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2015屆機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)
單位代碼 10642 密 級(jí) 公 開(kāi) 學(xué) 號(hào)201114014093
學(xué)士學(xué)位論文
論文題目：YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
論文作者：范 杰 勇
指導(dǎo)教師：王自啟
學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化
提交論文日期：2015年01月25日
論文答辯日期：2015年01月29日
學(xué)位授予單位：重慶文理學(xué)院
中 國(guó) · 重 慶
2015年01月
共14頁(yè) 第15頁(yè)
2015屆機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 引言 1
1.1選題目的和意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述 1
1.3 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 1
2 液壓系統(tǒng)分析 2
2.1 YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析 2
2.2 工況分析 3
2.2.1工作循環(huán)分析 3
2.2.2負(fù)載分析 3
3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5
3.1確定液壓系統(tǒng)方案 5
3.1.1快速行程方式 5
3.1.2減速方式 5
3.1.3壓制速度的調(diào)整 5
3.1.4壓制壓力及保壓 5
3.1.5泄壓換向方法 5
3.1.6主缸與頂出缸的互鎖控制回路 6
3.2 液壓原理圖的擬定 6
3.2.1 繪圖液壓原理圖 6
3.2.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
4 液壓系統(tǒng)的計(jì)算和液壓元件的選擇 8
4.1 液壓缸的選擇 8
4.1.1主缸的選擇 8
4.1.2頂出缸的選擇 8
4.2 液壓泵的選擇 10
4.2.1 液壓泵的壓力 10
4.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 11
4.4 液壓閥的選擇 11
4.4.1 方向控制閥的選擇 11
4.4.2壓力控制閥的選擇 11
4.4.3流量控制閥的選擇 11
4.5 輔助元件的設(shè)計(jì) 12
4.5.1 濾油器的選擇 12
4.5.2 油管類型的選擇 12
4.5.3 油管尺寸的確定 12
4.5.4 油箱容量的選擇 13
5 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 13
6 總結(jié)： 14
參考文獻(xiàn)： 14
致謝語(yǔ)： 14
2015屆機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）
摘要：YA23-40型四柱液壓機(jī)是利用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過(guò)液壓控制系統(tǒng)換為液體的壓力能，通過(guò)液體壓力能的變化來(lái)傳遞能量，經(jīng)過(guò)各種控制閥和液壓控制管路的傳遞進(jìn)入油缸，推動(dòng)固定在上橫梁上的主缸帶動(dòng)上下活動(dòng)梁來(lái)回移動(dòng)，由四個(gè)立柱導(dǎo)向?qū)⑸舷履＞唛]合，壓制所需要的工件，再用頂出缸把壓制好的工件頂出。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是以YA23-40型四柱液壓機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)本次設(shè)計(jì)提高液壓系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性以及液壓沖擊對(duì)設(shè)備的可靠性。設(shè)計(jì)中首先調(diào)查研究了YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的組成及工作原理，接著對(duì)工作循環(huán)及工況進(jìn)行了分析，并在這些分析基礎(chǔ)上提出了液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的方案，然后通過(guò)計(jì)算選擇了各主要液壓元件，最后通過(guò)AutoCAD軟件繪制了液壓系統(tǒng)原理圖和PLC控制的接線圖。
關(guān)鍵詞：四柱液壓機(jī) ;液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ;液壓元件
Abstract：YA23-40 type hydraulic machine is to use the original motivation of the mechanical pump through the hydraulic control system can change as the pressure of the liquid, the liquid pressure can be varied by the energy to pass through various control valves and hydraulic control line transmission into the cylinder, pushing fixed to the upper beam master cylinder to drive up and down the beam moves back and forth, up and down by four pillars guiding the mold is closed, pressing the workpiece need, and then the top of the cylinder to suppress a good piece ejection.
The graduation project is YA23-40 type hydraulic machine application system stability and hydraulic shock as the research object, the hydraulic system by improving the design of this device reliability. First investigated the design and operating principle YA23-40 type hydraulic machine hydraulic system, then cycle to work and working conditions are analyzed and proposed solutions of the hydraulic system and PLC control system on the basis of these analyzes, then by calculate chose the main hydraulic components, and finally draw a schematic diagram of the hydraulic system and PLC control wiring diagram by AutoCAD software.
