液压开孔器设计.docx
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液压开孔器设计
摘要
液压工业在国民经济中有很大的作用，它常常可以用来作为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
与世界上主要的工业国家相比，我国的液压工业还是相当落后。
该产品是一种能在3MM以下的金属板上开孔的先进搬运液压工具，能够起到一般冲压设备不能达到的开孔作用，其操作简便、省力、速度快、加工面平整光洁、质量好，不受场地、位置限制均可使用，安全可靠结构轻巧、外形美观、易携带、可供冶金、石油、化工、电子、电器、船舶、开关箱、配电箱、仪表板等行业安装维修的开孔。
关键词：
液压技术能量损失动力密封标准化集成化阀体机电一体化可编程序控制器
ABSTRACT
Hydraulicindustryhasasignificantroleinthenationaleconomy,Itoftencanbeusedasameasureofthelevelofoneofthemajorhallmarksoftheindustrialcountries.Andtheworld'smajorindustrialcountries,Chinastilllagsbehindinthehydraulicindustry.Theproductisina3MMthemetalplatehandlingstockadvancedhydraulictoolthatcanplayageneralstampingequipmentcannotmeetthestockroleofitsoperationsimpleandconvenient,fast,brightandcleanprocessingsideformation,goodquality,freefromthevenue,locationrestrictionsmayusesecurelightweightstructure,shape,stylish,easytocarry,formetallurgy,petroleum,chemical,electronics,electricalappliances,shipbuilding,switchboxes,distributionboxes,metersinstalledmaintenancestockmarketsectors.
Keywords：
HydraulictechnologyEnergylossesEngineSealedStandardizationIntegratedFatibengtiAndintegrationProgrammablecontroller
第一章课题意义
液压工业在国民经济中有很大的作用，它常常可以用来作为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
液压传动是以流体作为工作介质对能量惊醒传递和控制的一种传动方式，相对于机械传动来说，它是一门新技术。
但如从17世纪末叶巴斯卡提出静压传递原理，18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，也已有二三百年的历史了。
而近代液压技术在工业上真正推广应用，则是在本世纪中叶以后的事。
近几十年来，随着微电子技术的迅速发展，且渗透到液压技术中并与之密切结合，使其应用领域遍及到各个工业部门，已成为实现生产过程自动化、提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。
与世界上主要的工业国家相比，我国的液压工业还是相当落后。
液压（含液力、下同）、气动、密封件，是各类现代化机械装备的动力，传动与控制的关键基础件。
它们直接决定着主机的性能、水平、质量及可靠性。
建国以来，与机械工业各类主机相比，本行业起步较晚，其发展已严重影响和制约主机的现代化水平。
此问题引起国家领导和上级主管部门的重视，近年来作为国家重点支持的产业，在规划、引资、引进技术及科研开发等方面得到重点支持。
目前液压、气动、密封工业被列为机械工业振兴发展的四大重点之一。
在我国液压气动计算机应用技术不断发展的基础上，必将迅速地推动我国液压气动新产品的开发和产品结构调整。
力争“十五”末，使我国液压气动元件和系列产品的品种规格，在现有基础上增加一倍以上。
液压传动有以下一些优点：
（1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。
在同等的功率下，液压装置的体积小、重量轻、功率密度大、结构紧凑。
液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。
