第7章 液压系统的性能验算
液压系统在初步设计时，各种参数都是靠经验估计出来的，当回路形式，液压元件及连接等完全确定后，针对实际情况，对所设计的系统进行各项性能分析，对于一般液压传动系统来说，主要是进一步确切的计算液压回路的各段压力损失、压力冲击和发热升温等方面。以便使系统设计更加完善与可靠。
7.1管路系统压力损失
当系统元件，辅件规格，系统管路尺寸确定后，即可进行系统压力损失计算。它包括管路的沿程压力损失△P
，局部压力损失△P
及阀类元件的局部损失△P
。
即
=++
（8—1）
式中 =
/
×
/2 （8—2）
=
/2 （8—3）
=
（
/
） （8—4）
式中 ——管道长度（m）
——管道内径（m）
——液流的平均速度（m/s）
——液压油的密度（kg/m
）
——沿程阻力系数
——局部阻力系数
——阀的额定流量（m/s）
——通过阀的实际流量（m/s）
——阀的额定压力损失（MPa）
7.1.1沿程压力损失的计算
在整个系统中有两段沿程压力损失：一段发生在液压泵到液压缸这个沿程上，沿程为
=1.7 m，管道内径为0.02m，第三段发生在液压缸到油箱这个沿程上，L
=2.3m，管道内径为0.02m。
由于系统在快进的时候得到最大值
=30.6L/min=0.00051m/s；
本设计选择的液压油运动粘度为32mm
/s，密度为900kg/m；
当是回油管时，管道里的流量为最大值的一半即0.000255m3/s
实际流速为：
=4/
=
=0.812m/s
=/
=
=812＜2300
式中 ------液压油运动粘度
所以油路在管路中是呈层流状态，其沿程阻力系数：
=75/=75/812=0.092
当是压油管时，管道里的流量为0.00053m3/s
实际流速为：
=4/=
=1.688m/s
=/ =
=1055＜2300
式中 ------液压油运动粘度（mm/s）
所以油路在管路中是呈层流状态，其沿程阻力系数：
=75/=75/11055=0.071
由公式（8—2）得：
=/×/2+/×/2；
=（0.071×1.7）/0.02×（900×0.812）/2+
（0.0092×2.3）/0.02×（900×0.812）/2
=17906+313.9
=18219 Pa
7.1.2管路内的局部压力损失
管道内的局部压力损失是通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失，以及通过控制阀的局部压力损失之和。由于本系统设计中的管路没有多少折管和管接头。这一部分的压力损失很小，几乎为零。
7.1.3阀类元件的局部压力损失
由于该液压系统比较简单，控制阀中有压力损失的就只有手动换向阀。因此在这里计算手动换向阀导致的局部压力损失，该系统选择的电磁换向阀的几个参数。
=0.001㎡
=0.02MPa
由流体力学知识得实际流量的计算公式：
=
（8—5）
式中 ——小孔流量系数，参考文献[10]，一般取C=0.61
——换向阀的额定压力损失（MPa）。从换向阀的技术参数里面查得=0.02MPa
——液压油的密度（kg/m）
由公式（8—5）得：
=0.61×0.001×
= 0.0041 m3/s
由公式（8—4）得：
=0.02×10
×（0.0041/0.0042）
=0.019MPa
所以系统总的压力损失由公式（5—13）得：
=++
=7502+19000
=0.026502 MPa
可见本系统压力损失很小。
即液压泵的出口压力为=10.82+0.0182=10.84＜21MPa
由计算出来的结果可以知道，液压泵打出来的压力低于其额定压力，所以泵的选择是合理的。
7.2 液压冲击的计算
在液压系统中，当迅速的换向或关闭油路突然使流速改变时，系统内就会产生压力的剧烈变化，这就是液压冲击现象，液压冲击大的系统要安装液压缓冲装置。
通过分析本液压系统，该液压系统的最大冲击发生在液压系统突出关闭的时候，当液压系统瞬时关闭液流时，管道内最大的液压冲击按下式计算：
△=
（8—6）
式中 
——液流发生变化前的流速（m/s）
——液压油的密度（kg/m）
——油的容积的弹性系数 =1.67×10MPa；
——管道内材料的弹性系数 =2.1×10MPa；
——管道内径（m）
——管道的壁厚（m）
当是吸油管时，由公式（8—6）得：
=
=0.51MPa
当是压油管时，由公式（8—6）得：
=
=0.37MPa
