液压自动弯管机设计

液压自动弯管机设计摘要随着现代科技的高速发展，弯管技术已广泛应用于各个生产行业，特别是在锅炉、压力容器、石油石化工程等领域。本次课题研究的双向弯管机是锅炉行业广泛使用的专业设备，属于液压弯管机，主要完成锅炉部件所需蛇形管的弯制。这次研究中主要设计出了双向弯管机的模子提升装置和液压系统。模子提升装置主要作用是使弯管模具提升或下降，因此，我们设计出其结构主要由定位油缸、杠杆、和机架组成，由液压泵提供动力，由杠杆传递，满足使弯管模的提升。设计出了装置的所有零件后，计算分析了主要零件的的受力、强度情况，并用 Pro/E 软件进行三维实体建模与装配。另外，我们设计了采用液压为整个双向弯管机提供动力，通过液压泵输出高压油来满足各个执行元件的正常工作。主要设计出了液压泵站、油箱和一些辅助元件。在管子的加工过程中，有加紧装置、转模装置、提升装置及模子横移装置都是采用液压来提供动力的，因此液压系统的设计尤其重要。关键词：双向弯管机；模子提升；液压系统ABSTRACTAlong with the modern science and technology development, the elbow technology has widely applied in many realms of production, specially in the boiler, the pressure vessel as well as petroleum petrification project. Bidirectional pipe bending machine that we research is the specialized equipment used widespread in boiler profession, belongs to the hydraulic pressure pipe bending machine.It mainly curves the serpentuator pipes,which is a part of the boiler.In this research we had mainly designed the mold lifting gear and the hydraulic system,which belong to the bidirectional pipe bending machine.The function of the mold lifting gear is that makes the elbow piece mold promotion or drop, therefore, we designed that was made by the locating cylinder, the release lever, and the base, provided the power by the hydraulic pump, transmited by the release lever, then makes the elbow piece mold promotion and drop. After designing all components of the installment, analyzing the stress, the intensity situation of the major parts, wo carried them on the three dimensional entity modelling and the assembly with the Pro/E software.Moreover, we designs the hydraulic pressure provides the power for the bidirectional pipe bending machine, that can satisfy each functional element through the high-pressure oil outputed by hydraulic pump.We designe the station of hydraulic pressure pumping, the tank and some auxiliary parts. There are many installments provided power by hydraulic in the work of curving pipes, such as the step-up installment, the extension mold installment, the lifting gear , therefore the hydraulic system is especially important.Key words: Bidirectional pipe bending machine; Mold promotion; Hydraulic system 目 录第 1 章 绪论11.1 本课题研究的目的及意义11.2 弯管机的概述21.3 课题背景31.4 国内外相关领域研究现状及成果31.4.1 弯管机的发展概况31.4.2 