【《基于液压控制系统的带式输送机自动张紧装置设计》10000字（论文）】

动力输出设备设计2.1液压泵的选用1.液压泵的选用原则液压泵的种类由齿轮泵、柱塞泵、叶片泵，根据本文题目设计传动系统的收紧结构时首先要考虑到其体积小且结构简单，且工作效率要高，并且要有耐用性特质[3]。针对于这三种液压泵，根据论文要求进行了横向对比。柱塞泵虽可在高压下进行工作，但其结构复杂并不适用于设计要求。叶片泵的结构复杂且对油液污染比较敏感，所以也不符合设计要求。齿轮泵相对来说体积小结构简单，工艺性好，对油液污染并不敏感，并且工作效率高，所以综上所述齿轮泵更符合设计要求。2.计算液压泵的驱动功率：P=KW(2.1)式中--液压泵额定压力；--液压泵额定流量；--液压泵总效率； --转换系数；恒功率变量的液压泵＝0.4。一般的液压泵：＝(2.2)限压式变量的叶片泵：＝(2.3)--液压泵的实际使用的最大工作压力；＝(2.4)F--活塞杆部分所受的拉力，--活塞无杆侧的面积，--活塞有杆侧的面积。＝＝19.9MPa(2.5)根据以上叙述，既要满足液压泵压力数值大于液压缸最大工作压力数值大小20Mpa又要满足节省成本、工作高效、质量可靠等相关要求，所以本论文选择了型号为CBN-E310的齿轮液压泵。3.液压泵的主要参数泵的型号CBN-E310泵的排量10mL/r额定压力25Mpa额定转速2000r-3000r/min驱动功率9.6KW重量3.4Kg容积效率2.2电动机的选用1.发动机选型原则(1)根据负载活塞的特性和运转特性，选择最适合的发动机。达到在生产运行过程中需要的要求[3]。(2)选择具有适合环境的保护和冷却方式的电机，其结构可能适合发动机的环境[3]。(3)经计算，得到发动机容量。通常，经过设计加工，发动机在75%-100%的负载转速下效率最高[4]。(4)选择可靠性高、易于维护的电机。(5)考虑更换的可能性，选择标准发动机。(6)应综合考虑电机极数和电压等级，确保整个系统高效运行。（7）计算液压泵所需电机的驱动功率。==0.995P==5.2KW(3.6)综上所述，电动机选择应在输出为5.2kw时效率为75%-100%，并且满足可靠性高、维修成本及难度低，且应为标准电动机。所以本文选择了型号为Y132M-4的电动机为液压泵做配套电机。2.选择电机型号电机型号Y132M-4满载转速2440r/min额定功率6.9kW额定转矩2.2Nm最大转矩2.2Nm同步转速2500r/min3控制和执行元件设计3.1阀体的选择1.选择电磁换向阀电磁换向阀称为电磁阀。通过电磁铁的吸力推动滑阀的滑轮来改变油流的启闭运动，从而了解发动机的转动、启停。通常，该设备分为两种，分别为滑阀和球阀。电磁阀可直接用于控制液压系统中主油路的点火和切换；或者用来操纵主油路的主阀，比如溢流阀、调速阀、插装阀等。电磁止回阀种类繁多，按工作性质可分为二位二通、二位四通、三位四通、三位五通等[5]。；根据复位类型，分为弹簧复位式、钢球定位式等；按油路开关阀芯，根据台肩分为二台肩、三台肩，根据阀体上的沉体槽分为三、五等槽式，根据阀体、电磁铁连接型，有法兰、螺纹等类型[6]；按磁组成结构，分为干式和湿式[6]，有交流和直流两种。最大的液压缸压力值为20Mpa，液压泵最大工作压力为19.9Mpa，所以油泵供给的液压油经电磁止回阀完全排出并溢流时，阀门流量为24L/min。