液压传动系统设计实例.docx

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1、液压传动系统设计实例 图10.9-10 注塑机的工作循环 24 液压传动系统设计计算实例 250g 塑料注射成型机液压系统设计计算 塑料注射成型机（简称注塑机）的基本工作原理是：颗粒状塑料通过料斗进入螺旋推进器中，螺杆转动，将料向前推进，同时，因螺杆外装有电加热器而将料溶化成黏液状态，在此之前，合模机构已将模具闭合，当物料在螺旋推进器前端形成一定压力时，注射机构开始将黏液状料高压快速注射到模具型腔之中，经 一定时间保压冷却后开模，把成型 的塑料制品顶出，便完成一个动作 循环。注塑机的工作循环如图10.9-10所示。 250g 注塑机的一次注塑量为250克，拟采用液压传动与控制方式。 241 设

2、计要求及设计参数 (1) 设计要求 1) 合模运动要平稳，两片模具闭合时不应有冲击； 2) 合模后，合模机构应保持闭合压力，防止注射时冲开模具；注射后，注射机构应保持注射压力，使塑料充满型腔； 3) 预塑进料时，螺杆转动，物料被推至前端，这时，螺杆同注射机构一起向后退，为使螺杆前端的塑料有一定的密度，注射机构必须有一定的后退阻力； 4) 系统应设有安全联锁装置，以保证安全生产。 (2) 设计参数 250g 注塑机液压系统的设计参数如表10.9-19所示。 表10.9-19 250g 注塑机的设计参数 2.4.2 选择液压执行元件 本注塑机动作机构除螺杆为单向旋转外，其他机构均为直线往复运动。因

3、此，各直线运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸直接驱动；因螺杆不要求反转，故采用单向液压马达驱动。从给定的设计参数可知，锁模时所需的力最大，为900kN 。为此，可设置增压器，以获得锁模时的局部高压来保证锁模力。 243 液压执行元件工况分析与计算 各执行机构的运动速度要求示于表10.9-19。 (1) 各液压缸负载力计算 1) 合模缸的负载力 合模缸在模具闭合过程为轻载，此时外负载主要是动模及其联动部件的启动惯性力和导轨的摩擦力。锁模时，动模已停止运动，其外负载就是要给定的锁模力。开模时，液压缸要给定开模力和克服运动部件的摩擦阻力。 2) 注射座移动缸的负载力 注射座移动缸在推进和退回注射座的

4、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，才需满足注射座最大推力。 3) 注射缸载荷力 注射缸的负载力在整个注射过程是变化的，计算时，只需根据螺杆直径d 和喷嘴处最大注射压力p （由表10.9-19可知，d =40mm ，p =153MPa ）求出最大负载力F e ；算得2/4192(N)e F p d k =?=。 各液压缸的外负载计算结果列于表10.9-20。考虑液压缸的机械损失，取液压缸的机械效率为0.9，求得相应液压缸活塞上的负载力，并列于表10.9-20中。 表10.9-20 各液压缸负载力 (2) 预塑进料液压马达负载转矩计算 负载转矩为 3 e 2)510(260

5、/60)796(N m )T P n =? ? =?； 取液压马达的机械效率为0.95mm =，则其驱动转矩为 07960.95838(N m)mm T T =? 244 确定液压系统主要参数 (1) 预选系统设计压力 250g 注塑机属小型液压机类型，负载最大为锁模工况，其他工况负载都不大。参考表10.9-4，预选系统工作压力为6.5MPa 。对于锁模工况，可采用增压器提供高压油，以满足最大负载需要。 (2) 各液压缸的主要结构尺寸确定 1) 合模缸 合模缸在锁模工况负载最大达1000kN ，为了节能，并不需要提高系统工作压力，可采用增压器即增压缸增压。初选增压缸的增压比为5，则工作压力可达

6、 1 6.5MPa 532.5MPa p =?=；考虑到锁模工况时的回油量很小，背压20p ，从而求得合模 缸的内径（即活塞直径）为 0.198m h D = 依据GB/T 2348-1993(见表10.9-8)规定，取标准值200mm h D =。 图10.9-11 共用缸体的合模缸与增压缸 杆又参考表10.9-6取/0.7h h d D =，则活塞直径0.70.2m=140mm h d =?。 为设计、制造简单方便，将增压缸与合模缸做成一体，见图10.9-11。可知，增压缸的活塞增 直径也为200mm h D =。由增压比为5，求得压缸的活塞杆直径为 89.4mm z d = = 圆整，取

