金属打包机的液压系统设计论文

摘要

如今，工业化的发展速度越来越快，各个国家对于金属的要求量也日益上升。但是由于对金属资源的过度开采和对现有金属的使用、保存的不合理，导致自然金属资源的匮乏。这不禁引起人们的担忧，同样也为对废金属的合理回收、使用、冶炼提出了新的课题。本文为液压金属打包机的设计，致力于废金属的回收和再利用，提出依靠液压来对废金属进行打包处理，使之成为具有相当规格尺寸的包块，来方便对废金属进行回收、运输、回炉再造，以重新投入到生产。这样提高了废金属的利用率，也在一定程度上缓解了对金属资源的需求。

关键词废金属；回收；打包；液压

ABSTRACT

Nowadays, with the rapid development of industrialization, the demand for metals in every country is on the rise correspondingly. However, it is due to the excessive exploration of metal resources and the unreasonable use and preservation of the existed metals, the natural metal resources in the world suffer from deficiency. The situation upsets the human beings. Meanwhile, it puts forward a new topic for people to discuss the recycling, use and smelting of wasted metals. This paper is the design of the hydraulic baler for metal. It is aimed at the recycling and reuse of wasted metals. When baling, the baler which is controlled by the hydraulic system compresses the metal into bales. These bales are of the same size and are very convenient in recycling transportation and further use. In this way, wasted metals could be fully used and transformed into new ones. Thus, it could alleviate the urge demand for metal resources to some extent.

Key words wasted metal；recycle；bale；hydraulic

目录

中文摘要

外文摘要

第1章绪论 (1)

1.1文献综述 (1)

1.1.1课题研究背景 (1)

1.1.2课题研究的意义 (1)

1.2设计内容简介 (2)

1.2.1研究解决的问题 (2)

1.2.2整体设计方法 (2)

1.3本章小结 (3)

第2章打包机主体的设计分析 (4)

2.1打包机的结构设计 (4)

2.1.1打包机的运动 (4)

2.1.2打包机的总布局 (4)

2.2 打包机压缩室的设计与强度校核 (6)

2.2.1压头的强度效核 (7)

2.2.2压缩室的设计 (7)

第3章打包机液压系统的设计 (9)

3.1 液压系统的特点 (9)

3.2液压系统工况分析 (9)

3.2.1分析系统工况 (9)

3.2.2确定液压系统的主要参数 (9)

3.3 拟订液压系统原理图 (11)

3.3.1确定供油路线 (11)

3.3.2液压回路的设计 (11)

3.3.3 拟订液压系统图 (12)

3.3.4液压系统原理图的分析设计 (12)

3.4 液压系统的计算和液压元件的选定 (14)

3.4.1液压缸的设计计算 (14)

3.4.1.1主要参数的确定 (14)

3.4.1.2液压缸的结构设计 (15)

3.4.1.3液压缸的排气与缓冲 (20)

3.4.2选择液压元件 (21)

3.4.3液压系统的性能验算 (24)

3.4.3.1发热温升的估算 (24)

第4章 PLC控制系统设计 (26)

4.1 PLC控制器的选择 (26)

4.2系统控制要求 (26)

4.3I/O点数的确定 (27)

4.4 画流程图与梯形图以及编写单片机程序 (28)

参考文献 (29)

总结 (30)

致谢 (31)

附录 (32)

第1章绪论

1.1文献综述

1.1.1课题研究背景

打包机是压缩包装机械中的主要种类之一，它利用压缩设备在一定压缩条件下，在不破坏材料性质的前提下，对各种松散材料施加压力，从而减小体积、增大容积密度，压出外形尺寸统一、比重大、密度高的包块，适合集装箱装运的需要。从而减少运输成本，增加经济效益。

