液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

1、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例250克塑料注射祝液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算大型塑料注射機(jī)目前都是全液壓控制。其基本工作原理是：粒狀塑料通過料斗進(jìn)入螺旋推進(jìn)器中，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將料向前推進(jìn)，同時(shí)，因螺桿外裝有電加熱器，而將料熔化成粘液狀態(tài)，在此之前，合模機(jī)構(gòu)已將模具閉合，當(dāng)物料在螺旋推進(jìn)器前端形成一定壓力時(shí)，注射機(jī)構(gòu)開始將液狀料高壓快速注射到模具型腔之中，經(jīng)一定時(shí)間的保壓冷卻后，開模將成型的塑科制品頂出，便完成了一個(gè)動(dòng)作循環(huán)?，F(xiàn)以250克塑料注射機(jī)為例，進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算。 塑料注射機(jī)的工作循環(huán)為： 合模注射保壓冷卻開模頂出 螺桿預(yù)塑進(jìn)料 其中合模的動(dòng)作又分為：快速合模、慢速合模、鎖模。鎖模的時(shí)間較長，直到開模前這段

2、時(shí)間都是鎖模階段。1.250克塑料注射機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)1.1對(duì)液壓系統(tǒng)的要求 合模運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，兩片模具閉合時(shí)不應(yīng)有沖擊； 當(dāng)模具閉合后，合模機(jī)構(gòu)應(yīng)保持閉合壓力，防止注射時(shí)將模具沖開。注射后，注射機(jī)構(gòu)應(yīng)保持注射壓力，使塑料充滿型腔； 預(yù)塑進(jìn)料時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，料被推到螺桿前端，這時(shí)，螺桿同注射機(jī)構(gòu)一起向后退，為使螺桿前端的塑料有一定的密度，注射機(jī)構(gòu)必需有一定的后退阻力；為保證安全生產(chǎn)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有安全聯(lián)鎖裝置。1.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù) 250克塑料注射機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 螺桿直徑 40mm 螺桿行程 200mm 最大注射壓力 153MPa 螺桿驅(qū)動(dòng)功率 5kW 螺桿轉(zhuǎn)速 60r/m

3、in 注射座行程 230mm 注射座最大推力 27kN 最大合模力(鎖模力) 900kN 開模力 49kN 動(dòng)模板最大行程 350mm 快速閉模速度 0.1m/s 慢速閉模速度 0.02m/s 快速開模速度 0.13m/s 慢速開模速度 0.03m/s 注射速度 0.07m/s 注射座前進(jìn)速度 0.06m/s 注射座后移速度 0.08m/s2.液壓執(zhí)行元件載荷力和載荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算2.1各液壓缸的載荷力計(jì)算合模缸的載荷力合模缸在模具閉合過程中是輕載，其外載荷主要是動(dòng)模及其連動(dòng)部件的起動(dòng)慣性力和導(dǎo)軌的摩擦力。 鎖模時(shí)，動(dòng)模停止運(yùn)動(dòng)，其外載荷就是給定的鎖模力。 開模時(shí)，液壓缸除要克服給定的開模力外，還克

4、服運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力。注射座移動(dòng)缸的載荷力座移缸在推進(jìn)和退回注射座的過程中，同樣要克服摩擦阻力和慣性力，只有當(dāng)噴嘴接觸模具時(shí)，才須滿足注射座最大推力。注射缸載荷力注射缸的載荷力在整個(gè)注射過程中是變化的，計(jì)算時(shí)，只須求出最大載荷力。 式中，d螺桿直徑，由給定參數(shù)知：d0.04m；p噴嘴處最大注射壓力，已知p153MPa。由此求得Fw192kN。各液壓缸的外載荷力計(jì)算結(jié)果列于表l。取液壓缸的機(jī)械效率為0.9，求得相應(yīng)的作用于活塞上的載荷力，并列于表1中。2.2進(jìn)料液壓馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算 取液壓馬達(dá)的機(jī)械效率為0.95，則其載荷轉(zhuǎn)矩 3.液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算3.1初選系統(tǒng)工作壓力 250克塑料注射機(jī)屬

