卸卷小车液压系统设计.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 卸卷小车液压系统设计 摘 要 卸卷小车是热带钢连轧机的重要配套设备 位于卷取机的侧面 用来将卷取的钢 卷从卷筒上卸下 并运送到打捆台架上或步进梁式运输机的固定台架上 轧钢生产实 践证明 卸卷小车的工作状态直接影响着热连轧机生产力的发挥 本文对卸卷小车的 技术参数 工作流程 液压站 机械结构 电气控制等进行了全面的介绍 另外 通 过对电液开关控制 电液比例控制 电液伺服控制等液压控制方案的对比 决定卸卷 小车液压系统采用电液比例控制技术控制 这样 不仅使得卸卷小车的液压系统得以 简化 而且避免了由于钢卷质量大 且质量不确定 出现钢卷从小车上跌落的安全隐 患 也使得升降液压缸和行走液压缸的速度控制更加容易 平稳 工作效率更高 卸 卷小车的液压系统采用了集成块的集成方式 对集成块和液压站的设计采用了 Pro E 软件的三维建模方法 使得建模过程更加直观 准确 高效 更改更加容易 关键词 卸卷小车 液压系统 比例控制 三维建模 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 Hydraulic System Design of Coil Stripper Car Abstract The coil stripper car is an important facility of the Hot Strip Mill It is usually located at the coiler side It is used to offload the steel coil and send them to the saddle or the walking beam coil conveyer The production practices of the rolled steel have shown that the working state of the coil stripper car directly influence the productivity of the hot strip mill This article presents the coil stripper car s technical parameters work flow liquid pressure station mechanical structure and electrical control What s more after the analyses of electro hydraulic hydraulic control technologies of the on off control the proportional control and the servo control the coil stripper car s hydraulic system is selected to be controlled by the electro hydraulic proportional control technology Thus it not only simplifies the hydraulic system but also avoids the safety of the coil falling off the car because of the coil s big and spotty quality In a addition The cylinders velocity can be controlled more easily more stably and more efficiently The coil stripper car s hydraulic system is integrated by the manifold block And its manifold block and hydraulic station is designed in three dimensional model by use of Pro E software which makes the design more clear more accurate and more efficient and makes the modification more easily Key Words Coil stripper car Hydraulic System Proportional Control 3 Dimensional Model 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 1 1 课题背景概述 在冶金工业的生产过程中要使用大量具有大型 重载 连续生产等特点的机械和 设备 其工作环境多数是高温 多尘的恶劣条件 随着产量的增加 产品质量要求的 提高 对冶金机械和设备控制精度和自动化程度也提出了更高的要求 液压技术的特 点正适合上述工作特点和要求 因此在冶金工业中显示出其独特的优越性 近年来得 到了愈来愈广泛的应用 卸卷小车 也可以叫做钢卷小车 运卷小车 是热带钢连轧机重要配套设备 卸 卷小车位于卷取机的侧面 用来将卷取的钢卷从卷筒上卸下 并运送到打捆台架上或 步进梁式运输机的固定台架上 每台卷取机都配备一台卸卷小车 轧钢生产实践证明 卸卷小车的工作状态直接影响着热连轧机生产力的发挥 目前 