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畢業(yè)生論文
第1章 緒 論
1.1文獻(xiàn)綜述
1.1.1課題研究背景
打包機(jī)是壓縮包裝機(jī)械中的主要種類(lèi)之一，它利用壓縮設(shè)備在一定壓縮條件下，在不破壞材料性質(zhì)的前提下，對(duì)各種松散材料施加壓力，從而減小體積、增大容積密度，壓出外形尺寸統(tǒng)一、比重大、密度高的包塊，適合集裝箱裝運(yùn)的需要。從而減少運(yùn)輸成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。
目前廣泛應(yīng)用的打包機(jī)，一類(lèi)是用于將棉、紗、布、麻、羊毛及其制品等松散物壓縮打包的非金屬打包機(jī)，一類(lèi)是適用于金屬回收加工行業(yè)及有色、黑色金屬冶煉行業(yè)的金屬打包機(jī)。
本次課題要求設(shè)計(jì)的金屬打包機(jī)即屬于后者，是一種典型的金屬回收機(jī)械，它是將機(jī)械工業(yè)的余廢料、即一定厚度下的邊角余料，線材、切屑及小型薄壁金屬容器、包裝物、小型構(gòu)架，廢舊金屬生制品等金屬物料，擠壓成具有一定規(guī)格和緊密度的束塊，便于運(yùn)輸和回爐冶煉。
從所掌握的資料來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)所擁有并使用的金屬打包機(jī)，除簡(jiǎn)陋及代用設(shè)備（如夾板錘、摩擦壓力機(jī)之類(lèi)）外，分為絲桿傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩大類(lèi)。由于絲桿傳動(dòng)的功率損失太大，壓頭力的傳動(dòng)不穩(wěn)定，加工的包塊的密度低，以及絲桿傳動(dòng)易磨損等缺點(diǎn)的限制，不能得到發(fā)展，已逐步淘汰；而液壓傳動(dòng)的金屬打包機(jī)具備傳遞壓力大、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，隨著金屬回收工業(yè)的發(fā)展，液壓金屬打包機(jī)的發(fā)展也相當(dāng)迅速，有一批適合我國(guó)國(guó)情、不同規(guī)格和品種的設(shè)備投入到各金屬回收單位。
1.1.2課題研究的意義
留心觀察我們的生活，不難發(fā)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，各工業(yè)部門(mén)的金屬下腳料及生活用金屬制品的廢棄物都日益增多，一方面，這些廢棄物的隨意丟置，將會(huì)對(duì)人類(lèi)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染；另一方面，人類(lèi)社會(huì)的不斷消耗，各類(lèi)礦物資源也會(huì)逐漸減少。因此，如何利用金屬?gòu)U棄物，既防止環(huán)境污染，又變廢為寶，資源永續(xù)。就成為一個(gè)重要的研究課題擺在人類(lèi)面前。打包機(jī)由于能實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊金屬的打包回收，充分將資源再利用，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要的地位，有著廣闊的應(yīng)用前景。尤其在目前黨中央大力倡導(dǎo)構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的影響下，可以預(yù)見(jiàn)，各行各業(yè)對(duì)這類(lèi)機(jī)械的需求量還會(huì)日益增加。
鑒于這種情況，研究設(shè)計(jì)金屬打包機(jī)的液壓控制系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)打包自動(dòng)化，提高打包質(zhì)量和效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，是具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介
1.2.1研究解決的問(wèn)題
本文主要是設(shè)計(jì)一臺(tái)金屬打包機(jī)。傳統(tǒng)的打包機(jī)設(shè)備主要由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力系統(tǒng)是機(jī)器的動(dòng)力源；工作機(jī)構(gòu)是完成機(jī)器工作任務(wù)的直接工作部分；而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則是為了使動(dòng)力源適應(yīng)工作機(jī)構(gòu)對(duì)力和速度、以及其他操作性能（停車(chē)、換向）要求的裝置。
本次設(shè)計(jì)任務(wù)的特點(diǎn)，是要結(jié)合現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，嘗試采用一種新型且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的單片機(jī)集成控制，取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)集機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制、液壓流體傳動(dòng)于一體的金屬打包機(jī)。并達(dá)到如下的工作要求：要求打包負(fù)載1250KN；壓縮后金屬包體積為0.250*0.250*0.250M3。步驟正確，工作安全可靠，使用維護(hù)方便，并能調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。
1.2.2整體設(shè)計(jì)方法
考慮到打包機(jī)的工作不太復(fù)雜，工作相對(duì)比較穩(wěn)定，安裝好后不需要頻繁移動(dòng)機(jī)體等特點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中決定采用整體結(jié)構(gòu)，將液壓系統(tǒng)、PLC電氣控制制臺(tái)和打包機(jī)主體集中安置，這樣設(shè)計(jì)，操作者可以適時(shí)根據(jù)各工作機(jī)構(gòu)的工作狀況而采取合適的指令進(jìn)行控制，使機(jī)器工作安全可靠。
1．金屬打包機(jī)主體的設(shè)計(jì)
⑴ 打包機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)
⑵ 壓縮室的設(shè)計(jì)
①壓縮室的尺寸設(shè)計(jì)
②進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核
2．液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
⑴液壓泵的選擇：
提供達(dá)到一定流量和壓力的油泵作為液壓發(fā)生機(jī)構(gòu)。
⑵液壓缸及控制油路的設(shè)計(jì)：
要求能實(shí)現(xiàn)如下工作過(guò)程：從料斗中倒入要壓制的廢金屬料→主缸活塞快速推進(jìn)→倒入數(shù)次料后，主缸活塞快速推進(jìn)數(shù)次→主缸活塞重壓一次（工進(jìn)）→輔缸打開(kāi)壓縮室門(mén)→主缸活塞從壓縮室快速推出金屬包，再退出壓縮室→輔缸關(guān)閉壓縮室門(mén)。
⑶液壓閥的選擇：
選擇系統(tǒng)的控制、調(diào)節(jié)裝置，將工作液體按一定的方向、一定的壓力、一定的流量送往各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括方向閥、壓力閥、流量閥三大類(lèi)。
⑷輔助裝置的確定：
選擇將上述幾個(gè)部分連接起來(lái)的管道、油箱、警接頭、濾油器、儀表等。
3、單片機(jī)程序及控制線路的設(shè)計(jì)
⑴設(shè)計(jì)單片機(jī)的控制線路
⑵選擇單片機(jī)的控制器
在選擇好相應(yīng)的單片機(jī)和確定了控制對(duì)象的控制任務(wù)后，即可根據(jù)工藝、信息流程具體安排輸入、輸出的配置。從而完成以下幾個(gè)自動(dòng)控制過(guò)程：
① 上輔缸快退，料斗門(mén)打開(kāi)，金屬?gòu)U料從料斗中倒入壓縮室；
② 上輔缸快進(jìn)，關(guān)閉料斗門(mén)；主缸快進(jìn)，壓緊廢料，主缸壓力達(dá)到設(shè)定值后快退到初始位；上輔缸快退，料斗門(mén)打開(kāi)，繼續(xù)加料；重復(fù)以上步驟5--6次；
③ 主缸工進(jìn)，重壓一次，壓力達(dá)到設(shè)定值后，主缸停止幾秒，保壓；
④ 主缸快退卸壓；
⑤ 下輔缸上升，頂開(kāi)壓縮室前門(mén)，主缸快進(jìn)，將壓縮包推出壓縮室；
⑥ 主缸快退，下輔缸下降，關(guān)閉壓縮室前門(mén)；
⑦ 完成一個(gè)周期，可進(jìn)行下一次打包；
1.3本章小結(jié)
根據(jù)生產(chǎn)需要和技術(shù)、經(jīng)濟(jì)要求，完成打包機(jī)液壓控制系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。要求能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計(jì)的打包機(jī)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠，使用、維護(hù)方便，液壓系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，控制過(guò)程簡(jiǎn)單、靈活、可靠，能較好地滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.并能調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。工藝加工手段效果好。能廣泛運(yùn)用于有色金屬加工行業(yè)。且還能使本機(jī)具備以下特點(diǎn)：工作效率高、能耗低、加工成本低、無(wú)金屬損耗和環(huán)境污染。
