1、小型压力机的设计机电液控制课程设计设计题目：小型压力机课程设计学生姓名： 学 号： 学 院： 专 业： 班 级： 指导教师： 摘要 3第一章 液压缸的相关计算 41.1液压缸主要零件的材料的选取及主要依据 41.2液压缸的内径D和活塞杆直径d的相关计算 41.3液压缸壁厚的计算 51.4对活塞杆直径 d 进行强度校核 61.5缸盖固定螺栓 d3 的计算 61.6缸体与缸盖采用螺纹连接时的应力计算 71.7活塞与活塞杆采用螺纹连接时的应力计算 81.8关于液压缸缓冲装置的说明 91.9关于液压缸排气装置的说明 9第二章 计算和选择液压系统中其他元件 92.1计算液压泵的最大工作压力 92.2计算
2、液压泵的流量 92.3确定液压泵的规格和电动机功率 102.4确定阀类元件及辅件 102.5验算液压系统性能 12第三章 液压系统原理图、硬件电路图及各阶段动作过程 14第四章PLC端子接线图及PLC梯形图 17第五章 工作原理说明 20第六章 关于本次课程设计的心得与小结 20参考文献 21摘要：本次课程设计是以此综合液压与气压传动、 机电传动控制等相关课程的以 此课程设计。 本次课程设计的内容是设计一台小型压力机。 通过可编程序控制器（PLC）对液压系统回路进行控制，从而使执行元件（液压缸）完成相应的快进、 工进、快进的动作。同时利用 PLC 中的计时器，对快进动作限制为 200s ，对工
3、 进动作限制为50s，然后自动快退，直至回到原点。液压系统运行稳定，易于得 到相应电控制的特点在本设计中得到了应用。关键词：液压传动；可编程序控制器（PLC）；压力机；第一章液压缸的相关计算1.1液压缸主要零件的材料的选取及主要依据(1)缸体无缝钢管45钢无缝钢管用作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期短，适用于 大批量生产，标准液压缸大部分都会采用无缝钢管，并且一般常用调质处理的 45钢.(2)活塞铸铁HT200活塞常用材料灰铸铁，耐磨铸铁，35及40钢和铝合金等.缸体直径较小的 整体式活塞用35. 45钢，其他多用灰铸铁.(3)活塞杆 45钢活塞杆常使用35, 45刚等材料.对于冲
4、击振动很大的活塞杆，也可以使用 55钢.一般实心的活塞杆用 35，45钢.(4)前缸盖 45钢缸盖常用35, 45钢的锻件或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料.(5)后缸盖 45钢缸盖常用35, 45钢的锻件或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料，起导向作用 时则使用铸铁.1.2液压缸的内径D和活塞杆直径d的相关计算图1.1液压缸示意图如图1.1液压缸示意图所示，当液压缸活塞杆向右运动时，设液压缸无杆腔面积为a，液压缸的工作压力为 R =2.5MPa，有杆腔面积为 A，其压强为P2 二 0.5MPa .于是，有1 2 A D41 2 2A2 D d4 再有，油缸内经与活塞杆直径比为(1.1)(1.2)d
5、/ D =0.73(1.3)工作时的最大负载F -13000N列出液压缸的受力方程，得RAr = F P2A?(1.4)通过以上所述各式，可以得出4Fp巳+l石 P2iI ID丿=0.08546m = 85.46mmd = 0.73D = 62.39mm根据GB/T2348-1993，液压缸内径尺寸系列和液压缸活塞杆外径尺寸分别对D和d进行圆整，取 D -100mm，d = 70mm .1.3液压缸壁厚的计算依据设计手册，可知(1.5)其中：q为液压缸缸壁厚度,Py为实验压力（工作压力P岂16MPa时，Py =1.5P ；工作压力PN6MPa时，Py=1.25P ），虹】为缸体材料的许用应力（
