波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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It is a modernized technical equipment which centralizes the machinery, hydraulic and electric system. Aiming at the requirement of production, the author puts forward the topic and devises the mechanical system, hydraulic system and controlling system thoroughly. In the mechanical structure design, firstly the working process of the Bellows machine was analyzed , and on this basis, a die structure design, the main fuel tank design, oil pushing water fuel tanks and various components of the hydraulic station were designed. In the process of the device of hydraulic system, according to the working process of slewing telescopic gangway, the principle plot of hydraulic system was devised; furthermore, the performing elements were designed. At the same time, the author computed the flux of the whole system. And then, based on the flux and the pressure, the author accomplished the choices of valves, the design of gasoline tank and the choices of assistant components. And then, the author computed the power of the whole system and chose the model of electromotor. At last, the component plot of hydraulic station was drawn. The traditional Bellows machine using relays and contactor as controlling elements shows some disadvantages, such as low reliability and flexibility. This paper discusses the improved design based on PLC. The controlling system adopts the PLC as the controller of the entire machine. It introduce the working process of PLC, chose the model of the PLC and related elements. At the same time, the author drew the input and output circuit of the controlling system, namely the electric principle plot. The machine realized the automation of producing process by making use of the trapezium shape to programme. The design has already been applied to practice, and has gained a very good effect. Key Words: Slewing telescopic gangway；hydraulic system; PLC V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 錄 .V 1 緒論 .1 1.1 概況和發(fā)展趨勢(shì) .1 1.1.1 無(wú)錫南方液壓氣動(dòng)成套有限公司簡(jiǎn)介 .1 1.1.2 國(guó)內(nèi)波紋管的概況和發(fā)展趨勢(shì) .1 1.1.3 波紋管成型機(jī)簡(jiǎn)介 .3 1.2 課題的提出與意義 .4 1.3 課題的主要內(nèi)容 .4 2 總體方案的確定 .6 2.1 設(shè)計(jì)依據(jù) .6 2.2 確定模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 .6 2.3 確定液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .6 2.4 確定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .6 3 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .8 3.1 概述 .8 3.2 設(shè)計(jì)依據(jù) .8 3.3 設(shè)計(jì)范圍及其設(shè)計(jì)方案 .8 3.3.1 模具的工藝分析 .8 3.3.2 模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .9 3.3.3 模具環(huán)剛度的計(jì)算 .11 3.3.4 模具的加工 .12 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其校核 .13 4.1 液壓系統(tǒng)的組成 .13 4.1.1 能源裝置 .13 4.1.2 執(zhí)行元件 .13 4.1.3 調(diào)節(jié)控制元件 .13 4.1.4 輔助元件 .13 4.2 液壓系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn) .13 4.2.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) .13 4.2.2 液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) .13 4.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) .14 4.3.1 概述及液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .14 4.3.2 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 .16 4.3.3 主壓油缸的設(shè)計(jì) .16 4.3.4 油推水油缸的設(shè)計(jì) .20 VI 4.3.5 液壓能源裝置設(shè)計(jì) .24 4.3.6 液壓閥的選擇 .24 4.3.7 液壓輔助元件的設(shè)計(jì)與選擇： .27 4.3.8 液壓系統(tǒng)元件清單 .30 4.3.9 液壓管路的聯(lián)接 .32 4.3.10 安裝后的調(diào)試 .32 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .34 5.1 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的比較 .34 5.2 PLC 與微型計(jì)算機(jī)的比較 .34 5.3 PLC 可靠性高的原因 .34 5.4 PLC 的安裝與抗干擾措施 .35 5.4.1 安裝環(huán)境和注意事項(xiàng) .35 5.4.2 電源和接地 .35 5.5 PLC 系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行 .36 5.5.1 通電前的檢查 .36 5.5.2 調(diào)試運(yùn)行主要過(guò)程 .36 5.6 PLC 系統(tǒng)的維護(hù) .36 5.7 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .37 5.7.