第2章 打包機(jī)主體的設(shè)計(jì)分析
打包機(jī)主體設(shè)計(jì)分析的主要任務(wù)是進(jìn)行打包機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及主缸壓包和輔缸出包的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)相關(guān)部分進(jìn)行強(qiáng)度校核。
2.1打包機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
打包機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)工作要求以及推桿推壓金屬?gòu)U料塊的運(yùn)動(dòng)方式選定合適的機(jī)體結(jié)構(gòu)，并合理地選定有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，然后設(shè)計(jì)出滿足條件的打包機(jī)的壓縮室。所以，對(duì)打包機(jī)的推壓包塊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，是完成機(jī)體設(shè)計(jì)的前提。
2.1.1打包機(jī)的運(yùn)動(dòng)
打包機(jī)從加料后開(kāi)始工位運(yùn)轉(zhuǎn)，到包塊的推出，運(yùn)動(dòng)停止，為一個(gè)單次工作循環(huán)。其程序如下：
1、合蓋，封閉進(jìn)料口，形成壓縮室。在上輔缸關(guān)閉進(jìn)料口門(mén)后，主缸快進(jìn)，對(duì)松散的金屬?gòu)U料進(jìn)行一次予壓縮。壓縮室的高即為包塊高。
2、主缸壓頭繼續(xù)前進(jìn)，向X正向加壓。直至廢料壓縮成包塊達(dá)到包塊寬度位置時(shí)止。這樣，在壓縮室的前端形成一個(gè)高壓室。
3、再次加料后，主缸循環(huán)快進(jìn)、工進(jìn)，提供高壓，這級(jí)壓力是在高壓室內(nèi)，對(duì)已初步形成的束塊，進(jìn)行整形定性的最終擠壓，形成緊密度較高的束塊。達(dá)到包塊的長(zhǎng)度要求。
4、包塊成形后，松泄主壓頭壓力，下輔缸作用推開(kāi)機(jī)身側(cè)邊的出包門(mén)。
5、利用主壓頭繼續(xù)前進(jìn)，將包塊從側(cè)門(mén)推出機(jī)外。
6、主、側(cè)壓頭退回，側(cè)門(mén)關(guān)閉，機(jī)蓋啟開(kāi)。即可進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)的加料。上述這幾個(gè)程序是基本的工位循環(huán)，其間還有一些輔助運(yùn)動(dòng)，如持續(xù)加壓，保壓、泄壓等。
2.1.2打包機(jī)的總布局
打包機(jī)一般分為二大部分——主機(jī)部分和動(dòng)力系統(tǒng)。
1、主機(jī)部分。
根據(jù)對(duì)打包機(jī)運(yùn)動(dòng)情況的分析可知，主缸系統(tǒng)應(yīng)水平安置在機(jī)體上，側(cè)門(mén)系統(tǒng)垂直于主缸系統(tǒng)安置，上輔缸系統(tǒng)安置在主缸上方，另外再加上一些輔助機(jī)構(gòu)，這樣就構(gòu)成了機(jī)器進(jìn)行打包工作的部分，即主機(jī)部分。按構(gòu)成的結(jié)構(gòu)分，應(yīng)該包括：
(1)機(jī)體
機(jī)體是安裝機(jī)器各部分的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)是個(gè)上開(kāi)式的箱形型式，亦是容納物料的料箱，機(jī)體的基本構(gòu)件由于是幾大塊拼接而成，其位置和形式都是一定的，沒(méi)有什么調(diào)節(jié)、修定的要求，所以裝拆均容易(一般也不用拆卸)。使用中也不容易損壞。若出現(xiàn)損壞(斷裂或某些地方嚴(yán)重磨損)、則需更換新構(gòu)件或修補(bǔ)。
（2)上輔缸系統(tǒng)
上輔缸系統(tǒng)是控制進(jìn)料口進(jìn)料的機(jī)構(gòu)。由上輔缸及輔缸推壓頭組成。其功能是將金屬物料送進(jìn)料箱內(nèi)的，并推向高壓室。上輔缸裝在機(jī)體后架中間的大孔內(nèi)，并用大園螺母從后面鎖緊。壓頭直接套裝在側(cè)缸活塞桿伸出端，由一個(gè)大螺栓從端面中間緊固，再蓋以側(cè)壓頭護(hù)板。由于側(cè)壓頭在料箱內(nèi)還要組成高壓室的一壁，其位置是有嚴(yán)格要求的，所以在側(cè)壓頭與活塞桿接觸的臺(tái)階處，有一個(gè)調(diào)整墊圈，為使活塞桿的行程終了時(shí)，側(cè)壓頭護(hù)板的前面與主壓頭護(hù)板側(cè)邊剛好要接觸并有一定的問(wèn)隙，就靠調(diào)整墊圈的厚度來(lái)保證。
(3)主缸系統(tǒng)
主缸系統(tǒng)是加壓機(jī)構(gòu)，其橫臥安裝于機(jī)體的前架一端，與機(jī)體垂直組合裝配成一體，整個(gè)系統(tǒng)主要由主缸總成、主缸橫梁、主壓頭、門(mén)梁及圓螺母等組成，其功能就是對(duì)被側(cè)壓頭推壓到高壓室內(nèi)的較疏松的束塊，進(jìn)行第二級(jí)擠壓，使其達(dá)到一定的密度，主壓頭的最大推力，就是打包機(jī)的公稱(chēng)壓力，經(jīng)主壓頭擠壓最后形成的包塊，其長(zhǎng)度尺寸大致是一致的。主缸將束塊壓成尺寸要求后即停止。
（4）出料門(mén)系統(tǒng)
出料門(mén)系統(tǒng)是控制出料門(mén)的開(kāi)閉，使主缸將擠壓成功的包塊推出機(jī)外的部分。由出料門(mén)、輔助缸總成、支座等主要零、部件組成。它的功能只是起輔助作用，機(jī)器在加料、擠壓工作時(shí)，由出料門(mén)將壓縮室的門(mén)洞封閉，包塊成形后，將出料門(mén)推開(kāi)，便于包塊從門(mén)洞內(nèi)推出，出料門(mén)裝在由門(mén)梁和側(cè)架貼合形成的滑道內(nèi)，輔助缸裝在側(cè)架外壁上，輔助缸活塞桿與出直接鉸接，由輔助缸帶動(dòng)出料門(mén)在滑道內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)，對(duì)側(cè)架上的門(mén)洞進(jìn)行開(kāi)關(guān)。由于出料門(mén)是在高壓室位置，直接承受主缸的擠壓力，工作時(shí)開(kāi)門(mén)前的主缸卸壓的步驟和時(shí)間一定要保證，否則，門(mén)將打不開(kāi)或者損壞機(jī)件。
2、動(dòng)力系統(tǒng)
動(dòng)力系統(tǒng)就是機(jī)器的液壓發(fā)生、控制機(jī)構(gòu)。布置在機(jī)器的后部、側(cè)缸的兩側(cè)。而電控操縱箱則置于機(jī)器同主缸的一側(cè)。整個(gè)系統(tǒng)由下列部分組成：
(1)油箱部分
油箱部分是動(dòng)力系統(tǒng)的支承基礎(chǔ)，亦是機(jī)器液壓傳動(dòng)的油源，整個(gè)油箱是個(gè)長(zhǎng)方行的封閉箱體，裝于主機(jī)的后端。
(2)油泵—電機(jī)組
油泵—電機(jī)組機(jī)器的主動(dòng)力源，由柱塞泵和三相交流電動(dòng)機(jī)組成，二者用減速箱聯(lián)接，安裝在油箱面上，通過(guò)油管與各類(lèi)液壓元件相連成油路。
(3)控制閥組
控制閥組液壓系統(tǒng)的控制裝置，由液壓系統(tǒng)中所需要的各種液壓元件及通路體組成，安裝于油箱面上，各液壓閥選用板式結(jié)構(gòu)，集中安裝，結(jié)構(gòu)非常緊湊，各元件拆卸維修都很方便。
(4)管路系統(tǒng)
管路系統(tǒng)是將各元器件連接起來(lái)形成通路體的部分。
(5)操縱箱
操縱箱是機(jī)器的電控中心，機(jī)器各運(yùn)動(dòng)程序的自動(dòng)選擇、控制均通過(guò)此箱進(jìn)行，電控箱主要分上下兩部分，箱上部分及面板，集中裝沒(méi)有顯示壓力和調(diào)整壓力的壓力表、操縱按紐；下部是電器柜，機(jī)器的主要電氣元件均置于柜內(nèi)。
整個(gè)機(jī)器就由以上部分構(gòu)成，另外還有一些液壓管道、電氣管道及行程開(kāi)關(guān)等部分，在本次設(shè)計(jì)中就沒(méi)有進(jìn)行設(shè)計(jì)分析了。
圖2.1 打包機(jī)總裝圖
2.2 打包機(jī)壓縮室的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核
打包機(jī)的強(qiáng)度校核包括對(duì)活塞桿的彎曲強(qiáng)度校核、壓頭的剪切強(qiáng)度的校核以及壓縮室門(mén)的剪切強(qiáng)度校核，因?yàn)樵谝簤合到y(tǒng)設(shè)計(jì)部分已對(duì)活塞桿進(jìn)行校核，故本章節(jié)的校核主要是對(duì)壓頭和壓縮室門(mén)板進(jìn)行的。
2.2.1 壓頭的強(qiáng)度校核
因壓頭為焊接式厚為20mm的壓板主要承受擠壓應(yīng)力而在工作過(guò)程中它所承受的擠壓應(yīng)力可忽略不計(jì)固不作要求.