5、小型液壓機(jī)，載荷最大時(shí)為鎖模工況，此時(shí)，高壓油用增壓缸提供；其他工況時(shí)，載荷都不太高，參考設(shè)計(jì)手冊(cè)，初步確定系統(tǒng)工作壓力為6.5MPa。3.2計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸確定合模缸的活塞及活塞桿直徑合模缸最大載荷時(shí)，為鎖模工況，其載荷力為1000kN，工作在活塞桿受壓狀態(tài)。活塞直徑 此時(shí)p1是由增壓缸提供的增壓后的進(jìn)油壓力，初定增壓比為5，則p15×6.5MPa32.5MPa，鎖模工況時(shí)，回油流量極小，故p20，求得合模缸的活塞直徑為 ，取Dh0.2m。按表25取d/D0.7，則活塞桿直徑dh0.7×0.2m0.14m，取dh0.15m。 為設(shè)計(jì)簡單加工方便，將增壓缸的缸體與合

6、模缸體做成一體(見圖1)，增壓缸的活塞直徑也為0.2m。其活塞桿直徑按增壓比為5，求得 ，取dz0.09m。)注射座移動(dòng)缸的活塞和活塞桿直徑座移動(dòng)缸最大載荷為其頂緊之時(shí)，此時(shí)缸的回油流量雖經(jīng)節(jié)流閥，但流量極小，故背壓視為零，則其活塞直徑為，取Dy0.1m 由給定的設(shè)計(jì)參數(shù)知，注射座往復(fù)速比為0.080.061.33，查表26得d/D0.5，則活塞桿直徑為： dy0.5×0.1m0.05m確定注射缸的活塞及活塞桿直徑當(dāng)液態(tài)塑料充滿模具型腔時(shí)，注射缸的載荷達(dá)到最大值213kN，此時(shí)注射缸活塞移動(dòng)速度也近似等于零，回油量極??；故背壓力可以忽略不計(jì)，這樣，取Ds0.22m；活塞桿的直徑一般與

7、螺桿外徑相同，取ds0.04m。3.3計(jì)算液壓馬達(dá)的排量液壓馬達(dá)是單向旋轉(zhuǎn)的，其回油直接回油箱，視其出口壓力為零，機(jī)械效率為0.95，這樣 3.4計(jì)算液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力按最后確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)排量，計(jì)算出各工況時(shí)液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力，見表2。3.5計(jì)算液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需流量根據(jù)最后確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸或液壓馬達(dá)的排量及其運(yùn)動(dòng)速度或轉(zhuǎn)速，計(jì)算出各液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需流量，見表3。4.制定系統(tǒng)方案和擬定液壓系統(tǒng)圖4.1制定系統(tǒng)方案執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定 本機(jī)動(dòng)作機(jī)構(gòu)除螺桿是單向旋轉(zhuǎn)外，其他機(jī)構(gòu)均為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。各直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用單活塞桿雙作用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，螺桿則用液壓馬達(dá)驅(qū)

8、動(dòng)。從給定的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，鎖模時(shí)所需的力最大，為900kN。為此設(shè)置增壓液壓缸，得到鎖模時(shí)的局部高壓來保證鎖模力。合模缸動(dòng)作回路 合模缸要求其實(shí)現(xiàn)快速、慢速、鎖模，開模動(dòng)作。其運(yùn)動(dòng)方向由電液換向閥直接控制?？焖龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，需要有較大流量供給。慢速合模只要有小流量供給即可。鎖模時(shí)，由增壓缸供油。液壓馬達(dá)動(dòng)作回路 螺桿不要求反轉(zhuǎn)，所以液壓馬達(dá)單向旋轉(zhuǎn)即可，由于其轉(zhuǎn)速要求較高，而對(duì)速度平穩(wěn)性無過高要求，故采用旁路節(jié)流調(diào)速方式。注射缸動(dòng)作回路 注射缸運(yùn)動(dòng)速度也較快，平穩(wěn)性要求不高，故也采用旁路節(jié)流調(diào)速方式。由于預(yù)塑時(shí)有背壓要求，在無桿腔出口處串聯(lián)背壓閥。注射座移動(dòng)缸動(dòng)作回路 注射座移動(dòng)缸，采用回油節(jié)流調(diào)速

9、回路。工藝要求其不工作時(shí)，處于浮動(dòng)狀態(tài)，故采用Y型中位機(jī)能的電磁換向閥。安全聯(lián)鎖措施本系統(tǒng)為保證安全生產(chǎn)，設(shè)置了安全門，在安全門下端裝一個(gè)行程閥，用來控制合模缸的動(dòng)作。將行程閥串在控制合模缸換向的液動(dòng)閥控制油路上，安全門沒有關(guān)閉時(shí)，行程閥沒被壓下，液動(dòng)換向閥不能進(jìn)控制油，電液換向閥不能換向，合模缸也不能合模。只有操作者離開，將安全門關(guān)閉，壓下行程閥，合模缸才能合模，從而保障了人身安全。液壓源的選擇該液壓系統(tǒng)在整個(gè)工作循環(huán)中需油量變化較大，另外，閉模和注射后又要求有較長時(shí)間的保壓，所以選用雙泵供油系統(tǒng)。液壓缸快速動(dòng)作時(shí)，雙泵同時(shí)供油，慢速動(dòng)作或保壓時(shí)由小泵單獨(dú)供油，這樣可減少功率損失，提高系統(tǒng)效

