采用液控單向閥平衡回路的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圖紙及論文說(shuō)明書聯(lián)系球球：二二九七八零六九二1緒論1.1綜述液壓傳動(dòng)是利用有壓液體作為傳動(dòng)介質(zhì)來(lái)傳遞動(dòng)力或控制信號(hào)的一種傳動(dòng)方式，也是利用有壓液體的壓力進(jìn)行能量傳遞、能量轉(zhuǎn)換和能量控制的傳動(dòng)系統(tǒng)。它由能源裝置、傳動(dòng)裝置、輔助裝置和執(zhí)行元件組成。傳動(dòng)部分是機(jī)械裝置的重要組成部分，起著傳遞運(yùn)動(dòng)和力的作用。傳動(dòng)裝置的選擇正確與否直接決定著實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能好壞；傳動(dòng)方案的選擇要充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。1.2題目背景液壓傳動(dòng)與控制是現(xiàn)代機(jī)械工程的基礎(chǔ)技術(shù)，由于其在功率質(zhì)量比、無(wú)級(jí)調(diào)速、自動(dòng)控制、過載保護(hù)等方面的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中各行業(yè)、各類機(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)與控制的重要技術(shù)手段。特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，新興產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，并與現(xiàn)代電子與信息相結(jié)合，進(jìn)一步刺激和推動(dòng)了液壓技術(shù)的發(fā)展，使其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。正確合理地設(shè)計(jì)和使用液壓系統(tǒng)，對(duì)于提高各類液壓機(jī)械設(shè)備及裝置的工作品質(zhì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重要意義[1]。1.3研究意義本課程的學(xué)習(xí)目的在于學(xué)生綜合使用《液壓與氣壓傳動(dòng)》等專業(yè)課程的理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)，進(jìn)行液壓試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐，使理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)緊密結(jié)合起來(lái)，從而使這些知識(shí)得到進(jìn)一步的鞏固、加深和擴(kuò)展。通過該題目原理圖的設(shè)計(jì)，可以使學(xué)生熟悉液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般程序，了解并掌握液壓傳動(dòng)這門技術(shù)，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序和基本方法?？傊?，通過本題目的設(shè)計(jì)，可以使機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生對(duì)四年所學(xué)課程得到一次較為全面的實(shí)踐鍛煉。1.4國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況由于液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用了高技術(shù)成果，如自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、磨擦磨損技術(shù)、可靠性技術(shù)及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術(shù)有了新的發(fā)展，也使液壓系統(tǒng)和元件的質(zhì)量、水平有一定的提高[2]。綜合國(guó)內(nèi)外專家的意見，其主要的發(fā)展趨勢(shì)將集中在以下幾個(gè)方面：a.減少能耗，充分利用能量液壓技術(shù)在將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能及反轉(zhuǎn)換方面，已取得很大進(jìn)展，但一直存在能量損耗，主要反映在系統(tǒng)的容積損失和機(jī)械損失上。如果全部壓力能都能得到充分利用，則將使能量轉(zhuǎn)換過程的效率得到顯著提高。b.主動(dòng)維護(hù)液壓系統(tǒng)維護(hù)已從過去簡(jiǎn)單的故障拆修，發(fā)展到故障預(yù)測(cè)，即發(fā)現(xiàn)故障苗頭時(shí)，預(yù)先進(jìn)行維修，清除故障隱患，避免設(shè)備惡性事故的發(fā)展。另外，還應(yīng)開發(fā)液壓系統(tǒng)自補(bǔ)償系統(tǒng)，包括自調(diào)整、自潤(rùn)滑、自校正，在故障發(fā)生之前，進(jìn)市補(bǔ)償，這是液壓行業(yè)努力的方向。要進(jìn)一步引發(fā)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)通用工具軟件，對(duì)于不同的液壓系統(tǒng)只需修改和增減少量的規(guī)則[3]。c.機(jī)電一體化電子技術(shù)和液壓傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)的液壓傳協(xié)與控制技術(shù)增加了活力，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域[7]。