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机械毕业设计论文
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机械毕业设计1578液压升降舞台的设计,机械毕业设计论文
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1 前 言 本次毕业设计是我们大学四年的最后一次设计，同时也是对大学生四年来所学的知识系统 总结和综合应用。现在我们已经进入大学学习的最后阶段， 毕业设计作为本科学习最重要的组成部分之一，它能提高我们发现、分析、 解决问题的能力 ，综合检验和 巩固 我们所学知识 ，同时又是对我们 大学四年所学知识的全面复习，更是向我们以后即将从事的专业性工作的正常过渡。我们可以紧紧抓住这个机会认真学习并搞好毕业设计，众所周知，它对我们即将走上工作岗位或者更进一步深造有非常重要的意义。它将把我们过去的理论学习引向一个更高 、更深 的层次，也就 是参加工作，可以说我们在做一次过渡性的尝试。 毕业设计是我在接受高等教育中的最后一次综合性的实践学习，是实现学生综合运用知识的能力，是实现培养目标、培养学生专业工作能力、提高学生综合素质的重要手段。当然，毕业设计成果的质量，也是学生毕业资格认定的一个重要依据，是对学校人才培养效果的全面检验，是学校教育教学质量评价的重要内容。 毕业设计的目的主要是：（ 1）培养学生 创造性地综合运用所学基本理论和技能，独立完成本专业范围内工程设计或实验分析的专业工作能力； （ 2）学习科学的精神和创新能力；（ 3）学习 调查研究、收集处 理信息和查阅文献的能力 ； （ 4） 学习 语言表达和撰写科技报告（论文）的能力；（ 5）培养学生的效益意识、全局观念和团队协作精神。 在此基础上，通过毕业设计，培养学生的整体构建设计的能力，全面的去考虑问题，帮助我们掌握工程设计中的一般产品设计的程序和方法。为我们在以后的实际工作中，能更好的解决 工程实际生产中遇到的实际问题打下坚实的基础 ,而且还有助于我们分析问题和创造性的解决问题的能力，全面提高我们的素质。 毕业设计教学基本要求 主要是通过毕业设计，将 思想道德素质教育、业务素质教育、文化素质教育于一体 ， 注重学生素质的全面 提高，以达到培养目标的基本要nts 2 求；注重培养学生严肃认真的工作态度、勤奋钻研的优良学风和独立工作能力 ； 注重开发学生的创新精神和创造能力，实现毕业设计的教学目的。 我所选择的毕业设计题目升降舞台液压系统的设计 。 由于 升降舞台液压系统的设计 要求很高，设计环节较多，而且我 缺乏实际经验 ，再加上由于国内 升降舞台 的发展较晚关于 升降舞台 的系统地、实际地、具有一定理论指导作用的专业书籍很少，所以在设计中存在很多的不足和疏漏，恳请老师和同学批评指正。 nts 3 1 绪论 1.1液压传动发展概况 液压传动相对于机械传动 来说，是一门发展较晚的技术。从 17 世纪中叶巴斯卡提出静压传递原理、 18 世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动只有二三百年的历史。 19 世纪末德国制成了液压龙门刨床，美国制成了液压转塔车床和磨床。由于缺乏成熟的液压元件，一些通用机床到 20 世纪 30 年代才用上了液压传动。 第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、动作准确的自动控制系统，促进厂液压技术的发展。战后液压技术迅速转向民用。随着工业水平的不断提高，各种液压九件的研制不断完善井实现了各类元件产品的标准化、系列化和通用化，从而使它在机械制造、上程机械、农 业机械、汽车制造等行业得到推广应用。 20 世纪 60 年代以来，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术得到了很大的发展并渗透到各个工业领域中。液压技术开始向高压、高速、大功率、南效率、低噪声、低能耗、经久耐用、高度集成化等方向发展。 从 20 世纪 70 年代开始，电子技术和计算机技术迅速发展井进入了液压技术领域，在产品设计、制造和测试方面采用厂这些先进技术，取得了显著的效益。利用计算机辅助进行液压元件和液压系统的设计计算、性能仿真、自动绘图以及数据的采集和处理，可提高液压产品的质量，优化其性能，降低成本， 并大大缩短其生产和交货周期。在设备控制方面，利用计算机控制液压系统，可简化操作提高劳动生产率，提高自动化水平，井增加产品的可靠性。因此，近年来，液压行业对于计算机技术的应用给予极大的关注，其中计算机辅助设计 CAD(Computer aided design)的推广使用和数字控制液压元件的研制开发尤其突出。另外减小元件的体积和重nts 4 量，提高元件的寿命，研制新介质以及污染控制的研究，也是当前液压传动及液压控制技术发展和研究的重要课题。 我国的液压工业开始于 20 世纪 50 年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来又 用于拖拉机和工程机械。