液压传动与控制课程设计-钢包倾翻液压系统设计（全套图纸）

课程设计 学生课程设计（论文）学生课程设计（论文） 题 目： 钢包倾翻液压系统设计 学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 指 导 教 师： 职称： 副教授 二 O 一 年 月 日 学院教务处制 课程设计 1、本科学生课程设计任务书、本科学生课程设计任务书 题题 目目 钢包倾翻液压系统设计 1、课程设计的目的、课程设计的目的 学生在完成液压传动与控制课程学习的基础上，运用所学的液压基本知识，根据液 压元件、各种液压回路的基本原理，独立完成液压回路设计任务；从而使学生在完成液压回 路设计的过程中，强化对液压元器件性能的掌握，理解不同回路在系统中的各自作用。能够 对学生起到加深液压传动理论的掌握和强化实际运用能力的锻炼。 2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等） 在冶金企业生产过程中，经常需要使用铁水包倾翻台来支撑并倾翻铁水包， 倒人铁水，然后再对铁水进行除渣处理。铁水包铁水装入量为80100T，倾翻角 度为050度，属于重负载作业。因此，需要工作时安全可靠无振动。其工作原 理是通过液压传动使支撑臂滚动倾翻，倒人铁水，再返回。 一、工况循环： 1、油缸上升，钢包倾翻， 2、保持倾翻角度，加入铁水， 3、油缸下降，钢包达到平衡。 二、工作参数： 上升速度： 35mm/s。 上升最大负载： 240KN 下降速度： 40mm/s。 下降最大负载： 1200KN 行程：1500mm。 工作介质：水乙二醇 三、要求：运行平稳，不得有振动有爬行 四、任务：计算、设计原理图，画出集成块图 3、主要参考文献、主要参考文献 1 章宏甲主编， 液压与气压传动 ，机械工业出版社出版 2007.1 2路甬祥主编.液压气动技术手册.北京.机械工业出版社.2002 3雷天觉主编.液压工程手册.北京.机械工业出版社.1990 课程设计 4、课程设计工作进度计划、课程设计工作进度计划 内容 学时 明确机床对液压系统的要求，进行工作过程分析 4 初步确定液压系统的参数，进行工况分析和负载图的编制 14 确定液压系统方案，拟订液压系统图 4 确定液压制造元件的类型并选择相应的液压元件，确定辅助装置 4 液压系统的性能验算 2 液压油箱的结构设计，制图及编制技术文件 12 合计 1 周 指导教师指导教师（签字） 日期日期 12 年 6 月 日 教研室意见：教研室意见： 年 月 日 学生学生（签字） ： 接受任务时间： 年 月 日 注：注：任务书由指导教师填写。 课程设计 课程设计（论文）指导教师成绩评定表课程设计（论文）指导教师成绩评定表 题目名称题目名称 评分项目评分项目 分分 值值 得得 分分 评价内涵评价内涵 工 作 表 现 20% 01 学习态度 6 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学 工作态度。 02 科学实践、调研 7 通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠 道获取与课程设计有关的材料。 03 课题工作量 7 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 能 力 水 平 35% 04 综合运用知识的能力 10 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题， 能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析， 得出有价值的结论。 05 应用文献的能力 5 能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并 较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种 信息及获取新知识的能力。 06 设计（实验）能力，方案 的设计能力 5 能正确设计实验方案， 独立进行装置安装、 调试、 操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清 晰、完整。 07 计算及计算机应用能力 5 具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机 进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。 08 对计算或实验结果的分析 能力（综合分析能力、技 术经济分析能力） 10 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。 成 果 质 量 45% 09 插图（或图纸）质量、篇 幅、设计（论文）规范化 程度 5 符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本 文件第五条要求。 10 设计说明书（论文）质量 30 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分， 结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。 