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大型
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控制系统
设计
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某大型水压机的驱动系统和控制系统设计,大型,水压机,驱动,系统,控制系统,设计
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4 液压系统设计4.1 液压系统总体设计4.1.1 设计要求水压机的液压系统各执行机构的工作特征是满足水压机的工作要求，可以实现分配器的正常动作以顶开分配阀来完成水压机的正常动作，并且要保证不同的工序相互协调工作。 根据设计要求，本次设计的液压系统的要求是利用液压系统提供足够的动力来使凸轮机构将分配阀按照一定的工作要求打开。4.1.2 确定系统方案（1）选择执行元件的类型 根据分配器机械部分的设计可知，推动齿轮做旋转运动的机构为齿条传动液压缸，因此该液压系统的执行元件为液压缸。（2）初选液压系统的压力 根据分配器部分的设计，以及分配阀的开启力，初选该液压系统的最大工作压力为6。（3）确定液压系统的型式 油路循环采用开式，调速方式采用节流调速，液压泵采用定量泵，水压机的动力装置采用泵直接传动。 油路循环采用开式系统的优点：1.系统比较简单；2.有体积比较大的油箱，故油的冷却条件比较好；3.油液中的杂质可以沉淀于油箱的底部；油路循环采用开式系统的缺点：1.油箱中管路与空气的接触机会较多，易吸入空气而引起震动；2.换向必须采用换向阀，易产生冲击； 调速采用节流调速，且为回油路节流调速。 泵直接传动的特点：1.液压缸的行程取决于液压泵的供油量。2.高压泵所消耗的功率相当于液压机作功的功率。3.基本投资少，占地面积小，保养简单。4.1.3 拟定液压系统图 根据题目的要求和确定的液压系统的型式，拟定的液压系统图为（图4.1）图4.1 液压控制系统原理图4.2 液压元件的计算和选择4.2.1 主要液压元件的选择和参数计算（1）液压缸的计算和选择计算液压缸的有效工作面积 （4.1）式中 液压缸的最大负载，； 液压缸的有效工作压力，N/m2； 液压缸的机械效率，常取=0.90.98；根据公式4.1，液压缸的有效工作面积为： 计算出的活塞的直径为D=103.7，根据设计手册，选择标准的活塞直径125。图4.2 液压缸的结构图设计液压缸的结构 根据分配器的设计要求，采用齿条传动活塞液压缸，具体的结构如图4.2所示，由图4.2可以看出，在活塞杆上面加工一个齿条，模数为4，根据设计参数的要求和齿轮、齿条啮合传动的条件，该液压缸的行程为50。活塞与缸体之间采用O形圈来密封。采用的O形圈的规格是GB3452.1-82。计算液压缸所需流量 根据公式： （2）液压泵的选择在设计液压系统图时选择单级叶片泵 特点：叶片泵的结构紧凑，外形尺寸小，运动平稳，流量均匀，噪音小，寿命长，但与齿轮泵相比对油液的污染较敏感，结构较复杂。 单级叶片泵有一个排油口和一个吸油口，转子转动一周，每两片间的容积各吸、排油一次，单作用式叶片泵适用于低压大流量的场合。 选择的型号为：YB-B48B-FL确定液压泵的流量 由于设计的系统中采用了蓄能器，泵的流量根据系统在一个工作循环周期中的平均流量选取，即： （4.2）式中 K系统泄漏系数，一般取K=1.2；各液动机在工作周期中所需的流量，； 工作周期，；液动机的数目。 则根据公式4.2，液压泵的流量为： 选择泵的规格 根据系统的工作压力，流量选取流量与系统相当的泵，参考标准，选择YB-B48B-FL 型号的单级叶片泵。 基本的参数为：理论排量=48.3ml/r，输出流量=42.7 L/min输入压力为4.92，额定压力为7.0MPa，额定转速为1000 r/min，重量为25。液压泵的功率 驱动液压泵的功率为： （4.3）式中 液压泵额定压力 ，MPa； 液压泵额定流量，m3/s； 液压泵总效率。 转换系数，= 液压泵实际使用的最大工作压力，MPa；根据公式4.3，可以求得驱动液压泵的功率为： （3）电动机的选择 根据所选泵的基本参数，选择一般异步电动机Y112M-4，额定功率为4，同步转速为1440 r/min，净重43；（4）溢流阀的选择 溢流阀是通过阀口的溢流，使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压，调压或限压作用。 在系统中溢流阀用作安全阀使用，用于防止系统过载，此阀是常闭的。 根据应用选择直动型溢流阀，型号为DT-02-B-22（5）节流阀的选择 节流阀可以通过控制通过阀的流量，达到调节执行元件的运动速度的目的，在设计的系统中，用节流阀来构成节流调速回路。 