音乐池升降台毕业设计音乐池升降台液压控制系统设计

音乐池升降台液压控制系统设计摘 要近年来液压技术在各行各业中得到了广泛应用，而且不同行业的液压系统也各有特点。升降台是舞台机械台下设备中应用最广泛的设备之一，在专业歌剧院、舞剧院、话剧院的音乐池，都配备着大量各种类型的升降台，即使是在某些以转台为主的话剧院，鼓形转台也配置着不同规格的升降台。许多国际知名音乐厅，都配备了用于乐队、合唱队或大型乐器的乐池升降台。液压传动很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控，所以升降台大多都采用液压传动。关键词：液压传动，电气控制，系统回路，液压仿真I目 录1 绪论 .11.1 液压技术 .11.2 液压传动控制 .21.3 音乐池升降台 .31.4 音乐池升降台液压传动系统 .42 制定基本方案和绘制液压系统图 .62.1 基本方案 .62.1.1 调速方案的选择 .62.1.2 压力控制方案 .62.1.3 顺序动作方案 .62.1.4 选择液压动力源 .72.2 绘制液压系统图 .73 音乐池升降台液压系统工作原理及特点 .93.1 液压系统的工作原理 .93.2 液压系统的工作特点 .94 液压系统主要参数的确定及工况分析 .104.1 升降机的工艺参数 .104.2 工况分析 .105 液压系统主要参数的计算 .115.1 初步估算系统工作压力 .115.2 液压执行元件的主要参数 .115.2.1 液压缸的作用力 .115.2.2 缸筒内径的确定 .115.2.3 活塞杆直径的确定 .125.2.4 液压缸壁厚的确定 .145.2.5 液压缸的流量 .145.3 速度和载荷计算 .155.3.1 执行元件类型、数量和安装位置 .15II5.3.2 速度计算及速度变化规律 .165.3.3 执行元件的载荷计算及变化规律 .166 液压元件的选择及计算 .196.1 液压泵的选择 .196.1.1 泵的额定流量 .196.1.2 泵的最高工作压力 .196.1.3 确定驱动液压泵的功率 .206.2 选择电机 .226.3 连轴器的选用 .226.4 控制阀的选用 .236.4.1 压力控制阀 .236.4.2 流量控制阀 .236.4.3 方向控制阀 .246.5 管路，过滤器选择计算 .246.5.1 管路 .246.5.2 过滤器的选择 .256.6 辅件的选择 .266.6.1 温度计的选择 .266.6.2 压力表选择 .266.6.3 油箱 .267 电气控制回路设计 .288 液压系统性能验算 .308.1 系统压力损失验算 .308.2 计算液压系统的发热功率 .319 液压系统的仿真 .339.1 FluidSIM 软件介绍 .339.2 液压系统仿真 .349.2.1 建立系统回路 .349.2.2 系统进行仿真 .34III10 结论 .42参考文献 .43致谢 .44 11 绪论本次毕业设计是根据我们机电一体化专业的学生，所掌握的专业知识而编写的。它突出了液压技术的特点，实现机械和电气控制的有机地融合在一起，从而实现机电一体。本文主要介绍音乐池升降台的液压系统的设计思路、液压系统的工作原理及各种液压元件的选用。1.1 液压技术液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、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技术。液压传动相对于机械传动来说，是一门新技术。自 1795 年制成第一台水压机起，液压技术就进入了工程领域，1906 年开始应用于国防战备武器。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要发应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。20 世纪 60 年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成化等方向发展；同时，减小元件的重量和体积，提高元件寿命，研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果。解放前，我国经济落后，液压工业完全是空白。解放后，我国经济获得迅速发展，液压工业也和其它工业一样，发展很快。20 世纪 50 年代就开始生产各种通用液压元件。当前，我国已生产出许多新型和自行设计的系列产品，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液脉冲马达以及其它新型液压元2件等。但由于过去基础薄弱，所生产的液压元件，在品种与质量等方面和国外先进水平相比，还存在一定差距，我国液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业技术的发展，可以预见，液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业部门中的用应，也将会越来越广泛。现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。1.2 液压传动控制液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。 液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就是把液压的能量转换称为机械能，从而对外做功。 液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进3行预期的控制，以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性，使得液压控制系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。 除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。在表演中广泛应用音乐池升降台，其传动及控制系统大部份采用的是液压装置。因此对音乐池升降台液压控制系统的设计也将围绕着对液压动力元件、液压执行元件、液压控制元件、液压辅助元件以及液压回路的选择而进行。1.3 音乐池升降台为满足当代观众的需求，求得完美的效果，舞台上除了灯光、音响外，舞台机械尤为重要。舞台上设有吊杆、吊点、灯光渡桥、灯光吊笼、防火幕，台下设有升降台、车台、转台、升降乐池等，有的升降台中配套转台，或转台中有升降台。升降台是舞台下机械设备中应用最广泛的设备之一，在专业歌剧院、舞剧院、话剧院以及许多国际知名音乐厅里都配备着各种类型的升降台。他具有快速迁换布景、满足舞台的工艺布置的需要、满足舞美设计和剧目编导人员的需要、制造特殊的气氛和效果、根据表演的需要改变舞台形式等作用。音乐池升降台升至舞台平面时，扩大舞台表演区。音乐池升降台降至乐池底部以便乐队演奏，增强了剧场。升降舞台在降至最低时，和下舞台面平，演员可以站立在升降舞台台面上；舞台升至最高时，和主舞台面平，从而使演员从台下隐藏室缓缓升至主舞台上，给观众一种意想不到的视觉效果，可利用升降台不同的高度变化来改变舞台的形状，适应剧情对布景或场地的要求，充分满足了音乐剧、歌剧、芭蕾、戏剧和综合文艺演出的不同需要，使观众能够享受全面的舞台艺术魅力，以节省搭景消耗的人力、物力如图 1-1。按移动的方法不同分：固定式升降机、拖拉式升降机、自行式升降机、车载式升降机等。按照升降机构的不 同 分 ： 剪 叉 式 升 降 机 、 升 缩 式 升 降 机 、 套4筒 式 升 降 机 、 升 缩 臂 式 升 降 机 、 折 臂 式 升 降 机 。图 1-1 音乐池升降台1.4 音乐池升降台液压传动系统（1）传动平稳 在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。（2）质量轻体积小 重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了 1T。（3）承载能力大 液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。（4）容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且调速范围很大，可达 20001，很容易获得极低的速度。（5）易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。（6）液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动5装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。（7）容易实现复杂的动作 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件。（8）简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。（9）便于实现自动化 当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。（10）便于实现“三化” 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化。也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。62 制定基本方案和绘制液压系统图2.1 基本方案2.1.1 调速方案的选择调速方案对液压系统的性能起决定作用，选择调速方案时，应根据液压执行元件的负载特性和调速范围及经济性等因素选择。常用的调速方案有三种：节流调速回路、容积调速回路、容积节流调速回路。本升降机采用节流调速回路，节流调速一般采用定量泵，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流启动冲击小，回油节流常用于有负载的场合，旁路节流多用于高速。节流调速一般采用开试循环形式，在开试系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，在排回油箱。开试回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。节流调速回路具有以下特点：承载能力好，成本低，调速范围大，适用于小功率，轻载或中低压系统，但其速度刚度差，效率低，发热大。节流调速适合升降台的液压系统的调速方案，故选择节流调速，回路效率低，功率损失大。2.1.2 压力控制方案液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或一定压力范围内工作，也有的需要多级连续或无级连续调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，