四柱式液压机总体及液压系统设计.doc
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专业：
机械设计制造及其自动化
学号：
HebeiNormalUniversityofScience&Technology
本科毕业设计
题目：
四柱式液压机总体及液压系统设计
院（系、部）：
机电工程学院
学生姓名：
指导教师：
职称
2011年5月25日
河北科技师范学院教务处制
资料目录
1.
学术声明………………………………………………………………
1页
2.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）…………………………
61页
3.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………
3页
4.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………
3页
5.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表…………
1页
6.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表…………
1页
7.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……
2页
8
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………
3页
河北科技师范学院
本科毕业设计
四柱式液压机总体及液压系统设计
院（系、部）名称：
机电工程学院
专业名称：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
学生学号：
指导教师：
2011年5月25日
河北科技师范学院教务处制
学术声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
摘要
摘要
液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，也是理想的成型工艺设备，特别是当液压系统实现具有对压力、行程、速度单独调整功能后，不仅能实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低，与机械加工系统相比，有极大的优越性。
近年来，随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用CNC或PC机来控制，提高了产品加工质量和生产率。
液压机主缸是液压机的主要工作部件，液压机主缸的性能直接影响着液压机整体工艺水平。
通过细致的分析及理论研究解决易损部分设计结构中存在的问题，可以使液压缸整体上达到工艺强度要求，提高液压缸应用的工艺水准及使用寿命。
所以对液压机主缸进行细致严谨的设计计算对对液压机的设计生产有着至关重要的作用。
本论文从总体上对液压机本体结构，及主要结构部件进行设计及必要的校核，对液压机主缸主要参数进行计算，并对所得结果进行分析、验算,从而力争使液压机主缸能够满足生产工艺要求，并从整体上提高液压机的工艺水准，使液压机设计水平更上一个新的台阶。
关键词：
液压机；液压系统；液压缸
Abstract
Hydraulicpressisoneofthemostwidelyuseddeviceintheproductionofmolding，itistheidealmoldingprocessequipment,especiallywhenthehydraulicsystemtoachievewiththerightpressure,strokeandspeedadjustmentalone,notonlytoachievethecomplexandasymmetricpartsoftheworkpieceprocessing,andthattherejectionrateisverylow,ithasgreatadvantagescomparedtomachiningsystems.Inrecentyears,withthedevelopmentofmicroelectronictechnologyandhydraulictechnology,hydraulicpresshadafurtherdevelopment,increaseditshigh-tech,manymodelshavebeencontrolbytheCNCorPC,whichimprovedprocessingqualityandproductivity.
Hydraulicmastercylinderisthemainworkingpartsofhydraulicpress,hydraulicpressmastercylinderdirectimpactontheperformanceoftheoveralltechnologicallevelofhydraulicmachines.Throughcarefulanalysisandtheorytosolvethestructurevulnerablepartofthedesignproblemsinit,andthehydrauliccylindercanbereachedtechnologicalstrengthoftheoverallrequirementsoftheapplicationoftechnologytoimprovethestandardofthehydrauliccylinderandlife.Sothemastercylinderforhydraulicdesignofmeticulouscalculationofthedesignandproductionofhydraulicmachineshasavitalrole.
