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題 目 摩托車輪轂液態(tài)模鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
系 （部）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
前言 1
第1章 液態(tài)模鍛液壓機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 2
1.1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝流程 2
1.1.1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的結(jié)構(gòu) 2
1.1.2 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的工藝流程 3
1.2 明確液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 3
1.2.1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的技術(shù)參數(shù) 3
1.3 分析系統(tǒng)工況和確定系統(tǒng)的主要參數(shù) 3
1.3.1 主缸的速度和負(fù)載分析 3
1.3.2 頂出缸的速度和負(fù)載分析 6
1.4 選定設(shè)計(jì)的方案和設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng) 8
1.4.1 液壓機(jī)系統(tǒng)選擇調(diào)速回路和供油的方式 8
1.4.2 液壓系統(tǒng)選擇速度換接方法 8
1.4.3 液壓系統(tǒng)的油路分析說明 8
1.4.4 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 10
1.4.5 液壓控制系統(tǒng)電磁鐵運(yùn)行順序表 12
第2章 液態(tài)模鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13
2.1 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)的計(jì)算和液壓元件的設(shè)計(jì) 13
2.1.1 計(jì)算液壓缸的基本尺寸 13
2.1.2 液壓系統(tǒng)流量的計(jì)算 14
2.1.3 液壓泵額定壓力、流量分析計(jì)算及泵選型設(shè)計(jì) 15
2.1.4 電動(dòng)機(jī)的選擇 17
2.1.5 液壓控制閥的選擇 18
2.1.6 液壓油管和管接頭選擇 20
2.1.7 確定油箱的有效容積 21
2.1.8 過濾器的選擇 22
2.2 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 22
2.2.1 主缸各工況壓力損失驗(yàn)算 22
2.2.2 頂出缸各工況壓力損失驗(yàn)算 25
2.2.3 液壓系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 26
2.2.4 冷卻器的選型 27
第3章 結(jié)束語 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄.................................................................................................................33
摘 要
為摩托車輪轂液態(tài)模鍛液壓機(jī)設(shè)計(jì)了液壓控制系統(tǒng)，該主機(jī)最大工作負(fù)載為3150kN。主機(jī)是由工作臺、上橫梁、4根立柱、滑塊、鎖緊螺母、打料機(jī)構(gòu)、調(diào)整螺母、主液壓缸和頂出液壓缸等部分組成。液壓機(jī)的工藝流程：主缸快速下行→主缸工進(jìn)加壓→主缸保壓延時(shí)→主缸回程→頂出缸頂出→頂出缸保壓延時(shí)→頂出缸釋壓→取鍛件→頂出缸回退。
通過對液態(tài)模鍛液壓機(jī)的主要參數(shù)的選定和計(jì)算，對主要工作部件工況分析，制定了液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，主要包括調(diào)速回路、保壓回路、卸荷回路，繪制了整體的液壓系統(tǒng)原理圖。對液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)中的液壓元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)及計(jì)算，確定了液壓缸的基本尺寸，選定了LD50A20S1型插裝閥、YF-F80H型溢流閥等液壓元件、選定了A2F500液壓泵、選定了Y225M-2型電動(dòng)機(jī)，而且對系統(tǒng)的的性能進(jìn)行了驗(yàn)算，通過對系統(tǒng)的壓力和溫升的驗(yàn)算，本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)滿足模鍛液壓機(jī)的基本設(shè)計(jì)要求：系統(tǒng)最大工作壓力值為25MPa，主缸快速下行速度為0.2m/s，工進(jìn)速度為0.008m/s，快速回退速度為0.15m/s，頂出缸頂出速度為0.02m/s，回退速度為0.112m/s。
關(guān)鍵詞：液態(tài)模鍛；液壓機(jī)；液壓控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)
II
ABSTRACT
Hydraulic control system is designed for the liquid die forging hydraulic press of the motorcycle wheel hub. The maximum working load of the machine is 3150kN. The main machine is composed of a working table, an upper beam, 4 columns, a sliding block, a locking nut, a material feeding mechanism, a regulating nut, a main hydraulic cylinder and a hydraulic cylinder. Hydraulic machine process: master cylinder down quickly, the main cylinder into the pressing and master cylinder pressure maintaining delay, master cylinder return to top tank top out, the top out of the cylinder pressure maintaining delay, ejecting cylinder release pressure, taking forging, lifting cylinder rollback.
Through the selection and calculation of the main parameters of liquid metal forging hydraulic machine, the working condition of the main working parts analysis, formulate the overall design scheme of the hydraulic system, including the speed control loop, pressure loop, and unloading loop, rendering the principle diagram of the hydraulic system of the whole. 0.112m/s 0.008m/s meet system, hydraulic pump, hydraulic overflow valve, the valve cartridge design of hydraulic press hydraulic system of hydraulic components selection and calculation to determine the hydraulic cylinder of the basic size, selected the LD50A20S1 YF-F80H element selected A2F500 selected Y225m-2 type electric motor but also for the performance of checking the system pressure and temperature rise calculation, the design of the hydraulic system of forging hydraulic press the basic design requirements: the system maximum working pressure of 25MPa and cylinder fast downlink speed 0.2m/s, industry and trade into the speed of fast return rate of 0.15m/s, ejector cylinder top speed for 0.02m/s retraction speed.
