毕业设计（论文）张力矫直机固定夹头液压及电气控制系统设计（全套图纸）

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1、XX学院 XX UNIVERSITY本科生毕业设计设计（论文）题目： 张力矫直机固定夹头液压及电 器控制系统的设计 系部： 机 电 工 程 系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： XX 班 级： 四 班 学号 指导教师姓名： 职称 副教授 最终评定成绩 XX大学教务处 二一三 年 六月 制 （2014届）本科生毕业设计说明书 张力矫直机固定夹头液压及电气 控制系统设计系部： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 四班 学号 指导教师姓名： 职称 副教授 最终评定成绩： 2014年6月摘 要张力矫直机是一种重要的金属加工设备，它用于对金属型材、

2、棒材、管材、线材等进行矫直。本文主要设计了张力矫直机固定夹头机械结构、液压系统以及电气系统。机械部分设计了夹头的夹紧型式，实现了上下夹头的灵活可靠的夹紧、固定挂钩部分的锁定、以及在床身上调整相应位置；液压系统分为三个回路，夹紧液压缸回路通过蓄能器实现保压，固定夹头行走使用液压马达驱动，挂钩缸回路通过单向液控阀锁止挂钩。电气系统中，通过PLC控制电控阀实现油路控制，从而控制执行机构相应动作。最后采用宇龙仿真软件对液压系统和电气系统进行仿真，仿真结果表明本次设计达到相应的设计要求，该系统是可行的。关键词：张力矫直机，固定夹头，液压系统，电气系统全套图纸，加153893706ABSTRACTStre

3、tch flattener is a kind of important metal processing equipment, it is used for metal profiles, bars, pipes, wire straightening. The design of Stretch flattener is including the mechanical design、the hydraulic system and electrical system. The type of chuck was designed in the part of mechanical , i

4、t make the upper and lower chuck clamping realization、the part of lock fixing flexible and reliable, and adjust position on the Machine tool; The hydraulic system is divided into three loops, the clamping hydraulic cylinder loop keep pressure through the Accumulator, using hydraulic motor driving re

5、taining clip head. Using one-way fluid control valve locking hook in lock loop. Oil loop is controlled by PLC in the electrical system, so as to control the actuator corresponding action. Finally，using Yulong simulation software for simulation of hydraulic system and electrical system, the simulatio

6、n results show that this design can meet the requirements of the design, this system is feasible.Keywords: stretch flattener, fixed clamper, hydraulic system, electrical system目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2矫直机的类型11.3张力矫直机的简介及发展现状21.4课题研究内容31.5课题设计主要参数31.6本章小结3第2章 固定夹头机械结构设计42.1 总体方案设计42.1

7、.1方案一42.1.2方案二72.2方案比较与选择102.3挂钩机构的设计112.3销轴的强度校核112.3.1 销轴挤压强度校核122.3.2 销轴剪切强度校核122.4本章小结13第3章 固定夹头液压系统方案设计143.1概述143.2液压系统技术要求143.3液压系统方案的制定143.3.1确定液压系统型式153.3.2确定主要工作机构的液压回路163.4液压系统原理图193.4.1主要液压元件的作用203.4.2各液压回路的执行元件工作顺序控制分析213.5本章小结24第4章 液压系统设计计算254.1确定液压系统主要参数254.1.1初选系统压力254.1.2夹紧液压缸尺寸计算254

8、.1.3挂钩液压缸尺寸计算274.1.4系统流量计算284.2主要液压元件的选择294.2.1液压泵的选择294.2.2驱动液压泵的功率和电机选择304.2.3行走机构液压马达的选择304.3 阀类元件的选型及辅助元件的选择324.3.1阀类元件的选型324.3.2辅助元件的选择324.4油箱设计334.4.1油箱类型的选择334.4.2油箱容量的计算344.5系统效率和发热计算344.5.1系统效率计算344.5.2系统发热计算354.6本章小结36第5章 PLC电气控制系统设计375.1固定夹头电控系统概述375.2电磁阀的动作顺序375.3 PLC的选型385.4 PLC的I/O端子分配

9、385.5 PLC外部接线图395.6 PLC软件设计405.6.1主机功能流程405.6.2顺序功能图设计445.6.3梯形图设计455.7 控制面板455.8 本章小结46第6章 PLC系统调试及仿真476.1仿真方案476.1.1程序测试表476.2仿真过程486.2.1仿真硬件接线图486.2.2仿真调试496.3本章小结52结论53参考文献54附录55致谢60V第1章 绪论1.1课题研究的目的和意义矫直机作为一种精整设备，始终是工业发展不可或缺的一种特种设备。随着中国经济社会的高速发展，人们对产品的质量和精度都有了较高的要求。随着工业发展方向向高、精、尖发展，所以对各种材料的精度和质

