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一、選題依據(jù)
1．論文（設(shè)計）題目
液壓驅(qū)動金屬打包機設(shè)計
2．研究領(lǐng)域
機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓系統(tǒng)設(shè)計
3．論文（設(shè)計）工作的理論意義和應用價值
隨著科學技術(shù)發(fā)展和人民生活水平的提高，各種生活金屬廢品和工業(yè)金屬廢料也日益增多，過度開采也導致各類礦產(chǎn)資源不斷減少。怎樣利用這些金屬廢棄物，不使其污染環(huán)境，又變廢為寶，達到可持續(xù)發(fā)展的目的成為一個重要的研究課題擺在人們面前。液壓金屬打包機就是在這種需求下產(chǎn)生的。金屬打包機主要是用來將廢鐵、廢鋁、廢鐵、線材以及一些輕薄金屬板材余料等壓縮成塊打包，提供給鋼廠作為回爐熔煉的合格爐料。這樣既加快了廢金屬的回收和利用，減少了廢料的運輸成本和冶煉成本，又方便儲存運輸，提升回爐速度。提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢
當前，中國的打包機還是以模仿為主，對外國的產(chǎn)品略有改善，沒有實質(zhì)的發(fā)展， 而在企業(yè)管理中，往往只注重生產(chǎn)加工、輕研究開發(fā)，創(chuàng)新不夠。
我國的液壓剪切機和液壓打包機在 20 世紀 80 年代中期就開始起步研制應用。當時國家已經(jīng)將廢鋼鐵回收列入節(jié)能項目中，這主要是為了從宏觀政策上鼓勵發(fā)展。國家物資總局和商業(yè)部，為了廢鋼鐵回收價能夠正常實施，特別從捷克、美國、日本、西德等國家分別組織引進了一部分打包機以及廢鋼剪切機。首先對京、津等大中型城市進行武裝，我國非金屬加工設(shè)備的生產(chǎn)體系，通過隨后不斷的技術(shù)合作和引進先進技術(shù)等多種形式逐漸形成。雖然自 20 世紀 80 年代后期引進國外的廢鋼打包機械距今
已有 20 幾年，中國加入世界貿(mào)易組織也有多年，世界經(jīng)濟一體化進程不斷加快，但是我國液壓打包機的開發(fā)近況仍舊存在許多令人不太滿意的地方：（1）新產(chǎn)品開發(fā)研制的動力、財力不足。（2）經(jīng)久耐用簡單可行的設(shè)備受歡迎。
具初步統(tǒng)計，國外的金屬打包機設(shè)備產(chǎn)品種類大概有 200 種，成套數(shù)量多，并且不斷有新的技術(shù)和產(chǎn)品推出。國外打包機設(shè)備產(chǎn)品一方面向高精度、大型化發(fā)展，另一方面向多功能方向發(fā)展。我國的打包機械產(chǎn)品數(shù)量較少，僅有 60 多種，缺乏高精度、大型化打包機械產(chǎn)品，并且在很多領(lǐng)域還處在空白狀態(tài)。行業(yè)需要自動化程度高、生產(chǎn)效率高、具有流水線形式的廢鋼鐵綜合加工機械，對一機多功能設(shè)備更加青睞。比如韓國大模技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 DMS 系列的金屬打包機能夠 360 度自由旋轉(zhuǎn)，并
且功率大，適用于大鋼廠料作業(yè)；詹陽動力重工公司生產(chǎn)出來的液壓履帶式抓鋼機附帶電磁吸盤和散料抓斗，一機多用深受鋼鐵企業(yè)歡迎。
結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)力和社會發(fā)展水平，相信金屬打包機械在未來的發(fā)展態(tài)勢將會呈現(xiàn)以下特點：
（1）高效化、低能耗、高速化。提升器械的工作效率，減少生產(chǎn)成本。
（2）自動化、智能化。打包機的自動化與智能化是今后發(fā)展的必然趨勢，高效打包機械將在生產(chǎn)發(fā)揮越來越重要的作用，不論是在降低成本和提高效率方面，都有著巨大的貢獻。全自動打包機還能減少因為人為因素產(chǎn)生的失誤。
（3）機電液一體化。綜合利用各相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢，揚長避短，增進整個液壓系統(tǒng)的完善程度，取得系統(tǒng)優(yōu)化的效果，有著顯著的社會效益和技術(shù)經(jīng)濟效益。
（4）液壓元件的標準化，集成化。標準化的液壓元件為設(shè)備的維修帶來方便， 而集成化有效地阻止了泄露和污染。
（5）安全性。運用先進的安全防護裝置，保證操作者和檢修人員的人身安全。
二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題
打包機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，機座部分結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇，擠壓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇，液壓系統(tǒng)設(shè)計、元件選擇。
