液壓驅(qū)動金屬打包機設(shè)計-帶液壓系統(tǒng)

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Design of the whole structure of baling press, stand part of the structure design, material selection, hydraulic system design, component selection and packer hydraulic principle diagram design is the main content of this design.This design does not use the traditional screw drive, but the hydraulic drive is used to provide the power for the machine.A double hydraulic cylinder is used for work, the main hydraulic cylinder is placed in the back of the compression chamber, and the side hydraulic cylinder is on the side of the compression chamber.The design of the compression chamber and its material selection are the main content of the overall structure design.In the design of the packing machine, remove the main hydraulic cylinder, side two complete packaging work outside, still have three auxiliary hydraulic cylinder, respectively, to complete the whole process. This design completes the design of the hydraulic metal press.The whole hydraulic metal packing machine has a lot of advantages, not only cost low, but also widely used by enterprises. Key Words：Scrap metal recycling;Metal baling press;hydraulic pressure II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒 論 1 1.1 文獻綜述 1 1.2 設(shè)計內(nèi)容簡介 2 1.3 本章小結(jié) 3 2 打包機主體的設(shè)計分析 4 2.1 打包機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 2.2 打包機壓縮室設(shè)計與強度校核 7 3 打包機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 9 3.1 液壓系統(tǒng)的特點 9 3.2 液壓系統(tǒng)工況分析 9 3.3 液壓缸的計算 11 3.4 擬定液壓系統(tǒng)回路 14 3.5 液壓系統(tǒng)壓力分析 17 3.6 液壓元件的選擇 18 4 結(jié) 論 21 參 考 文 獻 22 附錄 1：外文翻譯 23 附錄 2：外文原文 26 致 謝 32 I 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 1 緒 論 1.1 文獻綜述 1.1.1 課題研究背景 近乎所有的打包機都是同一個原理：讓廢棄的、原來散亂、占用空間大的材料經(jīng)過設(shè)備的壓縮、打包，變?yōu)橥灰?guī)格的小體積、比重大而且容易回收和運輸?shù)陌鼔K。目前打包機分為金屬打包機和非金屬打包機兩種。本設(shè)計選擇適用于各類金屬與相應(yīng)的金屬制品材料的壓縮和打包[3]。金屬打包機的主要作用是將廢棄金屬物料以及一些輕薄金屬板材余料壓縮打包成塊，打包成塊后作為回爐熔煉的合格爐料，實現(xiàn)再利用。這樣不僅可以減少了廢棄物料的運輸成本以及冶煉成本，又方便運輸儲存[4]，可以大大提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。 工業(yè)科技的不斷飛速發(fā)展，使廢棄金屬的產(chǎn)量急劇增加，所謂廢金屬是指包括廢包裝物、線材、邊角余料、切屑等，這些不能夠直接再投入生產(chǎn)使用的金屬物料。 金屬資源的過度浪費雖然引起了國內(nèi)企業(yè)的擔(dān)憂，但還是沒有引起相當(dāng)?shù)闹匾?。而且?dāng)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，所以我們要勇于開發(fā)和創(chuàng)新，在自身的方面進行摸索研究并實踐，提高自身的能力，為中國打包機的發(fā)展做出貢獻。 相比于國外，我國的打包機械產(chǎn)品種類和數(shù)量都比較少。國外的打包機械產(chǎn)品已經(jīng)走向節(jié)能化、智能化和高科技化。而國內(nèi)引進國外廢金屬打包機距今已有 20 多年，但是打包機械的發(fā)展卻依然沒有跟上工業(yè)科技發(fā)展的腳步。 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： 高效化、低能耗、高速化自動化、智能化。 機電液一體化。 液壓元件的標(biāo)準(zhǔn)化，集成化。 從一些資料上能夠了解到，目前國內(nèi)擁有和使用的金屬打包機主要分為：絲桿傳動以與液壓傳動金屬打包機兩類。