小型液压机课程设计.doc
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前言300
液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，自19世纪问世以来发展很快，液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。
由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。
作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。
良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。
在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。
特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。
近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。
逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从70年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。
我国从1970年开始对这种阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的优越性。
液压机工艺用途广泛，适用于弯曲、翻边、拉伸、成型和冷挤压等冲压工艺，压力机是一种用静压来加工产品。
适用于金属粉末制品的压制成型工艺和非金属材料，如塑料、玻璃钢、绝缘材料和磨料制品的压制成型工艺，也可适用于校正和压装等工艺。
由于需要进行多种工艺，液压机具有如下的特点：
工作台较大，滑块行程较长，以满足多种工艺的要求；
有顶出装置，以便于顶出工件；
液压机具有点动、手动和半自动等工作方式，操作方便；
液压机具有保压、延时和自动回程的功能，并能进行定压成型和定程成型的操作，特别适合于金属粉末和非金属粉末的压制；
液压机的工作压力、压制速度和行程范围可随意调节，灵活性大。
设计题目------------------------------------------------------1
技术参数和设计要求---------------------------------------1
工况分析------------------------------------------------------1
拟定液压系统原理------------------------------------------2
确定液压缸主要参数---------------------------------------5
液压元件选择------------------------------------------------7
液压缸结构设计---------------------------------------------12
总结--------------------------------------------------------------------17
参考文献--------------------------------------------------------------18
设计题目
小型液压机液压设计
技术参数和设计要求
设计一台小型液压压力机的液压系统，要求实现快速空程下行、慢速加压、保压、快速回程、停止的工作循环，快速往返速度为3m/min，加压速度为40~250mm/min，压制力为200000N，运动部件总重力为20000N，工作行程300mm，油缸垂直安装，设计该压力机的液压传动系统。
工况分析
首先根据已知条件绘制运动部件的速度循环图。
L（mm）
V（m/min）
260
300
-3
3
图3-1
计算各阶段的外负载并绘制负载图
1、工件的压制力即为工件的负载力：
F t=20000N
2、摩擦负载静摩擦系数取，动摩擦系数取则
静摩擦阻力Ffs=*20000=4000N
动摩擦阻力Ffd=*20000=2000N
3、惯性负载Fm=m（△v/△t）
△t为加速或减速的时间一般△t=~，在这里取△t=
Fm=（20000*3）/（**60）=510N
自重G=20000N
液压缸在各工作阶段的外负载
工作循环
外负载F（N）
启动
F=G+Ffs
24000N
加速
F=G+Fm+Ffd
22510N
快进
F=G+Ffd
22000N
共进
F=G+Ft+Ffd
222000N
快退
F=G-Ffd
18000N
负载循环图如下
L（mm）
F（N）
24000
22510
22000
222000
300
18000
图3-2
拟定液压系统原理
确定供油方式
考虑到该机床在工作进给时需要承受较大的工作压力，系统功率也较大，现采用轴向柱塞泵63SCY14－1B，具有将32MPa压力的纯净液压油输入到各种油压机、液动机等液压系统中，以生产巨大的工作动力，该柱塞泵结构紧凑，效率高，工作压力高，流量调节方便。
自动补油保压回路的设计
保压回路的功用是使系统在液压缸不动或因工件变形而产生微小位移的工况下能保持稳定不变的压力。
考虑到设计要求，保压时间要达到5s，压力稳定性好。
选用液控单向阀保压回路，则保压时间较长，压力稳定性高，选用M型三位四通换向阀，利用其中位滑阀机能，使液压缸两腔封闭，系统不卸荷。
设计了自动补油回路，且保压时间由电气元件时间继电器控制。
此回路完全适合于保压性能较高的高压系统，如液压机等。
自动补油的保压回路系统图的工作原理：
按下起动按纽，电磁铁1YA通电，电磁换向阀6右位接入系统，油液一部分压力油通过节流调速阀8进入主缸上腔；另一部分油液将液控单向阀7打开，使主缸下腔回油，主缸活塞带动上滑块快速下行，主缸上腔压力降低，其顶部充液箱的油经液控单向阀14向主缸上腔补油。