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 .37 5.7.2 控制電路元?dú)饧倪x用及電路圖的繪制 .37 5.7.3 PLC 的編程 .37 6 UG 有限元分析方法 .39 6.1 有限元分析方法簡(jiǎn)介 .39 6.2 進(jìn)行有限元分析的目的和意義 .39 7 UG 動(dòng)力學(xué)分析 .40 7.1 UG 運(yùn)動(dòng)仿真模塊簡(jiǎn)介 .40 7.2 如何創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真 .40 7.3 波紋管成型機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真 .40 8 結(jié)論與展望 .42 8.1 結(jié)論 .42 8.2 展望 .42 致謝 .43 參考文獻(xiàn) .44 附錄 .45 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 概況和發(fā)展趨勢(shì) 1.1.1 無(wú)錫南方液壓氣動(dòng)成套有限公司簡(jiǎn)介 無(wú)錫南方液壓氣動(dòng)成套有限公司座落于無(wú)錫高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、公司占地面積 13000 平方米、生產(chǎn)車(chē)間約 9200 平方米、擁有員工 180 人、專(zhuān)業(yè)技術(shù)工人占 80%、各類(lèi)大型、 成型、加工設(shè)備 100 多套、其中部分設(shè)備屬國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)各種國(guó)標(biāo)和非標(biāo)管 接頭、高壓膠管總成、各種液壓油缸、液壓系統(tǒng)的骨干企業(yè)。產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)美國(guó)、丹麥、意 大利、日本等國(guó)家。本公司產(chǎn)品可適用于冶金、船舶、機(jī)床、工程機(jī)械、輕工、立體車(chē) 庫(kù)等行業(yè)、年銷(xiāo)售額達(dá) 5000 萬(wàn)元。公司于 2001 年通過(guò) ISO9001-2000 質(zhì)量體系認(rèn)證。并 擁有多項(xiàng)自主專(zhuān)利產(chǎn)品、公司連續(xù)多年被評(píng)為市重合同守信譽(yù)企業(yè)、在廣大用戶中有很 好的評(píng)價(jià)。 公司技術(shù)力量雄厚、擁有一批高級(jí)工程師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師、是江南大學(xué)學(xué)生的實(shí) 習(xí)基地。并廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 本公司有十多年專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、液壓系統(tǒng)（液壓站） 、液壓缸、管接頭、高壓管等 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力及豐富的制造生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。年生產(chǎn)能力：液壓系統(tǒng) 1000 套、液壓缸 20000 件、高壓膠管總成 100000 根、管接頭 2000000 件。 產(chǎn)品出口日本 NOK、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦等國(guó)家。并為英格索蘭提供全球配 套等等。為武漢重型機(jī)床廠、鄭州大方橋梁公司、江蘇華通機(jī)械有限公司、鎮(zhèn)江礦山機(jī) 械廠、西安電爐研究所、南京金城集團(tuán)、江漢石油管理局第四機(jī)械廠、上海天地島川停 車(chē)設(shè)備制造有限公司、中聯(lián)重科浦沅分公司、中國(guó)船舶總公司第七零二研究所（為 863 計(jì)劃配套 7000 米水下機(jī)器人的液壓裝置）等用戶提供國(guó)內(nèi)配套服務(wù)。 公司本著“質(zhì)量第一、用戶至上” 的宗旨、熱誠(chéng)為廣大用戶服務(wù)！攜手共創(chuàng)美好明天、 共展宏圖！ 1.1.2 國(guó)內(nèi)波紋管的概況和發(fā)展趨勢(shì) 近些年來(lái)，波紋管市場(chǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出在全國(guó)各地持續(xù)擴(kuò)張，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策鼓 勵(lì)波紋管產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目投資逐漸增多。投資者對(duì) 波紋管行業(yè)的關(guān)注越來(lái)越密切，這使得波紋管行業(yè)的發(fā)展需求增大。波紋管作為一種儀 表元件雖然已有了上百年的歷史,但由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、使用可 靠等特點(diǎn),在今天儀器儀表中仍占有重要的地位,而且它的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。 隨著企業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，裝置中泵類(lèi)設(shè)備的不斷更新?lián)Q代及新技術(shù)、新材料的不 斷應(yīng)用，我們感到在多種泵類(lèi)機(jī)械密封的選擇中，波紋管機(jī)械密封在化工裝置中越來(lái)越 顯示出它的優(yōu)良性能。 在機(jī)械密封技術(shù)上，波紋管有著突出的優(yōu)點(diǎn)。表現(xiàn)為： A 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，適應(yīng)性強(qiáng)，靜止環(huán)具有浮動(dòng)性； B 浮環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除鑲裝環(huán)的各種應(yīng)力； C 旋轉(zhuǎn)環(huán)易于更換，修復(fù)； D 結(jié)構(gòu)緊湊，適用于螺桿泵軸向較小的場(chǎng)合； 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 E 旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜止環(huán)法蘭連接，動(dòng)泄漏點(diǎn)少。 該技術(shù)特點(diǎn)是： A 密封可靠，在較長(zhǎng)時(shí)間使用中不會(huì)泄漏； B 使用壽命長(zhǎng)，靜環(huán)和動(dòng)環(huán)高耐磨材料比旋轉(zhuǎn)式密封多用半年； C 摩擦功率損失??； D 適用范圍廣，能用于低溫、高溫、高壓、各種轉(zhuǎn)速及各種耐腐蝕、易燃、易爆、 有毒介質(zhì)的密封； E 彈簧強(qiáng)度大，抗震能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。 大慶油田天然氣分公司與有關(guān)單位共同研制和使用 DBM-40A-1、DBM-35B-1 等 20 多種波紋管機(jī)械密封，密封良好，壽命長(zhǎng)。得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著效果。 圖 1.1 波紋管機(jī)械密封 圖 1.2 波紋管密封截止閥 柴油機(jī)排氣系統(tǒng)溫度補(bǔ)償器的研制，應(yīng)用了新結(jié)構(gòu)、新工藝，其特點(diǎn)是精密性和可 靠性高。該產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)，將提高國(guó)產(chǎn)波紋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)、工藝、裝備和檢測(cè)水平， 并能最終替代進(jìn)口的產(chǎn)品。而且由于金屬波紋補(bǔ)償器具有各種優(yōu)異的性能，其應(yīng)用范圍 與日俱增，隨著先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，必將取得較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。除 滿足大功率高可靠柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的配套需要外，也為其他軍工配套打下良好的基礎(chǔ)。 圖 1.3 汽車(chē)排氣波紋管 圖 1.4 通用型波紋管補(bǔ)償器 浙贛鐵路九標(biāo)管段共有 14 座公跨鐵立交橋，為了爭(zhēng)搶工期，全段公路跨線橋梁的施 工由現(xiàn)澆變?yōu)樘崆邦A(yù)制，由于橋梁工點(diǎn)分散，設(shè)置了 10 處橋梁預(yù)制場(chǎng)地，共預(yù)制梁 56 片。公路橋梁采用箱形梁，后張法張拉，預(yù)應(yīng)力孔道采用扁波紋管。從施工一開(kāi)始，就 得趕快研究圖紙，打每一片梁都堅(jiān)持檢查施工質(zhì)量，從鋼筋數(shù)量、尺寸及波紋管的安裝 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 3 和混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿、封錨等各方面都不錯(cuò)過(guò)，但在施工過(guò)程中，還是偶 爾會(huì)有波紋管孔道堵塞現(xiàn)象發(fā)生，一旦堵塞發(fā)生，只能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)做“開(kāi)刀” 處理，然后 嵌補(bǔ)，這樣的結(jié)果是，堵孔多了必然影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，嚴(yán)重會(huì)造成質(zhì)量事故。