线圈恒压装置的设计毕业设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 线圈恒压装置的设计 济南大学毕业设计 - i - 摘 要 线圈恒压装置是主要用于大型连续式和饼式变压器线圈在高温干燥真空环境， 在恒定压紧力的作用下线圈的压紧工序作业，是干式变压器线圈生产制造过程的专 用设备，一般在常温环境下。但是线圈恒压装置需要在高温真空罐内压紧作业，因 此针对此装置需要设计出一套适合真空罐内使用的压紧装置1。 此装置包括上下压板和液压系统，液压系统包括一套液压泵、四个一组的压紧 油缸以及换向球阀。线圈通过绕线机绕制在模架上，上下压盘通过四根拉杆将线圈 固定，在每个拉杆的下端吊装一个空心压紧油缸，当泵站的高压油通入油缸以后， 缸筒与活塞相对运动，通过拉杆将力传递给上下压盘，从而对线圈实施压紧作用2。 此装置具有外形结构紧凑、使用零部件少、装配维修相对容易、操作安全快捷、 压紧质量高等特点。 关键词： 线圈； 恒压装置； 液压系统 济南大学毕业设计 - ii - abstract coil constant pressure device is mainly used for large-scale continuous and cake-type transformer coil in the hot, dry vacuum, the role of constant pressing force in the coil compaction processes operating under. it is the dry type transformer coil manufacturing process equipment. the general environment at room temperature, in order to winding the full dehydration，pressing need to work in high-temperature vacuum tank,for this design a suitable clamping device used in the vacuum tank. constant pressure device including upper and lower platen, and the hydraulic mechanism, hydraulic mechanism includes a hydraulic pump, a group of four compression cylinders and reversing valve, coil winding machine winding through the shelves in the model, upper and lower pressure plate to the coil through the four fixed rod, lifting the bottom of each rod a hollow cylinder compression, high-pressure oil through the pump station into the tank after, pass through the rod to force the upper and lower platen, to the implementation of the compression coil. this device has a compact shape, use fewer parts, relatively easy assembly and maintenance, safe and efficient operation, compression characteristics of the quality of higher. key words：coil；constant pressure device；hydraulic system 济南大学毕业设计 - iii - 目 录 摘 要. .i a b s t r a c t .ii 1 前 言.1 1.1 本课题研究的目的及意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 