垃圾压缩中转站-液压系统设计

液压传动课程设计设计目的：液压系统的设计是整机设计的重要组成部分,主要任务是综合运用液压与气压传动中所学的各项基础知识，通过查阅资料，小组研究的形式进行液压系统设计。,学习液压系统的设计步骤、内容和方法。通过学习，能根据工作要求确定液压系统的主要参数、系统原理图，能进行必要的设计计算，合理地选择和确定液压元件，对所设计的液压系统性能进行校验算，为进一步进行液压系统结构设计打下基础。本次液压传动课程设计的题目是垃圾压缩中转站-液压系统设计。设计成果在生产生活中有着一定的应用价值，既贴合实际，又锻炼了创新能力。设计步骤和内容：液压系统的设计步骤和内容大致如下：(1)明确设计要求，进行工况分析；(2)确定液压系统的主要性能参数；(3)拟订液压系统原理图；(4)计算和选择液压元件；(5)验算液压系统的性能；(6)液压缸设计；(7)绘制工作图，编写技术文件，并提出电气控制系统的设计任务书。机构概况该装置由垃圾集装箱、举升机构、旋转机构和压缩机构四部分组成。平常，包括垃圾集装箱在内的整个装置置于地下，吊板盖于其上，垃圾由自动封闭门进入。当垃圾装满后，由压缩机构予以压缩，然后再装料最后由举升机构将吊在吊板上的垃圾箱升起，并通过旋转机构使其达到适当位置后，封闭式装车外运。主要结构垃圾压缩集运设备由横向压缩系统、垂直升降、机架、污水排放装置、压缩块装载箱、液压站电控系统和机器状态显示及故障报警系统组成。工作循环概况描述横向压缩系统将装入垃圾成形模中的疏松物料压缩成密实的块状物料以便运出。垂直升降系统将装满压成块状垃圾的压缩块装载箱抬起，进而送入运输车内外运。压缩块装载箱贮装散料垃圾以备压缩成块。污水排放装置将压出的污水滤除排放。装载箱托架将装载箱托起。液压站为整个装置提供动力。电控系统控制设备运行工艺过程。机械状态显示和报警系统能清晰的反映设备运行状态，保障设备运行安全可靠。操作工艺过程结构草图如下：如草图示意，首先垂直升降系统(1)将垃圾箱送入垃圾压缩装置(4) 内。当散状垃圾装满箱体后，横向压缩系统(3)压下并反复几次，将垃圾压成块状，压下的污水由污水滤孔排出。此时由控制系统将压缩板拉回原处，以便继续装入垃圾；待到箱内装满垃圾后，由垂直升降系统(1)将垃圾箱抬出压缩装置(4) ，经转向系统(2)转至适当位置放入转运车，挂钩 (5)脱离，再勾住新的垃圾箱放入压缩装置(4) 内。整个过程自动化程度高，设备的运行状态通过显示器一目了然。当机器运行出现故障时自动报警。设备运行安全可靠。主要技术参数1.垃圾箱容积： 10m32.升 降 高 度 ： 3.2m3.上 升 速 度： 0.017m/min4.下 降 速 度： 0.034m/min5.压 头 快 进 速 度： 2.5m/min6.压 头 压 实 速 度： 0.5m/min7.压 头 快 退 速 度： 4.0m/min8.主 电 机 功 率：4.0KW9.旋 转 电 机 功 率： 1.1KW10.液压系统工作压力： 10MPa11.整 机 重 量 ： 6000kg12.驱 动 方 式 ： 电机驱动一液压系统主要性能参数的确定这里，液压系统的主要性能参数是指液压执行元件的工作压力 p 和最大流量，它们均与执行元件的结构参数（即液压缸的有效工作面积或液压马达的排量）有关。液压执行元件的工作压力和最大流量是计算与选择液压元件、原动机（电机） ，进行液压系统设计的主要依据。液压执行元件工作压力的确定液压执行元件的工作压力是指液压执行元件的输入压力。在确定液压执行元件的结构尺寸时，一般要先选择好液压执行元件的工作压力。工作压力选得低，执行元件的尺寸则大，整个液压系统所需的流量和结构尺寸也会变大，但液压元件的制造精度、密封要求与维护要求将会降低。压力选得愈高，结果则相反。因此执行元件的工作压力的选取将直接关系到液压系统的结构大小、成本高低和使用可靠性等多方面的因素。也可根据设备的类型参考表 4 选取。表 4 常用液压设备工作压力机床设备类型磨床车、铣、刨床组合机床 拉床龙门刨床农业机械小型工程机械液压机挖掘机重型机械启重机械工作压力 / MPa 0 82 24 35 7 d=0.7D式中 Qvmin 可由阀的产品样本中查得。