我国现有的卸卷小车 多数是和整条热连轧生产线一起 从德国或日本引 进 它们主要用于连轧机组第一步和最后一步的动作 将钢卷送到开卷机 进行平整 加工 或是将钢卷从卷取机上卸下 运往打捆机或运输链 大多数卸卷小车 主要涉 及两个动作 一是将钢卷升降 二是将钢卷运送到指定位置 以上两个动作几乎全部 通过液压系统实现 钢卷的升降通过液压缸驱动升降支架实现 大多数升降液压缸的上升分为快上 慢上和托卷三个部分 是否托住钢卷通过压力继电器检验 也有个别增加了位移传感 器 通过闭环反馈 实现高度方向的准确对中 定位 钢卷的运送可以通过液压马达 也可以通过液压缸拖动卸卷小车实现 卸卷小车 在轨道上的定位和运行速度十分关键 定位不准 会导致卸下的钢卷不能准确的落在 卸卷小车上 甚至从小车上滚下 而卸卷小车运行速度不稳 同样会导致钢卷跌落 为了解决以上问题 大多数卸卷小车利用了行程控制开关或光电开关 使小车接近停 靠位置时减速 由于钢卷质量大且质量不确定 又为了保证卸卷小车运行速度和加速 度的平稳变化 有的卸卷小车采用了电液比例阀 比例阀可简单地对油液压力 流量和方向进行远距离的自动连续控制或程序控制 响应快 工作平稳 自动化程度高 容易实现编程控制 控制精度高 能大大提高液 压系统的控制水平 而且 使用元件较少 结构简单 价格低 节能效果好 使用条 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 件 保养和维护与一般液压阀相同 大大地减少了由污染而造成的工作故障 提高了 液压系统的工作稳定性和可靠性 随着冶金机械的不断发展 钢产量的不断提高 冶金机械过程的自动化水平和要 求越来越高 而卸卷作为影响钢卷质量和生产能力的重要因素 对其的工作性能的稳 定性 准确性和快速性的要求 必然相应提高 而解决以上问题的关键 就是卸卷小 车液压系统采用比例伺服控制技术 我觉得 它是未来卸卷小车 冶金工业乃至整个 液压行业的发展趋势 1 2 卸卷小车技术参数 本课题研究对象为武钢 2250 热连轧机组卸卷小车 其技术参数为 热轧钢卷钢种 热轧低碳钢 超低碳钢及高强度钢等 带钢厚度 1 5 6 0mm 带钢宽度 830 2080mm 钢卷内径 720mm 钢卷外径 最大 2150mm 提升钢卷最大重量 38t 单位宽度质量 19kg mm 液压操作压力 16Mpa 升降行程 约 1000mm 升降平均速度 80mm s 车体行走行程 约 3000mm 车体行走平均速度 100mm s 1 3 卸卷小车工作流程 1 卷取机将钢卷卷取平整后 卸卷小车升降台从待机位置先快速后慢速升起 托住钢 卷 并达到设定压力后自动停止 2 卷取机压辊压在带钢尾部 转动卷取机卷筒 使带钢尾端在指定位置 5 点钟位置 自动停止 准确停车由装在卷取机尾端的电磁制动器和旋转编码器控制 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 3 钢卷小车托住钢卷 并沿轨道将钢卷送到步进梁上 卸卷小车升降台下降 4 卸卷小车开回原位 为了提高动作的稳定性 在卸卷小车各个动作之间 增加了延时环节 卸卷小车动作 顺序图 如图 1 1 所示 图 1 1 卸卷小车动作顺序图 卸卷小车的动作循环图如图 1 2 所示 其中升降缸的上升和下降 行走缸的前进 和缩回 均采用比例阀控制 其运动速度均分为等加速 等速 等减速 等速 停止 等 5 个阶段 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 图 1 2 卸卷小车运动循环图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 2 卸卷小车液压系统设计 2 1 液压控制系统概述 目前在实际运用中液压控制系统主要有以下三类 1 电液开关控制 2 电液比例控制 3 电液伺服控制 各类系统的核心在于所选择的控制元件即开关阀 比例阀 伺服阀 根据系统要 求来选择控制元件 对于开环系统通常选择开关阀 而闭环系统选择伺服阀 比例阀 既可用于开环系统 也可用于闭环系统 一般来说 开关阀只有两种状态 开启和关 闭 因此要实现高后量的复杂控制时 必须有足够大量元件 把各元件调整成某一特 殊状态 必要时选通这一元件 从而实现使被控对象按预定的顺序和要求动作 在工 程实际应用中由于大多数被控对象仅需要有限的几种状态 可以应用开关控制 开关 元件通常简单可靠 不存在系统不稳定的情况 可以利用计算机输出的数字信号经放 大后驱动开关元件 省去昂贵的数模转换元件 从而使电气控制变的简单 而比例阀 伺服阀都可以依据输入电信号来控制液流方向 并使流量和压力比例地 连续地受到 控制 可以认为其有无限种状态 可以分别对应于被控对象的无限种运动状态 表2 1列出了三类系统所用伺服元件 比例元件和开关元件的性能对比 表2 1 伺服 比例 开关元件的性能对比 类别 特性 伺服阀比例阀开关阀 介质过滤精度 m 32525 阀内压力降 MPa 70 5 20 25 0 5 稳态滞环 1 31 3 重复精度 0 5 10 5 1 频宽 Hz 3dB 20 200 25 中位死区无有有 价格因子310 5 由表2 1可见 传统的电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻 其制造 成本高 维护费用高 系统能耗也比较大 一般控制系统不宜采用 而传统的电液开 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 关控制又不能满足高质量控制系统的要求 