四柱液压机课程设计

液压与气压传动课程设计

说明书

设计题目： 四拄液压机 专 业： 机械设计制造及自动化 班 级： 14机械卓越 姓 名： xxx 学 号： 140111xx 指导教师： 徐建方

常州工学院机械与车辆工程学院

2016年6月13日

1

前言

本设计为四柱式液压机，四柱液压机的主机主要由上梁、导柱、工作台、移动横梁、主缸、顶出缸等组成。其中主缸可完成快速下行、慢速加压、保压延时、释压换向、快速返回、原位停止的动作；顶出缸可实现向上顶出、停留、向下退回、原位停止的动作。本设计主机最大工作负载为7000000N。通过对液压缸工况分析确定液压缸负载的变化，拟定液压系统图和电磁铁动作顺序。并设计主液压缸，计算主液压缸的尺寸和流量，主缸的速度换接与安全行程限制通过行程开关来控制。根据技术要求及设计计算选择液压泵、GE系列电磁阀等液压元件。通过液压系统压力损失和温升的验算，液压系统的设计可以满足液压机顺序循环的动作要求，设计的四柱液压机能够实现塑性材料的锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲等成型加工工艺。本液压系统选用PLC控制系统，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。液压机采用集中式布置，液压系统油源与控制调节装置置于主机之外。

该液压机结构紧凑，动作灵敏可靠，速度快，能耗小，噪音低，压力和行程可在规定的范围内任意调节，操作简单。

2

目录

第一章 概论 ......................................................................................................... 1

第一节 液压机的工作原理及其组成 ............................................................................... 1 第二节 发展趋势 ............................................................................................................... 3 第三节 液压传动的优缺点及应用 ................................................................................... 4

第二章 液压系统的合成 ............................................................................................... 6

第一节 液压传动工作原理 ............................................................................................... 6 第二节 搭建部分回路 ....................................................................................................... 9 第三节 其他考虑 ............................................................................................................. 10

第三章 液压缸结构设计及液压系统工况分析........................................................ 11

第一节 液压缸基本结构设计 .......................................................................................... 11 第二节 载荷的组成和计算 .............................................................................................. 11 第三节 确定主液压缸的、顶出液压缸结构尺寸 ......................................................... 12 第四节 液压缸动作时的流量 ......................................................................................... 14 第五节 缸的设计计算 ..................................................................................................... 14

第四章 液压元件的选择及性能验算 ......................................................................... 26

第一节 液压元件的选择 ................................................................................................. 26 第二节 液压系统性能验算 ............................................................................................. 31

第五章 立柱结构设计 ..................................................................................................... 35

第一节 立柱设计计算 ..................................................................................................... 35 第二节 连结形式 ............................................................................................................. 36 第三节 立柱的螺母及预紧 ........................................................................................... 38 第四节 立柱的导向装置 ................................................................................................. 39 第五节 限程套 ................................................................................................................. 40

第六章 横梁参数的确定 ................................................................................................. 41

第一节 上横梁结构设计 ................................................................................................. 41 第二节 活动横梁结构设计 ............................................................................................. 41

3

第三节 下横梁结构设计 ................................................................................................. 42 第四节 各横梁参数的确定 ............................................................................................. 42

第七章 液压元件的设计 ................................................................................................. 43

第一节 管道及管接头 ..................................................................................................... 43 第二节 液压控制阀的选择 ............................................................................................. 44

结论 .................................................................................................................................. 46 参考文献 ............................................................................................................................... 47

4

第一章 概论

第一节 液压机的工作原理及其组成

一．概述

液压机（又名：油压机）利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械，种类很多。当然，用途也根据需要是多种多样的。如按传递压强的液体种类来分，有油压机和水压机两大类。水压机机产生的总压力较大，常用于锻造和冲压。锻造水压机又分为模锻水压机和自由锻水压机两种。模锻水压机要用模具，而自由锻水压机不用模具。我国制造的第一台万吨水压机就是自由锻造水压机。

液压机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现各种工艺的机器。液压机被广泛应用于机械工业的许多领域。例如在锻压领域，液压机被广泛应用于自由锻造、模锻、冲压、挤压、剪切、拉拔成型及超塑性等许多工艺中；在机械工业的其他领域，液压机被应用于粉末制品，塑料制品、磨料制品、金刚石成型、校正压桩、压砖、橡胶注塑成型等十分广泛的不同工作领域。