Key words: Liquid die forging, Hydraulic press, Hydraulic control system, Design
II
前 言
液態(tài)模鍛是一種少切削或無切削的精密成型新工藝，將金屬熔化后，澆入金屬模腔內(nèi)，再加壓使其成型，然后由液壓缸頂出，最后獲得鍛件，這就是整個(gè)液態(tài)模鍛液壓機(jī)的工作內(nèi)容?，F(xiàn)在主要用這種方法來生產(chǎn)摩托車輪轂，現(xiàn)在國內(nèi)外對于此項(xiàng)技術(shù)有了進(jìn)一步的研究和突破。
液態(tài)模鍛技術(shù)國外很久以前就已經(jīng)應(yīng)用了，目前國內(nèi)用這項(xiàng)技術(shù)來生產(chǎn)的廠家并不是太多?，F(xiàn)在社會需要敢于創(chuàng)新發(fā)展新技術(shù)，讓生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，價(jià)格低廉，質(zhì)量優(yōu)良，這樣才擁有很好的市場競爭力。正是因?yàn)檫@種環(huán)境的存在，液態(tài)模鍛技術(shù)的推廣和應(yīng)用是符合現(xiàn)代市場的，用這種技術(shù)生產(chǎn)的毛坯性能比較好，成品的后續(xù)加工也比較方便。
引用液態(tài)模鍛技術(shù)可以減輕在機(jī)械生產(chǎn)中人的勞動(dòng)量，而且現(xiàn)在很多方面都有涉及，從液態(tài)模鍛技術(shù)在現(xiàn)代社會上的應(yīng)用來看，更能體現(xiàn)它是一種非常有競爭力的先進(jìn)加工技術(shù)。在制造業(yè)不斷發(fā)展的今天，液態(tài)模鍛技術(shù)正好適應(yīng)了現(xiàn)在的社會，我深信這項(xiàng)技術(shù)不久將在先進(jìn)的制造業(yè)占有重要的地位。
第1章 液態(tài)模鍛液壓機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
1.1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝流程
1.1.1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)
圖1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
1—充液系統(tǒng)；2—鎖緊螺母；3—上橫梁；4—主液壓缸；5—調(diào)整螺母；6—滑塊；7—打料機(jī)構(gòu)；8—立柱；9—滑塊控制機(jī)構(gòu)；10—液壓站；11—按鈕站；12—工作臺；13—頂出液壓缸；14—頂出缸控制機(jī)構(gòu)
液態(tài)模鍛液壓機(jī)是由控制機(jī)構(gòu)和主機(jī)這兩個(gè)部分組成，主機(jī)是由工作臺、上橫梁、4根立柱、滑塊、鎖緊螺母、打料機(jī)構(gòu)、調(diào)整螺母、主液壓缸和頂出液壓缸等部分組成，該機(jī)構(gòu)的打料的精度是由調(diào)整螺母和鎖緊螺母的調(diào)整來決定的。主缸上梁滑塊在立柱上運(yùn)動(dòng)。打料機(jī)構(gòu)內(nèi)有彈簧主要是用來在打料完成以后，在彈簧的作用下使打料桿復(fù)位，控制機(jī)構(gòu)包括液壓站及電氣控制系統(tǒng)，液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。
1.1.2 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的工藝流程
液態(tài)模鍛液壓機(jī)的工作內(nèi)容主要包括4個(gè)部分：熔化、澆注、加壓和頂出，該機(jī)構(gòu)需要完成的工藝流程：主缸快速下行→主缸工進(jìn)加壓→主缸保壓延時(shí)→主缸回程→頂出缸頂出→頂出缸保壓延時(shí)→頂出缸釋壓→取鍛件→頂出缸回退。
1.2 明確液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
1.2.1 液態(tài)模鍛液壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)
根據(jù)液壓工程師技術(shù)手冊[1]液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本參數(shù)，選取本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
項(xiàng)目
參數(shù)
單位
液壓系統(tǒng)最高壓力
25
MPa
公稱出力
滑塊
3150
kN
頂出
1000
行程
滑塊
800
mm
頂出
300
滑塊速度
空載下行
200
mm/s
壓制
8
回程
150
頂出速度
頂出
20
退回
112
表1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
1.3 分析系統(tǒng)工況和確定系統(tǒng)的主要參數(shù)
1.3.1 主缸的速度和負(fù)載分析
液壓缸在工進(jìn)時(shí)的工作負(fù)載是該液壓機(jī)的最大工作負(fù)載，對液壓缸進(jìn)行分析可知，慣性負(fù)載、工作負(fù)載和摩擦阻力負(fù)載之和等于液壓缸所受的外界負(fù)載，即
式中 —外界負(fù)載；
—工作負(fù)載；
—摩擦阻力負(fù)載；
—慣性負(fù)載。
，計(jì)算公式（1.2）
DD·
式中
；
，本設(shè)計(jì)。
初略估計(jì)主缸重量為30kN，頂出缸的重量為12kN。摩擦負(fù)載計(jì)算[2]，摩擦系數(shù)取，。
主缸靜摩擦力
主缸動(dòng)摩擦力
頂出缸靜摩擦力
頂出缸動(dòng)摩擦力
通過對上述公式分析，主缸的各工況的負(fù)載計(jì)算的結(jié)果如表2所示。
表2 主缸負(fù)載
元件名稱
載荷名稱
載荷計(jì)算公式
負(fù)載值F/kN
主缸
啟動(dòng)階段負(fù)載
F=+
≈16
加速階段負(fù)載
F=
≈3
慢壓階段負(fù)載
F=+
≈3153
快速回程階段負(fù)載
F=
≈3
根據(jù)表1。
圖2 主缸速度循環(huán)圖
根據(jù)表1主缸的滑塊總行程為，主缸通過加速空載下行時(shí)的速度維持在，到了工進(jìn)加壓部分時(shí)，進(jìn)行減速使速度維持在，等待工進(jìn)壓制完成以后，主缸回程反向加速使速度維持在，回程結(jié)束時(shí)速度變?yōu)椤?
根據(jù)表2的主缸的負(fù)載的計(jì)算結(jié)果，畫出主缸的負(fù)載圖3如下。
圖3 主缸負(fù)載循環(huán)圖
根據(jù)表2對主缸的負(fù)載的分析，啟動(dòng)時(shí)受到靜摩擦力的作用，再進(jìn)入加速過程，受到動(dòng)摩擦力和慣性負(fù)載的作用，當(dāng)達(dá)到，進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，待到工進(jìn)壓制階段時(shí)，受到的負(fù)載達(dá)到最大為3153kN，壓制完成，主缸回程階段，反向用力時(shí)，力的大小要比工進(jìn)時(shí)小的多，待回程完成以后，負(fù)載又變?yōu)椤?
