带式输送机液压张紧装置设计

1 摘 要 本设计主要是带式输送机全自动液压张紧装置的设计 它是在吸收国 内外输送机 张紧技术的基础上 根据国内带式输送机的运行特点及要求研制的 它采用比例控制技 术及可靠性较高的可编程控制技术 可以对张紧力进行多点控制 根据不同工作情况随 时调节张紧力的大小 能最大程度的延长皮带的寿命 大大节约了成本 在设计中 用 一个动滑轮使液压缸的行程减少了一半 避免使用行程较长的液压缸 减少了制造液压 缸的难度 同时 系统中增加了若干个蓄能器 可以最大限度的吸收液压冲击 减小对 皮带的冲击力提高胶带的使用寿命 关键词 带式输送机 全自动液压张紧装置 比例控制 可编程控制 1 目 录 1 概述 1 1 1 张紧装置综述 1 1 2 新型液压张紧装置 2 1 3 液压传动的特点 2 2 主要设计参数及方案确定 3 2 1 主要设计要求 3 2 2 方案确定 3 2 3 确定系统主要参数 6 3 确定液压泵及配套电机 9 3 1 液压泵的选用 9 3 2 电动机的选用 11 4 确定液压系统元件 辅件 13 4 1 选择液压控制阀型号 13 4 2 确定液压辅件 13 5 液压缸设计 20 5 1 液压缸的类型和安装形式 20 5 2 液压缸主要零部件结构 材料和技术要求 20 5 3 活塞杆的导向套 密封和防尘 25 5 4 排气阀 26 5 5 油口 26 5 6 密封圈 防尘圈的选用 27 5 7 销轴的安装 27 5 8 液压缸的主要性能参数 27 6 液压油路板的结构 32 7 油箱及其附件 36 7 1 油箱的用途和分类 36 7 2 油箱的构造和尺寸 36 7 3 液压油箱的结构设计 37 2 8 液压系统的安装 使用和维护 45 8 1 液压系统的安装 试压和调试 45 8 2 试压 46 8 3 液压系统的使用和维护 46 结 论 48 致 谢 49 参考文献 50 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 1 1 概述 1 1 张紧装置综述 1 1 1 张紧装置作用 张紧装置是皮带机的重要组成部分 它在输送机工作过程中有着重要的作用 1 可以保证输送带在驱动滚筒的奔离点具有适当的张力 防止输送带打滑 2 保证输送带与托辊接触弧上具有必要张力 防止输送带在两组托辊间松弛引起 撒料 3 补偿输送带的永久变形以及在不同工况下起动 稳定运行时弹性身长 我国 带式输送机目前使用的张紧装置有两个特点 1 输送带在驱动滚筒奔离点的张紧力随时间 运行工况任意变化 例如螺栓拉紧装 置和绞车拉紧装置 2 保持输送带具有恒定张力值 例如重锤拉紧装置 由于输送带在启动过程中的 非稳定运动状态下 输送带除了受静张力作用外 还受到由于速度变化的附加张紧力作 用 为了保证输送带在驱动滚筒上不滑动 而且再稳定运行中受力合理 要求它在启动 与稳定运行时具有不同的张力 而且在稳定运行时保持张力恒定 但目前的煤矿带式输 送机张紧装置不能满足这些要求 为此需要研制一种新型的自动张紧装置 1 1 2 张紧装置类型 现有的张紧装置有三种形式 重锤式 机械式和液压式 1 重锤式张紧装置 重锤式张紧装置是最初的张紧装置的形式之一 它主要由张紧装置框架 张紧改向 滚筒 弹簧缓冲器 偏心制动轮等部件组成 此种张紧张紧装置主要靠框架的重量和配 重的大小来拉紧皮带 此种张紧装置的优点是 结构简单 成本较低 缺点是 不能根 据工作情况 调整张紧力的大小 皮带往往只能保持在一种较紧的张紧状态 2 固定式张紧装置 固定式张紧装置是指张紧滚筒在输送机起动前和停机后可以左右移动改变张紧力 而 在运行过程中位置始终不变 张紧力随张力的变化而变化 不能保持恒定 的张紧装置 其中螺旋张紧装置常用于短距离输送机中 电动绞车和手动绞车式固定式张紧装置适用 于水平输送和小倾角上运输送的大型输送机 但当胶带产生塑性变形后 引起胶带张力变 小 悬垂度增大 这时应重新调整张紧位置 3 液压式张紧装置 液压式张紧装置主要通过液压缸的伸缩来拉紧皮带 现在的液压张紧装置 一般是 通过继电器来控制皮带的张紧 它可以根据工作情况调整张紧力的大小 改善了皮带的 工作状况 大大提高了皮带的使用寿命 但是 它不容易对皮带的张紧力实现点控 为 此 可以设计一种液压张紧装置 这种张紧装置不仅可以实时改变张紧力的大小 还可 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 2 以解决张紧力的点控问题 1 2 新型液压张紧装置 新型自动控制液压张紧装置的主要技术特点 1 用动滑轮解决长行程的要求 由于在胶合接头和安装过程中都要求输送带有一 定的松弛量 如用油缸直接张紧小车 则油缸行程太长 为此可以通过若干个动滑轮组 拉住张紧小车 通过这种方法可以降低液压缸的长度 但是 在减小液压缸行程的同时 增大了液压缸的拉力 2 设置蓄能器提高系统张力的稳定性 在输送机启动过程中 构成输送带动张紧 力的弹性波有入射波 反射波和透射波三种 由于入射波与反射波的作用 输送带在传 动滚筒奔离点的力忽大忽小 成不稳定状态 输送带承受着冲击载荷 为此在张紧装置 的液压系统中设置若干个蓄能器 来抵消入射波与反射波对奔离点张紧力的影响 3 通过压力传感器及时监控液压缸的张紧状态 根据情况改变张紧力的大小 这 样就可以大大改善皮带的工作条件 提高皮带的寿命 1 3 液压传动的特点 1 3 1 优点 1 同其它传动方式比较 传动功率相同 