2.2.2 壓縮室的設(shè)計(jì)
壓縮室的尺寸設(shè)計(jì)：
根據(jù)壓縮后金屬包體積為0.250*0.250*0.250m3。確定壓縮室尺寸為：0.80*0.250*0.270m3。
選用材料為HT200，鑄件壁厚（30～50）mm，抗拉強(qiáng)度：=160（MPa）。
壓縮時(shí)推力為1250KN，壓力為21MPa，選用壁厚t=40mm
活塞與壓縮室之間的擠壓強(qiáng)度。
[]=< 世隔絕 （1-1）
出包門(mén)與壓縮室側(cè)壁的剪切應(yīng)力.
式中:
出包門(mén)與壓縮室側(cè)壁的拉壓應(yīng)力
求得C點(diǎn)處的剪力最大FC為1250KN
0
A
B
F
C
FA
FB
圖2-2 彎曲強(qiáng)度圖
圖2-3 剪切強(qiáng)度圖
（1-2）
（1-3）
求得最大彎矩Mmax為168.75Nm,W為72000mm2,由公式4-2得：
2.3438Mpa<[]
滿足強(qiáng)度要求。
第3章 打包機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1）方便實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大；
(2）在相同功率情況下，液壓傳動(dòng)能量轉(zhuǎn)換元件的體積較小，重量較輕；
(3）工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)步驟換向；
(4）便于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，而且工作油液能使傳動(dòng)零件實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑，故使用壽命較長(zhǎng)；
(5）操縱簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是和電氣控制聯(lián)合使用時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)；
(6）液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。
綜上所述故選用液壓傳動(dòng)控制
液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)金屬打包機(jī)設(shè)計(jì)的一大部分。液壓系統(tǒng)是機(jī)器中液壓傳動(dòng)部分的總稱(chēng)。它的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器的用途、特點(diǎn)和要求,利用液壓傳動(dòng)的基本原理。擬訂出合理的液壓系統(tǒng)圖,再經(jīng)過(guò)必要的計(jì)算確定液壓系統(tǒng)的參數(shù),然后按照這些參數(shù)來(lái)選用液壓元件的規(guī)格和進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜上所述,要確定液壓系統(tǒng)的基本回路,先要了解分析該液壓系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的某些動(dòng)作和擬達(dá)到的工作性能。
3.2液壓系統(tǒng)工況分析
3.2.1 分析系統(tǒng)工況
本次設(shè)計(jì)的金屬打包機(jī)是一種典型的金屬回收機(jī)械,它是將機(jī)械工業(yè)的余廢料等金屬物料擠壓成具有一定規(guī)格和緊密度的束塊.其工作情況大致如下:
從料斗中倒入要壓制的廢金屬料→主缸活塞快速推進(jìn)→倒入數(shù)次料后，主缸活塞快速推進(jìn)數(shù)次→主缸活塞重壓一次（工進(jìn)）→輔缸打開(kāi)壓縮室門(mén)→主缸活塞從壓縮室快速推出金屬包，再退出壓縮室→輔缸關(guān)閉壓縮室門(mén)。簡(jiǎn)而言之,就是要實(shí)現(xiàn)上輔缸、主缸的水平直線和下輔缸的豎直直線運(yùn)動(dòng).
3.2.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
任務(wù)書(shū)中已給定的參數(shù)如下:
（1）打包機(jī)負(fù)載1250kN
（2）廢料壓制成塊料體積為0.25*0.25*0.25m3
（3）打包機(jī)液壓缸行程為800mm
（4）上下輔缸行程為800mm
根據(jù)已知數(shù)據(jù),在參考了一系列金屬打包機(jī)的基礎(chǔ)上,并結(jié)合此次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,用類(lèi)比法初步選取速度值如下:
主油缸: 快速空行程速度 =50mm/s
工作行程速度 =12.5mm/s
頂出壓塊速度 =50mm/s
快速退回速度 =50mm/s
上輔缸: 快速下降 =125mm/s
快速上升 =86.2mm/s
下輔缸: 快速下降 =69.5mm/s
快速上升 =80mm/s
液壓系統(tǒng)的壓力的確定:
液壓缸的輸出力是有工作壓力和活塞的有效面積A決定,而液壓缸的輸出速度是由輸出液壓缸的流量q和活塞的有效面積A來(lái)確定.即
由兩式可見(jiàn),當(dāng)液壓缸的輸出力一定時(shí),若缸的工作壓力取得大,則活塞有效面積減小,液壓缸的結(jié)構(gòu)就緊湊；若液壓缸的工作壓力取得小,則活塞有效面積增大,缸的結(jié)構(gòu)尺寸增加。要使工作機(jī)構(gòu)得到同樣的速度,就要求有較大的流量,此時(shí),將有關(guān)的液壓泵、閥等液壓元件的規(guī)格要求相應(yīng)增大,這就可能導(dǎo)致整個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)龐大,因此,確定液壓缸的工作壓力p時(shí),要根據(jù)設(shè)備的工作要求、元件的制造水平等因素綜合考慮.在充分考慮系統(tǒng)所需流量、系統(tǒng)的效率和性能、工作可靠性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等因素后,設(shè)計(jì)時(shí),采用類(lèi)比法來(lái)確定.參考表3.1、3.2 ,取系統(tǒng)工作壓力p=25MPa.
