机械毕业设计（论文）-电驱工程机械实验平台设计-液压系统设计【全套图纸】.doc

摘要近几年来，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强。节能环保的新型动力引起了人们的关注，也是现代工程机械发展的趋势,它在全世界都有着广泛的应用前景。原有的摊铺机、挖掘机等工程机械的动力系统均为发动机，然而噪音大、废气污染环境等已经是不可忽视的问题。本设计就是针对此问题提出的用电动机替代发动机做为工程机械的动力源。通过分析典型工程机械比如摊铺机、挖掘机等工作特点，在此基础上，进行电驱工程机械实验平台液压系统的设计。电驱工程机械试验平台通过电涡流测功仪的加载模拟摊铺机、挖掘机等工程机械的工作特点，以测试该液压系统的性能。关键字：新型动力，节能环保，电驱工程机械，动力源，液压系统全套图纸，加153893706 AbstractIn the past few years, with the improvement of peoples living standard and the enhancement of awareness of environmental protection, people pay more and more attention to the new-type motive power with energy conservation and environment protection, which is the developmental trend of modern construction and machinery, and owns a wide prospect of application. The driving systems of constructive machinery, like paving machine, excavator are all motors, which are always arising serious noise and heavy air pollution. This design of paper focuses on the replacement of motor with electric motor. Based on the analysis of operating characters of the classic construction machinery, like paving machine, excavator, we operate the hydraulic pressure experiment of electric motor project, which imitates the operating characters of classic machinery with the dynamometer of Eddy Current to measure the function.Key Words: New-type driving force, energy conservation and environment protection, Construction machinery of electric motor, power source, hydraulic目 录1 绪论 61.1电驱工程机械试验平台简介 6 1.2 概述 61.3目前工程机械动力源 61.4采用液压系统的优缺点 62 液压系统的原理 92.1电驱工程机械试验平台液压系统原理图 9 2.2电驱工程机械试验平台液压系统原理分析 93 计算 103.1主要技术性能参数 10 3.2泵的相关计算 10 3.3马达的相关计算 11 3.4油管的相关计算11 3.5油箱的容量计算 114 电动机和测功仪的选择 124.1电动机的选择 12 4.2稀土永磁同步电动机与其他电动机的比较 124.2.1稀土永磁电动机与高转差率电机相比 124.2.2稀土永磁同步电动机与三相异步电动机相比 124.2.3稀土永磁同步电动机与电磁式同步电动机相比 124.2.4稀土永磁同步电动机和水冷却电动机相比 134.3稀土永磁同步电动机的特点 13 