目前广泛应用的打包机，一类是用于将棉、纱、布、麻、羊毛及其制品等松散物压缩打包的非金属打包机，一类是适用于金属回收加工行业及有色、黑色金属冶炼行业的金属打包机。

本次课题要求设计的金属打包机即属于后者，是一种典型的金属回收机械，它是将机械工业的余废料、即一定厚度下的边角余料，线材、切屑及小型薄壁金属容器、包装物、小型构架，废旧金属生制品等金属物料，挤压成具有一定规格和紧密度的束块，便于运输和回炉冶炼。

从所掌握的资料来看，目前国内所拥有并使用的金属打包机，除简陋及代用设备（如夹板锤、摩擦压力机之类）外，分为丝杆传动和液压传动两大类。由于丝杆传动的功率损失太大，压头力的传动不稳定，加工的包块的密度低，以及丝杆传动易磨损等缺点的限制，不能得到发展，已逐步淘汰；而液压传动的金属打包机具备传递压力大、容易实现自动变速、传动平稳等优点，随着金属回收工业的发展，液压金属打包机的发展也相当迅速，有一批适合我国国情、不同规格和品种的设备投入到各金属回收单位。

1.1.2课题研究的意义

留心观察我们的生活，不难发现，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，各工业部门的金属下脚料及生活用金属制品的废弃物都日益增多，一方面，这些废弃物的随意丢置，将会对人类环境产生严重污染；另一方面，人类社会的不断消耗，各类矿物资源也会逐渐减少。因此，如何利用金属废弃物，既防止环境污染，又变废为宝，资源永续。就成为一个重要的研究课题摆在人类面前。打包机由于能实现对废旧金属的打包回收，充分将资源再利用，因而在国民经济中占据着重要的地位，有着广阔的应用前景。尤其在目前党中央大力倡导构建节约型社会的影响下，可以预见，各行各业对这类机械的需求量还会日益增加。

鉴于这种情况，研究设计金属打包机的液压控制系统，结合相应的单片机进行控制，实现打包自动化，提高打包质量和效率，降低工人劳动强度，是具有一定的现实意义。

1.2设计内容简介

1.2.1研究解决的问题

本文主要是设计一台金属打包机。传统的打包机设备主要由动力系统、传动机构和工作机构组成。动力系统是机器的动力源；工作机构是完成机器工作任务的直接工作部分；而传动机构则是为了使动力源适应工作机构对力和速度、以及其他操作性能（停车、换向）要求的装置。

本次设计任务的特点，是要结合现代化生产的需要，尝试采用一种新型且被广泛应用于工业生产的单片机集成控制，取代传统的继电器控制系统，设计集机械结构设计、单片机控制、液压流体传动于一体的金属打包机。并达到如下的工作要求：要求打包负载1250KN；压缩后金属包体积为0.250*0.250*0.250M3。步骤正确，工作安全可靠，使用维护方便，并能调节系统压力。

1.2.2整体设计方法

考虑到打包机的工作不太复杂，工作相对比较稳定，安装好后不需要频繁移动机体等特点，在本次设计中决定采用整体结构，将液压系统、PLC电气控制制台和打包机主体集中安置，这样设计，操作者可以适时根据各工作机构的工作状况而采取合适的指令进行控制，使机器工作安全可靠。

1．金属打包机主体的设计

⑴打包机机体的设计

⑵压缩室的设计

①压缩室的尺寸设计

②进行弯曲强度校核

2．液压系统的设计

⑴液压泵的选择：

提供达到一定流量和压力的油泵作为液压发生机构。

⑵液压缸及控制油路的设计：

要求能实现如下工作过程：从料斗中倒入要压制的废金属料→主缸活塞快速推进→倒入数次料后，主缸活塞快速推进数次→主缸活塞重压一次（工进）→辅缸打开压缩室门→主缸活塞从压缩室快速推出金属包，再退出压缩室→辅缸关闭压缩室门。