然而現(xiàn)在，由于采用絲桿傳動，這類傳動其功率損耗太大，壓頭力的傳動不穩(wěn)定，加工成型的包塊密度比較低，結(jié)合絲桿傳動自身的 v 弊端和限制，所以采用絲桿傳動的金屬打包機幾乎已經(jīng)被淘汰掉了；而采用液壓傳動的金屬打 - 9 - 包機與絲桿傳動相比較來說，液壓打包機能夠傳遞更大的壓力，工作效率也更高，并且速度能夠自動控制。 1.1.2 課題研究的意義 從我們的周邊環(huán)境，易覺察到，現(xiàn)在很多企業(yè)工廠的金屬廢料以及日常生活中遺棄的金屬制品都在與日俱增，這是工廠和企業(yè)在飛速發(fā)展以及人們的生活質(zhì)量也變得越來越高的原因。然而，這種原因也自然的給我們周圍的環(huán)境和社會的發(fā)展帶來了相對的影響。并且，各類礦產(chǎn)資源屬于不可再生資源，會隨著工業(yè)發(fā)展而逐漸減少。因此，如何對這類廢棄金屬材料采取回收和利用已是一個刻不容緩的問題。加快廢金屬的回收和利用，不僅是人心所向，也是工業(yè)發(fā)展的實際需求。金屬打包機就是在這種需求下產(chǎn)生的。打包機在國民經(jīng)濟發(fā)展中有著不可代替的作用，因為它能實現(xiàn)對金屬廢料的打包回收和再利用，符合可持續(xù)發(fā)展的道路，前景開闊。 不使環(huán)境污染變得更嚴重，變廢為寶，資源回收再利用，達到可持續(xù)發(fā)展的目的是必須要的。但是，我們目前面臨更多的問題是如何降低回收的成本，并且提高回收的效率。現(xiàn)在國外的打包機正在朝著智能化、自動化、高效化的方向發(fā)展。而國內(nèi)對于新產(chǎn)品的研究和開發(fā)的缺乏動力、財力，使得如今打包機的技術(shù)仍然處于落后的不良局面。在日益激烈的競爭下，企業(yè)的自主研究成果無法與大眾分享，而相關(guān)的部門又缺少科研經(jīng)費的投入，使得我國在這一領(lǐng)域的空白很難填補。 綜合以上所述的情形，本文研究設(shè)計的液壓驅(qū)動金屬打包機相比于過去的打包機， 是具有一定研究意義的。 1.2 設(shè)計內(nèi)容簡介 1.2.1 研究解決的問題 傳統(tǒng)的打包機械設(shè)備主要包含傳動機構(gòu)、動力系統(tǒng)和工作機構(gòu)。動力系統(tǒng)為打包機械設(shè)備提供動力源；打包機械的運作是依靠傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的；而傳動機構(gòu)的作用則是為了讓動力源滿足運行機構(gòu)對速度、力、以及其他運行功能要求的裝置[6]。 確定初始數(shù)據(jù)： ① 確定公稱推力：1150KN ② 確定壓縮室的尺寸：1100×650×550mm ③ 確定包塊尺寸：（240-350）×250×250mm ④ 確定包塊密度：≥ 1800kg/m3 ⑤ 確定生產(chǎn)效率：900-1200kg/h 1.2.2 整體設(shè)計方法 （1）金屬打包機主體的設(shè)計 ① 打包機機體設(shè)計 ② 壓縮室設(shè)計 a.壓縮室尺寸設(shè)計 b.進行強度校核 （2）液壓系統(tǒng)的設(shè)計 ① 選擇液壓泵 ② 設(shè)計能實現(xiàn)足夠流量和工作壓力的液壓油泵當(dāng)中液壓源的產(chǎn)生機構(gòu) ③ 設(shè)計液壓缸及控制油路：要求能實現(xiàn)的工作過程為：啟動，上蓋缸合上，鎖緊機構(gòu)鎖上→側(cè)缸快進，到達一定位置后切換為工進→當(dāng)側(cè)缸壓力達到一定值后，側(cè)缸保壓→主缸快進，到達一定位置后切換為工進→當(dāng)主缸壓力達到一定值后，主缸保壓→保壓一定時間，兩缸泄壓，主缸回到起始位置→鎖緊機構(gòu)松開→打開上蓋→打開前門→側(cè)缸將包塊推出壓縮室→側(cè)缸快退，回到初始位置→關(guān)上前門→等待下一次填料。 ④ 輔助裝置的確定：采用以上提到的各個部位相互連接通道和接口。 ⑤ 液壓原理圖的設(shè)計 1.3 本章小結(jié) 根據(jù)市場需求和制造能力，完成打包機的研發(fā)制造。要求能夠達到工作安全、步驟準(zhǔn)確、便于維護、并且能夠使所設(shè)計的打包機滿足經(jīng)濟實惠、性能穩(wěn)定的目標(biāo)，采用液壓系統(tǒng)控制，控制容易、便捷，可以非常好的滿足市場的需求。加工工藝很好[7]。 2 打包機主體的設(shè)計分析 這一章主要設(shè)計打包機的外形，以及確定主要工作液壓缸、輔助液壓缸在打包工作過程中的的具體運動形式，然后分析各個受力部分，校核其強度。 2.1 打包機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 打包機的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機體設(shè)計，根據(jù)已定條件進行打包機運動形式設(shè)計以及壓縮設(shè)計室。這設(shè)計過程中，想要設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)，對打包機的具體運動的分析，是達到本次設(shè)計目的的重要前提[8]。 2.1.1 打包機的運動 打包機運動程序如下： （1）投料后，上蓋關(guān)閉，形成壓縮室，然后鎖緊機構(gòu)工作，防止在壓縮過程中上蓋被頂開。 （2）側(cè)液壓缸快速前進，到一定形成轉(zhuǎn)換為工作進給，工進直到金屬打包塊達到預(yù)定尺寸之后，側(cè)液壓缸停止。 （3）側(cè)液壓缸停止后，主液壓缸快速前進，與側(cè)液壓缸一樣，到一定位置后轉(zhuǎn)換成工進，同樣工進到廢棄金屬打包塊達到預(yù)定的尺寸之后，主液壓缸停止。兩個完成打包工作的液壓缸經(jīng)過一段時間的保壓之后，馬上快退回到初始位置。 （4）廢棄金屬打包成塊后，鎖緊機構(gòu)松開，上蓋打開。 （5）開啟前門，側(cè)缸將打包塊快速推出，切換成快退，運行到起始位置。 （6）關(guān)閉前門，進入下一次的工作循環(huán)。 