自 20 世纪 60 年代开始，从国外引进液压元件生产技术，问时自行设计液压产品。我国生产的液压元件已形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的应用。目前，我国在消化、推广国外先进液压技术的同时，大力开展国产液压新产品的研制工作，并已取得一定成效。例如，已开发研制了中高压齿轮泵、插装式锥阀、电液比例阀、叠加阀以及新系列中、高压阀等。尽管如此，我国的液压元件和液压产品与国外先进的同类产品相比，在性能上，在种类、规格上仍存在着较大的差距。为了迅速赶超世界先进水平我国已瞄准世界发展主流的液压元件系列 型谱，有计划地引进、消化、吸收国外最先进的液压技术和产品，并对我国观正生产的液压产品进行整顿，合理调整产品结构，大力开展产品国产化工作。可以预见，我国的液压技术在 21 世纪必将获得更快的发展。 1.2液压技术的应用与特点 1.2.1液压技术的应用 液压技术是涉及液体流动和液体压力规律的科学技术。近几十年来，液压技术发展非常快，广泛应用于工业、农业和国防等各个部门。 液压传动主要应用如下： (1)一般工业用液压系统：坯料加工机械 (注塑机 )、压力机械 (锻压机 )、重型机械 (废钢压块机 )、机床 (全自动六角车床、平面磨 床 )等； (2)行走机械用液压系统：工程机械 (挖掘机 )、起重机械 (汽车吊 )、建筑机械 (打 桩机 )、农业机械 (联合收割机 )、汽车 (转向器、减振器 )等； nts 5 (3)钢铁工业用液压系统：冶金机械 (轧钢机 )、提升装置 (电极升降机 )、轧辊调 整装置等； (4)土木工程用液压系统：防洪闸门及堤坝装置 (浪潮防护挡板 )、河床升降装置、桥梁操纵机构和矿山机械 (凿岩机 )等： (5)发电厂用液压系统；涡轮机 (调速装置 )、核发电厂等； (6)特殊技术用液压系统：巨型天线控制装置、测量浮标、飞机起落架的收放装置及方向舵控制装置、升降旋转 舞台等； (7)船舶用液压系统：甲板起重机械 (绞车 )、船头门、舱壁阀、船尾推进器等； (8)军事工业用液压系统：火炮操纵装置、舰船减摇装置、飞行器仿真等。 上述的概略说明不包括所有应用的可能性。用液压系统传递动力、运动和控制的应用范围相当广泛，它在当今的各个领域中都占有一席之地。目前，液压传动技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低晚声、长寿命、高度集成化等方面都取得了很大的进展。同时，由丁它与微电子技术次紧密配合，能在尽可能小的空间内传送出尽可能人的功率并加以淮确地控制，从而更使得它在各行各业：中发挥出厂巨大作用。 在本设计中是将液压传动应用于舞台的升降中， 升降舞台液压系统是为某剧场配套而设计制造的。其升降功能由 4 根液压缸顶升叉架完成， 4 根液压缸的同步由带补正装置的同步回路完成。升降台是液压系统的重要应用领域，升降台液压系统也是比较成熟的技术。与机械传动相比，采用液压传动可以大大地减少换向冲击，降低能量消耗，井能缩短换向时间。采用液压传动方式可有效利用现场的有限空间，尽可能地减少传动装置的占地面积，可靠保证舞台平稳升降。 液压升降舞台具有升降平稳、噪音低、易于实现自动化控制、可实现升降台的无级调速。 nts 6 1.2.2液压传动的特点 液压传动由于有许多特点，才使得它被广泛地应用于各行行业之中 。 液压传动相对于其它传动有以下 些主要优点： (1)在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力。 也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构 紧凑，即：它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里等于工作压力； (2)按压装置容易做到对速度的无级凋节，而且调速范围大，并且对速度的调节还可以在工作过程中进行； (3)液压装置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向； (4)液压装置易于实现过载保护能实现自润滑，使用寿命长； (5)按压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气动控制结合起来，实现复杂的运动、操作。 (6)液压 元件易于实现系列化、标准化；和通用化，便于设计、制造和推广使用 当然， 压传动还存在以下一些明显缺点： (1)液压传动中的泄漏和液体的可压缩件，使这种传动无法保证严格的传动比； (2)液压传动有较多的能量损失 (泄漏损失、摩擦损失等 )，因此，传动效率相对低； (3)液压传动对油温的变化比较敏感不宜在较高或较低的温度下工作： (4)液压传动在出现 故障时不易找出原因。 1.2.3液压系统的组成 液压传动装置主要由以下五部分组成： 1)能源装置 把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液压泵，nts 7 它给液压系统提供压力油。 2)执行装置 把油液的液压能转换成机械能的装置。