《液压传动》课程设计-注塑机液压系统课程设计..doc

液压传动课程设计任务书 姓 名： 学 号： 注塑机是一种通用设备，通过它与不同专用注塑模具配套使用，能够生产出多种类型的注塑制品。注塑机主要由机架，动静模板，合模保压部件，预塑、注射部件，液压系统，电气控制系统等部件组成；注塑机的动模板和静模板用来成对安装不同类型的专用注塑模具。合模保压部件有两种结构形式，一种是用液压缸直接推动动模板工作，另一种是用液压缸推动机械机构通过机械机构再驱动动模板工作（机液联合式）。注塑机工作时，按照其注塑工艺要求，要完成对塑料原料的预塑、合模、注射机筒快速移动、熔融塑料注射、保压冷却、开模、顶出成品等一系列动作，因此其工作过程中运动复杂、动作多变、系统压力变化大。 合模注射座前进注射保压冷却预塑开模注射座后退顶出制品顶出缸退回注塑机的工作循环过程合模注塑机对液压系统的要求是 1)具有足够的合模力 熔融塑料以120200MPa的高压注入模腔，在已经闭合的模具上会产生很大的开模力，所以合模液压缸必须产生足够的合模力，确保对闭合后的模具的锁紧，否则注塑时模具会产生缝隙使塑料制品产生溢边，出现废品。 2)模具的开、合模速度可调 当动模离静模距离较远时，即开合模具为空程时为了提高生产效率，要求动模快速运动；合模时要求动模慢速运动，以免冲击力太大撞坏模具，并减少合模时的振动和噪声。因此，一般开、合模的速度按慢一快一慢运动的规律变化。 3)注射座整体进退 要求注射座移动液压缸应有足够的推力，确保注塑时注射嘴和模具浇口能紧密接触，防止注射时有熔融的塑料从缝隙中溢出。 4)注射压力和注射速度可调 注塑机为了适应不同塑料品种、制品形状及模具浇注系统的工艺要求，注射时的压力与速度在一定的范围内可调。 5)保压及压力可调 当熔融塑料依次经过机筒、注射嘴、模具浇口和模具型腔完成注射后，需要对注射在模具中的塑料保压一段时间，以保证塑料紧贴模腔而获得精确的形状，另外在制品冷却凝固而收缩过程中，熔化塑料可不断充入模腔，防止产生充料不足的废品。保压的压力也要求根据不同情况可以调整。 6)制品顶出速度要平稳顶出速度平稳，以保证成品制品不受损坏。11YA21推料缸6注塑机液压系统原理图A-大流量液压泵 E-小流量液压泵 1、2-电液换向阀 3-电磁换向阀 4、5-电液换向阀6、21-电磁换向阀 7、8、9-溢流阀 10、11、12-单向阀 13-液控单向阀 14-节流阀15、16-调速阀 17、18-单向顺序阀 19-行程阀 20-液压马达XXXXAB10YA9YA8YA7YA6YA5YA4YA3YA2YA1YA齿轮料斗料筒喷嘴注射座移动缸合模缸增力缸201918171615141312111098754321该注塑机各执行元件的动作循环主要依靠行程开关切换电磁换向阀来实现。电磁铁动作顺序见下图 为保证安全生产，注塑机设置了安全门，并在安全门下装设一个行程阀19加以控制，只有在安全门关闭、行程阀19上位接入系统的情况下，系统才能进行合模运动。系统工作过程如下 (1)合模 合模是动模板向定模板靠拢并最终合拢的过程，动模板由合模液压缸或机液组合机构驱动，合模速度一般按慢一快一慢的顺序进行。具体如下：1）动模板慢速合模运动 当按下合模按钮，电磁铁1YA、l0YA通电，电液换向阀4右位接入系统，电磁阀6上位接入系统。低压大流量液压泵A通过电液换向阀l的M型中位机能卸荷，高压小流量液压泵B输出的压力油经阀4、阀13进入合模缸左腔，右腔油液经阀4回油箱。合模缸推动动模板开始慢速向右运动。