液压技术的特点.2 2 结构特点和技术参数.3 2.1 结构特点3 2.2 技术参数.3 3 液压系统原理图.5 3.1 液压系统方案的选择5 3.2 液压系统方案的最终确定.7 3.3 液压系统工作原理.7 4 压紧油缸的设计.9 4.1 油缸主要尺寸的确定9 4.1.1 油缸工作压力的确定.9 4.1.2 油缸内径 d 和活塞杆直径 d 的确定.9 4.1.3 油缸壁厚的确定.10 4.1.4 油缸工作行程的确定.10 4.1.5 活塞的宽度 b 的确定.10 4.1.6 上端盖厚度的确定.11 4.1.7 缸体长度的确定.11 4.1.8 活塞杆稳定性的验算.11 4.1.9 上端盖螺钉联接的校核.11 4.2 油缸的结构设计.12 4.2.1 缸体与缸盖的连接形式.12 4.2.2 活塞杆与活塞的连接结构.12 4.2.3 油缸的密封装置.12 4.2.4 油缸的缓冲装置.13 4.2.5 油缸的排气装置.13 济南大学毕业设计 - iv - 5 液压阀块的设计.14 5.1 液压阀块的结构14 5.2 液压阀块的设计.14 5.2.1 分析液压系统，确定油路板数目.14 5.2.2 制作液压元件样本.15 5.2.3 液压元件的布局.15 5.2.4 确定油孔的位置与尺寸.15 5.2.5 绘制液压阀块零件图.15 5.3 液压阀块的安装.16 6 油源的设计.17 6.1 油箱的设计17 6.1.1 油箱容积的确定.17 6.1.2 油箱的用途和分类.18 6.1.3 油箱的构造及设计要点.18 6.2 泵和电机的设计.19 6.2.1 泵和电机的选型及计算.19 6.2.2 泵的安装 .20 6.2.3 泵和电机的连接方式.20 7 结论.21 参考文献.22 致谢.23 济南大学毕业设计 - 1 - 1 1 前言 1.1 本课题研究的目的及意义 线圈恒压装置主要用于大型的连续式和饼式变压器线圈在高温干燥真空环境， 在恒定压紧力的作用下线圈的压紧工序作业，是干式变压器线圈生产制造过程的专 用装备，一般在常温环境下。线圈的压紧工序可在压力机上方便地完成，而为了方 便对变压器充分地进行干燥脱水，需要在高温真空罐内压紧作业，这时压力机因体 积受限无法在真空罐内使用，就必须设计出一套适合于真空罐内使用的压紧装置。 要完成本装置的功能，主要应用液压技术来实现。随着科学技术的不断发展，液压 技术在各个领域得到了广泛的应用，对以后的工程领域方面发挥着越来越重要的作 用。 1.2 国内外研究现状 线圈恒压装置主要用于实现线圈的压紧工序作业，是变压器线圈生产过程的专 用设备。因此，此装置所应用的液压技术尤为重要。液压技术是实现现代化生产传 动与控制传动的关键技术之一，因此世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。 就目前的发展形势，液压工业已成为全球行的工业，从上个世纪 60 年代以来， 液压技术已经延伸到各个工业领域中，并且得到了广泛的应用。目前，国外研究液 压技术的最新方向是液压轴，液压轴就是油缸上集成了伺服阀、传感器、伺服放大 器、pid 调解板、控制器等等液压元件，然后使用总线将应用的的油缸连接起来， 实现协调控制，在这种新形势的液压技术中，没有了液压阀站，只有能源站，可以 大大减少设计工作量，很大程度地提高液压的自动化水平，这是目前国际上研究发 展的新潮流。同时，液压技术在国内也得到了广泛应用，应用了高技术成果，如微 电子技术、伺服与传动技术、总线控制技术、检测传感技术、自动控制技术、信息 处理技术、伺服与传动技术、精密机械技术、信息处理技术、系统集成技术、摩擦 磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，使液压系统 和元件的质量水平有了一定的提高。尽管如此，目前条件下的液压技术要有惊人的 技术突破，应当主要靠现有技术的改进、扩展和资源整合，不断做强，扩大其应用 领域以满足未来的要求。可以预见，近二三十年液压行业的发展趋势为：打造绿色 液压系统；机电一体化的实现；液压元件、系统的发展呈现多极化；行业资源整合。 为应对我国加入 wto 后的新形势，我国液压行业各企业加速科技创新，不断提 高产品市场竞争力，使得一批优质产品成功地为国家重点工程和重点主机配置，取 得了较好的经济效益和社会效益。