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校直机的设计与选型

时间:2013-12-07 14:19来源:www.sdyazhuangji.com 作者:枣庄力邦 点击:
液压校直机能获得力和力矩很大,体积小,重量轻,能在大范围内实现无级调速,运动平稳,设计简单,操作方便,工作寿命长,易于通用化、标准化、系列化。
液压校直机的优点:获得力和力矩很大,体积小,重量轻,能在大范围内实现无级调速,运动平稳,设计简单,操作方便,工作寿命长,易于通用化、标准化、系列化。
   从各方面考虑,液压传动系列较其他各传动方式有更广阔的研究空间及发展空间。
1. 液压校直机的设计及参数选择
当决定采用液压传动时,其设计步骤大体可分以下几步:
(1)明确设计依据进行工况分析。
(2)确定液压系统的主要参数。
(3)拟订液压系统原理图。
(4)液压元件及液压油的选择。
(5)液压系统性能验算。
(6)绘制正式工作图和编制技术文件。
设计一台液压校直机,其工作循环为:下行,快速退回。
由设计题目及已知参数可确定:
冲压力  :100吨=100×1000×9.8=0.98×10 N
生产率:4次/分=1次/15秒
工作行程:500mm
最大冲压厚度:20mm
滑块的重量 :1.0×10 N 
根据工艺要求,快速下降所用的时间为9s,运行的距离为480mm。工进所用的时间为1s,运行的距离为20mm。快退返回的时间为5s,其运行的距离为500mm。
得到各个工艺路线的速度参数如下:     
快速下行: 行程:480mm     速度:53mm/s
减速下压: 行程:20mm      速度:20mm/s
快    退: 行程:500mm     速度:100mm/s
单次循环的总时间是:9+1+5=15s
液压缸采用Y型密封圈。其机械效率一般为0.9---0.95之间,本液压缸的效率取:η =0.9
2.液压校直机工况分析
设计开始时,应该首先明确以下几个问题:
(1)弄清主机结构和总体布局
(2)明确主机对液压系统的性能要求
(3)明确主机的工作条件
(4)明确液压系统与其它传动系统和控制系统的分工配合、布置和相应的控制关系。
(5)了解搜集同类型机器的有关技术资料
3.1动力(负载)分析及负载循环图
动力分析就是一部机器在工作过程中执行机构的受力情况。由于工作机构作直线往复运动时,液压缸必须克服的外负载为:
                 =  +  +                                    (3—1)
式中    -----工作负载
        -----摩擦负载
        ------惯性负载
2.1.1摩擦负载
摩擦负载就是液压缸驱动工作时所需要克服的机械摩擦阻力。
由于详细计算比较烦琐,一般将它算入液压缸的机械效率η 中考虑。在这里不用考虑摩擦负载。
2.1.2惯性负载
惯性负载即运动部件在启动和制动过程中的惯性力。 
计算公式为:         = = • (N)                             (3—2)
式中   ——运动部件的质量 (kg)
       ——运动部件的加速度 (mm/s )
       ——运动部件的重量 (N)
       ——重力加速度 (mm/s )
         ——速度变化值 (mm/s)
         ——启动或制动时间,由经验可得  =0.5s
冲头启动和制动的加速或减速都在0.5秒内完成。
则启动时:           =  = • 
制动时:             = = • 
2.1.3工作负载
压力机冲头上负载分为两个阶段:第一阶段负载力缓慢的线增加,在达到最大冲压力5%左右。第二阶段负载力急剧上升到最大冲压力。因此工作负载为:
初压阶段上升到  = ×5%=9.8×10 ×5%=0.49×10 N
终压阶段上升到  =冲压力=0.98×10 N
 
2.2运动分析及运动循环图
运动分析,就是研究一台机器按工艺要求以怎样的运动规律完成一个工作循环。
2.2.1位移循环图
根据已知条件,快速下行时,行程为480mm,速度53mm/s ,时间9s。慢速下降时行程20mm,速度 20mm/s,时间1s。快退是行程为500mm速度100mm/s,时间5s。
 
3.确定液压校直机系统主要参数
4.1确定液压缸几何尺寸
在单活塞杆的液压缸中
活塞工进(受压)时, 
  =    —    =  /η                             (4—1)
 
图  4—1活塞工进受压示意图
活塞快退(受拉)时,   
  =    —      =                             (4—2)
 
