毕业设计（论文）-果园升降搬运作业车液压系统设计

本科毕业设计(论文)本科毕业设计（论文）题目：学院：专业：学号：学生姓名：指导教师：2024年6月1日1绪论2液压系统方案的制订与分析2.1基本参数设定系统最大压力：12MPa（后文选取）系统最大流量：80L/min单缸最大受力：50KN（设定为升降油缸最大负载力）油缸最大速度：0.2m/s2.2液压系统方案的确定(1)确定执行元件的类型根据工况分析可知，液压缸采用活塞杆，执行驱动动作。(2)确定液压系统回路类型常用的液压系统回路方式有两种：一种是开式液压回路，一种是闭式液压回路。本文所设计的液压系统，参照有关文献可知，采用开式回路无疑是更合理。(3)确定液压泵类型液压系统中液压泵类型有定量泵、双联液压泵和变量泵。液压系统得工况很多，综合考虑下，最终选择变量泵。能够满足液压系统的设计要求，也能够节省成本和提高效率。(4)选择控制元件通过前面分析了本次设计的液压系统的工作液压缸，需要上下运动，采用一个三四通电磁换向阀对液压缸进行换向左右驱动，中位采用Y机能。(5)选择保压控制方案选择换向阀中位采用Y机能，A口和B口中位与T口连接，卸油，需要设计一个双向液压锁用于锁死油路，保证了油缸到达一定位置，可以保持位置不变。通过以上分析可知，设置出了两套工作方案。如图2-1所示，一是通过双向液控单向阀来锁定活塞杆伸出的位置，二是通过电磁换向阀的中位O技能来保压，由于电磁换向阀为间隙配合，有泄漏不能保证保压的时间，而且还会随着磨损泄露更加的严重，因此采用方案一，双向液控单向阀对液压缸进行保压，就能够达到要求，使工作稳定。（a）换向阀Y型机能（b）换向阀O型机能1-液控单向阀；2-三位四通电磁换向阀Y型机能；3-三维四通电磁换向阀O型机能方案一方案二图2-1保压控制方案2.3液压系统原理图的设计与分析2.3.1液压系统原理图的设计图2-2果园升降搬运车液压系统原理图2.3.2液压系统原理图的分析果园升降搬运车液压系统由一个变量泵提供动力油源，由1个主系统构成，2升降油缸作为执行元件执行动作。启动电机4，电机通过联轴器与变量泵3连接，然后带动泵工作，变量泵3以一定转速运转后，从油箱1中吸油，油液经过吸油过滤器2进入到变量泵3中再以一定排量的油液进入到主系统回路中去，油液首先来到三位四通电磁换向阀11的P1口，此时P1口不通，当通过电信号控制电磁铁2YA通电时，此时油液经过电磁换向阀11的P1口到达A1口，然后油液从A1口经过双向液压锁12和双向节流阀13进入到升降油缸的无杆腔，推动油缸缸杆伸出，从而控制升降装置升起；当通过电信号控制电磁铁1YA通电时，此时油液经过电磁换向阀11的P1口到达B1口，然后油液从B1口经过双向液压锁12和双向节流阀13进入到升降油缸的有杆腔，推动油缸缸杆缩回，从而控制升降装置下降作。整个支路中双向液压锁12是保证油缸到某个位置需要停止的时候可以锁死油路，防止油缸误动导致物体掉落，双向节流阀13是调节进出口流量，进而调节油缸的伸出与缩回的速度，控制升降装置的升起与下降的速度。蓄能器10是在整个油路压力较高的时候吸收压力，在压力较低的时候起到动力油源给系统供油的作用，同时还能吸收油缸动作带来的冲击。2.3.3电磁铁循环动作表电磁铁动作循环表如下：2-2循环状态各功能电磁铁得电失电情况统计表工况1YA2YA3YA卸荷－－+启动－－－升起－+－下降+－－停止－－－3液压系统的计算与选型3.1系统压力的选择升降油缸最大负载力为F=50KN在其它工况负载都不太高，参考表3-1和表3-2，初选液压缸的工作压力。