液压自动弯管机设计

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摘要
随着现代科技的高速发展，弯管技术已广泛应用于各个生产行业，特别是在锅炉、压力容器、石油石化工程等领域。

本次课题研究的双向弯管机是锅炉行业广泛使用的专业设备，属于液压弯管机，主要完成锅炉部件所需蛇形管的弯制。

这次研究中主要设计出了双向弯管机的模子提升装置和液压系统。

模子提升装置主要作用是使弯管模具提升或下降，因此，我们设计出其结构主要由定位油缸、杠杆、和机架组成，由液压泵提供动力，由杠杆传递，满足使弯管模的提升。

设计出了装置的所有零件后，计算分析了主要零件的的受力、强度情况，并用Pro/E软件进行三维实体建模与装配。

另外，我们设计了采用液压为整个双向弯管机提供动力，通过液压泵输出高压油来满足各个执行元件的正常工作。

主要设计出了液压泵站、油箱和一些辅助元件。

在管子的加工过程中，有加紧装置、转模装置、提升装置及模子横移装置都是采用液压来提供动力的，因此液压系统的设计尤其重要。

关键词：双向弯管机；模子提升；液压系统
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ABSTRACT
Along with the modern science and technology development, the elbow technology has widely applied in many realms of production, specially in the boiler, the pressure vessel as well as petroleum petrification project. Bidirectional pipe bending machine that we research is the specialized equipment used widespread in boiler profession, belongs to the hydraulic pressure pipe bending machine.It mainly curves the serpentuator pipes,which is a part of the boiler.
In this research we had mainly designed the mold lifting gear and the hydraulic system,which belong to the bidirectional pipe bending machine.The function of the mold lifting gear is that makes the elbow piece mold promotion or drop, therefore, we designed that was made by the locating cylinder, the release lever, and the base, provided the power by the hydraulic pump, transmited by the release lever, then makes the elbow piece mold promotion and drop. After designing all components of the installment, analyzing the stress, the intensity situation of the major parts, wo carried them on the three dimensional entity modelling and the assembly with the Pro/E software.
Moreover, we designs the hydraulic pressure provides the power for the bidirectional pipe bending machine, that can satisfy each functional element through the high-pressure oil outputed by hydraulic pump.We designe the station of hydraulic pressure pumping, the tank and some auxiliary parts. There are many installments provided power by hydraulic in the work of curving pipes, such as the step-up installment, the extension mold installment, the lifting gear , therefore the hydraulic system is especially important.
Key words: Bidirectional pipe bending machine; Mold promotion; Hydraulic system
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目录
第1章绪论 (1)
1.1 本课题研究的目的及意义 (1)
1.2 弯管机的概述 (1)
1.3 课题背景 (3)
1.4 国内外相关领域研究现状及成果 (3)
1.4.1 弯管机的发展概况 (3)
1.4.2 弯管机模子提升装置的发展概述 (5)
1.4.3 弯管机动力系统的发展概述 (6)
1.5 本章小结 (7)
第2章机械结构总体方案设计 (8)
2.1 模子提升装置总体设计要求及内容 (8)
2.1.1 提升装置的设计要求 (8)
2.1.2 提升装置的设计内容 (8)
2.2 模子提升装置的设计方案 (8)
2.2.1 模子提升装置整体机构的设计 (8)
2.2.2 模子提升装置主要部分的设计方案 (9)
2.3 模子提升装置的设计 (9)
2.3.1 定位油缸的设计 (9)
2.3.2杠杆的设计 (19)
2.3.3机架的设计 (21)
2.4 本章小结 (21)
第3章模子提升装置三维实体建模 (22)
3.1 Pro/E软件简介 (22)
3.2 模子提升装置三维实体建模 (22)
3.2.1 定位油缸的建模 (22)
3.2.2 杠杆、机架的建模 (24)
3.3 模子提升装置的装配 (25)
3.3.1模子提升装置的装配 (25)
3.4 本章小结 (26)
第4章双向弯管机液压系统设计 (28)
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4.1 双向弯管机液压系统概述 (28)
4.1.1 双向弯管机的液压系统的组成 (28)
4.1.2 双向弯管机的液压执行元件 (28)
4.2双向弯管机液压系统设计 (29)
4.2.1 液压站的设计 (29)
4.2.2 油箱的设计 (33)
4.2.3 辅助元件的确定 (34)
4.3液压系统漏油、噪声控制 (38)
4.3.1 液压系统漏油控制 (38)
4.3.2 液压系统噪声控制 (39)
4.4本章小结 (39)
结论 (40)
参考文献 (41)
致谢 (43)
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第1章绪论
1.1 本课题研究的目的及意义
1、研究的目的
本次研究的双向弯管机主要由机床、加紧装置、弯曲装置、转换装置、模子横移装置、传动装置、角度发讯和松紧发讯装置及滑动副等等。

