十一辊矫直机液压系统设计

十一辊矫直机液压系统设计

目 录 第一章 前 言 ............................................................................................................................... 2

1.1液压机现状概要 ................................................................................................................. 2 1.2 液压传动控制系统及设计要求 .............................................................................................. 3 第二章 液压机总体设计 ............................................................................................................... 4

2.1液压机主要设计参数 ......................................................................................................... 4 2.2 液压机工作原理分析 ........................................................................................................ 5 2.2.1 液压机的基本组成 ......................................................................................................... 5 2.3 液压机工艺方案设计 ........................................................................................................ 8 2.4 液压机总体布局方案设计 ................................................................................................ 9 总体布局如图2.4所示 ........................................................................................................... 9 2.5 液压机零部件设计 ............................................................................................................ 9

2.5.1.1 导柱设计 ......................................................................................................... 10 2.5.1.2 横梁设计 ......................................................................................................... 11

第三章 液压机液压系统设计 ..................................................................................................... 14

3.1 液压传动的优越性概述 .................................................................................................. 14 3.2 液压系统设计要求 .......................................................................................................... 14 3.3 液压系统设计 .................................................................................................................. 15 3.4 液压系统零部件设计 ...................................................................................................... 31 3.5 液压站布局设计 .............................................................................................................. 39 3.6 液压系统安全、稳定性验算 .......................................................................................... 40 第四章 液压机电气系统设计 ..................................................................................................... 45

4.1 电气控制概述 .................................................................................................................. 45 4.2 液压机电气控制方案设计 .............................................................................................. 45 4.3 液压机电气控制电路设计 .............................................................................................. 45 第五章 液压机安装调试和维护 ................................................................................................. 49

5.1 液压机的安装 .................................................................................................................. 49 5.2 液压机的调试 .................................................................................................................. 49 5.3 液压机的保养维护 .......................................................................................................... 49 结 论............................................................................................................................................. 51 参考文献 ......................................................................................................................................... 52 致 谢............................................................................................................................................. 53

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第一章 前 言

1.1液压机现状概要

长期以来，矫直机因弯曲由人工检测，压弯量人为设定不够准确，全过程都靠手工操作，效率低，矫直精度全凭操作者经验来决定等缺点，一直作为一种补充矫直设备来使用。所以矫直必须检测工件的原始弯曲，测量弯曲量、确定最佳矫直点、设定压弯量。由于缺少可靠的检测手段和认识上的一些人为因素，以前这些工作只能靠人工来完成。因此以前的矫直机有以下缺点：弯曲人工检测、压弯量人工设定不够准确，效率低，矫直精度全凭操作者经验来决定，降低了生产效率。而且现在人们对棒材的需求量越来越大、对其精度要求也越来越高，在情况下斜二辊矫直机的问世解决了以前平行辊矫直机所解决不了的棒材、管材的矫直精度问题，在这种情况下，我们对矫直机进行设计。

液压传动技术发展到今天已经有了较为完善、成熟的理论和实践基础。液压传动技术与传统的机械传动相比，操作方便简单，调速范围广，很容易实现直线运动并且还具有自动过载保护功能。液压传动容易实现自动化操作，采用电液联合控制后，可以实现更高程度的自动控制以及远程遥控。由于液压传动的工作介质是流体矿物油，有较大的沿程和局部阻力损失。当系统的工作压力比较高时，还会产生比较大的泄漏，泄漏的矿物油将直接对环境造成污染，有时候还容易引起安全事故。油液受温度的影响很大，因此液压油不能在很高或很低的温度条件下工作。由于液压油的可压缩性和泄漏，液压传动不能保证恒定的传动比和很高的传动精度，这是液压传动的最大不足之处。此外，液压传动的故障排除不如机械传动、电气传动那样容易，因而对使用和维护人员有较高的技术水平要求。虽然液压传动存在这些缺陷，但总体上优点还是盖过了缺点，因而应用还是很广泛。

液压机自19世纪问世以来得到了很快的发展，在工业生产中已经有了广泛的应用，成了产品压力加工成型不可或缺的机械设备。随着科学技术的日新月异，电子技术、液压技术的不断成熟，液压机也得到了更进一步的发展。到目前为止，液压机的最大公称压力已经达到了750MN，控制技术也由原来传统的继电器控制变为可编程控制器和工业计算机控制，这使液压机的运行平稳性、控制精度、产品质量有了保证，同时生产效率得到了很大的提高。

液压机加工与传统机械加工相比属于无屑加工，应用范围广泛，一般用于塑性材料的冷挤、校直、弯曲、冲裁、拉伸等。此外液压机还用于粉末冶金、翻边、压装等产品的成型加工工艺。液压机还能实现复杂工件和不对称工件的加工，产

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品废品率较低。液压机根据加工工件的不同性质，还可进行适当的压力行程调整，满足产品的加工要求。液压机主要由主机、液压系统、电气系统三部分组成。液压机的整个工作过程的实现，首先是由电气系统来控制液压系统，然后再由液压系统控制主机主缸和顶出缸的顺序动作。总的来说，液压机操作简单，维护方便。

虽然液压机目前应用十分广泛，但是潜在的问题还很多。液压机属于高压工作设备,进行压力加工时,随着压力的不断升高泄漏也会不断增大,这样不利于保证零件的加工精度，同时还会对环境造成污染。除此之外，液压机还存在如下缺陷，液压机压力加工完成后，卸压时存在很大的液压冲击，这样对液压元件及其它设备损害很大；按下启动按钮后，动作灵敏性不及电气控制；液压机出现故障不能够正常工作，故障不容易及时找到并排除，给维护带来了一定的技术难题和不便；液压机工作时产生的液压冲击、气蚀等现象，会缩短液压元件的使用寿命。

为了催生更大的生产力，液压机的设计需要改进。液压油路设计、控制系统的优化设计将是液压机今后值得研究的方向。

（1）油路设计方面

为了防止泄油和外界的污染，液压机油路的设计趋于集成化、封闭循环式，这样可以延长设备的使用寿命。除此之外，液压元件设计尽量标准化，集成化。集成液压系统减少了管路连接，可以降低泄漏和污染。液压元件的标准化给维护带来了方便。

（2）控制系统方面

液压机属于高压设备，控制系统除控制设备安全可靠的工作之外，还应该让控制精度变得更高，人机交互变得更简单，操作更方便，自动化、高速化、智能化程度更好。

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。

1.2 液压传动控制系统及设计要求

液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程（见图1-1）。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。

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机械能等 动力元件 液压能 控制回路 机械能 执行元件

图1-1 液压传动能量传动过程

（1）液压机总体方案设计，其中包括主机的结构设计和工艺设计、零部件的结构设计和工艺设计、部件装配方案设计；

（2）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。主要包括液压系统原理图设计、液压元件结构、工艺设计、液压站总体布局设计；

（3）电气控制系统设计，包括主电路和控制电路电路图设计；

（4）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；

（5）整个设备满足拆装方便，运输方便的要求；

（6）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；

（7）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，能够完成冲压、冷挤、校直、弯曲、粉末冶金压制成型、薄板拉伸、压装成型等加工工艺。

第二章 液压机总体设计

2.1液压机主要设计参数

（1）钢辊平衡缸：

最大负载: 450KN; 移动速度：60mm/s （2）上箱体锁紧缸:

使用柱塞缸:最大负载: 20KN; 移动速度：50mm/s （3）横梁预弯缸：

最大负载: 1400KN; 移动速度：60mm/s （4）.换辊提升缸：

最大负载: 180KN; 移动速度：70mm/s

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（5）边辊升降马达：

转速330r/min, 最大扭矩：5000NM

（2）液压机的主要功能

通过液压传动系统传递动力，完成零件的压力成型加工。 （3）液压机的适用范围

液压机主要用于冷挤、校直、弯曲、冲裁、拉伸、粉末冶金、翻边、压装等成型工艺。

2.2 液压机工作原理分析 2.2.1 液压机的基本组成

液压机是由两个大小不同的液缸组成的，在液缸里充满水或油。充水的叫“水压机”；充油的称“油压机”。两个液缸里各有一个可以滑动的活塞，如果在小活塞上加一定值的压力，根据帕斯卡定律，小活塞将这一压力通过液体的压强传递给大活塞，将大活塞顶上去。

设小活塞的横截面积是S1，加在小活塞上的向下的压力是F1。于是，小活塞对能够大小不变地被液体向各个方向传递。大活塞所受到的压强必然也等于P。

若大活塞的横截面积是S2，压强P在大活塞上所产生的向上的压力截面积是小活塞横截面积的倍数。

从上式知，在小活塞上加一较小的力，则在大活塞上会得到很大的力，为此用液压机来压制胶合板、榨油、提取重物、锻压钢材等。

液压机主要由主机、液压控制系统、电气控制系统三部分组成。 其中主机包括工作台、导柱、滑块、上缸、顶出缸等结构；液压系统由控制元件、执行元件、辅助元件、动力装置、工作介质等组成；电气控制控制系统主要由继电器、接触器、按钮、行程开关、电器控制柜等组成。

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2.2.2 液压机的工作原理

（1）液压机主机组成简图2.1

1-滑块 2-导柱 3-工作台 4-安装地基 5-顶出缸 6-主缸 7-上横梁 8-辅助油箱

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图2.1 液压机主机组成简图

（2）液压机工作原理分析

液压机的动作顺序通过电气系统、液压系统控制，控制顺序框图如图2.2。

启 动电气系统液压系统液压机主机行程开关手 动

图2.2 液压机控制顺序图

从上面的控制顺序框图可以看出，液压机的工作原理由电气控制系统控制液压系统，液压控制系统再控制主机工作，主机动作触及行程开关，将信号反馈给电气控制系统，实现循环控制。

（3）液压机工作循环分析 液压机工作循环如图2.3所示。

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滑块快速下行工进、加压保压快速回程停止顶出

图2.3 液压机工作循环图

液压机工作循环如图2.3（a），滑块在自重的作用下快速下行，碰到行程开关后由快进变为工进，随后进行加压、保压。保压时间完成后，滑块快速回程，直到回到原来的位置，停止运动；图2.3（b）表示顶出缸的工作循环过程，主缸快进、工进、保压、退回停止后，顶出缸才运动，将工件顶出。

2.3 液压机工艺方案设计

（1）控制方式的选择

采用液压系统与电气系统相结合的控制方式。具有调整、手动、半自动三种工作方式，可实现定压、定程两种加工工艺；

（2）液压系统：

液压油路采用封闭式回路，供油方式选用变量泵供油，液压控制元件采用插装阀形式。针对液压机快进时供油不足以及工进时的高压特性，系统应设有补油和卸压装置；

（3）电气控制：

采用继电器、行程开关、接触器、手动按钮等元件进行手动、半自动控制； （4）主机：

主机结构形式采用“三梁四柱”的形式，主缸和顶出缸为执行元件。

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2.4 液压机总体布局方案设计

总体布局如图2.4所示

1-主机 2-液压油管 3-控制台

4-插装阀 5-液压泵装置 6-液压油箱 7-电气控制柜

图2.4 液压机总体布局简图

图2.4为液压机整体布局简图，分为三个部分，即：主机、液压系统、电气控制系统。液压系统的所有部件都集中安装在液压油箱上，使液压站布局结构变得紧凑。电气控制元件集中设计在电气柜中。启动、停止、快进、顶出、调整、等控制按钮设置在控制台上，方便及时操作。

2.5 液压机零部件设计 2.5.1 主机载荷分析

钢板在轧制过程中要矫直钢板及控制板厚，矫直机由主机及辅机组成，主机液压系统

由伺服系统控制，矫直机辅机所设计的液压系统由4个钢辊平衡缸、 8个上箱体锁紧缸、1个活动横梁预弯缸、4个换辊提升缸及边辊升降马达组成。

2、钢辊平衡缸用来给辅助控制钢辊的位置（钢辊的位置由伺服系统控制），使钢辊在轧制时

始终受到向上的作用力，用来平衡钢辊的重力。

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3、上箱体锁紧缸在轧制过程中锁紧上箱体；活动横梁预弯缸用来在调整辊子时预弯横梁；

换辊提升缸在换辊时提升钢辊，以便换辊；边辊升降马达用来调整钢辊的位置。

导柱受拉，受力如图2.5所示

导柱横梁

F-负载 T-导柱拉力 图2.5 横梁、导柱受力图

2.5.1.1 导柱设计

材料选择：导柱在工作过程中主要承受拉力，材料必须具备较高的抗拉强度。导柱材料选择45圆钢，也可选用锻件形式。

热处理要求：导柱除了承受拉力之外，外圆柱表面与滑块之间还存在摩擦力。为了减少导柱表面的磨损，通过表面热处理提高表面硬度增加表面耐摩性。总的热处理工艺为调质和表面淬火。

理论设计计算：

液压机的最大负载约为100T，通过力传递后，最后由四根导柱承受100T的拉力，作用在每根导柱上的拉力为25T。由许用拉应力公式(2.1)，可计算导柱的安全直径D。

[?]?F (2.1) A式中：

[?]—许用应力；取45钢[?]=80～100MPa；

F—轴向拉力； A—横截面积。

即：

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4FD???[?]4?0.5?106N?0.089m

3.14?80?106Pa圆整后取导柱直径D=90mm，为了防止四根导柱因瞬间的受力不均而被破坏，导柱直径可适当加大，取D=110mm。 2.5.1.2 横梁设计

材料选择：横梁工作时的受力为弯曲力，材料应具有一定的抗弯强度。选用45钢，毛坯采用锻件。

热处理要求：横梁进行调质处理。 理论计算校核：

横梁受力可以简化为简直梁,中间受载的情形，如图2.6所示。

截 面1-1

图2.6 横梁滑块受力简图

初步确定横梁的长、宽、高尺寸分别为1310、1045、575mm，截面为矩形。即：在负载作用下的剪力和弯矩如图2.7所示。

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图2.7 (a) 剪力图 (b) 弯矩图

由弯矩图2.7(b)可知，横梁C点1—1截面弯矩最大，该截面是危险截面。为了保证横梁能够正常工作，必须对该截面进行强度校核。正应力计算公式为：

?max?式中：

Mmax (2.2) W?max—最大弯曲正应力；

Mmax—最大弯矩；

W—抗弯截面系数(m3)。

矩形截面抗弯系数W计算公式为：

bh2W? (2.3)