11 创新 10 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 成绩成绩 指指 导导 教教 师师 评评 语语 指导教师签名： 年 月 日 本科课程设计 1 绪论 1 目 录 1、摘要、摘要 2 2 绪论绪论 3 2.1 钢包倾翻液压系统的概述 . 3 2.2 钢包倾翻液压系统在国内外的发展 . 3 3 钢包倾翻的液压系统设计钢包倾翻的液压系统设计 5 3.1 钢包倾翻液压系统的设计要求 . 5 3.2 钢包倾翻液压系统的总体设计方案 . 5 3.3 负载分析 6 3.4 绘制负载图和速度图 . 7 3.5 初选系统工作压力 . 8 3.6 计算液压缸的主要结构尺寸 8 3.6.1 确定液压缸尺寸 9 3.6.2 缸径、杆径取标准值后的有效工作面积： 9 3.7 确定液压缸所需流量 . 9 3.8 制定基本方案和绘制液压系统图 . 10 3.8.1 制定基本方案 10 3.8.2 液压泵的选择 11 3.8.3 拟定液压系统图 11 3.9 液压元件的选择. 12 3.9.1 液压泵的选择 12 3.9.2 电机的选择 13 3.9.3 液压阀的选择 13 3.9.4 管道尺寸的确定 14 3.10 油箱容量的确定. 15 3.11 液压系统性能验算 . 16 3.11.1 验算液压系统压力损失 16 3.11.2 油液温升验算 17 3.12 冷却器所需面积的计算 . 18 结论结论20 参考文献参考文献21 附录附录A：22 致致 谢谢 23 本科课程设计 1 绪论 2 1、摘要 现代机械加工行业发生着深刻的结构性变化， 液压系统的设计与改良已成为 相关企业生存和发展的必要条件。动力装置行业作为一个传统而富有活力的行 业，近十几年取得了突飞猛进的发展。在新经济时代，这一行业呈现了新的发展 趋势，由此对其动力装置的质量、性能产生了新的变化。输出轴作为动力装置的 主要零件，液压系统的设计与改良直接影响着其质量与性能。 本文首先介绍了液压的作用和工况分析，其次确定液压缸尺寸，然后进行了工艺 规程设计。 关键词关键词：工况分析 液压元件设计 液压缸设计 ABSTRACT The modern machine- finishing profession is having the profound constitutive change, the craft work clothes design and the Improvement has become the correlation enterprise survival and the development essential condition. The power unit obtained the development which progresses by leaps and bounds. In the new economical time, this profession has presented the recent development tendency, from this to its power unit quality; the performance has had the new change. The output shaft took the power unit the major parts, the craft work clothes design and the improvement directly is affecting its quality and the performance. This article first introduced the output shaft function and the craft analysis, next the definite semi finished materials size, then has carried on the technological process design, finally has carried on the jig design to the 70th working procedure and the 80th working procedure. Key words technical analyze the technical rules plan modular design 本科课程设计 1 绪论 3 2 绪论 2.1 钢包倾翻液压系统的概述 在铁水罐倒入转炉冶炼之前，通常液压行走机构将铁水送到扒渣的位置，再 由倾翻液压系统将铁水罐倾翻一定的角度， 然后由气动扒渣机将铁水罐中的废渣 扒入渣罐中。待废渣扒完之后，钢包倾翻的液压系统再将铁水罐回到水平位置， 为下一不工序做好准备。 钢包倾翻倾翻驱动方式主要有机械传动驱动方式和液压油缸顶翻方式两种。 而机械传动又分为集中驱动方式和分散驱动方式，主要有电动机、制动器、减速 机、中间齿轮和齿圈等组成。机械传动驱动方式在目前属于传统的设备，它不但 倾翻能力受到限制，而且该系统在安装和使用过程中存在许多问题： 设备结构复杂，基础施工量大，安装困难。 动力系统在高温恶劣环境下工作，故障率高、维修成本高。 