1.3.2 頂出缸的速度和負(fù)載分析
同理得出頂出缸的負(fù)載如下表3所示。
表3 頂出缸負(fù)載
元件名稱
載荷名稱
載荷計(jì)算公式
負(fù)載值F/kN
頂出缸
啟動(dòng)階段負(fù)載
F=
≈13
頂出階段負(fù)載
F=+
≈1001
回程階段負(fù)載
F=
≈1
根據(jù)表1頂出缸的速度參數(shù)，畫出的頂出缸速度圖4如下。
100 200 300
圖4 頂出缸速度循環(huán)圖
根據(jù)液態(tài)模鍛液壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)可以知道，頂出缸的滑塊總行程為，到了工進(jìn)頂出部分時(shí)，進(jìn)行頂出使速度維持在，等待工進(jìn)頂出完成以后，頂出缸回程反向加速使速度維持在，待回程結(jié)束時(shí)速度變?yōu)椤?
根據(jù)表3的頂出缸的負(fù)載的計(jì)算結(jié)果，畫出頂出缸的負(fù)載循環(huán)圖5如下。
圖5 頂出缸負(fù)載循環(huán)
根據(jù)表3對頂出缸的負(fù)載的分析，啟動(dòng)時(shí)受到靜摩擦力和部件重力的作用，受到負(fù)載大小為，待到頂出階段，頂出負(fù)載達(dá)到最大為，待工件頂出來以后，取出料餅，液壓缸反向加速，回程的負(fù)載為，待回程完成以后，負(fù)載又變?yōu)椤?
1.4 選定設(shè)計(jì)的方案和設(shè)計(jì)液壓控制系統(tǒng)
1.4.1 液壓機(jī)系統(tǒng)選擇調(diào)速回路和供油的方式
液態(tài)模鍛液壓機(jī)在工進(jìn)時(shí)工作負(fù)載達(dá)到最大，液壓缸工進(jìn)加壓時(shí)的速度特別慢，然而其它階段的負(fù)載要比工進(jìn)加壓時(shí)的負(fù)載小的多，但是速度要比工進(jìn)加壓時(shí)快的多。本設(shè)計(jì)的液壓缸所需要的油液的體積在單位時(shí)間內(nèi)要不斷的變化，因此使用變量泵[3]，在要提高系統(tǒng)的工作效率的前提下，使用變量或者雙泵供油的方式，該液壓系統(tǒng)使用多個(gè)變量泵供油的方式。
液態(tài)模鍛液壓機(jī)系統(tǒng)中的工作負(fù)載比較大，為了使系統(tǒng)工作安全，使用的調(diào)速回路為恒功率變量泵。液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力和液壓泵的排量成反比，然而系統(tǒng)流量和壓力的乘積始終不變。
1.4.2 液壓系統(tǒng)選擇速度換接方法
液壓機(jī)在工作時(shí)主要有以下幾個(gè)過程：主缸的空載下行、工進(jìn)加壓、和快速退回，還有頂出缸的頂出和快速退回。系統(tǒng)工作穩(wěn)定的根本是采用合適的換接方式。為了使設(shè)計(jì)達(dá)到系統(tǒng)的控制要求，換接方式可以采用行程開關(guān)。
1.4.3 液壓系統(tǒng)的油路分析說明
（1）主缸的工作過程
主缸快速下行：按下控制機(jī)構(gòu)上的“下行”按鈕，電磁換向閥上電磁鐵2YA、4YA、5YA、7YA、12YA、13YA通電，變量泵40、41輸送的壓力油經(jīng)過插裝閥11、15流入主缸34的無桿腔中，插裝閥17、18開啟，主缸34在壓力油和主缸滑塊重力的作用下快速下行，主缸無桿腔內(nèi)出現(xiàn)的壓力降低，液控單向閥32在壓力的作用下被打開，高架油箱的油流入主缸無桿腔內(nèi)，主缸有桿腔的液壓油通過插裝閥閥17、18流回油箱，主缸的快速下行速度由插裝閥18閥口打開的大小決定。
主缸慢速下行加壓：當(dāng)主缸的活塞桿快速下行接觸到行程開關(guān)SQ2時(shí)，電磁鐵7YA斷電，插裝閥18關(guān)閉，液壓泵40、41供入主缸無桿腔的壓力油使滑塊慢速下行進(jìn)行工進(jìn)過程，主缸有桿腔的油經(jīng)過插裝閥17，由插裝閥19排回油箱?；赜捅硥毫χ涤梢缌鏖y20決定。
主缸保壓延時(shí)：當(dāng)主缸的油壓值升到到電接點(diǎn)壓力表37的設(shè)定值時(shí)發(fā)出信號，讓全部電磁鐵斷開，液壓泵卸載，進(jìn)入保壓延時(shí)狀態(tài)，與此同時(shí)延時(shí)繼電器
SQ3開始工作計(jì)時(shí)。
主缸釋壓回程：當(dāng)頂出缸的油壓值泄到電接點(diǎn)壓力表39的設(shè)定值時(shí)發(fā)出信號，讓電磁鐵1YA、3YA、5YA、6YA、12YA通電，控制油液先推開充液閥32的釋壓閥芯，主缸釋壓，當(dāng)油壓值泄至電接點(diǎn)壓力表37下限后延時(shí)4s，電磁鐵斷電，2YA、13YA通電，液壓泵40、41的壓力油經(jīng)閥22、17進(jìn)入主缸有桿腔，無桿腔的油液回充液油箱，帶動(dòng)滑塊回程，接觸行程開關(guān)SQ5時(shí)，SQ5發(fā)出信號，回程停止。
主缸的液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。
圖6 主缸液壓系統(tǒng)原理圖
（2）頂出缸工作過程
頂出缸頂出：當(dāng)主缸保壓，電磁鐵2YA、8YA、10YA、12YA、13YA通電，變量泵40、41、42都經(jīng)閥29向頂出缸35無桿腔供油，頂出缸頂出，頂出的快慢通過調(diào)速閥26的開口大小調(diào)節(jié)。
頂出缸保壓延時(shí)：當(dāng)頂出油壓值升到電接點(diǎn)壓力表39的設(shè)定值時(shí)發(fā)出信號，使電磁鐵12YA、13YA斷電，液壓泵40、41卸荷，泵42繼續(xù)供油，實(shí)現(xiàn)持續(xù)開泵保壓，保壓時(shí)間由保壓延時(shí)繼電器SQ4控制。
