小型压力机的液压系统设计说明书

毕业设计（论文）

题目小型压力机的液压系统设计

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摘要

作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。与其他传动控制技术相比，液压技术具有能量密度高﹑配置灵活方便﹑调速范围大﹑工作平稳且快速性好﹑易于控制并过载保护﹑易于实现自动化和机电液一体化整合﹑系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势，因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。

液压压力机是压缩成型和压注成型的主要设备，适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成

型、塑料制品及粉末制品的压制成型。本文根据小型压力机的用途﹑特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。小型压力机的液压系统呈长方形布置，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。该机并设有脚踏开关，可实现半自动工艺动作的循环。

关键词：液压系统; 过载保护; 机电液一体化

Hydraulic system design of small presses

ABSTRACT

As one of the modern machinery equipment transmission and control important technical means, hydraulic technology in the field of national economy has been widely used. Compared with other transmission control technology, hydraulic technology has high energy density, flexible and convenient configuration, large speed range, rapid and smooth work ability, easy to be controlled and overload protection, easily realized automation and electromechanical integration ,system integration design ,easy maintenance in manufacturing operation and other significant advantages in technology , which make it become the basic technology of modern mechanical engineering and the basic technology

of modern control engineering.

The hydraulic press and pressure machine is the main equipment for molding plastic injection and repressing material formation, such as stamping, bending, flanging, metal sheet drawing, etc. Also it can be engaged in the adjustment, the mounting indentation, the grinding wheel formation, the swaging metal parts formation, the plastic products and the powder products suppressed formation. This article according to the usage, characteristics and requirements of the purposes of the YB32-150 type hydraulic pressure press machine uses the basic principle of hydraulic transmission, draws up a reasonable hydraulic system and undergoes the necessary calculation to determine the parameters of hydraulic system which determine to choose hydraulic components and system structure of the specification. The hydraulic system of YB32-150 hydraulic pressure press Machine is rectangular arrangement .its' external appearance is new and original beautiful, the driving force system adopts hydraulic pressure system that makes the structure simple and compact, the action quick and reliable. This machine is equipped with the foot switch which can realize the semiautomatic craft movement circulation.

Keywords: hydraulic system, overload protection, electromechanical integration

目录

第一章前言 (1)

1.1液压传动的发展概况 (6)

1.2液压传动在机械行业中的应用 (7)

1.3 液压机的发展及工艺特点 (8)

1.4液压系统的基本组成 (9)

第二章小型压力机的液压系统原理设计 (10)

2.1液压压力机的基本结构 (10)

2.2 工况分析 (11)

2.2.1负载循环图和速度循环图的绘制 (12)

2．3拟定液压系统原理图 (13)

2.3.1确定供油方式 (13)

2.3.2自动补油保压回路的设计 (13)

2.3.3 释压回路的设计 (14)

2.4液压系统图的总体设计 (15)

2.4.1主缸运动工作循环 (16)

2.4.2顶出缸运动工作循环 (17)

第三章液压系统的计算和元件选型 (17)

3．1 确定液压缸主要参数 (17)

3.1.1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 (18)

3.1.2液压缸实际所需流量计算 (19)

3．2液压元件的选择 (19)

3．2.1确定液压泵规格和驱动电机功率 (19)

3.2.2阀类元件及辅助元件的选择 (21)

3.2.3 管道尺寸的确定 (23)

3.3液压系统的验算 (26)

3.3.1系统温升的验算 (26)

第四章液压缸的结构设计 (28)

4.1 液压缸主要尺寸的确定 (28)

4.2 液压缸的结构设计 (30)

第五章液压集成油路的设计 (32)

5.1液压油路板的结构设计 (33)

5.2液压集成块结构与设计 (34)

5.2.1液压集成回路设计 (34)

5.2.2液压集成块及其设计 (34)

第六章液压站结构设计 (36)

6．1 液压站的结构型式 (36)