2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）
（1）打包機的總體方案設(shè)計：確定必要的設(shè)計依據(jù) 對加工工件的工藝分析 打包機的整體布局 機械原理分析
（2）打包機主要參數(shù)的確認：打包機的尺寸參數(shù) 運動參數(shù)等
（3）打包機的結(jié)構(gòu)設(shè)計：整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（4）液壓系統(tǒng)設(shè)計：明確液壓系統(tǒng)的使用要求 進行負載特性分析 確定回路方式 選擇液壓元件 進行安全校核等
（5）打包機設(shè)計一系列圖樣的繪制
3.本論文（設(shè)計）預期取得的成果
通過學習及查閱相關(guān)資料了解液壓金屬打包機的基本工作原理，掌握對液壓金屬打包機各組成部件的結(jié)構(gòu)尺寸的計算、強度校核、驗算過程等，了解液壓金屬打包機的發(fā)展趨勢和相關(guān)技術(shù)。通過自主設(shè)計選擇最合理的方案設(shè)計能夠得到以下結(jié)果：
（1）液壓金屬打包機的工作原理及總體方案設(shè)計
（2）設(shè)計說明書
（3）主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（相關(guān)裝配圖、零件圖）
（4）液壓金屬打包機系統(tǒng)相關(guān)的一篇外文翻譯（不少于 2000 字）
三、論文（設(shè)計）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）；
（1） 參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，如液壓金屬打包機設(shè)計方案等，擬確定各結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從而能安全實現(xiàn)生產(chǎn)液壓金屬打包機的功能。
（2） 要從各種方案中選擇合適的方案，分析出各方案的優(yōu)缺點，綜合優(yōu)化各種方案設(shè)計，從而確定本次設(shè)計的最后設(shè)定方案。
（3） 從經(jīng)濟性、適用性、節(jié)能性出發(fā)，設(shè)計各個部分。
（4） 要完成動力驅(qū)動部分的設(shè)計與校核，主缸系統(tǒng)，鎖緊機構(gòu)等零部件的設(shè)計與校核。
（5） 完成總裝配圖、零件圖，部件圖設(shè)計和說明書的撰寫。
2.論文（設(shè)計）進度計劃
（1） 第一周~第四周，查找、收集相關(guān)文獻資料，研讀文獻并完成文獻綜述， 撰寫開題報告；
（2） 第五周~第七周，完成外文翻譯工作和整體方案設(shè)計選擇，根據(jù)選擇的方案進行打包機的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
（3） 第七周~第九周，完成打包機上蓋、水平擠壓部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、參數(shù)計算和校核；
（4） 第九周~第十二周，液壓動力系統(tǒng)的方案設(shè)計與液壓動力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)計算、校核，液壓系統(tǒng)圖的繪制及液壓元件的選擇；
（5）第十三周~第十六周，完成零件圖、裝配圖的繪制，撰寫說明書，打印材料，準備答辯。
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附：文獻綜述或報告
金屬打包機作為一種廢金屬回收器械目前已廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，是現(xiàn)階段實現(xiàn)降低污染、金屬資源重復利用的一種重要工具。金屬打包機的發(fā)展，也反映出各個國家現(xiàn)如今的科學技術(shù)發(fā)展水平與工業(yè)生產(chǎn)水平。
一、金屬打包機主要是由壓縮板頭，壓縮室，驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等部分組成。工作時，金屬廢料先進入壓縮室，然后壓縮板頭通過驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動，對金屬廢料進行壓縮，最后打包成塊，推出壓縮室?，F(xiàn)階段大部分金屬打包機還是采用傳統(tǒng)的繼電控制，設(shè)備自動化程度不高。而新式打包機由 PLC 控制，設(shè)備自動化程度高，降低了人為操作帶來的失誤等。
