打包机液压系统

打包机液压系统 :废纸打包机—废纸打包机液压系统设计 题目 摘 要 打包是一种以运输与储存为主要目的的压缩性工业包装。随着科学技术的进步和市场经济的深人发展, 对废纸的储存、运输、包装物耗的研究及废纸打包的经济性越来越受到人们的重视。 废纸打包机是废纸回收利用中的一个重要的环节，对废纸等易压缩的可再生资源的利用具有非常重要的意义。 本文主要是对废纸打包机液压系统部分进行初步研究，针对目前液压系统中，泵绝大多数是由电机拖动，电机在供电工频条件下按额定转速运行，执行元件所需的流量，靠改变泵的排量来实现，这种方式尽管避免了溢流损失，但存在着很多缺点，例如对液压元件特别是变量泵的制造精度高、制造成本高，同时系统相对故障率也较高。随着微电子技术和功率电子器件的发展，异步电机变频调速技术以其结构简单、坚固耐用、动态响应好等优点愈加受到人们的重视。将变频调速技术引入液压系统中，通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速，从而满足执行元件速度的要求，起到了很好的节能作用。 关键词:废纸打包机，液压系统，变频调速，节能 I ABSTRACT Packing is a compression of industrial packaging for the main purpose of transport and storage. With the progress of science and technology and the deeply development of market economy, researches on waste storage, transport, packaging materials and economics of waste paper packing were received increasing attention. Paper balers was an important part in waste paper recycling. It was of great significance to the use of easy compression of renewable resources such as waste paper. This paper is a preliminary study for the hydraulic system of waste paper balers. At present, the vast majority of pump was dragged by motor in the hydraulic system. n the frequency power supply conditions, motor ran by rated speed. Flow requirement I of implementation components was achieved by changing the pump’s displacement. Although this approach avoided the run-off losses, it also had many shortcomings such as the high-precision manufacturing of components of the hydraulic pump in particular variable pump, the high costs of manufacturing and the higher system relatively failure rate. With the development of the micro-electronic technology and power electronic devices. Induction motor frequency control technology response even more attention , because of its simple structure, sturdiness and durability, and good dynamic. That technology would be used in frequency control hydraulic system, by changing the induction motor frequency and voltage of the power to regulate motor speed ,which meet the requirements of the speed of the implementation of components. It has played a good role in energy efficiency. Key words: Waste Paper Balers, Hydraulic System, Variable Frequency Speed Control, Energy Saving II 目 录 摘 要 ............................................. I ABSTRACT ............................................ II 第一章 绪论 .......................................... 1 1.1 废纸打包机现状与发展趋势 ........................................................................ 1 1.2 课题的研究意义和价值 ............................................................................... 1 1.3 课题研究内容 ............................................................................................... 2 第二章 总体方案 ...................................... 3 2.1废纸打包机简介 ..................................................................................... 