当是回油管时，由公式（8—6）得：
=
=0.37MPa
液压冲击在本系统中不是很明显，因此可以不安装液压缓冲装置。
7.3 液压系统热分析及其计算
液压系统的压力，容积和机械三方面的损失构成总的能量损失。这些能量损失将转化成热能，使液压系统油温升高，系统油温过高会产生下列不良影响：
1.使液压油的粘度大大降低，泄露增大，溶剂效率下降，并使油液节流元件的节流特性变化，造成速度不稳。
2.引起热膨胀，使运动副之间间隙发生变化，变小的时候可能造成元件的“卡死” ，失去工作能力，变大的时候会造成泄露增大。
3.密封软管和过滤器等辅助元件，有一定的温度限制。如果温度超过这个限制，他们就不能正常工作。
4.引起机器构件的热变形，而破坏其应有的精度。
7.3.1液压泵功率损失产生的热流量（热量）
由计算公式：
=
（1-
） （8—7）
式中 ——液压泵的输入功率（kw）
——液压泵的效率，=0.8
由公式（8—7）得：
=9.6（1-0.8）
=1.92kw
液压油通过阀（孔）时产生的热量：
=△ （8—8）
式中 ——通过阀（孔）的压力降，一般换向阀取=0.05MPa
——通过阀（孔）实际流量（L/s）
由公式（8—8）得：
=0.05×10×172×10
/60
=143w=0.143kw
所以系统产生总的热量：
= +=1.92+0.143=2.063kw；
7.3.2液压系统的散热计算
根据参考文献[2]，一般油面高度为油箱高的0.8倍。 如图8—1。因为前面初步得油箱的有效容积为0.3m，所以0.8
=
。
即=1.25×0.8=1 m；
取=0.5m，
=1m，
=0.48m，
H=0.6m
一般，取与油箱相接触的油箱表面积和油面以上的表面和之半作为油箱的有效散热表面积。
根据文献[2]可得油箱的散热面积计算公式：
=（+2+2）+1/2[+2（-）+2（-）]
=1.94+0.43
=2.37m
图8—1
计算油箱的散热功率：
=
（8—9）
式中 ——油箱散热系数w/m.
C，由于本设计的油箱尺寸比较大，所以采用外置油箱，通风良好。根据参考文献[1]， K=50w/m·C
——油箱的散热面积（m2）
——油温与环境温度之差C，=35C
由公式（8—9）得：
=50×2.37×35=3360w=4.1475kw；
因为＞，即4.1475 kw＞2.063 kw
所以油箱的散热已满足该系统产生的热量要求，故不需要另加冷却器。
第9章 机架的设计
在机械或仪器中，支撑或容纳部件的零件称为机架。故机架是底座、机身、壳体以及基础台等零件的统称。
机架分类按机构形式分，可分为梁式刀架框架、平板式机架，箱壳式机架。按制造方法和机架材料分为铸造机架、焊接机架、非金属机架等。
机架的设计准则：
机架的设计主要应保证刚度、强度和稳定性的要求。此外，对于机床仪器等精密机械，还应该考虑变形问题。设计时的变形尽量小，机架的刚度和强度都应从静态和动态两方面进行考虑。提高静刚度和固有频率的途径是：合理设计机架的截面面积和尺寸。合理选择壁厚和布肋。注意机架的整体和布局刚度及结合面的刚度匹配等。
机架设计的一般要求：
1. 在满足强度和刚度的前提下，机架的自重应该要求尽量轻，减少成本。
2. 抗腐性好，把受迫震动副减小到最小
3. 机械在工作时，噪声应尽量小。
4. 温度场合分布合理，热变形对温度的影响小。
5. 机构设计合理，工艺性良好，便于铸造，焊接和机械加工。
6. 结构应便于安装和调试，方便修理和更换零件。
7. 有导轨的机架，要求轨道面受力合理，耐磨性好。
8. 造型美观，使之即经济又美观。
根据以上条件和液压机的具体工作情况，选择框架式机架。
9.1 机架材料的选择
由于多数机架形状比较复杂，一般采用铸铁。由于铸造性好，价格低，吸震性好，主要的重型机架常采用铸钢。当要求重量轻时，可以用铸造或锻压铝合金等轻金属制造。焊接机架具有制造周期短，重量轻，成本低等优点，故在机架制造中，焊接机架日益增多。焊接机架主要有钢板，型钢和铸钢等焊接而成。还有的机架则益采用非金属材料。
根据经验和查阅相关资料，液压机本设计的材料选用铸铁。查表得铸铁牌号为HT200。他的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得复杂的形状。在铸钢中添加少量的金属元素，可提高耐磨性能。铸钢的内摩擦大，阻尼作用强，故动态刚度好，铸钢还具有切削性好，便宜和使用方便易，于大量生产的优点。铸铁广泛应用于轧钢机械，重型机床的床身等场合。所以本设计采用HT200。