液压传动装置的重量轻 体积紧凑 2 级变速 调速范围大 3 建的惯性小 能够频繁迅速换向 传动工作平稳 系统容易实现缓冲吸震 并能 自动防止过载 4 电气配合容易实现动作和操作自动化 与微电子技术和计算机配合 能实现各种 自动控制工作 5 件已基本上系列化 通用化和标准化 利于 CAD 技术的应用 提高效率 降低 成本 1 3 2 缺点 1 易产生泄漏 污染环境 2 因有泄漏和弹性变形大 不易做到精确的定比传动 3 系统内混入空气 会引起爬行 噪音和震动 4 环境温度比机械传动小 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 3 2 主要设计参数及方案确定 2 1 主要设计要求 根据实际情况 设计一种符合下列条件的张紧装置 1 最大张紧力 160KN 2 最大张紧行程 200m 3 电机功率 7 5 11KW 2 2 方案确定 2 2 1 参考方案一 1 方案原理图见图 1 2 工作原理 如上图所示 此种重锤式张紧装置主要由张紧装置框架 张紧改向滚筒 弹簧缓冲 器 偏心制动轮等部件组成 张紧装置框架本身包含一个能供滚筒上下滑动的滚筒滑槽 并在安装滚筒的钢结构上平面装有两个弹簧缓冲器 配重块重量不直接作用在滚筒轴上 偏心制动轮通过传动连杆与张紧滚筒的钢结构平台连接 胶带主要通过张紧改向滚筒来 实现胶带张紧 张紧力的大小取决于配重块的重量 张紧装置框架重量以及滚筒的重量 根据胶带重载时的所需驱动力来选择 2 2 2 参考方案二 1 方案原理图见图 2 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 4 1 滑轨 2 张紧装置框架 3 滚筒安装平台 4 滚筒滑槽 5 限位挡块 6 制动偏心轮 7 销轴 8 装运连杆 9 吊架 10 传动连杆 11 缓冲器 12 胶带 13 轴承支座 14 张紧改向滚筒 15 配重 图 1 重锤张紧装置 1 慢速绞车 2 张紧小车 3 输送带 4 手动换向阀 5 张紧油缸 6 单向阀 7 电磁换向阀 8 油泵 9 油箱 10 11 溢流阀 J 压力继电器 图 2 张紧装置原理 2 工作原理 当司机合上开关后 电控箱开始工作 首先启动油泵 8 压力油经过手动换向阀 4 及 单向阀 6 进入油缸 拉动张紧小车 2 然后启动慢速绞车 直接拉动张紧小车 2 当达到 输送机启动时所需的张紧力时 电动箱的压力继电器控制输送机启动 溢流阀 10 控制胶 带的最大张紧力 正常运行阶段张紧力由压力继电器 J1 J2 和溢流阀调整 溢流阀 10 的 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 5 调定压力比溢流阀 11 的调定压力高 通过这种控制就可以保证输送胶带的自动张紧 张 紧力减小时 溢流阀 11 关闭 油泵向油缸补液 油缸拉动张紧小车提高张紧力 张紧力 超出整定范围时 溢流阀 11 打开进行回油 油缸带动张紧小车减小张紧力 启动与正常 运行这两个阶段由测速装置进行控制 将速度信号转换为开关信号 由电磁阀 7 进行切 换 2 2 3 参考方案三 1 原理图见图 3 1 过滤器 2 液压泵 3 9 溢流阀 4 手动换向阀 5 液控单向阀 6 压力表 7 液压缸 8 蓄能器 图 3 原理图 2 工作原理 工作前 先关闭节止阀 液压泵工作 拉紧装置起动 使系统达到规定的启动拉力 进行拉紧 当装置拉紧后 打开节止阀 使系统压力达到运行张力 启动张力约是运行 张力的 1 2 1 5 倍 2 2 4 方案对比 上面提出的三个方案各有特点 现表述如下 方案一的优点是 结构和原理都比较简单 就是利用物体自身的重力 来拉紧皮带 需要多大的张紧力 只要给它坠上同等重量的物体即可 它的制造也比较方便 但是 它的缺点也是比较明显的 其中最重要的缺点就是张紧力不能调节 皮带的张紧力只能 固定在皮带机起动需要的最大数值上 即使以后不需要如此大的力 也不容易调节 它 的另一个缺点是 体积比较庞大 占用地方大 方案二的优点是 它是靠油缸来张紧皮带的 需要多大的张紧力 只要选用对应大 小的液压缸 即可达到规定的要求 结构设计比较紧凑 由于它是采用压力继电器来控 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 6 制系统 所以它容易实现自动化 这一点对产品的推广非常有利 它的缺点就是 对于 张紧力不能达到实时控制 不容易实现张紧力的点动控制 方案三的优点有 张紧力可以根据带式输送机的需要调节 实现起动张紧力为正常 运行张紧力 1 2 1 5 倍的要求 响应快 结构紧凑 安装空间小 比较以上几个方案后 在此选择第三个方案进行设计 因为它具有前面方案所没有的优点 代表着张紧装置未 来发展的方向 2 3 确定系统主要参数 2 3 1 主要设计参数 图 4 布置图 根据上面液压张紧装置的张紧行程 最大张紧力 以及张紧装置是通过两根钢丝绳 绕过滑轮与液压钢的耳环连接等已知条件 如上图 可以知道液压缸的主要设计参数 液压缸负载作用力 F 480KN 液压缸行程 S 3400mm 2 3 2 液压缸的主要参数 1 液压缸工作压力的确定 液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定 对不同用途的液压设备 由于工 作条件不同 通常采用的压力范围也不同 设计时 可用类比法来确定 查机械设计手 册第四卷液压传动部分相关数据 