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福建農林大學金山學院本科畢業(yè)設計說明書 說明書 設計題目： 液壓金屬打包機設計 專業(yè)年級： 2011屆機械工程及自動化學院 學 號： 姓 名： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師、職稱： 2015年3月22日 摘 要 隨著人類科技的飛速發(fā)展，金屬資源對于各國來說也變得越加重要。對現有的金屬資源的過渡開采和不合理使用的，造成了大量的金屬浪費。這自然而然的引起了人們的擔憂，因而，廢金屬的回收再利用的課題也成了工業(yè)發(fā)展中必不可少的研究方向。 本設計的主要內容是液壓缸和機構的設計、選型，金屬打包機液壓原理圖，電氣原理圖以及疊加閥的設計、選型。本設計中，主、側液壓缸為打包機提供壓縮動力，替代了傳統的絲桿。主液壓缸安置在壓縮室后端面，側壓缸安置在壓縮室左側面。液壓缸的設計包括了缸筒、活塞、導向套、活塞桿等的設計計算，以及密封圈、防塵圈、活塞與缸筒、活塞桿密封方式的選型。壓縮室的設計主要是用來確定尺寸大小并且對其強度校核。本金屬打包機除了主、側液壓缸外，還有上蓋、鎖緊機構、前門三個輔助液壓缸，它們分別控制著上蓋的閉合、鎖緊機構的進退、前門的開合。 本設計完成了上述液壓缸和機構的設計、選型，金屬打包機液壓原理圖、電氣原理圖以及疊加閥設計選型。整個打包機不但制造成本低，而且企業(yè)的廣泛需要，擁有很好的市場前景。 關鍵詞：廢金屬的回收、金屬打包機、液壓 I ABSTRACT With the rapid development of science and technology, industrial production has become an inevitable trend of the development of automation. Metal resources is also becoming increasingly important for countries. The transition of the existing metal resources mining and unreasonable use of, and are responsible for a large number of metal waste. This naturally caused concern, therefore, scrap metal recycling project has become essential to industrial development and the research direction. The design of the hydraulic metal baling press use hydraulic pressure to compress with packaging, metal scrap has a certain size, convenient transportation, recycling and recycled scrap metal, in order to put into production again. So greatly improve the utilization rate of the metal, the process of the waste is in a certain extent, ease the intense demand for metal resources. The main content of this design is the design of the hydraulic cylinder and institutions, selection, metal baling press hydraulic principle diagram, electrical principle diagram and superposition valve design, type selection. In this design, the main hydraulic cylinder, side provide compression power for packing machine, replacing the conventional screw. The main hydraulic cylinder face after placed in the compression chamber, lateral pressure cylinder placed in the left lateral compression chamber. The design of the hydraulic cylinder includes cylinder, piston, guide sleeve, piston rod etc. The design and calculation, and the sealing