课程设计:小型液压机液压系统
本科课程设计。
二 级 学 院。
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学。
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学 生 姓 名。
指 导 教 师。
职。
称。
完 成 时 间。
目录 摘。
要 2 前言 3 1. .系统设计 3 1.1技术要求 3 1.2任务分析 3 1.3工况分析 4 2. .拟定液压系统原理图 8 2.1液压执行元件的类型 8 2.2。
液压回路的综合 12 3. 液压元件的计算与选择 13 3.1。
电动机的选择 14 3.3。
管路和接头选择 16 4. 绘制原理图 19 4.1。
液压元件型号及规格 20 5. 基于FLUIDSIM的系统仿真 21 6. 总结 22 参考文献 23。
者。
*** 指导教师。
*** 摘。
要:针对现代企业生产线的生产要求,本液压系统采用高效节能的设计思想进行分析与设计,以满足市场对产品的需求量,提高企业在市场中的竞争性。通过计算和查阅相关液压技术手册,选择液压系统的执行元件,动力元件,阀类零件以及辅助元件,实现液压元件集成化和标准化。在对各个液压回路进行综合优化和分析液压执行元件的工作情况后,利用FLUIDSIM绘制液压系统原理图。 该液压系统通过各个回路中控制元件的相互配合,使得液压缸运动的动作发生变化,从而实现了液压机实现快速下行、慢速加压、保压、快速回程、停止的工作循环。 关键词:FLUIDSIM,液压系统,液压元件。
前言 作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段,液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。与其他传动控制技术相比,液压技术具有能量密度高、配置灵活方便、调速范围大、工作平稳且快速性好、易于控制并过载保护、易于实现自动化和机电液一体化整合、系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势,因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。 液压压力机是压缩成和压注成型的主要设备,适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、奇曲、翻边、薄板拉伸等。也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、塑料制品及粉米制品的压制成型。本文根据小型压力机的用途。特点和要求。利用液压传动的基本原理,报定出合理的液压系统图。再经过必要的计算来确定液压系统的参数,然后按照这些参数米选用液爪元件的规格和进行系线的结构设计小吃压力机的液压系统星长方形布置,外形新颖美视,动力系统采用液压系统,结构简单,紧凑、动作灵敏可靠。 1. .系统设计 1.1技术要求。
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200kN,运动部件总重量为20kN。 1.2任务分析。
根据滑块重量为20KN,为了防止滑块受重力下滑,可用液压方式平衡滑块重量。设计液压缸的启动、制动时间为∆t=0. 02s。液压机滑块上下为直线往复运动,且行程较,故可选单杆液压缸作执行器,且液压缸的机械效率η=0.9。 1.3工况分析。
把执行元件在各阶段的负载用曲线表示出来,由此图可直观地看出在运动过程中何时受力最大,何时受力最小等各种情况,以此作为以后的设计依据。 1.3.1 运动分析。
图1。
工作循环图。
1.3.2 负载分析 1) 工作负载。
工作负载就是与运动件的方向同轴的切削力分量,也是所移动的物体的重量,相对于液压机来说,是压制力。根据上述原始设计参数表可知=2×105N 2) 摩擦阻力负载。
摩擦阻力是指运动部件与支承面间的摩擦力,它与支承面的形状、放置情况、润滑条件以及运动状态有关。
采用=V型导轨,为摩擦系数,分为静摩擦系数(,取0.3)和动摩擦系数(,取0.05),则 静摩擦负载:FS=0.2×20000=40000N 动摩擦系数:Fd=0.1×20000=2000N 3) 惯性负载。
惯性负载是运动部件的速度变化时,由其惯性而产生的负载,可用牛顿第二定律计算:公式中,为运动部件的质量();为运动部件的加速度();为运动部件的重力();为重力加速度();为速度的变化量();为速度变化所需的时间()。