确定液压缸的工作压力为 20Mpa 2 液压缸内径和活塞杆外径的确定 计算液压缸内径 D 1415626 3 2 p Fn 95 0 10 20 1415926 3 10 480 2 6 3 200mm 其中 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 7 Fn 液压缸载荷 液压缸效率 圆整 D 的标准值选 200mm 计算活塞杆外径 选取的速比43 1 按 1 43 1 2 v v 22 2 dD D 经计算得 d 100mm 计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置 速比不宜过大或过小 以免产生过大的背压或者活塞杆太细 稳定性不好 验算张紧力 验算油缸的最大回程张紧力 FH 4 14159 3 22 pdD 573 4 95 0 10 20 1 02 0 14159 3 322 小于最大的张紧力 600KN 不能达到要求 油缸的内径需要增大 油缸内径取 D 220mm 由于速比43 1 按 1 43 22 2 dD D 计算得 d 121mm 验算张紧力是否符合要求 FH 4 14159 3 22 pdD 4 95 0 10 20 1 022 0 14159 3 322 603 大于 600KN 符合最大张紧力的要求 3 液压缸壁厚 关于液压缸壁厚可以按照下式计算 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 8 2 max DP 106Mpa 5 b 5 530 20 8mm 2 max DP 106 2 220 20 考虑到缸筒的外径公差余量 缸筒的壁厚定为 25mm 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 9 3 确定液压泵及配套电机 3 1 液压泵的选用 1 液压泵的分类 液压泵在液压传动中将原动机输出的机械能转换为液体的压力能 为液压系统提供 压力油源 液压泵是利用封闭容积的大小变化来工作的 泵内的封闭油腔分为吸油腔和 压油腔 当泵轴旋转时 吸油腔的容积增大形成局部真空 油箱中的液体介质在大气压 的作用下进入吸油腔 压油腔的容积减小 容腔内的液体介质背挤压排出 根据构件不 同 液压泵分为齿轮式 螺杆式 叶片式和柱塞式 一般定义液压泵每转一转理论上可排出的液体体积为泵的理论排量 理论排量取决 于液压泵的结构尺寸 与其工作压力无关 按理论排量是否可变 液压泵又分为定量型 和变量型两种 液压泵实现进排的方式称为配流 除齿轮式和螺杆式是进排油口直接与吸油腔和压 油腔相通外 叶片式和柱塞式需通过专门的配流机构配流 具体的方式有阀式配流 配 流轴式配流和配流盘式配流 这里选择斜盘式轴向柱塞泵 2 压泵的主要参数 泵的型号 10MCY14 1B 泵的排量 10mL r 额定压力 32Mpa 额定转速 1500r min 驱动功率 10KW 容积效率 重量 16Kg 生产厂家 邵阳液压件厂 92 3 液压泵的压力 1 额定压力 s p 在正常工作条件 根据试验结果推荐的允许连续运行的最高寿命和容积效率有关 这里的额定压力为 32MPa 2 最高压力 max p 按试验标准规定超过额定压力而允许短暂运行的最高压力 其值主要取决于零件及 相对摩擦副的极限强度 3 工作压力 液压泵出口的实际压力 其值取决于负载 4 吸入压力 液压泵进口处的压力 自吸泵的吸入压力低于大气压力 一般用吸入高度来衡量 当液压泵的吸入压力过高或者吸油阻力太大时 液压泵的进口压力将因低于极限吸入压 力而导致吸油不充分 而在吸油区产生气穴或气蚀 吸入压力的大小与泵的结构类型有 关 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 10 4 液压泵的排量及流量 1 排量 V 液压泵主轴转一周所排出的液体体积 排量的大小仅取 于液压泵的尺寸和几何压力 有时又称为理论排量 理论流量不考虑泄漏 液压泵单位时间内所排出的液体体积 s t q 3 m t q 60 nV 6 10 式中 n 液压泵转速 r min V 液压泵排量 理论流量 2 5 m s t q 60 10 1500 6 10 4 10 2 实际流量 q 实际运行时 在不同压力下液压泵所排出的流量 实际流量低于理论流量 其差值 就是泵的泄漏量 3 额定流量 s q 在额定压力 额定转速下 泵所排出的实际流量 4 瞬时流量 tsh q 由于运动学原理 液压泵的流量往往具有脉动性 液压泵某一瞬间所排的理论流量 5 流量不均匀系数 q 在液压泵转速一定时 因流量脉动造成的流量不均匀 程度 5 液压泵的转速 1 额定转速 n 在额定压力下 根据试验结果推荐能长时间连续运行并保持较高运行效率的转速 2 最高转速 nax n 在额定压力下 为保证使用寿命和性能所允许的短暂运行的最高转速 其值主要取 决于液压泵的结构形式和自吸能力 3 低转速 min n 为保证液压泵可靠工作或运行效率不致过低所允许的最低转速 6 液压泵的功率与效率 1 输出功率 P 液压泵的输出功率用其流量 q 和出口压力 p 或进出口压力差来表示p P q p 3 10 式中 q 液压泵的实际流量 m s 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 11 液压泵的进出口压力差 通常液压泵的进口压力近似为零 