第第頁(yè)共38頁(yè)全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)1緒論課題背景及目的模鍛錘是通過錘頭在下落過程中積累動(dòng)能然后在極短的時(shí)間內(nèi)將其作用在鍛件上，從而使鍛件發(fā)生塑性形變成為所需要的形狀，是一種能夠完成各種鍛壓工藝的定能量的機(jī)械設(shè)備，在制造業(yè)中使用非常廣泛且常見。液壓傳動(dòng)是廣泛應(yīng)用傳動(dòng)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)能量在輸入與輸出之間進(jìn)行傳遞、轉(zhuǎn)換以及控制，其工作介質(zhì)為液體。與帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等其它形式的傳動(dòng)相比，它的優(yōu)點(diǎn)有效率高，能量大以及控制的自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單等。全液壓模鍛錘主要分為鍛錘結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)兩部分，其中液壓系統(tǒng)又對(duì)模鍛錘能否實(shí)現(xiàn)工作以及工作時(shí)的性能起著至關(guān)重要的影響，也是影響模鍛錘整體性能的重要部分。作為液壓系統(tǒng)的五大部分之一，控制系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)起著非常重要的作用?，F(xiàn)有液壓錘的控制方式分為多個(gè)插裝閥共同控制以及通過專門的滑閥或錐閥控制兩大類，兩者都能控制液壓缸上下腔的進(jìn)油和排油來(lái)完成模鍛錘的打擊與回程。但是，數(shù)個(gè)插裝式錐閥聯(lián)合控制存在結(jié)構(gòu)復(fù)、控制要求較高以及故障率較高等問題；專門的滑閥或錐閥控制結(jié)構(gòu)同樣復(fù)雜，而且還存在允許通過的油量比較小、閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性大以及換向時(shí)不夠靈敏等問題，除此之外，分離式安裝時(shí)會(huì)導(dǎo)致油液沿程損失大、油路復(fù)雜，水平安裝則容易產(chǎn)生不均勻的磨損[13]。全液壓模鍛采用液壓傳動(dòng)的工作方式，需要能夠完成打擊、回程等工作循環(huán)，這使得模鍛錘的液壓系統(tǒng)總是在循環(huán)的工作周期處于動(dòng)態(tài)過程中，特別是在對(duì)擊的瞬間通常都會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生非常大波動(dòng)。因此需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析以及合理的設(shè)計(jì)，從而提高模鍛錘工作時(shí)的性能。因此，我將以全液壓模鍛錘作為研究對(duì)象，對(duì)其采液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在AMESim軟件上將設(shè)計(jì)的全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，隨后分析仿真的結(jié)果。使能夠該模鍛錘正常運(yùn)行的同時(shí)工作部件不會(huì)失調(diào)，確保在動(dòng)態(tài)過程中工作性能擁有足夠的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外研究狀況工業(yè)在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用。在機(jī)械、礦山等行業(yè)中，模鍛件始終發(fā)揮著很重要的作用，而模鍛件的生產(chǎn)與模鍛錘密不可分；在模鍛錘的不斷發(fā)展的歷程中出現(xiàn)了氣動(dòng)錘和液壓錘兩種類型。而液壓錘因?yàn)槟ｅ憰r(shí)力量大、噪音低、工作壽命長(zhǎng)，所以其得到了更普遍的使用。隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)模鍛件精度等方面的要求也逐漸提高，這導(dǎo)致對(duì)模鍛錘的要求也不斷提高，液氣錘的不足之處也被一一發(fā)現(xiàn)了，如氣體密封效果不是很好，液體與氣體產(chǎn)生互串，回彈時(shí)會(huì)對(duì)液壓缸產(chǎn)生連續(xù)打擊，打擊時(shí)頻率比較低等缺點(diǎn)[1]。全液壓模鍛因?yàn)槭且揽考円簤候?qū)動(dòng)，所以完全不存在液體與氣體發(fā)生互串等問題。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，目前大多數(shù)的全液壓的模鍛錘主要分為兩種類型，分別是消振錘和對(duì)擊錘，其中消振錘錘身質(zhì)量大而且需要相對(duì)靜止，所以初期建設(shè)費(fèi)用會(huì)比較大，而對(duì)擊錘完成模鍛則依靠上下錘頭等速對(duì)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于下錘頭上跳量大而導(dǎo)致操作起來(lái)不方便。全依靠液壓傳動(dòng)的錘身微動(dòng)型模鍛錘，除了全液壓模鍛錘精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)外，還克服了蒸-空錘的能量損失過大、打擊時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)較大，以及對(duì)擊錘操作不方便等缺點(diǎn)[2]。除此之外，錘身微動(dòng)的結(jié)構(gòu)還能夠極大程度上地減少有砧座錘工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，同時(shí)減輕了重量，省去了前期的建設(shè)費(fèi)用[3]。全液壓模鍛錘采用了全液壓驅(qū)動(dòng)、液壓聯(lián)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式；由錘身微動(dòng)與上錘頭對(duì)擊來(lái)完成模鍛，錘身由一個(gè)聯(lián)通缸控制，而聯(lián)通缸的運(yùn)動(dòng)則是由上錘頭液壓缸通過聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)控制，因此，在液壓系統(tǒng)中只需對(duì)上錘頭的液壓缸進(jìn)行控制就能實(shí)現(xiàn)模鍛，但是在提錘和對(duì)模時(shí)也需要錘身同時(shí)運(yùn)動(dòng)，因此在這兩個(gè)工況下所產(chǎn)生的能耗也比較大[4]。該模鍛錘由機(jī)身和液壓系統(tǒng)組成，對(duì)于這樣的全液壓模鍛錘，需要的打擊能量和流量都非常大，對(duì)精度、穩(wěn)定性等也有著很高的要求，所以針對(duì)該類模鍛錘的液壓系統(tǒng)所提出的要求日益增加。作為模鍛錘動(dòng)力來(lái)源，液壓系統(tǒng)除了需要能夠使液壓錘完成各個(gè)工況下的工作循環(huán)，如打擊、回程等，還需要保證在進(jìn)行各個(gè)工況下的工作時(shí)模鍛錘能夠穩(wěn)定、高效、高質(zhì)量地完成模鍛任務(wù)。因此需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)研究其工作性能，從而提升模鍛錘的工作性能。模鍛錘在打擊時(shí)中通常會(huì)產(chǎn)生較大的壓力和波動(dòng)，這些都會(huì)在很大程度上影響液壓錘的工作穩(wěn)定性，因此對(duì)于該液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了打擊能量等靜態(tài)性能外還需考慮其是否能夠滿足液壓錘傳動(dòng)的高效率、控制的高精度等要求，更應(yīng)該重視其動(dòng)態(tài)特性，通過對(duì)工作過程中的動(dòng)態(tài)特性行研究分析，能夠更好地改進(jìn)該液壓系統(tǒng)，從而提高該液壓系統(tǒng)控制精度等各個(gè)方面的性能。1.2.1國(guó)外研究狀況液壓錘在國(guó)外的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)30年代，但是被那時(shí)的液壓技術(shù)水平所限制，直到60年代，才隨著液壓技術(shù)水平的迅速提高而的到快速的發(fā)展。對(duì)于現(xiàn)在液壓錘的發(fā)展情況來(lái)說(shuō)，液壓錘在結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等方面都不完全相同，主要還是分為了有砧座和對(duì)擊式兩大類。