的限制，以及诸多因素的影响，故选其液压控制部分作为我的设计内容，它包括了：

如何完成剪切，如何压料及卸料的过程。

第二章剪板机液压系统的设计

一．机器的基本参数

主要技术规格单位大小

1剪板料强度N/mm2450

2液体最大工作压力MPa20

3被剪最大板厚mm6

4被剪最大板宽mm2500

5剪切角1°30′

6行程次数min-116

7立柱间距离mm2720

8后挡料最大距离mm600

9刀片长度mm2600

10工作台距地面高度mm800

11主电机总功率kW7.5

12后挡料电机kW0.55

13轴向柱塞泵流量Ml/r25

14机器重量kg4800

二．确定液压执行元件的形式

本系统的剪切动作由上刀架向下行程完成剪切工作。

此向下行程可采用单作用单活塞缸,为确保剪切精度与稳定性,采用两个单作用单活塞缸串联完成下压动作.两个单作用单活塞缸作为本系统的主油缸。

本系统需要具有对金属板的压紧功能,也就是本系统的压料装置。

当主油缸克服回程支承力上刀架向下行程时,压料装置及上刀架在瞬间获得顺序动作以压紧加工金属板。

同时本系统必需具备卸荷功能,当上刀架主油缸完成剪切目的至死点位置时,整个油路卸荷,同时,上刀架回程,压料装置随之复位。

三．拟定液压系统图

液压执行元件以及各回路的结构设计确定之后,就可以跟据功能需要,市场经济性合理地选用液压元器件,根据液压传动系统的五个组成部分：

（1）动力元件,

（2）执行元件,（3）控制元件,（4）辅助元件,（5）工作介质。

将设计选用的元器件有机地结合在一起,构成合理的液压系统图1,兼液压动作循环表1。

液压系统图1:

1.网式过滤器

2.轴向柱塞泵

3.直通单向阀

4.组合阀

5.压力表开关

6.压力表

7.球阀

8.电磁换向阀

9．直动型溢流阀

液压系统循环表：

电磁阀

主油缸

压料缸

+

下压

压紧

-

快退

复位

四.分析液压执行元件的主要参数

（一）.各液压缸的载向力计算

1.主油缸的载向力:

上刀架向下行程的载向力。

Fw1=R+Ffs+Fa

R—液压执行的工作负载

Ffs—垂直于上刀架的负载（因为刀架为垂直向下运动，可以不计）

Fa—惯性负载

Fa=ma

=100×20

=200N

m—运动部件的质量

Fw1=R+Fa

=630

2.压料缸的载合力:

压料缸的载合力,主要有下压力与惯性力。

Fa=ma

=75×20

=1500N

Fw2=R+Fa

=250+1.5

=251.5KN

各液压缸的外载荷力计算结果列于表2中取液压缸的机械效率为0.9,求得相应的作用活塞上的载荷力,并列于表2。

液压缸名称

工况

液压缸外载荷Fw（F）

活塞中载荷F（N）

主油缸

下压

63.2×104

70.22×104

回程

0.2×104

0.22×104

压料缸

压紧

25.15×104

32.65×104

复位

0.15×104

0.165×104

（二）.初选系统的工作压力

剪板机为中型剪板机械,初步确定系统工作压力为20Mpa。

。

（三）.计算液压缸的主要结构尺寸

1.确定主油缸的活塞及活塞杆直径

主油缸最大载荷时为下压工况,其载荷力为70.22×104N。

工作在活塞干受压状态,如图2。

F=Fw/ηm=P1A1-P2A2

式中：

A1—（π/4）D2—无杆腔活塞有效作用面积m2

A2—（π/4）（D2-d2）—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

D=

=

=0.18m

因为压制过程中回油小P2≈0

就取D=0.18m

按手册d/D=0.7，则活塞杆直径

Dn=0.7×0.18

=0.126

取d=0.5m

2.压料缸的活塞直径和活塞杆直径

D2=

=

=0.109m

取D2=0.11

D2=0.7×0.11

=0.77m

按手册d取，d=0.08m

五.选择液压元件

（一）.选择液压泵

液压泵是液压系统的动力元件,其功用是供给系统压力油,从能量观点看,它把原动机输入机械能转换为输出油液的压力能。

液压泵的工作压力：

Pp≥P1+△P1

由于本系统用一般节流阀,管路较简单故取△P1=0.5Mpa。

液压泵的流量Qp

Qp≥K（∑Qmax）

K=1.1为漏损系数

液压泵规格选择

查<<液压设计手册>>选用25MCY14—1B轴向柱塞泵。

Q=25L/min

P=31.5Mpa

（二）.电动机的功率确定

当机器上刀架下压时功率最大,按上刀架下压过程,估算电动机功率,若下压时系统进油路压力损失,液压泵总效率0.7。

则电动机功率为：

Pp=Ppqvp/η1

=（P1+∑△P1）qvn/ηp

=[（1.34+0.2）×102（4.78+10.43）10-3]/（60×0.7）

=63.8W

查电动机产品样本,选用YB2M-4型异步电动机,P=7.5Kw、n=1440r/min。

（三）.选择液压阀及相关辅助元件

根据所拟定的液压系统原理图,计算通过液压阀油液的最高压力和最大流量,选择液压元件的型号规格。

序号元件名称规格型号

1网式滤油器Q=100L/minWU-100X100-J

2直通单向阀P=31.5Mpad=20mmA-Ha20l

3组合阀自制

4压力表开关P=32Mpad=8mmKJF-L8H-S

5压力表P=25Mpad=100mmY-60

6球阀P=31.5Mpad=15mmYJ20-J15W

7电磁换向阀P=31.5Mpad=6mm24EI1-H6B-T

8直动型溢流阀P=31.5MpaDBDS6K10/31.5

（四）.确定油箱的面积容积

油箱主要功能是：

①储存液压系统工作所需的足够油液；②散发系统工作中产生的热量；③沉淀污物并逸出油中气体。

初步设计,油箱的有效容积（液面高度点油箱高度80%时,油箱容积）可按下述经验公式确定：

V=mqvp

　式中：

V—油箱的有效容积,单位为L；

Q—液压泵的液压,单位为L/min；

m—系数,单位min,值的选取:

低压系统为2～4min,中压系统为5～7min,中高压或高压大功率系统为6～12min。

对于功率较大且连续工作的液压系统,必要时还应进行平衡计算,以最后确定油箱容积。

分析设计要点如下：

⑴基本结构为了在相同的容量下得到最大的散热面积，油箱外形以立方体或长六面体为宜。

如油箱的顶盖上要安放泵和电动机（也有的置于箱旁或箱下）以及阀的集成装置等，这基本决定了箱盖的尺寸；最高油面只允许达到箱高的80%。

根据两点可决定油箱的三向尺寸。

当油箱容量较小时，可采用2.5—4mm的钢板直接焊接而成；当油箱容量较大且较高时，一般采用角钢焊成骨架后再焊上钢板。

为使油箱能够承受安装其上的物体重量、机器运转时的转矩及冲击等，油箱应有足够的刚度，顶盖要适当加厚并用螺钉通过焊杂箱体上的角钢加以固定。

顶盖可以是整体式的，也可分为几块。

泵、电动机和阀的集成装置可直接固定在顶盖上，也可固定在图示安装板上。

安装板与顶盖之间应设置减震装置，如垫上橡胶板以缓和震动。

油箱底脚高度应在150mm以上，以便散热、搬移和放油。

油箱四周要有吊耳，以便起吊装运。

⑵吸、回、泄油管的设置泵的吸油管与系统回油管应尽量远离，为了防止吸油时吸人空气和回油时油液冲入油箱搅动液面，管口都应插入油箱最低油面以下，但离箱低的距离要大于管径的2—3倍。

回油管口应截成45°斜角，以增大通流面积，并面向与回油管相距最近的箱壁以利于散热和沉淀杂物。

为防止箱底的沉淀物吸入液压泵，吸油管端部应装有足够能力的过滤器，过滤器离箱壁至少要有3倍管径的距离，距箱底不应小于20mm，以便四面进油。

⑶隔板的设置设置隔板的目的是将油箱内吸油区与回油区分开，以增大油液循环的路程，减缓油液循环的速度，便于分离回油带来的空气和污物，提高散热效果，一般设置一个隔板，高度最好为液面高度的3/4。

