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板料折弯液压系统设计资料
板料折弯机液压系统设计
第1章液压传动系统简介
液压传动是以液体为工作介质来传递动力(能量)的,它又分为液压传动和液力传动两种形式。
液压传动中心是以液体压力能来进行传递动力的,液力传动主要是以液体动能来传递动力。
液压系统是利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能,g经各种控制阀、管路和液压执行元件将液体的压力能转换成为机械能,来驱动工作机构,实现直线往复运动和会回转运动。
油箱液压泵溢流阀、节流阀、换向阀、液压缸及连接这些元件的油管、接头等组成了驱动机床工作台的液压系统。
液压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一,其发展速度仅次于电子技术,特别是近年来液压与微电子、计算机技术相结合,使液压技术的发展进入了一个新的阶段。
从70年代开始,电子学和计算机进入了液压技术领域,并获得了重大的效益。
例如在产品设计、制造和测试方面,通过利用计算机辅助设计进行液压系统和元件的设计计算、性能仿真、自动绘图以及数据的采取和处理,可提高液压产品的质量、降低成本并大大提高交货周期。
总之,液压技术在与微电子技术紧密结合后,在微计算机或微处理器的控制下,可以进一步拓宽它的应用领域,使得液压传动技术发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术,使它在国民经济的各方面都得到了应用。
在车、铣、刨、磨、钻各类液压机床中,主要利用液压技术可在较宽范围内进行无级调速,具有良好的换向及换接性能,易于实现工作循环等优点,完成工件及刀具的加紧、控制进给速度和驱动主轴作业,尽管现代数控机床、加工中心等先进制造设备中采用离电伺服系统,但采用液压传动与控制仍然是现代金属切削机床自动化的重要途径。
在锻造机、液压机、折弯机、剪切机等压力加工设备中,主要利用液压传动传递力较大、便于压力调节控制和过载保护的特点,进行下料、成形加工等作业。
铸造、锻压、焊接、热处理等机器设备的生产作业环境极为恶劣,温度高、粉尘多、湿度大、有腐蚀性气体、振动噪声大。
因此要求机器要有良好的适应性、可靠性和维护性。
在造型机及浇铸机、焊接机、淬火机等铸造、焊接及热处理机器设备中,主要利用液压技术便于无级调速和远距离遥控作业等特点,进行造型及铸型输送与浇铸、高温零件抓取等作业,以减轻劳动者劳动强度、避免和减少热辐射和有害气体对人身的侵袭并提高生产率。
1.1工作原理
液油在电动机驱动液压泵的作用下经滤油器从油箱中被吸出,加油后的液油由泵的进油口输入管路。
再经开停阀节流阀换向阀进入液压缸,推动活塞而使工作台左右移动。
液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。
节流阀用来调节工作台的移动速度。
调大节流阀,进入液压缸的油量增多,工作台的移动速度就增大;调小节流阀,进入液压缸的油量就减少,工作台的移动速度减少。
故速度是由油量决定的,液压系统的原理图见图2。
1.2液压系统的基本组成
(1)动力元件:
液压缸——将原动机输入的机械能转换为压力能,向系统提供压力介质。
(2)执行元件:
液压缸——直线运动,输出力、位移;液压马达——回转运动,输出转矩
转速。
执行元件是将介质的压力能转换为机械能的能量输出装置。
(3)控制元件:
压力、方向、流量控制的元件。
用来控制液压系统所需的压力、流量、方向和工作性能,以保证执行元件实现各种不同的工作要求。
(4)辅助元件:
油箱、管路、压力表等。
它们对保证液压系统可靠和稳定工作具有非常重要的作用。
(5)工作介质:
液压油。
是传递能量的介质。