电机、减速机的惯性大，启动停止时冲击大，易造成设备损坏。如滚键、 传动轴变形，减速机损坏。 频繁重载启动，电动机大部分时间在不良工况下运行，极易导致电机及其 控制系统故障。如电动机过热和接触器烧毁等。 过载能力差，经常导致电机和接触器烧毁。 难以实现联动和安全闭锁，占用人员多，劳动强度大，存在安全隐患。 经过多方比较， 反复论证， 采用液压缸顶翻方式能解决一些弊端， 其优点有： 倾翻采用液压油缸驱动，其传动装置结构较为紧凑，不需要电机和减速机 装置复杂的设备基础，也省去了专门安装传动装置的机构，从根本上解决了电机 及减速机带来的种种弊端。 过载自动保护能力强，当倾翻结构被卡住或承受超过额定负荷时，系统自 动卸荷，从而保护了电机和其它设备，安全性高。 易于实现反转控制，当倾翻机构需要下降时，电机无需反转，采用换向阀 进行换向，易于控制，动作迅速，无冲击。 采用液压制动，停位准确，惯性小，省去了电磁制动系统，使得控制系统 更简单。 钢包倾翻采用液压技术，升降平稳，噪声低，使用寿命长，承受载荷大而且 控制相对简单。可见采用液压系统驱动，它的优越性是显而易见的。 2.2 钢包倾翻液压系统在国内外的发展 随着工业自动化程度的不断提升， 液压传动在自动调节和随动系统工程的应 本科课程设计 1 绪论 4 用日趋广泛，它与电力传动和气动传动相比，具有相当的优点：尺寸相同时功率 放大倍数极大；运动部分惯性很小而具有优良的快速作用；结构紧凑；有阻尼作 用， 促进了液压系统的稳定性。 液压传动可实现工作机构的往复运动、 无级调速、 伺服控制系统、静压支承和各种辅助运动等。液压执行元件具有推力（或转矩） 大、操作方便、布置灵活、与电器配合使用易实现遥控等优点。因此被各工业部 门广泛采用。 在工业炼钢的大型设备中， 钢包倾翻是不可缺少的一部分。 宝钢引进的 300t 钢包翻包机以其高效、安全便捷等特点而著称。本钢仅二炼钢近几年就上了三台 此种结构的 160t 钢包翻包机，梅山钢厂、南钢等钢厂也将上此设备。大连重工 集团有限公司与日本川崎重工株式会社鉴定的为日本住友金属和歌山制铁所研 制 210t 配套车辆。全套车辆共 11 种 17 台，全部由大连重工按日方的参数进行 设计并制造。 之所以选用这么多种车辆是因为日本川重在为和歌山制铁所设计的 炼铁工艺上加强了吹炼前的铁水预处理（脱磷、脱硫、脱硅均有） ，并采用了更 合理的工艺布局和作业顺序，使炼钢的时间降为每 20 分钟一炉钢，川重并以此 作为向住友金属和歌山制铁所的条件。而我国的转炉炼钢的时间一般为 40 分钟 一炉钢，较好的企业也不低于 30 分钟一炉钢，单从这一点看，和歌山制铁所一 家就相当我国两个和一个半相同规模的钢厂。在这套工艺中，处理好脱硫、脱硫 后的扒渣和吊车作业之间的矛盾是关键之一。 国内通常的做法是在扒渣位上增加 一套卷扬提升机或是液压提升钩，用于翻罐扒渣，这不仅增加了一套设备，还要 多一次吊罐作业。而在铁水罐车上增加一套翻罐装置，即脱硫后的铁水罐直接行 使到扒渣位置，倾翻扒渣，从而减少吊车的往返作业，缩短炼钢时间。 目前对钢包倾翻的设计还主要存在三个难点： 行走机构的设计。 倾翻传动设计。 倾翻罐座设计。 钢包倾翻液压系统在国内还未形成系统化、标准化，行业之间的竞争比较激 烈。价格比较昂贵，一套这样的设备价值在上百万。而我国在设计制造时，一些 技术还靠欧洲的技术支持，这在降低成本上是很不利的。目前，钢包倾翻的发展 趋势是朝着高效性、节约型、承受负载大、安全性等方面发展。 2.3 课题研究的意义 钢包倾翻在冶金行业的应用越来越被重视。其坚实耐用，噪声小，工作平稳 可靠，便于维修保养，是目前炼钢企业不可缺少的一部分。研究钢包倾翻的液压 系统的工作原理和设计计算是很有必要的。 但是目前关于钢包倾翻液压系统的计 本科课程设计 1 绪论 5 算文献非常少。 设计过程中根据需要计算出油缸的推力以及分析钢包倾翻的工 作过程得到油缸的行程，为实际的生产和液压系统的设计提供理论依据。 3 钢包倾翻的液压系统设计 3.1 钢包倾翻液压系统的设计要求 在冶金企业生产过程中，经常需要使用铁水包倾翻台来支撑并倾翻铁水包， 倒人铁水，然后再对铁水进行除渣处理。铁水包铁水装入量为80100T，倾翻角 度为050度，属于重负载作业。因此，需要工作时安全可靠无振动。其工作原 理是通过液压传动使支撑臂滚动倾翻，倒人铁水，再返回。上升速度和下降速度 分别为0.035米/秒和0.04米/秒，上升和下降最大负载分别为240KN和1200KN，行 程1500mm。 3.2钢包倾翻液压系统的总体设计方案 经过分析钢包倾翻的工作原理和设计要求， 可以大概的确定钢包倾翻液压系 统的总体设计方案。 方案一：采用一个活塞液压缸联接在罐座的中心线位置，通过活塞杆的伸缩 来驱动罐座的倾翻；动力源采用定量叶片泵提供压力油；调速回路采用进口节流 调速回路。 方案二：采用两个活塞液压缸联接在罐座的中心线靠到两侧处，通过两个活 塞杆的同时伸缩来驱动罐座的倾翻；动力源采用定量柱塞泵提供压力油；调速回 路采用出口节流调速回路。 方案三：采用两个活塞液压缸联接在罐座的中心线靠到两侧处，通过两个活 塞杆的同时伸缩来驱动罐座的倾翻；动力源采用变量柱塞泵提供压力油；调速回 路采用定压式容积节流调速回路。 