3 2.2废纸打包机结构形式 ............................................................................. 3 2.3废纸打包机传动方式 ............................................................................. 3 2.4废纸打包机控制方式 ............................................................................. 4 2.5 废纸打包机上料方式 ............................................................................ 5 第三章 液压系统设计 .................................. 6 3.1 液压缸设计内容和设计步骤 ........................................................................ 6 3.2 液压缸设计中应注意的问题 ........................................................................ 6 3.3 主液压缸设计 ............................................................................................... 7 3.3.1缸筒与活塞杆 ...................................................................................... 7 3.3.2活塞组件的设计 .................................................................................. 8 3.3.3密封装置 ............................................................................................ 10 3.3.4缸体的连接方式 ................................................................................ 13 3.4标准液压油缸和马达的选用....................................................................... 15 3.4.1剪切油缸 ............................................................................................ 15 3.4.2穿丝油缸 ............................................................................................ 16 3.4.3叶片马达 ............................................................................................ 16 3.4.4夹紧油缸 ............................................................................................ 17 3.5液压系统控制回路图 .................................................................................. 17 3.6液压元件设计与选择 .................................................................................. 18 3.6.1液压泵及其驱动电机......................................................................... 18 3.6.2液压控制阀和液压辅助元件 ............................................................. 19 3.7 恒压控制 .................................................................................................... 26 3.8 油箱的设计................................................................................................. 28 3.8.1油箱的概念 ........................................................................................ 28 3.8.2油箱的选用 ........................................................................................ 28 3.8.3油箱吊环的设计 ................................................................................ 29 第四章 总结 ....................................... 30 参考文献 ............................................ 31 III 致 谢 .......................... 错误～未定义书签。32 IV 第一章 绪论 1.1 废纸打包机现状与发展趋势 近年来,随着经济的快速发展,我国造纸工业持续高速发展, 2004 年我国纸及纸板生产企业约有3500家,纸及纸板生产量4950万t,消费量5439万t,人均年消费量为42kg,产量和消费量分别占世界总量的10%和14% ,仅次于美国。造纸工业的发展不仅满足了人们日益增长的物质和文化生活需要,而且也是我国进出口贸易的重要组成部分。