（2）液压装置工作比较平稳。
由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。
（3）换向装置能在大范围内实现无级调速，它还可以在运行的过程中进行调速。
（4）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。
当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便的实现远程控制。
（5）液压装置易于实现过载保护。
液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不会过热，这是电气传动和机械传动装置无法办到的。
（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。
（7）用液压传动实现直线运动比用机械传动简单。
液压传动的缺点是：
（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等），长距离传动时更是如此。
（2）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很容易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。
（3）为了减少泄露，液压元件在制造精度上的要求很高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感。
（4）液压传动出现故障时不易找出原因。
工业各部门使用液压传动的出发点是不尽相同的：
有的是利用它们在传递动力上的长处，如工程机械、压力机械和航空工业采用液压传动的主要原因是取其结构简单、体积小、重量轻、输出功率大；有的是利用它们在操纵控制上的优点，如机床上采用液压传动是取其能在工作过程中实现无级变速，易于实现频繁的换向，易于实现自动化；等等。
此外不同精度要求的主机也会选用不同控制形式的液压传动。
第二章液压技术的发展情况
2.1液压技术行业现状
2.1.1国内现状
我国的液压工业开始于本世纪50年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来拖拉机和工程机械上。
自从1964年从国外引进一些液压元件生产技术，同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。
80年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划的引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、研究开发等各方面全方位的赶上世界先进水平。
我国在联合收割机、拖拉机、叉车等主机产品上，先后进行过静液压传动技术的应用研制工作，但由于相应的液压元件不配套，质量不过关，系统设计不合理等原因，都未能商品化；目前，行走机械中的静压传动装置主要靠进口，在负荷传感技术的应用上，由于国内开发了负荷传感全液压转向器、多路阀、优先阀和负荷传感变量泵等关键元件，所以已有国产的泵控和阀控的负荷传感调节系统产品，在装载机、叉车、塑料注射机和压铸机上得到应用，并有近千台的生产能力。
但仍因为对该项技术缺乏全面、深入的理论分析和试验研究，系统缺乏优化匹配，合理性欠佳等原因，往往达不到预期节能效果，而且开发周期又太长，都影响了在主机中的应用。
这些均有待尽快提高，早日使更多的国产静液压传动及负荷传感调节装置，满足我国行走机械等主机产品发展的需求。
我国电液伺服技术始于六十年代，到七十年代有了实际应用产品，目前约有年产能力2000台；电液比例技术到七十年代中期开始发展，现有几十种品种、规格的产品，约形成有年产能力5000台。
总的看，我国电液伺服比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：
缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。
液压、气动、密封行业现已形成一个门类比较齐全、有相当竞争实力、初具生产规模的工业体系。
据统计，主要企业约400余个，其中35家重点企业产值和产量占全行业的65%以上。
1998年全国液压行业总产值28亿元（含液力2.35亿元），产量450万件（含液力6.2万件/套）；气动行业总产值6亿元，产量300多万件。
机械系统密封件总产值8.92亿元。
按1996年国际同行业统计，我国液压行业总产值占世界第六位。
气动行业总产值占世界第十位。
改革开放以来，液压气动密封行业迅速发展，先后引进了60余项国外先进技术，其中液压40余项，气动5项，经消化吸收和技术改造，现均已批量生产，并成为行业的主导产品。