由此可见液压传动产品在国民经济和国防建设中 济南大学毕业设计 - 2 - 的地位和作用已经十分重要。液压技术的发展决定了机电产品性能的提高。所以说 液压技术的发展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。 液压技术总的发展趋势是高速化、智能化。 1.3 液压技术的特点 优点： （1）传动平稳 在液压系统的传动装置中，因为油液的压缩量非常小，通常压 力下可以认为是不可压缩的，依靠油液的连续流动进行传动。由于油液有吸振能力， 因此可以在油路中设置液压缓冲装置，使得传动十分平稳，便于实现频繁的换向。 （2）质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比较，在输出同样功 率的条件下，体积和质量可以减小很多，因此惯性小、动作灵敏。 （3）液压传动可以实现无级变速，调速范围比较大。 （4）液压传动工作比较平稳，反应快，冲击小，能够快速启动，停止和换向。 （5）液压传动装置易于实现过载保护，能自行润滑，寿命长。 （6）液压传动中，由于工作摩擦产生的热量可以被流动的液压油带走。 缺点： （1）液压传动的工作介质是液压油，可能会泄露，油液是不可压缩的，实现定 比传动非常困难。 （2）压力油对温度和负载的变化敏感， ，适合在常温下工作，不利于在高、低 温下使用。 （3）液压传动中，采用油管传输压力油，压力损失较大，因此不适宜远距离输 送动力。 （4）油液比较容易污染，会影响系统工作的可靠性3。 济南大学毕业设计 - 3 - 2 2 结构特点和技术参数 2.1 结构特点 恒压装置由一套液压泵站和四个一组的压紧油缸组成，液压泵站安装在高温真 空罐外侧，高压油缸在高温真空罐内工作，恒压装置工作原理如图 1 所示。线圈事 先通过绕线机4绕制在模架上，上下压盘通过四根拉杆将线圈固定，每个拉杆下端 吊装一个空心压紧油缸，当泵站的高压油通入油缸后，缸筒与活塞相对运动，通过 拉杆将力传递给上下压盘，从而对线圈实施压紧作用，整个线圈组件由底座支撑， 放在真空罐内5。 1、8螺母 2上压盘 3拉杆 4线圈 5模架 6下压盘 7油缸组件 9支座 图 1 线圈恒压压紧结构简图 四个压紧油缸需在温度达 150c 的真空罐内连续工作 50 小时以上，油缸内的压 力要保持恒定，整个压紧过程油缸的实际行程约 3050mm，压紧过程中四个油缸 运动必须保持同步6，以保证上下压盘的平行度。泵站需设有恒定压力的功能，能 够实现压力的迅速补偿，完成对变压器线圈干燥全过程的恒压加载7。更换不同大 小的油缸，可以实现不同大小压紧力要求的线圈压紧要求。 济南大学毕业设计 - 4 - 2.2 技术参数 恒压装置的主要技术要求如下： 1、工作压紧力：4400kn=1600kn； 2、系统最高压力：35mpa； 3、单个油缸作用力：400kn； 4、油缸为空心油缸，行程：100mm； 5、油缸工作最高环境温度：150c； 6、工作时油缸的同步精度不低于1.5%； 7、单泵输出流量范围 5.2l/min； 8、机器造型美观、操作方便、数字显示清楚。 济南大学毕业设计 - 5 - 3 3 液压系统原理图 3.1 液压系统方案的选择 恒压装置的工作特点是油缸的环境温度高、活塞运动速度超低近似于爬行、油 缸需恒压同步长时连续工作，这几个因素中油缸同步是考虑设计液压系统的关键所 在。以下几个方案是设计过程中考虑过的同步压紧方案，分析如下： 1. 同步马达方案 图 2 是采用同步马达的设计方案。同步马达是将四个排量相同的液压马达转轴 刚性的连接成一体，从而实现各回路流量的均等，同步精度约在1%3%之间。同 步马达的同步精度与偏载荷和流量因素有关，当回路流量与马达的额定流量接近、 载荷均匀时同步精度高，当过流量低时，因马达不可避免地存在一定的内泄漏，这 时，同步精度就很低8。 图 2 同步马达的设计方案 2. 比例调速阀方案 图 3 是采用比例调速阀的设计方案。就单个比例调速阀而言，流量受负载不均 因素影响很小，速度稳定性好，但要使一组四个比例调速阀的控制流量达到一致， 不但调试方面比较麻烦，即使是调试达到了同步要求，而当油温发生变化后，流量 特性又有变化，最终影响同步精度。要使比例调速阀能发挥其控制灵活的作用，就 必须采取闭环控制方式，即在每个油缸上装有位移传感器9。 