但是,在造纸工业发展的同时也消耗了大量的能源,引发了一系列的环境问题,资源日益短缺与环境日趋恶化已成为制约我国造纸工业发展的重要因素。废纸(waste paper ,WP,也称二次纤维) 是一种十分重要的可回用资源,对其充分利用,不仅可以节约大量植物纤维原料、能源和降低成本,还可以减少固体废物的排放,保护环境,既有良好的经济效益,同时又有很好的社会效益和环境效益, [1]是造纸工业实施循环经济的一项重要内容。 废纸打包机是废纸回收利用中的一个重要环节，对废纸等易压缩性的可再生资源的利用具有重要意义。同时，我国的废纸回收利用率较低，有待进一步提高，这也废纸打包机的应用是十分必要的，也是需要进一步的推广和研究。 在七十年代中期, 液压打包机开始批量生产并投入使用。八十年代, 大吨位的液压打包机也投产使用, 我国废纸加工工艺和技术产生了新的飞跃, 废纸的包装质量得到全面提高。经实践证明,液压打包机结构紧凑, 操作灵活, 自动化程度高使用寿命长, 压力吨位大, 废纸密度大大提高, 节约了包装物料, 减少了车辆运输的亏吨, 经济效益是可观的。但液压打包机存在着液压件质量低劣的问题, 同时对维修保养及操作者技术素质要求 [2]较高。 我国废纸打包机制造技术相对于世界先进水平还是有一定的差距。目前废纸打包机的生产厂商有:江苏省南通棉花机械有限公司，建华环保机械制造有限公司，东莞市永茂机械制造有限公司等。 1.2 课题的研究意义和价值 1(废纸回收缓解造纸工业原料供应不足 [3]日本的造纸原料60% 是废纸，其回收率达到72%。中国纸业正经历一个需求量高速增长的时期，要减少对进口原料的依赖，必须努力提高国内木浆产量以及废纸回收量和利用率。 1 2(有利于建设资源节约型、环境友好型社会 利用废纸生产各种纸和纸板，可减少砍伐森林和废纸垃圾。废纸制浆的能耗、水耗、化学品消耗和废水污染负荷，也远低于原生纤维制浆，这是一项有利于节约资源、保护环境的绿色工程。 3(体现了现代纸业具备实现循环经济的优良功能 废纸回收加工，以再生资源替代原生资源(木材、竹子、稻草、麦秸、芦苇等)，在生产过程中循环使用，制成废纸浆，作为再生资源生产不同档次、不同品种的纸和纸板。由于废纸已经过蒸煮、洗选漂等工序处理，杂质含量少，污染程度轻，形成了低消耗、低废弃、 [4]低污染的节约型、环保型生产方式。 1.3 课题研究内容 废纸再生利用符合国家可持续发展的战略，回收废纸既可以节约资源又可以保护环境，然而，废纸体积蓬松，废品收购站如果不经处理直接运输，转运成本太高，不利于废纸的再生利用。研究一种压缩包装设备，将松散纸张压时，以便提高运输效率。本子课题主要设计为压缩废纸提供动力的液压泵站，以及打包机的液压系统控制回路，研究应用变频调速技术降低打包机液压系统能耗的方法。 2 第二章 总体方案 2.1废纸打包机简介 废纸打包机是机电一体化产品(机电一体化系统由五个子系统组成即机械系统、信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统)主要由机械系统、控制系统、上料系统与动力系统等组成。整个打包过程由压包、回程、提箱、落箱、脱箱下行、脱箱上行、 [5]转箱、出包上行、出包下行、接包、穿丝搭扣等辅助时间组成。 2.2废纸打包机结构形式 目前市场上废纸打包机主要分为卧式与立式两种，立式打包机它的体积较小，因而打包尺寸也小，而且效率不高。而卧式打包机相对于立式打包机体积庞大，但是它的压缩力也较立式打包机大，打包的尺寸相对也较大，出包的效率较高，而且容易自动化运作，因而本次设计的废纸打包机采用卧式的形式。 卧式废纸打包机易于实现自动化，能够提高打包的总效率,节约打包的人工费用。综合以上几点，首选卧式废纸打包机。 2.3废纸打包机传动方式 废纸打包机的动力系统现有三种方式:电机传动、液压传动和气压传动。由于气压传动有它的局限性，它的工作压力较小，并不适合高压环境下的运作。而废纸打包要求在高压的环境下工作，所以不能作为废纸打包机的动力源。与电机传动相比，液压传动具有结构紧凑、重量轻,可以完成复杂的机械运动,便于实现自动化,无惯性、反应灵敏等优点。液压传动系统驱动的设备庞大, 安全性要求高, 而且往往工作于环境恶劣的场合。液压传动方式可以方便实现设备运行自动化。同时,液压传动也具有一些难以克服的缺点:无法完全避免的泄漏以及液体的可压缩性, 不能完全保证压缩比和传动比;不能作长距离运动;对油温和负载变化敏感,不能在低温和高温下工作;液压系统元件制造精度要求高,造价高;故障 [6]不易发现和排除。综合上述，选择液压驱动比较合理。 3 2.4废纸打包机控制方式 电气控制技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求迅速地发展的继电接触器控制和PLC控制以及单片机控制就是其中重要的三种电气控制技术。 1、 电器接触器控制系统 图 2-1继电接触器控制系统 图2-1是一个简单的继电接触器控制系统，它是由接触器、继电器、按钮等电器元件用导线按一定的方式连接而成的控制线路，实现了对电动机的启动、停止等功能。通过更多的接触器、继电器、按钮、行程开关的连接组合，还可完成电力拖动系统的制动、调速、换向等控制功能，满足电气设备的运行需要。其优缺点如下:(1)电气控制回路结构简单、维护容易;(2)价格低廉、经济性好;(3)可靠性差;(4)接线固定，灵活性差;(5)专用系统通用性差。 、 PLC控制系统 2 图2-2PLC控制系统 图2-2是PLC控制系统复杂运行程序的其中一部分。它其实是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产物，同时PLC的输入、输出仍与低压电器密切相关，PLC控制技术是随着简单的控制设备到复杂的控制系统,从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统发展而来。PLC控制综合应用了计算机、自动控制、电子技术，精密测量 4 等许多先进的科学技术成果。具有如下优缺点:(1)可靠性高、扰能力强;(2)适用性强、应用灵活;(3)编程方便，易于应用;(4)功能强大、扩展能力;(5)PLC控制系统设计、安装、调试方便;6)维修方便、作量少;(7)PLC体积小、重量轻、易于实现机电一体化;(8)价格高昂限制了PLC的一定发展;(9)应用PLC控制技术需要一定的电气专业知识和计算机知 [7]识，PLC控制技术还需要一定的突破。 3、单片机控制系统 单片机实际上是把CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、I/O接口电路等微型机的主要部件集成在一块芯片上，因此称作位单片微型机，简称单片机。 (1)因为体积小而且廉价,所以单片机方案适合大批量重复生产的民用消费品,特别是仪器仪表以及小型控制系统。 (2)PLC比单片机更适合于工作母机控制和工业过程控制。 (3)对于单项工程或者重复数极少的项目采用PLC方案是明智、快捷的途径,成功率高、可靠性好,但成本较高。 (4)对于量大的配套项目,采用单片机系统具有成本低、效益高的优点,但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。 本课题研究的废纸打包机，其工作环境差，而安全性、可靠性要求又很高、系统工艺复杂、输入输出点数多，用常规继电器系统难以实现，工艺又要经常变动的机械和现场，PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关)等与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件与PLC输出端子相连接。接线简单，省去了传统的继电控制系统接线拆线的麻烦，减少了工作量。同时，由于PLC编程简单，使用方便，使生产线的自动化程度大大提高。而且PLC通用性强、灵活性好、接线简单、可靠性高、抗干扰能力强 。基于上述情况首选PLC控制。 2.5 废纸打包机上料方式 在废纸打包机中，上料系统是不可缺少的部分，上料形式主要有传送带上料，这里将变频器引入上料调速系统中，这样可以提高系统的可靠性，改善了起动及加减速控制的性能指标，显著节约电能。废纸打包机上料主要过程是，把各种废纸送入料车，经过、加速、匀速、减速、到达停车。课题主要考虑设计为打包机传送废纸的上料系统，设计上料系统的机械结构图，控制电路图，并能适应打包机生产节拍的调整与控制，完成废纸均匀上料。 5 第三章 液压系统设计 3.1 液压缸设计内容和设计步骤 液压缸是液压传动的执行元件，它和主机工作机构直接相关，根据机械设备及其工作机构的不同，液压缸具有不同的用途和工作要求，因此在进行液压缸设计之前，必须对整个液压系统进行工况，选定系统的工作压力。液压缸设计的主要内容和步骤如下: 1)选择液压缸的类型和各部分结构形式。 2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸。 3)结构强度、刚度的计算和校核。 4)导向、密封、防尘、等装置的设计。 5)绘制装配图、部件图。 3.2 液压缸设计中应注意的问题 液压缸在使用过程中经常会遇到液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞下垂以及活塞杆的压杆失稳等问题，在液压缸设计过程中应注意一下几点，以减少使用中故障的发生，提高液压缸的性能。 1)尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的稳 定性。 2)正确确定液压缸的安装、固定方式。如承受弯曲的活塞杆不能用螺纹连接，要用止 口连接;液压缸不能在两端用键或销定位，只能在一段定位，为了不阻碍它在受热 时的膨胀;如冲击载荷使活塞杆压缩，定位件须设置在活塞杆端，如冲击载荷使活 塞杆拉伸，定位件则应设置在缸盖端。 3)液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构 简单、紧凑、加工、装配、和维修方便。 4)在保证能满足运动行程和负载力的条件下，应尽可能地缩小液压缸的轮廓尺寸。 要保证密封可靠，防尘良好。 6 3.3 主液压缸设计 3.3.1缸筒与活塞杆 液压缸常用的缸筒结构有八大类，通常根据缸筒与端盖的连接形式选用，而连接形式又取决于额定压力、用途和使用环境等因素。本次设计采用法兰连接。优点:结构较简单;易于加工，易装卸。缺点:重量比螺纹连接的大，但比拉杆连接的小;外径较大。 此次设计的缸，缸体为钢管，端部焊法兰。 1、缸筒内径和活塞杆直径的确定 液压缸的工作负载是指工作机构在满载情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，一般的废止打包机的公称力为1000KN，液压缸的推力应等于或大于其工作时的力。 P根据废止打包机的压缩力需求，预设液压缸的设计压力=20Mpa，由已知的废纸打包1 机的公称压力1000KN计算。公式如下: 2(/4),DPF，, (3-1) 1 由式(3-1)得到:D=0.25235m ，按GB/T 2348-1993 取标准值D=0.25m 活塞杆外径d=0.7D=0.18m(推荐) 2、液压缸结构的计算与校核 对于液压缸的钢筒壁厚活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径，在高压系统中必须进, 行强度校核。 1)液压缸壁厚的计算 ,,已知，P=20MPa D=0.25m 无缝钢管许用应力=(100110)MPa 取=100MPa 图3-1 缸筒应力分析图 7 X方向:= =PD/() 100MPa ',,FS/,, Y方向:= =PLD/2L100MPa ,,''FS'/',' 可见Y方向受到的力是X方向上的两倍，因此只要考虑Y方向上是否满足要求即可。 通过计算得出:26.25mm ,,' 因此取壁厚为30mm ,当0.30.08时，可用实用公式 ,,D PDmax (3-2) ,,2.33,,PmaxS P,式中，为缸筒内最高工作压力，为缸筒材料许用应力 maxS 经计算满足要求。 2)活塞杆直径比较大，力学性能能很好的满足要求，所以本节就不再计算。 3)缸盖固定螺栓的选用与校核 根据缸盖与缸体的大致比例选用六角头螺栓GB/T 5783-2000 M20×125。 缸盖固定螺栓的校核: 5.2kF (3-3) ,ds,,z 式中:F为液压缸负载; K:螺纹拧紧系数，k=1.121.5; Z:固定螺栓个数; ,:螺栓材料许用应力，这里取600MPa d经计算得到18.57mm，所取用的直径为20mm符合要求。 ,s 3.3.2活塞组件的设计 活塞组件主要包括活塞、活塞杆、连接件等零件。活塞组件在高压油的作用下相对于缸筒和导向套做往复直线运动，它与缸筒之间的配合间隙应适当，不能过紧也不能过松。过紧会降低机械效率，过松会降低容积效率。活塞组件必须具备较高的强度和耐磨性。活塞一般用耐磨的铸铁制造，比如HT200300、球墨铸铁、优质碳素钢等，有时也采用铝合金作为活塞的材料，活塞通常有整体式和组合式两种。而活塞杆大多数用钢料制造，比如45钢等，一般要求调质处理，有时为了提高耐磨性和防锈能力，需要在杆外圆表面镀铬并进行抛光或磨削加工。 8 活塞与活塞杆的连接方式有多种，有整体式连接，这种连接方式的特点是结构简单、紧凑，但是损坏后需要整体更换。有卡环式连接，这种连接方式的特点是装拆方便，低速时使用较多。