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第1章 緒論
1.1 課題背景
經(jīng)編織物是有彈性的物品，為了生產(chǎn)運(yùn)輸方便，需要壓縮包裝，由于每一種產(chǎn)品規(guī)格及種類多樣性，要求在傳統(tǒng)織物包裝用壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套帶有可遍程控制器的包裝壓縮機(jī)，并具有以下功能：
1）壓縮噸位可調(diào)（通過壓頭下降到某個(gè)位置控制或其他方法）。
2）在規(guī)定壓縮噸位下，壓縮時(shí)間可調(diào)（3-5分鐘）。
3）壓頭自動(dòng)恢復(fù)至原位，為下次工作準(zhǔn)備。
1.2 PLC可編程序控制
一.PLC的用途
PLC的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置,使其應(yīng)用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關(guān)元件價(jià)格大大下降,使PLC的成本下降,同時(shí)又由于PLC的功能大大增強(qiáng),使PLC 的應(yīng)用越來越廣泛,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機(jī)械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。PLC的應(yīng)用通?？煞譃槲宸N類型：
（1）順序控制 這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。
（2）運(yùn)動(dòng)控制 PLC制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的單軸或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下，PLC把掃描目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸出移動(dòng)一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。每個(gè)軸移動(dòng)時(shí)，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣龋_保運(yùn)動(dòng)平滑。
相對(duì)來說，位置控制模塊比計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）裝置體積更小，價(jià)格更低，速度更快，操作方便。
（3）閉環(huán)過程控制 PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使PLC具有閉環(huán)控制功能,即一個(gè)具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某一個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí),PID控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出,把變量保持在設(shè)定值上。
（4）數(shù)據(jù)處理 在機(jī)械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的PLC和計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）設(shè)備緊密結(jié)合的趨向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一部分。為了實(shí)現(xiàn)PLC和CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨(dú)自編程，由PLC送至CNC設(shè)備使用。美國GE公司的CNC設(shè)備新機(jī)種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的PLC。預(yù)計(jì)今后幾年CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制和管理系統(tǒng)。
（5）通信和聯(lián)網(wǎng) 為了適應(yīng)國外近幾年來興起的工廠自動(dòng)化（FA）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）及集散控制系統(tǒng)（DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展PLC之間，PLC和上級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信功能。作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，不僅PLC數(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電故障時(shí)的對(duì)策。
二. PLC的特點(diǎn)
（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 繼電接觸器控制系統(tǒng)雖具有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機(jī)械觸頭，使設(shè)備連線復(fù)雜，由于器件的老化、脫焊、觸頭的抖動(dòng)及觸頭在開閉時(shí)受電弧的損害大大降低了系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障，PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的1/10--1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。
而PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來完成，大部分繼電器和復(fù)雜的連線被軟件程序所取代，故壽命長，可靠性大大提高。
微機(jī)雖然具有很強(qiáng)的功能，但抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場的電磁波干擾，電源波動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)，溫度和濕度的變化，都可能使一般通用微機(jī)不能正常工作。而PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸收了生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用了大規(guī)模集成電路，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、抗震等都有精確的考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾能力，目前個(gè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC，平均無故障時(shí)間都大大超過了IEC規(guī)定的10萬小時(shí)，有的甚至達(dá)到了幾十萬小時(shí)。
（2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、應(yīng)用靈活 PLC產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品種齊全，外圍模塊品種也多，可有各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，只需在PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入、輸出信號(hào)線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量而有繁雜的硬件接線線路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，修改接線量很小。同一個(gè)PLC裝置有、用于不同的控制對(duì)象，只是輸入、輸出組件和應(yīng)用軟件不同而已。