⑶液压阀的选择：

选择系统的控制、调节装置，将工作液体按一定的方向、一定的压力、一定的流量送往各执行机构，包括方向阀、压力阀、流量阀三大类。

⑷辅助装置的确定：

选择将上述几个部分连接起来的管道、油箱、警接头、滤油器、仪表等。

3、单片机程序及控制线路的设计

⑴设计单片机的控制线路

⑵选择单片机的控制器

在选择好相应的单片机和确定了控制对象的控制任务后，即可根据工艺、信息流程具体安排输入、输出的配置。从而完成以下几个自动控制过程：

①上辅缸快退，料斗门打开，金属废料从料斗中倒入压缩室；

②上辅缸快进，关闭料斗门；主缸快进，压紧废料，主缸压力达到设定值后快退到初始位；上辅缸快退，料斗门打开，继续加料；重复以上步骤5--6次；

③主缸工进，重压一次，压力达到设定值后，主缸停止几秒，保压；

④主缸快退卸压；

⑤下辅缸上升，顶开压缩室前门，主缸快进，将压缩包推出压缩室；

⑥主缸快退，下辅缸下降，关闭压缩室前门；

⑦完成一个周期，可进行下一次打包；

1.3本章小结

根据生产需要和技术、经济要求，完成打包机液压控制系统、机构设计和软件开发。要求能够实现所设计的打包机经济实用、性能可靠，使用、维护方便，液压系统采用单片机控制，控制过程简单、灵活、可靠，能较好地满足系统的设计要求.并能调节系统压力。工艺加工手段效果好。能广泛运用于有色金属加工行业。且还能使本机具备以下特点：工作效率高、能耗低、加工成本低、无金属损耗和环境污染。

第2章打包机主体的设计分析

打包机主体设计分析的主要任务是进行打包机的结构设计、以及主缸压包和辅缸出包的运动结构形式，并对相关部分进行强度校核。

2.1打包机的结构设计

打包机机体设计的基本任务是根据工作要求以及推杆推压金属废料块的运动方式选定合适的机体结构，并合理地选定有关的结构尺寸，然后设计出满足条件的打包机的压缩室。所以，对打包机的推压包块的运动过程进行分析，是完成机体设计的前提。

2.1.1打包机的运动

打包机从加料后开始工位运转，到包块的推出，运动停止，为一个单次工作循环。其程序如下：

1、合盖，封闭进料口，形成压缩室。在上辅缸关闭进料口门后，主缸快进，对松散的金属废料进行一次予压缩。压缩室的高即为包块高。

2、主缸压头继续前进，向X正向加压。直至废料压缩成包块达到包块宽度位置时止。这样，在压缩室的前端形成一个高压室。

3、再次加料后，主缸循环快进、工进，提供高压，这级压力是在高压室内，对已初步形成的束块，进行整形定性的最终挤压，形成紧密度较高的束块。达到包块的长度要求。

4、包块成形后，松泄主压头压力，下辅缸作用推开机身侧边的出包门。

5、利用主压头继续前进，将包块从侧门推出机外。

6、主、侧压头退回，侧门关闭，机盖启开。即可进行下一个工作循环的加料。上述这几个程序是基本的工位循环，其间还有一些辅助运动，如持续加压，保压、泄压等。

2.1.2打包机的总布局

打包机一般分为二大部分——主机部分和动力系统。

1、主机部分。

根据对打包机运动情况的分析可知，主缸系统应水平安置在机体上，侧门系统垂直于主缸系统安置，上辅缸系统安置在主缸上方，另外再加上一些辅助机构，这样就构成了机器进行打包工作的部分，即主机部分。按构成的结构分，应该包括：

(1)机体

机体是安装机器各部分的基础。其结构是个上开式的箱形型式，亦是容纳物料的

料箱，机体的基本构件由于是几大块拼接而成，其位置和形式都是一定的，没有什么调节、修定的要求，所以装拆均容易(一般也不用拆卸)。使用中也不容易损坏。若出现损坏(断裂或某些地方严重磨损)、则需更换新构件或修补。