用螺纹连接，螺纹连接的特点是结构简单，安装方便可靠，缺点是活塞杆上车螺纹，其强度削弱，因此，采用两个锁紧螺母进行锁紧。如图所示: 图3-2 活塞杆与活塞的连接 1)导向套 活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内部装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈。当导向套采用非耐磨材料时，其内圈还可装设导向环，用作活塞杆的导向。导向套的典型结构型式有轴套式和端盖式两种。端盖式直接导向套材料用灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等制作。本次设计中选用的就是灰铸铁。导向套内孔与活塞杆外圆的配合多为H8/f7H9/f9.外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mm，圆度和圆柱度公差不大于直径公差的一半，内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽，以保证良好的润滑。 2)防尘圈 安装在前端缸盖内，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置，根据要求选用的A型防尘圈，直径范围在6390mm，工作范围-30110?C,材料为丁腈橡胶，在外表面上具有梳子形截面的密封表面，保证了它在沟槽中的可靠定位。具体如图3-3所示: 图3-3 防尘圈的安装 9 3.3.3密封装置 密封是保证液压系统正常工作的最基本也是最重要的装置。密封装置主要用来防止液体的泄漏。良好的密封装置是液压系统能够传递动力、正常工作的保证。如果密封不好，将会造成系统和元件的泄漏加大，使系统压力和容积效率降低，浪费能量，严重时将导致系统不能正常工作。对于液压系统，密封不良导致油液外泄污染环境，因此正确地使用密封装置是非常重要的。 根据两个需要密封的耦合面间有无相对运动，可把密封分为动密封和静密封两大类。设计或选用密封装置的基本要求是具有良好的密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性，摩擦阻力要小，抗腐蚀，耐磨，寿命长，制造简单，拆装方便。 对密封装置的要求: 1)具有良好的密封件，即有适宜的弹性，能补偿所密封表面在制造上的误差与工作中的磨损，并随压力的增大自动地提高密封程度。 2)具有良好的安定性，即油液浸泡对其形状尺寸的变化影响要小，温度对其弹性和硬度的变化影响也要小。 3)摩擦力小，运动灵活，工作寿命长。 4)结构简单，制造、使用、维修简便。 密封件的材料: 常用的液压系统密封材料有以下几种: 1)丁腈橡胶。这是一种最常用的耐油橡胶，具有良好的弹性和耐磨性，工作温度一般为-20100，有一定的强度，摩擦系数较大。 :c 2)聚氨酯。它的耐油性能比丁腈橡胶好，既具有高强度又具有高弹性。拉断强度比一般橡胶高。它有很好的耐磨性，目前被广泛用作动密封的密封材料，适应温度范围为-3090. :c 常见的密封方法: 1)间隙密封是一种常用的密封方法，它依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏。由圆环缝隙流量公式可知泄漏量与间隙的三次方成正比，因此可用减小间隙的办法来减小泄漏。一般间隙为0.010.05mm，这就要求配合面加工有很高的精度。 2)密封圈密封 密封圈密封是液压系统中应用最广泛的一种密封。密封圈有O形、V形、Y形及组合式等几种，其材料为耐油橡胶、尼龙等。 密封件的类型: 10 O形密封圈 O形密封圈的截面是圆形，具有结构简单，截面尺寸小，密封性能好，摩擦系数小，容易制造等特点，主要用于静密封和滑动密封(转动密封用得较少)。其结构简单紧凑，摩擦力较其他密封圈小，安装方便，价格便宜，可在-40120?C.温度范围内工作。但与Y形密封圈相比，其寿命较短，密封装置机械部分的精度要求高，启动阻力较大。O形圈的使用速度范围为0.0050.3m/s。 表3-1 标准O型圈 根据要求，从表3-1中选用w=7mm的O形密封圈，其沟槽宽度是密封圈截面直径的1.31.5倍。取用沟槽宽度=10mm。 O形圈装入密封槽后，其截面受到压缩后变形。在无压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始密封;当密封腔充入压力工作介质后，在压力的作用下，O形圈挤向沟槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封效果。因为此处所承受的载荷是静载荷所以没有增加挡圈。所处的位置在连接块和端盖之间。如图3-4所示: 图3-4 连接块和缸盖之间的密封形式 任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩量，过小不能密封，过大则摩擦力增大，且易于损坏。因此，安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。在动密封中，当压力大于10MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需要在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈，其厚度为1.252.5mm。双向受 11 高压时，两侧都要加挡圈。 此处用于活塞与活塞杆之间的密封，用两个O形密封圈来密封。形状如下图3-5: (a) (b) 图3-5 活塞与活塞杆之间的密封形式 格莱圈 格莱圈截面形状改善了泄漏控制且具有更好的抗挤出性。摩擦力小，无爬行，启动力小以及耐磨性好，其密封部位在活塞、活塞杆，密封功能为双作用，在本次设计中装在活塞上。直径范围82500mm，工作压力范围80MPa 温度在-54200，速度2m/s。具,:c,体安装如图3-6: 图3-6 格莱圈的安装尺寸 12 Y形密封圈 Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种密封性、稳定性和耐压性较好、摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，故应用普遍。Y形密封圈主要用于往复运动的密封，如液压缸活塞杆和活塞处的动密封。