小型压力机的设计.doc

1、 机电液控制课程设计设计题目： 小型压力机课程设计 学生姓名： 学 号： 学 院： 专 业： 班 级： 指导教师： 目录摘要1第一章 液压缸的相关计算21.1 液压缸主要零件的材料的选取及主要依据21.2 液压缸的内径和活塞杆直径的相关计算21.3 液压缸壁厚的计算31.4 对活塞杆直径进行强度校核41.5 缸盖固定螺栓的计算41.6 缸体与缸盖采用螺纹连接时的应力计算51.7 活塞与活塞杆采用螺纹连接时的应力计算61.8 关于液压缸缓冲装置的说明71.9 关于液压缸排气装置的说明7第二章 计算和选择液压系统中其他元件72.1 计算液压泵的最大工作压力72.2 计算液压泵的流量72.3 确定液

2、压泵的规格和电动机功率82.4 确定阀类元件及辅件82.5 验算液压系统性能10第三章 液压系统原理图、硬件电路图及各阶段动作过程12第四章 PLC端子接线图及PLC梯形图15第五章 工作原理说明17第六章 关于本次课程设计的心得与小结18参考文献19摘要：本次课程设计是以此综合液压与气压传动、机电传动控制等相关课程的以此课程设计。本次课程设计的内容是设计一台小型压力机。通过可编程序控制器（PLC）对液压系统回路进行控制，从而使执行元件（液压缸）完成相应的快进、工进、快进的动作。同时利用PLC中的计时器，对快进动作限制为，对工进动作限制为，然后自动快退，直至回到原点。液压系统运行稳定，易于得到

3、相应电控制的特点在本设计中得到了应用。关键词：液压传动；可编程序控制器（PLC）；压力机；第一章 液压缸的相关计算1.1 液压缸主要零件的材料的选取及主要依据 （1）缸体 无缝钢管45钢 无缝钢管用作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期短，适用于大批量生产，标准液压缸大部分都会采用无缝钢管，并且一般常用调质处理的45钢 （2）活塞 铸铁HT200 活塞常用材料灰铸铁，耐磨铸铁，35及40钢和铝合金等缸体直径较小的整体式活塞用3545钢，其他多用灰铸铁 （3）活塞杆 45钢 活塞杆常使用35，45刚等材料对于冲击振动很大的活塞杆，也可以使用55钢一般实心的活塞杆用35，45钢 （4）前缸

4、盖 45钢 缸盖常用35，45钢的锻件或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料 （5）后缸盖 45钢 缸盖常用35，45钢的锻件或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料，起导向作用时则使用铸铁1.2 液压缸的内径和活塞杆直径的相关计算图1.1 液压缸示意图如图1.1液压缸示意图所示，当液压缸活塞杆向右运动时，设液压缸无杆腔面积为，液压缸的工作压力为，有杆腔面积为，其压强为于是，有 （1.1） （1.2）再有，油缸内经与活塞杆直径比为 （1.3）工作时的最大负载列出液压缸的受力方程，得 （1.4）通过以上所述各式，可以得出根据GB/T2348-1993，液压缸内径尺寸系列和液压缸活塞杆外径尺寸分别对和进行圆整，取

5、，1.3 液压缸壁厚的计算依据设计手册，可知 （1.5）其中：为液压缸缸壁厚度，为实验压力（工作压力时，；工作压力时，），为缸体材料的许用应力（ （1.6）式中：为缸体材料的抗拉强度；为安全系数，一般取）选用45钢，其抗拉强度为，于是根据无缝钢管外径尺寸系列，选取其外径为，其厚度即为，满足要求.1.4 对活塞杆直径进行强度校核根据设计手册,可知 （1.7） （1.8）式中：为工作时的最大负载，即，于是有上述计算得，所以满足要求.1.5 缸盖固定螺栓的计算 （1.9）式中：为工作时的最大负载，即，为螺纹拧紧系数，拧紧系数为取，为固定螺栓个数，螺栓个数取4个，为螺栓许用应力， （1.10）为材料的

