病理床液压伺服机构设计

- I - 摘 要 随着我国医疗事业的发展和计算机的普及与提高，计算机控制技术越来越多地应用于各行各业中，传统的医疗器械已经不能满足患者的需求了。在此推动下，医疗护理器械的开发势头迅猛，但由于各地经济发展的不平衡性以及诸多人为因素的影响，致使许多先进的医护设备得不到应用，给患者带来了许多不便。为了克服这种困难，研制一套功能齐全、造价低廉的护理器械尤为重要，在这种背景下，计算机控制多功能病理床应运而生了。 结合病人的需求，设计了一种能自动实现抬头、屈腿、左右侧翻以及同时实现抬头和屈腿等功能的医用多功能病理床。考虑到该病 理床要实现各项功能，特将床板分割成八个部分。驱动方式上采用液压驱动方式，之所以选用液压系统，是因为其运动速度平稳，实用性强。每个动作实现都是由两个液压缸同时直接驱动，上升和下降则通过改变换向阀方向来实现。整个设计分为三步进行：首先设计出能实现动作要求的液压系统原理图，根据要求选择各标准件；其次，进行液压缸体的结构设计及材料的选择；最后，做液压站的总体设计。 关键词： 液压系统；液压驱动；病理床 - of of is to of t of of s of of a of a of In to it is to a of is so by A of is in of to or at to s is is We of s is is by of is by of is up of we we s we - 目 录 摘要 . I . 1章 绪论 . 1 压系统综述 . 1 理床国内外研究现状 . 2 题研究的意义和目的 . 2 第 2章 病理床液压伺服系统的设计 . 4 计要求 . 4 理床液压执行元件载荷力计算 . 4 行工作情况分析 . 4 部运动时的负载情况 . 5 部弯曲时的负载情况 . 6 干运动时的负载情况 . 7 统方案制定 . 8 行机构的选择 . 8 速回路的选择 . 8 向回路的选择 . 8 压源的选择 . 8 作顺序 . 8 理床液压系统主 要参数计算 . 10 液压缸的载荷力计算 . 10 选液压缸工作压力及液压缸回油腔背压力 . 11 压缸主要参数的确定 . 11 压缸实际工作压力的确定 . 15 压缸实际所需的流量 . 15 压缸的输出功率 . 15 压元件的选择 . 16 压泵的选择 . 16 - 动机功率的确定 . 17 压阀的选择 . 18 道尺寸的确定 . 19 箱有效容积的确定 . 19 压油的选定 . 20 理床液压系统性能验算 . 20 压系统压力损失 . 20 统温升验算 . 22 章小结 . 23 第 3章 病理床所用液压缸基本尺寸的设计 . 24 压缸主要尺寸的确定 . 24 压缸内径及活塞杆直径的确定 . 24 筒壁厚的计算 . 24 体外径的计算 . 24 压缸工作行程的确定 . 24 小导向长度的确定 . 25 体长度的确定 . 26 压缸的结构设计 . 27 体与缸盖的连接结构 . 27 塞杆与活塞的连接结构 . 27 封装置 . 27 压缸的缓冲装置 . 28 压缸主要零件的材料 . 28 压缸的安装方法 . 28 章小结 . 28 第 4章 病理床液压站的设计 . 29 箱 的设计 . 29 压油箱容积的确定 . 29 箱的结构设计 . 30 压泵组的结构设计 . 31 置方式 . 31 接和安装方式 . 31 - V - 振降噪措施 . 32 章小结 . 32 结 论 . 33 致 谢 . 34 参考文献 . 35 附录 A . 36 - . . 1 of . 1 . 2 of . 2 . 4 . 4 . 4 of . 4 of . 5 of . 6 of . 7 . 8 . 8 . 8 to . 8 . 8 . 8 . 10 of . 10 to . 11 . 11 of . 15 of . 15 of . 15 . 16 . 16 - of . 17 . 18 . 19 of . 19 of . 20 . 20 . 20 . 22 . 23 ed . 24 . 24 . 24 . 24 of . 24 . 24 . 25 . 26 of . 27 . 27 od . 27 . 27 of . 28 of . 28 of . 28 . 28 . 29 . 29 of . 29 of . 30 of . 31 . 31 - . 31 . 32 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 - 1 - 第 1章 绪论 液压系统综述 液压传动是现代传动中的一门新技术，在工程机械中起着重要作用，是目前科研项目比较广泛的课题。