（2)上辅缸系统

上辅缸系统是控制进料口进料的机构。由上辅缸及辅缸推压头组成。其功能是将金属物料送进料箱内的，并推向高压室。上辅缸装在机体后架中间的大孔内，并用大园螺母从后面锁紧。压头直接套装在侧缸活塞杆伸出端，由一个大螺栓从端面中间紧固，再盖以侧压头护板。由于侧压头在料箱内还要组成高压室的一壁，其位置是有严格要求的，所以在侧压头与活塞杆接触的台阶处，有一个调整垫圈，为使活塞杆的行程终了时，侧压头护板的前面与主压头护板侧边刚好要接触并有一定的问隙，就靠调整垫圈的厚度来保证。

(3)主缸系统

主缸系统是加压机构，其横卧安装于机体的前架一端，与机体垂直组合装配成一体，整个系统主要由主缸总成、主缸横梁、主压头、门梁及圆螺母等组成，其功能就是对被侧压头推压到高压室内的较疏松的束块，进行第二级挤压，使其达到一定的密度，主压头的最大推力，就是打包机的公称压力，经主压头挤压最后形成的包块，其长度尺寸大致是一致的。主缸将束块压成尺寸要求后即停止。

（4）出料门系统

出料门系统是控制出料门的开闭，使主缸将挤压成功的包块推出机外的部分。由出料门、辅助缸总成、支座等主要零、部件组成。它的功能只是起辅助作用，机器在加料、挤压工作时，由出料门将压缩室的门洞封闭，包块成形后，将出料门推开，便于包块从门洞内推出，出料门装在由门梁和侧架贴合形成的滑道内，辅助缸装在侧架外壁上，辅助缸活塞杆与出直接铰接，由辅助缸带动出料门在滑道内往复滑动，对侧架上的门洞进行开关。由于出料门是在高压室位置，直接承受主缸的挤压力，工作时开门前的主缸卸压的步骤和时间一定要保证，否则，门将打不开或者损坏机件。2、动力系统

动力系统就是机器的液压发生、控制机构。布置在机器的后部、侧缸的两侧。而电控操纵箱则置于机器同主缸的一侧。整个系统由下列部分组成：

(1)油箱部分

油箱部分是动力系统的支承基础，亦是机器液压传动的油源，整个油箱是个长方行的封闭箱体，装于主机的后端。

(2)油泵—电机组

油泵—电机组机器的主动力源，由柱塞泵和三相交流电动机组成，二者用减速箱联接，安装在油箱面上，通过油管与各类液压元件相连成油路。

(3)控制阀组

控制阀组液压系统的控制装置，由液压系统中所需要的各种液压元件及通路体组成，安装于油箱面上，各液压阀选用板式结构，集中安装，结构非常紧凑，各元件拆卸维修都很方便。

(4)管路系统

管路系统是将各元器件连接起来形成通路体的部分。

(5)操纵箱

操纵箱是机器的电控中心，机器各运动程序的自动选择、控制均通过此箱进行，电控箱主要分上下两部分，箱上部分及面板，集中装没有显示压力和调整压力的压力表、操纵按纽；下部是电器柜，机器的主要电气元件均置于柜内。

整个机器就由以上部分构成，另外还有一些液压管道、电气管道及行程开关等部分，在本次设计中就没有进行设计分析了。

图2.1 打包机总装图

2.2 打包机压缩室的设计与强度校核

打包机的强度校核包括对活塞杆的弯曲强度校核、压头的剪切强度的校核以及压缩室门的剪切强度校核，因为在液压系统设计部分已对活塞杆进行校核，故本章节的校核主要是对压头和压缩室门板进行的。

2.2.1 压头的强度校核

因压头为焊接式厚为20mm的压板主要承受挤压应力而在工作过程中它所承受的挤