根据设计的系统，采用出口节流调速。 选择LF3系列的节流阀，型号为LF3-E6B。基本的参数为通径6，最大的流量为25 L/min，最大的工作压力为20，额定压力为16（6）换向阀的选择 换向阀是利用阀心相对于阀体的相对运动，使油路接通、关断、或变换油液的流动方向，从而使液压执行元件启动，停止或变换运动方向。 选择滑阀式换向阀，操纵方式为电磁。选择三位四通电磁换向阀，中位机能为O型。 选择型电磁换向阀，具体的型号34DF30-E6B-D，在设计的液压系统中，整个系统的换向都采用该种换向阀来实现。（7） 单向阀的选择 普通单向阀的作用是使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。 在设计的液压系统中，单向阀装在液压泵的出口处，这样可以防止系统中的液压冲击影响泵的工作。 选择C*-02/02/06/10 系列的单向阀，型号为CRT-06-35-50，基本的参数为：额定流量为125L/min，最高使用压力为25，开启压力为0.35，质量为1.7。（8）压力表的选择 压力表选择为MPa（9）压力表开关的选择 压力表开关的选择为KF系列，具体的型号为KF-L8/12E，公称直径为8。4.2.2 液压辅助元件的设计和选择（1）管道 根据工作的要求，选择钢管来作为该液压控制系统的油管。 根据资料，管道的长度不超过2030米时，压力管的液体流量可以为515。 假设该水压机的压力利用系数为0.85。则高压油管的直径为：（4.4）根据设计手册，选取管道的标准值，则高压油管的内径取为。吸油管道的直径为： 根据设计手册，选取管道的标准值，则吸油管的内径取为。（2）蓄能器的选择 蓄能器的作用是储存油液的压力能，可以用来在短时间内供应大量的压力油液，可以用来维持系统的压力以及减小液压冲击或压力脉动。 选择活塞式蓄能器，作辅助动力源使用。 选择HXQ-B10D 型号的蓄能器。（3）冷却器的选择 液压系统的工作温度一般希望保持在3050的范围之内，最高不超过65，最低不低于15。液压系统如果不能依靠自然冷却使油液的温度保持在上述的范围之内时，就必须安装冷却器。 在液压系统中，因液压泵、液压缸的容积损失和机械损失以及控制元件及管路的压力损失和液体损失等消耗的能量几乎全部转化为热量。这些热量除了一部分散发到周围空间，大部分使油液的温度及元件的温度升高，如果油液的温度过高，将严重地影响系统的正常工作。所以在设计的液压控制系统中采用了冷却器。选择独立的冷却回路，具体的结构如图4.3所示，单独的液压泵将热的工作介质通入冷却器，冷却器不受液压冲击的影响。对冷却器的基本要求：1. 有足够的散热面积；2. 散热效率高；3. 油液通过时压力损失少；4. 结构力求简单、紧凑、坚固、体积小、重量轻。 图4.3 冷却回路的结构图选择CB-32 型的齿轮油泵装置，基本的参数为： Q=32.5 ，P=10MPa n=1450 W=8.7， V=220/380 电动机选择为Y160L1-4系列，基本参数为：额定功率为15，额定转速为1458r/min。选择型的冷却器。（4）过滤器的选择 过滤器的作用是用来过滤混在液压油液中的杂质，使进入到系统中的油液的污染度降低，保证系统正常的工作。 选择表面型的网式滤油器， 根据设计手册，推荐过滤精度为15，选择的型号为：，额定的压力为6.18。这种结构的过滤器结构比较简单，通流能力强，清洗方便，但是过滤精度不高。 在设计的液压系统中，将滤油器安装在油箱和液压泵之间，因此该滤油器对要求是滤油器必须要有比较大的通流能力和比较小的阻力；它的主要作用是用来保护液压泵，但是液压泵中产生的磨损物将进入到系统中去；必须通过液压泵的全部流量。（5）油箱及其附件功用和结构的选择 油箱的功用是用来存储油液，此外还有散热、释放混在油液中的空气、沉淀油液中的杂质等作用。 由于设计的系统比较简单，所以选用分离式的油箱，这样油箱散发的热量和液压源的振动对主机的影响就比较小。 为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，油箱离地面的高度选为200。油箱的容积计算： 主回路油箱的容积为：（4.5） 辅助泵系列的油箱的容积：因此，油箱的总容量为，根据手册，选标准值。4.2.3液压系统主要元件列表 根据所设计的液压系统，将系统主要的液压元件列表，如表4.1所示。