弯管机模子提升装置的发展概述61.4.3 弯管机动力系统的发展概述71.5 本章小结8第 2 章 机械结构总体方案设计92.1 模子提升装置总体设计要求及内容92.1.1 提升装置的设计要求92.1.2 提升装置的设计内容92.2 模子提升装置的设计方案102.2.1 模子提升装置整体机构的设计102.2.2 模子提升装置主要部分的设计方案102.3 模子提升装置的设计112.3.1 定位油缸的设计112.3.2 杠杆的设计232.3.3 机架的设计252.4 本章小结25第 3 章 模子提升装置三维实体建模263.1 Pro/E 软件简介 263.2 模子提升装置三维实体建模263.2.1 定位油缸的建模273.2.2 杠杆、机架的建模283.3 模子提升装置的装配293.3.1 模子提升装置的装配293.4 本章小结32第 4 章 双向弯管机液压系统设计334.1 双向弯管机液压系统概述334.1.1 双向弯管机的液压系统的组成334.1.2 双向弯管机的液压执行元件334.2 双向弯管机液压系统设计344.2.1 液压站的设计344.2.2 油箱的设计384.2.3 辅助元件的确定404.3 液压系统漏油、噪声控制454.3.1 液压系统漏油控制454.3.2 液压系统噪声控制464.4 本章小结46结论47参考文献48致谢50第 1 章 绪论1.1 本课题研究的目的及意义1、研究的目的本次研究的双向弯管机主要由机床、加紧装置、弯曲装置、转换装置、模子横移装置、传动装置、角度发讯和松紧发讯装置及滑动副等等。设备参数主要有：弯管方式为无芯液压缠绕式弯管；管子范围直径 42mm69mm，弯曲半径为 1.5D 到 200mm；工作油压为 10 到 12Mpa。模子提升装置是蛇形管加工的重要环节，当管子送进来到达指定位置时，加紧装置工作；模子上升到达与管子中心线齐高，模子再旋转使凹槽与管子啮合靠紧；接着弯曲装置工作，完成管子的弯曲。对本次的研究的课题主要是两个方面：（1）双向弯管机的模子提升装置设计双向弯管机模子提升装置的设计主要是研究在模子旋转后的上升与下降的，使整套模子装备能够灵活的自由上下控制。（2）液压系统的设计液压系统的设计主要是设计出双向弯管的液压系统及绘制一张液压系统设计的 A0 图纸，主要包括液压站的设计及一些辅助元件的选择，如蓄能器、冷却器、滤油器等等。2、研究意义随着各种弯曲管子在工业、农业等方面的广泛使用，不断推动弯管机行业的发展，多种弯管技术的出现为满足今天多需求、高精度的管制产品成为可能。特别是在锅炉制造、汽车、航空航天以及石油石化工程等多种行业，使用的非常广泛。通过本次课题研究，更好的了解当今弯管技术的发展与应用，争取设计出高性能的双向弯管机的模子提升装置和双向弯管机的液压系统，为以后弯管机模具的提升装置和液压系统的设计提供一定的参考价值，促进弯管机行业的发展，为社会做出一点贡献。1.2 弯管机的概述弯管机，顾名思义是用于弯曲管子的机器，可以加工制造出 C 型、S 型、U 型等多种弯曲形状的管子。广泛应用于压力容器、锅炉、汽车、航空航天以及石油石化工程等各种行业，为促进国民经济的发展作出了重要贡献。早期传统的弯管完全凭借操作者的经验和技术熟练程度来控制产品质量。因此，管型异常较大校正量大，大管径导管弯曲质量尤其难以保证，往往产生圆度超差，内半径处起皱、官腔内的填充物清楚不干净等问题，而且传统的弯管工序很多，操作过程繁杂。经过一段时间的发展，从早期的手工弯管到现在的机器自动弯管，不仅降低了生产成本，提高了生产效率，保证了加工质量，而且精度也有大大提高。为满足生产出不同弯曲程度与弯曲半径的管子，弯管机的类型也在不断改进、提高，有电动弯管机、液压弯管机（单头、双头） 、CNC 控制自动弯管机。虽然弯管机种类众多，但是从常规弯管工艺稍加分析，就不难看出弯制主要可以归结为三个基本加工动作：（1）直线送进；（2）空间转角；（3）弯曲。当然，欲弯制一根管子，还需要一些弯管辅助动作，如加紧管子、夹模或压模的夹紧与松开、弯模的复位等等。有的弯管机如锅炉厂里经常使用的液压双向弯管机，主要加工 S 型、蛇形管子，在弯制管子时需要增加换向动作，模子转向、提升、下降等更好的完成弯管动作。1.3 课题背景本次课题是双向弯管机模子提升装置及液压系统设计，所研究的弯管机是于锅炉厂的双向弯管机，是数控弯管生产线的主机，属于液压弯管机，可以实现双向管子弯曲。模子提升装置是双向弯管机的重要组成部分，主要完成弯管模的提升功能。而液压系统的主要功能是为双向弯管机提供动力，使弯管机能平稳、正常运转。本文针对双向弯管机的模子提升装置及液压系统的研究，设计出一种高性能的能够平稳、精确的提模装置和液压系统，促进弯管行业的发展。1.4 国内外相关领域研究现状及成果1.4.1 弯管机的发展概况在工业高速发展的今天，世界各国开发弯管机已经有多年的历史，特别是欧美发达国家如美国、德国和意大利等在这方面已经有相当成熟的经验和顶尖技术水平。从国际情况看，弯管机的发展已有一段历史，达到一定高度，其中处于高水平阶段的单位公司有：意大利的 BLMGROUP、博利马机械设备有限公司、意图奇国际有限公司等等，其中意大利的 BLMGROUP 作为世界最大的管材加工设备的生厂商之一，其产品遍布全球的航空航天，汽车，空调，家具等行业，其产品包括：数控弯管机，管端成型机，激光切割机，其中数控弯管机是在弯管机行业起着领头羊的地位，技术水平很高。