哈工大液压大作业压力机

压力机液压系统设计

1 明确液压系统设计要求

设计一台压制柴油机曲轴轴瓦的液压机的液压系统。轴瓦毛坯为长×宽×厚= 365×92×7.5（mm）的钢板，材料为08Al，并涂有轴承合金；压制成内经为Φ220mm的半圆形轴瓦。液压机压头的上下运动由主液压缸驱动，顶出液压缸用来顶出工件。其工作循环为主缸快速空程下行、慢速下压、快速回程、静止、顶出缸顶出及顶出缸回程。液压机的结构形式为四柱单缸液压机。

2 分析液压系统工况

液压机技术参数如下：

（1）主液压缸

（a）负载

压制力。压制时工作负载可区分为两个阶段。第一阶段负载力缓慢地线性增加。达到最大压制力的10％左右，其上升规律也近似于线性，其行程为90mm（压制总行程为110mm）第二阶段负载力迅速线性增加到最大压制力18×105N，其行程为20mm

回程力（压头离开工件时的力）：一般冲压液压机的压制力与回程力之比为5～10，本压机取为5，故回程力为F h = 3.6×105N 移动件（包括活塞、活动横梁及上模）质量＝3058kg。

（b）行程及速度

快速空程下行：行程S l = 200mm，速度v1＝60mm/s；

工作下压：行程S2 = 110mm，速度v2＝6 mm/s。

快速回程：行程S3 = 310mm，速度v3＝53 mm/s。

（2）顶出液压缸

（a）负载：顶出力（顶出开始阶段）F d＝3.6×105N，回程力F dh= 2×105N

（b）行程及速度；行程L4 = 120mm，顶出行程速度v4＝55mm/s，回程速度v5＝120mm/s

液压缸采用V型密封圈，其机械效率ηCm＝0.91.压头起动、制动时间：0.2s

设计要求。本机属于中小型柱式液压机，有较广泛的通用性，除了能进行本例所述的压制工作外，还能进行冲孔、弯曲、较正、压装及冲压成型等工作。对该机有如下性能要求。

（a）为了适应批量生产的需要应具有较高的生产率，故要求本机有较高的空程和回程速度。

（b）除上液压缸外还有顶出缸。顶出缸除用以顶出工件外，还在其他工艺过程中应用。主缸和顶出缸应不能同时动作，以防出现该动作事故。

（c）为了降低液压泵的容量，主缸空程下行的快速行程方式采用自重快速下行。因此本机设有高位充液筒（高位油箱），在移动件快速空程下行时，主缸上部形成负压，充液筒中的油液能吸入主缸，以补充液压泵流量之不足。

（d）主缸和顶出缸的压力能够调节，压力能方便地进行测量。

（e）能进行保压压制。

（f）主缸回程时应有顶泄压措施，以消除或减小换向卸压时的液压冲击。

（g）系统上应有适当的安全保护措施。

3 确定液压缸的主要参数

（1）初选液压缸的工作压力

（a）主缸负载分析及绘制负载图和速度图

液压机的液压缸和压头垂直放置，其重量较大，为防止因自重而下滑；系统中设有平衡回路。因此在对压头向下运动作负载分析时，压头自重所产生的向下作用力不再计入。另外，为简化问题，压头导轨上的摩擦力不计。

惯性力；快速下降时起动

F az = m Δv Δt = 3058×0.0600.2 = 917N

快速回程时起动与制动

F as = m Δv Δt = 3058×0.0530.2 = 810N

压制力：初压阶段由零上升到F 1 = 1.8×106N×0.10 = 1.8×105N

终压阶段上升到F 2 = 1.8×106N

循环中各阶段负载见表1.1，其负载图见图1.1 a 。

表1.1 主缸的负载计算

运动分析：根据给定条件，空载快速下降行程200mm ，速度25mm/s 。压制行程110mm ，在开始的90mm 内等速运动。速度为6 mm/s ，最后的20mm 内速度均匀地减至零，回程以53mm/s 的速度上升。利用以上数据可画出速度图，见图1.1b 。

图1.1 液压机主液压缸负载速度图

（2）确定液压缸的主要结构参数

根据有关资料，液压机的压力范围为20~30MPa，现有标准泵、阀的最高工作压力为32MPa，如选此压力为系统工作压力，液压元件的工作性能会不够稳定，对密封装置的要求以较高。泄漏较大。参考系列中现已生产的其它规格同类液压机（如63、100、200、300吨液压机）所采用的工作压力，本机选用工作压力为25×106Pa

（a）主缸的内径D

D =

4F

ηcmπp=

4×1.8×106

0.91×π×25×106= 0.317m = 317mm

按标准取D = 320mm

（b）主缸无杆腔的有效工作面积

A1 = π

4D

2 =

π

4×0.32

2 = 0.0804m2 = 804cm2

（c）主缸活塞杆直径d

d = D2-4F h

ηcmπp= 0.322-

4×3.6×105

0.91×π×25×106= 0.287m = 287mm

按标准值取d = 280mm

D-d＝320-280＝40mm＞允许值12.5mm

（据有关资料，（D-d）小于允许值时，液压缸会处于单向自锁状态。）（4）主缸有杆腔的有效工作面积

A2 = π

4（D

2-d2）=

π

4×（0.32

2-0.282）= 0.01885m2 = 188.5cm2

（d）主缸的工作压力

活塞快速下行起动时p1 =

F

ηcm A1=

917

0.91×0.0804= 12533Pa

初压阶段末p1 =

F

ηcm A1=

1.8×105

0.91×0.0804= 2.46×10

6Pa

终压阶段末p1 =

F

ηcm A1=

1.8×106

0.91×0.0804= 24.6×10

6Pa

活塞回程起动时p2 =

F

ηcm A2=

3.6×105

0.91×0.01885= 21×10

6Pa

活塞等速运动时p2 =

F

ηcm A2=

30000

0.91×0.01885= 1.75×10

6Pa

回程制动时p2 =

F

ηcm A2=

29190

0.91×0.01885= 1.7×10

6Pa

（3）计算液压缸的工作压力、流量和功率

（a）主缸的流量

快速下行时q1 = A1v1 = 804×6 = 4824cm3/s = 289.4L/min

工作行程时q2 = A2v2 = 804×0.6 = 482cm3/s = 28.9L/min

快速回程时q3 = A3v3 = 183.5×5.3 = 999cm3/s = 59.9L/min

（b）主缸的功率计算

快速下行时（起动）：P1 = p1q1 = 12533×4824×10-6 = 60.46W

工作行程初压阶段末：P2 = p2q2 = 2.46×106×482×10-6 = 1186W

终压阶段：此过程中压力和流量都在变化，情况比较复杂。压力p 在最后20mm行程内由2.46MPa增加到24.6MPa，其变化规律为

p = 2.46+24.6-2.46

20S = 2.46+1.11S（MPa）

式中S——行程（mm），由压头开始进入终压阶段算起。

流量q在20mm内由482cm3/s降到零，其变化规律为q = 482（1-S

20）（cm3/s）

功率为P = pq = 482×（2.46+1.11S）×（1-S 20）