（机械电子工程专业论文）举升液压系统数控模拟试验台的设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济以及国家建设的快速发展，自卸车得到了广泛的应用。自卸 车上的举升液压系统用来举升重物，并且到达一定高度后倾卸，是白卸车上的核心 部件。由于自卸车长期连续工作且大部分工作在比较恶劣的环境中，再加上操作不 当等使各类故障频发。 通过对自卸车上的举升液压系统进行调研，总结分析举升液压系统中容易发生 的各种故障的类型以及产生故障的机理，设计了举升式液压系统数控模拟试验台。 该试验台可以模拟自卸车上举升液压系统的举升动作以及举升过程中的负载的大 小。通过在容易发生故障的部位加装传感器，实现对关键油路流量、压力等参数的 实时监控，并且将参数进行预处理和存储，通过分析监测的数据可以进行故障诊断 和故障预测方面的研究。论文针对国产东风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 中型自卸汽车设计了举 升液压系统模拟试验台。对此型号自卸车液压系统参数进行计算，有针对性地设计 了模拟举升和模拟负载液压系统。选择了压力传感器和流量传感器并且布置在合适 的位置使其更好的监测到关键部位的参数变化；运用v b 编程设计了用户电脑界面， 通过电脑界面方便举升参数的调节和监测各传感器参数的变化；运用p i d 调节来使 试验台更好的模拟举升过程中力的变化过程，并且运用m a t l a b 软件绘制举升过程 中力的变化曲线。本试验台可以对自卸车举升过程进行精确的模拟运行，从而便于 进行故障诊断和故障预测等方面的研究，在实际运用中，提高故障诊断效率。 关键词试验台；举升；液压系统；自卸车；故障诊断：p i d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dc o n s t r u c t i o n - d u m pt r u c kh a s b e e l lw i d e l vu s e d t h eh y d r a u l i cl i f ts y s t e mo ft h ed u m pt r u c ki su s e dt ol i f t i n gh e a v y o b j e c t s ，a n di tw i l ld u m pa f t e rr e a c h i n ga c e r t a i nh e i g h t i ti st h ec o r ec o m p o n e n to nt h e d 脚m pt r u c k b u ta st h ed u m pt r u c kl o n g t e r mw o r ka n d m o s to ft h ew o r ki nt h er e l a t i v e l y h a r 曲e n v i r o n m e n t ，c o u p l e dw i t ht h ei m p r o p e ro p e r a t i o n ，t h e v a r i o u st y p e so ff a i l u r e s o c c u rf r e q u e n t l y t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h el i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e mo f t h ed u m pt r u c k , v a r i o u st y p e s o ff a i l l l r ea n dm ec a u s eo ft h ef a i l u r em e c h a n i s ma r es u m m a r i z e da n da n a l y s e d ，a n dt h e l i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e s tr i gi sd e s i g n e d t h e1 i f t i n ga c t i o no ft h e h y d r a u l i cs y s t e mo nd u m pt r u c ka n dt h el o a do nt h el i f t i n gp r o c e s sc a n b es i m u l a t e do n t h et e s tr i g b yi n s t a l l i n gs e n s o r so nt h ef a i l u r e - p r o n ep a r t s ，t h ec r i t i c a l o i lf l o w , p r e s s u r e a n do t h e rp a r a m e t e r sc a nb em o n i t o r e di nr e a l - t i m e w h i l et h ed a t eo f t h ep a r a m e t e r st h a