Thispapergenerallyfocusonthebodystructureofthehydraulicpress,anddesignthemajorstructuralcomponentsanditsnecessarycheck,calculationofthemainparametersofthehydraulicmastercylinder,andanalysisandcheckingtheresults.Tostrivetomakethehydraulicmastercylindertomeettherequirementsofproductionpressandraisetheoveralltechnologicallevelofthehydraulicpress,andhydraulicpressdesignleveltoadvancetoanewlevel.朗读显示对应的拉丁字符的拼音
字典
Keywords:
Hydraulicpress；Hydraulicsystem；Hydrauliccylinder
II
目录
目录
摘要 I
Abstract I
1液压机概述 1
1.1液压机工作原理 1
1.2液压机的特点及分类 2
1.2.1液压机的特点 2
1.2.2液压机的分类 3
1.3液压机典型结构 4
1.4液压机技术的发展现状 5
1.5液压机技术发展趋势 6
2液压机本体设计 7
2.1液压机的基本参数及其选用 7
2.2四柱式组合机架的设计计算 8
2.2.1立柱的受力分析 8
2.2.2力柱尺寸的取值 11
2.2.3立柱的强度较核 11
2.2.4横梁强度和刚度计算 12
2.2.5整体框架式机身强度、刚度计算 17
3液压机主缸设计 18
3.1液压缸的主要性能参数的计算 19
3.1.1液压缸的压力值 19
3.1.2活塞的运动速度 19
3.1.3液压缸的速比 20
3.1.4活塞的理论推力和拉力 20
3.2液压缸缸筒设计 21
3.2.1液压缸缸筒机构及材料的选择 21
3.2.2液压缸缸筒的计算 22
3.2.3液压缸缸筒部分较核 25
3.2.4缸筒螺纹连接部分计算 26
3.3液压缸活塞的设计 27
3.4活塞杆的设计计算 29
3.4.1活塞杆直径的计算 29
3.4.2活塞杆的强度计算 29
3.4.3活塞杆稳定性验算 30
3.5活塞杆的导向套和密封 31
3.5.1导向套结构及相关计算 31
3.6缓冲装置 32
3.7排气阀的设计 33
3.8与液压缸相关的连接结构设计 34
3.8.1液压缸与上横梁连接结构设计 34
3.8.2活塞杆与活动横梁连接结构设计 35
4液压机的液压系统设计 37
4.1明确液压系统的技术要求 37
4.2液压系统的功能设计 37
4.2.1执行器的配置 37
4.2.2动力分析和运动分析 38
4.3液压系统主要参数的确定 39
4.3.1液压缸有效工作面积A 39
4.3.2液压缸的最大流量Qmax 40
4.4拟定液压系统原理图 40
4.4.1执行元件类型的选择 40
4.4.2方向控制回路 40
4.4.3速度控制回路 41
4.4.4压力控制回路 43
4.4.5液压油源回路 46
4.4.6液压系统的合成 47
4.5液压元件的计算和选择 50
4.5.1液压泵的选择 50
4.5.2电机的选择 52
4.5.3液压阀的选择 52
4.5.4油管的选择 55
4.5.5油箱 57
5液压机的振动及减振措施 59
5.1液压机的振动 59
5.2液压机的减振措施 59
6结论 60
致谢 61
参考文献 61
33
河北科技师范学院2011届本科毕业设计
1液压机概述
本章对液压机整体情况做出介绍，内容涉及液压机的原理，液压机的特点、分类，以及液压机的典型结构介绍，目前国内外液压机的发展现状及未来液压机的发展趋势等。
1.1液压机工作原理
液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力工作的机器。
液体压力传递原理为：
在充满液体的密闭容器中，施于任一点的单位外力，能传播至液体全部，其数值不变，其方向垂直于容器的表面。
根据这一原理，制成了液压机和其他液压机械，如图1-1所示：
图1-1液压机原理图
在一个充满液体的连通器内，一端装有面积为的小柱塞，另一端装有面积为的大柱塞。
柱塞和连通器之间设有密封装置，使得连通器内部形成一个完全密封的空间，液体不会外泄。
当在小柱塞上施加一个外力时，则作用在液体上的单位压力为。
按照液体静压力传递原理，这个单位压力p将以不变的数值传递到液体的每一个质点，并且其作用方向垂直于其作用面。
这样在连通器的另一端的大柱塞上作用着垂直于其底面的单位压力p，使其产生向上的推力。
1.2液压机的特点及分类
1.2.1液压机的特点
液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。
目前，液压机的最大标称压力已达750MN，用于金属的模锻成型。
随着金属压制和拉伸制品的需求逐年增高，对产品品种的要求也日益增多；另一方面，产品的生产批量也逐渐缩小。
为与中小批量生产相适应，需要能快速调整的加工设备，这使液压机成为理想的成型工艺设备，特别是当液压机系统实现具有对压力、行程、速度单独调整功能后，不仅能实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低，与机械加工系统相比，有极大的优越性。