若经验算 D、d 不满足式（9-11） ，则需重新修改计算 D、d、A1、A2 ，直至满足式（ 11）为止，才算最后确定液压缸的有效工作面积。液压缸的结构强度计算和稳定校验(1)缸壁强度校核若壁厚，其中得可按薄壁公式校验其强度，即 式中：P max缸筒内最高工作压力，为 15MPa；缸筒材料许用应力；，为材料抗拉强度。由缸筒材料为 45 号钢，查得N 为安全系数，一般取带入数据，得符合条件。圆整取壁厚（2）活塞杆强度及液压稳定性的计算a.活塞杆强度活塞杆强度可由下列推出R工作负荷 查表可知 45#钢的抗拉强度所以活塞杆强度合格。单杆双作用液压缸往复运动的速度比为: 活塞杆上升的速度 1.02 一一活塞杆下降的速度 2.04稳定性计算一般，短行程液压缸在轴向力作用下仍能保持原有的直线状态下的平衡，故可视为单纯受压或受拉直杆。但实际上液压缸是缸体、活塞和活塞杆的组合体。在由于几活塞和缸体之间以及活塞杆与导向之间均有配合间隙，加之缸的自重及负载偏心等原因均可产生纵向弯曲。所以受压时载荷似于压杆。当活寨行程较大比值时，活塞杆承受的压力超过一定数值时液压缸将出现纵向弯曲，由此在确定活塞杆直径时除要满足强度外还将根据液压缸支撑形式进行足够验算。式中：液压缸的最大推力，液压缸稳定临界力稳定安全系数，一般取液压缸稳定临界力的值与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度及其两端支承情况等因素有关，当时，可由欧拉公式计算:式中活塞杆的柔性系数不同支撑形式的液压变换成两端饺支压杆时的长度折算系数，查手册可知活塞杆计算长度，其值与活塞行程和液压缸的支撑形式有关。即液压缸安装长度（）活塞杆材料的纵向弹性模数，对于钢材 E.* 活塞断面的最小惯性矩一活塞杆断面的回转半径， ，其中为断面面积对于断面实心杆，式中：大柔度杆的最小极限柔度、即临界力相当于材料比例极限时的柔度，其值为其中为比例极限，号钢的值为时时属于柔度杆，可按雅辛斯基公式计算式中：柔度系数，查表A活塞杆断面面积，与活塞杆的材料有关的系数查表。即取，安全系数计算得压头液压系统执行元件的主要结构参数()缸筒内径 D 的确定对于双作用单活塞杆液压缸，当活塞杆是以推力驱动工作负载时，既压力油输无杆腔时，工作负载 R 为:F活塞杆的最大推力机械效率，考虑密封件的摩擦阻力工作压力，一般情况下去系统的调定压力回油被压，若回油直接接通油箱，可取舌塞杆直径当活塞杆是以拉力驱动工作负载时，则压力油输入有杆腔对于双作用活塞缸，钢筒内径应取计算结果的较大值，由于钢筒一般由无缝钢管制成，计算出的数据需要按文献圆整为标准内径.活塞杆直径 d 的推荐值:当活塞受拉时，当活塞受压时缸筒内径按 GB2348 一 80，选择取活塞杆直径 d 按 GB2348 选抒所以活塞的面积而活塞杆的面积(2)缸筒壁厚验算及强度校核:缸筒选用 45 号缸，当壁厚时河用下式校验:缸筒材料许用应力材料抗拉强度安全系数缸简外径的确定缸底厚度计算：缸底内径一缸底材料的许用应根据强度取一液压缸最工作压力。单杆双作用液压缸往复运动的速度比为:活塞杆受压的速度活塞杆受拉的速身活塞杆强度及压杆稳定性计算活塞杆强度可由下式求出: 活塞杆强度合格(3)活寨杆稳定性计算活寨杆全部伸出时的尺寸 L当活塞杆的长径比 l/d10 时，对于压杆必须考虑其稳定性:。式中：液压缸的最大推力液压缸稳定临界力稳定安全系数，一般取当活塞杆的柔度(或细长比)即为大柔度杆，活塞杆的临界力可由欧拉公式计算:式中：大柔度杆的最小极限柔度、即临界力相当于材料比例极限时的柔度，其值为其中为比例极限，号钢的值为活塞杆材料的纵向弹性模数，对于钢材 E.* 活塞断面的最小惯性矩一活塞杆断面的回转半径，活寨杆横截面积活塞杆最大安装长度，其值与活塞行程和液压缸的支撑形式有关。不同支撑形式的液压变换成两端饺支压杆时的长度折算系数，查手册可知计算可得：即取，安全系数计算得活塞杆稳定性合格。