系统的倾翻力达到 1200KN，需要较高的压力才能将铁水罐倾翻，采用一个 液压缸驱动，国内的很多液压元件都不能达到该压力，需要引进进口液压元件才 能满足要求，这样的经济成本会很高，而且以后液压元件出现故障后也不方便更 换；单个液压缸实现驱动对罐座的平稳性很难保证，而且倾覆力矩也比较大。采 用两个液压缸共同实现罐座的倾翻基本能解决上述问题， 但是这样需要两套液压 系统，增加了液压元件的数目。由于液压缸的下降大部分是靠罐体自身的重力下 降，只需要小部分的液压推理就能实现，从节约能源上考虑，选择定量泵有点浪 费能源。叶片泵的效率没有柱塞泵的效率低，损失的功率全部用来发热，由于这 个系统泵的功率比较高，损失的就相对较大。定压式容积节流调速回路的速度刚 性、运动平稳性、承载能力和调速范围和与它对应的节流调速回路相近。而节流 阀的节流调速回路，机械特性都比较软，变载下的运动平稳性都比较差。综上所 述：设计的钢包倾翻液压系统采用方案三比较合理。 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 6 3.3 负载分析 钢包倾翻将铁水罐倾翻一定角度的过程中， 液压缸所受的力仅仅在活塞杆上 的外部载荷和活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。 工作载荷：作用在活塞杆轴线上的重力，当此力的方向如与活塞运动方向相 同为负，相反为正。 600 g Fm gKN= 式（2.1） 惯性负载：由于加速度产生的惯性力。 3 1 0.035 (600/9.8) 104.28 0.5 a v FmKN t = 3 2 0.04 (600/9.8) 104.89 0.5 a v FmKN t = （2.2） 式中 v速度变化量（m/s） ； t启动和制动时间（s） 。一般机械t=0.10.5s，对轻载低速运动 部件取小值，对重载高速部件取大值。 由于在下降过程中，液压缸主要是靠铁水罐的自身重力下降，在此，初步调 定顺序阀的压力为 22MPa。所以，当液压缸下降过程中，作用在液压缸无缸腔的 作用力为： 66 1 22 1037994 10835.86FpAKN = 1 式（2.3） 式中 p顺序阀的调定压力（Pa） ； 1 A液压缸无杆腔面积（ 2 m） 。因为液压缸在上升时所承受的推力 最大，在求出上升时最大推力后就可以确定液压缸的尺寸，从 而可得出液压缸无杆腔的面积。 作用在活塞上的载荷还包括液压缸密封处的摩擦阻力 m F ，由于各种缸 的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 ()1 mm FF= 式（2.4） 式中 m 液压缸的机械效率，一般取 0.900.95。（机械设计手册第 4 卷） 表 2.1 液压缸在各工作阶段的负载值 （单位： KN） 工况 负载组成 负载值 F 推力 m F 上升 起动加速 1gam FFFF=+ 671 746 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 7 工进 gm FFF=+ 666 740 减速制动 1gam FFFF=+ 661 735 下降 起动加速 12amg FFFFF=+ 266 295 工进 1mg FFFF=+ 261 290 减速制动 12amg FFFFF=+ 255 284 注：1.液压缸的机械效率取0.9 m =。 2.不考虑铁水罐的倾覆力矩作用。 3.4 绘制负载图和速度图 负载图按表 1- 1 计算的数值绘制。按上升和下降时的速度相同，取 0.04/vm s=。 图 2.1 负载图 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 8 图 2.2 速度图 3.5 初选系统工作压力 压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空 间、经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必 要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角 度看也不经济；反之，压力选得太高，必然要提高设备的成本。一般来说，对于 固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选的 高一些。 根据 机械设计手册 第 4 卷 （参考文献1） ， 可取工作压力23pMPa=。 表 2.2 各种机械常用的系统工作压力 (单位：MP a) 机械类型 机床 农业机 械、 小型工 程机械、 建 筑机械、 液 压凿岩机 液压机、 大中型挖 掘机、 重型 机械、 起重 运输机械 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 工作压力 0.82 35 28 810 1018 2032 3.6 计算液压缸的主要结构尺寸 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 9 由于铁水罐的自身的质量较大，为了防止下降过程的俯冲，在下降的回油路 连接上背压阀。在上升过程的回油路中带有调速阀，这时的回油压力可根据机 械设计手册第 4 卷（参考文献1） ，按 1.2MPa 估算。