因此液压泵的进出p 口压力差可用其出口压力表示 Pa P 20 2 5 5KW 6 10 4 10 3 10 2 输入功率 p P 液压泵的输入功率即原动机的输出功率 5 5KW p P 3 总效率 液压泵的输出功率与输入功率之比 P p P 其值为 91 5 5 5 4 效率 V 在转速一定的条件下 液压泵的实际流量与理论流量之比 1 1 V V t q q nV q 式中 液压泵的泄漏量 在液压泵结构型式 几何尺寸确定后 泄油量的大q q 小主要取决于泵的出口压力 与液压泵的转速或排量没有多大关系 因此 液压泵在低 转速或小排量下工作时 其容积效率将会很低 以致无法正常工作 0 92 V 5 机械效率 m 对液压泵 除容积泄漏损失以外的功率损失都归于机械损失 因此 m V Pt Ppq 其值为 0 91 0 92 92 9 m 7 液压泵的噪声 液压泵的噪声通常用分贝 dB 衡量 液压泵噪声产生的原因包括 流量脉动 流 量冲击 零部件的震动和摩擦以及液压冲击等 3 2 电动机的选用 1 计算液压泵的驱动功率 在泵的规格表中 一般同时给出额定工况 额定压力 额定速 额定流量 下泵的 驱动功率 可以按此直接选择电动机 也可按液压泵的实际使用情况 用下式计算液压 泵的驱动功率 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 12 P KW P NNQ p 3 10 式中 液压泵的额定压力 N p 液压泵的额定流量 N Q 液压泵的总效率 P 转换系数 一般液压泵 N p pmax 恒功率变量液压泵 0 4 限压式变量叶片泵 N p pmax85 0 液压泵实际使用的最大工作压力 Pa max p 泵实际工作压力 max p 21 AA F 其中 F 活塞杆的拉力 活塞无杆侧面积 1 A 活塞有杆侧面积 2 A 实际压力 19 9MPa max p 100220 1416 3 4 180 22 0 995 20 9 19 P 5 2KW 92 0 1000 60 1440 10 20 995 0 2 选择电机型号 电机型号 Y132M 4 额定功率 7 5KW 满载转速 1440r min 额定转矩 2 2 N m 最大转矩 2 2 N m 同步转速 1500r min 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 13 4 确定液压系统元件 辅件 4 1 选择液压控制阀型号 1 截止阀 截止阀型号 CJZQ f10 通径 10mm 压力 21MPa 2 手动换向阀 型号 4WE6XEW220 50NZ4 通径 10mm 工作压力 35MPa 流量 30L 重量 1 95Kg 最高周围温度范围 50 生产厂家 上海立新液压件厂 3 液控单向阀 型号 SVP10B12V 通径 10mm 工作压力 31 5MPa 开启压力 0 3MPa 介质温 度 20 80 重量 0 8Kg 生产厂家 上海立新液压件厂 4 溢流阀 型号 DBDH10P10 20 流量 50L min 工作压力 31 5MPa 设定压力 16MPa 介质温度 20 70 重量 1Kg 生产厂家 上海东方液压件厂 4 2 确定液压辅件 4 2 1 蓄能器的选用 1 蓄能器的种类及特点 蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置 它利用力的平衡原理使工作液体的体积 发生变化 从而达到储存或释放液压能的作用 蓄能器一般分为重力加载式 弹簧加载式和气体加载式三类 1 力加载式 简称重力式 重力式蓄能器是利用重锤的重量 通过柱塞作用在油液上而产生压力能 其压力的 大小取决于重锤的重量和柱塞作用面积的大小 重力蓄能器的特点 在输出液体的整个过程中 无论输出量的大小和输出速度的快 慢 均可得到恒定的液体压力 结构简单 容量大 压力高 但体积大不适用于行走机 械 惯性大 反应不灵敏 不宜消除脉动和吸收液压冲击 密封处易泄漏 有摩擦损失 只在固定设备中作蓄能器用 2 簧加载式 简称弹簧式 弹簧式蓄能器是利用弹簧力作用于活塞上 使之与压力油的压力相平衡 以储存压 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 14 力能 蓄能器产生的压力取决于弹簧的刚度和压缩量 弹簧式蓄能器的特点 结构简单 反应灵敏 容量小 使用寿命取决于弹簧的寿命 对于循环频率较高的场合不宜使用 一般用于小容量 低压 循环频率低的系统 作蓄 能和缓冲用 3 气体加载式 气体加载式蓄能器的工作原理是建立在波义耳定律的基础上 使用时先向蓄能器充 以预定压力的空气或氮气 然后由液压泵向其内充入压力油 气腔和油腔压力始终相等 当系统需要油液时 在气体压力作用下 使用油液排出 气体加载式蓄能器可分为隔离式和直接接触式两种类型 a 直接接触式蓄能器 它由一个封闭的壳体组成 壳体顶部有充气阀 底部有进出压力油口 气体被封在 壳体的上部 液体处在壳体下部 气体直接与液体接触 这种蓄能器的特点 容量大 惯性小 反应灵敏 占地面积小 没有机械磨损 但 由于气体直接接触 气体易被液体吸收 使系统工作不稳定 易产生气蚀并危及系统 只能竖直安放 以确保气体被封在壳体的上部 适用于大流量的低压回路中 b 隔离式蓄能器 典型结构有气囊式 隔膜式 活塞式和差动活塞式 c 气囊式蓄能器 壳体的上端有容纳充气阀的开口 