Key word：Hydraulic machine; Hydraulic system; Hydraulic components
1 引言
1.1選題目的和意義
本課題的主要目的是對(duì)YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，通過(guò)本次設(shè)計(jì)可以提高液壓系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性以及液壓沖擊對(duì)設(shè)備的可靠性等。另外，通過(guò)本次設(shè)計(jì)可以鞏固和深化所學(xué)知識(shí)、掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法步驟、培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。所以，本設(shè)計(jì)對(duì)YA23-40型四柱液壓機(jī)的應(yīng)用具有很大的研究意義。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述
科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步?jīng)Q定液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與研究動(dòng)向，目前液壓技術(shù)正向著高度集成化、高速、高壓、高效、經(jīng)久耐用、低噪音的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一些新型液壓系統(tǒng)和液壓元件的設(shè)計(jì)都運(yùn)用了計(jì)算機(jī)CDC、CAT、CAD、計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，一定程度上提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量。雖然液壓傳動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)潔方便，但是液壓傳動(dòng)中存在著一些亟待解決的問(wèn)題，如：液壓系統(tǒng)工作時(shí)的工作介質(zhì)的泄漏、液壓沖擊對(duì)設(shè)備可靠性的影響、穩(wěn)定性的影響等等，這些問(wèn)題都是液壓傳動(dòng)技術(shù)需要研究和解決的。任何技術(shù)的改革和創(chuàng)新，都必須以穩(wěn)定、可靠的工作為前提，這樣才具有它的實(shí)際意義。
其中液壓系統(tǒng)研究成果及實(shí)例有：
2007年，重慶大學(xué)陳小剛碩士，通過(guò)有限元分析軟件ANSYS建立了液壓缸和上橫梁等關(guān)鍵部件的有限元分析模型，求解得到了應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，并根據(jù)有限元分析結(jié)果。對(duì)液壓機(jī)主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。最后，詳細(xì)分析了關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后主要參數(shù)的優(yōu)化效果，并將優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)用于企業(yè)實(shí)際中，根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，已生產(chǎn)出改型的YJ32-100A四柱型液壓機(jī)。取得了較好的應(yīng)用效果。
2004年03期，YB32-500四柱萬(wàn)能液壓機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析與改造，對(duì)YB32500四柱萬(wàn)能液壓機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析 ,對(duì)其液壓故障進(jìn)行了診斷與排除 ,提出了提高安全性的系統(tǒng)改進(jìn)方案。
國(guó)外研究者采用飛機(jī)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，以及粉末冶金塑料及橡膠制品成型；膠合板壓制。更在深海工具中以海水為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比有突出的優(yōu)越性。
1.3 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)是利用液體作為工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式，與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）液壓傳動(dòng)的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活地來(lái)布置；
（2）重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快；
（3）操作控制方便，易于實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速；
（4）一般采用礦物油為工作介質(zhì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)；
（5）可以實(shí)現(xiàn)快速而且無(wú)沖擊的變速和換向；
（6）與機(jī)械傳動(dòng)相比易于布局和操縱；
液壓傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)：
（1）由于流體流動(dòng)的阻力損失和泄露較大，所以效率較低；
（2）工作性能易受溫度變化的影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作；
（3）液壓元件的制造精度要求較高，因而價(jià)格較貴；