第10章 PLC控制
10.1总体规划
编织物包装压缩机主要有两大系统组成：一、液压系统；二、电气系统。液压系统由泵、阀、油缸、油箱和管路等组成，借助于电气系统的控制，可驱动压头完成点动和半自动循环等规定的工艺动作。
本章主要是电气系统的设计，任务是按照液压系统规定的动作图表驱动电机、选择规定的工作方式，使有关电磁铁在PLC以完成点动和半自动循环指定的工艺动作。
先启动电机，按下SB1，X005置1，辅助继电器M1得电驱动换向阀动作，压头块回程，放手手动作即停。打开光电保护，按下SB2，X004置1，辅助继电器 M2得电驱动控制阀动作，压头块慢下，放手动作则停止。
电气系统PLC框图
10.2输入设备的选择
交流接触器KM1、KM2选用型号CJ10-100，规格380V、100A。
空气开关QS选用型号DZ10-100。
选择开关SA2、SA3、SA4选用LAS1-AY-11。
手动开关SB1～SB9选用型号LA42XL2F。
按钮SA1选用型号LA42Y-01/R。
按钮SB1选用型号LA42J-01/R。
接近开关SQ1～SQ6选用型号LXJ8-32。
中间继电器KA1～KA5选用型号DZL-200，规格：直流24V。
时间继电器KT1、KT2选用型号DS-24，规格：直流24V。
压力继电器SP选用型号PDLH-L1。
热继电器FR1选用型号SZ-ZM4E，规格：交流380V，22KW。
断路器FU1选用型号DZX19-100。
断路器FU2、FU3、FU5选用型号C45N-3。
断路器FU4选用型号C45N-1。
断路器FU6选用型号DZ5-10。
变压器TC选用型号BK50-380。
整流变压器TR选用型号BZK-10A。
指示灯HL20、HL21选用型号XD9-24。
指示灯HL1～HL12选用型号DH10-4。
10.3电气柜的设计
（1）电气柜的基本结构采用薄钢板与角钢焊接组合而成，柜前有门维护方便。
（2）根据里面电器的尺寸设计电气柜的外形尺寸为长600mm,宽400mm,高1200mm.
（3）柜顶四角装有掉换，便与起吊和装运以及电气柜安装后位置的调整。
（4）在柜体上下两端均有不同的散热槽孔，当柜内元件发热后，热量上升，通过上槽孔排出，而冷风不断地从下端槽孔补充进柜使柜内自下而上形成一个自然风道，达到散热的目的。
（5）柜内线槽把柜内电器设备分六个区域。第一区域安装PLC；第二区域安装中间继电器和延时继电器。第三区域安装热继电器和空气开关；第四区域安装交流接触器；第五区域安装变压器和整流器；第六区域安装接线板。
（6）柜门用活动铰链连接，安装、拆卸方便。
（7）柜体表面漆选用聚脂桔形烘漆，附着力强，质感好。整柜呈亚光色调。避免了眩目效应。给工作人员创造了比较舒适的视觉环境。
10.4 PLC设计
10.4.1 PLC的选择
PLC控制系统输入信号有20个，均为开关量，其中手动开关有两个，选择开关有3个延时，开关有2个，接近开关有7个，压力辅助1个。
PLC控制系统的输出信号有14个，其中12驱动中间继电器KA1～KA10，2个驱动延时继电器。
根据输入和输出信号个数，PLC可选三菱FX1N-40MR-001，其输入点数有24，输出点数有16，满足要求而且留有一定裕量。
10.4.2 现场器件与PLC内部等效继电器地址编号对照表
|
输入信号
|
|
名称
|
功能
|
I/O编号
|
|
SA2
|
点动/半点动
|
X0
|
|
SA4
|
压制方式
|
X2
|
|
SB4
|
静止
|
X3
|
|
SB5
|
慢下
|
X4
|
|
SB6
|
回程
|
X5
|
|
SB7
|
顶出
|
X6
|
|
SB8
|
退回
|
X7
|
|
SB9
|
工作
|
X8
|
|
KT1
|
保压延时
|
X9
|
|
KT2
|
取坯延时
|
X10
|
|
|
光电保护
|
X11
|
|
输出信号
|
|
KA1
|
|
Y0
|
|
KA2
|
|
Y1
|
|
KA3
|
|
Y2
|
|
KA4
|
|
Y3
|
|
KA5
|
|
Y4
|
|
KA6
|
|
Y5
|
|
KA7
|
|
Y6
|
|
KA8
|
|
Y7
|
|
KA9
|
|
Y10
|
|
KA10
|
|
Y11
|
|
KA11
|
|
Y12
|
|
KA12
|
|
