全自动洗车机毕业设计.pdf

第 7 章 气动系统设计 71 气动系统设计的依据 1. 气缸的工作特性 气缸活塞在运动过程中，腔室里的气体压力和活塞位移随时间变化的关系， 称为气缸的力-位移特性。如图 7-1 所示。 图 7-1 气缸压力-位移特性 初始状态时，气缸处于伸的位置（指气缸活塞杆处于伸的位置） ，有杆腔内 的气压 P1 为大气压。当三位四通电磁换向阀左位接通后（图 7-1，点 1） ，无杆 腔和气源接通，气体以高速向无杆腔快速充气，并很快上升为气源压力；有杆腔 的气压一直是大气压 P1。当无杆腔和有杆腔的压力差为 P2-P1=P,超过活塞启动 的最小压差。活塞杆就开始运动（图 7-1，点 2） 。由图可见，一旦活塞杆运动启 动，无杆腔中的压力有所下降，主要原因是活塞和气缸内壁之间的摩擦阻力由静 摩擦力变为动摩擦力而有较大的减小，活塞运动的起始段开始加速。若活塞在运 动过程中，负载保持恒定，那么活塞两侧的压力差使活塞杆匀速向前运动，直至 达到最佳清洗状态（图 7-1，点 3） ，无杆腔压力再次急剧上升到气源压力（图 7-1，点 4） 。 图 7-1 为气缸典型的压力-位移曲线，实际上气缸两腔室的压力差大小、位 移曲线的形状与气缸的负载（外负载、摩擦阻力的总称）性质、大小以及工作压 力、缸径和行程等多种因素有关。 从上面的说明可知，气缸活塞运动的速度在运动过程中是变化的。若在换向 阀和气缸之间的链接管路上串连速度控制阀，控制进排气口的流通能力，就可以 调节活塞运动的速度。 2. 气缸的输出力和缸径的确定 普通双作用气缸无杆腔为工作腔时理论推力 0 F 为： p 4 2 0 DF N （71） 式中： D缸径(mm) p气缸的工作压力(MPa) 普通双作用气缸的有杆腔为工作腔时理论拉力 0 F 为： p 4 22 0 dDF N （72） 式中: d活塞杆直径(mm)，一般估算时取 d=0.3D。 p气缸的工作压力(MPa) 实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的 实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。 气缸的效率是气缸的实际推力和理论推力的比值，即: 0 F F 气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。 此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生 一定的影响。在考虑到活塞杆和活塞本身的摩擦力影响的情况下，实际输出力要 以气缸效率来修正，一般效率在 0.70.95 之间。 从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于 是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。 气缸的负载率 定义为: %100 0 F F 气缸的理论输出力 气缸的实际负载 气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率，则由定义 就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。气缸负载率的选取与气 缸的负载特性及气缸的运动速度有关，其取值见表 7-1。 表 7-1 气缸的运动状态和负载率 阻性负载 （静负载） 惯性负载的运动速度 v 100 /s 100500 /s 500 /s 0.8 0.65 0.5 0.35 3. 耗气量 气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。 耗气量大小与气缸 的性能无关，但它是选择空压机排量的重要依据。 气缸活塞完成一次行程所需要的耗气量 Q 为： t p SDQ 1 1 . 0 1 . 0 0470 2 min/L （73） 式中: D缸径(cm) S气缸行程(cm) t气缸一次往复行程所需要的时间(s) p工作压力(MPa) 72 气压元件的选型 721 气缸的选择 首先，通过对公交车清洗设备气动系统的工况分析，可确定气缸应选用双作 用气缸。根据对气缸的工作要求，选定气缸的规格：缸径和行程，按气缸的工作 要求的行程加上适当的余量，依此法选取详尽的标准行程作为预选行程。 其次，还应考虑；环境条件（温度、粉尘、腐蚀性等） ，安装方式等。 1. 双作用气缸的结构 双作用气缸结构如图 7-2 所示，它由前缸盖、活塞、活塞杆、密封件等零件 组成。缸内有与活塞杆相连的活塞，活塞上装有活塞密封圈。