周期性激振试验机液压_系统设计.docx

本科毕业设计(论文)graduation design(thesis)题目：周期性激振试验机液压系统设计学生姓名：指导教师：学院：专业班级：本科生院制2015年6月ii周期性激振试验机液压系统设计摘要自国家大力推行预拌混泥土以来，混泥土机械随着混泥土行业快速发展。混泥土泵车已经成为我国建筑工地必备的机械设备之一。但混泥土泵车臂架系统的振动会使臂架产生疲劳，若不清楚臂架系统振动疲劳寿命，会导致安全事故。因此研制模拟臂架系统实际工况的振动试验机是非常重要的。运用数量分析与经验分析相结合的方法，运用液压激振原理，以某型号臂架实际工作的振动情况为例，设计周期性激振试验台的液压系统。本文首先对液压系统进行总体方案设计，然后逐一设计和选择液压系统元件，最后提出控制策略和液压站的组装形式。本文成果可用于实际臂架系统疲劳测试，在臂架系统的优化设计以及提高混泥土泵车整体可靠性等方面，具有重要意义。关键字：臂架系统疲劳测试试验台液压激振iiihydraulic system design of periodic vibration testing machineabstractsince chinaimplementsthe ready-mixed concrete policy actively, concrete machinery has developed rapidly withthe concrete industry. pump truck becomesindispensable mechanical equipment in our construction site. but the vibration of the pump truck boom system can make the boom system get fatigue andit can lead to safe accident if we dont knowabout the vibration fatigue life of boom system. therefore,its very important that we design a vibration machine which is used for testing boom system. using the method of combining quantitative analysis and empirical analysis, hydraulic excitation principle, example for one type of the pump truck boom systems actual work situation, design ahydraulic system design ofperiodic vibration test rig. firstly, the paper designs thehydraulic system overall, then designs and selects hydraulic system components one by one, and finally proposes control strategy as well as assembly form of hydraulic station. the results of this study can apply to boom system testing and has great significance for design optimization of the boom system and improve machine reliability.keywords: boom system fatigue testing test-bed hydraulic excitation 目录第1章绪论11.1引言11.2混泥土泵车及其臂架系统介绍11.3混泥土泵车臂架激振试验背景及意义41.4本论文主要研究内容6第2章 液压系统的总体方案设计72.1周期性激振试验机液压系统的设计要求.72.2液压系统工况分析72.3选定液压系统工作压力82.4液压系统原理图设计9第3章液压系统元件的设计与选取153.1液压缸设计153.2阀类元件的选取263.3液压辅件的选取293.4液压油箱的设计303.5液压泵和电机的选取35第4章液压站的装配及控制策略364.1液压站的结构类型364.2控制阀的集成374.3动力装置的设计384.4液压系统的控制策略38结论46结束语47参考文献50第一章 绪论1.1引言2015年我国政府工作报告中，李克强总理提出要统筹实施“四大板块”和“三个支撑带”战略组合。