近年来，行业加大了技术改造力度，1991~1998年，国家、地方和企业自筹资金总投入共约20多亿元，其中液压16亿多元。
经过技术改造和技术攻关，一批主要企业技术水平进一步提高，工艺装备得到很大改善，为形成高起点、专业化、批量生产打下良好基础。
近几年，在国家多种所有制共同发展的方针指引下，不同所有制的中小企业迅猛崛起，呈现着勃勃生机。
随着国家的进一步扩大开放，三资企业迅速发展，为行业提高水平，并扩大出口起着重要作用。
目前我国已和美国、日本、德国等国家的著名厂商建立了柱塞泵/马达、行星减速机、转向器、液压控制阀、液压系统、静液压传动装置、液压件铸造、气动控制阀、气缸、气源处理三联件、机械密封、橡胶塑密封等类产品生产的合资企业或独资企业50多家，引进外资5亿多美元。
2.1.2国外现状
由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，国内外液压机的发展主要体现在控制系统方面。
微电子技术的飞速发展，为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了可能。
相比来讲，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏技术含量高的高档机型，这与机电液一体化，中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。
在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为三种类型：
一种是以继电器为主控元件的传统型液压机；一种是采用可编程控制器控制的液压机；第三种是应用高级微处理器（或工业控制计算机）的高性能液压机。
三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。
但总的发展趋势是高速化、智能化。
现在，国外众多液压机生产厂家生产高性能的工业控制机控制方式的液压机产品，如美国MULTIPRESS，丹麦STENHQJ及加拿大的BROWN BOGGS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，国内极少有采用工业控制机控制方式的产品，成熟的产品是采用可编程控制器（PLC）的控制方式。
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。
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。
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BROWNBOGGS产品可实现负载检测、自动模具保护以及错误诊断等功能。
国外电液伺服技术的研究始于本世纪四十年代，到七十年代投入了广泛的工业应用，至今已形成完整的产品品种、规格系列，并对已成熟的产品，为进一步扩大应用，在保持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、降低制造成本的方向发展，电液比例技术是在电液伺服技术的基础上，针对用户需要，降低控制特性，对液压伺服阀进行简化而发展起来的。
尔后，比例电磁铁技术的发展，又在三类阀基础上发展液压比例阀。
由电液伺服比例元件为主而组成的电液伺服比例控制系统，具有响应快、功率比（功率与重量比）大、自动化控制程度高等显著特点，因此在大惯量，要求快响应，实现自动控制的机床、冶金、矿山、石化、电化、船舶、军工、建筑、起重、运输等主机产品中有广阔应用前景，是这些主机重要的一种控制手段。
2.2液压技术发展趋势
由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高。
尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。
液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术。
2.2.1液压设备附件
液力偶合器向高速大功率和集成化的液力传动装置发展，开发水介质调速型液力偶合器和向汽车应用领域发展，开发液力减速器，提高产品可靠性和平均无故障工作时间；液力变矩器要开发大功率的产品，提高零部件的制造工艺技术，提高可靠性，推广计算机辅助技术，开发液力变矩器与动力换档变速箱配套使用技术；液粘调速离合器应提高产品质量，形成批量，向大功率和高转速方向发展。
2.2.2液压产品导向
液压产品向体积小、重量轻、功耗低、组合集成化方向发展，执行元件向种类多、结构紧凑、定位精度高方向发展；气动元件与电子技术相结合，向智能化方向发展；元件性能向高速、高频、高响应、高寿命、耐高温、耐高压方向发展，普遍采用无油润滑，应用新工艺、新技术、新材料。