图  4—2活塞工进受拉示意图
式中    ——液压缸的工作腔压力(MPa)
  ——液压缸的回油腔压力(MPa)
  =  /4——液压缸无杆腔有效面积(mm )
  = (  —  )/4——有杆腔的有效面积(mm )
 ——活塞直径(mm)
 ——活塞杆直径(mm)
  ——液压缸的工作效率
根据资料文献查得,工作压力  =20——32MP。参考同类机械的设计和加工的经验,这里工作压力  取32MPa。
背压力  =0.5---1.5MP。参考同类机械的设计和加工的经验,这里背压力  取1MPa。
 =                                           (4—3)
活塞杆在快进和快退中受力几乎为零或是自重的大小。只在冲压工件时受到的作用力较大,即液压缸的有关设计参数在该工步中去计算。
由参考文献[2]中查得下表:
表4—1  液压缸常用往返速比
 
1.1 1.2 1.33 1.46 1.61 2.0
 
0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.7
 
由相近原理:  =0.7
一般,液压缸在工进状态下工作,其活塞面积为:
                 =( +     )/                               (4—4)
                 =   /4                                         (4—5)
                 = (  —  )/4                                 (4—6)
由公式(4—4)(4—5)(4—6)得
 ={4 /  [  —  (1—  /  )]} 
     根据参考文献[1]表43.6—26和表43.6—27对D和d进行调整可得D和d从而可得  和  
4.2计算液压缸所需流量
液压缸的最大流量:
  =[  ]  (mm /s)                              (4—7)
式中   ——液压缸的有效面积(mm2) 
       ——液压缸的流速(mm/s)
快进所需流量  =     
工进所需流量  =    
快退所需流量  =    
4.3计算系统所需的压力
(1)当系统快进时,所需压力为:
  =  +                                     (4—8)
式子中    ——工作中的负载(N)
         ——活塞的横截面积(mm )
          ——背压力(MPa)
(2)当系统处于工进时,所需的压力为:
  =   / +   /2                             (4—9)
式子中    ——工作中的负载(N)
         ——活塞的横截面积(mm2)
          ——背压力(MPa)
(3)当系统处于快退时,所需的压力为:
  =  / + 2                                (4—10)
式子中    ——工作中的负载(N)
         ——活塞的横截面积(mm2)
          ——背压力(MPa)
4.4 绘制校直机主缸工况图
液压缸的工况图是指液压缸压力循环图、流量循环图和功率循环图。它是调整系统参数、选择液压泵和阀的依据。
(1)压力循环图  通过最后确定的液压元件的结构尺寸,再根据实际载荷的大小求出液压执行元件在其动作循环各阶段的工作压力,然后把他们绘制成P—t图。
(2)流量循环图  根据已定的液压缸有效面积或液压马达的排量,结合其运动速度算出他在工作循环中每一阶段的实际流量,把它绘制成
Q—t图。若系统中有多个液压执行元件同时工作,要把各自的流量图叠加起来绘制出总的流量循环图。
(3)功率循环图  绘制压力循环图和总流量循环图后,即可绘制出系统的功率循环图。
由前面所设计的压力,流量,可得出如下一个表格,以便绘制和分析工况图。
表4—2  负载压力流量明细表
工作负载(N) 工作压力(MPa) 流量(m /s)
 
快    启动
进    匀速
工进
快    匀速
退    制动 108
0
9.8×10 
1.0×10 
204 1.0022
1
20.5
2. 2.
2.0042 2.6×106
 