为适应用户的对管加工机床功能、精度及效率的要求，意大利的博利马（BLM GROUP）公司推出了当代代表今弯管机最高水平的全电动数控弯管机，他们最大的加工管径分别为 76mm 及 90mm，可以实现最小弯管半径小于 1D。机床 13 个轴均为可编程控制的电动伺服驱动。机床的设计充分考虑了复杂制造业的市场需求，尤其适用于复杂外形管件的中小批量高质量的加工，如航天航空及汽车领域。图 1.1 全电动弯管机 1博利马（BLM GROUP）公司生产的全电动弯管机最大的特点在于：（1）提高弯管精度全电动机床采用伺服电机驱动，完全排除了液压系统对机床精度的影响，极大的提高弯管精度。（2）提高生产效率采用全电动控制后，模具的安装调整变得快速简便。夹模及跟进模夹紧位置为可编程电动控制，这样安装模具后课通过程序直接设定夹模的夹紧位置，无需再手动调整他们的位置。极大的降低了加工准备时间。（3）机床采用最新的图形对话编程软件，所有数据均为对话式输入，这大大降低了对操纵者素质的要求及对操纵人员的培训时间。机床的三维图形仿真模拟可以检测机床加工该产品时是否会发生干涉并显示干涉部位，无须进行实际试加工来检测程序的可行性。（4）使得弯管半径小于 1D 成为可能由于机床配备了单独驱动的弯管助推装置，50000N 的助推力，助推力及定位均为可编程控制。同时弯管臂也是由大功率伺服电机驱动，专业的变速机构传动，使得小于 1D 的加工成为可能。 2从国内情况看，弯管机产业和产品尚处于发展期，产品技术仍需发展完善；产品适用范围和使用量尚未得到足够拓展；市场经济环境下的产业自然调整仍处于初级阶段。然而，也有很多企业和公司在自主创业的基础上加强与国际先进技术的公司合作，不断接近世界水平。在国内弯管机产业发展的比较好的公司有陕西深信科技发展有限公司、张家港市明华机械有限公司、昆山富邦机械有限公司、哈尔滨锅炉厂等等。他们可以通过各种弯管机设备如:NC 控制自动弯管机，数控弯管机，液压弯管机（单头、双头），电动弯管机等加工出多种不同弯曲程度与弯曲半径的管子较之以前的手动弯管机降低了生产成本，提高了生产效率，保证了加工质量，精度也有很大提高。明华机械制造有限公司作为国内弯管行业中的高技术公司，在弯管机的发展中起着重要的作用。公司生产的单（双）头弯管机、特殊型弯管机、立体液压弯管机及 CNC 弯管机都是高性能的弯管机，广泛应用与管子的弯曲加工行业中。 图 1.2 立体液压弯管机 图 1.3 CNC 弯管机 3 4（1）立体液压弯管机立体液压弯管机采用的液压为整个弯管机装置提供动力，完成管子的弯制，最主要的特点是：弯制过程中采用液压夹管，自动锁角，机械定长；具有空间转角装置，可弯多角度三维立体管件；内存增大，可以存 60 组加工程序，每组可设定 16 个任意角度，弯管转角均采用编码器控制；最大的弯管能力 502mm；弯曲半径范围：35mm250mm。（2）CNC 弯管机CNC 弯管机的主要特性是：机床/工件动力特性自动识别加工即快又好慢推芯，小车助推改观弯角外观。图形化编程系统在屏幕立体管形上画制/修改，即得加工程序，非常简便、快速、准确的编程。回弹测量对批次管材特性可比较测量，计算回弹量。单步调试功能模具试制时管材并行过程观察。入微自动绘制模具图对研究新品帮助明显。全面检测液压/电机/传动系统，电机缺相/反转，电压，温度，油压，并自动诊断故障。最大弯曲半径：175mm；最大弯曲角度：190。1.4.2 弯管机模子提升装置的发展概述在弯管行业的发展中，虽然有的弯管机并没有模子提升装置，因为在有的管子的加工中不需要提升模具，然而在一些特殊的弯管机中，很多弯管模需要提升、下降来满足特殊管子的加工。如双向弯管机，这种主要用于锅炉的专业弯管机，可以双向弯制加工出 S 型、蛇形、U 型等等一些复杂的管子。当换向加工时就学要先使弯管模具下降一定距离，再使弯管模转一定角度来满足转向加工出 S 型管子。 丛模子提升的驱动方式可以分类如下：1、电动式采用电机提供动力源来到达模子的提升与下降，主要是齿轮、齿条式，应用于大型弯管机的模具提升装置中。传递平稳，负载大，用于大型管材的加工中。2、液压式采用液压马达来提供动力，通常不会是由油缸直接用来使转模装置提升、下降（千斤顶） ，而是由杠杆、连杆等中间传递机构来传递动力，由于液压油缸有一定的缓冲，这样可以很好的保护机构。3、凸轮式采用凸轮来传递动力，带动转模装置上下移动。由于凸轮式的移动距离有限，因此工业上很少采用凸轮式，只是用于特殊的管子加工中。4、丝杆式采用丝杠传递，将模具安装在丝杆头上面，当电机带动丝杠正、反运动时，带动弯管模具上、下移动。这种提升方式提供的移动空间很大，上升、下降速度可以采用不同导程的丝杠来改变，结构简便，易操作。1.4.3 弯管机动力系统的发展概述在弯管机的发展中，弯管机的动力源一直在不断的改善与提高，在早期的手工弯制管件材料时主要的动力源是单个或者多个操纵者的劳动力，加工的产品一般都是小管件的管子，这样的加工方式生产效率底，精度不够，管型有限。随着现代技术的发展，工业水平的提高，开发研究出了 CNC 数控弯管机、立体液压式弯管机等等一些高性能的弯管机，这些高水平的弯管机的主要驱动方式一般有三种：电机驱动、液压驱动、电机液压混合驱动。1、电机驱动现代化工业的今天，大多数的机构与装置的动力源都采用电机驱动方式，为整个装置的基本动作提供动力。