6式中：

b—矩形截面的宽； h—矩形截面的高。 即：

1.045?0.5752W??0.058m3

6?max?475kN.m?8.1MPa 30.058m45钢的弯曲许用应力[?]=100MPa，而横梁的最大弯曲应力?max=8.1MPa，远小于材料的许用应力，经过校核，设计尺寸满足要求。

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2.5.2 主机工作台设计

液压机工作台主要受压，由于工作台不是很高，刚度要求可以满足，因此在设计计算时只要进行抗压强度的校核即可，校核过程从略。

材料选择：工作台主要受压，材料选用铸钢45。

工艺要求： 机械加工时，工作台表面做成T形槽，如图2.8所示。

图2.8 工作台T形槽

2.5.3控制台设计

材料选择：控制台主要用于安装控制按钮，不承受动载荷，强度要求不是很高，满足使用要求即可，材料选用Q235A。

加工工艺：控制台的制作加工采用焊接方式完成。

外形设计：控制台外形尺寸设计应考虑操作方便。外形简图如图2.9所示。

图2.9 液压机控制台外形简图

1-控制按钮 2-控制面板 3-控制台底座

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第三章 液压机液压系统设计

3.1 液压传动的优越性概述

科学技术迅猛发展的今天，液压传动技术随之有了比较完善、成熟的理论基础。目前液压传动技术正向着高压、高速、大功率、高效、低噪音、经久耐用、高度集成化的方向发展。

（1）液压传动优越性 1）液压元件布局灵活；

2）液压传动操作控制方便，可实现无级调速；

3）液压传动容易实现直线传动，可以进行自动过载保护；

4）液压传动采用电液控制相结合的控制方式，可实现自动化控制，还可实现远程控制；

5）液压系统中液压元件的磨损比机械传动小很多，液压油除了作为传动介质外还起到了润滑的作用，延长了液压系统中液压元件的使用寿命。

（2）液压传动不足

1）液压传动沿程、局部阻力损失比较大；

2）液压传动压力高时泄漏较大，效率降低，处理不好油液还会对环境构成污染；

3）液压介质的泄漏和可压缩性使系统没有严格的传动比；

4）液压传动存在的液压冲击、气蚀、困油现象影响了设备的安全工作和使用寿命；

5）液压元件制造精度高，成本贵，系统故障不容易排除，维护技术成本高； 6）液压系统工作环境受温度影响较大，不宜在很高和很低的温度条件下工作。

3.2 液压系统设计要求 3.2.1 液压机负载确定

参考液压机技术参数表2.1可知，液压机的最大工作负载为100T，工进时液体最大压力为26MPA,由此确定液压机设计负载为100T型液压机。

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3.2.2 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。

3.2.3 液压系统设计参数

液压系统设计参数可参考表2.1

①

② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

系统压力：26MPa

上液压缸、下液压缸推力均为100t。

上缸快进、快退速度速度V1==V3=0.15m/s，。

上液压缸行程均为460㎝；下液压缸行程均为50㎝。 上缸快进行程300㎝； 保压时间2s

上缸工进速度V2=0.05m/s.

3.3 液压系统设计

3.3.1 液压机主缸工况分析

3.3.1.1 主缸速度循环图

根据液压机系统设计参数及表2.1中主缸滑块行程为460mm，可以得到主缸的速度循环图如下：

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图3.1 主缸速度循环图

3.3.1.2 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：

F = Fw + Ff + Fa ( 3.1 )

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 =

式中：

G —运动部件重量；

G?v? ( 3.2 ) g?tg —重力加速度9.8m/S2；

?v—?t时间内的速度变化量；

?t—加速或减速时间，一般情况取?t=0.01～0.5s。

查阅相同型号的液压机资料，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：?v=0.08m/s ，取?t=0.05s，代入公式3.2中。

即：

Fa =

30000N0.08m/s? = 4898N 20.05s9.8m/s（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。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。

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（3）主缸负载F计算

将上述参数Fa = 4898N 、Fw = 2000000N代入公式3.1中。 即：

F = 2000000 + 4898 = 2004898N

3.3.1.3 主缸负载循环图

（1）主缸工作循环各阶段外负载如表3.1

表3.1 主缸工作循环负载

工 作 循 环 启 动 横梁滑块快速下行 工 进 快速回程

（2）主缸各阶段负载循环如图3.2

F = f动 F = f动 + Fw F = f 回+ F背 外 负 载 F = f静 + Fa ≈5 KN 忽略不计 ≈2000 KN ≈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。

图3.2 主缸负载循环图

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3.3.2 液压机顶出缸工况分析

3.3.2.1 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3.3 顶出缸速度循环图

3.3.2.2 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3.1计算顶出缸的最大负载。

即：

F = Fw = 350000N

式中：

Fw —顶出力；

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3.3.2.3 顶出缸负载循环图

（1）顶出缸工作循环各阶段外负载如表3.2

表3.2 顶出缸工作循环负载

工 作 循 环 启 动 顶出缸顶出 快速退回

（2）顶出缸各阶段负载循环如图3.4

外 负 载 F = F静 + Fa F = = f 动 + Fw F = f 动 + F背 忽略不计 ≈350 KN ≈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。

图3.4 顶出缸负载循环图

3.3.3 液压系统原理图拟定

3.3.3.1 液压系统供油方式及调速回路的选择

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3.5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3.6所示。

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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3.5 液压机基本回路图

图3.6 恒功率曲线图

3.3.3.2 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。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。

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3.3.3.3 液压系统原理图

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3.7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-变量泵 27-过滤器 28、29、30、31梭阀

图3.7 液压机插装阀控制系统原理图

3.3.3.4 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，

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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。

3.3.3.5 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

22

泄压，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3.3

表3.3 液压机液压系统电磁铁动作顺序表

执行部件 主 缸 工 况 快速下行 工进、加压 保 压 泄 压 回 程 停 止 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y 8Y 9Y 10Y 11Y 12Y + + + + + + 顶 出 缸 顶 出 退 回 停 止 + + + + + + + + + + + 注：“”表示电磁铁处于得电状态。

+

23

3.3.4 液压系统基本参数计算

3.3.4.1 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

查表2-1 [1]并参考表2.1中设计参数，因液压机的工作负载比较大，取主缸的工作压力为P=26MPA。

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=100T。查表2-3 [1]，由主缸工作压力为26MPA选取d/D为0.7，取液压缸的机械效率 η

cm = 0.95。液压缸受力如图

3.8所示。

图3.8 液压机主缸受力简图

由图2.8可知

?4D2P1?F??4(D2?d2)P2

D=

4F (3.3)

P2d2?P1?cm{1?[1?()]}P1D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； η即：

cm—液压缸机械效率，一般η

cm = 0.9～0.95。

将参数代入公式（3.3），P2忽略不计，可求得液压缸内径

4?2?106ND=mm 63.14?25?10Pa?0.95≈327mm

24

查表2-4 [1],将液压缸的内径圆整为标准系列直径，取D=320mm；那么由d/D=0.7可以求得活塞杆直径。

即：

d=0.7D=0.7x327

≈229mm

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3.4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 η

cm = 0.95。液压缸受力如图

3.9所示。

图3.9 液压机顶出缸缸受力简图

将参数代入公式（3.3），P2忽略不计，可求得液压缸内径 即：

4?0.35?106ND=mm 63.14?12?10Pa?0.95≈198mm

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=0.7x198

≈138mm

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。

25

3.3.4.2 液压系统流量计算

（1）主缸所需流量计算

参考表2.1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，主缸内径为320mm，活塞杆直径为220mm。

