重庆大学本科学生液压课程设计

绪论

液压机发展现状概要

液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。自世纪问世以来发展很快，已成为工业生产中必不可少的设备之一。由于在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。如板材成型；管、线、型材挤压；粉末冶金、塑料及橡胶制品成型；胶合板压制、打包；人造金刚石、耐火砖压制和炭极压制成型；轮轴压装、校直等等。各种类型液压机的迅速发展，有力地促进了各种工业的发展和进步。八十年代以来，随着微电子技术、液压技术等的发展和普及应用，有了更进一步的发展。目前，液压机的最大标称压力已达到了，用于金属的模锻成型。

然而，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。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。

近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。

工业控制机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技术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片单板机作为主控单元，通过外围接口器件（如，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如下：

①具有友好的人机交互性，操作简单。如：公司的产品，可通过数字面板显示输入压力、快进和回程速度、压制速度及保压停机时间参数，极大减轻了劳动强度。

②控制精度高。数字控制的行程长度及工作行程与传统的机械式的行程开关控制相比，精度有极大的提高。一般控制精度可达到。

③易于实现高速化，提高生产效率。如美国的公司通过采用电子微处理控制方式，工作循环比以前快。

④可顺利实现对工作参数（压力、速度、行程等）的单独调整。通过对控制参数的单独控制，调整被加工材料的流动，能进行复杂工件、不对称工件的加工。

⑤预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重复调用，

缩短调整时间。这与柔性加工要求相适应。

⑥对高速下的换向冲击可利用软件来消除，以降低噪声，提高系统的稳定性。

⑦在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。如的机型和公司都有此项功能。

⑧易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现调度控制。

现在，国外众多液压机生产厂家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，丹麦及加拿大的等公司。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。

国内外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等等多个方面。

综上所述，液压机的发展促进了生产力的发展。伴随着电气控制技术、液压传动技术的不断发展，液压机的自动化程度、加工精度将进一步得到提高，实现智能化控制。

液压机基本工作方式

液压机一般由本体（主机）动力系统及液压控制系统三部分组成。

最常见的液压机本体结构是三梁四柱上传动式。现以锻造水压机为例，其结构如图所示。它由横梁、立柱和螺母组成一个封闭框架，框架承受全部工作载荷。工作缸固定在上横梁上，工作缸内装有工作柱塞，它与活动横梁相连接。活动横梁以立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。在活动横梁的下表面上，一般固定有上砧（上模），而下砧（下模）则固定于下横梁上的工作台上。当高压液体进入工作缸后，在工作柱塞产生很大的压力，并推动工作柱塞、活动横梁及上砧向下运动，使工件(锻件)在上、下砧之间产生塑性变形，此时回程缸内通低压液体并排出工作液体。回程缸固定在下横梁上，回程柱塞与活动横梁相连接。回程时，工作缸通低压液体，高压液体进入回程缸，推动回程柱塞向上运动,带动活动横梁回到原始位置，完成一个工作循环。

锻造机结构

动力系统主要提供液压机本体工作时所需要的高压液体，并接收回程排回的低压液体，此外，对工作液体进行检测、过滤、搅拌及冷却，以保证工作液体处于最佳工作状态。动力系统分为泵直接传动和泵蓄势器传动两种类型。

液压控制系统主要将动力系统提供的高压液体在准确的时间和地点输送到所需要的工作缸处，并将各缸排回的低压液体输送回动力系统。液压控制系统主要由各种阀、阀箱、连接管道及操纵阀正确动作的控制部分组成。最简单的控制系统由手通过操纵杆来完成，十分费力，目前只用于小型简单的液压机。一般液压机则通过电磁铁或随动接力装置来比较轻松地操纵阀的动作。近年来，增加了计算机控制，极大地提高了控制的精确度和自动化程度。液压机的工作循环一般包括停止、充液行程(空程向下)、工作行程及回程。上述的不同行程都是由液压控制统中各种阀的正确动作来实现的。

设计要求

（）液压机总体方案设计，其中包括主机的结构设计，零部件的结构设计和部件装配方案设计，主机要与辅助及辅助装置配套协调；

（）通过液压系统总体设计方案的对比，确定合理的液压系统设计方案，且液压系统在高压大流量的情况下要工作平稳，无较大的冲击振动；

（）电气控制系统设计，包括主电路和控制电路电路图设计；

（）设计方案确定时，必须考虑选用什么样的制造材料，达到什么样的表面加工质量，采用什么样的机械加工设备，选择什么样的热处理方式等；

（）四柱液压机能够准确完成如下工作循环：主缸活塞滑块快速下行、主缸活塞滑块慢速加压、主缸保压、主缸卸压、主缸活塞滑块回程、顶出缸顶出、顶出缸退回等；

（）设计出结构满足所需的各种锻造工艺要求，设备达到总体布局合理，结构紧凑、工作稳定可靠、操作简单、维护方便、环境污染小、工作的时候噪音低、自动化程度高等[]。

一 . 明确液压执行元件的载荷，速度及其变化规律，绘制液压系统工况图

1．液压机主缸工况分析

（）主缸速度循环图

主缸速度循环图

（）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。通过各工矿的负载分析，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：

w f a F F F F =++

）惯性负载计算

计算公式：

a G v F g t =?