Y13
|
|
KT1
|
|
Y14
|
|
KT2
|
|
Y15
|
先按下SB2启动电机，把选择开关SA2旋转到“调整”位置按压相应的按扭可得相应的点动动作。按下SB6，X005置1，辅助继电器M12得电驱动液压换向阀动作，压头块回程，放手手动作即停。打开光电保护，按下SB5，X004置1，辅助继电器 M11得电驱动液压阀压动作，滑块慢下，放手动作则停止。同理，按下SB8，辅助继电器M14得电驱动液压阀YA1、YA7动作，顶缸退回，放手动作即停止。
若要完成半自动浮动压制中的一般脱模方式，当电机启动后，点动调整，把滑块调到上限位SQ1和顶缸调到上限位SQ5作为初始状态位置。在此过程中状态器S0～S26全部复位。把选择开关SA2旋转到“工作”位置，准备工作就绪。把选择开关SA4旋转到“浮动”一侧，把选择开关SA3转到“一般”一侧。初始脉冲M8000驱动，置位S0后置位S10，复位S0。按压双手按扭，辅助继电器M31得电驱动换向阀动作，滑块快速下行。
10.4.3指令程序
|
步序
|
指令
|
说明
|
|
1
|
LD X000
|
|
|
2
|
AND M12
|
|
|
3
|
OR X005
|
|
|
4
|
ANI X015
|
|
|
5
|
ANI M11
|
|
|
6
|
ANI M31
|
|
|
7
|
ANI M32
|
|
|
8
|
OUT M12
|
压块回程
|
|
9
|
OUT T3
|
|
|
|
K10
|
|
|
10
|
LDI X000
|
|
|
11
|
ANI X003
|
|
|
12
|
AND X023
|
|
|
13
|
ANI M12
|
|
|
14
|
MC N0
|
|
|
|
M10
|
|
|
15
|
LD X004
|
|
|
16
|
ANI X020
|
|
|
17
|
ANI X014
|
|
|
18
|
ANI M12
|
|
|
19
|
OUT M11
|
压块慢下
|
|
20
|
LD X006
|
|
|
21
|
ANI X021
|
|
|
22
|
ANI M14
|
|
|
23
|
ZRST（FNC40）
|
S0～S26全部复位
|
|
|
S20
|
|
|
|
S26
|
|
|
24
|
LDI X023
|
|
|
25
|
ZRST（FNC40）
|
S0～S19全部复位
|
|
|
S10
|
|
|
|
S19
|
|
|
26
|
ZRST（FNC40）
|
S21～S26全部复位
|
|
|
S21
|
|
|
|
S26
|
|
|
27
|
LD X000
|
|
|
28
|
AND T0
|
|
|
29
|
PLS M30
|
|
|
30
|
LD M30
|
|
|
31
|
SET S0
|
|
|
32
|
STL S0
|
|
|
33
|
LD X002
|
|
|
34
|
AND X021
|
|
|
35
|
LDI X002
|
|
|
36
|
AND X022
|
|
|
37
|
ORB
|
|
|
38
|
AND X015
|
|
|
39
|
SET S10
|
|
|
40
|
STL S10
|
|
|
41
|
LD X010
|
|
|
42
|
AND X011
|
|
|
43
|
OUT M31
|
压头快下
|
|
44
|
LD X016
|
|
|
45
|
SET S11
|
|
|
46
|
STL S11
|
|
|
47
|
OUT M32
|
压头慢下
|
|
48
|
LD X002
|
|
|
49
|
AND X017
|
|
|
50
|
SET S12
|
|
|
51
|
LDI X014
|
|
|
52
|
OR 020
|
|
|
53
|
AND X002
|
|
|
54
|
SET S13
|
|
|
55
|
STL S12
|
|
|
56
|
OUT M33
|
浮动压制
|
|
57
|
LD X014
|
|
|
58
|
OR X020
|
|
|
59
|
SET S13
|
|
|
60
|
STL S13
|
|
|
61
|
OUT Y014
|
保压
|
|
62
|
LD Y014
|
|
|
63
|
AND X012
|
|
|
64
|
SET S14
|
|
|
65
|
STL S14
|
|
|
66
|