第2章板料折弯系统工况分析计算
2.1技术要求
本板料折弯机液压系统设计要求液压系统完成滑块的快速下降→慢速加压→快速回程的工作循环。
要求生产效率高,功率损耗小,发热少,工作平稳,安全可靠,防止速度失控现象。
技术参数如下:
最大折弯力为8.5×105N。
滑块重力为1.35×104N,快速下降速度2.05×10-2m/s,慢速加压速度1.08×10-2m/s,快速上升速度4.9×10-2m/s。
快速下降行程0.175m,慢速加压行程0.025m,快速上升行程0.2m。
启动、制动时间为0.18s,忽略导轨摩擦力。
2.2负载分析和运动分析
由于折弯机为立式布置,行程较小(仅0.2m),且往复速度不同,故选用缸筒固定的立置单杆活塞缸(取缸的机械效率ηcm=0.91),作为执行元件驱动滑块及折弯机构对板料进行折弯作业。
根据技术要求和已知参数对液压缸各工况外负载进行计算,其计算结果如下:
工况
计算公式
液压缸负载F/N
说明
快速下降
启动加速
156.7
折弯时压头上的工作负载可分为两个阶段:
初压阶段,负载力缓慢的线性增加,约达到最大折弯力的5%,其行程为20mm;终压阶段,负载力急剧增加到最大折弯力,上升规律近似于线性,行程为5mm。
等速
0
慢速折弯
初压
42500
终压
850000
快速回程
启动
13875
等速
F=G
13500
制动
13125
根据已知参数持续时间计算结果如下:
工况
计算公式
时间/s
说明
快速下降
t1=L1/v1
8.54
折弯时压头上的工作负载可分为两个阶段:
初压阶段,其行程为L2=20mm;终压阶段,行程为L’2=5mm。
慢速折弯
初压
t2=L2/v2
1.85
终压
t3=L’2/v2
0.46
快速回程
启动
t4=L3/v3
4.08
利用以上计算数据做液压缸负载循环图和速度循环图
2.3确定液压缸参数,编制工况图
根据类比法按主机类型选择元件的设计压力,查询相关资料,初选液压缸的工作压力p1=23MPa。
液压缸无杆腔为主工作腔,根据液压缸下行时滑块自重采用液压方式平衡,则计算液压缸无杆腔有效面积
活塞直径
按GB/T2348-1993,取标准值D=250mm。
根据快速下行与快速上升的速度比确定活塞杆直径d:
求的d=190mm,取标准值d=180mm
计算无杆腔有效面积
有杆腔有效面积
工作循环中液压缸压力流量计算如下:
工况
计算公式
液压缸负载F/N
工作腔压力p/Pa
输入流量q
cm3/s
L/min
快速下降
启动加速
;
156.7
3510
1005.8
60.35
等速
0
0
-
-
慢速折弯
初压
;
42500
0.952×106
530
31.8
终压
850000
19×106
530→0
31.8→0
快速回程
启动
;
13875
0.645×106
-
-
等速
13500
0.628×106
1157.8
69.5
制动
13125
0.61×106
-
-
工作循环中功率计算如下:
快速下降(启动)阶段:
P1=p1q1=3.53W
快速下降(恒速)阶段:
P1、=0
慢速加压(初压)阶段:
P2=p2q2=504.56W
慢速加压(终压)阶段,压力由0.952MPa增至19MPa,其变化规律
流量由530cm3/s减小至零,其变化规律为
从而得功率
计算得当t=0.218s时功率最大P3=Pmax=2648W,此时p=9.5MPa,q=278.8cm3/s=16.73L/min
快速回程阶段:
P4=p4q4=727W
根据以上分析和计算数据绘制液压缸工况图如下:
功率图
流量图
压力图
第3章拟定液压系统图
3.1确定液压传动系统的类型
液压传动系统的类型究竟采用开式还是采用闭式,主要取决于它的调速方式和散热要求。
一般的设计,凡具备较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统,要求尽可能简单的系统,或采用节流调速或容积---节流调速的系统,都宜采用开式。