由于上升的系统压力较 高，回路中的压力可以忽略不计。各执行元件的背压力如下表 2.3 所示： 表 2.3 执行元件的背压力 系统类型 背压力/MPa 简单系统或轻载节流调速系统 0.20.5 回油路带调速阀的系统 0.40.6 回油路设置有背压阀的系统 0.51.5 有补油泵的闭式回路 0.81.5 回油路较复杂的工程机械 1.23 回油路较短，且直接回油箱 可以忽略不计 3.6.1 确定液压缸尺寸 由液压缸的推力公式计算出液压缸面积 1122m FA pA p = 式（2.5） 在次可以忽略背压力 2 p ，当选取液压缸内径时，取的大一点来补偿。 故有液压缸有效工作面积为： () 3 2 1 6 1 746 10 0.032 23 10 m F Am p = 液压缸内径为： 1 44 0.032 0.201201 A Dmmm = 式（2.6） 活塞杆的直径可以根据液压缸的内径标准值来选取。 当按 GB/2348200 将这些直径圆整成就近标准值参考机械设计手册第 4 卷（参考文献1）可得出： 220Dmm= 160dmm= （型号为 CD350A） 3.6.2 缸径、杆径取标准值后的有效工作面积： 无杆腔有效面积 ： 222 1 22037994 44 ADmm = 活塞杆面积： 222 3 16020096 44 Admm = 有杆腔有效面积 ： 2 213 17898AAAmm= 3.7 确定液压缸所需流量 663 1 37994 100.0351329 10/qAvms = 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 10 79.78 / minL= 式（2.7） 根据上述计算数据，可估算液压缸在各个工作段中的压力、流量和功率，如 表 2.4 所示： 表 2.4 液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值 工况 推力 F/KN 回油腔压力 2/ pMPa 进油腔压 力 1/ pMPa 输入流量 1 /minq L 输入功率 /P KW 计算式 上升 启动 加速 764 1.2 20.67 1221 1 1 1 ()/pFp AA qAV Pp q =+ = = 工进 740 20.04 79.78 26.59 减速 制动 735 19.91 下降 启动 加速 295 24 16.48 12 22 1 /pF A qAV Pp q = = = 工进 290 16.20 42.9 11.58 减速 制动 284 15.86 3.8 制定基本方案和绘制液压系统图 3.8.1 制定基本方案 执行机构的确定 钢包倾翻的动作为直线往返运动， 采用单活塞杆直接驱动， 由于倾翻力较大， 用两个相同的单活塞杆液压缸作为驱动机构。 制定调速方案 方向控制用换向阀或逻辑单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多 通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。根据钢包倾翻的工作要求，采用手动 换向阀来实现方向控制。 速度控制是通过改变液压执行元件的输入或输出流量或者利用密封空间的 容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积 节流调速。 节流调速一般采用定量泵供油， 用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件 的流量来调节速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用溢流阀，故效 率低，发热量大，多采用功率不大的场合。 容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。 其优点是没 有溢流损失和节流损失，效率较高。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的 液压系统。 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 11 容积节流调速一般采用变量泵供油， 用流量控制阀调节输入或者输出液压执 行元件的流量，并使其供油量和需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度 稳定性较好。 结合钢包倾翻实际工作的状况，可采用容积节流调速。 换向方式确定 为了便于倾翻机构能够在任意位置停止， 使调整方便， 所以采用三位换向阀； 只是为了实现液压油进入液压缸的方向控制，而且铁水罐在倾翻时用人工控制， 在此采用三位四通手动换向阀。 阀的中位机能的选择对保证系统工作性能有很大 作用，为了满足本专机工作位置的调整方便性和倾翻到具体位置时，能使系统卸 荷和锁定功能，决定采用“M”型中位机能。 安全连锁措施 当铁水罐倾翻到具体位置时，手动换向阀处于中位机能位置，系统处于锁定 状态，且处于卸荷状态。 3.8.2 液压源的选择 由于该液压系统的液压缸不是采用差动连接， 在整个工作循环中需油量变化 大，所以选择变量泵供油系统。这样可以减小功率损失，提高系统效率。 