在施工中 人們大多使用波紋管成孔，所以防止這種現(xiàn)象的發(fā)生就顯得十分重要了。其實(shí)堵孔現(xiàn)象 并不是不能避免的。從對(duì)造成堵孔的原因分析人手，人們采取了相應(yīng)的措施，取得了良 好的效果。 波紋管已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，它廣泛應(yīng)用于通信光電纜護(hù)套、建筑排水、市政排水 農(nóng)田低壓灌溉等等，雙壁波紋管在通訊電纜護(hù)套管領(lǐng)域,也基本取代了水泥管，波紋管自 引進(jìn)以來(lái)，其發(fā)展很快，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，管材規(guī)格也從小到大不斷發(fā)展。生產(chǎn)廠家 不斷增多，設(shè)備也由全部從國(guó)外引進(jìn)，到目前基本國(guó)產(chǎn)化，其所用原料也不斷增多，從 PVC 到 PE、HDPE、PP 等。近幾年來(lái)，其發(fā)展更快，生產(chǎn)量逐年增多，已成為塑料管材 領(lǐng)域的一支重要力量。 1.1.3 波紋管成型機(jī)簡(jiǎn)介 波紋成型機(jī)是生產(chǎn)波紋管的核心設(shè)備，由成型模具、傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三部分組 成。成型模具一般由 3040 對(duì)上下（或水平）對(duì)開(kāi)的模片組成，沿一定的軌跡移動(dòng)，模 具閉合成圓形管子的成型腔，模具打開(kāi)，使制品脫模，模具可由水或空氣冷卻。其成型 過(guò)程為：從擠出機(jī)擠出管坯在一定的水壓下，經(jīng)過(guò)吹脹（或真空吸附） ，使內(nèi)外壁分別貼 合在成型模具和內(nèi)定徑棒上成型。波紋成型機(jī)同時(shí)具有牽引管材的作用。 波紋成型機(jī)有立式和水平式兩種，立式波紋成型機(jī)其模具上下開(kāi)合，占地面積小， 結(jié)構(gòu)緊湊，但模具更換較困難，特別是大口徑模具的更換。水平式波紋成型機(jī)其成型模 具水平開(kāi)合，占地面積較大，但更換模具比立式方便得多，因比其應(yīng)用更廣泛。一般小 口徑管材，采用的是整體式模具，而大口徑管材考慮到其模具重量大，更換時(shí)不方便， 故一般采用托架式模具，換口徑時(shí)，只需更換托架內(nèi)的芯模即可，節(jié)省了模具制造成本。 波紋成型機(jī)的關(guān)鍵就是成型模具運(yùn)行軌道的確定，需先建立模具運(yùn)行的數(shù)字模型， 然后印出其軌跡，最后按照這一軌跡組合模具。 雙壁波紋管的成型方法一般有真空成型法和壁間充氣成型法兩種，也有同時(shí)使用這 兩種方法的。真空成型法是通過(guò)成型模具上的真空孔使管坯外壁靠負(fù)壓作用吸附在成型 模具上，其內(nèi)壁靠伸出芯模的定徑棒定型。這種方法生產(chǎn)的管子的外觀質(zhì)量較好，但其 內(nèi)外徑尺寸穩(wěn)定性較差，且真空孔易堵塞，造成產(chǎn)品外壁波紋缺陷。壁間充氣成型法是 在兩層料坯中間通壓縮空氣，把管坯外壁吹脹入成型模具，同時(shí)使管內(nèi)壁貼附在內(nèi)定徑 棒上。并可根據(jù)管口徑，壁原的大小來(lái)調(diào)氣壓。應(yīng)用這種方法生產(chǎn)的管材。尺寸穩(wěn)定性 好。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的波紋管成型機(jī)，一般為水平式結(jié)構(gòu)，大口徑管材也采用托架式模具。但 受其加工設(shè)備的限制，其模具的加工精度和同一性與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比還有差距，在生 產(chǎn)中機(jī)器故障較多，有時(shí)還可能造成模具運(yùn)行軌道的損壞。 近年來(lái)上海金緯機(jī)械制造有限公司開(kāi)發(fā)了一系列大口徑雙壁波紋管生產(chǎn)線，其波紋 成型機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)，由于模具的加工采用了大型加工中心生產(chǎn)，其同一性和精度均達(dá) 到較高的水平。同時(shí)，模具采用快速冷卻系統(tǒng)，可較大程度地提高生產(chǎn)速度。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 雖然國(guó)產(chǎn)的波紋成型機(jī)質(zhì)量不如國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，但由于其價(jià)格比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品低很 多，且其生產(chǎn)的管材能達(dá)到要求，故近年來(lái)國(guó)內(nèi)大部分波紋管生產(chǎn)廠家還是采用國(guó)產(chǎn)生 產(chǎn)線。故國(guó)產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)廠家這幾年發(fā)展較快，但還應(yīng)致力提高加工水平，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品， 縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距。 最近幾年，國(guó)外研制出了模具速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，即利用機(jī)械或氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，把最后一 對(duì)模片重新快速帶回開(kāi)始的工作位置。它的優(yōu)點(diǎn)是模片數(shù)可減少，一般僅需 1218 對(duì)模 片，在生產(chǎn)大口徑管材時(shí)，可極大地降低波紋成型機(jī)的生產(chǎn)成本。 圖 1.5 波紋管成型機(jī)設(shè)備 1.2 課題的提出與意義 近幾年是波紋管發(fā)展的黃金時(shí)期，它的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。 本課題是完成波紋管成型過(guò)程的總體設(shè)計(jì)，對(duì)該機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 進(jìn)行了全面設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中還須設(shè)計(jì)液壓電控原理及程序，對(duì)于進(jìn)行模具、油缸等進(jìn)行 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及油缸中重要零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)并做出必要的有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真。本課題 使我在設(shè)計(jì)過(guò)程中，能掌握較強(qiáng)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，完成從設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)及運(yùn)行調(diào)試的 整個(gè)過(guò)程，這樣一來(lái)就能很好的掌握機(jī)電液一體化技術(shù)，提高解決實(shí)際工作問(wèn)題的能力， 為以后工作打下極好的基礎(chǔ)。 1.3 課題的主要內(nèi)容 本課題的主要內(nèi)容是完成波紋管成型的總體設(shè)計(jì)。最后，將它們轉(zhuǎn)化為能供指導(dǎo)制 造、裝配、安裝、調(diào)試和維修用的設(shè)計(jì)圖紙及各類(lèi)說(shuō)明書(shū)等技術(shù)文件?？傊?，設(shè)計(jì)的主 要內(nèi)容分為機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。按照用戶提出的完整技術(shù)要求，寫(xiě) 出液壓及電氣的技術(shù)數(shù)據(jù)，并經(jīng)用戶確認(rèn)。 本設(shè)計(jì)需滿足的要求如下： A 達(dá)到技術(shù)指標(biāo)所規(guī)定的要求，滿足實(shí)際工作需要。 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 5 B 整機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)用，加載部件需做應(yīng)力應(yīng)變分析。 