t b ep r o - p r o c e s s i n ga n ds t o r a g ec a nb ea n a l y s e d t or e s e a r c ht h ef a u l td i a g n o s i sa n d p r e d i c t i o n ，e t c t h el i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o nt e s tr i gi sd e s i g n e df o rd o m e s t i c d o n 蜘ge q 3 16 6 g n - 4 0m e d i u m s i z e dd u m pt r u c k t h ep a r a m e t e ro ft h ed u m pt r u c k h y d r a u l i cs v s t e mi sc a l c u l a t e da n dt h el i f t i n ga n d l o a da n a l o gh y d r a u l i c ：s y s t e mi sd e s i g n e d i no r d e rt ob e t t e rm o n i t o rp a r a m e t e r sc h a n g e si nt h ek e yl o c a t i o n ，s o m ep r e s s u r ea n d f l o w s e n s o i sa r ea r r a n g e da tt h er i g h tp l a c e ；t h ep r o g r a mi n t e r f a c ei sd e s i g n e du s i n gv b p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h ep a r a m e t e r so f1 i r c a nb ea d j u s tb yt h ep r o g r a ma n dt h e p a 姗e t c r sc h a n g eo fs e n s o r sc a l lb ed i s p l a yo nt h ei n t e r f a c e ；t h ew e i g h to f t h ec h a n g e p r o c e s si nt h el i f t i n gp r o c e s sc a n b eb e t t e rs i m u l a t e db yu s eo fp i dr e g u l a t o r , a n dt h ef o r c e c u r v ei nl i f t i n gp r o c e s sc a nb ed r a wb yu s e o fm a t l a bs o f t w a r e t h el i f t i n gp r o c e s so f t h ed u m pm a c kc a l lb eg o o ds i m u l a t e di nt h et e s t - b e d ，s oa st of a c i l i t a t ef a u l td i a g n o s i s a n d f l a u l tp r e d i c t i o nr e s e a r c h ，t h ei n c i d e n c eo ff a i l u r ec a nb er e d u c e di n t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d st e s t - b e d ；l i f t i n g ；h y d r a u l i cs y s t e m ；d u m pt r u c k ；f a u l td i a g n o s i s ；p i d i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 美国印第安纳州的几名机械工作人员从理发椅上得到灵感，在1 9 2 5 年发明了用 于举升汽车的液压举升机，从此以后，修理汽车变得更加方便。随着汽车以及各种 机械工业的迅速发展，液压举升机的应用越来越广泛【l 】。举升式液压系统更是广泛应 用在工业生产、建筑、汽车、国防等行业，成为了一些设备上的核心部件。例如： 汽车修理行业必须的汽车液压举升机、挖掘机、铲车、矿山机械等，特别是在自卸 车上，举升液压系统已经成为最重要的一部分【2 1 。 在工程施工中，自卸车是必不可少的主要交通运输工具之一，对生产建设起到 了巨大的作用。驾驶员通过操纵自卸车驾驶室的操纵杆，利用自卸车上的举升液压 系统举升货物到一定高度，并且自动倾卸。而自卸车上举升液压系统的控制机构又 具有多种形式，如气控、电控、机械控制和复合控制等，所以举升液压系统具有结 构复杂，并且精度要求较高，故障发生位置又相对较为隐蔽等特点。