3.8.3 拟定液压系统图 液压执行元件以及各基本回路确定之后，把它们有机地组合在一起。再加上 其他一些辅助元件便构成钢包倾翻完整的的液压系统图。 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 12 图 2.3 液压原理系统图 3.9 液压元件的选择 3.9.1 液压泵的选择 液压泵工作压力的确定 1P ppp+ 式（2.8） 式中 1 p 液压执行元件的最高工作压力，对于本系统，最高压力是液压缸 的活塞杆上升时的入口压力， 1 20.67pMPa=。 p 泵到液压缸之间总的管路损失。p 的准确计算要待元件选 定并绘制出管路图时才能够进行，初算时可按经验数据选取：管路简 单、流速不大的取p =（0.20.5）MPa；管路复杂，进口有调速阀 的，取p =（0.51.5）MPa。 在钢包倾翻液压系统中，管路较复杂，经过的单向阀数目多，在次选取 1.5pMPa = 所以可得出： 20.67 1.522.17 P pMPa+= 液压泵工作压力的确定 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 13 多液压缸同时工作时，液压泵的输出流量应为： () maxVpV qKq 式（2.9） 式中 K系统泄露系数，一般取 K=1.11.3； maxV q同时动作的液压缸的最大总流量。 对于在工作过程中用节流调 速的系统，还需要加上溢流阀的最小溢流量，一般取 43 0.5 10/ms 。 所以可得出： () 4 1.12 79.782 0.5 1060 1000/ min Vp qL + 182.11 / minL= 选择液压泵的规格 根据以上求得的 P p 和 VP q值，按照系统中拟定的液压泵的形式，从机械设 计手册第 4 卷（参考文献1）中选择相应的液压泵。 为了使液压泵有一定的压力储备，提高系统的可靠性，延长泵的使用寿命， 一般在固定设备中的系统正常压力可选择为泵额定压力的 70%80%，车辆用液 压系统工作压力可选择为泵的额定压力的 50%60%。 钢包倾翻的液压系统是固 定设备，考虑到工作时的安全性和可靠性，而且该系统的压力以比较高，在此选 取系统正常工作压力为泵额定压力的 80%，可得出泵的额定压力 22.17 30.4 73% P pMPaMPa= 泵的流量与工况有关，选择泵的流量须大于液压系统工作时的最大流量。另 外，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用，以延长泵的使用寿命。 根据以上所述，可选择斜轴式轴向柱塞泵，型号为 A7V355，排量 355mL/r， 额定压力 35MPa，最高压力 40MP a；最高转速 1650r/min，变量形式为液控。此 泵由北京华德液压泵分公司生产。 3.9.2 电机的选择 钢包倾翻在整个动作循环中，系统的压力和流量都是变化的，所需功率变化 较大，为满足整个工作循环的需要，按较大功率段来确定电动机功率。 从工况图可以看出，钢包倾翻在将铁水罐向上倾翻时的压力和流量均较大。 两个液压缸同时参加工作，一起推起铁水罐倾翻到一定位置。 由前面的计算已知，液压泵的供油压力为30.4 P pMPa=，最大流量 max 182.11 / min V qL=，由公式： maxPV P p q P = 式（2.10） 式中 P p 液压泵的最大工作压力（Pa） ； 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 14 maxV q液压泵的流量（ 3 /ms ） ； P 液压泵的总效率，可以参考下表选择总效率为 0.8。 表 2.5 液压泵的总效率 液压泵类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵 总效率 0.60.7 0.650.80 0.600.75 0.800.85 所以液压泵的总驱动功率为： 63 3 30.4 10198.67 10 125.8 0.80 60 10 PKWKW = 根据此计算数据， 查阅电动机产品样本 （ 机械设计实用手册 参考文献15） 选 取 Y315M- 4 小 型 电 动 机 ， 其 额 定 功 率 为132PKW= n ，额 定 转 速 1480 / minnr= n 。 3.9.3 液压阀的选择 液压传动系统，选择合适的液压阀，是使系统的设计合理，性能优良，安装 简便，维修容易，并保证系统正常工作的重要条件。 根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。 在选择溢流阀时，按照液压泵的最大流量选取；选择节流阀时，要考虑最小稳定 流量应满足液压缸最低稳定速度的要求。 控制阀的流量要选得比实际通过的流量 大一些。 钢包倾翻液压阀的安装方式选择板式连接形式。板式连接适合系统较复杂， 元件较多，且安装较紧凑的场合。 