当主缸活塞带动上滑块接触到被压制工件时，主缸上腔压力升高，液控单向阀14关闭，充液箱不再向主缸上腔供油，且液压泵流量自动减少，滑块下移速度降低，慢速加压工作。
当主缸上腔油压升高到压力继电器11的动作压力时，压力继电器发出信号，使电磁阀1YA断电，换向阀6切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由换向阀M型中位机能保压。
同时压力继电器还向时间继电器发出信号，使时间继电器开始延时。
保压时间由时间继电器在0-24min调节。
释压回路的设计
释压回路的功用在于使高压大容量液压缸中储存的能量缓缓的释放，以免它突然释放时产生很大的液压冲击。
一般液压缸直径大于25mm、压力高于7Mpa时，其油腔在排油前就先须释压。
根据生产实际的需要，选择用节流阀的释压回路。
其工作原理：
当保压延时结束后，时间继电器发出信号，使电磁阀6YA通电，二位二通电磁换向阀10处于下位，从而使主缸上腔压力油液通过节流阀9，电磁阀10，与油箱连通，从而使主缸上腔油卸压，释压快慢由节流阀调节。
图4-1：
液压系统原理拟定图
当此腔压力降至压力继电器的调定压力时，换向阀6切换至左位，液控单向阀7打开，使液压缸上腔的油通过三位四通电磁阀6，二位二通电磁阀5，和顺序阀4排到液压缸顶部的充液箱13中去，此时主缸快速退回。
使用这种释压回路无法在释压前完全保压，释压前有保压要求时的换向阀也可用Y型，并且配有其它的元件。
机器在工作的时候，如果出现机器被以外的杂物或工件卡死，这是泵工作的时候，输出的压力油随着工作的时间而增大，而无法使液压油到达液压缸中，为了保护液压泵及液压元件的安全，在泵出油处加一个直动式溢流阀1，起安全阀的作用，当泵的压力达到溢流阀的导通压力时，溢流阀打开，液压油流回油箱，起到安全保护作用。
在液压系统中，一般都用溢流阀接在液压泵附近，同时也可以增加液压系统的平稳性，提高加工零件的精度。
液压系统图的总体设计
图4-2：
液压系统总体设计图
主缸运动工作循环
（1）快速下行。
按下起动按钮，电磁铁1YA通电。
这时的油路进油路为：
变量泵1→换向阀6右位→节流阀8→压力继电器11和液压缸15上腔
回油路为：
液压缸下腔15→已打开的液控单向阀7→换向阀6右位→电磁阀5→背压阀4→油箱
油路分析：
变量泵1的液压油经过换向阀6的右位，液压油分两条油路：
一条油路通过节流阀7流经继电器11，另一条路直接流向液压缸的上腔和压力表。
使液压缸的上腔加压。
液压缸15下腔通过液控单向阀7经过换向阀6的右位流经背压阀，再流到油箱。
因为这是背压阀产生的背压使接副油箱旁边的液控单向阀7打开，使副油箱13的液压油经过副油箱旁边的液控单向阀14给液压缸15上腔补油。
使液压缸快速下行，另外背压阀接在系统回油路上，造成一定的回油阻力，以改善执行元件的运动平稳性。
（2）保压时的油路情况：
油路分析：
当上腔快速下降到一定的时候，压力继电器11发出信号，使换向阀6的电磁铁1YA断电，换向阀回到中位，液压系统保压。
而液压泵1在中位时，直接通过背压阀直接回到油箱。
（3）回程时的油路情况：
液压缸下腔回油路为：
变量泵1→换向阀6左位→液控单向阀7→液压油箱15的下腔
液压缸上腔回油路为：
液压腔的上腔→液控单向阀14→副油箱13
液压腔的上腔→节流阀8→换向阀6左位→电磁阀5→背压阀4→油箱
油路分析：
当保压到一定时候，时间继电器发出信号，使换向阀6的电磁铁2YA通电，换向阀接到左位，变量泵1的液压油通过换向阀旁边的液控单向阀流到液压缸的下腔，而同时液压缸上腔的液压油通过节流阀9（电磁铁6YA接通），上腔油通过换向阀10接到油箱，实现释压，另外一部分油通过主油路的节流阀流到换向阀6，再通过电磁阀19，背压阀11流回油箱。
实现释压。
顶出缸运动工作循环
（1）向上顶出当电磁铁4YA通电，5YA失电，三位四通换向阀6处于中位时，此时顶出缸的进油路为：
液压泵→换向阀19左位→单向节流阀18→下液压缸下腔
顶出缸的回油路为：
下液压缸上腔→换向阀19左位→油箱
（2）停留当下滑块上移动到其活塞碰到顶盖时，便可停留在这个位置上。
（3）向下退回当停留结束时，即操作员取下工件时，启动开关，使电磁阀3YA通电（4YA断电），阀19换为右位。
压力油进入顶出缸上腔，其下腔回油，下滑块下移。
进油路：
液压泵→换向阀19右位→单向节流阀17→下液压缸上腔
回油路：
下液压缸下腔换向→阀19右位→油箱
（4）原位停止当下滑块退到原位时，是在电磁铁3YA，4YA都断电，换向阀19处于中位时得到的。
确定液压缸主要参数
按液压机床类型初选液压缸的工作压力为25Mpa,根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。
快进时采用差动连接，并通过充液补油法来实现，这种情况下液压缸无杆腔工作面积应为有杆腔工作面积的6倍，即活塞杆直径与缸筒直径满足的关系。
快进时，液压缸回油路上必须具有背压,防止上压板由于自重而自动下滑，根据《液压系统设计简明手册》表2-2中，可取=1Mpa，快进时，液压缸是做差动连接，但由于油管中有压降存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估计时可取,快退时，回油腔是有背压的，这时亦按2Mpa来估算。
以单活塞杆液压缸为例来说明其计算过程。
图4-3：
单活塞杆液压缸计算示意图
——液压缸工作腔的压力Pa
——液压缸回油腔的压力Pa
故：
A1=（F/ηm）/（P1-P2/6）=*10 5*/[（25-2/6）**106]=
D=（4*A1/π）=
d=（5/6）=（5/6）*=
当按GB/T2348-93将这些直径圆整成进标准值时得：
D=400mm，d=360mm。
由此求得液压缸面积的实际有效面积为：
A1=πD2/4=
A2=π（D2-d2）/4=
液压缸实际所需流量计算
①工作快速空程时所需流量
