自由锻造液压机辅助系统.docx
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自由锻造液压机辅助系统
本科毕业设计（论文）
20MN自由锻造液压机辅助系统
燕山大学
2011年6月
本科毕业设计（论文）
20MN自由锻造液压机辅助系统
学院：
专业：
学生姓名：
指导教师：
答辩日期：
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
里仁学院系级教学单位：
机械工程系
学
号
学生
姓名
专业
班级
题
目
题目名称
20MN自由锻造液压机辅助系统的设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（√）自选题目（）
主
要
内
容
系统主要参数：
压机公称压力20MN最大行程1600mm移动工作台尺寸1600×5000mm
移动工作台行程2×1500mm横向移砧工作台宽700mm
横向移砧工作台行程2700mm回程力0.4MN锻造行程10mm
横向移砧工作台作用力0.4MN工作介质压强31.5MPa
设计内容：
1、系统构成方案；2、元件选择；3、参数设计；
4、系统原理图、零件图、装配图。
基
本
要
求
1.说明书不少于2万，严格按规定要求撰写
2.图纸量不少于4×A0，其中必须有CAD图
3.外文资料翻译不少于5000汉字
4.上机绘图
参
考
资
料
1．产品工作原理简单说明书及设计要求
2.有关资料和书籍
3.液压元件产品样本
4.设计手册
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
的
内
容
1.资料，翻译
2.方案
3.开题报告
4.计算
1.元件选择
2.装配图
1.装配图
2.零件图
1.零件图
2.上机绘图
1.修改设计
2.撰写论文
3.答辩
指导教师：
职称：
年月日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
液压机是一种利用液体压力来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机床。
随着新工艺及新技术的应用，液压机在金属加工及非金属成形方面的应用越来越广泛，现代工业生产也对液压机提出了高压、高速、机电液一体化、数控智能化、系统集成化等技术要求。
因此，在现代液压机开发中，作为其核心组成部分的液压系统的设计显得尤为重要。
论文基于液压机设计理论，参考已有液压机结构和设计经验，给出了20MN自由锻液压机液压系统设计方案。
通过分析锻造液压机的工作过程，本系统设计完成液压机的各种动作要求。
为了实现动作的无级调速，采用比例流量阀，使调速简单、可靠，便于实现自动控制。
该液压机在此基础上，充分考虑安全性、可靠性以及便于维护。
本次设计采用PRO/E对泵站、油箱、阀块进行三维建模，再生成CAD图纸，避免直接二维设计效率低，容易出错的缺点，简化液压系统设计。
关键词 自由锻造液压机；液压系统；集成块
Abstract
Hydraulicpressisamachinetool,whichusetheliquidpressuretotransfertheenergy,inordertoachievingavarietyofprocessingtechnology.Withthenewtechnologyandtheapplicationofnewtechnologies,hydraulicpressisappliedmoreandmorewidelyinthemetalprocessingandthenon-metallicforming.Modernindustrialproductionisalsosuggestedsometechnicalrequirements,suchashigh-pressure,high-speed,Electro-hydraulicintegration,IntelligentCNC,systemintegrationandsoon.Therefore,asanintegralpartofitscore,thehydraulicsystemdesignisparticularlyimportantinthedevelopmentofmodernhydraulicpress.
Thisarticlebasedonthehydraulicpressdesigntheory,thereferencehadtheforginghydraulicpressstructureandthedesignexperience,hasdeterminedthe20MNfreeforginghydraulicpressstructure.Byanalyzingtheforgingprocessofhydraulicpress,thesystemiscompletedtherequirementsofthevariousmovements.Inordertoachievethesteplessspeedregulation,theadoptionofproportionalflowvalvemakesthespeedcontrolsimpleandreliable,whichiseasilytoreslizeautomaticcontrol.Onthisbasis,thehydraulicpressisgavefullconsiderationtothesafety,reliabilityandeaseofmaintenance.
ThedesignusesPRO/Eforthree-dimensionalmodelingforthepumpingstation,tank,valveblock,andthengeneratesCADdrawings.Itcanavoidtheshortcomingsthatadirecttwo-dimensionaldesignisinefficientanderror-prone,andsimplifythedesignofthehydraulicsystem.