有砧座的液壓錘在結(jié)構(gòu)上基本分為砧座和落錘兩部分，液壓系統(tǒng)也只需控制安裝在落錘上部的液壓缸來(lái)完成模鍛，工作時(shí)由落錘下落來(lái)對(duì)砧座上的模鍛件進(jìn)行打擊，是放油打擊單動(dòng)落錘的典型代表。其主要的驅(qū)動(dòng)方式也分為液氣驅(qū)動(dòng)和純液壓驅(qū)動(dòng)兩種[5]。到了上世紀(jì)80年代，隨著對(duì)模鍛錘的要求不斷提高，純液壓驅(qū)動(dòng)的模鍛錘已完全取代了液氣驅(qū)動(dòng)的模鍛錘。該類錘以依靠液壓系統(tǒng)來(lái)控制其上腔的進(jìn)油和回油來(lái)完成對(duì)鍛件的打擊工作[6]。對(duì)擊式液壓錘則與之前的落錘不同，它擁有兩個(gè)錘，在進(jìn)行打擊時(shí)，上錘頭下落、下錘頭上跳，二者在空中完成對(duì)鍛件的打擊，打擊時(shí)需要保證二者的動(dòng)量相等，于是上錘頭與下錘頭質(zhì)量的比值來(lái)調(diào)整兩個(gè)錘頭打擊時(shí)的速度，于是將其分為了等速和下錘頭小行程兩種對(duì)擊形式，錘身微動(dòng)型便是下錘頭小行程對(duì)擊錘的一直典型代表。由于二者在空中完成打擊，因此對(duì)于砧座的要求不高，在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小[7]。等速對(duì)擊液壓錘按照聯(lián)動(dòng)方式主要可以分為兩種類型，分別是鋼帶聯(lián)動(dòng)式和液壓聯(lián)動(dòng)式，其中，鋼帶聯(lián)動(dòng)因磨損問題相對(duì)嚴(yán)重而導(dǎo)致使用壽命不高，因此更適用于中小型模鍛錘，液壓聯(lián)動(dòng)錘雖然結(jié)構(gòu)可靠但是卻十分復(fù)雜，所以常被用于大中型對(duì)擊模鍛錘[6]。下錘頭小行程對(duì)擊錘的種類比較多，顧名思義，該類對(duì)擊錘的下錘頭在打擊時(shí)雖然也會(huì)上跳但上跳的行程遠(yuǎn)小于上錘頭下落的行程，一般通過放油來(lái)完成打擊；一旦進(jìn)行打擊，有桿腔將油液排出，無(wú)桿腔的被壓縮的氣體隨之開始膨脹，上錘頭依靠自重及膨脹氣體的共同作用下快速向下運(yùn)動(dòng)，下錘頭同時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)比較小的上跳[8]。拉斯科公司則制造了一種新型的液壓錘，該錘由全液壓驅(qū)動(dòng)，打擊時(shí)采用差動(dòng)連接的回路，從而加快液壓缸的運(yùn)動(dòng)，錘頭快速下降，完成打擊。打擊完成后，無(wú)桿腔與油箱相接，與有桿腔的連接中斷，錘頭受到有桿腔的恒壓的液壓油的作用快速完成回程[6]。全液壓錘通過液壓驅(qū)動(dòng)，與液氣錘相比，該方式動(dòng)態(tài)響應(yīng)所需時(shí)間更短、打擊時(shí)產(chǎn)生的能量更大、節(jié)能高效更好，還解決了液氣錘液體與氣體發(fā)生互串、悶?zāi)r(shí)間過于長(zhǎng)、回程的速度比較慢等不足[9]。1.2.2國(guó)內(nèi)研究狀況早在半個(gè)世紀(jì)前，我國(guó)就開始對(duì)蒸-空模鍛錘改造，研究起了液壓模鍛錘的制造。液壓模鍛錘與蒸-空模鍛錘相比,有著十分顯著的優(yōu)點(diǎn):①采用對(duì)擊來(lái)實(shí)現(xiàn)模鍛,機(jī)器本身所需要的重量輕,夠用大幅度減少對(duì)金屬使用；②打擊時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)小,對(duì)環(huán)境等基礎(chǔ)要求比較低,而且不需要龐大的系統(tǒng),運(yùn)輸量少,能夠節(jié)約大量資金；③采用電機(jī)-泵直接驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)效率高的同時(shí)還利用了重力的作用,能夠減少大部分的能耗；④可以對(duì)打擊的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而減少不必要的能耗；⑤U型的機(jī)架,能夠減少很大程度的偏載,可另外安裝頂出鍛件的裝置,可以用于高精度的鍛造；⑥能用程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的生產(chǎn)；⑦錘頭導(dǎo)向精度高,能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量、高精度的產(chǎn)品；⑧采用全液壓驅(qū)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生排氣漏氣等現(xiàn)象,故打擊時(shí)產(chǎn)生的噪聲低、振動(dòng)小[10]。我國(guó)對(duì)液壓模鍛錘的改進(jìn)：（1）改進(jìn)對(duì)工作方式我國(guó)液壓對(duì)擊錘早在上世紀(jì)七十年代中期就已研制成功，其打擊能量為63KJ。該錘通過液氣驅(qū)動(dòng)，液壓缸的上腔充有壓縮氣體，閉式的液壓回路通過液壓泵來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)，主要是通過對(duì)液壓缸的下腔進(jìn)行控制來(lái)完成打擊與回程。該錘的打擊能力的改變時(shí)通過改變錘頭下落的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)，用于控制液壓缸回程的信號(hào)確要在打擊結(jié)束后才能發(fā)出，這樣就會(huì)導(dǎo)致液壓錘悶?zāi)５臅r(shí)間比較長(zhǎng)以及回彈時(shí)會(huì)對(duì)液壓缸進(jìn)行多次打擊等問題。除此之外，由于回程是依靠上腔的壓縮氣體膨脹開完成，因此存在阻力大、速度較慢、打擊頻率較低等問題。液氣驅(qū)動(dòng)也導(dǎo)致在錘頭快速運(yùn)動(dòng)是氣體密封無(wú)法保證，可能會(huì)出現(xiàn)液體與氣體發(fā)生互串的情況[11]。隨著液壓技術(shù)水平的不斷提高，純液壓驅(qū)動(dòng)已經(jīng)完全取代了液氣驅(qū)動(dòng)成為了模鍛錘的主要驅(qū)動(dòng)方式。這類液壓錘控制打擊能量的方式是通過改變進(jìn)入液壓缸的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作方式分為進(jìn)油打擊和放油打擊兩種，因此用程序進(jìn)行控制也變得更加簡(jiǎn)單，所生產(chǎn)的鍛件質(zhì)量、精度等方面大大提高，生產(chǎn)效率也有了顯著的提升。該錘除了打擊時(shí)高壓油進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔外，其它時(shí)候處于卸荷的狀態(tài)，所以回程速度得到大幅度的提高，泄漏量也大大減小。改進(jìn)液壓元件液壓錘的種類各種各樣，其上面所使用液壓換向閥也多種多樣，根據(jù)閥芯的種類可以它們大致分為滑閥和錐閥兩種類別?；y采用的是間隙密封所以密封性相對(duì)來(lái)說(shuō)比較差，在閥芯與閥口之間進(jìn)行密封，但是因?yàn)檫@個(gè)密封擁有一定的長(zhǎng)度，所以基本上不會(huì)發(fā)生閥路瞬時(shí)導(dǎo)通的情況。錐閥的密封方式則與之不同，采用的是線密封，所以密封性能好而且響應(yīng)更快，但是需要依靠多個(gè)閥聯(lián)合使用才能實(shí)現(xiàn)多路換向，因此換向時(shí)很容易導(dǎo)致閥路瞬時(shí)導(dǎo)通。因此便有人針對(duì)以上問題制造了一種新的換向裝置，將兩者進(jìn)行了組合，滑閥的密封長(zhǎng)度被縮短了，但是死區(qū)依然存在，所以不會(huì)發(fā)生閥路間瞬時(shí)導(dǎo)通；同時(shí)用錐閥來(lái)完成工作時(shí)的密封，獲得其良好的密封性能[12]。文獻(xiàn)[12]公開了一種用于液壓錘上的換向裝置及其使用方法。閥芯和閥芯活塞組合依靠螺紋連接進(jìn)行組合;密封面采用錐形的設(shè)計(jì)，在工作時(shí)依靠線密封進(jìn)行密封，不僅減小了油液泄漏量，也提高了容積效率；因?yàn)榛y密封長(zhǎng)度的存在，工作時(shí)互鎖閥路間的導(dǎo)通的情況不會(huì)發(fā)生，從而使得系統(tǒng)工作更可靠，避免不必要的能量損失[12]。（3）改進(jìn)液壓控制系統(tǒng)作為液壓系統(tǒng)的五大部分之一，控制系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)起著非常重要的作用。現(xiàn)有液壓錘的控制方式分為多個(gè)插裝閥共同控制以及通過專門的滑閥或錐閥控制兩大類，兩者都能控制液壓缸上下腔的進(jìn)油和排油來(lái)完成模鍛錘的打擊與回程。