6、屈服点为，根据计算得：选取M8的螺栓。1.6 缸体与缸盖采用螺纹连接时的应力计算缸体螺纹处的拉应力为： （1.11）螺纹处的应力为： （1.12）由应力合成公式可知： （1.13）以上式中：为螺纹连接处的拉应力；为螺纹拧紧系数，静载荷时，取；动载荷时，取，在此，取；为螺纹内摩擦系数，取，为螺纹外径；为螺纹内径；为液压缸内径；为螺纹外的切应力；为螺纹材料的许用应力 （1.14）为螺纹材料的屈服极限，；为安全系数，取；为合成后的总应力；为缸体螺纹处所受到的拉力于是，通过计算可得：故，因此，其螺纹连接符合要求.1.7 活塞与活塞杆采用螺纹连接时的应力计算活塞杆危险截面处的拉应力为： （1.15）活塞

7、杆危险截面处的切应力为： （1.16）活塞杆危险截面处的合成应力为： （1.17）以上式中：为螺纹连接处的拉应力；为螺纹拧紧系数，静载荷时，取；动载荷时，取，在此，取；为螺纹内摩擦系数，取，为螺纹外径；为螺纹内径；为螺纹外的切应力；为螺纹材料的许用应力 （1.18）为螺纹材料的屈服极限，；为安全系数，取；为合成后的总应力；为液压缸输出的压力于是，通过计算可得：故，因此，其螺纹连接符合要求.1.8 关于液压缸缓冲装置的说明 一般的液压缸可以不考虑缓冲要求，当活塞的运动速度很高和运动部分质量很大时，就会产生很大的惯性力。如果活塞在行程终端与液压缸底部（或缸盖）产生机械碰撞，会出现很大的冲击和噪声，

8、甚至导致液压缸、液压系统管路以及各种阀类元件的破坏。因此，为了防止或缓解这种冲击以及减轻动作过程中产生的噪声，可以在液压回路中设置减速阀和制动阀，使得活塞减速制动，也可以在液压缸内部设置相应的缓冲装置。1.9 关于液压缸排气装置的说明液压系统在安装过程中或在长期的工作之后会渗入空气，油液中也会混入空气，由于气体具有较大的可压缩性，这将使得液压缸工作中产生振动、颤抖和爬行，并伴随有噪声和发热等系列不正常现象。因此在设计液压缸结构式，要保证能够及时排除几句在缸内的气体。一般利用空气比重较液压油轻的特点，在液压缸内腔的最高部位设置进出油口或专门的排气装置，如排气螺钉、排气阀等，使积聚在缸内的气体得以

9、排除。第二章 计算和选择液压系统中其他元件2.1 计算液压泵的最大工作压力液压缸在其工进时的工作压力最大，最大的工作压力为，如在调速阀进油口节流调速回路中，选取进油路上的总压力损失，则液压泵的最高工作压力的估算值为： （2.1）2.2 计算液压泵的流量液压系统通过液压泵向液压缸输入的最大流量应为： （2.2）所以液压泵的流量： （2.3）液压缸工进时的流量为： （2.4）2.3 确定液压泵的规格和电动机功率根据以上所计算的液压泵的最大工作压力和液压泵的流量数值，查阅相关产品的样本，并加以考虑液压泵存在的容积损失，最后确定选取CB-D外啮合齿轮油泵。泵的排量为，当液压泵的转速时，其理论流量为，并

10、取液压泵的容积效率为，则液压泵的实际输出流量为： （2.5）由于液压缸在快进时的输入功率最大，若取液压泵的总效率为，这时液压泵的驱动电动机功率为 （2.6）根据以上公式所得的数值，查阅产品样本，选用规格相近的Y132-6型电动机，其额定功率为，额定转速为2.4 确定阀类元件及辅件根据系统的最高工作压力和通过各种阀类元件及辅件的实际流量，经查阅产片的样本说明，选出的阀类元件和辅件的规格如下表所列：表2-1 所选阀类元件和辅件元件名称通过的最大流量规格型号额定流量额定压力额定压降外啮合齿轮泵70CB-D10调速阀Q-10B66.3溢流阀5.1Y-10B106.3滤油器36.6LV-80X20080