Keywords hydraulicpress；hydraulicsystem；assembling-block
目录
摘要I
AbstractIII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2国内外液压机发展现状2
1.3液压机未来发展趋势2
1.4本文主要研究内容及意义4
第2章液压系统原理设计5
2.1液压系统设计要点5
2.1.1主要设计参数5
2.1.2液压系统功能及设计要求5
2.2液压系统组成及工作原理5
2.3本章小结7
第3章液压系统设计计算及元件选择9
3.1确定液压系统的主要参数9
3.1.1给定设计参数9
3.1.2流量计算9
3.1.3管道计算10
3.2泵及驱动电机选择12
3.2.1概况12
3.2.2泵及电机选择12
3.3阀类元件选择14
3.3.1选择依据14
3.3.2液压阀选取14
3.4其他辅助元件选择15
3.5本章小结19
第4章阀块设计21
4.1概述21
4.2阀块设计原则21
4.3阀块设计22
4.3.1集成回路选择22
4.3.2阀块油道设计23
4.3.3阀块选材及安装24
4.4本章小结24
第5章油箱设计25
5.1概述25
5.2油箱分类25
5.3油箱设计要点25
5.4油箱设计计算27
5.4.1油箱外形尺寸计算27
5.4.2油箱的三维建模28
5.5本章小结28
第6章液压泵站设计29
6.1概述29
6.2泵站设计要点29
6.3泵站布管30
6.4本章小结31
第7章液压系统安装、调试及维护33
7.1液压元件安装33
7.2液压系统调试34
7.2.1调试前检查34
7.2.2系统的调试34
7.2.2.1泵站调试34
7.2.2.2系统调试35
7.3系统维护35
7.4本章小结36
结论37
参考文献39
致谢41
附录1开题报告43
附录2文献综述51
附录3外文翻译59
第1章绪论
1.1课题背景
液压技术是现代制造的基础，它的广泛应用，很大程度上代替了普通成型加工，使全球制造业发生了根本性变化。
液压技术的水准、拥有和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和现代化水平的重要标志。
追述液压机的发展经历：
1795年英国的约瑟夫·布拉曼发明了世界上的第一台液压机。
而1905年美国工程师威廉斯和詹尼将工作介质水改为油,这项具有划时代贡献的改进,改变了液压技术近百年停滞不前的局面,所以,液压界普遍认同1905年是现代液压技术的起始年。
目前，液压机适用于几乎所有需要压力加工的工艺，主要应用在下列领域[1]:
1.金属薄板件的冲压拉深成形工艺,主要用在汽车、家电行业中金属覆盖件的成形加工；2.金属机械零件的压力成形，主要包括模压成形、金属型材的挤压成形，冷热模锻、自由锻造等加工工艺；3.粉末制品行业，如磁性材料、粉末冶金等；4.非金属材料的压制成形，如SXU成型、汽车内饰件的热压成型、橡胶制品等；5.木制品的热压成型，比如植物纤维板材、型材的热压加工；6.其他应用，如压装、校正、塑封、压印等工艺。
随着科学技术的不断发展，对传动技术的要求也越来越高，为了提高其竞争能力，液压技术一直在不断发展。
液压技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为当代国际间科技竞争的重点。
为适应这种行势，需要大量设计液压机的工作者。
对于锻造液压机，选择合适锻造工艺的辅助设备，是发挥主机性能、提高生产率、减轻工人体力劳动、节约能源和降低成本的重要途径。
由于它在锻造工作中所处的地位的重要性，因此，各国在新设计或老设备的改造中，都相继配备的更多种辅助设备。
液压机多年使用经验和液压机破坏的实践说明：
从结构上说，液压机破坏不是因为液压缸承受高压而造成，而是液压机工作卸压时，系统和液压机结构本体引起的振动与冲击导致螺母、立柱等零件的松动产生疲劳破坏所致。
总之，辅助设施的机械化、自动化水平低和液压机操作系统落后,是影响锻件产量的主要原因。