6．2 液压泵的安装方式 (36)

6.3液压油箱的设计 (37)

6.3.1 液压油箱有效容积的确定 (37)

6.3.2 液压油箱的外形尺寸设计 (38)

6.3.3 液压油箱的结构设计 (38)

6.4液压站的结构设计 (41)

6.4.1 电动机与液压泵的联接方式 (41)

6.4.2 液压泵结构设计的注意事项 (41)

6.4.3 电动机的选择 (42)

第七章总结 (43)

参考文献 (44)

第一章前言

1.1液压传动的发展概况

液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

第一个使用液压原理的是1795年英国约瑟夫·布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。1905年他又将工作介质水改为油,进一步得到改善。

我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。60年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。

目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式

锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。

1.2液压传动在机械行业中的应用

机床工业——磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等

工程机械——挖掘机、装载机、推土机等

汽车工业——自卸式汽车、平板车、高空作业车等

农业机械——联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等

轻工机械——打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等

冶金机械——电炉控制系统、轧钢机控制系统等

起重运输机械——起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等

矿山机械——开采机、提升机、液压支架等

建筑机械——打桩机、平地机等

船舶港口机械——起货机、锚机、舵机等

铸造机械——砂型压实机、加料机、压铸机等

本机器适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、塑料制品及粉末制品的压制成型。本机器具有独立的动力机构和电气系统。采用按钮集中控制，可实现调整、手动及半自动三种操作方式。本机器的工作压力、压制速度、空载快速下行和减速的行程范围均可根据工艺需要进行调整，并能完成一般压制工艺。此工艺又分定压、定程两种工艺动作供选择。定压成型之工艺动作在压制后具有保压、延时、自动回程、延时自动退回等动作。本机器主机呈长方形，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。该机并设有脚踏开关，可实现半自动工艺动作的循环。

1.3 液压机的发展及工艺特点

液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，自19世纪问世以来发展很快，液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，目前国内外液压机的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。

作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。特别是集成块可以进行专业化的生产，其质量好、性能可靠而且设计的周期也比较短。

近年来在集成块基础上发展起来的新型液压元件组成的回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件其结构更为紧凑，体积也相对更小，重量也更轻无需管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。逻辑插装阀具有体积小、重量轻、密封性能好、功率损失小、动作速度快、易于集成的特点，从70年代初期开始出现，至今已得到了很快的发展。我国从1970年开始对这种阀进行研究和生产，并已将其广泛的应用于冶金、锻压等设备上，显示了很大的优越性。

液压机工艺用途广泛，适用于弯曲、翻边、拉伸、成型和冷挤压等冲压工艺，压力机是一种用静压来加工产品。适用于金属粉末制品的压制成型工艺和非金属材料，如塑料、玻璃钢、绝缘材料和磨料制品的压制成型工艺，也可适用于校正和压装等工艺。

由于需要进行多种工艺，液压机具有如下的特点：

（1）工作台较大，滑块行程较长，以满足多种工艺的要求；

（2）有顶出装置，以便于顶出工件；

（3）液压机具有点动、手动和半自动等工作方式，操作方便；

（4）液压机具有保压、延时和自动回程的功能，并能进行定压成型和定程成型的操作，特别适合于金属粉末和非金属粉末的压制；

（5）液压机的工作压力、压制速度和行程范围可随意调节，灵活性大。

1.4液压系统的基本组成

1）能源装置——液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。

2）执行装置——液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。

3）控制装置——液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

4）辅助装置——油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。

5）工作介质——液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。

第二章小型压力机的液压系统原理设计

2.1小型压力机的基本结构

小型压力机机身属于四立柱机身。机身由上横梁、下横梁和四根立柱组成。液压机的各个部件都安装在机身上，其中上横梁的中间孔安装工作缸，下横梁的中间孔安装顶出缸，工作台面上开有开有T型槽，用来安装模具。活动横梁的四个角上的孔套装在四立柱上，上方和工作缸活塞相连接，由其带动横梁上下运动。机身在液压机工作中承受全部的工作载荷。