由合成橡胶制成的完全封闭的 梨形气囊模压在气门嘴上 形成一个封闭的空间 气囊经下端开口塞进去 并借助于压 紧螺母固定于壳体的上部 阀体总成用一对装在壳体开口内侧的半圆卡箍卡主阀体本身 的台肩 装在壳体的下部 O 形密封圈与垫片接触 用螺母锁紧 用这样的结构能确保安 全 要想拆开蓄能器 必须拧下螺母 把阀体推到壳体内 当壳体内压力上述到爆破压 力时 壳体开口先涨大 使 O 形密封圈被挤掉油压能够安全的解除 d 这种蓄能器的特点使 气腔与油腔之间是气囊 密封可靠 不可能有泄漏 胶囊 惯性小 反应灵敏 结构紧凑 尺寸小 重量轻 并有系列批量生产 但装拆不方便 气囊有折合型 波纹型 三角型和十字型等结构形式 e 隔膜式蓄能器 它以橡胶隔膜代替气囊 把油和气分开 壳体为球形 重量与体 积之比值最小 容量小 一般在 0 95 11 4L 范围内使用 f 活塞式蓄能器 它利用活塞把油和气分开 结构简单 寿命长 但活塞惯性大有 密封摩擦阻力 因而反应灵敏性差 不宜消除脉动和吸收液压冲击 g 差动活塞式蓄能器 它由一个直径很大的气缸装在一个直径较小的液压缸之上组 成 活塞下端的液压力总是大于上端的空气压力 能有效的防止空气渗入油中 可用于 压力很高的液压系统 2 蓄能器的应用 1 作辅助动力源 对于间歇运行的液压系统 或在一个工作循环内 执行元件运行速度差别很大 即 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 15 对液压泵供油量要求差别很大的液压系统使用蓄能器 当需要供油量很大时 蓄能器与 液压泵一起供油 当要求供油量小时 泵输出的多余压力油就输入蓄能器储存起来 这 样可以根据液压系统所需的平均流量来选择泵 泵的利用和功率消耗比较合理 2 补偿泄漏保持压力 对于执行元件长时间不动 又要求保持一定的压力 可以 用蓄能器来补偿泄漏 3 作紧急动力源 某些系统要求当液压泵发生故障或对执行元件的供油突然中断时 执行元件仍须完 成必要的动作 例如为了安全起见 液压缸的活塞杆必须内缩到缸筒内 这时就需要有 适当容量的蓄能器作动力源 4 消除脉动 如果液压系统中采用液压泵 且其柱塞数较少时 或齿轮泵的齿数较少时 系统的 压力 流量和力矩等参数脉动很大 此外 溢流阀的脉动以及某些形式的容积式流量计 也会使系统的压力和流量脉动 若在系统中装设蓄能器 则可将脉动降低到最低限度 使对振动敏感的仪表及管路接头 阀的损坏事故大为减少 5 吸收液压冲击 由于换向阀突然换向 液压泵突然停车 执行元件的运动突然停止 甚至人为的要 执行元件紧急制动等原因 都会使管路内液体流动发生急剧变化 产生液压冲击 液压 系统中虽设有安全阀 但其反应慢 压力增高 其值可能达到正常压力的几倍以上 这 种冲击压力往往引起系统中的仪表 元件和密封装置发生故障 甚至损坏 或者管道破 裂 此外 还会使系统产生强烈的振动 若装设蓄能器则可以吸收和缓和这种冲击 3 蓄能器总容积的计算 蓄能器的总容积是指充气容积 这里选择蓄能器主要用于消除脉动和吸收液压冲击 根据经验选择两个容积为 25L 的蓄能器即可 4 蓄能器充气压力的确定 0 p 由于蓄能器主要用于吸收液压冲击和消除脉动 降低噪声 因此 蓄能器的充气压 力应等于蓄能器设置点的正常工作压力 5 蓄能器的主要参数 型号 NXQ A 25 20LA 公称压力 20MPa 耐压试验压力 30MPa 使用温度 10 70 安装方式 垂直安装 生产厂家 南京锅炉厂 6 蓄能器的安装 1 蓄能器的安装 a 蓄能器须安装在便于检查 维修的位置 并要远离热源 b 蓄能器一般应垂直安装 油口向下 充气阀朝上 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 16 c 装在管路上的蓄能器承受着液压力的作用 因此必须牢靠的固定装置 以防蓄能 器从固定部位脱开 引起事故 注意不能用焊接方法进行安装 d 吸收液压冲击 压力脉动和降低噪声的蓄能器应尽量安装在振源附近 e 蓄能器与液压泵之间应安装截至阀 以供充气和检查维修使用 2 蓄能器的使用 a 蓄能器属于压力容器 应执行压力容器的使用规定 不能在蓄能器上进行焊接 铆接和机械加工 不许敲打 b 蓄能器铭牌应置于醒目位置 c 在有压状态下 不得拆卸 在安装拆卸之前 应把内部的气 液完全放掉 d 蓄能器绝对禁止充氧气 以免引起爆炸 e 在正常工作下 每隔 6 个月检查一次压力 使之保持规定的预压力 检查方法可 以利用充气工具 也可利用系统中的压力表和液压泵检查 f 气囊式蓄能器充气可利用充气工具和充氮小车 由于氮气瓶压力一般在 16MPa 如果充气压力高于上述值时 则需要使用带有增压设备的充氮小车 4 2 2 过滤器的选用 1 过滤器性能参数 1 过滤原理与过滤介质 过滤是从流体中分离非溶性固体颗粒污染物的过程 它在压力差的作用下 让流体 通过多孔隙可透性介质 过滤介质 迫使流体中的固体颗粒被截留在过滤介质上 从而 达到分离污染物的目的 液压过滤器简称过滤器或滤油器 它就是采用上述原理 利用 过滤介质分离 减少油液中颗粒污染物 使之达到和保持油液目标清洁度的工业装置 过滤器按过滤原理区分主要有 表面型过滤器 深度型过滤器和磁性过滤器 结合 滤材及使用范围考虑 则唱分为表面型和深度型两大类 表面型过滤器是靠滤材表面的孔口阻截液流中的颗粒 属于这一类的有金属网 金 属微孔板 线隙式 片式等过滤元件 表面型滤材的通径大小一般是均匀的 过滤机制 比较单一 主要是直接阻截 