（3）編程方便，易于使用 PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，直觀易懂，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語言，深受現(xiàn)場電氣技術(shù)人員的歡迎，近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樞蚩刂屏鞒虉D語言，也稱功能圖，使編程更加簡單方便。
（4）功能完善，擴(kuò)展能力強(qiáng) PLC中含有數(shù)量巨大的用于開關(guān)量處理的繼電器類軟件，可輕松地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開關(guān)量邏輯控制，這是一般的繼電器控制所不能實(shí)現(xiàn)的。PLC內(nèi)部具有許多控制功能，能方便地實(shí)現(xiàn)D/A、A/D轉(zhuǎn)換及PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等功能。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，他不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)，一條生產(chǎn)線，還可以控制一個(gè)機(jī)群，許多生產(chǎn)線。他不但可以進(jìn)行現(xiàn)場控制，還可以用于遠(yuǎn)程控制。
（5）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便 PLC中相當(dāng)于繼電器系統(tǒng)中的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等“軟元件”數(shù)量巨大，硬件齊全，且為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，并已商品化，故可按性能、容量（輸入、輸出點(diǎn)、內(nèi)存大?。┑冗x用組裝。又由于用軟件編程取代了硬接線實(shí)現(xiàn)控制功能，使安裝接線量大大減小，設(shè)計(jì)人員只要一臺(tái)PLC就可進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試。而繼電接觸器系統(tǒng)需要在現(xiàn)場調(diào)試，工作量很大且繁難。
（6）維修方便，維修工作量小 PLC具有完善的自診斷，履歷情況存儲(chǔ)及監(jiān)視功能。對(duì)于內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、異常狀態(tài)和I/O點(diǎn)的狀態(tài)均有顯示。工作人員通過他可查出故障原因，便于迅速處理，及時(shí)排除。
（7）結(jié)構(gòu)緊湊 體積小、重量輕，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。
由于以上特點(diǎn)，使得PLC獲得極為廣泛的應(yīng)用。
1.3 液壓傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)開始應(yīng)用于十八世紀(jì)末，但在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的時(shí)間比較短。有大幅度的發(fā)展也就在近50年。因此，與其它傳動(dòng)方式比還是一項(xiàng)年輕的技術(shù)。當(dāng)今液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、起重運(yùn)輸、冶金工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械，輕工業(yè)和機(jī)床工業(yè)。
隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓技術(shù)也廣泛應(yīng)用在高科技高精度的行業(yè)，如機(jī)床行業(yè)。它能代替人們一部分頻繁而笨重的勞動(dòng)，能在條件惡劣的環(huán)境中工作。特別在數(shù)控機(jī)床這類要求精度較高的領(lǐng)域有著不可代替的作用，出現(xiàn)了液壓傳動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)床，組合機(jī)床和自動(dòng)生產(chǎn)線等。在國防工業(yè)中，如飛機(jī)，坦克、火炮等都普遍采用了液壓傳動(dòng)裝置和液壓控制裝置。
當(dāng)今研究的主要內(nèi)容是高壓粘性流體在密閉容器中流動(dòng)規(guī)律和系統(tǒng)中承受高壓的粘性流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
液壓系統(tǒng)有著獨(dú)特的優(yōu)勢。其有著體積小，重量輕，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工作壽命長，液壓元件易于通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的特點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，處于新興技術(shù)的液壓系統(tǒng)在近些年得到了大幅度的發(fā)展，還有著廣泛的發(fā)展空間。它正向高壓化、高速花、集成化、大流量、大功率、高效率、長壽命、低噪音的方向發(fā)展。
液壓傳動(dòng)可以用很小的功率控制速度、方向。使用適當(dāng)?shù)墓?jié)流技術(shù)可使執(zhí)行元件的精度達(dá)到最高。其布局安裝有很大的靈活性，同體積重量比卻比其他機(jī)械小的多。因此能構(gòu)成其他方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)。采用適當(dāng)?shù)墓?jié)流技術(shù)可使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度十分平穩(wěn)。
第2章 方案論證
2.1 傳動(dòng)方案的論證
目前沖壓設(shè)備的傳動(dòng)方式主要有：液壓式、氣壓式、電動(dòng)式和機(jī)械傳動(dòng)方式等。傳動(dòng)裝置的選擇正確與否，直接決定著沖壓機(jī)的好壞。
1 .氣壓傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；氣體粘性小阻力損失小，流速快，防火防爆。但是空氣易于壓縮，負(fù)載對(duì)傳動(dòng)特性的影響大，不易在低溫環(huán)境下工作?？諝獠灰妆幻芊?，傳動(dòng)功率小。
2. 電氣傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)方便，信號(hào)傳遞迅速，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，缺點(diǎn)是平穩(wěn)性差，易受到外界負(fù)載影響。慣性大，換向慢，電氣設(shè)備和元件要耗用大量的有色金屬。成本高，受溫度、濕度、震動(dòng)、腐蝕等環(huán)境的影響大。
3. 機(jī)械傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，操作簡單，負(fù)載對(duì)傳動(dòng)特性幾乎沒有影響。傳動(dòng)效率高，制造容易和維護(hù)簡單。但是，機(jī)械傳動(dòng)一般不能進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，遠(yuǎn)距離操作困難，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜等。
