周期性激振试验机液压_系统设计

本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 周期性激振试验机液压 系统设计 学生姓名 ： 指导教师 ： 学院 ： 专业班级 ： 本科生院制 2015 年 6 月I 周期性激振试验机液压系统设计 摘要 自 国家大力推行预拌混泥土 以来 ， 混泥土机械 随着 混泥土行业 快速发展 。混泥土 泵车 已经 成为 我国 建筑工地 必备 的机械设备 之一 。 但 混泥土 泵车臂架系统的振动会使臂架产生疲劳，若不清楚臂架系统振动疲劳寿命，会导致安全事故。 因此 研制 模拟 臂架系统 实际工况 的振动试验机 是非常 重要 的 。 运用数量分析与 经验 分析相结合的方法 ，运 用液压激振原理， 以 某型号臂架实际工作的振动情况 为例 ，设计周期性激振试验台的液压系统 。 本文首先对液压系统进行总体方案设计，然后逐一设计和选择液压系统元件，最后 提出控制策略和液压站的组装形式。 本文成果 可 用于实际 臂架系统疲劳 测试， 在 臂架系统 的优化设计以及提高 混泥土 泵车整体 可靠性 等 方面 ， 具有重要意义。 关键字 ： 臂架系统 疲劳测试试验台 液压激振 in of to if we t of its we a is of of s a of by as as of of to of 录 第 1章绪论 . 1 . 1 其臂架系统 介绍 . 1 景及 意义 . 4 . 6 第 2章 液压系统的总体方案设计 . 7 . . 7 压系统工作压力 . 8 . 9 第 3章液压系统元件的设计与选取 . 15 . 15 . 26 . 29 . 30 . 35 第 4章液压站的装配及控制策略 . 36 . 36 . 37 . 38 . 38 结论 . 46 结束语 . 47 参考文献 . 50 第 1 页共 51 页 第一章 绪论 言 2015 年 我国 政府工作报告中 ，李克强总理提出要统筹 实施“四大板块”和“三个支撑带”战略组合 。 为实现中国梦， 我国东部、中部、西部、东北部 将迎来现代化建设的新篇章，这些地区将 建设一批综合交通、能源、水利、生态、民生等重大工程项目。在当今的工程项目施工中， 规模和难度不能和以前同日而语，很多著名工程如三项大坝的建设堪称人类历史上的奇迹， 如果 按照古代愚公移山的施工条件， 即使在不缺乏人手的情况下，面对如此复杂和困难的施工建设，也只能望而生畏，止步不前 。 因此， 原来的人力 、 畜力已经远远不能满足 我国现代化 施工的要求 ；同时 为了促进社会和谐，改善工人 的 劳动条件，机械设备被用来从事大多数高风险、高强度 、高难度 的工作 。目前 在国家施工 建设中， 尤其是在城市中，基本都配备了 各式各样的机械设备 。机械 设备 是现代文明社会智慧的结晶，越来越广泛地使用到人类的生产活动中 ，对人 类 生活产生了深远的影响 。 从某种程度上说， 机械设备的 优劣 反应了 一个 国家的强弱水平。 随着我国以经济建设为 中心 的战略部署，改革开放三十多年来 各个领域 都取得了跨越式发展。 为了提高工作效率和降低工作成本，如今的社会分工更加明确。 科学技术是第一生产力， 每个行业均离不开 机械 的 发展 。围绕行业的需求，科技工作者们研发了 人们 耳熟能详的 行业专用机械设备 ，如 金融行 业的点钞机 、混泥土行业中的混泥土泵车等 。 泥土泵车 及其臂架系统的 介绍 混泥土泵车，简称为泵车，是一种将输送混泥土的泵送系统和用于布料的臂架系统集成在汽车底盘上的机械设备 （ 如图 1示 ） 。通常，我们将混泥土泵车看做由六部第 2 页共 51 页 分组成，分别是底盘部分、臂架系统、回转机构、液压系统、电气系统、泵送系统。 