此时系统油液流动情况为：进油路 液压泵B电液换向阀4（右位）单向阀13合模缸左腔；回油路 合模缸右腔电液换向阀4（右位）油箱2）动模板快速合模运动 当慢速合模转为快速合模时，动模板上的行程挡块压一下行程开关，使电磁铁5YA通电，阀1左位接入系统，大流量泵A不再卸荷，其压力油经单向阀11、单向顺序阀17与液压泵B的压力油汇合，共同向合模缸供油，实现动模板快速合模运动。此时系统油液流动情况为进油路 （液压泵A单向阀11单项顺序阀17）（液压泵B）电液换向阀4（右位）单向阀13合模缸左腔；回油路 合模缸右腔电液换向阀4（右位）油箱3）合模前动模板的慢速运动 当动模快速靠近静模板时，另一行程挡块将压下其对应的行程开关，使5YA断电、阀1复位到中位，泵A卸荷，油路又恢复到以前状况，使快速合模运动又转为慢速合模运动，直至将模具完全合拢。 (2)增压锁模 当动模板合拢到位后又压下一行程开关，使电磁铁7YA通电、5YA失电，泵A卸荷、泵B工作，电液换向阀5右位接入系统，增力缸开始工作，将其活塞输出的推力传给合模缸的活塞以增加其输出推力。此时，溢流阀7开始溢流，调定泵B输出的最高压力，该压力也是最大合模力下对应的系统最高工作压力。因此，系统的锁模力由溢流阀7调定，动模板的锁紧由单向阀10保证。此时系统油液流动情况为进油路 液压泵B单向阀10电磁换向阀5（右位）增压缸左腔； 液压泵B电液换向阀4（右位）单向阀13合模缸左腔；回油路 增压缸右腔油箱； 合模缸右腔电液换向阀4（右位）油箱。(3)注射座整体快进 注射座的整体运动由注射座移动液压缸驱动。当电磁铁9YA通电时，电磁阀3右位接入系统，液压泵B的压力油经阀12、阀3进入注射座移动缸右腔，左腔油液经节流阀14回油箱。此时注射座整体向左移动，使注射嘴与模具浇口接触。注射座的保压顶紧由单向阀12实现。此时系统油液流动情况为：进油路 液压泵B单向阀12注射座移动缸右腔；回油路 注射座移动缸左腔电磁换向阀3（右位）节流阀14油箱。(4)注射 当注射座到达预定位置后，压下一行程开关，使电磁铁4YA、5YA通电，电磁换向阀2右位接入系统，阀1左位接入系统。于是，泵A的压力油经阀11，与经阀17而来的液压泵B的压力油汇合，一起经阀2、阀18进入注射缸右腔，左腔油液经阀2回油箱。注射缸活塞带动注射螺杆将料筒前端已经预塑好的熔料经注射嘴快速注入模腔。注射缸的注射速度由旁路节流调速的调速阀15调节。单向顺序阀18在预塑时能够产生一定背压，确保螺杆有一定的推力。溢流阀8起调定螺杆注射压力作用。此时系统油液流动情况为进油路 （泵A阀11）（泵B单向顺序阀17）电磁换向阀2（左位）单向顺序阀18注射缸右腔；回油路 注射缸左腔电磁阀2（左位）油箱。(5)注射保压 当注射缸对模腔内的熔料实行保压并补塑时，注射液压缸活塞位工作移量较小，只需少量油液即可。所以，电磁铁5YA断电，阀1处于中位，使大流量泵A卸荷，小流量泵B继续单独供油，以实现保压，多余的油液经阀7溢回油箱。(6)减压(放气)、再增压 先让电磁铁1YA、7YA失电，电磁铁2YA通电；后让1YA、7YA通电，2YA失电，使动模板略松一下后，再继续压紧，以排放尽模腔中气体，保证制品质量。(7)预塑进料 保压完毕后，从料斗加入的塑料原料随着裹在机筒外壳上的电加热器对其的加热和螺杆的旋转将加热熔化混炼好的熔塑带至料筒前端，并在螺杆头部逐渐建立起一定压力。当此压力足以克服注射液压缸活塞退回的背压阻力时，螺杆逐步开始后退，并不断将预塑好的塑料送至机筒前端。当螺杆后退到预定位置，即螺杆头部熔料达到所需注射量时，螺杆停止后退和转动，为下一次向模腔注射熔料做好准备。与此同时，已经注射到模腔内的制品冷却成型过程完成。注塑机液压系统原理图电磁铁动作表动作程序1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10YA11YA合模启动慢移快速合模增压锁模注射座整体快移注射注射保压减压排气再增压预塑进料注射座后移开模慢速开模快速开模推料顶出缸伸出顶出缸缩回系统卸荷 注：“”表示电磁铁通电；“”表示电磁铁断电。