液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 全面理解设计要求 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。 拟定控制方案、绘制系统原理图 在全面了解设计要求之后，可根据不同的控制对象，按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，方块图如图36所示。图36 阀控液压缸位置控制系统方块图表6 液压伺服系统控制方式的基本类型伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成机液电液气液电气液 模拟量数字量位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动摆动运动旋转运动 1.阀控制：阀-液压缸，阀-液压马达2.容积控制：变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀-液压缸-变量泵-液压马达3.其它：步近式力矩马达 动力元件参数选择 动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。 动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。 供油压力的选择 选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件——液压缸的活塞面积（或液压马达的排量），因而泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑，同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势，元件的加工精度也要求提高，系统的造价也随之提高。同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。 常用的供油压力等级为7MPa到28MPa，可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定 如上所述，动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外，还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。 （1）动力元件的输出特性 将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换绘于υ－FL平面上，所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性，见图37。 图37 参数变化对动力机构输出特性的影响a）供油压力变化；b）伺服阀容量变化；c）液压缸面积变化 图中 FL——负载力，FL=pLA； pL——伺服阀工作压力； A——液压缸有效面积； υ——液压缸活塞速度， ； qL——伺服阀的流量； q0——伺服阀的空载流量； ps——供油压力。 由图37可见，当伺服阀规格和液压缸面积不变，提高供油压力，曲线向外扩展，最大功率提高，最大功率点右移，如图37a。 当供油压力和液压缸面积不变，加大伺服阀规格，曲线变高，曲线的顶点A ps不变，最大功率提高，最大功率点不变，如图37b。 当供油压力和伺服阀规格不变，加大液压缸面积A，曲线变低，顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移，如图37c。 （2）负载最佳匹配图解法 在负载轨迹曲线υ－FL平面上，画出动力元件输出特性曲线，调整参数，使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切，符合负载最佳匹配条件，而曲线1、3上的工作点α和b，虽能拖动负载，但效率都较低。 （3）负载最佳匹配的解析法 参见液压动力元件的负载匹配。 （4）近似计算法在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定 FLmax≤pLA= ，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算： （37） 图38 动力元件与负载匹配图形 按式37求得A值后，可计算负载流量qL，即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便，然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能，但传递效率稍低。 （5）按液压固有频率选择动力元件 对功率和负载很小的液压伺服系统来说，功率损耗不是主要问题，可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。 四边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （38） 二边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （39） 液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的（5～10）倍来确定。对一些干扰力大，负载轨迹形状比较复杂的系统，不能按上述的几种方法计算动力元件，只能通过作图法来确定动力元件。 计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度 ，就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时，应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是：在满足液压固有频率的要求下，传动比最小，这就是最佳传动比。 伺服阀的选择 根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL（即要求伺服阀输出的流量）计算得到的伺服阀空载流量q0，即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。 除了流量参数外，在选择伺服阀时，还应考虑以下因素： 1）伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀，因为这类阀具有较高的压力增益，可使动力元件有较大的刚度，并可提高系统的快速性与控制精度。 2）伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。 3）伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小，保证由此引起的系统误差不超出设计要求。 4）其它要求，如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等，都有一定要求。 执行元件的选择 液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件，直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计，除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A（或液压马达排量D）的最佳值外，还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。 反馈传感器的选择 根据所检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。 传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。 确定系统方块图 根据系统原理图及系统各环节的传递函数，即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式，只要把相应的符号变换一下即可。 绘制系统开环波德图并确定开环增益 系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数，求出波德图。在绘制波德图时，需要确定系统的开环增益K。 改变系统的开环增益K时，开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数，曲线的形状不变，其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性，在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低，来获得与闭环系统要求相适应的K值。 由系统的稳态精度要求确定K 由控制原理可知，不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此，可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。 由系统的频宽要求确定K 分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道，当ζh和K/ωh都很小时，可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率，即ω-3dB≈ωc，所以可绘制对数幅频曲线，使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。由此图可得K值。 图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性a）0型系统；b）I型系统 由系统相对稳定性确定K 系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图，同样也可以得到K。见图40。 实际上通过作图来确定系统的开环增益K，往往要综合考虑，尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。 系统静动态品质分析及确定校正特性 在确定了系统传递函数的各项参数后，可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直到满足系统的要求。 仿真分析 在系统的传递函数初步确定后，可以通过计算机对该系统进行数字仿真，以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件，如Matlab软件，很适合仿真分析。