頂出缸釋壓：頂出缸保壓完成以后，時(shí)間繼電器SQ4發(fā)出信號，電磁鐵2YA、8YA、10YA斷電，通電，無桿腔的壓力油經(jīng)節(jié)流閥27排回油箱，頂出缸釋壓，釋壓時(shí)間由節(jié)流閥27的開度大小決定。
頂出缸回程：當(dāng)取出鍛件后，按下液壓機(jī)上的“退回”按鈕，電磁鐵2YA、9YA、12YA通電，液壓泵41的壓力油經(jīng)閥23進(jìn)入頂出缸有桿腔，無桿腔排油卸荷，頂出缸快速回退，接觸到行程開關(guān)SQ6回退結(jié)束。
頂出缸的液壓系統(tǒng)原理圖如圖7所示。
圖7 頂出缸液壓系統(tǒng)原理圖
1.4.4 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
本設(shè)計(jì)的液態(tài)模鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)是應(yīng)用插裝集成控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的[4]，這個(gè)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：密封性能良好、系統(tǒng)的壓力損失小、容易集成等。該液壓系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，系統(tǒng)最高壓力為，因此系統(tǒng)中油液溫度比較高，液壓系統(tǒng)中加入冷卻器。液壓系統(tǒng)工作中，液壓油液中都會有雜質(zhì)，本設(shè)計(jì)在冷卻器上添加離線過濾器，能持續(xù)保持油箱液壓油的清潔度，讓液壓油的污染度降低，使系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行。結(jié)合主缸和頂出缸的液壓系統(tǒng)原理圖，擬定整個(gè)液壓系統(tǒng)原理圖，如圖8所示。
圖8 液態(tài)模鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
1，3，4，6，11，14，15，17～19，22，23，25，28，29—插裝閥；2，5，7，9，10，12，13，16，20，21，24，30，31—溢流閥；8—單向閥；26，27—調(diào)速閥；32—液控單向閥；33—高架油箱；34—主液壓缸；35—頂出液壓缸；36～39—電點(diǎn)壓力表；40～42—變量液壓泵；43—定量液壓泵；44—過濾器；45—冷卻器
液壓系統(tǒng)的壓力油主要由三個(gè)變量液壓泵40、41、42提供，工作執(zhí)行部件是兩個(gè)液壓缸，由多個(gè)插裝閥控制該系統(tǒng)，溢流閥2、5和它們相連的二位四通電磁換向閥、溢流閥7和它相連的二位二通電磁換向閥主要是對變量泵40、41和42的壓力及泵的卸荷進(jìn)行控制。液控單向閥32主要是用于主缸34在快速下行時(shí)，從高架油箱33往主缸無桿腔充液，主缸的快速下行的速度由插裝閥18來控制，背壓閥由溢流閥20來擔(dān)當(dāng)；頂出缸的節(jié)流調(diào)速由調(diào)速閥26來實(shí)現(xiàn)；電接點(diǎn)壓力表37主要是用于接收主缸的保壓信號，電接點(diǎn)壓力表39用于接收頂出缸的保壓信號，系統(tǒng)采用時(shí)間繼電器來進(jìn)行的時(shí)間的設(shè)定，主缸的釋壓通過液控單向閥32實(shí)現(xiàn)，頂出缸釋壓通過調(diào)速閥27的開度來調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的速度的變化是由行程開關(guān)來控制的，在主缸和頂出缸的行程過程中安裝了行程開關(guān)（SQ1～SQ7），這些行程開關(guān)和幾個(gè)電接點(diǎn)壓力表一起用來控制系統(tǒng)的電磁換向閥的電磁鐵的通斷，用來實(shí)現(xiàn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作。
1.4.5 液壓控制系統(tǒng)電磁鐵運(yùn)行順序表
表4 液壓控制系統(tǒng)電磁鐵運(yùn)行順序表
部件
工況
1YA
2YA
3YA
4YA
6YA
7YA
8YA
9YA
10YA
11YA
12YA
13YA
主缸
下行
+
+
+
+
+
加壓
+
+
+
+
保壓
釋壓
+
+
+
+
回程
+
+
+
+
+
停止
頂出缸
頂出
+
+
+
+
+
保壓
+
+
+
退回
+
+
+
停止
注：+表示電磁鐵YA通電
第2章 液態(tài)模鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)的計(jì)算和液壓元件的設(shè)計(jì)
2.1.1 計(jì)算液壓缸的基本尺寸
（1）主缸工作壓力、缸筒內(nèi)徑、活塞桿外徑的確定
由于液壓機(jī)的工作負(fù)載比較大，查表2-1[5]和表1，取主缸的工作壓力為P=25MPa。計(jì)算主缸內(nèi)徑和活塞桿直徑。通過主缸負(fù)載圖3，得出主缸的最大負(fù)載F=3153kN。選取d/D為0.7，取液壓缸的機(jī)械效率ηcm=0.95，主缸受力簡圖9所示。
圖9 主缸受力簡圖
由圖9可知
=
式中
。
將參數(shù)代入公式，忽略不計(jì)，可求得液壓缸內(nèi)徑
查表1.1-14[6]，取D=400mm，那么由d/D=0.7可以求得活塞桿直徑