因此对自由锻造液压机移动工作台、移砧等辅助系统的设计改进，对于提高液压机的运行速度、工作效率具有重大的实际意义。
1.2国内外液压机发展现状
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、冷却及防止冲击和震动方面，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智能光得到较广泛的由应用。
国外已开始广泛采用封闭式循环油路设计。
这种油路设计有效地防止泄油和污染。
更重要的防止灰尘、污物、空气、化学物质侵入系统，延长了机器的适用寿命、由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。
在安全性方面，国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件进行故障的检测和维护，如BROWNBOCGS产品可实现负载检测、自动模具保护以及错误诊断等功能。
随着微电子技术的飞速发展，为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面的要求，液压系统控制的设计尤为重要。
按照控制系统，过去以继电器为主控制元件的传统型液压机已经无法满足现在的工业要求，继而可编程控制器控制的液压机得到广泛应用，国外现在最新的是应用高级微机处理器（工业控制计算机）的高性能液压机，或者是PLC与工控机相结合的双位机。
现在，国外众多液压机生产折中高性能的工控机控制方式的液压机产品，如美国MULTI-PRESS，丹麦STENHQJ及加拿大的BROWNBOGGS等公司。
正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产效率都有很大提高。
而与国外发展情况相比，国内极少有采用工控机控制方式的产品，成熟的产品是采用可编程控制器（PLC）的控制方式[9]。
1.3液压机未来发展趋势
目前，各类液压机的发展趋势如下[1]：
（1）高精度
随着比例伺服点技术的发展，液压机的停位精度、速度控制精度越来越高，在要求精度高的液压机中，多采用位移光栅检测加比例伺服控制的闭环PLC控制（变量泵或阀）。
（2）液压系统的集成化与精密化
现在锥阀已很少适用，一般滑阀的采用也相应减少，插装阀得到广泛的应用。
将插装阀按不回路的要求，集中在一个或几个阀块上，大大减少了各阀之间的连接管道，从而减少液体在管道中的损失，减少了冲击震动。
比例和伺服技术在控制阀和变量泵的大量应用，也极大地使液压控制技术精密化。
（3）数控化、自动化与网络化
在液压机的数字控制中，将普遍采用工业控制机作为上位机，可编程序控制（PLC）对各部分设备的直接控制与操作的双机系统。
华中科技大学在研究快锻液压机组的控制系统中，把工控机与PLC组成现场控制网络体系，实现集中监控、分散管理、分散控制。
而在自动化数控技术中，多轴控制也已相当普遍。
（4）柔性化
为适应越来越多的多品种、小批量的生产趋势，液压机的柔性要求也越来越突出，主要体现在各种各式的快速换模技术上，包括模具的快速装卸，模具库的建立与管理，模具的快速运送。
（5）高生产率与高效率
高生产率不仅体现在设备本身的高速化，更主要体现在辅助工序的自动化与高效率，把辅助工序占用主机的机动时间减到最少。
诸如采用上下料机械手、模具（工具）磨损的自动检测、自动润滑系统、自动分拣系统、自动码垛、移动工作台的高速开进与开出及其准确定位与锁紧等。
（6）环境保护与人身安全保护
除了防止滑块自行下滑的安全锁紧等装置外，红外线光幕保护系统也在许多场合得到采用。
在液压系统中。
油液泄露的污染，促使对各种密封系统做了许多改进。
在挤压生产线中，锯切噪声对环境影响很大，因此把锯切工序密封于箱形装置中，极大改善了挤压生产环境。
（7）成线化与成套化
现代化的生产要求设备供应商不只是单台设备供货，而要求供应整个生产线的全套设备，做到交钥匙工程。
以后，成套化与成线化的供货方式已成为当前供货方式的主流。