凡尺寸大于通孔的颗粒被截留在液流上游一侧的滤材表面 则小于通孔的颗粒则进入下游 当滤材表面有限的孔口全部被截留的污染物堵塞后 滤 芯前后的压差增加到最大值 其过滤作用也就停止了 所以表面型滤材的纳垢容量较少 但经过反向冲洗后 滤材表面的污染物可被清除干净 然后可重复使用 深度型过滤器的滤材为多孔可透性材料 常用的有非织品纤维 如滤纸 复合滤纸 合成纤维 不锈钢丝毡 多孔刚性材料 如陶瓷 金属粉末烧结 天然和合成纤维织品 等 这类滤材中有无数细长且迂回曲折的通道 每一通道中还可能有一些狭窄的横向空 穴 当油液流过时 大颗粒污染物被阻截在滤材表面或内部通道的缩口处 而小颗粒污 染物在重力 布朗扩散 静电力或惯性力作用下 有些可能被吸附在通道内壁表面 有 些可能沉积在通道横向空穴内 所以深度型滤材的过滤机制既有直接阻截 又有吸附作 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 17 用 过滤作用发生在滤材整个深度范围内 与表面型相比 深度型滤材的纳垢容量大 但被滤除的污染物不容易被清洗掉 所以只能一次性使用 2 过滤器的主要性能参数 过滤器的主要性能参数有 过滤精度 压差特性和纳垢量 过滤精度 过滤精度是指过滤器对不同尺寸颗粒精度污染物的滤除能力 时选用过滤器的首要 参数 系统的污染控制水平 过滤精度越高 系统油液的清洁度越高 评定过滤器精度 的常用方法有下面几种 名义过滤精度 名义过滤精度的评定方法最早有美国军工部门提出 用值表示 m 绝对过滤精度 绝对过滤精度是指能够通过过滤器的最大球形颗粒的直径 绝对过 滤精度比较确定地反映出过滤介质的最大孔口尺寸和过滤器能够滤除和控制的最小颗粒 尺寸 这对实施污染控制有实用意义 但污染物并不都是球形 其形状一般是不规则的 长度尺寸大于绝对精度的扁长形颗粒仍有可能通过滤芯而到达下游 过滤效率 过滤效率是指被过滤器滤除的污染物数量与加入到过滤器上游的污染物 数量之比 污染物的量可以用质量表示 也可用各种尺寸的颗粒数表示 过滤比 过滤器上游油液单位体积中大于某一给定尺寸的污染颗粒数与下游油液单 位体积中大于同一尺寸过滤数之比 压差特性 油液流经滤油器时由于油液运动和粘性阻力的作用 在滤油器的入口和出口之间产 生一定的压差 影响清洁的滤油器压差的因素有 油液的粘度和比重 通过流量 以及 滤芯的结构参数 纳垢流量 过滤器在工作过程中 随着被截留的污染物数量的增加 压差增大 当压差达到规 定的最大极限值时 滤芯使用寿命结束 在过滤器整个使用寿命期间被滤芯截留的污染 物总量称为过滤器的纳垢容量 纳垢容量越大 则使用寿命越长 纳垢容量与过滤面积以及滤材的孔隙度有关 过滤面积越大 孔隙度越大 则纳垢 容量越大 对于外形尺寸一定的折叠式圆筒形滤芯 适当增大折叠数及折叠深度可以增 大过滤面积 从而延长过滤器的使用生命 4 2 3 液压管路的设计 1 管路的材料 无缝钢管耐压高 变形小 耐油 抗腐蚀 虽装配时不易弯曲 但装配后能长期保 持原状 用于中高压系统 无缝钢管有冷拔和热轧两种 工作压力比较高的管路多采用 10 号 15 号冷拔无缝钢管 因其外径尺寸准确 质地均匀 强度高 而且可焊性好 2 管路的内径 管路内径的大小取决于管路的种类及管路的种类及管内流速的大小 在流量一定的 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 18 情况下 内径小则流速高 压力损失大 容易产生噪声 内径大则难于安装 所占空间 大 重量大 管路内径一般由下式确定 vqd 61 4 式中 d 管路内径 mm q 流量 L min v 流速 m s 管内油液的流速推荐值 v 吸油管路取 v0 5 2m s V 1m s 压油管路取 v2 5 6m s V 4m s 泄油回路取 v1m s V 1m s 吸油管道的内径 d4 61 17 9mm VQ 内径 d 取 20mm 外径 D 取 28mm 压油管道的内径 d4 61 8 9mm VQ 内径 d 取 10mm 外径 D 取 18mm 泄油管道的内径 d4 61 17 9mm VQ 内径 d 取 20mm 外径 D 取 28mm 吸油管道的外径取 28mm 压油管的外径取 18mm 泄油管道的外径取 28mm 3 管子壁厚的计算 管子的壁厚一般可以用下式计算 t p pd 2 式中 t 管子壁厚 p 工作压力 d 管子内径 许用应力 对于钢管 p p n b n 安全系数 当 p17 5MPa 时 n 4 15 号钢的 375MPa b 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 19 93 75MPa p 4 375 管子的壁厚 t 2 98mm 75 93 2 28 20 圆整后 取管子的壁厚为 3mm 4 硬管的安装 1 管子的长度要短 管径要合适 2 两固定点之间的直管连接 应避免紧拉直管 要有一个松弯部分 这不仅便于装 拆 同时也不会因热胀冷缩造成严重的拉应力 3 子的弯曲半径应尽可能大 4 管路的安装连接必须牢固坚实 当管路较长时需要加支撑 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 20 5 液压缸设计 5 1 液压缸的类型和安装形式 液压缸分为单作用液压缸 双作用液压缸和组合式液压缸三种形式 单作用液压缸 又分为单作用活塞液压缸 单作用伸缩液压缸和单作用柱塞液压缸 