混泥土泵车是 混泥土机械 近十年来发展最快的装备之一，在混泥土机械所占比例较大，也是 保证工程建设低成本、高质量和高速度的重要手段 。混泥土泵车是一种专门用来输送混泥土的机械，借助臂架系统可以将混泥土水平输送 和 垂直输送结合在一起，并且能保证混泥土的均匀性和密实性 1。混泥土泵车 因为装备有汽车底盘，所以移动起来很方便，也有利于商品混泥土的发展。 1、底盘部分 2、臂架系统 3、回转机构 4、液压系统 5、电气系统 6、泵送系统 图 1型号混泥土泵车结构简图 泵车主要用于建筑施工场地，能够满足施工现场各种混泥土输送要求。 泵车 具有浇筑质量好、浇筑速度快、布料范围广、机动灵活、环境污染少等优势，受到建筑市场的青睐。如今，泵车 早已成为泵送混泥土施工机械的首选 机械设备 ，在建筑施工过程中必不可少 2。 上世纪初，德国开始研制混泥土泵，并取得了 一些研究成果，奠定了基础 。上世纪60年代中期，出现了划时代意义的产品混泥土输送泵车，并且装备了能够回转和伸缩的布料杆，大大提高了混泥土泵的机动性，使混泥土浇筑变得更加方便。从此 ， 车第 3 页共 51 页 载式混泥土泵取代了传统的固定式混泥土泵，泵车成为发展的 主流 方向。 在 2008 年，全球爆发金融危机时， 国家 实行 4 万亿救市 政策 ，重点发展工程机械行业，许多大小工程机械企业进行了大规模的扩张，泵车技术也得到飞速发展， 2011年 9 月，三一重工成功下线 长度为 86m 的 7 节臂架混泥土泵车 ，理论排量大 240m3/h，创造了 泵送排量最大、 臂架 长度 最长 和 节数最多 的 三项世界纪录。目前 ， 在混泥土泵行业中，三一重工、中联重科都处于世界领先地位 3。 泵车的臂架系统是一个典型的柔性多体系统 4。臂架系统是 混泥土泵车的主要组成部分之一，该系统是由连杆，臂架，连接件，液压缸和输送管组成的可折叠和展开的多个平面四连杆机构，对泵车的性能影响很大 （如图 1示） 。臂架系统是在泵车工作过程中，输送管内部压力不连续以及混泥土浆体产生的冲击力作用，会使臂架系统产生周期性振动。臂架振动主要有两方面的危害：一方面是振 动会影响浇筑精度， 另一方面是产生振动疲劳 。 1架油缸 2架 3 4杆 5架油缸 6杆 7架 8架油缸 9杆 10杆 11架 12架油缸 13杆 14杆 15架 图 1泥土泵车臂架简图 第 4 页共 51 页 泥土泵车臂架系统激振试验 背景及意义 随着泵车在建筑施工上的广泛使用， 泵车臂架系统的 可靠性 引起 了 有关人员的重视 。有兴趣的科技工作人员花费了心血和时间去研究臂架系统， 目前 他们 研究 泵车 臂架系统主要在以下几个方向： (1)从 泵车液压系统 不同工况的 的仿真分析 中得到 液压系统对臂架运动的影响 ； (2)臂架系统 在虚拟样机上的 振动分析 、运动学仿真分析和动力学仿真分析 ； (3)运用各种方法对 泵车臂架 进行 稳定性分析 ，如有限元分析等 。 长安大学的吕彭民、汪红兵两位学者从 液压系统对臂架运动影响 的角度出发 ， 详细分析了 在不同峰值的液压缸冲击载荷作用下 的 臂架系统动态响应 。 他们 指出 液压冲击峰值大小 与泵车的振动有着密切的关系 。 减小油缸液压冲击峰值可大大减小臂架结构的动应力 ， 从而改善结构的疲劳寿命 5。 沈阳建筑大学高凤阳教授在混泥土泵车臂架振动分析一文中 对臂架系统进行了振动分析 ， 他 通过建模和采用 件仿真，分析臂架的振动特性，掌握了泵车臂架系统部分振动规律 。 臂架姿态对振动的影响也较大，关节角度越小振动越大，为减小振动幅度提供了参考 6。 在长安大学的王海英和胡新杰 两位学者在混泥土泵车结构应力场分析与试验研究一文中， 从有限元分析方面， 通过有限元建模，用相关软件进行静强度分析，然后在实验台验证了有限元计算结果。对比后，找出了臂架出现裂纹的原因并提出了改进方法 7。 