C 整個(gè)機(jī)械裝置需要做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 D PLC 全自動(dòng)控制，要有較高的工作可靠性、安全性。 E.工作安全，操作方便 根據(jù)技術(shù)要求，我們需要在搞清設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行正式圖 紙繪制。在設(shè)計(jì)中還需對(duì)現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如充分利用 UG 和 LINGO 等軟件進(jìn)行有 限元應(yīng)力分析、運(yùn)動(dòng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。且設(shè)計(jì)液壓原理圖、電氣原理圖，主機(jī)等部件。 在自動(dòng)化生產(chǎn)軟件的使用編程邏輯方面用 PLC 控制。因類(lèi)似設(shè)備已投入生產(chǎn)，故我在設(shè) 計(jì)過(guò)程中，可獲得并掌握較強(qiáng)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。最終完成從設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)及運(yùn)行調(diào)試 的整個(gè)過(guò)程，這樣一來(lái)就能很好的掌握機(jī)電一體化技術(shù)，提高了解決實(shí)際工作問(wèn)題的能 力，為以后工作打下極好的基礎(chǔ)。尤其這幾個(gè)軟件的使用對(duì)以后的研究生課程有莫大的 幫助和指導(dǎo)性的方向。 在設(shè)計(jì)的時(shí)候，課本知識(shí)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合是我最想擁有的經(jīng)歷。期間充分利 用已有的資源在搞清設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)上，調(diào)研工廠實(shí)際情況包括設(shè)備的調(diào)試（主要 是液壓部分和電控部分）以及制造過(guò)程遇到的難題和解決方案，因而形成了對(duì)設(shè)備的機(jī) 械部分，液壓部分，電氣部分技術(shù)觀念和感性認(rèn)識(shí)，為改進(jìn)，完善設(shè)備打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 本課題為機(jī)電液綜合設(shè)計(jì)，對(duì)本科的機(jī)械工程學(xué)生而言，已經(jīng)是能夠接受和有所創(chuàng) 新地完成的項(xiàng)目了。而且整個(gè)設(shè)備制造技術(shù)路線清晰明了。最后在設(shè)計(jì)完成交付，并實(shí) 現(xiàn)功能的整個(gè)流程中，學(xué)習(xí)并收獲有限元應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法在設(shè) 計(jì)中的作用。綜合機(jī)電液，加強(qiáng)鞏固和糅合這三方面知識(shí)結(jié)構(gòu)，為以后的發(fā)展打好基礎(chǔ)。 課題結(jié)束后，希望能達(dá)到鍛煉設(shè)計(jì)能力，而又能熟悉如何從圖紙到設(shè)備實(shí)際工作調(diào) 試完成交付使用的整個(gè)過(guò)程，并經(jīng)實(shí)際的動(dòng)手完成真正能正常工作的設(shè)備。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 2 總體方案的確定 2.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 本課題是對(duì)無(wú)錫市永興金屬軟管有限公司波紋管成型機(jī)上所有液壓元件進(jìn)行綜合系 統(tǒng)的設(shè)置，以滿足工廠質(zhì)量控制的要求。經(jīng)過(guò)與廠方代表的協(xié)商決定，該成型機(jī)能夠?qū)?以下液壓元件進(jìn)行檢測(cè)并完成相應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目。 A 本套設(shè)計(jì)依據(jù)汽車(chē)消聲器等特性設(shè)計(jì)。 B 本套設(shè)計(jì)以滿足汽車(chē)波紋管一次成型要求設(shè)計(jì)。 C 本套設(shè)備以符合相關(guān)管材的規(guī)范要求設(shè)計(jì)。 D 本套設(shè)備的制造、檢驗(yàn)、安裝、使用均以滿足設(shè)備投資少、生產(chǎn)易控制。 2.2 確定模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 成型模具由 16 對(duì)水平對(duì)開(kāi)的模塊組成，沿一定的軌跡移動(dòng)，模具閉合成圓形管子的 成型腔，模具打開(kāi)，使制品脫模，模具可由水或空氣冷卻。其成型過(guò)程為：從擠出機(jī)擠 出管坯在一定的水壓下，經(jīng)過(guò)吹脹，使內(nèi)外壁分別貼合在成型模具和內(nèi)定徑棒上成型。 波紋管成型機(jī)的關(guān)鍵就是成型模具運(yùn)行軌道的確定，需先建立模具運(yùn)行的數(shù)字模型，然 后印出其軌跡，最后按照這一軌跡組合模具。 2.3 確定液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 波紋管成型機(jī)的液壓系統(tǒng)屬于很典型的液壓系統(tǒng)，利用成型機(jī)可以方便的使波紋管 一次性成型。 在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)設(shè)置調(diào)壓回路、增壓回路、換向回路、進(jìn)、出節(jié)流 回路實(shí)現(xiàn)不同的目的，例如合模、分模等。高低壓油泵以及控制油泵的配合使用，使得 成型的效率大大提高。油推水油缸用水代替了油，除了減少污染，有利于環(huán)保以外，還 方便于清洗。本公司波紋管成型機(jī)生產(chǎn)出的不銹鋼波紋管主要用于汽車(chē)的消聲器。 本液壓系統(tǒng)是無(wú)錫南方液壓氣動(dòng)成套有限公司波紋管成型機(jī)裝置機(jī)設(shè)計(jì)、制造的專(zhuān) 用液壓傳動(dòng)設(shè)備。該系統(tǒng)精選了國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)液壓元、附件。液壓回路采用了集成油路塊 式結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、可靠、易于維修。符合 GB3766-87液壓系統(tǒng)通 用技術(shù)條件中的各項(xiàng)技術(shù)要求。 本液壓系統(tǒng)由于采用了開(kāi)式油箱結(jié)構(gòu)，所以不允許在粉塵大的惡劣環(huán)境下工作，使 用時(shí)應(yīng)注意經(jīng)常清掃液壓設(shè)備上的粉塵，以保證液壓系統(tǒng)具有良好的散熱性。 所有液壓閥控制回路均采用了集成油路塊式結(jié)構(gòu)，使本系統(tǒng)具有泄漏少，結(jié)構(gòu)緊湊， 便于維修的特點(diǎn)。 本液壓系統(tǒng)在工作原理上具有以下特征：具有吸油濾油器，使本系統(tǒng)工作介質(zhì)的清 潔度得到有效的保證，降低系統(tǒng)的故障率,延長(zhǎng)系統(tǒng)各元、附件的使用壽命。 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 7 2.4 確定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不 良，容易出現(xiàn)故障，所以應(yīng)時(shí)代之要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 PLC 控制。 現(xiàn)決定采用日本三菱公司生產(chǎn)的 FX 系列 PLC 進(jìn)行編程。 可編程序控制器根據(jù)操作者的指令，完成對(duì)換向閥等元件的控制，以控制每個(gè)執(zhí)行 元件?？删幊炭刂破骶哂泻芨叩娜嵝院屯ㄓ眯裕瑫r(shí)采用傳統(tǒng)的梯形性能可靠，操作維 護(hù)直觀、方便，具有以下特點(diǎn):油缸油壓控制采用壓力控制，因而調(diào)節(jié)方便、可靠；因而 調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)單 ,控制精確；顯示和操作采用高性能和易操作的控制面板，操作、調(diào)節(jié)、簡(jiǎn) 單直觀;可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、單動(dòng)、自動(dòng)等工作狀態(tài)，參數(shù)范圍大。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)， PLC 做出相 應(yīng)保護(hù)措施。 PLC 在滿足同樣控制要求的情況下，又不像計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)那樣復(fù)雜、難以掌握。 