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化可以提高工作可靠性，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，改變液壓系統(tǒng)效率低，漏油、維修性差等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)出力大、貫性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品向體積小、重量輕、功耗低、組合集成化方向發(fā)展，執(zhí)行元件向種類多、結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高方向發(fā)展；氣動(dòng)元件與電子技術(shù)相結(jié)合，向智能化方向發(fā)展；元件性能向高速、高頻、高響應(yīng)、高壽命、耐高溫、耐高壓方向發(fā)展，普遍采用無(wú)油潤(rùn)滑，應(yīng)用新工藝、新技術(shù)、新材料[4]。1.5主要研究?jī)?nèi)容平衡回路的功用就是在于防止垂直或傾斜放置的液壓缸和與之相連的工作部件因自重而自行下落，使執(zhí)行元件的回油路上保持一定的背壓值來(lái)平衡工作的穩(wěn)定。本文設(shè)計(jì)的采用液控單向閥平衡回路的實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置，主要工作有：(1)研究采用液控單向閥+單向節(jié)流閥的平衡回路的原理；(2)設(shè)計(jì)出合理的、能滿足使用要求的平衡回路實(shí)驗(yàn)裝置；(3)采用液壓缸加載；(4)繪制主要零件圖；(5)選擇液壓元件型號(hào)；(6)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫升校核。2液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析2.1液壓系統(tǒng)組成液壓系統(tǒng)主要由以下五個(gè)主要部分來(lái)組成：a.能源裝置：液壓泵。它將動(dòng)力部分（電動(dòng)機(jī)）所輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能，給系統(tǒng)提供壓力油液。b.執(zhí)行裝置：液壓機(jī)（液壓缸、液壓馬達(dá)）。通過它將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，推動(dòng)負(fù)載做功。c.控制裝置：液壓閥。通過它們的控制和調(diào)節(jié)，使液流的壓力、流速和方向得以改變，從而改變執(zhí)行元件的力（或力矩）、速度和方向，根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。d.輔助裝置：油箱、管路、蓄能器、濾油器、管接頭、壓力表開關(guān)等.通過這些元件把系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)各種工作循環(huán)。e.工作介質(zhì)：液壓油。絕大多數(shù)液壓油采用礦物油，系統(tǒng)用它來(lái)傳遞能量或信息。2.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及流程液壓的設(shè)計(jì)一般泛指液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和工作原理而言，并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。通常所說(shuō)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，皆指液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與主機(jī)的設(shè)計(jì)是緊密聯(lián)系的，當(dāng)從必要性、可行性和經(jīng)濟(jì)性幾方面對(duì)機(jī)械、電氣、液壓和氣動(dòng)等傳動(dòng)形式進(jìn)行全面比較和論證，決定應(yīng)用液壓傳動(dòng)之后，二者往往同時(shí)進(jìn)行[5]。所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)首先應(yīng)滿足主機(jī)的拖動(dòng)、循環(huán)要求，其次還應(yīng)符合結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單、體積小重量輕、工作安全可靠、總體看來(lái)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程是：a.明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)b.分析系統(tǒng)工況c.確定主要參數(shù)d.擬定液壓系統(tǒng)原理圖e.選擇液壓元件f.驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能g.繪制工作圖編織技術(shù)文2.3回路原理的設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為兩大步驟：一、液壓系統(tǒng)的原理及性能設(shè)計(jì)；二、液壓系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)(液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即液壓站的設(shè)計(jì))。液壓站按照動(dòng)力源與控制裝置是否安裝在一起，可分為整體式液壓站和分離式液壓站。一個(gè)液壓系統(tǒng)能否可靠有效地運(yùn)行，在很大程度上取決于液壓站結(jié)構(gòu)選型是否合理及設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣，設(shè)計(jì)時(shí)必須給予足夠重視[6]。2.3.1平衡回路為了防止立式放置的液壓缸活塞，因?yàn)榇怪边\(yùn)動(dòng)工作部件的重力而自行下滑，或在工作部件下行時(shí)速度失控這種現(xiàn)象發(fā)生，往往在液壓系統(tǒng)中設(shè)置能產(chǎn)生一定背壓的液壓元件，以保證活塞在任意位置上被鎖定，并且可以控制工作部件的下落速度，這樣的液壓回路稱為平衡回路。