由电机提供源动力，在动力的传递过程中又有很多种方式，如可以通过电机来带动齿轮、齿条、凸轮、连杆等机构，依情况设计出满足要求的弯管机。2、液压驱动随着工业技术的不断发展，液压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一，特别使近年，进入了一个新的发展阶段。液压传动及控制系统以其传递功率大、控制精度搞、响应速度快和易于实现电机液一体化控制的优点，被广泛应用于各行各业中。由液压提供动力的液压弯管机是一种新型的弯管机构，它具有结构合理、操作方便、使用安全、装卸快速和一机多用等优点。53、电机液压混合驱动液压弯管虽然具有传递功率大、控制精度高、响应速度快的优点，但也具有一些不足之处，如：由于操纵者动作太多，生产效率底；机器损耗大，使用寿命减短；所需要操作人员多，人工费用较大，产品成本较高。所以在进一步的研究中提出采用电机液压混合式驱动，这样可以在电机、液压各自的优势地方采用最合理的驱动方式来降低生产成本，提高生产效率，提高加工精度。1.5 本章小结本章主要介绍了弯管机和弯管机模子提升装置及弯管机动力系统的发展状况和现状，了解了当今国内外弯管行业的现态。弯管机主要用于加工弯曲管子，由于工程中各种弯曲管子的需要，弯管机的种类、类型也在不断发展。从过去的手工弯制管子到现在的机械自动控制弯曲管子，不仅在工作效率、加工精度上有了很大的提高，而且其加工出来的管子的质量大大改善。这章中讲到了模子提升装置的发展及现状，有的简便的管子的弯制过程中不需要提升弯管模，不过像我们研究的双向弯管机中，在弯曲管子的过程中需要使弯管模下降一段距离，以便管子在移动和转向时碰触到弯管模，因此需要在装置中设计模子提升装置。对于弯管机的动力系统也有介绍，现今应用最多的是用液压系统驱动各个装置的运作，随着科技的进步，液压传动及控制会得到更快速的发展。第 2 章 机械结构总体方案设计2.1 模子提升装置总体设计要求及内容模子提升装置是双向弯管机的重要组成部分，本次论文的主要内容是模子提升装置总体方案的设计，即怎样实现转模装置的提升。2.1.1 提升装置的设计要求按照总体设计要求，双向弯管机的模子提升装置主要是使转模具能平稳的提升、下降，因此我们在构思时，设计出装置应满足：双向弯管机的模子提升装置能平稳的提升弯管模具，提升速度由液压系统控制。提升、下降的距离由行程开关控制。2.1.2 提升装置的设计内容根据初步的总体构思，模子提升装置主要结构有定位油缸、杠杆、机架、行程开关、各种螺钉、挡板、销、垫圈等组成。设计的主要内容有：1、模子提升装置的总体方案设计（1）模子提升的方式设计；（2）整体结构的设计；（3）定位油缸的设计校核；（4）定位油缸与杠杆的连接的设计；（5）杠杆与模子连接的设计。2、完成设计图纸（1）用 auto-CAD 软件绘制出模子提升装置的二维图纸；（2）用 Pro/E 软件完成母子提升装置的三维建模，并进行装配。2.2 模子提升装置的设计方案2.2.1 模子提升装置整体机构的设计模子提升装置的主要作用是实现模子的上下移动，考虑到怎样才能实现模子稳定的上下移动和合理安排装置在弯管机中的位置。对此，我们设计出用油缸来提供动力。由于弯管机的整体布置不能实现直接用活塞来连接模具装置，所以增加杠杆装置来传动动力来实现模子的上升、下降。装置的主要结构有定位油缸、杠杆、支架、行程开关、挡板、各种螺钉、销、垫圈等等。示意图如下：图 2.1 模子提升装置简图自由度计算：机构数为：3；远动副：高副为 0，转动副为 3，移动副为 1；得出模子提升装置的自由度为 n=334210=1。2.2.2 模子提升装置主要部分的设计方案1、定位油缸的设计方案对于油缸的设计，我们根据机械设计手册采用反推法，先从杠杆右端与模子连接处出发，计算出作用在杠杆右端的压力（包括整个模具的重量和各连接处的摩擦力） ，在一定的安全系数下，由杠杆原理计算处作用在活塞上的力，再算出油压，从而确定油缸的相关尺寸。为控制模子提升装置上升、下降的位置，我们设计出在定位油缸上面添加三个行程开关来控制，上、下两位置各一个，复位一个。2、杠杆、支架的设计方案采对于杠杆、支架我们可以根据机械设计手册和以往的设计经验，参照一些杠杆、支架的一般设计方法来设计出满足我们模子提升装置的要求，2.3 模子提升装置的设计由总体的设计方案可知，在双向弯管机的模子提升装置中主要有定位油缸、杠杆、支架等等。2.3.1 定位油缸的设计1、定位油缸类型、安装方式液压缸是液压系统中最常用的执行元件，我们设计的模子提升装置中用到的定位油缸就是液压缸的一种。其类型按照机械设计手册新版第四卷表23.6-39选择双作用单活塞不可调缓冲式液压缸。如下图： 2图 2.2 双作用单活塞式这种液压缸类型的特点是：活塞可以双向运动产生推、拉力，活塞行程终了时减速制动，减速值不变。液压缸的安装方式可按照实际的工作需要选用合适的方式，常用的安装方式见机械设计手册新版第四卷表 23.6-40，按照设计的整体机构，我们 6选择销轴型中的头部销轴。如下图：这种安装方式的特点是：液压缸在垂直面内可摇摆；头部销轴型安装时，活塞杆受弯曲较小。图 2.3 头部销轴式2、定位油缸主要零件的设计分析（1）缸体缸体的材料：液压缸的缸体的常用材料为 20、35、45 号无缝钢管，因 20 号刚的力学性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应该选用焊接性能较好的 35 号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用 45 钢，并应调质到 241285HB。