1、.目录摘要IAbstractII1 绪 论11.1 液压传动系统概况11.1.1 液压传动技术的发展与研究动向11.1.2 我国液压系统的发展历程21.1.3 液压传动技术的应用31.2 液压机的概况31.3 液压机的发展42 200T液压机液压系统设计62.1 液压系统设计要求62.1.1 液压机负载确定62.1.2 液压机主机工艺过程分析62.1.3 液压系统设计参数62.2 液压系统设计62.2.1 液压机主缸工况分析62.2.2 液压机顶出缸工况分析92.3 液压系统原理图拟定112.3.1 液压系统供油方式及调速回路选择112.3.2 液压系统速度换接方式的选择122.3.3 液压控
2、制系统原理图122.3.4 液压系统控制过程分析132.3.5 液压机执行部件动作过程分析142.4 液压系统基本参数计算162.4.1 液压缸基本尺寸计算162.4.2 液压系统流量计算182.4.3 电动机的选择202.4.4 液压元件的选择222.5 液压系统零部件设计232.5.1 液压机主缸设计232.5.2 液压机顶出缸设计282.5.3 液压油管选择302.5.4 液压油箱设计322.6 液压系统安全稳定性验算332.6.1 液压系统压力损失验算332.6.2 液压系统温升验算373 200T液压机电气系统设计403.1 电气控制概述403.2 液压机电气控制方案设计403.2.
3、1 液压机电气控制方式选择403.2.2 电气控制要求与总体控制方案403.3 液压机电气控制电路设计413.3.1 液压机主电路设计413.3.2 液压机控制电路设计413.3.3 电气控制过程分析42结 论44参考文献45致 谢46附录A 液压机使用说明书47.2 200T液压机液压系统设计2.1 液压系统设计要求2.1.1 液压机负载确定液压机的最大工作负载为2000KN，工进时液体最大压力为25Mpa。2.1.2 液压机主机工艺过程分析 压制工件时主机的工艺过程：按下启动按钮后，主缸上腔进油，横梁滑块在自重作用下快速下行，此时会出现供油不足的情况，补油箱对上缸进行补油。触击快进转为工进
4、的行程开关后，横梁滑块工进，并对工件逐渐加压。工件压制完成后进入保压阶段，让产品稳定成型。保压结束后，转为主缸下腔进油，滑块快速回程，直到原位后停止。横梁滑块停止运动后，顶出缸下腔进油，将工件顶出，工件顶出后，顶出缸上腔进油，快速退回。2.1.3 液压系统设计参数最大负载：2000KN； 工进时系统最大压力：25MPa主缸回程力：400KN； 顶出缸顶出力：350KN主缸滑块快进速度：0.08m/s； 主缸最大工进速度：0.006m/s主缸回程速度：0.03m/s； 顶出缸顶出速度：0.02m/s顶出缸回程速度：0.05m/s2.2 液压系统设计2.2.1 液压机主缸工况分析1) 主缸速度循环
5、图 根据液压机系统设计参数中主缸滑块行程为700mm，可以得到主缸的速度循环图如下：图2.1 主缸速度循环图2) 主缸负载分析液压机启动时，主缸上腔充油主缸快速下行，惯性负载随之产生。此外，还存在静摩擦力、动摩擦力负载。由于滑块不是正压在导柱上，不会产生正压力，因而滑块在运动过程中所产生的摩擦力会远远小于工作负载，计算最大负载时可以忽略不计。液压机的最大负载为工进时的工作负载。通过各工况的负载分析，液压机主缸所受外负载包括工作负载、惯性负载、摩擦阻力负载，即： F = Fw + Ff + Fa ( 2.1 )式中： F 液压缸所受外负载； Fw 工作负载； Ff 滑块与导柱、活塞与缸筒之间的摩
6、擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力负载，启动后为动摩擦力负载； Fa 运动执行部件速度变化时的惯性负载。 (1) 惯性负载Fa计算 计算公式： Fa = ( 2.2 )式中： G 运动部件重量； g 重力加速度9.8m/； 时间内的速度变化量； 加速或减速时间，一般情况取=0.010.5s。查阅相同型号的四柱液压机资料，初步估算横梁滑块的重量为30KN。由液压机所给设计参数可及：=0.08m/s ，取=0.05s，代入公式2.2中。即：Fa = = 4898N(2) 摩擦负载Ff计算滑块启动时产生静摩擦负载，启动过后产生动摩擦负载。通过所有作用在主缸上的负载可以看出，工作负载远大于其它形式的负载。