在开式回路中,液压泵从油箱吸油,把压力油输送给执行元件,执行元件排出的油则直接流回油箱。
开式回路结构简单,油液能得到较好的冷却,但油箱的尺寸大,空气和赃物易进入回路;凡容许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统,对工作稳定和效率有较高要求的系统,或采用容积调速的系统都宜采用闭式。
在闭式回路中,液压泵的排油管直接与执行元件的进油管相连,执行元件的回油管直接与液压泵的吸油管相连,两者形成封闭的环状回路。
闭式回路的特点是双向液压泵直接控制液压缸的换向,不需要换向阀及其控制回路,液压元件显著减少,液压系统简单,用油不多而且动作迅速,但闭式回路也有其缺点,就是回路的散热条件较差,并且所用的双向液压泵比较复杂而且系统要增设补、排油装置,成本较高,故应用还不普遍。
3.2液压回路的选择
液压机械的液压系统虽然越来越复杂,但是一个复杂的液压系统往往是由一些基本回路组成的。
液压基本回路就是由有关液压元件组成,能够完成某一特定功能的基本回路。
在本设计中选择五种回路,分别为调压回路、调速回路、平衡回路、换向回路和卸荷回路。
1)调压回路
调压回路的功用在于调定或限制液压源的最高工作压力,也就是说能够控制系统的工作压力,使它不超过某一预先调定好的数值,或使工作机构在运动过程中的各个阶段具有不同的工作压力。
调压控制回路包括连续调压回路、多级调压回路、恒压控制回路等。
液压源工作压力级的多少,压力在调节、控制或切换方式上的差异,是这种回路出现多种结构方案的原因,也是对它进行评比、选择时要考虑的因素。
该设计选择溢流阀单级调压回路,溢流阀开启压力可通过调压弹簧调定,如果调定溢流阀调压弹簧的顶压缩量,便可设定供油压力的最高值。
系统的实际工作压力有负载决定,当外负载压力小于溢流阀调定压力时,溢流阀处无溢流流量,此时溢流阀起安全阀作用。
图示2-1油路可靠,价格便宜。
图2-1调压回路
2)调速回路
调速阀调速回路由调速阀、溢流阀、液压泵和执行元件等组成。
它通过改变调速阀的通流面积来控制和调节进入或流出执行元件的流量,从而达到调速的目的。
这种调速回路具有结构简单、工作可靠、成本低、使用维护方便、调速范围大等优点。
用流量控制阀实现速度控制的回路有三种基本方式,节流调速回路分为进油节流调速回路、回油节流调速回路、旁路节流调速回路等。
本设计选用单向进油节流调速回路。
用溢流阀和串联在执行元件进油路上的调速阀调节流入执行元件的油液流量,从而控制执行元件的速度。
基本回路如图2-2所示:
图2-2调速回路
3)平衡回路
平衡回路的功用在于防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重而自行下落。
下图是一种使用单向顺序阀的平衡平很平衡回路。
由图可见,当换向阀左位接入回路使活塞下行时,回油路上存在着一定的背压;只要将这个背压值调得使液压缸内的背压能支承得住活塞与之相连的工作部件,活塞就可以平稳的下落。
当换向阀处于中位时,活塞就停止运动,不在继续下移。
这种回路在活塞向下快速运动时功率损失较大,锁住时活塞和与之相连的工作部件会因单向顺序阀和换向阀的泄漏而缓慢下落;因此它只使用于工作部件重量不大、活塞锁住时定位要求不高的场合。
图2-3平衡回路
4)换向回路
往复直线运动换向回路的功用是使液压缸和与之相连的主机运动部件在其行程终端处迅速、平稳、准确地变换运动方向。
简单的换向回路只须采用标准的普通换向阀。
5)卸荷回路
卸荷回路的功用是在液压泵驱动电机不须频繁启闭的情况下,使液压泵在零压或很低压力下运转,以减少功率损失,降低系统发热,延长液压泵和电机的使用寿命。
图2-4卸荷回路
3.3拟定液压系统回路图