但是，數(shù)個(gè)插裝式錐閥聯(lián)合控制存在結(jié)構(gòu)復(fù)、控制要求較高以及故障率較高等問題；專門的滑閥或錐閥控制結(jié)構(gòu)同樣復(fù)雜，而且還存在允許通過的油量比較小、閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性大以及換向時(shí)不夠靈敏等問題，除此之外，分離式安裝時(shí)會(huì)導(dǎo)致油液沿程損失大、油路復(fù)雜，水平安裝則容易產(chǎn)生不均勻的磨損[13]。1.3未來(lái)改進(jìn)方向與發(fā)展趨勢(shì)本設(shè)計(jì)通過對(duì)全液壓模鍛錘的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，為全液壓模鍛錘的控制提供一種方式。根據(jù)液壓系統(tǒng)和電路對(duì)模鍛錘進(jìn)行控制，使模鍛錘工作時(shí)的控制起來(lái)更加簡(jiǎn)單，從而提高生產(chǎn)效率。綜合國(guó)內(nèi)外模鍛錘的現(xiàn)狀，全液壓模鍛錘系統(tǒng)在未來(lái)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）對(duì)液壓系統(tǒng)中的元件進(jìn)行改進(jìn)，從而提升液壓系統(tǒng)的性能。從模鍛錘的發(fā)展歷史可以看出，液壓技術(shù)的水平往往能夠決定液壓設(shè)備的發(fā)展水平；因此性能更好的液壓元件更能有效的提升液壓系統(tǒng)的總體性能，可以通過對(duì)液壓元件進(jìn)行改進(jìn)來(lái)提高模鍛錘的工作性能。（2）智能化。通過液壓回路電路共同作用對(duì)全液壓模鍛錘打擊時(shí)的壓力和速度進(jìn)行控制，來(lái)使其對(duì)液壓模鍛錘的控制更加準(zhǔn)確，從而提高模鍛件的精度；也可以使模鍛錘不斷的進(jìn)行循環(huán)打擊直到完成模鍛，減少工作時(shí)的操作步驟從而提高模鍛時(shí)的效率。（3）提高液壓系統(tǒng)合理性。除了提高液壓系統(tǒng)的工作性能外，還可以設(shè)計(jì)出更加方便維修與零件更換的液壓系統(tǒng)，從而提高模鍛錘的使用壽命，減少模鍛的成本。改變打擊方式。從下落打擊到等速對(duì)擊再到錘身微動(dòng)的對(duì)擊，打擊的方式在不斷地發(fā)展，打擊時(shí)的動(dòng)能也在逐漸增加。模鍛錘的功率也越來(lái)越大，液壓模鍛錘的泄露、噪音等問題也會(huì)越來(lái)越明顯，因此，選擇合適的打擊方式也是提高全液壓模鍛錘性能的方式之一。1.4研究?jī)?nèi)容本文主要研究錘身微動(dòng)型全液壓模鍛錘的液壓系統(tǒng)，使錘身微動(dòng)全液壓模鍛錘正常運(yùn)行和工作部件不失調(diào)，保證動(dòng)態(tài)過程中工作性能的穩(wěn)定性。主要從以下幾個(gè)方面展開研究：①明確液壓系統(tǒng)使用要求，進(jìn)行工況分析②液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)③液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)計(jì)算④液壓元件的計(jì)算與選型⑤液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算⑥使用FluidSim4.5繪制液壓系統(tǒng)圖和動(dòng)作電路圖、編制技術(shù)文件⑦使用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真2全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1全液壓模鍛錘設(shè)計(jì)要求2.1.1全液壓模鍛錘使用要求該設(shè)計(jì)針對(duì)的對(duì)象為全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)，打擊形式采用錘身微動(dòng)式，其打擊能量為50KJ，打擊速度v為5m/s，質(zhì)量比γ為4。其工作環(huán)境主要為車間，在工作時(shí)需要模鍛錘連續(xù)打擊鍛件，會(huì)頻繁使用到液壓系統(tǒng)，因此需要保證液壓系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行工作，同時(shí)模鍛錘在工作時(shí)所需要的打擊能量大，這很有可能破壞液壓缸以及液壓管路甚至產(chǎn)生更大的泄露，也會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。因此，模鍛錘的液壓系統(tǒng)必須滿足復(fù)雜的傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、巨大的傳遞動(dòng)力、高精度控制及系統(tǒng)高柔性化等要求。2.1.2全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求根據(jù)液壓系統(tǒng)使用工況要求、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并考慮液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則，對(duì)該全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)有如下基本設(shè)計(jì)要求：(1）液壓回路應(yīng)能夠提供一定的工作壓力，滿足模鍛錘沖擊時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)的要求；(2）液壓系統(tǒng)的工作流量應(yīng)不小于兩個(gè)液壓缸完整工作行程的需要；(3）液壓缸應(yīng)該反應(yīng)迅速、動(dòng)作平穩(wěn)、同步性高、密封良好、工作可靠；(4）由于該液壓系統(tǒng)的工作壓力比較大，因此更加需要對(duì)其設(shè)置保護(hù)回路，一旦壓力過大，保護(hù)回路開啟，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行卸荷來(lái)達(dá)到保護(hù)液壓系統(tǒng)的目的；(5）液壓錘在工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊巨大，而控制液壓錘運(yùn)動(dòng)的液壓缸的價(jià)格比較高，因此還需對(duì)其設(shè)置單獨(dú)的保護(hù)回路；(6)液壓管路和管接頭應(yīng)密封性良好，管路布置應(yīng)合理美觀，避免管路出現(xiàn)過度彎折、扭曲、拉伸以及管路間的摩擦。正常工作情況下，液壓軟管應(yīng)密封良好，不能出現(xiàn)泄漏，并具有一定的防油能力、防臭氧能力、防真空能力、防液壓沖擊能力等；(7）液壓管件應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)度，能承受液壓系統(tǒng)的工作壓力。軟管、硬管、管接頭的破壞壓力，應(yīng)至少為液壓回路打擊工況的4倍；(8）使用的液壓油也應(yīng)該具備有以下性能，包括：潤(rùn)滑、穩(wěn)定、防銹、抗腐蝕、抗乳化、潔凈、阻燃等；(9)考慮與舉升和制動(dòng)液壓系統(tǒng)的集成，使液壓元件安裝與管路布置緊湊、簡(jiǎn)潔、安全、可靠；(10）在選擇以及布置液壓元件安裝位置時(shí)，也應(yīng)該考慮各種情況的發(fā)生，提高其各方面的性能，便于系統(tǒng)的安裝、檢修及維護(hù)。2.1.3全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)四種典型工況液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用工況是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。該模鍛錘的液壓執(zhí)行元件是兩個(gè)雙作用活塞缸，液壓控制系統(tǒng)應(yīng)完成的動(dòng)作:兩個(gè)液壓缸分別控制上下錘完成模鍛錘的打擊與回程。具體來(lái)說(shuō)，50KJ錘身微動(dòng)型全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)應(yīng)可滿足以下三種工作工況:(1）提錘工況：上錘頭在雙作用活塞缸的帶動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，提升到一定高度；(2）懸錘工況：能夠通過控制讓模鍛錘的錘頭隨時(shí)停止，一旦遇到緊急情況迅速的停止而減少對(duì)模鍛錘、鍛件的損壞以及對(duì)操作人員生命安全的保護(hù)。