4.液壓傳動(dòng)與以上幾種傳動(dòng)方式比較有以下優(yōu)點(diǎn)：獲得力和力矩很大，體積小，重量輕，能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，設(shè)計(jì)簡單，操作方便，工作壽命長，易于通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。它有很廣闊的發(fā)展空間。
從各方面考慮，液壓傳動(dòng)系列基本符合設(shè)計(jì)要求，能達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。所以，此次設(shè)計(jì)將采用液壓傳動(dòng)，傳動(dòng)原理如下：
圖1 傳動(dòng)原理圖
1 壓縮包裝機(jī)基座
2 壓縮包裝機(jī)壓頭
3 活塞
4 液壓缸
5 電動(dòng)機(jī)
6 油箱
7 濾油器
8 柱塞變量泵
9 調(diào)壓閥
10 溢流閥
11 換向閥
12 支撐閥
13 壓力表
流量原理圖說明：電動(dòng)機(jī)5帶動(dòng)柱塞變量泵8向主油路供油，可以通過溢流閥5和調(diào)壓閥4對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓，使壓力表13的值到系統(tǒng)需要的壓力，利用換向閥11進(jìn)行換向。如果處于中間位置，系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)；如果左端通電，液壓缸將下降運(yùn)動(dòng)，完成下壓運(yùn)動(dòng)；如果右端通電，液壓缸將上升動(dòng)作，完成工藝中的快退。
2.2 控制元件的分析
液壓傳動(dòng)中主要有以下幾種控制元件實(shí)現(xiàn)壓頭的下壓、保壓和返回的過程。
1.手動(dòng)換向閥 用人工操作控制閥芯的運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)換向閥又分為手動(dòng)和腳動(dòng)兩種。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、靈活、容易控制。
2.電磁換向閥 通過電磁鐵產(chǎn)生的電磁力來使閥芯運(yùn)動(dòng)，達(dá)到油路的轉(zhuǎn)換，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，但由于受電磁鐵吸引力的限制，電磁換向閥流量不能過大而且需要在回路中增加減速裝置。
3.插裝閥 是一種新型的開關(guān)式閥體，結(jié)構(gòu)以錐閥為基礎(chǔ)單位，配以不同的先導(dǎo)閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)液流的方向、壓力和流量大小的控制。其結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作反應(yīng)快，適合高壓大流量的場合。
從設(shè)計(jì)課題上考慮，電磁換向閥比較符合設(shè)計(jì)要求，完全可以滿足性能要求。
第3章 液壓缸的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇
設(shè)計(jì)本臺(tái)液壓式壓縮包裝機(jī)，其工作循環(huán)可分為：快速下行，減速下壓，快速退回。
由設(shè)計(jì)題目按如下參數(shù)設(shè)計(jì)：
壓力：10噸=10×1000×9.8=0.98×10N
生產(chǎn)率： 1次/210秒（其中保壓時(shí)間180秒）
工作行程：800mm=0.8m
最大壓厚度：20mm=0.02m
壓頭及頂柱的重量：1.0×10N
快速下降所用的時(shí)間為11s，運(yùn)行的距離為0.58m。工進(jìn)所用的時(shí)間為11s，運(yùn)行的距離為0.22m。快退返回的時(shí)間為8s，其運(yùn)行的距離為0.50m。
得到各個(gè)工藝路線的速度參數(shù)如下：
快速下行： 行程：580mm 速度：53mm/s
減速下壓： 行程：220mm 速度：20mm/s
快 退： 行程：800mm 速度：100mm/s
單次循環(huán)的總時(shí)間是：11+11+8=30s
液壓缸采用Y型密封圈。其機(jī)械效率一般為0.9---0.95之間，本液壓缸的效率?。害?0.95。
第4章 工況分析
4.1 動(dòng)力（負(fù)載）分析及負(fù)載循環(huán)圖
動(dòng)力分析就是一部機(jī)器在工作過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力情況。由于工作機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸必須克服的外負(fù)載為：
=++ （4—1）
式中 -----工作負(fù)載
-----摩擦負(fù)載
------慣性負(fù)載
4.1.1摩擦負(fù)載
摩擦負(fù)載就是液壓缸驅(qū)動(dòng)工作時(shí)所需要克服的機(jī)械摩擦阻力。
由于詳細(xì)計(jì)算比較煩瑣，一般將它算入液壓缸的機(jī)械效率η中考慮。在這里不用考慮摩擦負(fù)載。
4.1.2慣性負(fù)載
慣性負(fù)載即運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的慣性力。
計(jì)算公式為： ==·（N） （4—2）
式中 ——運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量 （kg）
——運(yùn)動(dòng)部件的加速度 （m/s）
——運(yùn)動(dòng)部件的重量 （N）
——重力加速度 （m/s）
——速度變化值 （m/s）
——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，由經(jīng)驗(yàn)可得=0.5s
壓頭啟動(dòng)和制動(dòng)的加速或減速都在0.5秒內(nèi)完成。
則啟動(dòng)時(shí)： = =·
=（1.0×10/9.8）×（0.053/0.5）
=108（N）
制動(dòng)時(shí)： ==·
=（1.0×10/9.8）×（0.1/0.5）
= 204（N）
4.1.3工作負(fù)載
壓力機(jī)沖頭上負(fù)載分為兩個(gè)階段：第一階段負(fù)載力緩慢的線增加，在達(dá)到最大沖壓力5%左右。第二階段負(fù)載力急劇上升到最大沖壓力。因此工作負(fù)載為：
初壓階段上升到=×5%=9.8×10×5%=0.49×10N
終壓階段上升到=壓力=0.98×10N
4.1.4負(fù)載循環(huán)圖
圖4—1 壓縮包裝機(jī)的負(fù)載循環(huán)圖
4.2 運(yùn)動(dòng)分析及運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖
運(yùn)動(dòng)分析，就是研究一臺(tái)機(jī)器按工藝要求以怎樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成一個(gè)工作循環(huán)。
4.2.1位移循環(huán)圖
根據(jù)已知條件，快速下行時(shí)，行程為0.58m，速度0.053m/s ，時(shí)間11s。慢速下降時(shí)行程0.22m，速度 0.02m/s，時(shí)間11s?？焱耸切谐虨?.8m，速度0.1m/s，時(shí)間8s。
4.2.2速度循環(huán)圖
圖4—2 壓縮包裝機(jī)的速度循環(huán)圖
第５章 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)
5.1 確定液壓缸幾何尺寸
在單活塞桿的液壓缸中
活塞工進(jìn)（受壓）時(shí)，
=—=/η （5—1）=0.98×10/0.95
=1.032×10（N）
圖 5—1
活塞快退（受拉）時(shí)，
=— = （5—2）
=1.0×10/0.95
=1.053×10（N）
圖 5—2
式中 ——液壓缸的工作腔壓力（MPa）
——液壓缸的回油腔壓力（MPa）
=/4——液壓缸無桿腔有效面積（m）
=（—）/4——有桿腔的有效面積（m）
——活塞直徑（m）
——活塞桿直徑（m）
——液壓缸的工作效率