综上所述，按我们设计出的双向弯管机的模子提升装置的定位油缸的方案，选择缸体的材料为 35 号钢缸体的技术要求：缸体内径一般采用 H8、H9 配合。表面粗糙度初定 Ra 为 0.2-0.4m,且需要珩磨。图 2.4 缸体缸体端部联结型式：在我们的设计方案中，缸体端与缸盖体的联结方式选用法兰联结，这种联结方式结构较简单，易加工，易装卸，使用广泛；径向尺寸较大，质量比螺纹联结的大；非焊件工法兰的缸体端部应燉粗。图 2.5 法兰联结（2）缸盖缸体材料：定位油缸的缸盖可选用 25、35、45 号锻钢或 ZG35、ZG45 铸钢。在本次定位油缸的因前缸盖需要焊接，因此对于前缸盖的材料我们选择 35 号钢，后缸盖的材料选择 25 号钢。缸体要求：直径 D、D2、D3 的圆柱度公差应按 9、10、11 级精度选取；D2、D3同轴度公差值一般为 0.03mm；端面 A、B 与直径 d 轴心线的垂直度公差值按 7 级精度选取。图 2.6 缸盖（3）活塞活塞材料：液压缸的活塞常用材料为耐磨铸钢、灰铸铁（HT300、HT350） 、钢（有的在外径上套尼龙 66、尼龙 1010 或夹布酚醛塑料的耐磨环）及铝合金等。考虑综合因素，为满足我们需求，选择灰铸铁 HT350。活塞要求：在液压油缸的工作中，活塞的质量的好坏对液压缸的影响作用最大，因此其技术要求很严格，活塞主要用于与油缸内径配合，所以活塞的内径 D对内径 D1 的径向跳动公差值选取 7 或 8 级精度。端面 T 对内孔 D1 轴线的垂直度公差值选择 7 级精度选取。图 2.7 活塞活塞与活塞杆的联结方式：活塞与活塞杆的联结可以采用多种联结方式，如：整体结构、螺纹联结、半环联结等。在我们设计的定位油缸中选择半环联结，因为半环联结主要工作压力、机械振动较大的情况。图 2.8 半环联结活塞与缸体的密封结构：活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使液压缸两腔之间不漏油。根据机械设计手册，参考选用 Yx 型密封圈。 图 2.9 YX 密封结构这种密封结构的特点是：密封效果好，耐高压，耐磨性好，低温性能好。（4）活塞杆材料：活塞杆通常会有实心杆和空心杆两种，大多数采用实心杆，因为实心杆强度、刚度更好。实心活塞杆材料可选 35、45 号钢，按模子提升装置的整体设计我们选择 45 号钢。 图 2.10 实心活塞杆技术要求：在活塞杆粗加工后调质硬度到 229285HB；活塞杆 d 和 d1 的圆度公差值按 10 级就可以；，活塞杆上的螺纹的精度我们选择 7 级，因为模子提升装置定位油缸的载荷适中，机械振动也较小；为紧固活塞杆与接头，我们在接头与活塞杆的联结出增加一个销钉。端部结构型式：在活塞杆的端部与接头的联结有多种，如：螺纹式、耳环式、销轴式。在整体装置的设计方案种，我们选择的是螺纹式的外螺纹联结结构。 图 2.11 外螺纹联结活塞杆的导向、密封和防尘：对于活塞杆的导向，按照装置的整体设计方案及机械设计手册，我们选择普通导向套， 图 2.12 普通导向套这种普通的导向套，可利用压力油润滑导向套，并使其处于密封状态。材料我们选择铸造青铜 ZQSn10-1,导向套内径的配合选择 H8/f9。活塞杆的密封结构采用轴用 Yx 型密封圈，防尘机构采用防尘圈。（5）液压缸的缓冲装置液压缸的缓冲装置是为了防止或减小液压缸活塞在运动到两个端点时因惯性力造成的冲撞。通常是通过节流作用，使液压缸运动到端点附近时形成足够的内压，降低液压缸的运动速度，以减小冲击。对此我们采用变节流面积中的三角形结构，如下图： 图 2.13 变节流三角形缓冲3、定位油缸的设计计算（1）定位油缸设计计算步骤液压缸一般的设计过程有：1）根据主机的运动要求，选择液压缸的类型，前面已经选择了双作用单活塞式。根据机构的结构要求，选择液压缸的安装方式，前面已经选择了头部销轴式安装。2）根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。如液压缸的推力、速度、作用时间、内径、行程及活塞杆直径等等。3）根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计。如缸体壁厚、缸盖结构、密封型式、排气与缓冲装置等，前面已经选择了一部分。4）液压缸性能的验算。 7（2）定位油缸的计算一般油缸的主要几何尺寸，包括油缸的内径 D，活塞杆的直径 d 和油缸的行程 s 等。1）油缸的内径 D 的计算工程中油缸的内径 D 可以根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算。计算公式由机械设计手册： 310FPA（2.1）式中 F油缸的推力（kN） ； P工作压力（MPa） ； A油缸内径面积(m2)； 24AD D油缸内径（m） ；推导出计算油缸内径 D 的公式： （2.2）其中工作油压 P 在整个双向弯管机的设计要求中已经给出：1012.5MPa。油缸的推力 F 由弯管模、活塞、活塞杆、接头，以及附在弯管模上面的一些配件，还有用于控制油缸行程的行程开关和一些板件的重量等等加在一起。