其作用就是防止立式安裝的液壓缸受負(fù)載力或重力的作用自行下落，或者下落時(shí)出現(xiàn)超速失控現(xiàn)象等，它對(duì)于保證液壓系統(tǒng)的安全性等方面起到了重要作用。2.3.2回路中個(gè)元件的作用由于液控單向閥1為錐面密封結(jié)構(gòu)，其閉鎖性能好，能夠保證活塞較長(zhǎng)時(shí)間停止在某位置處不動(dòng)。在回油路上串聯(lián)單向節(jié)流閥2，用于保證活塞下行運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。假如回油路上沒有串接節(jié)流閥2，活塞下行時(shí)液控單向閥1被進(jìn)油路上的控制油打開。由于回油腔沒有背壓，運(yùn)動(dòng)部件由于自重而加速下降，造成液壓缸上腔供油不足而壓力降低，使液控單向閥1因控制油路降壓而關(guān)閉，加速下降的活塞突然停止。閥1關(guān)閉后控制油路又重新建立起壓力，閥1再次被打開，活塞再次加速下降。這樣不斷重復(fù)，由于液控單向閥時(shí)開時(shí)閉，使活塞一路抖動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲、振動(dòng)和沖擊[14]。溢流閥有定壓、調(diào)壓、限制保護(hù)的作用，減壓閥有調(diào)節(jié)壓力大小的作用，泵的壓力要小于溢流閥的壓力。2.3.3采用液控單向閥設(shè)計(jì)的平衡回路為了使活塞平穩(wěn)運(yùn)行并且考慮到此回路實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的實(shí)際性，可將重物（實(shí)現(xiàn)工作的部件）換成利用水平放置的液壓缸，形成負(fù)負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電磁鐵1YA通電使三位四通電磁換向閥5切換至左位，二位四通換向閥6也處于左位時(shí)，液壓源的壓力油分別進(jìn)入液壓缸1、2左腔，并導(dǎo)通液控單向閥4，缸2左腔進(jìn)油推動(dòng)活塞右移，缸1右腔的油液經(jīng)節(jié)流閥、液控單向閥4和換向閥5排回油箱，活塞向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電1YA和2YA均斷電使換向閥處于中位時(shí)，液控單向閥迅速關(guān)閉，活塞立即停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)2YA通電使換向閥5切換至右位，換向閥6也處于右位，壓力油分別進(jìn)入液壓缸1、2的右腔，推動(dòng)缸2活塞左移，壓力油經(jīng)閥4、閥3進(jìn)入缸1右腔，使得活塞向左運(yùn)動(dòng)。圖1采用液控單向閥的平衡回路2.4工況分析本設(shè)計(jì)中的裝置使用于實(shí)驗(yàn)室，是為了觀察回路等的動(dòng)作原理。那么定義其最高工作壓力；外負(fù)載為；液壓缸速度范圍為。2.5系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)a.確定供油方式及動(dòng)力系統(tǒng)該機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室為觀察現(xiàn)象使用，除工作負(fù)載外基本無(wú)其它負(fù)載，速度較低，從節(jié)省能量，減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)宜采用定量泵供油。動(dòng)力由常用的三相異步電機(jī)提供，通用性更好，便于使用與維護(hù)。b.執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇簡(jiǎn)單的單活塞桿液壓缸。c.壓力變換方式本系統(tǒng)采用三位四通電磁換向閥，利用其閥芯機(jī)能的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)換向及液壓缸的進(jìn)退。d.泵的類型葉片泵具有流量均勻，壓力脈動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，而排量大等優(yōu)點(diǎn)。在工程機(jī)械、船舶、壓鑄及冶金設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。工作原理主要是當(dāng)葉片泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在離心力和壓力油的作用下，尖部緊貼在定子內(nèi)表面上。這樣兩個(gè)葉片與轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)表面所構(gòu)成的工作容積，先由小到大吸油后再由大到小排油，葉片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，完成兩次吸油與排油。3液壓缸的設(shè)計(jì)3液壓缸的設(shè)計(jì)3.1預(yù)選系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力本裝置為實(shí)驗(yàn)裝置，工況時(shí)載荷均不大，預(yù)選液壓缸設(shè)計(jì)壓力=2.0。3.2液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸3.2.1液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定(3.1)(3.2)式中——液壓缸工作壓力，初算時(shí)可以取系統(tǒng)工作壓力，??