根據(jù)資料文獻(xiàn)查得，工作壓力=10——32MP。參考同類機(jī)械的設(shè)計(jì)和加工的經(jīng)驗(yàn)，這里工作壓力取16MPa。
背壓力=0.5---1.5MP。參考同類機(jī)械的設(shè)計(jì)和加工的經(jīng)驗(yàn)，這里背壓力取1MPa。
= （5—3）
=100/53=1.9
活塞桿在快進(jìn)和快退中受力幾乎為零或是自重的大小。只在沖壓工件時(shí)受到的作用力較大，即液壓缸的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)在該工步中去計(jì)算。
由參考文獻(xiàn)[2]中查得下表：
表5—1 液壓缸常用往返速比
1.1
1.2
1.33
1.46
1.61
2.0
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.7
由相近原理： =0.7
一般，液壓缸在工進(jìn)狀態(tài)下工作，其活塞面積為：
=（+ ）/ （5—4）
=/4 （5—5）
=（—）/4 （5—6）
由公式（5—4）（5—5）（5—6）得
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表43.6—26和表43.6—27對(duì)D和d進(jìn)行調(diào)整得
=100mm=0.1m
= 70mm=0.07m
所以 =0.01m
=0.0051m
5.2 計(jì)算液壓缸所需流量
液壓缸的最大流量：
=[] （m/s） （5—7）
式中 ——液壓缸的有效面積（m2）
——液壓缸的流速（m/s）
快進(jìn)所需流量= =0.01×0.053=0.00053 m/s
=31.8L/min
工進(jìn)所需流量==0.01×0.02=0.0002 m/s
=12 L/min
快退所需流量==0.0051×0.1=0.00051 m/s
=30.6 L/min
5.3 計(jì)算系統(tǒng)所需的壓力
1.當(dāng)系統(tǒng)快進(jìn)時(shí)，所需壓力為：
= + （5—8）
式子中 ——工作中的負(fù)載（N）
——活塞的橫截面積（m）
——背壓力（MPa）
該工藝中分勻速運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)兩部分構(gòu)成。
當(dāng)工藝處于啟動(dòng)的時(shí)候：
= 108/0.01×10+1
=0.0108+1
=1.0108MPa
當(dāng)工藝處于勻速的時(shí)候：
= 0/0.01×10+1
=1MPa
2.當(dāng)系統(tǒng)處于工進(jìn)時(shí)，所需的壓力為：
= /+ /2 （5—9）
式子中 ——工作中的負(fù)載（N）
——活塞的橫截面積（m2）
——背壓力（MPa）
=1.032×10/ 0.01×10+ 0.5
=10.32+0.5
=10.82MPa
3.當(dāng)系統(tǒng)處于快退時(shí)，所需的壓力為：
=/+ 2 （5—10）
式子中 ——工作中的負(fù)載（N）
——活塞的橫截面積（m2）
——背壓力（MPa）
該工藝中分為勻速運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)兩部分構(gòu)成。
當(dāng)工藝處于勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候：
= 1.0×10/0.01×10+ 2
=0.1+2
=2. 1MPa
當(dāng)工藝處在制動(dòng)的時(shí)候：
=204/ 0.01×10+2
=0.0204+2
=2.0204MPa
5.4 繪制壓縮機(jī)主缸工況圖
液壓缸的工況圖是指液壓缸壓力循環(huán)圖、流量循環(huán)圖和功率循環(huán)圖。它是調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、選擇液壓泵和閥的依據(jù)。
1.壓力循環(huán)圖 通過最后確定的液壓元件的結(jié)構(gòu)尺寸，再根據(jù)實(shí)際載荷的大小求出液壓執(zhí)行元件在其動(dòng)作循環(huán)各階段的工作壓力，然后把他們繪制成P—t圖。
2.流量循環(huán)圖 根據(jù)已定的液壓缸有效面積或液壓馬達(dá)的排量，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)速度算出他在工作循環(huán)中每一階段的實(shí)際流量，把它繪制成
Q—t圖。若系統(tǒng)中有多個(gè)液壓執(zhí)行元件同時(shí)工作，要把各自的流量圖疊加起來繪制出總的流量循環(huán)圖。
3.功率循環(huán)圖 繪制壓力循環(huán)圖和總流量循環(huán)圖后，即可繪制出系統(tǒng)的功率循環(huán)圖。
由前面所設(shè)計(jì)的壓力，流量，可得出如下一個(gè)表格，以便繪制和分析工況圖。
表5—2 負(fù)載壓力流量明細(xì)表
工作負(fù)載（N）
工作壓力（MPa）
流量（m/s）
快 啟動(dòng)
進(jìn) 勻速
工
進(jìn)
快 勻速
退 制動(dòng)
108
0
1.032×10
1.0×10
204
1.0108
1
10.82
2. 21
2.0204
0.00053
0.0002
0.00051
有前面所得的數(shù)據(jù)，可繪制出壓力循環(huán)圖（P—t）和流量循環(huán)圖
（Q—t）如下：
圖5—1 壓力循環(huán)圖（P—t）
圖5—2 流量循環(huán)圖（Q—t）
通過對(duì)壓力循環(huán)圖和流量循環(huán)圖分析得知：
最大流量值=31.8L/min=0.00053 m/s
最大壓力值=10.82MPa
5.5 液壓缸主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求
5.5.1液壓缸的基本參數(shù)
由以上設(shè)計(jì)得到液壓缸內(nèi)徑尺寸=0.1m，活塞桿直徑=0.07m。
液壓缸活塞的最大行程系數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]查得=0.8m。
5.5.2液壓缸的類型和安裝方式
液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，能夠?qū)崿F(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本液壓缸活塞兩端面積差較大，使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出速度及差值較大。所以本液壓缸采用雙作用無緩沖式。
5.5.3液壓缸的主要零件及技術(shù)要求
1.缸體
液壓缸缸體的常用材料一般為20、35、45號(hào)無縫鋼管，一般情況下均采用45號(hào)鋼，并調(diào)質(zhì)到241—285HB。鑄鐵可采用HT200—HT350間的幾個(gè)牌號(hào)或球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，也具有良好的塑性和韌性，其屈服度比鋼高。因此，球墨鑄鐵制造承受靜載荷的構(gòu)件比鑄鋼節(jié)省材料，重量也輕。所以本設(shè)計(jì)的液壓缸采用QT450—10。鑄件需進(jìn)行正火消除內(nèi)應(yīng)力處理。
由參考文獻(xiàn)[1]得缸體的技術(shù)要求：
（1）缸體的內(nèi)徑因?yàn)轫毰c活塞配合，防止漏油，所以要盡量減少表面粗糙度，可采用H8、H9配合。當(dāng)活塞采用橡膠密封圈時(shí)，Ra為0.1—0.4μm，當(dāng)活塞用活塞環(huán)密封時(shí)，Ra為0.2—0.4μm，且均需珩磨。
（2） 缸體內(nèi)徑的圓度公差值可按9、10、11級(jí)精度選取，圓柱度公差應(yīng)按8級(jí)精度選取。
（3） 缸體端面的垂直度公差可按7級(jí)精度選取。
（4） 缸體與缸頭采用螺紋連接時(shí)，螺紋應(yīng)用6級(jí)精度的米制螺紋。
（5）當(dāng)缸體帶有耳環(huán)或軸銷時(shí)，孔徑或軸徑的中心線對(duì)缸體內(nèi)孔軸線垂直公差值按9級(jí)精度選取。
2.缸蓋
本液壓缸采用在缸蓋中壓入導(dǎo)向套，缸蓋選用HT200鑄鐵，導(dǎo)向套選用鑄鐵HT200，以使導(dǎo)向套更加耐用。
3.活塞