它可以是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 3)控制调节装置 对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节装置。例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系统。 4)辅助装置 上述三部分以外的其 它装置，例如油箱、滤油器、油管等。它们对保证系统正常工作也有重要作用。 5)工作介质：液压系统中用量最大的工作介质是液压油，通常指矿物油 nts 8 2 液压升降舞台结构分析与设计 2.1 升降舞台简介 舞台升降台是剧场演出过程中使用的一种重要设备，它主要用于载人或载景升降，要求运行平稳、噪声低、安全可靠。其台面尺寸一般为 16m 2m,升降行程一般为 7.5 3.5m，升降速度为 0.2m/s,承载能力应能满足剧场要求：静载荷 400kg/ ，动载荷 200kg/ 。 目前，国内外普遍采用的是滑动螺母丝 杠升降台。普通滑动螺母丝杠副的特点是可以按需要设计成自锁，这对载人升降台是一很好的优点，或者说是必须。但它在设计成自锁下机械效率很低，理论上可达到 40%，实际证明，由于加工精度、表面粗糙度、润滑条件、安装条件的限制，真正能达到的机械效率只有 20% 30%。而舞台升降台的载重较重，一般为 10 t 左右，加上升降速度较快，最高达 0.2m/s，这样势必要求所选电动机的功率较大，一般为 20 KW 以上，同时，由于舞台升降台一般要求变频调速，这样所选用的变频器的容量也就较大。功率（容量）增大，成本上升，尤其是变频器，随 容量的增大，成本急剧上升。为此，我们将金属切削机床上采用的滚柱螺母丝杠副用于舞台升降台的升降传动中。滚珠螺母丝杠副具有较高的传动效率，但它不能自锁，这对载人升降台不安全；而滚柱螺母丝杠副的传动效率高于普通滑动螺母丝杠副，且它能自锁，常用于垂直移动的传动，如平面磨床的磨头。 滚柱螺母丝杠副要求丝杠直径较粗，否则，丝杠螺纹与滚柱的环槽有可能发生干涉。这一要求在舞台升降台上是完全能满足的，因为由升降行程所决定的丝杠长度较长，一般为 5 7 m ，根据刚度要求，丝杠直径本身就要求较粗 。 nts 9 2.2 升降舞台投影图 图 2 1 升降舞台平面图 nts 10 2.3液压升降舞台的方案的确定 2.3.1 升降舞台液压系统 升降舞台液压系统是为 剧场配套而设计制造的。其升降功能由 4 根液压缸顶升叉架完成， 4 根液压缸的同步由带补正装置的同步回路完成。升降台是液压系统的重要应用领域，升降台液压系统也是比较成熟的技术，但此套大型系统与常规的小型升降台系统相比有其特殊性，不能简单套用，必须解决好以下问题： （ 1）保证动作平稳，舞台上载重量变化很大，且液压缸在升降过程中随叉架角度变化较大，因此液压缸负载变化较大，液压系统必须要能克服负载变化对速度产生 的影响，确保机构无冲击地平稳运行； （ 2）根据舞台承受的动静载荷、速度要求，经过计算，得出上升过程中液压缸无杆腔工作压力约为 1 3 MPa，单根液压缸理论流量为 32.7 39.5L/min； （ 3）下降过程主要靠自重，但必须加以控制，尤其是如此大型的设备，一旦失控极其危险。 2.3.2 常用升降机构比较 (1)液压升降台 采用液压技术，升降平稳、噪音低。 (2)垂直丝杠升降台 采用丝杠传动方式，实现双层台面的升降。根据需要可多块组成升降台群，能在行程范围内组成不同的 台阶，满足会议和演出的需要，是在舞台上搭设亭、台、楼、阁的理想道具。 (3)水平丝杠升降台 该结构的升降台具有土建量小、所需基坑浅、行程大，运行平稳，噪音低定位nts 11 准确、造价低等优点。采用水平丝杠传动，通过剪叉结构实现台面的升降运动，在行程范围内可任意停止。 (4)链条式升降台 有良好的导向机构，保证设备运行时无倾斜。 (5)齿轮齿条式升降台 传动精确，造价高。 (6)螺旋器升降台 具有普通升降台的全部功能，主要特点是设备占用基坑小，行程大。设备高度仅 200 一 500 mm 行程可达 14 m。当舞台建在 2 层以上的建筑物时因空间受到限制时尤为适合。 2.3.3 升降台机构形式 如图 1 所示，采用剪叉结构达到放大行程的效果，而且要求基坑较浅，从而可节约投资。液压缸左右对称布置，工作时总体水平方向所受合力为零 ;使得台面水平方向不发生运动，只是垂直方向的往复运动。上下方向设置有高低位行程开关，可保证升降高度。 nts 12 2.3.4 台面结构 如图 2 所示，该台面采用析架机构可满足整体刚度的要求，保证人踩上去不会产生晃动和脚底不实的感觉。当台面比较窄时，可并列设置 2 组彬架 ； 当台面比较宽的时候，要采用 多个并列 ； 一般情况下间距为 400 一 500 mm。 基于以上分析，本设计主要是对舞台升降技术中的 1 种形式的液压升降台进行设计。 nts 13 3 单层 升降舞台液压系统的设计计算 （左侧） 3.1单层升降舞台水平运动部分设计 3.1.1 确定液压系统的工作要求 总体要求： （ 1）要求单层升降台的伸出与缩回采用“快进 慢速接近 快退”的动作循环。 （ 2）严格保证多缸的动作同步。 （ 3）在单层和三层的下降回路中应保持平衡，使下降平稳。 （ 4）各动作顺序有相应的互锁关系，以保证 根据升降舞台的动作顺序确定该 系统的工作循环为：快速前进 工作进给 快速退回 原位停止。根据具体工作要求计算得出，快速进退时的速度约为4500mm/min(0.075m/s)。工作时的进给速度应为 20 120mm/min（ 0.0003 0.02m/s）范围内作无极调速运动部件的行程为 4000mm，其中工作行程为 3050mm。运动部件的自身重力为 0.6t，启动换向时间为 =0.05s，采用水平放置的平行导轨静摩擦系数 sf=0.2，动摩擦系数为df=0.1。 3.1.2 分析液压系统的工况 计算液压缸在工作行程各阶段的负载 启动加速阶段： F （fF+dF)/mnts 14 m)( s GV gtf 6 0 0 0 . 0 7 5( 0 . 2 5 8 8 0 )0 . 0 5 2 0 . 9 2306.67 N 工进阶段： 0 . 1 5 8 8 0= =0 . 9 2f dmmGF fF 653.3 N 快进或快退阶段： 0 . 1 5 8 8 0= =0 . 9 2f dmmGF fF 653.3N 将液压缸在各阶段的速度与负载值列于表一中 表 3 2 液压缸在各阶段的速度与负载 阶 段 速度 v/(m/s) 负载 F/N 启 动 加 速 0.075 2306.67 工 进 0.00030.002 6553.3 快 进 快 退 0.075 6553.3 3.2单层升降舞台垂直部分的设计 3.2.1 确定液压系统的工作要求 根据工作要求，确定该系统的工作循环为工进工退原位停止。根据具体加工要求就计算得出：工作进给时的速度应在 20 120mm/min(0.00030.002m/s)范围内作无极调速，运动部件的最大行程为 3m，其中工作行程为 2m。运动部件 的自身 重为 0.6t，启动换向时间为 t=0.05t=0.05。系统竖直放置的垂直导轨的静摩擦系数 nts 15 sf=0.2，动摩擦系数为df=0.1。 3.2.2 分析液压系统的工况 工进阶段： F=wmF =58800.9 =6553.3N 工退阶段： F=wmF =6553.3N 表 3-3 液压系统在各阶段的速度和负载 阶段 速度 v/(m/s) 负载 F/N 工进 0.0003 0.002 6553.3 工退 0.0003 0.002 6553.3 3.3确定液压缸的主要参数 1.初选液压缸的工作压力 根据计算得出各阶段负载值的最大值，曲液压缸的工作压力为 0.3MPa。 2.确定液压缸的主要结构参数 最大负载启动加速阶段负载： 2306.67F N，求得 64 2 3 0 6 . 6 74 0 . 0 9 8 9 73 . 1 4 0 . 310FD m 根据液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值，取 100D mm。 为实现快进与快退速度相同，采用差动连接。则 0.7dD ，所以 0 .7 1 0 0 7 0d mm nts 16 查得 70d mm ，符合活塞杆标准直径系列，由 100D mm, 70d mm。算 出液压缸无杆腔有效工作面积为1A 78.5cm2 ，有杆腔有效工作面积为2A 40.1 2cm工作进给采用调速阀调速，调速阀最小稳定流量minQ 0.05 minL，工进 速度 minV 20 minmm则 m i nm i n50 252Q V 2cm m ax1 gF A J + 2c P + 1P nts 25 =150000.0198 +0.004 610 =24.35 610 Pa=24.35MPa 单向顺序阀调节压力为： P2GA - 2P =150000.0198 -4000=0.75 610 Pa=0.75MPa 3.6.2 系统发热及温升计算 1）发热量估算 从整个工作循环看，功率变化较大，计算平均发热量。从速度循环图可近 似计算各阶段的时间： 快速下降 1t11sv 18023 =7.85s； 慢速折弯 启动时 初压 2t=22sv 1512 =1.25s 终压 3t=222sv =2512 =0.83s 快速退回 4t33200 53s v =3.77s 循环周期 T=1t+2t+3t+4t=7.85+1.25+0.83+3.77 =13.7s 从功率循环图可求出各阶段液压缸的输出功率。但应扣除液压缸的机械效率因 素的影响，因功率循环图是液压缸的输入功率的变化规律。 nts 26 快速下降 1oP0 慢速 ， 初压 2oP g( 0 .6 6 + 0 ) J 2 = ( 0 .6 6 + 0 ) 0 .9 1 2 =0.3kW 终压 该段较复杂，可从速度，负载循环图来 求均值： 3oP=Fv =（ 1000000+510000)（ 0.012 0） 22 =3150w=3.15kw 快速退回4oP0.87gJ =0.870.91=0.79kW 从压力，流量循环图求各阶段液压泵输入流量。 快速下降 ：1bQk1Q=1.162=68.2L/min=1137cm2/s 1bP =p + 1P =0+0.142=0.14MPa (近似用快退工况压力损失数据） 1EP =1 1b bbQ P =1 1 3 7 0 .1 4 0 .8 5 =187W 慢速折弯，初压 2bQ=k2Q=1.132.5=35.75L/min=596cm2/s 2bP =1(1 . 