由流量计算公式：

q?A?? （3.4）

快进时：

q快进?A??快进=工进时：

?4≈385.8L/min

2?（0.32m）?0.08m/s?6.43?10?3m3/s

4 ≈28.8L/min

2（0.32m）?0.006m/s?0.48?10?3m3/s q工进?A??工进=??快退时：

[0.32m)2?(0.22m)2]?0.03m/s?1.27?10?3m3/s q快退?A??快退=?（4? ≈76.2L/min （2）顶出缸所需流量计算

参考表2.1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（3.4），即：

顶出时：

?2（0.2m）?0.02m/s?0.63?10?3m3/s q顶出?A??顶出=?4 ≈37.8L/min 快退时：

?2[0.2m）?（0.14m)2]?0.05m/s?0.8?10?3m3/s q快退?A??快退=?（4 =48L/min

（3）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。泵的工作压力计算公式为：

PP?P1???P （3.5）

26

式中：

Pp—液压泵最大工作压力； P1—执行部件的最大工作压力；

??P—进油路中的压力损失，对于简单的系统，取0.2～0.5MPa，对于复杂系统，取0.5～1.5MPa。

本液压机执行部件的最大工作压力P1=26MPA，进油路中的压力损失，取

??P=0.5MPa。代入公式（3.5）可求得泵的工作压力。

即：

PP?25?0.5?25.5MPa

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Pn?(1.25~1.6)Pp，取Pp=1.25。

即：

Pn = 1.25Pp=1.25x25.5MPa≈31.9MPa

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(3.6)计算得到。

qP?KL(?q)max (3.6)

式中：

qP—液压泵的最大流量；

KL—液压系统泄漏系数，一般取KL=1.1～1.3，取KL=1.2；

(?q)max—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（3.6）中，即：

qP?1.2?385.8L/min≈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/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q=160ml/r×1000r/min=250L/min，

27

而泵实际所需的最大流量qp=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。 3.3.4.3 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=

PP?qp? (3.7)

式中：

P-电动机额定功率； Pp-液压泵的工作压力； qP-液压泵的流量；

η-液压泵的总效率，取η=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3.2可及，工进时主缸最大负载为100T，无杆腔面积A=

?4由公式（3.8）计算。

2?（0.32m）≈0.08㎡，进油回路压力损失取?P=0.5MPa，则液压泵的压力Pp

PP?F??P （3.8） A即：

2?106NPP??5?105Pa?25.5?106Pa 20.08m将PP?25.5?106Pa、qP=28.8L/min、η=0.7代入公式（3.7）中，求得工进功率为：

P?25.5MPa?28.8L/minKW?17.5KW

60?0.7

28

3）快退功率

由图3.2可知，快退负载为400KN,A??42?（0.32m）?（0.22m）?0.054m2，

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PP。

即：

400?103N56PP??5?10Pa?6.9?10Pa 20.054m将PP?6.9?106Pa、qP=76.2L/min、η=0.7代入公式（3.7）中，求得快退功率即为：

P?6.9MPa?76.2L/minKW?12.5KW

60?0.74㎡，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（3.8）计算。

即：

.4可及，顶出时主缸最大负载为350KN，无杆腔面积A=

?2?（0.20m）≈0.032

0.35?106NPP??5?105Pa?11.4?106Pa 20.032m将PP?11.4?106Pa、qP=37.8L/min、η=0.7代入公式（3.7）中，求得工进功率即为：

P?11.4MPa?37.8L/minKW?10.3KW

60?0.72）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 。

3.3.4.4 液压元件的选择

通过液压系统的参数计算查阅液压手册，液压元件选择如表3.4所示：

29

表3.4 液压元件明细表

序 号 1 2 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 25 26 27 液 压 元 件 名 称 溢 流 阀 溢 流 阀 电磁换向阀 电磁换向阀 溢 流 阀 电磁换向阀 电磁换向阀 溢 流 阀 溢 流 阀 电磁换向阀 电磁换向阀 单向阀 溢 流 阀 电磁换向阀 电磁换向阀 溢 流 阀 电磁换向阀 电磁换向阀 充液阀 压力表 变量泵 过滤器 元 件 型 号 YEF3-E25B YEF3-E20B 34F3P-E16B 24F3-E16B YEF3-E25B 24F3-E16B 24F3-E16B YEF3-E25B YEF3-E20B 34F3O-E16B 24F3-E16B AF3-Eb20B YEF3-E25B 24F3-E16B 24F3-E16B YEF3-E25B 24F3-E16B 24F3-E16B YAF3-Ea20B KF3E6L 250YCY14-1B WU-250X180F 额定流量（L/min） 120 120 80 80 120 80 80 120 120 80 80 100 120 80 80 120 80 80 150 240 250 250

30

3.4 液压系统零部件设计 3.4.1 液压机主缸设计

通过3.3.4.1 液压缸基本尺寸的计算，可及主缸的内径、活塞杆直径等参数。下面对主缸的其它参数进行具体设计。

（1）主缸缸体材料选择及技术要求

液压缸的结构形式一般有两种形式，即：薄壁圆筒和厚壁圆筒。当液压缸的内径D与壁厚δ的比值满足D/δ≥10的圆筒称为薄壁圆筒。液压缸的制造材料一般有锻钢、铸钢（ZG25、ZG35）、高强度铸铁、灰铸铁（HT200、HT350）、无缝钢管（20、30、45）等。对于负载大的机械设备缸体材料一般选用无缝钢管制造，主缸缸体材料选用无缝钢管45。

液压缸内圆柱表面粗糙度为Ra0.4～0.8μm；内径配合采用H8～H9；内径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；缸体内表面母线的直线度500mm长度之内不大于0.03mm；缸体端面对轴线的垂直度在直径每100mm上不大于0.04mm；如果缸体与端盖采用螺纹连接，螺纹采用6H级精度。

（2）主缸壁厚的确定 壁厚计算公式如下：

??式中：

δ—液压缸壁厚（m）； D—液压缸内径（m）；

pyD2[?] （3.9）

Py—实验压力，一般取最大工作压力的（1.25～1.5）倍；

[σ]—缸筒材料的许用应力。锻钢：[σ]=110～120MPa ；铸钢：

[σ]=100～110MPa ；高强度铸铁：[σ]=60MPa ；灰铸铁：[σ]=26MPA ；无缝钢管：[σ]=100～110MPa 。

主缸壁厚δ计算，将D=0.32m ；[σ]= 110MPa ；Py=1.4×25.5MPa=35.7MPa代入公式（2.9）中，即：

??35.7MPa?0.32m?0.052m

2?110MPa液压缸缸体的外径D外计算公式如下：

D外≥D＋2δ (3.10)

将参数代入公式（3.10），即：

D外≥0.32m＋0.104m＝0.426m

31

外径圆整为标准直径系列后，取主缸缸体外径D外＝430mm。 （3）主缸缸盖材料、厚度的确定

缸盖常用制造材料有35钢、45钢、铸钢，做导向作用时常用铸铁、耐磨铸铁。缸盖材料选用35钢，缸盖厚度计算公式如下：

t?0.433D2Py[?] （3.11）

式中：

t—缸盖的有效厚度(m)；

D2—缸盖止口直径； [σ]—缸盖材料许用应力。 即：

t?0.433?220?圆整后取缸盖厚度t=60mm。 （4）主缸最小导向长度的确定

35.7MPa?0.057m

100MPa当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离称为最小导向长度，用H表示。如果导向长度太小，会因为间隙引起的挠度而使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定工作。一般而言，液压缸的最小导向长度应该满足如下要求：