再由杠杆原理的换算及考虑一定的安全系数加摩擦力，得到 F 的值。弯管模的质量： 87+15.8+0.53+0.63+70+1.16+2.2+0.53=177.85kg。运动配件质量：约 40kg。杠杆的传递比初定为：支点到弯转模端的距离为支点到油缸端的距离的2 倍。得到 F 为 4.357kN。工作油压按 10Mpa。定位油缸的机械效率：=0.95。将 P、F 带入公式（2.2）中，得出24.8cm。minD考虑一定的安全系数(n1.4,取 3)及油压的稳定系数后，得到改进后的D 约为 74.4mm。按机械设计手册第四卷表 23.6-33 给出的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。如表 2.1，可以选择油缸内径 D 为 80mm 或 90mm。表表 2.1 液压缸内径尺寸系列液压缸内径尺寸系列 mm840125(280)1050(140)3201263160(360)1680(180)40020(90)200(450)25100(220)50023.57 10FDP32(110)250根据表 2.1，初选 D 按 90mm 设计。82）活塞杆直径 d 的计算根据强度要求来计算活塞杆的直径 d当活塞杆在稳定的状态下，仅承受轴向载荷时，活塞杆直径按简单拉、压强度计算。此时 （2.3）式中： F活塞杆的输出力(kN)； -活塞杆材料的许用应力（MPa） ； 我们对活塞杆选择的材料是 45 号钢，=100120Mpa; 机械效率=0.95；安全系数 n 取 3；得出 =23.5mm。mind按机械设计手册第四卷表 23.6-34 给出的活塞杆外径尺寸系列圆整成标准值。因此我们可以选择 32mm、36mm、40mm。考虑到上面的油缸内径中我们选择的是 D 为 90mm 的，对此，我们选择活塞杆外径为 40mm，以满足工作要求。活塞杆端部上面已经提到过在与接头联结时采用外螺纹联结，根据机械设计手册，我们选择直径与螺距为：M30 2；螺纹长为短型 40mm。3）定位油缸的行程 s 的确定油缸的行程 s，主要依据机构的运动要求而定，在双向弯管机的整体设计方案中，要求弯转模的上升与下降的最大距离为 100mm。为了简化工艺和降低成本，我们按照机械设计手册第四卷表 23.6-3537 中给出的标准值选择，23.57 10 Fd表表 2.2 活塞杆行程第一系列活塞杆行程第一系列 mm2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000参考表 2.2，我们选择油缸的行程 s 为 100mm。（3）定位油缸结构参数的设计定位油缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、油口直径、缸底厚度、缸头厚度等等。1）缸筒壁厚的计算由于我们设计的双向弯管机是工程机械常用中型设备。先根据机械设计手册的第四卷中的表 23.6-59 工程机械用标准液压缸外径系列。查得：当油缸内径为 90mm，工作压力16MPa 时，标准的油缸外径为108mm。考虑到我们设计的定位油缸能安全、平稳的运行，对查得的油缸外径进行修正，初定为 120mm。2)缸底厚度的计算我们设计的定位油缸中，缸底有油口，因此其厚度计算可以根据下式 （2.4） h缸底厚度（m） ； D油缸内径（m） ； 试验压力（MPa） ；yp 缸底材料的许用应力（MPa） ； 缸底油口直径（m） 。0d将 D=0.09m，=20MPa，=100MPa，=0.01myp 0d带入得出 =20mm。minh由于在缸底出需要与法兰进行螺纹联结，其厚度应该加大，参考机械设计手册第四卷，可选择定位油缸的缸底厚度为 40mm。00.433() yp DhDDd3）缸头厚度计算由于在缸头端有活塞杆导向孔，其计算与缸底有所不同。且有螺纹联结法兰，按照机械设计手册第四卷图 23.6-55 及公式 23.6-29 计算 得出缸头的厚度最小为 30mm。修正为标准值取为 50mm。（4）定位油缸的联结对于前、后缸盖与筒身的联结，我们采用螺栓联结的型式，这种联结更加稳定可靠，且装卸方便，操作简单。活塞杆与活塞的联结采用双活塞活动式，因为在定位油缸工作时有两个位置的控制，保证 50mm 和 100mm 两个行程。1）缸盖的联结在定位油缸的端部由于有法兰，因此缸盖与筒身的联结，需要用螺钉来紧固，考虑缸盖的厚度为 40mm，我们选用 GB70-76 M1055 的螺钉，环形布置在缸盖体的周围。2）压盖的联结压盖在定位油缸中起的作用主要是：活塞杆的导向和防尘密封。在压盖与缸盖体的联结中，我们采用螺钉的连接紧固方式，螺钉按国标选择 GB70-76M616。（5）定位油缸的结构结构图如下： 图 2.14 定位油缸在定位油缸的结构中增加一个隔圈，主要是考虑了，在活塞的运动中的位置的控制，这样后活塞的运动空间只能在后缸盖与隔圈之间运动，因为在活塞杆的运动中有两个位置的控制，一个是 50mm，另一个是 100mm。当往下油腔内注入高压油时，后活塞的运动行程最大只有 50mm。当往上油腔注入时活塞杆还有 50mm 的行程。当然在控制活塞杆的运动位置时，我们采用的是行程开关的控制，在活塞杆运动到我们要求的位置时，会碰触到行程开关的触点，会给出信号传到总控制点，系统做出反应，实施对油缸进行供油控制。