10、量提出更高的要求，矫直技术的发展也越来越重要了，引起了广大研究人员的重视 1。矫直机的应用如今也越来越广泛了。随着冶金行业的不断发展，矫直机械也己经从过去的冶金业发展到其他一些高科技领域，如汽车、飞机制造业和船舶，仪器仪表制造业、精密加工制造业、石油化工业、建筑材料业、机械装备制造业等领域。矫直技术水平的高低不仅影响着一个企业某种产品的质量和成本，而且标志着一个国家的工业水平，直接关系到工业产品的竞争力。在讲求质量、效益的今天，矫直技术在工业领域的重要性更加突出2。金属加工和运输过程中，会发生弯曲扭曲变形，为了使加工后的金属保持较高直线度，需要张力矫直机对金属棒料进行拉伸矫直，从而使坯料达到相

11、应的加工要求。现有的矫直机加工效率不高，工人劳动强度较高。随着计算机技术发展，新的张力矫直技术还有很大的发展空间3。1.2矫直机的类型对于不同品种规格的轧材，需采用不同结构形式和不同规格的矫直机。所以矫直机的结构形式多种多样，矫直方式也不尽相同，就其用途和工作原理可分为：（1）压力矫直机；（2）辊式矫直机；（3）管棒材矫直机；（4）张力矫直机；（5）拉伸弯曲矫直机；（6）扭转矫直机。各种矫直机的结构形式也千差万别，就是矫直同一类产品，由于规格的不同也会有不同的结构。甚至用于同一规格的产品也有不同的结构设计，一方面是因为对性能要求的不同，另一方面是由于设计人员的不断改进、完善1。不同类型的矫直机

12、对应的型式如表1.1所示。表1.1矫直机类型与型式矫直机类型矫直机型式压力矫直机辊式矫直机管棒材矫直机张力矫直机拉伸弯曲矫直机扭转矫直机1.3张力矫直机的简介及发展现状张力矫直机用来矫正钢材等棒料金属材料的弯曲及扭转变形，其原理是利用弹塑性拉伸扭转变形对坯料进行矫直。张力矫直机在挤压制品的长度方向施加张力。使挤压制品在外力的作用下，得到矫直的一种方法。张力的大小应使在挤压制品内部产生的应力超过矫直材料的屈服极限，应取决于被矫直的挤压制品的截面面积、材料的屈服极限以及材料的热处理状态2。一般情况下，从挤压机挤出的制品可以在横向输送的过程中进行张力矫直；有些产品则需要在退火或淬火(并经人工时效)后

13、矫直2。张力矫直机由活动夹头与固定夹头两大部分组成，工作时固定夹头不动，活动夹头在主拉伸油缸的作用下移动，夹装在活动夹头和固定夹头的夹紧装置上的型材随着活动夹头移动而被拉伸矫直。张力矫直机固定夹头因矫直型材长度的不同，需要经常调整固定位置，而固定夹头的锁定和上、下夹头的移动由液压系统完成3。目前的矫直机固定夹头液压系统是由液压总站提供液压油，通过高压软管与固定夹头的液压管路相连，实现固定夹头的钳口加紧、松开及挂钩抬起、落下，随着固定夹头的移动，高压软管及相关电缆需要跟随移动。由于高压软管沉重且较硬，造成拖链机构经常损坏，影响生产的正常运行。目前矫直机固定夹头的液压系统一般是与其它液压系统共用泵

14、站，通过高压软管与固定夹头的液压管路相连，或多或少也存在上述问题。于是在完全满足系统原有功能、提高系统可靠性、有技术扩展空间、管理维修方便的基础上对其液压系统进行的研制，拆除原有拖链结构，在固定夹头上建立小型液压油站，采用安全滑触线实现电气连接3。1.4课题研究内容 了解现有张力矫直机的工作特点，根据国内外张力矫直机发展情况，切合实际工作要求，设计张力矫直机固定架头部分。首先根据现有张力矫直机的优缺点，通过改进液压系统与电气系统，使张力矫直机工作效率更高，降低工人劳动强度。通过本次设计，使张力矫直机更合理、更先进。1.5课题设计主要参数课题的任务要求为：重新设计张力矫直机固定夹头液压系统及电气

15、系统具体参数如表1.2所示：表1.2张力矫直机固定夹头部分已知部分参数最大活塞行程Sc行程时间t钳口滑块倾角钢-钢摩擦系数300mm3秒20度0.11.6本章小结在查阅大量关于张力矫直机的资料后，对张力矫直机固定夹头在张力矫直机上的作用以及其工作原理也有了初步了解，对给定设计参数的设计意义也有个大概的了解。对接下来的机械结构设计有了初步的方向。 第2章 固定夹头机械结构设计2.1 总体方案设计2.1.1方案一张力矫直机的固定夹头需要经常移动，固定夹头做成一个小车，小车可以在机架导轨上自由移动。小车由车体、双插销机构、夹紧机构驱动机构、及导向轮等组成。工作时通过液压缸带动双插销插入插销孔内，固定