7、由于滑块与导柱、活塞与缸体之间的摩擦力不是很大，因而在计算主缸最大负载时摩擦负载先忽略不计。(3) 主缸负载F计算将上述参数Fa = 4898N 、Fw = 2000000N代入公式2.1中。即： F = 2000000 + 4898 = 2004898N3) 主缸负载循环图 (1) 主缸工作循环各阶段外负载如表2.1表2.1 主缸工作循环负载工 作 循 环外 负 载启 动F = f静 + Fa25KN横梁滑块快速下行F = f动忽略不计工 进F = f动 + Fw2000KN快速回程F = f 回+ F背400 KN注：“f静”表示启动时的静摩擦力，“f动”表示启动后的动摩擦力。(2) 主缸
8、各阶段负载循环如图2.2图2.2 主缸负载循环图2.2.2 液压机顶出缸工况分析1) 顶出缸速度循环图 根据液压机系统设计参数和表2.1中顶出缸活塞行程为250mm，得到顶出缸的速度循环图如下：图2.3 顶出缸速度循环图2) 顶出缸负载分析主缸回程停止后，顶出缸下腔进油，活塞上行，这时会产生惯性、静摩擦力、动摩擦力等负载。由于顶出缸工作时的压力远小于主缸的工况压力，而且质量也比主缸滑块小很多，惯性负载很小，计算时可以忽略不计；同理摩擦负载与顶出力相比也很小，也可不计；工件顶出时的工作负载比较大，计算顶出缸的最大工作负载时可以近似等于顶出力。将参数代入公式2.1计算顶出缸的最大负载。即：F =
9、Fw = 350000N式中： Fw 顶出力；3) 顶出缸负载循环图(1) 顶出缸工作循环各阶段外负载如表2.2表2.2 顶出缸工作循环负载工 作 循 环外 负 载启 动F = F静 + Fa忽略不计顶出缸顶出F = = f 动 + Fw1750 KN快速退回F = f 动 + F背8 KN 注：“f静”表示启动时的静摩擦力，“f动”表示启动后的动摩擦力。 (2) 顶出缸各阶段负载循环如图2.4图2.4 顶出缸负载循环图2.3 液压系统原理图拟定2.3.1 液压系统供油方式及调速回路选择液压机工进时负载大，运动速度慢，快进、快退时的负载相对于工进时要小很多，但是速度却比工进时要快。为了提高液压
10、机的工作效率，可以采用双泵或变量泵供油的方式。综合考虑，液压机采用变量泵供油，基本油路如图2.5所示。由于液压机工况时的负载压力会逐步增大，为了使液压机处于安全的工作状态，调速回路采用恒功率变量泵调速回路。当负载压力增大时，泵的排量会自动跟着减小，保持压力与流量的乘积恒为常数，即：功率恒定，如图2.6所示。图2.5 液压机基本回路图1-液压缸 2-油箱 3-过滤器 4-变量泵 5-三位四通电磁换向阀图2.6 恒功率曲线图2.3.2 液压系统速度换接方式的选择 液压机加工零件的过程包括主缸的快进、工进、快退和顶出缸的顶出、快速回程。采用什么样的方式进行速度的安全、准确换接是液压机稳定工作的基础。
11、为了达到控制要求，液压系统的速度换接通过行程开关控制。这种速度换接方式具有平稳、可靠、结构简单、行程调节方便等特点，安装也很容易。2.3.3 液压控制系统原理图液压系统采用插装集成控制系统，该控制系统具有密封性好、流通能力大、压力损失小、易于集成等优点。液压机系统控制原理如图2.7所示。 1、2、6、18、15、10、11-先导溢流阀 1S、2S、3S-行程开关 3、7-缓冲阀 14-单向阀 4、5、8、9、12、13、16、17、19、20-电磁换向阀 21-补油邮箱 22-充液阀 23、24-液压缸 25-压力表 F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10-插装阀 26-