液压缸的容积效率，取
Q1=*3/=393（L/min）
②工作缸压制时所需流量
Q2=（A1*V2）/ηcv=*=5（L/min）
③工作缸回程时所需流量
Q3=（A2*V3）/ηcv=*3/=393（L/min）
液压元件的选择
确定液压泵规格和驱动电机功率
由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为（含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为
上述计算所得的是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力应满足：
液压泵的最大流量应为：
式中液压泵的最大流量
同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量。
系统泄漏系数，一般取，现取。
qp=KL（∑q）max+∑△q=*（393+）=min
1．选择液压泵的规格
由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。
大流量。
所以选轴向柱塞变量泵。
柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：
1）工作压力高。
因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（），最高可以达到。
2）流量范围较大。
因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。
3）改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。
4）柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。
但柱塞式变量泵的结构复杂。
材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。
根据以上算得的和在查阅相关手册《机械设计手册》成大先P20-195得：
现选用，排量63ml/r，额定压力32Mpa，额定转速1500r/min，驱动功率，容积效率，重量71kg，容积效率达92%。
2．与液压泵匹配的电动机的选定
由前面得知，本液压系统最大功率出现在工作缸压制阶段，这时液压泵的供油压力值为26Mpa，流量为已选定泵的流量值。
液压泵的总效率。
柱塞泵为，取。
选用1000r/min的电动机，则驱动电机功率为：
选择电动机，其额定功率为。
阀类元件及辅助元件的选择
1.对液压阀的基本要求：
（1）.动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。
油液流过时压力损失小。
（2）.密封性能好。
结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大
2.根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件型号和规格
主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格：
表：
小型压力机液压系统中控制阀和部分辅助元件的型号规格
序号
元件名称
估计通过流量
型号
规格
1
斜盘式柱塞泵
63SCY14－1B
32Mpa，驱动功率
2
WU网式滤油器
160
WU-160*180
40通径，压力损失
3
直动式溢流阀
120
DBT1/315G24
10通径，32Mpa，板式联接
4
背压阀
80
YF3-10B
10通径，21Mpa，板式联接
5
二位二通手动电磁阀
80
22EF3-E10B
6
三位四通电磁阀
100
34DO-B10H-T
10通径，压力
7
液控单向阀
80
YAF3-E610B
32通径，32MPa
8
节流阀
80
QFF3-E10B
10通径，16MPa
9
节流阀
80
QFF3-E10B
10通径，16MPa
10
二位二通电磁阀
30
22EF3B-E10B
6通径，压力20MPa
11
压力继电器
－
DP1-63B
8通径，MPa
12
压力表开关
－
KFL8－30E
32Mpa，6测点
13
油箱
14
液控单向阀
YAF3-E610B
32通径，32MPa
15
上液压缸
16
下液压缸
17
单向节流阀
48
ALF3－E10B
10通径，16MPa
18
单向单向阀
48
ALF3－E10B
10通径，16MPa
19
三位四通电磁换向阀
25
34DO-B10H-T
20
减压阀
40
JF3-10B
管道尺寸的确定
油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。
本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P=，钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。
本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。
尼龙管用在低压系统；塑料管一般用在回油管用。
胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。
胶管分高、低压两种。
高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。
低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。
由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。
1.管接头的选用：
管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。