=20000×310×0.02×60=5000N 4) 运动部件自重G。
G=2×104N 5) 液压缸的被压负载Fc=G 液压缸各阶段负载 如下表1所示 表1。
液压缸各阶段负载 工况 负载值/N 缸推力F/N 启动 F=FC+FS—G=4000 4444 加速 F=FC—G+Fd+Fa=7000 7778 快进 F=FC+Fd—G=2000 2222 工进 F=Fc+Fd—G+FL=202000 202800 快退 F=Fd+Fc+G=2000 2222 1.3.3 液压缸的参数确定 (1) 初选液压缸的工作压力。
当负载确定后,工作压力就决定了系统的经济性和合理性。若工作压力低,则执行元件的尺寸就大,重量也大,完成给定速度所需的流量也大;若压力过高,则密封要求越高,元件的制造精度也就更高,容积效率也就会降低。所以根据下表2负载与压力选取适当的工作压力。 负载 F/KN 5 5~10 10~20 20~30 30~50 50 工作压力 P/MPa 0.8~1.0 1.5~2.0 2.5~3.0 3.0~4.0 4.0~5.0 5.0~7.0 根据此设备的负载分析,初选液压缸的工作压力为1.0MPa。 (2) 计算液压缸的尺寸。
A=FP=77781×106=0.0078mm2, 其中A为液压缸工作的有效面积,F为液压缸上的外负载,P为液压缸的有效工作压。
D=4Aπ=4×0.0067π=0.09m, 按照标准(GB/T2348—93),如下表3所示 表3。
(GB/T2348—93) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 注:括号内尺寸为非优先选用者。所以应取D=90。 活塞杆直径计算 取d=0.3D,则d=0.3D=27mm, 计算后,也应按标准(GB/T2348—93)进行圆整,见下表4。 表4。
(GB/T2348—93) 4 5 6 8 10 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 所以取d=28mm。则液压缸的有效作用面积为: 无杆腔面积 A1=14πD2=14π×92=6361mm2 有杆腔面积。
A2=14π(D2—d2)=14π×(102—42)=5878mm2 (3) 液压缸的最大流量。
快进:Q1=A1V1=6361×10—3×3=19.1L/min。
工进:Q2=A1V2=6361×10—3×(0.04×0.25)=0.25~1.9 L/min,
取1L/min。
快退:Q3=A2V1=5878×10—3×3=17.6L/min 1.3.4 绘制液压执行元件的工况图。
从工况图上可以直观地、方便地找出最大工作压力、最大流量和最大功率,根据这些参数即可选择液压泵及其驱动电动机;同时对系统中所有液压元件的选择也具有指导意义,通过分析工况图,有助于选择合理的基本回路。
液压缸的最大压力为:
P快进=F总A1=20000.6361=0.31MPa。
P工进=F总A1=20000.6361=0.31MPa。
P快退=F总2A2=20000.5878=0.34Mpa 液压缸的最大功率为: P快进=P快进Q快进=0.31×19.1×100060=98.7W P工进=P工进Q工进=0.31×1×100060=5W P快退=P快退Q快退0.34×17.6×100060=99.7W 根据上述数据,可绘制出液压缸各工作阶段的液压缸压力、流量和功率表,如下表5所示 表5。
液压缸压力、流量和功率表 工况 压力p/MPa 流量q/(L/min) 功率P/W 快进 0.31 19.1 98.7 工进 0.31 1 5 快退 0.34 17.6 99.7 由表5可绘制出液压缸的工况图,如下图2所示。
图2。
液压缸工况图 2. .拟定液压系统原理图 2.1液压执行元件的类型 液压系统的执行元件包括液压缸与液压马达,它们的职能是将液压能转换成机械能。 按作用方式不同液压缸可分为单作用式和双作用式两大类:按照不同的压力,又可分为中低压,中高压和高压液 压缸;按照结构形式的不同,液压缸还可分为活塞式,柱塞式,摆动式等形式。 单活塞式双作用液压缸,它的结构简单,工作可靠。用它来实现往复运动时,可免去减速装置,没有传动间隙,运动平稳,在各种机械的液压系统中得到广泛地运用。 因此选用单活塞杆式双作用液压缸作为此液压系统的液压缸,如下图3所示。
图3。
单活塞杆式双作用液压缸 2.2。
液压回路的选择 2.2.1 调速回路 (1) 节流调速回路。