12、变量泵 27-过滤器 28、29、30、31-梭阀图2.7 液压机插装阀控制系统原理图2.3.4 液压系统控制过程分析 整个液压控制系统包括五个插装阀集成块，插装阀工作原理分析如下： F1、F2组成进油调压回路，其中F1为单向阀，用于防止系统中液压油倒流回泵，F2的先导溢流阀2用于调整系统的压力，先导溢流阀1用于限制系统的最高压力，缓冲阀3与电磁换向4用于液压泵卸载和升压缓冲； F3、F4组成主缸23油液三通回路，先导溢流阀6是用于保证主缸的安全阀，缓冲阀7与电磁换向阀8用于主缸上腔卸压缓冲； F5、F6组成主缸下腔油液三通回路，先导溢流阀11用于调整主缸下腔的平衡压力，先导溢流阀10为主缸下
13、腔安全阀； F7、F8组成顶出缸上腔油液三通回路，先导溢流阀15为顶出缸上腔安全阀，单向阀14用于顶出缸作液压垫，活塞浮动时上腔补油； F9、F10组成顶出缸下腔油液三通回路，先导溢流阀18为顶出缸下腔安全阀。 除此之外，进油主阀F3、F5、F7、F9的控制油路上都有一个压力选择梭阀，用于保证锥阀关闭可靠，防止反压开启。2.3.5 液压机执行部件动作过程分析液压机主缸、顶出缸工作循环过程分析如下：1) 主缸 (1) 启动按下启动按钮，所有电磁铁处于失电状态，三位四通电磁阀4阀芯处于中位。插装阀F2控制腔经阀3、阀4与油箱接通，主阀开启。液压泵输出的油液经阀F2流回油箱，泵空载启动。 (2) 主
14、缸滑块快速下行电磁铁1Y、3Y、6Y得电，这时插装阀F2关闭，F3、F6开启，泵向系统供油，输出油液经阀F1、F3进入主缸上腔。主缸下腔油液经阀F6快速流回油箱。滑块在自重作用下快速下行，这时会因为下行速度太快，泵的输出流量来不及填充上腔而在上腔形成负压。充液阀21打开，上部油箱对上腔进行补油，滑块的快速下行。 (3) 滑块减速下行当滑块行至一定位置触动行程开关2S后，电磁铁6Y失电，7Y得电，插装阀F6控制腔先导溢流阀11接通，阀F6在阀11的调定压力下溢流，主缸下腔会产生一定的背压。主缸上腔的压力这时会相应升高，充液阀21关闭。主缸上腔进油仅为泵的输出流量，滑块减速下行。 (4) 工进当滑
15、块减速行进一段距离后接近工件，主缸上腔的压力由压制负载决定，主缸上腔的压力会不断升高，变量泵输出流量会相应自动减少。当主缸上腔的压力达到先导溢流阀2的调定压力时，泵的输出流量全部经阀F2溢流，此时滑块停止运动。 (5) 保压当主缸上腔的压力达到所需要求的工作压力后，电接点压力表发出电信号，电磁铁1Y 、3Y、7Y全部失电，阀F3、F6关闭。主缸上腔闭锁，实现保压，同时阀F2开启，泵卸载。 (6) 主缸上腔泄压主缸上腔此时的压力已经很高，保压一段时间后，时间继电器发出电信号，电磁铁4Y得电，阀F4控制腔通过缓冲阀7及电磁换向阀8与油箱接通，由于缓冲阀7的作用，阀F4缓慢开启，主缸上腔实现无冲击泄
16、压，保证设备处于安全工作状态。 (7) 主缸回程当主缸上腔的压力降到一安全值后，电接点压力表发出电信号，电磁铁2Y、5Y、4Y、12Y得电，插装阀F2关闭，阀F4、F5开启，充液阀21开启，压力油经阀F1、F5进入主缸下腔，主缸上腔油液经充液阀21和阀F4分别流回上部油箱和主油箱，主缸完成回程。 (8) 主缸停止当主缸回程到达上端点，触击行程开关1S，全部电磁铁失电，阀F2开启，泵卸载。阀F5将主缸下腔封闭，上滑块停止运动。2) 顶出缸 (1) 工件顶出当主缸回程停止运动后，按下顶出按钮，电磁铁2Y、9Y、10Y得电，插装阀F8、F9开启，液压油经阀F1、F9进入顶出缸下腔，上腔油液经阀F8流
17、回油箱，工件顶出。 (2) 顶出缸退回按下退回按钮，电磁铁9Y、10Y失电，电磁铁2Y、8Y、11Y得电，插装阀F7、F10开启，液压油经阀F1、F7进入顶出缸上腔，下腔油液经阀F10流回油箱，顶出缸回程。3) 液压系统电磁铁动作顺序表 电磁铁动作顺序如表2.3表2.3 液压机液压系统电磁铁动作顺序表执行部件工况1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12Y主缸快速下行+工进、加压+保压泄压+回程+停止顶出缸顶出+退回+停止注：“+”表示电磁铁处于得电状态，“”表示电磁铁处于失电状态。2.4 液压系统基本参数计算2.4.1 液压缸基本尺寸计算1) 主缸工作压力、内径、活塞杆直径的确定因