6、b = -n式中：二为缸体材料的抗拉强度； n为安全系数，n -3.5 5，一般取n =5）(1.6)选用45钢，其抗拉强度为 500 550MPa，于是Py =1.5P =1.5 2.5 =3.75MPa550 =110MPan 53.75 1001.705mm211010.5mm 1.705mm，满足要求.1.4对活塞杆直径d进行强度校核根据设计手册，可知一丄-393MPa 1.4式中：F为工作时的最大负载，即 F =13000N，于是有上述计算得d = 70mm 6.490mm ,所以满足要求.1.5缸盖固定螺栓d3的计算式中：F为工作时的最大负载，即 F -13000N，K为螺纹拧紧系
7、数,K =1.121.5，拧紧系数为取1.5，Z为固定螺栓个数，螺栓个数取 4个，I为(1.10)螺栓许用应力,1.22 2.56为材料的屈服点为355MPa，根据计算得:选取M8的螺栓。1.6缸体与缸盖采用螺纹连接时的应力计算缸体螺纹处的拉应力为：-KF （ 1.11）4 di - D2螺纹处的应力为：=K1KFd0 3 （ 1.12）0.2 d13 -D3由应力合成公式可知：；n 二-2 3.2 （ 1.13）以上式中：二为螺纹连接处的拉应力；K为螺纹拧紧系数，静载荷时，取K =1.251.5 ;动载荷时，取K =2.54，在此，取K = 3 ； Ki为螺纹内摩擦系数，取& =0.12，d
8、0 =121mm为螺纹外径；d1 = 120mm为螺纹内径；D = 100mm为液压缸内径；为螺纹外的切应力；-I为螺纹材料的许用应力I I -: s （ 1.14）nJ为螺纹材料的屈服极限， -355MPa ； n为安全系数，取n=2 ； c.为合成后的总应力；F为缸体螺纹处所受到的拉力于是，通过计算可得:6 = 3 2 .：11.292 3 3.27212.63MPa活塞杆危险截面处的切应力为:活塞杆危险截面处的合成应力为:(1.17)以上式中：二为螺纹连接处的拉应力；K为螺纹拧紧系数，静载荷时，取K =1.251.5 ;动载荷时，取K =2.54，在此，取K = 3 ； &为螺纹内摩擦系
9、 数，取& =0.12，do = 70mm为螺纹外径；d 69mm为螺纹内径；为螺纹外 的切应力；I为螺纹材料的许用应力(1.18)J为螺纹材料的屈服极限， J=355MPa ； n为安全系数，取n=2 ； c.为 合成后的总应力；F1为液压缸输出的压力于是，通过计算可得：F1 D2 -d2 F2 1002 -702 10 2.5 106 = 10013.83N4 4” s 355s 177.5MPa二 3一2 = 10.43233.842 =12.37 MPa故，匚n 2.37MPal-177.5MPa，因此，其螺纹连接符合要求.1.8关于液压缸缓冲装置的说明一般的液压缸可以不考虑缓冲要求，
10、当活塞的运动速度很高和运动部分质量 很大时，就会产生很大的惯性力。如果活塞在行程终端与液压缸底部（或缸盖） 产生机械碰撞，会出现很大的冲击和噪声，甚至导致液压缸、液压系统管路以及 各种阀类元件的破坏。因此，为了防止或缓解这种冲击以及减轻动作过程中产生 的噪声，可以在液压回路中设置减速阀和制动阀， 使得活塞减速制动，也可以在液压缸内部设置相应的缓冲装置。1.9 关于液压缸排气装置的说明液压系统在安装过程中或在长期的工作之后会渗入空气，油液中也会混入空气，由于气体具有较大的可压缩性， 这将使得液压缸工作中产生振动、 颤抖和爬行，并伴随有噪声和发热等系列不正常现象。 因此在设计液压缸结构式，要保证能