ring, dust ring, piston and cylinder, piston rod sealing mode selection. The design of the compression chamber is mainly to determine the size and intensity. This metal baling press in addition to the main hydraulic cylinder, side, and on the cover, locking mechanism, the front three auxiliary hydraulic cylinder, respectively control with lid closed, in a locking mechanism, the front door open and close. And three auxiliary cylinder and the main work, side two cylinder each cross movement. This design completed the hydraulic cylinder and institutional design, selection, metal baling press hydraulic principle diagram, electrical schematic diagram and superposition valve design selection. Some of its operations to achieve automation, which improve labor efficiency, reduce labor intensity. The baling press not only manufacturing cost is low, and enterprise need to extensively, have good market prospects. Key words:Scrap metal recycling、Metal baling press、hydraulic pressure III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 III 第1章 引 言 1 1.1 文獻綜述 1 1.1.1課題研究背景 1 1.1.2 課題研究的意義 2 1.2 設計內容簡介 2 1.2.1 研究解決的問題 2 1.2.2整體設計方法 2 1.3 本章小結 3 第2章 打包機主體的設計分析 4 2.1 打包機的結構設計 4 2.1.1打包機的運動 4 2.1.2打包機的總布局 4 2.2 打包機壓縮室的設計與強度校核 6 2.2.1 壓頭的強度校核 6 2.2.2 壓縮室的設計 6 第3章 打包機液壓系統的設計 9 3.1 液壓系統的特點 9 3.2 液壓系統工況分析 9 3.2.1分析系統工況 9 3.2.2確定液壓系統的主要參數 10 3.3 擬訂液壓系統原理圖 11 3.3.1確定供油路線 11 3.3.2液壓回路的設計 11 3.3.3 擬訂液壓系統圖 12 3.3.4液壓系統原理圖的分析設計 12 3.4 液壓系統的計算和液壓元件的選定 14 3.4.1液壓缸的設計計算 14 3.4.2 選擇液壓元件 19 第4章PLC控制系統設計 23 4.1 PLC控制器的選擇 23 4.2 系統控制要求 23 4.3 I/O點數的確定 24 4.4 畫電氣原理圖 24 總 結 26 參考文獻 27 致 謝 28 III 福建農林大學金山學院本科畢業(yè)設計說明書 第1章 引 言 1.1 引言 1.1.1課題研究背景 幾乎所有的打包機都是一個原理：使要加工的材料在不被破壞的條件下，經過設備的壓縮、打包，讓原本散亂、占空間大的材料變成統一規(guī)格的小體積、比重大且容易集裝回收與運輸的包塊。打包機目前分為金屬和非金屬打包機這兩種。本次設計選擇適用于各種金屬及其相應制品材料的和打包。在本文中，包裝機的設計屬于前者，廢金屬經過打包壓縮后可以降低回收的成本，提高經濟效益。 工業(yè)進程的飛速發(fā)展，使得廢金屬的量大大的增加，所謂的廢金屬包括廢包裝物、邊角余料、切屑、線材等等一些不可直接再進行生產的金屬物料。 而現在，小部分的廢金屬加工設備只在大型的冶金企業(yè)中才具備，其余大部分的廢金屬加工設備服務于再生資源回收利用公司或者基層回收站。也就是說雖然金屬資源的過度浪費雖然引起了國內企業(yè)的擔憂，但還是沒有引起足夠的重視。 對比國外，我過的打包機機械產品數量和種類上都比較少。國外的打包機機械產品已經走上節(jié)能、智能和高等科技化的道路。而國內從引進廢金屬打包機到現在已經有20余年，打包機械的發(fā)展仍沒有跟上工業(yè)進程的步伐。在科技發(fā)展過程中，金屬打包產業(yè)發(fā)展趨向勢必是： 1） 高效化、 2） 機電一體化 3） 自動化、智能化 從現有的信息，目前擁有和使用的金屬包裝機分為兩類：螺桿驅動和液壓驅動，刪除簡單和替換的機器。