实际工作参数确定经过上面对液压系统的初步计算，则液压系统的实际工作压力如下表所示实际所需流量计算值如下表工况 执行元件名称 工作压力（MPa）压头压实 10压头快进 8压头快退 压实缸 8系统升起 10系统下降 升降液压缸 8输入的功率如下表工况 执行元件名称 工作压力 （MPa）输入流量 （L/min）输入功率 (K W)压头压实 10 40 53.6压头快进 8 201 13.3压头快退压实缸8 196 52.3系统升起 8 74 19.7系统下降升降液压缸8 73 19.5绘制工况图如下图 3 一 1工况 执行元件名称 运动速度（m/min）结构参数 （mm 2）流量 （L/min）压头压实 0.5 20096 40压头快进 2.5 20096 201压头快退 压实缸 4 10603 196系统升起 1.02 15394 74系统下降 升降液压缸 2.04 7540 73二、拟订液压系统原理图确定液压执行元件的类型.主机运动部件的运动为直线往复运动固选为液压缸.,但由于行程比较长所以采用柱塞式液压缸.制定液压系统方案制定调速方案液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是核心问题。DLZ式固态垃圾压实机主要由两个执行元件组成:压实缸和升降缸。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。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对于于高压流量的液压系统，多采用插装阀一于先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的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流调速、容积调速以及二者结合即容积节流流调速。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速。此种调速方式结构简单，但这种系统必须用溢流阀，所以效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量米达到调速目的的。其优点是没有溢流损失和节流损失，效率高。由于为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运转速度高的液压系统。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁油节流三种形式。进油节流启动冲击较小，回油节流常用在有负载的场合，旁油节流多用于高速。调速回路一确定，回路的循环形式也就随之确定了。节流调速一般开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，在排回油箱，开式回路结构简单一，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。综上所述，再结合垃圾压实机的工作特点:一要求功率比较大，对执行元件的执行精度一要求不是很高，只要求性能稳定，维修周期长，经济费用低。工作环境:在垃圾中转站中环境差，固体体颗粒物多，湿度大，极易受到污染。所以选取节流进油调速，开式系统，变量泵供油。制定压力控制方案液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定爪力范围工作，也需要多级或无极连续的调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用安全阀起安全保护作用。DLZ 式垃圾压实机在泵的出油日采用电磁溢流阀调节出口压力，考虑到泵的卸载时间短，所以选抒断电卸载。在泵的出油口装单向阀，在压实缸有杆腔回路上采用平衡阀，其功用是在执行元件的回油管路中建立背压，防止因重力是压头下落。在推缸的有杆和无杆回路上装单向节流间来分别控制推头快退和顶推时所需要的压力。制定顺序方案本液压系统，要求器不工作时，处于保压状态，所以采用 O 型中位机能的电磁换向阀。