济南大学毕业设计 - 6 - 图 3 比例调速阀的设计方案 3. 分流-集流阀方案 图 4 是采用分流-集流阀的方案。分流-集流阀是利用负载压力反馈的原理，将 进油路的流量平分成等量的两条出油支路的流量。本设计采用三个特殊定做的自调 式分流-集流阀，实现四个压紧油缸的同步，每个阀的额定流量为 0.5l/min，同步 精度1%，实际试车运行后，通过测量上下压盘的平行度，能够达到1.5%同步精 度的要求。 济南大学毕业设计 - 7 - 图 4 恒压装置液压系统原理图 3.2 液压系统方案的最终确定 同步马达方案中，线圈在恒压加载过程中，油缸在 50 多小时的时间过程中行程 仅不过 50mm，也就是说，油缸以及其低的速度或近似于爬行的方式工作，对此来说， 同步马达的精度将大打折扣。因此，如果采用同步马达方案，是花费高的造价成本， 却是不能满足设备的精度要求。 比例调速阀方案中，此恒压装置是在 150c 的高温环境下工作，普通位移传感 器上的电子元件不能承受这么高的温度。如果花高代价装上可耐此高温的 lvdt 差动 变压器式位移传感器，但因油缸是每压完一组线圈后就需要拆卸下来，这种频繁更 换拆卸的工作方式，很容易损坏传感器，实际生产中工作可靠性不高。 同步马达的成本是分流-集流阀的近乎十倍，比例调速阀加上传感器与控制放大 器的成本，造价已超出分流-集流阀的十倍以外。因此，最终选择方案就是分流-集 流阀方案。 3.3 液压系统工作原理 恒压装置系统回路实际上是一个保压回路+同步回路。油泵 7 的出口压力由电磁 溢流阀 10 来控制。当电磁溢流阀 10 中电磁铁断电时，油泵卸荷；通电时，油泵出 口压力为电磁溢流阀 10 的调定压力，最高 35mpa。当电磁换向阀 12 左位的电磁铁 通电，电磁换向阀 12 左位接入油路，油泵输出的压力油通过分流集流阀 17.1、17.2、17.3 进入加载油缸。 在升压加载过程中，电磁换向阀 12 左位电磁铁通电，电磁换向阀 14 上的电磁 铁断电，电磁溢流阀 10 中电磁铁断电。当升压至油缸的工作压力时，此压力即为数 显压力表的上限值。数显压力表将电讯号发给电磁换向阀 12 和电磁溢流阀 10 中的 电磁铁，使电磁换向阀 12 工作至中位（左右电磁铁都断电） 、电磁溢流阀 10 卸荷， 电磁换向阀 14 仍维持断电状态。此时，系统压力由蓄能器维持。 在经过一段时间后,由于油缸的缓慢运动,若当系统压力又低于数显压力表 18 所 设定的下限值时, 数显压力表又给电磁溢流阀 10 与三位四通电磁换向阀 12 的左边 电磁铁发出通电信号(此信号还应送给计数器，来计一次数，即在恒压过程中，电磁 溢流阀 10 与三位四通电磁换向阀 12 的左边电磁铁每得到由数显压力表发来的通电 信号一次，就计一个数，计数是逐次累加的，如果油路有泄漏,阀 10 与阀 12 将会通 电次数频繁，从计数器的计数值上将会得到间接的反映)， 油泵又给油缸与蓄能器 同时供高压油,以维持系统正常工作压力； 当系统压力再次达到数显压力表所设定 的上限值时, 电磁溢流阀 10 与三位四通电磁换向阀 12 左边电磁铁又获得由数显压 济南大学毕业设计 - 8 - 力表发来的信号,使二者都断电, 油泵卸荷，系统压力由蓄能器维持，在 50 个小时 的恒压过程中,油泵一直处于“加压”与“卸荷”这两中状态下交替工作。 当电磁溢流阀 10 卸荷、三位四通电磁换向阀 12 处于中位，使电磁换向阀 14 通 电，此时加压油缸卸载，活塞缩回。 截止阀 13 插装在集成块内部，正常情况下是关闭的，除非维修排除故障之需要 开通，任何情况下应关闭。 19.119.5 为插装式液控单向阀，其通断是由控制油路决定。 设置压力继电器是考虑到的对油泵的第二道保护措施，即一旦电磁溢流阀 10 的 溢流安全功能失效，系统压力超过了数显压力表的上限而达到压力继电器的设定值 （压力继电器的设定值应高出数显压力表上限设定值约 12mpa） ，压力继电器的触 点吸合，立即使电机停止转动，以免油泵受损10。 济南大学毕业设计 - 9 - 4 压紧油缸的设计 油缸是液压系统的执行元件，油缸的设计是在对液压系统进行一系列分析，选 定工作压力之后进行设计的。线圈恒压装置中采用的油缸是空心油缸，油缸设计的 创新之处是在活塞中间设置了导向套，从而使油缸中心形成一个空腔，这便解决了 拉杆穿过油缸无杆腔时的密封问题。 