2 2 0 ) 2 P =0.61+0.04=0.65MPa 2EP = 22 bbbQ P = 5 9 6 0 .6 5 0 .8 5 =456W 终压 3bQ= ( 3 20)k Q nts 27 =1 .1 ( 3 2 .5 0 ) 2=17.88L/min=298cm2/s 3bP = ( 2 4 . 3 1 . 2 2 ) 12 P =12.76+0.03=12.8MPa 3EP = 33 2 9 8 1 2 . 80 . 8 5bb bQ P =4488W 快速退回 ： 4bP = 1p P =0.83+0.142=0.97MPa 3bQ=k3Q=1.162.9=62.19L/min=1153cm2/s 4EP = 34 1 1 5 3 0 . 9 70 . 8 5bb bQ P =1316W 系统的发热量为： H=( 1EP -1oP) 1t +( 2EP -2oP) 2t +( 3EP -3oP) 3t +( 4EP -4oP) 4t /T =(0.187-0)7.85+(0.456-0.3)1.25+(4.488-3.15)0.83 +(1.316-0.79)3.77 /13.7 =0.347kW 2）系统热平衡温度计算 设油箱边长比为 1： 1： 1 1： 2： 3 范围，油箱散热面积为 A=0.065V=0.065378=3.4m2 假定自然通风不好，取油箱散热系数为 tC=0.008Kw/m2 室内环境温度为 30 摄氏度，系统热平衡温度为 nts 28 2t=1t+t ACH =30+ 0 . 3 4 7 8 3 . 4 0 . 0 0 1=43 满足2tt=50,油箱容量合适。 nts 29 4 升降舞台 三层 液压系统的设计计算 4.1确定液压系统的工作要求 根据工作要求，确定该系统的工作循环为工进工退原位停止。根据具体加工要求就计算得出：工作进给时的速度应在 20 120mm/min(0.00030.002m/s)范围内作无极调速，运动部件的最大行程为 3m，其中工作行程为 2m。运动部件的自 重 为 0.6t，启动换向时间为 t =0.05 t =0.05。系统竖直放置的垂直导轨的静摩擦系数 sf=0.2，动摩擦系数为df=0.1。 4.2 分析液压系统的工况 工进阶段： F=wmF =58800.9 =6553.3N 工退阶段： F=wmF =6553.3N 表 4-1 液压系统在各阶段的速度和负载 阶段 速度 v/(m/s) 负载 F/N 工进 0.0003 0.002 6553.3 工退 0.0003 0.002 6553.3 4.3确定液压缸的主要参数 1.初选液压缸的工作压力 根据计算得出各阶段负载值的最大值，并参照同类升降舞台取液压缸工作压力nts 30 为 0.7MPa。 2.确定液压缸的主要结构参数 最大负载为工进阶段负载 F=6553.3N，求得 D=4Fp=64 6 5 5 3 . 3 2 3 . 1 4 0 . 7 10 =0.11m=110mm 根据液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值，取 D=110mm。 为规定工进与工退速度相同采用差动连接，则 d=0.7D，所以 d=0.7110=77mm 根据液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值。 取 d=80mm。 由 D=110mm d=80mm 算出液压缸无杆腔有效工作面积为 1A 2r = 240 =50.24cm2 工作进给采用调速阀调速，查产品样本调速阀的最小稳定流量minQ=0.05L/min 工进速度minV=20mm/min ，则 maxminQ Q =500.2 =25cm21P+ 1P+ eP=3.75+0.5 2(0.5 )80+0.5+0.5 =4.75MPa 3）快退 进油路压力总损失为： nts 36 1vP=0.2 2(22 )63 +0.5 2(2 7 .1 )80=0.082MPa 回油路总压力损失为： 2vP=0.2 2(5 7 .5 1 )80+0.5 2(5 7 .5 1 )80+0.2 2(5 7 .5 1 )63=0.592MPa 则快退阶段，液压泵的工作压力 Pp 为 pP=1P+1vP=(1.5+0.082)=1.582MPa 2 温升验算 以工进时的消耗功率计算 温升。 工进时，液压缸的有效功率为 ： 2e FVP = 3 1 4 8 4 0 . 0 5 3 6 0 1 0 0 0 =0.0278kW 发热功率 为： PeP PP =0.556-0.0278=0.529kW 油箱散热面积 A=6.5V=2.85m2 温升 ： PT KA = 0 . 5 2 9 1 0 0 0 9 2 . 5 8 =22.8 式中，取散热系数 9w(m 2 K )K 。 温升在允许的范围内，可不设冷却装置。 nts 37 升降舞台总体液压系统原理图 nts 38 5 液压系统 的设计与分析 拟定液压系统原理图是整个液压系统设计中最重要的一环节，它的好坏从根本上影响整个液压系统。