11、6.30.02单向阀25AF3-EA10B806.30.02三位四通电液阀34D-10B二位三通电液阀23D-10B确定油管的内径 油管的内径计算式为： （2.7）根据油管的允许流速推荐值，选择流速代入上式中，计算可得：根据油管内径的尺寸系列，经数据圆整，选取内径为的软管.密封件的选择在液压元件及其系统中，密封装置用来放置工作介质的泄漏及外界灰尘和异物的侵入。其中气密封作用的元件，即密封件。在本次的课程设计中，采用O形密封圈，其具有如下优点：（1）密封性好，寿命长；（2）用量少，单圈即可对两个方向起密封作用；（3）动摩擦阻力较小；（4）对油液、温度和压力的适应性好；（5）体积小，重量轻，成本低

12、；（6）密封部位结构简单，占用空间小，拆装方便；（7）既可作为静密封，也可作为动密封使用。油箱的相关说明。油箱在液压系统中的主要功能是：（1）储存系统所需的足够油液；（2）散发系统工作中产生的一部分热量；（3）分离油液中的气体和沉淀物。估算油箱的体积： （2.8）经过数据圆整后，取2.5 验算液压系统性能验算系统压力损失并确定压力阀的调整值由于系统管路布置尚未确定，整个系统压力损失无法全面估算，但对中小型液压系统，管路压力损失甚微，可以不予考虑。压力损失验算按一个循环的不同阶段进行：（1）快进、快退时快进、快退时，进油回油通过电磁阀，流量为，回油通过电磁阀为。所以回油压力为 （2.9）值略大于

13、估计值，重新计算油腔压力为，通过重新计算后，其基本等于有效算数值。所以溢流阀应调整为以上。（2）工进时，所以溢流阀在以上满足要求。即在正常工作时，不会使溢流阀开启验算油液温升液压泵工作压力为，流量为，因此， （2.10）其中液压泵总输出功率。假定 （1.11）为液压系统发热功率。油箱的散热面积为 （2.12）根据表油箱散热系数查得 （2.13）则按式 （2.14）求出温升为根据表机械允许温升，故该液压系统不必设置冷却器。第三章 液压系统原理图、硬件电路图及各阶段动作过程3.1 液压系统原理图根据以上我们对液压缸，即执行元件和电动机，液压泵，即动力源的计算与对阀类元件和其他辅件的选择，将其连接成

14、为液压系统原理图，如图3.1所示。图3.1 液压系统原理图1- 油箱 2-滤油器 3-液压泵 4-溢流阀 5-三位四通换向阀6-单项调速阀 7-二位三通换向阀 8-液压缸 9-行程开关3.2 硬件电路图在对整个液压系统的电气控制方面，对于继电器接触器的设计（包括主电路和控制电路）如图3.2所示。、当按下启动开关后，主接触器得电，于是其主触头闭合，控制电路中的辅助出头闭合，将启动开关短路实现自锁，此时，电动机开始转动，液压泵向液压系统中泵油。于是可以按下执行开关，这时三位四通换向阀的得电，其左位接通，同时时间继电器和辅助接触器得电，于是的辅助触头闭合，将执行开关短路自锁，同时时间继电器开始计时，

15、其设定时间为，在这段时间内，液压缸执行快进工作。当完成时，时间继电器开始动作，其动合触头闭合，这时二位三通换向阀的得电，其右位接入电路，同时时间继电器和辅助接触器得电，于是的辅助触头闭合，将时间继电器的动合触头短路自锁，同时时间继电器开始计时，其设定时间为，在这段时间内，液压缸执行工进工作。当完成时，时间继电器开始动作，其动合触头闭合，这时三位四通换向阀的得电，其右位接入电路，同时辅助接触器得电，于是的辅助触头闭合，将时间继电器的动合触头短路自锁，于是液压缸开始执行快退运动，当其运动到指定位置碰触到行程开关时，控制电路断电，于是电动机停止转动，液压泵停止向液压系统内泵油，任务书所要求的动作完成

16、。图3.2 硬件电路图3.3 各阶段动作过程的说明快进：按下，启动液压泵，按下使得电，执行快进动作。工进：当快进时间达到时，使得得电，执行工进动作。快退：当快进时间达到时，使得失电，得电，执行快退动作。停止：碰到行程开关，使得，全部失电，则液压系统不再工作，全部停止工作。表3-1液压阀电磁铁工作状态表动作名称液压阀电磁铁工作状态快进-+-工进+-快退+-+停止-第四章 PLC端子接线图及PLC梯形图4.1 PLC选择 根据PLC的动作循环、动作要求确定PLC输入点数5个，输出点数4个，因此选择欧姆龙的C20P型号的PLC。它共有20个I/O点数，其中：输入点数8个，输出点数12个。4.2 端子