为实现中国梦，我国东部、中部、西部、东北部将迎来现代化建设的新篇章，这些地区将建设一批综合交通、能源、水利、生态、民生等重大工程项目。在当今的工程项目施工中，规模和难度不能和以前同日而语，很多著名工程如三项大坝的建设堪称人类历史上的奇迹，如果按照古代愚公移山的施工条件，即使在不缺乏人手的情况下，面对如此复杂和困难的施工建设，也只能望而生畏，止步不前。因此，原来的人力、畜力已经远远不能满足我国现代化施工的要求；同时为了促进社会和谐，改善工人的劳动条件，机械设备被用来从事大多数高风险、高强度、高难度的工作。目前在国家施工建设中，尤其是在城市中，基本都配备了各式各样的机械设备。机械设备是现代文明社会智慧的结晶，越来越广泛地使用到人类的生产活动中，对人类生活产生了深远的影响。从某种程度上说，机械设备的优劣反应了一个国家的强弱水平。随着我国以经济建设为中心的战略部署，改革开放三十多年来各个领域都取得了跨越式发展。为了提高工作效率和降低工作成本，如今的社会分工更加明确。科学技术是第一生产力，每个行业均离不开机械的发展。围绕行业的需求，科技工作者们研发了人们耳熟能详的行业专用机械设备，如金融行业的点钞机、混泥土行业中的混泥土泵车等。1.2混泥土泵车及其臂架系统的介绍混泥土泵车，简称为泵车，是一种将输送混泥土的泵送系统和用于布料的臂架系统集成在汽车底盘上的机械设备（如图1-1所示）。通常，我们将混泥土泵车看做由六部分组成，分别是底盘部分、臂架系统、回转机构、液压系统、电气系统、泵送系统。混泥土泵车是混泥土机械近十年来发展最快的装备之一，在混泥土机械所占比例较大，也是保证工程建设低成本、高质量和高速度的重要手段。混泥土泵车是一种专门用来输送混泥土的机械，借助臂架系统可以将混泥土水平输送和垂直输送结合在一起，并且能保证混泥土的均匀性和密实性1。混泥土泵车因为装备有汽车底盘，所以移动起来很方便，也有利于商品混泥土的发展。1、底盘部分 2、臂架系统 3、回转机构4、液压系统 5、电气系统 6、泵送系统图1-1某型号混泥土泵车结构简图泵车主要用于建筑施工场地，能够满足施工现场各种混泥土输送要求。泵车具有浇筑质量好、浇筑速度快、布料范围广、机动灵活、环境污染少等优势，受到建筑市场的青睐。如今，泵车早已成为泵送混泥土施工机械的首选机械设备，在建筑施工过程中必不可少2。上世纪初，德国开始研制混泥土泵，并取得了一些研究成果，奠定了基础。上世纪60年代中期，出现了划时代意义的产品混泥土输送泵车，并且装备了能够回转和伸缩的布料杆，大大提高了混泥土泵的机动性，使混泥土浇筑变得更加方便。从此，车载式混泥土泵取代了传统的固定式混泥土泵，泵车成为发展的主流方向。在2008年，全球爆发金融危机时，国家实行4万亿救市政策，重点发展工程机械行业，许多大小工程机械企业进行了大规模的扩张，泵车技术也得到飞速发展，2011年9月，三一重工成功下线长度为86m的7节臂架混泥土泵车，理论排量大240m3/h，创造了泵送排量最大、臂架长度最长和节数最多的三项世界纪录。目前，在混泥土泵行业中，三一重工、中联重科都处于世界领先地位3。泵车的臂架系统是一个典型的柔性多体系统4。臂架系统是混泥土泵车的主要组成部分之一，该系统是由连杆，臂架，连接件，液压缸和输送管组成的可折叠和展开的多个平面四连杆机构，对泵车的性能影响很大（如图1-2所示）。臂架系统是在泵车工作过程中，输送管内部压力不连续以及混泥土浆体产生的冲击力作用，会使臂架系统产生周期性振动。臂架振动主要有两方面的危害：一方面是振动会影响浇筑精度，另一方面是产生振动疲劳。1-1#臂架油缸 2-1#臂架 3-铰接轴 4-1#连杆 5-2#臂架油缸6-2#连杆 7-2#臂架 8-3#臂架油缸 9-3#连杆 10-4#连杆11-3#臂架 12-4#臂架油缸 13-5#连杆 14-6#连杆 15-4#臂架图1-2 混泥土泵车臂架简图1.3混泥土泵车臂架系统激振试验背景及意义随着泵车在建筑施工上的广泛使用，泵车臂架系统的可靠性引起了有关人员的重视。有兴趣的科技工作人员花费了心血和时间去研究臂架系统，目前他们研究泵车臂架系统主要在以下几个方向：(1)从泵车液压系统不同工况的的仿真分析中得到液压系统对臂架运动的影响；(2)臂架系统在虚拟样机上的振动分析、运动学仿真分析和动力学仿真分析；(3)运用各种方法对泵车臂架进行稳定性分析，如有限元分析等。长安大学的吕彭民、汪红兵两位学者从液压系统对臂架运动影响的角度出发，详细分析了在不同峰值的液压缸冲击载荷作用下的臂架系统动态响应。他们指出液压冲击峰值大小与泵车的振动有着密切的关系。减小油缸液压冲击峰值可大大减小臂架结构的动应力，从而改善结构的疲劳寿命5。沈阳建筑大学高凤阳教授在混泥土泵车臂架振动分析一文中对臂架系统进行了振动分析，他通过建模和采用matlab/simulink 软件仿真，分析臂架的振动特性，掌握了泵车臂架系统部分振动规律。