根据上述原则,考虑到折弯机工作时所需功率较大,故采用容积调速方式。
为满足速度的有级变化,采用压力补偿变量液压泵供油。
即在快速下隆时,液压泵以全流量供油,当转换成慢速加压折弯时,泵的流量减速小在最后5mm内,使泵流量减到零。
当液压缸反向回程时,泵的流量恢复到全流量。
液压缸的运动方向采用三位四通M型电液换向阀控制,停机时换向阀处于中位,使液压泵卸荷。
为防止压头在下降过程中由于自重而出现速度失控现象,在液压缸无杆腔回油路上设置一个内控单向顺序阀。
本机采用行程控制,利用行程切换开关来切换电液换向阀,以实现自动循环。
综上拟定的折弯机液压系统原理如下图所示:
元件
动作循环
三位四通换向阀
单项顺序阀
快速下行
右位
顺序阀
慢速加压
右位
顺序阀
快速回程
左位
单向阀
停止
中位
-
第4章液压元件的选择
4.1选择液压泵和电机
由工况图可知,液压最高工作压力出现在加压折弯阶段结束时,p1=19MPa。
此时液压缸输入流量小,且进油路元件少,故可取进油路压力损失为0.5MPa。
算的泵的最高工作压力为
pp=19+0.5=19.5MPa
所需液压泵最大流量按最大流量(69.5L/min)估算,取泄露系数为1.1,则
qp=1.1×69.5=76.45L/min
根据系统所需流量,初选泵转速为n=1500r/min,容积效率暂定为ηv=0.9,可算的泵的排量参考值为
根据以上计算结果查询产品样本,选63YCY14-1-1B压力补偿变量型斜盘式轴向柱塞泵,其额定压力pn=32MPa,排量V=63mL/r,额定转速n=1500r/min,容积效率ηv=0.92.其额定流量为qp=Vnηv=63×1500×0.92=86.49L/min,符合系统对流量要求。
由工况图可知最大功率出现在终压阶段t=0.218s处,由前面的功率分析公式可求的此时的压力为9.5MPa,流量为16.73L/min,可算的液压泵此时的最大理论功率
取泵的总效率为ηp=0.85,则算的液压泵驱动功率为
查手册,选取Y132S-4型封闭式三相异步电动机,其额定功率为5.5KW,额定转速为1440r/min。
按所选电动机转速和液压泵的排量,液压泵的最大实际流量为
qt=nV=1440×63×0.92=83.46L/min>76.45L/min
即大于计算所需流量,满足使用要求。
4.2辅助元件的选择
根据系统的最高工作压力和通过各阀类原件及辅件的最大流量,查阅产品样本,选出各阀类原件及辅件的规格。
序号
元件名称
额定压力/MPa
额定流量/(L/min)
型号、规格
说明
1
液压泵
32
63mL/r(排量)
63YCY14-1-1B
额定转速
1500r/min
2
溢流阀
35
250
通径10mm
3
压力表开关
40
-
AF6EP30/Y400
通径6mm
4
单向阀
31.5
120
S15P
通径15mm
5
电液换向阀
28
160
4WEH10G
通径10mm
6
单向顺序阀
31.5
150
DZ10
7
液压缸
自行设计
通径10mm
8
过滤器
<0.02
100
XU-100×80J
通径32mm
4.3确定管道尺寸
根据工作压力和流量,按流量76.45L/min,取容许流速v=5m/s,计算如下:
查表取管路通径φ=20mm,管子壁厚2.5mm,管接头采用卡套式管接头,连接螺纹M27×2,其他油管元件连接口尺寸决定其尺寸,测压管采用4mm×3mm紫铜管或铝管。
4.4油箱设计
4.4.1油箱的容量设计
油箱的作用主要是储备油,此外,因为油箱有一定的表面积,能够散发油液工作时产生的热量;同时还具有沉淀油液中的污物,使渗入油液中的空气逸出,分离水分的作用;有时它还兼作液压元件和阀块的安装台等功能。
本课题设计的油箱为分离式油箱,单独设计,与主机分开,减少油箱的发热和液压系统振动对主机工作精度的影响。
油箱的有效容积及尺寸的确定
油箱有效容量一般为泵每分钟流量的3~7倍。
