1970_液压式组合建筑机械液压部分设计
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黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 1 页1 绪论1.1 选题背景及课题意义在设计前期,我们进行了许多调查,了解了钢筋钢管加工的发展和我国现阶段的钢筋钢管加工机械行业的发展情况。钢筋是钢筋砼结构中主要受力材料,钢筋加工是钢筋砼结构施工的前期工序,钢筋加工的质量影响到施工质量,也影响到建筑物质量。钢筋加工产品主要包括:各种规格的定尺钢筋、弯曲成型的钢筋、各种形状的箍筋、螺纹连接用钢筋、套筒式连接用钢筋、钢筋连接接头、钢筋(行架)龙骨架、钢筋笼和钢筋网以及按照建筑施工需要加工成型其它形状的钢筋加工产品等。目前大量的钢筋加工作业分散于各项建筑工程之中,采取人工作业现场制作钢筋加工的生产方式很普遍,只有少数企业在钢筋加工车间生产。在施工现场进行钢筋加工的生产条件较差、加工设备简单、生产效率低,加工出来的钢筋产品质量差异性大、标准化程度不够,可加工产品种类少,可移动性差,占用施工现场,给建筑施工工作带来了诸多不便,同时因现场存放大量钢筋既挤占施工用地也积压了资金,给管理工作带来了麻烦 1。现代建筑工程中广泛采用钢筋混凝土结构、预应力钢筋混凝土结构,钢筋作为一种特殊的建筑材料起着极其重要作用。目前全国每年用于混凝土结构的钢筋,包括非预应力钢筋和预应力钢筋总量超过 5000 万 t,接近我国钢产量的一半。 1999 年我国建筑用螺纹钢筋产量达 2495 万 t,已占钢产量的 1/5。因此钢筋加工成为一个重要的生产环节。在钢筋混凝土结构工程中由于钢筋加工生产落后于商品混凝土和建筑模板,现已成为施工机械化程度提高的瓶颈。在建筑工程中,钢筋的弯曲、切断作业量是非常巨大的,但目前,除钢筋的切断多为机械作业外,弯曲作业仍以人工作业为主,致使所加工出的钢筋在同一规格中尺寸大小不一,质量不好,且工人劳动强度大,效率低。造成这种现象的原因主要是国内钢筋加工设备的型式及规格不全。目前,我国钢筋加工设备主要有两种形式:一是手动操纵设备,如钢筋切断机、钢筋弯曲机等。该类设备的主要缺点是功能单一,基本参数需人为控制(如弯曲角度需人眼确定) ,效率低、操作也不方便,所以该类设备只适用于人力不可及的粗钢筋加工,对于成批大量的细钢筋加工,仍以人工手工作业为主;二是自动化程度高的钢筋加工设备,虽然该类设备效率很高、质量也很好,但价格昂贵,在目前国内经济条件下,大多数施工单位不愿购置。如果将钢筋的弯曲、切断、套丝三种作业设备合三为一,既减少了钢筋加工的设备数黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 2 页量,又节约了能源。通过上述的调查,使我对未来的市场发展前景有了较深入的了解,发现多用途建筑机械的设计是一个非常有研究意义的课题 2。又通过毕业设计指导老师的介绍,我们项目组基本上对课题有了一定的了解,参照一般工程设计步骤和设计方法,我们开展了设计前期的调研工作,展开了资料收集和前提的准备工作。经过几周的收集,掌握了与本设计有关的相关资料、论文,与设计有关的各种参数。依照设计任务要求,选用计算机作为设计的主要工具,使用AUTOCAD 等设计软件。1.2 目前国内外行业的整体状况1.2.1、国外行业整体现状及发展趋势在发达国家己经普遍采用工厂化生产建筑用钢筋加工产品,如意大利 OSCAM 公司、奥地利 EVG 公司、德国 PEDAX 公司和美国 KRB 公司 等,他们采用钢筋数控弯箍机、切断机、弯曲机、调直弯曲切断于一体的加工机械,可建成钢筋加工中心,为施工企业生产建筑用钢筋加工产品,或者提供钢筋加工企业的成套设备。具体的说,OSCAM 公司的弯曲机可以将钢筋弯曲成螺旋状,大直径钢筋自切断的端头非常整齐、加工效率高; EVG 公司生产的钢筋自动弯箍机采用程序控制, 按照所需箍筋的尺寸、形状和数量生产,自动化程度高、加工速度快、操作方便、形状尺寸一致性好,可生产标准化的钢筋加工产品。1.2.2、国内行业的整体现状及发展趋势我国钢筋加工机械的技术水平总体上比较落后,所生产的钢筋切断机、弯曲机、调直机、调直切断机,冷轧带肋钢筋及冷轧扭钢筋加工机械,钢筋镦头机、冷拔机、弯箍机、钢筋笼自动滚焊机等产品,主要是电动机作为动力源、品种规格少、结构形式比较传统、自动化程度差、制造精度较低、创新力不强,参与国际竞争能力弱。 近年来由中国建筑科学研究院机械化分院开发成功的钢筋网自动成型机、钢筋剥肋滚压直螺纹加工机械和钢筋数控弯箍机在技术上占据很大优势,具备国际品质,有很强的竞争力。要提高钢筋机械技术水平、为钢筋加工企业提供先进生产设备、满足市场需求,需要不断创新、不断研发出新产品。 学习国外先进技术经验,加速研发数字化控制、功能集成化的钢筋加工机械是今后发展的目标。要实现钢筋加工机械的升级黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 3 页换代,为发展钢筋加工产品商品化创造条件,为建筑施工企业生产各种钢筋加工产品,推动钢筋加工产品的商品化进程,使我国钢筋加工机械产品跻身于世界先进行列。1.3 液压传动的优缺点1.3.1 液压传动的优点:(1)由于液压传动是油管连接,所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构,这是比机械传动优越的地方。例如,在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动,以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力很大,又加之极易布置,在挖掘机等重型工程机械上,已基本取代了老式的机械传动,不仅操作方便,而且外形美观大方。