因此本次设计中对有些回路考虑了多个方案并进行了分析比较。 5.1液压回路的选择 5.1.1 确定供油方式 根据前几节的工况分析，在本设计中选用限压式变量叶片泵和蓄能器联合供油的方式，蓄能器在系统中作为应急能源，限压式变量叶片泵可根据系统的负载变化自动调节输出流量具 有降低能源消耗、限制油液温升的特点，还具有自吸能力好、输出压力脉动小、对污染敏感度小、噪声低，但粘度对效率的影响较大结构复杂、功率损失大、价格较贵。 5.1.2 确定调速方法 调速方法有节流调速、容积调速和联合调速。在本设计中选用选用限压式变量叶片泵和调速阀组成的容积节流调速回路，容积节流调速回路由变量泵供油，用流量阀改变进入液压缸的流量，以实现工作速度的调节，这时泵的供油量自动与液压缸所需的流量相所适应。这种回路的特点是效率高、发热小（比节流调速）速度稳定性（比容积调速回路）好。常用于调速范围大的中、小功 率场合。 5.1.3 速度换接回路的选择 速度换接回路的形式常用行程阀或电磁阀来实现。行程阀具有换接平稳、工作nts 39 可靠、换接位置精度高，电磁阀具有结构简单、控制灵活、调整方便。在本设计中的快进回路与慢速接近回路的换接是采用了由行程开关控制的电磁换向阀，具有换接位置精度高、换接灵活的优点。 5.1.4 换向回路的选择 根据执行元件对换向性能的要求选择换向阀机能和控制方式。在本设计中多采用电磁换向阀实现回路的换向，它具有操作方便、便于布置、低速换向的特点，在泵的卸荷回路中采用了手动换向阀。 5.1.5压力控制回路的选择 本设计中采用了容积节流调速，常用溢流阀组成限压、安全、保护回路。 5.1.6 其他回路的分析与选择 根据升降舞台的要求，本设计中选用了多缸同步回路、顺序动作回路、平衡回路、琐紧回路和卸荷回路等。在选择中对同步回路和顺序动作回路做了详细的分析。 （ 1）多缸同步回路： 同步回路是保持两个或两个以上的液压缸在运动中保持相同的位移或相同的速度，常用的有：（ a）带补偿措施的串联液压缸同步回路；（ b）调速阀控制的同步回路，；（ c）机械连接同步回路，。 （ a）带补偿措施的串联液压缸同步回路 在这个回路中液压缸 1 的 有杆腔面积与液压缸 2 的无杆腔面积相等便可以实现两液压缸的升降同步。为了保证严格同步，采用取补偿措施以避免误差的累积，在每一次下行运动中能消除同步误差。其原理为：当换向阀 1左位工作时，两缸下行，若缸 2 的活塞先运动到底，它就触动行程开关 a 使电磁铁 3YA 通电，压力油经阀 2nts 40 的左位向缸一的有杆腔补油，推动活塞继续运动到底，误差即被消除；若缸一先运动到底则触动行程开关 b 使电磁铁 4YA 通电，压力油经阀二的右位，控制压力油使液控单向阀 3 打开，缸 2 无杆腔的油液经液控单向阀 3 和阀 2 回油箱，使活塞继续运行到底。这种串联式的同步回 路只适用于负载较小的液压系统，能保证严格同的步。 (b) 调速阀控制的同步回路 在这个回路中， 两个调速阀分别调节两液压缸活塞的运动速度，仔细调整两个调速阀的开口可使两液压缸在同一个方向上实现速度同步。这种同步回路的结构简单并且速度可调，但是由于油温变化及调速阀性能差异等影响，显然这种回路不易保证位置同步，且调整麻烦，速度同步精度也比较低，一般在 5% 7%左右。 (c) 机械连接同步回路 其特点是：回路结构简单、工作可靠，但只适用于两缸载荷相差不大的场合，连接应具有良好的导向结构和刚性，否则，回出现卡死现 象。 根据以上分析，在本设计中对同步精度要求较高，所以选用 a方案。 (2) 顺序动作回路： 常用的顺序动作回路可分为压力控制、行程控制和时间控制三类，其中前两类应用的较多。 （ a） 压力控制的顺序动作回路： 压力控制就是利用液压系统工作过程中的压力变化来使执行件按顺序先后动作，这是液压独具的控制特性。压力控制的顺序动作回路一般用顺序阀或压力继电器来实现。在本设计中采用的顺序阀控制的顺序动作回路，其优点在于动作灵敏安装连接方便。 (b) 用行程控制的顺序动作回路 行程控制就是利用执行元件运动到一定位置时发出控 制信号，使下一个执行元件开始动作。行程控制可利用行程阀和行程开关来实现。利用行程阀实现的顺序动nts 41 作回路可靠，但动作顺序一旦确定再改变就困难，且管道长、布置麻烦。 5.1.7 舞台升降液压系统工作原理 该系统采用变量叶片泵和蓄能器联合供油的方式，液压泵为限压式变量叶片泵，最高工作压力为 6.3aMP。溢流阀 4 作安全阀用，其调整压力为 7aMP。手动换向阀5 用于卸荷，过滤器 6 的过滤精度为 10 m ，用于回油过滤，当回油压力超过 0.3aMP时系统报警，此时应更换过滤器的滤芯。 5.1.8 液压系统组成及工作原理 舞台升降：油泵电机启动后，双联油泵 1 开始工作，但大流量泵和小流量泵均处于卸荷状态。舞台上升时，电磁铁 YA6 得电，升降回路升压，大流量泵输出的液压油分别通过换向阀 48 再经四个液控单向阀 1215 进入四个液压缸无杆腔，产生推力，克服舞台重量和导轨副摩擦推动舞台上升。因液压缸尺寸较大，舞台上升速度较慢（设计上升速度为 0.02m/s），为减少液压元件的数量，保障系统的可靠性，不设置调速元件而采取由油泵和液压缸尺寸予以直接保证的设计方案；当舞台停止上升或到达最大行程时，电磁铁 YA6 失电，换向阀 25 处于左位，主回路卸压。