设备参数主要有：弯管方式为无芯液压缠绕式弯管；管子范围直径42mm~69mm，弯曲半径为1.5D到200mm；工作油压为10到12Mpa。

模子提升装置是蛇形管加工的重要环节，当管子送进来到达指定位置时，加紧装置工作；模子上升到达与管子中心线齐高，模子再旋转使凹槽与管子啮合靠紧；接着弯曲装置工作，完成管子的弯曲。

对本次的研究的课题主要是两个方面：
（1）双向弯管机的模子提升装置设计
双向弯管机模子提升装置的设计主要是研究在模子旋转后的上升与下降的，使整套模子装备能够灵活的自由上下控制。

（2）液压系统的设计
液压系统的设计主要是设计出双向弯管的液压系统及绘制一张液压系统设计的A0图纸，主要包括液压站的设计及一些辅助元件的选择，如蓄能器、冷却器、滤油器等等。

2、研究意义
随着各种弯曲管子在工业、农业等方面的广泛使用，不断推动弯管机行业的发展，多种弯管技术的出现为满足今天多需求、高精度的管制产品成为可能。

特别是在锅炉制造、汽车、航空航天以及石油石化工程等多种行业，使用的非常广泛。

通过本次课题研究，更好的了解当今弯管技术的发展与应用，争取设计出高性能的双向弯管机的模子提升装置和双向弯管机的液压系统，为以后弯管机模具的提升装置和液压系统的设计提供一定的参考价值，促进弯管机行业的发展，为社会做出一点贡献。

1.2 弯管机的概述
弯管机，顾名思义是用于弯曲管子的机器，可以加工制造出C型、S型、U型等多种弯曲形状的管子。

广泛应用于压力容器、锅炉、汽车、航空航天以及石油石化工程等各种行业，为促进国民经济的发展作出了重要贡献。

早期传统的弯管完全凭借操作者的经验和技术熟练程度来控制产品质量。

因此，管型异常较大校正量大，大管径导管弯曲质量尤其难以保证，往往产生圆度超差，内半径
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处起皱、官腔内的填充物清楚不干净等问题，而且传统的弯管工序很多，操作过程繁杂。

经过一段时间的发展，从早期的手工弯管到现在的机器自动弯管，不仅降低了生产成本，提高了生产效率，保证了加工质量，而且精度也有大大提高。

为满足生产出不同弯曲程度与弯曲半径的管子，弯管机的类型也在不断改进、提高，有电动弯管机、液压弯管机（单头、双头）、CNC控制自动弯管机。

虽然弯管机种类众多，但是从常规弯管工艺稍加分析，就不难看出弯制主要可以归结为三个基本加工动作：
（1）直线送进；
（2）空间转角；
（3）弯曲。

当然，欲弯制一根管子，还需要一些弯管辅助动作，如加紧管子、夹模或压模的夹紧与松开、弯模的复位等等。

有的弯管机如锅炉厂里经常使用的液压双向弯管机，主要加工S型、蛇形管子，在弯制管子时需要增加换向动作，模子转向、提升、下降等更好的完成弯管动作。

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1.3 课题背景
本次课题是双向弯管机模子提升装置及液压系统设计，所研究的弯管机是于锅炉厂的双向弯管机，是数控弯管生产线的主机，属于液压弯管机，可以实现双向管子弯曲。