工作缸采用活塞式双作用缸，当压力油进入工作缸上腔，活塞带动横梁向下运动，其速度慢，压力大，当压力油进入工作缸下腔，活塞向上运动，其速度较快，压力较小，符合一般的慢速压制、快速回程的工艺要求。

活动横梁是立柱式液压机的运动部件，位于液压机机身的中间，中间圆孔和上横梁的工作活塞杆连接，四角孔在工作活塞的带动下，靠立柱导向作上下运动，活动横梁的底面也开有T型槽，用来安装模具。

在机身下部设有顶出缸，通过顶杆可以将成型后的塑件顶出。

液压机的动力部分是高压泵，将机械能转变为液压能，向液压机的工作缸和顶出缸提供高压液体。

图2.1：小型压力机

2.2 工况分析

本次设计是在毕业实习时，根据浙江省瑞安市一家客户的要求，根据客户提供的工况条件，立式安装的主液压缸活塞杆带动滑块及动横梁在立柱上滑行时，运动部件的质量为500Kg 。

1．工作负载 工件的压制抗力即为工作负载：36150109.8 1.4710t F N =??=?

2. 摩擦负载 静摩擦阻力： 0.25009.8980fs F N =??=

动摩擦阻力： 0.15009.8490fd F N =??=

3. 惯性负载 0.3()5007500.2

n v F m N t ?==?=? 60.5100.02412000b F N =??=

自重： 4900G mg N ==

4. 液压缸在各工作阶段的负载值：

其中：0.9m η= m η——液压缸的机械效率，一般取m η=0.9-0.97。

表1.1： 工作循环各阶段的外负载

工况

负载组成 推力 F/m η 启动

8080b fs F F F G N =+-= 8977.8N 加速

8340b fd m F F F F G N =++-= 9266.7N 快进 7590b fd F F F G N =+-=

8433.3N 工进 1477590fd t b F F F F G N =++-=

1641766.67N 快退 5390fd b F G F F N =++= 5988.9N

2.2.1负载循环图和速度循环图的绘制

负载图按上面的数值绘制，速度图按给定条件绘制，如图2所示：

2．3拟定液压系统原理图

2.3.1确定供油方式

考虑到该机床在工作进给时需要承受较大的工作压力，系统功率也较大，现采用轴向柱塞泵63SCY14－1B，具有将32MPa压力的纯净液压油输入到各种油压机、液动机等液压系统中，以生产巨大的工作动力，该柱塞泵结构紧凑，效率高，工作压力高，流量调节方便。

2.3.2自动补油保压回路的设计

保压回路的功用是使系统在液压缸不动或因工件变形而产生微小位移的工况下能保持稳定不变的压力。考虑到设计要求，保压时间要达到5s，压力稳定性好。选用液控单向阀保压回路，则保压时间较长，压力稳定性高，选用M型三位四通换向阀，利用其中位滑阀机能，使液压缸两腔封闭，系统不卸荷。设计了自动补油回路，且保压时间由电气元件时间继电器控制。此回路完全适合于保压性能较高的高压系统，如液压机等。

自动补油的保压回路系统图的工作原理：按下起动按纽，电磁铁1YA通电，电磁换向阀6右位接入系统，油液一部分压力油通过节流调速阀8进入主缸上腔；另一部分油液将液控单向阀7打开，使主缸下腔回油，主缸活塞带动上滑块快速下行，主缸上腔压

力降低，其顶部充液箱的油经液控单向阀14向主缸上腔补油。当主缸活塞带动上滑块接触到被压制工件时，主缸上腔压力升高，液控单向阀14关闭，充液箱不再向主缸上腔供油，且液压泵流量自动减少，滑块下移速度降低，慢速加压工作。当主缸上腔油压升高到压力继电器11的动作压力时，压力继电器发出信号，使电磁阀1YA断电，换向阀6切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由换向阀M型中位机能保压。同时压力继电器还向时间继电器发出信号，使时间继电器开始延时。保压时间由时间继电器在0-24min 调节。