3-1按负载选择执行元件工作压力负载/KN<55～1010～2020～3030～50>50工作压力/MPa<0.8～11.5～22.5～33～44～53-2各类液压设备常用工作压力机械类型粗加工机床半精加工机床粗加工或重型机床农业机械、小型工程机械液压压力机、重型机械大中型挖掘机械、起重运输机械工作压力/MPa0.8～23～55～1010～1620～32综上可知，考虑到实际，取系统最大压力选择为10MPa。3.2升降油缸的参数计算3.2.1油缸的缸径设计计算回油的油液压力一般为PO=0，已知最大负载为50KN，油缸受到最大力为50KN，系统工作压力P=10Mpa，则缸筒内径：(3-1)参照标准系列表，取D=90mm其中：D——缸筒的内径F1——液压缸最大推力P——液压缸最高工作压力η——液压缸总效率，通常取η=90%3.2.2油缸的壁厚设计计算当壁厚δ＞油缸内径的时候，即δ＞时，按厚壁筒公式计算：(3-2)当壁厚δ小于或等于油缸的缸径D的时,按薄壁筒公式计算,(3-3)式中：P——液压缸最大工作压力（MPa）[σ]——许用应力（Mpa），[σ]=，其中，σb为材料强度极限，n为安全系数；通常取n=3.5～5，δ——缸筒的壁厚（mm）查阅相关资料可得，45号钢的σb=600Mpa，中大型的工况，所以它的安全系数取6薄壁公式计算：δ≥用薄壁筒公式正确。考虑留有加工余量，取δ=5缸体外径尺寸：（3-4）3.2.3油缸的活塞杆设计计算首先根据速比的表选定速比。因为油缸的公称压力为10MPa，选取速比为2。通常是由速比μ得出计算出的，速比的定义是液压油缸收缩的速度与液压油缸伸出的速度之比，即：（3-5）速比通常都是大于1的，如果速度比越大，那么油缸的活塞杆杆径就会越大越大，这样就会越有利于活塞杆的稳定性，一般情况下，μ在1.25～2范围内变化。考虑到活塞杆的稳定性和强度以及上表中的压力，取μ=2。式中：d—活塞杆外径D—缸筒内径μ—速度比圆整并参考缸杆尺寸标准，取：d=70mm；由此求得液压缸两腔的实际有效面积为（3-6）（3-7）综上可知：升降油缸的基本参数为：缸筒内径D=90mm，缸筒外径D1=100mm，缸杆直径为d=70mm，行程根据实际安装设定。3.3液压泵的计算与选型3.3.1液压泵的最大工作压力确定液压泵最大工作压力按照下述计算公式计算：（3-8）式中：—液压元件最大工作压力；—进油路上总压力损失，（简单系统0.2-0.5MPa，复杂系统0.5-1.5MPa）油缸快升时：（3-11）油缸快退时：（3-12）则：∵所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%∴选取的液压泵要求额定压力为（3-9）3.3.2液压泵的最大流量确定液压泵流量的确定：（3-10）式中：K—系统泄露系数，一般取K=1.1～1.3，这里取K=1.2；—高压系统液压元件最大总流量，（油缸快升时流量最大）则：（3-13）根据计算压力和流量选择泵的型号为：A10VSO71变量泵，自适应负载变化而变化，压力范围0-35MPa流量范围：额定转速下的流量可达107L/min。3.4电机的计算与选型驱动功率为：(3-14)式中：—最大计算压力，—最大计算流量，—总效率，则：电动机一般允许在短时间内超载0-25%，因此，取电机的功率为22KW。故根据《机械设计手册》第五卷，选定Y180L-4型三相异步电动机，其额定功率为22KW，同步转速为1500r/min。3.5油箱的计算油箱容量可按下面的经验公式计算得到;也可按系统发热温升计算公式确定。(3-15)式中:V-油箱的有效容积(L);Qp-液压泵的最大流量(L/min);ξ-与系统压力有关的经验系数:低压系统ξ=2~4,中压系统ξ=5~7,高压系统ξ=10~12。