液壓缸活塞常用的材料為耐磨鑄鐵，灰鑄鐵，鋼及鋁合金等。本設(shè)計(jì)冶壓缸活塞材料選用45號(hào)鋼，需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。
由參考文獻(xiàn)[1]得活塞的技術(shù)要求：
（1）活塞外徑D對(duì)內(nèi)孔d的徑向跳動(dòng)公差值，按7、8級(jí)精度選取。
（2）端面T對(duì)內(nèi)徑d軸線的垂直度公差值，應(yīng)按7級(jí)精度選取。
（3）外徑D的圓柱度公差值，按9、10、11級(jí)精度選取。
（4）活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu)由前可以選用Y型密封圈。
5.6 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算
液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算包括缸管厚度，油口直徑，缸底厚度等等。5.6.1計(jì)算液壓缸的厚度
首先利用薄壁筒公式計(jì)算液壓缸的壁厚：
=/2[]=/（2/） （5—11）
式中 ——液壓缸壁厚度（m）
——實(shí)驗(yàn)壓力（MPa）。當(dāng)≤16MPa時(shí)，=1.5；當(dāng)≥16MPa時(shí)，=1.25P；所以在此=1.25=1.25×10.82=13.525MPa
——液壓缸的內(nèi)徑（m）
[]——材料的許用應(yīng)力（MPa）
——材料的抗拉強(qiáng)度，在此取600（MPa）
——安全系數(shù)，在此取=5
由公式（5—11）得：
=/2[]=/（2/）
=13.525×100/（2×600/5）
=5.6mm
因?yàn)楫?dāng)/〉16時(shí)，薄壁公式才成立，
而在此/=100/5.6=17.86>16。所以液壓缸是薄壁，取壁厚為12.5mm。
缸體的外徑=+2=100+2×12.5=125mm=0.125m
5.6.2液壓缸油口的計(jì)算
液壓缸油口的直徑計(jì)算應(yīng)根據(jù)活塞最高的速度V和油口最高液流速度而定。
當(dāng)油口是進(jìn)油口時(shí)：
=0.13（/） （5—13）
式中 ——液壓缸油口直徑（m）
——液壓缸內(nèi)徑（m）
——液壓缸最大輸出速度（m/s）
——油口的液流速度（m/s）
根據(jù)文獻(xiàn)[5]，液壓缸的進(jìn)油液流速度=2 m/s；
由公式（5—13）得：
=0.13×100×（3.6/2）
=17.44mm
取一整數(shù)=20mm=0.02m。
當(dāng)油口是出油口時(shí)：
根據(jù)文獻(xiàn)[5]，液壓缸的進(jìn)油液流速度=5 m/s；
由公式（5—14）得：
=0.13×100×（3.6/5）
= 11.03mm
取一整數(shù)=15mm=0.015m。
5.6.3缸底厚度的計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用缸底無油孔，所以采用公式：
=0.433（/[]） （5—14）
式中 ——液壓缸內(nèi)徑（m）
——實(shí)驗(yàn)壓力（MPa）
——缸底厚度（m）
[]——缸底材料的許用應(yīng)力（m/s）
由公式（5—14）得：
=0.433×0.1×（10.82/120）
=0.013m
參考同類液壓缸的制造經(jīng)驗(yàn)取=0.02m
5.7 液壓缸的校合
5.7.1液壓缸中背壓力的校合
背壓力是用來平衡在液壓系統(tǒng)不工作時(shí)活塞桿自重的。
由牛頓第一定律： []= （5—15）
式中 []——系統(tǒng)需要的最少背壓力（MPa）
——活塞桿截面積（m2）
——滑塊重量（N）
如果[]〈=1MP，即背壓力滿足要求。
由公式（5—15）得：
[]=/=1.0×10/0.0051=1.96MPa
[]=0.42MPa〈2.02MPa
所以，該液壓系統(tǒng)的背壓力滿足要求。
5.7.2活塞桿的校合
校合活塞桿可用公式：
≥（4/ []）。 （5—16）
式中 ——活塞桿的作用力（N）
[]——活塞桿材料的許用應(yīng)力（MPa）
由公式（5—17）得：
=（4×0.98×10/（×120））
=32.25mm＜=70 mm
所以活塞桿直徑滿足要求。
第6章 液壓元件和液壓油的選擇
6.1 液壓泵的選擇
液壓泵是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的能量轉(zhuǎn)換元件。在設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)中，液壓泵作為動(dòng)力元件向液壓系統(tǒng)提供液壓能。
液壓泵工作的基礎(chǔ)條件是：
1. 必須具備一個(gè)密封油腔，而且密閉油腔的容積在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中應(yīng)不斷變化。
2. 泵的吸油是靠彈簧克服摩擦力的阻力、推力推動(dòng)活塞下移而實(shí)現(xiàn)的，這樣的泵具有自吸能力。
6.1.1.確定泵的最大工作壓力
液壓泵的最大工作壓力，由下式確定：
≥+ （7—1）
式中 ——液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力（MPa）
——由液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)進(jìn)口之間的管路沿程阻力損失和局部阻力損失之和。這些阻力損失只有在液壓元件選定后，并繪出管路布置圖才能計(jì)算。在初算時(shí)按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：管路簡單，流速不大的取=0.2—0.5MPa；管路復(fù)雜，流速較大的取=0.5—1MPa。該系統(tǒng)取=0.5MPa
由公式（5—11）得：=10.82+0.5＝11.32MPa；
6.1.2確定液壓泵的流量和排量；
當(dāng)多液壓缸（或馬達(dá)）同時(shí)動(dòng)作時(shí)，液壓泵的流量要大于同時(shí)動(dòng)作的幾個(gè)液壓缸（或馬達(dá)）所需的最大流量。并應(yīng)考慮到系統(tǒng)的漏損和液壓泵磨損后容積效率的下降。
即有下式計(jì)算液壓泵的流量公式：
≥（∑） （m/s） （7—2）
式中 ——系統(tǒng)泄漏系數(shù)。一般取1.1—1.3。大流量取小值，小流量取大值。該系統(tǒng)取=1.1
（∑）——同時(shí)動(dòng)作的液壓缸（或馬達(dá)）的最大流量（m/s）；可以從Q—t圖上查得。對(duì)于工作過程始終用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，在確定流量時(shí)，尚需加上溢流閥的最小流量，一般取0.05×10 m/s
由Q—t圖得到液壓缸所需最大流量
∑31.8L/min；
由公式（7—2）得：
≥1.1×31.8=34.98L/min；
此液壓系統(tǒng)采用液壓變 轉(zhuǎn)速為1500r/min；
排量公式：
=/1500 （7—3）
由公式（7—3）得：
=34.98/1500=0.02332L/r=23.32ml/r；
6.1.3選擇液壓泵的規(guī)格
按已算出的最大工作壓力和流量，得出液壓泵的額定壓力=（1+25%）=14.15MPa。查閱文獻(xiàn)[9]，選則液壓泵的型號(hào)為JPW200/30-45；排量32ml/r；轉(zhuǎn)速1500r；額定壓力21MP；
額定流量得：32×1500/1000=45L/min，這里選45 L/min；
6.1.4確定驅(qū)動(dòng)液壓缸的功率
由于本機(jī)器采用閉合式液壓系統(tǒng)，壓力損失很小，可以忽略不記。這一點(diǎn)可以在后邊的系統(tǒng)驗(yàn)算中得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證。所以液壓泵的輸出功率用下式計(jì)算：
= （7—4）
式中 ——液壓泵的輸出功率（kw）
——液壓缸壓力（MPa）
——液壓泵的流量（m/s）
一、液壓缸處于啟動(dòng)時(shí)
由JPW200/30-45型號(hào)液壓泵的壓力、流量曲線圖可得：=0.00053m3/s,
所以由公式（7—4），得：
=（）