H?LD? (3.12) 202导向长度如图3.10所示

隔套活塞

图3.10 主缸导向长度简图

32

式中：

L—液压缸的最大行程； D—液压缸的内径。

由表1.1可知主缸的最大行程H=700mm，液压缸内径D=320mm代入公式（3.12）中，求主缸的最小导向长度。 即：

700mm320mmH???195mm

202为了保证最小导向长度H，不应过分增大l1和B的大小，必要时可以在缸盖和活塞之间增加一个隔套来增加最小导向长度。隔套的长度C可有公式（3.13）求得，即：

1C?H?(l1?B) (3.13)

2式中：

B—活塞的宽度，一般取B=（0.6～1.0）D；

l1—缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径的不同有不同的算法，当

D＜80mm时，取l1=（0.6～1.0）D；当D＞80mm时，取l1=（0.6～1.0）d。

（5）主缸活塞材料、技术要求、外形尺寸及密封方案的确定

活塞制造材料一般选用灰铸铁(HT150、HT200)、当缸体内径较小时，整体式结构的活塞选用35钢、45钢。主缸活塞选用灰铸铁HT200。

活塞制造时外圆柱表面的粗糙度为Ra0.8～1.6μm；外径圆度、圆柱度不大于外径公差的一半；外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半；端面对轴线垂直度在直径100mm上不大于0.04mm；外径用橡胶密封圈密封的公差配合取f7～f9，内孔与活塞杆的配合取H8/f7。

活塞宽度系数取0.8，即活塞的宽度B=0.8D=0.8×320mm =256mm。圆整后取活塞宽度B=260mm。

查表2-10[1],液压机主缸工况时的压力大，泄漏量也会随压力成正比升高，因此密封圈选用Y形密封圈，这种密封圈能承受的大的工作压力，泄漏量小。

（6）主缸活塞杆材料、技术要求及长度确定

活塞杆有空心和实心两种结构形式。空心时一般选用35钢、45钢的无缝钢管；实心结构选用35钢、45钢。主缸活塞杆选用45钢。

活塞杆制造时外圆柱面粗糙度为Ra0.4～0.8μm；热处理要求调质20～25HRC；外径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；外径表面直线度在500mm上不大于0.03mm；活塞杆与导向套之间的配合公差采用H8/f7，与活塞连接的配合公差采用H7/g6。

33

由滑块的行程，确定活塞杆的长度L杆=1250mm。

（7）主缸长度的确定

液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体的外形尺寸还应考虑两端端盖的厚度，总体而言，液压缸缸体的长度L不应该大于缸体内径D的20～30倍，即：L≤（20～30）D 。

由主缸行程为700mm，活塞宽度为260mm,缸盖厚度为60mm，通过计算可知，主缸的长度取L缸=1080mm。

（8）活塞杆稳定性校核

活塞杆工作中主要受压，当液压缸的支承长度Lb≥(10～15)d时，必须对活塞杆的弯曲稳定性进行校核,d为活塞杆直径。通过计算可知，Lb的最大值不可能大于L杆+L缸=2330mm，而(10～15)d=2500～3750mm。

将参数代入Lb≥(10～15)d中，比较后Lb＜(10～15)d，活塞杆满足使用要求，工作时不会失稳。

（9）主缸结构设计 1）缸体与端盖的连接形式

查表2-7 [1]，缸体与端盖的连接形式通常有法兰连接、螺纹连接、外半环连接、内半环连接等形式。由于液压机工况时缸体内的压力很大，所以缸体与端盖的连接方式选用法兰形式。

2）活塞杆与活塞的连接形式

查表2-8 [1]，活塞与活塞杆的连接结构有整体式结构、螺纹连接、半环连接、锥销连接等连接形式。主缸活塞与活塞杆的连接选用螺纹连接形式。

3）活塞杆导向结构形式

活塞杆的导向部分包括端盖、导向套、密封、防尘和锁紧结构。工程机械中导向套一般安装在密封圈的内侧，有利于导向套的润滑。

4）缓冲与排气装置

液压机运动时的质量大，快进时的速度快，这样活塞在到达行程中点时，会产生液压冲击，甚至活塞与缸筒端盖会产生机械的碰撞。为防止这种现象的发生，在行程末端要设置缓冲装置。一般缓冲装置有环状间隙式节流缓冲装置、可调节流缓冲装置、三角槽式节流缓冲装置。

大型液压缸需要有稳定的运动速度，这样需要设置排气装置，防止空气在传动时对系统传动精度有影响。排气阀安装在液压缸两端的最高处，双作用液压钢需要设两个排气阀。

34

3.4.2 液压机顶出缸设计

（1）顶出缸缸体材料选择及制造技术要求

顶出缸工作时的最大工作压力为12.5MPa，比主缸的要小，为了保证顶出缸安全工作，缸体材料也选用无缝钢管45。

缸体的制造要求应该满足液压缸内圆柱表面粗糙度为Ra0.4～0.8μm；内径配合采用H8～H9；内径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；缸体内表面母线的直线度500mm长度之内不大于0.03mm；缸体端面对轴线的垂直度在直径每100mm上不大于0.04mm。

（2）顶出缸壁厚的确定

将D=0.2m ；[σ]= 110MPa ；Py=1.3×12.5MPa=16.26MPA代入公式（3.9）中，即：

??16.25MPa?0.2m?0.015m

2?110MPa将D=0.2m ；取δ=0.02m代入公式（3.10），即：

D外≥0.2m＋0.04m＝0.24m

外径圆整为标准直径系列后，取主缸缸体外径D外＝240mm。

（3）顶出缸缸盖材料、厚度的确定

缸盖常用制造材料有35钢、45钢、铸钢，做导向作用时常用铸铁、耐磨铸铁。顶出缸缸盖材料选用35钢，缸盖厚度计算公式见（3.11）：

即：

t?0.433?145?取缸盖厚度t=25mm。

16.25MPa?0.025m

100MPa（4）顶出缸最小导向长度的确定

由表2.1可知顶出活塞行程L=250mm，顶出缸内径D=200mm，代入公式(3.12)， 即：

H?250mm200mm??112.5mm 202（5）顶出缸活塞材料、技术要求、外形尺寸及密封方案的确定 顶出缸活塞选用灰铸铁HT200。

顶出缸活塞外圆柱表面的粗糙度为Ra0.8～1.6μm；外径圆度、圆柱度不大于外径公差的一半；外径对内孔的径向跳动不大于外径公差的一半；端面对轴线垂直度在直径100mm上不大于0.04mm；外径用橡胶密封圈密封的公差配合取f7～f9，内孔与活塞杆的配合取H8/f7。

