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蓄能式液控蝶阀液压系统的设计和计算


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目录
内容提要.....................................................I Summary ....................................................II 1 绪论 ................................

.......................1 1.1 液压传动的发展历史 .......................................1 1.2 我国液压传动发展情况 .....................................2 1.3 液压传动在机械行业中的应用 ...............................3 1.4 液压系统的基本组成 .......................................4 1.5 液控蝶阀 .................................................5 1.6 设计方案简述 .............................................7 2 液控蝶阀液压系统设计 .......................................8 2.1 技术参数和设计要求 .......................................8 2.2 蝶阀安装方式选择 .........................................8 2.3 工况分析 .................................................9 2.4 负载循环图和速度循环图的绘制 ............................11 2.5 液压系统原理图的拟定 ....................................12 2.6 控制过程综述 ............................................13 3 液压系统的计算和元件选型 ..................................15 3.1 液压缸主要尺寸的确定 ....................................15 3.2 液压泵的流量,压力的确定和泵规格的选择 ..................16 3.3 液压泵匹配电动机的选定 ..................................17 3.4 阀类元件及辅助元件的选择 ................................17 3.5 管道的确定 ..............................................20 4 液压缸的结构设计 ..........................................25 4.1 液压缸主要尺寸的确定 ....................................25

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4.2 液压缸的结构设计 ........................................27 5 液压油箱的设计 ............................................30 5.1 液压油箱有效容积的确定 ..................................30 5.2 液压油箱的外形尺寸设计 ..................................31 5.3 液压油箱的结构设计 ......................................31 6 液压辅助元件的选择 ........................................35 6.1 蓄能器的选择 ............................................35 6.2 液位控制器的选择 ........................................35 6.3 空气过滤器的选择 ........................................35 6.4 温度计的选择 ............................................35 6.5 压力表的选择 ............................................35 6.6 回油过滤器的选择 ........................................35 6.7 液压工作介质的选择 ......................................36 7 液压系统性能的验算 ........................................37 7.1 压力损失的验算 ..........................................37 7.2 系统温升的验算 ..........................................37 8 液压系统安装及调试 ........................................38 8.1 液压系统安装 ............................................38 8.2 调试运行 ................................................38 8.3 液压系统污染的控制 ......................................38 8.4 调试注意事项 ............................................39 8.5 液压系统的维护及注意事项 ................................39 设计总结....................................................40 参考文献....................................................41 致谢........................................................42

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内容提要
本设计是对蓄能式液控蝶阀液压系统的设计和计算,运用了许多液压知识和机 械设计原理,液控蝶阀是国内应用比较多的一种自动控制阀,如水轮机的进水阀, 以及一些管道的自动开关阀。 本液压系统为蓄能式全液方式,不需要锤,减少了能量的消耗与空间,两个蓄 能器,保障了辅助能源,应急动力的充分供给,并且保障了足够的容积,而且若一 个有损坏,也可便于拆卸更换与维修。 蓄能式液压系统结构紧凑, 可置于阀门联接架上或置于阀门附近, 若客户需要, 可用 PLC 进行自动控制,并可以与 PC 主机连接进行自动化远程控制。 本液控系统的工作顺序为:首先液压系统启动油泵,压力油经单向阀、换向阀 进入油腔无杆腔,推动活塞运行,实现阀门开启,同时向蓄能器供油,蓄能器的油 压由压力控制器确定。 阀门的关闭是由蓄能器内的压力油经换向阀进入油缸有杆腔, 使油缸退回,迅速关闭阀门。关闭时间及角度由油缸尾部控制部分控制。

关键词:液压系统 液控蝶阀 蓄能式 自动化 控制

I

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Summary
The is a energy storage type hydraulic controlled butterfly valve hydraulic system design and calculation which using many hydraulic knowledge and mechanical design principle. The hydraulic controlled butterfly valve is a domestic application in many automatic control valves today in China, such as the turbine inlet valve, and some of the pipe ’s automatic switch valve. The hydraulic system of energy storage with all the liquid way type, don't need to hammer, what’s more ,reduce the energy consumption and space. With two accumulator to guarantee the auxiliary energy, emergency power supply full, and security enough volume, besides,and if one damaged, we can facilitate the removal replacement and maintenance. Energy storage type hydraulic system structure is compact, may be placed on a shelf or in the valve valve connection near, if the customer need, can use PLC for automatic control, and can be connected to the PC host for automatic remote control. The hydraulic controlled system work order: first hydraulic system startup oil pump, oil pressure by the check valve, reversing valve into oil chamber no stem cavity, drive the pistons operation, the realization of the valve open, and to provide the accumulator injection, accumulator of hydraulic pressure determined by the controller. The valve is closed by the pressure inside the accumulator oil in the reversing valves into the oil cylinder rod chamber, make the oil cylinder return, quickly close the valve. Closing time by the oil cylinder and Angle control part control. Keywords: hydraulic system ,hydraulic controlled butterfly valve , energy storage type , automatic control.

II

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1 绪论
1.1 液压传动的发展历史
液压与气压传动,又称液压气动技术,是机械设备中发展速度最快的技术之一, 特别是近年来,随着机电一体化技术的发展,与微电子、计算机技术相融合,液压与 气压技术进入了一个新的发展阶段。 液压与气压传动是以流体 (液压油液或压缩空气)为工作介质进行能量传递和控 制的一种传动形式。 它们通过各种元件组成不同功能的基本回路,再由若干基本回路 有机地组合成具有一定控制功能的传动系统。 液压与气压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。虽然从 17 世纪帕斯卡提 出的液体静压力传动原理、18 世纪末英国制造出第一台水压机算起,已有几百年的 历史,但液压与气压传动在工业上广泛采用和有较大幅度的发展确是 20 世纪中期以 后的事情,也就是 60 年前。 近代液压传动是由 19 世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的,最早实践成 功的液压传动装置是舰艇上的炮塔转位器,其后才在机床上应用。第二次世界大战期 间,由于军事工业和装备迫切需要发展迅速、动作准确、输出功率大的液压传动及控 制装置,促使液压技术迅速发展。战后,液压技术很快进入民用工业,机床、工程机 械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到了大幅度的应用和发展。 20 世纪 60 年代以后,随着原子能、空间技术、电子技术等方面的发展,液压技术向 更广阔的领域渗透,发展成为包挂传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。 现今, 采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。如发达国 家生产的 95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传 动。 随着液压机械自动化程度的不断提高, 液压元件应用数量急剧增加, 元件小型化、 系统集成化是必然的发展趋势。特别是近十年来,液压技术与传感技术、微电子技术 密切结合,出现了许多诸如电液比例控制阀、数字阀、电液伺服液压缸等机(液)电 一体化元器件,使液压技术在高压、高速、大功率、节能高效、低噪音、使用寿命长、 高度集成化等方面取得了重大进展。无疑,液压元件和液压系统的计算机辅助设计

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(CAD)、计算机辅助试验(CAT)和计算机实时控制也是当前液压技术的发展方 向。