=（1.0×10/0.01）×0.00053=530（w）
二、液壓缸壓力達(dá)到最大值時(shí)（即到達(dá)系統(tǒng)最高壓力時(shí)）
由JPW200/30-45型號(hào)液壓泵的壓力、流量曲線圖可得：=0.0002m3/s,
所以由公式（7—4），得：
=10.82×10×0.0002×10=2.164kw
三、液壓缸處于快退時(shí)
由JPW200/30-45型號(hào)液壓泵的壓力、流量曲線圖可得:
=0.00051 m3/s,
所以由公式（7—4），得：
=2.2×10×0.00051×10=1.12kw
因此，選出液壓泵的最大輸出功率=2.164kw。
6.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種，如無特殊說明時(shí)，一般選擇交流。選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形成應(yīng)根據(jù)電源種類（交流或直流），工作條件（環(huán)境、溫度、空間、位置等，載荷的大小和性質(zhì)的變化，過載情況等），啟動(dòng)性能和啟動(dòng)、制動(dòng)正反轉(zhuǎn)的頻率程度等條件來選擇。Y系列三相籠式異步電動(dòng)機(jī)是一般用途的的全封閉式鼠籠三相異步電動(dòng)機(jī)。由于結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價(jià)格低廉，因此本設(shè)計(jì)選用此電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)所求得到的液壓泵的功率，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]本設(shè)計(jì)可選電動(dòng)機(jī)Y100L2—4，其額定功率為3kw，轉(zhuǎn)速為1430r/min。
6.3 控制閥的選擇
選擇控制閥應(yīng)按額定壓力、最大流量、動(dòng)作方式、安裝固定方式、壓力損失數(shù)值、工作性能參數(shù)和工作壽命來選擇。
1. 應(yīng)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，一般不使用自行設(shè)計(jì)專用的控制閥。
2. 一般選擇控制閥的額定流量應(yīng)比系統(tǒng)管路實(shí)際通過的流量大一些。必要時(shí)允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%。
3. 應(yīng)注意差動(dòng)液壓缸由于面積差形成不同回油量對(duì)控制閥正常工作的影響。
方向控制閥主要有手動(dòng)換向閥，機(jī)動(dòng)換向閥，電磁換向閥等幾種形式。由前面所分析，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器所用的換向閥為電磁換向閥。
由于本液壓系統(tǒng)中要的是三個(gè)位置的換向閥，在這里簡單介紹下三位四通換向閥的功能。
1. 三位四通換向閥處于中位，各油口封閉，該液壓泵處于卸荷狀態(tài)。
2. 三位四通換向閥處于左端，油口P與B之間相連，A與O之間相連，液壓缸下降動(dòng)作，完成快進(jìn)和工進(jìn)兩種動(dòng)作。
3. 三位四通換向閥處于右端，油口P與A之間相連，B與O之間相連，液壓缸上升動(dòng)作，完成快退工藝。。
圖7—1 三位四通手動(dòng)換向閥
參考同類機(jī)械的選擇，查閱參考文獻(xiàn)[9]，選擇換向閥的型號(hào)為：
4S—H。
6.4 管道（導(dǎo)管）的選擇
選擇管道的主要內(nèi)容是根據(jù)壓力損失，發(fā)熱量和液壓沖擊，合理確定管道內(nèi)徑、壁厚和材料。
在液壓傳動(dòng)中常用的管子有鋼管、鐵管、膠管、尼龍管和塑料管等，該設(shè)計(jì)管道選擇45號(hào)無縫鋼管。
6.4.1 管道內(nèi)徑的確定
由流體力學(xué)可知，當(dāng)通過管道的油液流量Q一定時(shí)，管道內(nèi)徑?jīng)Q定管道截面的油液平均流速v；
即：
≥1130 （7—5）
式中 ——液體最大流量 m/s
——管道內(nèi)液流平均流速m/s； 慣用流速：對(duì)吸油管≤1—2m/s（一般取1m/s以下）；對(duì)于壓油管≤3—6m/s；對(duì)于回流管≤1.5—2.5m/s
當(dāng)對(duì)吸油管道時(shí)，吸油管平均流速在此取=1.5m/s；
由公式（7—5）得：
d=1130=20.83mm
根據(jù)文獻(xiàn)[4]表14.2—12取=25mm；
當(dāng)對(duì)壓油管道時(shí)，吸油管平均流速在此取=4m/s；
由公式（7—5）得：
=1130=12.75mm
根據(jù)文獻(xiàn)[4]表14.2—12取=20mm；
當(dāng)對(duì)回油管道時(shí)，吸油管平均流速在此取=2m/s；
油管平均流量在此取=/2；
由公式（7—5）得：
=1130=18.05mm
根據(jù)文獻(xiàn)[4]表14.2—12取=20mm；
6.4.2 管道壁厚的計(jì)算
管壁厚度計(jì)算公式：
≥/2[]= （7—6）
式中 ——管道壁厚（m）
——管道承受的最高工作壓力（MPa）
——管道內(nèi)徑（m）
[]——管道材料的抗拉許用應(yīng)力（MPa）
——材料的抗拉強(qiáng)度（MPa），在此取=600MPa
——安全系數(shù)，它需要考慮管道徑向尺寸的誤差與形變，管道內(nèi)徑的壓力脈動(dòng)，液壓沖擊，管道的材料質(zhì)量及工作壓力的周期變化等不安全因素。故一般規(guī)定=4—8。液壓震動(dòng)，壓力沖擊大取大值；液壓震動(dòng)，壓力沖擊小取小值。本設(shè)計(jì)取=4。
[]=/ （7—7）
=600/4=150MPa；
當(dāng)對(duì)吸油管時(shí)由公式（7—6）得：
=（21×25）（2×150）
=1.75mm
計(jì)算出值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)系列值，查文獻(xiàn)[4]表14.2—12得=5mm。
外徑管=25+2×5=35mm;
查閱文獻(xiàn)[4]得管=35mm;
當(dāng)對(duì)壓油管時(shí)由公式（7—6）得：
=（21×20）（2×150）
=1.4mm
計(jì)算出的值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)系列值，查文獻(xiàn)[4]表14.2—12得=5mm。
外徑管=20+2×5=30mm ;
查閱文獻(xiàn)[4]得管=30mm;
當(dāng)對(duì)回油管時(shí)由公式（7—6）得 ：
=（20.5×20）（2×150）
=1.36mm
計(jì)算出的值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)系列值，查文獻(xiàn)[4]表14.2—12得=5mm。
外徑管=20+2×5=30mm ;
查閱文獻(xiàn)[4]得管=30mm;
6.5 確定油箱的容量
油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲(chǔ)油外，還起著散熱分離油液中的氣泡，沉淀雜質(zhì)等作用。油箱中安裝有很多輔件，如冷卻器、加熱器、空氣過濾器及液位計(jì)等。
油箱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
1. 油箱必須有足夠大的容積。
2. 吸油管及回油管應(yīng)插入最低液面下，以防止吸空和回油飛濺產(chǎn)生氣泡。
3. 吸油管和回油管之間的距離要盡可能遠(yuǎn)些。
4. 為保持清潔，油箱應(yīng)有周邊密封的蓋板，蓋板上有空氣過濾器。
5. 油箱底部應(yīng)距地面150mm以上，以便于搬運(yùn)，散熱，放油等。
6. 對(duì)油箱內(nèi)表面要做好防腐處理。
本設(shè)計(jì)初選油箱體積為0.3m。其散熱情況將在性能演算中討論。
6.5.1液壓油的選擇