由上式可知:又因液压油箱油液基本占据油箱2/3，所以油箱要比计算值大0-25%所以，油箱设计为500L油箱表3-3油箱容量JB∕T7938-199946.3102540631001602503154005006308001000125016002000315040005000630003.6管路的设计管道内径一般根据所通过的流量和允许流速，按下式计算：（3-16）（3-17）式中q—通过油管的最大流量ν—油管中允许流速d—油管内径;δ—油管壁厚;p—管内最高工作压力;σb—管材抗拉强度;n—安全系数。吸油管：油液流经吸油管时允许流速为0.5-1.5m/s，取v=1m/s，吸油管初步选择为10号冷拔无缝钢管，钢管内径为45mm，因此吸油管管壁厚5mm。所以：吸油管的尺寸为：内径45mm，外径555mm，壁厚5mm。同理可以计算出：回油管钢管内径25mm，壁厚3mm系统中压力管内径14mm，壁厚3mm。3.7液压元件及辅助件的选型表3-4各液压元件型号选择序号液压元件名称型号数量1吸油过滤器过滤器XU-16012泵A10VSO7113电机Y180L-414电磁换向阀4WE10Y15溢流阀DBW1016叠加式双向节流阀Z2FS1017压力表Y-10018空气滤清器QUQ319截止阀QJH110回油过滤器RF111联轴器LK10-80-28-45112双向液压锁Z2S10113蓄能器NXQ114单向阀S10G115液位计YWZ1（1）电磁换向阀系统要求系统流量80L/min，此时选用力士乐10通径的电磁换向阀4WE10Y，压力31.5MPa,流量可达到120L/min。图5.1电磁换向阀参数图（2）先导式溢流阀系统要求系统流量80L/min，此时选用力士乐10通径的先导式溢流阀，同时带有卸荷功能。DBW10，压力31.5MPa,流量满足系统瞬时80L/min。图5.2先导式溢流阀参数图（3）叠加式双向节流阀系统要求系统流量80L/min，此时选用力士乐10通径的叠加式双向节流阀Z2FS10，压力31.5MPa，流量满足系统瞬时80L/min。图5.3叠加式双向节流阀参数图（4）空气滤清器根据实际油箱的大小，以及承载的系统压力和流量，选用空气滤清器QUQ3图5.4空气滤清器参数图（5）液压泵系统要求系统流量80L/min故选择液压泵供油，型号为A10VSO71的变量泵，压力自适应负载变化，最高压力35MPa，最大流量107L/min(考虑损失以及震荡，泵流量能力需大于系统最大流量)。图5.5液压泵参数图（6）联轴器根据电机输出轴轴径45mm和泵的输入轴轴径28mm，选择联轴器LK10-80-28-45图5.6弹性联轴器参数图（7）电机根据泵所需功率计算，选定Y180L-4型三相异步电动机，其额定功率为22KW，同步转速为1500r/min。图5.7三相异步电动机参数图（8）单向阀根据系统压力选择单向阀10通经，S10G，管式安装。图5.8单向阀参数图（9）过滤器根据系统压力和流量选择XU-160过滤器图5.9过滤器参数图4液压系统的性能验算4.1系统效率η的估算估算液压系统效率η时，主要应考虑液压泵的总效率ηp、液压执行器的总效率ηA及液压回路的效率ηc。η可由下式计算:η=ηpηAηc其中液压泵的总效率可由产品样本查得，液压执行器总效率一般取0.9-0.95。取ηp=0.833，ηA=0.95液压回路效率ηc可由下式计算：式中:Σp1q1各执行器的负载压力和负载流量(输入流量)乘积的总和；即ηc==0.74所以η=ηpηAηc=0.833*0.95*0.74=0.6164.2发热温升估算及热交换器的选择4.2.1发热温升估算液压系统的压力、容积和机械损失构成总的能量损失，这些能量损失都将转化为热量，使系统油温升高，产生一系列不良影响。为此，必须对系统进行发热与温升计算，以便对系统温升加以控制。液压系统发热的主要原因，是由于液压泵和执行器的功率损失以及溢流阀的溢流损失所造成的。因此，系统的总发热量H可按下式估算:H=