18、液压机的工作负载比较大，取主缸的工作压力为P=25MPa。计算主缸内径和活塞杆直径。由主缸负载图3.2可知最大负载F=2000KN。查表2-3 1，由主缸工作压力为25MPa选取d/D为0.7，取液压缸的机械效率cm = 0.95。液压缸受力如图2.8所示。 图2.8 液压机主缸受力简图 由图2.8可知D= (2.3)式中： P1液压缸工作压力； P2液压缸回路背压，对于高压系统初算时可以不计； F工作循环中最大负载； cm液压缸机械效率，一般cm = 0.90.95。将参数代入公式（2.3），P2忽略不计，可求得液压缸内径 即： D=mm327mm查表2-4 1,将液压缸的内径圆整为标准系列
19、直径，取D=320mm；那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。 即：d=0.7D=0.7x327229mm同理查表2-5 1,将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取d=220mm。经过计算液压机主缸的内径、活塞杆直径分别为：D=320mm ；d=220mm。2) 顶出缸工作压力、内径、活塞杆直径的确定顶出缸工作负载与主缸相比要小很多，查表2-1 1,取顶出缸的工作压力P=12MPa,计算顶出缸内径和活塞杆直径。由顶出缸负载图2.4可知最大负载F=350KN。查表2-3 1，缸工作压力为12MPa，选取d/D为0.7，取液压缸的机械效率cm = 0.95。液压缸受力如图2.9所示。 图2.9 液压
20、机顶出缸缸受力简图将参数代入公式（2.3），P2忽略不计，可求得液压缸内径 即：D=mm198mm查表2-4 1,将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=200mm；那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。即：d=0.7D=0.7x198138mm同理查表2-5 1,将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取d=140mm。经过计算液压机顶出缸的内径、活塞杆直径分别为：D=200mm ；d=140mm。2.4.2 液压系统流量计算1) 主缸所需流量计算由设计参数及主缸的尺寸，对主缸各个工况所需流量进行计算。已知主缸的快进速度为0.08m/s，工进速度为0.006m/s，快速回程速度为0.03m/s，主
21、缸内径为320mm，活塞杆直径为220mm。由流量计算公式： （2.4）快进时：=385.8L/min工进时： =28.8L/min 快退时： =76.2L/min2) 顶出缸所需流量计算 由设计参数及顶出缸的尺寸，对顶出缸各工况所需流量进行计算。已知顶出缸的顶出速度为0.02m/s，快退速度为0.05m/s，顶出缸内径为200mm，活塞杆直径为140mm，代入公式（2.4），即：顶出时：=37.8L/min 快退时： =48L/min3) 液压泵额定压力、流量计算及泵的规格选择(1) 泵工作压力确定实际工作过程中，液压油在进油路中有一定的压力损失，因此在计算泵的工作时必须考虑压力损失。泵的工
22、作压力计算公式为： （2.5）式中： Pp液压泵最大工作压力； P1执行部件的最大工作压力； 进油路中的压力损失，对于简单的系统，取0.20.5MPa，对于复杂系统，取0.51.5MPa。本液压机执行部件的最大工作压力P1=25MPa，进油路中的压力损失，取=0.5MPa。代入公式（2.5）可求得泵的工作压力。即：通过计算，泵的工作压力Pp=25.5MPa。该压力是系统的静压力，而系统在各种工矿的过渡阶段出现的动态压力有时会超过静压力。此外，为了延长设备的使用寿命，设备在设计时必须有一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此在选取泵的额定工作压力Pn时，应满足，取Pp=1.25。即：Pn = 1.