管很多的学者研究了臂架系统的振动特性，并提出了可行的减振方法， 例如 出的模态控制方法 8。 但是 臂架系统的振动是不能消除的，臂架系统始终存在 振动 疲劳问题，而在疲劳试验这一 方面 ，大多数研究学者进行的是仿真实验，并没有设计试验机去测试。 第 5 页共 51 页 目前， 市 面 上 也有很多类型的 振动试验机 供应。 大多数 振动 试验机 测试的是中高频的 小振幅 振动，主要针对的是小型设备在生产制造，组装运输，工作使用过程中的振动试验 。例如市面上典型的 某型号 振动试验台（如图所示）， 振动频率为 1 400幅 5虽然 市面上 也有改进版的型号，但其频率和振幅远远满足不了泵车臂架的振动试验需要。 图 1某型号振动试验台 生活 告诉我们， 只有 实践 才 是 检验真理的唯一标准。对于像臂架 系统 一样的复杂振动系统，无论分析 、 计算 以及仿真 多么精 确 ， 都 必须 要经过疲劳试验 ，以 验证计算和仿真结果 的正确性 。因此，设计一台 以某型号泵车臂架系统为振动测试对象的 周期性激振试验机是必不可少的 ， 然而 由于时间和作者水平的有限，本论文设计的是周期性激振液压机的液压系统部分 。 1 4 本 文的主要内容 课题的 任务 包括： (1)完成激振试验机液压系统方案设计，参数指标：激振频率 0频率连续可调； 系统驱动力不小于 100 验机重量不大于 90 连续第 6 页共 51 页 工作不低于 2500 h； (2)分析驱动力与激振力以及各结构参数之间的关系 (3)完成液压系统方案设计，完成液压原理图以及关键元器件选型； (4)设计液压站主要零部件； (5)提出控制策略 。 论文的主要内容如下： （ 1）方案设计： 周期性激振试验机 激振原理， 液压系统 回路 设计； （ 2） 液压系统 结构设计： 液压缸设计 、油箱 设计 以及液压站 设计 ； （ 3） 液压元件的选取 ： 液压阀、液压辅件、液压泵以及电机的选用； （ 4） 液压系统的控制策略 ： 用 之满足工作要求 。 第 7 页共 51 页 第二章 液压系统的总体方案设计 期性激振试验机液压系统的设计要求 周期性激振试验机根据臂架最大工作应力施加交变激振力，使臂架产生上下往复的周期运动，达到疲劳试验目的。所设计的液压系统产生的激振力频率在 0频率是连续可调的 ； 液压系统的驱动力不小于 100 1000N） ，系统能够连续工作2500 压系统工况分析 本液压系统驱动的负载运动非常简单，只要使臂架 系统 产生上下往复的周期运动即可。臂架 系统末端 往复的实际运动速度与位移如图 2架 系统末端 的实际运动速度与臂架 系统振动 疲劳关系可以忽略，为了简化运动的控制， 假设 在每一 个振动 周期内 的运动是匀速的。 图 2架末端纵向位移仿真曲线 第 8 页共 51 页 图 2架末端纵向速度仿真曲线 臂架系统仿真结果显示臂架末端位移振副 X 实测值得误差为 9。计算实际振幅 A 根据计算式 %A （ 2 得 实践振幅 A=248查阅相关资料，为了满足振动要求和 根据振幅的平均值，振幅 A=250据 臂架系统末端 的 直线往复 运动状况， 选取 双作用液压缸作为液压系统的执行元件。 定 液压系统工作压力 液压系统的 工作压力主要是根据负载的大小和设备类型来而定 10。 同时 ， 要兼顾执行元件的安装空间、经济条件、元件供应情况等客观 限制 条件 。一般来说， 对于应用 在不同场合的液压系统 ，其 工作压力的选择可参考表 2 表 2负载选择工作压力 负载 30工作压力 320L ( ) 壁厚 3 34 5 （ 3） 油箱底脚高度一般 175右以便搬运和放油，其壁厚一般是箱体壁厚的 2倍。 （ 4） 如果液压泵及电机安装在油箱盖板上，油箱盖板的设计厚度应为侧板厚度的3倍以上以避免产生幅度较大的振动。