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液压控制技术源于传统机械技术，又融合了控制理论、精密制造、新材料、自动化和智能化的检测、传感器以及信息技术等，液压产品和装置本身是一种技术的融合和系统集成25。作为传统水介质流体传动与控制技术的替代者，液压技术具有高功率密度、快速的动态响应、柔性自润滑、容易实现平稳且精确控制的特点，推动和影响了现代的航天航空、船舶、工程机械、机床等装备制造领域技术的进步和发展。 在液压技术的发展过程中，随着科技的进步，液压技术逐渐融合了电子技术、计算机集成设计技术、信息技术等，在技术水平、工作效率等方面都得到了很大提高。二通插装阀集成阀块融合了比例控制技术、机电液一体化技术、集成模块化技术、精密制造技术等，已成为液压件行业最为突出的技术特点与发展趋势。 （1）比例控制技术 在应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是系统的输出量，如压力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成比例地得到控制的，均可称为比例控制系统。根据输入控制信号方式，可区分为手动控制和电液控制；根据控制系统构成特点和技术特性，电液控制可进一步分为电液伺服控制和电液比例控制。 电液比例控制技术是在以开环传动为主要特征的传统液压传动技术和以闭环控制为特征的电液伺服控制技术基础上，为适应一般工程系统对传动与控制特性提出的更高的要求的一种控制技术。目前，电液比例控制技术已成为工业机械、工程建设机械及国防尖端产品不可或缺的重要手段。20 世纪80 年代，比例控制技术和插装阀相结合，开发出不同功能和规格的二通、三通比例插装阀，形成了80 年代电液比例插装技术；20 世纪90 年代中后期开始，比例控制技术在固定工程设备上不断得到广泛应用的同时，开始大量进入行走机械领域，各种节能的负载敏感控制、负载适应控制等节能器件与系统日益增多。比例控制系统是联系微电子技术与工程功率系统的接口，就其本质而言，则是电子-液压-机械放大转换系统，它可以明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，可以利用电信号便于实现远距离控制或遥控，也可以利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标。电液比例控制技术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。 （2）机电液一体化技术 将电子控制装置安装在液压阀、缸或泵等液压件上，通过集成化处理，由比例电磁铁、力矩马达等电机转换器将电信号转换为机械液压信号后，可利用计算机、可编程控制器等实现各种精确控制，也可利用网络总线等对主机进行远程控制及无线遥控，由此实现液压元件“功率级”与电气软硬件“控制级”的结合，即为液压技术与电子技术的结合。 随着液压技术与电子技术的不断结合，机电一体化程度越来越高的液压系统及液压件产品在现代机电设备中具有广阔的应用前景与发展空间。 （3）集成化和模块化技术 液压技术与电子技术结合的过程中，液压技术自身也在迅速地提升与演进，不断向高压、大流量、集成化等方向发展，液压件也日渐集成化、模块化，其突出的表现便是液压阀的集成模块化趋势。 液压阀由于具有标准化、组合化和通用化的良好基础，在其演化发展历程中始终伴随着集成化、模块化的过程，液压阀产品在功能、结构和接口层面不断得到改进。在连接方式上，液压阀最初通过管道采用螺纹接头和法兰连接；此后，为了克服管式连接的缺点，引进了过渡底板，使得板式连接和管道安装得到兼顾；后来，随着少管化和无管化的发展，出现了公用过渡块和叠加式连接；随着设计和工艺技术的进步，集成化进一步得到发展，液压控制元件也进一步从“安装面”模块化叠加到“安装孔”块式集成；最后，以集成块为主的液压控制形式迅速普及和多样化，集成块日趋多样化和定制化。
同学 你是不是九江船校的学生啊？
根据功率和速度来选阀门，位移靠压力和流量实现
①液压伺服系统是一个自动位置跟随系统，输出量能够自动地跟随输入量的变化规律发生变化。
②液压伺服系统是一个负反馈系统。因为缸体和阀体的刚性连接使输出信号与输入信号变化方向相反，叠加的结果将使净输入信号减弱以至消除，所以液压伺服系统是一个负反馈系统。如果没有负反馈，只要控制滑阀的控制口有一个输入位移，液压缸就会以一定的速度运动，一直到走完缸的全部行程为止。所以说反馈环节是液压伺服系统中必不可少的组成部分。
③液压伺服系统是一个功率(或力)的放大系统。移动滑阀所需信号的功率很小，而系统的输出功率是由液压缸的压力油的流量和压力决定的，可以很大，输出力比输入力大几百倍甚至数千倍。
④液压伺服系统是一个误差系统。液压缸位移xo和阀芯位移xi之间不存在偏差时(即当控制滑阀处于零位)，系统处于静止状态。由此可见，欲使系统有输出信号，首先必须保证控制滑阀具有一个开口量，即xi≠0。系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也就是说没有误差，伺服系统就不工作而处于静止状态。
这是油缸内置尺寸图 你看看
上海星宇高科应用技术研究室
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①液压伺服系统是一个自动位置跟随系统，输出量能够自动地跟随输入量的变化规律发生变化。
②液压伺服系统是一个负反馈系统。因为缸体和阀体的刚性连接使输出信号与输入信号变化方向相反，叠加的结果将使净输入信号减弱以至消除，所以液压伺服系统是一个负反馈系统。如果没有负反馈，只要控制滑阀的控制口有一个输入位移，液压缸就会以一定的速度运动，一直到走完缸的全部行程为止。所以说反馈环节是液压伺服系统中必不可少的组成部分。
③液压伺服系统是一个功率(或力)的放大系统。移动滑阀所需信号的功率很小，而系统的输出功率是由液压缸的压力油的流量和压力决定的，可以很大，输出力比输入力大几百倍甚至数千倍。
④液压伺服系统是一个误差系统。液压缸位移xo和阀芯位移xi之间不存在偏差时(即当控制滑阀处于零位)，系统处于静止状态。由此可见，欲使系统有输出信号，首先必须保证控制滑阀具有一个开口量，即xi≠0。系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也就是说没有误差，伺服系统就不工作而处于静止状态。
液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 全面理解设计要求 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。 拟定控制方案、绘制系统原理图 在全面了解设计要求之后，可根据不同的控制对象，按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，方块图如图36所示。图36 阀控液压缸位置控制系统方块图表6 液压伺服系统控制方式的基本类型伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成机液电液气液电气液 模拟量数字量位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动摆动运动旋转运动 1.阀控制：阀-液压缸，阀-液压马达2.容积控制：变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀-液压缸-变量泵-液压马达3.其它：步近式力矩马达 动力元件参数选择 动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。 动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。 供油压力的选择 选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件——液压缸的活塞面积（或液压马达的排量），因而泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑，同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势，元件的加工精度也要求提高，系统的造价也随之提高。同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。 常用的供油压力等级为7MPa到28MPa，可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定 如上所述，动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外，还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。 （1）动力元件的输出特性 将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换绘于υ－FL平面上，所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性，见图37。 图37 参数变化对动力机构输出特性的影响a）供油压力变化；b）伺服阀容量变化；c）液压缸面积变化 图中 FL——负载力，FL=pLA； pL——伺服阀工作压力； A——液压缸有效面积； υ——液压缸活塞速度， ； qL——伺服阀的流量； q0——伺服阀的空载流量； ps——供油压力。 由图37可见，当伺服阀规格和液压缸面积不变，提高供油压力，曲线向外扩展，最大功率提高，最大功率点右移，如图37a。 当供油压力和液压缸面积不变，加大伺服阀规格，曲线变高，曲线的顶点A ps不变，最大功率提高，最大功率点不变，如图37b。 当供油压力和伺服阀规格不变，加大液压缸面积A，曲线变低，顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移，如图37c。 （2）负载最佳匹配图解法 在负载轨迹曲线υ－FL平面上，画出动力元件输出特性曲线，调整参数，使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切，符合负载最佳匹配条件，而曲线1、3上的工作点α和b，虽能拖动负载，但效率都较低。 （3）负载最佳匹配的解析法 参见液压动力元件的负载匹配。 （4）近似计算法在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定 FLmax≤pLA= ，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算： （37） 图38 动力元件与负载匹配图形 按式37求得A值后，可计算负载流量qL，即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便，然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能，但传递效率稍低。 （5）按液压固有频率选择动力元件 对功率和负载很小的液压伺服系统来说，功率损耗不是主要问题，可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。 四边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （38） 二边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （39） 液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的（5～10）倍来确定。对一些干扰力大，负载轨迹形状比较复杂的系统，不能按上述的几种方法计算动力元件，只能通过作图法来确定动力元件。 计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度 ，就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时，应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是：在满足液压固有频率的要求下，传动比最小，这就是最佳传动比。 伺服阀的选择 根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL（即要求伺服阀输出的流量）计算得到的伺服阀空载流量q0，即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。 除了流量参数外，在选择伺服阀时，还应考虑以下因素： 1）伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀，因为这类阀具有较高的压力增益，可使动力元件有较大的刚度，并可提高系统的快速性与控制精度。 2）伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。 3）伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小，保证由此引起的系统误差不超出设计要求。 4）其它要求，如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等，都有一定要求。 执行元件的选择 液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件，直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计，除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A（或液压马达排量D）的最佳值外，还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。 反馈传感器的选择 根据所检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。 传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。 确定系统方块图 根据系统原理图及系统各环节的传递函数，即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式，只要把相应的符号变换一下即可。 绘制系统开环波德图并确定开环增益 系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数，求出波德图。在绘制波德图时，需要确定系统的开环增益K。 改变系统的开环增益K时，开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数，曲线的形状不变，其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性，在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低，来获得与闭环系统要求相适应的K值。 由系统的稳态精度要求确定K 由控制原理可知，不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此，可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。 由系统的频宽要求确定K 分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道，当ζh和K/ωh都很小时，可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率，即ω-3dB≈ωc，所以可绘制对数幅频曲线，使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。由此图可得K值。 图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性a）0型系统；b）I型系统 由系统相对稳定性确定K 系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图，同样也可以得到K。见图40。 实际上通过作图来确定系统的开环增益K，往往要综合考虑，尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。 系统静动态品质分析及确定校正特性 在确定了系统传递函数的各项参数后，可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直到满足系统的要求。 仿真分析 在系统的传递函数初步确定后，可以通过计算机对该系统进行数字仿真，以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件，如Matlab软件，很适合仿真分析。
大学是干嘛的地方？无论多高的学历和职称，不会设计、制造教具，不会设计、制造教学仪器，不会维修仪器和设备；用你父母的钱进口教学仪器模仿了委托工厂仿制就是佼佼者；用你父母的钱请校外的人来维修设备、从校外采购配件；用你父母的钱请教学仪器生产企业提供教学实验讲义，将作者填上他们的名字就有教学突出成就奖；教你背诵的公式和外语，永远也比不上美国麻省理工学院在网上公开的教材内容。学生也不要埋怨学费贵，除了上面教师的原因，你们自己的基础实验、专业课就上的迷迷糊糊的，高额投资下的创新实验项目、挑战杯、科技竞赛、毕业论文、商业开发，都见不得阳光，将真金白银变成了一堆堆的垃圾！！！！
液压传动系统的故障分析与排故液压传动是以液压油为工作介质进行能量转换和动力传递的，它具有传送能量大、布局容易、结构紧凑、换向方便、转动平稳均匀、容易完成复杂动作等优点，因而广泛应用于工程机械领域。但是，液压传动的故障往往不容易从外部表面现象和声响特征中准确地判断出故障发生的部位和原因，而准确迅速地查出故障发生的部位和原因，并及时排除。在工程机械的使用、管理和维修中是十分重要的。��1 液压系统的主要故障��在相对运动的液压元件表面、液压油密封件、管路接头处以及控制元件部分，往往容易出现泄漏、油温过高、出现噪音以及电液结合部分执行动作失灵等现象。具体表现：一是管子、管接头处及密封面处的泄漏，它不仅增加了液压油的耗油量，脏污机器的表面，而且影响执行元件的正常工作。二是执行动作迟缓和无力，表现为推土机铲刀提升缓慢、切土困难，挖掘机挖掘无力、油马达转不起来或转速过低等。三是液压系统产生振动和噪音。四是其他元件出现异常。��2 故障的检查�� 直接检查法 �凭借维修人员的感觉、经验和简单工具，定性分析判断故障产生的原因，并提出解决的办法。 � 仪器仪表检测法 �在直接观察的基础上，根据发生故障的特征和经验，采取各种检查仪器仪表，对液压系统的流量、压力、油温及液压元件转速直通式检测，对振动噪音和磨损微粒进行量的分析。 � 元件置换法 �以备用元件逐一换下可能发生故障的元件，观察液压系统的故障是否消除，继而找出发生故障的部位和原因，予以排除。在施工现场，体积较大、不易拆装且储备件较少的元件，不宜采用这种方法。但对于如平衡阀、溢流阀及单向阀之类的体积小，易拆装的元件，采用置换法是比较方便的。 � 定期按时监控和诊断�根据各种机械型号、检查内容和时间的规定，按出厂要求的时间和部位，通过专业检测、监控和诊断来检测元器件技术状况，及时发现可能出现的异常隐患，这是使液压系统的故障消灭在发生之前的一种科学技术手段。当然，执行定期检测法，首先要培养一些专业技术检测人员，使他们既精通工程机械液压元件的构造和原理，又掌握和钻研检测液压传动系统的各种诊断技术，在不断积累靠人的直感判断故障经验的同时，逐步发展不解体诊断技术，来完成技术数据采集，辅以电脑来分析判断故障的原因及排除方法。��3 液压系统的故障预防�� 保证液压油的清洁度 �正确使用标定的和要求使用的液压油及其相应的替代品(详参《工程机械油料手册》)，防止液压油中侵入污物和杂质。因为在液压传动系统中，液压油既是工作介质，又是润滑剂，所以油液的清洁度对系统的性能，对元件的可靠性、安全性、效率和使用寿命等影响极大。液压元件的配合精度极高，对油液中的污物杂质所造成的淤积、阻塞、擦伤和腐蚀等情况反应更为敏感。 �造成污物杂质侵入液压油的主要原因，一是执行元件外部不清洁；二是检查油量状况时不注意；三是加油时未用120目的滤网过滤；四是使用的容器和用具不洁净； 五是磨损严重和损坏的密封件不能及时更换；六是检查修理时，热弯管路和接头焊修产生的锈皮杂质清理不净；七是油液贮存不当等等。�在使用检查修理过程中，应注意解决这些问题，以减少和防止液压系统故障的发生。 � 防止液压油中混入空气 �液压系统中液压油是不可压缩的，但空气可压缩性很大，即使系统中含有少量空气，它的影响也是非常大的。