参见《液压元件产品样本》，规格选用24DO-B10H-T，工作压力20.58MPa≥20Mpa≥19.9Mpa，公称流量30L/min，根据24L/min设计。如图4所示。1推杆2阀体3阀芯4弹簧座5盖板图4电磁换向阀的结构图Fig.4Structurediagramofelectromagneticreversingvalve电磁阀油口数量为2，为进油口P和出油口A，具有工作位置数量为2：当其断电时，复位弹簧将阀芯推向左侧。向施加电压时，将阀芯推到右侧。图中P和A连接，移至回位时，P、A被堵住，为正常滑阀。2、溢流阀选择溢流阀是一种压力控制阀，它允许系统中多余的流体通过溢流阀溢出，以保持入口压力恒定。在液压系统中，溢流阀可作为恒压阀保持系统压力、远程调压、多极调压；液压系统可作为安全阀，防止过载。可作为制动阀控制发动机缓冲和制动，可与电磁阀组成电磁溢流阀，控制系统的卸荷操作。根据结构类型和工作原理，溢流阀可分为直动式溢流阀和实验溢流阀[3]。本文选择直动式溢流阀，是因为它直接通过调压弹簧的作用力来平衡作用在阀芯上的主油路的液压压力。如图5所示。1调压手轮2缩紧螺母3阀体4阀芯图5直动式溢流阀的原理图Fig.5Schematicdiagramofdirectreliefvalve对于直接溢流阀，当液压力小于弹簧力时应关闭阀口。阀芯靠弹簧力压在阀座上，液体不会在溢流口溢出；当液压力大于弹簧力时，阀芯打开导致液体流出。随着弹簧力的增加，开口增加。忽略滑轮重力、摩擦力和流体力时，稳态下直动阀力的平衡方程如下:P=K(X0+X)/A（4.1）式中P--进口压力（Pa）；A--阀芯的有效承压面积（m2）；K--弹簧钢度（N/m）；X0--弹簧预压缩量（m）；X--阀开口量（m）。从上面的公式可以看出，如果XX0，P=K(X0+X)/AKX0/A为常数。这说明直接作用于溢流流量的溢流阀的入口压力几乎是恒定的。两个溢流阀的工作压力值均较大时，即超过20MPa和19.9MPa时，压力油通过溢流阀完全排出时流量为24L/min。查阅《液压元件产品样品》，选用工作压力6.86～22.78MPa、公称流量30L/min的YE-L10H阀门。在液压系统中，两个溢流阀的工作压力设置为20MPa、22MPa。3、液控单向阀的选择液控单向阀是是一种单向阀，可以使流体单向流动，但是当反向启动后，由液压控制。液控单向阀为二通单向阀使用；可用作泄压阀或立式液压缸支承阀；在一定条件下，两个该阀可构成“液压锁”。(1)工作原理随着液控阀向前流动，流体从A腔流向B腔；如果控制油通过控制油口K，则向内推动液控阀的活塞打开锥阀芯，在这过程后，可从B腔流向A腔，使液控阀反向作用[5]。如图6如示。1锥阀芯2B腔3单向阀4A腔5控制油口K图6工作原理图Fig.6Workingschematicdiagra反向开启需满足：(4.2)式中--控制油压力（Pa）；--A腔压力（Pa）；--B腔压力（Pa）；--控制活塞摩擦阻力（N）；--锥阀芯摩擦阻力（N）；--弹簧力（N）；G--阀芯重力（N）；--控制活塞面积（m2）；--阀座口面积（m2）。其中，控制活塞和锥阀芯的摩擦阻力，可忽略。上式可化为：(4.3)当油箱接到Ａ口，即Pa=0，上式变为：(4.4)这说明当阀反向开启时，其中的控制压力不仅与A、B腔内的压力有关，还与阀座口与控制活塞的比值A/A*k相关。(2)性能要求除主要功能外，液压控制阀还必须满足：a.控制活塞的损耗小。b.反向开启时控制压力低。