机器具有独立的动力机构和电气系统，采用按钮集中控制，可实现调整、手动及半自动三种工作方式：机器的工作压力、压制速度，空载快下行和减速的行程和范围，均可根据工艺需要进行调整，并能完成顶出工艺，可带顶出工艺、拉伸工艺三种工艺方式，每种工艺又为定压，定程两种工艺动作供选择，定压成型工艺在压制后具有顶出延时及自动回程。

液压机一般是由本体、动力系统、液压控制系统三部分组成。本体一般是由机架、液压缸部件、运动部分及其导向装置以及其他辅助装置组成。工艺要求使影响液压机本体结构形式的最主要因素。由于在不同液压机上完成的工艺是多种多样的，因此液压机的本体结构形式也是不同的。根据机架形式，液压机可以分为立式和卧式；根据机架的组成形式，液压机可分为梁柱式、单柱式、框架式、钢丝缠绕预应力牌坊式等。其中三梁四柱式是最为常见的类型，如图1-1所示。其机身是由工作台、滑块、上横梁、立柱、锁母和调节螺母等组成。其执行元件的结构简单，结构上易于实现很大的工作压力、较大的工作空间，因此适应性强，便于压制大型工件或较长、较高的工件；由于执行元件结构简单，所以布置灵活，可以根据工艺要求来多方位布置；活动横梁的总行程和速度都可在一定范围内、相当大程度上调节，适应工艺过程对化快速度的不同要求；通过不同阀的组合实现工艺过程的不同顺序；安全性能好，不易超载，有利于保护模具；工作

1

高压液体作用于柱塞的力是通过活动横梁及上砧传递到锻件上而做功，活动横梁的上下运动则依靠梁与立柱的导向装置。

二、活塞杆与横梁的连接

刚性连接 柱塞下端插入活动横梁内。 此种连接方式在偏心载时，柱塞跟随活动横梁一起倾斜，将动梁所受偏心力矩的一部分传给工缸导向套，使导向套承受侧向水平推力或一对力偶，从而加剧导向套及封的磨损。单缸液压机或三缸液压机的中间工作缸多采取此种结构。

在活塞杆焊接法兰用螺钉与横梁连接，用12根M30的螺钉，达到预紧的目的。

第三节 下横梁结构设计

下横梁的刚度要求应略严一些，以保证整个压机的刚性。下横梁直接与立柱、拉杆、工作台、回程缸和顶出器相连，梁体结构和受力状态都很复杂。对于下横梁，其设计原则与上横梁相同，是在满足相连部件最小几何尺寸要求和工艺要求的条件下，尽可能缩减其纵向、横向尺寸，这是有效提高梁的刚度、强度和减轻梁的重量应首先把握的主要原则。

第四节 各横梁参数的确定

因为液压缸与横梁间的垫片厚度为25cm，因此可以推算横梁的厚度取大于25cm即满足要求。考虑在垫片与横梁的连接面积比垫片与液压缸的连接面积少一半所以上横的受力部分厚度选用50cm，因为有空心部分，所以整体厚度选用75cm。活动横梁受力部分为35cm，整体厚度选用50cm。因为下缸的公称压力小，但受力打，所以整体厚度选用40cm。

42

第七章 液压元件的设计

第一节 管道及管接头

管道及管接头用以把液压元件连接起来，组成一个完整的系统。正确的选择管道和管接头，对液压系统的安装、使用和维修都有着重要的意义。在设计管道时，管径应适应、路线应最短，管道弯头、接头应尽量小，以减小系统的压力损失。同时，管道的连接必须牢固可靠，防止振动松脱，并且要便于调整和维修。

一、管道 1、管子的种类

液压传动系统常用的管子有钢管、橡胶软管、尼龙管和塑料管等。应当根据液压元件的装置条件、部位和压力大小来选用油管的材料。我选用的是钢管。

钢管 分为焊接钢管和无缝钢管。压力小于2.5 Mpa时可选用焊接钢管；压力大于2.5 MPa时，推荐用10号或15号无缝钢管；对于需要防锈防腐蚀的场合，可选用不锈钢管；超高压时可选用合金钢管。本设计主要选用合金钢管。

钢管价格便宜，工作压力较高，但装配时不能任意弯曲，因此多用于装配部位限制较少和产品比较定型以及大功率的液压传动装置中，是液压传动系统主要的油管材料。

2、管子的内径和壁厚的确定

管道尺寸一般由选定的标准元件连接口尺寸确定，也可以按管路允许流速进行计算。

3、管接头

管接头用于油管之间或油管与液压元件之间的连接。对管接头的基本要求是工作可靠、密封性良好、对液流的阻力小、结构简单、安装和制造方便等。常用的管接头可分为金属管固定连接管接头、活动连接管接头和软管管接头等三类。