23、25Pp=1.25x25.5MPa31.9MPa(2) 液压泵最大流量计算通过对液压缸所需流量的计算，以及各自的运动循环原理，泵的最大流量可由公式(2.6)计算得到。 (2.6)式中：液压泵的最大流量；KL液压系统泄漏系数，一般取KL=1.11.3，取KL=1.2；同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正处于溢流状态，还应加上溢流阀的最小溢流量。将参数代入公式（2.6）中，即：463L/min(3) 液压泵规格选择查表5-17 1，根据泵的额定压力，选取液压泵的型号为：250YCY14-1B。基本参数如下：排量：250mm/r ；额定压力：32MPa ；额定转速：1000r/
24、min ；容积效率：92% 。(4) 泵的流量验算：由液压泵的基本参数可知泵每分钟排量=160ml/r1000r/min=250L/min，而泵实际所需的最大流量=463L/min，液压机出现供油不足，快进无法实现。为了满足液压机的正常快进，必须在液压系统中设置补油油箱。2.4.3 电动机的选择液压机的执行件有两个，即：主缸和顶出缸。主缸和顶出缸各自工况的快进、工进、回程速度又不尽相同，这样对功率的消耗也不同。电动机额定功率的确定必须根据消耗功率最大的工况来确定，因此要分别计算主缸、顶出缸各工况消耗的功率。功率计算公式如下： P= (2.7)式中：P-电动机额定功率；Pp-液压泵的工作压力；-
25、液压泵的流量；-液压泵的总效率，取=0.7。1) 主缸各工况功率计算(1) 快进功率主缸滑块快进时，在自重作用下速度比较快，而液压泵此时的输出油量不能满足滑块的快速下行。快进时的负载很小，只有活塞与缸筒、导柱与滑块之间的摩擦负载，这样泵的出口压力也很小，消耗的功率不会很大。(2) 工进功率由主缸负载循环图2.2可及，工进时主缸最大负载为2000KN，无杆腔面积A=0.08，进油回路压力损失取P=0.5MPa，则液压泵的压力Pp由公式（2.8）计算。 （2.8） 即： 将、=28.8L/min、=0.7代入公式（2.7）中，求得工进功率为：(3) 快退功率由图2.2可知，快退负载为400KN,，
26、取进油回路压力损失取P=0.5MPa，代入公式（3.8），求得泵的压力。 即：将、=76.2L/min、=0.7代入公式（2.7）中，求得快退功率即为：2) 顶出缸各工况功率计算(1) 顶出功率由顶出缸负载循环图2.4可及，顶出时主缸最大负载为350KN，无杆腔面积A=0.032，进油回路压力损失取P=0.5MPa，那么液压泵的压力Pp可由公式（2.8）计算。即：将、=37.8L/min、=0.7代入公式（2.7）中，求得工进功率即为：(2) 回程功率顶出缸回程时，负载只有活塞与缸筒间的摩擦负载。负载大小应该比顶出时的负载要小很多，这样回程消耗的功率也比顶出时消耗的功率要小，因此，回程功率计算
27、从略。(3) 电动机额定功率及型号的确定电动机额定功率的确定，应依据消耗功率最大的工况。比较主缸、顶出缸各工况所需要的功率，主缸工进时的功率最大，为17.5KW。查表12-1 2，选取电动机型号为：Y180M-4。其它技术参数为：额定功率：18.5KW ； 满载转速：1470r/min 。2.4.4液压元件的选择表2.4 液压元件明细表序 号液 压 元 件 名 称元 件 型 号额定流量（L/min）1溢 流 阀YEF3-E25B1202溢 流 阀YEF3-E20B1204电磁换向阀34F3P-E16B805电磁换向阀24F3-E16B806溢 流 阀YEF3-E25B1208电磁换向阀24F3-E16B809电磁换向阀24F3-E16B8010溢 流 阀YEF3-E25B12011溢 流 阀YEF3-E20B12012电磁换向阀34F3O-E16B8013电磁换向阀24F3-E16B8014单向阀AF3-Eb20B10015溢 流 阀YEF3-E25B12016电磁换向阀24F3-E16B8017电磁换向阀24F3-E16B8018溢 流 阀YEF3-E25B12019电磁换向阀24F3-E16B8020电磁换向阀24F3-E16B8022充液阀YAF3-Ea20B15025压力表KF3E6L24026变量泵250YCY14-1B25027过滤器WU-250X180F250