为防止漏气和外部 灰尘的侵入，前缸盖上装有活塞杆用密封圈和防尘圈。这种双作用的气缸被活塞 分为两个腔室：有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔） 。有活 塞杆的腔室称为有杆腔，无活塞杆的腔室称为无杆腔2。 图 7-2 普通型单活塞杆双作用气缸 1后缸盖；2密封圈；3缓冲密封圈；4活塞密封圈；5活塞；6缓冲柱塞；7活 塞杆；8缸筒；9缓冲节流阀；10导向阀；11前缸盖：12防尘密封圈；13磁铁； 14导向环 当从无杆腔端的气口输入压缩空气时， 若气压作用在活塞右端面上的力克服 了运动摩擦力、负载等各种反作用力，推动活塞前进，有杆腔内的空气经该端气 口排入大气，使活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气时，活塞杆退 回初始位置。通过无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，活塞杆伸出或者退回，气 缸实现往复直线运动。 由于在运行过程中，活塞均不必到达与缸盖接触的位置，选择无缓冲双作用 普通气缸。 2. 缸径的确定 在汽车清洗机的机械传动系统中，裙刷、侧刷支撑架的转动及定位全是依靠 气缸活塞杆拉动完成的。按照洗车机最佳洗车效果的要求来看，裙刷、侧刷刷洗 时，其作用于车身的垂直压力为 40N 左右时，清洗效果为最佳，根据各传动机构 的结构计算，侧刷支撑架作用于活塞杆上的轴向负载力约为 200N；裙刷支撑架 作用于活塞杆上的轴向负载力约为 90N。 在气压传动系统中，系统的工作压力为 0.6MPa,而气缸工作压力计算时一般 选用 0.4MPa。 根据以上要求，考虑气缸运动平均速度在 100500 /s 之间，因此取负载 率=0.5，效率=0.8，可计算出气缸的理论缸径。 由式 71 可得侧刷气缸的缸径为： mm9 .39 4 . 0 200255 0 p F D 根据标准气缸的尺寸故选择气缸缸径为 40mm。 同理可得到裙刷气缸的缸径为： mm8 .26 4 . 0 90255 0 p F D 根据标准气缸的尺寸故选择气缸缸径为 32mm。 3. 气缸的行程确定 按照规定的气缸行程允差， 选择生产厂商提供的标准行程， 故确定结果如下： 侧刷气缸行程为 250mm； 裙刷气缸行程为 200mm； 根据以上要求最终选用的侧刷气缸型号为 SC-40250-S-LB,其含义为：缸 径为 40mm，行程为 250mm，附磁，采用 TC 固定型式的标准复动型气缸。裙刷气 缸型号为 SC-32200-S-LB，其含义为：缸径为 32mm，行程为 200mm，附磁，采 用 TC 固定型式的标准复动型气缸。 722 减压阀的选择 为保证气动系统正常工作，选择减压阀时根据要求的工作压力，调压范围、 使用流量的最大值和稳压精度来选择。 耗气量的计算可采用式 73,设气缸的工作压力为 0.4MPa， 每秒完成一次行 程，则: 侧刷气缸耗气量为 Q1=0.0474255=94L/min； 裙刷气缸耗气量为 Q2=0.0473.2205=48.2L/min； 整个系统的耗气量为 Q=4Q12Q2=472.4 L/min； 所以选定的减压阀型号为AR2000-02型标准额定流量为550L/min的减压阀， 其调压范围为 0.050.85MPa,最高使用压力为 1.0MPa,保证耐压力 1.5MPa。 总气体选定的减压阀型号为AR2500-02型标准额定流量为2000L/min的减压 阀， 其调压范围为 0.050.85MPa,最高使用压力为 1.0MPa,保证耐压力 1.5MPa。 723 电磁换向阀的选择 电磁换向阀控制力是电磁力， 它利用电磁铁的通电吸合与断电释放直接推动 阀芯来切换气流的方向或气路通、断，以控制气压系统相应的工作状态。它是电 气系统与气压系统之间的信号转换元件，它的电气信号由按钮开关、限位开关、 行程开关等元件控制，使气压系统方便地实现各种操作及自动顺序动作。 电磁换向阀按使用电源的不同，可分为交流（D 型）和直流（E 型）两种， 交流电磁换向阀的电压为 220V，其特点是启动力较大，换向时间短，价廉。但 当阀芯卡住或吸力不够而使铁芯吸不上时，电磁铁容易因电流过大而烧坏，故工 作可靠性较差，动作时有冲击，寿 命较低。直流电磁铁电压一般为 24 伏。其优 点是工作可靠，不会因阀芯卡住而烧坏，寿命长，体积小，但启动力较交流电磁 铁小，而且在无直流电源时，需整流设备。 电磁换向阀只是采用电磁铁来操纵滑阀阀芯运动， 而阀芯的结构及型式可以 是各种各样的，所以电磁滑阀可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通 和三位五通等多种型式。