溶解在油液中的空气，在压力较低时，就会从油中逸出产生气泡，形成空穴现象；到了高压区，在压力的冲击下，这些气泡又很快被击碎，急剧受到压缩，使系统产生噪音。同时，气体突然受到压缩时，就会放出大量的热能，因而引起局部受热，使液压元件和液压油受到损坏，工作不稳定，有时会引起冲击性振动。 �故必须防止空气进入液压系统。具体做法：一是避免油管破裂、接头松动、密封件损坏；二是加油时，避免不适当地向下倾倒；三是回油管插入油面以下；四是避免液压泵入口滤油器阻塞使吸油阻力增大，不能把溶解在油中的空气分离出来。 � 防止液压油温度过度�液压系统中的油液的工作温度一般在30℃～80℃范围内比较好，在使用时必须注意防止油温过高。如油箱中的油面不够，液压油冷却器散热性能不良，系统效率太低，元件容量小，流速过高，选用油液粘度不正确，它们都会使油温升高过快。粘度高增加油液流动时的能量损耗，粘度低会使泄漏增多，因此在使用中能注意并检查这些问题，就可以预防油温过高。此外对液压油定期过滤，定期进行物理性能检验，既能保证液压系统的工作性能，又能减少液压元件的磨损和腐蚀，延长油液和液压元件的使用寿命。��4 液压系统的故障分析�� 传动系统分析法 �工程机械的液压传动系统如果维护得好，一般说来故障是比较少的。由于密封件老化、变质和磨损而产生外泄是很容易观察到的，根据具体情况可设法排除。但是如果液压元件的内部发生了故障是观察不到的，往往不容易一下子就找出原因，有时虽然是同样的故障现象，但产生的原因却不一定相同，要想准确而迅速地找出液压元件的故障的部位和原因，首先要根据发生故障元件的构造图、系统图，分析了解和研究元件的工作原理和特性，再使了解的构造原理与实物对号，具体情况具体分析，检查寻找故障发生的部位和产生的原因，以便采取相应的技术措施来排除故障。 � 逻辑流程分析法 �此方法是根据液压传动系统的基本原理进行逻辑分析，减少怀疑对象，逐步逼近找出故障发生的部位和原因。��5 液压系统故障的排除��(1) 液压系统中管子、管子接头和焊接处，由于振动频率较高，常常发生破坏。在换用时要根据压力和使用场合，选用强度足够，内壁光滑清洁，无砂、无伤、无锈蚀、无氧化皮的管子。当管子需要焊接时，最好采用加套管的办法，因为对接可能使管的内径局部缩小；截段时，油管的截面与管子轴线的不垂直度不得大于°，并清除铁屑和锐边倒钝。当管子支承距离过大或支承松动时要设卡固定拧紧，当弯曲半径过小时，易形成弯曲应力，弯曲半径一般应大于管外径的3倍。 �在密封表面处，密封元件的老化变质会使泄漏量增大。密封件的有效寿命通常是：固定元件之间的密封寿命时间为10000h，运动元件之间密封寿命时间为1500h～2000h。到了规定的使用寿命时间后，即使还可用的元件也应该更换。密封面的泄漏还与预压面的压力不够或不均匀有关。预压量增大时，其封油量压力增大，密封效果好，反之则差。再者摩擦表面光洁度与硬度不足也会缩短密封件的寿命。 �密封件设计不合理以及安装时扭曲刮伤也是导致密封圈早期磨损而引起泄漏的原因。 �油液中杂质过多，易加速密封件与摩擦表面的磨损，形成密封件的早期失效，油封工作温度过高或过低也会影响其寿命和工作性能。� (2) 执行元件运动的速度降低，主要是由于输入执行元件的液压油流量不足；执行元件无力的原因主要是输入液压油压力不足，以及回油管路背压过高等因素所造成的。 �工程机械液压系统所用的油泵多为齿轮泵，其工作压力为210×102kPa，柱塞泵的工作压力可达320×102kPa。泵的输出压力是由荷载决定的，并随着荷载的变化而变化。荷载无限增加，泵的压力也无限升高，直到系统某一部分被破坏。对于齿轮泵：主要是轴承、齿轮啮合面、齿顶与壳体、齿轮端面与泵盖间的磨损和密封件的磨损、老化、损坏使齿轮泵的内漏表现更为突出。在一定转速与一定压力下，对无端面间隙补偿的齿轮泵，其轴线磨损引起的泄漏约占全部内漏量的75%～85%，齿顶间隙内漏量约占15%～20%，其他内漏约占4%～5%，因此我们要抓住主要问题，采取有效的技术措施予以解决，就能使泵恢复其原有性能。 �在维修工作中，我们发现使用了一定时间的齿轮泵，由于啮合挤压，在齿顶和端面会产生毛刺，使泵体和端盖的磨损加剧，尤其是铝合金泵盖更为严重。如能定期修理检查，用油石磨掉所产生的毛刺，则可以延长油泵的寿命。叶片泵的主要故障是定子、叶片、转子、轴承和两侧配流盘的磨损，定子的内表面是由圆弧和过渡曲线组成的，过渡曲线如果采用“阿基米德”螺旋线，则叶片径向等速运动。实践证明，当我们将叶片泵解体修理时，定子内表面就在曲线与圆弧连接部分磨损最严重，换掉磨损严重的定子，可以使叶片泵恢复原有的性能，采用这种修理方法是比较经济的。叶片泵转子、叶片的使用寿命约相当于定子使用寿命的两倍，这在备料时应予以考虑。 �(3) 液压系统的蓄能器是用来调节能量、贮存能量、减少设备容积、降低功率消耗、减少系统发热、缓冲吸收冲击和脉动压力的辅助元件。常见的蓄能器有胶囊式的，它具有漏气损失小、反应灵敏、可以吸收急速的压力冲击和脉动、重量轻、体积小等特点。蓄能器发生故障会影响液压系统的正常工作，因此在检查气压量不足时，应按时充入惰性气体。 �(4) 液压系统中，要求装备精度高的还有液压马达。如果注意日常维护和保养，防止油液污染，一般不会发生故障，进入液压马达的油液须仔细过滤，以减少杂质，防止过快磨损。修理后的马达，应注满干净的液压油，排尽系统中的空气。确定不了马达是否有故障，最好不要拆卸，这样可减少污染的机会和保持配合的精度。液压缸是液压系统中的执行元件，常见的故障有漏油和运动不正常。缸头因密封件损坏而外泄，应立即更换密封件；油缸运动不正常有油缸内漏、油路中有空气、活塞密封件老化和损坏、油液有杂质、平衡阀发生故障等。 �(5) 控制元件是用来实现系统和执行元件对压力、流量方向的要求的。控制阀及时控制系统中最重要的元件，由于阀的配合一般都比较精密，所以在修理时应特别注意，不需拆阀芯的尽量不要抽出阀芯；配合副方位不要错乱，偶件不要互换；螺丝的拧紧力矩要均匀一致，锥形阀芯的接触线磨损可采用研磨修正接触线的办法解决；回位弹簧疲劳时，可予更换。
摘要 5 1 绪论 25-32 国内外液压机技术现状及发展趋势 25-29 课题研究意义和研究内容 29-32 2 整体方案及重要参数的确定 32-39 整体方案的提出与确定 32-35 系统主要参数的确定及主要元器件的选型 35-37 高速数控压机液压系统工作原理 37-39 3 液压系统建模 39-52 建模的基本要求 39-40 比例阀数学模型 40-41 阀控缸数学模型的建立 41-50 液压系统最终数学模型 50 系统参数的确定 50-52 4 系统仿真 52-56 概述 52-53 稳定性分析 53-56 5 PID控制器设计 56-62 PID控制方法简介 56-57 PID控制方法设计 57-60 总体仿真 60-62 6 PID控制策略的工程实现 62-71 给定值处理 62-63 被控量处理 63-64 偏差处理 64-66 控制策略的实现 66-67 控制量处理 67-68 自动手动切换 68-71 7 系统硬件和软件设计 71-78 机械设计 71-73 控制系统设计 73-78 8 结论 78-79 致谢 79-80
课题名称四柱压力机的设计（电子控制） 姓 名 陈晨 学 号 060503350715 专 业 机电一体化 班 级 06机电 指导老师 曹晓冶 2009年 03 月目录1. 课题- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -12. 课题简介 技术要求及设计参数3. 油压机的介绍4.设计前油压机是电机厂的专用设备。5．油压机的总体结构及油压机压制工安全操作规程。6.总体设计对液压缸的要求7.液压缸的密封8.油缸的缓冲和排气9.液压控制原理图及油器和阀类压力顺损失分析10.电控设计11.课程总结12.设计总结13.参考资料14.毕业实习报告 一． 设计课题 四柱液压机二． 课题简介 具体要求及主要参数四柱压力机为中型油压机。一般用于成型压力机针对电机厂压轴的要求进行设计。利用液腔、电控装置采用四轴单缸散梁的 结构，力求工作平稳效率等、操作方便。具体要求、主要参数。1. 四柱式下压结构、活动横梁上下运动，为方便于吊梁起见，有手动小车及卸载导轨。2. 压机公称压。40吨3. 活动横梁行程。600mm4. 活动横梁下行速度。17mm/s5. 电机效率。左右6. 活动横梁返回速度。50mm/s7. 油缸公称压力 P=250kgf/cm8. 选用10YcY14-1。柱塞变量泵 三． 油压机的介绍油压机由主机及控制机构两大部分组成。油压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及充液装置等。动力机构由油箱、高压泵、低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。动力机构在电气装置的控制下，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。油压机是电机厂的专用设备，是将转子的轴压进转子中。（1）油压机的分类 利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械，种类很多。当然，用途也根据需要是多种多样的。如按传递压强的液体种类来分，有油压机和水压机两大类。水压机产生的总压力较大，常用于锻造和冲压。锻造水压机又分为模锻水压机和自由锻水压机两种。模锻水压机要用模具，而自由锻水压机不用模具。我国制造的第一台万吨水压机就是自由锻造水压机。油压机按结构形式现主要分为：四柱式油压机、单柱式（C型）油压机、卧式油压机、立式框架油压机等。（2） 油压机的用途 主要分为金属成型液压机、折弯液压机、拉伸液压机、冲裁液压机、粉未（金属，非金属）成型液压机、压装液压机、挤压液压机等（3） 油压机工作原理 液压传动是利用液体压力来传递动力和进行控制的一种传动方式． 液压装置是由液压泵，液压缸（液压马达等执行机构），液压控制阀和液压辅助元件 液压泵：将机械能转换成液压能的转化装置． 液压缸（液压马达等执行机构）：将液压能转化为机械能． 控制阀：控制液压油的流量，流向，压力，液压执行机构的工作顺序等及保护液压回路作用．讲的通俗一点就是控制和调节液压介质的流向，压力和流量．从而控制执行机构的运动方向，输出的力或力矩．运动速度．动作顺序，以及限制和调节液压系统的工作压力，防止过载等作用（如单向阀，换向阀，溢流阀，减压阀，顺序阀，节流阀．调速阀等） 辅助元件：1、油箱：用来储油，散热．分离油中空气和杂质作用 2、油管及油管接头 3、滤油器 4、压力表 5、密封元件四． 设计前油压机是电机厂的专用设备。 为了更好的地完成设计课题。