臂架姿态对振动的影响也较大，关节角度越小振动越大，为减小振动幅度提供了参考6。在长安大学的王海英和胡新杰两位学者在混泥土泵车结构应力场分析与试验研究一文中，从有限元分析方面，通过有限元建模，用相关软件进行静强度分析，然后在实验台验证了有限元计算结果。对比后，找出了臂架出现裂纹的原因并提出了改进方法7。管很多的学者研究了臂架系统的振动特性，并提出了可行的减振方法，例如f.restati等人提出的模态控制方法8。但是臂架系统的振动是不能消除的，臂架系统始终存在振动疲劳问题，而在疲劳试验这一方面，大多数研究学者进行的是仿真实验，并没有设计试验机去测试。目前，市面上也有很多类型的振动试验机供应。大多数振动试验机测试的是中高频的小振幅振动，主要针对的是小型设备在生产制造，组装运输，工作使用过程中的振动试验。例如市面上典型的某型号振动试验台（如图所示），振动频率为1hz至400hz，振幅5mm。虽然市面上也有改进版的型号，但其频率和振幅远远满足不了泵车臂架的振动试验需要。图1-3 某型号振动试验台生活告诉我们，只有实践才是检验真理的唯一标准。对于像臂架系统一样的复杂振动系统，无论分析、计算以及仿真多么精确，都必须要经过疲劳试验，以验证计算和仿真结果的正确性。因此，设计一台以某型号泵车臂架系统为振动测试对象的周期性激振试验机是必不可少的，然而由于时间和作者水平的有限，本论文设计的是周期性激振液压机的液压系统部分。14本文的主要内容课题的任务包括：(1)完成激振试验机液压系统方案设计，参数指标：激振频率0hz0.6hz，且频率连续可调；系统驱动力不小于100 kg，试验机重量不大于90 kg、可连续工作不低于2500 h；(2)分析驱动力与激振力以及各结构参数之间的关系(3)完成液压系统方案设计，完成液压原理图以及关键元器件选型；(4)设计液压站主要零部件；(5)提出控制策略。论文的主要内容如下：（1）方案设计：周期性激振试验机激振原理，液压系统回路设计；（2）液压系统结构设计：液压缸设计、油箱设计以及液压站设计；（3）液压元件的选取：液压阀、液压辅件、液压泵以及电机的选用；（4）液压系统的控制策略：用plc实现对液压系统的控制，使之满足工作要求。第二章 液压系统的总体方案设计2.1周期性激振试验机液压系统的设计要求周期性激振试验机根据臂架最大工作应力施加交变激振力，使臂架产生上下往复的周期运动，达到疲劳试验目的。所设计的液压系统产生的激振力频率在0hz0.6hz之间，且频率是连续可调的；液压系统的驱动力不小于100kg（约1000n），系统能够连续工作2500h以上。2.2液压系统工况分析本液压系统驱动的负载运动非常简单，只要使臂架系统产生上下往复的周期运动即可。臂架系统末端往复的实际运动速度与位移如图2-1和图2-2所示。臂架系统末端的实际运动速度与臂架系统振动疲劳关系可以忽略，为了简化运动的控制，假设在每一个振动周期内的运动是匀速的。图2-1臂架末端纵向位移仿真曲线图2-2臂架末端纵向速度仿真曲线臂架系统仿真结果显示臂架末端位移振副0.286m，与实测值得误差为15.4%9。计算实际振幅a 根据计算式 （2-1）得实践振幅a=248mm，查阅相关资料，为了满足振动要求和根据振幅的平均值，振幅a经略微修正后，取a=250mm。根据臂架系统末端的直线往复运动状况，选取双作用液压缸作为液压系统的执行元件。2.3选定液压系统工作压力液压系统的工作压力主要是根据负载的大小和设备类型来而定10。同时，要兼顾执行元件的安装空间、经济条件、元件供应情况等客观限制条件。一般来说，对于应用在不同场合的液压系统，其工作压力的选择可参考表2-1：表2-1 按负载选择工作压力负载30knkn(mpa)工作压力0.811.522.53345由设计要求得，系统负载f1000n。由表2-1知，选定的液压执行元件工作压力0.81mpa,参照流体传动系统及元件公称压力标准，初步选定液压执行元件的工作压力p=0.63mpa。2.4液压系统原理图设计2.4.1确定系统类型按油液的循环方式不同液压系统可分为开式系统和闭式系统两种。开式系统中，液压泵从油箱内吸入液压油，液压油经调速阀、单向阀等控制阀后驱动执行元件，经过换向阀从回油管进油箱。闭式系统的液压泵进油油管直接连在执行元件的回油油管上，液压油只能在系统管路中循环。开式系统结构比较简单，油泵自吸性能好，还能利用油箱的沉淀杂质、散热等功能，应用较多。但油液与空气接触后，空气容易进入系统，导致机构运动出现爬行等现象。相对而言，闭式系统结构紧凑，不易与空气接触；同样的条件下，传动比开式系统平稳。但闭式系统结构较复杂，因没有油箱，油液的散热和过滤条件比较差，一般需冷却设备，并且闭式系统中的执行元件一般是液压马达。图2-3开式系统（左）和闭式系统（右）根据本系统的工况，拟定设计的液压系统应该采用开式系统。2.4.2选择液压回路任何液压系统都是由一个或多个基本液压回路组成的11。