2.3.3 释压回路的设计

释压回路的功用在于使高压大容量液压缸中储存的能量缓缓的释放，以免它突然释放时产生很大的液压冲击。一般液压缸直径大于25mm、压力高于7Mpa时，其油腔在排油前就先须释压。

根据生产实际的需要，选择用节流阀的释压回路。其工作原理：当保压延时结束后，时间继电器发出信号，使电磁阀6YA通电，二位二通电磁换向阀10处于下位，从而使主缸上腔压力油液通过节流阀9，电磁阀10，与油箱连通，从而使主缸上腔油卸压，释压快慢由节流阀调节。

图2.2：液压系统原理拟定图

当此腔压力降至压力继电器的调定压力时，换向阀6切换至左位，液控单向阀7打开，使液压缸上腔的油通过三位四通电磁阀6，二位二通电磁阀5，和顺序阀4排到液压缸顶部的充液箱13中去，此时主缸快速退回。使用这种释压回路无法在释压前完全保压，释压前有保压要求时的换向阀也可用Y型，并且配有其它的元件。

机器在工作的时候，如果出现机器被以外的杂物或工件卡死，这是泵工作的时候，输出的压力油随着工作的时间而增大，而无法使液压油到达液压缸中，为了保护液压泵及液压元件的安全，在泵出油处加一个直动式溢流阀1，起安全阀的作用，当泵的压力达到溢流阀的导通压力时，溢流阀打开，液压油流回油箱，起到安全保护作用。在液压系统中，一般都用溢流阀接在液压泵附近，同时也可以增加液压系统的平稳性，提高加工零件的精度。

2.4液压系统图的总体设计

图2.3：液压系统总体设计图

2.4.1主缸运动工作循环

（1）快速下行。按下起动按钮，电磁铁1YA通电。这时的油路进油路为：

变量泵1→换向阀6右位→节流阀8→压力继电器11和液压缸15上腔

回油路为：

液压缸下腔15→已打开的液控单向阀7→换向阀6右位→电磁阀5→背压阀4→油箱

油路分析：变量泵1的液压油经过换向阀6的右位，液压油分两条油路：一条油路通过节流阀7流经继电器11，另一条路直接流向液压缸的上腔和压力表。使液压缸的上腔加压。液压缸15下腔通过液控单向阀7经过换向阀6的右位流经背压阀，再流到油箱。因为这是背压阀产生的背压使接副油箱旁边的液控单向阀7打开，使副油箱13的液压油经过副油箱旁边的液控单向阀14给液压缸15上腔补油。使液压缸快速下行，另外背压阀接在系统回油路上，造成一定的回油阻力，以改善执行元件的运动平稳性。

（2）保压时的油路情况：

油路分析：当上腔快速下降到一定的时候，压力继电器11发出信号，使换向阀6的电磁铁1YA断电，换向阀回到中位，液压系统保压。而液压泵1在中位时，直接通过背压阀直接回到油箱。

（3）回程时的油路情况：

液压缸下腔回油路为：

变量泵1→换向阀6左位→液控单向阀7→液压油箱15的下腔

液压缸上腔回油路为：

液压腔的上腔→液控单向阀14→副油箱13

液压腔的上腔→节流阀8→换向阀6左位→电磁阀5→背压阀4→油箱

油路分析：当保压到一定时候，时间继电器发出信号，使换向阀6的电磁铁2YA 通电，换向阀接到左位，变量泵1的液压油通过换向阀旁边的液控单向阀流到液压缸的

下腔，而同时液压缸上腔的液压油通过节流阀9（电磁铁6YA接通），上腔油通过换向阀10接到油箱，实现释压，另外一部分油通过主油路的节流阀流到换向阀6，再通过电磁阀19，背压阀11流回油箱。实现释压。