液壓油應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼扯群土己玫恼场獪靥匦?，油膜?qiáng)度要高，具有較好的潤滑性能，能抗氧化穩(wěn)定性好，腐蝕作用少，對(duì)涂料、密封材料等有良好的適應(yīng)性。同時(shí)液壓油還應(yīng)具有一定的消泡能力。液壓系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行，很大程度取決于系統(tǒng)所選的液壓油。
選擇液壓油，首先是介質(zhì)種類的選擇；然后考慮合適的粘度；最后還要考慮使用條件等因素。本設(shè)計(jì)選用抗磨液壓油，可選用型號(hào)YB—N32。密度為900kg/m，比熱容=1.88kJ/kg.C；40C時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度值為32mm/s；
6.5.2過濾器的選擇
過濾器的功能是清除液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中的固體污染物，使工作介質(zhì)保持干凈，延長元器件的使用壽命。它是液壓系統(tǒng)里不可缺少的重要輔件。
所選的過濾器，應(yīng)具有足夠大的通油能力，并且壓力損失要小，過濾精度應(yīng)滿足液壓系統(tǒng)或元件所需清潔要求。有足夠的強(qiáng)度，濾芯要便于更換和清洗。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]表43.8—18，可選擇過濾器的型號(hào)WU—160×80；其最大流量為160L/min，過濾精度為80m。
6.6 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
聯(lián)軸器所連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。這就要求設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采用各種不同的措施，使之具有一定的相對(duì)位移的性能。
彈性聯(lián)軸器利用彈簧元件的彈性變形來補(bǔ)償兩軸之間的相對(duì)位移，而可動(dòng)元件之間的間隙小，特別是那些需要經(jīng)常啟動(dòng)和逆轉(zhuǎn)的傳動(dòng)。于是電動(dòng)機(jī)出來后直接相連的就是液壓泵，它們之間就必須是彈性聯(lián)結(jié)，使用一個(gè)有彈性元件的聯(lián)軸器。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]表41.5—29，選用彈性柱銷聯(lián)軸器，型號(hào)為HL5型。
第7章 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算
液壓系統(tǒng)在初步設(shè)計(jì)時(shí)，各種參數(shù)都是靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出來的，當(dāng)回路形式，液壓元件及連接等完全確定后，針對(duì)實(shí)際情況，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)性能分析，對(duì)于一般液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來說，主要是進(jìn)一步確切的計(jì)算液壓回路的各段壓力損失、壓力沖擊和發(fā)熱升溫等方面。以便使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加完善與可靠。
7.1 管路系統(tǒng)壓力損失
當(dāng)系統(tǒng)元件，輔件規(guī)格，系統(tǒng)管路尺寸確定后，即可進(jìn)行系統(tǒng)壓力損失計(jì)算。它包括管路的沿程壓力損失△P，局部壓力損失△P及閥類元件的局部損失△P。
即
=++ （8—1）
式中 = /×/2 （8—2）
=/2 （8—3）
=（/） （8—4）
式中 ——管道長度（m）
——管道內(nèi)徑（m）
——液流的平均速度（m/s）
——液壓油的密度（kg/m）
——沿程阻力系數(shù)
——局部阻力系數(shù)
——閥的額定流量（m/s）
——通過閥的實(shí)際流量（m/s）
——閥的額定壓力損失（MPa）
7.1.1沿程壓力損失的計(jì)算
在整個(gè)系統(tǒng)中有兩段沿程壓力損失：一段發(fā)生在液壓泵到液壓缸這個(gè)沿程上，沿程為=1.7 m，管道內(nèi)徑為0.02m，第三段發(fā)生在液壓缸到油箱這個(gè)沿程上，L=2.3m，管道內(nèi)徑為0.02m。
由于系統(tǒng)在快進(jìn)的時(shí)候得到最大值=30.6L/min=0.00051m/s；
本設(shè)計(jì)選擇的液壓油運(yùn)動(dòng)粘度為32mm/s，密度為900kg/m；
當(dāng)是回油管時(shí)，管道里的流量為最大值的一半即0.000255m3/s
實(shí)際流速為：=4/==0.812m/s
=/ ==812＜2300
式中 ------液壓油運(yùn)動(dòng)粘度
所以油路在管路中是呈層流狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)：
=75/=75/812=0.092
當(dāng)是壓油管時(shí)，管道里的流量為0.00053m3/s
實(shí)際流速為：=4/==1.688m/s
=/ ==1055＜2300
式中 ------液壓油運(yùn)動(dòng)粘度（mm/s）
所以油路在管路中是呈層流狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)：
=75/=75/11055=0.071
由公式（8—2）得：
=/×/2+/×/2；
=（0.071×1.7）/0.02×（900×0.812）/2+
（0.0092×2.3）/0.02×（900×0.812）/2
=17906+313.9
=18219 Pa
7.1.2管路內(nèi)的局部壓力損失
管道內(nèi)的局部壓力損失是通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損失之和。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的管路沒有多少折管和管接頭。這一部分的壓力損失很小，幾乎為零。
7.1.3閥類元件的局部壓力損失
由于該液壓系統(tǒng)比較簡單，控制閥中有壓力損失的就只有手動(dòng)換向閥。因此在這里計(jì)算手動(dòng)換向閥導(dǎo)致的局部壓力損失，該系統(tǒng)選擇的電磁換向閥的幾個(gè)參數(shù)。
=0.001㎡
=0.02MPa
由流體力學(xué)知識(shí)得實(shí)際流量的計(jì)算公式：
= （8—5）
式中 ——小孔流量系數(shù)，參考文獻(xiàn)[10]，一般取C=0.61
——換向閥的額定壓力損失（MPa）。從換向閥的技術(shù)參數(shù)里面查得=0.02MPa
——液壓油的密度（kg/m）
由公式（8—5）得：
=0.61×0.001×
= 0.0041 m3/s
由公式（8—4）得：
=0.02×10×（0.0041/0.0042）
=0.019MPa
所以系統(tǒng)總的壓力損失由公式（5—13）得：
=++
=7502+19000
=0.026502 MPa
可見本系統(tǒng)壓力損失很小。
即液壓泵的出口壓力為=10.82+0.0182=10.84＜21MPa
由計(jì)算出來的結(jié)果可以知道，液壓泵打出來的壓力低于其額定壓力，所以泵的選擇是合理的。
7.2 液壓沖擊的計(jì)算
在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)迅速的換向或關(guān)閉油路突然使流速改變時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生壓力的劇烈變化，這就是液壓沖擊現(xiàn)象，液壓沖擊大的系統(tǒng)要安裝液壓緩沖裝置。
通過分析本液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)的最大沖擊發(fā)生在液壓系統(tǒng)突出關(guān)閉的時(shí)候，當(dāng)液壓系統(tǒng)瞬時(shí)關(guān)閉液流時(shí)，管道內(nèi)最大的液壓沖擊按下式計(jì)算：