c.反向压损耗少。结合泵体、液压缸，考虑流量和压力选择液控单向阀，应考虑溢流阀和换向阀的工作要求，控制活塞应结合小渗透性和反向控制压力。此外，还有较低的反向压力损失。在选择DFY-L10H液压控制阀设计时，参阅《液压设计指南》。此液控单向阀最小工作压力为4.5Mpa最大工作压力为25Mpa,符合工作要求的最大及最小压力。活塞泄漏量Bmax≤0.6%，满足最小活塞泄漏量。且反向开启控制压力及反向压力损失也满足设计要求。3.2其他组成元件的选择1.压力继电器的选择压力继电器是一种液压电信号转换元件，当压力信号达到给定值时发出电信号。它通常用于泵加载、顺序电机操作以及系统安全保护和锁定。当液压达到压力继电器的设定压力时，发出电信号，达到控制电磁、电磁离合器、继电器等电器元件行为的功能。它降低油路中的压力，改变压力，发动机进行一系列操作；电动机关闭以关闭系统，作为安全预防措施。（1）分类及原理：压力继电器在通常情况下，有多种类型，如柱塞式、弹簧管式、膜片式和波纹管式等4种。当然，最常用的为柱塞式压力继电器。相比于其他三种压力继电器柱塞式压力继电器具有工作可靠、寿命长、容积量大、工作精度高等优点。根据结构分类，有单、双柱塞式，其中，单活塞式有柱塞式、差动柱塞式和柱塞加杠杆等类型。根据电信号功能，有单触点和双触点。(2)压力继电器的性能要求为：a.压力调节范围大。其压力控制限值为可以传输电信号的最小工作压力和最大工作压力。b.灵敏度。压力开关相对于开启和关闭时的压力差进行调整。c.高重现性。所谓再现性就是系统压力相对于设定压力的最大差值的百分比，即使压力继电器多次开启或关闭。d.瞬态特性好，开关时间短。选择压力继电器时，在满足其工作需求的同时，要考虑到其体积大小、成本大小、性能强弱、使用寿命等要求。所以本文选择了单注塞式双触点压力继电器。1底座2柱塞3微动开关4弹簧座5壳体6压力弹簧7调节装置8阻尼孔图7单柱塞式压力继电器Fig.7PlungerPressureRelay由液压系统可知，压力继电器的工作压力为20MPa。且需满足其为单柱塞双触点式压力继电器。基于压力范围广、高灵敏度、瞬态特性好等特点，所以根据选用HD-HED80A1X型号的单柱塞双触点式电压220V，压力0-25Mpa。2.选择压力表压力表测得的为19.9Mpa和20Mpa，故选择0-30Mpa的HC-Y820。3.过滤器的选用(1)选用原则进出水口直径：理论上过滤器的进出水口直径不应小于相应泵的进水口直径，一般与进水管径相同。公称压力：根据过滤器管路最大压力决定过滤器的压力水平。孔数的选择：根据混合物的粒径，环境中的工艺要求确定。“滤网规格”表中列出了屏幕的各种参数可以捕获的颗粒大小。过滤器材料：通常选用与所连接的工艺管道一致的材料。对于各种使用条件，可能需要由铸铁、低合金钢或不锈钢等材料制成的过滤器。计算过滤器阻力损失。滤水器按公称流量的一般设计压降为0.52～1.2kpa。3.过滤器的选用（2）重要的过滤器性能参数:纳垢容量、过滤精度a.纳垢容量滤网运行时，压差增大，压差达到规定极值时，滤网寿命因超载而终止。滤芯总截获量应根据滤芯承受能力或在滤芯使用寿命期间的滤芯总截获量。体积越大，寿命越长过滤器的滤量与表面孔隙度及滤料大小成比例。当外径确定为圆柱形弯曲筒体时，弯管量和弯管深度可增大过滤面。b.过滤精度控制水平越高的污染系统，过滤越精确，油污越干净。当前评定滤波精度的方法有：额定滤波精度，绝对值过滤精度：最大球状颗粒直径。