7、90mm z d =。 2) 注射座移动缸 注射座移动缸的最大负载力为其顶紧时，此时缸的回油流量虽经节流阀，但流量极小，故背压近似为零，则其活塞直径为 0.076m y D = 依GB/T 2348-1993，取标准值80mm y D =。 由表10.9-19给定设计参数可知，注射座往复速比为0.08:0.06=1.33,查表10.9-7得 /0.5y y d D =，则活塞杆直径为0.50.58040(mm)y y d D =?=?=。 3) 注射缸 当黏状塑料充满模具型腔时，注射缸的负载达到最大值213kN ，此时，注射 活塞速度也近似为零，回油量极小，故背压也忽略不计，从而得到注射缸的内

8、径 0.2043m s D = 取标准值220mm s D =。 注射缸的活塞杆直径一般与螺杆外径相同，取40mm s d =。 由上求得各液压缸的结构尺寸，算出它们无杆腔和有杆腔的有效作用面积，列入表10.9-21中。 表10.9-21 各液压缸的结构尺寸 (3) 单向旋转液压马达的回油直接回油箱，视其出口压力为零，取机械效率为0.95，则液压马达的排量应为 36 122796 0.0008(m /r)0.8(L/r)6.5100.95 e mm T V p ?= =? (4) 液压执行元件工况（实际工作压力和实际所需流量）计算 按最后确定的液压缸结构尺寸和液压马达的排量，计算出各工况液压执

9、行元件实际工作压力和实际所需流量分别见表10.9-22和表10.9-23。 表10.9-22 各液压执行元件实际工作压力 表10.9-23 各液压执行元件实际所需流量表 245 拟定液压系统原理图 (1) 制订系统方案 1) 合模缸动作回路 要求合模缸实现快速、慢速、锁模、开模动作。合模缸的运动方向采用三位四通电液换向阀直接控制。快速运动时，需要有较大流量。慢速合模只要有小流量即可。锁模负载力大，靠增压缸供压。 2) 液压马达动作回路 由于单向液压马达转速要求较高，而对速度平稳性无过高要求，故采用旁路节流方式。 3) 注射缸动作回路 注射缸运动速度较快，但平稳性要求不高，因此也采用旁路节流方式

10、。由于预塑时有背压要求，故在缸的无杆腔出口油路串联一个背压阀。注射缸的运动方向控制也采用三位四通电液换向阀。 4) 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。工艺上要求其不工作时处于浮动状态，所以采用Y 型中位机能的三位四通电磁换向阀。 5) 液压油源的选择 由表10.9-23可知，该液压系统在整个工作循环中所需流量变化较大，另外，闭模和注射后又要求有较长时间的保压，故选择双泵供油回路。液压缸快速动作时，双泵同时供油，慢速动作或保压时则单独由小泵供油，以利减少功率损耗，提高效率、节能。 5）安全联锁措施 为了保证安全生产，设置一个安全门，在安全门下端装一个行程阀，用来控制合模缸的

11、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，从而保障人身安全。 (2) 拟定液压系统原理图 各液压执行元件的基本回路方案确定后，把它们组合起来，并去掉多余重复的元件，例如，把控制液压马达的换向阀与泵的卸荷阀合并，使一阀两用；考虑到注射缸与合模缸之间有顺序动作的要求，两回路结合部串联单向顺序阀。再加上其他必须的辅助元件如过滤器、压力表之类，便可得到图10.9-12所示的250g注塑机液压系统原理图。系统的电磁铁动作顺序表见表10.9-2

12、4。 图10.9-12 250g注塑机液压系统原理图 246 选择和设计液压元件 (1) 液压泵的选择 1）计算液压泵压力 由前面计算可知，本系统液压执行元件的最大工作压力为增压缸锁模工况时压力，1 6.96MPa p =(见表10.9-22)；另外，从系统图可知，在小泵和增压缸之间串接有一个单向阀10和一个换向阀5，预估从泵到执行元件总的压力损失0.5MPa p =。从而算得小泵的最大工作压力为 11 6.960.57.46(MPa)p p p p =+=+= 对大泵而言，最大工作压力为5.9MPa,，计大泵与注射缸之间的压力损失为0.5MPa ，其工作压力为 22 5.90.5 6.4(M