表3.1 各類(lèi)液壓設(shè)備常用的工作壓力：
設(shè)備類(lèi)型
磨床
組合
機(jī)床
車(chē)/銑
鏜床
龍門(mén)
刨床
農(nóng)業(yè)機(jī)械,小
型工程機(jī)械
工程機(jī)械
鍛壓設(shè)備
船用
系統(tǒng)
工作壓力/MPa
≤2
<6.3
2～4
<10
10～16
16～32
14～25
表3.2 不同負(fù)載下的液壓缸常用的工作壓力：
負(fù)載/KN
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作壓力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5～7
選定液壓缸的工作壓力根據(jù)設(shè)計(jì)要求選定系統(tǒng)工作壓力為21Mpa為下面的設(shè)計(jì)提供依據(jù)
3.3擬訂液壓系統(tǒng)原理圖
3.3.1確定供油路線
考慮到該設(shè)備在工作進(jìn)給時(shí)負(fù)載較大,速度較低,而在快進(jìn)快退時(shí)負(fù)載較小,速度較高,從節(jié)省能量、減少發(fā)熱考慮,泵源系統(tǒng)宜選用雙泵供油或變量泵供油,現(xiàn)采用雙聯(lián)葉片泵供油.
3.3.2液壓回路的設(shè)計(jì)
首先，設(shè)計(jì)調(diào)速回路。
調(diào)速回路的比較：液壓系統(tǒng)中的調(diào)速回路應(yīng)能滿足如下一些要求，這些要求是評(píng)比調(diào)速回路的依據(jù)。
（1）能在規(guī)定的調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的工作速度。
（2）在負(fù)載變化時(shí),已調(diào)好的速度變化愈小愈好,并應(yīng)在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)。
（3）具有驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的力或轉(zhuǎn)矩。
（4）使功率損失盡可能小，效率盡可能高,發(fā)熱盡可能小(這對(duì)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性亦有利。
調(diào)速回路的選用：調(diào)速回路的選用與主機(jī)采用液壓傳動(dòng)的目的有關(guān),而且要綜合考慮各方面的因素后才能做出決定；其次要考慮的是功率的大小，一般認(rèn)為3kw以下的用節(jié)流調(diào)速回路；3～5kw的用容積節(jié)流調(diào)速回路或容積調(diào)速回路；5kw以上的則用容積調(diào)速回路；最后從費(fèi)用上考慮，要求費(fèi)用低廉時(shí)用節(jié)流調(diào)速回路；允許費(fèi)用高些時(shí)用容積節(jié)流調(diào)速回路或容積調(diào)速回路。
綜上，本系統(tǒng)采用容積節(jié)流調(diào)速。在中小型打包機(jī)的液壓系統(tǒng)中,進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或調(diào)速閥,根據(jù)打包機(jī)對(duì)低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn),決定采用雙聯(lián)葉片泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速.這種調(diào)速回路具有效率高 發(fā)熱小和速度剛性好的特點(diǎn)。
其次,考慮速度換接方式。本系統(tǒng)采用電磁閥的快慢速換接回路,它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)行程比較方便,閥的安裝也較容易,但速度換接的平穩(wěn)性較差. 在本系統(tǒng)中液壓泵和液壓缸回路中均采用三位四通電磁換向閥作為換向回路，且采用中位機(jī)能是O型，因?yàn)楫?dāng)運(yùn)動(dòng)到目的地停留時(shí)，讓系統(tǒng)不卸荷。
最后，考慮壓力控制回路。系統(tǒng)的調(diào)壓?jiǎn)栴}已在油路中解決,卸荷問(wèn)題采用先導(dǎo)式溢流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.3.3 擬訂液壓系統(tǒng)圖
液壓系統(tǒng)回路有開(kāi)式和閉式兩種。通過(guò)比較可知閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比緊湊、對(duì)稱(chēng)，但系統(tǒng)較為復(fù)雜，為了保證控制系統(tǒng)能正常工作，需要提供低壓液壓油給控制回路，所以回路中需安排一個(gè)低壓保護(hù)措施來(lái)保證控制正常；在閉式系統(tǒng)中油溫升高后，散熱較慢，需要提供專(zhuān)門(mén)的散熱回路來(lái)冷卻工作油，這就增加了液壓設(shè)備，使系統(tǒng)復(fù)雜化；閉式系統(tǒng)采用容積調(diào)速回路，而容積調(diào)速回路一般是用在大功率，經(jīng)濟(jì)條件允許寬裕的場(chǎng)合。
開(kāi)式回路結(jié)構(gòu)上比閉式回路簡(jiǎn)單，散熱條件好，無(wú)須附加專(zhuān)門(mén)的散熱回路來(lái)冷卻油液，經(jīng)濟(jì)上要求不高，保護(hù)回路易于實(shí)現(xiàn)，采用雙單向節(jié)流調(diào)速，方便快捷亦可實(shí)現(xiàn)容積調(diào)速回路的無(wú)級(jí)調(diào)速，對(duì)于本打包機(jī)比較合適。
3.3.4液壓系統(tǒng)原理圖的分析設(shè)計(jì)
本液壓系統(tǒng)屬于中高壓系統(tǒng)，綜合考慮各種因數(shù)，采用齒輪泵向系統(tǒng)供油。綜合以上各個(gè)部分的調(diào)速回路方案，補(bǔ)充系統(tǒng)的保護(hù)回路，方向控制回路和卸荷回路而設(shè)計(jì)出系統(tǒng)總的液壓原理圖。
其打包的工作過(guò)程如下：
啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，液壓泵開(kāi)始工作，油路上升，電磁鐵Y2通電，換向閥接入左工位，這時(shí)液壓缸上升，將壓縮室門(mén)關(guān)閉；
液壓缸上升到預(yù)定高度，觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，電磁鐵Y2斷電，電磁鐵Y1通電，上輔缸快退，打開(kāi)進(jìn)料口進(jìn)料；
液壓缸快退至左極限位置，觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，電磁鐵Y2得電，上輔缸快進(jìn)，關(guān)閉進(jìn)料口；
液壓缸右行觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，使電磁鐵Y4通電，換向閥接入左工位，主缸快進(jìn)，準(zhǔn)備壓縮金屬塊；
主缸推進(jìn)壓縮金屬塊至某中間位置時(shí)，觸發(fā)壓力繼電器，使電磁鐵Y4通電，行程閥接入右工位，油液通過(guò)調(diào)速閥，對(duì)主缸的速度進(jìn)行控制，主缸工進(jìn)；
隨著主缸推進(jìn)，金屬壓縮成塊，當(dāng)主缸不再前行時(shí)，系統(tǒng)壓力不斷升高，使壓力繼電器起作用，并通過(guò)時(shí)間繼電器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保壓延時(shí)；
而卸荷是時(shí)間繼電器使電磁鐵Y3通電，換向閥以右工位接入，主缸快退；
主缸快退至左極限位置，觸發(fā)電磁鐵YA4，換向閥以右工位接入，下輔缸快退打開(kāi)壓縮室門(mén)；
下輔缸行至下極限位置，觸發(fā)電磁鐵Y4，使換向閥以左工位接入，使主缸快速前進(jìn)，頂出壓縮好的金屬包；
而后，在主缸到達(dá)右限位時(shí)，觸發(fā)電磁鐵Y3，使換向閥以右工位接入，主缸快退，從而完成一個(gè)工作循環(huán)。
表3.3液壓系統(tǒng)工作控制通電表
序號(hào)
工作流程
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
（上）開(kāi)門(mén)進(jìn)料
﹢
﹣
﹣
﹣
﹣
﹣
﹣
關(guān)門(mén)主缸快進(jìn)
﹣
﹢
﹣
﹢
﹣
﹣
﹣
主缸工進(jìn)
﹣
﹢
﹣
﹢
﹢
﹣
﹣
保壓
﹣
﹢
﹣
﹢
﹢﹣
﹣
﹣
主缸快退
﹣
﹢
﹢
﹣
﹣
﹣
﹣
（下）開(kāi)門(mén)主缸快速推出
﹣
﹢
﹢
﹣
﹣
﹣
﹢
主缸退回同時(shí)（下）關(guān)門(mén)
﹣
﹢
﹣
﹢
﹣
﹢
﹣
圖3-1（液壓工作原理圖）
3.4液壓系統(tǒng)的計(jì)算和液壓元件的選定
3.4.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1.1主要參數(shù)的確定
根據(jù)液壓缸的工況特點(diǎn),選擇液壓缸為雙作用單活塞桿式.安裝方式為軸向底座式。根據(jù)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)分析,確定主要尺寸參數(shù)：
液壓缸工作壓力的確定,前已選擇確定p=16MPa
液壓缸內(nèi)徑:根據(jù)需要的液壓缸的理論輸出力F和系統(tǒng)的選定的供油壓力p來(lái)計(jì)算缸筒內(nèi)徑D(m),計(jì)算公式如下:
D=-3=275.8（mm） （3-1）
式中 F----液壓缸的理論輸出力(N)
p----供油壓力(MPa)
根據(jù)以上計(jì)算公式算得的液壓缸內(nèi)徑D的大小,取值并圓整到標(biāo)準(zhǔn)值
取D=500(mm)。
活塞桿直徑:由表2.3可取d=0.7D,得d=350(mm),
查表: 取d=360(mm)
表3.4 機(jī)床液壓缸活塞桿直徑推薦值
活塞桿受力情況
受拉伸
受壓縮,工作壓力p1(MPa)
p1≤5
5
7
活塞桿直徑d
(0.3～0.5)D
(0.5～0.55)D
(0.6～0.7)D
0.7D
液壓缸的行程 主要依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求而定,但為簡(jiǎn)化工藝,降低成本,增加產(chǎn)品通用性,應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)系列值 ,在此取S=1100(mm)
計(jì)算各工作階段液壓缸所需的流量：
q快進(jìn)=2快進(jìn)=241.27/min
q工進(jìn)=2工進(jìn)=60.3 L/min
由于打包機(jī)進(jìn)料口液壓缸壓縮室門(mén)并未從事主要工作,所以在本設(shè)計(jì)中并沒(méi)有對(duì)上下輔缸的流量進(jìn)行過(guò)多的計(jì)算分析,以及隨后的液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算也是只對(duì)主缸進(jìn)行的.