4、定位油缸的校核（1）定位油缸的输出力验算为了准确的提升或下降弯管模的位置，定位油缸推、拉力必须大于加载在杠杆上作用力。定位油缸的推力1F 311110FpA（2.5） A = 124D D活塞杆或油缸内径；根据我们设计的结构尺寸得出 =63.6kN。1F上面计算的作用在活塞上的力为 4.3kN。所以我们设计的定位油缸的推拉力都满足要求。（2）活塞杆的稳定性验算在定位油缸只承受轴向压缩时， ，需要校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。我们设计的活塞杆中可知其长度为 322mm，活塞杆直径为 40mm，其长度比上直径之值约为 8，从上面得知作用在活塞杆上的力不到 5kN。按等截面计算活塞杆细长比： （2.6） L活塞杆长度（m） ； k活塞杆断面的回转半径（m） ，实心杆按 计算； m试验常数查表得出 m=90（45 号钢） ；n末端条件系数，按两端铰链安装方式，查表得出 n=1。得出： =320.25充气；0p1p0p2p 系统最低压力（Pa） ；1p 系统最高压力（Pa） ；2p n指数，取 n=1.4； 为蓄能器的工作容积（） 。xV3m根据设计出双向弯管机液压系统原理，得到为 10MPa，为1p2p16MPa，为 2L，n 为 1.4，取为 6MPa。得到：=10.10（L） 。xV0pxV查机械设计手册第四卷表 23.8-5。根据系统压力和蓄能器公称容积我们确定蓄能器的型号为 NXQ-10/10-L-H。（3）蓄能器的结构蓄能器型号为 NXQ-10/10-L-H，公称容量为 10L，压力为 10MPa，其结构的具体尺寸有：口径 d 为 70mm，螺纹为 M60 x2；总高 L 为650mm； 为 219mm；重量为 42kg。1nx01n()1 ()1012pVpVpp图 4.8 蓄能器结构 2、冷却器当液压系统工作时，因液压泵、液压马达等的容积损失和机械损失，控制元件管路的压力损失和液体摩擦损失等消耗的能量，几乎全部转化成热量，这样会使得油液的粘度下降，造成元件内泄漏、密封老化。严重时会影响液压系统的正常工作，因此在设计液压系统时，为减少热量的产生降低液压系统的温度，一方面增大油箱的散热面积，另一方面就是增加冷却器来冷却油液。双向弯管机的液压系统中，我们在回油的管路上面设计了一个冷却器来降低油液的温度。冷却方式采用水冷列管式，这种冷却方式冷却水从管内流过，油从列管间流过，中间折板使油折流，并采用双程流动方式，强化冷却效果。散热效果好，散热系数可达 350580W/(m2C)。类型参照机械设计手册第四卷采用 LQ 型列管式冷却器，型号为2LQFW-A/1.0F。主要参数有：2 为管称数为；F 为浮动头结构形式；W 为卧式安装方式；A 为压力等级 MPa；1.0 为散热面积，单位；F 为法兰连2m接。 图 4.9 2LQFW-A/1.0F 型冷却器3、过滤器过滤器的使用主要是清除液压系统工作介质中的固体污染物，使工作介质保持清洁，延长元器件的使用寿命、保证液压元件工作性能可靠。选择过滤器主要是看其过滤精度和过滤能力，过滤精度是指油液通过过滤器时，能够穿过过滤芯的球形污染物的最大直径。过滤能力也叫通油能力，指在一定压力差下允许通过过滤器的最大流量。在我们设计的双向弯管机液压系统中用到的过滤器主要是在油泵的吸油口、系统的回油口和注油口处。在吸油处的过滤器主要是保护液压泵，其精度类别采用粗过滤器，即能滤掉 100m 以上的颗粒。在回油口处的过滤器主要是用于降低油液污染度，其精度类别采用普通过滤器，能过滤掉10100m。注油口出的过滤器一般是防止注油时污染物进入，精度类别也是采用粗过滤器，通常和空气滤清器一起使用。（1）吸油口处过滤器按照设计要求，吸油口处的过滤器我们采用网式过滤器，型号为 WU-160 180F。 图 4.10 WU 式过滤器WU-160 180F 形过滤器其结构具体参数有：过滤精度为 180m；压力损失为小于 0.01MPa；流量为 160L/min；联结形式为螺纹联结。图 4.9 中 H为 200mm；h 为 170mm；d 为 50mm；D 为 82mm。（2）注油处过滤器注油口处的过滤器采用较大孔的网状的过滤器，具体型号可以按油口的大小来挑选。在注油口处的空气滤清器型号采用 EF6-80。4、仪表在液压系统中为实时观测系统的数据，我们在油路中设计一些常用的仪表，如温度仪表、压力仪表、液位仪表等等。（1）温度计为稳定液压元件的工作稳定性，准确测定液压系统的温度是非常重要的。我们可以在油箱及重要的元件油路上安装温度计来测定液压系统的温度，对于温度计类型我们采用 WSS-6011 型,测量范围-4080 度。（2）压力表为实时监测液压系统的油压，我们可以在需要的地方安装压力仪表来监控油路的压力。压力表类型我们采用 Y 系列压力表，由于油路的不用，其型号也可以根据需要选择，可以选择 Y-60、Y-100 等，测量范围为 025MPa。（3）液位计为实时监测油箱液位的高度，以方便及时控制油量，我们在油箱外侧壁上安装液位计。液位计的类型我们采用 YWZ 型，具体型号为 YWZ-400T，400 为液位计的螺钉中心距，T 为带有温度计的，适用工作温度范围为-20100。4.3 液压系统漏油、噪声控制4.3.1 液压系统漏油控制液压系统泄漏的原因是错综复杂的，主要是与振动、压力差、制造误差、装配间隙等有关。