油箱盖板必须用螺钉与箱体所焊的角钢固定连接。顶盖可以是整体式的；也可以是分体式，分成几块，分别安装阀块和电机、液压泵等。 mm mm 2 页共 51 页 （ 5） 从人机学的角度看，要在油箱的恰当位置设置吊耳或者起吊螺钉，方便油箱移动。 （ 6） 油箱常设 23 块隔板，将吸油区和回油区分开，这样既利于散热也有利于沉淀杂质及排出气体。隔板高度为油液面高度的 2/33/4。 （ 7） 油箱盖板开设通气孔将油液液面与外界大气连通。通气孔处设空气过滤器有一举两 得的效果：除了能过滤空气外，它的滤网还可当做注油的过滤装置。 （ 8） 油箱底板 要 适当倾斜，而且要在最低位置处安放放油塞 23。在箱壁位置易见处安放液面指示器 ， 在油箱壁开设清洗窗口，平时用密封垫 圈 和盖板 将其封死，需要清洗或检查时拧下螺钉即可 。 （ 9） 为了保证油液的质量，泵吸油管需要装有一个油液过滤器。它跟油箱的底面要保持一定的空间距离，其侧面距离箱壁要大于 3倍管径，其底面和油箱底板的距离要大于 2 倍管径，从而使油液能顺利进入滤油器。回油管口距离最低液面要大于 200侧面距离箱壁要大于 3倍管径，以避免回油时 油液飞溅起泡。回油管口要斜切 450角，能够增大出油口面积，并面向箱壁有利于散热、减缓流速和沉淀杂质。泄漏油管口要始终保持在油液液面以上，不宜在油液液面下方，避免增加漏油腔的背压。吸油管、泄露油管、回油管通过顶盖的孔都需要安装优质密封圈，避免油液受污染。 （ 10） 新油箱要经喷丸处理、酸洗处理和清洗表面等一系列加工处理过程，内壁可以涂上与油液相容的耐油涂料或者塑料薄膜等。 箱的容量设计 油箱容积的经验公式为 （ 3 第 33 页共 51 页 式中 液压泵每分钟排出油的体积， 3/a 经验系数，见表 3 3经验系数 a 的取值 系统类型 行走机械 低压系统 高压系统 锻压系统 冶炼系统 a 12 24 57 612 10 根据设计要求，本次设计为低压系统故 a 取 3，入公式（ 3得 =336 L 根据 7938压泵站油箱公称容量系列 如 表 3选择油箱的公称容量 V=400 L。 表 3箱公称容量 油箱公称容量（ L） 0 16 25 40 63 100 160 250 315 400 500 630 800 箱长、宽、高 根据 00求，即 当油箱液面达到油箱高度的 80%左右时，能够达到 400L 的容量，根据长宽高比值 关系 ，设定油箱长 x 宽 体壁厚 因为本次设计油箱容量为 400L 大于 320L，所以壁板厚度选择 为 5箱体采用焊接 方法组合起来。 箱 底 脚 第 34 页共 51 页 此次油箱设计由于安装高度的没有限制，油箱脚需直接承受油箱重量，考虑到搬运与放油因素，故确定选用 45号钢，脚高为 200度为 10图 3。 图 3油箱地脚零件图 箱顶盖 油箱配件的选用为顶置式，故顶盖厚度适当选大，盖板厚度选为 20于常用的 3倍 于 壁板 的 标准设计厚度。为了是安装方便以及考虑顶盖的整体性能，设计为 整体式盖板，增加油箱的 可靠性 。 箱吊耳 在左右侧板的上端中间分别设置 1个转运吊耳。由于油箱整体质量较轻 ，直接焊接在侧板上。 箱隔板 根据油箱长度为 1000油箱长度方向设置两块隔板，厚度与壁板厚度相同为5度为 370 箱底板 为了能够方便清洗油箱以及方便安放放油塞，油箱底板应该设置为斜面。一般设置第 35 页共 51 页 底板向一端倾斜 ，一端高、另一端低，斜角为 20。 箱清洗孔 为了方便使用者去清洗油箱 ， 设计时应在两侧 壁板中心位置开设 一对 清洗孔，并焊接 上 法兰， 和 清洗盖板 用螺栓连接并且中间加密封垫圈 以防止漏油 ，平时不用时，一定要把螺栓拧紧 。 箱后处理 为了提高油箱的机械强度和去除焊屑等杂质，油箱要进行喷丸和酸洗处理，待表面清洁后，在其内外壁可涂上与油液相容的耐油涂料或者黏上一层塑料薄膜。 