模子提升装置是双向弯管机的重要组成部分，主要完成弯管模的提升功能。

而液压系统的主要功能是为双向弯管机提供动力，使弯管机能平稳、正常运转。

本文针对双向弯管机的模子提升装置及液压系统的研究，设计出一种高性能的能够平稳、精确的提模装置和液压系统，促进弯管行业的发展。

1.4 国内外相关领域研究现状及成果
1.4.1 弯管机的发展概况
在工业高速发展的今天，世界各国开发弯管机已经有多年的历史，特别是欧美发达国家如美国、德国和意大利等在这方面已经有相当成熟的经验和顶尖技术水平。

从国际情况看，弯管机的发展已有一段历史，达到一定高度，其中处于高水平阶段的单位公司有：意大利的BLMGROUP 、博利马机械设备有限公司、意图奇国际有限公司等等，其中意大利的BLMGROUP 作为世界最大的管材加工设备的生厂商之一，其产品遍布全球的航空航天，汽车，空调，家具等行业，其产品包括：数控弯管机，管端成型机，激光切割机，其中数控弯管机是在弯管机行业起着领头羊的地位，技术水平很高。

为适应用户的对管加工机床功能、精度及效率的要求，意大利的博利马（BLM GROUP ）公司推出了当代代表今弯管机最高水平的全电动数控弯管机，他们最大的加工管径分别为Φ76mm 及Φ90mm ，可以实现最小弯管半径小于1D 。

机床13个轴均为可编程控制的电动伺服驱动。

机床的设计充分考虑了复杂制造业的市场需求，尤其适用于复杂外形管件的中小批量高质量的加工，如航天航空及汽车领域。

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图1.1 全电动弯管机[1]
博利马（BLM GROUP）公司生产的全电动弯管机最大的特点在于：
（1）提高弯管精度
全电动机床采用伺服电机驱动，完全排除了液压系统对机床精度的影响，极大的提高弯管精度。

（2）提高生产效率
采用全电动控制后，模具的安装调整变得快速简便。

夹模及跟进模夹紧位置为可编程电动控制，这样安装模具后课通过程序直接设定夹模的夹紧位置，无需再手动调整他们的位置。

极大的降低了加工准备时间。

（3）机床采用最新的图形对话编程软件，所有数据均为对话式输入，这大大降低了对操纵者素质的要求及对操纵人员的培训时间。

机床的三维图形仿真模拟可以检测机床加工该产品时是否会发生干涉并显示干涉部位，无须进行实际试加工来检测程序的可行性。

（4）使得弯管半径小于1D成为可能
由于机床配备了单独驱动的弯管助推装置，50000N的助推力，助推力及定位均为可编程控制。

同时弯管臂也是由大功率伺服电机驱动，专业的变速机构传动，使得小于1D的加工成为可能[2]。

从国内情况看，弯管机产业和产品尚处于发展期，产品技术仍需发展完善；产品适用范围和使用量尚未得到足够拓展；市场经济环境下的产业自然调整仍处于初级阶段。

然而，也有很多企业和公司在自主创业的基础上加强与国际先进技术的公司合作，不断接近世界水平。

在国内弯管机产业发展的比较好的公司有陕西深信科技发展有限公司、张家港市明华机械有限公司、昆山富邦机械有限公司、哈尔滨锅炉厂等等。

他们可以通过各种弯管机设备如:NC控制自动弯管机，数控弯管机，液压弯管机（单头、双头），电动弯管机等加工出多种不同弯曲程度与弯曲半径的管子较之以前的手动弯管机降低了生产成本，提高了生产效率，保证了加工质量，精度也有很大提高。