由于液控单向阀 1215 锁死，舞台停止在锁死位置；舞台下降时，电磁铁 YA5、 YA6得电，系统控制回路升压，高压油进入液控单向阀 1215 的先导控制阀，将液控单向阀打开，同时 YA1 YA4 得电，换向阀 4 7 接油箱，舞台依靠自重下降。下降速度可由调速阀 1215 调定。同步控制：本系统四条同步支路所选用的元件型号相同、各支路输 入流量相同，可以较好的保证四个伸缩式油缸的同步上升、同步下降。 平衡控制：为使四个液压缸产生相同的推力，系统中采用四个单向阀 1619 将四条支路隔离开，然后用一个溢流阀 20 进行压力控制，保证各支路设定压力相同。 舞台 伸缩 ：考虑到施工现场场地有限，为节约空间，提高效率，本设计中采用nts 42 了双联式油泵。大流量泵用于驱动舞台升降，小流量泵用于驱动液压马达带动舞台伸缩 。两种运动可以独立控制，互不干涉。油泵启动时，通过换向阀 27 卸压；需要控制舞台 外伸 时，电磁铁 YA9、 YA7 得电，换向阀 24 处于左位。高压油经 阀 24 进入液压马达驱动其 伸缩 ，通过马达输出轴齿轮与齿圈传递舞台以驱动力矩。若 YA9、YA7 得电，则马达驱动舞台反转。单向阀 22、 23 和溢流阀 26 组成液压马达过载保护回路。 5.2 液压元件的选择 5.2.1 液压泵的选择 根据前三节对液压系统的工况分析来确定泵的最高工作压力和最大供油量： （ 1）液压泵的最高工作压力： pP maxP PV =（ 3.6 0.6） =4.2 aMp （ 2）液压泵的最大供油量： 取 K=1.1 则：pq=1.1mq=1.1 39.1=43 /minL 查液压元件产品样本手册，选用 YBX-40B 型限压式变量叶片泵，其技术参数为： 6.3 an MPP 5 8 / m inn Lq 1 4 5 0 / m i nn rn 驱动功率： P=9.8 KW （ 3）确定电动机功率： 限压式变量叶片泵的驱动功率可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。一般情况下可取 ：P=0.8maxpP，VP VNqq 。 则： m ax0 .8 ppPPnts 43 式中 ：p 液压泵的总效率，查表取p=0.7 maxpP 液压泵的最大工作压力（ aP ） VNq 液压泵的额定流量（ 3/sm ） 所以： 630 . 8 4 . 2 1 0 0 . 9 7 1 00 . 7P =4.7 （ KW） 查手册选择 Y 系列三相异步电动机， Y132M 4型，额定功率 nP =7.5 KW 同步转速 1 5 0 0 / m innr 。 5.2.2 液压阀的选择 根据液压系统原理图计算液压阀在不同工况时的工作压力和最大实际流量，将计算值填入表 5 1、 5 2、 5 3中，最后确定液压阀规格。 表 5 1 液压元件明细表（单层舞台的伸缩回路） 序号 名 称 型 号 规 格 实 际 流 量 / L 1min nP nq pV快进 慢速接近 快退 aMp /minL aMp 1 限压式变量叶片泵 YBX-40B 6.3 91.4 16.5 0.20.3 16 2 单向阀 AF2-Fa10B 6.3 100 0.2 16.5 0.23.2 16 3 单向节流阀 MK10G12 6.3 50 nts 44 4 溢流阀 YF3-10L 4 63 5 手动换向阀 22S-H10B 31.5 100 6 过滤器 RS60100A10CF 1 0.2 7 手动换向阀 22S-H10B 31.5 100 8 三位四通电磁换向阀 34DF3O16B-A 6.3 80 0.2 16.5 0.23.2 16 9 三位四通电磁换向阀 34DF3M16B-A 6.3 25 0.2 16.5 0.23.2 16 10 单向调速阀 QA-F10D-U 6.3 40 0.2 16.5 0.23.2 16 11 两位三通电磁换向阀 23DF3-6B2A 6.3 25 0.2 16.5 0.23.2 16 12 三位四通电磁换向阀 34DF3O6B-A 6.3 25 0.2 13 液控单向阀 YAF3-a10B 6.3 40 0.2 14 压力继电器 ST-02-B-20 0.77 表 5 2液压元件明细表（单层舞台的升降回路） nts 45 序号 名 称 型 号 规 格 实际流量 / L 1min nP nq pV上 升 下 降 aMp /minL aMp 15 三位四通电磁换向阀 34DF3M10B-A 6.3 40 0.2 25 18.8 16 单向顺序阀（作 背压） AXF3-10B 0.56.3 63 背压时 0.3 25 18.8 17 三位四通电磁换向阀 34DF3O6B-A 6.3 25 0.2 18 液控单向阀 YAF3-a10B 6.3 40 0.2 19 调速阀 Q-8H 6.3 25 2.5 0.3 25 18.8 20 三位四通电磁换向阀 34DF3O6B-A 6.3 25 0.2 21 液控单向阀 YAF3-a10B 6.3 40 0.2 22 三位四通电磁换向阀 34DF3O6B-A 6.3 25 0.2 23 液控单向阀 YAF3-a10B 