9.8×105
2.4×106
 
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最大流量值  =156×10-3m3/min=0.0026 mm /s
最大压力值  =20.5MPa
4.5液压缸主要零件的结构材料及技术要求
4.5.1液压缸的基本参数
由以上设计得到液压缸内径尺寸 =250mm,活塞杆直径 =18mm。
液压缸活塞的最大行程系数,根据参考文献[1]查得 =500mm。 
4.5.2液压缸的类型和安装方式
液压缸是液压系统中的执行元件,能够实现直线往复运动。本液压缸活塞两端面积差较大,使活塞往复运动时输出速度及差值较大。所以本液压缸采用双作用无缓冲式。
4.5.3液压缸的主要零件及技术要求
(1)缸体
液压缸缸体的常用材料一般为20、35、45号无缝钢管,一般情况下均采用45号钢,并调质到241—285HB。铸铁可采用HT200—HT350间的几个牌号或球墨铸铁。由于球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳强度,也具有良好的塑性和韧性,其屈服度比钢高。因此,球墨铸铁制造承受静载荷的构件比铸钢节省材料,重量也轻。所以本设计的液压缸采用QT450—10。铸件需进行正火消除内应力处理。
由参考文献[1]得缸体的技术要求:
○1缸体的内径因为须与活塞配合,防止漏油,所以要尽量减少表面粗糙度,可采用H8、H9配合。当活塞采用橡胶密封圈时,Ra为0.1—0.4μm,当活塞用活塞环密封时,Ra为0.2—0.4μm,且均需珩磨。 
○2 缸体内径 的圆度公差值可按9、10、11级精度选取,圆柱度公差应按8级精度选取。
○3缸体端面的垂直度公差可按7级精度选取。
○4 缸体与缸头采用螺纹连接时,螺纹应用6级精度的米制螺纹。
○5当缸体带有耳环或轴销时,孔径 或轴径 的中心线对缸体内孔轴线垂直公差值按9级精度选取。
此液压缸体的外径需要与机架配合,应进行加工,且与中心线同轴度的要求。装卸时需把吊环螺栓吊起。所以缸体端部选用螺纹连接,螺纹连接径向尺寸小,质量轻,使用广泛。装卸需用专用工具,安装是应防止密封圈扭曲。
(2)缸盖
本液压缸采用在缸盖中压入导向套,缸盖选用HT200铸铁,导向套选用铸铁HT200,以使导向套更加耐用。
(3)活塞
液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁,灰铸铁,钢及铝合金等。本设计冶压缸活塞材料选用45号钢,需要经过调质处理。
由参考文献[1]得活塞的技术要求:
○1活塞外径D对内孔d的径向跳动公差值,按7、8级精度选取。
○2端面T对内径d轴线的垂直度公差值,应按7级精度选取。
○3外径D的圆柱度公差值,按9、10、11级精度选取。
○4活塞与缸体的密封结构由前可以选用Y型密封圈。
4.6液压缸结构参数的计算
液压缸的结构参数的计算包括缸管厚度,油口直径,缸底厚度等等。
4.6.1计算液压缸的厚度
首先利用薄壁筒公式计算液压缸的壁厚:
 =   /2[ ]=   /(2  / )                    (4—11)
式中   ——液压缸壁厚度(mm)
            ——实验压力(MPa)。当 ≤16MPa时,  =1.5 ;当 ≥16MPa时,  =1.25P;所以在此  =1.25 =1.25×20.5=25.625MPa
       ——液压缸的内径(mm)
      [ ]——材料的许用应力(MPa)
        ——材料的抗拉强度,在此取600(MPa)
       ——安全系数,在此取 =5
由公式(4—11)得:
 =   /2[ ]=   /(2  / )
=25.625×250/(2×600/5)
          =26.7mm
因为当 / 〉16时,薄壁公式才成立,
而在此 / =250/26.7=9.4〈16。所以液压缸不是薄壁。
故此式不成立。
再利用中壁计算公式计算:
 =[    /(2.3[ ]-  ) ]+                      (4—12)
式中   ——液压缸壁厚度(mm)
           ——实验压力(MPa)。当 ≤16MPa时,  =1.5 ;当 ≥16MPa时,  =1.25 ;所以在此  =1.25 =1.25×20.5=25.625MPa
       ——液压缸的内径(mm)
      [ ]——材料的许用应力(MPa)
        ——强度系数,当为无缝钢管时 =1
         ——计入壁厚公差和腐蚀的附加厚度,通常圆整到标准厚度
由公式(4—12)得:
 =[   /(2.3[ ]-  ) ]+  
  =[25.625×250/(2.3×120-25.625)×1]+  
=6406.25/250.375+ 
           =25.6+ 
由参考文献[3]里 R5优先系列查得:
把 圆整到标准值 =40mm;
缸体的外径  = +2 =250+2×40=330mm
4.6.2液压缸油口的计算
液压缸油口的直径计算应根据活塞最高的速度V和油口最高液流速度而定。
当油口是进油口时:
  =0.13 ( /  )                           (4—13)
式中    ——液压缸油口直径(mm)
       ——液压缸内径(mm)
           ——液压缸最大输出速度(mm/s)
            ——油口的液流速度(mm/s)
根据文献[5],液压缸的进油液流速度  =2000mm/s;
由公式(4—13)得:
  =0.13×250×(3.6/2) 
          =43.6mm
取一整数  =50mm              
当油口是出油口时:
根据文献[5],液压缸的进油液流速度  =5000mm/s;
由公式(4—13)得:
  =0.13×250×(3.6/5) 
= 27.6 
取一整数  =32mm  
4.6.3缸底厚度的计算
本设计采用缸底无油孔,所以采用公式:
 =0.433 (  /[ ])                            (4—14)
式中   ——液压缸内径(mm)
        ——实验压力(MPa)
       ——缸底厚度(mm)
      [ ]——缸底材料的许用应力(mm/s)
由公式(4—14)得:
            =0.433×0.25×(20.5/120) 
                =45mm
 参考同类液压缸的制造经验取 =50mm
4.7液压缸的校核
4.7.1液压缸中背压力的校核
背压力  是用来平衡在液压系统不工作时活塞杆自重的。
由牛顿第一定律:    [  ]  =                                   (4—15)
式中  [  ]——系统需要的最少背压力(MPa)
  ——活塞杆截面积(mm2)
 ——滑块重量(N)
如果[  ]〈  =1MP,即背压力满足要求。
由公式(4—15)得:
 [  ]= /  =1.0×10 /0.024=0.42MPa
[  ]=0.42MPa〈1MPa
所以,该液压系统的背压力满足要求。
4.7.2活塞杆的校核
校合活塞杆可用公式:
 ≥(4 /  [ ]) 。                              (4—16)
式中   ——活塞杆的作用力(N)
  [ ]——活塞杆材料的许用应力(MPa)
由公式(4—16)得:
 =(4×0.98×10 / ×120) 
=102mm< =180mm
所以活塞杆直径满足要求。
5 拟订液压原理图
液压系统循环图是表示系统的组成和工作原理的图样,他是以简图的形式全面的具体体现设计任务中提出的技术和其他方面的要求。要拟订一个比较完善的液压系统,就必须对各种基本回路、典型液压系统有全面深刻的了解。    
根据以上分析及参考同类设备的液压原理图,拟订本设计的液压原理图如下:
  