明华机械制造有限公司作为国内弯管行业中的高技术公司，在弯管机的发展中起着重要的作用。

公司生产的单（双）头弯管机、特殊型弯管机、立体液压弯管机及CNC 弯管机都是高性能的弯管机，广泛应用与管子的弯曲加工行业中。

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图1.2 立体液压弯管机[3] 图1.3 CNC 弯管机[4]
（1）立体液压弯管机
立体液压弯管机采用的液压为整个弯管机装置提供动力，完成管子的弯制，最主要的特点是：弯制过程中采用液压夹管，自动锁角，机械定长；具有空间转角装置，可弯多角度三维立体管件；内存增大，可以存60组加工程序，每组可设定16个任意角度，弯管转角均采用编码器控制；最大的弯管能力Φ50×2mm ；弯曲半径范围：35mm~250mm 。

（2）CNC 弯管机
CNC 弯管机的主要特性是：
机床/工件动力特性自动识别—加工即快又好慢推芯，小车助推改观弯角外观。

图形化编程系统—在屏幕立体管形上画制/修改，即得加工程序，非常简便、快速、准确的编程。

回弹测量—对批次管材特性可比较测量，计算回弹量。

单步调试功能—模具试制时管材并行过程观察。

入微自动绘制模具图—对研究新品帮助明显。

全面检测—液压/电机/传动系统，电机缺相/反转，电压，温度，油压，并自动诊断故障。

最大弯曲半径：175mm ；最大弯曲角度：190°。

1.4.2 弯管机模子提升装置的发展概述
在弯管行业的发展中，虽然有的弯管机并没有模子提升装置，因为在有的管子的加工中不需要提升模具，然而在一些特殊的弯管机中，很多弯管模需要提升、下降来满足特殊管子的加工。

如双向弯管机，这种主要用于锅炉的专业弯管机，可以双向弯制加工出S 型、蛇形、U 型等等一些复杂的管子。

当换向加工时就学要先使弯管模具下降一定距离，
再使弯管模转一定角度来满足转向加
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工出S型管子。

丛模子提升的驱动方式可以分类如下：
1、电动式
采用电机提供动力源来到达模子的提升与下降，主要是齿轮、齿条式，应用于大型弯管机的模具提升装置中。

传递平稳，负载大，用于大型管材的加工中。

2、液压式
采用液压马达来提供动力，通常不会是由油缸直接用来使转模装置提升、下降（千斤顶），而是由杠杆、连杆等中间传递机构来传递动力，由于液压油缸有一定的缓冲，这样可以很好的保护机构。

3、凸轮式
采用凸轮来传递动力，带动转模装置上下移动。

由于凸轮式的移动距离有限，因此工业上很少采用凸轮式，只是用于特殊的管子加工中。

4、丝杆式
采用丝杠传递，将模具安装在丝杆头上面，当电机带动丝杠正、反运动时，带动弯管模具上、下移动。

这种提升方式提供的移动空间很大，上升、下降速度可以采用不同导程的丝杠来改变，结构简便，易操作。

1.4.3 弯管机动力系统的发展概述
在弯管机的发展中，弯管机的动力源一直在不断的改善与提高，在早期的手工弯制管件材料时主要的动力源是单个或者多个操纵者的劳动力，加工的产品一般都是小管件的管子，这样的加工方式生产效率底，精度不够，管型有限。

随着现代技术的发展，工业水平的提高，开发研究出了CNC数控弯管机、立体液压式弯管机等等一些高性能的弯管机，这些高水平的弯管机的主要驱动方式一般有三种：电机驱动、液压驱动、电机液压混合驱动。

1、电机驱动
现代化工业的今天，大多数的机构与装置的动力源都采用电机驱动方式，为整个装置的基本动作提供动力。

由电机提供源动力，在动力的传递过程中又有很多种方式，如可以通过电机来带动齿轮、齿条、凸轮、连杆等机构，依情况设计出满足要求的弯管机。

2、液压驱动
随着工业技术的不断发展，液压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一，特别使近年，进入了一个新的发展阶段。