16、小车，插销承受1MN的拉伸力；液压缸4推动夹紧套夹紧工件；小车四个导向轮为小车提供导向作用。示意图如图2.1所示。1-导轨 2-插销孔 3-车轮 4-液压缸 5-夹紧套 6-夹紧套圈 7-插销 图2.1 张力矫直机夹套式固定夹头示意图(1) 夹头的工作原理帐套式夹头由夹紧套和夹紧套圈组成，如图2-2。液压缸推动夹紧套圈来回运动，当夹紧套圈往右运动时，夹紧套夹紧工件。当液压缸拉着夹紧套圈往左运动式，夹紧套松开工件。1-夹紧套 2-夹紧套圈图2.2 帐套式夹头工作原理图(2) 夹头受力分析拉伸过程中的夹紧套受力分析如图2.3所示。图2.3夹紧套受力图图2-3中： 固定总拉力； 工作拉伸力； 夹紧套

17、圈对夹紧套的正压力； 配料对夹紧套的作用力； 夹紧套上表面受到的摩擦力；夹紧套内侧受到的摩擦力；夹紧套角度；坯料受到摩擦力； 坯料受到的压力；当坯料被夹紧时，拉伸过程满足的条件关系式为： （2.1） （2.2） （2.3） 拉伸过程中的帐套受力分析如图2.4所示。图2.4 夹紧套圈受力图图2.4中：液压缸提供的推力；夹紧套圈受到的摩擦力；夹紧套圈受到的正压力； 夹紧过程中，要使工件夹紧，则需要满足的静力平衡条件为： （2.4）当工作平衡时， 联立式2.1，2.2，2.3解得 代入2.4式中得：2.1.2方案二方案二的张力矫直机固定夹头部分采用钳口斜块夹紧方式，固定夹头做成一个小车在轨道上滑动，

18、调整位置。小车由钳口滑块、夹紧液压缸、驱动齿轮、导向轮、挂钩液压缸等组成。驱动轮由液压马达带动，驱动小车在导轨上移动；挂钩液压缸带动挂钩勾住挂钩杆，起到固定小车作用；夹紧液压缸推动钳口滑块移动，夹紧坯料；示意图如图2.5所示。1-导轨 2-钳口滑块 3-侧导向销 4-夹紧液压缸 5-驱动齿轮6-导向轮 7-挂钩液压缸 8-挂钩 9-挂钩杆图2.5 张力矫直机固定夹头示意图(1) 夹头工作原理在拉伸过程中，钳口滑块是很重要的一个部件。在液压缸的推动下，钳口斜块左移动，使坯料被夹紧，完成夹紧过程。并且在坯料上压出压痕；拉伸头在拉伸缸的拉动下使坯料向左运动，随着拉力增加，夹紧力也越大，使4、5之间不

19、发生打滑。当达到拉伸率时，停止拉伸，完成拉伸过程；液压杆拉着钳口斜滑块往右移动，钳口松开坯料。固定夹头滑块受力简图如图2.6所示。1-拉伸头支撑体 2-燕尾槽 3-钳口斜滑块 4-钳口 5-坯料图2.6 拉伸头上滑块工作简图(2) 坯料受力分析图2.7 坯料端部受力图图2.7中：坯料受到的压力； 工作拉力； 坯料上表面受到的摩擦力；坯料下表面受到的摩擦力；当坯料被夹住时，拉伸过程满足的条件关系式为： （2.5） （2.6） 上两式中： 坯料与钳口滑块的总摩擦系数；根据钳口与铝材间的夹持情况，钳口要扎到铝材表面一定深度此处不能单纯地认为是静摩擦力，此时的摩擦力取决于坯料表面层的物理、力学性质。摩

20、擦力由分子粘附部分和机械变形部分摩擦力组成4。根据摩擦定律，可计算摩擦力:4 （2.7） 式中: 一分子粘附部分摩擦力，N；一机械变形部分摩擦力，N；对于无润滑部分，其表面粘附分量是摩擦力主要部分，张力矫直机的拉伸即属于此种情况。对于有润滑表面，变形分量是摩擦力主要部分，对于铝材的拉伸几乎不影响。摩擦力与法向载荷之比定义为摩擦系数，即：4 （2.8）式中:一总摩擦系数；一摩擦系数的粘附分量；一摩擦系数的变形分量；一法向载荷，N；对于接触区为塑性流动的金属，其摩擦系数的粘附分量为： 4 （2.9）式中 : 一法向压力为零时的抗剪强度，铝为294MPa：一摩擦副中较弱金属的屈服极限，取6063合金

21、，约为80 MPa；一压力系数，铝为00434。代入2.9式，得：=041摩擦系数的变形分量对于总摩擦力增大的影响非常小，且，所以(3) 斜滑块受力分析图 图2.8 斜滑块受力图图2.8中：钳口滑块斜面受到的压力；钳口滑块受到的工件压力；钳口滑块斜面受到的摩擦力；钳口滑块受到的工件摩擦力；液压缸对滑块的推力；钳口滑块倾角； 钳口滑块夹紧坯料拉伸时，为保证不打滑，应满足的静力平衡式为： （2.10） （2.11） （2.12） 式中：-滑块斜面与夹头摩擦系数； 已知数据：，联立2.5，2.6，2.10，2.11，2.12式解得：2.2方案比较与选择上述两种方案中，由于第一种方案需要的夹紧力太大，

