液压传动系统设计实例

图10.9-10 注塑机的工作循环 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

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

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。

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F e ；算得2/4192(N)e F p d k π=?=。

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

(2) 预塑进料液压马达负载转矩计算

负载转矩为 3

e 2)510(260/60)796(N

m )T P n

ππ==?

??

=?； 取液压马达的机械效率为0.95mm η=，则其驱动转矩为

07960.95838(N m)mm T T η===?

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

1 6.5MPa 532.5MPa p =?=；考虑到锁模工况时的回油量很小，背压20p ≈，从而求得合模

缸的内径（即活塞直径）为

0.198m h D == 依据GB/T 2348-1993(见表10.9-8)规定，取标准值200mm h D =。

图10.9-11 共用缸体的合模缸与增压缸

杆又参考表10.9-6取/0.7h h d D =，则活塞直径0.70.2m=140mm h d =?。

为设计、制造简单方便，将增压缸与合模缸做成一体，见图10.9-11。可知，增压缸的活塞增

直径也为200mm h D =。由增压比为5，求得压缸的活塞杆直径为

89.4mm z d =

= 圆整，取90mm z d =。

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

0.076m y D === 依GB/T 2348-1993，取标准值80mm y D =。

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

/0.5y y d D =，则活塞杆直径为0.50.58040(mm)y y d D =?=?=。

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

0.2043m s D == 取标准值220mm s D =。

注射缸的活塞杆直径一般与螺杆外径相同，取40mm s d =。 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

(3) 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

36

122796

0.0008(m /r)0.8(L/r)6.5100.95

e mm T V p ππη?=

===??

(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

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。

(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

2·4·6 选择和设计液压元件

(1) 液压泵的选择

1）计算液压泵压力 由前面计算可知，本系统液压执行元件的最大工作压力为增压缸锁模工况时压力，1 6.96MPa p =(见表10.9-22)；另外，从系统图可知，在小泵和增压缸之间串接有一个单向阀10和一个换向阀5，预估从泵到执行元件总的压力损失0.5MPa p ∑=。从而算得小泵的最大工作压力为

11 6.960.57.46(MPa)p p p p =+∑=+=

对大泵而言，最大工作压力为5.9MPa,，计大泵与注射缸之间的压力损失为0.5MPa ，其工作压力为

22 5.90.5 6.4(MPa)p p p p =+∑=+= 2）计算液压泵流量 由表10.9-23可知，系统所需最大流量为快速合模工况，是188.4L/min 。另考虑泄漏损失，求得双泵合流的流量为

v 1.1188.4207.24(L /min)p q q ≥=?= 系统在注射座动作时所需流量最少，为18L/min ，同时，考虑到溢流阀最小稳定流量为3L/min 的要求，故小泵的流量为

1v1 1.118322.8(L /min)p q q ≥=?+=

由此可算出大泵的流量为

2v21188.44(L /min)p p p q q q q ≥=-=

3) 确定液压泵的规格 根据以上计算结果，查阅产品样本，选用规格相近的PV2R14型双联叶片泵，泵的最高使用压力为16MPa ，后泵为小泵，排量为V 1=19ml/r ；前泵为大泵，排量为V 2=153ml/r ；泵的转速范围600～1800r/min 。初选转速1450r/min 的驱动电机，取泵的容积效率v 0.85η=，总效率0.8p η=。可算出该双联泵的大泵和小泵的额定流量分别为

11v V 1914500.8523.42(L /min)p q n η=??=??= 22v V 15314500.85188.57(L /min)p q n η=??=??=

双泵合流的流量为

1223.42188.57211.99(L /min)p p p q q q =+==+=

比实际要求的流量稍大，额定压力和流量都满足设计要求。

4) 选择电机 注塑机在整个工作循环中，系统压力、流量和所需功率变化较大，电机功率应满足工作循环的最大功率阶段要求。由前面计算可知，快速注射工况时系统的压力和流量均较大。大、小泵同时工作，小泵排油除保证锁模外，还通过顺序阀将压力油供给注射缸，大、小泵排油合流驱动注射缸前进。根据这时液压泵的工作压力、输出流量及其总效率，可求出液压泵的驱动功率为

1122

7.4623.42 6.4188.57

28.78(kW)0.860

p p p

p q p q P η+?+?=

=

=?

由于注射工序时间很短，仅3秒，而电动机一般允许短时间超载25%～50%，所以针对本系统，选用电动机的功率可适当降低一些，取电动机功率为22kW 。

查样本，选用Y 系列（IP44）中Y180L-4封闭式三相异步电动机，其额定功率22kW ，额定转速1470rpm 。用此转速驱动液压泵时，大、小泵的实际输出流量分别为191.17L/min 和23.74L/min ，双泵合流为214.91L/min ；注射座动作时的溢流量为23.74-18=5.74(L/min)，能满

足系统各工况的需求。

(2) 液压马达的选择

前面算得液压马达的排量应为0.8L/r ，正常工作时，输出转矩796N·m ，系统工作压力为7.46MPa 。选用规格相近的1QJM21-08型内曲线径向球塞式轴转定量液压马达，其排量为0.808L/r ，额定压力16MPa ，最高工作压力20MPa ，额定转速为2～200r/min ，额定输出转矩1913N·m 。

(3) 液压阀的选择

根据本系统工作压力为中压7MPa 左右及通过阀的流量，所选定液压阀的型号规格见表10.9-25。

表10.9-25 250g 注塑机液压系统所选定液压阀的型号规格

注：表中序号与图10.9-12中元件标号相同。

(4) 油箱容量的确定

已知所选泵的总流量约为215L/min ，按式（10.9-16）经验公式计算油箱的容量，取6α=，求得油箱的有效容积为

36062151290(L) 1.29(m )V q α=?=?==

完成液压元件的选型和管道设计后，还应对系统的压力损失、效率和发热温升等进行性能验算，可按本章2·2·5中介绍的内容和方法进行计算，本例题从略。

还需说明的是，这里是采用普通液压阀设计的注塑机。随着科学技术的发展，已出现了很多新的形式，如宁波通用TF-1600A-Ⅱ型采用电液比例压力阀实现各种压力无级调节的单比例阀注塑机；还如使用电液比例压力阀和比例流量阀的宁波海天HFT150型注塑机等。新型注塑机是在采用传统液压传动与控制系统基础上的进步。