2.1.2 打包機的總體布局 （1）主體布局 側(cè)液壓缸放置于投放物料室的后方，投放物料倉室的側(cè)方安放進行主要工作的液壓缸，上蓋液壓缸安置于側(cè)液壓缸的上方，鎖緊系統(tǒng)置于上蓋上面，前門系統(tǒng)置于前門， 這就是打包機的主體布局。而打包機的總體可分為： ① 機體 為保證機體安裝起來和拆卸起來都相對比較容易，而且在工作過程中也不容易被損壞，整個機體由多個大板塊拼接而成，為方便整個機械設(shè)備的維修與安裝，使整個機體的位置形式固定。 ② 上蓋液壓缸系統(tǒng) 上蓋缸系統(tǒng)由液壓缸和上蓋構(gòu)成。打包機在工作之前，上蓋液壓缸推動上蓋落下， 形成密閉的壓縮室，此時壓縮室的高度就是打包塊的高度。上蓋需要焊接加強筋。 ③ 鎖緊系統(tǒng) 鎖緊系統(tǒng)置于上蓋上面，打包機在進行打包工作之前，鎖緊系統(tǒng)依靠靠鎖緊液壓缸推動銷軸導(dǎo)入前門擋板的銷孔內(nèi)，使上蓋與前門擋板鎖緊。這樣就能避免打包機工作過程中由于過大的擠壓力將上蓋頂開，產(chǎn)生危險事故。前門上的孔道要足夠大，目的是為了避免由于廢料的干擾，導(dǎo)致銷軸不能正確推入到前門的銷孔內(nèi)，造成意外事故。 ④ 主、側(cè)液壓缸系統(tǒng) 主液壓缸、側(cè)液壓缸系統(tǒng)是金屬打包機的主要工作系統(tǒng)，它的主要工作是完成廢棄物料的壓縮過程，使打包塊具有一定的密度，形成一個一定尺寸的打包塊。 ⑤ 前門系統(tǒng) 前門系統(tǒng)的作用是，當(dāng)包塊打包成形后，前門液壓缸將前門打開，使金屬打包塊從前門被推出。因為前門直接與高壓室相連，在打包機工作過程中直接承受來自側(cè)液壓缸系統(tǒng)的壓力，所以應(yīng)當(dāng)確保開門前，側(cè)液壓缸的已經(jīng)卸壓，不然可能會導(dǎo)致前門無法正常開啟，更嚴重的可能是造成部件直接被損壞。 （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計 打包機壓縮室的尺寸為1.1′ 0.65′ 0.55m3 ，為了使計算過程變得更加簡便以及縮短液壓缸的工作行程，現(xiàn)確定經(jīng)過壓縮的打包塊尺寸為300 ′ 250 ′ 250mm ，那么可以計算出以下液壓缸的工作行程： 側(cè)液壓缸工作行程： L1 = 1100 - 300 = 800mm ； 主液壓缸工作行程： L2 = 650 - 250 = 400mm ； 前門液壓缸工作行程： L3 = 550 - 250 = 300mm 。 根據(jù)壓縮室的大小，考慮到各個液壓缸的行程、各結(jié)構(gòu)板塊的厚度以及液壓缸位置的安放，整個打包機的長度取 S = 2200mm ；為了便于設(shè)備的安裝調(diào)試與維修，將主液壓缸不安置于主機體內(nèi)，置于壓縮室側(cè)面，根據(jù)其行程和位置，確定打包機機體寬度取值為 L = 1800mm ；上蓋缸系統(tǒng)置于側(cè)杠系統(tǒng)上方，綜合打包機壓縮的高度與上蓋系統(tǒng)的高度，為了便于上蓋的打開，現(xiàn)取總打包機機體高度 H = 1100mm 。 上蓋的尺寸主要根據(jù)已定壓縮室的尺寸設(shè)計，為了便于上蓋的安裝，取上蓋的寬度等同于壓縮室寬度，即 L上 = 650mm ；由于上蓋是由個板塊拼接構(gòu)成，上蓋上方需要與液壓缸連接，控制上蓋落下與前門閉合形成壓縮室，并且還要在上蓋上安放鎖緊裝置， 為了確保鎖緊裝置的合理位置，所以設(shè)計上蓋總長度 S上 = 1000mm ， H上 = 320mm 。根據(jù)上蓋尺寸計算出上蓋缸的工作行程 L4 = 1200mm 。 鎖緊裝置采用兩平行銷軸穿過前門實現(xiàn)上蓋與前門的鎖緊，為了確保提供足夠的鎖 緊力，兩銷軸軸徑尺寸為f= 40mm ，采用連接板與兩銷軸固定，兩銷軸置于上蓋中的導(dǎo)向孔內(nèi)，兩銷軸間距取200mm，材料選擇為45#鋼，許用切應(yīng)力[t] = 69.28 MP。 進行剪切應(yīng)力校核： 式中： t= Fs A F = F （根據(jù)前文已知，F(xiàn)=1150KN） s 2 pd 2 （2-1） A = （d=40mm） 4 經(jīng)過計算得出t= 18.30MP < [t] ，所以滿足要求。 為了合理安放鎖緊缸，以及保證鎖緊缸的工作，現(xiàn)確定鎖緊裝置的總體尺寸為 S鎖 = 340mm ， L鎖 = 250mm ， H鎖 = 190 。取鎖緊缸行程 L5 = 150mm 。 圖2.1 打包機總裝圖 （3）動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng)置于打包機后面。本次設(shè)計不對動力系統(tǒng)做主要分析，只進行一個簡要說明。動力系統(tǒng)由以下部分組成： ① 油箱部分 ② 油泵—電機組部分 ③ 管路系統(tǒng)部分 ④ 控制閥組部分 ⑤ 操縱箱部分 操縱箱放置一些主要電氣元件，作為控制電路的操作中心[9]。 2.2 打包機壓縮室設(shè)計與強度校核 2.2.1 壓縮室的設(shè)計壓縮室的尺寸校核： 根據(jù)前文，完成壓縮后的打包塊體積為（0.24 ~ 0.35 ′ 0.25 ′ 0.25)m3 ，為便于計算和縮小主缸的工作行程，現(xiàn)在確定完成壓縮后的打包塊體積為（0.30 ′ 0.25 ′ 0.25）m3 。 壓縮室采用用鋼板進行焊接，考慮經(jīng)濟性問題，所以選擇材料為 45#鋼，它的屈服強度dq = 355（MPa），抗拉強度為dl = 600（MPa）,根據(jù)前文所取公稱推力 F=1150K,選定 40mm 厚度的壁厚進行計算校核。 表 2.1 安全系數(shù) n 材料 靜載荷 交變載荷 沖擊載荷 不對稱 對稱 鋼 3 5 8 12 鐵 4 6 10 15 參考表 2.1，應(yīng)該取安全系數(shù)n = 5，則： 許用拉應(yīng)力： 許用壓應(yīng)力： 許用剪切應(yīng)力： dl1 =dl /n=120（MPa） （2-2） dq1 =dq /n=71（MPa） （2-3） djq =dl1 ? =69.28（MPa） （2-4） 活塞和壓縮室的擠壓強度。 [d ]= F = bs A 側(cè)壁和前門的剪切應(yīng)力：  1150 ′103 0.3 ′ 0.25  = 15.33MPa<[dq1 ] （2-5） t= F1 = A 1150 ′103 0.04 ′ 0.55  = 52.28MPa<[djq ] （2-6） 式中: bs F F1 = 2  1150 ′103 = N 2  （2-7） 前門和側(cè)壁的拉壓應(yīng)力：已知最大剪力FC=1150KN Abs = 0.02 ′ 0.55 = 0.011m2 （2-8） 圖2-2 剪切強度圖 圖2-3 彎曲強度圖 smax = M max W  （2-9） bh 2 W = （2-10） 6 M max = 1 Fl 2 8  （2-11） 計算得出最大彎矩值 M max =93400N.m,W = 6.77 ′10-3 m3 ,公式 2-8 計算得到： 滿足強度要求。 3 打包機液壓系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 液壓系統(tǒng)的特點 （1）能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速區(qū)間相對大一些，比例可為2000：1 （2）重量較輕，體積較?。? （3）傳動平穩(wěn)； （4）能夠完成過載保護，液壓油在打包過程中還可以主動潤滑各個傳動部件，增加設(shè)備的使用壽命； （5）容易操作，還可以輕易的實現(xiàn)自動化； （6）液壓元件可以實現(xiàn)系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，選擇液壓傳動能夠使機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加趨于簡單，因此可以減少機械的內(nèi)部零部件數(shù)目[11] 。 3.2 液壓系統(tǒng)工況分析 3.2.1 分析系統(tǒng)工況打包機的具體運動為: 將需要打包壓縮的廢料投入打包機的壓縮室中→上蓋液壓缸驅(qū)動上蓋運動關(guān)閉上蓋→為防止打包機工作時的擠壓力過大頂起蓋，需要鎖緊→側(cè)液壓缸快進工作→到達一定的位置觸發(fā)行程開關(guān)后，切換成工進，將打包塊壓縮到到預(yù)定長度→主液壓缸工作形式與側(cè)液壓缸一致→完成打包工作后，主、側(cè)液壓缸進行泄荷→由前門缸直接驅(qū)動前門開啟，側(cè)缸將已經(jīng)打包好的廢料推出→側(cè)液壓缸，前門液壓缸分別退回到起始位置，進入下一個打包循環(huán)。上述就是打包機的工作流程。 3.2.2 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) （1）前文給定的參數(shù)如下: ① 打包機公稱推力 1150kN ② 打包完成后包塊的體積為 0.30*0.25*0.25m3 ③ 打包機主缸行程 400mm，側(cè)缸行程 800mm ④ 前門缸行程 300mm，上蓋缸行程 1200mm，鎖緊缸行程 150mm ⑤ 包塊密度：≥ 1800kg/m3 ⑥ 生產(chǎn)效率：900-1200kg/h 根據(jù)上述數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到： 每個包塊的重量≥1800kg / m3 ′ 0.30 ′ 0.25′ 0.25m3 / 塊每小時應(yīng)打包的塊數(shù)為 30~36 塊。 依據(jù)計算所得數(shù)據(jù),應(yīng)用類比法確定各個液壓缸的進給速度值: 側(cè)液壓缸:快進速度 v1=50mm/s 工進速度 v2=20mm/s 推出包塊速度 v3=50mm/s 快退速度 v4=50mm/s 上蓋液壓缸:快進速度 v5=120mm/s 快退速度 v6=120mm/s 鎖緊液壓缸:快進速度 v7=75mm/s 快退速度 v8=75mm/s 前門液壓缸:快進速度 v9=100mm/s 快退速度 v10=100mm/s 主液壓缸:快進速度 v11=50mm/s 工進速度 v12=20mm/s 快退速度 v13=50mm/s 根據(jù)以上選定的速度值通過計算后，得到完成整個打包工作過程的總用時約為 - 19 - t = 85s ，能夠滿足設(shè)計所需生產(chǎn)效率。 （2）液壓系統(tǒng)的壓力分析:  F = PA q  （3-1） n = （3-2） A 根據(jù)以上倆式,需要考慮到照機械部件的運動、部件的制造能力以及其他各方面因素，才能選擇液壓缸的工作壓力。參照表 3.1、表 3.2 ,取 p = 25MP 作為系統(tǒng)的工作壓力來進行接下來的計算. 表 3.1 各類主機設(shè)備常用的系統(tǒng)壓力 表 3.2 不同負載常用的液壓缸工作壓力 負載/KN <5 5～10 10～20 20～30 30～50 >50 工作壓力 /MPa <0. 8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～ 5 ≥5～ 7 3.3 液壓缸的計算 3.3.1 液壓缸主要參數(shù)的確定 根據(jù)液壓缸的具體運動分析,所以采用雙作用式單活塞桿方式。分析運動和動力進行設(shè)計計算,設(shè)計計算過程如下： 液壓缸的工作壓力： P = 25MPa 液壓缸的內(nèi)徑: 根據(jù)公稱推力力 F = 1150KN ， 結(jié)合選定的液壓缸工作壓力 P = 25MPa ，計算得到缸筒的內(nèi)徑 D D= 3.57 ′10-2 式中 F----液壓缸的輸出力p----供油壓力 =247（mm） （3-3） 表 3.4 缸筒內(nèi)徑 D 系列 參照表 3.4，選取最近的標(biāo)準(zhǔn)值取 D=250(mm) 活塞桿直徑:由表 3.5 可知，應(yīng)該取 d=0.7D,計算得到 d=175(mm) 表 3.5 液壓缸活塞桿的直徑推薦值 根據(jù)計算所得 d，參照表 3.6，最后取值 d=180（mm） 液壓缸的行程的確定需要依據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的運行條件來確定,但是為了使低制造成本低廉,制造工藝簡單，以及為了增加產(chǎn)品的通用性【12】,這里取標(biāo)準(zhǔn)化了的行程L=1100(mm)。 