我们多次前往南通电机厂实地参观参考仔细了解了工作全过程。1. 活动横梁起动，并以17mm/s速度下行。2. 当活动横梁压入转子时，吨位加大导致转子的轴压入转子。3. 到位后，活动横梁速度为零。瞬间的停止谓之保持状态。4. 活动横梁回程运动，以吨位50mm/s速度上行，完成一个工件的工作过程。另外，我们也对其他压力机有了较为详尽的了解参阅有关情报资料，为设计油压机打下基础。五．油压机的总体结构及油压机压制工安全操作规程。油压机一般有主体（主机）操作系统及泵站等三大部分组成。泵站为动力源，供给液压机各执行结构以及控制机构予以高压液体。操作系统属于控制结构，它通过控制工作液体流向来使各执行机构按工艺要求完成应有的动作，本体为液压机执行机构。总体布局：按照工艺要求，液压机三面须留有1米的观察空间，以观察工件的渗透情况。根据此要求，泵站布置在距主机1米处，油管从上面横跨于主机于液压站之间高度大于2米油管安装应设置支架。液压站上压力表应正对操作者安装，便于观察。外购件油压缸安装时也要避开此空间。在主机的一面安装有工作台等高的相互垂直的输送滚道，用于减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率。液压站和邮箱为一体，方便于散热、液压站应安装在通风良好之处。电气控制盒的安装应便于操作工人的操作。 油压机压制工安全操作规程: 1．操作者应熟悉油压机的一般性能和结构，禁止超负荷使用。 2．使用前，应按规定润滑加油，检查高压泵、压力表、各种阀、密封圈等是否正常。 3．开机前，应检查模具是否配套，料重是否符合要求，称料工具是否准确。 4．压制时，摸具必须放在垫板中心位置，禁止偏心使用。每班开机前，试压后，应检查一次模具是否有裂损。 5．多人操作时，要有专人开机，相互协调配合。 6．严禁将手，头置于模具与压头之间。 7．工作完毕，应将压制品、工具、模具整理好并放到指定地方。六．总体设计对液压缸的要求要求油缸竖直放置，并与上横梁固定。活塞杆上下运动。活塞杆行程达600mm。总体设计还要求缸筒与端盖固定。结构尽量减少。这样子以不产生油压机头重脚轻的弊病使其整体结构美观。液压缸的作用在于把液体压力能转换为机械能。液压缸通常分为柱塞式、活塞式盒差动柱塞式三种。按运动方式分为推力油缸，摆动油缸，利用油液压力推动缸中活塞正反方向运动的油缸，称“双作用油缸”其中常用有双活塞式、齿条活塞式及伸缩套简式。根据设计要求，泵用双作用单活塞杆式油缸。这种油缸的特点在于活塞两端的有效面积不等，而构成的密封容积腔的大小不同。如果以相同流量的压力油分别进入左腔盒右腔。活塞移动的速度盒进油腔的有效面积成反比，也就是说油液进入有效面积大的一端速度来得小，而相反，油液进入有效面积小的一端速度却要快些。由此得出结论：活塞上产生的最大推力与进油腔的有效面积成反比。七．液缸的密封油缸中的压力油可能通过固定部件的联接处及相对运动部件的配合处渗漏，渗漏使液压缸的容积效率降低盒油液发热外泄露还会污染工作场所。泄露严重时会影响液压缸的 工作性能，甚至使液压缸不能正常工作。所以必须采用密封装置。而且，密封装置还有防止空气和污染物侵入的作用。密封性能的好坏直接影响油缸的性能和效率。要求密封性能在一定工作压力下具有良好性能。具有能随压力升高自动提高，使泄露不致用压力升高而显著增加，还要求密封装置造成的摩擦阻力小，不使相对运动的零件卡死，或造成运动不均匀现象。此外，还要求密封件有良好的耐磨性，即保证足够使用寿命。密封件与液压缸有良好的相合性，结构简单。对设计的液压缸中，活塞与活塞杆处，上端盖与缸筒导向套与缸筒接触处均导用O型密封圈。因为它与基面油液有良好的相合性，结构简单，密封性能好，摩擦力小，它的摩封性能随压力的增加而提高。缺点是当压力较高时，或者沟槽选择不当时，密封圈易被挤出而造成磨损。因此，在设计中，我在O型密封圈侧面放置挡圈。O型密封圈安装时，要有一定的预压缩量。（本液压缸采用20*机油）对于活塞与缸筒导向套盒活塞杆的密封采用Y型密封还是V型密封圈。从密封圈的摩擦阻力看，V型密封圈的摩擦阻力，比Y型大得多，从密封圈结构看，V型密封圈由支承环、密封环、压环三部分叠合而成。而Y型密封圈结构较简单，因此，本液压缸采用“Y”型密封圈。“Y”型也是随压力增大而域压愈紧。密封圈用聚氨酯浇注模压而成，能耐油、耐磨、耐高压。八．油缸的缓冲盒排气当油缸带动质量较大的移动部件以较快速度运动时。因为惯性力较大。具有很大的动量，使行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，造成液压冲击盒噪音，引起破坏性事故或严重影响精度，为此，大型高速高精度的油缸常带有缓冲装置。氧化物。腐蚀液压装置的零件，为了及时排除积存在油缸内的空气，油液最好从油缸的最高点进入和引出。要去高的油缸，常在油缸两端分别装一只排气塞。本油缸，行程较短，速度不太高，它是转子压轴专用，目的是将转子的轴压入转子，靠轴上和压轴肩限位，到位以后，压不动为止。基于以上原因，这台油压机的设计，缓冲装置和排气阀没有采用。 九．液压控制原理图及速回油路和阀类损失分析1. 液压系统工作原理如图（见第 页）. 原理简析：液压系统中有两个泵，泵是一个高压，大流量恒功率的变量泵。最高工作压力为315kgf/cm2。其压力通过远程调压阀国定。辅助泵2是一个低压小流量的定量泵，主要用以供给电磁阀，液动的控制压力油，其压力由溢流阀22调整。<1>主缸运动①下行压制按下按钮电磁阀YA通电,电磁阀18处于右座,泵2供油径18至液动阀17,17在液控压力油的作用下处于送至单向阀14,然后送至主缸上腔,而主缸下腔的油径单向顺序阀<>组合从17右位至单向阀15然后回到上腔因滑块自重快速下行而造成的上腔真空。②保压当主缸上腔的油压达到预定值,压力继电器16发出信号,使电磁铁YA1断电,阀18回复中位,于是阀17失去控制,油压力17也回复中位,此时,油缸上,下腔油路都被封闭。③泄压回程保压过程结束时间继电器发生信号使电磁铁YA2通电，<当定程压制时,由行程开关SQ2发信号>使电磁铁18处于左位控制回程由泵2油提供的压力油径18左位送至17,使17处于左位泵与供油径17的右位送至主缸下腔,而上腔的通过液控单向阀14流至17,然后回到油箱。④停止当按下电控系统的停止按钮（定位状态时，挡铁压下行程开关SQ1）电磁铁YA2断电主缸被阀17所紧（17已回复中位）停止运动，回程结束，此时，应将溢流阀的压力值调大，以防止活塞滑块因自重而下滑组成单向顺序阀，此处作为平衡回路。<2>顶处缸① 顶出按下启动按钮YA3通电吸和,电磁阀19处于左位,泵2供油径19的左位至20,使液动阀20处于左位,则泵5供油从20的左位送至顶出缸下腔,而其上腔的油径20的左位回到油箱。② 退回YA3断电YA4吸和，油路换向，顶出缸活塞下降。2. 速回油路和阀类压力损失分析根据液压原理图和速回油路管道及阀类元件的压力损失，液压系统的压力损失是：（1） 管路系统的压力损失因为实际液压系统中，其管道往往是一般一段的直管。通过一定方式连接。此外，为了控制、测量和其他需要，还要在管道上安装控制阀和其他元件。这样除了y沿程损失外。液体流过各接头、阀门等局部时会产生撞击，漩涡流等现象，导致一定的能量损失。（2） 进油路压力损失（3） 阀类的局部压力损失 根据液压系统进行分析，经对此获知总压力损失与原假设总压力损失相差不大。因为液压缸的工作压力与假设最大工作压力相差不大，所以不必对泵设计进行修正。十.电控设计可编程序控制器的设计的概述 PLC使在传统的继电器—接触器控制的基础上，总结先进的微机技术发展起来的新型工业控制装置。PLC把计算机的功能完善通用，灵活的特点与继电接能控制的简单，直观价格便宜等特点结合起来，形成以微机技术为核心的电子控制设备。 PLC接受由操作面上的按钮开关，选择开关，数字开关等给出的主令输入信号及表示设备状态的限位开关光电开关等。传感器送来的输入信号。去控制如电磁阀，马达，电磁离合器等驱动性负载及指示灯，数字显示器性负荷。 PC使一种小类的可靠性极高的智能控制工具，是各种自动控制系统中的核心部件。小电磁阀，导向阀等小型负载可由可编程控制器直接驱动，而三相马达。大容量电磁阀等大负载则需要通过接能器或中间继电器的驱动。可编程控制器的内部结构。 PC采用以微型计算机为核心的电子线路。它可等效地看成普通继电器定时器计时器等组成的综合件。 PC中的输入继电器由接通输入端的外部开关来驱动。 PC中的输出继电器除提供外部输出接触点外，还有多种内部辅助点供编程使用。 PC的内部部件还有： 定时器（T） 计算器（C） 辅助继电器（M） 状态寄存器（S）功能块线圈（F）等，这些元件都有许多供编器，使用的 常开触头和常闭触头，可在编程控制器内部使用，机型选择：F系列可编程控制器是输入输出点数12~120点的 小型专用，可编程控制器，具有优异的技术性能，尤其突出了容易操作和方便应用的 特点，考虑本设计中将用到将近30个输出接点，我们选择F—30MR（共30个 点）输入输出元件号，输入继电器401—407，410—413，11点500—503，510 5点输出继电器 基本单位430—437 8点450—451 2点 400特殊辅助继电器（本设计所需的）M71 初始化脉冲M574 禁止状态转移2．本设计PC控制的具体运行情况（一）工作方式 1．调整（点，动） 2，手动 3，单循环 4，自动（二）输入输出点安排1，旋钮开关（规范选择）调整*500 手动*501单循环*502 自动*5032．现场器件（按钮）输入点：SQ3（顶缸上限接近开关）*401 SQ4（顶缸下限接近开关）*403 SB6（主缸下行起动开关）*404 SB7（主缸上行启动开关）*404 SP（压力继电器）*407SQ1 (主缸上行接近开关)*410SQ2（主缸上行接近开关）*411SQ8（顶缸顶出起出开关）*412SB9（顶缸退回开关）*413SB3（PC停止开关）*402SB4（PC传动开关）*510 输出点： YA1（电磁铁KA1）Y430 接显示灯 Y434 YA2(电磁铁KA3) Y431 Y435 YA3(电磁铁KA4) Y432 Y436 YA4(电磁铁KA5) Y433 Y437 KT1 T450 KT2 T451三．整体程序机构图 四．操作面板五．各部分程序及说明 1.主控程序的设计（见PC图） 主控程序包括以下程序：（1） 状态的初始化程序。（2） 状态的转移起劲。（3） 状态的转移禁止。（1） 初始化说明当开机第一个扫描周期，MT1即对S600复位，做好状态传递的准备。单循环状态时，X502即对S600复位。当PC处于调整（X500）手动状态（X501）将600复位。当PC位调整及手动状态时或开机后一个工作周期，可利用功能指令将S601~S606全部复位。