表4.1 液压元件的明细栏序号元件名称规格代号数量说明1单级叶片泵YB-B48B-FL1主泵2齿条传动液压缸1自行设计3异步电动机Y112M-41主泵系统用4直动型溢流阀DT-02-B-2215节流阀LF3-E6B16电磁换向阀34DF30-E6B-D1三位四通7单向阀CRT-06-35-5018压力表1测量范围0.8-10 MPa9压力表开关KF-L8/12E110蓄能器HXQ-B10D111齿轮泵CB-321辅助泵12电动机Y160L1-41辅助泵系统用13网式滤油器214冷却器115高压油管钢管1516吸油管钢管2517油箱14.4 液压控制系统分析4.4.1 液压系统的工作情况（1）系统动作循环表 设计的水压机的控制系统主要是控制分配阀的启闭，根据前面设计的控制系统的线路图，在机械和电气的配合下，可以实现泵的启动、系统的启动、各分配器中分配阀的正常动作。其具体的工作情况如表4.2。 在设计的控制系统中只画了一个分配器，但是在实际的情况下，一个大型水压机的操纵、控制系统需要好几个分配器来共同实现，现在考虑4个分配器的情况。 表4.2 水压机的液压控制系统的动作循环表动作名称信号来源电磁阀的工作状态12345主泵空载启动电动机1启动左中中中中辅助泵启动电动机2启动/系统启动1YA通电右中中中中分配阀1动作1、4阀打开2YA通电右左中中中2、3阀打开3YA通电右右中中中分配阀2动作1、4阀打开4YA通电右中左中中2、3阀打开5YA通电右中右中中分配阀3动作1、4阀打开6YA通电右中中左中2、3阀打开7YA通电右中中右中分配阀4动作1、4阀打开8YA通电右中中中左2、3阀打开1YA通电右中中中右（2）工作过程主泵空载启动（卸荷油路）：启动电动机1，单级叶片泵启动，油液经油箱、过滤器、叶片泵、电磁换向阀1流回油箱，这样可以实现主泵的空载启动。分配器1动作1）1、4阀打开 进油路 2YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀2（左位）进入齿条传动液压缸（左腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（右腔）、电磁换向阀2（左位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。2）2、3阀打开 进油路 3YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀2（右位）进入齿条传动液压缸（右腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（左腔）、电磁换向阀2（右位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。分配器2动作1）1、4阀打开 进油路 4YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀3（左位）进入齿条传动液压缸（左腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（右腔）、电磁换向阀3（左位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。2）2、3阀打开 进油路 5YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀3（右位）进入齿条传动液压缸（右腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（左腔）、电磁换向阀3（右位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。分配器3动作1）1、4阀打开 进油路 6YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀4（左位）进入齿条传动液压缸（左腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（右腔）、电磁换向阀4（左位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。2）2、3阀打开 进油路 7YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀4（右位）进入齿条传动液压缸（右腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（左腔）、电磁换向阀4（右位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。分配器4动作1）1、4阀打开 进油路 8YA得电，油液经油箱、主泵、电磁换向阀1（右位）、单向阀、电磁换向阀5（左位）进入齿条传动液压缸（左腔），驱动凸轮机构动作。 回油路 油液经液压缸（右腔）、电磁换向阀5（左位）、减速阀、电磁换向阀1（右位）流回油箱。2）2、3阀打开 进油路 9YA
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