同理查表1.1-15，取d=280mm，液壓機(jī)主缸的缸壁內(nèi)徑、活塞桿外徑分別為：D=400mm、d=280mm，綜上選用液壓缸型號為UYWF10400×800。
（2）頂出缸工作壓力、缸筒內(nèi)徑、活塞桿外徑的確定
頂出缸工作負(fù)載與主缸相比要小，查表2-1[7]，取頂出缸的工作壓力P=12MPa，計(jì)算頂出缸內(nèi)徑和活塞桿直徑。由頂出缸負(fù)載圖5可知最大負(fù)載F=1001kN。選取d/D為0.7，取液壓缸的機(jī)械效率ηcm=0.95，液壓缸受力如圖10所示。
圖10 液壓系統(tǒng)頂出缸受力簡圖
查表1.1-14，取D=320mm；那么由d/D=0.7可以求得活塞桿直徑
同理查表1.1-15，取d=220mm。通過計(jì)算，液壓機(jī)頂出缸的缸壁內(nèi)徑、活塞桿外徑分別為：D=320mm、d=220mm，選液壓缸型號為UYWF10320×300。
2.1.2 液壓系統(tǒng)流量的計(jì)算
（1）主缸所需流量計(jì)算
參考表1和主缸基本尺寸，分析計(jì)算主缸的工況要滿足的流量值。已知主缸的快速下行速度為0.2m/s，工進(jìn)速度為0.008m/s，快速回退速度為0.15m/s，主缸缸壁內(nèi)徑為400mm，活塞桿外徑為280mm。
由流量計(jì)算公式
式中 —液壓傳動(dòng)中的流量；
—通流截面；
—通流截面上的平均流速。
快進(jìn)時(shí)流量
工進(jìn)時(shí)流量
快退時(shí)流量
（2）頂出缸所需流量計(jì)算
參考表1及頂出缸的尺寸，分析計(jì)算頂出缸工況要滿足的流量值。已知頂出缸的頂出速度為0.02m/s，快退速度為0.112m/s，頂出缸缸壁內(nèi)徑為320mm，活塞桿外徑為220mm，代入式（2.3），即
頂出時(shí)流量
快退時(shí)流量
2.1.3 液壓泵額定壓力、流量分析計(jì)算及泵選型設(shè)計(jì)
（1）泵工作壓力確定
泵的工作壓力計(jì)算公式如下
式中
，對于復(fù)雜系統(tǒng)，取0.5~1.5MPa。
本液壓機(jī)執(zhí)行部件的最大工作壓力=25MPa，進(jìn)油路中的壓力損失，取 ，代入式 可求得泵的工作壓力
通過計(jì)算分析，泵的工作壓力=26MPa。要延長液壓部件的使用壽命，考慮一定的壓力儲備，則選取泵的額定工作壓力時(shí)，應(yīng)滿足
（2）液壓泵最大流量計(jì)算
根據(jù)計(jì)算液壓缸所需的流量，和各個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)的原理，液壓泵的流量的計(jì)算
式中
一般取，?。?
—各工作部件同時(shí)工作時(shí)所需流量值總和最大。
將參數(shù)代入式（2.5）中，即
L/min
（3）液壓泵規(guī)格選擇
查表3.1-67[8]，依據(jù)泵的額定壓力，使用泵的型號為A2F500。
基本參數(shù)：排量500mL/r；額定壓力35MPa；額定轉(zhuǎn)速2000r/min。
（4）泵的流量驗(yàn)算
由液壓泵的基本參數(shù)可知泵每分鐘排量q=500mL/r×2000r/min=1000L/min，而泵實(shí)際所需的最大流量=1809.4L/min，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)供油不足，快進(jìn)過程無法實(shí)現(xiàn)。在液壓系統(tǒng)中添加個(gè)補(bǔ)油油箱，使系統(tǒng)能夠正常的工作。
2.1.4 電動(dòng)機(jī)的選擇
液態(tài)模鍛液壓機(jī)中主缸和頂出缸工況不一樣，電動(dòng)機(jī)的額定功率可以依據(jù)液壓系統(tǒng)所有工況中消耗功率最大的工況來決定，電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算公式如下
式中
。
（1）主缸快進(jìn)功率
主缸在這個(gè)階段，主缸主要是在自身重力和變量泵的壓力油的作用下快速下行，但是整個(gè)過程所受的工作負(fù)載特別小，主要受活塞與缸筒壁、立柱和滑塊之間的摩擦力，沒有工進(jìn)時(shí)的負(fù)載，這樣泵提供的油壓比較小，因此功率的消耗也會比較小。
（2）主缸工進(jìn)功率
由主缸負(fù)載循環(huán)圖3可知，主缸加壓時(shí)的最大負(fù)載為3153kN，主缸無桿腔面積A=0.13m2，進(jìn)油回路壓力損失取，則液壓泵的壓力由式（2.7）計(jì)算
=
即
=
將Pp=25.3×106Pa，q工進(jìn)=60.3L/min，η=0.7代入式（2.6）中，計(jì)算工進(jìn)功率為
（3）主缸快退功率
主缸快退時(shí)，負(fù)載只有活塞與缸筒間的摩擦負(fù)載，主缸部件的重力和背向力平衡，主缸快退和主缸快進(jìn)時(shí)一樣，這個(gè)階段消耗的功率也比較小，因此快退功率計(jì)算從略。
（4）頂出缸頂出功率
由頂出缸負(fù)載循環(huán)圖5可知，頂出時(shí)主缸最大負(fù)載為1001kN，無桿腔面積，進(jìn)油回路壓力損失取，那么液壓泵的壓力可由式（2.7）計(jì)算
=
將Pp=13.5×106Pa，q工進(jìn)=96.5L/min，η=0.7代入公式（2.6）中，求得頂出功率為
（5）頂出缸快退功率
頂出缸這個(gè)階段，同上可知頂出缸的這個(gè)階段的功率消耗也會比較小，頂出缸的也計(jì)算從略。
選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率，參考功率消耗最大的工況。分析主缸和頂出缸各個(gè)工況，可知主缸加壓時(shí)的功率36kW是所有工況里功率消耗最大的。