（2） 转移启动说明当按下启动按钮X405时，中间继电器M100接通、执行转移启动命令，PC运行一个周期，单周期传送停止。 (3) 状态转移禁止说明 当按下停止按钮X402，特殊辅助继电器M574指定用于禁止状态转移。所有状态转移均被禁止。同样在调整手动状态下禁止状态转移。只有当手动，调整复位后再按启动按钮使M101产生脉冲解除禁止。当PC运行单循环和自动时，按停机按钮，M574自锁，停止在当前过程，当按循环启动按钮时，从该过程开始动作。2. 调整及手动程序设计（见PC图纸）说明：（1）无论在调整还是手动状态，程序执行跳转指令CTP700~E3P700间的内容。（2）当手动时，输出Y430~Y433均执行自锁功能。3. 单循环及自动循环程序设计（1） 功能图（2） （3） 程序图（见PC图纸）依照梯形图（见A2图纸PC控制梯形图）设计整体程序如下：1. LD M712. OR X5023. S S6004. LD X5005. OR X5016. R S6007. LD X5008. OR M719. OR M7110. OUT F67111. K 60112. OUT F67213. K 60614. OUT F67015. K 10316. LD X51017. OUT M10018. LD X51019. PLS M10120. LD X40221. OR X50022. OR X50123. OR M7124. OR M57425. ANT M10126. OUT M57427. LDI X50028. ANI X50129. CJP 70030. LD X50131. AND Y43032. OR X40433. ANI X41134. ANI Y43135. OUT Y43036. LD X50137. AND Y43138. OR X40539. ANI Y41040. ANI Y43041. OUT Y43142. LD X50143. AND Y43244. OR X41245. ANI X40146. ANI Y43347. AND X41048. OUT Y43249. LD X50150. AND Y43351. OR X41352. ANI X40353. ANI Y43254. AND X41055. OUT Y43356. EJP 70057. STC S60058. AND X41059. AND X40360. AND M10061. S S60162. STL S60163. OUT Y43064. OUT Y43465. LD X40766. S S60267. LD X41168. S S60369. STC S60270. OUT T45071. K 6072. LD T45073. S S60374. STC S60375. OUT Y43176. OUT Y43577. LD X41078. S S60479. STC S60480. OUT Y43281. OUT Y43682. LD X41083. S S60884. STC S60585. OUT T45186. K 30087. LD T4588. S S60689. STC S60690. OUT Y43391. OUT Y43792. LD X40393. AND X50294. S S60095. LD X40396. AND X50397. S S60198. RET99. END十二.课程总结 通过这次毕业设计。我学到了平时在课堂学不到的知识。培养了我们灵活运用所学知识，时一次综合性的实践过程。不仅提高了 我们的动手实践能力。还使我进一步提高了分析和解决工程技术。问题的能力，进一步掌握了设计程序，规范和方法，树立正确的设计思想（安全第一，制造容易，使用方便，外形美观）。从而巩固、扩大、深化了所学的基本理论。基本知识和基本技能，提高了制图、计算、编写说明书的能力以及正确使用技术资料、标准手册等工具书籍的能力。 在整个设计过程中，我一直保持着严肃认真，一丝不苟和实事求是的工作之风。这次我设计的是油压机中油缸部分，由于对这方面知识掌握得还不十分充足，所以设计中若有错误和不妥之处，务必请指导老师批评指正，以使得我能够进一步完善油缸设计方案。
液压传动系统的故障分析与排故液压传动是以液压油为工作介质进行能量转换和动力传递的，它具有传送能量大、布局容易、结构紧凑、换向方便、转动平稳均匀、容易完成复杂动作等优点，因而广泛应用于工程机械领域。但是，液压传动的故障往往不容易从外部表面现象和声响特征中准确地判断出故障发生的部位和原因，而准确迅速地查出故障发生的部位和原因，并及时排除。在工程机械的使用、管理和维修中是十分重要的。��1 液压系统的主要故障��在相对运动的液压元件表面、液压油密封件、管路接头处以及控制元件部分，往往容易出现泄漏、油温过高、出现噪音以及电液结合部分执行动作失灵等现象。具体表现：一是管子、管接头处及密封面处的泄漏，它不仅增加了液压油的耗油量，脏污机器的表面，而且影响执行元件的正常工作。二是执行动作迟缓和无力，表现为推土机铲刀提升缓慢、切土困难，挖掘机挖掘无力、油马达转不起来或转速过低等。三是液压系统产生振动和噪音。四是其他元件出现异常。��2 故障的检查�� 直接检查法 �凭借维修人员的感觉、经验和简单工具，定性分析判断故障产生的原因，并提出解决的办法。 � 仪器仪表检测法 �在直接观察的基础上，根据发生故障的特征和经验，采取各种检查仪器仪表，对液压系统的流量、压力、油温及液压元件转速直通式检测，对振动噪音和磨损微粒进行量的分析。 � 元件置换法 �以备用元件逐一换下可能发生故障的元件，观察液压系统的故障是否消除，继而找出发生故障的部位和原因，予以排除。在施工现场，体积较大、不易拆装且储备件较少的元件，不宜采用这种方法。但对于如平衡阀、溢流阀及单向阀之类的体积小，易拆装的元件，采用置换法是比较方便的。 � 定期按时监控和诊断�根据各种机械型号、检查内容和时间的规定，按出厂要求的时间和部位，通过专业检测、监控和诊断来检测元器件技术状况，及时发现可能出现的异常隐患，这是使液压系统的故障消灭在发生之前的一种科学技术手段。当然，执行定期检测法，首先要培养一些专业技术检测人员，使他们既精通工程机械液压元件的构造和原理，又掌握和钻研检测液压传动系统的各种诊断技术，在不断积累靠人的直感判断故障经验的同时，逐步发展不解体诊断技术，来完成技术数据采集，辅以电脑来分析判断故障的原因及排除方法。��3 液压系统的故障预防�� 保证液压油的清洁度 �正确使用标定的和要求使用的液压油及其相应的替代品(详参《工程机械油料手册》)，防止液压油中侵入污物和杂质。因为在液压传动系统中，液压油既是工作介质，又是润滑剂，所以油液的清洁度对系统的性能，对元件的可靠性、安全性、效率和使用寿命等影响极大。液压元件的配合精度极高，对油液中的污物杂质所造成的淤积、阻塞、擦伤和腐蚀等情况反应更为敏感。 �造成污物杂质侵入液压油的主要原因，一是执行元件外部不清洁；二是检查油量状况时不注意；三是加油时未用120目的滤网过滤；四是使用的容器和用具不洁净； 五是磨损严重和损坏的密封件不能及时更换；六是检查修理时，热弯管路和接头焊修产生的锈皮杂质清理不净；七是油液贮存不当等等。�在使用检查修理过程中，应注意解决这些问题，以减少和防止液压系统故障的发生。 � 防止液压油中混入空气 �液压系统中液压油是不可压缩的，但空气可压缩性很大，即使系统中含有少量空气，它的影响也是非常大的。溶解在油液中的空气，在压力较低时，就会从油中逸出产生气泡，形成空穴现象；到了高压区，在压力的冲击下，这些气泡又很快被击碎，急剧受到压缩，使系统产生噪音。同时，气体突然受到压缩时，就会放出大量的热能，因而引起局部受热，使液压元件和液压油受到损坏，工作不稳定，有时会引起冲击性振动。 �故必须防止空气进入液压系统。具体做法：一是避免油管破裂、接头松动、密封件损坏；二是加油时，避免不适当地向下倾倒；三是回油管插入油面以下；四是避免液压泵入口滤油器阻塞使吸油阻力增大，不能把溶解在油中的空气分离出来。 � 防止液压油温度过度�液压系统中的油液的工作温度一般在30℃～80℃范围内比较好，在使用时必须注意防止油温过高。如油箱中的油面不够，液压油冷却器散热性能不良，系统效率太低，元件容量小，流速过高，选用油液粘度不正确，它们都会使油温升高过快。粘度高增加油液流动时的能量损耗，粘度低会使泄漏增多，因此在使用中能注意并检查这些问题，就可以预防油温过高。此外对液压油定期过滤，定期进行物理性能检验，既能保证液压系统的工作性能，又能减少液压元件的磨损和腐蚀，延长油液和液压元件的使用寿命。��4 液压系统的故障分析�� 传动系统分析法 �工程机械的液压传动系统如果维护得好，一般说来故障是比较少的。由于密封件老化、变质和磨损而产生外泄是很容易观察到的，根据具体情况可设法排除。但是如果液压元件的内部发生了故障是观察不到的，往往不容易一下子就找出原因，有时虽然是同样的故障现象，但产生的原因却不一定相同，要想准确而迅速地找出液压元件的故障的部位和原因，首先要根据发生故障元件的构造图、系统图，分析了解和研究元件的工作原理和特性，再使了解的构造原理与实物对号，具体情况具体分析，检查寻找故障发生的部位和产生的原因，以便采取相应的技术措施来排除故障。 � 逻辑流程分析法 �此方法是根据液压传动系统的基本原理进行逻辑分析，减少怀疑对象，逐步逼近找出故障发生的部位和原因。��5 液压系统故障的排除��(1) 液压系统中管子、管子接头和焊接处，由于振动频率较高，常常发生破坏。在换用时要根据压力和使用场合，选用强度足够，内壁光滑清洁，无砂、无伤、无锈蚀、无氧化皮的管子。当管子需要焊接时，最好采用加套管的办法，因为对接可能使管的内径局部缩小；截段时，油管的截面与管子轴线的不垂直度不得大于°，并清除铁屑和锐边倒钝。当管子支承距离过大或支承松动时要设卡固定拧紧，当弯曲半径过小时，易形成弯曲应力，弯曲半径一般应大于管外径的3倍。 �在密封表面处，密封元件的老化变质会使泄漏量增大。密封件的有效寿命通常是：固定元件之间的密封寿命时间为10000h，运动元件之间密封寿命时间为1500h～2000h。到了规定的使用寿命时间后，即使还可用的元件也应该更换。密封面的泄漏还与预压面的压力不够或不均匀有关。预压量增大时，其封油量压力增大，密封效果好，反之则差。再者摩擦表面光洁度与硬度不足也会缩短密封件的寿命。 �密封件设计不合理以及安装时扭曲刮伤也是导致密封圈早期磨损而引起泄漏的原因。 �油液中杂质过多，易加速密封件与摩擦表面的磨损，形成密封件的早期失效，油封工作温度过高或过低也会影响其寿命和工作性能。� (2) 执行元件运动的速度降低，主要是由于输入执行元件的液压油流量不足；执行元件无力的原因主要是输入液压油压力不足，以及回油管路背压过高等因素所造成的。 �工程机械液压系统所用的油泵多为齿轮泵，其工作压力为210×102kPa，柱塞泵的工作压力可达320×102kPa。泵的输出压力是由荷载决定的，并随着荷载的变化而变化。荷载无限增加，泵的压力也无限升高，直到系统某一部分被破坏。对于齿轮泵：主要是轴承、齿轮啮合面、齿顶与壳体、齿轮端面与泵盖间的磨损和密封件的磨损、老化、损坏使齿轮泵的内漏表现更为突出。在一定转速与一定压力下，对无端面间隙补偿的齿轮泵，其轴线磨损引起的泄漏约占全部内漏量的75%～85%，齿顶间隙内漏量约占15%～20%，其他内漏约占4%～5%，因此我们要抓住主要问题，采取有效的技术措施予以解决，就能使泵恢复其原有性能。 �在维修工作中，我们发现使用了一定时间的齿轮泵，由于啮合挤压，在齿顶和端面会产生毛刺，使泵体和端盖的磨损加剧，尤其是铝合金泵盖更为严重。如能定期修理检查，用油石磨掉所产生的毛刺，则可以延长油泵的寿命。叶片泵的主要故障是定子、叶片、转子、轴承和两侧配流盘的磨损，定子的内表面是由圆弧和过渡曲线组成的，过渡曲线如果采用“阿基米德”螺旋线，则叶片径向等速运动。实践证明，当我们将叶片泵解体修理时，定子内表面就在曲线与圆弧连接部分磨损最严重，换掉磨损严重的定子，可以使叶片泵恢复原有的性能，采用这种修理方法是比较经济的。叶片泵转子、叶片的使用寿命约相当于定子使用寿命的两倍，这在备料时应予以考虑。 �(3) 液压系统的蓄能器是用来调节能量、贮存能量、减少设备容积、降低功率消耗、减少系统发热、缓冲吸收冲击和脉动压力的辅助元件。常见的蓄能器有胶囊式的，它具有漏气损失小、反应灵敏、可以吸收急速的压力冲击和脉动、重量轻、体积小等特点。蓄能器发生故障会影响液压系统的正常工作，因此在检查气压量不足时，应按时充入惰性气体。 �(4) 液压系统中，要求装备精度高的还有液压马达。如果注意日常维护和保养，防止油液污染，一般不会发生故障，进入液压马达的油液须仔细过滤，以减少杂质，防止过快磨损。修理后的马达，应注满干净的液压油，排尽系统中的空气。确定不了马达是否有故障，最好不要拆卸，这样可减少污染的机会和保持配合的精度。液压缸是液压系统中的执行元件，常见的故障有漏油和运动不正常。缸头因密封件损坏而外泄，应立即更换密封件；油缸运动不正常有油缸内漏、油路中有空气、活塞密封件老化和损坏、油液有杂质、平衡阀发生故障等。 �(5) 控制元件是用来实现系统和执行元件对压力、流量方向的要求的。控制阀及时控制系统中最重要的元件，由于阀的配合一般都比较精密，所以在修理时应特别注意，不需拆阀芯的尽量不要抽出阀芯；配合副方位不要错乱，偶件不要互换；螺丝的拧紧力矩要均匀一致，锥形阀芯的接触线磨损可采用研磨修正接触线的办法解决；回位弹簧疲劳时，可予更换。
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一 绪论 液压传动与控制概述液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现各种机械量的输出（力、位移或速度等）的。它与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大，结构小、响应快等特点，因而被广泛的应用于各种机械设备及精密的自动控制系统。液压传动技术是一门新的学科技术，它的发展历史虽然较短，但是发展的速度却非常之快。自从1795年制成了第一台压力机起，液压技术进入了工程领域；1906年开始应用于国防战备武器。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服控制系统。从60年代起，由于原子能、空间技术、大型船舰及电子技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，从民用到国防，由一般的传动到精确度很高的控制系统，这种技术得到更加广泛的发展和应用。在国防工业中：海、陆、空各种战备武器均采用液压传动与控制。如飞机、坦克、舰艇、雷达、火炮、导弹及火箭等。在民用工业中：有机床工业、冶金工业、工程机械、农业方面，汽车工业、轻纺工业、船舶工业。另外，近几年又出现了太阳跟踪系统、海浪模拟装置、飞机驾驶模拟、船舶驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射装置、宇航环境模拟、高层建筑防震系统及紧急刹车装置等，均采用了液压技术。总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。它的发展如此之快，应用如此之广，其原因就是液压技术有着优异的特点，归纳起来液压动力传动方式具有显著的优点：其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率大；液压传动装置体积小、结构紧凑、布局灵活，易实现无级调速，调速范围宽，便于与电气控制相配合实现自动化；易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化；液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化便于实现数字化。 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。二 150t液压机液压系统工况分析本机器(见图)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。 工况分析本次设计在毕业实习调查的基础上，用类比的方法初步确定了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动下行时，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：2. 摩擦负载 静摩擦阻力：动摩擦阻力：3. 惯性负载自重：4. 液压缸在各工作阶段的负载值：其中： ——液压缸的机械效率，一般取 =。工况 负载组成 推力 F/负载图和速度图的绘制：负载图按上面的数值绘制，速度图按给定条件绘制，如图：三 液压机液压系统原理图设计3．1 自动补油的保压回路设计考虑到设计要求，保压时间要达到5s，压力稳定性好。若采用液压单向阀回路保压时间长，压力稳定性高，设计中利用换向阀中位机能保压，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，在0-20min内可调整。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，换向阀6接入回路时，液压缸上腔成为压力腔，在压力到达预定上限值时压力继电器11发出信号，使换向阀切换成中位；这时液压泵卸荷，液压缸由换向阀M型中位机能保压。当液压缸上腔压力下降到预定下限值时，压力继电器又发出信号，使换向阀右位接人回路，这时液压泵给液压缸上腔补油，使其压力回升。回程时电磁阀2YA通电，换向阀左位接人回路，活塞快速向上退回。3．2 释压回路设计：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，以免她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。根据设计很实际的生产需要，选择用节流阀的释压回路。其工作原理：按下起动按钮，换向阀6的右位接通，液压泵输出的油经过换向阀6的右位流到液压缸的上腔。同时液压油的压力影响压力继电器。当压力达到一定压力时，压力继电器发出信号，使换向阀5回到中位，电磁换向阀10接通。液压缸上腔的高压油在换向阀5处于中位（液压泵卸荷）时通过节流阀9、换向阀10回到油箱，释压快慢由节流阀调节。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该阀排到液压缸顶部的副油箱13中去。使用这种释压回路无法在释压前保压，释压前有保压要求时的换向阀也可用M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稳定性。使零件的加工精度增高。3．3液压机液压系统原理图拟定上液压缸工作循环（1） 快速下行。按下起动按钮，电磁铁1YA通电，这时的油路为：液压缸上腔的供油的油路变量泵1—换向阀6右位—节流阀8—压力继电器11—液压缸15液压缸下腔的回油路液压缸下腔15—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，利用变量泵的柱塞孔从吸油状态过渡到排油状态，其容积的变化是由大变小，而在由增大到缩小的变化过程中，必有容积变化率为零的一瞬间，这就是柱塞孔运动到自身的中心线与死点所在的面重合的这一瞬间，这时柱塞孔的进出油口在配油盘上所在的位置，称为死点位置。柱塞在这个位置时，既不吸油，也不排油，而是由吸转为排的过渡状态。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：液压缸下腔的供油的油路：变量泵1——换向阀6左位——液控单向阀7——液压油箱15的下腔液压缸上腔的回油油路：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。下液压缸的工作循环：向上顶出时，电磁铁4YA通电，5YA失电。进油路：液压泵——换向阀19左位——单向节流阀18——下液压缸下腔回油路：下液压缸上腔——换向阀19左位——油箱当活塞碰到上缸盖时，便停留在这个位置上。向下退回是在4YA失电，3YA通电时产生的，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——油箱原位停止是在电磁铁3YA，4YA都断电，换向阀19处于中位时得到的。四 液压系统的计算和元件选型4．1 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 应为有杆腔工作面积 的6倍，即活塞杆直径 与缸筒直径 满足 的关系。快进时，液压缸回油路上必须具有背压 ,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 =1Mpa，快进时，液压缸是做差动连接，但由于油管中有压降 存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估计时可取 ,快退时，回油腔是有背压的，这时 亦按2Mpa来估算。1) 计算液压缸的面积可根据下列图形来计算—— 液压缸工作腔的压力 Pa—— 液压缸回油腔的压力 Pa故：当按GB2348-80将这些直径圆整成进标准值时得： ,由此求得液压缸面积的实际有效面积为：2) 液压缸实际所需流量计算① 工作快速空程时所需流量液压缸的容积效率，取② 工作缸压制时所需流量③ 工作缸回程时所需流量4．