（4）由于液體介質(zhì)的泄露及可壓縮性影響，不能得到嚴(yán)格的定比傳動(dòng)；
（5）液壓傳動(dòng)出故障時(shí)不易找出原因；使用和維修要求有較高的技術(shù)水平[2]；
2 液壓系統(tǒng)分析
2.1 YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析
圖2-1為YA23-40型四柱液壓機(jī)系統(tǒng)原理基本組成。我們可以通過(guò)它進(jìn)一步理解一般液壓機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具備的基本性能和組成情況。
圖2-1 四柱液壓機(jī)
在圖2-1中，YA23-40型四柱液壓機(jī)是利用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過(guò)液壓控制系統(tǒng)換為液體的壓力能，通過(guò)液體壓力能的變化來(lái)傳遞能量，經(jīng)過(guò)各種控制閥和液壓控制管路的傳遞進(jìn)入油缸，推動(dòng)固定在上橫梁上的主缸帶動(dòng)上下活動(dòng)梁來(lái)回移動(dòng)，由四個(gè)立柱導(dǎo)向?qū)⑸舷履＞唛]合，壓制所需要的工件，再于頂出缸把壓制好的工件頂出。
在液壓傳動(dòng)中，液壓油缸就是一個(gè)最簡(jiǎn)單而又比較完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，分析它的工作過(guò)程，可以清楚的了解液壓傳動(dòng)的基本原理。
液壓系統(tǒng)主要由：動(dòng)力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。
（1）動(dòng)力元件（油泵） 它的作用是把液體利用原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓力能；是液壓傳動(dòng)中的動(dòng)力部分。
（2）執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達(dá)） 它是將液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其中，油缸做直線運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
（3）控制元件 包括壓力閥、流量閥和方向閥等。它們的作用是根據(jù)需要無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)液動(dòng)機(jī)的速度，并對(duì)液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
（4）輔助元件 除上述三部分以外的其它元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、管件各種管接頭(擴(kuò)口式、焊接式、卡套式）、高壓球閥、快換接頭、軟管總成、測(cè)壓接頭、管夾等及油箱等，它們同樣十分重要。
（5）工作介質(zhì) 工作介質(zhì)是指各類液壓傳動(dòng)中的液壓油或乳化液，它經(jīng)過(guò)油泵和液動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
綜上述YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)需要完成的動(dòng)作循環(huán)為：
主缸活塞滑塊快速下行→主缸活塞滑塊慢速加壓→主缸保壓→主缸卸壓→主缸活塞滑塊回程→頂出缸活塞頂出→頂出缸活塞退回
YA23-40(40噸)型四柱液壓機(jī)基本技術(shù)參數(shù)：
（1）主缸公稱壓力 400KN
（2）主缸回程力 80KN
（3）頂出缸公稱壓力 50KN
（4）頂出缸回程力 30KN
（5）滑塊距工作臺(tái)最大距離 1800mm
（6）滑塊行程 1200mm
（7）頂出行程 400mm
（8）工作壓力 20MPa
（9）滑塊速度 空程速度 100mm/s
擠壓速度 20mm/s
回程 100mm/s
（10）頂出速度 頂出 100mm/s
回程 150mm/s
2.2 工況分析
2.2.1工作循環(huán)分析
根據(jù)上述對(duì)YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的分析可知，液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)為：
主缸：快速下行→慢速加壓→保壓→卸壓→快速回程→原位停止
頂出缸：慢速頂出→快速退回
故繪制出YA23-40型四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)圖，如圖2-2所示：
圖2-2 YA23-40型四柱液壓機(jī)工作循環(huán)圖
2.2.2負(fù)載分析
根據(jù)提供的工況條件，立式安裝的主液壓缸活塞桿帶動(dòng)滑塊及動(dòng)橫梁在立柱上滑行時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量為500Kg。
（1）工作負(fù)載
工件的壓制抗力即為工作負(fù)載：
（2）摩擦負(fù)載
由于導(dǎo)柱與滑塊垂直，摩擦負(fù)載較小，可忽略不計(jì)，故：
靜摩擦阻力：
動(dòng)摩擦阻力：
（3）慣性負(fù)載
自重:
（4）液壓缸在各工作階段的負(fù)載值：
——液壓缸的機(jī)械效率，一般取=0.9-0.97。本處取=0.9
表2-1工作循環(huán)各階段的外負(fù)載
工況
負(fù)載組成
推力 F/
快速下行
慢速加壓
快速回程
根據(jù)主缸的工藝要求和參數(shù)，將各執(zhí)行元件在各階段的速度用圖2-3所示的速度-位移（v-s）曲線表示。將各執(zhí)行元件在各階段所需克服的負(fù)載用圖2-4所示的負(fù)載-位移（F-s）曲線表示。
圖2-2 主缸速度循環(huán)圖 圖2-3主缸負(fù)載循環(huán)圖
3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1確定液壓系統(tǒng)方案