表 2.6 钢包倾翻液压系统所用液压元件 序 号 名称 通过流量 / 1 minL 额定流量 / 1 minL 额定压 力/MPa 型号规格 1 电液伺服阀 159.56 200 31.5 CSDY5 2 单向阀 1 159.56 200 32 A-Hb32L 3 调速阀 159.56 200 31.5 2FRM16 4 三位四通换 向阀 159.56 200 31.5 34SM- H32L 5 溢流阀 1 159.56 250 31.5 DBDS10G10 6 溢流阀 2 182.37 200 0.425 S-BG-06-L-40 7 过滤器 1 159.56 160 WU- 160180F 8 过滤器 2 159.56 250 ZU-H16010S 9 斜轴式轴向 柱塞泵 198.67 20 500mL/r 35 A7V355 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 15 10 减压阀 182.37 200 0.525 CVF16X1250 11 液压缸 CG350A220/16015001500A01CGD 3.9.4 管道尺寸的确定 在液压传动中常用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。 钢管能承受较高的压力， 价格低廉， 但安装时弯曲半径不能太小 （见表 2.7） ， 多用于在装配位置比较方便的地方。 常用的是无缝钢管， 当工作压力小于 1.6Mpa 时，也可以用焊接钢管。 紫铜管能承受的压力较低，一般只在低压系统使用。紫铜管在装配时可按需 要来弯曲，但是价格贵且抗振动能力较弱，也易使油氧化，要尽量少用。 尼龙管可用在低压系统。塑料管一般只用于回油管或泄油管。胶管用作连接 两个相对运动部件之间的管道。胶管分为高低压两种。高压胶管是钢丝编织体为 骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力回路。低压胶管是麻线或棉线编织 体为骨架的胶管，多用于低压的回路。 通过以上所述，在系统的压力回路中选择无缝钢管；为了降低振动，提高稳 定性，液压泵的吸油口和出油口处选择高压胶管。 表 2.7 推荐钢管弯曲的最小曲率半径（mm） 管子外径 D 10 14 18 22 28 34 42 50 63 最小曲率半径 50 70 75 75 90 100 130 150 190 支架最大距离 400 450 500 600 700 800 850 900 1000 管道内径计算 4 V q d v = 式（2.12） 式中 V q 通过管道内的流量（ 3 /ms ） ； v管内允许流速（/m s） ，见表 2.8。 表 2.8 允许流速推荐值 管 道 推荐流速（m/s） 液压泵吸油管道 0.51.5，一般常取 1 以下 液压系统压油管道 36，压力高，管道短，粘度小取大值 液压系统回油管道 1.52.6 可以计算出管道内径： 4 79.76 2 26.02 10005 60 dmm = 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 16 按照标准系列（ 机械设计手册第 4 卷 表 23.9- 2 参考文献1）选取相应 的管子内径为 32mm，钢管的外径为 42mm。 管道壁厚的计算 2 pd 式（2.13） 式中 p 管道内最高工作压力（Pa） ； d管道内径（m） ； 管道材料的许用应力（Pa） ， / b n=； b 抗拉强度； n安全系数（当 p 7Mpa 时，取n=8；当 p 17.5Mpa 时，取n=6； 当 p 17.5Mpa 时，取n=4） ； 可计算出管子的壁厚： 6 6 30.4 100.032 0.0033 2 647 10 / 4 mmm = 因为 35，所以选取的标准管子符合要求。 3.10 油箱容量的确定 初始设计时，先按经验公式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要 求进行校核。 在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部 排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低 限度。 油箱容量的经验公式为 v Vaq= 式（2.14） 式中 v q 液压泵每分钟排出压力油的容量 3 ()m； a经验系数，见表 2.9。 表 2.9 经验系数 系统类型 行走机械 低压系统 中压系统 锻压机械 冶金机械 a 12 24 57 612 10 求得油箱的容量为 33 10 182.11 101.82111821.1VmL = 由液压泵站的油箱公称容量系列选取油箱的容积为2000L。 3.11 液压系统性能验算 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 17 液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各回路形式、液压元 件及联接管路等完全确定后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。 对一般液压传动系统来说，主要是进一步确切的计算液压回路各段压力损失、容 积损失及系统效率，压力冲击和发热温升等。根据分析计算发现问题，对某些不 合理的设计对其进行重新调整，或采取其他必要的措施。 