                   图5—1 液压系统原理图
1.电动机2.过滤器3.柱塞变量泵4.调压阀5.溢流阀6.换向阀
7.压力表8.顺序阀9.液压缸10.油箱
 
流量原理图说明:电动机1带动柱塞变量泵3向主油路供油,可以通过溢流阀5和调压阀4对液压系统进行调压,使压力表7的值到系统需要的压力,利用换向阀6进行换向。如果处于中间位置,系统处于卸荷状态;如果脚踩脚踏板,滑阀右移,换向阀实现左位功能,油缸上腔进油,活塞杆下降运动,完成工艺中的工进工序;如果手抬操纵手柄,滑阀左移,换向阀实现右位功能,油缸下腔进油,活塞杆实现上升动作,完成工序中的快退。
6 液压元件和液压油的选择
6.1 液压泵的选择
液压泵是将原动机的机械能转换为液压能的能量转换元件。在设计液压传动中,液压泵作为动力元件向液压系统提供液压能。
液压泵工作的基础条件是:
(1) 必须具备一个密封油腔,而且密闭油腔的容积在运转过程中应不断变化。
(2)泵的吸油是靠弹簧克服摩擦力的阻力、推力推动活塞下移而实现的,这样的泵具有自吸能力。
6.1.1.确定泵的最大工作压力  
液压泵的最大工作压力,由下式确定:
  ≥  +                                      (6—1)
式中    ——液压缸或液压马达最大工作压力(MPa)
  ——由液压泵出口到液压缸或液压马达进口之间的管路沿程阻力损失和局部阻力损失之和。这些阻力损失只有在液压元件选定后,并绘出管路布置图才能计算。在初算时按经验数据选取:管路简单,流速不大的取  =0.2—0.5MPa;管路复杂,流速较大的取  =0.5—1MPa。该系统取  =0.5MPa
由公式(6—1)得:  =20.5+0.5=21MPa;
6.1.2确定液压泵的流量  和排量  ;
当多液压缸(或马达)同时动作时,液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸(或马达)所需的最大流量。并应考虑到系统的漏损和液压泵磨损后容积效率的下降。
即有下式计算液压泵的流量公式:
  ≥ (∑ )   (mm /s)                          (6—2)
式中   ——系统泄漏系数。一般取1.1—1.3。大流量取小值,小流量取大值。该系统取 =1.1
(∑ ) ——同时动作的液压缸(或马达)的最大流量(mm /s);可以从Q—t图上查得。对于工作过程始终用节流调速的系统,在确定流量时,尚需加上溢流阀的最小流量,一般取5×104 mm /s
由Q—t图得到液压缸所需最大流量
∑  156×103/min;
由公式(6—2)得:
  ≥1.1×156=172×103/min;
此液压系统采用液压变 转速为1500r/min;
排量  =  /1500                      
由公式(6—2)得:
  =172/1500=0.115L/min=115mm3/r;
6.1.3选择液压泵的规格
按已算出的最大工作压力和流量,得出液压泵的额定压力 =   (1+25%)=26.25MPa。查阅文献[9],选则液压泵的型号为SCY14—1B;排量160mm3/r;转速1500r;额定压力32N;
额定流量得:160×1500/1000=240×103/min,这里选250×103/min;
6.1.4确定驱动液压缸的功率
由于本机器采用闭合式液压系统,压力损失很小,可以忽略不记。这一点可以在后边的系统验算中得到准确的验证。所以液压泵的输出功率用下式计算:
 =                                                    (6—3)
式中   ——液压泵的输出功率(kw)
 ——液压缸压力(MPa)
 ——液压泵的流量(mm /s)
(1)液压缸处于启动时
由160SCY14-1B型号液压泵的压力、流量曲线图可得: =0.002m3/s,
所以由公式(6—3),得:
 =( ) 
          =(1.0×10 /0.049)×0.002=0.4082kw
(2)液压缸压力达到最大值时(即到达系统最高压力时)
由160SCY14-1B型号液压泵的压力、流量曲线图可得: =0.3×103mm3/s,
所以由公式(6—3),得:
 =32×10 ×0.3×10 =9.6kw
(3)液压缸处于快退时
由160SCY14-1B型号液压泵的压力、流量曲线图可得:
 =0.8×103mm3/s,
所以由公式(6—3),得:
 =2.2×10 ×0.8×10 =1.76kw
因此,选出液压泵的最大输出功率 =9.6kw。
6.2 电动机的选择
电动机分交流电动机和直流电动机两种,如无特殊说明时,一般选择交流。选择电动机的类型和结构形成应根据电源种类(交流或直流),工作条件(环境、温度、空间、位置等,载荷的大小和性质的变化,过载情况等),启动性能和启动、制动正反转的频率程度等条件来选择。Y系列三相笼式异步电动机是一般用途的的全封闭式鼠笼三相异步电动机。由于结构简单,工作可靠,价格低廉,因此本设计选用此电动机。
根据所求得到的液压泵的功率,对电动机进行选择,根据参考文献[4]本设计可选电动机Y160M—4,其额定功率为11kw,转速为1460r/min。
6.3 控制阀的选择
选择控制阀应按额定压力、最大流量、动作方式、安装固定方式、压力损失数值、工作性能参数和工作寿命来选择。
1. 应尽量选择标准定型产品,一般不使用自行设计专用的控制阀。                           
2. 一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量大一些。必要时允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。
3. 应注意单杆液压缸由于面积差形成不同回油量对控制阀正常工作的影响。
方向控制阀主要有手动换向阀,机动换向阀,电磁换向阀等几种形式。由前面所分析,本课题设计的机器所用的换向阀为手动换向阀。
手动换向阀是利用手动杆来操控的方向控制阀。该阀根据定位方式的不同,有弹簧复位式和钢球定位式两种结构。
对手动控制阀的操作是通过杆机构在远程控制实现的。由于以上分析可得选用三位四通手动换向阀。液压机在不同工作状态下要求换向阀处于中位。主要参数如下:阀芯的最大位移量是36mm,取中间为中位,那么-6< <6时阀芯处于中位,当 >6时,阀芯处于阀体左端,换向阀处于左端,液压缸下降运动,完成快进和工进工艺。当 <-6时,阀芯处于阀体右端,换向阀处于右端,液压缸上升运动,完成快退工艺。即阀芯的左右位置为±18mm。
由于本液压系统中要的是三个位置的换向阀,在这里简单介绍下三位四通换向阀的功能。
1. 三位四通换向阀处于中位,换向阀四个油口互通,此时,该液压泵处于卸荷状态。
2. 三位四通换向阀处于左端,油口P与A之间相通,B与O之间相通,活塞杆下降动作,完成工进工序。
3. 三位四通换向阀处于右端,油口P与B之间相通,A与O之间相通,活塞杆上升动作,完成快退工序。
 