22、而且稳定性不好，容易发生打滑，故不采用第一种方案。第二种方案采用的钳口滑块夹紧坯料，需要的夹紧力较小，且当受到夹紧力作用后，钳口座变形小，能确保对试件可靠的夹持。综合考虑采用第二种固定夹头方案。2.3挂钩机构的设计挂钩锁紧机构应能保证在执行矫直工作时，保持固定夹头位置的固定，当需要调整夹头的位置时，固定夹头可以方便地移动。本次设计中，采用液压缸推动挂钩围绕一转轴旋转，从而实现挂钩的抬起和放下，放下时挂钩勾住支架梁从而实现位置的固定，挂钩抬起时则松开从而使固定夹头处于可活动状态。图2.9 挂钩锁紧机构示意图2.3销轴的强度校核由于矫直机固定夹头要承受巨大拉力，所以出于安全考虑，需要对挂钩处销轴的

23、剪切强度和挤压强度进行校核。 此销轴材料采用45钢。图2.10销轴校核分析图2.3.1 销轴挤压强度校核工作面的挤压强度计算公式： （2.12） 式中：a-车体壁厚； b-挂钩宽度； F-工作拉力； 查国标GB/T699-1999知45钢屈服强度，取安全系数n=5已知：a=100mm,d=100mm,F=1MN 代入数据得： 2.3.2 销轴剪切强度校核工作面的剪切强度计算公式： （2.13） 式中：d-销轴直径； 查国标GB/T699-1999知45钢允许的剪切强度为，取安全系数n=5代入数据，可得： 故销轴校核为安全。2.4本章小结本章节对张力矫直机固定夹头的机械结构进行设计，提出了两种方

24、案，在对方案进行比较 后选择了方案二。对张力矫直机的夹紧滑块部分，驱动部分以及挂钩部分进行了设计，并且对重要的销轴进行了校核。第3章 固定夹头液压系统方案设计3.1概述液压系统的设计一般包含：1 动力部分：液压泵将机械能转换成液体压力能；2 控制部分：各类压力、流量方向等控制阀，用以实现对执行元件的速度方向作用力等控制；3 执行部分：液压缸液压马达等，用来将液体压力能转换成机械能。4 辅助装置：管道蓄能器过滤器油箱冷却器压力表等5液压系统是张力矫直机固定夹头的重要组成部分，它与张力矫直机的关系密切，是其性能好坏的关键，必须从实际出发，做到满足主机在性能和动作方面所规定的各种要求外，做到设计重量

25、轻，体积小，效率高，工作可靠，操作简单等一些基本的设计原则。3.2液压系统技术要求本次设计的固定夹头液压系统必须满足设计任务书上的主要技术要求，具体如下表3.1所示。表3.1 主要技术要求钳口滑块总重量最大活塞行程Sc行程时间t钳口滑块倾角500kg300mm3s20度1MN张力矫直机固定夹头液压系统是固定夹头重要组成部分，其液压系统还需要满足的设计要求如下：（1）要使夹紧可靠，则钳口需能实现同步夹紧，松开工件；（2）为了能使固定夹头安全稳定的工作，需要挂钩能实现自锁功能，防止固定夹头脱钩；（3）固定夹头可以在床身上稳定移动，调整位置，实现不同长度工件的矫直；（4）能实现系统安全无负载启动，安

26、全卸荷，且有过压保护；3.3液压系统方案的制定系统方案的确定要结合固定夹头的工作环境，执行元件的工作情况，以及液压系统工作特点，制作成本等进行分析制定。具体各动作执行元件如表3.2所示。 表3.2执行元件型式固定夹头行走机构夹头夹紧机构挂钩机构液压马达液压缸液压缸3.3.1确定液压系统型式 按油液的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统，具体区别如下表3.3所示。表3.3液压系统型式型式开式闭式图示特点开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。优点：结构简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，应用较普遍。缺点：油箱体积比较大，空气与油接触机会

27、多，空气容易渗入系统。闭式系统中泵的吸、排油口直接与液压执行元件的进出油口相连，形成一个闭合循环。为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。优点：油箱体积小，结构紧凑，空气进入油箱机会少。缺点：系统结构复杂，散热条件差，并要求较高过滤精度，应用较少。综合考虑液压系统的开式和闭式的优缺点，对于固定矫直机液压系统采用开式系统，使其结构简单，便于控制，且降低了整机的成本。 按液压系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双泵系统和多泵系统。其具体优缺点见表3.4所示。表3.4单泵、双泵和多泵型式型式单泵双泵和多泵特点优点：结构简单，造价相对便宜，维修方便，效率较高。缺点：只适用于系统较简单，对