有利于控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和柔性化，縮短控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試周期、 降低測(cè)試產(chǎn)費(fèi)用。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 3 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1 概述 波紋管成型機(jī)生產(chǎn)出的波紋管主要用于汽車(chē)的消聲器。模具是成型過(guò)程的主要裝備， 也是整個(gè)裝備的重中之重。波紋管的幾何形狀、尺寸和精度是由成形模具來(lái)保證的。根 據(jù)金屬變形規(guī)律、波紋管幾何形狀、尺寸、精度、成形力的大小和波紋管軸向彈性回彈 等，設(shè)計(jì)成形模具。 除設(shè)計(jì)因素之外，波紋管很大程度上依賴于制造工藝，先進(jìn)的制造 工藝是提高波紋管性能和質(zhì)量的重要保證。 整個(gè)模具裝備主要由模片、鏈條等部分組成。 3.2 設(shè)計(jì)依據(jù) A 本套設(shè)計(jì)依據(jù)汽車(chē)消聲器等特性設(shè)計(jì)。 B 本套設(shè)計(jì)以滿足汽車(chē)波紋管一次成型要求設(shè)計(jì)。 C 本套設(shè)備以符合相關(guān)管材的規(guī)范要求設(shè)計(jì)。 D 本套設(shè)備的制造、檢驗(yàn)、安裝、使用均以滿足設(shè)備投資少、生產(chǎn)易控制。 圖 3.1 波紋管成型機(jī)模具 3.3 設(shè)計(jì)范圍及其設(shè)計(jì)方案 過(guò)去雙壁波紋管的直徑比較小，雙壁波紋成型機(jī)都采用“履帶式設(shè)計(jì)” ：把成對(duì)的成型 模片一對(duì)接一對(duì)地固定在同步相對(duì)循環(huán)移動(dòng)的兩履帶上，形成一排移動(dòng)中的成型模片。 有的兩履帶水平配置，如 UNICOR；有的兩履帶上下配置，如 CORMA。熱熔態(tài)的外壁 就在壓力或真空的作用下形成波紋外管。波紋外管再和平直的內(nèi)管熔接成雙壁波紋管。 最近的技術(shù)發(fā)展是生產(chǎn)雙壁波紋管用成型機(jī)的“梭式設(shè)計(jì)” 。成對(duì)的成型模片不再固定在履 帶上，而是沿矩形軌跡循環(huán)移動(dòng)。在成型工作區(qū)，成對(duì)模片是慢速移動(dòng)；在離開(kāi)工作區(qū) 后模片沿外側(cè)軌道快速度返回。本套設(shè)備設(shè)計(jì)的范圍如前述組成部份，其間還包含了較 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 9 多的項(xiàng)目。下面按各部件分述如下： 3.3.1 模具的工藝分析 工藝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的、多層次、多任務(wù)的設(shè)計(jì)過(guò)程，它涉及的面較廣，影響著工 藝決策的因素也很多，金屬波紋管的試制涉及材料的精密塑性成形、熱 處理、表面處理、 焊接、切削等多種工藝。根據(jù)研制的需要，對(duì)上述各工藝做出合理的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出技術(shù) 上先進(jìn)可行的工藝。我設(shè)計(jì)的是雙壁不銹鋼波紋管，內(nèi)外層的鋼壁都是焊接而成，但是 焊縫不是在同一直線上，其成形工藝為油推水壓制成形。模具由凸模與凹模 2 部分構(gòu)成， 對(duì)于同一件不銹鋼制品，可設(shè)計(jì)出各種不同結(jié)構(gòu)形式的壓模，壓模的結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到 制品質(zhì)量、模具制造成本及其使用壽命。波紋管在使用中被密封的構(gòu)件有一定的工作行 程，構(gòu)件的最大行程和最小行程是模具充分伸張和緊合的長(zhǎng)度。當(dāng)工作壓力較低時(shí)，波 紋管的波褶要求深而窄；對(duì)于較高的工作壓力，設(shè)計(jì)時(shí)其波褶最好是圓而寬些。由于波 紋管形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其脫模的問(wèn)題。我設(shè)計(jì)的波紋管模具由 16 對(duì)水平對(duì)開(kāi)的模片組成，模片之間用一個(gè)個(gè)小的鏈條連接，沿一定的軌跡移動(dòng)，模具 閉合成圓形管子的成型腔，模具打開(kāi)，使制品脫模，模具可由水或空氣冷卻。其成型過(guò) 程為：從擠出機(jī)擠出管坯在一定的水壓下，經(jīng)過(guò)吹脹，使內(nèi)外壁分別貼合在成型模具和 內(nèi)定徑棒上成型。模具伸張狀態(tài)為 414mm,模具緊合狀態(tài)為 284mm。 圖 3.2 模片 3.3.2 模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.3.2.1 成型腔的設(shè)計(jì) 成形波紋管部的工藝比較簡(jiǎn)單,可采用通用的模體與芯軸式型腔,但芯軸的設(shè)計(jì)是不銹 鋼零件成形后能否順利脫模的關(guān)鍵問(wèn)題。雙壁不銹鋼波紋管成型后，不再進(jìn)行機(jī)械加工。 因此，模具中形成波紋管徑向及軸向定位尺寸的模具尺寸必須十分精確，其尺寸可由下 式確定：D=A(1K) 式中 D模具內(nèi)腔尺寸,mm A波紋管尺寸,mm 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 K材料的收縮 如果設(shè)計(jì)資料中沒(méi)有材料的收縮率，可先按波紋管零件尺寸設(shè)計(jì)模具內(nèi)腔尺寸，試 模后精確測(cè)量制品尺寸，得出材料的收縮率后再按上式重新設(shè)計(jì)模具內(nèi)腔尺寸。 我設(shè)計(jì)的波紋管模具長(zhǎng)度的伸張狀態(tài)為 414mm，模具緊合狀態(tài)為 284mm。也就是零 件長(zhǎng)度為 414mm，制品長(zhǎng)度為 284mm，而零件直徑為 47mm，制品直徑為 60mm。 所以材料縱向的收縮率為： K=284/414=0.686 所以材料橫向的收縮率為： K=47/60=0.783 由此可以得出：模具成型腔長(zhǎng)度尺寸 D=284(1+0.686)=479mm 模具成型腔直徑尺寸 D=60(1+0.783)=107 mm 圖 3.3 波紋管制品 圖 3.4 波紋管零件 3.3.2.2 芯軸的設(shè)計(jì) 由于波紋管的形狀復(fù)雜，波褶相對(duì)較深，因此給模具設(shè)計(jì)造成困難，這里的關(guān)鍵就 是為了更好地解決脫模困難的問(wèn)題。從圖 3.2 可知,波紋管的最大直徑(峰徑) 與最小直徑 (谷徑) 之比為 1.28,對(duì)于不銹鋼雙壁波紋管零件而言,當(dāng)峰谷比為 1. 21. 5 ,通常采用強(qiáng)制 脫模方式,可以設(shè)計(jì)為整體式芯軸。芯軸定位采用芯軸兩端柱面周向和臺(tái)階軸向定位,在下 模片的前后側(cè)加 2 塊定位板。由壓制成形工藝可知,裝模過(guò)程是在合模前先將零件放入型 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 11 腔中,然后放上芯軸,上模下壓,進(jìn)而合模成形。上述設(shè)計(jì)的型腔只是零件成形時(shí)的型腔,零 件放入后,芯軸必然會(huì)抬起,在隨后的合模成型過(guò)程中才能逐步復(fù)位至最終尺寸。因此,芯軸 的初始定位必須充分考慮合模過(guò)程中其位置的變化,為保證成型結(jié)束時(shí)芯軸的準(zhǔn)確定位,將 兩側(cè)的定位板設(shè)計(jì)為高出下模片一定距離。另外,上下模片的定位采用簡(jiǎn)單的導(dǎo)正定位銷(xiāo) 定位 ，模片之間采用一個(gè)個(gè)小的鏈條聯(lián)接?？紤]芯軸通常在高溫環(huán)境下使用,結(jié)合其使用 壽命和熱處理變形程度要求，芯軸選用 Cr12 鋼，車(chē)削加工完成,調(diào)質(zhì)處理 3.3.2.3 模頭的設(shè)計(jì) 目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)雙壁波紋管大多采用旋轉(zhuǎn)模頭，旋轉(zhuǎn)模頭的特點(diǎn)是：體積小，流道 清潔，可以消除管材的內(nèi)應(yīng)力和清除管材的熔接痕。但由于雙壁波紋管生產(chǎn)工藝的原因， 其模頭與生產(chǎn)實(shí)壁管的模頭有很大區(qū)別。生產(chǎn)波紋管時(shí)，一方面要求模頭是雙流道結(jié)構(gòu)， 同時(shí)還受到管材內(nèi)徑的限制，因此，模頭的內(nèi)、中、外三種流道套比較薄；另一方面， 由于波紋管成型模塊回轉(zhuǎn)半徑的限制，要求模頭的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，所以波紋管擠出模頭實(shí)際 上是一個(gè)很長(zhǎng)的懸臂梁。