液压传动系统设计实例

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2·4 液压传动系统设计计算实例

——250g塑料注射成型机液压系统设计计算

塑料注射成型机（简称注塑机）的基本工作原理是：颗粒状塑料通过料斗进入螺旋推进器中，螺杆转动，将料向前推进，同时，因螺杆外装有电加热器而将料溶化成黏液状态，在此之前，合模机构已将模具闭合，当物料在螺旋推进器前端形成一定压力时，注射机构开始将黏液状料高压快速注射到模具型腔之中，经

一定时间保压冷却后开模，把成型

图10.9-10 注塑机的工作循环 的塑料制品顶出，便完成一个动作

循环。注塑机的工作循环如图10.9-10所示。

250g注塑机的一次注塑量为250克，拟采用液压传动与控制方式。 2·4·1 设计要求及设计参数

(1) 设计要求

1) 合模运动要平稳，两片模具闭合时不应有冲击；

2) 合模后，合模机构应保持闭合压力，防止注射时冲开模具；注射后，注射机构应保持注射压力，使塑料充满型腔；

3) 预塑进料时，螺杆转动，物料被推至前端，这时，螺杆同注射机构一起向后退，为使螺杆前端的塑料有一定的密度，注射机构必须有一定的后退阻力；

4) 系统应设有安全联锁装置，以保证安全生产。 (2) 设计参数

250g注塑机液压系统的设计参数如表10.9-19所示。

表10.9-19 250g注塑机的设计参数

项目 直径 行程 螺杆 最大注射力 转速 驱动功率 注射座 行程 最大推力 参数 40 200 153 60 5 230 27 900 49 单位 mm mm MPa r/min kW mm kN kN kN 项目 动模板最大速度 快速闭模速度 慢速闭模速度 快速开模速度 慢速开模速度 注射速度 注射座前进速度 注射座后退速度 参数 350 0.1 0.02 0.13 0.03 0.07 0.06 0.08 单位 mm m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s 最大合模力（锁模力） 开模力 2.4.2 选择液压执行元件

本注塑机动作机构除螺杆为单向旋转外，其他机构均为直线往复运动。因此，各直线运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸直接驱动；因螺杆不要求反转，故采用单向液压马达驱动。从给定的设计参数可知，锁模时所需的力最大，为900kN。为此，可设置增压器，以获得锁模时的局部高压来保证锁模力。

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2·4·3 液压执行元件工况分析与计算

各执行机构的运动速度要求示于表10.9-19。 (1) 各液压缸负载力计算

1) 合模缸的负载力 合模缸在模具闭合过程为轻载，此时外负载主要是动模及其联动部件的启动惯性力和导轨的摩擦力。锁模时，动模已停止运动，其外负载就是要给定的锁模力。开模时，液压缸要给定开模力和克服运动部件的摩擦阻力。

2) 注射座移动缸的负载力 注射座移动缸在推进和退回注射座的过程中，同样要克服摩擦阻力和惯性力，只有当喷嘴接触模具时，才需满足注射座最大推力。

3) 注射缸载荷力 注射缸的负载力在整个注射过程是变化的，计算时，只需根据螺杆直径d和喷嘴处最大注射压力p（由表10.9-19可知，d=40mm，p=153MPa）求出最大负载力Fe；算得Fe?p??d2/4?192(kN)。

各液压缸的外负载计算结果列于表10.9-20。考虑液压缸的机械损失，取液压缸的机械效率为0.9，求得相应液压缸活塞上的负载力，并列于表10.9-20中。

表10.9-20 各液压缸负载力

名称 工况 液压缸外负载Fe/kN 液压缸活塞外负载FO/kN 合模 合模缸 锁模 开模 注射座移动缸 注射缸 移动 顶紧 注射 90 900 49 2.7 27 192 100 1000 55 3 30 213

(2) 预塑进料液压马达负载转矩计算

3负载转矩为 Te?P(2?n)?5?10?(?2?60/?60) m)7?96；(N取液压马达的机械效率为?mm?0.95，则其驱动转矩为

T0?T?mm?7960.95?838(N?m)

2·4·4 确定液压系统主要参数

(1) 预选系统设计压力

250g注塑机属小型液压机类型，负载最大为锁模工况，其他工况负载都不大。参考表10.9-4，预选系统工作压力为6.5MPa。对于锁模工况，可采用增压器提供高压油，以满足最大负载需要。

(2) 各液压缸的主要结构尺寸确定

1) 合模缸 合模缸在锁模工况负载最大达1000kN，为了节能，并不需要提高系统工作压力，可采用增压器即增压缸增压。初选增压缸的增压比为5，则工作压力可达

p1?6.5MPa?5?32.5MPa；考虑到锁模工况时的回油量很小，背压p2?0，从而求得合模

缸的内径（即活塞直径）为

4F04?1000?103Dh???0.198m 6?p13.14?32.5?10依据GB/T 2348-1993(见表10.9-8)规定，取标准值Dh?200mm。

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又参考表10.9-6取dh/Dh?0.7，则活塞直径dh?0.7?0.2m=140mm。