4.4测功仪的选择及测功仪的用途 144.5电涡流测功仪有以下优点 14 4.6本设计采用的测功仪 154.6.1 DW电涡流测功仪主要技术参数如下 154.6.2 DW电涡流测功仪的工作条件和环境条件 154.7测功机的安装 15 4.8结构及原理 165液压元件的选型 185.1泵的选择 185.1.1电比例变量泵的控制原理 185.1.2电比例变量泵型号的选择 195.1.3此控制系统的特点 20 5.2溢流阀 205.2.1安装溢流阀的原因 205.2.2溢流阀的分类 205.3三位四通电磁换向阀 21 5.4流量计 215.5压力传感器 21 5.6马达的选择 236油箱的设计及附件的设计选型 256.1油箱的设计 256.1.1油箱容积 266.1.2箱体结构的设计 276.1.3清洗孔端盖的设计 276.2液体温度计 276.2.1 YWX-250型液位温度计的相关尺寸 276.2.2温度范围及承受压力 276.3空气滤清器 28 6.4回油过滤器 296.5液压油的选择 296.5.1工程机械的液压油的使用要求 306.5.2现场对液压油质量状况的简单判断 31 6.6液压系统维护的主要内容 326.6.1维护时间安排 326.6.2具体内容 326.6.3处理方法 326.6.4检查过程说明 347 总结 36参考文献 37附录 38致谢 391 绪论1.1电驱工程机械试验平台简介 对于电驱工程机械试验平台的介绍，首先是电驱，电驱就是动力源是电动机；再者就是工程机械，就是说这个实验平台是针对工程机械而设计的，我们这里主要针对的是摊铺机和挖掘机；最后说到底它只是一个实验平台，也就是说，是用来做实验的 ，不是施工用的工程机械。1.2概述 电驱工程机械试验平台是由电动机驱动液压泵，由液压油来传递力，从而带动马达运动；其中的泵和马达都是变量的，用以适应电涡流测功仪的调节，模拟现实生活中工程机械的正常运动以及遇到突发状况时候的运动。1.3目前工程机械动力源 目前大多数工程机械的动力源是内燃机，内燃机可以满足工程上面的需求，但是它不能满足人们的生活需求，我们要有一个健康的生活环境，就必须寻找新的动力源，以减少污染和噪音。那么电是解决这一问题最简洁的方法，如果同样的需求下，电动机能满足工程需求的话，我们完全可以用电动机来代替内燃机。这不仅仅是环境的需要，采用电动机还有一个不得不提到的好处，可以节约能源。大家都知道，石油是不可再生资源，会越用越少。所以研究电驱动工程机械到了刻不容缓的地步，电驱动工程机械有着其大好的前景，也是工程机械发展的必然。1.4采用液压系统的优缺点与机械传动、电气传动相比，液压系统有如下优点:1、 液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地布置；2、 重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；3、 操纵控制方便，可实现大范围的无极调速；4、 可自动实现过载保护；5、 一般采用矿物油作为介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；6、 很容易实现直线运动；7、 很容易实现机械的自动化，采用电液联合控制后，不仅可以实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。每个事物都是有两面性的，以上是液压系统的优点，当然液压系统也有其缺点，以下是液压系统的缺点：1、 由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故；2、 由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或者很低的温度条件下工作；3、 液压元件的制造精度要求较高，因而价格较高；4、 由于液压介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比；5、 液压传动出故障时不易找出原因：使用和维修要求有较高的技术水平；6、 液压系统的三大顽疾：a、发热 由于传力介质在流动过程中存在各部位流速的不同导致液体内部存在着一定的内摩擦，同时液压和管路内壁之间也存在摩擦，这些都是导致液压油温度升高的原因。