比例阀则是以传统的工业用液压控制阀为 基础 采用可靠 廉价的模拟式电 机械转换器和与之相应的阀内结构设计 从而获 得对油质要求与一般工业阀相同 价廉 阀内压力损失低 性能又能满足大部分工业 控制要求的比例元件 比例阀是介于开关阀与伺服阀之间的一种元件 与电液伺服阀 相比 其优点是价廉 抗污染能力强 除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺服 阀外 其他方面的性能和控制水平与伺服阀的相当 其静 动态性能足以满足大多数 工业的要求 与传统地液压开关控制阀比较 虽然价格较贵 但由于其良好的控制水 平而得到补偿 因此在控制较复杂 特别是要求有高质量的控制水平的地方 比例阀 逐渐代替了传统开关阀 此外 比例控制阀还可以具有流量 压力与方向三者之间的 多种复合控制功能 这使得比例控制系统与开关阀控制系统相比 不但控制性能得以 提高 而且使系统更为简化 因此 比例阀获得更为广泛的应用 比例阀的价格与伺服阀相比要便宜许多 但是由于阀的结构和阀芯的非精密加工 其动态性能大多是不平滑的 非线性的 然而 近年来的非线性理论的发展 已经建 立起了统一的比例阀模型 为比例阀的仿真和非线性比例控制器的研制提供了依据 而且 误差只取决于阻尼系数 在大多数比例阀的使用场合 误差不到 10 2 2 液压系统原理 2 2 1 液压元件选用 1 比例方向阀的选用 a 行走液压缸选用比例阀控制 如今 大多数搬运钢卷的卸卷小车 由于钢卷质量大 且质量不确定 因而不能 达到要求的位置精度 并且速度变化不平缓 加速度大 且质量不确定 无法达到最 优 严重时可能出现钢卷从小车上跌落 存在极大的安全隐 根据系统的情况和要求 本液压控制系统选择了比例控制方式 这样不但使系统控制性能得以提高 而且使系 统更为简化 b 升降液压缸选用比例阀控制 为了提高卸卷小车的卸卷效率 对于卸卷小车的上升托卷的动作 分为 加速上 升 等速上升 减速上升 等速上升 触卷停止 等五个阶段完成 而实际 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 工作中 钢筋直径变化较大 质量不确定 因此需用比例阀控制升降液压缸 使其上 升速度变化更加平稳 避免对钢卷表面的损伤 而且可以根据需要 由计算机实时调 整预上升速度 大大提高卸卷效率 由于升降液压缸所需流量大 故选用电液比例阀 控制 比例方向阀作为先导阀使用 2 液控单向阀的选用 本系统中的两个液压缸分别动作 在升降液压缸工作的同时 行走液压缸要保持 位置不变 等待钢卷卸到卸卷小车上和等待钢卷从卸卷小车上卸走 而当行走液压缸 动作时 升降液压缸或者需要托住钢卷运送到步进梁上 或者在原位等待卷取机卷取 钢卷完毕 也就是说 在其中一个液压缸不动作时 另一个液压缸要实现位置锁定功 能 选用液控单向阀在换向阀处于中位置时实现位置锁定功能 选用换向阀中位机能 为 Y 型机能 以实现在中位时 液控单向阀的控制压力为连接油箱的回油压力 保证 液控单向阀的有效锁紧 3 平衡阀的选用 对于升降液压缸来说 平衡阀的主要作用是 保证升降液压缸的安全 防止由于 管路破裂 液压缸飞速下降等危险的发生 对于行走液压缸来说 其中平衡阀的作用是 改善比例调速阀的性能 因为我们 的油缸是一个活塞缸 活塞杆左右运动时 因为一方面是活塞面积大导致需要流动的 油量多 一方面是活塞杆面积小导致需要流动的油量少 所以会产生不平衡 因而 系统里加了平衡阀 4 管式单向阀的选用 管式单向阀安装在液压泵的出口 防止系统压力突然升高时损坏液压泵 另外拆 卸泵时 系统中的油液不会流失 2 2 2 卸卷小车液压系统工作原理 卸卷小车系统原理图如图 2 1 所示 卸卷小车升降液压缸 19 和行走液压缸 23 均 采用比例控制技术 应用比例方向阀控制 比例方向阀不但可以改变液压缸的运动方 向 而且还能够连续地成比例地调节系统的流量变化 电磁溢流阀 14 的 1YA 带电 实现溢流和调压功能 设定压力为 16Mpa 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 对于升降液压缸 19 实现上升动作时 比例阀 2YA 带电 通过 PLC 模拟量输出接 口和比例放大器的控制 实现开始阶段等加速上升 达到最大速度后 保持等速运动 碰到行程开关 1XK 后 等减速上升 速度达到给定值后 升降缸低速上升 接触钢卷 达到压力表 18 的设定压力后 比例阀电磁铁 2YA 失电 比例换向阀 15 处于中位 由 液控单向阀 16 将其位置锁定 当卸卷小车将钢卷运送到指定位置并卸下 比例换向阀 电磁铁 3YA 带电 升降液压缸下降 其过程与液压缸上升时类似 行走液压缸的控制 与升降液压缸类似 只是具体的液压缸活塞杆的运动速度设置为不同值 图 2 1 卸卷小车液压原理图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 2 3 液压缸参数计算 2 3 1 升降缸 1 升降缸参数设计 液压缸工作负载 FR 为 NFFFF gflR 543 104102101038 缸筒内径 D 为 mmm p F D m l 09 18318309 0 95 0 101614 3 10444 6 5 根据 GB T2348 1993 中所列液压缸内径系列圆整为标准值 取 D 200mm 取活塞杆直径 符合 GB T2348 1993 中 液压缸活mmDd1402007 07 0 塞杆外径尺寸系列 2 升降液压缸最大流量计算 min 150 