1.2 我国液压传动发展情况
我国的液压工业开始于 20 世纪 50 年代, 液压元件最初应用于机床和锻压设备。

60 年代获得较大发展,已渗透到各个工业部门,在机床、工程机械、冶金、农业机
械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。当前液压技术 正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发 展。同时,新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工 作,也取得了显著成果。 2012 年液压系统技术发展新趋势分析报告指出: 目前,我国的液压件已从低压到高压形成系列,并生产出许多新型元件,如插 装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业在认真消 化、推广国外引进的先进液压技术的同时,大力研制、开发国产液压件新产品,加 强产品质量可靠性和新技术应用的研究,积极采用国际标准,合理调整产品结构, 对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品, 采用逐步淘汰的措施。 由此可见, 随着科学技术的迅速发展,液压技术将获得进一步发展,在各种机械设备上的应用 将更加广泛。首先,开展液压系统的故障揣测,落实主动维护技术。务必使液压系 统故障诊断现代化,加强专家系统的开发研究,设立完整的、拥有学习功能的专家 知识库,并利用计算机和知识库中的知识,推算出引起故障的原因,提出维修方案 和预防措施。要进一步开发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件,开发液压系 统自补偿系统,包括自调整、自校正,在故障发生之前进行补偿,这是液压行业努 力的方向。 1)机电一体化:机电一体化可落实液压系统柔性化、智能化,充分发挥液压传 动出力大、惯性小、响应快等优点,其重要发展动向如下:液压系统将有过去的电 液开发系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统,一起对压力、流量、位置、 温度、速度等传感器落实标准化;提高液压元件功能,在功能、可靠性、智能化等 方面更适应机电一体化需求,发展与计算机直接接口的高频,低功耗的电磁电控元 件;液压系统的流量、压力、温度、油污染度等数值将落实自动测量和诊断;电子
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直接控制元件将得到广泛采用,如电控液压泵,可落实液压泵的各种调节方式,落 实软启动、合理分配功率、自动保护等;借助现场总线,落实高水平信息系统,简 化液压系统的调节、争端和维护。 由于液压技术广泛应用了高科技成果,如:自控技术、计算机技术、微电子技 术、可靠性及新工艺新资料等,使传统技术有了新的发展,也使产品的质量、水平 有定然的提高。尽管如此,走向 21 世纪的液压技术不约摸有惊人的技术突破,应当 重要靠现有技术的改进和扩展,不断扩大其应用领域以满足未来的要求。其重要的 发展趋势将集中在以下几个方面。 2)减少耗费,充分利用能量:液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程 中,总存在能量耗费。为减少能量的损失,务必解决下面几个问题:减少元件和系 统的内部压力损失,以减少功率损失;减少或铲除系统的节流损失,尽量减少非安 全需要的溢流量;采用静压技术和新款密封资料,减少摩擦损失;改善液压系统功 能,采用负荷传感系统、二次调节系统和采用蓄能器回路。 3)泄漏控制:泄漏控制包括:防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对 系统的侵害两个方面。今后,将发展无泄漏元件和系统,如发展集成化和复合化的 元件和系统,落实无管衔接,研制新款密封和无泄漏管接头,电机油泵组合装置等。 无泄漏将是世界液压界今后努力的重要方向之一。 4)污染控制:过去,液压界重要致力于控制固体颗粒的污染,而对水、空气等 的污染控制往往不够重视。今后应重视解决:严格控制产品出产过程中的污染,发 展封闭式系统,防止外部污染物侵入系统;应改进元件和系统设计,使之拥有更大 的耐污染能力。一起开发耐污染能力强的高效滤材和过滤器。研究对污染的在线测 量;开发油水分手净化装置和排湿元件,以及开发能清除油中的气体、水分、化学 物质和微生物的过滤元江及检测装置。 它指明了中国现阶段的液压发展的现状和努力的方向。

1.3 液压传动在机械行业中的应用
机床工业——磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控 机床、加工中心等 工程机械——挖掘机、装载机、推土机等
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汽车工业——自卸式汽车、平板车、高空作业车等 农业机械——联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等 轻工机械——打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 冶金机械——电炉控制系统、轧钢机控制系统等 起重运输机械——起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等 矿山机械——开采机、提升机、液压支架等 建筑机械——打桩机、平地机等 船舶港口机械——起货机、锚机、舵机等 铸造机械——砂型压实机、加料机、压铸机等 本机器适用于可塑性材料的压制工艺。如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。也 可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、塑料制品及粉末制品的压制 成型。本机器具有独立的动力机构和电气系统。采用按钮集中控制,可实现调整、 手动及半自动三种操作方式。本机器的工作压力、压制速度、空载快速下行和减速 的行程范围均可根据工艺需要进行调整, 并能完成一般压制工艺。 此工艺又分定压、 定程两种工艺动作供选择。定压成型之工艺动作在压制后具有保压、延时、自动回 程、延时自动退回等动作。 本机器主机呈长方形,外形新颖美观,动力系统采用液 压系统,结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。该机并设有脚踏开关,可实现半自动工 艺动作的循环。

1.4 液压系统的基本组成
(1)能源装置——液压泵。它将动力部分(电动机或其它远动机)所输出的机 械能转换成液压能,给系统提供压力油液。 (2) 执行装置——液压机 (液压缸、 液压马达) 通过它将液压能转换成机械能, 。 推动负载做功。 (3)控制装置——液压阀。通过它们的控制和调节,使液流的压力、流速和方 向得以改变, 从而改变执行元件的力 (或力矩) 速度和方向, 、 根据控制功能的不同, 液压阀可分为村力控制阀、 流量控制阀和方向控制阀。 压力控制阀又分为益流阀(安 全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等;流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集 流阀等;方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不
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同,液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 (4)辅助装置——油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过 这些元件把系统联接起来,以实现各种工作循环。 (5)工作介质——液压油。绝大多数液压油采用矿物油,系统用它来传递能量 或信息。