(2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如相同功率液压马达的体积为电动机的 12%13% 。液压泵和液压马达单位功率的重量指标,目前是发电机和电动机的十分之一,液压泵和液压马达可小至 0.0025N/W(牛/瓦),发电机和电动机则约为 0.03N/W。(3)可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达,可以实现无级调速,调速范围可达 12000,并可在液压装置运行的过程中进行调速。(4)传递运动均匀平稳,负载变化时速度较稳定。正因为此特点,金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。(5)液压装置易于实现过载保护借助于设置溢流阀等,同时液压件能自行润滑,因此使用寿命长。(6)液压传动容易实现自动化借助于各种控制阀,特别是采用液压控制和电气控制结合使用时,能很容易地实现复杂的自动工作循环,而且可以实现遥控。(7)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化,便于设计、制造和推广使用。1.3.2 液压传动的缺点(1)液压系统中的漏油等因素,影响运动的平稳性和正确性,使得液压传动不能保证严格的传动比。(2)液压传动对油温的变化比较敏感,温度变化时,液体粘性变化,引起运动特性的变化,使得工作的稳定性受到影响,所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 4 页作。(3)为了减少泄漏,以及为了满足某些性能上的要求,液压元件的配合件制造精度要求较高,加工工艺较复杂。(4)液压传动要求有单独的能源,不像电源那样使用方便。(5)液压系统发生故障不易检查和排除。总之,综合分析液压传动的优缺点,其优点是主要的,随着设计制造和使用水平的不断提高,有些缺点正在逐步加以克服。只要我们综合利用液压传动的优点,采用合适的密封方法和提高元件的制造质量等措施就可以很好的控制泄漏和噪声等缺点,方便的实现建筑机械自动化。液压传动有着广泛的发展前景。1.4 液压传动在机械中的应用驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。根据所用的部件和零件,可分为机械的、电气的、气动的、液压的传动装置。经常还将不同的形式组合起来运用四位一体。由于液压传动具有很多优点,使这种新技术发展得很快。液压传动应用于金属切削机床也不过四五十年的历史。航空工业在 1930 年以后才开始采用。特别是最近二三十年以来液压技术在各种工业中的应用越来越广泛 3。在机床上,液压传动常应用在以下的一些装置中:(1) 进给运动传动装置磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液压传动;车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架;铣床、刨床、组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。这些部件有的要求快速移动,有的要求慢速移动。有的则既要求快速移动,也要求慢速移动。这些运动多半要求有较大的调速范围,要求在工作中无级调速;有的要求持续进给,有的要求间歇进给;有的要求在负载变化下速度恒定,有的要求有良好的换向性能等等。所有这些要求都是可以用液压传动来实现的。(2) 往复主体运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕,由于要求作高速往复直线运动,并且要求换向冲击小、换向时间短、能耗低,因此都可以采用液压传动。 (3) 仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来完成。其精度可达 0.010.02mm。此外,磨床上的成形砂轮修正装置亦可采用这种系统。(4) 辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 5 页垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置等,采用液压传动后,有利于简化机床结构,提高机床自动化程度。(5) 静压支承重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝杠螺母机构等处采用液体静压支承后,可以提高工作平稳性和运动精度 4。黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 6 页2 方案论证及其设计计算本设计的题目是液压式组合建筑机械液压部分设计, 该机适用于建筑单位,因此要求操作灵活方便,液压系统要安全可靠;主机为可移动式,移动、固定要灵活方便。由于建设机械在野外作业较多,工作条件较为恶劣,油液溶液污染,因此要求所用的元件对油液污染的敏感性低,系统要设置良好的加油,吸油过滤装置和防尘装置。在这个课题设计的过程中我做的是液压系统的设计。从设计要求分析,该机通过液压系统对主机的控制最终要实现三个动作:即对钢筋或钢管的切断、弯曲和套丝。从材料的力学性能来考虑,钢筋的变形要比钢管的变形困难的多,所以本设计以最终实现对钢筋的切断、弯曲、套丝。切断时所需的切断力,材料弯曲、套丝时所需的扭矩,以对钢筋的计算为准。在满足工作性能要求的情况下,力求设计过程的简洁。现在初步考虑对钢筋切断时,用液压缸的活塞杆带动刀具来实现对钢筋的切断;对弯曲和套丝动作的实现有两种方案:一种是用回转液压缸带动工作台旋转,其弯曲过程为使弯曲缸活塞前移,通过活塞内孔大导程槽的作用,使缸内丝杠转动,并通过丝杠头部带动弯曲回转工作台转动,进行钢筋弯曲作业。一种是用液压马达带动工作台来实现对钢筋的弯曲和套丝,即将马达的旋转轴直接与弯曲工作台连接,对于弯曲的角度可由马达所带的行程开关来控制。