如下图4所示进油路的节流调速回路,在定量泵与液压缸之间串联一个节流阀,在回油路中安装一个溢流阀与定量泵并联。正常工作时,节流阀的开口大小决定进入液压缸的油液流量,而溢流阀处于常开的状态,使得定量泵输出的油液压力保持一个稳定的状态,推动液压缸的活塞运动,一部分的油液经过溢流阀流回油箱。
图4。
如下图5所示开式的容积调速回路,采用变量泵与液压缸串联的形式,把压力油液提供给液压缸进行运动,排出的油液直接流回油箱。此处还与变量泵并联了一个溢流阀,主要目的是防止系统过载,起到一个安全保护的作用。
图5。
方案1图4中节流调速回路结构简单可靠,成本低,使用维修方便,在机床液压系统中得到广泛应用;方案2图5中容积调速回路效率低,发热大。综合考虑选择方案1节流调速回路。 2.2.2 速度换接回路 (1) 快进和工进换接回路。
如下图6所示快速运动转为工作进给运动的速度换接回路,当三位四通的换向阀左位得电时,液压缸实现快速进给。当液压缸活塞运动到一定程度时,活塞杆上的挡块碰到标尺S2位置,使两位两通阀左位工作,那么油液只能改道流走节流阀,此时液压缸实现工进。当三位四通换向阀右位得电时,油液进入液压缸有杆腔,实现液压缸的快速退回。
图6。
如下图7所示两种不同工作进给速度的速度换接回路,采用两个调速阀并联的形式,当一个阀处于工作状态时,另一个阀则无油液通过,分别调节两种不同工作的进给速度,互不干涉。
图7。
方案一图6所示的快慢速换接回路能实现快进→工进→快退→停止的工作循环,能达到快速换切环路的目的,换接也比较平稳;方案二图7所示两个调速阀并联的两工进回路,其速度可以单独调节,但是容易前冲现象。所以选择方案1快进和工进换接回路。 2.2.3 平衡及锁紧回路 (1) 液控单向阀组成的平衡回路。
如下图8所示使用液控单向阀与Y型中位机能组成的锁紧回路,当三位四通电磁换向阀左右两位都失电,中位进行工作时,液控单向阀快速的关闭,液压缸活塞立即停止运动,实现平衡锁紧的功能。
图8。
液控单向阀组成的平衡回路 (2) 省去液控换向阀的液压平衡回路。
如下图9所示省去了液控换向阀,取而代之的是采用M型中位机能的三位四通电磁换向阀,从而实现回路的平衡锁紧。
图9。
方案一图8中使用的液控单向阀是锥面密封,泄漏量很小,由其组成的平衡回路锁定性好,工作可靠,该平衡回路应用广泛;方案二图9中用换向阀的中位机能代替液控单向阀的锁定作用,用于锁定要求不高,功率不大或功率虽然较大但工作不频繁的定量泵油路中,如装载机的升降,电梯和升降平台的升降等液压系统中。综合考虑选择方案二图9中的省去液控换向阀液压平衡回路最为合适。 2.2.4保压回路。
2.3。
液压回路的综合 通过前面的分析,对比选出了节流调速回路,快进和工进换接回路,省去液控换向阀的液压平衡回路。通过把回路进行优化,有机的组合,初步得出了液压系统原理草图,如下图10所示。
图10。
液压泵的选择 液压泵是液压系统中的动力元件,它将驱动电动机的机械能转换成液体压力能,为系统提供压力油液。 液压泵的最高工作压力就是系统正常工作时泵所能提供的最高工作压力,液压泵的最高工作压力是选择液压泵型号的最重要依据。
根据公式,其中为执行机构所需的最大压力;为液压泵的出口至执行机构进口之间的总的压力损失,有调速阀和管路较复杂的系统取。 液压泵的最大供油量按执行元件工况图上的最大工作流量及回路系统中的泄漏量来确定,即,其中为修正系数,一般取;为液压缸流量之和的最大值。 已知,,根据查表如下表6所示 表6。
泵的参数表 泵的类型 压力 (MPa) 额定流量 (L/min) 最大 常用 最大 常用 外啮合齿轮泵 30 1~10 400 3~100 内啮合齿轮泵 35~40 30 450 200 定量叶片泵 17/5 12/5 200 5~150 变量叶片泵 12/5 7/5 * 100~150 螺杆泵 17/5 3~6 7500 3~1000 变量轴向柱塞泵 7 30~35 1000 * 斜轴泵 70 25~30 800 * 径向柱塞泵 100 30~40 2000 * 因此,选择外啮合齿轮泵作为此液压系统的液压泵最为合适。 由下表7可以确定此外啮合齿轮泵的型号。 表7。
外啮合齿轮泵的型号 类型 型号 排量/ (mL/r) 转速/(r/min) 压力/MPa 容积效率(%) 额定 最高 额定 最高 外啮合齿轮泵 G20 23~87 — 2300~3600 14~23 — 87~90 G30 58~161 — 2200~3000 14~23 — ≥90 GPC4 20~80 2300~3300 — 18~25 — ≥80 综合考虑选择型号为的外啮合齿轮泵作为此液压系统的液压泵。 3.2。