双作用液压缸分为 双作用无缓冲式液压缸 不可调单向缓冲式 不可调双向缓冲式液压缸 可调单向缓冲 式 可调双向缓冲式 双活塞杆液压缸和双作用伸缩液压缸 组合液压缸分为单联式 多工位式和双向式 这里选择单作用活塞式液压缸 液压缸的常用安装形式有耳环型 脚架型 法兰型和耳轴型安装 这里选择耳轴型 安装 通用型液压缸结构比较简单 零部件标准化 通用化程度较高 制造和安装都比较 方便 因此 用途比较广泛 使用于各种液压系统 它一般有拉杆型 焊接型和法兰型 液压缸 其中焊接型液压缸的外形尺寸较小 暴露在外面的零件少 能承受一定的冲击 负载和恶劣的外界环境 但受到前端盖与缸筒连接强度的限制 缸的内径不能太大 额 定压力不能太高 通常额定压力小于 a 缸筒内径小于 mm 活塞杆和缸 筒的加工条件许可时允许最大行程达到 m 多用于车辆 船舶和矿山等机械 拉杆型 液压缸的端盖有圆形和方形两种 一般来说 方形端盖用四根拉杆 圆形端盖用 6 根拉杆 缸 筒是用内径经过精加工的高精度冷拔无缝钢管 按需要的长度切割而成的 前后端盖和活塞 等零件均为通用件 因此 拉杆型液压缸制造成本较低 适用于批量生产 焊接型液压缸的缸 筒与后端盖采用焊接连接 与前端盖的连接方式有螺纹连接 卡环连接和钢丝挡圈连接等多 种连接方式 法兰型液压缸的缸筒与前端盖和后端盖均采用法兰连接 法兰与缸筒有整体结 构式 也有采用焊接和螺纹等方式的法兰型液压缸的缸筒内径通常大于 100mm 外形尺寸大 额 定压力高 能承受较大的冲击负载和恶劣的外界环境条件 属重型液压缸 多用于重型机械 冶金机械等 法兰型液压缸的通常额定压力小于 35Mpa 缸筒内径小于 320mm 允许最大行 程 10m 这次设计的液压缸 是用于牵引皮带前后运动 活塞杆的行程为 3 3m 牵引力大约在 600KN 左右 结合以上的介绍可以选择单作用活塞式液压缸 液压缸的安装选择销轴型 液压 缸的连接方式前端盖采用卡环式连接 后端盖采用焊接的方式 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 21 5 2 液压缸主要零部件结构 材料和技术要求 5 2 1 缸筒与缸盖 1 结构 缸筒的结构与端盖的连接形式 液压缸的用途 工作压力 环境以及安装要求等因素有关 端 盖分为前端盖和后端盖 前端盖将液压缸的活塞杆腔封闭 并起着为活塞杆导向 防尘和密封 的作用 后端盖将缸筒底腔封闭 并常常起着将液压缸与其它机件连接的作用 常用的缸筒与 缸盖的连接有拉杆 法兰 焊接 内外螺纹 内外卡环及挡圈等连接方式 其中焊接连接型式只 能用于缸筒与后端盖的连接 这里前端盖与缸筒采用法兰连接 如下图 1 前缸盖 2 法兰 3 螺栓 后端盖与缸筒采用法兰连接 如下图 2 材料 1 缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性 能够长期承受较高的工作压力及 短期动态试验压力而不致产生永久变形 有足够的刚度 能承受活塞侧向力和安装的反作用 力而不致产生弯曲 需要焊接的缸筒 还要求有良好的焊接性能 目前 普遍采用的缸筒材料 是热轧或冷拔无缝钢管 市场已经能够供应内圆经过珩磨 外圆已精加工的高精度冷拔无缝 钢管 按需要的长度切割下料 再根据与端盖连接形式的要求 在两端进行加工 即可清洗装 配 选用 45 毛坯采用退火的冷拔或热轧无缝钢管 材料机械性能如下表所示 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 22 材料 b最小值 s最小值 s最小值 4561036014 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 23 3 缸筒计算 1 缸筒壁厚及验算 参考机械设计手册液压传动表 20 6 9 选择合适的产品系列 确定缸筒外径及其壁厚 2 缸筒底部厚度计算 因为本次设计为单作用液压缸 在无杆侧没有压力油 而且缸筒联结形式选用前端 法兰 所以设计主要考虑及工艺要求形状 而不考虑受力 3 缸筒头部法兰厚度 参照实用机械设计手册第二版下册选择合适的法兰 法兰为凸面对焊刚质管 B 型法 兰 具体尺寸见下表 螺栓 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 数量螺纹 8089270203338M30 密封圈 法 兰厚度 法兰 高度 法兰 颈 法 兰内径 dXYf2 138127128065 4811813370 公称压力为 25Mpa 表中长度尺寸均为 mm 数量为单个 字母标记见实用机械设计手册第二版下册 机械工业出版社出版 4 缸筒与端部焊接应力计算 因为本次设计为单作用液压缸 在无杆侧没有压力油 而且缸筒联结形式选用前端 法兰 所以没有必要计算 采用一般焊接即可 缸筒制造加工要求 缸筒内径 D 采用 H7 级配合 表面粗糙度值为 0 20 微米 需进行研磨 热处理采用 调质 硬度 HB 不小于 241 缸筒内径 D 的圆度 锥度 圆柱度不大于内径公差之半 缸筒直线度公差在 500mm 长度上不大于 0 03mm 缸筒端面 T 对内径的垂直度在 100mm 上不大于 0 04mm 5 2 2 活塞 1 活塞结构型式 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 24 选用组合活塞 组合式活塞结构多样 主要受密封型式决定 