1.4本文主要研究内容及意义
近年来，液压机技术发展迅猛，对作为其核心的液压系统的技术要求也愈来愈高。
由于液压机的技术经济性能在很大程度上取决于液压系统设计的优劣，为此，液压机的研发设计、制造生产企业，应及时了解和把握国际液压机行业液压技术的最新发展趋势、信息和成果，为国民经济的发展提供技术先进、性能优良的现代液压机产品。
本次设计的题目是，20MN自由锻造液压机辅助系统设计，力求设计出的液压辅助系统（移动工作台和横向移砧的液压系统）可以满足自由锻造液压机对安全性，快速性，准确性的要求。
针对上述设计要求，结合实际情况，确定本文的主要研究内容如下：
1.介绍液压机的背景，国内外发展现状与应用。
2.分析液压机液压辅助系统传动的工作原理，工作特点。
3.设计自由锻造液压机辅助系统的液压系统。
4.液压元件的选择、液压集成块的设计。
5.油箱的设计，柱塞缸的设计。
6.设计泵站，介绍泵站依据什么进行布局，怎样布局，需根据实际情况，所选元件来合理的布局。
通过这次毕业设计，我更加了解了液压系统的整个设计过程，各种液压元件的特点及选择依据，把大学里所学的知识融会贯通，为往后的学习工作打下良好的基础。
第2章液压系统原理设计
2.1液压系统设计要点
2.1.1主要设计参数
压机公称压力20MN最大行程1600mm
移动工作台尺寸1600×5000mm移动工作台行程2×1500mm
横向移砧工作台宽700mm横向移砧工作台行程2700mm
回程力0.4MN工作介质压强31.5MPa
横向移砧工作台作用力0.4MN锻造行程10mm
2.1.2液压系统功能及设计要求
20MN自由锻造液压机辅助系统设计，力求设计出的液压辅助系统（移动工作台和横向移砧的液压系统）可以满足自由锻造液压机对安全性，快速性，准确性的要求。
液压系统设计要求如下：
（1）液压机基本动作实现
本系统通过电磁换向阀、液压锁，可实现液压机移动工作台和横向移砧的位移，及任意位置停止，锁紧；可实现无冲击卸压卸荷。
（2）其他辅助功能
该液压系统在完成以上功能的基础上，充分考虑安全性、可靠性及便于维护等需要，还设计以下功能：
液位报警；液温报警。
2.2液压系统组成及工作原理
该液压机液压系统的组成如图2-1所示：
该系统有2个工作缸，由1台泵，电机，电磁换向阀，液压锁，油箱及其辅件等组成。
图2-1液压系统原理图
图2-1液压原理图
（1）油箱：
有效容积为2000L，油箱在系统中的功能主要是储存油液，给系统供油，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。
油箱附件主要包含液位计、空气滤清器、回油过滤器、冷却器等。
（2）冷却器：
降低从系统工作中出来即将回入油箱的油液的温度，以免降低泵的容积效率或使油液很快的变质，该系统使用的是油冷机组，可以自动调节油温。
（3）加热器：
加热油箱中油液的温度，以降低油液黏度，降低泵的吸油压力。
（4）空气滤清器：
将空气过滤和加油过滤混合为一体，简化油箱结构，既有利于油箱中油液的净化，又维持了油箱内压力与大气压的平衡。
（5）液位计：
用以监视观察油箱中油液的位置。
（6）液压泵：
液压泵为能量转换装置，向系统提供具有一定压力和流量的液体，把机械能转换成液体的液压能，是液压系统的动力源。
泵提供工作缸的动力。
（7）电机：
将电能转换成机械能，用以驱动泵。
（8）吸油过滤器：
在泵前设置吸油过滤器，防止大颗粒杂质吸入泵内，保护液压泵。
（9）回油过滤器：
用于液压泵回油精过滤，清除液压系统中由于元件产生的金属颗粒及密封件的橡胶杂质等污染物，使流回油箱的油液保持清洁。
（10）减震喉：
降低高压大流量液压泵吸油产生的油液冲击。
（11）电磁换向阀：
变换管路间的通道关系，控制油液的接通、切断，从而实现移动工作台和横向移砧液压缸的伸出、缩回动作。
（12）单向阀：
用于油路的单向导通，在泵出口采用的普通板式单向阀，防止系统油液倒流。
（13）溢流阀：
实现系统卸荷，调定系统压力，对系统起过载保护作用，安全可靠。
（14）截止阀：