28、工作动作要求不高的系统。优点：能应对工作条件恶劣的环境，可独立对相关执行机构供油，用于动作复杂的系统。缺点：系统复杂，造价高，维护没有单泵系统方便。由于固定夹头夹紧液压缸、挂钩缸和液压马达不同时工作，它们是分时工作的，故结构相对简单，动作要求不高，综合考虑单泵，双泵和多泵优缺点，本次设计的固定夹头液压系统采用单泵系统。 按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。固定夹头液压系统中液压泵的流量是按照动作中最大的一个执行元件流量选取的，泵的最大压力也是按照执行元件中需要压力最大元件选取的，其中各执行元件不允许同时工作，故选择串联系统。所以最终系统选择开式、单泵、串联型式。3.3.2确定

29、主要工作机构的液压回路(1) 夹紧机构液压回路固定夹头的夹紧性能要求应该能够在空行程时相对快速运动，在夹紧后能再缓慢夹紧。且夹紧后能保压，防止工件滑动，保压通过在进油路中串联一个蓄能器，当压力低于预定压力时，为系统供油保压。主油路设置一个减压阀，保证压力稳定，且安全可靠。设计固定夹头夹紧液压回路如图3.1所示。 3-单向阀 4-三位四通电液换向阀 5-减压阀6-蓄能器7-压力开关8-压力表 9-单向调速阀 10-压力继电器 11-夹紧液压缸 图3.1固定架头夹紧液压缸回路固定架头夹紧液压回路由一下几部分组成： 系统保压：夹紧液压缸在夹紧工件时，由于系统泄露，会导致压力下降，所以要通过一个蓄能器

30、接入到夹紧液压缸进油路，当系统压力达到相应工作压力值时，能使系统压力稳定在工作压力。 压力检测：通过压力表检固定夹头夹紧液压回路系统的压力并显示。 调速：夹紧液压缸需要快速退回，慢速进给，从而提高工作效率。通过一个单向调速阀接入进油路，实现液压缸慢速进给，快速退回动作。(2) 固定夹头行走机构液压回路如图3.2所示，固定夹头行走机构液压回路主要控制固定夹头在车身导轨上的位置，实现固定夹头在导轨上的移动。通过PLC控制电磁换向阀动作，实现液压马达的正反转动，带动固定夹头左右移动。19-三位四通换向阀 20两位两通换向阀 21-节流阀 22-安全阀23-缓冲阀 24-补油阀 25-液压马达图3.2

31、固定夹头行走液压马达回路固定夹头行走液压回路由一下部分组成：（1）马达调速：本系统采用节流阀与两位两通换向阀组成调速阀接入液压系统的进油回路中，通过节流阀调节回路管道截面积从而来调节液压马达的转速。换向阀导通时马达快速转动。（2）安全保护：通过与液压马达并联一个安全阀实现对液压马达的保护，安全阀由两个溢流阀组成。当压力过高时，液压马达与安全阀形成一个回路，油液通过安全阀直接流回油箱，实现对液压马达保护作用。（3）液压回路补油：在实际液压系统中液压油的泄漏是不可避免的，为了保证让系统能稳定、正常的工作，需要在系统中设置补油装置。通过两个补油阀与液压马达并联，实现液压马达的补油。当系统停止供油时，

32、液压马达还会由于惯性继续转动，产生负压，液压马达通过负压经补油阀补油。(3) 固定夹头挂钩机构液压回路如图3.3所示，固定夹头挂钩液压回路主要控制挂钩的位置，实现小车的固定。通过PLC控制电磁换向阀动作，实现挂钩缸的伸缩，且挂钩机构不能发生脱钩现象。19-三位四通换向阀 26-单向节流阀 27-液压锁 28-挂钩液压缸图3.3固定夹头挂钩液压缸回路固定夹头挂钩机构液压回路由一下几部分组成： 保护：在工作拉伸过程中，为了使固定夹头安全可靠，挂钩不能发生脱钩，所以设计一个液压锁使液压缸保持原有的工作位置而不会任意改变。 调速：系统采用的是开式系统，通过两个单向节流阀分别接到液压缸进出油回路调节回路

33、管道截面大小从而来调节液压缸的速度。 卸荷：当系统不工作时，通过手动卸荷阀使系统卸荷。3.4液压系统原理图 本次设计的张力矫直机液压系统主要有夹紧系统、挂钩系统、行走系统三部分组成。采用两个液压缸和一个液压马达为动力元件，由于固定夹头的液压系统使用频率比较低，所以采用单泵设计。液压原理图如图3.4所示。（1）通过一个主缸推动钳口做直线运动，实现夹紧，松开运动；（2）通过双液控单向阀实现挂钩的自锁；（3）系统的溢流阀实现过压保护；（4）通过控制电磁阀来控制油液的流向；由于夹紧阶段的力要求大，流量要求小；而空行程的力要求小，而流量要求大，所以综合采用恒功率泵系统。 图3.4固定夹头液压系统图 3.