在实际应用中， 自卸车大都工作在野外比较恶劣的场合，这些场合具有狄尘多，振动频繁且幅度大 等特点，所以导致举升液压系统经常发生各种故障，又由于液压系统大都设计在内 部封闭空间中，这就导致故障部位不易确定，并且维修困难。现实中要求尽量减少 故障的发生，如果出现故障后要及时发现并且排除，因此，熟悉自卸车上举升液压 系统的各种故障以及产生故障的机理，在发生故障后能够f 确迅速的做出反应，可 以提高生产率，并且对自卸车举升液压系统的故障诊断和故障预测研究非常重型3 1 。 这样就需要一种能精确模拟自卸车举升式液压系统的试验台，通过在试验台上模拟 各种可能出现的故障，以及通过装在试验台上的传感器来监测出现故障后的参数的 变化来分析各种故障，最终达到故障预测的目的。 1 2国内外研究现状及发展趋势 目前国内已经开发了针对矿用自卸汽车y s 5 0 0 液压综合试验台，试验台可进行 全液压转向系统试验、组合阀试验、液压油泵试验、举升缸试验和悬挂缸试验，也 可用于其他工程机械用液压元件的维修和开发。试验台数据采集系统相对独立，流 量测量装置模块化，具有造价低、操作容易、维护方便、改造灵活等特点【4 】。但这是 针对自卸车转向液压系统开发的试验台，不能很好的研究举升液压系统的特性，有 一定的局限性。 国内还进行了军车液压翻转举升系统模拟试验台方面的研究，该试验台的主要 功能是依照系列液压缸质量分级标准及液压缸、油泵质量检测试验规范，对军车液 河北科技人学硕十学何论文 压举升系统总成及部件进行3 0 0 0 次工作循环疲劳强度、压力和泄漏的试验，从而及 时发现其在设计和制造中的不足之处，验证其结构工艺的合理性，并为产品的改进 提供参掣5 1 。由于军车车身结构紧凑，采用了发动机布置于驾驶室坐垫下的方式。为 便于维修和保养发动机总成和部件，须采用一对左右油缸推动驾驶室，使其可翻转 到一定角度( 最大仰角为4 5 0 ) 。所以该液压系统是专门针对驾驶室液压系统的模拟， 具有一定的专用性【6 1 。 国外一些国家最先丌展了举升液压试验台的研究。美国是世界上最先进的采煤 国家，所以对自卸车等专用汽车的研究也比较早f 7 】。在对自卸车上的举升液压系统的 研究上，逐渐发现单纯的采用液压控制技术已经不能满足在速度和精度等方面的要 求，而逐步发展起来的计算机控制技术以及传感器技术等为举升液压系统的发展提 供了新的思路，机电一体化技术的发展在很大程度上提高了液压系统的控制精度以 及可靠性，解决了一些以往的难题【8 l 。此外，国外在液压元件上也有了创新化的发展， 其主要成果在：元件的小型化、模块化；节能化；新材料的应用；环保；非矿物油 介质元件等【9 】9 。控制系统的发展正在逐渐成为液压系统发展的主力军，随着自动控制 理论的发展，液压系统在控制精度、灵敏度等方面也取得了长远的进步，并且在发 展中也逐渐丰富了自动控制理论。目前，鲁棒控制、模糊控制以及神经网络控制等 控制理论都在液压系统上得到了不同程度的应用【l0 1 。 总结国内外的发展，针对自卸车的举升液压试验台的丌发迫在眉睫，将有巨大 的实际用途，在研究举升液压系统的稳定性发面将发挥不可替代的作用。 1 3 课题的背景及研究意义 在实际应用中，自卸车大部分工作在恶劣的环境中，并且长时间作业，导致频 繁发生各种故障，发生故障的种类较多，原因复杂，所以使得故障的发现和排除变 得非常困难。只有熟悉了自卸车上液压系统的结构以及液压元件的特性，掌握了液 压系统的工作原理、液压元件和辅件的配置关系、液压元件的工作环境要求等内容 才能做好故障诊断等工作，此外，还要在平时做好液压设备的检查、维护等，并且 建立维修和故障技术档案，总结出现各种故障的前期现象和故障检查方法，积累现 场实践经验和提高管理水平，这样才能更好运用检测仪器和先进的检测手段达到故 障诊断和故障预测的目的【1 1 1 。 在这样的背景下，设计一种举升式液压系统数控模拟试验台来模拟自卸车的举 升动作，通过对液压回路中各关键部位的压力和流量数据进行实时监测和分析，可 以发现易损液压元件，从而归纳出出现什么现象对应什么故障，然后提前对故障进 行排除。对提高自卸车液压举升装置运行的可靠性具有较强的现实意义。通过这套 系统，用户可以实时观测到举升液压系统工作过程中压力和流量等参数的变化过程， 通过人为的在试验台上制造发生故障的条件，然后分析这些故障酊期参数的变化， 2 第1 章绪论 可以总结出参数的变化规律和出现的现象，从而指导实践中在故障前期提前做出反 应，避免出现事故，降低实际应用中自卸车举升液压系统故障的发生率【1 2 - 1 4 。 1 4 课题的研究内容 本课题是研究并设计开发一种模拟自卸车上举升液压系统的数控试验台。该试 验台可以精确模拟自卸车上的举升液压系统，并且可以模拟加载不同的载荷。通过 往复循环模拟举升动作，并且通过分析加装在油路各个关键部位的传感器的数据变 化来进行疲劳试验以及故障诊断等研究，从而指导在实际生产过程中做到故障预测， 达到降低故障发生率的目的。 该试验台包括机械结构、液压系统、数据采集及分析系统等部分。通过调研现 有东风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 自卸汽车，设计了试验台的模拟举升液压系统，并且设计了 为其提供负载的模拟负载液压系统，在模拟举升液压系统上加装压力和流量传感器， 设计数据采集和分析系统，然后通过设计数字p i d 控制器来达到模拟负载变化的目 的。 ； 1 5 课题的创新点 本课题所研究的举升式液压模拟试验台创新点有三点： ( 1 ) 针对东风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 自卸汽车设计针对东风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 自卸 汽车，详细分析了其系统工作原理，并且进行了运动和受力分析，提出了试验台的 设计方案。 ( 2 ) 数字p i d 控制由于在实际应用中举升力会随着需要举升的重物的高度变 化而变化，所以在设计举升试验台的时候要模拟的力就应该是变化的，这样我们采 用p i d 反馈调节来精确模拟举升过程中负载力的变化过程。 ( 3 ) 优化液压油路设计通过对实际应用中液压系统的调研，在原有液压系统 的基础上进行改进设计，把一些关键易出故障的部分布置到便于观察的地方，然后 在油路关键点布置传感器监测参数的变化。 1 6 本章小结 本章描述了举升式液压系统的发展及应用现状，阐述了举升式液压系统在实际 应用中存在的不足以及需要解决的问题，深入分析了国内外液压试验台发展的方向。 结合实际情况说明了本课题的研究意义，简单说明了课题的研究内容。在本章的最 后，介绍了课题的创新点。 3 河北科技人! 学硕十学位论文 第2 章举升式模拟试验台的需求分析 本试验台是以东j x l 牌e q 3 1 6 6 g n 4 0 自卸车为模拟对象，所以在提出试验台设计 方案之前，需要对自卸车进行调研，了解东风牌e q 3 1 6 6 g n 4 0 自卸车的结构、动作 规律以及举升过程中力的变化等内容。 。 2 1自卸车概述 自卸汽车是指配有自动倾卸装置的汽车，又称为翻斗车。自卸车作为运输货物 的载重汽车，不但可以运输货物，还可以举升货物到一定的高度，然后倾卸货物， 并且可以依靠车厢的自重复位。自卸车是一种专用汽车，主要用于运输如砂、土、 矿石和农作物等散装散堆的货物，主要应用在矿场、施工工地、农田等地方。由于 自卸汽车可以实现卸货自动化，所以它的广泛使用，提高了劳动生产率【1 5 , 1 6 】。并且 随着挖掘机、铲车和传送带等设备的广泛应用，和自卸车配合，实现了机械联合作 业，尤其在土方、砂石等松散物料的运输方面，极大的提高了运输效率，缩短了工 期，并且在很大程度上减轻了工人的劳动强度【1 7 】。 2 1 1自卸车的基本构成 自卸汽车可以由一般的载重汽车改装而成，由载重底盘、液压举升系统、取力 装置、货箱以及附件等组成，其中液压泵、液压缸、举升控制阀、油箱以及管路构 成了举升液压系统；取力装置负责把汽车发动机的动力传递给液压泵；货箱由前后 板、底板、侧板以及开合装置组成；此外，还有一些安全支架、限位钢索、防护栏 等附件。取力装置把汽车车头的发动机的动力传递给液压泵，液压泵泵出的高压油 通过液压阀进入液压缸，然后液压缸伸出，从而举升货物，到达一定高度后货物由 于自重自动倾卸出去【1 8 】。自卸车基本结构如图2 1 所示。 2 1 2 自卸车的分类 自卸汽车种类繁多，根据不同的分类方式可以把自卸车分为不同的种类，其有 以下多种分类方式： ( 1 ) 按照品牌分类自卸汽车有东风自卸车、解放自卸车、欧曼自卸车、重汽 斯太尔自卸车、红岩自卸车等。 ( 2 ) 按照用途分类按照用途可以分为两类：一类是属于公路运输的普通自卸 车；另一类属于非公路运输的重型自卸车，主要用于矿区装卸作业和大中型土建工 程。 ( 3 ) 按照装载质量级别分类可分为轻型自卸车( 装载质量小于3 5 t ) ：中型自 4 第2 章举升式模拟试验台的需求分析 卸车( 4 t 8 t ) ；重型自卸车( 大于s t ) 【1 9 1 。 1 - 液压倾卸操纵装置；2 - 倾卸机构：3 一液k 油缸；4 - 拉秆：5 - 赁_ i | j ；6 后铰链义埋；7 - 安令撑杆；8 油箱； 9 液压泵；l o 传动轴：1 1 取力器 图2 - 1自卸车结构简图 ( 4 ) 按照传动类型分类可分为机械传动、液力机械传动和电传动三种类型。 载重3 0 t 以下的自卸车主要采用机械传动，载重8 0 t 以上的重型自卸车多采用电传动。 ( 5 ) 按照卸货方式分类有后倾式、侧倾式、三面倾式、底卸式，以及货箱升 高后倾式等多种形式。其中以后倾式应用最广。 图2 - 2 直推式举升机构的布置形式简图 ( 6 ) 按照倾卸机构分类分直推式自卸车和杠杆举升式自卸车。直推式又可细 分为单缸式、双缸式、多级式等杠杆式又可细分为杠杆前置式、杠杆后置式、杠杆 中置式等。直推式自卸车按照油缸布置位置分类，可以分为前置式和后置式( 也称 中置式) 两种。前置式一般采用单缸，后置式既可采用单缸，也可采用并列双缸。 前置式举升机构举升时车厢的横向刚度较大，同等载荷情况下需要的举升力也较小， 5 河北科技人学硕十学位论文 但是液压缸活塞的工作行程比后置式举升机构的长【旧】。直推式举升机构的两种布置 形式如图2 2 所示。 ( 7 ) 按照车厢结构分类按栏板结构分为一面开启式、三面丌启式与无后栏板 式( 簸箕式) 。按底板横断面形状分为矩形式、船底式、弧底式。 