251200080200 4 14 3 4 322 LsmmvDAvq 3 液压缸最小导向长度计算 对于一般液压缸 最小导向长度应满足 2 1 220 DL H 其中 L 为液压缸最大工作行程 D 为缸筒内径 所以 升降液压缸的最小导向长度应满足 mm DL H150 2 200 20 1000 220 4 活塞杆强度校核 活塞杆的直径 d 按下式进行校核 2 2 s F d 4 式中 F 为工作负荷 4 1 b s 所以升降液压缸的活塞杆直径应满足 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 mmm F d s 48048 0 4 1 10310 14 3 1044 4 6 5 而升降液压缸的活塞杆直径为 140mm 故满足要求 5 液压缸缸筒壁厚校核 液压缸材料选用铸钢 ZG310 570 其抗拉强度为 570MPa 安全系数取 5 缸筒 b 需许用应力 缸筒壁厚 为 17 5mm 缸筒内径 D 为 200mm MPa b s 114 5 570 所以 0875 0 200 5 17 D 故 应用使用公式 3 008 0 D mmm p Dp s 94 1410494 1 10163 5 10570 3 2 102001016 33 2 2 6 6 36 max max 满足要求 2 3 2 行走缸 1 行走缸参数设计 行走液压缸负载主要为克服卸卷小车行走时的摩擦力 取摩擦系数为 0 3 故其负 载力 Fl近似为 NFl 55 102 13 0104 缸筒内径 D 为 mmm p F D m l 3 1001003 0 95 0 101614 3 102 144 6 5 根据 GB T2348 1993 中所列液压缸内径系列圆整为标准值 取 D 100mm 取活塞杆直径 符合 GB T2348 1993 中 液压缸活塞mmDd701007 07 0 杆外径尺寸系列 2 行走液压缸最大流量计算 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 min 1 47 785000100100 4 14 3 4 322 LsmmvDAvq 3 液压缸最小导向长度计算 对于一般液压缸 最小导向长度应满足 2 3 220 DL H 其中 L 为液压缸最大工作行程 D 为缸筒内径 所以 行走液压缸的最小导向长度应满足 mm DL H200 2 100 20 3000 220 4 活塞杆强度校核 活塞杆的直径 d 按下式进行校核 2 4 s F d 4 式中 F 为工作负荷 4 1 b s 所以升降液压缸的活塞杆直径应满足 mmm F d s 26026 0 4 1 10310 14 3 102 14 4 6 5 而行走液压缸的活塞杆直径为 70mm 故满足要求 5 液压缸缸筒壁厚校核 液压缸材料选用铸钢 ZG310 570 其抗拉强度为 570MPa 安全系数取 5 缸筒 b 需许用应力 缸筒壁厚 为 12 5mm 缸筒内径 D 为 100mm MPa b s 114 5 570 所以 125 0 100 5 12 D 故 应用使用公式 3 008 0 D 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 mmm p Dp s 47 710747 0 10163 5 10570 3 2 101001016 33 2 2 6 6 36 max max 满足要求 6 活塞杆弯曲稳定性校核 行走液压缸的支撑长度 LB为 3000mm 而活塞杆直径 d 100mm 故 LB 10 15 d 需要进行活塞杆弯曲稳定性校核 因为受力 F1完全作用于轴线 故按下式进行验证 2 5 k k n F F 1 2 6 N LK IE F B k 22 6 1 2 10 其中 64 1 1 4 1 d I ba E E Fk 活塞杆弯曲失稳临界压缩力 N nk 安全系数 通常取 nk 3 5 6 K 液压缸安装及导向系数 E1 实际弹性模数 a 材料组织缺陷系数 钢材一般取 a 1 12 b 活塞杆截面不均匀系数 一般取 b 1 13 E 材料弹性模数 MPa 钢材 E 2 10 105 I 活塞横截面惯性矩 m4 所以 MPa ba E E 5 5 1 1080 1 13 11 12 11 1010 2 1 1 4644 4 109 41 0049 0 049 0 64 md d I N LK IE F B k 6 22 6652 22 6 1 2 1097 1 37 0 10109 41080 1 10 取 nk 6 则 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 N n F F k k 5 6 1 1028 3 6 1097 1 而实际上活塞杆受力 F1为 1 2 105 故满足活塞杆稳定性要求 2 4 液压件选用及关键液压件说明 卸卷小车液压原理图中的液压元件选用清单如表 2 2 所示 由于系统流量大 且 涉及的平衡阀采用板式阀 故所用液压阀均采用一般板式阀 下面对其中的关键液压 元件做叫详细的说明 表 2 2 卸卷小车液压控制系统原理图液压元件明细表 编号元件名称元件型号或图号数量备注 1液位计YWZ 2501温州黎明液压件厂 2注油口带空气滤气器AB11631上海福欧液压件厂 3油箱DDJX YY 02 011自制 4吸油过滤器WU 630X180F1沈阳液压件厂 5叶片泵VQ45 136 F R1上海福欧液压件厂 6交流电机Y225M 4B31大连电机厂 