根据活塞杆的直径选用Y形密封圈的尺寸为180×200×16mm 图3-7 Y形密封圈的安装 3.3.4缸体的连接方式 1、端盖与法兰的连接 两头端盖与法兰都采用螺栓连接 选用螺纹规格M20、公称长度l =125mm 性能等级为4.6级、不经表面处理、C级的六角头螺栓:螺栓 GB5780—86 M20×125，如图3-8所示: 图3-8 六角头螺栓 由GB5780—86得: B=20mm l=125mm s=29.5mm k=12.5mm e=33.52mm 螺母选用C级1型六角螺母，螺纹规格为M20。其外形如图3-9: 13 图3-9 螺母尺寸图 由GB/T 6172.1-2000 得: e =32.95mm s =29.16mm m =17mm 性能等级(钢):4.5mm 表面处理:不经处理 镀锌钝化 垫圈选用规格20mm、材料为65Mn、表面氧化的标准型弹簧垫圈，其标记为:GB/T 93 20。 2、连接块与端盖的连接 采用螺钉连接 选用螺纹规格d=M20、公称长度l =42mm 性能等级为4.6级 不经表面处理、C级的内六角头螺栓:螺钉 GB/T70.1—2000 如图3-10所示: 图3-10 内六角头螺钉 由GB/T70.1—2000 得: k=10mm b=37mm l=42mm e=9.15mm s=8mm 3、方形法兰块与缸体的连接 液压缸的其中一个油口处在缸体上，采用螺钉连接。大致位置如图: 14 图3-11 方形法兰连接图 [8]查阅机械设计手册第五版P21-298页 选用的尺寸如下: 缸径D=250mm EE=44mm EA=82mm ED=12mm 3.4标准液压油缸和马达的选用 3.4.1剪切油缸 剪切油缸的设计 根据要求选用标准单活塞杆SD基本型如图3-12: 其行程设定为30mm，时间t=1s 缸径50mm,活塞杆直径22mm 推力在7MPa的情况下，13.72KN 拉力在7MPa的情况下，10.92KN ,2Dv根据公式q= (3-4) 4 计算出它的流量q=3.5325L/min 图3-12 剪丝油缸外观图 15 [8]查阅机械设计手册得: M=M20×1.5 A=30mm C=22mm L=220mm B=50mm 3.4.2穿丝油缸 穿丝油缸的设计 根据要求也选用标准单活塞杆SD基本型如图3-13: 其行程设定为1500mm， 时间t=10s 缸径80mm, 活塞杆直径35mm 推力在7MPa的情况下，35.14KN 拉力在7MPa的情况下，28.21KN 根据公式(3-4)计算出它的流量q=45.216 L/min 图3-13 穿丝油缸外观图 [8]查阅机械设计手册 得: M=M30×1.5 A=45mm C=35mm L=1450mm 3.4.3叶片马达 马达的设计 标准型号:YM-A28B 额定压力:6.3MPa 额定转速:500r/min 排量:24.5ml/r 输出转矩:16.1Nm 有q=nv (3-5) 式中n为额定转速，v为额定排量 计算得q=12.25 L/min 16 [8]查阅机械设计手册选用马达如图3-14所示: 图3-14 YM-A28B马达 3.4.4夹紧油缸 夹紧油缸的设计 外观如图所示: 图3-15 夹紧油缸外观图 其中:A=480mm B=350mm C=260mm D=125mm 流量q=60L/min 3.5液压系统控制回路图 废纸打包机液压系统由两个电机提供动力，有四个液压油缸和一个马达组成。分别为主液压油缸、夹紧油缸、穿丝油缸、剪切油缸和绞丝用叶片马达。工作性质不同，其动作顺序有严格的要求。首先，PLC发出启动信号给电机M2，带动齿轮泵运转，液压油经过滤器、齿轮泵进入电液换向阀左腔，给夹紧油缸供油使夹紧缸到达预设的位置后保压。等废纸在料箱中堆积到一定程度，PLC接收到传感器的信号开始启动主电机M1，主电机带动主泵工作，液压油经过滤器、柱塞泵进入电液换向阀左腔，液压油打到主缸的无杆腔，使活塞杆前进，到达指定的位置，PLC接收到行程开关发送过来的信号后停止向前，保持一段时间后，电磁换向阀右腔工作，使主油缸有杆腔工作，活塞杆后退。主油缸连续运作直到包长到达要求的长度，主油缸停止工作，穿丝油缸开始工作，从齿轮泵出来的液压油经电磁换向阀的左腔进入到穿丝油缸的左腔，进行穿丝。穿丝到位后启动绞丝叶片泵进行绞丝，当达到要求的圈数以后，绞丝马达停止工作，剪切油缸开始运作，剪切完成后，打包工作就此完成。 17 主泵和副泵出口处要安装溢流阀，主要使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压、调压或限压作用。 在泵的出口通常安装单向阀，可防止系统压力冲击对泵的影响，另外泵不工作时可防止系统油液经泵倒流入某些元件，例如流入过滤器，有可能会损坏过滤器。 根据要求设计的液压回路如图3-16所示: 图3-16 液压系统控制回路图 3.6液压元件设计与选择 3.6.1液压泵及其驱动电机 2(/4),D对于主油缸，其有效面积A= (3-6) 2式中已知D=250mm，求得A=0.049m P=F/A (3-7) 1 6P，已知F=1000kN和式(3-6)求得=20.40810Pa，液压缸在整个工作过程中最大工1 P,P作压力，考虑到本系统油路较为简单，故取主压力油路中的总压力损失=0.3MPa，则11 P,P液压泵的最大工作压力P=+=20.708MPa。 11 q然后确定液压泵的流量:液压泵的最大供油量，按液压缸的最大输入流量进行估算。 p 23q(/4),Dvm==0.000613281/s=36.79686 L/min 1 其中 v=s/t s=1.5m t=2min 18 qq由上式取泄漏系数K=1.1,则=1.1=40.4765 L/min p1 [8]最后确定液压泵及其驱动电机的规格:根据以上计算结果查阅机械设计手册，选用规格相近的型号为A2F28的斜轴式轴向定量柱塞泵，其额定压力为35MPa，排量为28.1ml/r,额定转速为1500r/min,额定工况下能保证的输出流量为42.15 L/min。 PPq,= / (3-8) 取电机的总效率为 pppp总 P由已知求得=15.88kw p总 [9]因此，选用主电机的型号:查阅机械设计手册，选用规格Y2系列普通三项异步电动机，型号Y2-180M-4,其额定功率18.5kW，额定电流36.5A，电机转速为1470r/min,效率90.5%。 除了主缸要求在高压环境下工作，其他几个缸和马达都是低压环境下运作，所以辅泵采用的是低压较大流量的齿轮泵供油。除主缸以外的有夹紧油缸，穿丝油缸，绞丝油缸和马达都是单独运转，没有同时工作的，所以选用的齿轮泵的流量只要大于其中最大一个的 [8]流量就可以，其中最大的流量就是夹紧油缸的流量，其值为60L/min，查阅机械设计手册，选用型号:CB-50(48) 其排量48.7ml/r，额定压力10MPa，额定转速1450r/min，容积效率大于90%，驱动功率13.5KW。