液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是在行程中壓力變化很大，所以在行程中不同階段保證達(dá)到規(guī)定的壓力是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要考慮的。
確定液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)方案時(shí)要重點(diǎn)考慮下列問(wèn)題：
3.1.1快速行程方式
液壓機(jī)液壓缸的尺寸較大，在快速下行時(shí)速度也較大，從工況圖看出，此時(shí)需要的流量較大（289.4 L/min），這樣大流量的油液如果由液壓泵供給；則泵的容量會(huì)很大。液壓機(jī)常采用的快速行程方式可以有許多種，本機(jī)采用自重快速下行方式。因?yàn)閴簷C(jī)的運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方向在快速行程中是垂直向下，可以利用運(yùn)動(dòng)部件的重量快速下行；在壓力機(jī)的最上部設(shè)計(jì)一個(gè)充液筒（高位油箱），當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件快速下行時(shí)高壓泵的流量來(lái)不及補(bǔ)充液壓缸容積的增加，這時(shí)會(huì)形成負(fù)壓，上腔不足之油，可通過(guò)充液閥、充液筒吸取。高壓泵的流量供慢速壓制和回程之用。此方法的優(yōu)點(diǎn)為不需要輔助泵和能源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)為下行速度不易控制，吸油不充分將使升壓速度緩慢，改進(jìn)的方法是使充液閥通油斷面盡量加大，另外可在下腔排油路上串聯(lián)單向節(jié)流閥，利用節(jié)流造成背壓，以限制自重下行速度，提高升壓速度。
3.1.2減速方式
液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件在下行行程中快接近制件時(shí)，應(yīng)該由快速變換為較慢的壓制速度。減速方式主要有壓力順序控制和行程控制兩種方式；壓力順序控制是利用運(yùn)動(dòng)部件接觸制件后負(fù)荷增加使系統(tǒng)壓力升高到一定值時(shí)自動(dòng)變換速度；某些工藝過(guò)程要求在運(yùn)動(dòng)部件接觸制件前就必須減速，本例壓制軸瓦工藝就有這個(gè)要求，這時(shí)適合選用行程減速方式。本系統(tǒng)擬選用機(jī)動(dòng)控制的伺服變量軸向柱塞泵（CCY型）作動(dòng)力源，液壓泵的輸出流量可由行程擋塊來(lái)控制，在快速下行時(shí)，液壓泵以全流量供油，當(dāng)轉(zhuǎn)換成工作行程（壓制）時(shí)，行程擋塊使液壓泵的流量減小，在最后20 mm內(nèi)擋塊使液壓泵流量減到零；當(dāng)液壓缸工作行程結(jié)束反向時(shí)，行程擋塊又使液壓泵的流里恢復(fù)到全流量。與液壓泵的流量相配合（協(xié)調(diào)），在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)換為工作行程時(shí)，電氣擋塊碰到行程并關(guān)，發(fā)信號(hào)使電磁換向閥5的電磁鐵3YA得電，控制油路K不能通至液控單向閥8，閥8關(guān)閉，此時(shí)單向順序閥2不允許滑塊等以自重下行。只能靠泵向液壓缸上腔供油強(qiáng)制下行，速度因而減慢（見(jiàn)圖1.4）。
3.1.3壓制速度的調(diào)整
制件的壓制工藝一般要提出一定壓制速度的要求，解決這一問(wèn)題的方很多，例如可以用壓力補(bǔ)償變量泵來(lái)實(shí)現(xiàn)按一定規(guī)律變化的壓制速度的要求。本例中采用機(jī)動(dòng)伺服變量泵，故仍利用行程擋塊（塊擋的形狀）來(lái)使液壓泵按一定規(guī)模變化以達(dá)到規(guī)定的壓制速度。
3.1.4壓制壓力及保壓
在壓制行程中不同階段的系統(tǒng)壓力決定于負(fù)載，為了保證安全，應(yīng)該限制液壓系統(tǒng)的最高壓力，本系統(tǒng)擬在變量泵的壓油口與主油路間并聯(lián)一只溢流閥作安全閥用。
有時(shí)壓制工藝要求液壓缸在壓制行程結(jié)束后保壓一定時(shí)間，保壓方法有停液壓泵保壓與開(kāi)液壓泵保壓兩種，本系統(tǒng)根據(jù)壓機(jī)的具體情況擬采用開(kāi)液壓泵保壓；此法的能量消耗較前一種大。但系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。
3.1.5泄壓換向方法
液壓機(jī)在壓制行程完畢或進(jìn)入保壓狀態(tài)后，主液壓缸上腔壓力很高，此時(shí)由于主機(jī)彈性變形和油液受到壓縮，儲(chǔ)存了相當(dāng)大的能量。工作行程結(jié)束后反向行程開(kāi)始之前液壓缸上腔如何泄壓（控制泄壓速度）是必須考慮的問(wèn)題，實(shí)踐已證明，若泄壓過(guò)快，將引起劇烈的沖擊、振動(dòng)和驚人的聲音，甚至?xí)蛞簤簺_擊而使元件損壞。此問(wèn)題在大型液壓機(jī)中愈加重要。
各種泄壓方法的原理是在活塞回程之前，當(dāng)液壓缸下腔油壓尚未升高時(shí)，先使上腔的高壓油接通油箱，以一定速度使上腔高壓逐步降低。本例采用帶阻尼狀的電液動(dòng)換向閥，該閥中位機(jī)能是H型，控制換向速度，延長(zhǎng)換向時(shí)間，就可以使上腔高壓降低到一定值后才將下腔接通壓力油（見(jiàn)圖1.5）。此法最為簡(jiǎn)單，適合于小型壓機(jī)。
3.1.6主缸與頂出缸的互鎖控制回路
為保障頂出缸的安全，在主缸動(dòng)作時(shí)，必須保證頂出缸的活塞下行到最下位置。本例采用兩個(gè)換向閥適當(dāng)串聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩缸的互鎖控制（見(jiàn)圖1.5）。從圖1.5中可見(jiàn)，只有在閥6處于右位工作時(shí)，即頂出缸活塞是下行狀態(tài)時(shí)壓力油才會(huì)通入換向閥4，主缸才能動(dòng)作。當(dāng)閥6處于左位工作，頂出缸為上行狀態(tài)時(shí)，只有壓力很低的回油通至閥4，主缸才不能動(dòng)作。