基本液压回路指的是为了实现某种特定功能把管道和液压元件按一定方式组合的油路结构。液压系统的核心部分就是调速回路。调速回路根据调速的方式不同，分为节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路三种，三种调速回路的主要性能比较如表2-2所示。（1）节流调速回路是通过改变回路中流量控制元件的通流面积大小来控制流量，达到速度调节目的，控制元件为节流阀或者调速阀；（2）容积调速回路是通过改变回路中变量马达或者变量泵的排量大小来控制流量，达到速度调节目的，控制元件为变量泵或者变量马达；（3）容积节流调速回路是用变量泵供油，并且用液压元件控制流入或流出液压执行元件的流量，达到速度调节目的，控制元件为节流调速和容积调速的控制元件组合。表2.2三类调速回路的主要性能比较性能节流调速回路容积调速回路容积节流调速回路速度稳定性差中好承载能力一般较好好调速范围较大大较大效率一般最高较高发热量较大最小较小适用范围小功率，轻载中、低压系统大功率重载的中、高压系统中小功率的中压系统由图2-1和图2-2位移速度仿真曲线可以推断，负载变化大，需要的液压系统的功率小，因此，从提高系统效率，节约能量的角度考虑，采用容积节流调速形式为宜。采用变量泵与调速阀组成的调速回路，如图2-4所示（1-变量泵 2-调速阀）图2-4容积节流调速回路简图液压系统除了调速回路外，还必须有其他回路，它们同样是液压系统中不可或缺的组成部分，包括换向回路、锁紧回路、卸荷回路、减压回路等。换向回路一般是用各种换向阀(例如电磁换向阀、电液换向阀等)使液压缸和与之相连的运动部件能够迅速、平稳、准确地变换运动方向。本液压系统的执行机构是双作用液压缸，本液压系统需要两个换向阀，一个是当液压缸工作时自动换向（采用比例方向阀，既可改变方向，也能调节流量），另一个是当液压杆的活塞杆位置需要校正时，方便调整其位置兼有辅助工作的功能（采用电磁换向阀）。换向回路如图2-5所示图2-5换向回路锁紧回路是系统不驱动负载时切断执行机构的进、出油液通道，使执行机构保持在既定位置上无法运动。本液压系统主液压缸是垂直放置的，需要在调节好活塞杆后将其位置锁死，故需要锁紧回路。锁紧回路有两种，一种是利用液控单向阀锁紧（如图2.5a所示），另外一种是利用换向阀的中位机能锁紧（如图2.5b所示）。本液压系统的换向阀o型中位机能可以锁紧液压缸，为了简化系统的结构，故不需要液压锁。图2-6a液控单向阀锁紧回路图2-6b换向阀中位机能锁紧回路卸荷回路是指在液压泵正常转动时，使其输出的流量以很低的压力流回油箱，液压系统在工作中有短暂的时间间间歇时，为减少功率的损耗、减小系统的发热量、避免因液压泵频繁启、停导致液压泵寿命降低，因此多采用卸荷回路（如图2-7所示）。图2-7 卸荷回路减压回路主要是调定油液的压力。本液压系统采用定差减压阀主要是为了保持比例换向阀两端的压力差恒定，因为根据小孔节流公式 （2-2）式中：流量系数 小孔的截面积 小孔两端的压差 -液压油密度 所以当压差保持不变的时候，流量就跟通流截面积成正比，即。因此能够通过控制小孔开通的大小准确控制进入液压缸的流量，从而控制负载的运动速度。本液压系统采用定差减压阀，实际是一个压力补偿器，因为液压缸两端进油和出油都会轮换变化，所以需要加一个梭阀。梭阀的作用是选择高压的油液回路，相当于两个尾对尾安装的单向阀，基本用在两条交替变换压力油路之间引出压力控制油路。其压力补偿回路如图2-8所示。图2-8 压力补偿回路因为负载的方向在每个振动周期会变化，液压油的压力会改变，为了防止产生气穴现象，可以采用一对连接油箱的单向阀，使液压缸内的油液压力过低时，能够及时得到油液补充，因此，还需要加一个油液补充回路。2.4.3集成液压系统成液压系统就是要把挑选出来的液压回路有规律地结合在一起，增加必要的辅助油路和元件，使之成为完整系统。根据选择的液压回路，增添油箱、蓄能器、压力表等构成了本次液压系统的原理图，如图2-9所示。图2.9液压系统原理图第三章 液压系统元件的设计与选择根据液压系统原理图，液压系统的元件与数量如表3-1所示：表3-1 液压系统元件及其数量元件数量元件名称1个液压缸、比例方向阀、压力补偿器、梭阀、液压泵溢流阀、过滤器、油箱蓄能器、电机2个截止阀3个单向阀3.1液压缸的设计液压缸是液压系统最重要的执行元件，它能将液压能转变为机械能，实现直线往复远动12。它结构结构、配制灵活、设计制造容易所以运用非常广泛。根据液压缸的力驱动负载的能力可分为单作用式和双作用式；根据其组成结构大致可分为柱塞式、活塞式、齿轮齿条式、伸缩套筒式等。根据负载的运动情况，本次设计的液压缸为双作用单杆活塞缸（如图3-1所示），固定方式为缸体固定。