本次設(shè)計不再對上蓋、鎖緊、前門液壓缸做具體的分析，因為這三個輔助液壓缸沒有參與具體的打包壓縮過程。 表 3.6 活塞桿直徑 d 系列 3.3.2 液壓缸的校核計算 （1）缸筒校核計算 ① 主要技術(shù)要求a.足夠的強度 b.足夠的剛度 c.內(nèi)表面在活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的長期反復(fù)摩擦作用下,還能夠長期正常工作,并且近乎沒有摩損,要求有很高的幾何精度,能夠良好保證活塞的密封性[14]。 ② 結(jié)構(gòu)形式 為了使液壓缸的結(jié)構(gòu)相對簡單、便于加工、方便裝卸因此采用半環(huán)聯(lián)接的形式。 ③ 材料 綜合考慮到液壓缸的毛坯選型、主要參數(shù)以及用途,選擇的缸筒材料必須要有一定的強度及一定的沖擊韌性,這里選擇 45#鋼. ④ 缸筒計算a.缸筒厚度的計算 d=d0 +c1 （3-6） 式中 d0 ----缸筒材料強度的最小值 c1----缸筒的外徑公差余量 液壓缸的缸筒壁厚在計算時有兩種情況: 當(dāng) d/D ￡ 0.08 時,為薄壁，計算如下 d0≥ Pmax D /（2[s]）=33.33（mm） （3-7） 式中 D ----缸筒內(nèi)徑； Pmax ---- 缸筒試驗壓力, 當(dāng)額定壓力 p ￡ 16 Mpa, 則 Pmax 等于 1.5P; 當(dāng) p > 16 Mpa 時, Pmax =1.25P； [s]----缸筒材料的許用應(yīng)力，[s]= Rm /n ， Rm 是材料抗拉強度， n 為安全 系數(shù)，一般取n = 5。 根據(jù)以上計算，取缸筒的壁厚d0 =40mm。 缸筒的外徑： b.缸筒厚度的驗算  D1 = D +2d0 =330(mm) （3-8） 為保證系統(tǒng)正常工作，額定工作壓力 pN 要滿足 p ≤0.35d (D 2 - D2 ) / D 2 =37.02MPa （3-9） N S 1 1 為避免材料變形,額定工作壓力 pN 還要滿足： pN ≤(0.35～0.42) pp1 =34.46～41.35MPa （3-10） 式中 pp1 ----缸筒塑性變形的壓力. p =2.3d lg D1 =98.45 （3-11） p1 s D 式中 ds ----缸筒制造材料的屈服強度，為 355MPa D1 ----缸筒外徑 D ----缸筒內(nèi)徑 pN ----額定工作壓力 缸底厚度 h 是 ：  h = 0.433D  p /[s] ′10-3 =55.9（mm） (3-12) max 式中 D ----缸筒內(nèi)徑； pmax ----缸筒內(nèi)的最大工作壓力； [s]----缸筒底部的許用應(yīng)力。缸筒聯(lián)接方式： 焊接式聯(lián)接強度高，卻不易拆裝，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便加工。法蘭式聯(lián)接強度稍低，但拆 裝方便、結(jié)構(gòu)簡單成本低，能夠承受較高的壓力；所以選擇法蘭式聯(lián)接。選擇法蘭式連接缸筒內(nèi)危險截面所承載的拉伸應(yīng)力s為： 2 s= pmax D1  2 /[(D1 - h) - D ]= 0.3302 ′ 25.5 (0.330-0.016)2 - 0.252 =76.93（MPa） (3-13) 滿足強度要求。 式中 D1 ----缸筒寬度， D1 =0.330（m） h ----卡環(huán)的寬度（m）， h =0.016（m） D ----卡環(huán)的厚度（m）， D =0.016（m） pmax ----系統(tǒng)的最高工作壓力（MPa） pmax =25.5（MPa） （2）活塞桿校核計算 ① 結(jié)構(gòu) 外端部采用焊接連接,內(nèi)端部采用螺紋連接方式。 ② 材 料選擇 45#鋼 ③ 活塞桿的強度驗算 根據(jù)前文已確定的行程 l 對活塞桿進行驗算。 當(dāng)l / d ￡ 10時，活塞桿為短行程，應(yīng)該校核拉壓強度： d 3 2 = =131.24（mm） (3-14) 式中 F ----活塞桿的最大推力（N），為 F = 1150 （KN） d ----活塞桿的直徑（mm）， d = 180 （mm） ns ----安全系數(shù)， ns =2～4；取ns =4 ds ----活塞桿材料的屈服強度，取ds = 355 MPa所以這樣設(shè)計滿足強度和穩(wěn)定性的要求。 3.4 擬定液壓系統(tǒng)回路 3.4.1 液壓回路設(shè)計 首先，設(shè)計調(diào)速回路。液壓系統(tǒng)的調(diào)速回路需要滿足如下要求： （1）要滿足能夠非常良好的控制執(zhí)行元件運行速度的要求。 （2）要滿足當(dāng)外負載變化時,系統(tǒng)的變速區(qū)間應(yīng)該比較小的要求。 （3）要滿足能提供的足夠的轉(zhuǎn)矩和力的要求。 （4）要滿足盡量減少功率損耗和熱損耗的要求。調(diào)速回路的選擇： 系統(tǒng)的調(diào)速回路分為三種：節(jié)流調(diào)速回路、容積調(diào)速回路以及容積節(jié)流調(diào)速回路[16]。選用調(diào)速回路需要注重效率性和經(jīng)濟性。采用節(jié)流調(diào)速回路，是結(jié)構(gòu)可靠，維修過程中不復(fù)雜，成本不高，但同面臨工作效率不高，發(fā)熱大的問題。采用容積調(diào)速回路的話， 其優(yōu)點是系統(tǒng)壓力損失較小，系統(tǒng)的冷卻快，效率比節(jié)流調(diào)速高，但是這種調(diào)速回路隨著外負載的增大，容積效率將變小。