二、根據(jù)驅(qū)動方式的不同，目前國內(nèi)擁有并使用的金屬打包機大致分為絲桿傳動驅(qū)動和液壓傳動驅(qū)動兩大類。絲桿傳動驅(qū)動的金屬打包機，主要由電動機、減速器、絲桿及螺母進行傳動，人工取包或是機械頂住包塊。這類金屬打包器械，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。但是其缺點也很明顯，絲桿傳動的功率損耗大，磨損大，體積大， 所以在金屬打包機發(fā)展過程逐漸被液壓傳動式所替代。而液壓驅(qū)動金屬打包機，采用液壓系統(tǒng)作為打包機的驅(qū)動系統(tǒng)，相對絲桿傳動式金屬打包機來說，占地面積稍小， 結(jié)構(gòu)與之相比更為緊湊，更容易獲得大的壓力。兩種打包機的驅(qū)動方式雖然不同，但是其主機的結(jié)構(gòu)基本都相同。打包機的具體運動基本都為：（1）合蓋—封閉料箱， 形成壓縮室。即預壓過程（2）第一極壓頭加壓—X 向加壓（3）第二級加壓—Y 向加壓。即最終加壓，形成密度較高的束塊。（4）開側(cè)門，推出束塊，（5）回位—主、側(cè)壓頭退回，側(cè)門關(guān)閉，機蓋啟開。等待下一工作循環(huán)加料。
三、液壓驅(qū)動式金屬打包機的核心部分便是液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的性能直接影響到打包機的工作性能。打包機的液壓系統(tǒng)主要由動力裝置：液壓泵；執(zhí)行裝置：液壓缸；控制調(diào)節(jié)裝置：手動方向閥、壓力控制閥；輔助裝置：油箱、油管、接頭、密封件、壓力表等組成。液壓金屬打包機對液壓系統(tǒng)的要求為：
（1）合理的動力裝置。液壓泵和電機的選擇直接關(guān)系到動力源的利用率，因此， 選擇液壓泵和電機時應選擇最合理最節(jié)能的。液壓泵的基本參數(shù)為：壓力、轉(zhuǎn)速、流量、效率，一般應該根據(jù)系統(tǒng)的實際工況來選取。選擇液壓泵的另外因素就是泵的流量或者是排量，液壓泵的流量與實際工作狀況有關(guān)，選擇的液壓泵流量需大于液壓系統(tǒng)工作時候的最大流量。最后結(jié)合液壓泵的結(jié)構(gòu)特點和性能來確定型號，一般需要達到液壓泵變量機構(gòu)慣性小、工作壓力高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本較低等特
點。需要注意的是，為了使液壓泵工作安全可靠，應使液壓泵的額定壓力大于工作壓力，通常高 0.25~0.60，而液壓泵的額定流量與實際流量相當，不需要超過太多。
（2）執(zhí)行裝置的可靠性。執(zhí)行裝置—液壓缸的選擇，首先需要根據(jù)設(shè)計的實際要求，計算參數(shù)，經(jīng)過強度校核后，確定其是否符合實際生產(chǎn)要求，才能夠確定液壓缸的型號。通常，液壓金屬打包機需要用到 3 個或以上的液壓缸，主要用途為：（a） 機蓋啟開或預壓（b）主壓力缸（c）側(cè)壓力缸等
（3）方便的控制裝置。液壓控制元件選擇?？紤]打包機的運動工作循環(huán)，在壓縮過程中，應保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許受到各種干擾，同時要求各個液壓缸只能單獨動作，不能同時動作，主缸、側(cè)缸、蓋缸都能在任意位置停止運動，基于此來選擇液壓油路。而選擇的各種控制閥應保證液壓系統(tǒng)的安全可靠性，同時考慮各個液壓缸的互鎖機制，結(jié)合控制閥的中位機能，達到減少系統(tǒng)的功率損失，便于卸荷的效果。
（4）輔助元件選擇。由于液壓系統(tǒng)工作時會產(chǎn)生一系列因素，如油液可壓縮性以及油液升溫等，此類因素在系統(tǒng)靜止時不會對系統(tǒng)系能產(chǎn)生影響，但是在工作時這一系列因素會導致液壓系統(tǒng)性能無法達到設(shè)計的要求，所以需要選擇一系列輔助元件，如在液壓系統(tǒng)的回油路裝冷卻器，調(diào)節(jié)油溫：在主壓缸的加載缸進油口裝壓力表和安全閥等，讓液壓金屬打包機滿足工作循環(huán)中各種壓力、流量變化的要求。
四、打包機的控制系統(tǒng)，市面上常見的金屬打包機控制系統(tǒng)大致也分為兩種，通過繼電器控制，和采用 PLC 作為控制軟件控制系統(tǒng)。（1）傳統(tǒng)的繼電器控制方式， 雖然控制形式簡單，但是有的控制全都是采用電氣元件來完成，接線較為麻煩，在系統(tǒng)發(fā)生問題時，查找起來非常困難，并且通過人工操縱桿實現(xiàn)打包機的運動控制，不能達到控制精確，甚至可能導致操作失誤而帶來不必要的損失。所以這種控制方式終將被淘汰（2）新式打包機通過運用 PCL 控制系統(tǒng)，作為新一代可編程控制器的 PLC， 在生產(chǎn)過程中的自動控制和順序邏輯控制可根據(jù)要求和加工流程來實現(xiàn)，通過計算機收集數(shù)據(jù)信息，然后進行數(shù)據(jù)分析與處理，再進行系統(tǒng)的總體控制，控制相對精確， 所以在控制現(xiàn)場中 PLC 不僅被廣泛應用，同時也取得了很好的控制效果。并且采用
PLC 控制，在檢查系統(tǒng)問題時也相對簡單。