(3）打擊回程工況：上錘頭和錘身各自依靠一個(gè)獨(dú)立雙作用活塞缸來(lái)帶動(dòng)，在進(jìn)行打擊時(shí)，工作缸形成差動(dòng)連接，帶動(dòng)上錘頭作勻加速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速下行，下錘頭同時(shí)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)以上錘頭四分之一的速度上跳，從而實(shí)現(xiàn)上下錘頭對(duì)擊；打擊完成后回程時(shí)，液壓缸無(wú)桿腔中液壓油回到油箱，上錘頭和錘身就能快速返回到指定位置。(4）寸動(dòng)對(duì)模工況：在安裝鍛模時(shí)通過寸動(dòng)來(lái)進(jìn)行對(duì)模，因?yàn)榇鐒?dòng)時(shí)所需的流量遠(yuǎn)小于打擊時(shí)的流量，所以，專門設(shè)置一個(gè)寸動(dòng)對(duì)?；芈穪?lái)完成該工況。其中提錘、打擊回程和寸動(dòng)對(duì)模工況滿足不同時(shí)進(jìn)行，不相互干涉的原則，其中寸動(dòng)對(duì)模工況由上錘頭液壓?jiǎn)为?dú)完成，而懸錘工況需要在打擊回程工況進(jìn)行時(shí)能夠隨時(shí)使其停止并進(jìn)入懸錘工況。2.2全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.2.1選擇液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件液壓系統(tǒng)采用的執(zhí)行元件類型，主要是根據(jù)該液壓系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能而定。上錘頭和錘身的的運(yùn)動(dòng)是上下的直線運(yùn)動(dòng)，且負(fù)載力與活塞桿重合；所以模鍛錘液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件選擇兩個(gè)雙作用液壓缸。2.2.2確定液壓系統(tǒng)工作壓力在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)工作時(shí)壓力的確定十分重要，工作壓力的選定需要考慮負(fù)載以及設(shè)備類型等因素，還要考慮元件的尺寸和成本等經(jīng)濟(jì)方面的因素。選擇合適的工作壓力能夠提高元件壽命，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響。液壓系統(tǒng)的工作壓力可以根據(jù)表2-1及表2-2進(jìn)行選擇。表2-2執(zhí)行元件背壓系統(tǒng)類型背壓/MPa簡(jiǎn)單系統(tǒng)回油路時(shí)經(jīng)過調(diào)速閥回油路擁有背壓閥使用一個(gè)泵進(jìn)行補(bǔ)油的閉式回路回油路較復(fù)雜回油路短，直接回油箱0.2~0.50.4~0.60.5~1.50.8~1.51.2~3可忽略不計(jì)綜合表2-1及2-2，初選模鍛錘液壓系統(tǒng)工作壓力為20MPa，系統(tǒng)背壓1MPa。2.2.3模全液壓鍛錘液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)（1）選用液壓系統(tǒng)回路方式對(duì)于全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合考慮模鍛錘在工廠工作，需連續(xù)短時(shí)間工作，但是需要較大的占地面積，所以在此系統(tǒng)中我將采用開式回路：油箱為液壓泵提供液壓油，油箱還需要能夠容納從執(zhí)行元件中返回的液壓油。液壓油可以在油箱中獲得很好的散熱和冷卻，除此之外還能將液壓油中的雜質(zhì)沉淀下來(lái)防止其再次進(jìn)入液壓系統(tǒng)中。綜上所述，開式回路更適用于此液壓系統(tǒng)。選用液壓油及液壓動(dòng)力源工作場(chǎng)所在室內(nèi)，工作壓力大，流量大。為了減少泄露，選黏度較大的普通液壓油。而柱塞泵擁有密封性能好、精度高以及工作壓力高比較適合模鍛錘這樣的高壓大流量的液壓系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)選用變量柱塞泵。（3）選擇調(diào)速方式和調(diào)壓方式1）選擇調(diào)速方式①方向控制：中小流量系統(tǒng)通常通過換向閥對(duì)液壓油的油路進(jìn)行控制。高壓大流量系統(tǒng)則大多通過插裝閥與先導(dǎo)控制閥進(jìn)行組合來(lái)完成控制。而錘身微動(dòng)型模鍛錘液壓系統(tǒng)所需要的工作壓力大、工作時(shí)所需流量也大，因此我選擇將插裝閥與先導(dǎo)控制閥組合起來(lái)對(duì)上錘頭以及錘身的液壓缸進(jìn)行控制。②速度控制方式按下表2-3進(jìn)行選擇。表2-3速度控制方式比較調(diào)速類型供油方式特點(diǎn)適用場(chǎng)合節(jié)流調(diào)速進(jìn)油變量泵（開式）回路比較簡(jiǎn)單、價(jià)格不高，存在溢流、節(jié)流損失，效率低啟動(dòng)沖擊較小，僅適用低速、輕載、小功率場(chǎng)合回油能承受負(fù)值負(fù)載、運(yùn)行平穩(wěn)性好，用于負(fù)載變化不大、低速、小功率場(chǎng)合旁路有節(jié)流無(wú)溢流能耗，效率比較高多用于高速、速度平穩(wěn)性要求不高、功率要求較大的場(chǎng)合容積調(diào)速定/變量泵（閉式）無(wú)溢流損失和節(jié)流損失，效率高，但是速度穩(wěn)定性比較差適用于高壓大流量的液壓系統(tǒng)，比如起重運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械以及重型機(jī)床等容積-節(jié)流調(diào)速變量泵（開式）效率高、穩(wěn)定性好，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜錘身微動(dòng)型模鍛錘屬于鍛造設(shè)備，根據(jù)上表2-3所述，在此液壓系統(tǒng)中，我選用的是容積-節(jié)流調(diào)速，使用恒壓變量泵提供高壓油，利用壓力卸荷閥對(duì)變量泵進(jìn)行控制，一旦系統(tǒng)壓力達(dá)到溢流閥所設(shè)定得值時(shí)，卸荷閥對(duì)變量泵進(jìn)行卸荷，這樣有利于該液壓系統(tǒng)節(jié)能。2）選擇調(diào)壓方式液壓執(zhí)行元件工作需要穩(wěn)定的工作壓力，需要能夠調(diào)節(jié)的工作壓力的情況也存在。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用變量泵來(lái)供液壓油的輸入，靠溢流閥來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定的工作壓力。容積調(diào)速系統(tǒng)則用變量泵供油，溢流閥對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。而在此次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)中，采取恒壓變量泵供油的方式，使用壓力卸荷閥對(duì)變量泵輸出流量以及壓力進(jìn)行控制，必要時(shí)可以直接使泵卸荷，起到安全保護(hù)作用，同時(shí)可以通過改變卸荷閥的數(shù)量，對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。3）液壓系統(tǒng)主要回路方式的選定根據(jù)錘身微動(dòng)型全液壓模鍛錘的工作特點(diǎn)、負(fù)載性質(zhì)以及性能要求，先確定對(duì)模鍛錘性能起決定性的主要回路，然之后在對(duì)其它回路進(jìn)行確定。主要回路如下表2-4所示：表2-4不同系統(tǒng)主要回路選擇表液壓系統(tǒng)主要回路液壓系統(tǒng)主要回路機(jī)床液壓系統(tǒng)調(diào)速和速度換接回路慣性負(fù)載較大的系統(tǒng)緩沖制動(dòng)回路壓力機(jī)液壓系統(tǒng)調(diào)壓回路有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)順序/同步回路有垂直運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)平衡回路有空載運(yùn)行要求的系統(tǒng)卸荷回路本系統(tǒng)雖然只擁有兩個(gè)執(zhí)行元件，涉及伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮與停止，但是由于需要對(duì)這個(gè)其伸縮的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的工況，因此，需要采用速度換接回路來(lái)改變伸縮的速度。