2 2自卸车举升机构运动及受力分析 本试验台模拟的的对象是东风牌e q 3 1 6 6 g n 4 0 型自卸车，该车是由东风南充汽 车有限公司生产的后卸式后置直推式自卸车，底盘选用东j x l 南充汽车有限公司生产 的东风牌e q 3 1 6 6 g n j - 4 0 自卸汽车底盘，发动机选用东风南充汽车有限公司生产的 n q 2 0 0 n n g 发动机，发动机排量为5 6 3 8 c c ，发动机功率为1 4 7 k w ，整车总质量为 1 6 0 0 0 k g ，额定载荷7 9 9 0 k g ，整备质量7 8 1 5 k g ，最高车速可达9 0 k m h 。 2 2 1 自卸车液压举升机构工作原理 东风牌e q 3 1 6 6 g n 4 0 自卸车举升机构采用液力传动形式，液压举升系统由取力 器、油泵、液压控制阀、油缸、限位阀、油箱、操纵系统以及油管系统等组成【2 0 1 。 其工作原理如下： ( 1 ) 准备先使自卸车处于驻车制动状态，并将变速器置于空挡。将转阀手柄 置于水平初始位置。启动发动机，然后踩离合器，结合取力器使油泵进入工作状态。 此时液压油经油泵、单向阀、液压换向阀流回油箱【2 1 1 。 ( 2 ) 举升转动手柄，调节换向阀阀芯的位置。此时从油泵经单向阀来的高压 油，经换向阀进入举升液压缸的无杆腔，实现举升。油缸举升到最大行程时，拨动 限位阀，将高压油路与回油路接通而卸荷，举升停止，货箱处于举升最高位置。 ( 3 ) 保持将转阀手柄置于“保持举升区间，并切断取力器停止油泵工作。此 时压力油被锁死在油缸内。可按需使货箱处于任意举升位置保持【2 2 1 。 ( 4 ) 降落将转阀手柄推至慢落位置，回油路仅部分打开，实现车厢缓慢降落。 若将转阀手柄推到底，则回油路被全部打开，油缸无杆腔的油液流向油箱快速回油。 2 2 2自卸车液压举升机构运动分析 东风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 型自卸车举升机构采用单缸三级直推式举升机构，该车厂 定最大装载质量聊。= 7 9 9 0 k g ，最大举升角5 0 。2 。，液压缸支点到车厢支点距离为 1 8 6 0 m m ，车厢复位时楔形角为5 。用作图法进行举升机构的运动分析，如图2 3 所 示，o a 位置为举升机构的初始位置，如= a = 1 8 6 0 l n n l ，最大举升角钆。= 5 0 。，楔 形角口= 5 。，液压缸总行程为三。液压缸总行程应该保证最大举升角的设计要求，由 运动图，根据余弦定理可知f 2 3 】。 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - 。_ - _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一 l = , o a 2 + 2 2 o a o b c o s ( 9 。+ 口+ ) ( 2 1 ) 6 第2 章举升式模拟试验台的需求分析 图2 - 3 东风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 臼卸车举升机构运动图 根据作图可知o b = b = 1 7 2 0 m m ，= 1 5 。，代入式( 2 1 ) 得： 三= 1 8 6 0 2 + 1 7 2 0 2 2 x 1 8 6 0 1 7 2 0 c o s ( 5 0 。+ 5 。+ 1 5 。) 1 6 8 5 m m ( 2 - 2 ) 可知液压缸的最大行程必须大于1 6 8 5 m m 。 2 2 3 自卸车液压举升机构受力分析 自卸汽车的油缸的举升力应保证最大举升质量时所需的举升力矩。为此，对东 风牌e q 3 1 6 6 g n - 4 0 型自卸车举升机构做受力分析，从而分析出液压缸举升过程中举 升力的变化【2 4 】。举升机构受力如图2 4 所示。 液压缸举升力尸对货箱翻转中心d 产生的举升力矩m 。与对举升总质量m 。对d 点的阻力矩m 。应取得平衡，即： m 。= m 。 ( 2 3 ) 液压缸举升力矩： 7 河北科技人学硕十学位论文 m p = p - o a s i n r 、 ， 、 、 ， ， 、 ， 、 ， 、 ， 、 卫 2 h ( 4 1 5 ) 式中p 掖压缸的最大t 作压力； 吒缸筒材料的抗拉强度极限； 胛安全系数，一般取n = 5 ； 【盯卜“塞杆材料的许用应力，【仃 - 导。 在本试验台的液压系统中，三级液压缸分别要进行缸筒壁厚的校核，第一级和 第二级之间壁厚为6 t = 1 4 5 m m ，4 d l = 1 4 5 1 9 0 o 0 8 0 1 ，液压缸材料为4 5 钢， 吒= 6 0 0 m p a ，则【盯】- 6 0 0 m p a 5 = 1 2 0 m p a 。则按照式( 4 1 5 ) 计算： 群翕= 等一1 1 0 8 一 ( 4 1 6 ) 同理对于第二级缸，嘎砬= 1 0 1 6 0 o 0 6 o 1 ，可得： 高= 鬻一诅3 3 一 ( 4 - 1 7 ) 对于第三级缸，4 b = 1 2 5 1 2 5 = o 1 ，可得： 翕= 等一7 2 9 1 7 衄 1 8 ) 由结果可得：瓯研，t ，喀，三级缸壁厚均满足要求。 最终确定液压缸的其他尺寸，设计出的液压缸如图4 - 6 所示。 