考虑到回转液压缸的回转角度仅限于 0180度,对于大角度的弯曲和套丝来说,一个回转液压缸不能完成操作,为使机械结构简单,本设计采用双向定量液压马达的旋转运动来实现弯曲和套丝加工。现就系统工作原理制定以下两种方案加以比较:方案一:图 2-1 系统原理图 1黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 7 页方案二:图 2-2 系统原理比较两种方案,方案一在系统结构方面比较简单,但仅仅限于完成钢筋钢管的切断、弯曲和套丝,在系统结构功能优化方面有所欠缺。方案二虽然在系统结构上比方案一复杂,但其在流量和压力控制方面有很多优点,尤其是在切断直径在 20mm 以下的钢筋时,即工作压力小于 16MPa 时,方案二可以不经过增压缸,在中低压环境下直接切断,可以降低液压元件间的磨损和工作油液的间隙泄漏,从而可以延长液压系统的使用寿命。在本设计中,经综合考虑,采用方案二对系统进行设计计算。2.1 钢筋切断力的计算在建筑中混凝土用钢筋查金属手册第九版第一卷 P237 表 18 可知其光圆钢筋:用作销钉,圈簧,构件接头和支撑杆,其材料为 ASTM A615,螺纹钢筋与混凝土共用提供抗拉强度或抗压强度,其材料为 ASTM A706。表 2-1钢筋尺码 公称尺寸(mm) 横截面面积( )2m公称重量(kg/m )黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 8 页3 9.52 71 0.5604 12.70 129 0.9945 15.80 200 1.5526 19.05 284 2.2357 22.22 387 3.0428 25.40 510 3.9739 28.65 645 5.05910 32.26 819 6.40311 35.81 1006 7.90614 43.00 1452 11.38418 57.33 2581 20.238数据来源:金属手册第九版第一卷工程上最常用的光圆钢筋为 HPB335 级钢筋,带肋钢筋为 HRB 级钢筋,查钢筋的力学性能得冷拉钢筋的力学性能:表 2-2钢筋级别直径mmsMPbMP%最小弯曲半径冷拉应力 N/ 2mHPB335 612 280 490 11 3 0d280HRB3356252850335 570 1634 0280HRB4006252850 400 570 144d5 0480HRB5006252850 500 630 1267 0d460数据来源:建筑用钢材及相关标准汇编黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 9 页热轧带肋力学性能:表 2-3数据来源:钢筋的力学性能试验表明,一般情况下材料的许用切应力与许用拉应力之间关系为:剪切应力对 塑性材料 =0.60.8 脆性材料 =0.81.0 (2.1) 为钢材拉应力对于钢材、销钉许用压应力 =1.72 5 s查金属材料的力学性能,建筑中光圆盘钢筋材料为普通碳素钢 Q235,其未退火状态下抗剪强度 为 310380Mpa, 为 440470Mpa, =240 MPa。本设计取 bs =340MP。 根据钢筋公称尺码,参照一般的钢筋切断机,选取切断钢筋的最大直径 d=30mm。根据P52 页提供的计算公式: F= d/4 (N) c(2.2)式中 d钢筋的直径(mm);材料的抗剪切极限强度(N/mm)。c将数据带入公式:即 P= 30/4 340=240.21KN根据本设计要求加工 =30mm,为方便工件的安装,要求刀头端部距工件上端部有max56mm 的距离,切断效率大约为 14 次每分钟,行程为 L=36 mm,在下面的切断系统计算过程中要按照此要求进行设计计算。2.2 弯曲扭矩的计算在实际应用中与弯曲钢筋相比,无论是弯曲力的大小还是弯曲半径的选择,钢筋HRB355 Sb335 490 16黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 10 页弯曲要远远比钢管弯曲条件高,现在工程施工中很多是直接用钢筋弯曲机弯钢管,因此本设计根据钢筋的弯曲要求进行设计。2.2.1 工作盘转速的选择根据同类弯曲机械相比,弯曲机主轴转速为 3.7r/min,5 r/min,7.2 r/min,8 r/min,10 r/min,14 r/min,16 r/min。本次设计取:8 r/min。1、作用在工作盘上的转矩 M根据P79M=K1+K2d/(r+d) w(Ncm) b(2.3)式中: K1与钢筋截面有关的系数,圆截面钢筋取 K1=1.7K2与钢筋材料有关的系数,一般取 K2=0.630.71d钢筋直径 cmr弯曲半径 cmw抗弯截面模数 cm,取 w=0.1d3钢筋弯曲应力.N/cm 2b对抗拉和抗压强度相等的材料(如碳钢),只要绝对值最大的应力不超过许用应力即可。对抗拉和抗压不相等的材料(如铸铁)则拉和压的最大应力都不应超过各自的许用应力(摘自材料力学P174)。通过对材料力学的研究可知,表征塑性材料破坏的行为是屈服,表征脆性材料破坏的行为是断裂。因此,塑性材料的屈服极限 和脆性材料的强度极限 分别被定义sb为两类材料的极限应力。由钢筋材料为碳素钢 Q235 则 Mpasu235根据前面钢筋的性能,最小弯曲半径 d=3 。则 r=1.5 。0d0d代入数据:则 M=1.7+0.730/(30+1.530)2350.13030.001=1256.31Nm 2、驱动功率黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 11 页P=Mn/(974000) (2.4)本传动为液压传动,取效率为 0.75。