五、液壓系統(tǒng)的故障檢測。隨著液壓技術(shù)與微電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、傳感技術(shù)等新技術(shù)的緊密結(jié)合，使得液壓系統(tǒng)向著復雜化、精密化和自動化的方向快速發(fā)展，而且用途越來越多，涉及的領(lǐng)域也越來越廣。在機、電、液一體化的耦合系統(tǒng)中， 液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障具有隨機性、隱蔽性和復雜性等特點，所以開展針對液壓系統(tǒng)的故障診斷的研究顯得尤為重要。依據(jù)液壓系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)特點，可分為以下三個
發(fā)展階段：
（1）原始診斷階段。該階段由于機器裝備比較簡單，故障診斷主要依靠專家或維修人員通過感官、經(jīng)驗和簡單儀表，對故障進行診斷并排除。通常采用的方法有感官診斷法、邏輯分析法、圖論法和儀器檢測法。每種方式方法的應用時機，需要視具體的應用場合與故障發(fā)生狀況而定。該發(fā)展階段的故障診斷方法，其優(yōu)點是建模簡單， 分析過程和結(jié)果易于理解。但它過于依賴檢修人員的判斷能力和實際經(jīng)驗，只能對故障進行簡單的定性分析，做不到定量分析。另外，當系統(tǒng)復雜時，使用此類診斷方法將會變得非常困難，費時費力，而且診斷正確率不高，滿足不了現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的要求。
（2）基于傳感器與計算機技術(shù)診斷階段。這個階段由于傳感器技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展，使得對液壓系統(tǒng)個中診斷新號（壓力、流量、振動等）的測量變得容易和快捷，微機和信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，使數(shù)據(jù)處理的效率大大提高，從而出現(xiàn)了各種狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法。主要是時域分析法、頻域分析法、時頻分析法、狀態(tài)空間分析法、動態(tài)過程分析法、參數(shù)估計法等。該階段的診斷方法，需要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型或者提取系統(tǒng)的特征參數(shù)，而液壓系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng)，具有強耦合、滯后、參數(shù)時變等非線性特征，導致液壓系統(tǒng)故障特征參數(shù)提取困難，數(shù)學模型極其復雜甚至數(shù)學模型無法建立的情況，很難得到較準確的在線狀態(tài)估計或參數(shù)估計。
（3）智能化診斷階段。這一階段的特點是將人工智能的研究成果（專家經(jīng)驗的總結(jié)、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等）應用到液壓系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域中，它以常規(guī)信號處理和診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，以人工智能技術(shù)為核心，構(gòu)建智能化故障診斷模型和系統(tǒng)。此時，故障診斷過程由以知識處理為核心取代了以數(shù)據(jù)處理為核心。目前，基于人工智能的液壓系統(tǒng)故障診斷法主要有基于模糊邏輯的診斷法、基于專家系統(tǒng)的診斷法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷法以及它們之間的融合等。①基于專家系統(tǒng)的診斷法，是根據(jù)人們在長期的實踐中積累起來的大量故障診斷經(jīng)驗和知識設(shè)計出的一套計算機程序，其診斷結(jié)果直觀、形象，易于理解，并且克服了模型診斷法對模型的依賴性。但是，專家系統(tǒng)存在知識獲取比較困難；當規(guī)則較多時，推理中存在匹配沖突、組合爆炸等問題，導致推理速度變慢、效率低下。②基于神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷法，是利用神經(jīng)網(wǎng)絡具有高度的自適應性、較強的自學習能力和容錯性以及分布式并行信息處理功能等，較好地解決了專家系統(tǒng)中出現(xiàn)的無窮遞歸、組合爆炸及匹配沖突等問題，并使計算速度大大提高。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷存在學習算法收斂速度慢，訓練樣本獲取困難，不能解釋推理過程和推理結(jié)果等問題。
結(jié)合目前的人工智能、只能計算、信息處理等計算機等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，將
相關(guān)學科和領(lǐng)域的新技術(shù)、新理論不斷引入并與現(xiàn)有的故障診斷技術(shù)相融合，必將促進液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的進一步發(fā)展。