3.2 液壓原理圖的擬定
3.2.1 繪圖液壓原理圖
在以上分析的基礎(chǔ)上，擬定的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1.5所示。
圖1.5 液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：
液壓泵起動(dòng)后，電液換向閥4及6處于中位，液壓泵輸出油液經(jīng)背壓閥7再經(jīng)閥6的中位低壓卸荷，此時(shí)主缸處于最上端位置而頂出缸在最下端位置，電磁鐵2YA得電，換向閥6在右位工作，此時(shí)5YA得電，換向閥4也在右位工作，液壓泵輸出的壓力油進(jìn)入主缸上腔，此時(shí)3YA也得電，控制油路經(jīng)閥5通至液控單向閥3，使閥3打開(kāi)，主缸下腔的油能經(jīng)閥3很快排入油箱，主缸在自重作用下實(shí)現(xiàn)快速空程下行，由于活塞快速下行時(shí)液壓泵進(jìn)入主缸上腔的流量不足，上腔形成負(fù)壓，充液筒中的油液經(jīng)充液閥（液控單向閥）1吸入主缸。
當(dāng)電氣擋塊碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)3YA失電，控制油路斷開(kāi)，閥3關(guān)閉，此時(shí)單向順序閥（平衡閥）2使主缸下腔形成背壓，與移動(dòng)件的自重相平衡。自重快速下行結(jié)束。與此同時(shí)用行程擋塊使液壓泵的流量減小，主缸進(jìn)入慢速下壓行程，在此行程中可以用行程擋塊控制液壓泵的流量適應(yīng)壓制速度的要求。由壓力表刻度指示達(dá)到壓制行程的終點(diǎn)。
行程過(guò)程結(jié)束后，可由手動(dòng)按鈕控制使5YA失電，4YA得電，換向閥4換向，由于閥2帶阻尼器，換向時(shí)間可以控制，而閥4的中位機(jī)能是H型，閥處于中位時(shí)使主缸上腔的高壓油泄壓，然后閥4再換為左位，此時(shí)壓力油經(jīng)閥2的單向閥進(jìn)入主缸下腔，由于下腔進(jìn)油路中的油液具有一定壓力；故控制油路可以使閥1打開(kāi)，主缸上腔的油液大部分回到充液筒，一部分經(jīng)閥4排回油箱，此時(shí)主缸實(shí)現(xiàn)快速回程。充液筒油液充滿后，溢出的油液可經(jīng)油管引至油箱。
回程結(jié)束后，閥4換至中位，主缸靜止不動(dòng)。
1YA得電，2YA失電，閥6換至左位，壓力油進(jìn)入頂出缸下腔，頂出缸頂出制件，然后1YA失電，2YA得電，閥6換至右位，頂出缸回程；回程結(jié)束后，2 YA失電，閥6換至中位，工作循環(huán)完成，系統(tǒng)回到原始狀態(tài)。
3.2.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖3-2所示，在液壓系統(tǒng)的電氣控制原理設(shè)計(jì)中，通過(guò)利用PLC電路來(lái)實(shí)現(xiàn)該四柱液壓件的自動(dòng)化控制。
基于YA23-40型四柱液壓機(jī)的工作要求，PLC 控制系統(tǒng)的控制方式包括自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行、單步運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行3 種工作模式。進(jìn)行調(diào)試或調(diào)整設(shè)備時(shí)可采用手動(dòng)運(yùn)行模式或單步運(yùn)行模式，正常生產(chǎn)時(shí)選用自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行模式。根據(jù)設(shè)計(jì)要求給出PLC 控制系統(tǒng)的外部接線圖，如圖3-2所示。
圖3-2控制系統(tǒng)的接線圖
根據(jù)圖3-2示，有3個(gè)控制按鈕來(lái)控制四柱液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)。其電磁鐵動(dòng)作順序表如下：
液壓系統(tǒng)電磁鐵動(dòng)作見(jiàn)表1.2，液壓元件規(guī)格明細(xì)表見(jiàn)表1.3。
1.2 電磁鐵動(dòng)作循環(huán)表
元件
動(dòng)作
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
主缸快速下行
–
+
+
–
+
主缸慢速下壓
–
+
–
– –
+
主缸泄壓
–
+
–
-
–
主缸回程
–
+
–
+
–
頂出缸頂出
+
–
–
+
–
頂出缸回程
–
+
–
+
–
原位卸荷
–
–
–
–
–
注：“+”表示得電，“—”表示失電
4 液壓系統(tǒng)的計(jì)算和液壓元件的選擇
4.1 液壓缸的選擇
4.1.1主缸的選擇
由表4-2和表4-3可知，四柱液壓機(jī)主缸的液壓系統(tǒng)在最大負(fù)載約為393100N時(shí)宜取p=20MPa。主缸選用單杠式。按表4-5的機(jī)床類型來(lái)分，缸筒直徑D和活塞桿直徑d的關(guān)系為d=0.7D。
由工進(jìn)時(shí)的推力計(jì)算主缸面積:
(4.1)
故有
， (4.2)
當(dāng)按GB/T 2348-1993（按表4-6和4-7），將這些直徑圓整成就近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，得D=180mm，d=125mm.由此求得主缸兩腔的實(shí)際有效面積為：
, (4.3)
4.1.2頂出缸的選擇
按工作要求頂出力由頂出缸提供，已知頂出缸頂出力為F1=50000N，現(xiàn)取頂出缸的工作壓力p3=8MPa，缸筒直徑D1和活塞直徑d1的關(guān)系同樣為d1=0.7D1
設(shè)頂出缸無(wú)桿腔工作面積為A3，有桿腔工作面積為A4[7][8]。
由頂出時(shí)的頂出力計(jì)算頂出缸的面積:
故有
，