7管式单向阀S40F0 201沈阳液压件厂 8冷却器5Y301上海福欧液压件厂 9回油过滤器FRB 160X10L C Y1上海福欧液压件厂 10压力表开关KF L8 14E3沈阳液压件厂 11压力表AT 100 250K3上海福欧液压件厂 12蓄能器开关YJZQ H40W1温州黎明液压件厂 13蓄能器NXQ1 L10 20 H1四平液压件厂 14先导式溢流阀DBW20A 3 30 200G24NZ5L 2 1沈阳液压件厂 15电液比例换向阀4WRZ16W150 30 624NETZ4 M 1上海立新液压件厂 16液控单向阀SV20PB1 L4X 22上海立新液压件厂 17平衡阀FD16PB10 20B03 21沈阳液压件厂 18液 电压力继电器HED40P10350Z15L241沈阳液压件厂 19升降液压缸DDJX YY 051自制 20比例换向阀4WRE10W64 10B 24 Z4 M 1北京华德液压件厂 21液控单向阀SV10PB1 L4X 22上海立新液压件厂 22平衡阀FD12PB10 20B03 21沈阳液压件厂 23行走液压缸DDJX YY 061自制 2 4 1 液压泵的选择 泵的基本参数是压力 流量 转速 效率 一般应根据系统的实际工况来选择 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 为了提高系统的可靠性 延长泵的使用寿命 一般在固定设备中液压系统的正常工作 压力选择为泵额定压力的 70 80 车量用液压系统工作压力可选择为泵额定压力 的 50 60 选择泵的第二个重要因素是泵的流量和排量 泵的流量和工况有关 选择泵的流量须大于液压系统工作时的最大流量 泵的效率值是泵质量好坏的体现 一般来说 应使主机的常用工作参数处在泵效率曲线的高效区域 另外 泵的最高压 力与最高转速不宜同时使用 以延长泵的使用寿命 液压系统常用液压泵的性能如表 2 3 所示 表 2 3 液压系统常用液压泵的性能比较 性能外啮合 齿轮泵 双作用 叶片泵 限压式 变量叶片泵 径向 柱塞泵 轴向 柱塞泵 输出压力低压中压中压高压高压 流量调节不能不能能能能 效率低较高较高高高 输出流量脉动很大很小一般一般一般 自吸特性好很差较差差差 对油的污染 敏感性 不敏感较敏感较敏感很敏感很敏感 噪声大小较大大大 价格低中中高高 应用范围机床 工 程机械 农业机械 一般机械 机床 注塑机 液压机 起 重运输机械 工程机械 飞 机 工程机械 锻压机械 运输 机械 矿山机械 冶金机械 船舶 飞机等 卸卷小车的工作压力为 16MPa 如上所述 去工作压力位泵额定压力的 80 则 泵的额定压力为 MPa p pn20 8 0 16 液压泵的最大压力 Pp为 2 7 pppp 系统进油路上总压力损失 凭经验取 0 5MPa 故 MPapppp 5 165 016 根据表 2 2 综合各方面考虑 将液压系统认定为中压系统 故选用叶片泵 本液压系统的最大流量为 150L min 初选叶片泵转速为 1500r min 故需要叶片泵 的排量 Vp为 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页 rmL r L n q V p p p 100 min 1500 min 150 最后选用上海福欧液压件厂生产的高压改良型定量叶片泵型号为 VQ45 136 F R 它的特性是针对高压 低噪音特别设计 应用范围广 内部结构组装简单 更换转向 容易 性能优越 它的具体性能如表 2 4 所示 表 2 4 VQ45 136 F R 性能参数 最高使用压力 MPa 21 排量 mL min 136 允许转速 r min 600 1800 安装形式法兰式 重量 kg 45 2 4 2 电机的选择 根据系统的功率和液压泵需要的转速选择电机 由于升降液压缸处托住钢卷下降 时 压力和流量均达到了最大值 时间较长 故电机的功率近似取压力和流量均为最 大值的情况 即 kWWqpP4010460 101501016 436 maxmax 选用应用最为广泛的 Y 系列电机 Y225M 4B3 它的具体性能参数如表 2 5 所示 表 2 5 Y225M 4B3 性能参数 额定功率 kW 45 满载时转速 r min 1480 基座中心高 mm 225 安装形式B3 机座带地脚 端盖上无突缘 极数4 效率 92 3 重量 kg 340 2 4 3 先导式溢流阀的选择 几乎任何一个液压系统都要用到溢流阀 溢流阀的主要用途是通过阀口德溢流 使被控系统或回路的压力维持恒定 实现调压 稳压或限压 防止过载 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页 先导式溢流阀控制口 要空口 外接另一个或多个远程调压阀对溢流阀的溢流压 力实行远程调压和多级调压 但远程调压阀调节的最高压力不得超过溢流阀本身导阀 的调整压力 通过电磁阀将远程控制口接通油箱 可实现系统卸荷 先导式溢流阀 压力调整较轻便 启闭特性好 但因只有导阀和主阀都动作后才 起作用 故反应不如直动式溢流阀灵敏 本系统选用沈阳液压件厂生产的先导式溢流阀 具体型号为 DBW20A 3 30 200G24NZ5L 2 内控内泄式 电磁铁通电后 可实现溢流功能 它的具体性能参数 如表 2 6 所示 表 2 6 DBW20A 3 30 200G24NZ5L 2 先导式溢流阀性能参数 最大流量 L min 400 工作压力 MPa 31 5 液压介质矿物质液压油 2 4 4 比例换向阀的选择 行走缸的比例换向阀选用北京华德液压件厂生产 D 