幽4 6 三级液压缸设计图 2 2 第4 章液乐系统设计 模拟举升液压缸和模拟负载缸之间用法兰连接件连接，两个三级液压缸均用螺 栓螺母固定在底面支架上。 综上所述，液压缸的总体参数如表4 3 所示。 表4 - 3 液压缸总体参数 4 3 其他液压元件的计算和选择 4 3 1 液压泵的选择 确定液压泵的最大工作压力p ，。 p p p l 。+ 卸 ( 4 - 1 9 ) 式中p 。- 液压执行元件最大工作压力； 卸_ 、液压泵出口到执行元件入口之间所有沿程压力损失和局部压力损失 之和。 由于液压元件的规格、管路长度和直径均未确定，初算时可按经验选取，本实 验台需要把大部分的管路布置在台面上，管路较长，弯节较多，所以按照复杂管路 系统取： - a p = ( 5 - 1 5 ) 1 0 5 p a ，这里取中间值 = l o x l 0 5 p a 。 上述提到液压缸最大工作压力为1 4 m p a ，则： p p p l 。+ 卸2 1 4 + i m p a = 1 5 m p a ( 4 - 2 0 ) 确定液压泵的最大流量g p 。 q p k ( g ) 。 ( 4 - 2 1 ) 式中 ( g ) 一同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值； k 系统泄漏系数，一般取k = 1 1 1 3 ，大流量取大值，反之取小 值。 上述提到液压缸所需的最大流量为g 一= 6 l m i n ，此处取k = 1 2 ，则： q p k ( g ) 。= 1 2 6 l m i n = 7 2 l m i n ( 4 - 2 2 ) 根据上述计算的液压泵的最大工作压力和最大流量，查阅液压工程手册，选取 河北科技人学硕十学何论文 s y 1 0 m c y l 4 1 e l 型号低噪声新型高压轴向柱塞泵，s y c y l 4 1 e 系列是对c y l 4 1 b 系列高压轴向柱塞泵的一次重大革命，它不仅是c y l 4 1 b 的更新换代产品，而且可 取代部分进口产品。与c y l 4 1 b 系列泵相比较，s y c y l 4 1 e 系列具有如下优越性： 噪声低：降低了5 1 0 分贝；重量轻，体积小：重量减少了1 3 ，体积减小了l 3 ；可靠 性进一步提高：安装方便等【3 4 1 。 s y 1 0 m c y l 4 1 e l 型高压轴向柱塞泵的排量为l o 5m e r ，额定转速为 1 5 0 0 r m i n ，最高转速为3 0 0 0 r m i n ，掘此可以计算出s y 一1 0 m c y l 4 - 1 e l 型高压轴向 柱塞泵的最大流量g 。为： q p 。x = 1 0 5 x 3 0 0 0 m l m i n 2 3 1 5 0 0 m l m i n = 3 1 5 l m i n ( 4 - 2 3 ) s y 1 0 m c y l 4 1 e l 型高压轴向柱塞泵的额定压力为3 2 m p a ，最高压力为4 0 m p a 压力和流量均满足上述计算要求。 4 3 2 驱动电机的选择 按照最大功率点选取电机功率，即： 户( p p q p ) 。叩p ( 4 - 2 4 ) 式中 ( p ，q ，) 。液压泵的压力和流量乘积的最大值； r 掖压泵效率，齿轮泵取0 6 0 8 ；叶片泵取0 7 o 8 ；柱塞泵取 0 8 n 0 8 5 。 本液压系统中( p ，q ，) 。= 4 0 x 3 1 5 = 1 2 6 0 ，r ，取o 8 5 。 由公式( 4 2 4 ) 可知，p = 1 2 6 0 0 8 5 = 1 4 8 2 4 w ，确定选取y 1 3 2 s - 4 型三相异步电 动机。额定功率5 5 k w ，满足要求。 4 3 3 液压元件的选择 模拟举升液压回路为开环控制，只需要提供一定的举升力，选用普通液压阀， 以降低成本。模拟负载液压回路为闭环控制且要求连续的按比例控制液压参量，所 以选用电液比例阀。 对液压控制阀的选择应该根据阀的通径和公称压力来选取。阀的通径大小是根 据其在液压系统中的实际通流量及工作压力来选择。分析流经某个阀的实际最大通 流量时应注意油路的串并联关系、活塞往返运动速比、有无差动连接等因素。对压 力阀和流量阀，允许的最大流量可高于公称流量的1 0 。对换向阀允许通过的流量还 要受阀的功率特性限制，即与阀的机能和工作压力有关。选择溢流阀的通径时，还 必须考虑其正常工作时最小溢流量的要求；而流量阀则要考虑其最小稳定流量是否 满足执行元件的最低速度要求。 液压控制阀的公称压力应大于阀的实际工作压力。液压控制阀的实际工作压力 因其在液压系统中的安装位置不同而异，如安装在进油路上的液压阀其实际最高工 2 4 第4 章液乐系统设计 作压力等于系统的最高压力，安装在回油路上的液压阀其最高工作压力一般低于系 统的最高压力。然而，当液压系统为回油节流调速回路时，安装在回油路上的流量 阀的最高工作压力可能大于系统的最高工作压力。过滤器的材质应与所选流体介质 相容，过滤器的通流能力应该是系统流量的两倍以上。试验台液压系统的液压元件 选择如表4 4 所示。 