预塑螺杆的转动由液压马达20通过一对减速齿轮驱动实现。这时，电磁铁6YA通电，阀1右位接入系统，泵A的压力油经阀1进入液压马达，液压马达回油直通油箱。马达转速由旁路调速阀16调节，溢流阀9为安全阀。螺杆后退时，阀2处于中位，注射缸右腔油液经阀18和阀2回油箱，其背压力由阀18调节。同时活塞后退时，注射缸左腔会形成真空，此时依靠阀2的Y型中位机能进行补油。此时系统油液流动情况为液压马达回路：进油路 泵A阀1右位液压马达20进油口； 回油路 液压马达20回油口阀1右位油箱。液压缸背压回路：注射缸右腔单项顺序阀18调速阀15油箱。(8)注射座后退 当保压结束，电磁铁8YA通电，阀3左位接入系统，泵B的压力油经阀12、阀3进入注射座移动液压缸左腔，右腔油液经阀3、阀14回油箱，使注射座后退。泵A经阀1卸荷。此时系统油液流动情况为进油路 泵B阀12阀3（左位）注射座移动缸左腔；回油路 注射座移动缸右腔阀3（左位）节流阀14油箱。 (9)开模 开模过程与合模过程相似，开模速度一般历经慢一快一慢的过程。 1)慢速开模 电磁铁2YA通电，阀4左位接入系统，液压泵6的压力油经阀4进入合模液压缸右腔，左腔的油经液控单向阀13、阀4回油箱。泵A经阀1卸荷。 2)快速开模 此时电磁铁2YA和5YA都通电，A、B两个液压泵汇流向合模液压缸右腔供油，开模速度提高。(10)顶出 模具开模完成后，压下一行程开关，使电磁铁11YA得电，从泵B来的压力油，经过单向阀10，电磁换向阀21上位，进入推料缸的左腔，右腔回油经阀21的上位回油箱。推料顶出缸通过顶杆将已经注塑成型好的塑料制品从模腔中推出。(11)推料缸退回 推料完成后，电磁阀11YA失电，从泵B来的压力油经阀21下位进入推料缸油腔，左腔回油经过阀21下位后回油箱。(12)系统卸荷 上述循环动作完成后，系统所有电磁铁都失电。液压泵A经阀1卸荷，液压泵B经先导式溢流阀6卸荷。到此，注塑机一次完整的工作循环完成。三、系统性能分析1)由于该系统在整个工作循环中，合模缸和注射缸等液压缸的流量变化较大，锁模和注射后又系统有较长时间的保压，为合理利用能量系统采用双泵供油方式，液压缸快速动作（低压大流量）时，采用双液压泵联合供油方式；液压缸慢速动作或保压时，采用高压小流量泵B供油，低压大流量泵A卸荷供油方式。2)由于合模液压缸要求实现快、慢速开模、合模以及锁模动作，系统采用电液换向阀换向回路控制合模缸的运动方向，为保证足够的锁模力，系统设置了增力缸作用合模缸的方式，再通过机液复合机构完成合模和锁模，因此，合模缸结构较小、回路简单。3)由于注射液压缸运动速度较快，但运动平稳性要求不高，故系统采用调速阀旁路节流调速回路。由于预塑时要求注射缸有背压且背压力可调，所以在注射缸的无杆腔出口处串联一个背压阀。4)由于预塑工艺要求注射座移动缸在不工作时应处于背压且浮动状态，系统采用Y型中位机能的电磁换向阀，顺序阀18产生可调背压，回油节流调速回路等措施，调节注射座移动缸的运动速度，以提高运动的平稳性。5)预塑时螺杆转速较高，对速度平稳性要求较低，系统采用调速阀旁路节流调速回路。 6)由于注塑机的注射压力很大(最大注射压力达153MPa)，为确保操作安全，该机设置了安全门，在安全门下端装一个行程阀，串接在电液阀4的控制油路上，控制合模缸的动作。只有当操作者离开模具，将安全门关闭时压下行程阀后，电液换向阀才有控制油进入，合模缸才能实现合模运动，以确保操作者的人身安全。7)由于注塑机的执行元件较多，其循环动作主要由行程开关控制，按预定顺序完成。这种控制方式机动灵活，且系统较简单。