（1）金属管固定连接管接头

法兰连接 法兰连接的结构形式有焊接式和凸肩式两种。用12个高强度螺栓

43

紧固，并采用O型橡胶密封圈密封。

法兰连接常用于通径大于32mm的高压管道及超高压管道。这种连接的特点是牢固可靠，但外形尺寸较大，要求较大的空间。目前，法兰连接一般是采用方形的法兰，在直径大于125mm时，也可采用圆形法兰。

在设计中采用法兰式连接。

第二节 液压控制阀的选择

一、先导式溢流阀

DB/DBW型先导式溢流阀具有压力高、调压性能平稳、最低调节压力低和调压范围大等特点。在设计中选用DBW型，可以控制系统的压力并能在任意时刻使之卸荷。

DBW30的通径为20MM，最大流量可达500MinL/，可以满足供油要求。

二、节流阀

Z2FS型节流阀是双单向叠加式节流阀，用来控制两个工作油口的主流量或先导油流量。将本元件装在先导阀和主阀之间，可以控制先导流量。

Z2fs型的通径为22mm，流量可达350MinL/，对于下油缸流量要求较小，所以，可以满足要求。

三、单向阀

S型单向阀 该阀为锥阀式结构，压力损失小。主要用于做背压阀和旁路阀用。 连接方式采用管式连接，通径为30mm，流量可达260L/Min

SV型液控单向阀 该阀为锥阀式结构，只允许油流正向通过，反向则截止。 连接方式采用螺纹连接，型号选SV25。通径为20mm，流量可达300 L/Min

四、电磁换向阀

设计中采用三位四通电磁换向阀。次那个号为DSG系列，该系列电磁换向阀配有强吸力、高性能的湿式电磁铁，具有高压、大流量、压力损失低等特点。

选用S-DSG-03-3C 最大流量120MinL/。

44

五、顺序阀

DZ型先导式顺序阀

该阀利用油路本身压力来控制液压缸或马达的先后动作顺序，以实现油路系统的自动控制。改变控制油和泄露油的连接方法，该阀还可以作为卸荷阀和背压阀（平衡阀）使用。

DZ型选通径25mm 流量可达300L/Min。

六、背压阀

该阀可使背压随载荷变化而变化，载荷增大，背压自动降低，载荷减小则背压增加，使运动平稳性好，提高系统效率。

选择FBF3型系列，满足最大32 MPa范围即可。

45

结论

1.本课题是对液压系统的一个详细设计。通过这次课程设计，对当前液压技术的发展概况和今后的发展趋势有了仔细的了解。

2.对主液压缸进行工况分析，确定负载图和速度变化图，拟定液压原理图以及电磁铁动作顺序表。

3.根据液压原理图并从系统的技术要求出发，选择液压元件。本设计采用了径向柱塞泵作为供油源以及GE系列液压阀。

4.对主液压缸进行设计，确定各部分参数，绘制液压缸。

5.在查阅大量资料基础上还可对设计进行改进。在支撑部分安装二通插装阀可避免液压机横梁下滑及响声问题。

46

图5-1 中、小型液压机立柱连结形式

在中、小型液压机中，常用的连结形式有以下4种：

1. 立柱用台肩分别支承上、下横梁，然后用外锁紧螺母上、下予以锁紧。这种结构中，上横梁下表面（工作台）上表面间的距离与平行度，全靠4根立柱台肩间尺寸的一致性来保证，因此装配简单，不需调整，装配后机架的精度也无法调整，且对立柱台肩间尺寸精度的加工要求很高。因此，这种结构仅在无精度要求的小型简易液压机中采用。

2. 内外螺母式，即在立柱上分别用内、外两个螺母来固定上、下横梁，用内螺母来起上述台肩的支承作用，用外锁紧螺母上、下予以锁紧。上横梁下表面的水平度以及下横梁（工作台）上表面的水平度，两个表面之间的平行度与间距的保持，全靠安装时内螺母的调整，因此，对立柱的有关轴向尺寸要求不高，但对立柱螺纹精度（与立柱轴线的平行度）及内螺母精度（内螺母的螺纹对于上、下横梁贴合面的垂直度）要求较高，安装时调整比较麻烦。