如果从十七世纪中叶巴斯卡提出静压传动原理，十八世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动已有二三百年的历史。然而，液压传动的真正推广使用却是近三四十年的事情，十九世纪末，德国制成了龙门液压刨床，美国制成了液压六角车床和磨床，由于没有成熟的液压元 件，一些通用机床到本世纪三十年代猜开始使用液压传动，并且仍不普遍。第二次世界大战期间某些兵器上用了反应快、动作准、功率大的液压传动装置，推动了液压技术的发展，战后，液压技术迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车行业中迅速推广。本世纪六十年代以后，随着原子能、空间技术、计算机等的发展，液压技术得到了很大的发展，渗透到国民经济的各个领域中去，液压技术得到了很大的发展，渗透到国民经济的各个领域中去。目前液压技术向高高速、大功率、高效、地噪、经久耐、高度集成化方向发展，同时，新的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，微机控制等工作，也日益取得显著的成果。随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。 液压系统已经在各行各业得到越来越广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部分就越多，现代化产品的特点是自动化程度高，因此必须采用电子和液压这 些先进技术。然而如何将电子和液压两门技术结合起来，以满足自动控制的更高要求，就成为当代应用技术的重大课题之一。液压伺服技术也就应运而生了。液压伺服系统是控制领域中的一个重要组成部分，它是在液压传动和自动控制技术基础上发展起来的一门较新的科学技 2 术。 液压伺服系统有许多优点，其中最突出的就是响应速度快、输出功率大、控制精确性高，因而在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。人类使用水利机械及液压传动虽然已有很长的历史，但液压控制技术的快速发展却还是近几十年的事，随着电液伺服阀的诞生，使液压 伺服技术进入电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。 病理床国内外研究现状 目前，国内的病理床 ,多采用手动装置，其基本结构是将床体分为两部分，在护理人员的协助下，应用丝杠螺母的传动原理，仅起到抬动躯干的作用，不但功能单一，而且存在结构锈蚀和振动噪音等诸多问题，不能适应医护人员远程控制的需要。 国外，在 90 年代电动护理床开始在医疗护理中暂露头角，这其中当属日本生产的多功能电动遥控护理床，它采用世界领先科技成果，在九十年代中期开发成功的新产品，畅销日本及欧美等发达国家，深受消费者喜爱，被誉为医疗及家庭护理领 域的一场革命。使用者通过该产品可以预防脊椎病、褥疮等常见病的发生，摆脱长年卧床的痛苦，享受生活的乐趣。此设备具有使用简单、操作自如、用者自理的特点，为中国护理行业带来了全新的概念，也为中国中老年人和长年卧床患者带来了福音。 课题研究的意义和目的 现代科技高速发展 ,医疗器械也日新月异 ,为使生活不能自理的病人得到最有效的治疗 ,多功能智能病理床的研制被提上了日程 ,课题研究的意义是使患者能够自己手控完成：坐起、抬腿及侧翻身的动作。课题完成后能使生活不能自理的病人得到最有效的治疗。 多功能病理床，根据人机工程学原理 ，采用计算机控制 技术 ，对液压伺服机构进行控制，使之具备任意角度独立翻转和组合翻转功能，具体为： 1. 帮助病人抬头或调节枕高； 2. 帮助病人坐起或调节上身角度； 3 3. 上身抬起时头部可适度后仰； 4. 帮助病人抬腿； 5. 大腿抬起时小腿可适度弯曲； 6. 形成座椅； 7. 左、右侧翻身。 本文完成的是病理床液压伺服设计。设计完成病理床的执行机构，执行机构主要完成床体的运动功能，在设计中采用液压阀的方式，建立液压控制台，通过阀体运动，带动液压缸前后运动，从而实现床体的升降功能。 4 第 2章 病理床液压伺服系统的设计 设计要求 设计一台针对脑出血病人，能 够帮助病人缓慢运动的病理床液压伺服系统。根据病人情况能够实现以下动作：抬头、头和上身同时抬起、下肢可动、左翻、右翻、弯膝。运动速度 动时间不大于 虑到躯干抬起、下肢抬起、左右侧翻四个动作负载相差不多，所以采用三个相同的液压缸，经计算，得出数据为： 头部运动时： 671，行程 膝部弯曲时： 671，行程 躯干运动是： 671，行程 下肢运动、左右侧翻、与躯干运动时取同样的数值，这样便于生产加工，使原件标准化。动作进行中，突然断电时保证安全可靠；工作速度平稳可靠，前冲小。 病理床液压执行元件载荷力计算 进行工作情况分析 液压缸负载主要包括：工作载荷、摩擦载荷、惯性载荷等。 