提錘和懸錘工況均由上錘頭液壓缸獨(dú)自完成，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)順序回路使其單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。由于模鍛錘始終是垂直運(yùn)動(dòng)。表2-5液壓系統(tǒng)組成基本回路及其性能分析表序號(hào)基本回路名稱性能特點(diǎn)1容積節(jié)流調(diào)速回路效率比較高、調(diào)速比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)2電磁式換向回路通過輸入電信號(hào)能夠?qū)﹄姶艙Q向閥進(jìn)行換向從而改變液壓油的流向，換向平穩(wěn)、響應(yīng)比較快3差動(dòng)連接回路讓液壓缸的回油重新進(jìn)入另一個(gè)腔，從而在不提高流量大大提高液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度4同步回路用模鍛錘液壓系統(tǒng)中，將進(jìn)油的回路分別與兩個(gè)執(zhí)行元件相連，使其能夠同時(shí)運(yùn)動(dòng)5卸荷回路用二位二通閥控制插裝閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行卸荷，需卸荷時(shí)，二位二通閥通過電磁換向，此時(shí)插裝閥導(dǎo)通，高壓大流量的液壓油經(jīng)過插裝閥回到油箱6調(diào)壓回路通過溢流閥對(duì)壓力進(jìn)行控制及保護(hù)系統(tǒng)，一旦壓力過大液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱2.3全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)以及負(fù)載分析2.3.1全液壓模鍛錘基本參數(shù)上世紀(jì)80年代，我國(guó)已有許多單位已開始了研究錘身微動(dòng)型液壓對(duì)擊液壓模鍛錘的工作。為了規(guī)范液壓錘進(jìn)行良好的發(fā)展，機(jī)械工業(yè)部組織有關(guān)單位進(jìn)行了大量的調(diào)研工作，并通過了“砧座微動(dòng)型液壓模鍛錘基本參數(shù)系列草案”的審查會(huì)，于1984年成功制定并頒布了砧座微動(dòng)型液壓模鍛錘的基本參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)JB3582-84。1999年該標(biāo)準(zhǔn)有得到了擴(kuò)充，如表2-6所示。2.3.2全液壓模鍛錘結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算為了操作方便，錘身與錘頭質(zhì)量應(yīng)合理分配，錘身在對(duì)擊時(shí)的上跳量應(yīng)要求越小越好。本課題初步選定錘身微動(dòng)型全液壓模鍛的打擊能量為50KJ，打擊時(shí)的總速度v為5m/s，質(zhì)量比γ為4，其他參數(shù)從表2-6中確定。上錘頭的質(zhì)量、行程、速度為m1，S1，v1；錘身的質(zhì)量、行程、速度為m2，S2，v2，表示。因?qū)翦N設(shè)計(jì)需要滿足打擊時(shí)上錘頭與錘身?yè)碛械牡膭?dòng)量相等有：（2-1）即（2-2）上錘頭和錘身的速度總和v已經(jīng)給出，則有（2-3）其中v1和v2可用質(zhì)量比求得：（2-4）又有給定打擊行程S，則有S=S1+S2，其中S1和S2可用質(zhì)量比求（2-5）由打擊能力表達(dá)式及動(dòng)量表達(dá)式（2-6）將（2-4）式代入（2-6）式得（2-7）由勻加速度運(yùn)動(dòng)公式（2-8）（2-9）代入已知參數(shù)計(jì)算出50KJ錘身微動(dòng)全液壓模鍛錘基本結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如表2-7中數(shù)據(jù)所示：表2-750KJ全液壓模鍛錘基本參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)單位1打擊能力E50KJ2上錘頭質(zhì)量m15000kg3錘身質(zhì)量m220000kg4打擊速度v5m/s5上錘頭打擊速度v14m/s6錘身打擊速度v21m/s7上錘頭打擊行程S1424mm8錘身上跳高度S2106mm9上錘頭打擊行程加速度a118.87m/s210錘身打擊行程加速度a24.17m/s211打擊行程時(shí)間0.212s2.3.3液壓系統(tǒng)各執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)順序50KJ錘身微動(dòng)型全液壓模鍛錘各液壓缸運(yùn)動(dòng)順序設(shè)計(jì)為：（1）上錘頭液壓缸退回液壓桿退回，達(dá)到一定的高度，為放入鍛件做準(zhǔn)備。（2）上錘頭液壓缸緩慢伸出液壓桿緩慢伸出，與鍛件接觸即停止，完成寸動(dòng)對(duì)模。（3）上錘頭液壓缸退回液壓桿退回一定的高度，使得上錘頭與鍛件的距離為530mm。（4）上錘頭和錘身液壓缸伸出液壓桿伸出到指定位置完成對(duì)擊。（5）上錘頭和錘身液壓缸退回上錘頭和錘身液壓桿都退回，其中錘身完全退回，上錘頭仍然退回到與鍛件的距離為600mm。（6）循環(huán)（4）（5）通過液壓桿循環(huán)的伸出與退回完成模鍛。（7）上錘頭和錘身液壓缸停止上錘頭和錘身液壓缸液壓桿停止運(yùn)動(dòng)，不伸出也不退回。（8）進(jìn)行動(dòng)作（5）當(dāng)液壓桿退回之后，可以對(duì)鍛件進(jìn)行觀察或?qū)⑵淙〕?。?）上錘頭液壓缸伸出液壓桿完全伸出，上錘頭與錘身接觸。2.3.4液壓系統(tǒng)工作負(fù)載計(jì)算分析液壓缸工作負(fù)載分析計(jì)算液壓缸的油缸工作負(fù)載受力分析如下：（2-10）式中：Fg———重力負(fù)載，N；Ff———摩擦阻力，N；（2-11）Fa———慣性負(fù)載，N；μm———油缸的機(jī)械效率，在本次設(shè)計(jì)中取0.9。（2-12）因?yàn)橛捎谏襄N頭和錘身質(zhì)量較大，而且運(yùn)動(dòng)方向均垂直于地面，因此忽略運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力。負(fù)載計(jì)算：打擊行程最大負(fù)載：上錘頭錘身回程負(fù)載回程則F1′=56850N，F(xiàn)2′=193200N。所以最大負(fù)載F1max=56850N，F(xiàn)2max=314889N。2.4模鍛錘液壓系統(tǒng)主要工作循環(huán)本設(shè)計(jì)的錘身微動(dòng)型全液壓模鍛錘用于在工廠內(nèi)對(duì)鍛件打擊來(lái)形成需要的模鍛件。主要工作循環(huán)如下：上錘頭落下、錘身上跳→上錘頭提升到指定位置、錘身落回原位置。上錘頭也在上錘頭液壓缸作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，錘身則由錘身液壓缸控制其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而形成對(duì)擊。2.5液壓原理圖及電路圖圖2.1液壓系統(tǒng)原理圖圖2.2動(dòng)作電路圖2.6全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)典型性能分析本次所設(shè)計(jì)的錘身微動(dòng)型全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)原理圖以及動(dòng)作電路圖如上圖2.1和圖2.2所示。2.6.1系統(tǒng)所用液壓元件及其在系統(tǒng)中功能液壓系統(tǒng)中所用到的液壓元件及其在該系統(tǒng)中的功能如下表2-1所示；表2-8系統(tǒng)所用液壓元件及其作用表類型序號(hào)液壓元件名功能動(dòng)力元件1柱塞式變量泵將壓力油從油箱輸入進(jìn)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件2、3雙作用活塞液壓缸控制上錘頭和錘身對(duì)鍛件進(jìn)行打擊控制元件4~15二通插裝閥控制液壓油油路的通斷從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)16~17二位四通電磁換向閥同時(shí)控制多個(gè)插裝閥的中油路的啟閉18三位四通電磁換向閥同時(shí)控制多個(gè)插裝閥的中油路的啟閉19~22單向閥使液壓油只能單向流動(dòng)23~26調(diào)速閥通過調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸的流量來(lái)控制其速度27~29溢流閥一旦液壓系統(tǒng)中壓力過高，就會(huì)進(jìn)行卸荷保護(hù)液壓系統(tǒng)和液壓元件輔助元件30過濾器阻止雜質(zhì)從油箱進(jìn)入液壓系統(tǒng)中31~36液壓油箱給液壓系統(tǒng)提供液壓油2.6.2模鍛錘液壓系統(tǒng)工作分析圖2.1所示全液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)的工況分析如下：（1）提錘（回程）按下提錘的按鈕，電磁鐵3Y2通電，電磁換向閥18的右位接入系統(tǒng)；壓力油從變量泵1先后經(jīng)插裝閥11、插裝閥7調(diào)速閥23和進(jìn)入液壓缸2的有桿腔，此時(shí)上錘頭緩慢提升，液壓缸2無(wú)桿腔回油通過單向閥22和插裝閥13進(jìn)入油箱，當(dāng)提升到指定位置時(shí)3Y2斷電。