对于此次设计来说，选用绝缘油过滤器过滤精度选1～5μm；内燃机油、齿轮油滤芯过滤精度选20～50μm。4.蓄能器的选择蓄能器是设计用来维持和释放压力的装置。液压系统中的功能包括能量存储、脉冲压力吸收和冲击压力降低。用途最多，主要有：(1)辅助电源存在液压系统执行器不连续运行，并且运行时间非常短。或者存在运行速度在工作循环之间变化很大。针对以上情况，通过蓄能器，减少液压泵的排量，降低发动机功率，节约能源。(2)用于补偿损失和保持恒定压力发动机长时间不运转，但可以利用蓄能器来补偿损失以保持压力恒定，从而使压力恒定。(3)应急电源在液压泵发生故障或突然故障时，蓄能器作为应急电源提供所需的油量，使发动机继续进行必要的操作，以确保安全。(4)用作热膨胀补偿器用于一些温度变化较大的封闭式液压系统。随着系统加热温度的升高，管道和液压油的体积都会膨胀。由于大多数液体的膨胀系数大于管道材料的膨胀系数，液体的膨胀体积增加了整个系统的压力[10]。有时，超出安全区压力限制可能会很危险。在这种情况下，安装合适容量的蓄能器可以吸收系统流体体积的增加，并通过限制安全来限制系统压力。随着系统冷却，液体量减少，蓄能器可以向系统供应所需的流体。(5)用作液体置换剂在封闭的液压系统中，蓄能器为液体填充装置。当液压缸活塞杆受到外力时，在这过程中，在节流阀泵基础上，油液从活塞腔内入液压缸活塞杆腔内[8]。活塞两端面积不同，下降时，会产生油到蓄能器中，进而产生压力。当外力消失时，活塞杆伸展，释放能量。(6)消除液压脉冲，降低噪音使用活塞泵或齿轮泵的液压系统具有压力和流量脉冲。如果系统中安装了电池，则可以将脉冲降至最低。因此，对振动敏感的工具和部件的损坏大大减少，并降低了噪音。（7）蓄能器总容积的计算(4.5)式中ΔV=每秒钟所排放的或所储存的液体的容积(L/s)；P0--预充氮气压力(bar)；P1--最小工作压力(bar)；P2--最大工作压力(bar)；n--可变指数【若等温n=1，若绝热n=1.4】；P2=200bar；因为压力波动≤3bar/s，故P1=(P2-3)bar；P0=最大工作压力P2*60%；因为等温，故n=1；考虑备泵启动时间为10s，则ΔV=0.25m3，即25L。根据之前的要求，最终选择了两个容量为25L的电池。（8）蓄能器的充气压力的确定P0=最大工作压力P2*60%；由于蓄能器的设计是为了减震、降噪、消除脉动，因此蓄能器的充气压力应等于蓄能器设定值处的工作压力。考虑到液压缸的最大工作压力为20Mpa=200bar。所以将蓄能器的最大压力值设定为200bar。算出P0=120bar。根据以上设定以及蓄能器需选择隔膜式蓄能器的选择本论文选择蓄能器型号为NXQ-A-25/20LA。5.液压管路的选择（1）管道内径管道内径主要取决于管道类型和管道内的流动速度。对于给定的流量，较小的内径会导致较高的流量和较大的压力损失，并可能引起噪声;较大的内径更难安装，占用更多的空间，质量更大。管道内径由下式确定。d4.61式中d--管路内径（mm）；Q--流量（L/min）；V--流速（m/s）。吸油管道内径d4.61=17.9mm(4.6)内径d取20mm，外径D取28mm。压油管道内径d4.61=8.9mm(4.7)内径d可取10mm，外径D可取18mm。泄油管道内径d4.61=17.9mm(4.8)内径d可取20mm，外径D可取28mm。