1.5 液控蝶阀
1.5.1 液控蝶阀概述 液控蝶阀是蝶阀的一种,液控蝶阀分保压型、锁定型和蓄能型三种。 它适用于 水泵出口和水轮机的入口管路上,作为闭路阀和止回阀,用来避免和减少管路系统 中介质的倒流和产生过大的水击,以保护管路系统。其保压型、锁定型液控蝶阀, 靠液压驱动开启,靠重锤势能关闭。该法安装后,可替代闸阀(蝶阀)和止回阀, 且流阻系数小。关阀时分快慢两个阶段,前端为快关,后段为慢关,并可根据用户 需要调节快、慢关闭时间及角度,保压型液压系统设有开阀自动保压和自动复位功 能。锁定型具有自动保压和锁定销锁定双重保护。蓄能器液控蝶阀开启靠水泵,而 关闭时靠蓄能器。由于采用了蓄能器关阀,从而省掉了重锤,因此占用空间小,安 装方便、结构紧凑。电气控制可根据用户需要采用普通型控制和 PLC 控制,实现了 泵阀联动,并可实现就地远控及计算机联控。 1.5.2 液控蝶阀原理 1)开阀:液控蝶阀开发时 ,利用液控站和举升油缸的作用力,通过举臂,重 锤杆、阀轴等零件,带动碟板作 90° 旋转。与此同时,液控站和举升油缸的作用力 也通过举臂和重锤杆将重锤垂直提升,将重锤的重力转换为势能,为关阀做好动力 准备。 2)锁定:液控蝶阀的锁定机构由传动油缸,机械锁定轴、电磁锁定轴、电磁铁 等零件组成,具有机械电磁联合锁定功能,当阀门全开后,先有传动油缸的作用力 驱动机械锁定轴投入到锁定位置进行初锁,后由电磁铁的电磁力驱动电磁锁定轴进 行终锁,其锁定过程在一系列行程开关的作用下,完全自动进行,一气呵成。重锤 的巨大作用力完全由机械锁定轴承受,机械锁定轴的退出受到电磁锁定轴的约束, 而电磁锁定轴的退出则受到电磁铁的电磁力控制,只要电磁铁不失电,其电磁锁定
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轴和机械锁定轴就被牢牢控制住,不关阀门开启多长时间,不管重锤有多重、重锤 (碟板) 绝不会下落一丝一毫, 确保碟板开启后始终处于全开状态 (最小流阻状态) , 期间无需任何补油、补压措施。 3)关阀:关阀有三种情况,A:人为关阀;B:水泵或阀门自身故障失电关阀; C:外线失电关阀。不管哪种情况关阀,只需让电磁铁失电即可按预定的程序自动 关闭,在电磁铁失电瞬间,电磁力即刻同步消失。电磁锁定轴一旦失去电磁力的作 用则即刻开锁,机械锁定轴在失去电磁锁定轴的约束后也即可开锁,此时重锤的势 能即重锤杆、举臂、阀轴等零件带动碟板按照预先调定的快关、缓冲、慢关程序作 关闭运动,整个过程一气呵成。液控蝶阀在关闭过程中,必须排除举升油缸下腔的 油液,据此,采取控制并调节举升油缸排油速度的方法,能有效地对阀门的关闭速 度进行控制。液控蝶阀的关闭过程有快关、缓冲、慢关三个程序,其快关时间、慢 关时间、快关角度、慢关角度都可以调节。 1.5.3 液控蝶阀特点 由于需要进行多种工艺,液控蝶阀具有如下的特点: 1)设有橡胶密封的工作密封副和金属密封的检修密封副,正常工作时仅工作密 封副投入使用;当用于维护检修时,检修密封副投入使用,此时无需排空压力钢管 或拆卸阀体便可进行检修、更换工作密封和轴颈密封等工作。 2)蝶板采用双偏心、双平板过流型式,不仅具有良好的水利特性,流阻系数小 于 0.2,而且关阀时具有阀门偏心势能及蓄能罐的压力势能,使阀门始终具有足够 的保险系数,在任何需要关阀的情况下都能够安全可靠的关闭。 3)阀体采用铸焊结构,为整体框架式,强度和刚度好,密封性能可靠。 4)轴端密封采用双重补偿性密封机构,密封效果好。采用箱式结构,拆卸及维 护方便。 5)阀轴轴承采用无铅型无给油自润滑结构,具有承载能力强、摩擦系数小、耐 磨损、耐腐蚀、使用寿命长等特点。 6) 设置有可靠的液压保压功能, 以防止蝶板全开时由于水流冲击发生抖动及系 统漏油、造成蝶板关闭;设置有液压锁定和手动锁定装置,检修水轮机时,防止因 误操作导致阀门开启而发生意外。

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7)设置有显示检修密封副位置的信号装置,可方便地观察检修密封副的状态。 8)控制系统以 PLC(可编程控制器)为核心,采用工业人机界面(触摸屏)进 行操作及显示。可就地操作进水阀、旁通阀的开和关,也可由中央控制室对整个进 水阀系统进行自动控制。 9) 液压站、 电控柜的设计, 与阀门分体就近安装, 不仅可有效地保护控制系统, 而且有利于控制系统的维护与保养。

1.6 设计方案简述
液压传动系统是液压机械的一个组成部分,液压传动系统的设计要同主机的总 体设计同时进行。着手设计时,必须从实际出发,有机地结合各式各种传动形式, 充分发挥液压传动的优点,力求设计出结构简单工作可靠,成本低、效率高、操作 简单、维修方便的液压传动系统。 液压系统的设计步骤并无严格的顺序,各步骤间往往要相互穿插进行。一般来 说,在明确设计要求之后,大致按如下步骤进行: (1)进行工况分析,确定系统的主要参数; (2)制定基本方案,拟定液压系统原理图; (3)选择液压元件; (4)确定液压执行元件的形式; 设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进行进一步着手液压 系统各部分设计之前, 必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。 (1)主机的概况:用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等; (2)液压系统要完成哪些动作,动作顺序及彼此联锁关系如何; (3)液压驱动机构的运动形式,运动速度; (4)各动作机构的载荷大小及其性质; (5)对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求; (6)自动化程度、操作控制方式的要求; (7)对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求; (8)对效率、成本等方面的要求。

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2 液控蝶阀液压系统设计
2.1 技术参数和设计要求
设计一台水电站水轮机液控蝶阀的液压系统, 要求实现液压蝶阀原始位置 (关) -开启-任意位置停止-全开-关阀工作顺序、液压碟阀手动启闭(维修或停电情况)的 工作循环,快速开关阀速度 6m/min,水锤压力为 10000N,蝶阀重为 3000N,直径为 1500mm,水平安装,工作行程 500mm 设计该液控蝶阀的液压系统。

2.2 蝶阀安装方式选择
考虑到蝶阀在刚开始开启时会需要比较大的转矩,从以下 3 种安装方式中选择 第二种:

图 2.1a 蝶阀开阀刚开始位置与中心线成 45°

图 2.1b 蝶阀开阀刚开始位置与中心线成 30°

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图 2.1c 蝶阀开阀刚开始位置与中心线成 60° 图 2.1 蝶阀安装方式

2.3 工况分析
根据要求液压执行元件选用活塞式双作用缸 (1)工作负载 (2)摩擦负载 水锤的压力两侧相互抵消

Fw=0N

静摩擦阻力:Ffs=0.2*3000=600N 动摩擦阻力:Ffd=0.1*3000=300N

(3)背压负载 (4)加速负载

Fb=1000N(液压缸参数未定,估算) Fa=15N ηm----液压缸的机械效率,一般取 ηm=0.9-0.97。

液压缸在各工作阶段的负载值: 其中:ηm=0.9

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邵阳学院毕业设计(论文) 表 2.1 液控蝶阀工况分析表

工况 开阀起动 开阀加速 开阀匀速 开阀减速(至极 位) 关阀起动 关阀加速 关阀匀速 关阀减速(至极 位)

负载组成
F ? F b ? F w ? Ffs ? Fa ? 1615 N

推力 F/? m 1615N 1315N 1300N 1285N

F ? F b ? F w ? Ffd ? Fa ? 1315 N

F ? F b ? F w ? F fd ? 1300 N

F ? F b ? F w ? Ffd - Fa ? 1285 N

F ? F b ? F w ? Ffs ? Fa ? 1615 N

1615N 1315N 1300N 1285N

F ? F b ? F w ? Ffd ? Fa ? 1315 N

F ? F b ? F w ? F fd ? 1300 N

F ? F b ? F w ? Ffd - Fa ? 1285 N

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2.4 负载循环图和速度循环图的绘制

图 2.2 负载循环图

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图 2.3 速度循环图

2.5 液压系统原理图的拟定
(1)确定供油方式 考虑到该蓄能式液压系统压力不要经常变换和调节, 只需较小的功率, 流量小, 并有蓄能器储存能量,因此采用一低压单向定量液压泵供油。 (2)调速方式的选择 工作缸采用活塞式双作用缸,当压力油进入工作缸右腔,活塞带动碟阀顺时针 转动开阀,先加速至 6m/min 后匀速,到达 400mm 时减速,降至为零时开阀完成; 当压力油进入工作缸左腔,活塞向带动蝶阀逆时针运动,先加速至 6m/min 再匀速, 到达液压缸行程 100mm 处减速开启,降至为零时完成关阀,有效的减少开阀完成 和关阀完成时由于速度骤降对阀体的冲击,有效的延长了液压阀的寿命,符合工业 生产的要求。 本液压控制系统由一台电动定量油泵组和一台定量手动油泵组提供压力油源,
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在通常情况下一套工作,一套备用,并互为备用,且手动泵组为维修提供方便,不 受停电的影响。 拟定液压系统原理图:

1、油箱 2、液位液温计 3、电机 4、柱塞油泵 5、单向阀 6、截止阀 7、蓄能器 8、压 力表开关 9、压力表 10、压力控制器 11、高压胶管 12、球式换向阀 13、液压缸 14、高压胶 管 15、球式换向阀 16、空气滤清器 17、网式滤油器 18、截止阀 19、节流阀 20、手动泵 21、 直动型溢流阀 22、高压胶管 图 2.4 系统原理图

2.6 控制过程综述
(1)开阀。按下开阀按钮,电磁铁 1YV、2YV 得电,3YV 失电。
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这时的油路进油路为: 定量泵→单向阀 5.1→单向阀 5.2→电液换向阀 15 左→节流阀→液压缸右腔 回油路为: 液压缸左腔→电液换向阀 12.1 左→调速阀 19→电液换向阀 12.2 左→过滤装置 →油箱 (2)关阀。按下关阀按钮,电磁铁 1YV、2YV、3YV 失电。 这时液压油路为: 变量泵→单向阀 5.1→溢流阀 21→过滤装置→油箱 开关阀时的加速和减速可调整调速阀改变背压来实现。 (3)任意位置停止。按下停止按钮,电磁铁 1YV、2YV、3YV 得电。 这时液压油路为: 变量泵→单向阀 5.1→溢流阀 21→过滤装置→油箱

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3 液压系统的计算和元件选型
3.1 液压缸主要尺寸的确定
(1)工作压力 P 的确定。 工作压力 P 可根据负载大小及机器的类型来确定, 由机械设计手册查表取液压缸工作压力为 25MPa. (2) 计算液压缸内径 D 和活塞杆直径 d。 由负载图知最大负载 F 为 337500N 按 《液压与气压传动》第三版表 8-2 取 P2=0.5MPa,考虑到快进、快退速度相等, 取 d/D=0.7

图 3.1 单活塞杆液压缸计算示意图

Fw=(A1P1-A2P2) ηm A1=0.01347 ㎡
D ? 4 ? A1

A2=0.51A1 (d/D=0.7)

所以 300000=(25 A1-0.5×0.51A1)×0.9×1000000

?

? 0 .1 3 1 8 m

d=0.7D=0.0923m

按 GB2348-80 查机械设计手册表 19-6-3 将这些直径圆整成标准值时得:

D=160mm,d=110mm
由此求得液压缸的实际有效面积为:
? 0 .0 2 0 1 m m 2 ?4D ? d ? ? 2 A2 ? ? 0 .0 1 0 6 m m 4
2
2

A1 ?

?D

2

(3)计算在各工作阶段液压缸所需流量

Q(快进)=A1×V(快进)=0.0201×6×1000=120.6L/min
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Q(工进)=A1×V(工进)=0.0201×0.25×1000=5.025L/min Q(快退)=A2V(快退)=0.0106×6×1000=63.6L/min 3.2 液压泵的流量,压力的确定和泵规格的选择
3.2.1 泵的工作压力的确定 考虑到正常工作中进油管有一定的压力损失,所以泵的工作压力为

Pp=P1+Σ?P
式中,Pp—液压泵最大工作压力;

P1—执行元件最大工作压力; Σ?P—进油管路中的压力损失,简单系统可取 0.2~0.5MPa。故可取压
力损失 Σ?P=0.5MPa 所以 Pp=P1+Σ?P=25+0.5=25.5 MPa 上述计算所得的 Pp 是系统的静态压力, 考虑到系统在各种工况的过度阶段出现 的动态压力往往超出静态压力,另外考虑到一定的压力储备量,并确保泵的寿命, 因此选泵的压力值 Pa 应为 Pa≥1.25Pp~1.6Pp 因此 Pa ? 1 .2 5 ? Pp ? 1 .2 5 ? 2 5 .5 ? 3 1 .8 7 5 M P a 3.2.2 泵的流量确定 液压泵的最大流量应为 Q≥KL(ΣQ)max

(ΣQ)max 为同时动作的各执行所需流量之和的最大值,如果这时的溢流阀
正进行工作,尚须加溢流阀的最小溢流量 2 ? 3 L / m in 。 KL 系统泄漏系数,一般取 K L ? 1 .1 ? 1 .3 ,现取 KL=1.2 故 Qp=KL(ΣQ)max=1.2×(120.6+2.4)=147.6L/min 3.2.3 选择液压泵的规格 由于液压系统的工作压力高,负载压力大,功率大。大流量。所以选轴向柱塞 变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备(如龙门刨床、拉床、液压 机) ,柱塞式变量泵有以下的特点: (1)工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易,尺寸精度及表面质量可以达到很高
5 ? 的要求, 油液泄漏小, 容积效率高, 能达到的工作压力, 一般是 2 0 0 ~ 4 0 0 ) 1 0 P a , (

16

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最高可以达到 1000×105Pa。 (2)流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目,流量变增大。 (3)改变柱塞的行程就能改变流量,容易制成各种变量型。 (4)柱塞油泵主要零件均受压,使材料强度得到充分利用,寿命长,单位功率重 量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高,加工量大,价格昂贵。 根据以上算得的 q p 和 p p 和在查阅相关手册《机械设计手册》第三版表 19-5-35 得:现选用 6 3YC Y 1 4 ? 1 B ,排量 63ml/r,额定压力 32Mpa,额定转速 1500r/min, 驱动功率 59.2KN,容积效率 ? 9 2 % ,重量 71kg,容积效率达 92%。

3.3 液压泵匹配电动机的选定
电机功率计算:
P ? Pa ? Q p 60 ??

其中:P 为电动机功率(KW)

Pa 为液压泵最大工作压力(MPa) Qp 为液压泵的输出流量(L/min) η 为液压泵的总效率。柱塞泵为 0.80-0.85 取 η=0.85。
那么:P=31.875×147.6/(60×0.85)=92.25kw 选用: 电机型号为 Y315S-4 11], 转速 n=1480rpm, 电机功率为 110kw
[

3.4 阀类元件及辅助元件的选择
对液压阀的基本要求: (1) 动作灵敏,使用可靠,工作时冲击和振动小。油液流过时压力损失小。 (2) 密封性能好。结构紧凑,安装、调整、使用、维护方便,通用性大。

17

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3.4.1 溢流阀的选择

图 3.2 电磁溢流阀 11 简图

溢流阀设定压力 25MPa;稳定启动时系统流量很小,故卸荷时流量较小;电 磁溢流阀采用管式连接
[13]

。据此选择电磁溢流阀型号为

DBW10B-2-30/315CG24[14],其主要技术参数为:通径 10mm ;最高调定压力 31.5MPa;管式连接。
3.4.2 换向阀的选择

图 3.3 电液换向阀简图

换向阀的主要作用是通过切换液控单向阀控制口与控制油路或泄漏油路的通断 来控制液控单向阀的开闭。其最大工作压力为 25MPa。由此选择二位三通电磁换 向阀 型号为 4WE10J20/CG24NZ25L[14],其主要技术参数为:通径 10mm;工 作压力 31.5MPa。