34、4.1主要液压元件的作用各液压元件的作用如下表3.5所示表3.5液压元件表序号名称作用对应图号1油箱为系统提供液压油12液压泵为系统提供压力油153先导溢流阀保持系统压力184压力表显示系统压力85电液换向阀控制油液流向3、196蓄能器保持夹紧液压缸压力67过滤器过滤油液杂质128缓冲阀缓冲保护液压马达239液压锁锁定挂钩缸2710安全阀保护液压元器件不被损坏223.4.2各液压回路的执行元件工作顺序控制分析(1) 夹紧机构液压回路矫直机固定夹头是靠液压缸推动钳口滑块夹紧工件，回路采用蓄能器保压方案，能够稳定系统压力，其液压回路如图3.5所示。1-油箱 2-吸油滤波器 3-单向阀4-三位四通电

35、液换向阀 5-减压阀6-蓄能器7-压力开关 8-压力表 9-单向节流阀 10-压力继电器 11-夹紧液压缸 12-过滤器 13-电机14-联轴器 15-定量泵 16-手动卸荷阀 17-高压过滤器 18-溢流阀图3.5固定夹头挂钩液压缸回路当电液换向阀4处于左位时，夹紧液压缸伸出夹紧工件。此时的液压油流动路线为：进油路：油箱1过滤器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17单向阀3电液换向阀4（左位）减压阀5单向节流阀9夹紧液压缸无杆腔11回油路：夹紧液压缸11电液换向阀4（左位）过滤器2油箱1保压时的回路（主油路压力大于系统正常工作压力时）：油液由蓄能器6单向节流阀9液压缸11主油路油液：油箱

36、1过滤器12液压泵15先导溢流阀18油箱1当电液换向阀4处于右位时，夹紧液压缸缩回松开工件。此时的液压油流动路线为：进油路：油箱1过滤器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17单向阀3电液换向阀4（右位）夹紧液压缸有杆腔11回油路：夹紧液压缸无杆腔11单向节流阀9减压阀5电液换向阀4（右位）过滤器2油箱1(2) 行走机构液压回路固定夹头行走机构液压系统回路图如图3.6所示。1- 油箱 2-吸油滤波器 7-压力开关 8-压力表 12-过滤器 13-电机14-联轴器 15-定量泵 16-手动卸荷阀 17-高压过滤器 18-溢流阀 19-三位四通电液换向阀 20-两位两通换向阀 21-节流阀 22

37、-安全阀 23-缓冲阀 24-补油阀 25-液压马达图3.6固定夹头行走机构液压回路当电液换向阀19.1处于左位，两位两通电磁换向阀20处于右位时，行走液压马达慢速正向旋转，带动固定夹头前进（慢速）。此时的液压油流动路线为：进油路：油箱1过滤器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17电液换向阀19.1（左位）节流阀21液压马达25回油路：液压马达25电液换向阀19.1（左位）过滤器2油箱1当电液换向阀19.1处于左位，两位两通电磁换向阀20处于左位时，行走液压马达快速正向旋转，带动固定夹头前进（快速）。此时的液压油流动路线为：进油路：油箱1过滤器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17电液

38、换向阀19.1（左位）两位两通换向阀20（左位）液压马达25回油路：液压马达25电液换向阀19.1（左位）过滤器2油箱1当电液换向阀19.1处于右位，两位两通电磁换向阀20处于右位时，行走液压马达慢速反向旋转，带动固定夹头后退（慢速）。此时的液压油流动路线为：进油路：油箱1过滤器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17电液换向阀19.1（右位）液压马达25回油路：液压马达25节流阀21电液换向阀19.1（右位）过滤器2油箱1当电液换向阀19.1处于右位，两位两通电磁换向阀20处于左位时，行走液压马达快速反向旋转，带动固定夹头后退（快速）。此时的液压油流动路线为：进油路：油箱1过滤器12液压泵

39、15手动换向阀16高压过滤器17电液换向阀19.1（右位）液压马达25回油路：液压马达25两位两通换向阀20（左位）电液换向阀19.1（右位）过滤器2油箱1(3) 挂钩机构液压回路固定夹头挂钩机构液压系统回路图如图3.7所示。1-油箱 2-吸油滤波器 7-压力开关 8-压力表 12-过滤器 13-电机14-联轴器 15-定量泵 16-手动卸荷阀 17-高压过滤器 18-溢流阀19-三位四通换向阀 26-单向节流阀 27-液压锁 28-挂钩液压缸图3.7固定夹头挂钩液压缸回路 当电液换向阀19.2处于左位时，挂钩液压缸活塞杆处于伸出状态，挂钩放下勾住挂钩杆。此时液压油流动路线：进油路：油箱1过滤

40、器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17电液换向阀19.2（左位）单向节流阀26（左）液压锁27（左）挂钩液压缸无杆腔28回油路：挂钩液压缸有杆腔28液压锁27（右）单向节流阀26（右）电液换向阀19.2（左位）过滤器2油箱1当电液换向阀19.2处于右位时，挂钩液压缸活塞杆处于缩回状态，挂钩上升脱离挂钩杆。此时液压油流动路线：进油路：油箱1过滤器12液压泵15手动换向阀16高压过滤器17电液换向阀19.2（右位）单向节流阀26（右）液压锁27（右）挂钩液压缸有杆腔28回油路：挂钩液压缸无杆腔28液压锁27（左）单向节流阀26（左）电液换向阀19.2（右位）过滤器2油箱13.5本章小结通过本