的带阀芯位置反馈的 4WRE 型 电磁比例换向阀 具体型号为 4WRE10W64 10B 24 Z4 M 为了配合液控单向阀的位置 锁紧功能 比例换向阀的中位机能为 Y 型 它的具体性能参数如表 2 7 所示 表 2 7 4WRE10W64 10B 24 Z4 M 比例换向阀性能参数 通径10 在 1MPa 阀压降的名义流量 L min 64 最大流量 L min 260 A B P 口工作压力 MPa 31 5 T 口工作压力 MPa 16 配套放大器型号VT 5006BS 放大器的控制电压 9V 响应灵敏度 0 5 名义信号 频率响应 3dB Hz 4 对于控制升降液压缸的比例换向阀 由于其所需流量较大 故采用电液比例换向 阀 其中比例换向阀只是作为先导阀使用 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页 2 4 5 平衡阀的选用 FD 型平衡阀亦称单向截止型平衡调速阀 是力士乐公司生产的液压元件 其结构 和图形符号如图 2 2 图 2 3 所示 图 2 2 平衡阀 图 2 3 图形符号 平衡阀主要是起安全作用 一是平衡负载防止负负载情况下产生爬行现象 二是 防止执行机构 油缸或者马达 因负载产生飞速现象 在垂直安装的油缸上有可能出现负负载 水平安装的油缸极少出现负负载 但也 会压力不平衡 究其原因是我们的油缸是一个活塞缸 活塞杆上下 或者是左右 行 时因为一方面是活塞面积大导致需要流动的油量多 一方面是活塞杆面积小导致需要 流动的油量少 所以会产生不平衡 因而系统里加了平衡阀 当液流从 A 至 B 时为自由流动 主锥阀被打开 如果 A B 油口间的压差小于负 载压力 例如系统失压或方向阀至油口 A 间的连接软管爆裂时 则主锥阀在容腔 7 中 的负载压力和容腔 8 中的弹簧力作用下直接关闭 截止时无内泄漏 这样可使运行中 的负载安全定位 不致于突然坠落 此谓该阀的单向截止功能 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页 当液流从 B 至 A 时为反向流动 原始状态主锥阀关闭 要使主锥 l 阀打开 实现液流 B 至 A 的真正反向流动 油口 X 中必须有足够的先导控制压力 即 1 20 的负载压力 样本中提供数据表明 使 B 到 A 通道打开的初始压力为 2 MPa 完全打开则需要 5 MPa 因此 主锥阀是随动的 其开口度与 X 油口中的控制压力 阀口压差三者间的 动态平衡关系共同决定了从执行器排出的流量保持不变 这就是该阀的平衡调速功能 本系统选用的平衡阀为沈阳液压件生产的 FD 型平衡阀 两个平衡阀通径不同 具 体型号为 FD12PB10 20B03 2 和 FD16PB10 20B03 2 并为了调整反向流动开启压力 选用带二次溢流的形式 它的具体性能参数如表 2 8 所示 表 2 8 平衡阀性能参数 通径12 16 工作压力 油口 A X MPa 至 35 工作压力 油口 B MPa 至 42 控制压力 油口 X最低 2 6MPa 最高 35MPa 流量 L min 80 12 通径 200 16 通径 先导操纵传动比 20 1 开启面积 座阀面积 配套放大器型号VT 5006BS 2 4 6 蓄能器的选用 蓄能器在液压系统中是用来储存 释放能量的装置 其主要用途为 可作为辅助 液压源在短时间里提供一定数量的压力油 满足系统对速度 压力的要求 如 可实 现某支路液压缸的增速 保压 缓冲 吸收液压冲击 降低压力脉动 减小系统驱动 功率等 本卸卷小车液压系统 采用气囊式蓄能器 主要起到吸收压力脉动 稳定压力的 作用 蓄能器容量的计算 按照蓄能器吸收泵的脉动的容积计算公式计算 n n pp ppAkL V 1 21 3 1 01 0 1 10 2 8 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页 式中 V0 所需蓄能器的容积 m3 p0 充气压力 按系统工作压力的 60 充气 A 缸的有效面积 m2 L 柱塞行程 m k 与缸的类型有关的系数 按单杠双作用计算 k 取 0 25 p1 p2 系统的最低 最高压力 Pa n 指数 等温时取 n 1 故本系统所需蓄能器的容量为 L pp ppAkL V n n 542 6 5 01 10 6 5 125 0 140200 4 1 10 322 1 21 3 1 01 0 按样本资料 选取蓄能器容量为 10L 具体型号为 NXQ1 L10 20 H 它的具体性 能参数如表 2 9 所示 表 2 9 NXQ1 L10 20 H 蓄能器性能参数 连接形式法兰连接 公称容积10L 公称压力20MPa 工作介质矿物质油 2 4 7 油箱的设计 油箱在液压系统中具有储存液压油液 散发油液热量 逸出空气 分离水分和安 装元件等作用 通常油箱可以分为整体式油箱 两用油箱和独立油箱三类 整体式油箱是指在液 压系统或机器的构件内形成的油箱 两用油箱是指液压油与机器中的其他目的用油的 公用油箱 独立油箱是应用最为广泛的一类油箱 最常用于工业生产设备 它通常做 成矩形的 也有圆柱形或油罐形的 油箱还有开式油箱和闭式油箱之分 开式油箱应用最广 油箱中液面与大气相通 为减少污染 油箱顶盖上应设置通气过滤器 而闭式油箱在液压泵工作时 内部的折 叠器或挠性隔离器收缩或膨胀 使液面保持大气压力 而外界压力又不与油箱内油液 接触 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页 容量是油箱的重要参数 通常按液压泵的额定流量估算确定 