液压传动及控制系统以其传递功率大、控制精度搞、响应速度快和易于实现电机液一体化控制的优点，被广泛应用于各行各业中。

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液压提供动力的液压弯管机是一种新型的弯管机构，它具有结构合理、操作方便、使用安全、装卸快速和一机多用等优点[5]。

3、电机液压混合驱动
液压弯管虽然具有传递功率大、控制精度高、响应速度快的优点，但也具有一些不足之处，如：由于操纵者动作太多，生产效率底；机器损耗大，使用寿命减短；所需要操作人员多，人工费用较大，产品成本较高。

所以在进一步的研究中提出采用电机液压混合式驱动，这样可以在电机、液压各自的优势地方采用最合理的驱动方式来降低生产成本，提高生产效率，提高加工精度。

1.5 本章小结
本章主要介绍了弯管机和弯管机模子提升装置及弯管机动力系统的发展状况和现状，了解了当今国内外弯管行业的现态。

弯管机主要用于加工弯曲管子，由于工程中各种弯曲管子的需要，弯管机的种类、类型也在不断发展。

从过去的手工弯制管子到现在的机械自动控制弯曲管子，不仅在工作效率、加工精度上有了很大的提高，而且其加工出来的管子的质量大大改善。

这章中讲到了模子提升装置的发展及现状，有的简便的管子的弯制过程中不需要提升弯管模，不过像我们研究的双向弯管机中，在弯曲管子的过程中需要使弯管模下降一段距离，以便管子在移动和转向时碰触到弯管模，因此需要在装置中设计模子提升装置。

对于弯管机的动力系统也有介绍，现今应用最多的是用液压系统驱动各个装置的运作，随着科技的进步，液压传动及控制会得到更快速的发展。

第2章机械结构总体方案设计
2.1 模子提升装置总体设计要求及内容
模子提升装置是双向弯管机的重要组成部分，本次论文的主要内容是模子提升装置总体方案的设计，即怎样实现转模装置的提升。

2.1.1 提升装置的设计要求
按照总体设计要求，双向弯管机的模子提升装置主要是使转模具能平稳的提升、下降，因此我们在构思时，设计出装置应满足：双向弯管机的模子提升装置能平稳的提升弯管模具，提升速度由液压系统控制。

提升、下降的距离由行程开关控制。

2.1.2 提升装置的设计内容
根据初步的总体构思，模子提升装置主要结构有定位油缸、杠杆、机架、行程开关、各种螺钉、挡板、销、垫圈等组成。

设计的主要内容有：
1、模子提升装置的总体方案设计
（1）模子提升的方式设计；
（2）整体结构的设计；
（3）定位油缸的设计校核；
（4）定位油缸与杠杆的连接的设计；
（5）杠杆与模子连接的设计。

2、完成设计图纸
（1）用auto-CAD软件绘制出模子提升装置的二维图纸；
（2）用Pro/E软件完成母子提升装置的三维建模，并进行装配。

2.2 模子提升装置的设计方案
2.2.1 模子提升装置整体机构的设计
模子提升装置的主要作用是实现模子的上下移动，考虑到怎样才能实现模子稳定的上下移动和合理安排装置在弯管机中的位置。

对此，我们设计出用油缸来提供动力。

由于弯管机的整体布置不能实现直接用活塞来连接模具装置，所以增加杠杆装置来传动动力来实现模子的上升、下降。

装置的主要结构有定位油缸、杠杆、支架、行程开关、挡板、各种螺钉、销、垫圈等等。

示意图如下：
图2.1 模子提升装置简图
自由度计算：
机构数为：3；
远动副：高副为0，转动副为3，移动副为1；
得出模子提升装置的自由度为n=3×3－4×2－1×0=1。

2.2.2 模子提升装置主要部分的设计方案
1、定位油缸的设计方案
对于油缸的设计，我们根据机械设计手册采用反推法，先从杠杆右端与模子连接处出发，计算出作用在杠杆右端的压力（包括整个模具的重量和各连接处的摩擦力），在一定的安全系数下，由杠杆原理计算处作用在活塞上的力，再算出油压，从而确定油缸的相关尺寸。

