第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

    随着工业的快速发展, 世界钢铁生产朝着能源利用率更高、更加经济、更加安全，并且更能适应环保要求的方向而发展;钢铁原料也正是顺着这种趋势发展，所以对废钢铁的需求更加强烈。目前，世界粗钢生产的原料有约40%来源于废钢铁的回收利用。我国由于废钢资源所限，约有四分之一炼钢生产用的钢铁料来自废钢铁。废旧钢筋在回收过程中比较散乱，因此，占用空间大，回收运输不经济，因此，废旧钢筋在运输前需要将其钢筋压实，这样能提高废旧钢筋回收过程中经济性。因此，研究废旧钢筋钢筋压实装置对提高国民经济有重要意义。

1.2 国内外相关研究情况

（1）国内液压技术现状及发展趋势

    我国的液压工业开始于20世纪50年代，目前正处于迅速发展，提高的阶段。其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和工程机械上。自从1964年从国外引进一些液压元件生产技术，同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。90年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进，消化，吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量，经济效益，研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。随着工业迅猛发展逐日发展壮大，相继建立了科研机构和专业生产厂家，从事液压技术研究和液压产品生产。他们不但能生产液压泵，液压阀等液压元件，还设计制造了许多新型液压的元件，如电液比例阀，电液伺服阀等。到目前为止，液压元件的生产，已成为了我国液压元件产品的生产系列。液压技术的发展正向着高效率，高精度，高性能方向迈进。液压元件向着体积小，重量轻，微型化和集成化方向发展，液压技术，交流液压等新兴的液压技术正在开拓。又由于计算机的应用，更大大地推进了液压技术的发展，像液压系统的辅助设计，计算机仿真和优化，微机控制等工作，也都取得了显著成果。当前，液压技术在实现高压，高速，大功率，高效率，低噪音，经久耐用，高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制，司服控制，数字控制等技术上也有许多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计，计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，日益显示出显著的成绩。微电子技术的进展，渗透到液压与气动技术中并与之结合，创造出了很多高可靠性，低成本的微型节能元件，为液压气动技术在工业各部门中的应用开辟了更为广泛的前景。

    我国液压行业已形成了门类齐全、有一定生产能力和技术水平、初具规模的生产科研体系。目前全国约有近300 家企业,在国家部属或行业归口的研究院所中设有20 多个液压气动研究室,有10 多个大学设有流体传动与控制专业,还有国家级液压元件质量监督检测中心以及国家重点实验室。我国液压工业已可为工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金、矿山、石油化工、铁路、船舶、轻工机械等提供比较齐全的产品，目前，液压元件产品约有1000 个品种，近10000 个规格。通过科技攻关和技术引进,产品水平有一定提高，生产出一些具有世界水平的产品,另外,在CAD 和CAT 技术、污染控制、故障诊断、机电一体化、海水及高水基溶液的应用、现代控制技术的应用等方面也取得可喜成果,不少已应用于生产。

    我国液压工业重视同国外企业进行有效的经济和技术合作,近年来先后从国外引进了很多液压元件和液压系统等制造技术,为提高产品水平和生产能力起到了重要作用。目前已和美国、日本、德国共同建立了某些合资企业,这些企业将推动我国液压工业的发展。

（2）国外液压技术现状及发展趋势

    在国外,液压工业的发展速度高于机械工业。全世界液压产品产值约200 亿美元。在美、日、德等主要国家的比较中以日本人均产值为最高,其主要原因是日本工厂设备自动化程度高和生产管理完善,此外,日本各企业外协量大,将一些零件扩散给协作厂加工,实现零件专业化。 据统计,各国液压工业产值约占机械工业产值的2～3 % ,而我国仅占018 %左右,充分说明我国液压技术使用率低,需努力扩大其应用领域。

    世界液压工业市场概况

    液压技术的应用领域越来越广泛,据分析,建筑工程机械、农机等行走机械是液压工业的主要用户;在产业机械中,机床、冶金、塑机是主要用户。由于机床、塑机、机器人等行业部分传动已被电气传动所取代,其需求量减少,建筑、工程、冶金等需要量的比重显著增加。据国外资料介绍,建筑机械和工业车辆液压使用率有增长趋势,机床等产业机械的液压使用率有下降趋势,其主要原因是由于主机电一体化水平不断提高,其电气系统价格大幅度提高等造成的。