温度升高将导致内外泄漏增大，降低其机械效率。同时由于较高的温度，液压油会发生膨胀，导致压缩性增大，使控制动作无法很好的传递。解决办法：发热是液压系统固有的特征，无法根除只能尽量减轻。使用质量好的液压油、液压管路的布置中应尽量避免弯头的出现、使用高质量的管路以及管接头、液压阀等。b、振动 液压系统的振动也是其顽疾之一。由于液压油在管路中的高速流动而产生的冲击以及控制阀打开关闭过程中产生的冲击都是系统发生振动的原因。强的振动会导致系统控制动作发生错误，也会使系统中一些较为精密发热仪器发生错误，导致系统故障。解决办法：液压管路应尽量固定，避免出现急弯。避免频繁改变方向，无法避免的时候应做好减振措施。整个液压系统应有良好的减振措施，同时还要避免外来振源对系统的影响。c、泄露 液压系统的泄露分为内泄漏和外泄漏，内泄漏指泄露过程发生在系统内部。内泄漏虽然不会产生液压油的损失，但是由于发生泄露，既定的控制动作可能会受到影响，甚至会引起系统故障。外泄漏是指发生在系统和外部环境之间的泄露。液压油直接泄露到环境中，除了会影响系统的工作环境外，还会导致系统的压力不够引发故障。泄露到环境中的液压油还有发生火灾的危险。解决的办法：采用质量较好的密封件，提高设备的加工精度。 2 液压系统的原理2.1电驱工程机械试验平台液压系统原理图 图2-1 液压系统原理图2.2电驱工程机械试验平台液压系统原理分析如图2-1稀土永磁同步电动机带动扭矩转速传感器，再由扭矩转速传感器驱动电比例变量泵，电比例变量泵从油箱中吸入液压油，液压油从泵送出后有两个支路。一条支路是经过流量计流向三位四通电磁换向阀，通过三位四通电磁换向阀来改变液压油的方向。以实现马达的旋转和方向的改变。而最后马达驱动的电涡流测功仪是用来加载的，以实现模拟工程机械运动。令一条支路是流经溢流阀，然后流回油箱。溢流阀在系统中起到调节系统压力和过载保护作用。电涡流测功仪跟系统一个负载，系统通过变量泵、变量马达、溢流阀等作出相应的调节，以实现系统的稳定正常工作状态。3计算3.1主要技术性能参数a、最大功率11kw；b、液压系统额定压力20Mpa。3.2泵的相关计算a、泵的流量计算 （3-1）b、泵的排量的计算 （，n=1500r/min） （3-2）c、泵的转矩 (3-3、3-4) （3-5）d、输出功率 （3-6）是机械效率 是容积效率输出功率 (3-7)3.3马达的相关计算a、输入功率 b、输出功率 (3-8)（是容积效率 是机械效率）c、泵的流量 （3-9）d、液压马达的输出转矩 (3-10)是液压马达出入口压力差取0.5Mp3.4油管的相关计算a、吸油管直径： (3-11)b、回油管直径： c、压油管直径： （其v在吸油管、回油管、压油管中分别取1m/s、2m/s、3m/s）3.5油箱的容量计算由于此系统为中高压系统，故油箱容量 k在6到12中取 在此取7可得V=7*33=231L (3-12) 4 电动机和测功仪的选择4.1电动机的选择我们的设计理念是节能环保，那么要满足电驱工程机械试验平台的正常启动并且使节能降耗，就必须结合电驱工程机械试验平台系统设计，对电机功率进行合理配置，采用一种启动扭矩较大的节能电机稀土永磁同步电动机。4.2稀土永磁同步电动机与其他电动机的比较4.2.1、稀土永磁电动机与高转差率电机相比：最明显优点表现在节能方面，解决重载启动来达到节能目的。永磁电机运行中无励磁损耗，不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而进一步降低有效功率和无功功率，极大地提高了电机功率因数。另外，永磁电机防护等级为IP54。电机启动过程中通过电流变频技术进行软启动，使启动实现慢转速大扭矩，电驱工程机械试验平台的平稳启动更有利于扭矩的充分传递。因此，这种电机完全可以满足电驱工程机械试验平台的启动要求，由于电机功率较小，功率因数较高，电机在生产过程中基本上可实现满负荷运转，节能效果明显。4.2.2稀土永磁同步电动机与三相异步电动机相比：稀土永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均比三相异步电动机高出一个功率等级，最大起动力矩与额定力矩之比可达3.6倍，而一般异步电动机仅有1.6倍。