图3-1双作用单杆活塞液压缸3.1.1液压缸的设计参数液压缸最大推力计算：由液压系统设计要求，系统驱动力f100kg，知负载fmax=100kg1000n液压缸的最大行程l：臂架的振幅a=250mm，所以缸的行程l2a=500mm，液压缸的行程系列已经标准化，根据国标gb/t 2349-1980 液压缸行程系列如表3-2所示，根据臂架振动位移，选取缸行程l=550mm。表3-2液压缸行程系列一和系列二 液压缸行程系列二（mm）406390110140180220280360450550700900110140018002200280036003.1.2确定液压缸主要尺寸液压缸缸筒内径d和活塞杆直径d的计算：由总体设计方案知，液压缸工作最大负载为fmax=1000n，工作压力为p=0.63mpa。活塞杆直径可以根据活塞杆的受力状况确定：当活塞杆受拉力作用时， d=（0.30.5）d 当活塞杆受压力作用且工作压力p5 mpa时， d=（0.50.55）d为了使活塞杆最佳地承受拉力和压力，故选择d=0.5d。因为有杆腔的受力面积小，为了保证驱动力满足要求，应该用有杆腔计算为好：max （3-1）将数据f=1000n，d=0.5d，p=0.63mpa 带入，求得 d51.9mm 缸筒内径与活塞杆直径已经标准化， 圆整为标准值后得d =63mm，d=32mm。校核液压缸活塞杆稳定性：活塞杆的材料用45钢，活塞杆长度根据活塞的行程，取杆长为700mm。因此活塞杆属于细长杆，应该按稳定性校核，由压杆临界力计算公式13。（3-2）代入数据得=3257kn 远远大于负载1kn，因此稳定性要求完全满足。3.1.3液压缸壁厚的计算液压缸的壁厚就是指缸体中最薄处的厚度。圆筒应力分布会根据壁厚的不同而有显著的区别，所以一般计算时要分为薄壁圆筒与厚壁圆筒，一般是由强度条件计算。因为系统驱动负载小，系统为低压系统，系统液压缸缸体按照薄壁圆筒设计，薄壁圆筒壁厚计算公式13：（3-3）式中： 液压缸缸筒壁厚(m) d液压缸内径（m）试验压力（）当16 mpa，缸筒材料许用应力（）这里取=100，因为液压缸缸筒一般采用无缝钢管，本设计液压缸工作压力低，无缝钢管材料应选为20钢），将数据带入公式得 由公式计算出的液压缸的壁厚厚度太小，缸体的刚度远远不够，容易在切削加工过程中的变形，安装时变形，不符合工艺实际情况。所以应该根据经验和考虑到结构尺寸选取壁厚：=7mm。3.1.4缸筒外径尺寸的计算缸筒外径图3-2 缸筒结构图3.1.5液压缸进、出油口尺寸的计算液压缸的进、出油口最大液流速度v0应不大于4m/s，布置在端盖或缸筒上。油口油口的连接形式为螺纹连接或法兰连接，油口直径由活塞杆的最大运动速度vmax和油口最大液流速度v0决定。 （3-4）式中，- 液压缸油口直径 （m） d液压缸内径(m)活塞杆的最大运动速度vmax (m/min) 油口最大液流速度v0 (m/s)带入数据即所以，根据计算结果圆整进出油口尺寸为m272，连接方式为螺纹连接。3.1.5缸盖厚度的计算液压缸多为平形缸盖，当缸底开有油孔时，其厚度h可用下式进行近似计算10：（3-5） 式中： d液压缸内径(m) 试验压力（）缸底油孔直径（m） h缸底厚度(m) 缸底材料许用应力 (20号钢 =100) 带入数据得，因此缸盖厚度大于3.52mm即可。3.1.6活塞宽度b的计算活塞的宽度b一般取b=（0.61.0）d14。即b=（0.61.0）63=（37.863）mm液压缸驱动的负载较小，应选取较小值，故取b=40mm。图3-3 活塞零件图3.1.7最小导向长度的计算活塞杆完全伸出后，活塞垂直杆长方向的圆柱面对称中心面与导向套垂直杆长方向的对称中心面间的直线距离。导向长度过小会增大液压缸的初始挠度，导致液压缸稳定性差，因此设计时要保证有一定的导向长度。在缸径80mm时，一般取a0.6d=0.663=37.8mm，因为负载小，系统的工作压力低，为了简化液压缸装配，本次液压缸采用缸盖导向，不需要其他的导向元件。活塞宽带为40mm，所以只需要缸盖长度2（37.8-20）=35.6mm即可。3.1.8缸体长度的确定考虑到活塞杆端部的固定件，液压缸缸体的长度应大于活塞的行程与活塞宽度的。 并且设计上液压缸缸体的长度要小于缸体内径d的2030倍。 即：缸体长度550+40=590mm缸体长度（2030）d=（12601890）mm选取缸体长度为630mm。3.1.9液压缸的密封件选用液压缸要达到没有泄露、摩擦阻力小和使用寿命长的工作需求。密封件对于需要流体做介质的液压缸来说，其好坏会影响液压缸的整体性能。所以设计时，正确选择密封件的材料和结构形式是很重要的，要把防漏、防尘、导向当做一个系统来看，不能孤立开来。一般而言，液压缸的密封要求是比较高的，需要同时考虑到静密封和动密封，不能简单的延用普通的密封方法。（1）静密封的设计o形密封圈是静密封部位使用最常见的密封件（如图3-4所示）15。o型密封圈是用橡胶制成的精密结构，虽然尺寸小，但在复杂的工作条件下，可以保证其尺寸稳定性和可靠性。