3. 在与上横梁连结处用台肩代替内螺母，精度调节和加工均不很复杂，但立柱预紧不如第2种方便。

37

4. 与第3种形式基本相同，只是在下横梁处用台肩代替内螺母，但精度调节比第3种简便可靠。

在设计中选用的是第四种连结方式。

图5-2 组合式立柱螺母

第三节 立柱的螺母及预紧

立柱螺母一般为圆柱形，小液压机的立柱螺母是整体的，立柱直径在150mm以上时，做成组合式，由两个半螺栓紧固而成，材料用35~45锻钢或铸钢。因为在设计中我选用的立柱为300mm，所以采用此种结构。

立柱螺母的尺寸已有机械行业标准JB/T 2001.73——1999，螺母外径约为螺纹直径的1.5倍，内螺母一般与螺母等高，约为螺纹直径的0.9倍。

25MN以下的液压机，其立柱多做成实心的，实心的立柱的两端要钻出预紧螺母用的加热孔。

立柱的预紧分加热预紧与液压预紧。本次设计选用的是加热预紧方式。 加热预紧 比较常用的方法，为此，立柱端部应钻有加热孔，其深度应大于横梁的高度。在立柱及上横梁安装好后，先将内、外螺母冷态拧紧，然后用电热棒或通入蒸汽等加热方法使立柱端部伸长，达到一定温度后，将外螺母再向下拧过一个角度，一般是用螺母外径上一点转过的弧长来度量。立柱冷却后，就在螺母与横梁之间产生一个很大的预紧力，使螺母不易松动。加热时应注意两对角立柱同时加热。

38

第四节 立柱的导向装置

活动横梁运动及工作时，一般以立柱为导向，由于活动横梁往复运动频繁，且在偏心加压时有很大的侧推力，因此，不可能让活动横梁与立柱直接接触，互相磨损，必须选择耐磨损、易更换的材料作为两者之间的导向装置。导向装置的质量直接关系到活动横梁的运动精度及被加工件的尺寸精度，也会影响到工作缸密封件与导向面的磨损情况，对模具寿命及机身的受力情况也均有影响，为此，必须合理选择导向装置的结构及配合要求。

图 5-3

导向装置可分为导套与平面导板两大类。 导套

对于圆截面的立柱，都是在活动横梁的立柱孔中采用导套结构，又可分为圆柱面导套和球面导套。

圆柱面导套 在活动横梁的立柱孔中，各装有上、下两个导套，它们由两半组成，为了拆装方便，两半导套的剖分面最好有005~3的斜度，导套两端装有防尘用的毡垫。这种导套结构简单，制造方便。

39

第五节 限程套

为防止运动部分超程，有些液压机在下横梁的4个立柱上安装限程套，一般为对开式，上、下两端应平行，4个限程套高度应一致，内孔比立柱直径大1-2mm，用铸铁制造。

图5-4立柱安装限程套

40

第六章 横梁参数的确定

第一节 上横梁结构设计

横梁由铸造制成，目前以铸造为多，一般采用ZG35B铸钢。 横梁的宽边尺寸由立柱的宽边中心距确定，上梁和活动梁的窄边尺寸应尽可能小些，以便锻造天车的吊钩容易接近液压机中心，梁的中间高度则由强度确定。

设计上横梁时，为了减轻重量，根据“ 等强度梁”的概念，设计成图所示的不等高梁，即立柱柱套处的高度h 小于中间截面的高度H。但在过渡区( A处) 会有应力集中

由于上横梁外形尺寸很大，为了节约金属和减轻重量，尽量使各个尺寸在允许的范围内降到最小。梁体做成箱形结构，在安装缸的地方做成圆筒形，安装立柱的地方做成方筒形，中间加设筋板，以提高刚度，降低局部应力。

图6-1梁的不等高结构

第二节 活动横梁结构设计

一、活动横梁的主要作用:

与工作缸柱塞杆连接传递液压机的压力，通过导向套沿立柱导向面上下往复运动;安装固定模具及工具等。因此需要有较好的强度、刚度及导向结构。活动横梁上部与工作缸柱塞相连，下部与上模座相连，梁体结构和受力状态都很复杂。当液压机工作时，

41

(2) 导向环的尺寸

采用不同的材料，导向环的尺寸也不同。

聚四氟乙烯（也有掺青铜粉）导向环：根据活塞外圆直径或导向套内圆直径，导向环厚度可为1.5～2.5mm,宽度可为5.6～25mm。

纤维增强酚醛树脂掺石墨导向环，厚度可为3～5mm，宽度可为2.5～25mm。 基于此，本设计采用聚四氟乙烯导向环，其厚度为2.5mm，宽度为10mm。

六、导向套的设计

导向套是用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证密封效果，导向套的典型结构形式是采用了轴套式。 （1）导向套的材料