OUT M34
|
泄压
|
|
67
|
OUT T2
|
|
|
|
D8030
|
|
|
68
|
LD T2
|
|
|
69
|
SET S15
|
|
|
70
|
STL S15
|
|
|
71
|
LD X002
|
|
|
72
|
MPS
|
|
|
73
|
AND X001
|
|
|
74
|
SET S16
|
|
|
75
|
MPP
|
|
|
76
|
ANI X001
|
|
|
77
|
SET S17
|
|
|
78
|
LDI X002
|
|
|
79
|
MPS
|
|
|
80
|
AND X001
|
|
|
81
|
SET S18
|
|
|
82
|
MPP
|
|
|
83
|
ANI X001
|
|
|
84
|
SET S25
|
|
|
85
|
STL S16
|
|
|
86
|
OUT M35
|
压头块回程
|
|
87
|
LD X015
|
|
|
88
|
MPS
|
|
|
89
|
AND X001
|
|
|
90
|
SET S17
|
|
|
91
|
MPP
|
|
|
92
|
ANI X001
|
|
|
93
|
SET S20
|
|
|
94
|
STL S17
|
|
|
95
|
STL S26
|
压头回程
|
|
96
|
OUT M42
|
|
|
97
|
LD X015
|
|
|
98
|
ANI X001
|
|
|
99
|
SET S20
|
|
|
100
|
STL S20
|
|
|
101
|
OUT Y015
|
|
|
102
|
LD Y015
|
|
|
103
|
AND X013
|
|
|
104
|
OR X010
|
|
|
105
|
OR X011
|
|
|
106
|
SET S21
|
|
|
107
|
STL S21
|
|
|
108
|
LD X002
|
|
|
109
|
SET S22
|
|
|
110
|
LDI X002
|
|
|
111
|
SET S23
|
|
|
112
|
SET S0
|
转下一循环
|
|
113
|
RET
|
|
|
114
|
LD Y004
|
|
|
115
|
OR Y005
|
|
|
116
|
OR Y006
|
|
|
117
|
OR Y007
|
|
|
118
|
OUT Y000
|
|
|
119
|
LD M12
|
|
|
120
|
ANI T3
|
|
|
121
|
OR M34
|
|
|
122
|
OUT Y001
|
|
|
123
|
LD M31
|
|
|
124
|
OUT Y002
|
|
|
125
|
LD M11
|
|
|
126
|
OR M32
|
|
|
127
|
OUT Y003
|
|
|
128
|
LD M11
|
|
|
129
|
OR M32
|
|
|
130
|
OR M33
|
|
|
131
|
OR M31
|
|
|
132
|
OUT Y004
|
|
|
133
|
LD M12
|
|
|
134
|
AND T3
|
|
|
135
|
OR M35
|
|
|
136
|
OR M37
|
|
|
137
|
OR M42
|
|
|
138
|
OUT Y005
|
|
|
139
|
LD M14
|
|
|
140
|
OR M36
|
|
|
141
|
OR M40
|
|
|
142
|
OUT Y006
|
|
|
143
|
LD M13
|
|
|
144
|
OR M38
|
|
|
145
|
OR M39
|
|
|
146
|
OR M41
|
|
|
147
|
OUT Y007
|
|
|
148
|
LD Y001
|
|
|
149
|
OR Y005
|
|
|
150
|
OR M41
|
|
|
151
|
OUT Y010
|
|
|
152
|
LD M33
|
|
|
153
|
OR M41
|
|
|
154
|
OUT Y011
|
|
|
155
|
LD M13
|
|
|
156
|
OR M38
|
|
|
157
|
OR M39
|
|
|
158
|
OUT Y012
|
|
|
159
|
LD M33
|
|
|
160
|
OUT Y013
|
|
|
161
|
END
|
|