2液压元件的选择4．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 ，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为 （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上述计算所得的 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 应满足：液压泵的最大流量应为：式中 液压泵的最大流量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 。系统泄漏系数，一般取 ，现取 。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（ ） ，最高可以达到 。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，单位功率重量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。根据以上算得的 和 在查阅相关手册《机械设计手册》成大先P20-195得：现选用 ，排量63ml/r，额定压力32Mpa，额定转速1500r/min，驱动功率，容积效率 ，重量71kg，容积效率达92%。2．与液压泵匹配的电动机的选定由前面得知，本液压系统最大功率出现在工作缸压制阶段，这时液压泵的供油压力值为26Mpa，流量为已选定泵的流量值。 液压泵的总效率。柱塞泵为 ，取 。选用1000r/min的电动机，则驱动电机功率为选择电动机 ，其额定功率为。阀类元件及辅助元件的选择1. 对液压阀的基本要求：(1). 动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。油液流过时压力损失小。(2). 密封性能好。结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大2. 根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件型号和规格主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格：序号 元件名称 估计通过流量型号 规格1 斜盘式柱塞泵 63SCY14－1B 32Mpa，驱动功率 WU网式滤油器 160 WU-160*180 40通径，压力损失 直动式溢流阀 120 DBT1/315G24 10通径，32Mpa，板式联接4 背压阀 80 YF3-10B 10通径，21Mpa，板式联接5 二位二通手动电磁阀 80 22EF3-E10B6 三位四通电磁阀 100 34DO-B10H-T 10通径，压力 液控单向阀80 YAF3-E610B 32通径，32MPa8 节流阀80 QFF3-E10B 10通径，16MPa9 节流阀80 QFF3-E10B 10通径，16MPa10 二位二通电磁阀30 22EF3B-E10B 6通径，压力20 MPa11 压力继电器－ DP1-63B 8通径， MPa12 压力表开关－ KFL8－30E 32Mpa，6测点13 油箱14 液控单向阀 YAF3-E610B 32通径，32MPa15 上液压缸16 下液压缸17 单向节流阀48 ALF3－E10B 10通径，16MPa18 单向单向阀48 ALF3－E10B 10通径，16MPa19 三位四通电磁换向阀 25 34DO-B10H-T20 减压阀 40 管道尺寸的确定油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P= ， 钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。尼龙管用在低压系统；塑料管一般用在回油管用。胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高、低压两种。高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。1. 管接头的选用：管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。液压系统中的泄漏问题大部分都出现在它管系中的接头上，为此对管材的选用，接头形式的确定（包括接头设计、垫圈、密封、箍套、防漏涂料的选用等），管系的设计（包括弯管设计、管道支承点和支承形式的选取等）以及管道的安装（包括正确的运输、储存、清洗、组装等）都要考虑清楚，以免影响整个液压系统的使用质量。国外对管子的材质、接头形式和连接方法上的研究工作从不间断，最近出现一种用特殊的镍钛合金制造的管接头，它能使低温下受力后发生的变形在升温时消除——即把管接头放入液氮中用芯棒扩大其内径，然后取出来迅速套装在管端上，便可使它在常温下得到牢固、紧密的结合。这种“热缩”式的连接已经在航空和其它一些加工行业中得到了应用，它能保证在40~55Mpa的工作压力下不出现泄漏。本设计根据需要，选择卡套式管接头。要求采用冷拔无缝钢管。2. 管道内径计算：（1）式中 Q——通过管道内的流量v——管内允许流速 ，见表：允许流速推荐值油液流经的管道 推荐流速 m/s液压泵吸油管液压系统压油管道 3~6，压力高，管道短粘度小取大值液压系统回油管道 (1). 液压泵压油管道的内径：取v=4m/s根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：取d=20mm,钢管的外径 D=28mm;管接头联接螺纹M27×2。(2). 液压泵回油管道的内径：取v=根据《机械设计手册》成大先P20-641查得：取d=25mm,钢管的外径 D=34mm;管接头联接螺纹M33×2。3. 管道壁厚 的计算式中： p——管道内最高工作压力 Pad——管道内径 m——管道材料的许用应力 Pa，——管道材料的抗拉强度 Pan——安全系数，对钢管来说， 时，取n=8； 时，取n=6； 时，取n=4。根据上述的参数可以得到：我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度 =600MPa;(1). 液压泵压油管道的壁厚(2). 液压泵回油管道的壁厚所以所选管道适用。4. 液压系统的验算上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为32mm,42mm。但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失无法验算。系统温升的验算在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。当V=10mm/s时，即v=600mm/min即此时泵的效率为，泵的出口压力为26MP，则有即此时的功率损失为：假定系统的散热状况一般，取 ，油箱的散热面积A为系统的温升为根据《机械设计手册》成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50所以验算表明系统的温升在许可范围内。五 液压缸的结构设计 液压缸主要尺寸的确定1) 液压缸壁厚和外经的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚 的比值 的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算设 计 计 算 过 程式中 ——液压缸壁厚(m)；D——液压缸内径(m)；——试验压力，一般取最大工作压力的()倍 ；——缸筒材料的许用应力。无缝钢管： 。= =则 在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经 为2) 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参阅<<液压系统设计简明手册>>P12表2-6中的系列尺寸来选取标准值。液压缸工作行程选缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时有孔时式中 t——缸盖有效厚度(m)；——缸盖止口内径(m)；——缸盖孔的直径(m)。液压缸：无孔时取 t=65mm有孔时取 t’=50mm3)最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（如下图2所示）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：设 计 计 算 过 程式中 L——液压缸的最大行程；D——液压缸的内径。活塞的宽度B一般取B=()D；缸盖滑动支承面的长度 ，根据液压缸内径D而定；当D<80mm时，取 ；当D>80mm时，取 。为保证最小导向长度H，若过分增大 和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即滑台液压缸：最小导向长度：取 H=200mm活塞宽度：B=缸盖滑动支承面长度：隔套长度： 所以无隔套。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。缸体外形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内径的20~30倍。液压缸：缸体内部长度当液压缸支承长度LB (10-15)d时，需考虑活塞杆弯度稳定性并进行计算。本设计不需进行稳定性验算。 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。设 计 计 算 过 程1) 缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。本次设计中采用外半环连接，如下图1所示：图1 缸体与缸盖外半环连接方式优点：(1) 结构较简单(2) 加工装配方便缺点：(1) 外型尺寸大(2) 缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚2)活塞杆与活塞的连接结构参阅<<液压系统设计简明手册>>P15表2-8，采用组合式结构中的螺纹连接。如下图2所示：图2 活塞杆与活塞螺纹连接方式特点：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。