只要设计时根据工况选择合适的尺寸及材料，安装合理并采取相关的维护措施，就能达到令人满意的效果。根据机械设计手册，查通用o形密封圈系列的内径、截面及公差。图3-4通用o形橡胶密封圈缸筒与缸底，缸筒与缸盖之间的密封：选用型号为752.65 g gb3452.1-92 的o型密封圈2个。活塞杆与活塞直接密封：选用型号为282.65 g gb3452.1-92 的o型密封圈1个（2）动密封的设计yx型密封圈是我国液压缸行业使用极为广泛的往复运动密封圈（如图3-5所示）。它有抗挤压性好、尺寸稳定、摩擦力小、耐磨、耐腐蚀性强等优点，并且是具有良好性能双作用元件。此类密封圈轴、孔是不能互相通用的。一般当工作压力p16mpa时，为了防止它从间隙挤出，要加挡圈配合使用；当工作压力p16mpa时，可以不加挡圈单独使用。图3-5 孔用yx型密封圈在活塞与缸筒之间的密封：选型号为 d50 聚氨酯-4，jb/zq 4264-86 的yx形密封圈2个。往复运动液压油缸中活塞杆的密封效果以山形密封圈为佳，因此活塞杆与缸盖之密封：选取型号为40 gb10708.2-2000 的山形密封圈1个。（3）防尘圈的设计液压缸中，活塞杆或柱塞密封外侧要设置防尘圈，其作用时防止外界尘埃、砂砾等细小异物侵入液压杆，可以减少由液压油污染导致的元件磨损。在c型密封结构形式中，一般选用c型密封圈，起防尘和辅助密封作用（如图3-5所示）。图3-5 c型防尘圈根据活塞杆直直径，选用型号为fc 32gb10708.3-2000的c型密封圈。3.1.10液压缸零件材料及其连接方式 缸筒材料：常用20、35和45号钢的无缝钢管，由于缸筒外径需要加工，20号钢的塑性好，故选用20号钢的无缝钢管。 缸筒和缸盖的连接方式：外卡键连接；特点是缸筒外径需要加工、重量较轻。缸盖的材料和加工要求：45钢；（1）液压缸内圆柱表面粗糙度最好要小于0.5um。（2）内径h8配合；（3）内径圆度、圆柱度要不大于其直径公差的1/2；（4）在内表面母线直线度每50mm长度上要不大于0.04mm；（5）缸体端面对轴线的垂直度要求是在直径上每50mm要小于0.02mm；（6）缸体和端盖采用螺纹连接方式，使用m6的内六角圆柱螺钉。活塞：材料为ht200，活塞根据压力、速度、温度等工作条件选用密封件形式，活塞的结构形式由选定的密封件形式决定。常用的活塞结构有整体式活塞和分体式活塞两类。本次设计采用的是的无导向环整体活塞。活塞加工要求：活塞外径采用h9级配合公差，表面粗糙度ra为1.25m；活塞外径与缸筒内径的径向跳动公差按7级精度选取；端面与内孔的垂直度公差值按7级精度选取；活塞的圆柱度公差按10级9级精度选取；活塞与活塞杆的连接孔径采用h9级配合，表面粗擦度为1.25m。活塞杆：材料为45钢，调质处理。有实心杆与空心杆两种，对于杆径较小或者没有其他检测装置的一般做成实心杆，实心杆加工方便，用的较多；空心杆一般用于d/d比值较大或杆体内需要布置传感器的场合。本系统需要检测液压杆的位移，d/d=0.5，所以，活塞杆应做成空心杆，活塞杆的外端可以用螺纹与负载连接。活塞与活塞杆的连接采用螺纹连接，用双薄螺母拧紧，且起到防松的作用。图3-6 活塞杆零件图3.1.11缓冲装置液压缸的活塞杆有重量，运动时就具有动量。在它行程终端，当杆头进入液压缸缸盖和缸底时，会发生碰撞，产生大的噪声和冲击力，极有可能严重影响设备正常工作。因此，当液压缸活塞在12m/min 以上时，必须使用缓冲装置16。缓冲装置工作原理是当活塞位置与其行程终端位置在某段距离范围之内时，设法把部分或全部的油液封闭起来，使油液只能通过节流小口（或缝隙）排出，从而产生缓冲力作用在活塞排油腔侧上，与活塞惯性力作用相抵消，达到减速、制动目的（如图3-7a所示）。因此本设计中液压缸需配有缓冲装置，经过工艺分析，确定缓冲装置设置如下：在缸盖端用缓冲套缓冲，缸底端用缝隙节流缓冲。图3-7a缝隙节流缓冲图图3-7b缓冲套缓冲3.1.12排气装置如果没有设置排气装置或者其设置不当，当压力油进入液压缸后，缸内会存有空气。由于空气有滞后扩张性和可压缩性，会造成液压缸甚至整个液压系统在工作中出现颤振和爬行现象，影响液压缸的正常使用17。为了避免出现此类现象，首先要防止液压系统混入空气，其次在液压缸上还必须设置排气装置。排气装置设置的位置要合理，对于垂直安装的双作用液压缸，在缸底和缸盖的上方都要开设。排气装置分为整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞是由螺纹与端面连接，靠头部锥面起到密封作用。排气时，拧松螺纹，将缸内的空气通过锥面缝隙挤出并经斜孔排出缸外（如图3-8所示）。这种装置简单，方便，采用较多，本次设计的液压杆也采用整体式排气塞。图3-8 排气塞3.2阀类元件的选取（1）比例方向节流阀比例方向节流阀阀芯的位移与输入电信号成比例，并且其位移方向能够随电信号的级性变化而改变运动方向。