机械专业毕业设计论文

山东科技大学学士学位论文 I 摘 要 本毕业设计的课题来源于 现场工程实际 ，主要任务是 在现场实习调研的基础上拟定出整个疏煤系统的设计方案，设计出液压系统、电控系统及各组成部分，并选择液压元件及电控元件，最终完成整个系统的设计。 本文 设计的液压疏煤系统主要包括两大部分：液压系统和电控系统。其中液压部分是由液压系统控制十个液压缸伸缩，液压缸带动埋在煤中的蒺藜棍运动，进而实现煤仓的疏煤。电控部分采用 编程控制器控制：对电动机的启闭、加热器的开关、电磁换向阀的换向、液压系统的卸荷等实现了手动与自动控制。 本设计包括液压缸设计和电控系统设计两 个专题部分。设计的液压缸采用活塞缸 连杆传动方案；活塞采用组合式活塞；前端盖为法兰联接；后端盖采用焊接结构；活塞与连杆用螺母固定。设计中对缸筒，活塞杆，端盖等重要零件进行了结构分析和力学计算。 设计的电控系统，采用 编程控制器作为主要控制元件，压力继电器作为 一个输入端。这样系统可以根据现场实际的需要来控制液压缸的伸缩，即实现了每个液压缸均可独立自动连续运行，又实现每两个液压缸自动连续运行和手动控制。 此外，还对系统中的各类液压元件和电控元件进行了选择，选出合适的型号，并对电控操作台作了初步设 计。 关键词 ： 疏煤系统 ； 液压缸 ； 电控系统 . 山东科技大学学士学位论文 he of is to at on of up of a of In of is of of in in a to LC on to of so In of of is of In of a a of of In of s LC as as a to to 东科技大学学士学位论文 of be to of In in of of a a 山东科技大学学士学位论文 录 摘 要 . 论 . 1 . 2 作原理 .求及资料 . 系 统设计技术参数 . 系统的其他要求 . 总体规则 . 7 压缸主要结构件的设计 . 液压缸的设计步骤和设计原则 . 缸筒的设计 . 活塞的结构和选材 . 活塞杆的设计 . 缸盖的设计 .它结构的设计 . 导向套 . 确定密封装置 . 排气装置 . 缓冲装置 . 防尘装置 . 24 要液压元件的选型 . 液压泵的选择 . 确定工作循环系统各参数 . 换向阀的选择 . 单向阀的选择 .东科技大学学士学位论文 V 流阀的选择 . 滤油器的选择 . 压力表开关的选择 . 压力继电器的选择 . 电动机的选择 .它辅助元件的选择 . 油箱的选择 . 油 管的选择 . 管接头的选择 . 加热器的选择 .算系统性能 . 电控系统 . 53 序的编写 . 液压缸控制程序 . 电动机控制程序 .控元件的选择 . 熔断器的选择 . 接触器的选择 . 控制继电器的选择 . 控制按钮的选择 . 编程控制器的选用 . 电控系统图 . 电控操作台 . 液压传动系统的安装 和使用及维护 . 66 压系统安装 . 液压元件的安装总要求 . 管路的安装与清洗 .压系统的使用 . 试压 . 调整和试运转 .压系统的维护 . 小 结 . 69 山东科技大学学士学位论文 . 技术经济分析 . 70 参考文献 . 72 致 谢 . 73 附录一 . 74 附录二 . 80 山东科技大学学士学位论文 1 绪 论 目前在电厂、矿山煤仓中发生过积煤大面积突然冒落而导致人员伤亡的事故。究其原因，一方面在于环境的不安因素、人的不安全行为、管理上的漏洞，另一方面是设施不健全。因此从设施上确保安全，应采用机械疏松煤仓中的积煤减少事故发生已成为急待解决的问题，而液压自动疏煤系统该系统的出现使这一问题的解决成为可能，对此加以分析、研究具有重大意义。 本设计主要包括两大部分：液压系统和电控系统。