（1）采用的液压元件高压化，连续工作压力达到40Mpa，瞬间最高压力达到48Mpa；
（2）调节和控制方式多样化；
（3）进一步改善调节性能，提高动力传动系统的效率；
（4）发展与机械、液力、电力传动组合的复合式调节传动装置；
（5）发展具有节能、储能功能的高效系统；
（6）进一步降低噪声；
（7）应用液压螺纹插装阀技术，紧凑结构、减少漏油。
2.2.3电液伺服比例技术
在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制器和相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展立玉的重要标志，是液压工工业又一个新的技术热点和增长点。
在我国同样有一大批主机产品的发展，需要应用该项技术，因此，将其列为促进我国液压工业发展的关键技术之一。
国外近年来，电液伺服比例技术的发展，较集中地反映在其相关的主要基础元件的改进和发展上，主要包括：
（1）电液伺服阀向着简化结构、降低制造成本、提高抗污染能力和高可靠性方向发展，研究开发了大功率永磁直线力马达，形成了新型的直接驱动式伺服阀产品系列；
（2）电液比例阀向通用化、模块化、组全化、集成化方向发展，以实现规模经济生产，降低制造成本；
（3）电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小型化、组合化，并达到高可靠性目的。
（4）电流伺服比例技术的这些主要基础元件的相互衔接愈来愈密切，另部件通用化程度不断提高。
2.2.4液压产品密封技术
液压气动系统污染控制及密封技术，直接影响到产品的质量和可靠性，也影响到产品的性能，进一步对所配套的主机设备的精度、性能、质量和水平起着关键的作用。
据有关统计资料表明，液压系统故障的70%是由于污染和密封不可靠引起的。
因此，对液压气动产品只改进设计，提高加工精度，还不能根本解决问题，必须辅之以严格而有效的污染控制和可靠的密封才能奏效，才能充分体现产品设计和加工所带来的先进性。
在工业先进国家，对液压气动产品污染控制及密封技术都特别重视，因为它直接影响到产品性能、质量和水平，是产品有否市场的大问题。
当前归纳的基本情况是：
（1）产品污染控制贯彻在产品零部件制造的各道工序、产品装配、产品试验和包装中，有严格的定量指标来表证产品清洁度状况，有严格的防锈和其他措施来保证产品储存，运输中的清洁度；
（2）制订出相应的标准和规范，供有关人员遵照执行，并且纪律严明；
（3）对液压气动产品的用户，在使用中有明确的清洁度要求，并有保证清洁度的相 关辅件供用户选用；
（4）把产品的污染控制纳入日常的工作范畴，出现问题随时解决；
（5）特别注重针对产品结构的密封技术研究，以保证产品有可靠的密封性；
（6）为适应主机产品高压、高速、高温或低温发展对配套密封件的需求，国外正向扩大橡塑组合、橡塑复合密封应用领域；研究非接触式可控膜式密封；探索应用新的柔性石墨密封材料等。
研究主要内容：
（1）研究开发高性能零件清洗设备技术；
（2）研究开发高压精度纳污量大的过滤系列产品技术；
（3）研究开发新型气源净化装置技术；
（4）研究液压气动元件和系统生产过程污染控制技术；
（5）研究大型、高速、组合及高分子材料的橡塑密封产品，开发、测试及寿命评价技术；
（6）研究电站用的机械密封结构、特种加工，以及材料及匹配技术；
（7）研究各类参数、高性能、高可靠性的大型柔性石墨密封件的开发与测试技术。
2.2.5减少能耗充分利用能量
液压技术在将机械能转换成压力能及反转换方面，已取得很大进展，但一直存在能量损耗，主要反映在系统的容积损失和机械损失上。
如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显著提高。
为减少压力能的损失，必须解决下面几个问题：
①减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失。
主要表现在改进元件内部流道的压力损失,采用集成化回路和铸造流道,可减少管道损失,同时还可减少漏油损失。
②减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量，避免采用节流系统来调节流量和压力。
③采用静压技术，新型密封材料，减少磨擦损失。
④发展小型化、轻量化、复合化、广泛发展3通径、4通径电磁阀以及低功率电磁阀。
⑤改善液压系统性能，采用负荷传感系统，二次调节系统和采用蓄能器回路。
日本小松、日立、川崎、德国Rexroth，Linde，美国Eiton-Vickers’，Parker都采用负荷传感系统，可节省功率20-30%。
⑥为及时维护液压系统，防止污染对系统寿命和可靠性造成影响，必须发展新的污染检测方法，对污染进行在线测量，要及时调整，不允许滞后，以免由于处理不及时而造成损失。