4.1 油缸主要尺寸的确定 4.1.1 油缸工作压力的确定 液压系统设备的类型决定油缸的工作压力，因此针对不同的液压设备，由于工 作条件的不同，所以通常采用的压力范围也是不同的。 由技术参数可知：系统最高压力为 25 mpa，由表 1 可知该系统设备属于高压类 型。系统的压力高，可采用小体积的油缸，能够保证油缸的结构紧凑。 表 1 p(mpa)02.52.58816163232 类型低压中压中高压高压超高压 故系统工作压力 ps=25mpa，单个油缸作用力 fmax=400kn。 4.1.2 油缸内径 d 和活塞杆直径 d 的确定 由公式可求得油缸内径 d: (4.1) 3 2 max 1 6 400 10 160 25 10 s f acm p (4.2) 2 1 4 d a 1 44 160 142.8 a dmm 油缸内径 d 圆整到相近的标准直径，方便采用标准的密封件，d=160mm，因为 工作压力 ps=25mpa7mpa,由下表得 d=0.7d 济南大学毕业设计 - 10 - 表 2 液压缸活塞杆直径推荐表 受压缩，工作压力/mpa 1 p 活塞杆受力情况受拉伸 1 5p 7 1 p 活塞杆直径（0.30.5）d(0.50.55)d(0.60.7)d0.7d 取： d=0.7d=0.7x160=112mm (4.3) 将活塞杆直径 d 圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封件：d=125mm。 4.1.3 油缸壁厚的确定 油缸的壁厚是由油缸的强度条件来确定的，油缸的壁厚一般是指缸筒中最薄处 的厚度。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 当10 时为薄壁，当5.2 l/min (6.3)vn 3 4 101450 济南大学毕业设计 - 20 - 该泵为内啮合齿轮泵，调定输出流量为 5.2 l/min. 由公式 pt = pq 泵的输出功率为： pt = pq=5.210-62.510660= 2.17 (kw) (6.4) 按泵的总效率为 85%计算，液压泵的输入功率应为： pm= pt/=2.17/0.94= 2.3( kw) (6.5) 根据初步计算的液压泵输入功率，选择型号为电机 y100l2-4，因为该系统要求 性能稳定，所以采用 b5 安装方式。该型号电机功率为 3kw，额定转速为 1430r/min。 则该泵的实际流量： q =vn =4010-31430 = 5.72 (l/min)5.2(l/min) (6.6) 故选择的泵和电机均满足系统要求。 6.2.2 泵的安装方式 泵的安装方式分为立式和卧式安装两种。立式安装是将泵和与之相连的油管放 在油箱内，这种结构形式紧凑、美观并且能保证电动机和液压泵的同轴度，吸油条 件好，漏油可直接回油箱，占地面积好。但是安装维修不方便，散热条件不好。卧 式安装中泵和油管在油箱外面，安装维修方便，散热条件好，但是电动机与泵的同 轴度不易保证。 综上两种安装方式，选择卧式安装。 6.2.3 泵和电机的连结方式 电动机与泵的连结方式分为法兰式、支架式和支架法兰式。此装置中选择支架 式。支架式是将液压泵直接装在支架的止口里，依靠支架的底面与底板相连，再与 底座的电动机相联。这种结构的缺点是不能保证电动机和泵的同轴度。 为避免安装时产生同轴度误差带来的不良影响，常选用带有弹性的联轴器。选 择型号为 nl4 齿形弹性联轴器。此类联轴器使用于轴间及的挠性传动，允许较大的 轴向径向位移和角位移，并且具有结构简单，维修方便，拆装容易，噪声低，传动 功效损失小，使用寿命长等优点18。 济南大学毕业设计 - 21 - 7 结 论 本文针对线圈恒压装置进行了设计，主要是对液压系统中液压油缸，对非标准 件液压阀块、油箱等零部件完成了结构设计。在液压阀块的设计中，为了减小液压 系统的空间，方便油路管的铺设，各个液压元件之间的连接，采用了油路板式阀块 的设计，降低了设备的成本，使整个液压系统便于维护检修。另外还对一些常见的 问题进行了改善，提高了线圈恒压装置工作的可靠性与稳定性，使整个线圈恒压装 置的性能得到了改善。 液压系统是线圈恒压装置的重要组成部分，液压阀块的设计更是液压系统中的 重中之重。液压阀块的工作可靠性和稳定性对线圈恒压装置的工作可靠性和稳定性 具有重要作用。 本文只是针对线圈恒压装置液压系统的主要问题进行了研究，对液压阀块应考 虑的问题展开了设计。