2 9 P qV 式中 V 油箱容量 L 与系统压力有关的经验参数 低压系统 2 4 中压系统 5 7 高压系 统 10 12 qp 液压泵的额定流量 L min 故我们的油箱容积为 LmLqV P 68 1207120768014801366 根据 JB T 7938 1999 标准中规定的液压泵站油箱公称容量系列 选用油箱容量为 1200L 油箱采用材料为 Q235A 厚度为 3mm 的钢板焊接而成 油箱中隔板把系统回油区和吸油区隔开 并尽可能使油液在油箱内沿着油箱壁环 流 为了便于油箱的搬运 在邮箱四角的箱壁上焊接吊耳 也称吊环 吊耳选用圆柱 形 油箱盖上设置有通气器附带有加油口的结构 取下通气帽可以注油 在油箱外壁上设置液位计 液位计为带有温度计结构 并靠近注油口 以便注油 时观测液面 液位计的下刻线比吸油过滤器上缘至少高出 75mm 以防吸入空气 在油箱底部最低点设置放油塞 M33 2 以便油箱清洗和油液更换 为此油箱底部 向放油塞倾斜 大约 2 2 4 8 油箱发热计算 1 发热计算 a 液压泵功率损失 H1 2 10 i i n i tP T H 1 1 1 1 式中 P 液压泵的输入功率 pq P 液压泵的总效率 一般在 0 7 0 85 之间 常取 0 8 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页 p 液压泵实际出口压力 Pa q 液压泵实际流量 m3 s T 工作循环周期 s t 工序的工作时间 s i 工序的次序 本系统涉及两个工序 升降液压缸的升降 行走液压缸的伸缩 故 W tP T H i i n i 3 3636 1 1 1016 5 30 8 01 8 0 1060 1 471016 5 12 8 01 8 0 1060 1501016 5 42 1 1 1 b 阀的功率损失 H2 其中以泵的全部流量流经溢流阀返回油箱时 功率损失为最大 2 11 pqH 2 式中 p 溢流阀的调定压力 Pa q 经过溢流阀流回油箱的流量 m3 s 故WpqH 436 2 10460 101501016 c 管路及其他功率损失 H3 此项功率损失 包括很多复杂的因素 由于其值较小 加上管路散热的关系 在 计算时常予以忽略 一般可取全部能量的 0 03 0 05 倍 即 WPH 34 3 106 110404 0 05 0 03 0 所以 系统总的功率损失 即系统的发热功率 H 为 WHHHH 4343 321 10676 4 106 11041016 5 2 散热计算 液压系统各部分所产生的热量 在开始时一部分由运动介质及装置本体所吸收 较少一部分向周围辐射 当温度达到一定数值 散热量与发热量相对平衡 系统即保 持一定温度不在上升 若只考虑油液温度上升所吸收的热量和油箱本生所散发的热量 系统的温度 T 随运转时间 t 的变化关系如下 2 12 exp 1 0 Kt Cm kA kA H TT 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页 T 油液温度 K 环境温度 K 0 T A 油箱的散热面积 3 m C 油液的比热 矿物油一般可取 C 1675 2093J kg K m 油箱中油液的质量 kg k 油箱的传热系数 W K 3 m 周围通风很差时 K 8 9 周围通风良好时 K 15 用风扇冷却时 K 23 用循环水强制冷却时 K 110 174 当 系统平衡温度为 tt K 2 13 kA H TT 0 假设环境温度为 20 取油箱长 宽 高尺寸为 a b c 1 65m 1 25m 0 8m 油箱的散热面积 A 为 2 765 88 025 1 28 065 1 225 165 1 222mbcacabA 按电机功率选用水冷却器 其稳定时的温度大约为 38 51 765 8 170 46760 20 0 kA H TT 液压系统的工作温度保持在 50 左右的范围内 满足要求 2 4 9 管路和管接头的设计 在液压传动中常用的管子有钢管 铜管 胶管 尼龙管饿塑料管等 钢管能承受 较高的压力 价格低廉 但安装时弯曲半径不能太小 多用在装配位置比较方便的地 方 常用的钢管式无缝钢管 本系统选用的钢管为精密无缝钢管 符合 GB T14976 1994 标准 焊接式 卡套式和扩口式管接头应用较普遍 本液压系统选用冶金行业普遍采用 的焊接式管接头 符合 GB T7937 2008 标准 它利用接管和管子的焊接 接头体和接 管之间用 O 形密封圈端面密封 结构简单 易制造 密封性好 对管子尺寸进度要求 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页 不高 要求焊接质量高 装拆不方便 工作压力可达 31 5MPa 工作温度 25 80 适用于以油为介质的管路系统 管道内径及壁厚是液压管道的两个主要参数 计算公式如下 2 14 v q d 4 2 15 b pdn 2 式中 q 通过油管的最大流量 m3 s v 油管中允许流速 取值见表 2 10 m s d 油管内径 m p 管内最高工作压力 MPa b 管材抗拉强度 MPa n 安全系数 取值见表 2 11 表 2 10 油管中允许流速 m s 1 油液流经油管吸油管高压管回油管短管及局部收缩处 允许流速0 5 1 52 5 51 5 2 55 7 说明高压管 压力高时取大值 反之取小值 管道长的取小值 反之取大值 油液黏度大时取小值 表 2 11 安全系数 钢管 管内最高工作压力 MPa 77 17 517 5 