齿轮泵上的电机计算同上，得电机的功率为16.11 kW， [9]查阅机械设计手册，也选用规格Y2系列普通三项异步电动机，型号Y2-180M-4,其额定功率18.5kW，额定电流36.5A，电机转速为1470r/min,效率90.5%。同理冷却用油泵选用型号为CB-32，排量为32.5 ml/r，额定压力10MPa， 转速为1450 r/min，其电机型号选用Y2-132S-4,其额定功率为5.5kW，额定电流11.8A，转速为1440r/min,效率为85%。 3.6.2液压控制阀和液压辅助元件 1、电液控制换向阀 电液换向阀由电磁换向阀和液动换向阀组合而成。其中，液动换向阀实现主油路的换向，称为主阀;电磁换向阀用于改变液动换向阀的控制油路的方向，推动液动换向阀阀芯移动，称为先导阀。由于推动主阀芯的液压推力可以很大，所以主阀芯的尺寸可以做得很大，允许大流量通过。这样，用较小的电磁铁就能控制较大的流量。 [8]通过流量的计算，查阅机械设计手册选用下列三位四通电液换向阀，其型号为:4WEH16 其通径为16cm，额定压力21MPa，最高压力28MPa，通过流量300L/min。具体如图3-17所示: 19 图 3-17 4WEH1电液换向阀 穿丝油缸，剪丝油缸，夹紧油缸中经过的流量都不超过60 L/min，所以选用普通型DSG-01-3C电磁换向阀，其最大流量63L/min就能满足要求。其最高使用压力31.5MPa。具体如图3-18: 图3-18 DSG-01-3C三位四通电磁换向阀 对于绞丝油缸，只要求它的转与停，不需要进行翻转，所以选用DSG-01-3C二位四通 20 电磁换向阀，其最大流量为63L/min，能满足要求。如图3-19所示: 图3-19 DSG-01-3C二位四通电磁换向阀 2、溢流阀 Y2型溢流阀采用平衡锥阀式结构，它具有体积小、重量轻结构简单、工作可靠、性能稳定、维修方便和高压低噪音等特点，器作用主要是防止系统过载，保持泵和油路系统的安全及保持油路系统的压力恒定。 选用型号:Y2-H20B 公称压力31.5MPa，调压范围425MPa 通径20mm，额定流量100L/min。 图3-20溢流阀外观图 21 3、单向阀的选用 液控单向阀是允许油液向一个方向流动，反向开启必须通过液压控制来实现的单向阀。 本次设计采用液控单向阀，其反向永不开启，保证单向一直进行。下图是选用的液控单向阀外观连接尺寸: 图3-21 单向阀外观图 表3-2 单向阀规格 查表3-2 取用型号:RVP25，具体尺寸如上表所示。 P=79.5mm T=15mm H=60mm J=120mm K=165mm L=169mm M=76mm N=100mm F=55mm 4、过滤器 过滤器的功用是清除油液中的各种杂质，以免其划伤、磨损、甚至卡死有相对运动的零件，或堵塞零件上的小孔及缝隙，影响系统的正常工作，降低液压元件的寿命，甚至造成液压系统的故障。用过滤器对油液进行过滤是十分重要的。 22 选用过滤器时主要考虑以下几个方面的要求: 1)过滤精度是首先考虑的一项重要性能指标，它直接关系到液压系统中油液的清洁度等级。过滤器按过滤精度可以分为粗过滤器、普通过滤器、精过滤器和特精过滤器四种，它们分别能虑去公称尺寸为100m以上、10100m、510m和5m以下的杂质颗,,,,粒。 2)其次，要确保所选用的过滤器过滤能力，且压力损失要小。过滤能力是指在一定压力降下允许通过过滤器的最大流量，又可称为通流能力。一般用过滤器的有效过滤面试来表示。 3)一般情况下，过滤器的通流能力应大于实际通过流量的两倍以上。工作压力及允许的压力差应满足液压系统要求。 4)过滤器应有一定得机械强度，不能因液压力的作用而破坏。 5)滤芯对液压系统所用介质的抗腐蚀性好，并能在规定的温度下和使用寿命内正常工作。 6)滤芯要易于清洗，更换，拆装和维护。 本次设计是在液压泵的吸油管路上安装一个吸油过滤器，这种安装方式主要用来保护泵不致吸入较大的机械杂质，一般都采用过滤精度较低的粗过滤器或普通精度过滤器。因为泵从油箱吸油，为了不影响泵的吸油性能，吸油阻力应尽可能小，否则将造成液压泵吸油不畅或出现空穴现象并产生强烈噪声。这时过滤器的通油能力应大于液压泵流量的两倍以上，压力损失不得超过0.010.035MPa。必要时，泵的吸入口应置于油箱液面以下。根 [8]据流量大小，参考机械设计手册，选用21FH2200箱上吸油过滤器具体的型号为21FH2200-22，其通径为38mm，流量为100L/min，过滤精度80m，原始压力损失, 0.02MPa。外观如图3-22: , 图3-22 21FH2200-22过滤器 5、冷却器 23 1)冷却器的功用 冷却器的用途是当液压系统工作时，因液压泵、液压马达等的溶剂损失和机械损失，控制元件及管路的压力损失和液体摩擦损失等消耗的能量，几乎全部转化为热量。大部分热量使油液及元件的温度升高。如果油温过高，油液黏度下降、元件内泄漏增加、磨损加快、密封老化等，将严重影响液压系统的正常工作。一般液压介质正常使用温度范围为1565。 :c 在设计液压系统时，考虑油箱的散热面积是一种控制油温过高的有效措施。但是，某些液压装置由于受结构限制，油箱不能很大;一些液压系统全天工作，有些重要的液压装置还要求能自动控制油液温度。所以必须采用冷却器来强制冷却控制油液的温度，使之适合系统工作的要求。 2 )冷却器的选用 冷却器根据介质的不同分为水冷和风冷两种。 水冷式冷却器分为蛇形管、多管式和板式等形式。本次设计中采用水冷多管式冷却器，工作时冷却水从管内流过，高温油从列管间流过，中间折板使油折流，并采用双程或四程 2流动方式，强化冷却效果。其散热效果好，散热系数可达350580w/(mc,:)。为了增加油液在管件的流动速度，提高油的传热效率，使油液得到充分的冷却，还设置了适当数量的挡板，挡板与铜管垂直安装。这种冷却器由于采用强制对流的方式，散热效率较高、结构紧凑，因此应用较普遍。 根据实际情况，采用独立冷却回路。采用单独的油泵将热工作介质通入冷却器，冷却器不受液压冲击的影响，供冷却用的液压泵吸油管应靠近主回路的回油管或溢流阀的泄油管。如示意图3-23: 图3-23 冷却回路图 3)冷却器的计算 冷却器的计算主要是根据热交换量确定需要的散热面积和冷却水量。 24 冷却器散热面积的确定应根据发热功率来计算。冷却器必需的散热面积 PA= (3-9) htm 2式中，P为发热功率，h为冷却器的表面传热系数，推荐值:列管式水冷却h=116W/() mc: tttt，，''1212t= (3-10) ,m22 ttt't'式中，为液压油进口温度;为液压油出口温度;为冷却介质进口温度;为冷却介2211 质出口温度。 100803040，，t由式(3-10)得==55 ,m22 ,t把带入(3-9)计算德到 A2.3 取A=2.1 m [8]为了很好的满足要求，查阅机械设计手册，所选的型号A2.1F卧式浮头式冷却器 具体选用型号为A2.1F型卧式浮头式冷却器。