则 P=1256.31Nm8/(9740000.75)=1.376KW2.2.2 危险部位轴的直径按强度条件 mTD3.540.143.256max1633 选 d=60mm按刚度条件 mGTD 6.490.510883.261ax32494 2.3 套丝切削力计算zpkts(2.5)k:为车螺纹时切削系数, MPb450 (碳钢 k=150kgf/ )t:切削深度 mm 2m,t=2 =1.732mm 三角形螺纹,s 为走刀量 s=p/2=0.75mm,p 为螺距,查表螺纹06sin直径在 30mm 以下最大螺距为 2mm 。则 p=150 1.732 0.75=194.86kgf=1.95KN切削功率: 6120PVN(2.6)其中: p 为切削力 (kgf) v 切削速度 (m/min)查表螺纹直径在 30mm 以下者切削速度 min/4.12maxv黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 12 页则 )(395.061248.9kwN考虑传动损失 设 。8.)(39506124.8.9k2.4 明确设计要求进行工况分析在设计液压系统时,首先应明确以下问题,并将其作为设计依据。1、主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。2、主机对液压系统的性能要求,如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。3、液压系统的工作环境,如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况 6。钢筋的切断工步应该是:无杆腔进油时,活塞杆快进;切刀碰到钢筋后活塞杆带动切刀慢速工进;切断钢筋后,行程开关控制电磁换向阀换向,有杆腔回油,活塞杆快速返回。由于该机属于中小型建筑机械,系统压力范围为 1625MPa 。初定液压缸的工作压力为 16MPa。由于切断 30mm 的钢筋时切断力为 240.21KN,考虑到机器在运转过程中的各种阻力和压力损失,因此预设切断缸工作时的推力为 260KN。由公式:D=3.5710-2 PF(2.7)其中 FKN PMPa代入数据得液压缸缸筒内径m14.016257.3由数据得知此缸用在该中型机械上显得较为笨重,如果使系统的压力升高,要换较大工作压力的液压泵,现在初步估算弯曲和套丝所需的工作压力和流量都较小,因此如果液压泵的工作压力选的过大,则会造成能源浪费和大马拉小车的现象,因此系统的工作压力暂定为 16 MPa。回路拟用增压缸,对切断缸的工作压力进行增大,现在初步确定将系统的压力黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 13 页增大 2 倍。切断钢筋时工作台的运动参数和动力参数:表 2-4 工作台的运动参数和动力参数工况 行 程(mm) 速 度(m/s ) 时 间(s )工作负载(KN)快进 6 0.02 0.3工进 30 0.01 3.0快退 36 0.04 0.9260即在刀头接触到工件之前,活塞杆带动刀头快速运动,下降接触工件,如果是在直径小于 20mm 时,则不经过切断缸直接切断。如果钢筋直径在 20mm 以上时则经增压缸增压来完成切断动作。然后快速退回进入下一个工作循环。2.5 确定液压系统原理图对这三个动作的实现综合考虑用三个液压回路来进行控制。钢筋切断所需切断力较大,切断缸的工作压力应该较大,因此利用增压回路来控制;弯曲和套丝对速度要求较平稳,初步考虑用调速阀来组成调速回路。现在拟订系统工作原理图为:黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 14 页图 2-3 液压系统原理图如图所示:整个系统有增压切断支路,弯曲支路和套丝支路组成。系统由单个齿轮泵供油,切断支路和弯曲支路有主油路上的溢流阀调压,三支路均单独工作,亦可部分的同时参与工作,三个支路分别有三个两位两通电磁换向阀来控制。2.5.1 切断支路工作原理:将二位二通电磁换向阀 I 和 J 处于上位工作状态,使三位四通电磁换向阀 D 处于下位的工作状态,此时只有切断支路处于工作状态,弯曲支路和套丝支路处于关闭的状态。当被切断的钢筋较细时,不经过增压缸就可切断,此时其工作流程是:经液压泵流出的液压油经过三位四通电磁换向阀 D 进入到切断缸的无杆腔,此时由于行程阀 F 处于打开的状态,切断缸有杆腔的油液可直接流回油箱,因此此时是处于快进的状态,当刀具头部接触到钢筋时,位于活塞杆头部的挡块压下行程阀 F 的开关时行程阀关闭,此时切断缸有杆腔的油液只有经过节流阀 L 才可以流回油箱,此时处于工进状态。当切断钢筋后刀头碰到行程开关 A,在 A 的作用下电磁换向阀 D 处于上位,从液压泵流出的油液经单向阀 K 进入到切断缸的有杆腔,推动活塞向上快速运动,当活塞头部的挡黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 15 页块与行程阀脱离接触时行程阀又处于打开状态,活塞继续向上运动直到刀头碰到行程开关 B 后,在 B 的作用下三位四通电磁换向阀 D 处于下位工作状态,再进入到下一个工作循环!当被剪的钢筋较粗时,切断缸需要由增压缸提供压力。其工作过程为,由液压泵流出的油液由于单向阀 N 的作用只能经过三位四通电磁换向阀 D 进入切断缸的无杆腔,此时由于行程阀 F 处于打开的状态使切断缸有杆腔的油液可直接流回油箱,因此此时是处于快进的状态, 。当刀具头部接触到钢筋时,位于活塞杆头部的挡块压下行程阀 F的开关时行程阀关闭,当油液的压力超过 16MP 时,在压力继电器 C 的作用下使三位四通电磁换向阀 D 处于中位,在压力的作用下,液控单向阀 N 被打开,经液压泵流出的油液经液控单向阀和换向阀 E(此时 E 处于左位)进入增压缸,经增压缸流出的压力油再经过调速阀进入到切断缸的无杆腔,推动活塞杆向下运动,由于此时切断缸有杆腔的油液只有经过节流阀 L 才可以流回油箱,因此此时处于工进状态。