⑷加油口与空气过滤器的设置加油口一般设置在油箱顶部容易接近处，加油口应带有过滤网，平时加盖封闭。

空气过滤器的作用：

使油箱始终与大气相通，保证泵的自吸能力，滤除空气中的灰尘杂物。

目前生产的空气过滤器同时兼有吸油和通气的作用，是标准件，可按需选用。

⑸液位计的设置液位计用于监测油面高度，故其窗口尺寸应能满足对最高与最低液位的观察，并应安装在易于观察的地方。

液位计也是标准键，也可按需选用。

⑹放油口与清洗窗的设置图中油箱底面作成双斜面，也可作成向回油侧倾斜的单斜面，在最底处设放油口，平时用螺栓或放油阀堵住，换油时将其打开放走油污，换油时为便于泵清洗油箱，大容量的油箱侧壁设清洗窗，其位安排应便于吸油过滤器的装拆。

清洗窗口平时用侧版密封，清洗时再取下。

⑺防污密封油箱盖板和窗口连接处均需加密封垫，各进、出油管通过的孔均需装密封圈，以防止外部污物的入侵。

⑻油温控制油箱正常工作温度应在15～65℃之间，必要时应设温度计和热交换器。

⑼油箱内壁加工新油箱经喷丸、酸洗和表面清洗后，四壁可涂一层与工作液相容的塑料薄膜或耐油清漆。

V=mqvp

=52×5L

=125L

油箱见图：

图3

1．吸油箱

2．网式滤油器

3.滤油网

4.通气孔

5.回油管

6.顶盖

7.油面指示器

8.隔板

9放油塞

（1）油箱的容积

上面计算出油箱的有效容积为125—175L，因为此剪板机对油箱没有特殊要求，因此可设计成长方体，长宽高分别为：

油箱壁厚为5，材料为普通碳钢

（2）进油管滤油器的选用

因此50机器为普通液压系统，采用回式滤油器，选用WV—40×180

（3）空气滤油器的选用

此机器对空气、油质要求不高选用一般空气滤油器，这儿选用：

KGQ型空气滤油器。

图3：

六.液压系统性能验算

由于本液压系统比较简单,压力损失验算可以从略。

又由于系统采用轴向柱塞泵供油,它依靠缸体内往复运动使密封工作容积变化来实现吸油的,其具有配合精度高,密封性能好的优点,加上柱塞泵主要零件处于受压状态,使材料强度性能得到充分利用,故柱塞泵常做成高压泵.同时油箱容量可以取较大值,系统发热温升不大,故不必进行温升验算。

七．液压传动的优缺点及应用

（一）液压传动的优缺点

液压传动与其它传动方式相比较，有如下主要优点：

1．液压传动能方便地实现无级调速，调速范围大。

2．在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量轻。

3．工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。

4．便于实现过载保护，而且工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命较长。

5．操纵简单，便于实现自动化。

特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动化工作循环。

6．液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。

液压传动的主要缺点：

1．液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使传动无法保证严格的传动比。

2．液压传动有较多的的能量损失（泄漏损失、摩擦损失），故传动效率不高，不宜作远距离传动。

3．液压传动对油温的变化比较敏感，不宜在很高或很低的温度下工作。

4．液压传动出现故障是不易找出原因。

总的来说，液压传动的优点是十分突出的，它的缺点将随着科学技术的发展而逐渐得到克服。

（二）液压传动的应用和发展

液压传动相对机械传动来说，是一门新的技术。

如果从1795年世界上第一台水压机的诞生算起，液压传动已有200年的历史。

然而，液压传动的真正推广使用却是近50多年的事。

特别是本世纪60年代以后，随着原子能科学、空间技术、计算机技术的发展，液压技术也得到很大发展，渗透到国民经济的各个领域之中，在工程机械冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空和机床工业中，液压技术得到了普通的应用。

当前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪音、低耗能、经久耐用、高度集成化等方向发展；同时，新型液压元件的应用，液压系统的计算机辅助设计，计算机仿真和优化、微机控制等工作，也日益取得显着的成果。

我国的液压工业开始于本世纪50年代，其产品最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械。

自1964年开始从国外引进液压元件生产技术，同时自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。

目前。

我国机械工业正认真消化，推广从国外引进的先进液压技术的同时，大力研制开发国产液压件新产品（如中高压齿轮泵、比例阀及新系列中高压阀等），加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准和执行新的国家标准，合理调整产品结构，对一些性能差的不符国家标准的液压件产品（如中低压阀等）采取逐步淘汰的措施。

可以看出，液压传动技术在我国的应用与发展已经进入了一个崭新的历史阶段。

第三章控制液压系统工作的电气设计

一.课题概述和设计要求

本机器液压系统中控制油泵电机的启动和停止是依靠电气系统完成,且具有对上刀架行程的控制.同时装置于上刀架上的后挡料机构,随上刀架作上下摆动,后挡料调节由电机驱动,经齿轮减速后由丝杆.即可达到挡料板向前后调节.（这是机器设计过程中以理定好的）.