3.4.1.2液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、缸筒
（1）主要技術(shù)要求
有足夠的強(qiáng)度,能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短時(shí)期動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力而不會(huì)產(chǎn)生永久性變形.
有足夠的剛度,能承受活塞側(cè)向力和裝置的反作用力,而不至于產(chǎn)生彎曲.
內(nèi)表面在活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下,能長(zhǎng)期工作,且摩損極少,幾何精度高,確?；钊芊?
（2）結(jié)構(gòu)形式
通常根據(jù)缸筒與缸蓋的連接形式來(lái)選用缸筒結(jié)構(gòu),不同的連接形式有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),要依據(jù)額定的工作壓力 用途 使用環(huán)境等因素合理選用缸筒結(jié)構(gòu),本設(shè)計(jì)中采用的是半環(huán)聯(lián)接的形式,其特點(diǎn)為:結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,易加工,易裝卸,使用廣泛。
（3）材料
缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性,根據(jù)液壓缸的參數(shù) 用途和毛坯的來(lái)源,可選用碳素鋼45號(hào)的無(wú)縫鋼管.
（4）缸筒計(jì)算
缸筒厚度計(jì)算：
=0+c1
式中 0----缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值(m)
c1----缸筒外徑公差余量(m)
缸筒厚度的計(jì)算可有以下幾種情況:
當(dāng) /D≤0.08時(shí),按薄壁缸筒計(jì)算
0≥maxD/（2[]）=42（mm）
式中 D----缸筒內(nèi)徑(m)
pmax——缸筒內(nèi)最高工作壓力,當(dāng)工作壓力p<16Mpa時(shí), pmax=1.5p; 當(dāng)工作壓力p>16Mpa時(shí), pmax=320;
[]----材料的許用應(yīng)力(MPa)，[]=b/n=600/5=105(MPa)
式中 [b]----缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(MPa)
n----安全系數(shù),參考表2.4取n=5。
表3.5 安全系數(shù)n
材料
靜載荷
交變載荷
沖擊載荷
不對(duì)稱(chēng)
對(duì)稱(chēng)
鋼
3
5
8
12
鐵
4
6
10
15
缸筒外徑
D1=D+2=404(mm)
缸筒厚度驗(yàn)算：
對(duì)缸筒壁厚要作以下驗(yàn)算：
額定工作壓力pN(MPa)應(yīng)底于一定極限值,以保證工作安全
pN≤0.35S（D12-D）2/ D12=54MPa
為避免塑性變形,額定工作壓力應(yīng)滿足
pN≤(0.35～0.42)pPl=36.55～43.86MPa
式中 pPl----缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力.
pPl=2.3Slg=104.43（ MPa)
式中 S ----缸筒材料的屈服強(qiáng)度(MPa)
D1----缸筒外徑(m)
D----缸筒內(nèi)徑(m)
pN----額定工作壓力(MPa)
缸筒底部厚度：
當(dāng)缸底為平面且無(wú)油孔時(shí)缸底厚度h為 ：
h=0.433D-3=63.4（mm） (3-2)
式中 D----缸筒內(nèi)徑(m)
D max----缸筒內(nèi)最高工作壓力
[]----缸底材料的許用應(yīng)力(MPa)
缸筒聯(lián)接計(jì)算：
缸筒的主要聯(lián)接形式有：法蘭聯(lián)接式、焊接式，整體式。
法蘭聯(lián)接式強(qiáng)度高，便于拆裝、容易加工，成本低能承受高壓；焊接式強(qiáng)度不高但不便于拆裝，而整體式結(jié)構(gòu)復(fù)雜加工不便。故選用法蘭聯(lián)接式。
缸筒與缸蓋采用法蘭環(huán)聯(lián)接時(shí), 螺栓主要受拉伸應(yīng)力的破壞
缸筒的危險(xiǎn)截面A-A上的拉應(yīng)力（MPa)為 ：
= pmaxD12/[（D1-h）2-D2]=
=91.81（MPa） (3-3)
滿足強(qiáng)度要求。
式中 D1——缸筒的寬度， D1=0.384（m）；
L----卡環(huán)寬度（m） L=0.025（m）
H——卡環(huán)厚度（m） H=0.025（m）
pmax----系統(tǒng)最高工作壓力（MPa）pmax=16.5（MPa）
2、活塞
（1）結(jié)構(gòu)形式
活塞根據(jù)密封裝置的型式來(lái)選用其結(jié)構(gòu)形式,按工作壓力、環(huán)境溫度、介質(zhì)等條件來(lái)選定密封形式為活塞與缸筒采用Y密封圈與活塞桿的密封采用O型密封圈的活塞.其具備密封性能好,摩擦因數(shù)小,安裝空間小,擴(kuò)沖擊,廣泛用于固定密封和運(yùn)動(dòng)密封具有振動(dòng)場(chǎng)合的特點(diǎn)。
（2）活塞與活塞桿的聯(lián)接形式
活塞與活塞桿的聯(lián)接形式采用卡環(huán)聯(lián)接如圖3-2。該聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便不易松動(dòng)、應(yīng)用在高壓、負(fù)載大、有振動(dòng)場(chǎng)合。
圖3-2 活塞聯(lián)接方式
（3）材料
選用碳素鋼20或者35或45鋼。
3、活塞桿
（1）結(jié)構(gòu)
外端部結(jié)構(gòu)形式為焊接聯(lián)接,內(nèi)端部結(jié)構(gòu)形式為卡環(huán)聯(lián)接其中活塞桿與緩沖套之間采用螺紋聯(lián)接。
活塞與活塞桿為卡環(huán)時(shí)卡環(huán)主要受擠壓或者剪切應(yīng)力的影響發(fā)生破壞.