1 工作载荷：病人与床的重力所产生的载荷摩擦载荷：F 2 3 惯性载荷：2（ 2 取 根据以上分析，可以计算出液压缸各运动阶段中的负载 5 头部运动时的负载情况 头部运动时的负载情况见表 2 2部运动时的负载情况表 工况 计算公式 液压缸的负载 上升启动加速阶段 3207 上升稳态运动阶段 3205 上升减速制动阶段 3204 下降启动加速阶段 2082 下降稳态运动阶段 2081 下降减速制动阶段 2080 根据上表分析，为便于分析及计算液压系统，绘制出液压缸的负载图和速度图，见图 2 1。 负载图 速度图图 2部运动时液压缸的负载图和速度图 6 膝部弯曲时的负载情况 膝部弯曲时的负载情况见表 2 2 表 2 2 膝部弯曲时的负载情况表 工况 计算公式 液压缸的负载 上升启动加速阶段 2071 上升稳态运动阶段 2070 上升减速制动阶段 2069 下降启动加速阶段 1381 下降稳态运动阶段 1380 下降减速制动阶段 1379 根据上表分析，为便于分析及计算液压系统。绘制出液压缸的负载图和速度图，见图 2 2。 负载图 速度图图 2 2 膝部运动时液压缸的负载图和速度图 7 躯干运动时的负载情况 躯干运动时的负载情况见表 2 3 表 2 3 躯干运动时的负载情况表 工况 计算公式 液压缸的负载 上升启动加速阶段 6440 上升稳态运动阶段 6437 上升减速制动阶段 6434 下降启动加速阶段 4294 下降稳态运动阶段 4291 下降减速制动阶段 4288 根据上表分析，为便于分析及计算液压系统，绘制出液压缸的负载图和速度图，见图 2 3。 负载图 速度图图 2 3 躯干运动时液压缸的负载图和速度图 8 系统方案制定 执行机构的选择 本机的动作机构均为直线往复运动，各直线往复运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸驱动。 调速回路的选择 根据液压系统的要求使进给速度平稳，到位时不前冲，可选用调速阀的进口节流调速回路，见附录 A 原理图。 换向回路的选择 根据液压系统的要求使进给速度平稳，到位时不前冲，可选用调速阀的进口节流调速回路，见附录 A 原理图。 液压源的选择 由设计要求可知，工作过程中负载过大，速度变化小，才用了变量叶片泵。同时为 了保证系统的安全性，仍可在泵的出口处并联一个溢流阀起安全作用。 动作顺序 该系统完成头部抬起、躯干抬起、左翻、右翻、下肢抬起、膝部弯曲的六个动作，六个动作油路如下： 1. 头部抬起 单向阀开启， 1电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起， 1314电，油经背压阀流回油箱。 2. 头部下降 9 单向阀开启， 2电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起， 13电，油经背压阀流回油箱。 3. 躯干抬起 单向阀开启， 3电，压 力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起， 1314电，油经背压阀流回油箱。 4. 躯干下降 单向阀开启， 4电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起， 13电，油经背压阀流回油箱。 5. 下肢抬起 单向阀开启， 5电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起， 1314电，油经背压阀流回油箱。 6. 下肢下降 单向阀开启， 6电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆 腔，活塞向右推动机构升起， 13电，油经背压阀流回油箱。 7. 左翻升 单向阀开启， 7电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起， 1314电，油经背压阀流回油箱。 8. 左翻降 单向阀开启， 8电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起， 13电，油经背压阀流回油箱。 9. 右翻升 单向阀开启， 9电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起， 1314电，油经背压阀 10 流回 油箱。 10. 右翻降 单向阀开启， 10电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起， 13电，油经背压阀流回油箱。 11. 小腿抬起 单向阀开启， 11电，