在生產(chǎn)較小管徑波紋管時(shí)，模頭相對(duì)較小，由于懸臂而產(chǎn)生的 撓度并不是很大，其對(duì)擠出波紋管壁厚均勻性的影響可以通過(guò)機(jī)頭口模調(diào)整得以校正； 而在生產(chǎn)大口徑雙壁波紋管時(shí)，模頭對(duì)管材壁厚分布的影響已經(jīng)非常顯著，常規(guī)的口模 調(diào)節(jié)已無(wú)能為力。為此，采取盤(pán)式模頭，使得復(fù)合模頭減小了 80%的重量，減少了 65% 的能耗。 國(guó)內(nèi)研制大口徑波紋管時(shí)如果也采用類(lèi)似的盤(pán)式模頭顯然會(huì)涉及到專(zhuān)利侵權(quán)問(wèn)題， 不過(guò)，通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有雙壁管模頭的設(shè)計(jì)方法可以消除由于撓度給管材壁厚分布帶來(lái)的影 響，即逆向修正法。逆向修正法的基本原理是：在設(shè)計(jì)前就計(jì)算好模頭撓度的大小及其 分布，在其后的設(shè)計(jì)中采用相應(yīng)的逆向修正。由于逆向修正的模頭形狀不規(guī)則，所以必 須使用數(shù)控機(jī)床加工，采用這種方法設(shè)計(jì)的模頭在實(shí)際工作中口模無(wú)需調(diào)整或少調(diào)整。 3.3.3 模具環(huán)剛度的計(jì)算 雙壁波紋管一個(gè)最重要的參數(shù)是環(huán)剛度。在達(dá)到使用要求的環(huán)剛度下如何使得單位 長(zhǎng)度管材的重量最小是問(wèn)題的關(guān)鍵，也是各國(guó)研究雙壁波紋管的核心點(diǎn)。波紋管性能的 優(yōu)劣是由成型模具決定的，所以必須掌握環(huán)剛度的計(jì)算方法并有一套切實(shí)可行的計(jì)算手 段才能確保成型模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 環(huán)剛度的定義為： S=EI/D3 其中： E-材料的彈性模量； I-管材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； D-管材的有效直徑。 材料的彈性模量是由材料本身性能決定的，而作為設(shè)備供用商可能更關(guān)注于管材的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的研究。實(shí)壁管的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算已有資料給出，但關(guān)于結(jié)構(gòu)壁管轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 計(jì)算各國(guó)研究者都密而不談，因?yàn)樗请p壁波紋管技術(shù)的核心之核心。目前國(guó)內(nèi)雙壁波 紋管設(shè)計(jì)人員對(duì)環(huán)剛度的影響因素知之甚少，更別說(shuō)是精確計(jì)算了。很顯然，如果沒(méi)有 一套可以實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)的大口徑雙壁波紋管只能是一個(gè)美好愿望而已。 實(shí)際上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算和有效直徑 D 的確定是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，絕不能和一些作圖 軟件所提供的慣性矩混為一談，以免被誤導(dǎo)。 中云集團(tuán)武停啟博士耗時(shí) 2 個(gè)多月潛心研究，現(xiàn)已能提供一套非常實(shí)用的雙壁波紋 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 管環(huán)剛度的計(jì)算方法，并編制成了計(jì)算機(jī)程序。采用該程序，可以快速計(jì)算出結(jié)構(gòu)壁管 的環(huán)剛度和相應(yīng)米重，并能對(duì)雙壁波紋管的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。有了這套計(jì)算機(jī)程序，國(guó)內(nèi) 的設(shè)備制造商在雙壁波紋管的開(kāi)發(fā)方面就可以依靠自己的理論依據(jù)，而不再是對(duì)國(guó)外產(chǎn) 品的簡(jiǎn)單跟進(jìn)，中云集團(tuán)已經(jīng)利用這一成果開(kāi)發(fā)了外徑 1500 毫米雙壁波紋管的波紋成型 系統(tǒng)。 3.3.4 模具的加工 鑒于該零件的工藝分析及設(shè)計(jì)要求，需要合理地確定模具各部分的加工工藝。對(duì)于 成形波紋管部的型腔和芯軸結(jié)構(gòu),主要采用線切割配合電火花成形加工。為了便于加工操 作,同時(shí)減少加工量和加工成本,最終采用“先整體加工 ,再一分為二分開(kāi)加工” 的方案。由于 模具在工作過(guò)程中，內(nèi)、外壓力較大，因此模具必須有足夠的強(qiáng)度和剛度,從成本及加工 性能方面考慮,模體材料選用 45 # 碳素鋼(經(jīng)熱處理后硬度為 HRC2832) 。 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 13 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其校核 液壓系統(tǒng)是波紋管成型機(jī)的心臟，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、合理性是成型技術(shù)先進(jìn) 性的重要標(biāo)志，也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性、精確性的關(guān)鍵。 4.1 液壓系統(tǒng)的組成 4.1.1 能源裝置 它是將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能(壓力和流量)輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般最 常見(jiàn)的形式是液壓泵。 4.1.2 執(zhí)行元件 它是將油液的壓力能轉(zhuǎn)換成直線式或回轉(zhuǎn)式機(jī)械能輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般做直 線運(yùn)動(dòng)是液壓缸，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的是液壓馬達(dá)。 4.1.3 調(diào)節(jié)控制元件 它是控制液壓系統(tǒng)中油液的流量、壓力和流動(dòng)方向的裝置，包括方向控制閥、壓力 控制閥、流量控制閥、比例閥和邏輯閥。這些元件是保證系統(tǒng)正常工作不可缺少的組成 部分。 4.1.4 輔助元件 是除上述三項(xiàng)以外的其它裝置，如油箱、濾油器、油管等，這些元件對(duì)保證液壓系 統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定持久的工作，有重大作用。 4.2 液壓系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn) 4.2.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 與機(jī)械傳動(dòng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)比較，液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： A 液壓元件的布置不受?chē)?yán)格的空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝 有很大的靈活性，能構(gòu)成其他方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。 B 可以在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍大。 C 液壓傳動(dòng)和液氣聯(lián)動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，制動(dòng)和頻繁的換向。 D 操作控制方便，省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，中遠(yuǎn)程距離控制，過(guò)載保護(hù)。與電氣 控制，電子控制相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過(guò)載保護(hù)。 E 液壓元件屬于機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件。其標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和通用化程度都較高，這樣有 利于縮短機(jī)器的設(shè)計(jì)，制造周期和降低制造成本。 