查表Y系列電動(dòng)機(jī)型號大全，選取電動(dòng)機(jī)型號為：Y225M-2。
其它技術(shù)參數(shù)為：額定功率：45kW；滿載轉(zhuǎn)速：2970r/min。
2.1.5 液壓控制閥的選擇
根據(jù)前面的計(jì)算的系統(tǒng)的油路的流量，主缸的快進(jìn)下行的最大排量等于流經(jīng)插裝閥15的最大流量
=3114.2L/min
表5 插裝閥的型號
名稱
型號
壓力（MPa）
流量（L/min）
插裝閥
LD80A20S1
31.5
3400
所選的插裝閥的最高使用壓力31.5>25MPa系統(tǒng)的工作壓力，滿足液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。同理可以選擇其它的液壓閥種類，所選的液壓閥型號如下。
溢流閥、插裝閥和電接點(diǎn)壓力表的流量和是主缸回程的最大排量
=1431.3L/min
表6 溢流閥的型號
名稱
型號
調(diào)壓范圍（MPa）
流量（L/min）
溢流閥
YF-F80H
7~21
1200
根據(jù)前面對液壓系統(tǒng)的分析和計(jì)算，該型號溢流閥符合設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)。同理可以選出其它液壓閥的類型，其它液壓閥的選型表如下。
表7 液壓元件選型
序號
名稱
額定流量（L/min）
型號
1
插裝閥
1400
LD50A20S1
3
插裝閥
1400
LD50A20S1
4
插裝閥
1400
LD50A20S1
6
插裝閥
1400
LD50A20S1
11
插裝閥
1400
LD50A20S1
14
插裝閥
3400
LD80A20S1
15
插裝閥
3400
LD80A20S1
7
溢流閥
1200
YF-F80H
12
溢流閥
1200
YF-F80H
16
溢流閥
1200
YF-F80H
26
調(diào)速閥
200
Q-H32
27
調(diào)速閥
200
Q-H32
8
單向閥
1250
A-Hb80L
32
液控單向閥
1250
A1Y-Hb80L
緒表
36
電接點(diǎn)壓力表
YX-100
37
電接點(diǎn)壓力表
YX-100
38
電接點(diǎn)壓力表
YX-100
39
電接點(diǎn)壓力表
YX-100
2.1.6 液壓油管和管接頭選擇
（1）管子直徑的計(jì)算
在液壓系統(tǒng)中鋼管想要彎曲比較困難，它能承受的壓力比一般管子的要大，對于本課題所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)為一般選用無縫鋼管。對液壓控制系統(tǒng)中主缸和頂出缸工作壓力進(jìn)行查表、分析和計(jì)算可知。查表液壓手冊可知，液壓缸工作壓力較高，管子采用無縫鋼管[9]。
管子的內(nèi)徑的公式如下
式中
系統(tǒng)上一般的管道的通徑按所連接元件的通徑選取，考慮到系統(tǒng)一般進(jìn)油時(shí)的流量相比出油的流量要大，所以只需要對進(jìn)油的油管進(jìn)行選取與驗(yàn)算。現(xiàn)只計(jì)算主缸系統(tǒng)進(jìn)油兩泵流量匯合的管子，管道油管內(nèi)徑d確定：主缸快進(jìn)所需流量q=1507.8L/min，而泵的額定流量q=1000L/min，取油管允許流速v=4m/s，代入公式（2.8），進(jìn)油口直徑d1
=
查表3.6-14，圓整后得，取d=80mm，壁厚t=10mm，取管子的材料為20鋼，則=410MPa。
（2）管子壁厚的驗(yàn)算
根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)管道壁厚
式中
；
；
n—安全系數(shù)，p<7MPa時(shí)，取n=8；p<17.5MPa時(shí)，取n=6；>17.5MPa時(shí)，取n=4。
由式（2.9）得
管子厚度的計(jì)算值小于選用值，所以油管的選擇合理。
（3） 管接頭選擇
油管和油管、油管和液壓元件之間通過管接頭連接，最重要的是管接頭的密封性是引起液壓系統(tǒng)的泄露的重要因素。對于油管直徑大于50mm，采用法蘭結(jié)構(gòu)連接可以可靠的保證密封。因?yàn)橛凸艿膬?nèi)徑為80mm，所以選用直通法蘭為：直通法蘭80JB/ZQ4488—86；中間法蘭為：中間法蘭80JB/ZQ4488—1986；法蘭蓋為：法蘭蓋80JB/ZQ4489—1986；直角法蘭為：直角法蘭80JB/ZQ4487—86。
2.1.7 確定油箱的有效容積
液壓油箱的有效容積和系統(tǒng)的壓力有關(guān)，為了防止液壓油從油箱里面溢出來，一般情況液壓油的油面高度不能高于油箱高度的80%。各個(gè)壓力的計(jì)算公式如下。
低壓系統(tǒng)()
中壓系統(tǒng)()
中高壓或高壓系統(tǒng)()
式中 —液壓油箱有效容積；
—液壓泵額定流量。
本設(shè)計(jì)為高壓系統(tǒng)，油箱的有效容積通過上述可得
2.1.8 過濾器的選擇
選用離線過濾器，可以連續(xù)保持油液的清潔度，屬于精過濾器，選用纖維濾芯這種濾材形式，能過濾掉顆粒大小5~10μm。
過濾器的通油流量是泵的額定流量為1000L/min,查表3.5-24可知，選用YLH箱上回油過濾器，具體型號為YLH-1000×10。
過濾器基本參數(shù)：公稱流量為1000L/min，連接方式為法蘭，濾芯型號為H-X1000×10。
2.2 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能