近年来，随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用CNC或PC机来控制，提高了产品加工质量和生产率[1]。
液压机有以下几个优点：
（1）液压机最大的特点是容易获得最大的压力。
在锻造过程中锻锤是靠冲击力打击锻件，因而会产生较强的振动。
为了提高打击效率和减轻振动，需要有很大的砧座和良好的地基，因而锻锤不可能造得很大。
曲柄压力机是靠曲柄连杆机构传递能量，由于受到曲柄连杆机构强度的限制，一般只制造到100MN以下。
液压机利用静压力工作，不需要大的砧座和坚实的地基。
由于采用了液压传动，其动力设备可以与主机分开，可以适当加大柱塞的直径或采用多缸联合工作的方式来获得更大的工作压力。
目前大型液压机均已造到100MN以上。
（2）有更大的工作行程，并可在全行程的任意位置施加最大的工作压力；在工作行程的任意位置都可以回程。
机械传动的曲柄压力机的滑块行程是不变的，并且只能在滑块下止点前较小的行程内产生标称压力。
而且必须在下止点后才能回程，如果过载将会闷车，导致损坏。
液压机则与其相反，所以液压机对要求工作行程较长而且变形均匀的工艺（如拉伸、积压等）十分适应。
（3）有更大的工作空间。
液压机本体没有庞大的机械传动机构，其液压缸可根据操作的要求来布置，因而可以容易地获得较大的工作空间。
（4）工作压力可以调整，可以实现保压，并可防止过载。
例如，有三个缸的液压机可以很容易地获得三级不同的工作压力。
将高压液体通入中间的工作缸能得到第一级压力；通入两侧的工作缸能得到第二级压力；3个工作缸同时通入高压液体就得到第三级压力。
液压机可以作长时间的保压。
液压系统有调压装置，可以根据要求来调整液体的压力。
他的安全装置，能可靠地防止过载。
（5）调速方便。
通过调整通入工作缸液体的流量，可以实现各种行程速度。
例如，实现空程下降和回程时高速，工作行程时慢速，而且这种调速是无级的。
（6）液压机结构简单，操作方便。
液压机的本体结构很简单，而且容易制造。
特别是中、小型的液压机，由于液压元件的标准化、系列化和通用化程度的提高，使其设计与制造更为简便，成本降低。
液压机还易于实现自动控制和遥控。
（7）液压机工作平稳。
振动和噪声都较小，利于改善工人的劳动强度和工作条件。
（8）液压机的动力传动为柔性传动，较机械加工复杂的传动系统简单。
（9）液压机基本的动作方式有三种：
单动、双动、三动。
但其拉伸过程中只有单一的直线驱动力，是加工系统有较长的使用寿命和较高的工件成品率。
除了以上优点外液压机还有一些缺点，比如：
（1）液压机采用液压油为工作介质，因而对液压元件的精度要求和密封条件要求较高。
另外，不可避免的泄露会带来环境的污染。
（2）液压机的工作速度较其他设备低。
由于液体流动时会产生较大的阻力损失，当液压机高速运动时，这种损失就更为明显。
所以液压机的最高工作速度受到限制。
由于液压机具有以上特点，得到了广泛的应用。
除了大型的锻件的锻造、拉伸、剪切、挤压等工序外，还应用于塑料压型、层压板、粉末冶金、废金属处理、棉花打包等工序。
1.2.2液压机的分类
液压机按照机架结构形式分为梁柱式、组合框架式、整体框架式、单臂式等。
按照功能用途分可分为手动液压机、锻造液压机、冲压液压机、一般用途液压机、校正包装液压机、层压液压机、挤压液压机、压制液压机、打包液压机、专用液压机等10余种类型。
其各自类型对应的常见工艺如下：
（1）手动液压机：
用于一般压制、压装等工艺。
（2）锻造液压机：
用于自由锻、钢锭开坯及金属模锻。
（3）冲压液压机：
用于各种薄板、厚板的冲压。
（4）一般用途液压机：
用于各种工艺，通常称为万能（通用）液压机。
（5）校正压装液压机：
用于零件的校正及装配。
（6）层压液压机：
用于胶合板、刨花板、纤维板及绝缘材料板的压制。
（7）挤压液压机：
用于挤压各种有色及黑色金属材料。
（8）压制液压机：
用于各种粉末制品的压制成型，如粉末冶金。
（9）包、压块液压机：
用于将金属碎屑及废料压成块。
（10）其它液压机：
包括轮轴压装、冲孔等专门用途的液压机。
1.3液压机典型结构
液压机结构中较典型的主要有三梁四柱式、双柱下拉式、框架式和单臂式等，其中三梁四柱式液压机为通用型液压机的常用型式，本次毕业设计采用此类型液压机为设计对象，这里只对此型液压机作以介绍。
三梁四柱式液压机结构如图所示，它由上横梁、下横梁、4个立柱和16个内外螺母组成一个封闭的框架，框架承受全部的工作载荷。
工作缸固定在上横梁上，工作缸内有工作柱塞与活动横梁相连接。
活动横梁以4根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。
活动横梁下面固定有上砧，而下砧则固定与下横梁上的工作台上。
当高压液体进入工作缸后，对柱塞产生很大的压力，推动柱塞、活动横梁及上砧向下运动，使工件在上、下砧之间产生塑性变形。
同时在完成工作之后实现回程运动。
图1-2液压机典型结构图
三梁四柱式液压机的主要部件有：
⑴立柱：
立柱是机架的主要支撑部件和主要受力件，又是活动横梁的导向件，因此对立柱有较高的强度、刚度和精度要求。
立柱所用的材料、结构尺寸、制造质量及其与横梁之间的连接方式、预紧程度等因素，都对液压机的工作性能甚至使用寿命有着很大的影响。
立柱通常用如下材料制成：
35钢、45钢、40Cr、20MnV、20MnSiMo等。
⑵横梁：
横梁包括上横梁、下横梁（或称底座）和活动横梁（或称滑块），是液压机的重要部件。