11、够及时排除几句在缸内的气体。 一般利用空气比重较液压油轻的特点， 在液 压缸内腔的最高部位设置进出油口或专门的排气装置，如排气螺钉、排气阀等， 使积聚在缸内的气体得以排除。第二章计算和选择液压系统中其他元件2.1计算液压泵的最大工作压力液压缸在其工进时的工作压力最大，最大的工作压力为 F2 = 2.5MPa，如在 调速阀进油口节流调速回路中，选取进油路上的总压力损失x P=0.3MPa，则 液压泵的最高工作压力的估算值为：P，_P2 P =2.5 0.3 = 2.8MPa （ 2.1）2.2 计算液压泵的流量液压系统通过液压泵向液压缸输入的最大流量应为：Tt 2 Tt X100S10-X510
12、3q = Av = D v 64 40所以液压泵的流量:2.3确定液压泵的规格和电动机功率根据以上所计算的液压泵的最大工作压力和液压泵的流量数值，查阅相关产品的样本，并加以考虑液压泵存在的容积损失， 最后确定选取CB-D外啮合齿轮油泵。泵的排量为50mL/r，当液压泵的转速nP=940r/min时，其理论流量为q =47L/min，并取液压泵的容积效率为 v =0.9，则液压泵的实际输出流量为：(2.5)q = qt v = 47 0.9 二 42.3L / min由于液压缸在快进时的输入功率最大，若取液压泵的总效率为 =0.8，这时液压泵的驱动电动机功率为PPq 2.8 106 39.25
13、10n - 60X0&103根据以上公式所得的数值，查阅产品样本，选用规格相近的 Y132-6型电动机，其额定功率为3.0KW，额定转速为960r/min2.4确定阀类元件及辅件根据系统的最高工作压力和通过各种阀类元件及辅件的实际流量， 经查阅产 片的样本说明，选出的阀类元件和辅件的规格如下表所列:表2-1所选阀类元件和辅件兀件名称 通过的最大规格流里型号额疋流量 额疋压力额定压降q/ L / minqn / L/ min R/MPa：P/ MPa外啮合齿70CB-D10轮泵调速阀：8Q-10B66.3溢流阀5.1Y-10B106.3滤油器36.6LV-80X200806.30.02单向阀25
14、AF3-EA10B806.30.02三位四通34D-10B电液阀二位三通23D-10B电液阀确定油管的内径油管的内径计算式为:(2.7)根据油管的允许流速推荐值，选择流速 v=2m/s代入上式中，计算可得:4q 4 39.25 10: v 60 二 2根据油管内径的尺寸系列，经数据圆整，选取内径为 20mm的软管. 密封件的选择在液压元件及其系统中，密封装置用来放置工作介质的泄漏及外界灰尘和异物的侵入。其中气密封作用的元件，即密封件。在本次的课程设计中，采用 0形密封圈，其具有如下优点：（1密封性好，寿命长；（2）用量少，单圈即可对 两个方向起密封作用；（3）动摩擦阻力较小；（4）对油液、温度
15、和压力的适应性 好；（5）体积小，重量轻，成本低；（6）密封部位结构简单，占用空间小，拆装 方便；（7）既可作为静密封，也可作为动密封使用。油箱的相关说明。油箱在液压系统中的主要功能是：（1）储存系统所需的足够油液；（2）散发 系统工作中产生的一部分热量；（3）分离油液中的气体和沉淀物。估算油箱的体积：Vh：qp=7 39.25 = 274.75L （2.8）经过数据圆整后，取V =300L2.5验算液压系统性能验算系统压力损失并确定压力阀的调整值由于系统管路布置尚未确定，整个系统压力损失无法全面估算，但对中小型 液压系统，管路压力损失甚微，可以不予考虑。压力损失验算按一个循环的不同 阶段进行