一般二位阀用一个电磁铁，三位阀需用两个电磁铁。 按照气压驱动系统的控制要求，选用电磁换向阀的型号为 34E1-125B。其中 “3”表示换向阀位置数， “4”表示气口通路数， “E”表示直流电源， “125”表 示公称流量为 125L/min， “B”表示板式。其职能符号图如图 7-3 所示。 图 7-3 三位四通电磁换向阀的职能符号图 三位电磁换向阀的阀芯在阀体孔内有 3 个位置，因此它需要 2 个电磁铁，2 个中弹簧。当左、右电磁铁均断电时，阀芯在对中弹簧的作用下处于中间位置。 气口 P、T、A、B 互不相通；当右边电磁铁通电（左边电磁铁断电）时，阀芯在 推杆推动下移至左端位置，气口 P 和 B，A 和 T 相通；当左边电磁铁通电（右边 电磁铁断电）时，阀芯在推杆推动下移至右端位置，气口 P 和 A，B 和 T 相通。 724 单向调速阀的选择 单向调速阀一般根据流量调节范围和使用条件， 根据市场上的单向调速阀性 能， 通过参考其他汽车清洗机的情况， 采用类比方法， 确定选用 FCG-03-125-N-30 型单向调速阀。其中“FC”表示单向调速阀， “G”表示底板安装型， “03”表示 最大调节流量 125L/min，最小调节流量 0.2L/min， “N”表示带压力补偿活塞开 度调节机构。 73 气动系统的工况分析 在本控制系统中有 2 个裙刷，4 个侧刷，每个毛刷都安装在毛刷支撑架上， 毛刷支撑架一端安装轴承固定在设备的框架上，另一端与活塞杆相连，毛刷支撑 架在气缸的驱动下就可旋转。图 7-4 为毛刷支撑架的实物图。 图 7-4 毛刷支撑架 在原位时，毛刷支撑架处于水平状态，当气缸进气时，活塞杆伸长，毛刷支 撑架通过轴承就可实现旋转运动，从而使毛刷接近车辆达到最佳清洗距离。当清 洗完后，气缸排气，活塞杆退回，毛刷支撑架回到初始位置。 74 气动系统原理图 由于裙刷和侧刷的驱动控制要求相同，故其气压系统原理相同。在控制系统 中速度的调节是采用单向调速阀实现的， 在实现裙刷和侧刷清洗距离的调节以及 回位要求时，可采用三位四通电磁换向阀进行换向，同时为使气源压力与气缸工 作压力匹配，选择调压阀来满足控制要求，其气动系统原理如图 7-5 所示。 图 7-5 毛刷气动原理图 1减压阀；2三位四通电磁换向阀；3单向调速阀；4气缸 其中元件 1 为减压阀，它的作用是将较高的输入压力调到规定的输出压力， 并能保持输出压力稳定，不受空气流量变化及气源压力波动的影响。减压阀的调 压方式有直动式和先导式两种。直动式是借助弹簧力直接操纵的调压方式；先导 式是用预先调整好的气压来代替直动式调压弹簧进行调压。 一般先导式减压阀的 流量特性比直动式好。 直动式减压阀通径小于 2025mm，输出压力在 01MPa 范围内最为适当， 超过这个范围应选用先导式。根据汽车清洗机的工作特点，直动式减压阀可以满 足气动系统的要求，故选择直动式减压阀。 在图 7-5 中，元件 2 为三位四通电磁换向阀，其初始位置气路关闭，裙刷和 侧刷停在原位；洗车机开始工作后，电磁阀左位接通，气缸进气，活塞杆伸出， 毛刷支撑架开始转动。当毛刷达到最佳清洗距离后，电磁阀断电，工作在中位。 当毛刷清洗完后，电磁阀右位接通，气缸排气，活塞杆退回，毛刷支撑架回转至 初始位置。 综上所述，将各个系统组合在一起，再配以气动三联件（空气过滤器、减压 阀、油雾器）就形成了整个系统的气压驱动系统原理图，如图 7-6 所示。 图 7-6 气压驱动系统原理图 1空气压缩机；2后冷却器；3分水排水器；4储气罐；5压力计；6空气过滤器； 7、9、13、17、21、25、29减压阀；8油雾器；10、14、18、22、26、30三位四通电 磁换向阀；11、15、19、23、27、31单向调速阀；12、16、20、24、28、32气缸 结 论 通过这次对公交车高压清洗设备课题的设计，使我从中学习到了很多知识， 增长了自己的经验，加强了自己的设计能力，并且更了解了机械、电气、PLC 自 动控制以及气动系统之间的相互配合使用。 本系统设计主要是解决城市公交车能自动清洗的问题， 基于节水和环境保护 以及成本控制的要求，设计的一种既满足公交站清洗速度快、效率高的要求，又 能节水环保且设备投资成本较低的洗车机，系统具有一体的经济性和实用性。在 具体的设计过程中， 特别体会到理论必须和实际相结合。 虽然收集了大量的资料， 但是实际运用中却有很多的差异，出现了许多意想不到问题。从一开始的确定课 题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都 使我的理论知识和动手能力进一步得到提高。 也因此锻炼了自己在社会上的适应 能力，为自己