現在，絲桿傳動的金屬打包機幾乎已經從市場上淘汰掉了，這是由于絲桿傳動跟摩擦壓機的某些缺點一樣，而且絲桿傳動的絲桿要求精度高，這將致使絲桿傳動不能較好地發(fā)展；而用液壓傳動的金屬打包機則具備了上述絲桿傳動所沒有的優(yōu)點，用液壓傳動的打包機傳遞壓力大、工作效率高、速度能夠自動控制等。 1.1.2 課題研究的意義 4） 留意我們的周邊環(huán)境，容易覺察到，各個企業(yè)工廠的金屬廢料料和日常生活中遺棄的金屬制品都日益增加，這是工廠企業(yè)在飛速發(fā)展和人們生活質量越來越高的原因。然而，這自然就給我們的周圍的環(huán)境和社會的發(fā)展帶來舉足輕重的影響。隨著經濟和科技的不斷發(fā)展，許多礦產資源也將慢慢減少。因此，怎樣處理金屬廢料，不僅要杜絕對環(huán)境的破壞，還要廢物回收利用，可持續(xù)的資源發(fā)展，就變成我們的重點研究按方向。打包機在國民經濟中發(fā)揮著不可替代的作用，這是因為它能實現對金屬廢料的打包回收再利用，前景開闊。 上述是 從基本的意義上出發(fā)的，變廢為寶、資源再利用是必須要的。但是，我們現在面臨更多的是如何讓回收的成本降得更低，回收的效率提得更高。現在國外的打包機正在朝著智能、自動、高效化發(fā)展。國內對新產品的研究的缺乏動力、財力使得現今的打包機技術處于落后的不良狀況。日益激烈的競爭讓企業(yè)的自主研究成果無法讓大眾分享，而相關部門又沒有科研經費的投入。讓這一領域的空白沒法填補。 根據上述的情形，本文研究設計的金屬打包機與過去的打包機相比，是具有一定研究意義的。 1.2 設計內容簡介 1.2.1 研究解決的問題 傳統的包裝機械設備包括傳動機構、動力系統以及工作機構。機器運動的能源來自動力系統；而機器的運行是靠傳動機構來實現的；然而傳動機構的作用是為了讓動力源滿足運行機構對速度、力、和其他運行功能要求的裝置。 1）初始數據： （1）公稱推力：1150KN （2）壓縮室尺寸：1100×650×550mm （3）包塊尺寸（長×寬×高）：（240-350）×250×250mm （4）包塊密度：≥ 1800kg/m3 （5）生產效率：950-1200kg/h 1.2.2整體設計方法 1）金屬打包機主體的設計 （1）打包機機體的設計 （2）壓縮室的設計 ①壓縮室的尺寸設計 ②進行彎曲強度校核 2）液壓系統的設計 （1）液壓泵的選擇 （2）提供能實現足夠流量以及壓力適當的液壓油泵當中液壓源的產生機構 （3）液壓缸及控制油路的設計： 要求能實現如下工作過程：啟動后，上蓋缸自動合上→鎖緊機構鎖上→主缸快進達到一定位置后切換為工進→當主缸壓力達到一定值后，主缸保壓→側缸快進，達到一定行程后切換為工進→當側缸壓力達到一定值后，側缸保壓→保壓一定時間后，主缸泄壓，側缸回到起始位置→鎖緊機構松開→上蓋打開→前門打開→主缸將包塊推出壓縮室→主缸快退回到初始位置→前門關上→進行下一次填料。 （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。 3）單片機的控制線路設計以及編程 （1）液壓原理圖的設計 （2）選擇單片機的控制器 在選好了對應單片機和操作對象后，實現下面幾個操控過程： ① 上蓋打開，填入待加工的金屬廢料； ② 上蓋合上，用鎖緊機構來鎖住上蓋； ③ 主缸快進，一定行程后工進，到一定壓力后保壓； ④ 側缸同主缸； ⑤ 主缸泄壓，鎖緊機構松開，上蓋和前門都打開； ⑥ 主缸快進，把包塊由前門送到壓縮室； ⑦ 主缸快退，前門關上，等候下一次填料并且進行包裝。 1.3 本章小結 根據市場需要和制造能力，完成打包機的研發(fā)和制造。要求可以達到步驟準確，工作安全、便于維護、并能使所設計的打包機經濟實惠、性能穩(wěn)定的目標，液壓系統應用了plc控制，控制容易、便捷，可以很好的實現市場的需求。加工工藝很好。 第2章 打包機主體的設計分析 主要任務就是進行打包機的外形設計以及確定輔缸及主缸壓包輸出包的運作形式，并且對涉及的部位受力分析。 2.1 打包機的結構設計 打包機的機體設計最基本的任務就是確定合適的機體結構，并且從初始的數據出發(fā)，選擇合理的結構和大小，最后設計出符合條件的壓縮室。因此，對于液壓金屬打包機的推送壓縮塊運做程序的分析，是實現本次設計的必要條件。 2.1.1打包機的運動 打包機運動程序如下： 1）填料后上蓋關閉，用鎖緊機構來鎖緊上蓋，防止上蓋被頂開。 2）主缸壓頭加速前進，達到設置的行程后切換為工進。直到廢棄金屬打包成包塊且等于包塊長度為止，此時主缸保壓。 3）主缸保壓時，側缸快進，達到一定位置時切換為工進。當廢棄金屬打包成包塊到達包塊設定的寬度位置后側缸保壓。 4）包塊打包完成后，鎖緊機構就回到原來的地方，上蓋打開。 5）打開前門，主壓頭快速前進，將包塊由壓機前端推出壓縮室，主推頭快退回到初始位置。 6）前門關閉，馬上進入下一個循環(huán)并且加料。 2.1.2打包機的總布局 1)主機部分。 側缸系統要放在壓縮室側面，在機體上水平放置主缸系統，前門系統與主缸系統相互垂直，上蓋缸系統放在主缸上面，鎖緊機構放在上蓋上方，這就是主機部分。