當(dāng)按GB/T 2348-1993（按表4-6和4-7），將這些直徑圓整成就近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，得D1=100m，d1=70m.由此求得頂出缸兩腔的實(shí)際有效面積為：
，
表4-1 根據(jù)上述D與d值，可估算液壓缸在各個(gè)工作階段中的壓力、流量和功率
工況
負(fù)載
回油腔壓力
進(jìn)油腔壓力
輸入流量
輸入功率
計(jì)算式
快
速
下
行
起動(dòng)
1100
0
0.159×106
—
—
加速
1350
1.247×106
0.747×106
—
—
恒速
1100
0.683×106
3.078×10-4
2.102×102
慢速加壓
393100
0.8×106
2.397×106
0.0785×10-4
0.188×102
快速回程
10900
0.5×106
1.136×106
4.807×10-4
5.461×102
表4-2 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力
負(fù)載F/N
＜5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～40000
工作壓力
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
表4-3 液壓設(shè)備常用的工作壓力
設(shè)備類型
機(jī)床類型
磨床 組合機(jī)床 龍門刨床 拉床
農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型工程機(jī)械
液壓機(jī)、重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械
工作壓力
0.8～2.0
3～5
2～8
8～10
10～16
20～32
表4-4 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值
系統(tǒng)類型
背壓
中、低壓系統(tǒng)
0～8
簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2～0.5
回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)
0.5～0.8
回油路帶背壓閥
0.5～1.0
采用帶補(bǔ)液液壓泵的閉式回路
0.8～1.5
中高壓系統(tǒng)>8～16
采用帶補(bǔ)液液壓泵的閉式回路
比中低壓系統(tǒng)高50～100%
高壓系統(tǒng)>16～32
鍛壓機(jī)械等
初算時(shí)背壓可忽略不計(jì)
表4-5 液壓缸內(nèi)徑D活塞桿直徑d關(guān)系
按機(jī)床類型選取
按液壓缸工作壓力選取
機(jī)床類型
工作壓力P/PA
磨床、珩磨及研磨機(jī)床
0.2～0.3
2
0.2～0.3
插床、拉床、刨床
0.5
>2～5
0.5～0.58
鉆、鏜、車、銑床
0.7
>5～7
0.62～0.70
—
—
>7
0.70
表4-6 液壓缸內(nèi)徑寸系列（GB2348-80） 單位：mm
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220)
250
320
400
500
630
表4-7 活塞桿直徑d（GB2348-80） 單位：mm
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
40
4.2 液壓泵的選擇
4.2.1 液壓泵的壓力
① 液壓泵的最高工作壓力就是液壓缸慢速下壓行程終了時(shí)的最大工作壓力
pp ===19.6MPa
因?yàn)樾谐探K了時(shí)流量q＝0，管路和閥均不產(chǎn)生壓力損失；而此時(shí)液壓缸排油腔的背壓已與運(yùn)動(dòng)部件的自重相平衡，所以背壓的影響也可不計(jì)。
② 液壓泵的最大流量
qp≥K（∑q）max
泄漏系數(shù)K = 1.1~1.3，此處取K = 1.1。由工況圖（圖1.3）知快速下降行程中q為最大（q = 289.41 L/min），但此時(shí)已采用充液筒充液方法來(lái)補(bǔ)充流量，所以不按此數(shù)值計(jì)算，而按回程時(shí)的流量計(jì)算。
qmax=q3=59.9 L/min
qp =1.1q3=1.1×59.9=65.9 L/min
③ 根據(jù)已算出的qP和pP，選軸向杜塞泵型號(hào)規(guī)格為63CCY14-1B，其額定壓力為32 MPa，滿足25~60％壓力儲(chǔ)備的要求。排量為63m L/r，電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1500 r/min，
故額定流量為：q=qn==94.5L/min
額定流量比計(jì)算出的qP大，能滿足流量要求，此泵的容積效率ηv =0.92。
4.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
④ 電動(dòng)機(jī)功率 驅(qū)動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)的功率可以由工作循環(huán)中的最大功率來(lái)確定；由工況分析知，最大功率為5.76 kW，取泵的總效率為η泵=0.85。
則P===6.78 kW
選用功率為7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y132m-4（Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)）。
4.4 液壓閥的選擇
液壓控制閥是液壓系統(tǒng)中用來(lái)控制液流的壓力、流量和流動(dòng)方向的控制元件,是影響液壓系統(tǒng)性能，可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要元件。
4.4.1 方向控制閥的選擇
方向控制閥簡(jiǎn)稱方向閥，主要用來(lái)通斷油路或切換油液流動(dòng)的方向，以滿足對(duì)執(zhí)行元件的啟停和運(yùn)動(dòng)方向的要求。其中有單向閥和換向閥兩種。
4.4.2壓力控制閥的選擇