8)系统工作时，各种执行装置的协同运动较多、工作压力的要求较多、压力的变化较大，分别通过电磁溢流阀7，溢流阀8、9，和单项顺序阀17、18的联合作用，实现系统中不同位置、不同运动状态的不同压力控制。液压执行元件载荷力和载荷转矩计算各液压缸的载荷力计算合模缸的载荷力合模缸在模具闭合过程中是轻载，其外载荷主要是动模及其连动部件的起动惯性力和导轨的摩擦力。 锁模时，动模停止运动，其外载荷就是给定的锁模力。 开模时，液压缸除要克服给定的开模力外，还克服运动部件的摩擦阻力。注射座移动缸的载荷力座移缸在推进和退回注射座的过程中，同样要克服摩擦阻力和惯性力，只有当喷嘴接触模具时，才须满足注射座最大推力。注射缸载荷力注射缸的载荷力在整个注射过程中是变化的，计算时，只须求出最大载荷力。 式中，d螺杆直径，由给定参数知：d；p喷嘴处最大注射压力，已知p153MPa。由此求得Fw192kN。各液压缸的外载荷力计算结果列于表l。取液压缸的机械效率为0.9，求得相应的作用于活塞上的载荷力，并列于表1中。进料液压马达载荷转矩计算 取液压马达的机械效率为0.95，则其载荷转矩 液压系统主要参数计算初选系统工作压力 塑料注射机属小型液压机，载荷最大时为锁模工况，此时，高压油用增压缸提供；其他工况时，载荷都不太高，参考设计手册，初步确定系统工作压力为6.5MPa。计算液压缸的主要结构尺寸确定合模缸的活塞及活塞杆直径合模缸最大载荷时，为锁模工况，其载荷力为1000kN，工作在活塞杆受压状态。活塞直径 此时p1是由增压缸提供的增压后的进油压力，初定增压比为5，则p15×6.5MPa32.5MPa，锁模工况时，回油流量极小，故p20，求得合模缸的活塞直径为 ，取Dh。按表25取d/D0.7，则活塞杆直径dh×，取dh。 为设计简单加工方便，将增压缸的缸体与合模缸体做成一体(见图1)，增压缸的活塞直径也为。其活塞杆直径按增压比为5，求得 ，取dz。)注射座移动缸的活塞和活塞杆直径座移动缸最大载荷为其顶紧之时，此时缸的回油流量虽经节流阀，但流量极小，故背压视为零，则其活塞直径为，取Dy 由给定的设计参数知，注射座往复速比为0.080.061.33，查表26得d/D0.5，则活塞杆直径为： dy×确定注射缸的活塞及活塞杆直径当液态塑料充满模具型腔时，注射缸的载荷达到最大值213kN，此时注射缸活塞移动速度也近似等于零，回油量极小；故背压力可以忽略不计，这样，取Ds；活塞杆的直径一般与螺杆外径相同，取ds。计算液压马达的排量液压马达是单向旋转的，其回油直接回油箱，视其出口压力为零，机械效率为0.95，这样 计算液压执行元件实际工作压力按最后确定的液压缸的结构尺寸和液压马达排量，计算出各工况时液压执行元件实际工作压力，见表2。计算液压执行元件实际所需流量根据最后确定的液压缸的结构尺寸或液压马达的排量及其运动速度或转速，计算出各液压执行元件实际所需流量，见表3。制定系统方案和拟定液压系统图制定系统方案执行机构的确定 本机动作机构除螺杆是单向旋转外，其他机构均为直线往复运动。各直线运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸直接驱动，螺杆则用液压马达驱动。从给定的设计参数可知，锁模时所需的力最大，为900kN。为此设置增压液压缸，得到锁模时的局部高压来保证锁模力。合模缸动作回路 合模缸要求其实现快速、慢速、锁模，开模动作。其运动方向由电液换向阀直接控制。快速运动时，需要有较大流量供给。慢速合模只要有小流量供给即可。锁模时，由增压缸供油。液压马达动作回路 螺杆不要求反转，所以液压马达单向旋转即可，由于其转速要求较高，而对速度平稳性无过高要求，故采用旁路节流调速方式。