（2）管路的选择依据《输送流体用无缝钢管》和管道内径计算,选择了液压设备中常见的表面光洁的10号和15号冷拔无缝管用于高压管路[9]。4执行设备即液压缸设计4.1液压缸的类型和安装形式在600KN左右，选用单作用液压缸，气缸安装采用枢轴类型，连接方式为前盖固定方式和后盖法兰连接方式。4.2液压缸主要零部件结构、材料和技术要求1.缸筒与缸盖（1）结构活塞分为前塞子和后塞子两种，前塞子和后塞子分别关闭液压缸活塞腔，起着导引、防尘和密封作用。后端关闭缸底的空腔，把液压缸和其它部件连接起来。汽缸和汽缸盖通常是通过法兰和拉杆等结构连接到汽缸的。图9缸筒缸盖零件图Fig.9Partdrawingofcylinderhead（2）材料和技术要求液压缸的材质必须足够坚固，抗休克和变形小来抵抗高工作压力和工作压力的波动,并且有足够刚性[10]。材料的力学性能如下表所示。a.缸筒壁厚及验算：表1缸筒壁厚Table1Thicknessofcylinderwall材料最小值最小值45610360b.缸筒底部厚度计算：由于单作用液压缸的设计，无杆侧无油压，前法兰用于液压缸的耦合形式。底部应具有足够的抗液压冲击能力，不考虑厚度。c.缸筒头部法兰厚度：具体尺寸见表2：表2法兰尺寸Tab.2Flangedimensions公称通径法兰焊端外径法兰外径螺栓孔中心圆直径螺栓孔径螺栓数量螺纹8089270203338M30密封圈法兰厚度法兰高度法兰外径法兰内径dXYf24811827070138127128065d.缸筒与端部焊接应力计算：由于单作用液压缸的设计，无杆侧无油压，前法兰用于液压缸的耦合形式。因此，不需要计算，只需要一般的焊接。缸筒制造加工要求：圆柱体的直线度公差不应超过0.03mm。气缸T面相对于内径的垂直度不应超过0.04mm/100mm。2.活塞（1）活塞结构型式：选择组合活塞。密封环可与导向环结合使用，降低活塞加工成本。组合活塞的结构变化很大，可以拆卸和安装多次，密封寿命长。（2）活塞与活塞杆的连接：选择锁紧装置是为了防止在工作过程中通过交替运动释放[10]。（3）活塞的密封：采用车氏组合密封角形滑环式。（4）活塞尺寸与加工公差：活塞的宽度等于活塞外径的0.8倍。（5）活塞的材料液压缸活塞常用的材料有耐磨铸铁、钢、铝合金等。液压缸活塞材料的选择。3.活塞杆活塞杆的端部结构形式选择外螺纹。由于液压缸体积过大，所需要的强度过高，所以为了满足设计要求所需的强度，本次设计选择了实心活塞杆作为液压缸所需活塞杆。实心活塞杆相比于空心活塞杆。更便于安装和拆卸、有更高的强度、便于加工、径向尺寸也更为紧凑。（1）活塞杆结构实心活塞杆结构如图10所示。图10实心活塞杆Fig.10Solidpistonrod（2）活塞杆材料实心钢筋由35无缝钢和45无缝钢制成。由于45钢的机械性能更好更适合于机械设备，而35钢由于有更好的塑性且强度不高。所以在本设计中，选用45钢作为柱塞材料。4.3活塞杆的导向套、密封和防尘导轨长度的确定:一般采用两段导轨，每段导轨宽度为d/3，两段导轨中心线之间的距离为2d/3。力分析:导轨手柄力分析。由于比材料的允许压缩应力低得多，因此不需要进行验证计算。导轨长度的确定:如果导轨长度过短，会影响液压缸的工作性能：H为导轨长度，A为导向面长度其中，H≥A在缸径<80mm时，A=(0.6～1.0)d。当缸径>80mm时，A=(0.6~1.0)d。这种设计的液压缸直径为220毫米。