根據構成的結構可分為： （1）機體 機體是由幾大塊構件拼湊起來的，它有固定的位置以及形式，不需要調節(jié)修定，因此安裝和拆卸都比較簡單。使用中也不容易損壞。 （2）上蓋缸系統 上蓋缸系統是由上蓋缸及上蓋組成。當填料結束后，上蓋在上蓋缸的推動下，扣住前門上端，此時上蓋平行于壓縮室底板，底板到上蓋下端面的距離就是包塊的高度。上蓋也是由幾塊部件構建而出的，因此需要焊接加強筋。鎖緊機構就放置于上蓋的上端面。 （3）鎖緊系統 其主要作用是通過鎖緊機構的銷將上蓋跟前門擋板連在一起。防止壓機打包廢料的時候由于過大的壓力從而將上蓋頂起，造成事故。上蓋上裝有鎖緊機構導向機構，可以將鎖緊機構的銷軸導入到前門擋板上的銷孔內。銷軸要經過前門，為了防止由于物料的干擾使得銷軸無法導入到前門擋板的銷控內，故需加大前門上的孔道，讓銷軸安全通過。 （4）主缸、側缸系統 主缸、側缸系統是由主缸體總成、圓螺母和主壓頭等組成，它就是用來對松散的物料進行打包壓縮，使它達到一定的密度，將物料壓縮到包塊要求的寬度后保壓然后由側缸系統進行下一步壓縮。當主缸把包塊壓縮到設定的尺寸后就停止。側缸系統跟主缸系統一致，側缸系統控制著包塊的長度。 （5）出料門系統 出料門系統是由出前門輔助缸總成、料門、支座及其它主要零部件構成。它的功能就是當壓縮塊壓縮成形時，把出料門打開，把金屬壓縮塊從門洞口移出。因為出料門是和高壓室在一起，直接承接從主缸來的擠壓力，所以運行過程中要確保開門之前的主缸體的卸壓得步驟以及泄壓的時間要求，不然就會導致門無法正常打開或者部件損壞。 2）動力系統 動力系統放在機械后半部分。本次設計只是對這部分做一個說明，并不做主要設計。整個系統由下列部分組成： （1）油箱部分 （2）油泵—電機組 （3）控制閥組 （4）管路系統 （5）操縱箱 操縱箱作為機械的電路控制中心，機械的主要電氣元件均置于柜內。這項在這邊只進行說明，在本次設計中不進行設計計算。 圖2.1 打包機總裝圖 2.2 打包機壓縮室的設計與強度校核 本章節(jié)重點的校核對象是壓縮室門板以及壓頭。 2.2.1 壓頭的強度校核 因為壓頭是開口銷連接式厚度是100mm的壓板，其功能是用來承接擠壓應力，在壓縮過程中，它承接的擠壓應力可幾乎為零故而不進行設計計算。 2.2.2 壓縮室的設計 壓縮室的尺寸設計： 按照要求，打包壓縮后的金屬包塊的體積是（0.240~0.35）*0.250*0.250m3 ，且初定壓縮室的尺寸大小是：1.100*0.650*0.550m3，為了縮短主液壓缸的有效工作行程，故而確定廢棄金屬包塊的體積為0.30*0.250*0.250m3 ，且壓縮室的尺寸為0.80*0.650*0.550m3。 壓縮室使用厚度是（25~50）mm的鋼板焊接，材料是45#鋼，抗拉強度：=600（MPa）,屈服強度=355（MPa）由任務書可知壓縮時的推力是1150KN，壁厚選定為40mm。 表2.1 安全系數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 根據表2.1，選取安全系數n=5，則： 許用拉應力： =/n=120（MPa） （2-1） 許用壓應力： =/n=71（MPa） （2-2） 許用剪切應力： ==69.28（MPa） （2-3） 活塞和壓縮室的擠壓強度。 []=<[] （2-4） 壓縮室側壁和出包門相應的剪切應力. <[] （2-5） 式中: （2-6） （2-7） 出包門和壓縮室側壁的拉壓應力： 已知主液壓缸壓頭點處的剪力最大FC為1150KN 圖2-2 剪切強度圖 圖2-3 彎曲強度圖 （2-8） （2-9） （2-10） 求得最大彎矩Mmax為93437.5Nm,W為6.77,由公式2-8得： 13.8Mpa<[] （2-10） 滿足強度要求。 第3章 打包機液壓系統的設計 3.1 液壓系統的特點 1）可以輕易的達到無級調速的目的，而且調速的區(qū)間比較大，一般可以達2000：1。 2）重量較輕體積較小； 3）傳動比較平穩(wěn)； 4）可以完成過載保護，并且工作油液可以自動潤滑傳動的部件，從而可以增加使用年限； 5）操做方便容易，可以做到自動化。 6）液壓元件便于實現系列化、通用化以及標準化，選擇液壓傳動可以機械的內部結構更加簡單，因此可以使機械的內部零部件數目減少。 綜上所述我們采用液壓傳動控制。 3.2 液壓系統工況分析 3.2.1分析系統工況 本次設計的液壓金屬打包機運行流程總體如下: 將要壓制的廢金屬物料倒入打包機的壓縮室中→打包機的上蓋缸推動上蓋合上→鎖緊機構鎖緊，防止壓縮室的壓力將上蓋頂開→主液壓缸快進擠壓廢金屬物料→達到一定的行程后，當主液壓缸從快進轉為工進直到達到包塊所要求的長度，主液壓缸轉為保壓狀態(tài)→側液壓缸工作狀態(tài)如主液壓缸，直到保壓→保壓到規(guī)定時間后，主、側液壓缸分別泄壓→前門液壓缸打開前門，主液壓缸將包塊頂出壓縮室→主液壓缸，前門液壓缸等都退回到初始工作狀態(tài)，等待下一次壓縮工作。以上就是本次設計的液壓金屬打包機的一次運行流程?？傊?就是要按順序完成各個液壓缸的直線運動。 