F 除此之外，液壓傳動(dòng)突出的優(yōu)點(diǎn)還有單位質(zhì)量輸出功率大，因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)的動(dòng)力 元件可采用很高的壓力，因此，在同等輸出功率下具有體積小，質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)慣性小， 動(dòng)態(tài)性能良好的特點(diǎn)。 4.2.2 液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) A 在傳動(dòng)過(guò)程中，能量需經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換，傳動(dòng)效率偏低。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 B 由于傳動(dòng)介質(zhì)的可壓縮性和泄漏等因素的影響，不能?chē)?yán)格保證定比傳動(dòng)。 C 液壓傳動(dòng)性能對(duì)溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動(dòng)介 質(zhì)時(shí)還需要注意防火問(wèn)題。 D 液壓元件制造精度高，系統(tǒng)工作過(guò)程中發(fā)生故障不易診斷。 總的來(lái)說(shuō)，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是主要的，其缺點(diǎn)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷得到克服。 本機(jī)器的傳動(dòng)主要采用了液壓傳動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)電控自動(dòng)化控制。 4.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.3.1 概述及液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) A 本液壓系統(tǒng)是為永興金屬軟管有限公司成型模具裝置機(jī)設(shè)計(jì)，制造的專(zhuān)用液壓傳 動(dòng)設(shè)備。該系統(tǒng)精選了國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)液壓元、附件。液壓回路采用了集成油路塊式結(jié)構(gòu)， 液壓系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、可靠、易于維修。符合 GB3766-87液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條 件中的各項(xiàng)技術(shù)要求。 B 本液壓系統(tǒng)由于采用了開(kāi)式油箱結(jié)構(gòu)，所以不允許在粉塵大的惡劣環(huán)境下工作， 且使用時(shí)應(yīng)注意經(jīng)常清掃液壓設(shè)備上的粉塵，以保證液壓系統(tǒng)具有良好的散熱性。 C 本液壓系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有以下特征： 所有液壓閥控制回路均采用了集成油路塊式結(jié)構(gòu)，使本系統(tǒng)具有泄漏少，結(jié)構(gòu)緊湊， 便于維修的特點(diǎn)。 D 本液壓系統(tǒng)在工作原理上具有以下特征（參閱液壓系統(tǒng)原理圖）：具有吸油濾油 器，使本系統(tǒng)工作介質(zhì)的清潔度得到有效的保證，降低系統(tǒng)的故障率,延長(zhǎng)系統(tǒng)各元、附 件的使用壽命。 （1） 確定油液的循環(huán)方式 表 4-1 開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的比較 根據(jù)上圖所示，本液壓系統(tǒng)采用開(kāi)式循環(huán)方式，因?yàn)閳?zhí)行元件有多個(gè)。 （2） 確定油路的組合方式 本系統(tǒng)中采用并聯(lián)方式。 （2） 調(diào)速方案的分析與選擇 表 4-2 三種調(diào)速回路主要性能比較 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 15 根據(jù)上述表格內(nèi)容所示，本液壓系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速回路。 （4） 液壓系統(tǒng)的主要性能及技術(shù)參數(shù)： 1)卸荷回路 圖 4.1 卸荷回路 2) 回油節(jié)流調(diào)速回路 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 4.2 回油節(jié)流調(diào)速回路 圖 4.3 鎖緊回路 3) 鎖緊回路 4.3.2 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 圖 4.5 液壓系統(tǒng)原理圖 4.3.3 主壓油缸的設(shè)計(jì) 4.3.3.1 主壓油缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 A 在保證所獲得的速度和推力下，應(yīng)盡可能使液壓缸的各部分結(jié)構(gòu)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè) 計(jì)，盡量做到液壓缸的結(jié)構(gòu)緊湊，加工、裝配和維修方便。 B 盡量使活塞桿在承受最大負(fù)載時(shí)處于受拉狀態(tài)，若受壓應(yīng)具有良好的縱向穩(wěn)定性， 長(zhǎng)行程的活塞桿伸出時(shí)，還應(yīng)加輔助支撐，避免活塞桿下垂。 C 液壓缸熱脹冷縮時(shí)應(yīng)不受阻礙，所以液壓缸在安裝，固定時(shí)，液壓缸只能一端定 波紋管成型機(jī)的設(shè)計(jì) 17 位。 D 根據(jù)液壓缸具體工作條件，考慮是否有緩沖，排氣和防塵裝置。 模具處于伸張狀態(tài)時(shí)的長(zhǎng)度為 414mm，處于緊合狀態(tài)時(shí)的長(zhǎng)度為 284mm，見(jiàn)下圖 圖 4.6 三維圖模具（伸張） 圖 4.7 三維圖模具（緊合） 所以主壓油缸伸縮幅度為414mm-284mm=130mm 根據(jù)相關(guān)資料參考，確定主壓油缸主要參數(shù)如下： 油缸缸筒內(nèi)徑: 140 mm，外徑: 168mm，活塞桿徑 : 80mm，有效工作行程 900mm。無(wú)桿腔面積A1=16.816.83.14/4=222cm2, 有桿腔面積A2=(16.816.8-88) 3.14/4=171cm2。額定工作壓力 15 MPa，F(xiàn)拉=330KN。 密封伸出時(shí)間3S/100MM（可調(diào)） ，密封伸出進(jìn)流量 46L/MIN。 成型時(shí)，伸出時(shí)間6S/200MM （可調(diào)） ，伸出進(jìn)流量 46L/MIN。 出油量14X154/78=28L/MIN。 上升壓力15MP, 拉力F=254KN。 上升伸出時(shí)間 5S/300MM（可調(diào)） ，上升伸出進(jìn)流量 46L/MIN。 4.3.3.2 缸筒設(shè)計(jì) 根據(jù)液壓缸推力F 和選定的工作壓力，或者運(yùn)動(dòng)速度和輸入流量 ，按有關(guān)公式確定 缸筒內(nèi)徑D后，然后再?gòu)腉B2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取相近的尺寸并且加以圓整。 對(duì)缸筒的要求： （1）有足夠的強(qiáng)度，能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力而不至于產(chǎn)生永 久變形。 （2）有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不至于產(chǎn)生彎曲。 （3）內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長(zhǎng)期工作而磨損少，尺寸公 差和形位公差足以保證活塞密封件的密封性。 （4）需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上缸底和管接頭后不至于產(chǎn) 生裂紋或過(guò)大的變化。 由此，缸筒可設(shè)計(jì)為：材料 35#鋼無(wú)縫鋼管,強(qiáng)度 b=48 kg/mm2,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上 冊(cè) P464。安全系數(shù) n=3(靜載荷), 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)下冊(cè) P170,許用應(yīng)力= 160 MPa 。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 缸筒壁厚/缸徑=14/140=0.1 液壓工程手冊(cè) P741,選用公式（ 7.3-8） max02.3pD （4-1 ） 4.3.3.3 缸筒最小壁厚0 （mm）=15（MPa）*168 （mm）/2.3*160- 3*15（MPa ）=7.8（mm）14(mm)， 強(qiáng)度符合要求。 