卡環(huán)材料為45鋼
表3.6
熱處理
S MPa
b MPa
S MPa
￠
aku(J/km)
HB
t0.3
tp
MPa
840°C水淬
510°C回火
716
934
17.9
52.9
99.5
254
528
829
（2）卡環(huán)強(qiáng)度校核
活塞的理論拉力F為1250KN
剪切力校核:
A==
t===96MPa<[t]
擠壓應(yīng)力校核:
A=240Χ16mm2
b===168<[b]
（3）活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算
活塞桿全部伸出時(shí)，活塞桿頂端至液壓缸支承點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為計(jì)算長(zhǎng)度l，其值與安裝形式有關(guān)。根據(jù)不同的計(jì)算長(zhǎng)度l和活塞桿d的不同比值，對(duì)活塞桿進(jìn)行不同項(xiàng)目的驗(yàn)算。
l/d≤10時(shí)，屬于短行程活塞缸，主要驗(yàn)算拉壓強(qiáng)度：
==209（mm）， (3-4)
式中 F——活塞桿最大推力（N），為F=1250（KN）
d----活塞桿直徑（m）， d=220（m）
——安全系數(shù)， =2～4；取=4
——活塞桿材料的屈服極限（MPa）
故設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。
4、導(dǎo)向套
（1）導(dǎo)向套的作用
導(dǎo)向套是裝在液壓缸有桿側(cè)的桿蓋內(nèi),用以對(duì)活塞桿導(dǎo)向.導(dǎo)向套的內(nèi)側(cè)裝有密封裝置,保證缸筒有桿腔的密封性,外側(cè)有防塵圈.防止活塞桿內(nèi)縮時(shí)把雜質(zhì)、灰塵、水份等帶到密封裝置區(qū),以致破壞密封裝置。
（2）材料
采用耐磨鑄鐵。
（3）導(dǎo)向套的長(zhǎng)度
對(duì)當(dāng)缸筒內(nèi)徑D>80mm時(shí),導(dǎo)向套的滑動(dòng)面的長(zhǎng)度取(0.6～1.0)d,其中d為活塞桿直徑。
導(dǎo)向套的長(zhǎng)度：
L=0.6d=216(mm)
5、缸頭厚度計(jì)算
螺釘連接法蘭：
(3-5)
式中： F——法蘭所受的總力，
d——密封環(huán)內(nèi)徑（mm）
——密封環(huán)外徑（mm）
P——系統(tǒng)工作壓力（MPa）
q——附加密封力（MPa），若采用金屬材料密封時(shí)，q=
——螺釘孔分布圓直徑（mm）
——密封環(huán)平均直徑（mm）
——法蘭材料的許用應(yīng)力。
3.4.1.3液壓缸的排氣與緩沖
由于各種原因,液壓系統(tǒng)會(huì)混入空氣,影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,如活塞低速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生爬行,啟動(dòng)時(shí)造成沖擊，換向時(shí)降低精度等。因此在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí),必需考慮空氣的排除.對(duì)于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸和大型液壓缸,則需要設(shè)置排氣裝置,如排氣塞或排氣閥等,排氣塞(閥)通常安裝在液壓缸的最高處,雙作用液壓缸應(yīng)安裝兩個(gè)排氣塞(閥).在系統(tǒng)開(kāi)始工作前,先打開(kāi)排氣塞(閥),讓活塞全行程空載往復(fù)數(shù)次(高壓系統(tǒng)應(yīng)將壓力降至0.5～1MPa),把空氣排凈后,再將排氣塞(閥)擰緊關(guān)閉.一般地,閥體材料為30或45碳素鋼;針閥材料為不銹鋼3Cr13;錐部熱處理至硬度38～44HRC.
液壓缸帶動(dòng)工作部件運(yùn)動(dòng)時(shí),因運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量較大,運(yùn)動(dòng)速度較高,則在到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊,甚至使活塞與缸筒端蓋之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞.造成液壓沖擊和噪聲,甚至嚴(yán)重影響工作精度和引起整個(gè)系統(tǒng)及元件的損壞,為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生,因此,在大型高速或要求較高的液壓缸中,往往在行程末端設(shè)置緩沖裝置.緩沖裝置的結(jié)構(gòu)形式很多，但工作原理都是當(dāng)活塞行程快到終點(diǎn)而接近缸蓋時(shí),增大液壓缸回油阻力,使回油腔中產(chǎn)生足夠大的緩沖壓力,使活塞減速,從而防止活塞撞擊缸蓋.
此次設(shè)計(jì)選用的是固定式恒節(jié)流面積.它的工作原理是:當(dāng)活塞移進(jìn)缸蓋時(shí),活塞上的凸臺(tái)進(jìn)入缸蓋的凹腔,將封閉在回油腔的油液從凸臺(tái)和凹腔之間的環(huán)狀縫隙中擠壓出去,使回油腔中壓力升高而形成緩沖壓力,從而使活塞減慢了移動(dòng)速度。
這樣做能使液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化,有利于加工,降低液壓缸的成本,而且緩沖的效果較好。
缸體
排氣閥
圖3-4 排氣裝置
3.4.2選擇液壓元件
1液壓泵的選擇
（1） 液壓泵工作壓力的確定
考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失,所以泵的工作壓力為:
（3-6）
式中 Pp——液壓泵最大工作壓力，
P1——是液壓執(zhí)行元件中的最高工作壓力，
——是泵到執(zhí)行元件間的總的管路損失，初算時(shí)簡(jiǎn)單系統(tǒng)可取0.2～0.5MPa, 復(fù)雜系統(tǒng)可取0.5～1.5MPa,在此取=0.5MPa；
故液壓泵的工作壓力為： Pp= P1+=25.5（MPa）
上述計(jì)算所得的p是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力,考慮到系統(tǒng)在各種工況的過(guò)渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過(guò)靜態(tài)壓力.另外考慮到一定的壓力儲(chǔ)備量,并確保泵的壽命,因此選泵的額定壓力應(yīng)滿足pn≥(1.25～1.6)Pp,中底壓取小值,高壓系統(tǒng)取大值.本次設(shè)計(jì)中取pn=1.6Pp=31.875MPa.
（2） 液壓泵流量的確定：
液壓泵的最大流量應(yīng)為
式中 qp----液壓泵的最大流量
----同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。
KL----系統(tǒng)泄漏系數(shù),一般取KL=1.1～1.3,現(xiàn)取液壓泵的泄漏系數(shù)K=1.2。
求得液壓泵流量為：
334.4 L/min
（3） 選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上算得的和qp,再查閱有關(guān)手冊(cè),現(xiàn)選用柱塞泵，型號(hào)ZBN-H55。技術(shù)規(guī)格：排量：0.3～650ml/r；額定壓力：25MPa ；驅(qū)動(dòng)功率：47KW；轉(zhuǎn)速范圍：300～4000r/min。生產(chǎn)廠家:榆次液壓元件廠按意大利埃托斯公司技術(shù)生產(chǎn)。
2 電動(dòng)機(jī)功率的確定
打包機(jī)在打包的整個(gè)工作過(guò)程中，壓力是不斷變化的，所需要的功率變化很大，為滿足整個(gè)工作工程的需要，按最大功率段來(lái)確定液壓系統(tǒng)油泵電動(dòng)機(jī)的功率。
當(dāng)截割部阻力達(dá)到所測(cè)結(jié)果最大時(shí)，升降缸、牽引部和截割部的壓力均達(dá)到最大值，此時(shí)泵壓力達(dá)到最大；由前述所知泵的供油額定壓力為：32Mpa，泵的流量為： ，取泵的總效率那么泵的驅(qū)動(dòng)功率為：
查電動(dòng)機(jī)樣本；選型號(hào)為Y250-2電動(dòng)機(jī)；額定功率 ；額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。
3 閥類(lèi)元件及輔助元件
（1） 液壓閥的選擇
液壓閥是用來(lái)控制液壓系統(tǒng)中油液的流動(dòng)方向或調(diào)節(jié)其壓力和流量的，因此它可以分為方向閥、壓力閥和流量閥三大類(lèi)。一個(gè)形狀相同的閥，可以因?yàn)樽饔脵C(jī)制不同，具有不同的功能。壓力閥和流量閥利用通流截面的節(jié)流作用控制著系統(tǒng)的壓力和流量，而方向閥則利用通流通道的更換控制著油液的流動(dòng)方向。也就是說(shuō)，盡管液壓閥存在著各種各樣的類(lèi)型，它們之間還保留著一些基本共同之處，例如：
在結(jié)構(gòu)上，所有的閥都由閥體、閥心（座閥或滑閥）和驅(qū)動(dòng)閥心動(dòng)作的元部件（如彈簧、電磁鐵等）組成。
在工作原理上，所有閥的開(kāi)口大小，閥進(jìn)，出口間的壓差以及流過(guò)閥的流量之間的關(guān)系都符合孔口流量公式，僅是各種閥的控制參數(shù)不同而已。
液壓系統(tǒng)中所用的閥有如下基本要求：
<1> 動(dòng)作靈敏，使用可靠，工作時(shí)沖擊和震動(dòng)??；
<2> 油液流過(guò)時(shí)壓力損失?。?