注射缸动作回路 注射缸运动速度也较快，平稳性要求不高，故也采用旁路节流调速方式。由于预塑时有背压要求，在无杆腔出口处串联背压阀。注射座移动缸动作回路 注射座移动缸，采用回油节流调速回路。工艺要求其不工作时，处于浮动状态，故采用Y型中位机能的电磁换向阀。安全联锁措施本系统为保证安全生产，设置了安全门，在安全门下端装一个行程阀，用来控制合模缸的动作。将行程阀串在控制合模缸换向的液动阀控制油路上，安全门没有关闭时，行程阀没被压下，液动换向阀不能进控制油，电液换向阀不能换向，合模缸也不能合模。只有操作者离开，将安全门关闭，压下行程阀，合模缸才能合模，从而保障了人身安全。液压源的选择该液压系统在整个工作循环中需油量变化较大，另外，闭模和注射后又要求有较长时间的保压，所以选用双泵供油系统。液压缸快速动作时，双泵同时供油，慢速动作或保压时由小泵单独供油，这样可减少功率损失，提高系统效率。拟定液压系统图 液压执行元件以及各基本回路确定之后，把它们有机地组合在一起。去掉重复多余的元件，把控制液压马达的换向阀与泵的卸荷阀合并，使之一阀两用。考虑注射缸同合模缸之间有顺序动作的要求，两回路接合部串联单向顺序阀。再加上其他一些辅助元件便构成了250克塑料注射机完整的液压系统图，见图2，其动作循环表，见表4。液压元件的选择液压泵的选择 液压泵工作压力的确定 pPplppl是液压执行元件的最高工作压力，对于本系统，最高压力是增压缸锁模时的入口压力，pl6.4MPa；p是泵到执行元件间总的管路损失。由系统图可见，从泵到增压缸之间串接有一个单向阀和一个换向阀，取p0.5MPa。液压泵工作压力为 pP 液压泵流量的确定 qPK(qmax)由工况图看出，系统最大流量发生在快速合模工况，qmax3L/s。取泄漏系数K为1.2，求得液压泵流量 qP/s (216L/min)选用YYB-BCl71/48B型双联叶片泵，当压力为7 MPa时，大泵流量为/min，小泵流量为/min。电动机功率的确定注射机在整个动作循环中，系统的压力和流量都是变化的，所需功率变化较大，为满足整个工作循环的需要，按较大功率段来确定电动机功率。 从工况图看出，快速注射工况系统的压力和流量均较大。此时，大小泵同时参加工作，小泵排油除保证锁模压力外，还通过顺序阀将压力油供给注射缸，大小泵出油汇合推动注射缸前进。 前面的计算已知，小泵供油压力为pP16.9MPa，考虑大泵到注射缸之间的管路损失，大泵供油压力应为pP2(5.90.5)MPa6.4MPa，取泵的总效率P0.8，泵的总驱动功率为 27.313 kW 考虑到注射时间较短，不过3s，而电动机一般允许短时间超载25%，这样电动机功率还可降低一些。P×100/12521.85 kW 验算其他工况时，液压泵的驱动功率均小于或近于此值。查产品样本，选用22kW的电动机。液压阀的选择 选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。本系统工作压力在7MPa左右，所以液压阀都选用中、高压阀。所选阀的规格型号见表5。液压马达的选择r，正常工作时，输出转矩769N.m，系统工作压力为7MPa。选SZM0.9双斜盘轴向柱塞式液压马达。其理论排量为/r，额定压力为20 MPa，额定转速为8l00r/min，最高转矩为3057N·m，机械效率大于0.90。油管内径计算 本系统管路较为复杂，取其主要几条(其余略)，有关参数及计算结果列于表6。 确定油箱的有效容积 按下式来初步确定油箱的有效容积 VaqV已知所选泵的总流量为/min，这样，液压泵每分钟排出压力油的体积为。参照表43取a5，算得有效容积为 V5×31 m3液压系统性能验算验算回路中的压力损失 本系统较为复杂，有多个液压执行元件动作回路，其中环节较多，管路损失较大的要算注射缸动作回路，故主要验算由泵到注射缸这段管路的损失。