缸筒厚度驗(yàn)算： 對(duì)最終采用的缸桶厚度應(yīng)驗(yàn)算： 額定工作壓力 np應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全 （4-2 ） 2 21()315(6840)0.350. 3snDMPa 所以驗(yàn)算厚度符合要求。 缸筒聯(lián)接強(qiáng)度的校核： 22621112 10,360,140543()()(68).74PabsPaaDpMD 液 壓 缸 底 采 用 對(duì) 焊 的 圓 周 焊 ， 材 料 是 #鋼 ， 它 的 而 焊 接 應(yīng) 力 為 ：F=顯 然 符 合 要 求-液 壓 缸 輸 出 的 最 大 推 力 （ N液 壓 缸 直 徑 （ m）p系 統(tǒng) 最 大 工 作 壓 力 （ ）液 壓 缸 外 徑 （ ）焊 縫 底 徑-焊 0.7接 效 率 ， 通 常 取 即取缸筒外徑 168mm, 內(nèi)徑 140mm，壁厚=14 mm，長(zhǎng)度 973m。 4.3.3.4 活塞桿設(shè)計(jì) 活塞桿直徑 d 通常先滿足液壓缸速度或速度比來(lái)確定活塞桿的直徑 d 然后再?gòu)?GB2348-80 標(biāo)準(zhǔn)中選取相近的尺寸并且加以圓整，再按其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核。活 塞桿要在導(dǎo)向套中滑動(dòng)。太緊則摩擦大，太松則容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損?；钊麠U 內(nèi)端的卡環(huán)槽，緩沖柱塞要保證與軸線同心，特別是緩沖柱塞。 由此，活塞桿可設(shè)計(jì)為： 材料 45#鋼，強(qiáng)度 b=56 kg/mm2，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上冊(cè) P464。安全系數(shù) n=3, 根 據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)下冊(cè) P170，許用應(yīng)力 =190MPa。 壓應(yīng)力=33000/80*80*3.14/4=6.5 kgf/mm2=19 kgf/mm2。 拉應(yīng)力=25400/80*80*3.14/4=5kgf/mm2254000N/Kkn 所以穩(wěn)定。 前耳環(huán)與活塞桿聯(lián)接螺紋 M48X3，長(zhǎng)度 110mm。所以取活塞桿徑 110 mm，長(zhǎng)度 1222mm。 經(jīng)過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)活塞桿強(qiáng)度和剛度足夠，安全。 但是經(jīng)過(guò) UG 有限元應(yīng)力分析后發(fā)現(xiàn)： 圖 4.8 活塞桿應(yīng)力分析 最大處的應(yīng)力為 350MPa。 由于受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，尺寸不能更改。所以只能更換材料。因此選用合金結(jié)構(gòu)鋼 20SiMnVB，抗拉強(qiáng)度 b=1175MPa，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) P27,安全系數(shù) n=3, 許用應(yīng)力 =1175/3=400Mpa。 驗(yàn)證活塞桿的強(qiáng)度： 6662()10MPa2425402.05.8103.981ssFndmFnd m:s s式 中 -液 壓 鋼 的 最 大 推 力 （ 或 拉 力 ）材 料 的 屈 服 極 限 （ ） 屈 服 安 全 系 數(shù) ， 一 般 取 n現(xiàn) 在 取 為 4則所 以 ， 強(qiáng) 度 符 合 要 求 。 4.3.3.5 活塞設(shè)計(jì) 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 由于活塞在液體壓力的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò) 緊也不能間隙過(guò)大。配合過(guò)緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損 壞缸筒和活塞的滑動(dòng)配合表面，間隙過(guò)大會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄漏，降低容積效率，使液 壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。 根據(jù)密封裝置型式來(lái)選活塞結(jié)構(gòu)型式（密封裝置則按工作條件選定） 。通常分為整體 活塞和組合活塞兩類(lèi)。整體活塞在活塞周?chē)_(kāi)溝槽，安置密封圈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但給活塞 的加工帶來(lái)困難，密封圈安裝時(shí)容易拉傷和扭曲。組合式活塞結(jié)構(gòu)多樣，主要受密封圈 型式?jīng)Q定。組合式活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長(zhǎng)，隨著耐磨的導(dǎo)向環(huán)大 量的使用，多數(shù)密封圈與導(dǎo)向環(huán)聯(lián)合使用，大大降低了活塞的加工成本。這里活塞材料 取 QT500 球鐵，帶支承環(huán)。配合 H8/f9，取活塞外徑 140mm，內(nèi)徑 64mm，活塞厚度 67 mm。 4.3.3.6 導(dǎo)套設(shè)計(jì) 材料 QT500 球鐵, 取導(dǎo)套外徑 140mm，內(nèi)徑 80 mm，導(dǎo)套厚度 143 mm。 4.3.3.7 液壓缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H 當(dāng)活塞桿全部外伸，從活塞面的中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面的中點(diǎn)的距離稱為液壓缸最小 導(dǎo)向長(zhǎng)度H，若液壓缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H太小，當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，這種結(jié)構(gòu)就是材料力 學(xué)中見(jiàn)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)就是他的穩(wěn)定性不好，容易造成液壓缸活塞 桿的晃動(dòng) ，一方面，這種懸臂梁結(jié)構(gòu)將使液壓缸活塞桿所受到的彎矩變的大， 這樣一 來(lái)對(duì)液壓缸活塞桿的材料性能要求就比較高。另一方面，懸臂梁結(jié)構(gòu)將使得液壓缸活塞 桿對(duì)液壓缸缸筒內(nèi)壁造成沖擊，容易造成液壓缸的損壞，同時(shí)對(duì)液壓缸缸筒材料的性能 也有較高的要求，最后就是，液壓缸的穩(wěn)定性將變差。因此，對(duì)一般液壓缸必須有一個(gè) 合適的導(dǎo)向長(zhǎng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)液壓缸的最大行程L ，液壓缸缸筒直徑D 時(shí)，最小導(dǎo)向長(zhǎng) 度H L20+D2。 一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A，在D80mm時(shí)，可取A=（0.6-1.0）D；在在D 80mm時(shí)， 可取A= （0.6-1.0 ）d。活塞寬度B= （0.6-1.0）D。若導(dǎo)向長(zhǎng)度H不夠時(shí)，可以在活塞桿上 增加一個(gè)導(dǎo)向隔套K來(lái)增加H值，導(dǎo)向隔套K的寬度 C= 0.5()AB 4.3.3.8 密封圈 油缸中使用密封圈可以防止高壓油的泄漏。密封圈是易損件，如果質(zhì)量不好，回嚴(yán) 重影響機(jī)器的正常工作。對(duì)密封件的要求是：密封性能好，能隨著液體壓力增高而提高 其密封性能，摩擦阻力小，磨損小，壽命長(zhǎng)，使用維修簡(jiǎn)單，易拆換，成本低，容易制 造。在選擇密封材料時(shí)，應(yīng)考慮其性能，一般要求：在一定溫度使用范圍內(nèi)有較好的化 學(xué)穩(wěn)定性，不容于工作介質(zhì)，與金屬接觸時(shí)不互相起作用（如腐蝕，拈著等） ，不軟化或 硬化，彈性好，永久變形小，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，易于壓制成 型，價(jià)格低廉等。密封件有多種形式，在油缸中采用O 型圈，軸用和孔用Y x 型密封圈。 基于上述要求，對(duì)O型圈和軸用Y x 型密封圈用聚胺脂橡膠（它是廣泛運(yùn)用于各種液壓缸 中的一種橡膠材料，具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度，彈性及耐油性均很好， 還有極