对于行走机械,冷却效果比较好的设备,油箱的容量可选择小些;对于固定设备,空间、面积不受限制的设备,则应采用较大的容量。
油箱中油液温度一般推荐30~50℃。
液压油箱有效容积V的确定,其主要依据就是保证泵有足够的流量。
又因为设备停止后,设备中的那部分油液会因为重力作用而流回油箱,为防止液压油液从油箱中溢出,油箱中的液压油位不能太高,一般不应超过液压油箱高度的80%。
计算公式:
V=αQV………………………(2-10)
式中:
V--油箱的有效容积(m3)
α-经验系数,见表2-3
Qp-液压泵的流量(m3/min)
表2-3经验系数α
低压系统
中压系统
高压系统
α
2-4
5-7
6-12
已知:
Qp=76.45L/min
取 经验系数α=10
所以:
V=αQp
=10×76.45
=764.5L
按JB/T7938-1999,取标准值V=800L
4.4.2油箱的结构设计及完成图
油箱的结构应能使油箱实现存油、散热和分离污物及防止污染的作用。
结构设计应注意以下几个问题:
1)开式油箱液面应和大气连通。
为防止空气中的污物进入油箱,油箱上部的通气孔上必须配置空气过滤器。
一般通气孔兼作注油孔用。
2)在液压泵的吸油管路上,必须安装网式过滤器,以清除较大的颗粒杂质,保护液压泵。
过滤器的安装方式应能便于取出过滤器。
3)液压泵的吸入油管和回油管的距离应尽可能远些,管口都应插入最低液面以下,以免发生吸空和回油冲溅产生气泡,管口制成45º斜角,以增大吸油及回油截面,使油液流动速度变化不致过大,斜口应面向箱壁。
两管件之间要用隔板隔开,并使油液循环,将油液中的气泡和杂质分离和沉淀。
为了充分发挥隔板的作用,要设计两块隔板,上面一块隔板隔气泡,下面一块隔板隔杂质。
管端与箱底、箱壁间距离均不宜小于管径的3倍;粗滤油器距箱底不应小于20mm。
4)为了防止油液污染,油箱上各盖板、管口处都要妥善密封。
选择合理的密封方式进行有效密封。
为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养,按GB3766-83规定,箱底离地至少在150mm以上。
箱底应适当倾斜,在最低部位处设置堵塞或放油塞,以便排放污油。
在油箱盖上焊接四个吊钩,油箱上焊两个提手,以便于油箱的搬移。
为了防止油箱内部生锈,应在油箱内壁涂上耐油防锈的涂料。
油箱结构设计后应布置好箱盖上电机、泵、叠加阀的位置,叠加阀应放在一端,这样不仅有利于回油,而且有利于给液压缸供油,电机和泵的位置的确定要考虑为其他辅助元件留下合理的空间。
其次,布置其他辅助元件的位置,为保证箱盖的强度,要加厚箱盖的尺寸,确定采用10mm厚的箱盖钢板。
参照上述计算参数和结构设计要点,绘制油箱结构图如下:
第5章液压传动装置的总体设计
液压装置的总体布置可分为两种,即分散式和集中式。
1)集中式布置
集中式布置是将液压系统的油源、控制及调节装置置于主机之外,构成独立的液压站。
优点:
装配、维修方便,从根本上消除了动力源的振动和油温对主机的影响。
缺点:
单独设置液压站,占地面积大。
2)分散式布置
分散式布置是将液压系统的液压泵、控制调节装置等分别布置在设备的适当位置上。
优点:
结构紧凑,占地面积小,泄漏的油液容易回收。
缺点:
安装维护较复杂,动力源的振动及油温对主机的精度有影响。
本设计的传动系统对选用的各液压元件有较高的要求,且零件的使用寿命有限,从而需要装配、维修方便;同时考虑到机床床身的体积较大,装配时不易拆卸,所以将液压传动系统独立设置与安装,使其振动与机床振动隔开,从而不会形成共振,影响系统的性能。
综合上述分析,本课题的液压传动系统设计应选用集中式较好。
5.1集成块设计
集成块就是将若干元件组合在一起,省去连结用的管子而构成液压系统的部分回路。