第三章设计过程说明
3.1工作原理
该产品是一种能在3MM以下的金属板上开孔的先进搬运液压工具，能够起到一般冲压设备不能达到的开孔作用，其操作简便、省力、速度快、加工面平整光洁、质量好，不受场地、位置限制均可使用，安全可靠结构轻巧、外形美观、易携带、可供冶金、石油、化工、电子、电器、船舶、开关箱、配电箱、仪表板等行业安装维修的开孔。
工作时，将液压开孔器置于地上，，后部垫上垫块，打开放气阀。
开孔前，先用手电钻打一个11.5mm的引导孔。
将活塞拉杆，旋进活塞缸的螺孔中，然后将垫圈套进活塞拉杆，再套进凹模。
再将活塞拉杆伸进工件的引导孔，最后拧进凸模，使凸模的刀口和加工面紧密结合，凸模、工件、凹模三者可靠的固定。
按顺时针方向关住回油阀，然后抬起，使柱塞泵开始工作，这时泵内形成真空，在一个大气压下油箱内油液推开单向阀1，单向阀2闭合（单向阀需0.4个大气压即可推开），这样油液充满泵腔。
随后压下手柄柱塞泵压紧腔内油液，单向阀1闭合，单向阀2打开，油液经过橡胶管进入活塞腔。
如此反复抬压手柄，油液便不断进入活塞腔，压动活塞向下运动，活塞通过导杆拉动凸模向下从而把板料剪开，然后活塞继续向下运动一段距离，直到板料能顺利从上部取下。
最后打开回油阀，在活塞缸内弹簧的推力下油液流回油箱。
待活塞回复原始位置关闭回油阀，拧紧放气阀，旋下凸模，顺次取下凹模、废料、垫圈，再旋下导向螺栓。
即完成一次开孔操作。
3.2油压计算
3.2.1剪切力的计算
设计中凸模和凹模之间留有1.5mm-2mm的缝隙，凸模采用波浪形刃口，在实际情况下将大大的降低操作力，凸模外型采用阶梯状，这样在剪完孔时，板料可以直接从凸模上部取下；凹模内圈有一定的锥度约1：
19，这样废料可以在取下凹模后直接取出而不卡住。
该液压开控器可剪切的最大板材厚度为h=3mm,最大孔径为d=60mm,板材的极限剪切应力τ=280Mpa。
由此可计算最大剪切力：
剪切面面积：
A=πdh=π×60×3=565平方毫米
最大剪切力：
P≥Aτ=565×280=158KN
模的压溃计算，由于凹模相对较细，所以对凹模的承压能力进行校核，仍取最大孔径的凹模进行计算，原因是它的承压力与底部面积相对比例最大，其底部内径d=66.9外径D=84.4，凹模的材料为45钢，极限压应力约为σ=441Mpa
底面压力：
F`=158e3÷（π×42.2×42.2-π×33.4×33.4）=19Mpa<<σ
所以模具是可靠的。
凹、凸模及垫圈配合尺寸表：
（mm）
D1
17
21
26
33
38
46
D2
22
27.5
34
43
49
60
d1
25
30.5
37
47
53
64
d2
49
84
D3
50
85
D4
56
95
代号意义见零件图03
3.2.2油压的计算
活塞腔内径为：
60毫米，外径为：
20毫米，柱塞泵泵体直径为：
8毫米。
可计算柱塞泵最大压油力：
活塞腔承油面面积：
A1=π×30×30-π×10×10=800π
柱塞泵压油面面积：
A2=π×4×4=16π
柱塞泵最大压油力：
F=A2÷A1×P=16π÷800π×158000=3160N
压杆部分受力示意图如上图所示，l1=37.5毫米，l=378.5所以l1:
l≈1：
10
所以操作人员所需最大操作力为：
N=0.1F=316N
3.2.3油箱体积
在设计中要求板材被剪开后凸模仍要向下运动一段距离以便板料能顺利取出，并且结合活塞的容积以及凸模大径长度，规定活塞的最大移动距离为22毫米。
结合该开孔器的其它部分外形情况，首先选取油箱的内径为20毫米。
油箱体积：
V>800×22=17600立方毫米
油箱长度：
L>17600÷（π×10×10）=56毫米
在设计中约取油箱体积为参与循环的油体积的六倍,取L=321毫米。
3.2.4柱塞泵的计算
柱塞泵的初始位置为手柄处于水平位置时的状态，在工作时柱塞泵在柱塞腔内最高可升高20毫米，柱塞泵连杆的最大摆动角度约为5.5度，手柄的最大抬升角度约为26.5度。
柱塞泵的工作极限位置示意图如下图所示：
柱塞泵每次压油体积:
π×4×4×20=1005立方毫米
每次工作需抬压手柄次数:
17600÷1005≈17.6
所以每次工作需抬压手柄约18次
3.3放气阀
在设计中考虑到油箱内油液在工作中随着油进入活塞缸，油箱内将形成一定的真空度，虽然油箱内由量是真正参加工作循环油量的六倍，但为了减少柱塞泵工作阻力，在油箱的后部增加了一个放气阀，为配合放气阀的正常使用，设计中又在油箱底部增加了一个垫块用以抬高油箱，使油箱内气体能集中在油箱后部即集中在放气阀附近。
在开孔器工作时松开放气发阀，以使油液能顺利通过单向阀进入柱塞泵，同时为防止回油时油液溢出放气阀，应使油箱留有一定的空间。
3.4螺栓的
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