在液壓傳動(dòng)中，用來(lái)控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力高低的閥類稱壓力控制閥。按其功能和用途不同可分為溢流閥、減壓閥、順序閥和背壓閥等。
4.4.3流量控制閥的選擇
調(diào)速閥是進(jìn)行了壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥。它由單向閥和節(jié)流閥并聯(lián)而成，節(jié)流閥用來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)的流量，單向閥則用來(lái)控制油液流動(dòng)方向，防止油液反向流動(dòng)。
閥2、4、6、7通過(guò)的最大流量均等于qP，
而閥1的允許通過(guò)流量為q：
q =q1–qP=289.4–65.9=223.5 L/min
閥3的允許通過(guò)流量為
q =q1=289.4=67.9 L/min
閥8是安全閥，其通過(guò)流量也等于qP。
以上各閥的工作壓力均取p＝32 MPa。
本系統(tǒng)所選用的液壓元件見(jiàn)表1.4。
表1.4 液壓機(jī)液壓元件型號(hào)規(guī)格明細(xì)表
表1.4 液壓元件明細(xì)表
序 號(hào)
名 稱
型 號(hào)
1
液控單向閥
SV30P-30B
2
單向順序閥（平衡閥）
DZ10DP1-40BY
3
液控單向閥
SV20P-30B
4
電液換向閥
WEH25H20B106AET
5
電磁換向閥
3WE4A10B
6
電液換向閥
WEH25G20B106AET
7
順序閥
DZ10DP140B210M
8
溢流閥（安全閥）
DBDH20P10B
9
軸向柱塞泵
63CCY14-1B
10
主液壓缸
自行設(shè)計(jì)
11
頂出液壓缸
自行設(shè)計(jì)
12
壓力表
Y-100
13
壓力表開(kāi)關(guān)
KF-L8/20E
4.5 輔助元件的設(shè)計(jì)
4.5.1 濾油器的選擇
液壓油中往往含有顆粒狀雜質(zhì)，會(huì)造成液壓元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的磨損、滑閥卡滯、節(jié)流孔口堵塞，使系統(tǒng)工作可靠性大為降低。在系統(tǒng)中安裝一定精度的濾油器，是保證液壓系統(tǒng)正常工作的必要手段。
根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格和尺寸參數(shù)選擇濾油器型號(hào)：XU-22X100[16]。
4.5.2 油管類型的選擇
液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，選擇的油管應(yīng)有足夠的通流截面和承壓能力，同時(shí)應(yīng)盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。
（1）鋼管 高壓系統(tǒng)選用無(wú)縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價(jià)格低，性能好，使用廣泛。
（2）銅管 紫銅管工作壓力在6.5～10MPa以下，易變形，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，達(dá)25MPa，不如紫銅管易彎曲。銅管價(jià)格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應(yīng)盡量少用，只用于液壓裝置配接不方便的部位。
（3）軟管 用于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的連接。高壓橡膠軟管中夾有鋼絲編織物；低壓橡軟管中夾有棉線或麻線編織物；尼龍管是乳白色半透明管，承壓能力為2.5～8MPa，多用于低壓管道。因軟管彈性變形大，容易引起運(yùn)動(dòng)部件爬行，所以軟管不宜裝在液壓缸和調(diào)速閥之間。
綜上所述本設(shè)計(jì)采用的管道是無(wú)縫鋼管[17]。
4.5.3 油管尺寸的確定
（1）油管內(nèi)徑d按下式計(jì)算：
(4.6)
其中，-油管的最大流量；查文獻(xiàn)資料得工況中系統(tǒng)的最大流量為18.6L/min。
-管道內(nèi)允許的流速，一般吸油管取0.5～5m/s，壓力油管取 2.5～5 m/s，回油管取1.5～2 m/s。
表4-8 各管路流速選值
管道
流速（m/s）
回油管路
2
吸油管路
1.3
壓力油管路
4
計(jì)算出內(nèi)徑d后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選出相應(yīng)的管子。
（2）油管壁厚δ按下式計(jì)算：
(4.7)
其中，-管內(nèi)最大工作壓力，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得最大工作壓力為30MPa；
—管道內(nèi)徑；
-管道材料的許用應(yīng)力；
=；
—管道材料的抗拉強(qiáng)度；根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，其抗拉強(qiáng)度取340MPa;
-安全系數(shù)，鋼管P＜7 MPa時(shí)，取=8；P＜17.5 MPa時(shí)，取=6；
P＞17.5 MPa時(shí)，取=4，所以安全系數(shù)取=4。
根據(jù)計(jì)算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊(cè)選取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管 [18]。
表4-9 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管
管路名稱
允許流速/
管道內(nèi)徑/
實(shí)際取值/
壁厚/
吸油管
1.3
0.0174
0.018
3.5
壓油管
4
0.0099
0.011
2
回油管
2
0.0014
0.015
3
4.5.4 油箱容量的選擇
初步確定油箱的有效容積,跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定油箱的容量：
(4.8)