6.4管道(导管)的选择 
选择管道的主要内容是根据压力损失,发热量和液压冲击,合理确定管道内径、壁厚和材料。
在液压传动中常用的管子有钢管、铁管、胶管、尼龙管和塑料管等,该设计管道选择45号无缝钢管。
6.5确定油箱的容量
油箱在液压系统中除了储油外,还起着散热分离油液中的气泡,沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件,如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。
油箱的设计要点: 
1.油箱必须有足够大的容积。
2.吸油管及回油管应插入最低液面下,以防止吸空和回油飞溅产生气泡。
3.吸油管和回油管之间的距离要尽可能远些。
4.为保持清洁,油箱应有周边密封的盖板,盖板上有空气过滤器。
5.油箱底部应距地面150mm以上,以便于搬运,散热,放油等。
6.对油箱内表面要做好防腐处理。
    本设计初选油箱体积为0.3m 。其散热情况将在性能演算中讨论。
6.5.1液压油的选择
液压油应具有适当的粘度和良好的粘—温特性,油膜强度要高,具有较好的润滑性能,能抗氧化稳定性好,腐蚀作用少,对涂料、密封材料等有良好的适应性。同时液压油还应具有一定的消泡能力。液压系统能否可靠运行,很大程度取决于系统所选的液压油。
选择液压油,首先是介质种类的选择;然后考虑合适的粘度;最后还要考虑使用条件等因素。本设计选用抗磨液压油,可选用型号YB—N32。密度为900kg/m ,比热容 =1.88kJ/kg. C;40 C时运动粘度值为32mm /s;
6.5.2过滤器的选择
过滤器的功能是清除液压系统工作介质中的固体污染物,使工作介质保持干净,延长元器件的使用寿命。它是液压系统里不可缺少的重要辅件。
所选的过滤器,应具有足够大的通油能力,并且压力损失要小,过滤精度应满足液压系统或元件所需清洁要求。有足够的强度,滤芯要便于更换和清洗。
根据参考文献[1]表43.8—18,可选择过滤器的型号WU—160×80;其最大流量为160L/min,过滤精度为80 m。
6.6联轴器的设计
联轴器所连接的两轴,由于制造及安装误差,承载后的变形以及温度变化的影响等,往往不能保证严格的对中,而是存在着某种程度的相对位移。这就要求设计联轴器时,要从结构上采用各种不同的措施,使之具有一定的相对位移的性能。
弹性联轴器利用弹簧元件的弹性变形来补偿两轴之间的相对位移,而可动元件之间的间隙小,特别是那些需要经常启动和逆转的传动。于是电动机出来后直接相连的就是液压泵,它们之间就必须是弹性联结,使用一个有弹性元件的联轴器。
    根据参考文献[8]表41.5—29,选用弹性柱销联轴器,型号为HL5型。
7 液压系统的性能验算
    液压系统在初步设计时,各种参数都是靠经验估计出来的,当回路形式,液压元件及连接等完全确定后,针对实际情况,对所设计的系统进行各项性能分析,对于一般液压传动系统来说,主要是进一步确切的计算液压回路的各段压力损失、压力冲击和发热升温等方面。以便使系统设计更加完善与可靠。
7.1 管路系统压力损失
当系统元件,辅件规格,系统管路尺寸确定后,即可进行系统压力损失计算。它包括管路的沿程压力损失△P ,局部压力损失△P 及阀类元件的局部损失△P 。
  =   +   +                             (7—1)
式中     =   / ×   /2                                     (7—2)
   =   /2                                             (7—3)
   =   ( /  )                                     (7—4)
式中   ——管道长度(mm)
 ——管道内径(mm)
 ——液流的平均速度(mm/s)
 ——液压油的密度(kg/mm )
 ——沿程阻力系数
 ——局部阻力系数
  ——阀的额定流量(mm /s)
 ——通过阀的实际流量(mm /s)
   ——阀的额定压力损失(MPa)
管道内的局部压力损失是通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失,以及通过控制阀的局部压力损失之和。由于本系统设计中的管路没有多少折管和管接头。这一部分的压力损失很小,几乎为零。
7.2 液压冲击的计算
在液压系统中,当迅速的换向或关闭油路突然使流速改变时,系统内就会产生压力的剧烈变化,这就是液压冲击现象,液压冲击大的系统要安装液压缓冲装置。
通过分析本液压系统,该液压系统的最大冲击发生在液压系统突出关闭的时候,当液压系统瞬时关闭液流时,管道内最大的液压冲击按下式计算:
△ =                         (7—5)
式中   ——液流发生变化前的流速(mm/s)
 ——液压油的密度(kg/m )
        ——油的容积的弹性系数    =1.67×10 MPa;
           ——管道内材料的弹性系数  =2.1×10 MPa;      
 ——管道内径(mm)
           ——管道的壁厚(mm) 
液压冲击在本系统中不是很明显,可以不安装液压缓冲装置。
7.3 液压校直机系统热分析
液压系统的压力,容积和机械三方面的损失构成总的能量损失。这些能量损失将转化成热能,使液压系统油温升高,系统油温过高会产生下列不良影响:
1.使液压油的粘度大大降低,泄露增大,溶剂效率下降,并使油液节流元件的节流特性变化,造成速度不稳。
2.引起热膨胀,使运动副之间间隙发生变化,变小的时候可能造成元件的“卡死” ,失去工作能力,变大的时候会造成泄露增大。
3.密封软管和过滤器等辅助元件,有一定的温度限制。如果温度超过这个限制,他们就不能正常工作。
4.引起机器构件的热变形,而破坏其应有的精度。
7.3.1液压泵功率损失产生的热流量(热量)
由计算公式:
  = (1- )                                            (7—6)
式中   ——液压泵的输入功率(kw)
       ——液压泵的效率, =0.8
由公式(7—7)可得  
液压油通过阀(孔)时产生的热量:
  =△                                                  (7—7)
式中    ——通过阀(孔)的压力降,一般换向阀取  =0.05MPa
       ——通过阀(孔)实际流量(mm3/s)
由公式(7—7)可得  
所以系统产生总的热量:
         =   +  
7.3.2液压系统的散热计算
根据参考文献[2],一般油面高度为油箱高的0.8倍(如图7—1)。因为前面初步得油箱的有效容积为0.3m ,所以0.8 =   。
即   =1.25×0.8=1×109mm ;
取 =500mm,  =1000mm,  =480mm,H=600mm
一般,取与油箱相接触的油箱表面积和油面以上的表面和之半作为油箱的有效散热表面积。
根据文献[2]可得油箱的散热面积计算公式:
 =(  +2  +2  )+1/2[  +2( - ) +2( - ) ]
 