当切断钢筋后刀头碰到行程开关 A,在 A 的作用下电磁换向阀 D 处于上位,同时使换向阀 P 处于下位,则在钢筋被切断的瞬间高压油通过 P 卸荷,使油压降到 16MP 以下,同时在压力继电器的控制下使换向阀 E 处于右位。此时液控单向阀 N 关闭,液压油经过单向阀 K 进入切断缸的有杆腔,推动活塞向上快速运动,当活塞头部的挡块与行程阀脱离接触时行程阀又处于打开状态,活塞继续向上运动直到刀头碰到行程开关 B 后,在 B 的作用下三位四通电磁换向阀 D 处于下位工作状态,并使 P 处于上位,进入到下一个工作循环!2.5.2 弯曲支路的工作原理:使换向阀 J 处于上位,D 处于中位,I 处于下位,此时只有弯曲支路处于工作状态。经液压泵流出的油液经减压阀和二位四通电磁换向阀 M 再经过单向调速阀进入到液压马达的左腔,液压马达开始正转,开始弯曲工作,由于钢筋弯曲的套丝所需的压力较小,所以在回路中设置减压阀用来调节合适的压力。调速阀的作用则是使工作油路流量稳定,使液压马达能够以稳定的速度带动工作盘实现钢筋的弯曲。钢筋弯曲的度数是由行程开关来控制的,当达到预定的弯曲角度后由行程开关控制换向阀 M 使其右端的电磁铁通电,换向阀处于下位工作的状态,此时液压油进入到马达的右腔,使马达带动工作盘反转,取出钢筋,电磁换向阀的左端通电使其处于上位工作状态。然后进入到下一个工作循环!黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 16 页2.5.3 套丝支路工作原理套丝支路工作原理与弯曲支路极其相似,在这里不在赘述。2.6 系统液压缸的设计和液压元件的选择 2.6.1 液压缸的设计若提供的系统压力较小时,所计算的液压缸内径及活塞杆尺寸较大,与实际中小机械小巧方便的性能不相符合;若系统提供的压力较大时,不仅使液压泵成本提高,还会对弯曲和套丝支路造成大马拉小车的现象,且能源浪费,因此应选工作压力较为适中的液压泵,对切断支路进行增压。拟定增压后液压缸工作腔的压力为 32MPa。根据钢筋的切断运动要求,切断缸拟用双作用单活塞杆无缓冲式液压缸。查切割工艺的速度合理范围,取切断(钢筋从接触到钢筋至切断)时的速度为 0.01m/s。快进(无杆腔进油至活塞杆接触到钢筋)时速度为 0.02m/s。快退时的速度是 0.04m/s 以下进行的设计计算都是在此前提下进行的。1、液压缸内径的确定 mDPFD102.361057.057.322 代 入 数 据 即(2.8)对内径进行圆整为标准值 取 D=110mm2、活塞杆直径 d 的计算与校核 (1)活塞杆的直径计算 由 d= (2.9)D根据工作压力选取工作压力/MPa 5.05.07.0 7.0d/D 0.50.7 0.620.7 0.7d=0.7D=0.7 110=77mm对活塞杆尺寸进行圆整取 d=80mm(2)活塞杆的直径校核由黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 17 页mFd9.5410264可知 80mm 大于 54.9mm,所以活塞杆直径可用(3) 活塞杆结构的设计。详见图纸则液压缸无杆腔的有效面积:23221 104985.1.04mDA有杠腔的有效面积 23221 1047.08. md液压缸的实际计算工作压力MPDFP.1.064223227.4,显然 32MPa 的工作压力肯定可以达到工作要求。(2.10) 2V快 进退:切断缸回油,活塞杆返回时的速度; :活塞杆伸出(从伸出至接触到钢筋)时退V快 进V的速度; 切断作业时速度明显变得缓慢,取 v=0.01m/s活塞杆快进时的流量: smsmAvq /109.4.0/2. 3421 快 进快 进切断作业时,增压缸启用,现在拟用增压缸小缸内径与切断缸内径相等,那么大缸的内径为 160mm,那么小缸的面积为大缸的一半,切断缸的流量等于小缸流量等于进入增压缸大缸的流量,即: min/6i/6041./0.2LsmVAq 工 进3、缸体壁厚的设计查工程机械用液压缸外径系列,取外径 =160mm。1D21062.31D=6.5L/20+D/2式中 L-液压缸的最大行程 ;D液压缸的内径;黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 19 页即 mH572104活塞的宽度 B 根据液压缸的工作压力和密封方式确定,一般有 B=(0.61)DB=0.7*110=77mm导向套滑动面长度 A,在 D80mm 时,取 A=(0.6-1)d。故取 A=0.7*80=56mm为保证最小导向长度,不宜过分的增大导向套长度和活塞宽度,最好的办法就是在导向套和活塞之间加装一个隔离套 K,隔离套的长度一般的来讲应该取为 C=H-(A+B)/2。7、缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和,缸体的长度还要考虑到两端端盖的厚度,一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的 2030 倍。8、缓冲装置的设计由于切断时的速度较低所以此液压缸不设缓冲装置。9、排气装置的设计如果排气装置设置不当或者没有设置,压力油进入液压缸后,缸内仍会存在空气。由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成液压缸和整个液压系统在工作过程中的颤振和爬行,影响液压缸的正常工作。此液压缸的排气装置根据液压缸第 70 页表313 可选用 整体式排气装置。 2.6.2 液压泵的选择液压泵的最大供油量按液压缸的最大输入流量(11.4L/min)进行估算,查, 取泄漏系数 K=1.2 则:泵提供的主油路流量为: min/6.13in/4.12Lqp根据工况分析:切断缸的最高工作压力出现在切断作业阶段,这时候系统主油路的压力跟流量是选取泵的主要参数.