10、率。4.2擬定液壓系統(tǒng)圖 液壓執(zhí)行元件以及各基本回路確定之后，把它們有機(jī)地組合在一起。去掉重復(fù)多余的元件，把控制液壓馬達(dá)的換向閥與泵的卸荷閥合并，使之一閥兩用?？紤]注射缸同合模缸之間有順序動(dòng)作的要求，兩回路接合部串聯(lián)單向順序閥。再加上其他一些輔助元件便構(gòu)成了250克塑料注射機(jī)完整的液壓系統(tǒng)圖，見圖2，其動(dòng)作循環(huán)表，見表4。5.液壓元件的選擇5.1液壓泵的選擇 液壓泵工作壓力的確定 pPplppl是液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力，對(duì)于本系統(tǒng)，最高壓力是增壓缸鎖模時(shí)的入口壓力，pl6.4MPa；p是泵到執(zhí)行元件間總的管路損失。由系統(tǒng)圖可見，從泵到增壓缸之間串接有一個(gè)單向閥和一個(gè)換向閥，取p0.5MPa

11、。液壓泵工作壓力為 pP(6.40.5)MPa6.9MPa 液壓泵流量的確定 qPK(qmax)由工況圖看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在快速合模工況，qmax3L/s。取泄漏系數(shù)K為1.2，求得液壓泵流量 qP3.6L/s (216L/min)選用YYB-BCl71/48B型雙聯(lián)葉片泵，當(dāng)壓力為7 MPa時(shí)，大泵流量為157.3L/min，小泵流量為44.1L/min。5.2電動(dòng)機(jī)功率的確定注射機(jī)在整個(gè)動(dòng)作循環(huán)中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的，所需功率變化較大，為滿足整個(gè)工作循環(huán)的需要，按較大功率段來確定電動(dòng)機(jī)功率。 從工況圖看出，快速注射工況系統(tǒng)的壓力和流量均較大。此時(shí)，大小泵同時(shí)參加工作，小泵排油除

12、保證鎖模壓力外，還通過順序閥將壓力油供給注射缸，大小泵出油匯合推動(dòng)注射缸前進(jìn)。 前面的計(jì)算已知，小泵供油壓力為pP16.9MPa，考慮大泵到注射缸之間的管路損失，大泵供油壓力應(yīng)為pP2(5.90.5)MPa6.4MPa，取泵的總效率P0.8，泵的總驅(qū)動(dòng)功率為 27.313 kW 考慮到注射時(shí)間較短，不過3s，而電動(dòng)機(jī)一般允許短時(shí)間超載25%，這樣電動(dòng)機(jī)功率還可降低一些。P27.313×100/12521.85 kW 驗(yàn)算其他工況時(shí)，液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率均小于或近于此值。查產(chǎn)品樣本，選用22kW的電動(dòng)機(jī)。5.3液壓閥的選擇 選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)工作壓力在7M

13、Pa左右，所以液壓閥都選用中、高壓閥。所選閥的規(guī)格型號(hào)見表5。5.4液壓馬達(dá)的選擇 在3.3節(jié)已求得液壓馬達(dá)的排量為0.8Lr，正常工作時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩769N.m，系統(tǒng)工作壓力為7MPa。選SZM0.9雙斜盤軸向柱塞式液壓馬達(dá)。其理論排量為0.873L/r，額定壓力為20 MPa，額定轉(zhuǎn)速為8l00r/min，最高轉(zhuǎn)矩為3057N·m，機(jī)械效率大于0.90。5.5油管內(nèi)徑計(jì)算 本系統(tǒng)管路較為復(fù)雜，取其主要幾條(其余略)，有關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果列于表6。 5.6確定油箱的有效容積 按下式來初步確定油箱的有效容積 VaqV已知所選泵的總流量為201.4L/min，這樣，液壓泵每分鐘排出壓力油的