组合式活塞大多数可 以多次拆装 密封件使用寿命长 随着耐磨的导向环的大量使用 多数密封圈与导向环 联合使用 大大降低了活塞的加工成本 2 活塞与活塞杆的连接 选用卡环式 用锁紧机构防止工作时由于往复运动而松开 同时采用静密封 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 活塞宽度取值为活塞外径的 0 8 倍 活塞外径的配合采用 f9 外径对内孔的同轴度公 差不大于 0 02mm 端面与轴线的垂直度公差不大于 0 04mm 100mm 外表面的圆度和圆 柱度不大于外径公差之半 表面粗糙度 5 活塞的材料 液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁 灰铸铁 HT300 HT350 钢 有的在外径上 套有尼龙 66 尼龙 1010 或夹布酚醛塑料的耐磨环 及铝合金等 选择 45 作为液压缸活 塞的材料 6 活塞与活塞杆的连接方式 活塞与活塞杆有多种连接方式 这里采用卡环连接 如下图 5 2 3 活塞杆 活塞杆的端部结构形式选择外螺纹结构简图 1 活塞杆结构 活塞杆有实心杆和空心杆两种 见下图 空心活塞杆的一端 要留出焊接和热处理 时用的通气孔 d2 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 25 a 实心活塞杆 b 空心活塞杆 我选择其中的实心活塞杆结构 2 活塞杆材料 实心活塞杆材料为 35 45 钢 空心活塞杆材料为 35 45 无缝钢管 本设计选择 45 钢作为活塞杆材料 3 活塞杆的技术要求 1 活塞杆的热处理 粗加工后调质到硬度为 229 285HB 必要时 再经高频淬火 硬度达 45 55HRC 2 活塞杆 d 和 d1的圆度公差值 按 9 10 或 11 级精度选取 我选取 10 级精度 3 活塞杆 d 的圆柱度公差值 应按 8 级精度选取 4 活塞杆 d 对 d1的径向跳动公差值 应为 0 01mm 5 端面 T 的垂直度公差值 则应按 7 级精度选取 6 活塞杆上的螺纹 一般应按 6 级精度加工 如载荷较小 机械振动也较小时 允 许按 7 级或 8 级精度制造 这里选择按 6 级精度加工 7 活塞杆上若有联接销孔时 该孔径按 H11 级加工 该孔轴线与活塞杆轴线的垂直 公差值 按 6 级精度选取 8 活塞杆上下工作表面的粗糙度为 Ra0 63 m 必要时 可以镀铬 镀层厚度约为 0 05mm 镀后抛光 4 活塞杆的尺寸 活塞杆直径计算 M F d P 3 10 4 F 液压缸的推力 N p 材料的许用应力 Mpa 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 26 n S P d 活塞杆直径 m 活塞杆强度计算 活塞杆弯曲稳定性验算 采用实用验算法 已知作用力和活塞杆直径 从机械设计手册液压传动一书活塞杆 弯曲计算图中可以校验出稳定性程度 经过校验 活塞杆弯曲稳定性良好 5 3 活塞杆的导向套 密封和防尘 活塞杆导向套在液压缸的有杆侧端盖内 用以对活塞杆进行导向 内装有密封装置 以保证缸筒有杆侧的密封 外侧装有防尘圈 以防止活塞杆在后退时把杂质 灰尘和水 分带到密封装置处 损坏密封装置 当导向套采用非耐磨材料时 其内圈还可装设导向 环 用作活塞杆的导向 导向套的结构采用轴套式 导向套的材料采用摩擦系数小 耐磨性好的青铜材料制作 导向套长度的确定 通常采用两段导向段 每段宽度为 d 3 两段中线距离为 2d 3 受力分析 分析导向套的受力情况 本次设计的液压缸受力主要为拉力 与活塞杆 轴线重合 所以外力作用在活塞上的力矩主要为由安装形式决定的重力产生的力矩 即 导向套受到的支撑压应力非常小 远远小于材料的许用压应力 可以不进行验算 所以 设计时满足结构及运动要求即可 导向长度的确定 导向长度过短 将使液压缸因配合间隙引起的初始挠度增大 影 响液压缸的工作性能和稳定性 因此 设计必须保证缸有一定的最小导向长度 一般缸 的最小导向长度应满足 导向套滑动面的长度 A 在缸径小于 80mm 时 取 A 0 6 1 0 D 当缸径大于 80mm 时 取 A 0 6 1 0 d 本次设计液压缸缸径为 220mm 大于 80mm 所以代入第二个公式 即 A 0 6 1 0 d 选择 A 0 8 d 0 8 70 56mm 加工要求 导向套外圆与端盖内孔的配合多为 H8 f7 内孔与活塞杆外圆的配合多为 H9 f9 外 圆与内孔的同轴度公差不大于 0 03mm 圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半 内孔中 的环形油槽和直油槽要浅而宽 以保证良好的润滑 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 毕业设计毕业设计 27 5 4 排气阀 如果排气阀设置不当或者没有设置 压力油进入液压缸后 缸内仍会有空气 由于 空气具有压缩性和滞后扩张性 会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行 影响液压缸的正常工作 对本次设计的张紧装置而言 如果排气阀设置不当或者没有设置 那么在张紧过程 中就会造成液压缸的颤振和爬行 这种情况下 与其连接的皮带也会随之发生以上情况 影响皮带的使用寿命 以及整个液压系统的稳定性 为了避免这种情况的发生 除了防