此時(shí)系統(tǒng)中油液流動(dòng)情況為：①主油路進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥11→插裝閥7→調(diào)速閥23→液壓缸2（有桿腔）；回油路：液壓缸2（無(wú)桿腔）→單向閥22→插裝閥13→油箱。②控制油路：進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥4→電磁換向閥16、17、18→插裝閥5、6、8、10、12、14、15；回油路：插裝閥7、9、11、13→電磁換向閥17、18→油箱。（2）寸動(dòng)對(duì)模當(dāng)上錘頭提升到預(yù)定位置時(shí)，按下寸動(dòng)對(duì)模按鈕。電磁鐵1Y通電，電磁換向閥16的右位接入系統(tǒng)；壓力油從泵經(jīng)過插裝閥5和插裝閥9進(jìn)入液壓缸2的無(wú)桿腔，液壓缸2有桿腔回油先后經(jīng)過調(diào)速閥22、插裝閥7和插裝閥6進(jìn)入油箱。此時(shí)系統(tǒng)中油液流動(dòng)情況為：①主油路進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥5→插裝閥9→液壓缸2（無(wú)桿腔）；回油路：液壓缸2（有桿腔）→調(diào)速閥22→插裝閥7→插裝閥6→油箱。②控制油路：進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥4→電磁換向閥17、18→插裝閥8、10、11、12、13、14、15；回油路：插裝閥5、6、7、9→電磁換向閥16、17→油箱。（3）打擊電磁鐵2Y、3Y1通電，電磁換向閥17的右位以及的18左位同時(shí)接入系統(tǒng)，壓力油經(jīng)插裝閥13、插裝閥10、單向閥19（20）以及調(diào)速閥25（26）后進(jìn)入液壓缸3（2）無(wú)桿腔，從液壓缸3（2）有桿腔出來(lái)的液壓油也分別經(jīng)過調(diào)速閥24（23）和插裝閥14（15）重新進(jìn)入液壓缸3（2）無(wú)桿腔，形成差動(dòng)連接，從而提升活塞桿下降的速度。此時(shí)系統(tǒng)中油液流動(dòng)情況為：①主油路進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥13→插裝閥10→單向閥1（20）→調(diào)速閥25（26）→液壓缸3（2）無(wú)桿腔；回油路：液壓缸3（2）有桿腔→調(diào)速閥23（22）→插裝閥14（15）→液壓缸3（2）無(wú)桿腔；②控制油路：進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥4→電磁換向閥16、17、18→插裝閥5、6、7、9、11、13；回油路：插裝閥8、10、12、14、15→電磁換向閥17、18→油箱。（4）回程電磁鐵2Y、3Y2通電，電磁換向閥17和18右位同時(shí)接入系統(tǒng)，壓力油經(jīng)過插裝閥11、8以及調(diào)速閥23（24）分別進(jìn)入液壓缸2（3）的有桿腔，從液壓缸2（3）的無(wú)桿腔出來(lái)的液壓油經(jīng)過單向閥22（21）、插裝閥13回到油箱。此時(shí)系統(tǒng)中油液流動(dòng)情況為：①主油路進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥11→插裝閥8→調(diào)速閥23（24）→液壓缸2（3）有桿腔；回油路：液壓缸2（3）無(wú)桿腔→單向閥22（21）→插裝閥13→油箱。②控制油路：進(jìn)油路：變量泵1→插裝閥4→電磁換向閥16、17、18→插裝閥5、6、7、9、12、14、15；回油路：插裝閥8、10、11、13→電磁換向閥17、18→油箱。（5）懸錘當(dāng)觀察到模鍛完成或者遇到緊急情況時(shí)，斷開打擊回程開關(guān)，電磁鐵全部斷電，電磁換向閥回復(fù)到原位。液壓缸2、3兩腔封閉，上錘頭和錘身立即停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)系統(tǒng)中液壓油既不流入液壓缸，也不會(huì)流出液壓缸，從而使模鍛錘不進(jìn)行位移。根據(jù)該液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)，判斷電磁鐵通斷電和控制閥工作狀態(tài)如下表2-9所示。表2-9電磁鐵和控制閥動(dòng)作順序表輸出狀態(tài)工序電磁鐵動(dòng)作狀態(tài)（+/-）控制元件工作狀態(tài)1Y2Y3Y13Y2電磁換向閥16電磁換向閥17電磁換向閥18寸動(dòng)對(duì)模+右位左位中位打擊-++-左位右位左位回程-+-+左位右位右位提錘+左位左位右位懸錘左位左位中位3液壓元件計(jì)算與選型3.1執(zhí)行元件主要參數(shù)計(jì)算與選擇3.1.1液壓缸參數(shù)計(jì)算（1）初定液壓缸工作壓力根據(jù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)各階段中最大負(fù)載力（見下表3-1）來(lái)確定。表3-1按負(fù)載選執(zhí)行元件的工作壓力負(fù)載/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作壓力/MPa≤0.8~11.5~22.5~33~44~5>5工作壓力20MPa背壓1MPa。（2）液壓缸選型缸筒內(nèi)徑D一般通過對(duì)負(fù)載和工作壓力計(jì)算來(lái)確定（查表選取標(biāo)準(zhǔn)值）：以無(wú)桿腔作工作腔時(shí)（3-1）以有桿腔作工作腔時(shí)（3-2）因?yàn)閮蓚€(gè)液壓缸都是無(wú)桿腔為工作腔，所以液壓缸的內(nèi)徑均使用公式（3-1）進(jìn)行計(jì)算：液壓缸2的內(nèi)徑（3-3）液壓缸3的內(nèi)徑（3-4）根據(jù)計(jì)算出來(lái)的上述相關(guān)數(shù)據(jù)，查閱表3-2，選取合適的液壓缸。表3-2HSG工程液壓缸的技術(shù)規(guī)格型號(hào)缸徑/mm桿徑/mm推力和拉力行程范圍/mmφ=2推力/Nφ=2時(shí)拉力/NHSG*01-50/d*E50323140015010600HSG*01-63/d*E63454987024430800HSG*01-80/d*E805580424424102000HSG*01-90/d*E9063101790519002000HSG*01-100/d*E10070125660640604000HSG*01-110/d*E11080152050716004000HSG*01-125/d*E12590196350945004000HSG*01-140/d*E1401002463001206004000HSG*01-150/d*E1501052827401442804000因此上錘頭液壓缸選用HSG*01-63/d*E（φ=2），錘身液壓缸選用HSG*01-150d*E（φ=2）。3.1.2液壓泵性能參數(shù)計(jì)算（1）確定液壓泵的工作壓力（3-5）其中pp為液壓泵工作時(shí)的最大壓力、p1液壓系統(tǒng)最高工作壓力，∑△p為總壓力損失，在管路簡(jiǎn)單或依靠節(jié)流調(diào)速的液壓系統(tǒng)中取0.2~0.5MPa，在管路復(fù)雜或依靠調(diào)速閥調(diào)速的系統(tǒng)取中0.5~1.5MPa。常用中、低壓各類閥的壓力損失如下表3-3所示。表3-3常用中、低壓各類閥的壓力損失閥名調(diào)速閥節(jié)流閥順序閥換向閥背壓閥單向閥△p/MPa0.3~0.50.2~0.30.15~0.30.15~0.30.3~0.80.03~0.05根據(jù)液壓原理圖計(jì)算壓力損失（3-6）（2）系統(tǒng)最大流量的確定本液壓系統(tǒng)有兩個(gè)執(zhí)行器即雙作用活塞缸，因此選擇泵時(shí)應(yīng)按工作缸的最高進(jìn)給速度來(lái)選取，所以液壓泵流量規(guī)格可恰當(dāng)選小一些。