35

计算活塞宽度时区宽度系数为0.8，即活塞的宽度B=0.8D=0.8×200mm =160mm。取活塞宽度B=160mm。

查表2-10[1],液压机顶出缸工况时的工作压力比主缸要小很多，密封圈选用O形密封圈。

（6）顶出缸活塞杆材料、技术要求及长度确定

活塞杆有空心和实心两种结构形式。空心时一般选用35钢、45钢的无缝钢管；实心结构选用35钢、45钢。顶出缸活塞杆选用35钢。

活塞杆外圆柱面粗糙度为Ra0.4～0.8μm；热处理要求调质20～25HRC；外径圆度、圆柱度不大于直径公差的一半；外径表面直线度在500mm上不大于0.03mm；活塞杆与导向套之间的配合公差采用H8/f7，与活塞连接的配合公差采用H7/g6。

由顶出活塞的行程，确定活塞杆的长度L杆=705mm。 （7）顶出缸长度的确定

液压缸缸体内部长度等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体的外形尺寸应考虑两端端盖的厚度，总之，液压缸缸体的长度L不应该大于缸体内径D的20～30倍，即：L≤（20～30）D 。

由主缸行程为250mm，活塞宽度为160mm,缸盖厚度为25mm，通过计算可知，主缸的长度取L缸=650mm。

（8）活塞杆稳定性校核

当液压缸的支承长度Lb≥(10～15)d时，应该对活塞杆的弯曲稳定性进行校核,d为活塞杆直径。通过计算可知，Lb的最大值不可能大于L杆+L缸=1355mm，而(10～15)d=2000～3000mm。

将参数代入Lb≥(10～15)d中，比较后Lb＜(10～15)d，活塞杆满足使用要求，工作时不会失稳。

3.4.3 液压油管设计

液压传动中装置中，常用的液压油管有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。钢管承受的压力高，弯曲半径不能太小，弯制时比较困难。对于高压系统液压油管一般选用无缝钢管；紫铜管承受的工作压力一般在6.3～10MPa。紫铜管加热软化后可进行弯曲，比钢管容易弯制，价格昂贵，抗振性较弱；尼龙管主要用于低压系统；塑料管承受的工作压力比较小，一般用于液压系统的回油路中；胶管有高压管和低压管两种，而者的区别在于骨架组成不同。高压胶管是钢丝编制体或钢丝缠绕为骨架，可用于较高的油路中。低压胶管的组成骨架是麻线或棉线编制体，多用于压力较低的油路中。

通过液压机主缸、顶出缸工作压力的计算可知，主缸的最大工作压力约为25.5MPa,顶出缸的工作压力约为12.5MPa。查表6-1[1] 、6-5[1] ，主缸工作压力

36

较高，油管选用无缝钢管，顶出缸油路油管选用高压胶管。

油管的内径可由公式（3.14）求得

d?4.6式中：

d—油管内径(mm)；

q? (3.14)

q—油路通过最大流量(L/min)；

?—油管中允许流速m/s。

（1）主缸液压油管内径计算

进油油管内径D1确定：主缸快进所需流量q=385.8L/min，而泵的额定流量q=250L/min,取油管允许流速?=4m/s，代入公式(3.14)，即：

D1?4.6250L/min?36.3mm

4m/s圆整后，查表6-1[1] ，取D1?40mm，壁厚t=5mm。

回油油管内径d1确定：主缸快退所需流量q=76.2L/min，取油管允许流速

?=4m/s，代入公式(3.14)，即：

d1?4.676.2L/min?20.1mm

4m/s圆整后，查表6-1[1]，取d1?25mm，壁厚t=4.5mm。 （2）顶出缸液压油管内径计算

进油油管内径D2确定：顶出缸顶出所需流量q=37.8L/min，取油管允许流速?=4m/s，代入公式(3.14)，即：

D2?4.637.8L/min?14.2mm

4m/s圆整后，查表16.5-1[3] ，取D2?16mm。

回油油管内径d2确定：顶出缸回程所需流量q=48L/min，取油管允许流速

?=4m/s，代入公式(3.14)，即：

d2?4.648L/min?16mm 4m/s圆整后，查表16.5-1[3]，取d2?16mm。

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3.4.4 液压油箱设计

液压油箱主要作用是贮存液压油、分离液压油中的空气和杂质，同时还起到散热的作用。

（1）油箱有效容积的确定

液压油箱根据系统压力的不同，有效容积的确定也不一样。为了防止液压油从油箱中溢出，油箱中的液压油位不能太高，一般不应该超过液压油箱高度的80%。低压、中压、高压系统油箱的有效容积V确定算法如下：

低压系统(P≤2.5MPa)：V=(2～4)qP (3.15) 中压系统(P≤6.3MPa)：V=(5～7)qP (3.16) 中高压或高压系统(P＞6.3MPa)：V=(6～12)qP (3.17) 式中：

V—液压油箱有效容积； qP—液压泵额定流量。

液压机属于高压系统，油箱的有效容积可由公式(3.17)求出，即： V=9qP=7×250L =1750L （2）油箱外形尺寸确定

油箱的有效容积确定后，液压油箱外形尺寸长、宽、高的比值一般为：1:1:1～1:2:3。为了提高冷却效率，安装位置不受影响时，可适当增大油箱的容积。液压油箱的外形尺寸为：长×宽×高=1000×760×690(mm)。

（3）油箱的结构设计

液压油箱材料一般选用Q235A钢板，通过焊接的方式连接。油箱的结构组成一般包括隔板、吸油管、回油管、顶盖、清洗孔、油面指示、吊钩、加热与冷却装置等。

隔板主要是为了增加液压油的流动时间，除去沉淀的杂质，分离清除水和空气，调节温度，吸收液压油压力波动及防止液面的波动。

吸油管前应设有过滤器，过滤器与箱底间的距离应不小于20mm。吸油管应插入液面以下，防止吸油时吸入空气，使空气混入系统；回油管出口有直口、斜口、弯管直口、带扩散器的出口等形式，一般采用45°斜口。为防止液面波动，可在出口设扩散器或将回油管插入液面以下，一般距离油箱底面的距离大于300mm。为了不让进油、回油相互影响，用隔板将其隔开，两管的斜口方向还应一致，而不是相对。

顶盖用于安装液压泵、阀组、动力装置、空气滤清器。泵和动力装置安装时底座应该与顶盖分开，另外制做。顶盖与油箱要有好的密封性，防止泄漏的油液直接进入油箱而污染油液；清洗孔用于清洗油箱内的角落和取出油箱内的元件；油面指示用于油箱内最高、最低油位；吊钩方便装配和搬运。

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3.5 液压站布局设计

3.5.1 液压站设计需要考虑的问题

（1）液压装置中各部件、元件的布置要匀称，要便于安装和维修； （2）液压站结构尽量采用集中式，液压泵装置的安装尽量采用卧式，这样方便维护和散热；

（3）行程阀安装位置必须靠近运动部件，手动换向阀的位置必须靠近操作部位。换向阀之间应留有一定的轴向距离，便于手动调整和装拆电磁铁。压力表及开关应布置在便于观察和调整的地方；

（4）随工作运动的管道采用软管或有弹性的管子，软管安装时应避免相互发生扭转。硬管布置时应贴地或沿主机外形布置，相互平行的管道应保持一定的间隔，并用管夹固定。

3.5.2 液压站的结构设计

液压站由液压油箱、液压泵装置、液压控制装置三部分组成。其中，液压油箱包括空气滤清器、过滤器、油面指示器和清洗孔；液压泵装置包括液压泵、驱动电机和联轴器等；液压控制装置包括各种液压阀和联接体。