其中，-液壓泵每分鐘排出的壓力油的容積；
-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
已知所選泵的總流量為20L/min,這樣，液壓泵每分鐘排出的壓力油體積為20L，查表4-8選取=4[18][19]，故：
(4.9)
表4-10 油箱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表
系統(tǒng)類型
行走機(jī)械
低壓系統(tǒng)
中壓系統(tǒng)
鍛壓系統(tǒng)
冶金系統(tǒng)
1～2
2～4
5～7
6～12
10
根據(jù)上述液壓元件的選擇，各個(gè)液壓元件型號(hào)如下：
表4-11 液壓元件的型號(hào)
序號(hào)
元件名稱
型號(hào)
1
單向閥
I-10B
2
三位四通電磁閥
24D-25B
3
兩位四通電磁閥
4WE6D61B
4
行程閥
XQ250612
5
背壓閥
DB10K2-4X-100YV
6
減壓閥
J-25B
7
調(diào)速閥
2FRM-16
8
濾油器
XU-22X100
5 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算
因?yàn)槁偌訅涸诠ぷ餮h(huán)中所占的時(shí)間最長(zhǎng)，所以系統(tǒng)發(fā)熱和油箱升溫可按慢速加壓工況來(lái)計(jì)算。
通過(guò)查得液壓缸卸荷閥的流量，取壓力損失值，。
慢速加壓時(shí)的壓力損失：
(5.1)
慢速加壓時(shí)泵的工作壓力：
(取) (5.2)
(5.3)
慢速加壓時(shí)液壓缸的輸入功率查表4-1可知為18.8W。
系統(tǒng)總發(fā)熱功率：
(5.4)
有效散熱面積：
(5.5)
取油箱散熱系數(shù)： ·
油箱升溫為： (5.6)
設(shè)環(huán)境溫度則熱平衡溫度為：
(5.7)
此熱平衡溫度小于允許范圍，故該液壓系統(tǒng)不必設(shè)置冷卻器[20]。
6 總結(jié)：
在本次四柱液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是根據(jù)以下幾個(gè)設(shè)計(jì)思路和要求來(lái)完成此液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
（1）對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，設(shè)計(jì)出液壓系統(tǒng)的原理圖和接線圖。
（2）通過(guò)液壓系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算，選擇相應(yīng)的液壓執(zhí)行元件、閥類元件和輔助原件，滿足四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的基本要求。
（3）通過(guò)本次設(shè)計(jì)，提高了A23-40型四柱液壓機(jī)液液壓系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性以及液壓沖擊對(duì)設(shè)備的可靠性等。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)液壓課程的理論知識(shí)進(jìn)行一次具體的應(yīng)用和實(shí)踐，增強(qiáng)自己所學(xué)的知識(shí)以及具體方法的實(shí)際應(yīng)用能力，并且對(duì)液壓系統(tǒng)有了一個(gè)更加形象和直觀的認(rèn)識(shí)，還掌握了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一般方法和步驟，鍛煉了自己分析解決問(wèn)題和查閱相關(guān)機(jī)械資料進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。
參考文獻(xiàn)：
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致謝語(yǔ)：
本設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)之余完成的，剛拿到課題時(shí)對(duì)四柱液壓機(jī)液壓系統(tǒng)不是很了解，很迷茫，但是后來(lái)通過(guò)查閱資料、請(qǐng)教老師同學(xué)終于經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的幫助與支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。
在這里首先要感謝我的指導(dǎo)導(dǎo)師王自啟老師。王老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，論文寫(xiě)作等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是他們?nèi)匀患?xì)心地糾正我論文中的錯(cuò)誤。除了敬佩老師的專業(yè)水平外，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。最后我還要特別感謝學(xué)校，為我提供了一個(gè)先進(jìn)的學(xué)習(xí)、能讓我順利完成學(xué)業(yè)，特別是學(xué)院的各位老師，為我們打下了堅(jiān)實(shí)的機(jī)械專業(yè)知識(shí)。
獨(dú)創(chuàng)性聲明
本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得有研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得重慶文理學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。
論文作者簽名： 范杰勇 日期： 2015年01月25日
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論文作者簽名： 范杰勇 日期： 2015年01月25日
指導(dǎo)教師簽名： 日期：