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1、开 题 报 告题 目 ： 38MN水 压 机 电 液 控 制 系 统 分 析 与设 计学 院: 机械自动化学院专 业: 机械电子工程系学 号: 学生姓名: 指导教师: 日 期: 1、研究背景及意义水压机在机械工程中主要用于锻压工艺。它的特点是：工作行程大，在全行程中都能对工件施加最大工作力，能更有效地锻透大断面锻件，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小 1。原水压机控制系统是由操纵手柄、两阀分配器、柱塞缸、摆轴、机械反馈连杆组成的一种机械闭环传动控制系统。其工作原理是：操纵手柄摆动，带动导向螺杆转动，致使导向套横向移动。通过十字摆轴打开二阀分配器的一个阀芯，高压水进人柱塞缸，柱塞缸
2、移动推动主分配器下摆轴摆动，控制主分配器。同时也带动摆轴另一端的反馈连杆移动。反馈连杆作用在导向套上使导向套产生一个相反位移，从而完成其对水压机主分配器，四阀分配器的控制，来控制水压机的移动。此系统的特点是结构简单，易于维护和操作 2。但由于是采用的机械控制，机械反馈装置运行中存在以下问题。一是控制精度、反馈精度低，闭环系统的响应速度慢，不利于控制水压机实现快速锻造，锻造精度低，达不到快锻要求。二是故障率高，该系统故障主要是由于机械控制，反馈系统的机械磨损，及两阀分配器阀芯阀座关闭不严造成。阀芯关闭不严造成内泄较严重，由于内泄造成压力损失致使柱塞缸内压力造成损失，造成柱塞缸不能达到满行程，使摆
3、轴无法达到最大摆动量，造成主分配器上的进排水阀开启容量不足，其压力和流量不能满足水压机正常使用值，造成水压机工作速度慢，工作压力降低。三是水压机操作司机工作强度大，摆动幅度大，快锻的手柄频繁换向动作，八小时下来，司机感觉很是疲劳。四是此种形式操纵系统控制精度低，致使锻件尺寸难于精确控制，余量大，影响锻件成材率，影响锻件市场竞争力 2。重型机械制造业的发展是国防安全的保障。大型、重型产品的生产离不开液压机技术的发展和革新 3。目前，国内外已有相关学者对630t、2500t、10MN、50MN、300MN水压机原操纵机构系统进行了机电液一体化改造的研究：通过对原操纵机构系统机械闭环控制系统的机理分
4、析，结合现场实际情况决定采用以电液伺服控制系统取代了原机械闭环控制系统，以电信号来实现快速控制及反馈，响应速度快；以电液伺服控制实现对柱塞缸的精确控制，从而大大提高了系统控制精度及水压机锻造速度，彻底克服原系统的缺点，实现了水压机控制系统的灵活性、准确性、快速性且投资少、见效快，提高了锻件在市场的竞争力 2。38MN水压机存在着相似的问题，通过对油路系统和控制系统的改造，可使其响应速度更快，控制精度更高，能够实现精锻，提高锻件质量，改善工人的工作环境 3。二、研究内容 1.设计题目本次毕业设计题目是“38MN水压机电液控制系统分析与设计” 。现有38MN水压机操纵控制系统，就其控制原理来看，属
5、于一种机液伺服系统，操纵手柄产生一个角位移, 带动操纵手柄右侧的进排油阀开启和关闭。高压油作用在摇摆轴两侧柱塞缸，产生压力差, 使摇摆轴上下移动, 在高度方向上产生一个位移, 通过顶杆使主分配器的进、排水阀阀芯产生一个开口量, 在摇摆产生一个角位移的同时, 与摇摆轴刚性连接的机械反馈连杆带动操纵手柄产一个反方向角位移, 从而使进、排水阀开口量减小。当两个角位移相等时, 进、排水阀关闭, 柱塞缸停到某一位置, 从而带动摇摆轴停在某一位置, 使主分配器上的进排水阀处于某一固定的开口量, 高压水通过主分配器上的进排水阀完成水压机本体各种动作。这种操纵控制系统结构简单, 易于维护和操作, 但缺点很明显