用于液压系统压力等各种管路上，控制油路的通断。
（15）钢管：
运载液压油，输送流体，实现整个液压系统中油液的循环，并便于安装拆卸。
（16）管接头：
是管道与管道，管道与其他元件的可拆卸连续件，如泵，集成块等的连接。
2.3本章小结
本章介绍了现代液压机系统设计要点，阐述了本次20MN液压机的设计要求，以及液压系统的组成和工作原理。
第3章液压系统设计计算及元件选择
3.1确定液压系统的主要参数
3.1.1给定设计参数
压机公称压力20MN最大行程1600mm
移动工作台尺寸1600×5000mm移动工作台行程2×1500mm
横向移砧工作台宽700mm横向移砧工作台行程2700mm
回程力0.4MN工作介质压强31.5MPa
横向移砧工作台作用力0.4MN锻造行程10mm
3.1.2流量计算
工作缸内径和活塞杆直径的选择和计算:
（1）移动工作台缸径计算
（3-1）
根据液压缸应产生的名义总压力P（N）及选定的液体工作压力p（bar），可以按式（3-2）确定柱塞直径
（mm）（3-2）
所得D值圆整后按柱塞标准直径选取相近的标准直径。
根据式（3-2）计算柱塞直径为
。
经圆整后为140mm。
故取d=70mm。
经验证符合要求。
行程为3000mm。
查表取3200。
既得移动工作台的规格为Ø125/70-3200
（2）横向移砧工作台的液压缸计算
已知
根据经验公式（3-2）估算液压缸的直径为
。
经圆整后为125mm
经验证符合要求。
行程为2700mm。
查表取2800。
既得移动工作台的规格为Ø110/70-2800
3.1.3管道计算
液压系统一般选用钢管，材料用10号或20号钢。
中高压或大通径（DN>80mm）采用20号钢，这些钢管均要求在淬火状态下使用。
在此系统中，压力为16MPa，系统流量较小，管径较小，但属于中高压系统，因此选用20号钢制成的无缝钢管。
管路的选择大部分是硬管，软管是用于连接两个相对运动部件之间的管路。
1、钢管通径的计算:
计算公式为：
（3-3）
式中：
d—管子内径（mm）
—通过管道内的流量（
）
V—管内允许流速，根据管路的类型按推荐值选取。
推荐值如表3-1：
表3-1允许流速推荐值
管道
推荐流速（m/s）
液压泵吸油管道
0.5~1.5，一般取1以下
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
1.5~2.6
计算出内径d后，按标准系列取相应管径。
（1）吸油管路的计算
吸油管路的计算如下：
吸油管路可取
，吸油路管路流量Q=323L/min，则吸油管径内径可按式（3-3）计算得：
，取标准值，则
。
根据机械设计手册表23.9-2，取其壁厚为δ=3mm，则吸油管外径可按式（3-4）计算。
（3-4）
可得
管接头螺纹连接为M60×2
（2）工作台压油管路的计算
压油管路可取
，压油路管路流量Q=323L/min，则按式（3-3）计算压油管径内径为：
，取标准值，则
。
根据机械设计手册表23.9-2，取其壁厚为δ=4.5mm，则压油管外径由式（3-4）得
。
管接头螺纹连接为M42×2
（3）工作台回油管路的计算
压油管路可取
，压油路管路流量Q=69L/min，则回油管径内径按式（3-3）计算为：
取标准值，则
。
根据机械设计手册表23.9-2，取其壁厚为δ=2.5mm，则回油管外径式（3-4）计算得
。
管接头螺纹连接为M72×2
钢管在装配时，有必要进行弯曲处理，但弯曲半径有不能太小，最小弯曲率如表3-2所示。
表3-2推荐钢管弯管最小曲率半径（mm）
管子外径（mm）
56
42
68
最小曲率半径
90
100
900
软管的选用及使用注意事项：
软管是用连接两个相对运动的部件之间的管道。
用于压力油路为高压胶管，是以钢丝编织体或钢丝绕体为骨架的。
用于各分支回路的低压油管，是以麻线或棉线织体为骨架的。
软管内径的计算
软管的计算可根据软管的内径和流量、流速的
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