14、體積為0.2m3。參照表43取a5，算得有效容積為 V5×0.2m31 m36.液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算6.1驗(yàn)算回路中的壓力損失 本系統(tǒng)較為復(fù)雜，有多個(gè)液壓執(zhí)行元件動(dòng)作回路，其中環(huán)節(jié)較多，管路損失較大的要算注射缸動(dòng)作回路，故主要驗(yàn)算由泵到注射缸這段管路的損失。沿程壓力損失沿程壓力損失，主要是注射缸快速注射時(shí)進(jìn)油管路的壓力損失。此管路長 5m，管內(nèi)徑0.032m，快速時(shí)通過流量2.7L/s；選用20號(hào)機(jī)械系統(tǒng)損耗油，正常運(yùn)轉(zhuǎn)后油的運(yùn)動(dòng)粘度27mm2/s，油的密度918kg/m3。油在管路中的實(shí)際流速為 油在管路中呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為： 求得沿程壓力損失為： 局部壓力損失 局部壓力

15、損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失p2，以及通過控制閥的局部壓力損失p3。其中管路局部壓力損失相對(duì)來說小得多，故主要計(jì)算通過控制閥的局部壓力損失。 參看圖2，從小泵出口到注射缸進(jìn)油口，要經(jīng)過順序閥17，電液換向閥2及單向順序閥18。 單向順序伺17的額定流量為50L/min，額定壓力損失為0.4MPa。電液換向閥2的額定流量為190L/min，額定壓力損失0.3 MPa。單向順序閥18的額定流量為150L/min，額定壓力損失0.2 MPa。通過各閥的局部壓力損失之和為 從大泵出油口到注射缸進(jìn)油口要經(jīng)過單向閥13，電液換向閥2和單向順序閥18。單向閥13的額定流量為250L/

16、min，額定壓力損失為0.2 MPa。通過各閥的局部壓力損失之和為： 由以上計(jì)算結(jié)果可求得快速注射時(shí)，小泵到注射缸之間總的壓力損失為 p1(0.030.88)MPa0.91MPa 大泵到注射缸之間總的壓力損失為 p 2(0.030.65)MPa0.68MPa由計(jì)算結(jié)果看，大小泵的實(shí)際出口壓力距泵的額定壓力還有一定的壓力裕度，所選泵是適合的。 另外要說明的一點(diǎn)是：在整個(gè)注射過程中，注射壓力是不斷變化的，注射缸的進(jìn)口壓力也隨之由小到大變化，當(dāng)注射壓力達(dá)到最大時(shí)，注射缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度也將近似等于零，此時(shí)管路的壓力損失隨流量的減小而減少。泵的實(shí)際出口壓力要比以上計(jì)算值小一些。 綜合考慮各工況的需要，確

17、定系統(tǒng)的最高工作壓力為6.8MPa，也就是溢流閥7的調(diào)定壓力。6.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算 計(jì)算發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量。 發(fā)熱功率計(jì)算如下 PhrPrPc 對(duì)本系統(tǒng)來說，Pr是整個(gè)工作循環(huán)中雙泵的平均輸入功率。具體的pi、qi、ti值見表7。這樣，可算得雙泵平均輸入功率Pr12kW。系統(tǒng)總輸出功率求系統(tǒng)的輸出有效功率： 由前面給定參數(shù)及計(jì)算結(jié)果可知：合模缸的外載荷為90kN，行程0.35m；注射缸的外載荷為192kN，行程0.2m；預(yù)塑螺桿有效功率5kW，工作時(shí)間15s；開模時(shí)外載荷近同合模，行程也相同。注射機(jī)輸出有效功率主要是以上這些。 總的發(fā)熱功率為： Phr(15.33

18、)kW12.3kW 計(jì)算散熱功率 前面初步求得油箱的有效容積為1m3，按V0.8abh求得油箱各邊之積： a·b·h1/0.8m31.25m3 取a為1.25m，b、h分別為1m。求得油箱散熱面積為： At1.8h(ab)1.5ab (1.8×l×(1.251) 1.5×1.25)m2 5.9m2 油箱的散熱功率為： PhcK1AtT式中 K1油箱散熱系數(shù)，查表51，K1取16W/(m2·)； T油溫與環(huán)境溫度之差，取T35。 Phc16×5.9×35kW3.3kWPhr12.3kW由此可見，油箱的散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了系統(tǒng)散熱的要求，管路散熱是極小的，需要另設(shè)冷卻器。 冷卻器所需冷卻面積的計(jì)算 冷卻面積為： 式中 K傳