6、: 一方面， 由于是机械反馈, 机液伺服系统的校正及系统增益的调整都不如电的方便。此外，反馈机构中的摩擦和间隙等都会给系统的性能带来不利的影响 4, 系统快速性和精度难于同时满足。 可以用角位移传感器检测出偏差信号 5。当出现角位移偏差, 比例放大器求得一控制信号, 调整比例阀的开口, 使之朝减小偏差的方向变化, 直至偏差消失。其控制精度主要取决于角位移传感器的检测精度与比例阀的响应特性 6；另一方面, 故障率高, 维修量大, 水压机操纵系统操作人员和维修人员劳动强度大, 设备作业率低；第三, 锻件尺寸控制精度低, 不能满足锻件小余量的市场要求。综合以上存在问题, 这种老化的操纵系统需要更新改
7、造,随之而来的就是被电液比例系统来替代, 从而实现水压机操纵系统的灵活性、准确性、快速性 7。因此，需要对该水压机控制系统和油路系统进行设计。2.主要技术参数水压机电液控制系统由主阀分配器、四阀分配器、换砧横移缸、换砧纵移缸以及泵站等构成。主阀分配器通过阀控柱塞缸（工作面积180cm 2，最大推力和速度分别为90KN、40mm/s）驱动，以控制压力机活动横梁的动作；四阀分配器通过另一组阀控柱塞缸（工作面积100cm 2，最大推力和速度分别为50KN、40mm/s ）驱动，以控制装有下砧的底座工作台的移动；底座工作台上的横移油缸（工作面积250cm 2，最大推力和速度分别为300KN、100mm
8、/s）以及纵移油缸（工作面积500cm 2，最大推力和速度分别为600KN、100mm/s）用于工作砧的快速更换。3.技术要求 主阀分配器柱塞缸和四阀分配器柱塞缸均采用电液比例阀控制，底座工作台横移缸和纵移缸均采用普通液压换向阀控制（以上各油缸均以确定，无需设计）；工作台与活动横梁不可同时动作，工作台与换砧油缸不同时动作，横移与纵移油缸也不能同时动作。要求合理设计油源和阀控液压系统，以满足驱动力、速度以及各种工况要求要求，且液压系统最高工作压力不超过 14MPa。3、研究方案1.控制系统的设计（1）主阀分配器，四阀分配器液压控制系统设计38MN水压机现有操纵系统由操作工人转动操作手柄，通过一系
9、列杠杆机构使阀芯控制机构处于相应的位置，以完成各分配器的分配任务。这种控制方式控制精度低，响应速度慢，可靠性低 8。本次设计将对油路控制系统进行改进，其电液比例系统原理图如图一。其中，溢流阀起安全保护作用，电磁换向阀起开锁作用，电液比例阀控制柱塞缸动作，采用Y型机能有利于柱塞缸锁紧，液控单向阀执行锁紧功能。其工作原理：若图一中电磁换向阀2.1、电液比例阀3.1控制主阀分配器，当电控系统发出指令电信号ei，比例放大器将电信号ei 放大, 作用在电液比例阀上，比例阀打开后, 高压油经过比例阀作用在柱塞缸上,若此时电磁换向阀处于左位，则液控单向阀处于关闭状态，柱塞缸锁紧，电液比例阀无法控制柱塞缸动作
10、；若此时电磁换向阀处于右位，则液控单向阀打开，电液比例阀控制柱塞缸动作，摇摆轴产生一角位移, 此角位移经过角位移传感器产生电信号ef , 两电信号ei、ef 经过比例放大器比较, 当e = ei- ef = 0 时, 电液比例阀的主阀芯调到中间零位, 柱塞缸的高压油既不进也不出, 停留在某一固定位置上, 从而带动摇摆轴停留在某一位置上, 主阀分配器的某一压力的进排水阀开启在某一高度上, 高压水通过主阀分配器完成水压机的空程向下、加压、回程、悬空等动作 7。对四阀分配器的控制与对主阀分配器的控制类似。左右两电磁换向阀配合工作，保证最多只有一个液控单向阀组打开，也就保证了工作台与活动横梁不同时动作
11、。工作台与活动横梁的动作分别由比例阀控制，比例阀又由电控系统分别控制。 P s2 . 13 . 13 . 2 2 . 24 . 14 . 34 . 45 . 35 . 25 . 44 . 215 . 1图一、主阀分配器，四阀分配器液压控制系统原理图1-溢流阀 2-电磁换向阀 3-电液比例阀 4- 液控单向阀 5- 柱塞缸（2）横移与纵移油缸液压控制系统设计图二为横移与纵移油缸液压控制原理图。P sM 1M 2M 3M 41 . 11 . 22 . 12 . 23 . 13 . 2图二、换砧油缸液压系统控制原理图1-电磁换向阀 2-单向节流阀 3-对称液压缸系统采用O型电磁换向阀，单向节流阀主要