对电气控制的要求:

（1）.由于机器上刀架动作比较简单,只需配备一台油泵电机,直接控制启动与停止；

（2）.后挡料机构具有尺寸调节功能,需配备正反转运动电动机；

（3）.供给电磁换向阀和计数继电器,需由整流变压器,经整流获得24V；

（4）.需要一套局部照明装置以及一定工作状态指示灯。

二．设计理念

在设计机床电气控制系统时，主要涉及以下几点。

首先，要满足机床的主要性能，即机械传动、液压系统的工作要求以及对电气控制系统的要求。

机车的电气传动方案要根据机床的调速指标及对制动和正反向要求来确定。

其次，电动机的功率应能满足机床的要求。

一般在机车机械设计时，给出电动机的功率。

最后设计出电气控制线路，即电气原理图。

机床电气原理图包含机床电气控制线路图和电气元器件目录表，它的设计是机床电气系统设计的中心环节，而电气控制控制线路的设计又是这一环节的核心内容。

在总体方案确定之后的具体设计是电气原理图开始的，各项设计要求和指标主要是通过电气原理图来实现的，同时，它又是工艺设计和编制各种技术资料的依据。

（一）电气原理图设计的基本方法

电气原理图的设计是在拖动方案及控制方式确定之后进行的。

在具体的设计中我们应熟悉运用两种基本方法：

1．经验设计

2．逻辑设计

（二）电气原理图设计的注意点：

有时候，设计出来的实际线路会出现不正确不合理不经济等现象，因此在设计过程中，应注意：

1．避免“临界竞争和冒险现象”的产生。

2．尽量减少电器元件触点的数量。

3．合理安排电器元件触点的位置。

4．尽量减少电气线路的电源种类电源有交流和直流两大类，接触器和继电器等也有交流直流两类，要尽量采用一种电源。

电压等级应符合标准等级，如交流一般为：

380、220、127、110、36、24、6.3V。

直流为：

12、24、48V。

5．尽量减少电器元件的品种、规格、数量和触点数量同一用途的电器元件，尽可能选用同一型号规格的。

实现同一控制功能的电路可以有多个，电器元件和触点用得最少的电路最优。

6．尽可能减少通电器数量例如，时间继电器在完成延时控制功能以后，就应断电，以利节能和延长寿命。

三．电动机的选择

根据课题概述个设计要求,可知需配合二台电动机,油泵电机,设为M1,后档料电机,设为M2.电动机的选用在机械设计中确定。

（1）.油泵电机,选定为：

Y132M—4,（7.5kW、380V、15.4A、1440r/min）；

（2）.后挡料电机,选定为：

y80M2—6,（0.55kW、380V、1.6A、910r/min）。

四.电气控制线路图的设计

1.主油路的设计：

（1）.主电机（油泵电机）：

M1的功率为7.5kW,直接控制油泵启动和停止,所以M1采用单向直接启动控制方式,用交流接触器KM1进行控制,电机运行利用自保持环节,保持电机工作稳定。

同时它的短路保护可由机器的前一级配电箱的熔断器充任。

（2）.后挡料电机：

在生产过程中,往往要求电动机能实现正反两个方向转动,由三相异步电动机的工作原理可知,只要将电动机接到三相电源中任意两根连线对调,即可使电动机反转.因此用交流接触器,KM2,KM3实现此功能。

2.控制电源设计：

考虑到安全可靠和满足照明及指示灯要求,采用控制变压器TC1,其一次侧为交流380V,二次侧为交流220V,其中供给电磁换相阀和计数继电器,采用TC2、VC,硅整流装置,一次侧为交流380V,二次侧为直流24V。