沿程压力损失沿程压力损失，主要是注射缸快速注射时进油管路的压力损失。此管路长 5m，管内径，快速时通过流量/s；选用20号机械系统损耗油，正常运转后油的运动粘度27mm2/s，油的密度918kg/m3。油在管路中的实际流速为 油在管路中呈紊流流动状态，其沿程阻力系数为： 求得沿程压力损失为： 局部压力损失 局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失p2，以及通过控制阀的局部压力损失p3。其中管路局部压力损失相对来说小得多，故主要计算通过控制阀的局部压力损失。 参看图2，从小泵出口到注射缸进油口，要经过顺序阀17，电液换向阀2及单向顺序阀18。 单向顺序伺17的额定流量为50L/min，额定压力损失为0.4MPa。电液换向阀2的额定流量为190L/min，额定压力损失0.3 MPa。单向顺序阀18的额定流量为150L/min，额定压力损失0.2 MPa。通过各阀的局部压力损失之和为 从大泵出油口到注射缸进油口要经过单向阀13，电液换向阀2和单向顺序阀18。单向阀13的额定流量为250L/min，额定压力损失为0.2 MPa。通过各阀的局部压力损失之和为： 由以上计算结果可求得快速注射时，小泵到注射缸之间总的压力损失为 p1 大泵到注射缸之间总的压力损失为 p 2由计算结果看，大小泵的实际出口压力距泵的额定压力还有一定的压力裕度，所选泵是适合的。 另外要说明的一点是：在整个注射过程中，注射压力是不断变化的，注射缸的进口压力也随之由小到大变化，当注射压力达到最大时，注射缸活塞的运动速度也将近似等于零，此时管路的压力损失随流量的减小而减少。泵的实际出口压力要比以上计算值小一些。 综合考虑各工况的需要，确定系统的最高工作压力为6.8MPa，也就是溢流阀7的调定压力。液压系统发热温升计算 计算发热功率 液压系统的功率损失全部转化为热量。 发热功率计算如下 PhrPrPc 对本系统来说，Pr是整个工作循环中双泵的平均输入功率。具体的pi、qi、ti值见表7。这样，可算得双泵平均输入功率Pr12kW。系统总输出功率求系统的输出有效功率： 由前面给定参数及计算结果可知：合模缸的外载荷为90kN，行程；注射缸的外载荷为192kN，行程；预塑螺杆有效功率5kW，工作时间15s；开模时外载荷近同合模，行程也相同。注射机输出有效功率主要是以上这些。 总的发热功率为： Phr 计算散热功率 前面初步求得油箱的有效容积为1m3abh求得油箱各边之积： a·b·h1/33 取a为，b、h分别为1m。求得油箱散热面积为： Ath(abab×l××1.25)m2 2 油箱的散热功率为： PhcK1AtT式中 K1油箱散热系数，查表51，K1取16W/(m2·)； T油温与环境温度之差，取T35。 Phc16××35kW3.3kWPhr由此可见，油箱的散热远远满足不了系统散热的要求，管路散热是极小的，需要另设冷却器。 冷却器所需冷却面积的计算 冷却面积为： 式中 K传热系数，用管式冷却器时，取K116W(m2·)； tm平均温升()；取油进入冷却器的温度T160，油流出冷却器的温度T250，冷却水入口温度tl25，冷却水出口温度t230。则： 所需冷却器的散热面积为： 考虑到冷却器长期使用时，设备腐蚀和油垢、水垢对传热的影响，冷却面积应比计算值大30，实际选用冷却器散热面积为：A×22 注意；系统设计的方案不是唯一的，关键要进行方案论证，从中选择较为合理的方案。同一个方案，设计者不同，也可以设计出不同的结果，例如系统压力的选择、执行元件的选择、阀类元件的选择等等都可能不同。附：系统工况图