液壓控制系統(tǒng)中有主缸和頂出缸兩個(gè)執(zhí)行元件，通過對管子的選擇，同理可以求出主缸的進(jìn)油和回油管子直徑分別為：；頂出缸的進(jìn)油和回油管子直徑分別為。液壓油選用，時(shí)，油液運(yùn)動(dòng)粘度，油液密度。
油液實(shí)際上是有粘度的，因此油液在油管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，受到粘性阻力的作用，過程中要消耗一定的能量，損失的能量主要是以壓力的方式表現(xiàn)出來的。這部分損失的能量以熱量的形式表現(xiàn)出來，液壓系統(tǒng)中溫度和系統(tǒng)的工作性能成反比。
2.2.1 主缸各工況壓力損失驗(yàn)算
（1）工進(jìn)加壓時(shí)的壓力損失驗(yàn)算
工進(jìn)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件最大速度為0.008m/s，工進(jìn)時(shí)最大流量為60.3L/min，由式（2.3）得液壓油在油管中的流速為
管道流動(dòng)雷諾數(shù)為
式中 —通流截面的直徑；
—通流截面內(nèi)的平均流速；
—油液的運(yùn)動(dòng)粘度。
工進(jìn)是進(jìn)油路中管道流動(dòng)雷諾數(shù)為
=
沿程壓力損失為
=
式中 ρ—液體密度；
v—油管中油液的流速；
λ—沿程阻力系數(shù)，理論值λ=64/Re。在實(shí)際情況油液在金屬管里流動(dòng)時(shí)，適合取λ=75/Re，在橡膠軟管中適合取λ=80/Re。
Re<2300，油液在管道內(nèi)流動(dòng)為層流，=75/Re。進(jìn)油管長度為8m，由式（2.11）得沿程壓力損失為
液壓閥的壓力損失Δ；因此總壓力損失進(jìn)為
工進(jìn)加壓時(shí)最大的回油流量為
L/min
由式（2.3）得回油管中液壓油的流速為
=
由式（2.10）得管道流動(dòng)雷諾數(shù)為
，油液在管道內(nèi)流動(dòng)為層流，=75/Re。進(jìn)油管長度為，由式（2.11）得沿程壓力損失為
=1.116×
閥的壓力損失；調(diào)速閥壓力損失，因此總壓力損失為
泵的出口壓力為
式中 F—液壓缸工進(jìn)負(fù)載；
—液壓缸無桿腔有效工作面積；
—液壓缸有桿腔有效工作面積；
—液壓缸效率。
由式（2.12）可得主缸泵的出口壓力
（2）快進(jìn)、快退時(shí)的壓力損失
主缸快進(jìn)時(shí)，所受的負(fù)載比較小，泵的出口壓力也比較好；主缸快退時(shí)，所受的負(fù)載也比較小，與工進(jìn)時(shí)的負(fù)載3153kN相比要小[11]，泵的出口壓力也比工進(jìn)時(shí)小，主缸其它的工況的壓力損失都很小，驗(yàn)算過程從略。
2.2.2 頂出缸各工況壓力損失驗(yàn)算
（1）工進(jìn)頂出時(shí)的壓力損失驗(yàn)算
頂出缸頂出速度為0.02m/s，需要的最大流量為122.1L/min，進(jìn)油管直徑D=25mm，由式（2.3）得液壓油在油管中的流速v1
=cm/min=19669cm/min=327.8cm/s
由式（2.10）管道流動(dòng)雷諾數(shù)為
=
，油液在管道內(nèi)流動(dòng)為層流，=75/Re。進(jìn)油管長度為，由式（2.11）得沿程壓力損失為
=
液壓閥的壓力損失，因此總壓力損失進(jìn)為
=
工進(jìn)頂出時(shí)最大回油流量為
=L/min
由式（2.3）得回油管中液壓油的流速為
=
由式（2.10）得管道流動(dòng)雷諾數(shù)為
=
，油液在管道內(nèi)流動(dòng)為層流，=75/Re。進(jìn)油管長度為，由式（2.11）得沿程壓力損失為
閥的壓力損失=0.05×Pa，調(diào)速閥壓力損失=0.5×Pa，因此總壓力損失為
=
由式（2.12）可得頂出缸泵的出口壓力為
Pa
（2）快進(jìn)、快退時(shí)的壓力損失
頂出缸的快退和快進(jìn)和頂出時(shí)的負(fù)載1001kN相比要小，這與主缸的快進(jìn)和回程有點(diǎn)類似，具體驗(yàn)算過程從略[13]。
通過對液壓系統(tǒng)的壓力損失的驗(yàn)算可知，上述設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)的要求。
2.2.3 液壓系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算
液壓缸各工況輸入功率P輸入，在電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算中已經(jīng)得出，下面對液壓缸各工況的輸出功率進(jìn)行計(jì)算。
主缸工進(jìn)加壓時(shí)輸入、輸出功率為
工進(jìn)時(shí)系統(tǒng)發(fā)熱功率==12.8kW，
主缸工進(jìn)時(shí)，功率消耗是最大的，這里只對主缸的工進(jìn)溫升進(jìn)行驗(yàn)算。
主缸工進(jìn)發(fā)熱功率為。系統(tǒng)溫升?T計(jì)算公式[14]如下
式中 —系統(tǒng)溫升；
自然冷卻通風(fēng)很差時(shí)，；自然冷卻通風(fēng)良好時(shí)，；專用冷卻器時(shí)，。選擇散熱系數(shù)。
計(jì)算油箱的散熱面積的公式如下
即
=
將，，代入公式得
==
根據(jù)相關(guān)的資料可得，假如液壓系統(tǒng)中最高油溫的許用值為，對于一般機(jī)床，對于工程機(jī)械。通過對液壓系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算，滿足設(shè)計(jì)要求。