此时系统提供压力为:切断缸工作压力的一半,为16MPa,进油路元件较小,管路简单,因此取 从液压泵到出口MPap5.0:p黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 20 页到液压缸或液压马达之间的总的管路损失。则: 。MPap5.16.01、初选液压泵:为使所选液压泵有一定的压力储备,所选泵的额定压力一般要比工作压力大25% 30%。所选液压泵的工作压力 根据液压系统设计手aPp65.20%1册P73 表 51 初选齿轮泵型号为 CB-Y 型,额定压力 20Mpa,最高压力为 25Mpa。转速:2500r/min;排量为 25L/min。因此泵的驱动功率: (2.12)WQPp 418075.091.6:液压泵的总效率,齿轮泵的效率为 0.75。2、由所选的液压泵来选取电机可选怎 Y132M-4 型电机,其功率是 7.5KW图 2-4 切断缸结构图2.6.3 增压缸设计本人在设计过程中查阅了大量有关液压方面的书籍和手册,均对增压器的介绍较少。本人只有参照对一般液压缸的设计步骤来设计增压缸。根据最初拟定的把系统的压力的增大两倍的方案,由平衡关系:黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 21 页 (2.17)1PA2:增压后的压强,A 1:增压缸小腔的活塞面积;:增压缸大缸的油液压力即系统的工作压力; :增压缸大缸的活塞面积。2 2A。即增压缸大腔活塞杆面积为小腔面积的 2 倍。现在取小缸内径与切16321P断缸内径相等,即 D110mm;根据增压要求即 2222 10404dd可得其内径为 155.54mm,圆整为 160 mm 。因此大缸直径为160mm, 63mm。1增压缸行程根据切断缸运动要求,进入切断缸的油液由增压缸提供,切断缸切断钢筋的行程为 36mm,因此增压缸的行程需为切断缸切断钢筋行程的 2 倍,增压缸的行程为 72mm。活塞与活塞杆设计参照同类增压缸的设计,活塞与活塞杆设计为一体,材料选用 45 钢。为了提高耐磨性和防锈性,活塞杆表面镀硬铬并抛光。密封槽开在活塞杆的两端,即活塞杆的两端充当活塞,密封圈采用 O 型圈,由于增压缸工作压力较高,因此在密封圈的两侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈。壁厚计算:小缸的工作压力为 32MPa,工作压力较大,因此按中等壁厚计算小缸壁厚。根据公式:cDPy)3.2( 小 缸(2.18)带入数据得 0.0175m 取 20mm由于大缸一侧进油及回油时受冲击力均较小,按薄壁缸进行计算,求得 0.014m ,取大缸壁厚为 20mm,用 4 个 M10 螺钉与缸体连接。增压缸的结构图如下所示:黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 22 页图 2-5 增压缸的零件结构图2.6.4 液压缸出现问题的解决方法1、液压缸工作时出现爬行现象的原因及排除方法(1)缸内有空气侵入,应增设排气装置或使液压缸以最大行程快速运动,强迫排除空气。(2)液压缸的端盖处密封圈压得太紧或太松,应调整密封圈使之有适当的松紧度,保证活塞杆能用手来回平稳地拉动而无泄漏。(3)活塞与活塞杆同轴度不好,应校正、调整。(4)液压缸安装后与导轨不平行,应进行调整或重新安装。(5)活塞杆弯曲,应校直活塞杆。(6)活塞杆刚性差,加大活塞杆直径。(7)液压缸运动零件之间间隙过大,应减小配合间隙。(8)液压缸的安装位置偏移,应检查液压缸与导轨的平行度,并校正。(9)液压缸的内径线性差(鼓形、锥形等),应修复,重配活塞。(10)缸内腐蚀、拉毛,应去锈蚀和毛刺,严重时应镗磨。(11)双出杆活塞缸的活塞杆两端螺帽摒得太紧,使其同心不良,应略微松螺帽,使活塞处于自然状态 8。2、液压缸的调整黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 23 页(1)排气装置调整。先将缸内工作压力降到(0.5-1)MPa 左右,然后使活塞杆往复运动,打开排气塞进行排气。打开的方法是:当活塞到达行程末端,压力升高的瞬间打开排气塞,而在开始返回之前立即关闭。排气塞排气时,可听到嘘嘘的气声,随后喷出浊色的泡沫状油液,空气排尽时喷出的油呈澄清色。可以用肉眼判别排气是否彻底。(2)缓冲装置调整。在装有可调节缓冲装置的情况下,而活塞又在运动中,应先将节流阀放在流量较小的位置上,然后逐渐调节节流口大小,直到满足要求为止。(3)液压缸各部位的检查。液压缸除做上述调整工作外,还要检查各个密封件的漏油情况,以及安装联结部件的螺栓有无松动等现象,防止意外事故的发生。(4)定期检查。根据液压缸的使用情况,安排定期检查的时间,并做好检查记录。3、液压缸工作时产生牵引力不足或速度下降现象的原因及排除方法(1)活塞配合间隙过大或密封装置损坏,造成内泄漏。应减小配合间隙,更换密封件。(2)活塞配合间隙过小,密封过紧,增大运动阻力。应增大配合间隙,调整密封件的松紧度。(3)活塞杆弯曲,引起剧烈磨擦。应校直活塞杆。(4)液压缸内油液温升太高、粘度下降,使泄漏增加;或是由于杂质过多,卡死活塞和活塞杆。应采取散热降温等措施,更换油液。(5)缸筒拉伤,造成内泄漏。应更换缸筒。(6)由于经常用工作行程的某一段,造成液压缸内径直线性不良(局部有腰鼓形),致使液压缸的高、低压油互通。应镗磨修复液压缸内径,单独配置活塞 9。2.6.5 弯曲支路和套丝支路执行元件的选择1、弯曲支路 根据弯曲钢筋的工作要求,弯曲时所需扭矩 1509.29Nm,弯曲时转速为 8r/min,若选取高速马达则必须通过减速装置进行减速增扭后驱动工作装置,这样会使整个传动机构变得复杂。径向球塞马达为低转速大扭矩马达,因此可以直接与工作装置连接,不需要减速装置,大大减化了机械的减速系统。选择型号为 1QJM-1.25。