简图如下: 图3-24 A2.1F卧式浮头式冷却器外观 6、压力变送器 压力变送器是把气体或液体的压力转换为可使用的电信号的器件，由压力变送器传送过来的电信号输入到变频器中，采用变频调速的方式起到节能的作用。 预选的液压回路中最大压力不超过21MPa，根据查阅的资料，选用型号为MC20w压力变送器能很好的满足要求，其量程:035MPa;工作电压:DC24V;输出信号:420mA。 型号尺寸如下图所示: 图3-25 MC20w压力变送器 25 3.7 恒压控制 根据流体力学原理，在管径一定的条件下，管道流量Q 与油泵转速n 成正比;扬程H 与转速平方(n2)成正比，而电机轴功率P 与转速的三次方(n3)成正比(可见当流量仅下降到80%时需要的功率P1将下降到额定功率的50%(0.83?0.5)左右，当流量下降到50%时需要的功率P2 仅为额定功率的13%(图3-26 是油泵特性曲线(若要求恒压于HA，当流量QA 变小至Q1 时，如果油泵转速不变，压力会上升至B1，这样使得提供的能量大于需要的能量，必然引起能量的浪费。从这个角度出发，采用变频器PID恒压控制能很好的解决这个浪费的问题。 图3-26 油泵特性曲线 PID控制，实际有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。 积分(I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关 26 系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 采用PID控制后，当上述情况发生时，压力传感器输出压力上升信号，经变频器内置PID分析运算后输出转速下降信号给调速电机的变频控制器，调速电机转速随即从n0 降低至n1(B点)，使管网压力维持在HA;同理，当流量变化至Q2 时，压力升至C1 点而调速电机随即降低转速至n2(C 点)，仍保持恒压HA，从而实现了油泵自动恒压变流量供水(可见调速控制变载油泵具有显著的节电效果(利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于油泵、风机等设备是很适用的(实践证明，使用变频设备可使油泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达(20,40)%(同时，通过采用变频器控制，可在不受任何限制的情况下都能起到好很好的节能效果。 根据主电机的型号Y2-180M-4,其电流为36.5A，所选用的变频器的型号为FR-F740-18.5k-CH。查阅资料，设定PID参数如下:PID比例值设为3;PID积分时间值设为1;P ID微分时间值设为0。变频器与外界的连接口位置如下图: 图3-27变频器控制连接端口 27 变频器从PLC中得到信号来启动和停止主电机M1;压力变送器发送来的信号输入到变频器进行分析，采用PID恒压控制，根据压力变送器发来的信号，变频器通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速，从而满足执行元件速度的要求，起到节能作用。 3.8 油箱的设计 3.8.1油箱的概念 油箱是储存液压系统所需要的油液，以保证供给液压系统充分的工作油液，同时还具有散热、使渗入油箱中的气体逸出及使油液中的污物沉淀等作用。 油箱可分为开式和闭式两种，开式油箱中的油液液面与大气相通，而闭式油箱中的油液液面则与大气隔绝。为了防止空气中的一些杂质掉入油液中，本次设计的油箱采用的是闭式。 油箱不是标准件，要根据具体情况自行设计，油箱通常是用钢板焊接而成，采用不锈钢板最好，但成本较高，大多数情况下采用镀锌钢板或普通钢板内涂防锈的耐油涂料。 油箱的总容量包括油液容量和空气容量。油液容量是指油箱中油液最多时，即液面在液位计的上刻线时的油液体积。在最高液面以上要流出等于油液容量的10%15%的空气容量，以便形成油液的自由表面，容纳热膨胀和泡沫，促进空气分离，容纳停机或检修时靠自重流回油箱的油液。 3.8.2油箱的选用 油箱容量的大小与液压系统工作循环中的油液温升、运行中的液位变动、调试与维修时向管路及执行器注油、循环油量、液压油液的寿命等因素有关。油箱容量可按经验公式进行计算，但为了可靠起见，在机构能承受力的范围之内还是选用容量稍大一点的油箱。本次设计中油箱长宽高分别为2000mm，1500mm，1000mm。 油箱的箱顶结构取决于它上面安装的元件。例如，如果液压泵布置在油箱内部液面以下，则箱顶应为或应有可拆卸的盖。箱盖及管子引出口之类的所有开口都要妥为密封。箱顶上安装液压泵组时，顶板的厚度应为侧板厚度的四倍，以免产生振动。液压泵组于箱顶之间应设置隔振垫。为了便于布置和维修，有时采用装在箱顶上的回油过滤器。本次设计的油箱就是采用在箱顶上安装一定的元件，所以顶板的厚度要加强，还有箱顶上也装有回油过滤器，便于布置和维修。 28 3.8.3油箱吊环的设计 为了便于油箱的搬运，应在油箱四角的箱壁上方焊接吊耳(也称耳环)。吊耳有圆柱形 和钩形两种。本次设计采用的是钩形焊接吊耳如下图: 图3-28 油箱吊环简化示意图 29 第四章 总结 废纸打包机是废纸回收利用中的一个重要的环节，对废纸等易压缩的可再生资源的利用具有非常重要的意义。经实践证明,液压打包机结构紧凑, 操作灵活, 自动化程度高使 废纸密度大大提高, 节约了包装物料, 减少了车辆运输的亏吨, 用寿命长, 压力吨位大, 经济效益是可观的。但液压打包机存在着液压件质量低劣的问题, 同时对维修保养及操作者技术素质要求较高。 我国废纸打包机制造技术相对于世界先进水平还是有一定的差距，尤其是液压传动这个领域。课题研究采用变频调速的方式，通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速，从而满足执行元件速度的要求，起到了很好的节能作用。就目前的液压废止打包机还是具有一些难以克服的缺点:无法完全避免的泄漏以及液体的可压缩性, 不能完全保证压缩比传动比;不能作长距离运动;对油温和负载变化敏感,不能在低温和高温下工作;液压系统元件制造精度要求高,造价高;故障不易发现和排除。 相信只要能提高液压元件的制造精度和避免液压油的泄露，我国的液压废纸打包机的制造技术必定会有长足的进步。 30 参考文献 [1] 张琼,杨少辉.我国废纸回收利用与造纸工业可持续发展[J].造纸科学与技术,2007, (02) 30-32 [2] 安福勋, 周志康. 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