3.11.1 验算液压系统压力损失 由于系统的管路布置尚未具体确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故 只能先估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局图后，加上管路的沿程损失 和局部损失即可。 压力损失的验算应按一个工作循环中的不同工作阶段分别进行 计算。 液压缸上升 液压缸上升时，由表 2- 6 和图 2.3 可知，进油路上油液通过高压截止阀的压力损 失太小，可以忽略不计。通过单向阀 1、减压阀、电液伺服阀、手动换向阀通过 的流量都为 159.56 L/min 油液进入液压缸无杆腔。因此进油路上的总压降为 p = 2222 159.56182159.56159.56 0.20.50.30.3 200200200200 + 0.82MPa= 式（2.15） 此值不大，故能保证泵的流量全部进入液压缸。 回油路上，液压缸有杆腔中的油液通过溢流阀、手动换向阀的流量都是 75.57L/min。由此可算出上升时有杆腔的压力与无杆腔的压力之差。 22 75.5775.57 0.30.50.11 200200 pMPa =+= 式（2.16） 此值小于原估计值，所以是偏安全的。 液压缸下降 下降时，油液在进油路上通过手动换向阀、单向阀流量 85.8 L/min 都为。因 此进油路是的总压降为 p = 22 85.885.8 0.20.50.13 200200 MPa += 式（2.17） 此值较小，所以液压泵的驱动电动机的功率是足够的。 液压油在回油路上从液压缸无杆腔经过单向阀、 手动换向阀和、 电液伺服阀、 减压阀、溢流阀的流量为 182.37L/min，再回油箱。因此回油路上的总压降为 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 18 p = 222 182.37182.37182.37 0.20.50.3 200200200 + 22 182.37182.37 0.30.2 200200 + 1.24MPa= 式（2.18） 3.11.2 油液温升验算 计算发热功率 液压系统工作时，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全 部转化为热量，使油温升高。由于液压缸在上升和下降过程中，匀速过程占到 95%以上，所以验算时可以忽略不计。 两个液压缸同时上升时的有效功率 0 22 740 0.03551.8PFvKW= 式（2.19） 液压缸在上升时液压油经过阀类元件的总损失压力为： 0.820.110.93pMPa =+= 因此液压泵输出的压力为： 1 20.670.9321.6 P pppMPa=+ =+= 式（2.20） 液压缸上升时泵的总输出功率为： 6 21.6 10182.11 77.12 0.85 1000 60 PP i p q PKW = 式（2.21） 液压缸上升时的总发热功率为： 0 77.1251.825.32 hri PPPKW= 式（2.22） 两个液压缸同时下降时的有效功率为： 0 22 290 0.0423.2PFvKW= 液压缸在下降时液压泵输出的压力为： 1 16.8 1.3718.17 P pppMPa=+ =+= 液压缸下降时泵的总输出功率为： 6 18.17 1085.8 30.56 0.85 1000 60 PP i p q PKW = 液压缸下降时的总发热功率为： 0 30.5623.27.36 hri PPPKW= 液压缸整个工作循环的总发热功率为： 25.327.3632.68 hr PKW=+= 计算散热功率 前面初步求得油箱的有效容积为 3 4m ，按0.8Vabh=求得油箱各边之积： 攀枝花学院本科课程设计 2 液压传动课程设计 19 33 4 2.5 0.8 a b hmm = 取a为 2.1m，b=1m、h=1.1m。 由油箱散热面积公式： ()1.81.5 t Ah abab=+ 式（2.23） 可求得散热面积为： () 2 1.8 1.1 2.1 11.5 1 2.19.29 t Am=+ = 油箱的散热功率为 hctt PK A T= 式（2.24） 式中 t K 油箱散热系数， t K取 () 2 16/WmC； T油温与环境温度之差35TC =。 16 9.29 355.202 hc PkW=32.68 hr PKW= 由此可见，油箱的散热远远满足不了系统散热的要求，管路散热是极小的； 再考虑到液压缸上升到最高处停留的时间较长，虽然此时有利于油液的散热，但 是对于总的发热功率来说是不够的，因此需要另设冷却器。 3.12 冷却器所需面积的计算 冷却面积为 hrhc m PP A K t = 式（2.25） 式中 K 传热系数，用风冷却式时， 2 116/()KWmC =； m t平均温升， 1212 22 m TTtt t + =。 取油进入冷却器的温度 1 150TC =，油流出冷却器的温度 2 50TC =，冷却水 入口温度 1 25tC =，冷却水出口温度 2 30tC =。则： 150502530 82.5 22 m tC + = 所需冷却器的散热面积为 32 32.685.202 102.8 116 82.5 Am = 考虑到冷却器长期使用时，设备腐蚀和油垢，水垢对传热的影响，冷却面积 比计算面积大 30%，实际选用冷却器散热面积为 22 1.3 2.83.64Am