液压产品构成比分析

    近年来,由于主机产品发展的需要,产品品种构成有所变化:

A．柱塞泵构成比有增长趋势。齿轮泵变化不大,而叶片泵则下降017 %。

B．柱塞马达构成比有增长趋势。

C．阀门，通用三类阀门占总产量的比例有减少趋势,叠加阀、插装阀、比例阀、多路阀等所占比例将显著增加。电磁换向阀产量和销售额占的比重最大。

D．由于重视液压系统污染控制,过滤器销售额有显著增长。

国外液压工业生产方式变迁及现状

为了满足用户的需要,主机品种日益增多,产品更新速度加快,相应要求液压元件增加品种,实现多样化,因而液压件属于大批量生产的产品相对减少,大部分属于成批或小批生产。为适应这种动向,国外生产方式也有所变化,现仅就生产方式的变迁及其现状等问题分述如下：

几种生产模式(主要零件的冷加工)

①以普通机床加工装为主的生产线。这种方式属于20 世纪50 、60 年代水平,一般按机群流水方式排列,主要靠工装和专机来保证精度,这种方式柔性差, 效率低,在国外已基本淘汰;

②以高效半自动机床和组合机床为主的生产线。生产线一般按U 形排列,这种生产线生产效率高,但柔性差,适用于大批或成批生产;

③以数控(NC) 、加工中心(CNC) 及制造单元(FMC) 为主组成的生产线,将高精度、高效率及柔性集成于一体,采用这种方式加工比第一种模式提高效率5～6 倍,在国外得到广泛采用;

④以柔性生产线(FMS) 、柔性自动生产线(FTL) 为主的生产模式。日本、美国、德国的液压企业广泛采用这种装备,它适于多品种、中小批量生产,可以实现无人看管,生产效率高,显著缩短生产周期。至于加工大批量零件,如电磁阀体,在国外采用柔性自动生产线(FTL) 。它由数控滑台、传送装置、去毛刺及清洗装置、精密珩绞机、零件自动检测等设备按直线排列组成;

⑤组合机床生产线。以组合机床为主组成的自动生产线,一般为刚性,有的可以更换少量品种,更换产品所需时间为1～2 天,这种生产线柔性差,但适用批量大、产品设计寿命长的零件生产,如电磁阀体、多路阀体、齿轮泵壳体等,一般生产能力为10～30 万件。目前在美国、德国、台湾还有这种生产线。这种产生方式将被柔性和自动化水平高的生产线所替代。

重视辅助工艺主机厂要求液压件和系统具有较高的清洁度。各国液压件十分重视清洗和去刺工艺,铸件进厂后都采用电化学清理、喷丸和防锈处理,工序间和组装前都进行认真清洗,主要方法有气泡高压喷射(压力5～10MPa) 、超声波及气浴(三氯乙烷) 等清洗方法。国外对成批和大量生产的零件采用多种多样的去刺工艺,如热能、挤压、振动光饰、高压喷射、电解、液体喷砂、尼龙刷、切削等去刺工艺。清洗去刺已是液压件生产过程中不可缺少的工序。

第2章 液压系统方案论证

2.1 液压系统总体方案的拟定

    设计之前先确定设计产品的基本情况，再根据设计要求制定基本方案。以下列出了本设计—JZGJ废旧钢筋压实装置液压系统设计的一些基本要求：

    本机器适用于废旧钢筋材料的压制工艺。本机器具有独立的动力机构和电气系统。采用按钮集中控制。本机器的工作压力、压制时间可根据工艺需要进行调整。定压成型之工艺动作在压制后具有保压、延时、自动回程、延时自动退回等动作。 本机器主机呈长方形动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。

    从题目可以看出，本压实装置须采用液压传动，目前钢筋压实设备的传动方式主要有：液压式、气压式、电动式和机械传动方式等。

    气压传动的结构简单，成本低，易于实现无级变速；气体粘性小阻力损失小，流速快，防火防爆。但是空气易于压缩，负载对传动特性的影响大，不易在低温环境下工作。空气不易被密封，传动功率小。

    电气传动的优点是传动方便，信号传递迅速，标准化程度高，易于实现自动化，缺点是平稳性差，易受到外界负载影响。惯性大，换向慢，电气设备和元件要耗用大量的有色金属。成本高，受温度、湿度、震动、腐蚀等环境的影响大。