泄漏工程上分为外泄漏和内泄漏两种。外泄漏是指油液从元器件或管道接口内部向外泄漏；内泄漏是指元器件内部由于间隙、磨损等原因有少量油液从高压腔流到低压腔。外泄漏会造成油液浪费，污染环境，严重时造成火灾危及人生安全。内泄漏能引起系统压力、流量不稳定严重时会造成停产事故。为降低双向弯管机液压系统的泄漏，我们采取的措施有：（1）减少了油路管接头的数量，采用控制阀集成的方式防止系统漏油；（2）在换向时为减小液压冲击和机械振动，尽量延长换向时间；（3）定期检查、定期维修、及时处理，防止泄漏的发生。4.3.2 液压系统噪声控制液压系统产生的噪声对系统本身的工作性能影响较大，噪声的产生往往是由于振动，当振动较大时，会使液压系统造成较严重的压力振摆，致使液压系统无法正常工作。液压系统产生噪声的因素很多，如冲击噪声、压力脉冲噪声、气穴噪声、液压元件噪声等等。在这些因素中，液压泵的噪声最大，液压泵的输出功率越大，转速越高或泵内空气量吸入越多，噪声就越大。为降低液压系统的噪声，我们设计出：（1）选用的是底噪声的液压泵；（2）采用上置式油箱，改善吸油阻力；（3）减少液压冲击，设置了蓄能器；（4）采用了液压泵的立式安装，将液压泵侵入到油液中。4.4 本章小结本章主要介绍了双向弯管机的液压系统中液压站的设计、集成块的组成、油箱的设计以及液压系统中辅助元器件的选用和液压系统中泄漏和噪声的控制。液压站的设计中介绍了液压泵站的设计，其中按照要求计算选择了液压泵的型号及相关电动机的类型。油箱的设计按照其容量响应的设计出了具体结构。在控制液压系统的泄漏与噪声方面，采取了相关措施防止和减少了事故的发生。由于经验的不足，可能有的地方设计得不够合理，需要修改完善。结 论本课题主要研究的是双向弯管机的模子提升装置和液压系统的设计，在整个研究过程中，通过查询参考相关资料和一些设计经验，设计出了双向弯管机的模子提升装置和液压站，并且用 Pro/E 创建了三维实体模型。设计出的模子提升装置的主要结构由三部分组成，一部分是提供提升动力的油缸；一个是传递动力的杠杆；还有是做为支撑的机架座。在这三个方面的设计中，根据以往的设计经验和参考机械设计手册，设计出了定位油缸的结构，并校核改进了油缸的推拉力及杠杆的抗弯、抗压强度。对于杠杆的设计主要是对其结构和杠杆的传动比的确定，校核了支点处的强度。对于机架的设计主要是为支撑定位油缸和杠杆，另外就是设计出整个模子提升装置在双向弯管机上的装配方式。设计出了模子提升装置的所有尺寸后，进行了修改完善。并用 Pro/E 软件创建了装置的三维实体模型，并对所有零部件进行了装配。在 Pro/E 软件中可以分析机构的干涉性和整个模子提升装置的配合。从而对整个装置设计的合理性做进一步的修改完善。在设计完了模子提升装置后，对双向弯管机的液压系统也进行了设计，主要设计出了液压站。其中包括液压泵站的设计，选择了液压泵和电机；设计出了油箱的结构；确定了一些辅助元器件的类型及型号。最后用 auto-CAD 软件绘制出了液压系统的布置图。通过这次研究设计，充实了我的专业知识，了解了机构设计的一般过程，掌握了机构的设计方法，认识并掌握了工程中液压油缸、液压系统的设计过程。为以后的就业工作打下了基础，得到了很好的锻炼。由于经验不足，虽然经过设计与校核，但其中肯定有一些设计不妥和校核不够完善的地方。恳请老师给予批评和指正，以便更好的改进完善。参考文献1 国际金属加工网.全电动数控弯管机EB/OL.http:/ 国际金属加工网.全电动数控弯管机EB/OL.http:/ 杨洪彪，液压弯管机顶模的设计J.汉江石油职工大学报，2005，18 卷，第四期：5053.6 机械设计手册委员会.机械设计手册新版第四卷M.北京：机械工业出版社，2004：23-176.7 机械设计手册委员会.机械设计手册新版第四卷M.北京：机械工业出版社，2004：23-189.8 机械设计手册委员会.机械设计手册新版第四卷M.北京：机械工业出版社，2004：23-173.9 詹友刚.Pro/ENGINEER 中文野火版 2.0 基础教程M.北京：清华大学出版社，2005：前言.10 孙江宏，黄小龙，高宏.Pro/ENGINEER Wildfire/2001 结构分析与运动仿真M.北京：中国铁道出版社，2004：267283.11 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谢本次课题的研究是在李强副教授的悉心指导下完成的，李强老师不仅学识渊博、思想深邃，而且工作一丝不苟、兢兢业业。对我们的研究设计做出了很大的指导贡献，在此，谨向李强老师表示最诚挚的敬意和最衷心的感谢！在做毕业设计的过程中，由于缺乏相关的设计经验，一开始不知道从何着手，还好有李强老师的指导和帮助，才慢慢做起来。很多不懂的地方李强老师总会帮助我，从不认识到熟悉，从不知道到掌握，在这个过程中给了我很大的帮助。老师工作的严谨和对学生的耐心，给了我很大的鼓励，最终通过老师的指导和自己的努力完成了毕业设计。通过毕业设计，不仅对已经学过的专业知识得到巩固，而且在李老师的影响下，学会了很多做人的理念和做事的方法，为今后的学习和工作打下一定的基础。另外，在整个毕业设计中，除了李强老师的指导和帮助外，还得到课题小组成员的帮助，再此一并表示感谢！最后我要感谢学校所有的老师和同学们，祝你们工作学习愉快！