采用容積節(jié)流調(diào)速回路，其特點是發(fā)熱小、效率高， 并且速度剛性比容積調(diào)速回路好[17]。綜合本次設(shè)計的具體情況，系統(tǒng)采用容積節(jié)流調(diào)速回路。 速度換接方式的選擇。為輕易控制液壓缸的行程、使閥的安裝簡單容易、使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡便，本次設(shè)計的系統(tǒng)采用電磁換向閥。 壓力控制回路。選擇先導(dǎo)式溢流閥來使系統(tǒng)負載完成卸壓。 3.4.2 選擇液壓系統(tǒng)回路方式 液壓系統(tǒng)的回路方式有開式和閉式和開式回路兩種。采用閉式回路，缺點比較明顯， 系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，工作過程中不利于油路中熱量的散發(fā)，不能很好的解決油液冷卻降溫的問題；而采用開式回路系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對來說簡單明了，能夠解決散熱困難的問題， 冷卻條件良好，并且經(jīng)濟性很高， 綜合上述兩種回路的特點分析，開式回路更為適合本次設(shè)計，所以選擇開式回路作為本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)回路方式。 3.4.3 液壓系統(tǒng)原理圖的分析設(shè)計 考慮到本次設(shè)計采用容積節(jié)流調(diào)速回路，然后從打包機在工作過程中的要求出發(fā)， 在工作時，要滿足快進時載荷小、速度高，工進時速度低、載荷大的要求,最后從降低熱損失的目的出發(fā),所以采用直軸式變量柱塞泵供油。綜合分析前文所采用的幾個回路， 系統(tǒng)液壓原理圖如圖 3.1 所示。 打包的工作流程如下： 啟動電源開關(guān)，泵源工作，Y1通電，使換向閥換向，啟動上蓋缸推動上蓋落下，形成密閉的打包室； 上蓋缸運行到一定行程之后，觸發(fā)行程開關(guān)，使Y1斷電，Y 3 通電，讓鎖緊缸工作， 推動鎖緊機構(gòu)運行，完成鎖緊工作，避免工作過程中上蓋被頂起； 鎖緊缸完成工作以后，使Y 7得電，換向閥換向，側(cè)液壓缸開始工作。 側(cè)液壓缸運行到一定位置，使Y11通電，換向閥換向，讓工作油液流經(jīng)調(diào)速閥 7， 這樣側(cè)缸就由快速進給完成了切換； 側(cè)液壓缸繼續(xù)運行，完成第一次打包壓縮后，，使Y 7 、Y 8 同時失電，完成系統(tǒng)的保壓延時，實現(xiàn)打包塊的定型。Y 5 通電，而后主液壓缸快進； 主液壓缸打包壓縮運行到達一定行程，使Y12 通電，換向閥換向，使液壓油流經(jīng)調(diào)速閥 7，這樣主液壓缸就由快進過程轉(zhuǎn)換為工進過程； 主液壓缸繼續(xù)進行打包壓縮，直至打包壓縮完成，完成工作之后，使得Y 5 、Y 6同時斷電，這樣整個打包壓縮的工作過程就結(jié)束了； 經(jīng)過一定時間延時保壓后，主、側(cè)液壓缸開始泄壓，當(dāng)主、側(cè)液壓缸泄荷完全后， 使Y 6、Y 8 通電，實現(xiàn)換向之后，主、側(cè)液壓缸快退回到起始位置； 待兩缸都退回到起始位置時， Y 4通電，控制換向閥換向，使鎖緊缸退回到初始位 置后， Y 2、Y 9 通電，控制換向閥換向，打開上蓋和前門； 前門缸回到初始位置后， Y 7 通電，控制換向閥換向，側(cè)主液壓缸打包的物料送出壓縮室； 最后，當(dāng)包塊被推出壓縮室后， Y 8 通電，控制換向閥換向，側(cè)缸快退回到起始位置，當(dāng)側(cè)液壓缸退回到初始位置后Y10 通電，前門回到初始位置，Y13 通電，系統(tǒng)泄荷， 完成本次工作循環(huán)。 表 3.3 控制通電表 序號 工作流程 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 上蓋合上 + - - - - - - - - - - - - 上蓋鎖緊 - - + - - - - + - - - - - 側(cè)缸快進 - - - - - - + - - - - - - 側(cè)缸工進 - - - - - - + - - - + - - 側(cè)缸保壓 主缸快進 - - - - + - - - - - - - - 主缸工進 - - - - + - - - - - - + - 主側(cè)缸保壓 - - - - - - - - - - - - + 主側(cè)缸泄壓 - - - - - + - + - - - - - 鎖緊松開 - - - + - - - - - - - - - 開上蓋前門 - + - - - - - - + - - - - 推出包塊 - - - - - - + - - - - - - 側(cè)缸快退 - - - - - - - + - - - - - 關(guān)閉前門 - - - - - - - - - + - - - 圖 3-1 液壓工作原理圖 3.5 液壓系統(tǒng)壓力分析 3.5.1 確定液壓泵的工作壓力和流量 （1）液壓泵工作壓力的確定： 由于執(zhí)行元件在運行過程中需要最大的壓力，,因此應(yīng)該滿足下式: Pp 3 P1 + ?D P  （3-15） 式中： Pp ---- 液壓泵的最大工作壓力， P1 ---- 執(zhí)行元件的最大工作壓力， SD P ---- 油路的壓力損（按經(jīng)驗選取，簡單的系統(tǒng)：取 0.2~0.5MPa,有 調(diào)速閥或是管路復(fù)雜的系統(tǒng)：取 0.5~1.5MPa；所以本次設(shè)計SD P =0.5MPa； 因此液壓泵的工作壓力是： Pp = P1 + SD P =25.5（MPa） （3-16） p 前文計算的 Pp 是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力,系統(tǒng)在工作過程中常因為過渡過程壓力超調(diào)或是周期性壓力脈動而存在動態(tài)壓力[18]，這個值要遠遠大于靜態(tài)壓力，所以 P 還需比 P 高出 25%~60%,低壓系統(tǒng)可取 25%~40%,中高壓系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選較大一些.