41、章方案的分析，最终确定固定夹头液压系统各回路的方案。其中固定夹紧液压缸采用带有蓄能器保压回路的单个液压缸推动钳口滑块夹紧工件，固定夹头行走采用液压马达驱动，挂钩机构采用液压缸推动。第4章 液压系统设计计算4.1确定液压系统主要参数4.1.1初选系统压力压力和流量是液压系统的两个最主要参数，系统压力选定后，液压缸主要尺寸和排量即可确定，再根据液压缸的速度确定其流量。系统压力了选的是否合理，关系到整个系统的稳定性和合理程度。液压系统压力选的过低，则在提供同样功率的前提下，液压缸、辅件的尺寸会增加。液压系统压力选的过高，会使系统效率和使用寿命下降，且对设备的精度要求很高，成本比较高。参照液压传动系统

42、中常用系统压力表初选压力为16MPa。表4-1背压经验数据回路特点背压（MPa）回路特点背压（MPa）回路上设有节流阀0.20.5采用补油阀的闭式回路11.5回路上有背压阀或调速阀0.51.5油路较短且直通油箱0查看机械设计手册知杆径比d/D一般按下述原则选取：当活塞杆受拉时，一般取0.30.5,当活塞杆受压时，为了保证杆的稳定性，一般取d/D=0.50.7。本次设计的夹紧液压缸取d/D=0.7，挂钩液压缸d/D=0.5。4.1.2夹紧液压缸尺寸计算夹紧液压缸是固定夹头重要的液压元件，提供夹紧工件需要的力。其需要实现夹紧松开，所以设计成双作用单活塞杆液压缸。液压缸简图如图4.1所示：图4.1

43、液压缸示意图 图4.1中：-无杆腔压力；-有杆腔压力；-无杆腔的有效面积；-有杆腔的有效面积；-液压缸机械效率；一般0.9-0.97,在次取=0.95由公式 ： （4.1）又由第二章计算知液压缸需要提供的力为。,代入4.1式中得计算得：D=86mm查机械设计手册GB2348-80取D=90mm，d=63mm，行程300mm。缸盖壁厚：液压缸查看机械设计手册取经验值,当时为薄壁，可按下式校核： （4.2） 式中：-缸桶内径； -实验压力，当缸的额定压力时，取=1.5； -缸筒材料的许用应力，为材料抗拉伸强度，为安全系数，一般去。代入数据满足性能要求要求。4.1.3挂钩液压缸尺寸计算挂钩液压缸的作

44、用是推动挂钩勾住挂杆，使固定夹头固定在床身导轨上。由PROE三维软件质量分析得挂钩的质量约为290kg，所需要的力不太，挂钩受力图如图4.2所示。图4.2挂钩受力图已知挂钩缸受到重力G=2900N，挂钩重心离转动中心距离L1=400mm，液压缸作用力点距离转动中心L2=450mm，夹角约为30度。这里取根据挂钩静力平衡有公式： （4.3）代入数据得。由计算公式： 将，代入式中得：，根据 机械设计手册 GB2348-8选取，行程300mm。缸盖壁厚：液压缸查看机械设计手册取经验值。当时为薄壁，可按下式校核： （4.4）式中：-缸桶内径； -实验压力，当缸的额定压力时，取=1.5；-缸筒材料的许用

45、应力，为材料抗拉伸强度，为安全系数，一般取。代入数据得：满足性能要求要求。4.1.4系统流量计算 由于夹紧液压缸和挂钩液压缸不同时工作，所以固定夹头液压系统的流量主要取决于夹紧缸的空行程的流量。由液压系统流量计算公式： （4.5）式中：-液压缸的活塞直径； -最大活塞行程；-空程时间 表4.2夹紧液压缸有关参数参数系统压力油缸尺寸D/d最大活塞行程Sc空程时间t数值16MPa90mm/63mm300mm3s代入有关数据得：。查机械设计手册表19-2-17知一般系统流量的泄露量,系统管路比较短，取，则系统最大总流量为。4.2主要液压元件的选择4.2.1液压泵的选择(1) 泵的工作压力泵的最大工作

46、压力可根据参考文献6式6-1-6得计算公式如下：（MPa） (4.6)式中： A储备系数，常取，此处取1.15；P系统工作压力（MPa），已知为16MPa；系统的沿程阻力损失之和；局部阻力损失之和；对节流调速的简单回路沿程阻力损失和局部阻力损失之和取，节流调速的复杂回路取，综合考虑系统回路的复杂性，取两项之和为。代入数据得：(2) 泵的流量泵的最大流量为夹紧液压缸工作时的总流量，可根据参考文献6式6-1-7,计算公式为： (4.7) 式中：-流量泄露系数，取=1.1(3) 确定泵的规格根据泵的最大压力和排量，查看机械设计手册表19-5-10，选用液压泵型号为CBN-F316齿轮泵。其具体参数如