（1）液压机液压站结构形式的选择

液压站的结构形式通常有两种，即：分散式、集中式。分散式液压站结构紧凑，泄漏油容易回收，节省占地面积，但安装维修不方便，一般较少采用；集中式液压站安装维修方便，液压装置产生的振动、发热、都与主机隔开，不影响主机的工作精度。液压机选用集中式液压站。

（2）液压泵安装方式的选择

液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电机和联轴器，安装方式有立式和卧式两种。立式安装将液压泵和与之相连的油管放在油箱内，结构紧凑，美观，吸油条件好，但是安装维修不方便，散热条件不好；卧式安装与立式恰好相反，安装维护方便、散热性好。液压机的液压泵装置采用卧式安装方式。

（3）电动机与液压泵联接方式的选择

电动机与液压泵的联接方式有法兰式、支架式、支架法兰式。电动机与液压泵的联接方式采用支架法兰式。为了防止安装时同轴度误差的影响，联轴器选用弹性联轴器。

（4）液压站布局简图

液压机液压站布局如图3.11所示

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1-空气滤清器 2-插装阀 3-油管 4-液压泵

5-电动机 6-吊钩 7-油箱 8-清洗孔 9-放油塞 10-液面指示器

图3.11 液压机液压站布局简图

3.6 液压系统安全、稳定性验算 3.6.1 液压系统压力损失的验算

液压机执行部件有主缸和顶出缸，主缸的进、回油管直径分别为：40mm、25mm；顶出缸的进、回油管直径分别为16mm、16mm。液压油选用L-HL32液压油，15℃时该油液的运动粘度??150cst?1.5cm2/s,油液密度??920kg/m3。

（1）主缸各工况时的压力损失验算 1）工进时进油路、回油路的压力损失

工进时运动部件最大速度为0.006m/s，工进时最大流量为28.8L/min，则液压油在油管中的流速v1为：

v1?q?4d24?28.8?103?cm/min?2293cm/min?38.2cm/s 23.14?4.0管道流动雷诺数Re1为

Re1?v1d38.2?4.0??101.9 v1.5Re1＜2300，油液在管道内流动为层流，沿程阻力系数

40

?1?7575??0.736。进油管长度为8m，沿程压力损失?P1为： Re1101.9l?v18920?0.3822?P1??1??0.736??Pa?0.01?106Pa ?2d224.0?106阀的压力损失?P；那么进油路总的压力损失?P进为： 阀?0.05?10Pa666=?P进=?P1+?P(0.01?10?0.05?10)Pa?0.06?10Pa 阀2工进时回油管的最大流量q回为：

?q回??Aq?4?A?0.3224(0.322?0.222)?28.8L/min?15.2L/min

回油管中液压油的流速v2为：

v2?q回4?15.2?103?cm/min?1891cm/min?31.5cm/s 23.14?2.5?4d2管道流动雷诺数Re2为

Re2?v2d31.5?2.5??52.5 v1.5油液在管道内流动为层流，沿程阻力系数?2?Re2＜2300，

进油管长度为6m，沿程压力损失?P2为：

7575??1.4。Re252.5l?v28920?0.31526?P2??2??1.4??Pa?0.02?10Pa ?2d222.5?1066阀的压力损失?P；调速阀压力损失?0.05?10Pa?P?0.5?10Pa；那么调阀2回油路总的压力损失?P回为：

666?P回=?P2+?P调=(0.02?10?0.05?10?0.5?10)Pa 阀+?P=0.57?106Pa

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泵的出口压力PP为：

FPP??cm62?10?A2?P回?0.054?0.57?106??P进?0.95?0.06?106Pa

A10.1024≈20.9MPa

2）快进、快退时的压力损失

主缸快进时由于供油不足，泵口的压力很小；快退时的负载为400kN，与工进时的负载100T相比要小，这样回路中的压力损失比工进时要小，泵的出口压力也比工进时小，具体验算过程从略。

（2）顶出缸各工况时的压力损失验算 1）工件顶出时进油路、回油路的压力损失

顶出缸顶出速度为0.02m/s，需要的最大流量为37.8L/min，进油管直径D=16mm，则液压油在油管中的流速v1为：

v1?q?4d24?37.8?103?cm/min?18810cm/min?313.5cm/s 3.14?1.62管道流动雷诺数Re1为

Re1?v1d313.5?1.6??334.4 v1.5Re1＜2300，油液在管道内流动为层流，沿程阻力系数

?1?7575??0.23。进油管长度为6m，沿程压力损失?P1为： Re1334.4l?v16920?3.1352?P1??1??0.23??Pa?0.39?106Pa ?2d221.6?106阀的压力损失?P；那么进油路总的压力损失?P进为： 阀?0.05?10Pa666?P进=?P1+?P阀=(0.39?10?0.05?10)Pa?0.44?10Pa

2回油管直径D=16mm，工进时回油管的最大流量q回为：

?q回??Aq?4?A?0.224(0.22?0.142)?37.8L/min?19.3L/min

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回油管中液压油的流速v2为：

v2?q回4?38.76?103?cm/min?37.8cm/min?160cm/s

3.14?1.62?4d2管道流动雷诺数Re2为

Re2?v2d160?1.6??171 v1.5油液在管道内流动为层流，沿程阻力系数?2?Re2＜2300，

进油管长度为5m，沿程压力损失?P2为：

7575??0.44。Re2171l?v25920?1.62?P2??2??0.44??Pa?0.16?106Pa ?2d221.6?106阀的压力损失?P；调速阀压力损失?P调?0.5?106Pa；那么阀?0.05?10Pa2回油路总的压力损失?P回为：

6666+=?P回=?P2+?P?P(0.16?10?0.05?10?0.5?10)Pa?0.71?10Pa 调阀泵的出口压力PP为：

FPP??cm60.35?10?A2?P回?0.0204?0.71?1060.95??P进??0.44?106PaA10.04 ≈9.6MPa

2）快进、快退时的压力损失

顶出缸回程时只有摩擦负载存在，比顶出负载350kN要小，因此回程时液压泵口的压力比顶出时要小，具体验算过程从略。

通过对主缸、顶出缸各工况的压力损失验算可知，液压系统的油路结构及元件参数选择满足要求。

43

3.6.2 液压系统温升的验算

对液压机进行系统温升验算，只要验算发热量最大的那个工况就可行。液压缸各工况输入功率P输入前面计算电动机功率时已经计算出，现在只要计算液压缸各工况的输出功率P输出。

主缸工进时输入、输出功率分别为：

P输入=17.5kw

P输出=Fv=100T×0.006m/s=12kw

工进时系统发热功率φ=P输入-P输出=17.5-12=5.5kw 主缸快退时输入、输出功率分别为：

P输入=12.5kw

P输出=Fv=400kN×0.03m/s=12kw

快退时系统发热功率φ=P输入-P输出=12.5-12=0.5kw

顶出缸的工况压力比主缸小，系统的温升功率不会超过主缸的温升功率，这里就不对顶出缸温升功率进行具体计算了。

通过计算可知，主缸的最大发热功率为5.5kw。系统温升?T计算公式如下：

?T?? (3.18) CTA式中：

?T—系统温升； ?—发热功率；

A—油箱散热面积；

CT—油箱散热系数。自然冷却通风很差时，CT=(8～9)×10?3；自然

冷却通风良好时，CT=(15～17.5)×10?3；有专用冷却器时，CT=(110～170)×

10?3。液压机散热条件一般，取散热系数CT=10×10?3。

油箱的散热面积A的计算公式为：

A?0.065?3V2 (3.19)