<3> 密封性能好；
<4> 結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、調(diào)整、使用、維護(hù)方便，通用性大。
閥的選擇原理：
1．閥的規(guī)格
根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際通過(guò)該閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時(shí)，要考慮最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最低穩(wěn)定速度要求?？刂崎y的流量一般要選得比實(shí)際通過(guò)的流量大一些，必要時(shí)也允許有 20%以內(nèi)的短時(shí)間過(guò)流量。
2．閥的型式
按照安裝和操作方式選擇。在本系統(tǒng)中工作壓力16Mpa左右，所以液壓閥選中、高壓閥。
所選閥的規(guī)格如下：
（1）齒輪泵相連的溢流閥的選擇：
型號(hào)：YFD※—L32H3，通徑10mm，流量：350ml/min，調(diào)壓范圍:7-21MPa;生產(chǎn)廠家：上海液壓件。
（2）流量控制閥的選擇：
選擇流量控制閥時(shí)主要依據(jù)的是流量閥所在的最大工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量。同時(shí)，還要考慮流量的調(diào)節(jié)范圍、流量—壓力特性、最小穩(wěn)定流量。
單向閥5的選擇：
型號(hào)：DF—B10H3，通徑：10mm，流量：240ml /min，生產(chǎn)廠家：榆次液壓元件廠。
調(diào)速閥10和13的選擇：
型號(hào)：QAE—F6/16D，最高壓力：21MPa，推薦流量：245ml/min，調(diào)節(jié)范圍：21-31.5MPa，生產(chǎn)廠家：保定液壓集團(tuán)公司。
單向調(diào)速閥12的選擇：
型號(hào)：2FRM，通徑：10mm，流量：250mL /min，生產(chǎn)廠家：上海液壓元件二廠。
（3）方向控制閥的選擇：
選擇方向控制閥時(shí)，主要依據(jù)方向閥所在油路的最大工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量，此外，還應(yīng)考慮到方向閥的特點(diǎn)、換向頻率響應(yīng)時(shí)間、操縱方式、閥口壓力損失大小以及閥內(nèi)卸漏的大小等。
二位二通電磁換向閥11的選擇：
型號(hào)：22※—63B，壓力：21MPa，流量：100L /min，生產(chǎn)廠家：榆次液壓元件廠。
三位四通電磁換向閥7、8、9的選擇：
型號(hào)：DG5V-7-8-T-D，最高壓力：21Pa，流量：380mL/min，通徑：10mm，生產(chǎn)廠家：榆次液壓元件廠。
（4）濾油器1的選擇：
濾油器裝在液壓泵吸油管路上，用以保護(hù)液壓泵。型號(hào)：WU—250×F，壓力：25MPa，流量：350mL/min，通徑：15mm，過(guò)濾精度：100um，生產(chǎn)廠家：天津?yàn)V油器廠。
（5）壓力繼電器的選擇：
型號(hào)：1PD—H6L—Y2，通徑：6mm，壓力調(diào)整范圍：4～20MPa，靈敏度：1.5MPa，通斷調(diào)節(jié)區(qū)間：3～12MPa，外泄量：0.15ml/min，生產(chǎn)廠家：榆次液壓元件廠。
（6）壓力表開(kāi)關(guān)的選擇：
壓力表用來(lái)測(cè)量液壓系統(tǒng)的壓力。型號(hào)：KF3—E3B，使用壓力：16MPa，生產(chǎn)廠家：高行液壓元件廠。
4 管道尺寸的確定
管道內(nèi)徑尺寸一般可參照選用的液壓元件接口尺寸而定,也可按管路允許流速進(jìn)行計(jì)算.本系統(tǒng)主油路流量為 差動(dòng)時(shí)流量q=L/min,壓油管的允許流速取v=m/s,則內(nèi)徑d為
（3-7）
式中 ——通過(guò)管道的內(nèi)的流量
v——管內(nèi)允許的流速
為了方便聯(lián)接管道內(nèi)徑由管接頭確定
管接頭選用JB/ZQ4203-86錐密封焊接端直通圈柱管螺紋管接頭管外徑為10mm
和GB5625-1-85擴(kuò)口式端直通管接頭管外徑為10mm
材料為鋼絲編織膠管通徑10,二層鋼絲,工作壓力25MPa ,最小彎曲半徑160.
5 液壓油箱容積的確定
在中高壓或高壓大功率系統(tǒng)中(P>6.3MPa),可取V=(6～12)Pp.
其中 V--- 有效容量,
Pp---液壓泵額定流量。
現(xiàn)選用容量為3000L的油箱。
3.4.3液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算
3.4.3.1發(fā)熱溫升的估算
本系統(tǒng)屬中高壓系統(tǒng)，無(wú)迅速起動(dòng)、制動(dòng)要求，在設(shè)計(jì)中已考慮了防沖擊、可調(diào)環(huán)節(jié)及相關(guān)的防沖措施，故不必進(jìn)行沖擊驗(yàn)算。僅做發(fā)熱溫升驗(yàn)算。
能耗和溫升已成為誘發(fā)各種故障的重要潛在原因，雖然曾進(jìn)行了能耗控制設(shè)計(jì)，但完成各設(shè)計(jì)步驟匯總成整體液壓系統(tǒng)后，發(fā)熱和溫升估算仍需進(jìn)行，以便修改方案采取進(jìn)一步提高效率的措施或判定是否加設(shè)專(zhuān)門(mén)的強(qiáng)迫冷卻裝置等。
系統(tǒng)發(fā)熱主要是由泵及液動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換中的功率損失和系統(tǒng)的壓力和溢流、泄漏等流量損失所造成的。
工進(jìn)在整個(gè)工作循環(huán)中所占的時(shí)間比例較大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，主要考慮工進(jìn)時(shí)的發(fā)熱量，一般情況下，工進(jìn)速度大時(shí)發(fā)熱量大。
工進(jìn)時(shí)=60.3
此時(shí)泵的效率為0.85
泵的出口壓力為25 MPa
=15KW （3-8）
（3-9）
則功率損失
= （3-10）
由此可見(jiàn)工進(jìn)時(shí)的功率損失為最大,發(fā)熱也為最大.
假定系統(tǒng)的散熱狀況一般,取
油箱的散熱面積為:
V-----油箱的容積.即V=2500L
系統(tǒng)溫升為:
即滿足要求。
第4章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC的優(yōu)點(diǎn)：
使用范圍廣、維護(hù)方便、速度快、休積?。痪哂羞壿?、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等能很容易地達(dá)到人們所期望的目標(biāo)。
4.1 PLC控制器的選擇
控制系統(tǒng)采用PLC的控制方式，取代原來(lái)的繼電器控制方式。
PLC的主要特點(diǎn)為：
可靠性高。PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10～20萬(wàn)h，且均有完善的自診斷功能。
結(jié)構(gòu)形式多樣，模塊化組合靈活。有固定式適于小型系統(tǒng)或機(jī)床，組合式適于集控制系統(tǒng)。最少的PLC只有6點(diǎn)，而AB的ControlLogix系統(tǒng)的容量達(dá)128000點(diǎn)。
功能強(qiáng)大。
編程方便，控制具有極大靈活性?！ ?