安全系数864 根据表 2 10 所示 回油管流速选择为 2 5m s 压力油管流速选择为 5m s 吸油管 流速选择为 1 5m s 所以 吸油管管道直径 mmm v q d 1 46046 0 5 114 3 1060 15044 3 根据标准 GB T7937 2008 标准 选择为 50mm 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页 对于升降液压缸来说 回油管管道直径mmm v q d7 350357 0 5 214 3 1060 15044 3 根据标准 GB T7937 2008 标准 选择为 40mm 壁厚验算mm pdn b 2 3 4002 44016 2 压力管管道直径mmm v q d2 250252 0 514 3 1060 15044 3 根据标准 GB T7937 2008 标准 选择为 25mm 壁厚验算mm pdn b 2 4002 42516 2 对于行走液压缸来说 回油管管道直径mmm v q d2002 0 5 214 3 1060 1 4744 3 根据标准 GB T7937 2008 标准 选择为 20mm 壁厚验算mm pdn b 6 1 4002 42016 2 压力管管道直径mmm v q d1 140141 0 514 3 1060 1 4744 3 根据标准 GB T7937 2008 标准 选择为 15mm 壁厚验算mm pdn b 28 1 4002 41616 2 2 5 集成块的三维设计 2 5 1 集成块设计的优缺点 1 易于加工 专业化程度高 集成块 也称通道体 主要是六个平面及各种孔加 工 与油路板相比 集成块的尺寸要小得多 因此平面和孔道的加工比较容易 便于 组织专业化生产和降低成本 2 结构紧凑 装配维护方便 由于液压系统的多数油路等效成了集成块内的通油 孔道 所以大大减少了整个液压装置的管路和管接头数量 使得整个液压控制装置结 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 25 页 构紧凑 占地面积小 外形整齐美观 便于装配维护 系统运行时泄露少 稳定性好 3 系统运行效率高 由于实现各控制阀之间油路联系的孔道的直径较大且长度短 所以系统运行时 压力损失小 发热少 效率较高 4 集成块的主要缺点是集成块的孔隙设计和加工容易出错 需要一定得设计和制 造经验 系统运行时故障诊断较困难 2 5 2 集成块的三维设计 本人采用 Pro E 软件完成了集成块的三维设计 基于三维设计的好处 本人对整个 液压站的设计也是采用 Pro E 三维软件完成 Pro E 是 PTC Parametric Technology Corporation 参数技术公司 公司的产品 它具 有的单一数据库 参数化 基于特征 全相关及工程数据再利用等概念改变了 MDA 的传统观念 这种全新的概念已经成为当今世界 MDA 领域的新标准 该软件能将产 品从设计到生产的过程集成在一起 让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作 即所谓的并行工程 它带有的三维建模模块能够有效地解决较复杂液压系统集成块的 设计问题 使设计变得简单而有效 液压集成块是一套液压系统的心脏 如何简单有效地布置压力 流量 方向控制 阀 是决定整套系统设备运行状况好坏的关键 设计人员应当使设计的集成块结构紧 凑 密封性能好 便于各种阀的安装 调试和更换 而较复杂的液压系统内部孔系也 比较复杂 使用传统的平面作图和空间想象的方法 效率较低而且容易出错 不能及 早发现错误 容易在生产的后期出现废品 造成难以弥补的损失 使用 Pro E 软件可以真实地再现一个立体的集成块 这个缩小的三维图便于设计人 员观察 给人一个直观 真切的认识 而且它的功能可以观测块内部各个方位的结构 为进一步改进设计提供了方便 Pro E 也可以对材料赋予材质处理 自动计算其物理的 特性 如质量 体积 表面积和转动惯量等 在论证完集成块的合理性后可以由立体图直接转换为二维工程图 可大大提高了 作图的效率 缩短了设计的时间 在后期加工过程中 可以有效地控制了加工误差 有的参数化设计功能 改变每个尺寸的数值后 可再生成新的集成块 在系列化的设 计中 起到了事半功倍的效果 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 26 页 具体来说 集成块通油孔间的最小壁厚的推荐值不小于 5mm 因为集成块上的孔 大多又细又长 钻孔加工时可能会偏斜 故油孔间壁厚应尽量取较大值 Pro E 软件自 身带有测量的功能 可以检测距离 长度 直径等数值 若不满足 立即修改 另外 我选用的液压阀是板式阀 这样 每个阀都涉及到钻孔和与其它液压元件 的连接 集成块需要钻的孔较多 达 40 多个孔 通过使用 Pro E 软件建模 并将集成 块做透明处理 可以清晰地观察到内部各个孔的相交情况 干涉情况 非常直观 真 切 不容易出错 也大大提高了设计效率 集成块是液压系统油路交汇的中枢 所有的阀以及附件集中安装在阀体上构成了 系统的控制中枢 各个液压元件油道的贯通是阀体设计的关键 阀体的创建主要是孔 特征的创建 因为 Pro E 是参数化设计 所以 可以先建立一个稍大的长方体 在各个 平面布置液压元件相对应的孔和安装尺寸孔 然后改变孔的深度 创建与其他元件沟 通的孔 其具体的步骤 选取合理的基准面 基准线 草绘面 然后依据基准面和基 准线在草绘面上草绘特征孔 最后把尺寸设定为正确的尺寸 根据液