因此，比例方向控制阀本质上是个方向流量控制阀18。普通型直动式直动式电液比例方向节流阀如图3-9所示图3-9a 比例节流方向阀实物外形 图3-9b比例方向阀结构图比例方向阀的规格主要指的是额定压力和额定流量，本系统属于低压系统，选择时不需压力，只需考虑流量就可。液压系统最大的输出流量为112l/min，因此根据额定流量和比例方向阀的特性曲线（如图3-10），选择型号为 4wrze10e150-7x/g24 比例方向阀。阀差为1mpa 时，额定流量为150l/min。为了能更好的使用比例方向阀，要求比例阀的最大流量应该接近额定流量的90%，根据小孔节流公式（式2-2），选择比例方向阀的压差为0.7mpa。图3.10 4wrz型比例方向阀特性曲线（3）压力补偿器和梭阀压力补偿器是在无法预知负载压力变化趋势的情况下，为了实现负载流量的稳定性提出来的。压力补偿器保持比例方向阀前后压差不变能够实现流量的稳定。压力补偿器按其工作原理可分为三类，分别是定差减压阀型、定差溢流阀型、泵控型19。本次液压系统压力补偿采用定差减压阀型，系统调定压差为0.7mpa，根据调压范围和额定流量，选择型号为zdc-16p 力士乐公司的定差减压阀，额定流量120/min，调压范围07 mpa。梭阀的作用只是“选择”高压油，要求较低，选择的型号为上海好施阀门公司的sf06/32 ，公称压力32 mpa。（3）电磁换向阀换向阀用来控制执行元件的换向，是液压系统中必不可少的方向控制阀20，换向阀的选择要注意二个方面：一是操纵装置的选择，有手动的、有电气控制等；二是选择换向阀中位机能，中位机能有多种形态包括系统保压、系统卸荷、执行元件“浮动”等。因为本液压系统需要添加一个控制系统，所以能方便地控制电磁换向阀，故采用电磁换向阀。根据油路的实际工作情况和需要锁紧和卸荷的中位机能。选择一个两位三通电磁换向阀，型号dg4v-5-22，最大流量120l/min，以及一个m型中位机能的三位四通电磁换向阀，型号dsg-03-3x60-d24-50，最大流量也是120l/min（如图3-11所示）。图3-11 两位三通换向阀和m型中位机能换向阀（4）节流截止阀和截止阀节流截止阀是一种简单、精确地控制液压执行元件速度的流量控制阀，完全关闭又能当成截止阀。根据系统的最大流量和工作压力，选择型号dv12-3-10的节流截止阀。截止阀工作原理是，依靠阀杠压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止油液等工作介质流通21。截止阀只许介质单向流动，安装时有方向性，选取型号为j13w， 安徽天长市自控设备有限公司生产的。（5）溢流阀和单向阀溢流阀是压力控制阀，应用十分广泛，在本设计的液压系统中起保护作用，系统工作压力为0.63mpa，定差减压阀的压差为0.7mpa，算上液压管路上的压力损失，应该调定液压泵的出口压力2mpa。因此，选择型号dt-02-b-22 的溢流阀，压力调节范围0.57mpa。单向阀在液压系统中的作用相当于静脉瓣在人体血管中的作用，单向阀用于液压系统中，防止油液逆流，又称之为止回阀。根据系统流量和压力，选取型号 s20a2o的单向阀1个，选取s20a0o的单向阀2个。所有的管道应该根据阀开口大小来选择。3.3液压辅件的选取（1）压力表压力表是液压生产和科研领域必备的仪表，用来指示系统的压力。通过压力表我们可以初步判断液压系统能否在正常工作，也是判断和解决液压系统故障常用工具。一般根据其量程和精度选择，本设计中选取测压范围02.5mpa的y系列压力表，型号为y-60。（2）蓄能器蓄能器的作用类似于弹簧，是液压系统中的能量储蓄装置。它能将系统中的能量在液压能和位能或压缩能之间互相转换。蓄能器在液压系统中储存能量，吸收液压冲击。蓄能器的容量根据公式10 （3-5）式中 ，蓄能器所需容积（m3）充气压力（mpa），按0.90.25充气蓄能器工作容积（m3）系统最低压力（mpa）系统最高压力（mpa）n指数；等温时n=1；绝热时n=1.4 代入数据得：=0.86l，圆整后，选取型号为nxq1-l1/10h 的蓄能器，容积为1l。 图3-12 蓄能器零件图3.4液压油箱的设计油箱是液压系统中必不可少的部分，除了储存液压油外，还起着分离油液中含有的气泡、散热、沉淀杂质等作用22。油箱安装时一般需要配合一些必要辅件使用，以满足系统的要求。根据油箱内、外液面是否相连通，将液压油箱分为开式油箱和闭式油箱两种。开式油箱结构特点是箱体为封闭容积，箱内的液面与外面大气相通，为避免外界尘埃等污染物进入油液，在油箱顶端必须设置空气过滤器。闭式油箱通是压力油箱的首选，里面充入一定量压力为0.05mpa左右的惰性气体。