3.2.2確定液壓系統的主要參數 1）任務書中已給定的參數如下: （1）打包機公稱推力1150kN （2）壓縮完成后包塊的體積為0.30*0.25*0.25m3 （3）側液壓缸的行程是400mm，打包機主液壓缸的行程是800mm （4）鎖緊液壓缸行程是150mm，上蓋缸行程是1200mm，前門缸行程是300mm （5）包塊密度：≥ 1800kg/m3 （6）生產效率：950-1200kg/h 由上述數據經計算可知： 每塊包塊的重量≥塊 每個小時應打包塊數為30~36塊。 根據以上數據,選擇類比法確定速度值: 主液壓缸:快速空行程速度 =50mm/s 工作行程速度 =20mm/s 頂出壓塊速度 =50mm/s 快速退回速度 =50mm/s 上蓋液壓缸:快速下降速度 =120mm/s 快速上升速度 =120mm/s 鎖緊液壓缸:快速前進速度 =75mm/s 快速后退速度 =75mm/s 前門液壓缸:快速上升速度 v=100mm/s 快速下降速度 v=100mm/s 側液壓缸:快速空行程速度 =50mm/s 工作行程速度 =20mm/s 快速退回速度 =50mm/s 經計算可知，上述各個工作的總用時約為85s，小于120s，故而上述的選定的速度值滿足任務書里生產效率的要求。 2）液壓系統的壓力的確定: （3-1） （3-2） 由以上兩式可知,在選擇液壓缸相應的運行壓力p時,按照機械的運作條件、部件的制做能力等各方面因素進行考慮.在滿足系統所需功能、系統的效率和流量、運行穩(wěn)定性、經濟以及工藝性等方面的條件后,在設計中,應選擇類比法來選擇.參考表3.1、3.2 ,選擇系統的工作壓力p=25MPa. 表3.1 各類液壓設備常用的工作壓力 設備類型 磨床 組合 機床 車/銑 鏜床 龍門 刨床 農業(yè)機械,小 型工程機械 工程機械 鍛壓設備 船用 系統 工作壓力/MPa ≤2 <6.3 2～4 <10 10～16 16～32 14～25 表3.2 不同負載下的液壓缸常用的工作壓力 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 選擇液壓缸的工作壓力按照本次的設計的條件采用的系統的運行壓力為25Mpa為接下來液壓金屬打包機的設計提供相應的理論依據。 3.3 擬訂液壓系統原理圖 3.3.1確定供油路線 為了實現這個設備在運行進給時速度低,載荷大,當快退、快進時載荷小,速度高的要求,從節(jié)約能量、降低熱損失出發(fā),泵源系統應該選擇變量泵供油或者雙泵供油,本次設計選擇直軸式變量柱塞泵供油. 3.3.2液壓回路的設計 首先，設計調速回路。 調速回路的比較：在液壓系統中的調速回路應該達到以下幾個要求。 1）可以在設定的調速區(qū)間內控制執(zhí)行元件的運行速度。 2）當載荷不斷改變時,已經設定好的變速區(qū)間大小要盡量小,并且應該在設定的區(qū)間內波動。 3）可以為驅動執(zhí)行元件提供所需要的轉矩和力。 4）要盡量降低功率損耗，盡量減少熱量散發(fā)。 調速回路的選用： 主機選擇的液壓傳動和調速回路的選擇相關；接下來要做的是選擇功率大小，通常情況下3kw以下的可以選擇節(jié)流調速回路功率在3到5kw之間的可以選擇容積調速回路或者容積節(jié)流調速回路；5kw以上的選擇容積調速回路；從資金上出發(fā)，要滿足造價低廉時選擇節(jié)流調速回路；允許造價高一些的時侯選擇容積調速回路或者容積節(jié)流調速回路。 綜上所述，這次設計的系統選擇容積節(jié)流調速。這一種調速回路能實現發(fā)熱小、速度剛性良好以及效率高的目的。 接下來選擇速度換接方式。這個系統選擇電磁閥的快慢速換接回路,其具有容易控制行程、便于閥的安裝、結構形狀簡單等特點。 最后，考慮壓力控制回路。負荷的卸荷問題選擇先導式溢流閥解決。 3.3.3 擬訂液壓系統圖 液壓系統回路大致可以分為開式和閉式兩種。經過反復對比得知閉式系統相對比較對稱、外形和構造相對緊密，但是系統內部相對復雜，為了確保控制系統可以安全運行，需要向低壓液壓油輸入控制回路，因此回路需要設計一個低壓保護的地方來保正系統安全運行；當閉式系統中的油溫逐漸升高時，熱量的散發(fā)比較困難，因此還要設計高效的冷卻系統來冷卻工作中的油液，由于附加了這些回路，使系統更加復雜化；閉式系統選擇容積調速回路適用于大功率場合，因此只有在比較好的的條件下才能使用。 開式回路相對于閉式回路結構比較簡單，冷卻條件較好，不需要冷卻回路，對資金沒有太大要求，相對合適對于本次設計的打包機。 3.3.4液壓系統原理圖的分析設計 這個液壓系統是中高壓液壓系統，因此選擇齒輪泵來給回路供油。綜合考慮上述幾個調速回路的方案，卸荷回路、補充系統的保護回路以及方向控制回路來設計回路的液壓原理圖。 它的打包的工作流程如下： 開啟電源開關，液壓泵開始運行，油路開始上升，電磁鐵Y1接通，換向閥進入右工位，這時上蓋液壓缸前推，將壓縮室的上蓋合上； 上蓋液壓缸前進到設定的位置，觸發(fā)了行程開關，電磁鐵Y1斷開，電磁鐵Y3接通，鎖緊機構液壓缸推著鎖緊機構前進，把上蓋跟前門擋板用銷軸連接，防止上蓋被頂起； 鎖緊液壓缸快進至最右位置，觸發(fā)了行程開關，電磁鐵Y7通電，主缸快進，從而進入壓縮階段； 主缸帶動包塊到某的中心位置后，觸發(fā)了壓力繼電器，讓電磁鐵Y11得電，行程閥接通左工位，液壓油經過調速閥7，調節(jié)主缸的運行快慢，主缸工進； 當主缸的繼續(xù)前進時，金屬廢料被打包成塊，在主缸前行到包塊的寬度時，觸發(fā)行程開關，同時使壓力繼電器開啟，并通過時間繼電器，，Y7、Y8同時斷電，實現系統的保壓延時。