6.3 40 0.2 24 压力继电器 ST-02-B-20 0.77 nts 46 表 5 3液压元件明细表（三层舞台的升降回路） 序号 名 称 型 号 规 格 实际流量 / L 1min nP nq pV上 升 下 降 aMp /minL aMp 25 三位四通电磁换向阀 34DF3O16B-A 6.3 100 0.2 80 70 26 单向顺序阀（作 背压） AXF3-10B 0.56.3 63 背压时 0.3 39 31 27、 31、33、 57、42、 40、 三位四通电磁换向阀 34DF3O6B-A 6.3 25 0.2 28、 32、34、 38、43、 41 液控单向阀 YAF3-a10B 6.3 40 0.2 30、 44 调速阀 Q-H20 6.3 100 10 0.3 39 31 35、 47、48、 45 压力继电器 ST-02-B-20 0.77 36 单向顺序阀 AXF3-10B 0.56.3 63 进油时 0.2 39 31 39 单向顺序阀（作 背压） AXF3-10B 0.56.3 63 背压时 0.2 39 31 nts 47 5.2.3 蓄能器的选择 根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。 （ 1）在本设计中蓄能器用来作应急能源，其有效工作容积为： V = 631 7 8 5 0 1 0 1 . 7 1 1 . 2 0 . 0 1 6L K mA 式中：1A 液压缸有效工作面积（） 621 7 8 5 0 1 0 mA L 液压缸的行程（ m ） L =1.17m K 油液损失系数，一般取 K =1.2 （ 2）气囊式蓄能器总容积的0V（ 3m ）的计算： 按等温过程计算： 0120 . 1 6 4 4 . 41 1 1 1( ) 0 . 7 ( )1 2 . 0 6V LP PPV V 式中： P 充气压力（绝对压力） （ aP ） 1P 最低工作压力， 1 1 aMPP 2P 最高工作压力， 2 2 .0 6 aMPP Vv 有效工作容积 查产品样本手册，选用 NXQ1-63/10 型，公称容积 63 L，公称压力 10aP MP。 5.2.4 其它辅助元件的确定 （ 1）油管：取 4/V m s nts 48 34 4 8 0 1 0 2 0 . 64 6 0q mmvd 式中： q 管道中最大流量， 查手册，根据 GB/T3683-1992，采用 1 型公称直径为 22 的一层钢丝编织 的液压橡胶软管。 （ 2） 过滤器： 吸油过滤器：查产品样本手册采用 WU 100 80型，额定压力为： 1.6 aMP ， 流量： 100L/min， 过滤精度 80 m 。 回油过滤器：查产品样本手册采用 RS60 100A10CF， 额定压力为： 1.0 aMP ，报警压力 0.25 aMP ，过滤精度 10 m 。 （ 3）油箱容积的确定： V=（ 5 7）pq=（ 5 7） 58 L=（ 290 406） L 式中：pq 泵的额定排量。 5.3 液压系统的验算 液压系统初步设计是在某些估计参数的情况下进行的，当回路形式、液压系统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。 5.3.1 判断流动状态 在单层舞台伸缩回路中，油管长度为 2 m 公称直径为 22 的一层钢丝编织的 液压橡胶软管，选用 L-HM46 液压油，按 40oC 时计算。 nts 49 364 2 2 1 0 1 9 1 3 2 0 0 04 6 1 0eevdRR 临流动状态为层流。 5.3.2 压力损失 沿程压力损失 ： 4128 qlP d V 局部压力损失 ： 1 0.1ppVV根据分析 1ppVV与 较小，不作详细计算。 5.3.3 局部压力损失（油液流经阀的损失） 按 22 nqqppVV计算或直接查产品得到。 5.4 压力阀的调整压力及各压力继电器的调定值： 1、 在单层舞台升降中顺序阀 16起背压作用，其设定值为 1 aMP 2、 顺序阀 29 和 39 起背压作用，设定值为： 3 aMP 3、 顺序阀 36 控制三层舞台的顺序动作，设定值为： 1 aMP 4、 溢流阀 4 作安全阀用，调整压力为： 7 aMP 5、 各压力继电器的调定值为： 压力继电器 14： 3.6 aMP 24： 1 aMP nts 50 45， 35： 2.5 aMP 47， 48： 1.5 aMP 6： 0.3 aMP nts 51 6 升降舞台液压系统的安装调试、使用与维护 6.1液压系统的安装 安装的基本要求： 1)方便安装及检查，便于维修或替换。 2）抑制环境噪声。（要对液压泵和液压马达采取隔振措施，在阻振器上以及所有运动 /振动部件和刚性零件上使用软管，都可抑制噪声。 3)遵循油管 、软管和接头的手册说明。 4）焊接的或热弯的油管必须彻底清洗。用线刷或用油泽冲洗。 6.1.1 系统安装前注意事项 1）便于马达或电动机执行工作。 2）安装场所应该在灰尘小，通风条件好，受其他机器工作影响小的地方。 3）过滤器
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