排量为黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 24 页1.295L/r,额定压力为 20MPa,额定转矩为 3833Nm,转速范围 2200r/min 。当马达排量为 1.25L/r 时,转速为 8r/min,进入马达的流量为 q1.25810L/min,考虑油路的油液泄漏, q1.111L/min,由于油路简单,设油路压力损失为 0.5MPa,则pq14.8 0.515.3MPa。p2、套丝支路根据经验选取套丝时轴的转速为 50r/min,套丝时所需扭矩为 56.5 Nm,根据这两个主参数,选择马达型号为 1QJM001-0.063 那么 50r/min0.064L/rK3.21.13.52L/min, 0.25.785.98Mpapq p该系统为单泵间隔的向三个支路供油,因此泵的压力应根据最高工作回路所需的工作压力和流量来选择,即应根据切断支路的工作压力和所需最大流量来选择液压泵,上面已经选过。2.6.6 液压泵和液压马达使用注意事项 元件选择安装到系统以后应该对照说明书,严格按使用要求使用。要想使液压泵和液压马达获得满意的使用效果,除选择高质量的产品外,还应根据机械各工况对液压系统的要求,选择最佳的设计方案,并按照液压泵和液压马达使用说明书的要求进行安装、使用和维护。这里仅对与液压泵和液压马达直接有关的问题简述如下:1、 液压泵和液压马达使用条件所允许的范围(1)转速和压力不能超过规定值。(2)若液压泵旋转方向有规定,则不能反向旋转,特别是叶片泵和齿轮泵反向旋转会引起低压密封甚至是本身损坏。(3)泵的自吸真空度应在规定范围之内,否则会造成吸油不足而引起气蚀、噪声和振动。(4)使用时必须保证马达的主回油口有一定的背压。(5)液压系统中的油液应该严格保持清洁,过滤精度不应低于 100m。2、安装时液压泵和液压马达要考虑的工作要求(1)液压泵和液压马达与其他机械连接时要保证同心,或采用柔性连接。黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 25 页(2)应尽可能使泵和马达输出轴不受或少受径向负荷,不能承受径向力的泵和马达不得将带轮、齿轮等传动件直接装在输出轴上。(3)泵和马达的泄漏油管要畅通,一般不接背压,马达的泄油管应单独引回油箱,若与回油管相连时,需保证其压力不超过一个大气压。(4)马达在首次启动前应向壳体内灌清洁的工作液,以保证摩擦副的润滑。(5)具有相位微调机构的马达,调整后不得任意拨动。采用浮动配流机构的马达,其进、回油口应用软管连接,以保证配流机构的浮动性。(6)停机时间较长的泵和马达,不应满载启动,待空转一段时间后,再正常使用。2.6.7 选择控制元件(液压阀的选择)任何一个液压传动系统,都必须选择合适的液压阀,是使系统的设计合理,性能优良,维修方便,并保证系统能正常工作的重要条件。除按系统功能需要选择各种类型的液压控制阀以外,还需要考虑到额定压力、通过流量、安装形式、动作方式、性能特点以及经济价格等因素。液压阀的选择,首先应尽可能的考虑标准系列的通用产品,在不得意的情况下,在自行设计专用的控制元件。专用的控制元件的设计也必须遵守一系列有关的标准(如安装连接尺寸,基本参数等)的规定,以有利于组织生产和品种的发展。(1)额定压力的选择液压阀额定压力的选择,可以根据系统设计的工作压力和相应压力级的液压阀,并应使系统工作压力适当低于产品表明的额定压力值。高压系统的压力阀,一般都能够使用于该额定压力以下的所有工作压力范围。当然高压液哎呀元件在额定压力条件下指定的某些技术指标,在不同的工作压力情况下回有所不同,而有些指标可以变的更好。在液压阀压力级逐步向高压发展,并统一为一套通用高压系列的趋势下,对液压阀额定压力的选择也将更方便了。系统的实际工作压力,如果稍高于液压阀标明的额定压力值,一般来说,在短时期内也是允许的,但如果长期处在这种状态下工作,将会影响产品的正常寿命,也将影响某些性能指标。(2)通过流量的选择黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 26 页对液压阀流量参数的选择,可以依据产品标明的公称流量为依据。如果产品能够提供不同流量时的有关性能曲线,则对元件的选择使用就更为合理了。一个液压系统部分回路通过的流量不可能都是相同的,应此,不能单纯根据液压泵的额定输出流量来选择阀的流量参数,而应该考虑到液压系统在所有设计工作状态下各个部分阀可能通过的最大流量。如果换向阀的选择则要考虑到如果系统中采用差动油缸,在油缸换向动作时,无杆腔排出的流量比有杆腔排出的流量要大许多,甚至可能比液压泵输出的流量还要大;再如选择节流阀、调速阀时,不仅要考虑可能通过该阀的最大流量,还应该考虑到该阀的最小稳定流量指标;又如某些回路通过的流量比较大,如果选择与该流量相当的换向阀,在换向动作时则可能会产生较大的压力冲击,为了改善工作性能,可选择大一档规格的换向阀,某些系统,大部分工作状态通过的流量不太大,偶尔会有大流量通过,考虑到系统布置的紧凑,以及阀本身的工作性能的允许,或者压力损失的瞬时增加,在许可的情况下,不按偶尔的大流量工况选取,仍然按大部分的工作状况的流量规格选取,允许阀在短时间内超流量状态下使用也是可以的 10。(3)安装方式的选择液压阀的安装方式,是指与系统管路或其他阀的进出油口的连接形式。一般有三种:螺纹连接型,板式连接型和法兰盘连接型。安装方式的选择,要根据所选择的液压阀的规格的大小,以及系统的简繁及布置特点而定,目前国内生产的液压阀公称通径在 20mm 以下规格的,有螺纹连接和板式连接两种结构,公称通径 32mm 的,三种连接方式的结构都有。工程通径在 50mm 以上规格的液压阀三种连接结构方式都有。另外还有按动作方式,结构特点,经济性方面的选择,在这里不再累述。综合以上各种方式的选择,所选用的各种液压阀的型号和类型见图纸明细表。