随着液压系统向高压化、高精度方向发展,系统的结构形式也向着集成化方向发展,在这种趋势下尤其显出液压集成化的优越性。
集成块内的油通道,用来联系各个控制元件,构成单元回路及液压控制系统。
油液流经块体内通道的压力损失与块体的油通孔的孔径尺寸形状及表面光滑程度有关。
通道孔径过小,拐弯过多,内表面粗糙,工艺孔过多,会使压力损失变大。
而油道孔径过大,压力损失减小,但增大了集成块尺寸。
提高管道表面光洁度会使压力损失降低,但又会增加制造成本。
综上所述,设计集成块时,对以上各点应多方面考虑。
5.1.1集成块的设计原则
集成块加工质量的好坏直接影响到系统和设备的工作性能。
集成块在设计时应合理布置油道,尽可能节省工艺孔,以减少加工与成本。
集成块的设计应遵循以下原则:
1.合理选择集成块的个数,若集成的块太多,会使阀块的体积过大,设计、加工困难;集成的阀太少,集成的意义又不大。
2.在阀块设计时,块内的油路应尽量的简捷,尽量减少深孔、斜孔,阀块中的孔径要与通过的流量相匹配,特别要注意相贯通的孔必须有足够的通流面积。
3.阀块设计时应注意进出油口的方向和位置,应与系统的总体布置及管道连接形式匹配,并考虑安装便利。
4.阀块设计时还要考虑有水平或垂直安装要求的阀,必须符合要求。
需要调节的阀应放在便于操作的位置,需要经常检修的阀应安装在阀块的上方或外测。
5.集成块设计时要设计足够数量的测压点,以供集成块调试用。
重量较大的集成块,应设置起吊螺钉孔。
5.1.2集成块的结构设计
1.集成块的总体设计
根据液压系统原理图,将液压控制阀分为两个部分,分别安装在两个集成块上,集成块安放在阀台上。
具体设计结果在后面有详细论述。
2.液压阀位置的确定
在认真分析液压系统原理图的基础上,根据油口就近连通原则,应将有互通关系的阀安装在相邻的表面。
因集成块多为六面体,且进出油口一般布置在集成块的底面,因此其余五面均可布置液压阀。
布置阀的位置时,除需保证阀的互通油口位于同一层,互不通的油道之间有足够的壁厚外海必须考虑阀的上、下、左、右安装空间,保证阀与阀之间,阀与安装底板之间不得有相碰的情况。
3.视图及尺寸标注
集成块加工图一般用六个视图表示,每个视图表示一个面的安装螺孔和油口的尺寸。
在标注尺寸时一般以主视图的左下角为尺寸基准(坐标原点)标注阀安装螺孔的坐标尺寸,再以螺孔为基准标注该阀其它孔口的位置尺寸。
4.加工精度的要求
集成块采用35号钢经锻打成形,然后机加工(铇、铣平面、钳工划线钻孔、攻丝、精磨平面),去毛刺、清洗、装配。
一般加工精度要求为:
⑴.装阀或法兰的表面粗糙度应达到
3.2
m,末端管接头的密封面的表面粗糙度应达到
3.2
m。
⑵.阀块上所有安装螺孔的精度要求为7H,一般流道的表面粗糙度为
3.2
m。
5.集成块的固定
集成块的固定,可以单独固定在支架上,也可以固定在油箱上,本系统就采用后者。
5.1.3板料折弯液压集成回路的确定
在集成块设计的第一步,得将液压原理图改为液压集成回路图,以便确定集成块数目和集成的液压元件,下图为本系统的集成回路图,共分基块、中间块A、中间块B(各两个)、顶块等几个部分,按照前面两节的设计原则分别加以设计,再组成集成块组。
5.1.4中间集成块设计示例
中间集成块A由如下集成回路设计而成,其中安装3个液压阀,包括I-25B单向阀,X-B25B顺序阀,B-25B溢流阀,将溢流阀安装于右侧面,前面则安装顺序阀,单向阀则安装于后面。
集成块A的部分孔系布置图如下(具体参看CAD图纸)
中间集成块B由如下集成回路设计而成,将电磁阀35D-63B安装于前平面,单向行程调速阀(含单向阀、调速阀、行程阀)安装于后面,并通过管接头与液压缸连接。
5.2液压装置总成装配图
集成块设计完后,将基块、顶块加上,完成液压站总成装配图如下:
第6章液压系统的性能验算
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