全液壓模鍛錘打擊時(shí)形成差動(dòng)連接，有效作用面積為活塞桿面積A1,最大速度為上錘頭打擊終了的速度v1，由于q1=v1A1，則有打擊時(shí)最大流量：（3-7）（3-8）（3-9）回程時(shí)，工作缸上腔接通油箱，有效作用面積為活塞環(huán)形面積，工作缸環(huán)形面積乘以回程行程S1除以回程時(shí)間t2及容積效率η即可得到回程的流量為：（3-10）（3-11）（3-12）取二者最大流量qmax=q總=906L/min此處的最大流量為工作缸所需最大流量，工作缸與泵出口之間還有其他液壓元件及管路，因此應(yīng)該考慮一定的泄漏：(3-13）式中:Qp——泵的輸出流量(L/min)；K——液壓系統(tǒng)的泄漏系數(shù),通常在1.1~1.3之間，在此處取1.1；Qmax——實(shí)際執(zhí)行元件所需的最大流量(L/min)。（3-14）單個(gè)泵的流量：（3-15）（3）選擇液壓泵的規(guī)格根據(jù)下表選取液壓泵的型號(hào)表3-4A7V斜軸式變量泵的技術(shù)規(guī)格（節(jié)選）型號(hào)排量/（mL/r）工作壓力/MPa最高轉(zhuǎn)速/（mL/r）最大功率/KW最大最小額定最高n1n2n1n2A7V808023.1354022402750123136A7V10710730.820002450125153A7V117117023002650161181A7V16016046.217502100163196A7V250250015001850218270A7V355355013201650273342A7V500500012001500350437因此選取型號(hào)為A7V500斜軸式變量泵。（4）確定驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)功率在液壓泵壓力和流量都十分穩(wěn)定時(shí)，該液壓系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)功率為：P=ppqpηp液壓泵的總效率ηp參考下表3-5。表3-5液壓泵的總效率液壓泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率ηp0.6~0.70.65~0.800.60~0.750.80~0.85計(jì)算后取P=218KW3.2液壓元件計(jì)算與選擇3.2.1控制閥選擇根據(jù)該液壓系統(tǒng)工作時(shí)的最高壓力以及實(shí)際流量來(lái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)元件進(jìn)行選取。液壓系統(tǒng)最高壓力為21MPa。所以控制閥的選擇如下表3-6：表3-6控制閥選型序號(hào)元件名稱型號(hào)4、5、7~12二通插裝閥LC40A40E206、13、14、15二通插裝閥LC25A40E2016、17二位四通換向閥24DO-H6B-T18三位四通換向閥34DO-H6B-T19~22單向閥DF80-L-M0123~26調(diào)速閥Q-F16D-P27~29溢流閥YF-L10K3.2.2油管選擇油管內(nèi)徑（3-17）油管壁厚δ≥pd2σ（3-其中p為管內(nèi)最大工作壓力，[σ]=σb/n，σ為材料許用應(yīng)力，σb為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，當(dāng)p<7MPa、p<17.5MPa、p>17.5MPa時(shí)，分別取n=8、6、4。在本設(shè)計(jì)中取σb=410MPa，n=4。表3-7管道直徑尺寸確定項(xiàng)目q最大流量(L/min)v允許流速(m/s)內(nèi)徑(mm)壁厚(mm)吸油管路498.3273δ≥7.48回油管路488272δ≥7.38高壓油管路9062.587δ≥8.91根據(jù)計(jì)算出的油管參數(shù)，查表3-8，懸著標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管。表3-8鋼管主要參數(shù)（部分）公稱通徑DN/mm外徑/mm管接頭連接螺紋/mm壁厚/mm(公稱壓力PN/MPa)推薦流量/(L/min)2534M33×24.51603242M42×252504050M48×25.54005063M60×26.56306575M60×2810008090M60×2101250100120M60×2102500根據(jù)上述相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合表3-8，在本設(shè)計(jì)中，進(jìn)油路和回油路管路均選取公稱通徑為80mm的無(wú)縫鋼管，高壓油路則選擇公稱通徑為100mm的無(wú)縫鋼管。3.2.3油箱設(shè)計(jì)（1）液壓系統(tǒng)發(fā)熱計(jì)算1）液壓泵發(fā)熱功率由于模鍛錘液壓系統(tǒng)在工作時(shí)需要完成打擊與回程兩個(gè)工序，因此需要分別計(jì)算這兩個(gè)工序發(fā)熱功率，從而求出其平均發(fā)熱功率HP：（3-19）式中：P——液壓泵的輸入功率，（3-20）?P——液壓泵的總效率，這里取0.8；p——液壓泵實(shí)際出口壓力（Pa）；T——工作循環(huán)周期（s）；Q——液壓泵的實(shí)際流量（m3/s）；t——工序的工作時(shí)間（s）；i——工序的次序。經(jīng)過計(jì)算的到P1≈218006W，P2=54250W，（3-21）液壓閥的發(fā)熱功率當(dāng)液壓泵中的液壓油全部經(jīng)過溢流閥返回油箱時(shí)，液壓閥的發(fā)熱功率最大。（3-22）式中pV——溢流閥調(diào)整壓力（Pa）QV——流經(jīng)液壓閥的流量（m3/s）。計(jì)算得HV=16610W。系統(tǒng)總發(fā)熱功率（3-23）油箱容積計(jì)算根據(jù)機(jī)械允許最高油溫和環(huán)境溫度，當(dāng)油箱所允許的最高溫度為Tr時(shí)，該油箱的需要的最小散熱面積Amin：（3-24）式中T0——環(huán)境溫度（K）；K——油箱的傳熱系數(shù)k/[W/（m2?℃）]，在本設(shè)計(jì)中選擇循環(huán)水強(qiáng)制冷卻，可以近似取150。當(dāng)油箱各邊長(zhǎng)的比值在1：1：1到1：2：3之間，油液全部回到油箱是液面高度達(dá)到油箱的80%時(shí)，當(dāng)冷卻后能夠滿足系統(tǒng)溫度比Tr低時(shí)，公式（3-25）能夠?qū)ζ渖崦娣e進(jìn)行計(jì)算：（3-25）式中V——油箱的有效容積（m3）；A——油箱的散熱面積（m2）。采用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻，此時(shí)k取150，計(jì)算得Amin≈5.414m2，則Vmin≈0.733m3=733L。最后選擇油箱容量的優(yōu)先系列選擇油箱容量為800L。3.2.4濾油器選擇濾油器的選擇，首先要考慮的便是對(duì)過濾精度的選擇，根據(jù)表3-9選擇合適的過濾精度。表3-9濾油器過濾精度的選擇類別過濾精度/μm類別過濾精度/μm系統(tǒng)低壓系統(tǒng)100~150元件滑閥1/3最小間隙7MPa系統(tǒng)50節(jié)流孔1/7孔徑（孔徑小于1.8mm）10MPa系統(tǒng)25流量控制閥2.5~3014MPa系統(tǒng)10~15溢流閥15~25電液伺服系統(tǒng)5高精度伺服系統(tǒng)2.5查表3-9，選擇紙質(zhì)過濾器，過濾精度為10μm。具體型號(hào)如表3-10所示。表3-10高壓管式紙質(zhì)過濾器技術(shù)性能（部分）型號(hào)流量/(L/min)額定壓力/MPa過濾精度/μm通徑/mm初始?jí)毫?MPa重量/kgZU-H250×10FS2503210Φ380.1524ZU-H250×20FS25020ZU-H400×10FS40010Φ500.232ZU-H400×20FS40020ZU-H630×10FS63010Φ5336ZU-H630×2FS63020根據(jù)上述數(shù)據(jù)，結(jié)合表3-10，在本設(shè)計(jì)中，選取型號(hào)為ZU-H630×10FS紙質(zhì)過濾器。3.3液壓系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算（1）油液流動(dòng)狀態(tài)確定雷諾數(shù)：（3-26）式中：v——油液的平均流速（m/s）；d——油管的直徑（m）；μ——油液的運(yùn)動(dòng)粘度（cm2/s）；q——通過的油液流量（m3/s）。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-26）中，得：吸油路雷諾數(shù)（3-27）高壓油管路（3-28）回油管路（3-29）由上可知，吸油路和回油路的油液流動(dòng)均為過渡區(qū)，高壓油管路中則為紊流光滑區(qū)。