电动机的选择 驱动液压泵的电动机功率可由公式:计算得出,式中已知液压泵的最高供油压力,液压泵的实际输出流量。 液压泵的总效率可查询下表8可知, 表8。
液压泵的总效率 性能参数表/类型 齿轮泵 外啮合 内啮合 楔块式 摆线转子式 总效率(%) 63~87 ≤90 65~80 外啮合齿轮泵的总效率为%,可取%。 将已知的数据代入公式计算可得到电动机的功率: ,而电动机的选择必须要兼顾功率与转速,如下表9所示, 表9。
电动机的参数 型号 功率KW 转速r/min 电流A 重量kg Y132S1—2 5.5 2900 11.1 64 Y160M1—2 11 2930 21.8 117 Y160L—2 18.5 2930 35.5 147 Y180M—2 22 2940 42.2 180 Y200L1—2 30 2950 56.9 240 经过前面的计算知道电动机的功率,又知道型号的外啮合齿轮液压泵的额定转速为。因此选择功率为,转速为,型号为的液压电动机最为合适。 3.3。
阀类元件的选择 类别 型号 压力范围/ MPa 额定流量/ (L/min) 额定通径/mm 溢流阀 D系列直动式溢流阀 0.7~25 16 —— 调速阀 FCG—03型调速阀 ~21 38~106 10(3。
8) 行程阀 WM型行程换向阀 ~32 40~100 6。
10 单向节流阀 MK型单向节流阀 ~31.5 15~400 6~30 两位两通电磁换向阀 WMM型电磁换向阀 ~32 40~100 6。
10。
16 三位四通换向阀 DG4V—5型电磁换向阀 ~31.5 ~120 10 3.4。
管路和接头选择 液压系统油管参照如下表10所示油泵流量与推荐油管通径进行选择。 国家标准中: 吸油管路的推荐流速为:; 回油管路的推荐流速为:; 压力油管路中的推荐流速为: ;。
;。
;。
;。
表10 油泵流量与推荐油管通径 流量L/min 吸油管 1.2~1.3m/s 回油管 1.7~2.5m/s ≤25bar 2.5~3m/s ≤50bar 3.5~4m/s ≤100bar 4.5~5m/s 5 9.4 9.0 7.9 6.5 6.5 6.0 5.5 5.2 4.8 4.6 10 13.3 12.8 11.2 9.2 9.2 8.4 7.8 7.3 6.9 6.5 15 16.3 15.6 13.7 11.3 11.3 10.3 9.5 8.9 8.4 8.0 20 18.8 18.1 15.8 13.0 13.0 11.9 11.0 10.3 9.7 9.2 30 23.0 22.1 19.4 16.0 16.0 14.6 13.5 12.3 11.9 11.3 综合考虑,此液压系统回路中的油管选择流量为,吸油管流速为,通径为;回油管流速为,通径为;压力油管路,流速为,通径为最为合适。 利用卡套变形卡住管道并进行密封,结构先进,性能良好,重量轻,体积小使用方便,广泛应用于液压系统中,因此选择卡套式管接头作为此液压系统的油管接头。 管接头螺纹由下表11所示可知 表11。
管接头螺纹。
管接头连接螺纹/mm 公称压力pn/MPa 推荐管道通过流量 ≤2.5 ≤8 ≤16 ≤25 ≤31.5 cm3/s L/min 管道壁厚/mm。
1 1 1 1 1.4 10.5 0.63 1 1 1 1.4 1.4 41.7 2.5 M10×1 1 1 1 1.6 1.6 105 6.3 M14×1.5 1 1 1.6 2 2 417 25 M18×1.5 1 1.6 1.6 2 2.5 668 40 M22×1.5 1.6 1.6 2 2.5 3 1050 63 M27×2 1.6 2 2.5 3.5 4 1670 100 M33×2 2 2 3 4.5 5 2670 160 M42×2 2 2.5 4 5 6 4170 250 M48×2 2.5 3 4.5 5.5 7 6680 400 M60×2 3 3.5 5 6.5 8.5 10500 630 综合考虑应选择管接头螺纹为。 3.4.2 油箱的选择 (1) 油箱选择要点。
油箱必须有足够大的容积,一方面尽可能地满足散热要求,另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质,而工作时又能保持适当的液位。如下表16油箱容量所示。 表12。