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3.4.3 单向阀的选择

图 3.4 单向阀

液控单向阀外控口接零压时,液控单向阀不开启,有杆腔出油口被锁住,油液 无法流出;液控单向阀外控油引入时,有杆腔出油口被打开,使液压控制回路接通。 为保证液控单向阀锁紧的可靠,液控单向阀要采用外控外泄式,而且锁紧时液控单 向阀外控口必须接零压。通过液控单向阀的最大流量为 147.6L/min,液控单向阀 的最高工作压力为 25MPa。选择液控单向阀型号为 Z2S10-1-30/,其主要技术参 数为: 最高工作压力 31.5MPa, 开启压力 0.1MPa; 控制压力范围 0.1~31.5MPa; 面积比 A1/A2=1/2.78,A3/A2=1/16;重 2kg。 本系统的工作压力在 25MPa 左右,根据液压系统的工作压力和通过各个阀类 元件及辅助元件型号和规格 主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量,其他 还需考虑阀的动作方式,安装固定方式,压力损失数值,工作性能参数和工作寿命 等条件来选择标准阀类的规格:

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邵阳学院毕业设计(论文) 表 3.1 压机液压系统中控制阀和部分辅助元件的型号规格

序号 1

元件名称 轴向柱塞变量泵

型号 63YCY14-1B

规格 32Mpa, 驱动功率 59.2KW

电磁溢流阀 2

DBW10B-2-30/315CG 24

10 通径,调节压力 31.5Mpa 30 通经,开启压力 0.05MPa

单向阀 3 三位四通电液换向 4 阀 叠加式液控单向阀 5

S30P1.0

4WE10J20/CG24NZ25 L Z2S10-130

10 通径,工作压力 31.5MPa 10 通径,工作压力 31.5MPa

叠加式单向节流阀 6

Z2FS1-30/S2

10 通径,工作压力 31.5MPa

7 压力继电器 8 压力表开关 9 蝶阀

HED1OA40/350L24 KFL8-30E D71X-32C QJH-40F

最大调节压力 35 MPa 32Mpa,6 测点 10 通径,32MPa 40 通径,32MPa

10 球阀 DN40

3.5 管道的确定
3.5.1 管子的选用 在液压传动中常用的管子有钢管、铜管、胶管以及尼龙管等。 (1)金属管 液压系统用钢管,常为无缝钢管,有精密无缝钢管和普通无缝钢管。卡套式管 接头须采用精密无缝钢管,焊接式管接头一般采用普通无缝钢管。材料用 10 号或

15 号钢,中、高压或大通经(DN>80)采用 15 号钢。这些钢管均要求在退火状
态下使用。
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铜管有紫铜管和黄铜管。紫铜管用于压力较低(p≤6.5-10MPa)的管路,黄 铜管可承受较高压力(p≤25MPa) ,但不易弯曲。 在液压系统中,管路联接螺纹有公制细牙螺纹、55° 非密封管螺纹、55° 密封管 螺纹、60° 圆锥管螺纹,以及公制圆锥管螺纹。螺纹的形式一般根据回路公称压力 确定。公称压力≤16MPa 的中低压系统,上述各种螺纹联接型式均可采用。公称压 力为 16-31.5MPa 的中、高压系统采用 55° 非密封管螺纹,或公制细牙螺纹。 根据要求,本系统中选用 15 号钢管,公制细牙螺纹连接。 (2)胶管 胶管是用于联接两个相对运动部件之间的管道。分高、低压两种。高压胶管以 钢丝编织或钢丝缠绕为骨架的胶管,用于压力油路。低压胶管是以麻线或棉线编织 体为骨架的胶管,用于压力较低的回油路或气动管路中。 为了减少系统冲击, 根据要求, 本液压系统中在液压泵出口上方使用高压胶管。 3.5.2 管路尺寸的计算 管子内径(m)计算公式为
d ? 4qv

?v

上式中:

qv 为通过管路的流量,L/min v 为流体在管路的流速,m3/s

(1)液压泵吸油管路的计算 液压泵最大输出流量为 147.6L/min; 吸油管路流速一般小于 1~2m/s, 此处取 v ? 0 . 8 m / s ; 则液压泵吸油管路内径:
d1 ? 4 qv 4 ? 8 .8 5 6

?v

?

? ? 0 .8

? 0 .0 6 2 6 m m ? 6 2 .6 m

圆整取钢管公称通径为 65mm, 取钢管外径为 75mm, 即钢管壁厚为 10mm。 (2)系统控制油管路的计算 用过控制油管路流量为 5.025L/min;压油管路流速 v ? 3 ~ 6 m / s ,系统压
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力很高,故压油管流速可取较大值,取 3m/s;则压油管路内径
d2 ? 4qv

?v

?

4 ? 5 . 025 / 1000 / 60 3 . 14 ? 3

? 0 . 00596 m ? 5 . 96 mm

控制油管路油液压力较大, 管子壁厚要较大, 圆整取钢管公称通径为 10mm 外径 为 18mm,则壁厚为 8mm。 (3)回油管路的计算 通过回油管路的流量为 63.6L/min;回油管路流速 v ? 1 . 5 ~ 2 . 5 m / s ,取
v ? 2 . 0 m / s ;则回油管路内径
d ? 4 ? qv 4 ? 6 3 .6 / 1 0 0 0 / 6 0

?v

?

? ? 2 .0

? 0 .0 2 5 9 8 m m ? 2 5 .9 8 m

圆整取钢管内径为 32mm, 外径为 42mm, 壁厚为 10mm。 3.5.3 油管的管径 按设计要求,油管内允许流速为: 压油管:VA=3.0m/s 吸油管:Vs=0.8m/s 回油管:VB=2.0 m/s 根据公式 d ?
4qv v?
[10]

,以及管道壁厚计算公式 ? ?
表 6-1 管道的管径的计算

pd 2 [? ]

[10]

,计算结果如下:

管道名称

通过流量 (L/min)

允许流速 (m/s) 0.8

管路内径/mm

管道外径/mm

泵吸油 管 控制油 管 泵回油 管

147.6

65

75

0.804

3

10

18

63.6

2

32

42

故,油路中吸油管路的管径为 75mm,65mm,压力控制油路的管径为 20mm,

22

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回油油路管径为 42mm,32mm 3.5.4 管道壁厚 ? 的计算
? ?
pd 2[? ] m

式中:

p——管道内最高工作压力 Pa d——管道内径 m
[? ] ——管道材料的许用应力

Pa, [? ] ?
Pa

?b
n

? b ——管道材料的抗拉强度

n——安全系数,对钢管来说, p ? 7 M P a 时,取 n=8; p ? 1 7 .5 M P a 时,
取 n=6;
p ? 1 7 .5 M P a

时,取 n=4。

根据上述的参数可以得到: 我们选钢管的材料为 45#钢,由此可得材料的抗拉强度 ? b =600MPa;
[? ] ? 600M Pa 4 ? 150M Pa

(1)液压泵压油管道的壁厚
? ?
pdm 2[? ] pdm 2[? ] ? 3 1 .8 7 5 ? 1 0 0 0 0 0 0 ? 1 0 ? 0 .0 0 1 2 ? 150 ? 1000000 ? 1 .1 m m

(2)液压泵回油管道的壁厚
? ?
? 3 1 .8 7 5 ? 1 0 0 0 0 0 0 ? 3 2 ? 0 .0 0 1 2 ? 150 ? 1000000 ? 3 .4 m m

所以所选管道适用。 3.5.5 管接头的选用 管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件,它必须具有装拆方 便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条 件。 管接头的种类很多,液压系统中油管与管接头的常见联接方式有:焊接式管接 头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。管路旋入端 用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹(ZM)和普通细牙螺纹(M) 。锥螺纹依靠 自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封,广泛用于中、低压液压系统;细牙 螺纹密封性好,常用于高压系统,但要求采用组合垫圈或 O 形圈进行端面密封,有
23

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时也采用紫铜垫圈。 本系统中采用焊接式管接头,利用接管与管子焊接。接头体和接管之间用 O 形 圈进行端面密封。结构简单,密封性好,对管子尺寸精度要求不高,但要求焊接质 量高,装拆不便。工作压力可达 31.5MPa,工作温度为-25~80℃,适应于油为介 质的管路系统。

24

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4 液压缸的结构设计
4.1 液压缸主要尺寸的确定
4.1.1 液压缸壁厚和外经的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知,承受内压力 的圆筒,其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚 壁圆筒。 液压缸的内径 D 与其壁厚 ? 的比值 D / ? ? 10 的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械 的液压缸,一般用无缝钢管材料,大多属于薄壁圆筒结构,其壁厚按薄壁圆筒公式 计算
? ?
pyD 2 ??