液压泵无载启动，经过一段时间，泵正常运转。延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立正常的工作压力。然后通过电磁换向阀。例如，当执行完压实的预定动作后，回路中的压力到达一定的数值后，通过压力继电器发出电信号，是电磁换向阀换向，是油液进入压缸的有压杆腔，使压头后退。选择液压动力源液压系统的工作介质完全用液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般使用定量泵，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多于的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对于工作循环各阶段中系统所需油量相对较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对于所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有过滤器，进入系统的油液根本被保护元件的要求，通过相应的精过滤再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路处设置磁性过滤器或其他形式的过滤器。根据液压设备所处的环境及对温度的要求，还要考虑加装热、冷却等措施。该液压系统未暴露在工作环境当中。前而曾提到过，工作条件恶劣，环境温度适中，湿度大，尘挨固态颗粒物多，有外界冲击震荡:该设备对执行精度要求不是太高:又从经济方而考虑，所以，选择叶片泵。又因为要满足液压系统的动作执行的快慢，所以最终选择单级叶片泵。DLZ 式固态垃圾压实机完整的液压系统图电磁铁动作表序号 压缸前进 压缸压制 压缸退回 撑缸升起 撑缸下降 原位停止/卸载1DT + + - - - -2DT - - + - - -3DT - - - - + -4DT - - - + - -5DT + - + - + -6DT - - - - - +压实机的液压系统原理图如图所示。油源为单极叶片泵 1 给系统供油甲以满足压实缸快慢速度要求:泵 1 出油口的压力分别由 12 和 14 设定。压实机有两个执行器，分别为压实液压缸 7 和升降液压缸 9，两缸的运动方向分别由三位四通电磁换向阀 11 和 10 控制;立置缸 7 的回油路设有液控单向阀用以防止压头因重力卜一落; 调速阀 6 用于调节缸 7 的升起和下降的速度。启动泵 1，由于 6 是断电卸荷，所以泵处于卸荷状态，当泵的出口压力达到系统的要求时，继电器发出电信号给电磁换向阀 1DT，切换至右位，泵 1 的压力油便压实缸 9 的无杆腔，故缸 9 的活塞杆启动、压头快速前进，缸 9 的有杆腔的油液则经调速阀排回油箱。当压头实垃圾时，系统压力升高，达到继电器调定的压力，给电磁阀换向发出信号，使 6DT 断电卸荷泵空载，经溢流阀 5排回油箱，实现卸荷。垃圾块需经过 2 一 3 次的压实，即重复上面的操作。当压实结束后，将换向阀 11 切换至左位，液压缸 9 无杆腔油箱接通，实现保压后释压，接着液压泵 1 经调速阀向缸 9 的有杆腔供油，泵的流量使缸的活塞杆驱动压头快速后退。当升降装置工作时，换向阀 4DT 切换至右位，压力油经液控单向阀 5 和调速阀 6 进入升降缸 7 的无杆腔，有杆腔油液直接排回油箱；升起结束后，3DT切换至左位，则压力油进入缸有杆腔，无杆腔油液经调速阀和液控单向阀排回油箱，升降装置下降复位。一个工作循环结束，液压泵卸荷。三计算和选择液压元件液压泵和电机型号与规格的选择前边已经经过比较选择了单极叶片泵。液压泵的工作压力其中是液压执行元件的最高工作压力，对于本系统最高压力是压头压实的进口压力，;是泵到执行元件间的管路损失。参考表一一，取液压泵的下作压力为确定泵的流量因 DLZ 式固态垃圾压实机的各个执行元件为一次单动，因此不存在多个元件同时动作的问题。