但是，在线圈恒压装置的设计中，压紧油缸的运动速度、压 力等方面并没有详细的计算，因此此设计还有待完善。 在设计的过程中，因所学知识有限，知识面得狭窄，考虑问题难免不周全，不 可避免的存在疏漏和不足之处，恳请各位老师给予批评指正! 济南大学毕业设计 - 22 - 参 考 文 献 1 周定如. 大型变压器线圈变形的检测及预防措施j. 供用电，1995,(05):34-37 2 杨可森, 程永全, 席中慧, 李宏伟. 试验机液压系统的节能设计j. 机床液压 2002,(04):72-74 3 雷天觉.新编液压工程手册m. 北京：北京理工大学出版社,1998 4 朱秋萍. 变压器高压线圈全自动绕线机的研制j. 科技论坛，2005,(14) 5 陈健, 徐鸣谦, 萧子渊, 大型构件液压加载试验台调试j. 工程机械, 2000,(06):11-12 6 铁占续，张富增，吴中青. 大型液压机械工作油缸同步问题的探讨j. 焦作工学院学报, 1996,(03):46-48 7 韦宏伟，张锋，王永光，陈洁，于利宏. 100mw 机组它励恒压装置的改造j. 内蒙古电力 技术，2002,(03):47-48 8 司癸卯,魏立基,夏谷成.液压比例同步控制回路j.工程机械,2000,(09):27-28 9 柳根平. 一种新型的串联油缸同步方式j. 机械研究与应用，2004,(04):55-59 10 李壮云.液压元件与系统 （第二版）m. 北京：机械工业出版社.2005 11 刘延俊，王守城，杨前明，苏航.液压与气压传动（第二版）m. 北京：机械工业出版 社.2006.12:59-74 12 陆萍，任殿军. 一种新型高速动态液压加载装置j. 山东工业大学学报，1998,(03):269-271 13 周进民，一种高精度液压加载系统设计j. 内燃机，2002,(01):11-13 14 繆骏骅. 对小型船用交流发电机调压和自励恒压装置的分析j. 科技情报开发与经济， 2006,(24):201-202 15 白友兆，周俊康，杨明辉，彭嗣明，刘小东. jly 系列液压式压力试验机数控装置介绍j 中国建筑材料科学研究院，1996,(08):34-36 16 ryszard dindorf. modelling and simulation of the hydraulic control system with elastically mounted load massj. in: international carpathian control conference iccc, 2002 17 by carl blake, ralph monteior, andrew sawle. high current voltage regulator module employs novel packaging technology to achieve over 100a in a compact footprint to power next generation servers. international rectifier, ei segundo ca，usa.2001 18 车忠远, 王绪山. 电液伺服动静万能试验机液压系统原理介绍j. 试验技术与试验机, 济南大学毕业设计 - 23 - 2000,(z2):49-50 致 谢 此次设计是在我的指导老师杨可森老师严格要求和精心指导下完成了，在此期 间，杨老师在很多方面都给予我极大的关心和帮助，特别是他严谨的教学态度，一 丝不苟的工作作风和在设计上独特的见解都让我受益匪浅。导师在课题选择、资料 收集等方面都作了精心考虑。这不但使我的基础理论和实践能力有了很大提高，更 重要的是使我学到了良好的设计方法和工作态度。这将是我今后学习工作中永远的 动力和财富。在此，向杨可森老师致以最诚挚的敬意！ 感谢学院为我们提供了一个优良的设计环境，感谢学院的各级领导、老师对我 们的关怀、鼓励和教诲！ 向在毕业设计中给予热心帮助的所有老师和同学表示诚挚的感谢！ 济南大学毕业设计 - 24 - 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标 注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的