Y5得電，側缸向右快進； 側缸推動包塊到達某中心位置后，壓力繼電器打開，電磁鐵Y12得電，行程閥接通左工位，液壓油通過調速閥7，控制側缸的運行快慢，主缸工進； 當側缸繼續(xù)前進時，金屬廢料被打包成包塊，在主缸前行到包塊的長度時，觸發(fā)行程開關，同時使壓力繼電器開啟，并且經過時間繼電器，Y5、Y6同時斷電，完成液壓系統保壓并且延時； 保壓一定時間后主、側缸開始卸載負荷，而卸負荷后使時間繼電器使電磁鐵Y6、Y8得電，換向閥以右工位接通，主、側缸都快退； 主、側缸都撤回初始位置時，電磁鐵YA4啟動，鎖緊機構液壓缸換向閥以右工位接通，當液壓缸退到最左位置后，電磁鐵Y2、Y9啟動，上蓋和前門同時打開； 前門液壓缸上行至極限位置后，電磁鐵Y7得電，使換向閥接通左工位，使主缸迅速前進，將壓縮好的包塊從壓縮室推出； 而后，當主缸運行到最右的位置時，電磁鐵Y8得電，換向閥則以右工位接通，主缸進行快退，到達最左邊的位置時電磁鐵Y10啟動，前門缸下行至下極限位置，觸發(fā)電磁鐵Y13，回路中的液壓油回到油箱，結束一個工作循環(huán)，直至下一個工作開始。 表3.3液壓系統工作控制通電表 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 ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 主缸快進 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 主缸工進 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ 主缸保壓 側缸快進 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 主缸保壓 側缸工進 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ 主側缸保壓 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ 主側缸泄壓 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 鎖緊松鎖 ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 上蓋、前門 打開 ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 推出壓塊 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 主缸快退 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ 關前門 ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣ ﹣ 圖3-1液壓工作原理圖 3.4 液壓系統的計算和液壓元件的選定 3.4.1液壓缸的設計計算 3.4.1.1主要參數的確定 從液壓缸的工作情況特點出發(fā),本次設計采用雙作用單活塞桿式液壓缸。安裝方式為軸向底座式。根據動力以及運動的分析,設計計算的主要尺寸大小參數如下： 選擇液壓缸的工作壓力,前文已采用P=25MPa 液壓缸內徑:按照液壓缸系統所采用的供液壓油的壓力p以及用規(guī)定的輸出力F來確定缸筒的內徑D(m),其計算的公式為: D==247（mm） （3-3） 式中 F----液壓缸的輸出力(N) p----供油壓力(MPa) 根據以上計算的公式得出液壓缸的內徑D,取值并且圓整到標準值 取D=250(mm)。 活塞桿直徑:由表2.3可取d=0.7D,得d=175(mm), 查表: 取d=180(mm) 表3.4 機床內液壓缸活塞桿的直徑推薦值 活塞桿受力情況 受拉伸力 受壓縮力,工作壓力p1(MPa) p1≤5 57 活塞桿直徑d (0.3～0.5)D (0.5～0.55)D (0.6～0.7)D 0.7D 執(zhí)行機構的運行條件可以確定液壓缸的行程,但是為了簡化制造工藝,降低制造成本,增加產品的通用性,應該選擇標準化的值 ,這里將S=1100(mm) 計算各個工作階段液壓缸所需要的流量： q快進=2快進=147.187L/min （3-4） q工進=2工進=58.875L/min （3-6） 由于打包機的上蓋、鎖緊、前門液壓缸并沒有涉及主要的工作,因此在這次設計中不再對上述的三個液壓缸的流量進行深入的計算和分析。 3.4.1.2液壓缸的結構設計 1）缸筒 （1）主要技術要求 要有足夠的強度 要有足夠的剛度 內表面長期在活塞密封件和導向環(huán)的反復摩擦作用下,還可以長期正常運輸,并且?guī)缀鯖]有摩損,要有很高的幾何精,可以保證活塞的密封性. （2）結構形式 在本次設計過程中選擇半環(huán)聯接的形式來作為液壓缸結構形式,它具有以下特點:便于加工, 結構相對簡單,方便裝卸。 （3）材料 缸筒的材料必須要有一定沖擊韌性以及一定的強度,考慮到液壓缸的主要參數、毛坯選型以及用途,可以選擇四十五號碳素鋼鋼管. （4）缸筒計算 缸筒厚度計算 =0+c1 （3-7） 式中 0----缸筒材料強度要求的最小值(m) c1----缸筒外徑公差余量(m) 缸筒的厚度計算分為以下幾種: 當 /D小于等于0.08時,按照薄壁缸筒計算 0≥/（2[]）=33.33（mm） （3-8） 取缸筒厚度為40mm 式中 D----缸筒內徑(m) ——缸筒內的最高工作壓力,當工作壓力P小于16Mpa時, 等于1.5p; 在工作壓力p>16Mpa時, =32; []----材料的許用應力(MPa)，[]=b/n=600/5=120(MPa) 式中 [b]----缸筒的材料抗拉強度(MPa) n----安全系數,參考表2.4取n=5。 表3.5 安全系數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 綜上取缸筒的壁厚=40mm 缸筒外徑 D1=D+2=330(mm) （3-9） 缸筒厚度驗算 對于缸筒的壁厚要求完成以下幾個驗算： 額定的工作壓力pN(MPa)要低于要求的極限值,用來確保系統的正常運行 pN≤0.35S（D12-D）2/ D12=37.02MPa （3-10） 為了避免材料的塑性變形,額定的工作壓力要在以下范圍 pN≤(0.35～0.42)pPl=34.46～41.35MPa （3-11） 式中 pPl ----缸筒完全塑性變形后的壓力. pPl=2.3Slg=98.45（ MPa) （3-12） 式中 S ----缸筒制造材料的屈服強度 (MPa) 為355MPa D1----缸筒外徑(m) D----缸筒內徑(m) pN----額定工作壓力(MPa) 缸筒底部厚度： 缸底是平面并且不帶油孔時的缸底厚度h是 ： h=0.433D-3=55.9（mm） (3-13) 式中 D----缸筒內徑(m) D max----缸筒內的最大工作壓力 []----缸底材料的許用應力(MPa) 缸筒聯接計算： 法蘭式要求的聯接強度較高，方便拆卸安裝、制造簡單，制造成本較低廉并且可以能夠承受較高的壓力；焊接式的聯接強度很高并且不容易拆裝，而且整體式的結構比較復雜不利于加工。故選用法蘭式聯接。 缸筒和缸蓋選擇法蘭式聯接時, 螺栓要承受拉伸應力所帶來的破壞，缸筒內的危險截面A-A上所承受的拉應力（MPa)是 ： = pmaxD12/[（D1-h）2-D2]= =76.93（MPa） (3-14) 滿足強度要求。 式中 D1——缸筒的寬度， D1=0.330（m） L----卡環(huán)寬度（m） L=0.016（m） H——卡環(huán)厚度（m） H=0.016（m） pmax----系統最高工作壓力（MPa）pmax=25.5（MPa） 2）活塞 （1）結構形式 按照密封裝置的型式來確定活塞的結構形式?；钊麠U的密封方式應該選擇O型密封圈的活塞與活塞和缸筒選擇O密封圈.它有良好的密封作用,有較小的摩擦系數和安裝空間，并且普遍的應用于固定密封以及運行密封，能適用振動場合等特點。 （2）活塞與活塞桿的聯接形式 活塞桿以及活塞的聯接形式采用螺紋聯接如下圖3-2。 圖3-2 活塞聯接方式 （3）材料 選用碳素鋼20或者35或45鋼。 3）活塞桿 （1）結構 用焊接的方式來聯接外端部,用螺紋的聯接方式來聯接內端部，故無需進行擠壓應力或者剪切應力的校核。 （2）活塞桿的強度和穩(wěn)定性驗算 當活塞桿全都伸出來時，活塞桿的計算長度l為活塞桿頂部到液壓缸的支承點她們之間的距離，它值的大小和安裝活塞桿的形式相關。根據計算長度l的不同與活塞桿d的不同比值，對活塞桿進行相應的項目驗算。 當l/d小于等于10的時候，是短行程的活塞缸，因此需要驗算的是拉壓強度： ==131.24（mm） (3-15) 式中 F——活塞桿最大推力（N），為F=1200（KN） d----活塞桿直徑（mm）， d=180（mm） ——安全系數， =2～4；取=4 ——活塞桿相應材料的屈服極限 取355（MPa） 因此本設計達到強度和穩(wěn)定性要求。 4）導向套 （1）導向套的作用 導向套能起到密封防塵的作用，放在塵土和水分侵入，導致密封裝置的破壞。 （2）材料 采用45鋼。 （3）導向套的長度 在缸筒的內徑D的值大于80mm時,導向套內滑動面的長度d應為0.6到1,d代表活塞桿的直徑。 導向套的長度： L=0.6d=108(mm) (3-16) 5）缸頭厚度計算 螺釘連接法蘭： (3-17） 式中： P——系統工作壓力（MPa） ——螺釘孔分布圓直徑（mm） ——密封環(huán)平均直徑（mm） ——法蘭材料的許用應力 得h=9.33mm，則缸頭厚度需要大于9.33mm。 