表4 _ 4 试验台液乐元件规格 最人实际流量 序0液雕件名称型号规格通径数量 i d b 型先导式溢流阀 2w e 6 型f 乜磁换向阀 3d b e 型比例溢流阀 4液温计 s 型单向阀 压力表开关 球阀 滤油器 3 1 5 3 1 5 3 1 5 _ 一 3 1 5 _ 一 3 1 5 3 i 5 d b e l o 3 0 b 3 1 5 y m y 、v z 15 0 t s 1 0 a 1 2 b a f 6 e a 3 0 bl0 0 y j z q - j10 w n 2 0 0 l r a i n l o 3 1 5 m p a 8 0 l m i n1 0 2 0 0 l m i n1 0 ，2 0 l o o o 1 o 1 5 m p a 2 0 0 u h i n 1 0 3 1 5 m p a 1 0 m p a6 3 i 5 m p al o 1 6 0 l m i n 1 0 0 m 4 3 4 确定油箱容量 油箱主要用来存储液压油，此外，还应该具备散热和分离空气和杂质的功能。 设计油箱之前，首先要确定油箱的容积。当系统需要大量供油时，油箱里的油 量应该能保证最低液面在油泵进口过滤器之上，从而使供油的时候不至于吸入空气。 当油液全部返回油箱的时候，油液不会溢出，此外，还要使油箱有足够多的散热面 积。 按照使用情况确定油箱容量： v = a q ( 4 - 2 5 ) 式中y 轴箱的有效容积( l ) ； g 掖压泵的流量( l m i n ) ； 口经验系数，此液压系统为中压系统取6 。 4 2 4 2 5 6 7 8 河北科技人学硕十。学侮论文 则将q - - - 7 2 l m i n 代入式( 4 2 5 ) 得v = c r q = 6 x 7 2 = 4 3 2 l 。再加上考虑到散热等， 最后取油箱容积约为6 0 l 。 4 4 集成块式连接装置的设计 普通的液压控制阀一般有板式连接和管式连接两种方式。当采用板式连接时， 需要设计专用的集成块以减少连接管路，并且可以提高液压系统的工作可靠性。显 然，液压阀集成块在液压系统设计中占有很重要的地位。 4 4 1 集成块的设计原则 在设计集成块的时候要充分考虑各种因素，遵循集成块的设计原则： ( 1 ) 选择集成阀的个数在设计集成块之前先确定集成阀的个数，如果集成的 阀过多，会造成集成块体积过大而使设计加工变得困难；如果集成的阀个数过少， 则设计制造集成块的意义不大。 ( 2 ) 块内油路尽量简洁过多的块内油路将会使集成块的设计加工变得困难， 并且还要尽量减少深孔、斜孔等复杂孔。还要注意集成块中孔径应该和阀的流量相 匹配，并且相互贯通的孔要具有足够的通流面积。 ( 3 ) 油子l 间最小间隙的确定在设计集成块的时候，要特别注意油孔间的间隙。 因为油液压力很高，假如间隙过小则有可能在油液压力作用下导致油孔串通，轻则 造成集成块报废，重则导致损坏整个液压系统造成事故。因此需要考虑各油孔通道 间的间隙，通常不小于5 m m 。 ( 4 ) 合理布置进出口油方向和位置在设计集成块的时候，进出口油的方向和 位置要与系统的总体布局及管道连接形式相匹配，并且使安装调试等操作变得便利。 ( 5 ) 设计测压点在集成块的设计中要设置足够数量的测压点以方便集成块的 调试。 ( 6 ) 设计螺钉子l 对于重量比较大的集成块还要设置起吊螺钉孔，以方便运输。 4 4 2 集成块的设计 在设计集成块的时候采用u g ( u n i g r a p h i c s ) 软件进行三维造型，从而可以更加 清晰直观的查看块内油路的间隙和方向等信息，通过三维设计软件在设计好的集成 块上模拟装配各种液压阀可以查看干涉等情况。 本试验台液压系统中有模拟举升液压回路和模拟负载回路两部分组成，通过分 析液压系统原理图可知在模拟负载液压回路中需要设计集成块。需要在集成块上安 置的装置有：一个三位四通电磁换向阀、一个电磁比例溢流阀、一个单向阀、一个 进油管接头、一个出油管接头以及一个泄漏口管接头。按照集成块的设计原则，设 计的集成块如图4 7 所示。 2 6 第4 章液乐系统设计 图4 - 7 液压系统集成块设计图 4 g 本章小结 本章分析了举升式液压模拟试验台的功能，叙述了试验台的组成及各部分的功 能，并且设计了液压系统原理图。计算了液压系统的各项基本参数，根据基本参数 计算并选择了液压缸、液压泵、电机等液压系统基本元件，然后选择了电磁阀等液 压元件。最后介绍了液压系统集成块的设计原则并且结合实际情况设计了集成块。 2 7 河，i t ：科技人学硕十学位论文 第5 章试验台检测系统设计 该举升式液压数控模拟试验台的功能是：有目的地采集反映举升式液压系统的 工作信息，实现对液压系统设备工作参数的实时监控。所以要了解举升液压系统设 备的常见故障模式和故障原理，从而建立合理的检测系统。 5 1 举升式液压设备故障模式与故障机理分析 举升式液压设备是由液压、机械、电气、仪表等装置有机地组合而成的统一体， 所以液压设备故障也是由各方面因素综合影响而产生的。液压设备故障是指由于液 压元器件损坏或者失效造成液压设备无法完成应完成的动作或者出现其他无法实现 原有功能的状况【3 5 1 。造成设备失去功能的故障分为三种：破坏性故障、功能性故障 和误动作故障。