油箱根据形状不同还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造简单，箱上易于安装各种液压元器件，工程上广泛采用；圆罐形油箱一般用于大型的冶金设备，具有强度高、重量轻、清洁方便等特点，但其制造难度大、占地空间大，所以不常见。本次设计油箱设计成开式矩形油箱。总的来说，液压油箱主要包括油面指示器、空气过滤器、盖板、隔板、放油塞等。要求高的油箱还要求有温度指示计、加热器或冷却器和等，如图3-13所示。1.油面指示器 2.空气过滤器 3.上盖 4.隔板 5.放油塞图3-13油箱结构示意图油箱结构设计要点和注意事项：（1）油箱通常为长方体，其长、宽、高根据主机总体布置决定，比值在1:1:11:2:3之间，中、小型油箱用钢板焊接而成，大型油箱为了满足强度需要，要以角钢作骨架再焊接钢板。（2）壁板的厚度由油箱容积大小确定，在满足强度条件情况下尽量选薄些，避免没必要地增加油箱重量。油箱容量与壁厚选择如表3-3所示表3-3油箱容量与壁厚选择油箱容量320l()壁厚3345（3）油箱底脚高度一般175mm左右以便搬运和放油，其壁厚一般是箱体壁厚的2倍。（4）如果液压泵及电机安装在油箱盖板上，油箱盖板的设计厚度应为侧板厚度的3倍以上以避免产生幅度较大的振动。油箱盖板必须用螺钉与箱体所焊的角钢固定连接。顶盖可以是整体式的；也可以是分体式，分成几块，分别安装阀块和电机、液压泵等。（5）从人机学的角度看，要在油箱的恰当位置设置吊耳或者起吊螺钉，方便油箱移动。（6）油箱常设23块隔板，将吸油区和回油区分开，这样既利于散热也有利于沉淀杂质及排出气体。隔板高度为油液面高度的2/33/4。（7）油箱盖板开设通气孔将油液液面与外界大气连通。通气孔处设空气过滤器有一举两得的效果：除了能过滤空气外，它的滤网还可当做注油的过滤装置。（8）油箱底板要适当倾斜，而且要在最低位置处安放放油塞23。在箱壁位置易见处安放液面指示器，在油箱壁开设清洗窗口，平时用密封垫圈和盖板将其封死，需要清洗或检查时拧下螺钉即可。（9）为了保证油液的质量，泵吸油管需要装有一个油液过滤器。它跟油箱的底面要保持一定的空间距离，其侧面距离箱壁要大于3倍管径，其底面和油箱底板的距离要大于2倍管径，从而使油液能顺利进入滤油器。回油管口距离最低液面要大于200mm，其侧面距离箱壁要大于3倍管径，以避免回油时油液飞溅起泡。回油管口要斜切450角，能够增大出油口面积，并面向箱壁有利于散热、减缓流速和沉淀杂质。泄漏油管口要始终保持在油液液面以上，不宜在油液液面下方，避免增加漏油腔的背压。吸油管、泄露油管、回油管通过顶盖的孔都需要安装优质密封圈，避免油液受污染。（10）新油箱要经喷丸处理、酸洗处理和清洗表面等一系列加工处理过程，内壁可以涂上与油液相容的耐油涂料或者塑料薄膜等。3.4.1油箱的容量设计油箱容积的经验公式为 （3-6）式中qv液压泵每分钟排出油的体积，m3/min经验系数，见表3-4表3-4 经验系数的取值系统类型行走机械低压系统高压系统锻压系统冶炼系统12245761210根据设计要求，本次设计为低压系统故取3，液压泵每分钟排出油的体积最大为0.112m3/min，代入公式（3-6）得=3x0.112=0.336m3=336 l根据jb/t 7938-1999液压泵站油箱公称容量系列如表3-5，选择油箱的公称容量v=400 l。 表3-5油箱公称容量 油箱公称容量（l）2.546.310162540631001602503154005006308003.4.2油箱长、宽、高根据3.1.1的要求及400l的油箱容量要求，即当油箱液面达到油箱高度的80%左右时，能够达到400l的容量，根据长宽高比值关系，设定油箱长x宽x高1000mmx800mmx650mm。3.4.3箱体壁厚因为本次设计油箱容量为400l大于320l，所以壁板厚度选择为5mm，箱体采用焊接方法组合起来。3.4.4油箱底脚此次油箱设计由于安装高度的没有限制，油箱脚需直接承受油箱重量，考虑到搬运与放油因素，故确定选用45号钢，脚高为200mm，厚度为10mm（如图3-14）。图3-14 油箱地脚零件图3.4.5油箱顶盖油箱配件的选用为顶置式，故顶盖厚度适当选大，盖板厚度选为20mm，大于常用的3倍于壁板的标准设计厚度。为了是安装方便以及考虑顶盖的整体性能，设计为整体式盖板，增加油箱的可靠性。3.4.6油箱吊耳在左右侧板的上端中间分别设置1个转运吊耳。由于油箱整体质量较轻，直接焊接在侧板上。3.4.7油箱隔板根据油箱长度为1000mm，在油箱长度方向设置两块隔板，厚度与壁板厚度相同为5mm，高度为370mm。3.4.8油箱底板为了能够方便清洗油箱以及方便安放放油塞，油箱底板应该设置为斜面。一般设置底板向一端倾斜，一端高、另一端低，斜角为20。3.4.9油箱清洗孔为了方便使用者去清洗油箱，设计时应在两侧壁板中心位置开设一对清洗孔，并焊接上法兰，和清洗盖板用螺栓连接并且中间加密封垫圈以