油箱容量 4L 6L 10L 25L 40L 63L 100L 160L 250L 315L 400L 500L 630L 800L 1000L 1250L 1600L 2000L 3150L 4000L 5000L 6300L — — 油箱的容量与系统的流量有关,一般容量可取最大流量的倍。开式油箱结构简单,安装维护方便,液压系统普遍采用这种形式。因此,选择油箱容量为的开式油箱作为此液压系统的油箱最为合适。 另外,吸油管及回油管应插入最低液面以下,以防止吸空和回油飞溅产生气泡。并且吸油管及回油管之间的距离要尽可能的远一些,之间应设置隔热板,以加大液流循环的途径,这样能提高散热,达到分离空气及沉淀杂志的效果。隔板高度为液面高度的。 油箱的底部应距地面以上,以便于搬运,放油和散热。在油箱的适当位置要设吊耳,以便吊运,还要设置液位计,以监视液位。还要对油箱内表面进行防腐处理。 3.4.3 过滤器的选择 由于开式油箱直接与大气相通,为了在油箱液面上升与下降形成油箱呼吸的时候,不致使大气中的灰尘等吸入油箱,必须安装空气过滤器,保持油液的清洁。 选择QLS—1—10型号的吸湿空气过滤器,具有透明壳体,使得吸湿剂状态变化引起色彩变化一目了然;另外,封闭式的结构,不经吸湿器而直接将空气排出大气,延长吸湿剂使用寿命;它的成本低廉,并且吸湿剂可经干燥后重复使用而降低维护费用。 4. 绘制原理图 4.1。
液压系统原理图 如下图11所示在液压原理草图上添加了滤油器防止油液参杂过多的杂质,影响阀类零件的正常工作,使系统发热升温。增加保压回路是为了保证在系统压力不足时作为一个补给能源,当系统压力过大时可以吸收多余部分的能量,确保整个液压系统正常的运作。并且把节流调速回路中的节流阀换为调速阀,使得速度的稳定性得到很大的提高。 当三位四通电磁换向阀1YA得电时,液压缸快速伸出。当液压缸的活塞杆运动到一定程度时,活塞杆上的标尺会触碰到行程开关S2,使得两位两通阀左位工作,那么油液只能改道流走节流阀,此时液压缸实现工进。当2YA得电,1YA和3YA失电时,三位四通的电磁换向阀右位开始工作,这时候油液流入液压缸有杆腔,液压缸快速缩回。当1YA,3YA失电,2YA得电时,三位四通的中位工作,利用M型的中位机能,实现液压缸的动作锁止。
4.2。
液压元件型号及规格 一个完整的液压系统由动力元件,执行元件,控制元件,辅助元件,工作介质五个部分组成,经过上面的计算得出系统的工作压力和通过各个阀类元件,辅助元件的流量,并且参照国家规定的安装尺寸标准,得出如下表13所示的液压元件型号及规格表。 表13。
液压元件型号及规格 序号 名称 型号及规格 额定流量/ (L/min) 1 液压泵 GPC4型外啮合齿轮泵 3~100 2 溢流阀 DG—02 16 3 滤油器 QLS—1—10 11.47 4 调速阀 FCG—03型调速阀 38~106 5 三位四通换向阀 DG4V—5型电磁换向阀 ~120 6 单向节流阀 MK型单向节流阀 15~400 7 两位四通电磁换向阀 WMM型电磁换向阀 40~100 8 液压缸 HSGF型单活塞杆式双作用液压缸。
9 蓄能器 NXQl—L0.25/*—H。
10 行程阀 WM型行程换向阀 40~100 11 节流阀 SR(C)T—03 3~30 12 单向阀 AF3—Ea10B 4.875 5. 基于FLUIDSIM的系统仿真。
6. 总结。
这次课程设计的内容是小型液压机液压系统的设计,对我们来说液压系统的设计是门新的知识,在设计程中,碰到了此与以往不同的方法及概念, 总结起来,我认为最大的欠缺就是缺乏一个整体的观念,常常在不经意中,只考虑到满足一个或几个性能要求,而没有以一个整体的思想来考虑问题。比如,我们设计系统图时,很容易忘记考虑系统保压和液压泵卸荷等问题,假如忘记考虑这些问题,就难以实现预定的工作要求。为此我也花了很长时间,经过反复思考最终设计出符合工作要求的系统图。
另一方面, 在这次的设计中,我用到了些经验公式以及一些在一定范图内取值的数据,以前我习惯了在精确公式及数值下计算,而且在查阅工具书方面的能力还不足,还需要在今后的设计中进一步加强。出现以上的种缺陷的关键问 题在于我缺乏这方面专业能力的锻炼。但经过这次课程设计之后让我对于液压。
成都系统的应用更加了解。还有设计的时候应该具有严紧的态度因为很多工程问题都是人命关天。所以我们要从现在开始就养成一种严谨的学习和工作态度。以后在工作中才能尽量避免些重大失误。
通过这次的课程设计让现对液压系统以及液压阀件有了更深的认识,对设计液压装备时应有的的要求有了新的见解,完成同样的要求,有不同的设计方案。但是我们应向使用性能,结构,经济性更优的方向发展。当然这还需婴我们不断寻求更经济实惠的设计。
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