17、接线图 在完成PLC的选择之后，就要对PLC进行端子接线，要将启动开关，执行开关，急停开关，行程开关，热继电器分别与PLC的输入端子相连接，其次将继电器，三位四通换向阀的和，二位三通换向阀分别与PLC的输出端子相连接，关于时间继电器与，我们使用PLC中自带指令计时器代替，辅助接触器，分别使用PLC中的内部接触器完成。于是绘制如图4.1的端子接线图。图4.1端子接线图4.3 PLC梯形图 有了如上的各个主要器件和PLC端子中指令的对应关系，我们根据器件之间的关系，基于之前所绘制的图3.2硬件电路图，绘制了图4.2PLC梯形图。图4.2 PLC梯形图4.4 PLC语句表根据4.3的PLC梯形图，翻

18、译成了如下的语句表。地址 指令 数据0000 LD 00030001 OR 10000002 AND NOT 00060003 AND NOT 00070004 OUT 05040005 OUT 10000006 LD 00040007 OR 10010008 AND 10000009 AND NOT TIM010010 OUT 10010011 OUT 05050012 TIM 00 #20000013 LD TIM000014 OR 10020015 AND 10000016 OUT 05070017 OUT 10020018 TIM 01 #05000019 LD TIM010020 O

19、R 10030021 AND 10000022 OUT 05060023 OUT 10030024 END 第五章 工作原理说明按照上文中所要求的一系列要求将液压系统与可编程序控制器（PLC）电路连接好。当按下启动按钮后，液压泵启动，随即按下按钮，使三位四通换向阀的得电，于是，液压系统连接成为差动连接电路，执行快进动作。当计时器达到预设时间（快进时间达到）时，使得二位三通换向阀的得电，于是执行工进动作。当计时器达到预设时间（快进时间达到）时，使得三位四通换向阀失电，得电，执行快退动作。当快退时碰到行程开关后，使得换向阀的，全部失电，则液压系统不再工作，全部停止工作。完成了任务书要求的快进、工进

20、、快退的要求。第六章 关于本次课程设计的心得与小结 本次的课程设计，综合了液压与气压传动、机电传动控制等课程的知识，在课程设计中将课本上所学的知识进行了统一地，细致地联系，系统地将理论知识与工程中所需要的实践能力相结合。即检验了我们对课堂所学知识的掌握情况，同时也教会了我们如何通过解决实际工程问题，运用知识，查阅相关资料，通过自己的理解与分析解决好当下的问题。 当然，在本次的课程设计中，也遇到了一些问题，例如，所有的原理图，包括液压原理图、PLC段子接线图、PLC梯形图等等。在绘制这些原理图的过程中，也使得我对AutoCAD这个绘图软件进行了复习。 在本次的课程设计中，我负责了所有的问题。包括

21、对所得问题的分析、对液压缸尺寸的计算、对液压泵、阀类元件及电动机的选择、对液压原理图、PLC端子接线图、PLC梯形图等原理图的设计、最后到整个论文的编纂。在设计的过程中，首先从工作负载开始，着手根据任务书中的相关数据，对液压缸的相关尺寸进行逐一计算，之后根据流量的要求，对液压泵进行选择，进而选择其他的液压元器件和电动自，绘制液压原理图。在电气方面，要求利用可编程序控制器PLC进行编程，我根据原先的硬件图，绘制了PLC的梯形图，用PLC的计时器功能代替了硬件图中的时间继电器，从而使电路的稳定性得以提升。参考文献1 王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动.(第二版).机械工业出版社，20052 赵永成等.机电传动控制.(第二版).中国计量出版社，20073 田小静.机电液综合课程设计指导.北京航空航天大学出版社，20124 关肇勋，黄奕振.实用液压回路.上海科学技术文献出版社，19825 雷天觉.液压工程手册.机械工业出版社，1990 .