设 计 计 算 过 程 式中
? ——液压缸壁厚(m);

?

D——液压缸内径(m);
py

——试验压力,一般取最大工作压力的(1.25-1.5)倍 ? MP a ? ;
~ 110 MP a 。

?? ? ——缸筒材料的许用应力。无缝钢管: ?? ? ? 100
则? ?
p y =25×1.25=31.25 M Pa pyD

2 ??

?

=31.25×0.16/220=0.0227m 取 ? =25mm 在中低压液压系统

中,按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小,使缸体的刚度往往很不够,如在切削 过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算, 按经验选取,必要时按上式进行校核。 液压缸壁厚算出后,即可求出缸体的外经 D 1 为
D 1 ? D ? 2 ? ? 160 ? 2 ? 25 ? 210 mm

4.1.2 液压缸工作行程和缸盖厚度的确定 (1)液压缸工作行程长度,可根据执行机构实际工作的最大行程来确定,并参阅 <<液压系统设计简明手册>>P12 表 2-6 中的系列尺寸来选取标准值。 液压缸工作行程选

l=700mm
25

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(2)缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖,其有效厚度 t 按强度要求可用下面两式进行近似计 算。 无孔时
t ? 0 . 433 D 2 py

?? ?
p y D2

有孔时 式中

t ? 0 . 433 D 2

t——缸盖有效厚度(m);

?? ?? D 2

? d0 ?

D 2 ——缸盖止口内径(m);
d 0 ——缸盖孔的直径(m)。

液压缸: 无孔时 取 有孔时
t ? 0.433D2 p y D2

t ? 0 . 433 D 2

py

?? ?

= 0 .4 3 3 ? 1 6 0 ? 0 .0 0 1

3 1 .2 5 110

? 37 m m

t=45mm = 0 .4 3 3 ? 0 .1 6 ?
3 1 .2 5 ? 0 .1 6 1 1 0 ? 0 .1 2 ? 4 2 .6 m m



t =45mm

?? ??D2

? d0 ?

4.1.3 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时, 从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离 H 称为 最小导向长度(如下图 2 所示) 。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度(间 隙引起的挠度)增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保证有一定的最小导 向长度。 对一般的液压缸,最小导向长度 H 应满足以下要求: 设 计 计 算 过 程
H ? L 20 ? D 2

式中

L——液压缸的最大行程; D——液压缸的内径。

活塞的宽度 B 一般取 B=(0.6-10)D; 缸盖滑动支承面的长度 l 1 , 根据液压缸内 径 D 而定; 当 D<80mm 时,取 l 1 ? ?0 . 6 ~ 1 . 0 ? D ;
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当 D>80mm 时,取 l 1 ? ?0 . 6 ~ 1 . 0 ?d 。 为保证最小导向长度 H,若过分增大 l 1 和 B 都是不适宜的,必要时可在缸盖与 活塞之间增加一隔套 K 来增加 H 的值。 隔套的长度 C 由需要的最小导向长度 H 决 定,即
C ? H ? 1 2

?l 1

? B?

滑台液压缸: 最小导向长度: H ? 取
L 20 ? D 2

=700/20+160/2=115mm

H=150mm

活塞宽度:B=0.6D=96mm 缸盖滑动支承面长度:

l1=0.6d1=66mm
隔套长度: C ? H ?
1 2

?l 1

? B ? =115-(66+96)/2=34mm

液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要 考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的 20-30 倍。 液压缸: 缸体内部长度 L=B+l=96+700=796mm 当液压缸支承长度 LB ? (10-15)d 时,需考虑活塞杆弯度稳定性并进行计算。 本设计不需进行稳定性验算。

4.2 液压缸的结构设计
液压缸主要尺寸确定以后,就进行各部分的结构设计。主要包括:缸体与缸盖 的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装 置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同,结构形式也各不相同。设计时 根据具体情况进行选择。 4.2.1 缸体与缸盖的连接形式 缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。 本次设计中采用外半环连接,如下图 4.1 所示:

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图 4.1 缸体与缸盖的连接方式

缸体与缸盖外半环连接方式的优点: (1)结构较简单 (2)加工装配方便 缺点: (1)外型尺寸大 (2)缸筒开槽,削弱了强度,需增加缸筒壁厚 2 活塞杆与活塞的连接结构 参阅<<液压系统设计简明手册>>P15 表 2-8,采用组合式结构中的螺纹连接。如 下图 4.2.2 所示:

图 4.2 活塞杆与活塞螺纹连接方式

特点: 结构简单,在振动的工作条件下容易松动, 必须用锁紧装置。应用较多,如组合机床与工程机械上的液压缸。

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4.2.2 活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构,包括活塞杆与端盖、导向套的结构,以及密封、防尘 和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向,也可做成与端盖分开 的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换,所以应用较普遍。导向套的位置可安 装在密封圈的内侧, 也可以装在外侧。 机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构, 有利于导向套的润滑;而油压机常采用装在外侧的结构,在高压下工作时,使密封 圈有足够的油压将唇边张开,以提高密封性能。 参阅<<液压系统设计简明手册>>P16 表 2-9,在本次设计中,采用导向套导向的 结构形式,其特点为: 导向套与活塞杆接触支承导向,磨损后便于更换,导向套也可用耐磨材料。 盖与杆的密封常采用 Y 形、V 形密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸。 防尘方式常用 J 形或三角形防尘装置活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处的密封圈的选用,应根据密封的部位、使用的压力、温度、运 动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。 参阅<<液压系统设计简明手册>>P17 表 2-10,在本次设计中采用 O 形密封圈。

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5 液压油箱的设计
液压油箱的作用是贮存液压油、充分供给液压系统一定温度范围的清洁油液, 并对回油进行冷却,分离出所含的杂质和气泡。

5.1 液压油箱有效容积的确定
液压油箱在不同的工作条件下, 影响散热的条件很多, 通常按压力范围来考虑。 液压油箱的有效容量 V 可概略地确定为:
V ? ?Qv

m

3

表 5.1

系统类 型
?