图7—1油箱结构示意图
 
计算油箱的散热功率:
  =                                                (7—8)
式中         ——油箱散热系数w/m . C,由于本设计的油箱尺寸比较大,所以采用外置油箱,通风良好。根据参考文献[1], K =50w/m • C
  ——油箱的散热面积(mm2)
  ——油温与环境温度之差 C,  =35 C
由公式(7—8)得:
  =50×2.37×35=3360w=4.1475kw;
因为  > ,即4.1475 kw>2.063 kw
所以油箱的散热已满足该系统产生的热量要求,故不需要另加冷却器。
8 限程装置的设计
为了活塞运动到底部时能方便返回,需要设计一个限程装置。限程装置是实现挡板对杆机构运动距离的限制。到尽头后实现换向阀的换向。又因为本液压机可实现自动循环工作和人工单次行程工作,所以限程装置的下档板应该是可调的。一个位置是通过连杆机构控制换向阀回到中位。另一位置是通过连杆机构控制换向阀,换到上次相反的位置(右位)。此部分设计和原样机设计相同,可引用原样机的机构,在这里也不做详细设计。
 
9 机架的设计
在机械或仪器中,支撑或容纳部件的零件称为机架。故机架是底座、机身、壳体以及基础台等零件的统称。
机架分类按机构形式分,可分为梁式刀架框架、平板式机架,箱壳式机架。按制造方法和机架材料分为铸造机架、焊接机架、非金属机架等。
机架的设计准则:
机架的设计主要应保证刚度、强度和稳定性的要求。此外,对于机床仪器等精密机械,还应该考虑变形问题。设计时的变形尽量小,机架的刚度和强度都应从静态和动态两方面进行考虑。提高静刚度和固有频率的途径是:合理设计机架的截面面积和尺寸。合理选择壁厚和布肋。注意机架的整体和布局刚度及结合面的刚度匹配等。
机架设计的一般要求:
(1)在满足强度和刚度的前提下,机架的自重应该要求尽量轻,减少成本。
(2)抗腐性好,把受迫震动副减小到最小
(3)机械在工作时,噪声应尽量小。
(4)温度场合分布合理,热变形对温度的影响小。
(5)机构设计合理,工艺性良好,便于铸造,焊接和机械加工。
(6)结构应便于安装和调试,方便修理和更换零件。
(7)有导轨的机架,要求轨道面受力合理,耐磨性好。
(8)造型美观,使之即经济又美观。
根据以上条件和液压机的具体工作情况,选择框架式机架。
9.1 机架材料的选择
由于多数机架形状比较复杂,一般采用铸铁。由于铸造性好,价格低,吸震性好,主要的重型机架常采用铸钢。当要求重量轻时,可以用铸造或锻压铝合金等轻金属制造。焊接机架具有制造周期短,重量轻,成本低等优点,故在机架制造中,焊接机架日益增多。焊接机架主要有钢板,型钢和铸钢等焊接而成。还有的机架则益采用非金属材料。
根据经验和查阅相关资料,液压机本设计的材料选用铸铁。查表得铸铁牌号为HT300。他的流动性好,体收缩和线收缩小,容易获得复杂的形状。在铸钢中添加少量的金属元素,可提高耐磨性能。铸钢的内摩擦大,阻尼作用强,故动态刚度好,铸钢还具有切削性好,便宜和使用方便易,于大量生产的优点。铸铁广泛应用于轧钢机械,重型机床的床身等场合。所以本设计采用HT300。
9.2 肋的作用
肋分为肋板和肋条。肋条只有有限的高度,他不连接整个截面,主要作用如下:
(1)可以提高机架的强度、刚度和减轻机架的质量。
(2)在薄壁截面内设利可以减少其截面畸形。在大面积的薄壁上布肋可以缩小局部变形和防止薄壁震动及降低噪音。
(3)对于铸造机架,使铸件壁后厚均匀,防止金属堆积而产生缩孔裂纹等。缺陷作为补缩通道,扩大冒口的补缩通道,扩大冒口的补缩范围,改善铸型的充满性,防止大平面铸件上夹砂等缺陷。
10 液压系统的安装与调试
10.1 液压系统的安装