所以在本次設(shè)計中取 P = 1.6Pp ，計算得出 P=31.875MP. （2）液壓泵流量的確定 液壓泵允許經(jīng)過的最大流量為 qp 3 K (? qmax ) m3 / s （3-17） 式中： qp ---- 液壓泵的最大流量 (?q) max---- 執(zhí)行元件一同工作q 的最大值。 K ---- 回油泄漏折算系數(shù),K=1.1~1.3,現(xiàn)在取 K=1.2 計算。 求得液壓泵流量為： （3）選擇液壓泵的規(guī)格  qp = 70.65 L/min （3-18） 依據(jù)之前計算的 p 和 qn，查閱相關(guān)資料,最終采用25CCY14-1B 型柱塞泵。技術(shù)規(guī)格為：額定壓力：31.5MPa ；排量：25ml/r；驅(qū)動功率：24.6KW；轉(zhuǎn)速范圍：3000r/min。確定電動機的功率. 前文已采用液壓泵額定壓力 P=25Mpa，pmax =70.65L/min，取液壓泵總效率hP = 0.85 pqn h P = p 計算得到電動機所需功率 P =28.9kw. （3-19） 通過查閱電動機型號，選擇Y200L1- 2 型電動機；技術(shù)規(guī)格為：額定功率 P = 30kw ； 額定轉(zhuǎn)速n = 2950 r/min 。 3.6 液壓元件的選擇 （1）閥的規(guī)格 控制閥的規(guī)格是根據(jù)系統(tǒng)的最高壓力和通過該閥的實際流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件中選用 [19]。元件選定的額定壓力以及流量要與其計算值盡可能的接近，必要時，要取通過元件 的最大實際流量超過其額定流量的 20%，本次設(shè)計的系統(tǒng)工作壓力 p ? 16 Mp，所以選用閥的規(guī)格如下： ① 與柱塞泵相連的溢流閥選擇北部精機有限公司生產(chǎn)的MSRF- 03 型溢流閥，其額 定流量q = 70 L/min；額定工作壓力 P = 25 Mp；通徑 D = 10 mm。 ② 單向閥選擇力士樂液壓有限公司生產(chǎn)的 Z1S10P50-1TB50 -1D10 型單向閥，其啟動壓力 p = 5Mp；通徑 D = 10 mm。 ③ 節(jié)流閥選擇北部精機有限公司生產(chǎn)的MST - 03 型節(jié)流閥，技術(shù)規(guī)格為：最高壓力 p = 21MPa；推薦流量為q = 45 L/min。 ④ 減壓閥選擇力士樂液壓有限公司生產(chǎn)的 ZDR10DP7- 5X/150YM型減壓閥，技術(shù) 規(guī)格為：流量q = 80 L/min；設(shè)定壓力 p = 15MPa；通徑 D = 10 mm。 ⑤ 電磁換向閥選擇M - 4SED6Y1X/350CG24N9K4/62 型三位四通電磁換向閥，技術(shù)規(guī)格：額定流量q = 25 L/min；通徑 D = 10 mm。 （2）濾油器規(guī)格： 濾油器選擇天津濾油器廠生產(chǎn)的 WU — 250 × F 型濾油器，技術(shù)規(guī)格：壓力 p = 25MPa；流量q = 350 mL/min；通徑 D = 15 mm；過濾精度m= 100um。 （3）壓力表規(guī)格： 壓力表選擇高行液壓元件廠生產(chǎn)的KF3 — E3B型壓力表；技術(shù)規(guī)格：使用壓力 p = 16 MPa； （4）管道尺寸的確定內(nèi)徑 d 為： d = 式中 Q ——通過管道的流量 n0 ——管內(nèi)允許的流速 ′1000 （3-20） 經(jīng)計算，使用（GB3683- 92 型膠管技術(shù)規(guī)格：額定壓力 p = 40 MPa ,通徑 D = 10 mm。 （5）液壓油箱體積的確定 液壓系統(tǒng)的散熱主要依靠油箱。油箱體積小，油溫散熱困難，溫度就高。相反，油箱體積越大，散熱就快，但是相對的，其占地面積也越大。通常來說，油箱體積V 可取V = 6q ~ 12q 。 計算得V = 1057 ~ 2114 L?，F(xiàn)選擇油箱體積為V = 1500L。 表 3.4 液壓元件表 名稱 型號 主要技術(shù)規(guī)格 溢流閥 MSRF- 03 額定流量q = 70 L/min；額定工作 壓力 P = 25 Mp；通徑 D = 10 mm。 單向閥 Z1S10P50-1TB50 -1D10 啟動壓力 p = 5Mp；通徑 D = 10 mm。 節(jié)流閥 MST - 03 最高壓力 p = 21 MPa ； 推薦流量 q = 45 L/min。 減壓閥 ZDR10DP7- 5X/150YM 技術(shù)規(guī)格為：流量 q = 80 L/min； 設(shè) 定 壓 力 p = 15 MPa ； 通 徑 D = 10 mm。 電磁換向閥 M - 4SED6Y1X/350CG24N9K4/62 額定流量q = 25 L/min；通徑 D = 10 mm。 濾油器 WU — 250 × F 壓 力 p = 25 MPa ； 流 量 q = 350 mL/min；通徑 D = 15 mm； 過濾精度m= 100um。 壓力表 KF3 — E3B 使用壓力 p = 16MPa； 管道 （GB3683- 92 額 定 壓 力 p = 40 MPa , 通 徑 D = 10 mm。 油箱 V = 1500L。 - 22 - 4 結(jié) 論 本次設(shè)計完成了液壓驅(qū)動金屬打包機的設(shè)計，它的主要作用是實現(xiàn)廢金屬的打包回收再利用，在本次設(shè)計過程中，順利完成了金屬打包機兩個關(guān)鍵部分的相關(guān)設(shè)計：一是通過確定的各尺寸大小設(shè)計出打包機機械結(jié)構(gòu)部分，并校核所涉及受力的部件，合理的設(shè)計出打包機的結(jié)構(gòu)裝配；二是通過確定系統(tǒng)的壓力以及對液壓缸的設(shè)計計算校核，根據(jù)打包機的具體運動進行液壓回路原理圖設(shè)計，完成了打包機液壓系統(tǒng)部分的相關(guān)設(shè)計以及計算校核。 