16、：（1）快进、快退时v=5m/min快进、快退时，进油回油通过电磁阀，流量为 q=39.25L/min，回油通过电磁阀为q =36.23L/min。所以回油压力为P2值略大于估计值1，重新计算油腔压力为P1，通过重新计算后，其基本等 于有效算数值。所以溢流阀应调整为 3.55MPa以上。（2） 工进时 v = 0.8m / minPP _P2 ”P =2.5 0.3=2.8MPa，所以溢流阀在3.55MPa以上满足要求。即在正常工作时，不会使溢流阀开启验算油液温升液压泵工作压力为 P =2.8MPa，流量为q =39.25L/min , nP =940r/min因此,2.8 106 39.25
17、 10；60 0.8 103二 2.29KW(2.10)其中FP液压泵总输出功率。假定PP = : P(1.11)P为液压系统发热功率油箱的散热面积为6.53 3002_10 = 2.91m2根据表油箱散热系数查得K =9W/(m C)则按式(2.12)(2.13)KA(2.14)求出温升为期=7.9 C根据表机械允许温升，故该液压系统不必设置冷却器第三章 液压系统原理图、硬件电路图及各阶段动作过程3.1液压系统原理图根据以上我们对液压缸，即执行元件和电动机，液压泵，即动力源的计算与对阀类元件和其他辅件的选择，将其连接成为液压系统原理图，如图 3.1所示图3.1 液压系统原理图1-油箱2-滤油
18、器3-液压泵4-溢流阀5-三位四通换向阀6-单项调速阀 7-二位三通换向阀 8-液压缸9-行程开关3.2硬件电路图在对整个液压系统的电气控制方面，对于继电器接触器的设计（包括主电路和控制电路）如图 3.2 所示当按下启动开关SB后，主接触器KMi得电，于是其主触头闭合，控制电路 中的辅助出头闭合，将启动开关 SB短路实现自锁，此时，电动机开始转动，液 压泵向液压系统中泵油。于是可以按下执行开关SB2，这时三位四通换向阀的1YA得电，其左位接通， 同时时间继电器和辅助接触器 心得电，于是&的辅助触头闭合，将执行开 关SB2短路自锁，同时时间继电器 KTi开始计时，其设定时间为200s，在这段时
19、间内，液压缸执行快进工作。当200s完成时，时间继电器KT,开始动作，其动合 触头闭合，这时二位三通换向阀的3YA得电，其右位接入电路，同时时间继 电器KT2和辅助接触器 心得电，于是K2的辅助触头闭合，将时间继电器 KTi的 动合触头短路自锁，同时时间继电器 KT2开始计时，其设定时间为50s，在这段 时间内，液压缸执行工进工作。当50s完成时，时间继电器KT2开始动作，其动 合触头KT2闭合，这时三位四通换向阀的2YA得电，其右位接入电路，同时辅助 接触器K3得电，于是K3的辅助触头闭合，将时间继电器 KT2的动合触头KT2短 路自锁，于是液压缸开始执行快退运动，当其运动到指定位置碰触到行
20、程开关 SQ1 时，控制电路断电，于是电动机停止转动，液压泵停止向液压系统内泵油， 任务书所要求的动作完成3.3各阶段动作过程的说明快进：按下SB，启动液压泵，按下SB使1YA得电，执行快进动作。工进：当快进时间达到200s时，使得3YA得电，执行工进动作。快退：当快进时间达到50s时，使得1YA失电，2YA得电，执行快退动作。停止：碰到行程开关SQ，使得1YA，2YA，3YA全部失电，则液压系统不再工作，全部停止工作。动作名称表3-1液压阀电磁铁工作状态表1YA液压阀电磁铁工作状态2YA3YA快进-+-工进+第四章 PLC端子接线图及PLC梯形图4.1 PLC选择根据PLC的动作循环、动作要
21、求确定 PLC输入点数5个，输出点数4个， 因此选择欧姆龙的C20P型号的PLC。它共有20个I/O点数，其中：输入点数8 个，输出点数12个。4.2端子接线图在完成PLC的选择之后，就要对PLC进行端子接线，要将启动开关SB1， 执行开关SB2，急停开关SB3，行程开关SQ，热继电器FR分别与PLC的输入端 子相连接，其次将继电器KM!，三位四通换向阀的1YA和2YA，二位三通换向阀 3YA分别与PLC的输出端子相连接，关于时间继电器 KT,与KT2，我们使用PLC 中自带指令计时器代替，辅助接触器 0，K2，K3分别使用PLC中的内部接触 器完成。于是绘制如图4.1的端子接线图。图4.1端