為了方便計(jì)算，均按照紊流光滑區(qū)公式進(jìn)行計(jì)算。（2）沿程壓力損失計(jì)算在進(jìn)油路上，流速：（3-30）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-30）中對(duì)流速進(jìn)行計(jì)算，得：，v2=1.92，v3=1.61。則壓力損失為：（3-31）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-31）中，得：（3）局部壓力損失計(jì)算①閥類元件的壓力損失閥類元件壓力損失大致范圍如表3-3所示。各閥壓力損失均按表中的最大值來(lái)計(jì)算：進(jìn)油路閥類元件局部壓力損失為：（3-32）回油路閥類元件局部壓力損失為：（3-33）②集成塊內(nèi)油路的壓力損失集成塊內(nèi)油路的壓力損失與油管的安裝有關(guān)，在本次設(shè)計(jì)中，均取0.05MPa。（4）系統(tǒng)總壓力損失計(jì)算系統(tǒng)的總壓力損失：（3-34）將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3-34）中，則：進(jìn)油路總壓力損失0.13×2+1.05+0.05=1.36MPa回油路總壓力損失=0.13+0.05+0.05=0.23MPa綜上所述，打擊回程工況下系統(tǒng)內(nèi)各種實(shí)際壓力損失均處于適合的范圍內(nèi)，故液壓系統(tǒng)的元件參數(shù)是合理的，能滿足使用要求。4全液壓模鍛錘AMESim模型建立4.1仿真意義及仿真軟件介紹對(duì)于一個(gè)液壓系統(tǒng)的性能的研究，除了靜態(tài)性能之外還需對(duì)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，而前面對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析都是對(duì)其的靜態(tài)性能進(jìn)行考慮，因此還需要通過仿真來(lái)對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究，通過觀察仿真的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證該液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否在動(dòng)態(tài)性能上也能滿足設(shè)計(jì)的要求。目前的仿真軟件種類很多，而我這次選擇的便是AMESim。該仿真軟件進(jìn)行仿真時(shí)總過需要經(jīng)過5個(gè)步驟：.草圖模式：將仿真所需要的元件從不同的元件庫(kù)中選取拖入工作界面，然后將各個(gè)元件按照設(shè)計(jì)要求連接在一起；若是需要元件庫(kù)中沒有的元件，還能通過對(duì)元件庫(kù)中的液壓元件液壓元件進(jìn)行組合來(lái)搭建一個(gè)新的元件。子模型模式：對(duì)不同的元件使用不同的數(shù)學(xué)模型，每個(gè)子模型都有各自的特點(diǎn)，因此需要根據(jù)需求選擇正確的子模型。參數(shù)模式：按照設(shè)計(jì)的內(nèi)容對(duì)選中的元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。仿真模式：設(shè)置仿真的時(shí)間、步長(zhǎng)等參數(shù)，然后便可以點(diǎn)擊仿真；若是參數(shù)設(shè)計(jì)存在問題則會(huì)提示仿真失敗，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果：仿真完成后，點(diǎn)擊需要觀察的元件，將所需要觀察的數(shù)據(jù)拖入工作界面，便能對(duì)其仿真過程中的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行觀察來(lái)分析該液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。4.2插裝閥建模與仿真由于模鍛錘的打擊能量很大，所以工作時(shí)的流量個(gè)壓力都很大，而一般的換向閥并不適用高壓大流量的控制，因此需要利用插裝閥和先導(dǎo)換向閥進(jìn)行組合使用，所以該液壓系統(tǒng)中采用了比較多的二通插裝閥。該閥具有阻力小、允許通過的流量大、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入液壓缸的高壓油也全部經(jīng)過插裝閥，因此需要確保插裝閥的擁有良好的動(dòng)態(tài)性能，所以需要對(duì)其進(jìn)行仿真。但是由于AMESim的元件庫(kù)中并沒有插裝閥的元件，因此我們需要根據(jù)其原理來(lái)進(jìn)行建模。二通插裝閥有三個(gè)接口，一個(gè)接入控制的壓力油，另外兩個(gè)則組成一條可以通斷的油路；一旦控制油口進(jìn)入了壓力油，另兩個(gè)接口組成的油路便會(huì)在壓力的作用下閉合；當(dāng)控制口中沒有壓力油時(shí)，油路便會(huì)導(dǎo)通。根據(jù)上述原理搭建的插裝閥元件模型如下圖4.1所示：圖4.1插裝閥仿真模型在完成好對(duì)插裝閥的仿真模型建立之后，為了觀察其動(dòng)態(tài)性能，于是將其放入一個(gè)簡(jiǎn)單的液壓回路中進(jìn)行仿真。該液壓回路如下圖4.2所示：圖4.2插裝閥動(dòng)態(tài)性能仿真回路其主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下表4-1所示：表4-1主要參數(shù)設(shè)置元件名稱參數(shù)內(nèi)容數(shù)值插裝閥閥芯質(zhì)量/kg1.33彈簧剛度/（N·m-1）54.6主閥通徑/mm40液壓泵排量/（mL·r-1）800電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/（r·min-1）1500溢流閥溢流壓力/MPa22先導(dǎo)伺服閥阻尼比0.8固有頻率/Hz40其仿真結(jié)果如下圖4.3所示：圖4.3插裝閥性能仿真結(jié)果當(dāng)控制閥電信號(hào)為正時(shí)，油液進(jìn)入進(jìn)入控制腔，所以存在一定大小的壓力，而此時(shí)插裝閥處于斷路，所以出口壓力為0，當(dāng)控制閥信號(hào)為負(fù)時(shí)，油液從控制腔經(jīng)過控制閥回到油箱，而此時(shí)插裝閥通路，因此出口壓力不為0。根據(jù)仿真的結(jié)果來(lái)看，該插裝閥的啟閉特性較好。4.3模鍛錘液壓系統(tǒng)模型的建立該模鍛錘主要工作分為打擊與回程兩個(gè)工況，而且上錘頭和錘身在這兩個(gè)工況下的運(yùn)動(dòng)類型基本一致，因此采取分別對(duì)其的打擊與回程進(jìn)行仿真，但是由于在這兩種工況下二者的液壓回路基本一樣，所以接下來(lái)的液壓仿真回路將以上錘頭為例。4.3.1打擊回路模型建立與仿真打擊回路的模型建立圖4.4打擊回路仿真模型其中，插裝閥的參數(shù)設(shè)置如表4-1所示，打擊時(shí)其它元件的主要參數(shù)設(shè)置如下表4-2所示：表4-2打擊液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)元件名稱參數(shù)名稱參數(shù)值信號(hào)源循環(huán)次數(shù)1循環(huán)時(shí)間/s0.25開始輸出信號(hào)40結(jié)束輸出信號(hào)40伺服閥電流/mA40固有頻率/Hz40阻尼比0.8溢流閥1開啟壓力/MPa21溢流閥2開啟壓力/MPa25參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊仿真，仿真結(jié)束后將液壓缸的速度與位移圖拖入工作仿真結(jié)果如下圖4.5所示：圖4.5液壓缸位移、速度變化圖根據(jù)圖中的變化曲線可以看出，在到達(dá)0.23s秒時(shí)液壓缸基本都到達(dá)了指定位置，打擊速度也與設(shè)計(jì)相差不大，因此該液壓系統(tǒng)的打擊回路基本符合設(shè)計(jì)要求。4.3.2回程回路模型建立與仿真回程回路的模型建立圖4.6回程回路仿真模型其中，插裝閥的參數(shù)設(shè)置如表4-1所示，回程時(shí)其它元件的主要參數(shù)設(shè)置如下表4-3所示：表4-3回程液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)元件名稱參數(shù)名稱參數(shù)值信號(hào)源循環(huán)次數(shù)1循環(huán)時(shí)間/s0.8開始輸出信號(hào)40結(jié)束輸出信號(hào)40伺服閥電流/mA40固有頻率/Hz40阻尼比0.8溢流閥1開啟壓力/MPa21