47、表4.3所示。表4.3 CBN-F316齿轮泵主要参数规格排量功率-最大转速/KW最低最高最低最高CBN-F3164820253000360016.34.2.2驱动液压泵的功率和电机选择泵的功率计算公式为： (4.8)式中：液压泵的额定工作压力，已知为20MPa； 液压泵的流量，已知为48L/min； 液压泵的总效率，齿轮泵取，柱塞泵为，已知为齿轮泵，故取其总效率为0.80。代入数据得： 查机械设计课程设计手册表12.1选择Y180-2三相异步电动机，额定功率为22KW，转速2940r/min。4.2.3行走机构液压马达的选择 固定夹头驱动方式是依靠液压马达带动齿轮轴转动，从而带动固定夹头在车

48、身导轨上移动。已知参数： 系统工作压力P=16MPa； 固定夹头总质量M=9t； 驱动大齿轮直径D=200mm； 驱动小齿轮直径d=140mm； 固定夹头行走速度为； 固定夹头行走速度为；（1） 液压马达转矩计算 （4.9）（2） 液压马达转速计算 （4.10）（3） 液压马达输出功率 （4.11）上述各式中：-液压马达每转排量，；-液压马达扭矩，； -转速，；-液压马达容积效率，；-液压马达机械效率，取；-固定夹头与床身滚动摩擦系数,取；由以上公式和已知条件得： 根据上述计算结果，查看机械设计手册表19-5-62，选取1JMD-40柱塞液压马达，它具有转速较低，扭矩大，工作可靠等特点。具体参

49、数如表4.4所示。表4.4 1JMD-40柱塞液压马达参数型号排量转速r/min额定转矩额定功率kW额定最高最低最高额定最大1JMD-400.20110-400162047064519.226.44.3 阀类元件的选型及辅助元件的选择4.3.1阀类元件的选型控制阀的选择是依据系统的最大压力和通过阀的最大流量决定的，需要注意的是：(1)确定通过阀的实际流量。(2)控制阀的使用压力、流量不要超过其额定值。(3)注意单向阀开启压力的合理选用。(4)注意节流阀，调速阀的最小稳定流量符合要求。根据系统的工作压力和通过各阀的实际流量，可选出这些液压元件的型号及规格，见表4.5。表4.5 液压阀选择明细表序

50、号元件名称型号额定压力（MPa）通过流量（L/min）1电液换向阀406AW220-5021802单向阀SDN10A163减压阀GYJYF-25-16-2-60161004单向节流阀Z2FSK6-2-1X/2QV16805补油阀S20A1.016手动换向阀H-4WMM16J7X167先导溢流阀DB10-2-5X/200212008电液换向阀1932WEH10T50219两位两通电磁换向阀EG24N9K4216010安全阀DBW10B2-521611缓冲阀DBDS6K1X/2002512节流阀Z2FS22-8-3X/S2213液压锁Z2S6-1-6X/V4.3.2辅助元件的选择(1) 蓄能器查看

51、机械设计手册表19-8-64，选择蓄能器类型为活塞式。查看表19-8-74选择活塞式蓄能器型号为HXQ-A2.5D，其工作压力为17MPa，气体容积2.5L。(2) 管道液压传动系统中常用的管子有钢管，铜管，胶管，以及尼龙管等。由于本次设计的液压系统最大流量为42L/s，压力为16MPa，属于中高的压力，故选择钢管。查找机械设计手册表19-8-2，选择的公称通径为15mm,钢管外径为22mm,管子壁厚为2mm，管接头连接螺纹为M221.5。(3) 管接头查看机械设计手册表19-8-9，选择管接头的类型为卡套式管接头，具有重量轻，体积小，使用方便的优点。(4) 压力表压力表显示系统压力，防止系统

52、压力过高。查看机械设计手册表19-8-128，选择压力表型号为YX-150，测量范围为0-25MPa，精确度等级1.5.(5) 过滤器查看机械设计手册表19-8-100，选择过滤器型号为XU-50200，允许最大流量为50L/min，额定压力为6.18MPa，过滤精度为200um。(6) 高压过滤器高压过滤器是保护下游的元器件不受污染。查看机械设计手册表19-8-106，选择高压过滤器型号为，流量为50L/min，工作压力为20MPa。(7) 空气过滤器查看机械设计手册表19-8-115，选则空气过滤器型号为QUQ1-201。过滤精度为20um，空气流量为。4.4油箱设计油箱的主要作用是：储存

53、液压系统工作所需要的油液；散发系统工作中产生的热量；沉淀污染物并分离油液中的气体。4.4.1油箱类型的选择油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。开式油箱箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力的惰性气体，充气压力可达0.05MPa8。此次设计的固定夹头液压系统采用开式油箱，于安装维护。4.4.2油箱容量的计算 油箱的容量可以按照液压泵的额定流量估算出来。一般经验公式： （4.12） 式中:-经验系数，低压取，中压取，高压取9。 本液压系统16MPa属于中压，取。 所以油箱容量：考虑到散热问题及安装空间允许情况下，设计油箱容量为260L,考虑到固定夹头空间的问题设计长为780mm