10.1.1液压校直机安装前的准备工作
液压系统安装质量的好坏是关系到液压系统能否可靠工作的关键。必须科学、正确合理完成安装过程中的每一个环节,才能使液压系统能够正常运行,充分发挥其效能。
(1)明确安装现场施工程序及施工进度方案。
(2)熟悉安装图样,掌握设备分布及设备基础情况。
(3)落实好安装所需人员,机械,物资材料的准备工作。
(4)做好液压设备的现场交货验收工作,根据设备清单进行验收,通过通收掌握设备名称,数量,随机备件,外观质量等情况,发现问题及时处理。
(5)根据设计图纸对设备基础和预埋件进行检查,对液压设备地脚尺寸进行复核,对不符合要求的地方进行处理,防止影响施工进度。
10.1.2管子加工
管子加工的好坏对系统的参数影响大,并关系到液压系统能否可靠的运行。因此必须用可靠,科学的加工方法,才能保证加工质量。管子的加工包括切割,打坡口,弯管等内容。
(1)管子的切割
管子的切割原则上采用机械方法切割,如切割机,锯床,专用机床等。严禁用手工电焊,氧气切割方法。无条件时可以用手锯切割。切割后管子的端面应尽量和管子的中心线保证垂直。误差控制在90 ±0.5 之间。切割后需将锐边倒钝,并清除铁屑。
(2)管子的弯曲
管子的弯曲最好在机械式液压管上进行,用弯管机在冷状态下弯管,可避免氧化皮而影响管子的质量。如无冷弯管设备也可采用热弯曲方法。热弯曲时容易产生变形,管壁减薄及产生氧化皮等现象,热弯曲前,应将管内注满干燥河砂,用木塞封闭管口,用气焊或高频感应加热法对弯曲部位加热。加热长度取决于弯曲角度。
(3)管子的敷设
管路架设前,应认真熟悉管图,明确各管路排列顺序,间距与走向。在现场对照配管图,确定阀门,接头,法兰及管夹的位置,并划出线,定位。管夹一般固定在预埋件上,管夹之间的距离应适当,过小会造成浪费,过大将发生震动。
10.2 液压系统的调试
每一种机械设备在完成整体设计,安装后,都需要对系统进行调试。按国际生产进行必要的调整,使其在正常负荷的情况下能正常工作。
10.2.1调试前的检查
根据系统原理图,装配图及配管图检查并确定每个液压缸由哪个支路的电磁阀控制。电磁阀分别进行空载换向,确认电气动作是否正确、灵活,符合动作顺序要求。将泵吸油管,回油管上的截止阀开启,泵出口溢流阀及系统中安全阀手柄全部松开。将减压阀置于最低压力位置。流量控制阀置于小开口位置。
10.2.2启动液压泵
(1)用手盘电动机和液压泵之间的联轴器,确认无干涉并转动灵活。
(2)动电动机,检查判定电动机转向是否与液压泵转向标志一致。确认后连续点动几次。无异常后按下电动机按钮,液压泵开始工作。
10.2.3系统排气
启动液压泵后,将系统压力调到1.0MPa左右,分别控制电磁阀换向,使油液分别循环到各支路中,按动管道上的设置的排气阀,将管道中的气体排除。液压缸排气时可将液压缸活塞杆伸出,一侧的排气阀打开。电磁阀动作,活塞杆运动,将空气挤出,升到上止点时,关闭排气阀,打开另一侧的排气阀,使液压缸下行,排除无杆腔中的空气。重复上述徘气方法,直到将液压缸中的空气排净为止。
10.2.4系统耐压实验
系统耐压实验主要是指现场管路,液压设备的耐压实验应该在制造厂进行。对于液压管路耐压实验的压力应为最高工作压力的1.5倍。工作压力≥21MPa的高压系统,耐压实验的压力应为最高工作压力的1.25倍。如系统自身液压泵可以达到耐压值时,可不必使用电动试压泵。升压过程中应逐渐分段进行,不可一次达到峰值。每次升高一级时,应保持几分钟,并观察管路是否正常,试压过程中严禁操纵换向阀。
10.2.5负载试车
开始运行后,应逐渐加大负载。如果情况正常,才能进行最大负载试车。最大负载试车成功后,应及时检查系统的工作情况是否正常,并根据试车要求作出记录。
在设备进行调试合格后,然后投入使用。
 
 
校直机