3.4.2 選擇液壓元件 1）液壓泵的選擇 （1）液壓泵工作壓力的確定 因為在運行過程中進油管路會產生相應的阻力,因此選擇泵運行的工作壓力是: （3-18） 式中 Pp —— 液壓泵的最大工作壓力， P1 —— 為液壓執(zhí)行元件的最大工作壓力， —— 是從泵到液壓系統的執(zhí)行元件之間的總的壓力損耗，剛開始計算的時候簡單的系統壓力損失可以取0.2到0.5MPa, 復雜的系統可以取0.5到1.5MPa,在本設計中壓力損失=0.5MPa； 因此液壓泵的工作壓力是： Pp= P1+=25.5（MPa） （3-19） 以上計算得到的p是系統的靜態(tài)壓力,然而泵的額定壓力要滿足pn≥(1.25～1.6)Pp,中低壓系統應該選取小一點的值,高壓系統選擇較大值.因此在這次設計中采用1.6Pp=31.875MPa. （2）液壓泵流量的確定 液壓泵允許經過的最大流量應為 （3-20） 式中 ---- 液壓泵的最大流量 ---- 同時運行時的各執(zhí)行元件所提供的最大流量。 KL ---- 系統的泄漏系數,正常情況下KL為1.1到1.3之間,現在選擇液壓泵的泄漏系數K為1.2。 求得液壓泵流量為： 70.65 L/min （3-21） （3）選擇液壓泵的規(guī)格 按照前文算出來的和,再來參考相關手冊,采用柱塞泵，型號為25CCY14-1B 。技術規(guī)格：排量：25ml/r；額定壓力：31.5MPa ；驅動功率：24.6KW；轉速范圍：3000r/min。 2）電動機功率的確定 打包機在運行過程中，要根據最大功率來選擇液壓泵以及電動機的功率。 由上述可知液壓泵供油的額定壓力是：25Mpa，泵的流量是：q=70.65L/min，因此取液壓泵總效率為，那么液壓泵所需要的驅動功率是：28.9kw 經過查電動機樣本：選型號為Y200L1-2電動機；額定功率 :30kw；額定轉速為2950r/min。 3）閥類元件及輔助元件 （1）液壓閥的選擇 液壓閥大致有方向閥與壓力閥以及流量閥這幾種類型。雖然液壓閥有著很多種的類型，但是它們也是存在某些相同之處。 閥的選擇原理： 1）閥的規(guī)格 考慮到系統的額定壓力還有該閥實際工作中的極限通流量，采用經過標準化的閥件。溢流閥應該按照液壓泵允許的最大流量來選擇；在選用調速閥與節(jié)流閥時，應該達到執(zhí)行機構最低穩(wěn)定速度大于最小穩(wěn)定流量的目標?？刂崎y的流量選擇通常要比正常運行時經過的流量更大一點，同時還要承受 20%之間的短期過流量。 2）閥的型式 按照安裝和操作方式選擇。在這次設計中系統的工作壓力大約是16Mpa，所以采用中、高壓閥。 所選閥的規(guī)格如下： ①液壓系統中柱塞泵相連的電控疊加式溢流閥的選擇： 型號：MSRF-03，通徑10mm，額定流量：70l/min，最高工作壓力：25MPa;生產廠家：北部精機有限公司。 （1）流量控制閥的選擇： 選用流量控制閥時重點是按照流量閥的最大工作壓力以及經過閥所允許的最大流量。 ①液壓系統中疊加式單向閥的選擇： 型號：Z1S10P50-1TB50-1D10-4X/F/MPB，通徑：10mm，流量：72l /min，啟動壓力：5MPa生產廠家：力士樂液壓有限公司。 ②電控疊加式節(jié)流閥的選擇： 型號：MST-03，最高壓力：21MPa，推薦流量：45l/min，生產廠家：北部精機有限公司。 ③疊加式減壓閥1的選擇： 型號：ZDR10DP7-5X/150YM，通徑：10mm，流量：80L /min，設定壓力15MPa，生產廠家：力士樂液壓有限公司。 （2）方向控制閥的選擇： 在選用方向控制閥的時候，需根據方向閥的最大工作壓力以及經過該閥所允許的最大流量。 ?三位四通電磁換向閥的選擇： 型號：M-4SED6Y1X/350CG24N9K4/62，最高壓力：35Pa，流量：25L/min，通徑：10mm。 3）濾油器的選擇： 濾油器應安置在泵中的吸油管路上，對泵起到保護作用。型號：WU—250×F，壓力：25MPa，流量：350mL/min，通徑：15mm，過濾精度：100um，生產廠家：天津濾油器廠。 4）壓力表開關的選擇： 壓力表的作用是用來測量液壓系統中的壓力大小。型號：KF3—E3B，使用壓力：16MPa，生產廠家：高行液壓元件廠。 5）管道尺寸的確定 內徑d為： （3-22） 式中 ——通過管道的流量　 ——管內允許的流速 對吸油管，取（0.5~1.5）m/s，回油管?。?.5~2.5）m/s。 對壓力油管，當p<2.5MPa時，取=2m/s；當p=（2.5~16）MPa時，取=（3~4）m/s；當p>14MPa時取5m/s；在行走機械中，當p>21MPa時，取=（5~6）m/s。 經計算，選用雙層鋼絲編織液壓膠管（GB3683-92）,通徑10mm,有兩層鋼絲,工作壓力為40MPa ,最小的彎曲半徑130。 6）液壓油箱容積的確定 在中、高壓或者高壓大功率的系統中,可采用V為6到12Pp之間. 其中 V--- 有效容量, Pp---液壓泵額定流量。 計算得V=1057~2114L。 現選用力士樂AB40-01型油箱，容量為1500L，工作容量為1676L。 第4章PLC控制系統設計 PLC的優(yōu)點： 應用范圍廣、修復方便；有邏輯、順序、定時、計數器等的操作可以輕易的實現人們的目標。 4.1 PLC控制器的選擇 控制系統選擇PLC的控制 PLC的主要特點為： ①可靠性高。PLC的MTBF常用的是在在40000h到50000h以上，有一些在10h到20萬h