查阅类似型号的液压机资料[]，初步估算横梁滑块的重量为。由液压机所给设计参数可及：v ? ，取t ?，代入公式中。

N F 2502.01.0500a =?=

）摩擦负载计算

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。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。

）主缸负载计算

将上述参数、代入公式中。

即：

() 主缸负载循环图

）主缸工作循环各阶段外负载如表所示。

主缸工作循环负载

工作循环外负载

≈启动

静

横梁滑块快速下行

忽略不计

动

≈工进

动

快速回程

回

注：“静”表示启动时的静摩擦力，“动”表示启动后的动摩擦力。

）主缸各阶段负载循环如图

主缸各阶段负载循环图

2．液压机顶出缸工况分析

. 顶出缸速度循环图

根据液压机系统设计参数和表中顶出缸活塞行程为，得到顶出缸的速度循环图如。

顶出缸速度循环图

.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。将参数代入公式计算顶出缸的最大负载。

即：

式中为顶出力；

()顶出缸负载循环图

）顶出缸工作循环各阶段外负载如表.

顶出缸工作循环负载

工作循环外负载

忽略不计

启动

静

顶出缸顶出

动

≈

快速退回

动

注：“

静”表示启动时的静摩擦力，“

动

”表示启动后的动摩擦力。

2)顶出缸各阶段负载循环如图

顶出缸各阶段负载循环图

二．计算执行元件主要参数

.液压缸的主要结构尺寸

()主缸工作压力、内径、活塞杆直径的确定

由于液压机的工作载荷比较大，故主缸的工作压力取P []。

计算主缸内径和活塞杆直径。由主缸负载图可知最大负载。查表，由主缸工作压力为选取d D 为，取液压缸的机械效率c m η 。液压缸受力如图所示。

液压缸受力图

2

2212)(44P d D F P D -+=ππ 将参数代入公式，忽略不计，可求得液压缸内径：

mm Pa N D 36695.010*******=????=π

将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取；那么由可以求得活塞杆直径。

0.7d D ==

将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取。

经过计算液压机主缸的内径、活塞杆直径分别为： ；。

()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《液压系统简明手册》 ,取顶出缸的工作压力。计算顶出缸内径和活塞杆直径。由顶出缸负可知最大负载。查《液压系统简明手册》，缸工作压力为，选取为，取液压缸的机械效率η 。顶出缸受力如图所示。

顶出缸受力图

参考主缸计算公式，求得顶出缸内径

mm Pa N D 5.10395.0101032000046=????=π

查《液压系统设计简明手册》,将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取；那么由可以求得活塞杆直径。

0.7d D =

查《液压系统设计简明手册》,将活塞杆直径圆整为标准系列直径，取。 经过计算液压机顶出缸的内径、活塞杆直径分别为： ；。

．液压系统流量计算

（1）主缸所需流量计算

参考表及主缸的尺寸，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，工进速度为，快速回程速度为，主缸内径为，活塞杆直径为。

由流量计算公式： ν?=A q

快进时：

min

/36.75/1.04.042L s m Av q =??==π进进 工进时：

min

/536.7/01.04.042L s m Av q =??==π工进工进

快退时：

min /424.29/04.04.042L s m Av q =??==π快退快退

（2）顶出缸所需流量计算

参考表及顶出缸的尺寸，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，快退速度为，顶出缸内径为，活塞杆直径为，代入公式（*），即得：

顶出时：

min /4194.3/06.011.042L s m v A q =??=π顶出顶出＝

快退时：

min /699.5/1.011.042L s m v A q =??=π

快退快退＝ 三．液压泵额定压力、流量计算及泵的规格选择

）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。泵的工作压力计算公式为：

P P P P ?∑+=1

本液压机执行部件的最大工作压力，进油路中的压力损失，取P ?∑。代入公式可求得泵的工作压力。

即：

MP P P 5.255.025=+=

.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计算得到。

max

)(q K q L P ∑≥ 将参数代入公式中，即：

m /792.90)00005.001256.0(2.1L q p =+?≥

.液压泵规格选择

查《液压系统设计简明手册》，根据，P q ，选取液压泵的型号为：。

基本参数如下：

排量： ；

额定压力： ；

额定转速： ；

容积效率： ；

驱动功率，

泵的流量验算：

由液压泵的基本参数可知泵每分钟排量×，而泵实际所需的最大流量 ，液压机可以实现快进

四．液压系统原理图拟定

.液压系统供油方式

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，液压机采用双泵供油。

.基本回路的选择

（）调压回路

调压回路的功用是使液压系统整体或部分的压力保持恒定或不超过某个数值。在定量泵系统中，液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节。在变量泵系统中，用安全阀来限定系统的最高压力，防止系统过载。若系统中需要两种以上的压力，则可采用多级调压回路。液压机采用二级调压回路，如图所示。

二级调压回路

（2）保压回路

由于液压机主要进行压制工艺，所以在行程终止时要求有一段保持压力的时间，这时就必须采用保压回路。常用的保压回路有利用液压泵的保压回路、利用蓄能器的保压回路、自动补油保压回路。选用蓄能器保压。

（3）泄压回路

液压机由于保压一段时间后，如果马上进行快退会产生很大的冲击。选液控单向阀进行控制。

（）速度换接回路

液压机加工零件的过程包括主缸的“快速下行、慢速加压、保压延时、快速返回及停止”，顶出缸的“顶出、返回及停止”。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。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。

（4）平衡回路

平衡回路的功用，在于执行机构不工作时，不致因受负载重力作用而使执行机构自行下落。选用单向顺序阀的平衡回路。

采用低压齿轮泵来提供控制油压，具有恒定的功率耗损。

.液压机工作循环图

液压机工作循环图。