Npi（1-η）式中:

Npi-液压泵的输入功率(W)；η-液压系统效率即H=

22（1-0.616）=8.448kw7.2.2液压系统散热估算液压系统中产生的热量，由系统中各个散热面散发至空气中，其中油箱是主要散热面。因为管道的散热面相对较小，且与其自身的压力损失产生的热量基本平衡，故一般略去不计。当只考虑油箱散热时，其散热量H0可按下式计算:H0=KA∆t式中:

K-散热系数

[W/

(m2⋅℃)]计算时可选用推荐值:

通风根差(空气不循环)时，K=8;通风良好(空气流速为1m/s左右)时，K=14~

20;风扇冷却时，K

20-25;

用循环水冷却时，K=110-175;A-油箱散热面积(m2);∆t-系统温升，即系统达到热平衡时油温与环境温度之差(℃)。

一般工作机械∆t≤35℃;工程机械∆t≤40℃;数控机床∆t≤25℃。当系统产生的热量H等于其散发出去的热量H0时，系统达到热平衡，此时∆t

=

H/(KA)当六面体油箱长、宽、高比例为1:1:1-1:2:3且液面高度是油箱高度的0.8倍时，其散热面积的近似计算式为:A=0.065由上两个式子可导出∆t

=式中:

V-油箱的有效容量。即

∆t≥35℃需要采用散热器。5PLC电控回路设计5.1电器控制原理图分析图5-1电器控制原理图1)在主回路中，对于KM1来说，是一个交流接触器，功能是用来控制主路的液压泵和液压泵驱动电机。2)如果电机发生过载，那么需要在电机的回路中加上一个过载保护装置，本原理图上加热继电器FR1，这样可以实现整个电机的热过载保护的功能，使得电机免于损坏，起到保护电机的作用。3)设置一个电源的总开关，即QF，电源总开关设置有两个功能。其一是能对主电路起到一个保护作用，短路的保护，其二是可以分段开三相交流电源，分开后可以方便维修。4)设置熔断器，即FU1，起到的功能是能对每个负载的回路进行一个短路的保护。FU2得作用是既能完成交流控制回路，又能PLC控制回路的短路保护。5)控制电路设置了电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，这样设置的好处是可以防止受到电源干扰。6)隔离变压器TC的选用是根据PLC耗电量的具体情况进行配置的，一般来说，可以设置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。7)泵、电源开关分别设置了指示灯用于提示开启状态，HL1、HL2由KM1-1接触器常开辅助触点控制。8)电机M要实现过载保护，需由热继电器FR1实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA3连接构成过载保护信号，不仅如此，KA3还能对电压起到转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号，然后传输给PLC完成过载保护控制功能。9)电磁阀1YA/2YA/3YA分别由中间继电器KA1-1；KA2-1，KA2-2触点控制。5.2电器参数计算与选型（1）分析断路器QF，脱扣电流。断路器就是供电系统的电源开关，他的主回路的控制的部分是电感性负载交流电机，断路器的过电流脱扣值一般有一个计算公式，通常按照电机启动电流的1.7倍取整计算。系统有22kW负载电动机一台，电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：（2）熔断器FU熔体额定电流IFU。表5-1元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号备注1M电动机1Y系列三相交流异步电动机2FR1热继电器1JR16B-20/3参照电动机整定电流3FU1～FU2熔断器2RL1-20熔体2～20A4QF断路器1C45AD脱扣电流10A5TC隔离变压器1BK-100变比1：1，AC220V6SB1起动按钮1LAY37绿色7SB2停止按钮1LAY37红色8SB3转换开关1LAY37-D2手动/自动转换9KM1交流接触器1DJX-9线圈电压：AC220V10KA中间继电器3HH52P线圈电压：AC220V11HL指示灯2AD16-22LED显示，AC220V12DT电磁阀14WE10Y线圈电压：AC220V13PLC可编程序控制器1FX2N-48MR继电器输出第6章集成块的设计6.1集成块孔道尺寸的确定1、确定通油孔道的直径（1）主级孔道的直径。主级孔道的直径按下列公式进行估算选取：孔道直径mmQ-孔道内可能流过的工作流量，L/minVmax-孔道允许的最大工作液流速，m/s一般，对于压力孔道，Vmax不大于6m/s；对于回油孔道，Vmax不大于3m/s.（一般取低压压力孔道不超过8m/s，中高压压力孔道不超过12m/s，回油孔道不超过4m/s。）可得：圆整取D=12mm(2)阀的油口相通孔道的直径，应与液压阀的油口直径相同。