4.2.3稀土永磁同步电动机与电磁式同步电动机相比：a、稀土永磁同步电动机无需电流励磁,不设电刷和肩环,因此结构简单、使用方便、可靠性高。 b、由于上述结构的特点，使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。因此，稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近。 c、稀土永磁同步电动机转子结构多样、结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。 d、稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。4.2.4稀土永磁同步电动机和水冷却电动机相比：水冷却电机具有如下主要特点：优点：水冷却电机外壳由经过防锈处理后的双层钢板焊接而成，在外壳夹层内通不断循环的冷却水，把电机运行时产生的热量几乎全部带走，从而使电机对外界几乎不散发热量； 缺点：水冷却电机安装成本较高，冷却系统必须配套循环管道，容易漏水。日常维护复杂。循环水泵也要消耗电能。稀土永磁同步电动机的特点：a、节约用电，工作电流比异步电机小15b、发热量低，减少了空调的耗电c、安装方便，可直接代换原有电机d、转速稳定，不受负载变化的影响e、价格高于异步电机，但一年的节约的电费就可以弥补高出的费用稀土永磁同步电动机由于效率的提高，电机的发热比异步电机减少了近一倍，对车间温度的影响也减少了很多。4.3稀土永磁同步电动机的特点：a、稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无基波铁、铜耗；b、稀土永磁同步电动机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率因数可达到或接近于1.0；c、功率因数的提高，一方面节约了无功功率，另一方面也使定子电流下降，定子铜耗减少，效率提高；稀土永磁同步电动机的极弧系数一般均大于异步电动机的极弧系数，当电源电压和定子结构一定时，稀土永磁同步电动机的平均磁感应强度较异步机小，铁损耗小；d、至于稀土永磁同步电动机的杂散损耗，一般认为由于其永磁体磁场的非正弦性而增加了杂散损耗，但另一方面稀土永磁电动机较大的气隙，降低了杂散损耗；e、稀土永磁同步电动机的不变损耗（铁耗+机械损耗）小，可变损耗（定子铜耗）变化比异步电动机可变损耗（定子铜耗+转子铜耗）变化慢，使其效率特性有高而平的特点，使稀土永磁电动机在轻载时的相当宽的区域内效率为最高。如在油田采油机上使用，这一区域恰好与油田采油机的平均负载所在区域相吻合。为此，稀土永磁同步电动机的额定效率比异步电动机高4%-7%，但在整个负载变化范围内的平均效率，稀土永磁同步电动机比三相异步电动机可高出12%；f、采用稀土永磁同步电动机，无功功率节电率可达85%；有功功率节电率可达23%-25%，节电效果十分明显。 4.4测功仪的选择及测功仪的用途电涡流测功器是目前国内先进的加载测功设备，尤其在中小功率以及微小功率的动力机械加载测功试验中，各动力机械的低速及高速加载测功试验方面，相对其它类型测功加载设备而言，在性能、价格、可靠性、维护难易程度等方面都有比较明显的优势。尤其在低速机械及微小功率机械的加载测功方面，则更是其它方法无可比拟的。本设计是采用DW系列的电涡流测功仪，而DW电涡流测功仪是针对中小型内燃发动机的输出特性特别设计的。具有结构简单、转动惯量小、许容转速高、使用寿命长、维护方便以及控制操作简便、测功区域宽广、摆动阻力小、重复性好的特点，非常适合各种中小型内燃发动机及其零部件、变速变矩器等的动力性能及不同工况的测试。一般情况，各类测功器与其测量控制仪配套的主要测量精度如下：1、扭矩测量精度：0.4%F.s，灵敏度0.1%F.s2、转速测量精度：0.1%1r/min若有特别要求，测功器的扭矩测量精度可提高到0.2%F.s。同时，电涡流测功器可派生出带起动和磨合装置或带摩擦功测量系列；电涡流测功器主要由电涡流制动器、各种测量控制仪（包括加载控制、测力、测速）两大部份组成。4.5电涡流测功仪有以下优点：1、结构简单、运行稳定、价格低廉、使用维护方便；2、采用水冷却，噪音低、振动小；3、输入转速范围宽，可用于变频调速等各类电动机 及动力机械的型式试验4、控制器采用单相交流电源，控制功率小；5、转矩的测量可以采用电子磅秤、压力传感器或高精度转矩转速测量仪等，适用于不同测量精度的场合。