由于横梁的轮廓尺寸很大，为了节约金属和减轻重量，一般都做成空心箱形结构，中间加设肋板，承载大的地方肋板较密，以提高刚度，减低局部应力，肋板一般按方格形或辐射形分布，在安装各种缸、柱塞（或活塞）及立柱的地方做成圆筒形，以使其环行支撑面的刚度尽可能一致，并用肋板与外壁相互之间连接起来。
横梁有铸造结构和焊接结构两种，生产批量较大的中、小型液压机其横梁多为铸铁件（材料多为HT200）或铸钢件（材料多为ZG275-500）；近年来采用焊接结构的日渐增多，材料一般为Q235或16Mn钢板。
中、小型液压机横梁多数为整体结构，而大型液压机横梁由于受制造和运输能力的限制往往设计成组合形式，并利用键和拉紧螺栓连接。
1.4液压机技术的发展现状
液压机的液压系统和整机机构等方面发展已经相当成熟，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、冷却及防止冲击振动等方面有明显的改善[2]。
（1）油路设计方面，国内外都趋向于集成化、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了广泛的应用。
国外已广泛采用封闭式循环油路设计，可有效地防止泄露和污染，更重要的是防止灰尘、空气和化学物质侵入系统，延长了机器的使用寿命。
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。
（2）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实现故障的检测和维修，产品可实现负载检测、自动模具保护和错误诊断等功能。
（3）液压机的发展最主要体现在控制系统方面。
微电子技术飞速发展，为改进液压机的性能，提高稳定性、加工效率等方面提供了前提条件。
相比之下，国内机型虽然品种齐全，但技术含量相比较低，缺乏高档机型，这与机电液一体化和中小批量柔性发展趋势不相适应。
当前，国内外液压机产品中控制系统分为以下三种类型：
（1）以继电器为主控制元件的传统型控制系统。
其电路结构简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。
主要用于单机工作，加工产品精度不高的大批量生产，也可组成简单的生产线。
现在国内许多液压机厂还以该机型为主，国外众多厂家只是保留了对该机型的生产能力，而主要面向技术含量更高的机型组织生产。
（2）采用可编程控制器（PLC）的控制系统。
该系统是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通讯技术溶为一体的新型工业自动控制装置。
目前，该机型广泛应用于各种生产机械和自动化生产过程中，早期的可编程控制器只能进行简单的逻辑控制，随着技术的不断发展，一些厂家采用微电子处理器作为可编程控制器的中央处理单元（CPU），不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，扩大了控制器的功能。
可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但还是介于继电器控制和工业控制之间的一种控制方式，与工业控制机相比还有很大差距。
当前，国内有部分厂家采用该控制系统，如天津锻压机械厂有60%的产品采用PLC控制来提高可靠性和控制性。
国外的厂家如丹麦的STENHQJ公司采用STEMENS的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。
（3）应用高级微处理机（或工业控制计算机）的高性能控制系统。
该控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高科技含量的控制方式，以工业控制机或单片/单板机作为住控制单元，通过外围数字接口器件（如A/D或D/A板等）或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。
这种控制方式的主要特点为：
具有友好的人机交互性；可顺利实现对工件参数（如压力、速度、行程）的单独调整，能进行复杂工件、不对称工件的加工；预存工作模式，缩短调整时间，，与柔性加工要求相适应；可通过软件来消除高速下的换向冲击，以降低噪声，提高系统的稳定性；在安全方面可利用软件进行故障诊断，并自动修复故障和显示错误。
现在，国外众多液压机生产厂家都生产这种高性能的工业控制机控制方式的液压机产品，如美国的MULTIPRESS；丹麦的STENHQJ和加拿大的BROWNBOGGS等公司，而国内少有该类产品。
1.5液压机技术发展趋势
目前，随着科技发展的日新月异，液压机的技术含量也在日益增高，其主要发展趋势可分为如下几点：
（1）高速化、高效化、低能耗，提高液压机的工作效率，降低生产成本。
（2）机电液一体化，充分利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。
（3）自动化、智能化。
微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件，自动化不仅仅体现在加工方面，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能。
（4）压元件集成化，标准化。
集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄露和污染，标准化的元件为机器的维修带来方便。
2液压机本体设计
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