（3）与管接头相连接的孔道，其直径一般应按通过的流量和允许流速计算；具体计算如下：q-通过油管的最大流量v-油管中允许的流速d-油管内径表1-3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（4）工艺孔应用螺塞活球涨堵死。（5）对于公用孔道，压力油孔和回油孔的直径类比同压力等级的系列集成块中的孔道直径确定。2、确定通油孔道的壁厚当较小孔道孔径不大于25mm时，两相邻孔壁之间的距离不应该小于5mm；较小孔径大于25mm时，两相邻孔道孔壁之间的距离应不小于10mm。本文中设计的集成块孔径不大于25mm，而孔径远远大于5mm，所以符合孔道壁厚的条件。3、连接螺纹孔的直径（1）固定液压阀的定位销孔的直径和螺钉孔的直径，应与所选定的液压阀的定位销直径及配合要求与螺钉孔的螺纹直径相同。（2）连接集成块组的螺栓规格类比相同压力等级的系列集成块的链接螺栓确定，也可以通过强度计算得到。单个螺栓的螺纹小径d的计算公式为：块体内部最大受压面上的推力n-螺栓个数-单个螺栓的材料许用应力经计算的本文集成块固定螺栓M8,4个螺栓固定。6.2集成块的装配与调试6.2.1集成阀组装配注意事项（1）装配前保证各元件分开放置，保证各元件不被污染，保证清洁。（2）装配前检查各元件是否有明显的缺陷，是否有损坏等；（3）装配时，要小心避免元件磕碰损坏，注意密封不要损坏；（4）装配时，严格按照顺序装配；（5）装配后要将外接口封堵，防止进入灰尘等异物。6.2.2集成阀组装配与调试的要求液压阀块的装配制造以及调试，要严格按照使用要求：液压阀块装配前的清洗：阀块进行装配前，一般使用液压油打循环，以此去掉遗留的铁屑、污垢及杂质，防止系统装配好之后,再次打循环时，铁屑等进入液压阀体内，影响使用。（2）液压阀块装配时的注意事项：装配阀块时，首先要将阀块的油口用塑料堵盖或磁性贴片封住，防止脏东西进入污染阀块；其次要用捅块法再次校对，看孔道的相通情况是否符合相对应的液压原理图；然后核对所有待装的元件等，以免漏件或错件。另外，对于阀块上的工艺堵头也应检查一遍，即与图纸相符。对于阀块上安装液压阀或液压元件时所需的螺栓，安装强度应符合该元件的使用要求，使用力矩扳手紧固，否则影响阀与块的密封性。（3）液压阀块的调试：液压阀块的调试是指阀块上已安装好液压阀与液压元件后进行的调试。首先应进行回路清洗，即不断地变换换向阀，以保证所有的油路都能被清洗到；若有伺服阀或者比例阀，则需要使用冲洗盖板来替代，这种清洗不同于之前块加工完成之后所进行的清洗处理，不可省略。（4）阀块调试包括耐压试验和功能试验：试验时可以直接将阀块接入液压系统中进行，也可使用阀块试验台单独对阀块进行功能测试。液压阀块的试验压力应根据液压系统的工作压力来确定，对于小于16MPa的工作压力，试验压力为工作压力的1.5倍；对于16MPa～25MPa的工作压力，试验压力为工作压力的1.25倍；对于25MPa～31.5MPa的工作压力，试验压力为工作压力的1.15倍。耐压试验时应将块上的节流阀开口调到大，压力阀调节弹簧调到松，逐步地进行升压。当压力达到要求的试验压力后保压5min~10min，要求所有结合面不得有渗漏(即渗油)现象，若有渗漏，应查明原因，并在结合面处加密封胶。试验完成后，将阀块上的溢流阀或安全阀调到系统要求的设定压力值。阀块的每个回路都应按照液压系统的原理图一一进行功能核对试验。在液压系统中进行块的功能试验时，只需按照系统原理图的动作要求一一完成即可。在阀块试验台上进行功能试验时，首先应将块上的一组阀的对外油口包括测压点接好，其余回路的油口暂时用螺栓或堵盖封住，依次进行功能试验，对于有节流阀、比例伺服阀、调速阀之类的回路，要外接执行元件做试验；其次将阀块上P口的压力调节到系统要求的工作压力后再测试回路的动作功能，要求该组回路中的电磁阀中位机能正确、换向灵敏，能达到回路的动作功能且准确可靠，并应多次重复试验。当调试中出现故障和问题时，应先从液压原理进行分析，并列出引起故障的各种可能性原因,从主到次逐一检查。功能试验完毕，应将外露的油口堵住，以防脏物进入。6.3液压集成块设计要点及禁忌总结液压集成块设计是一项复杂的、技术含量高的设计，其中所要依据的标准错综复杂，所要设计的内容千奇百怪，为了实现整个液压集成块设计与应用，现就液压集成块设计中的需要注意的一些要点和禁忌进行了简单的总结，具体如下：1、设计要点（1）块体内油路通道尽量简洁，尽量减少深孔、斜孔和工艺孔；（2）对于有垂直或水平安装要求的元件，必须按安装要求设计集成块；（3）结构紧凑、体积小、重量轻；（4）要把工作中需要经常调整的元件（如溢流阀、调速阀等）安装在便于操作和观察的位置；（5）块体上要设置足够数量的测压点。2、设计禁忌（1）尺寸标注禁忌可以采用基面式、坐标式两种尺寸标注方法中的一种。结构紧凑复杂的集成块宜采用坐标式，即在块体上选一角（通常以主视图左下角）作为坐标原点，以xyz坐标形式标出各孔的中心坐标，其安装面上只用坐标法标出基准螺钉孔的位置，其余相关的尺寸以基准螺钉孔为基准标注。这样，既便于实现CAD、CAM，也便于手工绘图，粘贴元件样板图样（对所选元件，按其产品标本，绘出它顶视图轮廓尺寸和其底面上各蚀口位置尺寸的图样）和孔道位