若分析表所列各执行元件所需的流量，不难发现，最大流量需求为压头快进，最小的流量需求为压头压实，各执行元件的不同工况流量需求相差很大。液压泵的流量取泄漏系数 K=1.1，求得液压泵的流量为选 GPC4 的单极液片泵，当工作压力是 11MPa 时，.泵的流量为 221L/min液压泵电动机功率的确定在确定电动机功率之前，首先要确定液压泵的实际工作压力。常用的方法有两种:一是将执行元件的实际工作压力乘以系数 k=1.1;二是在执行元件实际工作压力的基础上加阀件和管路的压力损失，如却。本系统采用加压力的方法计算。对单极液片泵油系统，应对各种下况下的电动机功率进行计算，然后进行比较，取最大功率。这里需要指出的是，单极液片泵的总效率在领定压力下可达到 0.8，而卸载情况下仅为 0.3, 单极液片泵供油电动机功率计算公式为式中， 、 、分别为泵的实际下作压力、流量和总效率。经计分析比较，压头快进单极液片泵供油时，此时的流量还是最人的，所以在这.T.况下电动机的功率就是整个液压系统的电动机最大功率。此时所以电动机的最大功率为因此单极液片泵方案可选 Y280M 一 2 型电动机，功率为 4KW 的，同步转速为2970r/min。(由袖珍机械设计师手册1297 查得)液压阀的选择选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。该系统的工作压力在10MPa 左右，液压阀都选用中、高压阀。所选阀的规格型号如下表所示。序号 选用规格 名称2 S8A3 单向阀5 SV10PB2-30 液控单向阀6 2FRM5-31/15L 调速阀11 4WE5E60/AG24Z4 三位四通电磁换向阀12 DBW10AG3-5X/100 先导式电磁换向阀二位二通电磁换向阀14 DBDA6G10/10 直动式溢流阀液压辅助元件的选择油箱的有效容积可按下式确定式中 a 为经验 .系数，对中压系统取 a=7。所选泵的总流量为 221L/min，液压泵每分钟排出的压力油的体积为 0.22m3，算得油箱的有效容积为油管内径计算本系统油管内径可按式:计算式中 Q管内通过的流量，L/minv液体在管内的最大允许流速，m/s，一般对吸油管取 0.5 一 1 .5m/s；回油管取 1.52.5m/s，压油管取 35m/s。在这里，吸油管取 1m/s，回油管取 2m/s，压油管取 4m/s经计算，确定管径值如下表:管径名称 通过流量（L/min） 允许流速（m/s） 管路内径（m）吸油管 221 1 0.064排油管 221 4 0.032此液压系统为中压系统，因此可选用钢管作为油管。经过查表(液压与控制手册一 798)，确定钢管的尺寸见下表管径名称 公称通径（mm） 壁厚（mm）吸油管 65 8排油管 32 5四液压系统的性能验算温升系统的发热量要进行准确计算一般很困难，下面介绍一种工程上常用的近似计算方法。液压系统的输入功率与输出功率之差就是系统运行中的能量损失，也就是系统产生的发热功率 H 。即式中 Ni系统的输入功率，即液压泵的输入功率，可用 Ni = ppqp /p 计算，式中符号意义同前；No系统的输出功率，即执行元件的输出功率；对于液压缸 No=Fv对于液压马达 No=2Tn式中 F液压缸的总外负载力；T马达轴上的总外负载力矩；v液压缸的运动速度；n液压马达的转速。若整个工作循环内的功率是变化的，则可按各阶段的发热功率求出系统的平均发热功率，即式中 Nij整个工作循环的第 j 个阶段系统（液压泵）的输入功率；Noj整个工作循环的第 j 个阶段系统执行元件的输出功率；tj第 j 个阶段的持续时间；n整个工作循环的阶段数；T整个工作循环的周期（时间） 。五转向机构设计转向系统结构转向系统部分的结构与起重机中转格式旋转支撑装置相似，利用一个调心滚子轴承和一个推力调心滚子轴承承受径向力和轴向力，而动力系统则以电极驱动，电机驱动，利用齿轮传递转矩。 电动机的选择(1)电动机的转速由于垃圾中转站的转速要求很低，(与龙门起重机的转速相似)，大约 1.5 转/分钟，所以电动机的转速要求很小，910r/mm。(2)电动机的功率电动机的功率要求不高，但