    机械传动准确可靠，操作简单，负载对传动特性几乎没有影响。传动效率高，制造容易和维护简单。但是，机械传动一般不能进行无级调速，远距离操作困难，结构也比较复杂等。

    液压传动与以上几种传动方式比较有以下优点：获得力和力矩很大，体积小，重量轻，能在大范围内实现无级调速，运动平稳，设计简单，操作方便，工作寿命长，易于通用化、标准化、系列化。它有很广阔的发展空间。

    通过以上比较，可以看出，之于本设计，液压传动具有多方面优点。现拟定液压系统图如下：

图2-1 钢筋压实装置液压系统图

1 钢筋压实机导柱

2 钢筋压实机压头

3 液压缸

4压力表

5三位四通换向阀

6柱塞泵

7滤油器

8油箱

9电动机

10 调压阀

11 溢流阀

    钢筋压实机工作原理图如图2-1：由电动机10带动柱塞变量泵7工作，向主油路供油，通过溢流阀12和调压阀11对液压系统进行调压，使压力表13的值达到系统需要的压力。换向阀6可进行油路换向及保压功能：当其处于中间位置时，系统处于保压状态；当左端通电时，液压缸将处于工进状态，向下运动，完成下压动作；当右端通电时，液压缸将处于快退状态，向上运动，完成快退动作。

2.2液压系统的具体方案

2.2.1确定液压执行元件的形式

    液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回转运动，二者的特点及适用场合见下表。

注：A1——无杆腔的活塞面积        A2——有无杆腔的活塞面积

对于本设计实现单纯并且简单直线运动的机构，可以采用柱塞变量泵及单活塞杆液压缸，这样不仅简化液压系统降低设备成本，而且能改善运动机构的性能和液压执行元件的载荷状况。

2.2.2 确定液压缸的类型

    工程液压缸主要用于工程机械、重型机械、起重运输机械及矿山机械的液压系统。根据主机的运动要求，选择液压缸的类型为：直线运动单活塞杆双作用缓冲式液压缸。其特点：活塞双向运动产生推、拉力。活塞行程终了时减速制动，减速值不变。

2.2.3 确定液压缸的安装方式

    工程液压缸均为双作用单活塞式液压缸，安装方式多采用法兰型。由于本设计中液压缸在作用过程中须固定，所以在前端设置法兰。

2.2.4 缸盖联接的类型

    按缸盖与缸体的联接方式，可分为外螺纹联接式、内卡键联接式及法兰联接式三种。这里采用法兰联接。

2.2.5拟订液压执行元件运动控制回路

    液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟订液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多数通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对于高压大流量的液压系统，现多采用插装阀于先导控制阀的组合来实现。本设计压缩压力大，运行缓慢、平稳，能人工控制起升至某一固定高度时并保持该高度自锁。

2.2.6液压源系统

    液压系统的工作介质完全由液压源提供，液压源的核心是液压泵。在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经过溢流阀回油箱，溢流阀同时起到开展并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。

为节省能源并提高效率，液压泵的供油量要尽量于系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况下，则采用多泵供油或变量泵供油。对于本设计，由于工作周期短，循环次数少，供油量可以适当减少以节省能源，采用单泵供油即可，不需蓄能器储存能量。

对于油液的净化：油液的净化装置在液压源中是必不可少的。一般泵的入口要装有粗滤油器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤或其他形式滤油器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

2.2.7 控制元件的分析

    液压传动中主要有以下几种控制元件实现冲头的下压、保压和返回的过程。

1.手动换向阀  用人工操作控制阀芯的运动。手动换向阀又分为手动和脚动两种。优点是操作简单、灵活、容易控制。

2.电磁换向阀  通过电磁铁产生的电磁力来使阀芯运动，达到油路的转换。但由于受电磁铁吸引力的限制，电磁换向阀流量不能过大而且需要在回路中增加减速装置。

3.插装阀  是一种新型的开关式阀体，结构以锥阀为基础单位，配以不同的先导阀可实现对液流的方向、压力和流量大小的控制。其结构简单，动作反应快，适合高压大流量的场合。

从设计课题上考虑，手动控制阀比较符合设计要求，完全可以满足性能要求，而且经济。所以选用手动换向阀。