压泵和电机的选取 液压泵是液压系统的动力元件，其作用是给液压系统提供一定流量和压力的油液 24。液压泵的选择主要是根据液压设备的工况，功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定液压泵的结构类型，然后根据液压系统所要求的流量、压力的的大小确定其规格。 由于系统所需的流量为 0112L/ 一般的变量叶片泵难以满足要求，经查机械设计手册，选择排量为最大 r，型号 柱塞泵，当转速为 3000r/恰能很好地满足流量要求。 电机的选择： 因为泵由电机带动，所以电机的转速与泵的转速相同。液压系统所需最大功率 P= / (3式中 为传递效率（包括机械效率和液压泵容积效率），取值为 算得 P= / 01 1 =参照功率要求和转速要求，选取电动机型号为 电机 额定功率 4步转速 3000r/ 36 页共 51 页 第四章 液压站的装配及控制策略 液压站又称之为液压泵站，是一种独立的液压装置，通过控制油液的压力、方向和流量，它可以按照主机的工作要求供油。液压站可适用于主机和液压装置分离的的任何液压机械设备。使用时，只需将液压站与主机执行机构 (如液压缸等 )通过油管连接，液压机械设备就可以满足各种工作要求 25。液压站的组成部分包括油箱、泵装置、集成块、电器盒四部分。各部件作用如表 4表 4液压站组成部分及其作用 液压站部件 功能 油箱 钢板焊接而成的封闭容器，上面安装有液位计，空气过滤器等， 用来储油、冷却及过滤油。 泵装置 装有电机和液压泵，是液压站的动力源，将机械能转换为 液压油的动力能和压力能。 集成块 由液压阀和通道体组合而成，对液压油实行方向、流量、压力控制。 电器盒 分两种形式：一种设置外接引线的端子板；另一种配置了全套控制电路。 压站的结构类型 液压站的结构 类型通常 以泵装置的结构形式、安装位置 和 冷却方式来区分 。 按泵装置 结构 形式安装位置可分 以下 三种 （如表 4 第 37 页共 51 页 图 4三种安装形式的液压泵 表 4液压站结构形式 结构形式 安装位置 用途 上置立式 泵装置立式安装在油箱盖板上 通常用在定量泵系统中 上置卧式 泵装置卧式安装在油箱盖板上 通常用在变量泵系统中，便于流量调节 旁置式 泵装置卧式安装在油箱旁，旁置式可装备备用泵 主要用于油箱容量 250L，电机功率 制阀的集成 控制阀的集成需要液压 集成块 （如图 4示） ，液压集成块又 叫作 组合式液压块，是上世纪 60年代出现的 有创新意义的 液压阀和联接方法 之一 。 液压 元件之间借助 集成块块 中钻出的孔道 相 连通， 从而组成各种 回路 26。 液压集成 块的上下面 留有 若干 形状不同的连 接孔作为块 之间的 联接，以便 叠积各种液压回路 成为 我们 所需的 液压 系统。 液压集成块 优点有以下几个方面 ： （ 1） 通过 利用板式元件 像搭积木一样 组合成各种液压回路，完成 系统所需的各种动作 ； （ 2） 液压集成 块 可以利用空间上的体积 、 因此能够 缩小液压设备 的 占用面积； （ 3） 在 块内孔道 取代了 管道 ，使 管路连接 、 安装 以及 管理 变得根据方便 ； 第 38 页共 51 页 （ 4） 通过 缩短 连接 管路，漏油现象 得以改善 ， 增强了 液压系统稳定性； （ 6） 灵活性大，只 需将液压集成块 更换 就能 变更 液压回路。 图 4液压集成块机器剖视图 力源装置 由于电力能源 的 价格便宜，使用方便且 对环境无污染 ，因此大多数的机械设备均青睐使用电机最为动力源。 相比内燃机等动力设备来说，在方便取电的条件，电机的综合性能更好，所以本次设计的液压站也采用电机带动液压泵工作。 