6、该装置还能作制动器用，制动力矩大7、使用环境的优点：a、最高环境温度不超过40b、海拔高度不超过1000mc、当环境温度为30时，相对湿度不大于85%4.6本设计采用的测功仪根据第三章马达的计算数据，本设计采用的电涡流測功仪为四川诚邦测控有限公司的产品，型号为DW254.6.1、DW电涡流测功仪主要技术参数如下1、DW25主要性能指标：a、 额定吸收功率25kw；b、 额定转矩；c、 最高转速11000r/min；d、 转动惯量。2、最大励磁电压80V，最大励磁电流3A；3、冷却水压：0.020.1Mpa。根据出水温度调节水压，当出水温度升高时，适当加大水压使出水温度降低。冷却水流量：冷却水量取决于进水、出水的温差和吸收功率的大小；4、測功仪出水温度：小于55；5、工作方向：左旋或者右旋，连续工作；6、扭矩测量精度：0.4%FS；7、转速测量精度：1r/min。4.6.2、DW电涡流测功仪的工作条件和环境条件1、測功仪的励磁电压0到80V；2、測功仪的励磁电流0到3A；3、冷却水为淡水；4、冷却水压：0.02到0.1Mp；5、环境温度：0到40；6、相对湿度：20%到90%RH。4.7、测功机的安装在紧固地脚螺栓前需用水平仪校正测功机在两个互相垂直方向的水平，其安装精度为1/1000，以保证测功仪的灵敏度和正确性。安装后测功仪下部用地脚螺栓或压板紧固。然后把联接底座和感应盘的固定角钢卸掉。实验室一般采用整体铸铁底座。4.8、结构及原理电涡流测功仪主要由旋转部分（感应盘）、摆动部分（电枢和励磁部分）、测力部分和校正部分组成。其结构简图见图4-1由结构简图可知，感应盘形状犹如直齿轮，产生涡流地方在冷却壁上。励磁绕组通上直流电后，则围绕励磁绕组产生一个闭合磁通。当感应盘被原动机带动旋转时，气隙磁密随感应盘的旋转而发生周期性变化，在冷却室表面及一定深度范围内将产生涡流电势，并产生涡流，该涡流所形成的磁场又与气隙磁场相互作用，就产生了制动转矩。该转矩通过外环及传力臂传至测力装置上，由力传感器将力的大小转换成电信号输出，从而达到测转矩的目的。 图4-1 电涡流测功仪结构简图 1、感应盘 2、主轴 3、联轴器 4、励磁线圈 5、冷却室 6、气隙 7、出水管道8、油杯 9、测速齿轮 10、轴承座 11、进水管道 12、支撑环 13、外环 14、底座 5 液压元件的选型5.1泵的选择此处已删除，完整版加153893706感器。如图5-3 HM10高精度压阻式压力传感器，是采用德国HELM公司先进的硅压阻力敏元件封装在不锈钢壳体内组装调试而成，外壳和接口材料均为不锈钢，介参考文献1 张友根主编.注塑机交流伺服电机驱动液压泵系统的设计研究.流体传动与控制，2010（6）：9-152 章崇任主编.新能源工程机械特点分析.建筑机械，2009（8）：90-923 高殿荣，刘金慧编著.交流伺服轴向柱塞液压电机泵效率分析与研究.液压与气动，2011(1)：55-594 成大先主编.机械设计手册.2002年.第四版.第4卷.北京：化学工业出版社5 贺利乐主编.建设机械液压与液力传动.北京:机械工业出版社,2004.26 雷天觉主编.液压工程手册.北京：北京理工大学出版社，19987 贺利乐主编.液压与液力传动.北京：国防工业出版社，2011.18 张利平主编.液压传动设计指南.北京：化学工业出版社，2009.79 韩桂华主编.液压系统设计技巧与禁忌.北京：化学工业出版社，2011.2 10 Masami Naruse, Hirakata (JP); Masatake Tamaru, Tatsunokuchi-machi(JP); Kenzo Kimoto, Hirakata (JP). HYBRID CONSTRUCTION EQUIPMENTP. U.S.: US 6,678,972 B2 . Jan.20,200411 Thomas M.Anderson,White Bear Lake,Minn.CONCRETE PUMP MONITORING SYSTERMP. U.S.:5,322,366.Jul.26,1994附录序号图名代号出图方式图号绘图工具1液