导向套要求磨损系数小，因此，采用了青铜。

（2）导向套长度的确定

导向套长度过短，将使缸因配合间隙引起的初始挠度增大。影响液压缸的工作性能和稳定性，因此，设计必须保证缸有一定的最小导向长度，一般缸的最小导向长度应满足：

H≥

LD? 202式中：L--为液压缸的最大行程，L=600mm；

D--为液压缸筒内径，D=160mm； H--为导向套最小导向长度； 所以：

H≥

600160 ?202 H≥30+80=110mm

根据设计要求的需要，选择导向套的长度为110mm。 活塞宽度B=0.6D=96mm.取B=100mm。

导向套滑动面的长度A,在根据液压缸内径D而定； 当D<80mm时，取A??0.6~1.0?D； 当D>80mm时，取A??0.6~1.0?d。

22

A=0.6d=108mm.

取100mm。

(3) 导向套的密封

导向套与活塞杆之间的密封采用O形橡胶密封圈，根据GB/T3452.1-1992查阅，选取，密封环内径180mm，线径7mm。选自《机械设计手册》第2卷表10.1-40通用型O型密封圈尺寸系列与公差。

并且采用防尘圈以防止活塞在后退时把杂质、灰尘及水份带到密封装置处.尺寸Φ68×5。

(4) 导向套的加工技术要求

a、导向套外圆与端盖的配合为H8/f7。 b、内孔与活塞杆外圆的配合为H8/h7。 c、外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mm。

d、内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，以保证良好的润滑。 导向套的零件图如图3-4所示：

图3-4 导向套

七、缸盖的设计 (1) 缸盖的材料和结构

23

缸盖分为左缸盖和右缸盖，其中一个油口位于左缸盖之上。缸盖的材料选择45钢。

(2) 缸盖的尺寸的确定

缸盖与缸筒内壁的接触面为其定位基准。为了保证缸盖与缸筒两者轴线的同轴度，其装配面要经过磨削加工。缸盖的尺寸是由导向套、缸筒、活塞杆及固定装置的尺寸来确定。其法兰的尺寸由安装条件确定。其中直径d1与缸径相同220mm,基本尺寸D3取与密封圈外径相同200mm。

(3) 缸盖的技术要求

a、导向孔的表面粗糙度应为Ra=1.25μm。

b、与缸筒内径配合的直径采用h9，与活塞杆上的缓冲柱塞的配合的直径采用H9。偏差值为0.115mm。这三个尺寸的圆度和圆柱度误差不大于各自直径公差的一半，三个直径的同轴度误差按7级选取0.03mm。

c、与缸筒接触的端面和与活塞接触的端面对轴线的垂直度误差在直径100mm上不大于0.04mm，按7级精度选取。 前后端盖如图3-5、图3-6所示：

图3-5 前端盖

24

图3-6 后端盖

25

第四章 液压元件的选择及性能验算

第一节 液压元件的选择

根据系统要求和设计方案，选择合适的液压元件，对液压系统有很大的决定作用，所以对液压元件一定要有合理的选择。

一、液压泵的选择

液压泵是系统的能源装置，它给系统提供压力油，在液压系统中起心脏作用。由工况分析可清楚的看出：系统工作循环主要由相对于快进、快退行程的低压大流量和相应于工进行程的高压小流量两个阶段所组成，其最大流量和最小流量之比很大，其相应的时间比有很小。这表明，系统在一个工作循环中的绝大多数时间内处于高压小流量工作。

从提高系统效率出发，由于额定压力（25Mpa）较大，所以这里选用柱塞泵供油。它和调速阀组成的容积——节流联合调速回路，一方面可以保证运动的平稳性及速度的稳定，另一方面可实现流量适应，减小系统功率的损失和系统发热。

因此液压泵选用径向柱塞泵。

a、确定液压泵的最大工作压力Pp:

Pp?P1???P

式中： P1--液压缸的最大工作压力25Mpa；

??P--从液压泵出口到液压缸的入口之间总的管路损失。可以按实验数据选

取，管路简单，流速不大的取??P=（0.2～0.5）Mpa；管路复杂，进口有调速阀的取??P=（0.5～1.5）Mpa；

由工况分析一节可知，液压缸的最大工作压力出现在工进阶段，P1=25Mpa。 由于工进阶段液压缸输入流量很小，进油路中元件较少，故泵至缸间的进油路压力损失选取??P=0.4Mpa，所以，Pp≥25+0.4=25.4Mpa；

26

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iq4d.html