13、Pa)p p p p =+=+= 2）计算液压泵流量 由表10.9-23可知，系统所需最大流量为快速合模工况，是188.4L/min 。另考虑泄漏损失，求得双泵合流的流量为 v 1.1188.4207.24(L /min)p q q =?= 系统在注射座动作时所需流量最少，为18L/min ，同时，考虑到溢流阀最小稳定流量为3L/min 的要求，故小泵的流量为 1v1 1.118322.8(L /min)p q q =?+= 由此可算出大泵的流量为 2v21188.44(L /min)p p p q q q q =-= 3) 确定液压泵的规格 根据以上计算结果，查阅产品样本，选用规格相近的PV

14、2R14型双联叶片泵，泵的最高使用压力为16MPa ，后泵为小泵，排量为V 1=19ml/r ；前泵为大泵，排量为V 2=153ml/r ；泵的转速范围6001800r/min 。初选转速1450r/min 的驱动电机，取泵的容积效率v 0.85=，总效率0.8p =。可算出该双联泵的大泵和小泵的额定流量分别为 11v V 1914500.8523.42(L /min)p q n =?=?= 22v V 15314500.85188.57(L /min)p q n =?=?= 双泵合流的流量为 1223.42188.57211.99(L /min)p p p q q q =+=+= 比实际要求

15、的流量稍大，额定压力和流量都满足设计要求。 4) 选择电机 注塑机在整个工作循环中，系统压力、流量和所需功率变化较大，电机功率应满足工作循环的最大功率阶段要求。由前面计算可知，快速注射工况时系统的压力和流量均较大。大、小泵同时工作，小泵排油除保证锁模外，还通过顺序阀将压力油供给注射缸，大、小泵排油合流驱动注射缸前进。根据这时液压泵的工作压力、输出流量及其总效率，可求出液压泵的驱动功率为 1122 7.4623.42 6.4188.57 28.78(kW)0.860 p p p p q p q P +?+?= = =? 由于注射工序时间很短，仅3秒，而电动机一般允许短时间超载25%50%，所以针

16、对本系统，选用电动机的功率可适当降低一些，取电动机功率为22kW 。 查样本，选用Y 系列（IP44）中Y180L-4封闭式三相异步电动机，其额定功率22kW ，额定转速1470rpm 。用此转速驱动液压泵时，大、小泵的实际输出流量分别为191.17L/min 和23.74L/min ，双泵合流为214.91L/min ；注射座动作时的溢流量为23.74-18=5.74(L/min)，能满 足系统各工况的需求。 (2) 液压马达的选择 前面算得液压马达的排量应为0.8L/r ，正常工作时，输出转矩796Nm ，系统工作压力为7.46MPa 。选用规格相近的1QJM21-08型内曲线径向球塞式轴

17、转定量液压马达，其排量为0.808L/r ，额定压力16MPa ，最高工作压力20MPa ，额定转速为2200r/min ，额定输出转矩1913Nm 。 (3) 液压阀的选择 根据本系统工作压力为中压7MPa 左右及通过阀的流量，所选定液压阀的型号规格见表10.9-25。 表10.9-25 250g 注塑机液压系统所选定液压阀的型号规格 注：表中序号与图10.9-12中元件标号相同。 (4) 油箱容量的确定 已知所选泵的总流量约为215L/min ，按式（10.9-16）经验公式计算油箱的容量，取6=，求得油箱的有效容积为 36062151290(L) 1.29(m )V q =?=?= 完成液压元件的选型和管道设计后，还应对系统的压力损失、效率和发热温升等进行性能验算，可按本章225中介绍的内容和方法进行计算，本例题从略。 还需说明的是，这里是采用普通液压阀设计的注塑机。随着科学技术的发展，已出现了很多新的形式，如宁波通用TF-1600A-型采用电液比例压力阀实现各种压力无级调节的单比例阀注塑机；还如使用电液比例压力阀和比例流量阀的宁波海天HFT150型注塑机等。新型注塑机是在采用传统液压传动与控制系统基础上的进步。