因此，第二个公式被A=(0.6~1.0)d所取代。A=0.8d=0.8×70=56mm加工要求:导套外圈与盖内孔配合一般为H8/f7，内孔与活塞杆外圈的配合一般为H9/f9。5.4油口油孔包括油孔和连接油孔的螺纹。液压缸被设计成一个单作用缸，因此只有一个油孔可以设置在盖子和液压缸上。表3油口尺寸Tab.3SizeofoilorificeD(螺纹精度6H)J（min）K+0.4EP（min）S（max）U+0.1Y（min）ZM18×1.514.52.422.016.52.019.829.01504.5密封圈、防尘圈的选用为了减少或避免环在运动过程中的变形，用于动态密封的环的截面直径大于静态封闭的环的截面直径。用于动态密封的O形环也可用于静态密封[10]。与其他密封件相比，O型密封件具有以下优点:1．密封性好，单环可双向密封性;2．密封区域结构简单，便于拆卸和安装;3．良好的流体、压力和温度适应性;4．在动态摩擦阻力较低的情况下，可以实现动态密封和静态密封。4.6销轴的安装表4安装的液压缸为销轴的主要尺寸(mm)Tab.4Mounthydrauliccylinderaremaindimensionsofpinshaft(mm)直径销轴结构尺寸压力20MPa220 TD60TL604.7液压缸的主要性能参数1.压力p（1）公称压力本次设计选用公称压力为=20Mpa。（2）最高允许压力通常规定为≤1.5，此最高额定压力为=25Mpa（3）耐压试验压力额定压力≤16Mpa时，=1.5，额定压力>16Mpa时，=1.25，对军用产品规定=(2-2.5)，显然此处耐压的试验压力30Mpa。2.液压缸活塞之理论推力图11活塞杆受力示意图Fig.11Schematicdiagramofpistonrodforce当活塞杆向外伸出时的理论推力=Ap=p实际推力为=20≈760000N=760KN（5.2）当活塞缩回时的理论拉力=p==(-)20≈600000N=600KN（5.3）3.液压缸负载率为实际推力与额定推力的比值：=（5.4）通常取=0.5～0.7,也可取=0.45～0.75。这里取=0.7。4.单活塞杆液压缸两腔面积之比(速度比)：===（5.5）式中，--活塞无杆侧的有效作用面积；--活塞有杆侧的有效作用面积；--塞杆伸出的速度；--活塞杆退回的速度；D活塞直径(或缸筒内径)；d--活塞杆直径。单柱塞液压缸两室表面比应符合要求，转速比不应过大或过小;5.液压缸往返速度和当无杆腔进油时: =（5.6）实际速度:==0.008m/s（5.7）当有杆腔在进油时:=实际速度:==0.01m/s（5.8）6.活塞作用力FF=(5.9)式中--外负载阻力；--回油阻力。当油直接回油箱时,0；--活塞密封和活塞杆密封的摩擦阻力之和,即=f(D+d)(5.10)式中f--密封圈摩擦系数,取f=0.05-0.2；p--密封圈两侧压力差；--活塞,密封圈宽度；--活塞,摩擦修正系数。通常，O型密封圈:k0.15，压紧型密封圈:k0.2唇型密封圈k0.25，--活塞的惯性力。=5341N(5.11)7.效率（1)机械效率，额定压力下,通常取=0.9～0.95；（2)容积效率，弹性密封时,1,活塞环密封时,；（3)作用力效率，由回油背压导致，活塞外伸时：=(5.12)活塞退回时：=(5.13)当回油口接油箱时,1式中--活塞无杆侧,有杆侧压力；--活塞无杆侧,有杆侧有效作用面积。总效率：=