適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。適應(yīng)高溫、振動(dòng)、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境以及電磁干擾環(huán)境。
安裝簡(jiǎn)單、維修方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短。
與DCS相比，價(jià)格低、性價(jià)比高。
當(dāng)前PLC產(chǎn)品緊跟現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展潮流。
主要類(lèi)型有：
西門(mén)子、三菱、歐姆龍
本次設(shè)計(jì)擬采用日本三菱公司FX2系列的PLC，其優(yōu)點(diǎn)如下：
系統(tǒng)配置既固定又靈活，編程簡(jiǎn)單，備有可自由選擇、豐富的品種，令人放心的高性能、高速運(yùn)算，外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單化以及共同的外部設(shè)備。且PLC控制液壓系統(tǒng)具有高可靠性且控制精確、穩(wěn)定。其具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。輸人信號(hào)直接將按鈕、行程開(kāi)關(guān)、壓力繼電器等各種信號(hào)觸點(diǎn)接到對(duì)應(yīng)的PLC輸人點(diǎn)上；輸出為繼電器方式，將功率元件電磁鐵接在輸出端。繼電器組成具有一定邏輯關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)，控制數(shù)個(gè)電磁鐵按一定的順序通斷，從而控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作。
4.2 系統(tǒng)控制要求
系統(tǒng)控制的要求是利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓操縱系統(tǒng)的控制，從而驅(qū)動(dòng)伺服油缸，實(shí)現(xiàn)液壓閥的準(zhǔn)確動(dòng)作。分析油壓操縱系統(tǒng)原理圖后可知，具體的控制要求為：
啟動(dòng)主機(jī)液壓電機(jī)；
用邏輯錐閥控制系統(tǒng)工作和非工作時(shí)段，工作時(shí)，多余的流量通過(guò)溢流閥流回油箱，非工作時(shí)，邏輯錐閥打開(kāi)，通過(guò)錐閥流回油箱，降低功率損耗同時(shí)也降低溫升。
油壓系統(tǒng)中設(shè)有壓力繼電器和時(shí)間繼電器，壓力繼電器用來(lái)保持系統(tǒng)壓力在允許的壓力范圍，當(dāng)壓力達(dá)到限定范圍時(shí)，觸發(fā)時(shí)間繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保壓延時(shí)；
三位四通閥上的電磁閥1、2、3、4、6、7的通電和斷電來(lái)控制油液的流向，控制各液壓油缸的運(yùn)動(dòng)；二位二通閥上的電磁閥7的通電和斷電來(lái)控制油液的流速，控制主液壓油缸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度。
系統(tǒng)中要有必要的限位保護(hù)。
系統(tǒng)中要有必須的狀態(tài)指示。
4.3 I/O點(diǎn)數(shù)的確定
根據(jù)油壓操縱系統(tǒng)和系統(tǒng)控制要求，可以確定系統(tǒng)輸入和輸出設(shè)備的數(shù)量。
（1）輸入設(shè)備的數(shù)量
齒輪泵的啟動(dòng)和停止按鈕各1個(gè)，液壓電機(jī)的控制按鈕1個(gè)，因此，共需要開(kāi)關(guān)輸入3點(diǎn)。
自動(dòng)操作方式啟動(dòng)按鈕1個(gè)，需要開(kāi)關(guān)輸入1點(diǎn)
油路中的壓力繼電器1個(gè)，需要開(kāi)關(guān)輸入1點(diǎn)。
壓縮金屬塊的行程開(kāi)關(guān)1個(gè)，主缸、上輔缸的左右限位開(kāi)關(guān)各1個(gè)，共需要開(kāi)關(guān)輸入3點(diǎn)；下輔缸的上下限位開(kāi)關(guān)各1個(gè)，共需要開(kāi)關(guān)輸入2點(diǎn)。
因此，總共需要開(kāi)關(guān)量輸入10點(diǎn)。
（２）輸出設(shè)備的數(shù)量
控制液壓電機(jī)啟動(dòng)的交流接觸器1個(gè)，因此，共需要開(kāi)關(guān)量輸出1點(diǎn)。
三位四通閥上的電磁閥1、2、3、4、6、7的交流接觸器各1個(gè)，二位二通閥上的電磁閥5的交流接觸器各1個(gè)。因此，共需要開(kāi)關(guān)量輸出7點(diǎn)。
主泵和備用泵的啟動(dòng)指示燈各1個(gè)，主泵和備用泵的卸荷指示燈各1個(gè)，擠壓工作和回程指示燈各1個(gè)，穿孔工作和回程指示燈各1個(gè)，因此，共需要開(kāi)關(guān)量輸出8點(diǎn)。
因此，總共需要開(kāi)關(guān)量輸出10點(diǎn)。
（３）PLC選型
考慮到I/O各留10%的余量，應(yīng)選開(kāi)關(guān)量輸入48點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出48點(diǎn)的PLC，確定選用三菱的FX2-４８型PLC。
4.4畫(huà)流程圖與梯形圖以及編寫(xiě)單片機(jī)程序
略
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[20]、劉鴻文 ，主編 《 材料力學(xué) 》 [M]，高等教育出版社，2002
總 結(jié)
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)階段最后一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是對(duì)大學(xué)幾年學(xué)習(xí)的總結(jié)，對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合檢測(cè)，在整個(gè)大學(xué)教學(xué)任務(wù)中事關(guān)重要的一環(huán)。對(duì)提高我們綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力和專(zhuān)業(yè)技能都有很大幫助。從資料搜集、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)到設(shè)計(jì)任務(wù)的完成，本人在各個(gè)方面都得到了很大的鍛煉與收獲，真正體會(huì)到了做學(xué)問(wèn)的嚴(yán)謹(jǐn)，也體會(huì)到了實(shí)際工程設(shè)計(jì)的要實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，更重要的是，在設(shè)計(jì)過(guò)程中認(rèn)識(shí)到實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意的問(wèn)題。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在隆文革老師的指導(dǎo)和幫助下完成的。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，從方案確定到設(shè)計(jì)的完成都得到了隆文革老師的熱心指導(dǎo),指出不少內(nèi)在問(wèn)題及提出合理的解決方案才使我們克服層層困難,避開(kāi)絆腳石的阻撓,讓本次設(shè)計(jì)順利的完成。另外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我們同組同學(xué)各個(gè)都很熱情，在努力完成自己設(shè)計(jì)任務(wù)的前提下，充分發(fā)揮團(tuán)結(jié)互助的精神，樂(lè)于幫忙、共同進(jìn)步，在此我對(duì)指導(dǎo)我的老師和幫助我的同組成員表示衷心的感謝
致 謝
畢業(yè)之際，借此機(jī)會(huì)向幾年來(lái)給予我教導(dǎo)的各位老師表示由衷的感謝，是他們的辛勤勞動(dòng)、孜孜教誨使我具備了扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，構(gòu)建了完整的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系，為此次畢業(yè)設(shè)計(jì)作了最好的理論鋪墊，也為將來(lái)能杰出地工作打下了堅(jiān)實(shí)地基礎(chǔ)。同時(shí)感謝機(jī)械系的老師們這幾年來(lái)對(duì)我辛勤的引導(dǎo)、教育，讓我能夠樹(shù)立正確的人生觀和世界觀,為往后的人生道路打下堅(jiān)定的基礎(chǔ);同時(shí)也感謝給予我?guī)椭耐瑢W(xué)們。
附 錄
1. 畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告
2. 課題任務(wù)書(shū)
3. 外文翻譯
4. 打包機(jī)裝配圖 (A0)
5. 液壓缸裝配圖（A1）
6. 缸蓋 (A3)
7. 前缸套 (A3)
8. 后缸套 (A3)
9. 緩沖套 (A3