參 考 文 獻 [1] 朱君君，馮毅.金屬液壓打包機設(shè)計[J].液壓與氣壓，2009 年 12 期. 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[21] 成大先.機械設(shè)計手冊第三版（第四卷）[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 附錄 1：外文翻譯 液壓回收修井機研究及起重機仿真 摘要：本文研究了一種先進的節(jié)能型石油機械，即液壓回收裝置。這臺鉆機的設(shè)備功率僅為普通鉆機的 1/3，而且該鉆機還可以回收利用管道中釋放的潛在能量。本文介紹了該鉆機的特殊工作原理。并且進行了節(jié)能分析。分析表明，當(dāng)把重達 260 克的管弦降低時，這個鉆機所能恢復(fù)的能量是 240×106J。建立提升管弦的數(shù)學(xué)模型，并進行了仿真分析。通過仿真，得出了一些結(jié)論:（1）管道越輕，管道的吊裝時間越短;（2）節(jié)流閥路徑的面積越小，管道吊裝時間越長;（3）空氣容器體積越小，管道吊裝時間越短。實際的測量結(jié)果表明，仿真結(jié)果是正確的。 關(guān)鍵詞：節(jié)能，修井設(shè)備，能量回收，起重，仿真 1 介紹 通常用于石油開采的普通鉆井平臺有一種不合理的巨大能源浪費。如下所示:（1） 從油井中提升管道的工作是一個連續(xù)的循環(huán)過程。重達數(shù)十噸的管狀管被吊到地上，一根接一根。在一個循環(huán)中，從井中抬起管道的時間只有大約四分之一的時間，而在這里， 電動機在一個高功率下工作。把管道從管道中移走的時間是 3/4，在這里電動機工作在低功率下。普通鉆機的大功率電機大多在低功率下工作，因此不經(jīng)濟。（2）從油井中移到地面的管道將大量潛在的能量儲存起來，當(dāng)管道被放低到井里時，沉積的勢能就會釋放出來。普通鉆機只是通過制動來浪費這種能量，這種能量是無法恢復(fù)的。 因此，開發(fā)了一種液壓回收修井機。該鉆機具有由電動機和大蓄能器驅(qū)動的液壓泵。當(dāng)提升管弦時，蓄電池在輔助時間（拆卸和定位單管的時間）內(nèi)儲存電機能量，并在提升時釋放它，以幫助電機提升管道。因此，這種鉆機的配備能力只有平常的三分之一。例如，當(dāng)額定吊鉤負載為 300k N 時，該裝置的配備功率為 45kW，普通的功率為 150kW。該鉆機可以恢復(fù)降低時由油管道釋放的潛在能量。 2 工作理論：簡介 2.1 液壓系統(tǒng)理論介紹。液壓回收修井機液壓系統(tǒng)如圖 1 所示。液壓油源由泵 1 和蓄能器組成。特別建造的大型蓄電池由空氣容器 5 和儲油缸 4 組成?？諝馊萜鞯娜莘e是 1.68 m3。儲油缸的容積是 0.19m3。復(fù)合氣缸 11 具有 q1，q2，q3-三室。液壓方向閥 6,7,8 分別控制 q1，q3，q2 與高壓油（泵和蓄能器）或低壓油（油箱）相連。當(dāng) q1 和 q2 腔室與高壓油相連接時，由柱塞 12 上的油壓產(chǎn)生的力就向上，當(dāng) q3 室連接高壓油時，柱塞 12 上的油壓產(chǎn)生的力向下。連接高低壓油，不同的三室組合模式，決定不同的力等級，以滿足提升和降低不同負荷的需要（見表 1）。節(jié)流閥 9,10 控制升降速度并用作制動器。 - 23 - 2.2 .復(fù)合缸提升部件的介紹。如圖 2 所示，復(fù)合氣缸的柱塞 3 的頂部連接到行駛支 架 4。四個移動塊 5 安裝在支撐件中，并且兩個頂塊 2 安裝在復(fù)合氣缸體中。兩個鋼鏈中的每一個在兩個移動塊和一個頂塊中卷繞。鋼鏈的一端與鉤連接，另一端固定在基座上。當(dāng)柱塞被驅(qū)動時，行駛塊及其支撐件同步上升，帶有管道的鉤子以柱塞的四倍速度上升。當(dāng)柱塞再次被驅(qū)動時，鉤子和管道以柱塞的四倍速度下降。 2.3 進一步介紹。表 1 中計算吊鉤起重載荷的方程式為 F=p(A1+A2-A3)/4 式中：F 是吊鉤起重載荷，p 是油壓，A1 是 q1 室的面積，A2 是 q2 室的面積，A3 是 q3 室的面積。 對于同一個力的級別，如果復(fù)合氣缸的一個腔室與高壓油相連，其面積計算如公式 1，否則不按公式 1 計算，也就是說，使其面積為 0，以力級 2 為例，q2 室與低壓油相連，然后在計算吊鉤負荷時，根據(jù)公式 1 計算，A2 為 0。在提升操作中，如果所選的力等級大于管道的重量，則管道可以從井中升起。例如，當(dāng)管道的重量是 210 k N 時，如果選擇了 6 級，管道可以被提升。在下降操作中，如果所選的力等級小于管道重量，則可以將管道降至井底。例如，當(dāng)管道重量為 210k N 時，如果選擇強度等級 5，則可以降低管道，同時柱塞 12 被迫縮回。因此，一些高壓油被壓入蓄能器以節(jié)省，實現(xiàn)了管道勢能的恢復(fù)。 3 能量回收分析 如前所述，在降低操作中，如果所選的力等級小于管道的重量，管道可以下降，一些高壓油被壓入蓄能器以節(jié)省，實現(xiàn)管道勢能的恢復(fù)?；厥盏哪芰咳绫?2 所示，其中 A1 是 q1 室的面積，A2 是 q2 室的面積，A3 是 q3 室的面積，s 是單根管道的長度。表 2 中的值是在 A1 = 603.1cm2，A2=490.9cm2，A3=289.8cm2，s=9.6m 的條件下降低單管的回收能量，這個值就是在降低單個管道時壓入蓄能器中的油的體積。如表 2 所示，當(dāng)管道重量 G3 小于等于 38KN 時，0 級力被用在降低管道，因為這里復(fù)合缸的每個腔室都不與蓄能器連接，所以能量不能在 0 等級下恢復(fù)。隨著管道重量的增加，當(dāng) G3 大于 38KN 時，根據(jù)管道重量，可以選擇等級 1 到等級 5 力級較低的管道。此時，一些高壓油將被壓入蓄能器。與此同時，發(fā)