即：

A?0.065?317502?9.4m2

将?=5.5kw ；A?9.4m2；CT=10×10?3代入公式(2.18),求系统温升，即：

5.5kw?T??58.5℃

10?10?3?9.4m2查资料可知，允许的最高油温[T]，对于一般机床[T]=55～70℃ ；对于工程机械[T]=65～80℃。通过温升验算可知，系统温升在许可油温范围内，满足要求。

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第四章 液压机电气系统设计

4.1 电气控制概述

液压机的电气控制系统通常采用继电器控制、PLC控制、工业计算机控制等方式。继电器控制和PLC控制是目前用的最多的控制方式。继电器控制系统主要由继电器、接触器、按钮、形成开关等元件组成。继电器控制具有结构简单，维护方便，价格低廉，抗干扰能力强，但固定的接线方式，使继电器控制的通用性和灵活性差；PLC控制系统主要由CPU、存储器、输入输出接口、编程器等元件组成。PLC控制具有编程简单，维护方便，通用性强，体积小，设计调试期短，性能稳定，抗干扰能力强，价格比继电器控制系统贵。

4.2 液压机电气控制方案设计 4.2.1 液压机电气控制方式选择

液压机工况少，各工况动作不复杂，执行部件运动都是简单的直线运动。综合分析，继电器控制系统完全可以实现液压机各工况动作的完成，液压机电气控制选用继电器控制。

4.2.2 电气控制要求与总体控制方案

（1）电气控制系统拟达到的控制要求 1）能够实现手动、半自动控制； 2）能够准确实现速度的换接控制； 3）系统过载时自动启动过载保护；

4）为随时了解系统所处的工作状态，设置工况指示灯； 5）系统稳定性好，能够保证液压机安全正常的工作。 （2）电气系统总体控制方案

液压泵由电机拖动；快进、工进之间速度的换接通过行程开关控制；工进保压时间通过时间继电器控制；滑块的安全行程范围由行程开关限制；通过电磁换向阀控制每个工况的动作的开始；电磁换向阀的接通通过按钮或压力信号控制；液压机启动、停止通过按钮控制。

4.3 液压机电气控制电路设计 4.3.1 液压机主电路设计

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液压机拖动电机容量小，主电路的启动方式采用直接启动。QS为电源开关，熔断器FU1对主电路起短路保护作用，熔断器FU2对控制电路起短路保护作用。热继电器FR起过载保护作用。按下启动按钮SB2后，线圈KM得电，电动机启动，液压机开始工作。主电路如图4.1所示。

图4.1 液压机主电路图

4.3.2 液压机控制电路设计

控制电路主要控制主缸的快进、工进、保压、回程和顶出缸的顶出、退回。其中速度换接通过行程开关来控制，保压由压力继电器控制，保压时间由时间继电器控制，顶出缸的启动、退回由手动按钮控制。为方便观察液压机处于那个工况，设置信号指示灯。为了预防突发事件的发生，应设置急停按钮。控制电路如图4.2所示。

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手动自动

主缸快进工 进保 压回 程工件顶出退 回图4.2 液压机控制电路图

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4.3.3 电气控制过程分析

（1）主缸快进

将开关置于自动档，按下SB2，交流接触器KM得电，电动机启动。中间继电器KA1相继得电，电磁阀1Y、3Y、6Y得电。此时液压系统向主缸上腔供油，在补油油箱的协助下主缸快速下行；

（2）主缸工进

当滑块触及行程开关SQ2，中间继电器KA2得电，这时电磁阀1Y、3Y、7Y得电，主缸由快进变为工进；

（3）主缸保压

当主缸无杆腔的压力达到压力继电器设定压力后，YJ闭合，所有电磁换向阀失电，进行保压；

（4）主缸泄压

保压一段时间后，中间继电器KA3得电，电磁换向阀4Y得电，主缸上腔开始泄压；

（5）主缸退回

泄压完成后，中间继电器KA4得电，电磁阀2Y、5Y、12Y得电，主缸下腔进油，滑块回程，触及行程开关SQ1，运动停止；

（6）工件顶出

按下按钮SB4，中间继电器KA5得电，电磁换向阀2Y、9Y、10Y得电，顶出缸下腔进油，活塞杆上行将工件顶出；

（7）顶出缸退回

按下按钮SB5，中间继电器KA6得电，电磁换向阀2Y、8Y、11Y得电，液压油进入顶出缸上腔，顶出缸回程。

（8）停机

按下SB0或SB1，液压机停止工作。如果液压机接入状态为自动档，按下SB3也可使液压机停止运行。

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第五章 液压机安装调试和维护

5.1 液压机的安装

液压机安装之前应事先做好安装地基，一般采用混凝土地基。液压机床身采用螺栓固定，因此在做混凝土地基时应预留螺栓孔，等液压机安装后再浇注固定。液压机其它部件的安装参照部件装配图，按图纸所给配合要求进行安装。

5.2 液压机的调试

液压机所有安装工作完毕后，必须进行现场调试。按下启动按钮，看液压机是否能够顺序的完成各工况动作。调试过程中通过看、听等方式看液压机硬件或控制系统工作是否正常。除此之外，还要检验所有控制按钮、压力表是否都能正常工作。调试一段时间后，如果运行正常，液压机就可以正式交付使用了。

5.3 液压机的保养维护

（1）选择合适的液压油

液压油在整个系统中起着传递压力、润滑、冷却等作用。如果液压油选择不恰当将使液压系统出现故障和性能下降。一般情况参照随机使用说明书，选择规定型号的液压油，特殊情况可以选用与规定型号性质相同的代用油。不同牌号的液压油不能够混用，以免发生化学反应，深褐色、乳白色、有异味的变质油不能使用。

（2）定期进行保养

定期清除滤网上的污物，如果滤网破损要及时更换。设备工作一段时间后要对洗滤清器、液压油箱进行清洗，并及时更换液压油，长期处于高温工况时清洗和更换的周期要缩短。当液压机工作10000小时后要请专业人员对设备进行检测，并进行调整和维修，防止因长久失修对液压系统和设备造成致命损坏。

（3）防止固体杂质进入系统

添加或更换液压油时要对油液过滤，防止固体杂质侵入系统后堵塞油路，特别是精密部件，很容易堵住。清洗邮箱时，拆卸部件应包好，避免杂物污染。油箱的清洗油液应选用同牌号的液压油，反复清洗三次左右。

（4）防止空气进入系统

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液压机属于高压设备，大量的空气侵入，会加剧“气蚀”现象。此外，还会造成系统的工作噪音加大，传动不稳定，效率降低，油液易氧化变质，有时液压系统还会产生“爬行”现象。

（5）防止液压油工作温度过高

液压油的工作温度一般应控制在30℃～80℃之间最好，油温过高会导致液压油的粘度降低，容易引起泄漏，效率下降，润滑油膜强度降低，加速机械的磨损，生成碳化物和淤碴，油液氧化加速，油质恶化；温过低时，其粘度大，流动性差，阻力大，工作效率低。

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