；——液壓缸回油腔背壓力，初算時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，可先根據(jù)表3.1估算，取0.2；——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，可按表3.2選取，取0.5；表3.1執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值系統(tǒng)類型背壓中、低壓系統(tǒng)0~8簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.2~0.5回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)0.5~0.8回油路帶背壓閥0.5~1.5采用帶補(bǔ)液壓泵的閉式回路0.8~1.5中高壓系統(tǒng)>8~16同上比中低壓系統(tǒng)高50%~100%高壓系統(tǒng)>16~32如鍛壓機(jī)械等初算時(shí)背壓可忽略不計(jì)表3.2液壓缸內(nèi)徑D與活塞桿直徑d的關(guān)系工作壓力≤20.2~0.3＞2~50.5~0.58＞5~70.62~0.70＞70.7(3.3)——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載，??；——液壓缸密封處摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機(jī)械效率進(jìn)行估算；——液壓缸的機(jī)械效率，一般=0.9~0.97，取0.9。(3.4)活塞桿直徑可由d/D值算出，由計(jì)算所得的D與d值分別按表3.3與表3.4圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。查表3.2，可以取d/D=0.5，圓整后則表3.3液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80）40506380（90）100(110)注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用數(shù)值。表3.4活塞桿內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80）22252832363640453.2.2液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件計(jì)算。液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計(jì)算可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。本設(shè)計(jì)液壓缸采用無(wú)縫鋼管，屬薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按公式計(jì)算(3.5)式中——液壓缸壁厚；D——液壓缸內(nèi)徑；——試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍；〔〕——材料的許用應(yīng)力；考慮缸體在應(yīng)用中的各種情況，取。液壓缸壁厚算出后，即可求出缸體的外徑D1為3.2.3液壓缸工作行程的確定此次設(shè)計(jì)活塞桿外部不受力，活塞桿的動(dòng)作只是便于觀察，參照活塞移動(dòng)速度及表3.4，選取行程。表3.4液壓缸活塞行程系列（GB/T2349-1980）50801001251602002503203.2.4缸蓋厚度一般液壓缸多為平底缸蓋，次液壓缸為單活塞單作用缸，缸底有油孔，其有效厚度t按強(qiáng)度要求可用下式進(jìn)行理論計(jì)算[7]。(3.6)式中t——缸蓋有效厚度；D2——缸蓋止口內(nèi)徑,?。籨0——缸蓋孔的直徑。則取。3.2.5最小導(dǎo)向長(zhǎng)度當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面中點(diǎn)的距離H稱之為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果最小導(dǎo)向長(zhǎng)度過小，影響液壓缸的穩(wěn)定性，以此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證具有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。普通液壓缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H必須滿足以下要求：(3.7)式中L——液壓缸的最大行程；D——液壓缸的內(nèi)徑?；钊膶挾菳一般取，則，??；缸蓋滑動(dòng)支撐面的長(zhǎng)度根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑D而定；當(dāng)時(shí)，??；當(dāng)時(shí)，??；本次設(shè)計(jì)的液壓缸內(nèi)徑，故而，取；最小導(dǎo)向長(zhǎng)度需要保證，但過分的增大和B都是不適宜的，必要時(shí)可在缸蓋與活塞之間加一隔套K來(lái)增加H的值。隔套的長(zhǎng)度C由下式確定：(3.8)3.2.6液壓缸缸體長(zhǎng)度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍。故缸體長(zhǎng)度=活塞的行程+活塞寬度=160+40=2003.3液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1缸體與缸蓋的連接形式缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料及工作條件有關(guān)，通過查表，再結(jié)合液壓缸的安裝方式（地面腳架安裝），選擇缸體與缸蓋的連接方式為法蘭連接。在缸筒兩端焊接法蘭，且缸蓋加工成法蘭結(jié)構(gòu)，并將安裝腳架和液壓缸加工為一體，結(jié)構(gòu)更為緊湊。表3.5液壓缸缸蓋與缸體的連接形式安裝方式結(jié)構(gòu)形式圖例優(yōu)缺點(diǎn)法蘭連接優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低2）易加工，便于裝拆3）強(qiáng)度大、能承受高壓缺點(diǎn)：1）徑向尺寸較大2）重量比螺紋連接大；缸體為鋼管時(shí)，用拉桿連接的重量也較大3）用鋼管焊接法蘭，工藝復(fù)雜3.3.2活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)活塞桿與活塞的連接分為整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。而組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。整體式結(jié)構(gòu)用于缸徑較小