电机和液压泵的结构复杂，基本上是由专门的厂家负责提供。动力源装置是液压站的核心部件之一，因此我们必须将第三章第五节选好的型号合理装配。装配时要严格保证电机轴与液压泵传动轴的同轴度要求；装配时要区分好液压泵进、出油口的位置，避免油口位置与油管位置不对称；液压泵和电机之间的安装体应该选减振材料，如灰铸铁等。 压系统的控制策略 经过前辈们的努力，机械的结构开发的很完善了，目前大多数运动形式和动力传输都可以被一个机构或若干个组合机构完成。要想在机械结构上创新已经变得越发困难，所以有很多人转型去研究机械控制了。 第 39 页共 51 页 信息时代为机械控制提供了良好的发展条件，如今控制成了工业界的热门话题。大多数工业产品是离不开控制的，只不过以前大家没有很好地认识到这点，例如：开关控制是 90%的工业产品必备的功能。随着控制技术的不断创新，如今的控制不再仅仅是简单的开关、逻辑运算控制，而是过程控制，模糊控制，自动控制等先进的控制手段。现在的控制设备也五花八门，有单片机， 可编程逻辑控制器 ）是 上 世纪 60 年代 初 发展起来的一种新型自动化控制 设备 ， 它 最早 只能用来取代 传统继电器控制，只有逻辑计算、计数 、 计时及顺序控制 功能，并且局限在开关量控制方面。 如今， 置控制等场合的所有领域，也可用于闭环的速度和位移控制，除了保留原来的功能外，还吸收了其他控制设备如计算机、分散系统等优点。在大多数场合，只需要一个 可构成包括过程控制、逻辑控制、数据采集计控制和图形的工作站 27。 芯片，具有体积小、种类轻、结构紧凑、能耗低、编程直观容易等特点，是机电液一体化的理想控制设备。 当代生产自动化最重要、最普及、应 用最多的工业控制装置，被认为是现代工业自动化的三大支柱（ 器人、 一。鉴于 著优势，以及 本次设计的液压系统 也采用 制 。 、电源、编程器、 下图 4第 40 页共 51 页 图 4本结构 监测现场到的输入根据编写的控制逻辑做出响应，控制现场的各种连接的机器设备。 本液压系统既有开关量控制又有模拟量控制，包含 5个开关量输入点， 5个开关量输入点， 1个模拟量输入点和 1个模拟量输出点。 00多家，但由于中国起步晚，精密制造的水平还存在一些差距，故中国国内的 界著名 家有德国的西门子公司和日本的三菱公司，西门子公司的 络通信便利、开放性好，适合较大的控制系统。日本三菱 合独立设备 的控制，并且学习和操作容易，非常适合新手，在价格方面比西门子有一定的优势。比较后认为选用三菱公司的 虑到输入输出点数和设备工作需求，选择 需 2个特殊功能模块，型号为 第 41 页共 51 页 图 4统设计流程图 当电磁铁 压缸复位下行；当电磁铁 压缸复位上行；当电磁铁 压缸工作下行；当电磁铁 压缸工作下行；当只有 统处于卸荷状态。 根据液压系统电磁铁的动作顺序，建立 I/O 分配表，如表 4第 42 页共 51 页 表 4统 I/O 分配表 编号 输入点 编号 输出点 动机 000 电动机 1 动机 001 电动机 2 压缸移动按钮 002 电磁换向阀 6电磁铁 003 液压缸复位下行按钮 003 电磁换向阀 8电磁铁 004 液压缸复位上行按钮 004 电磁换向阀 8电磁铁 005 位移传感器 例换向阀 9电磁铁 006 振动频率值 比例方法阀的内置比例放大器会接收来自 内置放大电路如图 置放大器会根据输入信号的极性判断是电磁铁 且电磁铁移动阀芯的距离与信号的大小成比例关系。 图 4比例方向阀内置放大器 电路 第 43 页共 51 页 根据 I/图 4 脑除了本身带有信息处理和交换能力外，也是人们最习惯的人机交流界面、电脑就成了 收来自电脑的指令。开关量的输出电路上，因为 了防止 好在输出电路配备一个保险盒。 10V+10 图 4部接线图 当接好线后，简单的系统就可直接编写程序，对于复杂的系统或