22、子接线图4.3PLC梯形图有了如上的各个主要器件和 PLC端子中指令的对应关系，我们根据器件之 间的关系，基于之前所绘制的图 3.2硬件电路图，绘制了图4.2PLC梯形图。0004 TIM01 1000 1001图4.2 PLC梯形图4.4PLC语句表根据4.3的PLC梯形图，翻译成了如下的语句表指令数据LD0003OR1000AND NOT0006AND NOT0007OUT0504OUT1000LD0004OR1001AND1000AND NOTTIM01OUT1001OUT0505TIM00#2000LDTIM00OR1002AND1000OUT0507OUT1002TIM01#0500
23、LDTIM01OR1003AND1000OUT0506OUT1003地址0000000100020003000400050006000700080009001000110012001300140015001600170018001900200021002200230024END第五章 工作原理说明按照上文中所要求的一系列要求将液压系统与可编程序控制器（PLC）电路 连接好。当按下启动按钮 SB后，液压泵启动，随即按下按钮 SE2，使三位四通 换向阀的1YA得电，于是，液压系统连接成为差动连接电路，执行快进动作。当 计时器TIM 00达到预设时间（快进时间达到 200s ）时，使得二位三通换向阀
24、的 3YA得电，于是执行工进动作。当计时器 TIM 01达到预设时间（快进时间达到 50s ）时，使得三位四通换向阀1YA失电，2YA得电，执行快退动作。当快退时 碰到行程开关SQ后，使得换向阀的1YA，2YA，3YA全部失电，则液压系统不 再工作，全部停止工作。完成了任务书要求的快进、工进、快退的要求。第六章 关于本次课程设计的心得与小结本次的课程设计， 综合了液压与气压传动、 机电传动控制等课程的知识， 在 课程设计中将课本上所学的知识进行了统一地， 细致地联系， 系统地将理论知识 与工程中所需要的实践能力相结合。即检验了我们对课堂所学知识的掌握情况， 同时也教会了我们如何通过解决实际工程
25、问题， 运用知识， 查阅相关资料， 通过 自己的理解与分析解决好当下的问题。当然，在本次的课程设计中，也遇到了一些问题，例如，所有的原理图，包 括液压原理图、 PLC 段子接线图、 PLC 梯形图等等。在绘制这些原理图的过程 中，也使得我对 AutoCAD 这个绘图软件进行了复习。在本次的课程设计中， 我负责了所有的问题。 包括对所得问题的分析、 对液 压缸尺寸的计算、对液压泵、阀类元件及电动机的选择、对液压原理图、 PLC 端子接线图、PLC梯形图等原理图的设计、最后到整个论文的编纂。在设计的过 程中，首先从工作负载开始， 着手根据任务书中的相关数据， 对液压缸的相关尺 寸进行逐一计算， 之
26、后根据流量的要求， 对液压泵进行选择， 进而选择其他的液 压元器件和电动自，绘制液压原理图。在电气方面，要求利用可编程序控制器 PLC进行编程，我根据原先的硬件图，绘制了 PLC的梯形图，用PLC的计时器 功能代替了硬件图中的时间继电器，从而使电路的稳定性得以提升。2005参考文献1 王积伟，章宏甲，黄谊 .液压与气压传动 .（第二版 ）.机械工业出版社，2 赵永成等 .机电传动控制 .（第二版 ）.中国计量出版社， 20073田小静 .机电液综合课程设计指导 . 北京航空航天大学出版社， 20124关肇勋，黄奕振 .实用液压回路 . 上海科学技术文献出版社， 19825雷天觉 .液压工程手册 . 机械工业出版社， 1990