破坏性故障是指由于液压元器件损坏而造成的故障如泵轴扭断和电 磁铁烧坏等；功能性故障是指由于液压设备疲劳、磨损等造成的液压设备效率低下 等如泵容积效率下降和液压缸速度减慢等；误动作故障是指由于人们错误操作或者 装配失误造成的故障。在液压设备出现故障之前往往会表现出不寻常的振动和噪音 等问题，出现这些问题和故障往往联系在一起，这些故障都是由于液压系统内部条 件或者外部输入量未能满足j 下常运行所需的要求所到3 6 】。 液压系统的故障通过各种不同的形式表现出来，而引发故障的根本原因是发生 的物理与化学过程以及电学与机械学过程等，这种产生故障的实质性原因称为液压 故障机理。通过对液压故障机理的研究可以深刻理解液压设备故障形成的过程、规 律以及本质，是液压系统故障检测开展的基础研究。， 本文所研究的举升式液压系统的主要故障模式有：液压泵发热严重、压力和流 量无法提高以及噪声大等；液压缸泄漏、推力不足、爬行以及不稳等；液压阀阀芯 卡死、发热严重、电磁铁线圈烧坏、噪声以及阀芯动作不到位等问题，如表5 1 所示。 造成不同液压系统故障的液压故障机理具体有以下几种形式： ( 1 ) 磨损所谓磨损是指摩擦副的对偶表面相对运动时，工作表面物质不断损 失或产生残余变形的过程。由磨损引发的故障占到整个液压设备故障的2 0 。液压 设备在正常使用情况下，随着时间的积累，磨损也会逐渐积累，但是这种磨损在初 期并不会对液压设备造成很大的影响，如叶片泵的叶子顶端对定子，转子对侧板； 轴向柱塞泵的滑靴对斜盘，缸体对配流盘，柱塞对缸孔；液压阀阀芯的径向磨损等。 随着时间的积累，磨损加剧，当磨损量积累到一定的程度便会导致液压元件功能的 丧失，如液压泵内零件磨损积累导致间隙增大，从而引起泵输出流量不足和压力出 现波动等情况；液压缸和液压阀磨损积累导致密封不严，高压腔油液流入低压腔， 2 8 第5 章试验台检测系统设计 从而引起供压不足液压缸举升无力、爬行，同时产生噪声和振动，甚至引发共振损 坏整个液压系统。 表5 1举升液压系统主要故障模式 液骶系统主要冗件故障模式 液雕泵 液胝缸 滤油器 溢流阀 单向阀 三位p q 通i u 磁阀 两位p q 通i u 磁阀 液k 管路 k 力4 i 足、噪声人、温度过商 爬行、冲击、振动、泄漏 堵纂、压力损失火 压力波动、骶力低 控制1 i 良、液压油逆向流动 电磁铁吸力1 i 足、不能换向或换向不到位 堵采、泄漏 ( 2 ) 疲劳老化和断裂在液压系统设备中，某些反复受拉、受压以及受弯矩的 零件由于受到长时间的交变应力的影响造成材料疲劳，最后导致强度下降甚至疲劳 断裂等。如电磁阀中的复位弹簧、轴向柱塞泵缸体及柱塞颈部和密封零件等。 ( 3 ) 腐蚀介质与液压元件表面问发生化学反应引起液压元件失效称为腐蚀。 一般情况下，反应物与材料表面结合不牢，容易在摩擦过程中被磨掉，新露出的金 属表面由于腐蚀又产生新的反应物，反应物生成后又被磨掉，如此反复作用，急剧 加剧对偶表面的磨损失效。矿油型液压油中，如果有水分存在，或油品氧化变质， 或加入了对金属有腐蚀作用的添加剂，都会使油液的腐蚀性增加而导致摩擦副中腐 蚀磨损。 ( 4 ) 泄漏一般指工业中不应该流出或露出的物质或流体，流出或露出机械设 备以外，造成损失，称之为泄漏。液压系统中的泄漏分为外泄漏和内泄漏。外泄漏 指油液从液压元件里面流到外界，外泄漏一般都在泄漏之处留下痕迹，易于察觉， 多发生在液压元件结合面、管接头以及直线或者旋转运动界面。内泄漏是指油液从 液压元件内部高压腔流入到低压腔的泄漏。主要表现为液压阀内部阀芯和阀体配合 副之间的缝隙泄漏以及内部各封闭腔之间由于密封失效引起的泄漏。在高压环境下， 密封件磨损、老化以及振动等引起密封件松动等使影响元件发生泄漏的主要因素。 此外还有密封弹性元件在温度变化以及油液污染的影响下导致弹性下降、破损等引 起的密封性下降。内泄漏可以降低泵的容积效率并且使液压缸爬行严重等，从而危 2 9 河北科技人学硕+ 学何论文 害整个液压系统。 ( 5 ) 气蚀气蚀是指由于液压系统的压力波动促使液压油中的气体分离并且重 新溶解，对液压设备造成压力冲击，引起的元件疲劳损坏。此外，气蚀还会加剧油 液的老化，从而影响整个液压系统的性能。 ( 6 ) 液压冲击液压冲击指的是由于某些液压元件如阀、电磁铁等误操作引起 的油液瞬时冲击。液压冲击形成的瞬时冲击力非常大，可以导致密封件、阀等损坏， 导致泄漏的发生，造成很大的危害。 ( 7 ) 油液温度过高当液压系统长时间运行，油液会产生大量的热量，如果液 压系统散热性能不好则导致油液温度迅速升高，从而使液压设备温度升高。当液压 设备的温度超过所能承受的范围后会导致液压元件发生故障。并且过高的温度还会 导致液压油粘度减低、润滑性能下降，从而加速泵的磨损。此外，过高的油液温度 还会加速油液的氧化分解，加速液压油的老化。同样，过低的油液也会引起弹性密 封圈等变脆，密封性减弱。 ( 8 ) 污染失效污染失效指的是油液中掺入了固体杂质、水分以及铁屑等杂物 导致液压元件磨损或者功能丧失的故障。由于油液污染而导致的液压系统故障占到 了全部故障的7 0 。油液污染物会腐蚀液压元器件导致元件损坏，油液中的固体杂 质会磨损阀芯等液压元件，导致液压元件工作不稳定引起液压系统的故障。此外， 油液的污染会导致油液各种性能的下降，粘度和防锈性能等下降，使油液流动性变 差，减少液压油的使用时间，对整个液压系统有很大的影响。 5