12、用于调整液压缸移动速度，采用回油调速起到背压和平稳的作用。其工作原理：当图一工作台液压控制系统中电磁换向阀2.2处于左位时，电磁换向阀电磁铁M1 、M2 、M3、M4 均不得电，换砧缸由于水平放置且惯性极大，不会产生移动，而工作台可以在比例阀控制下产生动作，实现工作台与换砧油缸不同时动作；当电磁换向阀2.2处于位时，工作台不动作，电磁铁M1、M2、M3、M4中最多一个得电，从而控制横移或纵移油缸动作，通过电磁铁得电与否，实现横移与纵移油缸也不同时动作。2.液压泵站设计液压泵站由泵组、油箱组件、滤油器组件、控温组件及蓄能器组件等组合而成 13。比例阀对系统稳定要求很高，因此选用恒压变量泵和蓄能器
13、系统组合10。油箱外形以立方体或长方体为宜，最高油面只允许达到邮箱高度的80%，四周要有吊耳，以便吊装起运 11。邮箱顶部开有圆形清洗口，用于清洗内部。为了便于散热，油箱的底部应离地面150mm以上。泵的吸油管与系统回油管之间的距离尽可能远些，管口都应插于最低液面以下，吸油管端部所安装的的滤油器，离管壁要有3倍管径的距离。液位计安装位置应使液位计窗口满足对吸油管最高、最低液位的观察 12。通过冷却器来控制油液的温度，使之适合系统的工作要求 9。空气滤清器使油箱与大气相通，保证泵的自吸能力，滤除空气中的灰尘杂质，还可见做加油口，一般布置在靠近油箱边缘处。规模小的液压泵站，通常将液压控制阀安装在油
14、箱面板上或集成在油路块上，再安装在油箱上13。本次设计会将液压控制阀集成在集成块上。4、研究进度（1）第三周第五周：熟悉课题内容，查阅相关文献，准备相关资料，完成开题报告。（2）第六周第八周：完成系统（包括泵站）的方案设计、绘制液压系统原理图(A2)、相关参数的计算。（3）第九周第十一周：元件选型、部分零部件结构设计、液压阀集成块体加工图(2A2，其中手工绘图1张)、阀块、阀架装配图。（4）第十二周第十三周：源装配总图(含油箱、泵组及此两部分间的联接管道的装配图(A0) ， （3A2） ） 。在绘图期间，还要对设计进行修改 、标明零件装配的技术要求、装配工艺等。（5）第十四周第十五周：编写设计
15、说明书、准备答辩资料、答辩。五、参考文献1 赵国立.水压机液压系统故障原因分析及对策J,科学技术报，2013,72 孙永涛,郭高升.基于电液伺服的锻造水压机控制系统设计J，液压气动与密封，2011（3）：45-473 姚静, 孔祥东. 50MN自由锻造水压机电液伺服控制系统建模仿真J, 系统仿真学报, 2007, 19(16): 3766-37694 王春行液压控制系统M,北京：机械工业出版社，1999.55熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础M,北京：机械工业出版社，2006,5.第三版6 刘忠伟.液压同步控制系统及其在巨型水压机上的应用J,液压气动与密封,2007年第1期7 李公达，关中华
16、.2500t自由锻造水压机操纵系统改造.山东冶金J，2001年10月，第23卷第5期8 潭建平, 周俊峰.300MN模锻水压机操纵系统改造方案研究J, 机械科学与技术,2006, 25(12): 1408-14109 杨培元. 液压系统设计简明手册M,北京：机械工业出版社,200010 张利平. 液压站设计与使用M，北京：海洋出版社，200411 陈奎生.液压与气压传动.武汉：武汉理工大学出版社，200912 黄志坚. 液压辅件. 北京：化学工业出版社，200813 成大先. 机械设计手册(第4卷)M, 北京：化学工业出版社,2002,第四版14 Lim G H, Chua P S K, He Y B. Modern water hydraul