2.7 其他辅助元件及液压油液2.7.1 油管内径计算根据公式 VQd4黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 27 页(2.19)其中 Q:通过管的流量;V:管内液流速度:对于吸油管 V 12m/s (一般取1m/s 以下);对于压油管,V 36 m/s;对于回油管;V 1.52.5 m/s 。油管的选取原则:对于不同长度的刚性连接,一般使用硬管,因为硬管成本低,阻力小,安全,在硬管和软管之间应优先考虑硬管。选取硬管的材料为15号冷拔无缝钢管。本设计选择外径定尺寸的钢管,即管的规格由外径与壁厚的尺寸确定。以对切断支路的计算为准:吸油管,液流速度取为 0.8m/s,则d =0.0191m 查表 3791(机械设计手册),选取 282.5(外径8.0143228mm,壁厚 2.5mm)的 15 号冷拔无缝钢管;对管子的强度进行校核:mpdmd 67.10.102365.26(2.20)所选管子壁厚安全;以下校核同上,不再进行校核。排油管 9mm 查表取 141.6, 材料为 15 号冷拔无缝41.30284VQd钢管;校核略。回油管:规格 222,材料同上。其他支路规格按切断支路选取。2.7.2 油箱选择取 8,则 V20.33 820.33162.64165L本设计中油箱外形为长六面体,油箱的顶盖上安装电机和各种液压阀件,实际使用时最高油面只允许达到油箱高度的 80,油箱箱体为钢板焊接而成,顶盖可拆卸,通过螺钉连接固定在箱体上。为了方便散热、搬移和放油,油箱的底脚高度设计为70mm。油箱四周设计装有吊耳,以便起吊装运。为了将吸回油隔开迫使油液循环流动,利于散热和沉淀,本油箱设置隔板,高度为最大液面高的 2/3。在油箱的最低处设置放油口,油口用螺塞或放油阀堵住,换油时可将其打开放走油污。油箱的正常工作温度为 1566之间,另外新油箱经过酸洗和表面清洗后,四壁可涂一层与工作液相容的黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 28 页耐油清漆。2.7.3 液压油液的选择液压阀的工作油液,除了有特殊要求的以外,都与液压系统本身对工作油液的要求相同。而在液压系统中,液压泵是主要动力元件,因此一般都可以液压泵对工作油液的要求来选择液压油。建设机械液压系统常用液压油为抗磨液压油、低温液压油、高粘度指数液压油和全消耗系统液压油。为了很好的传递运动和动力,建设机械液压系统使用的液压油应具备如下性能:(1)合适的粘度,较好的粘温特性;(2)润滑性能好;(3)质地纯净,杂质少;(4)对金属和密封件有良好的相容性;(5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性;(6)抗泡沫性和抗乳化性好,腐蚀性小,防锈性好;(7)体积膨胀系数低,比热容高;(8) 流动点和凝固点低,闪点和燃点高;(9)对人体无害,成本低。根据上述要求以及所选用液压泵的类型,选用牌号为 LHH32 的油液,其运动粘度为 32mm2/s。 液压系统性能计算:由于该液压系统较为简单,另外采用齿轮泵,发热少,油箱容量又较大,因此不必进行压力损失及温升的验算。黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 29 页3 液压站设计及系统维护3.1 总体设计本设计集中布置液压装置,即将系统的执行元件(本设计的执行元件为切断缸、弯曲马达和套丝马达)安放在主机上,考虑到增压缸与切断缸连接的管路不能太长,因为从增压缸输往切断缸的油的压力较高,否则压力损失会较大,因此将增压缸与切断缸一并装到主机上。将液压泵及驱动电机、控制元件、辅助元件等独立装在主机之外,即集中设置所谓液压站。液压控制元件全部采用板式安装,即水平均匀分散的布置在油箱的顶盖上。液压动力源装置采用卧式液压动力源,即将电机卧式安装,液压泵置于油箱之上。3.2 油管的布置要求吸油管不应漏气,各接头要紧牢和密封好;吸油管道上应设置过滤器;回油管应插入油箱的油面以下,防止飞溅泡沫和混入空气。设计时还需注意以下几点:(1)为了减少因减少摩擦导致的沿程压力损失,管子应尽可能的短。(2)为了适应热胀冷缩,固定点之间的直管段应尽可能有一个松弯。应该避免紧死的直管。(3)应尽可能减少弯管数量,并采用尽可能大的弯管半径。但在管端不宜有过大的弯管半径,否则难以与管接头找正。管子应该尽量有一段直管接近管接头,而把近处的弯管调整到远处。(4)所有管路,尤其是高压管路均应适当支撑。特别在高压系统中弯管前后及与软管联接之前必须支撑,流量的任何突然扰动都将在弯管处产生使管路伸直的倾向,如果管路未加支撑则可能导致甩动。管夹不应把管子卡死,而应为热胀冷缩留出足够的窜动空间。(5)弯管半径通常只针对管子中心线跟外径来规定。最小弯管半径约为外径的2.5倍。有两个原因:一是弯得越厉害(弯管半径与外径之比较小),则内侧越容易起皱,而外侧应力越大;二是弯管半径(与半径之比)越小则弯头引起的流动损失越大。(6)全部管路应分两次安装。第一次为试装配,将管接头及法兰点焊在适当的位黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 第 30 页置上,当整个管路确定后,拆下来进行酸洗或清洗后,再进行第二次安装 11。本设计所选的液压阀件的油口直径及油口位置均没有给出,因此以所选的管径确定阀件的油口直径,实际安装时可根据实际情况确定具体的安装方案。各液压阀件采用板式安装,安装时,固定螺钉的拧紧力要均匀,使元件的安装平面与元件底板平面能很好地接触。3.3 液压泵与驱动电机的连接与安装方式液压泵轴一般不允许承受径向载荷,因此常用电动机直接通过弹性联轴器来传动安装时,要求电机和液压泵轴有较高的同心度和垂直度。其偏差应在0
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