3.控制电路设计：

（1）.主电机M1的控制：

按下按钮开关SB3,油泵电机启动,指示灯HL2亮,表示油泵电机工作。

按下按钮SB2,油泵停止工作.转动旋转开关SA3,选择剪切规范,转动SA3,到[↑↓]位置时,为“一次行程”。

转动SA3到[↓↑↓]的位置为“连续行程”，SA3在一次行程位置时,脚踏一下脚踏开关SF,机床的上刀架向下剪切,松开SF,上刀架停止向下,并立即回升到死点。

再次剪切必须再次踏下SF,必须注意:

板料没有被全部剪断时,不能松开脚踏开关SF,以防止板料剪坏.当SA3在“连续行程”位置时，踩下脚踏开关SF剪切（但踏下的时间不能过长,否则成了一次剪切）,再踏下SF连续剪切就停止。

（2）.后挡料电机M2的控制：

两个接触器常闭触点KM2、KM3起互锁作用,即当一个接触器通电时,其常闭触点断开,使另一个接触器不能通电,这样不会引起电机短路.开启钥匙按钮SA1,接通控制电源.按动后挡料调节按钮SB4和SB5,使后挡料开距增大或减小到所需要的尺寸,后挡料的具体尺寸由操作台下方计数器显示,后挡料开距最大和最小尺寸限位处,装有行程开关[SQ4、SQ5],限制挡料的最大开距600mm，和最小开距20mm。

（3）.本机床还具有剪切长度调节,剪切次数计数和对线等机构。

旋到时间继电器KT1旋钮,即可调节剪切长度.转动旋转开关SA5于“1”位置，既可进行剪切计数，转到“0”位时不计数，剪切次数整定值可计数器整定，当剪切次数达到整定值时，机床便停止剪切。

须重新工作时，按一下计数器复位按钮，机床便再次定值剪切。

机床处于“连续行程”或“单次行程”都可进行计数剪切。

但必须注意：

处于“连续行程”规范时，按一下复位按钮，机床立即会按原有整定数值剪切（不需踏脚开关）。

所以如不需连续剪切时，在复位前先将SA3转至“单次行程”位置。

4.局部照明信号指示电路的设计：

设置信号指示灯HL1、HL2;对线灯ED1、ED2。

HL1为白色圆罩灯，电源开关QF1、QF2接通后，立即发光显示，表示机床电气线路已处于供电状态。

HL2（红色）指示灯，表示主电机M1是否运行，灯亮（发红光）表示电机工作，反之停止转动。

ED1，ED2，对线日光灯，220V，40W矩形铁壳。

五．电气元件的选择

电动机的选择，实际上是机电设计密切配合并进行实际实验情况下定型的。

现在我们来进行其它电气元件的选择。

1．电源开关的选择：

电源开关QF1、QF2的选择主要考虑电动机M1、M2的额定电流和起动电流，而在控制变压器TC1二次侧的接触器及继电器线圈，显示灯在TC1一次侧产生的电流相对来说较小因而不作考虑，已知，M1、M2的额定电流分别为15.4A、1.6A，根据M1与M2的额定电流，可选择电源开关分别为20A、10A左右。

具体：

QF1为：

自动断路器，D215—40/3902型，后挡料及控制保护。

QF2为：

自动断路器，D247—63/3P型，Ie=10V,电源总开关。

2．接触器的选择：

KM1，交流接触器，B25—30—10型，AC220V；

KM2、KM3，交流接触器，B9—30—01型，AC220V；

KA1、KA2，中间继电器，J2C1—22型，AC220V；

KA3，中间继电器，J2C1—44型，AC220V；

KT1，时间继电器，H3BA—8型，AC220V，5S。

3．熔断器的选择

熔断器对控制电路进行短路保护作用，它串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不会损坏。

根据本机器电气系统合理选用熔断器：

FU1，HG30—32，配熔芯，Ifu=2A,控制电路保护作用；

FU2，HG30—32，配熔芯，Ifu=1A,整流电路保护作用；

FU3，HG30—32，配熔芯，Ifu=6A,保护开关。

4．按钮的选择

控制急停SB1，蘑菇头自锁按钮LAY3—112S/1，红色；

油泵停止SB2，后挡料SB4、SB5，普通按钮，LAY3—11/AC220V，分别为红、墨、绿色；

油泵启动SB3，带灯按钮，LAY3—11DN/AC220V，绿色圆罩带金