油箱的散熱功率為
（2.15）
式中 —油箱的有效散熱面積；
—散熱系數(shù)，；
—環(huán)境和油溫之差，；
—總發(fā)熱功率，
代入數(shù)值得
2.2.4 冷卻器的選型
因?yàn)橐簤河驮诠軓街械难爻虊毫p失，由液壓能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，提升油液的溫度。油箱的散熱無法滿足散熱的需要時(shí)，則設(shè)計(jì)冷卻器的換面積為
式中 —油箱散熱功率；
—冷卻器傳熱系統(tǒng)，查表3.5-54可知，
—平均溫度差，
代入數(shù)值得
考慮到冷凝管需要長期的使用，因此實(shí)際值要比理論值大30%左右，即
查表3.5-56[15]選取冷卻器的型號為2LQFW-A0.3F，冷卻器的實(shí)際散熱面積取整為0.3。
第3章 結(jié)束語
液態(tài)模鍛是一種少切削或無切削的精密成型新工藝，將金屬液加入到液態(tài)模鍛的型腔內(nèi)，再施加一點(diǎn)的壓力使之成型，從而得到所需要的毛坯鍛件。該工藝成型的鍛件的質(zhì)量優(yōu)良、環(huán)保、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，該工藝是現(xiàn)在摩托車和汽車輪轂主要的生產(chǎn)方式。
本設(shè)計(jì)的3150液態(tài)模鍛液壓機(jī)是用于摩托車輪轂的生產(chǎn)，該液壓系統(tǒng)是采用多個(gè)插裝閥控制，該液壓系統(tǒng)可以達(dá)到的要求：液壓系統(tǒng)的最高工作壓力為，主缸的空載下行速度為，主缸工進(jìn)加壓速度為，主缸回程速度為，頂出缸頂出速度為，頂出缸回退速度為。
液態(tài)模鍛液壓機(jī)是一種新型的鍛壓設(shè)備，在現(xiàn)在的社會發(fā)展前景前景比較好，而且市場的需求量也比較大。液壓機(jī)的操作比較簡單，而且它的性能也比較好，成型的毛坯鍛件的質(zhì)量也比較高。隨著液態(tài)模鍛的理論知識的不斷的完善，液態(tài)模鍛會越來越被廣大人民接受，成型的鍛件的精度也越來越高。根據(jù)現(xiàn)在液態(tài)模鍛的發(fā)展現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)液態(tài)模鍛將會在未來的加工制造業(yè)中占據(jù)重要的席位。
液態(tài)模鍛液壓系統(tǒng)在工作的過程中，出現(xiàn)一些系統(tǒng)故障也是比較常見的。雖然當(dāng)今國內(nèi)外升入探索和研究了液壓系統(tǒng)的故障的排除和診斷的技術(shù)方法，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)不斷的引入，液壓系統(tǒng)的故障的形式也變的多變起來，我們需要更多的探索和研究來解決這些問題。可以將多種液壓系統(tǒng)的診斷方法結(jié)合起來來解決一個(gè)問題，通過取長補(bǔ)短，還可以結(jié)合一些其它的先進(jìn)的技術(shù)來解決液壓系統(tǒng)的故障問題，因此對液壓系統(tǒng)故障采用綜合的評判和診斷方法是以后解決液壓系統(tǒng)故障的發(fā)展趨勢。
致 謝
設(shè)計(jì)的完結(jié)，這同時(shí)也意味著我的大學(xué)生活也要接近尾聲了，在大學(xué)期間，機(jī)械專業(yè)方面的知識由了一定的了解，同時(shí)在大學(xué)生活中品嘗了許多的酸甜苦辣，有辛酸同時(shí)也有快樂，感覺過的還算蠻充實(shí)的，在畢業(yè)論文寫完的一瞬間還是比較有成就感的，畢業(yè)論文中應(yīng)用了很多我們以前學(xué)過的知識，在這次設(shè)計(jì)中鞏固了舊知識的同時(shí)也學(xué)習(xí)了很多的新知識，總之而言，受益良多，感慨良多。
在這里我要非常感謝我的指導(dǎo)老師杜老師，在杜老師的指導(dǎo)下，雖然在做設(shè)計(jì)的過程有點(diǎn)困難，最終還是完成了。在這個(gè)過程中指導(dǎo)老師給予了我很大的幫助，杜老師總能把復(fù)雜的知識用簡單的話語讓我能夠理解，在教導(dǎo)我的時(shí)候老師非常的細(xì)心。老師雖然平時(shí)的工作蠻忙的，但是在我做設(shè)計(jì)的各個(gè)階段中，從選題到查找資料、開題報(bào)告、中期檢查、論文初稿的確定等，每一步老師都親自幫助和指導(dǎo)我。
在大學(xué)這四年的學(xué)習(xí)中，本專業(yè)各個(gè)課程的任課老師和同班同學(xué)都給予了我很大的幫助，在這我也想對你們大家說一聲謝謝，沒有你們的幫助，再大學(xué)生活中也不會過的這么充實(shí)。
本次的設(shè)計(jì)讓我學(xué)習(xí)了很多關(guān)于液態(tài)模鍛方面的知識，這次設(shè)計(jì)很多的液壓知識以前都沒注意過，通過這次的設(shè)計(jì)，讓我對液壓知識有了更一步的認(rèn)識和了解。
寫設(shè)計(jì)是對本專業(yè)學(xué)習(xí)過的知識再系統(tǒng)的學(xué)習(xí)一邊，對于不考研的同學(xué)，設(shè)計(jì)的結(jié)束就意味著學(xué)生生活即將的結(jié)束，以后可能都不會有當(dāng)學(xué)生的機(jī)會了，但是我相信社會是一個(gè)更好的學(xué)校，也許在社會中你能學(xué)到更多。
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附 錄
附錄一 總液壓系統(tǒng)原理圖A1圖紙一張