为控制模子提升装置上升、下降的位置，我们设计出在定位油缸上面添加三个行程开关来控制，上、下两位置各一个，复位一个。

2、杠杆、支架的设计方案
采对于杠杆、支架我们可以根据机械设计手册和以往的设计经验，参照一些杠杆、支架的一般设计方法来设计出满足我们模子提升装置的要求，
2.3 模子提升装置的设计
由总体的设计方案可知，在双向弯管机的模子提升装置中主要有定位油缸、杠杆、支架等等。

2.3.1 定位油缸的设计
1、定位油缸类型、安装方式
液压缸是液压系统中最常用的执行元件，我们设计的模子提升装置中用到的定位油缸就是液压缸的一种。

其类型按照机械设计手册新版第四卷表23.6-39[2]选择双作用单活塞不可调缓冲式液压缸。

如下图：
图2.2 双作用单活塞式
这种液压缸类型的特点是：活塞可以双向运动产生推、拉力，活塞行程终了时减速制动，减速值不变。

液压缸的安装方式可按照实际的工作需要选用合适的方式，常用的安装方式见机械设计手册新版第四卷表23.6-40[6]，按照设计的整体机构，我们选择销轴型中的头部销轴。

如下图：
这种安装方式的特点是：液压缸在垂直面内可摇摆；头部销轴型安装时，活塞杆受弯曲较小。

图2.3 头部销轴式
2、定位油缸主要零件的设计分析
（1）缸体
缸体的材料：
液压缸的缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管，因20号刚的力学性能略低，且不能调质，应用较少。

当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应该选用焊接性能较好的35号钢，粗加工后调质。

一般情况下，均采用45钢，并应调质到241~285HB。

综上所述，按我们设计出的双向弯管机的模子提升装置的定位油缸的方案，选择缸体的材料为35号钢
缸体的技术要求：
缸体内径一般采用H8、H9配合。

表面粗糙度初定Ra为0.2-0.4μm,且需要珩磨。

图2.4 缸体
缸体端部联结型式：
在我们的设计方案中，缸体端与缸盖体的联结方式选用法兰联结，这种联结方式结构较简单，易加工，易装卸，使用广泛；径向尺寸较大，质量比螺纹联结的大；非焊件工法兰的缸体端部应燉粗。

图2.5 法兰联结
（2）缸盖
缸体材料：
定位油缸的缸盖可选用25、35、45号锻钢或ZG35、ZG45铸钢。

在本次定位油缸的因前缸盖需要焊接，因此对于前缸盖的材料我们选择35号钢，后缸盖的材料选择25号钢。

缸体要求：
直径D、D2、D3的圆柱度公差应按9、10、11级精度选取；D2、D3同轴度公差值一般为0.03mm；端面A、B与直径d轴心线的垂直度公差值按7级精度选取。

图2.6 缸盖
（3）活塞
活塞材料：
液压缸的活塞常用材料为耐磨铸钢、灰铸铁（HT300、HT350）、钢（有的在外径上套尼龙66、尼龙1010或夹布酚醛塑料的耐磨环）及铝合金等。

考虑综合因素，为满足我们需求，选择灰铸铁HT350。

活塞要求：
在液压油缸的工作中，活塞的质量的好坏对液压缸的影响作用最大，因此其技术要求很严格，活塞主要用于与油缸内径配合，所以活塞的内径D对内径D1的径向跳动公差值选取7或8级精度。

端面T对内孔D1轴线的垂直度公差值选择7级精度选取。

图2.7 活塞
活塞与活塞杆的联结方式：
活塞与活塞杆的联结可以采用多种联结方式，如：整体结构、螺纹联结、半环联结等。

在我们设计的定位油缸中选择半环联结，因为半环联结主要工作压力、机械振动较大的情况。

图2.8 半环联结
活塞与缸体的密封结构：
活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使液压缸两腔之间不漏油。

根据机械设计手册，参考选用Yx型密封圈。