低压系统 (p
? 2 .5 M P a

中压系统 ) (p
? 6 .3 M P a

中高压或大功率系统 ) (p
? 6 .3 M P a



2~4

5~7
? 26 M Pa

6~12

根据实际设计需要,选择的 p
( p ? 6 .3 M P a ) ,所以取:

,所以此系统属于中高压系统

V ? ( 6 ~ 1 2 )Q v

式中

V -液压油箱有效容量;

Q v -液压泵额定流量。

参照 《机械设计手册》 成大先 P20-767 锻压机械的油箱容积通常取为每分钟流 量的 6-12 倍。 、 即:
V ? 6 ? 1 5 6 .8 ~ 1 2 ? 1 5 6 .8 ? 9 4 0 .8 L
V1 ? 1 3 2 0 L

m in

~ 1 8 8 1 .6 L

m in



m in

应当注意:设备停止运转后,设备中的那部分油液会因重力作用而流回液压油 箱。为了防止液压油从油箱中溢出,油箱中的液压油位不能太高,一般不应超过液 压油箱高度的 80%。 所以,实际油箱的体积为:
V ? V1 0 .8 ? 1320 0 .8 ? 1650 L m in

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5.2 液压油箱的外形尺寸设计
液压油箱的有效面积确定后,需设计液压油箱的外形尺寸,一般设计尺寸比 (长:宽:高)为 1:1:1~1:2:3。但有时为了提高冷却效率,在安装位置 不受限制时,可将液压油箱的容量予以增大,本设计中的油箱根据液压泵与电动机 的联接方式的需要以及安装其它液压元件需要,选择长为 1.5m,宽为 1.1m,高为

1.0m。 5.3 液压油箱的结构设计
一般的开式油箱是用钢板焊接而成的,大型的油箱则是用型钢作为骨架的,再 在外表焊接钢板。油箱的形状一般是正方形或长方形,为了便于清洗油箱内壁及箱 内滤油器,油箱盖板一般都是可拆装的。设计油箱时应考虑的几点要求: (1) 壁板:壁板厚度一般是 3~4mm;容量大的油箱一般取 4~6mm。本设计 中取油箱的壁厚为 6mm。对于大容量的油箱,为了清洗方便,也可以在油箱侧壁 开较大的窗口,并用侧盖板紧密封闭。 (2) 底板与底脚:底板应比侧板稍厚一些,底板应有适当倾斜以便排净存油和 清洗,液压油箱底部应做成倾斜式箱底,并将放油塞安放在最低处。油箱的底部应 装设底脚,底脚高度一般为 150~200mm,以利于通风散热及排出箱内油液。一 般采用型钢来加工底脚。本设计中用的是槽钢加工的。 图 5.3 所示为一般液压油箱底面的构造的五种情况, 我们根据具体设计和生产 的需要来确定液压油箱底面的构造,根据本设计的需要,选了(c)型构造。

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图 5.1 液压油箱底部构造的五种情况

(3) 顶板:顶板一般取得厚一些,为 6~10mm,因为本设计把泵、阀和电动 机安装在油箱顶部上时,顶板厚度选最大值 10mm。顶板上的元件和部件的安装面 应该经过机械加工,以保证安装精度,同时为了减少机加工工作量,安装面应该用 形状和尺寸适当的厚钢板焊接。 (4) 隔板:油箱内一般设有隔板,隔板的作用是使回油区与泵的吸油区隔开, 增大油液循环的路径,降低油液的循环速度,有利于降温散热、气泡析出和杂质沉 淀。隔板的安装型式有多种,隔板一般沿油箱的纵向布置,其高度一般为最低液面 高度的 2/3~3/4。有时隔板可以设计成高出液压油面,使液压油从隔板侧面流过; 在中部开有较大的窗口并配上适当面积的滤网,对油液进行粗滤。 (5) 侧板: 侧板厚度一般为 3-4mm, 侧板四周顶部应该加工成高出油箱顶板 3~
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4mm, 为了使液压元件的在工作等的情况下泄漏出来的油不至于洒落在地面上或操
作者的身上,同时可以防止液压油箱的顶板在潮湿的气候中腐蚀。 回油管及吸油管为了防止出现吸空和回油冲击油面形成泡沫,油泵的吸油管和 回油管应布置在油箱最低液面 50~100mm 以下, 管口与箱底距离不应小于 2 倍的 管径,防止吸入沉淀物。管口应切成 4 5 ? ,切口面向箱壁,与箱壁之距离为 3 倍管 径。回油管的出口绝对不允许放在液面以上。本设计的管口与箱底的距离为

160mm,切口与箱壁的距离为 250mm。
(6) 回油集管的考虑:单独设置回油管当然是理想的,但不得已时则应使用回 油集管。对溢流阀、顺序阀等,应注意合理设计回油集管,不要人为地施以背压。 (7) 吸油管: 吸油管前一般应该设置滤油器,其精度为 100~200 目的网式或 线式隙式滤油器。滤油器要有足够大的容量,避免阻力太大。滤油器与箱底间的距 离应不小于 20mm。吸油管应插入液压油面以下,防止吸油时卷吸空气或因流入液 压油箱的液压油搅动油面,致使油中混入气泡。 (8) 泄油油管的配置: 管子直径和长度要适当,管口应该在液面之上,以避

免产生背压。泄漏油管以单独配管为最好,尽量避免与回油管集流配管的方法。 (9) 过滤网的配置:过滤网可以设计成液压油箱内部一分为二,使吸油管与回 油管隔开, 这样液压油可以经过一次过滤。 过滤网通常使用 50~100 目左右的金属 网。 (10) 滤油器: 滤油器的作用及过滤精度 液压系统中的液压油经常混有杂质,

如空气中的尘埃、氧化皮、铁屑、金属粉末。密封材料碎片、油漆皮和 纱纤维。这 些杂质是造成液压元件故障的额重要原因,它们会造成油泵、油马达及阀类元件内 运动件和密封件的磨损和划伤,阀芯卡死,小孔堵塞等故障,影响液压系统的可靠 性和使用寿命。近年来对液压油的污染控制已经开始引起人们的极大重视。 为了便于随时检查和观察箱内液体液位的情况,应该在油箱壁板的侧面安装液 面指示器,指示最高、最低油位。液面指示器一般选用带有温度计的液面指示器。 油箱顶板需要装设空气滤清器,对进入油箱的空气进行过滤,防止大气中的杂 质污染液压油。空气滤清器的过滤能力一般为油泵流量的两倍,其过滤精度应与液 压系统中最细的滤油器的精度相同。

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油箱内部应刷浅色的耐油油漆。以防止锈蚀。

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6 液压辅助元件的选择
6.1 蓄能器的选择
蓄能器是将压力液体的液压能转换为势能储存起来,当系统需要时再由势能转 化为液压能而做功的容器。因此,蓄能器可以作为辅助的或者应急的动力源;可以 补充系统的泄露,稳定系统的工作压力;以及吸油泵的脉动和回路上的液压冲击。 本系统中选用气体隔离式蓄能器 NXQA-L100/20-LA。

6.2 液位控制器的选择
根据设计系统的油箱内液面最大高度为 500mm,据此选择液位计的型号为

YKJD24-500-100[15], 其中的主要技术参数为:最低液位距离为 100mm;最高液
位距离为 500mm;液位控制指示器的电压为 24V。

6.3 空气过滤器的选择
空气过滤器的进入油箱空气的最大流量与系统最大流量相同,即
Q 系统 ? 1140 L / min

据此选择空气过滤器型号为 QLS1-1-10, 其主要技术参数为: 过滤精度 10μm; 空气流量 1m /min。
3

6.4 温度计的选择
选择温度控制器型号为 WSSX-411。

6.5 压力表的选择
两处的压力表可选择为:YN100-III

6.6 回油过滤器的选择
回油过滤器的通过流量为 1140L/min,回油过滤器安装在油箱附近的地面上。 据此选择易拆式回油过滤器,型号为 LHN-250× 20F-Y。

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6.7 液压工作介质的选择
本设计中液压介质工作环境恶劣,属于高温高压的应用场合,所以应选择耐磨 性较好的液压油。选择 30 号抗磨型液压油,牌号为 YB-N46,其主要技术参数为: 运动粘度/mm2· s
-1

40℃ 41.4~50.6 50℃ 27~33

粘度指数≥闪点(开口)/℃≥凝点/℃≤抗氧化安定性(酸值达 2mgKOH/g)/h≥ 防锈性(蒸馏水法)腐蚀(T3 铜片,100℃,3h) 抗乳化度( 54℃)/min 抗泡沫性( 93℃)/mL≤ 起泡 50 抗泡沫性( 93℃)/mL≤ 消泡 0 抗磨性(四球 PB)/N(叶片泵试验 100h)/mg≤ 1000100.