△= （8—6）
式中 ——液流發(fā)生變化前的流速（m/s）
——液壓油的密度（kg/m）
——油的容積的彈性系數(shù) =1.67×10MPa；
——管道內(nèi)材料的彈性系數(shù) =2.1×10MPa；
——管道內(nèi)徑（m）
——管道的壁厚（m）
當(dāng)是吸油管時(shí)，由公式（8—6）得：
=
=0.51MPa
當(dāng)是壓油管時(shí)，由公式（8—6）得：
=
=0.37MPa
當(dāng)是回油管時(shí)，由公式（8—6）得：
=
=0.37MPa
液壓沖擊在本系統(tǒng)中不是很明顯，因此可以不安裝液壓緩沖裝置。
7.3 液壓系統(tǒng)熱分析及其計(jì)算
液壓系統(tǒng)的壓力，容積和機(jī)械三方面的損失構(gòu)成總的能量損失。這些能量損失將轉(zhuǎn)化成熱能，使液壓系統(tǒng)油溫升高，系統(tǒng)油溫過高會(huì)產(chǎn)生下列不良影響：
1.使液壓油的粘度大大降低，泄露增大，溶劑效率下降，并使油液節(jié)流元件的節(jié)流特性變化，造成速度不穩(wěn)。
2.引起熱膨脹，使運(yùn)動(dòng)副之間間隙發(fā)生變化，變小的時(shí)候可能造成元件的“卡死” ，失去工作能力，變大的時(shí)候會(huì)造成泄露增大。
3.密封軟管和過濾器等輔助元件，有一定的溫度限制。如果溫度超過這個(gè)限制，他們就不能正常工作。
4.引起機(jī)器構(gòu)件的熱變形，而破壞其應(yīng)有的精度。
7.3.1液壓泵功率損失產(chǎn)生的熱流量（熱量）
由計(jì)算公式：
=（1-） （8—7）
式中 ——液壓泵的輸入功率（kw）
——液壓泵的效率，=0.8
由公式（8—7）得：
=9.6（1-0.8）
=1.92kw
液壓油通過閥（孔）時(shí)產(chǎn)生的熱量：
=△ （8—8）
式中 ——通過閥（孔）的壓力降，一般換向閥取=0.05MPa
——通過閥（孔）實(shí)際流量（L/s）
由公式（8—8）得：
=0.05×10×172×10/60
=143w=0.143kw
所以系統(tǒng)產(chǎn)生總的熱量：
= +=1.92+0.143=2.063kw；
7.3.2液壓系統(tǒng)的散熱計(jì)算
根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，一般油面高度為油箱高的0.8倍。 如圖8—1。因?yàn)榍懊娉醪降糜拖涞挠行莘e為0.3m，所以0.8=。
即=1.25×0.8=1 m；
取=0.5m，
=1m，
=0.48m，
H=0.6m
一般，取與油箱相接觸的油箱表面積和油面以上的表面和之半作為油箱的有效散熱表面積。
根據(jù)文獻(xiàn)[2]可得油箱的散熱面積計(jì)算公式：
=（+2+2）+1/2[+2（-）+2（-）]
=1.94+0.43
=2.37m
圖8—1
計(jì)算油箱的散熱功率：
= （8—9）
式中 ——油箱散熱系數(shù)w/m.C，由于本設(shè)計(jì)的油箱尺寸比較大，所以采用外置油箱，通風(fēng)良好。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]， K=50w/m·C
——油箱的散熱面積（m2）
——油溫與環(huán)境溫度之差C，=35C
由公式（8—9）得：
=50×2.37×35=3360w=4.1475kw；
因?yàn)椋?，?.1475 kw＞2.063 kw
所以油箱的散熱已滿足該系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量要求，故不需要另加冷卻器。
第9章 機(jī)架的設(shè)計(jì)
在機(jī)械或儀器中，支撐或容納部件的零件稱為機(jī)架。故機(jī)架是底座、機(jī)身、殼體以及基礎(chǔ)臺(tái)等零件的統(tǒng)稱。
機(jī)架分類按機(jī)構(gòu)形式分，可分為梁式刀架框架、平板式機(jī)架，箱殼式機(jī)架。按制造方法和機(jī)架材料分為鑄造機(jī)架、焊接機(jī)架、非金屬機(jī)架等。
機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：
機(jī)架的設(shè)計(jì)主要應(yīng)保證剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。此外，對(duì)于機(jī)床儀器等精密機(jī)械，還應(yīng)該考慮變形問題。設(shè)計(jì)時(shí)的變形盡量小，機(jī)架的剛度和強(qiáng)度都應(yīng)從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面進(jìn)行考慮。提高靜剛度和固有頻率的途徑是：合理設(shè)計(jì)機(jī)架的截面面積和尺寸。合理選擇壁厚和布肋。注意機(jī)架的整體和布局剛度及結(jié)合面的剛度匹配等。
機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求：
1. 在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的自重應(yīng)該要求盡量輕，減少成本。
2. 抗腐性好，把受迫震動(dòng)副減小到最小
3. 機(jī)械在工作時(shí)，噪聲應(yīng)盡量小。
4. 溫度場合分布合理，熱變形對(duì)溫度的影響小。
5. 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造，焊接和機(jī)械加工。
6. 結(jié)構(gòu)應(yīng)便于安裝和調(diào)試，方便修理和更換零件。
7. 有導(dǎo)軌的機(jī)架，要求軌道面受力合理，耐磨性好。
8. 造型美觀，使之即經(jīng)濟(jì)又美觀。
根據(jù)以上條件和液壓機(jī)的具體工作情況，選擇框架式機(jī)架。
9.1 機(jī)架材料的選擇
由于多數(shù)機(jī)架形狀比較復(fù)雜，一般采用鑄鐵。由于鑄造性好，價(jià)格低，吸震性好，主要的重型機(jī)架常采用鑄鋼。當(dāng)要求重量輕時(shí)，可以用鑄造或鍛壓鋁合金等輕金屬制造。焊接機(jī)架具有制造周期短，重量輕，成本低等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)架制造中，焊接機(jī)架日益增多。焊接機(jī)架主要有鋼板，型鋼和鑄鋼等焊接而成。還有的機(jī)架則益采用非金屬材料。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料，液壓機(jī)本設(shè)計(jì)的材料選用鑄鐵。查表得鑄鐵牌號(hào)為HT200。他的流動(dòng)性好，體收縮和線收縮小，容易獲得復(fù)雜的形狀。在鑄鋼中添加少量的金屬元素，可提高耐磨性能。鑄鋼的內(nèi)摩擦大，阻尼作用強(qiáng)，故動(dòng)態(tài)剛度好，鑄鋼還具有切削性好，便宜和使用方便易，于大量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。鑄鐵廣泛應(yīng)用于軋鋼機(jī)械，重型機(jī)床的床身等場合。所以本設(shè)計(jì)采用HT200。
第10章 PLC控制
10.1總體規(guī)劃
編織物包裝壓縮機(jī)主要有兩大系統(tǒng)組成：一、液壓系統(tǒng)；二、電氣系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由泵、閥、油缸、油箱和管路等組成，借助于電氣系統(tǒng)的控制，可驅(qū)動(dòng)壓頭完成點(diǎn)動(dòng)和半自動(dòng)循環(huán)等規(guī)定的工藝動(dòng)作。
本章主要是電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，任務(wù)是按照液壓系統(tǒng)規(guī)定的動(dòng)作圖表驅(qū)動(dòng)電機(jī)、選擇規(guī)定的工作方式，使有關(guān)電磁鐵在PLC以完成點(diǎn)動(dòng)和半自動(dòng)循環(huán)指定的工藝動(dòng)作。
先啟動(dòng)電機(jī)，按下SB1，X005置1，輔助繼電器M1得電驅(qū)動(dòng)換向閥動(dòng)作，壓頭塊回程，放手手動(dòng)作即停。打開光