为设计、制造简单方便，将增压缸与合模做成一体，见图10.9-11。可知，增压缸的活直径也为Dh?200mm。由增压比为5，求得压缸的活塞杆直径为

图10.9-11 共用缸体的合模缸与增压缸 杆缸塞增

dz?Dh2002??89.4mm 55圆整，取dz?90mm。

2) 注射座移动缸 注射座移动缸的最大负载力为其顶紧时，此时缸的回油流量虽经节流阀，但流量极小，故背压近似为零，则其活塞直径为

4F04?3?104Dy???0.076m 6?p13.14?6.5?10依GB/T 2348-1993，取标准值Dy?80mm。

由表10.9-19给定设计参数可知，注射座往复速比为0.08:0.06=1.33,查表10.9-7得

dy/Dy?0.5，则活塞杆直径为dy?0.5?Dy?0.5?80?40(mm)。

3) 注射缸 当黏状塑料充满模具型腔时，注射缸的负载达到最大值213kN，此时，注射

活塞速度也近似为零，回油量极小，故背压也忽略不计，从而得到注射缸的内径

4F04?21.3?104Ds???0.2043m 6?p13.14?6.5?10取标准值Ds?220mm。

注射缸的活塞杆直径一般与螺杆外径相同，取ds?40mm。 由上求得各液压缸的结构尺寸，算出它们无杆腔和有杆腔的有效作用面积，列入表10.9-21中。

表10.9-21 各液压缸的结构尺寸

名称 缸径 /mm 合模缸 增压缸 注射座移动缸 注射缸 200 200 80 220 杆径 /mm 140 90 40 40 无杆腔作用 面积A1/m2 31.4×10-3 31.4×10-3 （低压大腔） 5.02×10-3 38×10-3 有杆腔作用 面积A2/m2 16×10-3 6.36×10-3 （高压小腔） 3.76×10-3 36.73×10-3 (3) 确定液压马达排量 单向旋转液压马达的回油直接回油箱，视其出口压力为零，取机械效率为0.95，则液压马达的排量应为

V?2?Te2??796??0.0008(m3/r)?0.8(L/r) 6p1?mm6.5?10?0.953

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(4) 液压执行元件工况（实际工作压力和实际所需流量）计算

按最后确定的液压缸结构尺寸和液压马达的排量，计算出各工况液压执行元件实际工作压力和实际所需流量分别见表10.9-22和表10.9-23。

表10.9-22 各液压执行元件实际工作压力

工况 合模 锁模 注射座前进 注射座顶紧 注射 预塑进料 执行元件 名 称 合模缸 增压缸 注射座 移动 注射缸 液压马达 负载 100kN 1000 kN 3 kN 30 kN 213 kN 838N·m 计算公式 背压 0.3 — 工作压力 3.19 6.96 0.6 5.97 5.9 6.58 p1?(F?p2A2)/A1 0.5 —- 0.3 p1?(2?T0)/V — 表10.9-23 各液压执行元件实际所需流量表

2·4·5 拟定液压系统原理图

(1) 制订系统方案

1) 合模缸动作回路 要求合模缸实现快速、慢速、锁模、开模动作。合模缸的运动方向采用三位四通电液换向阀直接控制。快速运动时，需要有较大流量。慢速合模只要有小流量即可。锁模负载力大，靠增压缸供压。

2) 液压马达动作回路 由于单向液压马达转速要求较高，而对速度平稳性无过高要求，故采用旁路节流方式。

3) 注射缸动作回路 注射缸运动速度较快，但平稳性要求不高，因此也采用旁路节流方式。由于预塑时有背压要求，故在缸的无杆腔出口油路串联一个背压阀。注射缸的运动方向控制也采用三位四通电液换向阀。

4) 注射座移动缸动作回路 注射座移动缸采用回油节流调速回路。工艺上要求其不工作时处于浮动状态，所以采用Y型中位机能的三位四通电磁换向阀。

5) 液压油源的选择 由表10.9-23可知，该液压系统在整个工作循环中所需流量变化较大，另外，闭模和注射后又要求有较长时间的保压，故选择双泵供油回路。液压缸快速动作时，双泵同时供油，慢速动作或保压时则单独由小泵供油，以利减少功率损耗，提高效率、节能。

5）安全联锁措施 为了保证安全生产，设置一个安全门，在安全门下端装一个行程阀，用来控制合模缸的动作。将行程阀串在控制合模缸换向的液动阀控制油路上，安全门没有关闭时，行程阀没被压下，液动换向阀不能进控制油，电液换向阀不能换向，合模缸也不能合模。只有操作者离开，将安全门关闭，压下行程阀，合模缸才能合模，从而保障人身安全。

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(2) 拟定液压系统原理图

各液压执行元件的基本回路方案确定后，把它们组合起来，并去掉多余重复的元件，例如，把控制液压马达的换向阀与泵的卸荷阀合并，使一阀两用；考虑到注射缸与合模缸之间有顺序动作的要求，两回路结合部串联单向顺序阀。再加上其他必须的辅助元件如过滤器、压力表之类，便可得到图10.9-12所示的250g注塑机液压系统原理图。系统的电磁铁动作顺序表见表10.9-24。

图10.9-12 250g注塑机液压系统原理图

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