管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：
焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。
管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。
锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。
2.管道内径计算：
（1）
式中Q——通过管道内的流量
v——管内允许流速，见表：
表：
液压系统各管道流速推荐值
油液流经的管道
推荐流速m/s
液压泵吸油管
～
液压系统压油管道
3～6，压力高，管道短粘度小取大值
液压系统回油管道
～
（1）.液压泵压油管道的内径：
取v=4m/s
根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：
取d=20mm,钢管的外径D=28mm;
管接头联接螺纹M27×2。
（2）.液压泵回油管道的内径：
取v=s
d=19mm
根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：
取d=25mm,钢管的外径D=34mm;
管接头联接螺纹M33×2。
3.管道壁厚的计算
式中：
p——管道内最高工作压力Pa
d——管道内径m
——管道材料的许用应力Pa，
——管道材料的抗拉强度Pa
n——安全系数，对钢管来说，时，取n=8；时，
取n=6；时，取n=4。
根据上述的参数可以得到：
我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度=600MPa;
（1）.液压泵压油管道的壁厚
（2）.液压泵回油管道的壁厚
所以所选管道适用。
液压系统的验算
上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为20mm,25mm。
但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失无法验算。
系统温升的验算
在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。
为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。
一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。
当V=10mm/s时，即v=600mm/min
即
此时泵的效率为，泵的出口压力为26MP，则有
即
此时的功率损失为：
假定系统的散热状况一般，取，
油箱的散热面积A为
系统的温升为
根据《机械设计手册》成大先P20-767：
油箱中温度一般推荐30-50
所以验算表明系统的温升在许可范围内。
液压缸的结构设计
液压缸主要尺寸的确定
液压缸壁厚和外经的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。
从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。
一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸的内径D与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。
工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算
设计计算过程
式中——液压缸壁厚（m）；
D——液压缸内径（m）；
——试验压力，一般取最大工作压力的倍；
——缸筒材料的许用应力。
无缝钢管：
。
==
则=*220=取=在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。
因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经为
D1≥D+2=400+2*45=490mm
液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参阅<<液压系统设计简明手册>>P12表2-6中的系列尺寸来选取标准值。
液压缸工作行程选l=300mm
缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。
无孔时
有孔时
式中t——缸盖有效厚度（m）；
——缸盖止口内径（m）；
——缸盖孔的直径（m）。
液压缸：
无孔时t≥79mm
取t=80mm
有孔时t≥85mm
取t’=85mm
3）最小导向长度的确定
当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（如下图2所示）。
如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。
对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：
设计计算过程
式中L——液压缸的最大行程；
D——液压缸的内径。
活塞的宽度B一般取B=D；缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径D而定；
当D<80mm时，取；
当D>80mm时，取。
为保证最小导向长度H，若过分增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。
隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即
滑台液压缸：
最小导向长度：
H≥300/20+4
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