2.4.2顶出缸运动工作循环

（1）向上顶出当电磁铁4YA通电，5YA失电，三位四通换向阀6处于中位时，此时顶出缸的进油路为：

液压泵→换向阀19左位→单向节流阀18→下液压缸下腔

顶出缸的回油路为：

下液压缸上腔→换向阀19左位→油箱

（2）停留当下滑块上移动到其活塞碰到顶盖时，便可停留在这个位置上。

（3）向下退回当停留结束时，即操作员取下工件时，启动开关，使电磁阀3YA 通电（4YA断电），阀19换为右位。压力油进入顶出缸上腔，其下腔回油，下滑块下移。进油路：

液压泵→换向阀19右位→单向节流阀17→下液压缸上腔

回油路：

下液压缸下腔换向→阀19右位→油箱

(4) 原位停止当下滑块退到原位时，是在电磁铁3YA，4YA都断电，换向阀19处于中位时得到的。

第三章液压系统的计算和元件选型

3．1 确定液压缸主要参数

按液压机床类型初选液压缸的工作压力为25Mpa,根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。快进时采用差动连接，并通过充液补油法来实现，这种情况下液压缸无杆腔工作面积1A应为有杆腔工作面积2A的6倍，即活塞杆直径d与缸筒直径D满足

56d D =的关系。 快进时，液压缸回油路上必须具有背压2p ,防止上压板由于自重而自动下滑，根据《液压系统设计简明手册》表2-2中，可取2p =1Mpa ，快进时，液压缸是做差动连接，但由于油管中有压降p ?存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估计时可取1p MPa ?≈,快退时，回油腔是有背压的，这时2p 亦按2Mpa 来估算。

3.1.1液压缸内径D 和活塞杆直径d 的确定

以单活塞杆液压缸为例来说明其计算过程。

11122112()6

m A F A P A P A P P η=-=- 1P —— 液压缸工作腔的压力 Pa

2P —— 液压缸回油腔的压力 Pa

图3.1：单活塞杆液压缸计算示意图

故：3221261()150109.80.06622()(25)0.91066

m F A m m P P η??===--??

0.2904D m ==

0.29040.265d D m === 当按GB2348-80将这些直径圆整成进标准值时得：320D mm =,280d mm =

由此求得液压缸面积的实际有效面积为：

2

2

210.320.080344D A m ππ?===

222222()

(0.320.28)

0.0188444D d A m ππ?-?-===

3.1.2液压缸实际所需流量计算

① 工作快速空程时所需流量

11

1cv AV Q η=

cv η-液压缸的容积效率，取0.96cv η=

3130.08030.310601506()min 0.9610

L Q ???==? ② 工作缸压制时所需流量

312

230.08030.01106050.1875()min 0.9610

cv AV L Q η???===? ③ 工作缸回程时所需流量

323230.018840.06106070.65()min 0.9610cv A V L Q η???=

==?

3．2液压元件的选择 3．2.1确定液压泵规格和驱动电机功率

由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为

25MPa ，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为1MPa （含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为

611(251)1026p P P P MPa =+?=+?=

上述计算所得的p P 是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力n P 应满足：

/0.826/0.831.25n p P P Mpa ===

液压泵的最大流量应为：

max ()p L q K q ≥∑

式中p q -液压泵的最大流量

max ()q -∑同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量2~3min L 。

L K -系统泄漏系数，一般取 1.1~1.3L K =，现取 1.1L K =。

max () 1.1(70.65 2.5)80.465min p L L q K q q =+?=?+=∑∑

1．选择液压泵的规格

由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。大流量。所以选轴向柱塞变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：

1） 工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（200~400）510Pa ?，最高可以达到5100010Pa ?。

2） 流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。

3） 改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。

4） 柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重