90170-251000 通过合格

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7 液压系统性能的验算
7.1 压力损失的验算
上面已经计算出该液压系统中进,回油管的内径分别为 65mm,32mm。 但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定,所以压力损失无法验算。

7.2 系统温升的验算
在整个工作循环中,工进阶段所占的时间最长,且发热量最大。为了简化计算, 主要考虑工进时的发热量。 一般情况下, 工进时做功的功率损失大引起发热量较大, 所以只考虑工进时的发热量,然后取其值进行分析。 当 V=250mm/min 时,
Q ?

?D v
2

?

3 .1 4 ? 0 .1 6 ? 0 .2 5
2

? 5 .0 2 4 ? 1 0

?3

m / m in

4

4



q=5.024L/min

此时泵的效率为 0.9,泵的出口压力为 26MPa,则有

Pn 入=26× 5.024/60/0.9=2.419KW
P ? Fv ? 300000 ? 250 60 ? 10
?3

? 10

?3

KW

即 Pn 输出=1.25KW 此时的功率损失为:
?3 2 ? 假定系统的散热状况一般,取 K ? 20 ? 10 KW / ?cm ? C ? ,

ΔP= Pn 入-Pn 输出=(2.419-1.25)=1.169KW

油箱的散热面积 A 为
A ? 0 .0 6 5 ?
3

V

2

? 0 .0 6 5 ? 1 6 5 0 m ? 9 .0 8 m
3 2 2

2

系统的温升为

Δt=ΔP/(KA)=1.169/(0.02×9.08)=6.437℃
设环境温度为 T2=25℃,则热平衡温度为

T1=T2+Δt=25+6.437=31.437℃
根据《机械设计手册》成大先 P20-767:油箱中温度一般推荐 30-50 ?C 所以验算表明系统的温升在许可范围内。

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8 液压系统安装及调试
8.1 液压系统安装
预安装时,先将液压系统,液压缸固定在规定的基础上,然后根据图纸要求把 液压系统各部件的进出油口按原理图管路连线要求用要求的管路连接起来,弯管处 椭圆度不低于 97%;正式安装前,要将管道内部冲洗干净,冲洗后管道内部清洁度 不低于 17/14(ISO4406) ,相当于 NAS8 级;正式安装时,各管口要求擦拭干净, 不准有砂粒、等污物进入管道内。

8.2 调试运行
首次启动电机时,注意保证电机正确的旋转方向;在启动前,给油泵灌入清洁 的引液;启动油泵电机,待油泵空运转数分钟之后,方可将系统压力逐步调节至设 计要求;油泵运转正常后,按前面所说次序调好系统压力、控制元件等系统各参数; 系统压力流量输出正常后,按前面所述顺序调试好各控制元件的控制参数;系统液 压调试正常后,接入电器控制进行半自动化、自动化调试,进一步测试各报警是否 正常。

8.3 液压系统污染的控制
液压所用油液对液压系统能否正常使用具有十分重要的意义,除系统设计的合 理、元件制造的质量和维护使用等条件外,油液的适用性和油液清洁度是一个十分 重要的因素。 液压油液作为液压传动的工作介质,除了传替能量外,还有润滑液压元件运动 副以及保护金属不被锈蚀等作用。 液压油液污染的主要原因是多方面的,从量值角度可用如下公式表示:

M=Mo+Mi+Ms-Mq M--系统中所含有的污染总量 Mo--系统中原含有的污染量 Mi--系统中被侵入的污染量 Ms--系统中新生的污染量
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Mq--过滤,去除旧的污染量
液压油液污染严重时,液压系统工作性能恶化,容易产生故障、元件加速磨损、 寿命缩短、甚至造成设备和操作的重大事故。

8.4 调试注意事项
在正常运行情况下,球阀手柄应按原理图处于正确的位置,并将其锁定;溢流 阀、调速阀、压力控制器调定值应按前面的数值调定,并将其锁定。

8.5 液压系统的维护及注意事项
(1) 液压系统应加入规定牌号的液压油液, 不得将不同牌号的液压油液混合使 用。 (2) 应保证液压系统内所使用的液压油液的污染度等级不低于规定的污染度等 级要求,对于已经变质老化或被严重污染的液压油液应及时更换。 (3)不得随意将压力控制器的控制点变动,以免影系统正常工作。 (4)要经常检查仪表及其它元件功能是否正常,如要维修更换,请注意型号和 说明书要求。 (5)每次检查一次油箱内的液面高度,如异常应检查各元件和管线渗漏点;如 果发现渗漏点,在不影响使用的情况下作好标记,停机时进行处理,如渗漏严重, 应立即停机处理。 (6) 要保持液压系统周围环境的清洁, 要求周围环境的相对湿度不大于 85%, 且无雨雪侵蚀。 (7)液压系统要定期检修,过滤或更换液压油液,并清洗油箱。

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设计总结
本次蓄能式液控蝶阀液压系统的设计设计的内容是一套完整的系统, 设计到原 理图的设计,装配图的设计与绘制,系统比较复杂,但是设计的成品结构简单,可 操作性强,可以投入实际生产。系统的设计中涉及到泵与电机的选型,阀门的选型, 以及与之有关的计算,其中管道的流量是计算的关键。在整体的设计中,由于阀门 较多,在设计过程中,采用了阀块的链接,将阀门部分布置在一个整体的阀块中, 这样的好处是节省了空间并且易于装配,但是在投入生产的过程中一点会产生一定 的缺点,不过这也是参考了现在最通用的设计方法。在阀门选型的时候不仅参考了 机械设计手册,而且查看了当下最先进流行的阀门选型,力求做到与时代同步。系 统中有几部分的压力检测机构,保证了系统的压力正常。此外,系统的纠偏功能也 是一大突出特点, 可以控制系统左右闸门的速度同步, 这样就保证了系统正常运行, 才可以使闸门正常启动。 在设计的开始,我感觉到的是比较大的压力,但是随着思路的清晰,眼前的原 理铺陈开来,问题也渐渐开始迎刃而解,终于到了现在的结果,也终于得到一个比 较满意的结果。 但是回顾自己的设计,不得不说其中还是出现了一些问题,设计还有很多不完 善的地方,这也是本人水平的限制,但是在以后的学习中一定可以更加完善。

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参考文献
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致谢
大学四年的美好生活就要圆满结束了。过去刚进大学的时那个一脸茫然,对自 己将来的路没有一个周全的计划的年轻人, 现在却马上就要昂首挺胸地步入社会了。 是谁让我有了这么大的进步呢?是我亲爱的母校,敬爱的老师和亲爱的同学们。 感谢母校给了我一个优越的成长环境,让我在这个美好的环境中快快乐乐地学 习,自由自在地生活。本次的毕业设计就在是在这个美好的环境中才得以完成任务 的。 感谢老师们的教导,感谢同学们的鼓励,感谢朋友们的陪伴,让我在大学里学 到很多的知识和经验。在此,我要特别感谢我的指导老师—刘学敏老师。在刘老师 不厌其烦地指导下,我学到了很多的设计思想和设计经验。这些设计思想和设计经 验在设计过程中起到了至关重要的作用。 最后,还要感谢所有参考文献的作者。因为他们的宝贵经验和奉献精神,我们 才有了现代的文明。

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