其中液压部分是由液压系统控制十个液压缸伸缩，液压缸带动埋在煤中的蒺藜棍运动，进而实现煤仓的疏煤。电控部分采用当 今比较先进的 编程控制器控制：对电动机的启闭、加热器的开关、电磁换向阀的换向、液压系统的卸荷等实现了手动与自动控制。 液压疏煤系统解决了积煤自动疏松问题，是电厂及矿山生产安全得到了提高，在以人为本的概念必将得到广泛应用。 山东科技大学学士学位论文 2 作原理 本系统可分为自动运行和手动控制运行。当自动运行时工作原理如下： 当 1 号液压缸单独工作时，人工启动一号缸启动按钮 出启动控制指令 时如果压力继电器提供给 信号 高电平（即液压泵启动系统压力超过压力继电 器调定压力），则 制输出线圈 通电，液压油液经换向阀进入液压缸有杆腔，千斤顶缩回。当缩至终点时压力升高，当压力超过压力继电器预调定压力时，继电器向 输出信号 11 的上升沿便控制一号缸换向阀的左侧电磁换向阀 1 断电，右侧电磁换向阀 2 通电，液压油进入无杆腔，千斤顶伸出。伸至终点后，压力继电器又发出高电平信号 制电磁换向阀 2 断电，电磁阀 1通电液压缸又自动回缩。这样通过 制，一号液压缸就能自 动运行。同理，当 210 号液压缸单独作用时，控制过程与 1 号液压缸控制过程类似。 当 1 号、 2 号液压缸共同作用时，人工同时启动 1号 2 号缸启动按钮 时向 出启动指令 时控制电磁换向阀 1、 3 同时通电，液压油同时进入 1 号、 2 号液压缸有杆腔。 1 号、 2 号液压缸同时缩回，缩至终点是压力升高，压力继电器向 出信号 制电磁换向阀 1、 3 同时断电，电磁阀 2、 4 通电液压油进入无杆腔， 1 号、 2 号千斤顶同时伸出，伸至终点时，压力升高，压力继电器再向 出信号 、 4 断电，电磁阀 1、 3 通电， 1、 2号液压缸又自动回缩。这样在 控制下 1、 2号两缸就能同时伸缩自动运行。同理，当 3 号、 4号、 5 号、 6 号、 7 号、 8 号、 9 号、 10号液压缸分别两两同时作用时，其控山东科技大学学士学位论文 3 制过程与 1 号、 2 号液压缸共同作用时的控制过程类似。当人工启动泻荷按钮 ， 接到泻荷指令 是控制泻荷电磁阀 通，泻荷回路打开就实现系统泻荷。由于泻荷回路只受 制，所以系统可以随时实现泻荷，即急停。 求及资料 统设计技术参数 系统设计技术参数见表 统参数 参数名称 代号 数值 拉力 /N 102 推力 /N 103 缸体行程 / 800 伸出时间 /回时间 /体内径 / 160 统的其他要求 （ 1）液压缸的伸出、回缩速度不能太快 （ 2）各元件的动作要平稳、安全、可靠 山东科技大学学士学位论文 4 体规则 （ 1）确定液压执行元件 根据系统要求，液压执行可采用如下方案，其优缺点如下表（见 表 根据上表中的优缺点比较，最终选择 第 二种方案为液压执行元件，即为活塞缸 连杆传动。 （ 2）明确载荷 明确工艺循环作用与执行元件的载荷，如表 列各项技术参数中当液压缸缩回时，液压缸有最大拉力 102 ,当液压缸外伸时，液压缸有最大推力 t 103 。 常用方法 优点 缺点 复合增速缸 件少 造难度大 的流量大，系统复杂 3 速度低效率低 活塞缸 连杆传动 3 泵的流量小，液压系统 造难度大 的流量大，系统复杂 3 速度低效率低 不等径双出杆活塞缸一个 装于螺杆后端直接推动螺杆，结构紧凑 影响螺杆旋转机构的布置，结构复杂，体积大 等径双出杆活塞缸两个 活塞杆置于螺杆两端，同时作为注射座的承重、导向件，免用导轨 活塞杆粗、长、费材料，操作位置对操作稍有影响 表 压缸方案 山东科技大学学士学位论文 5 （ 3）绘制系统工况图，见图 统工况 图 （ 4）确定系统工作压力 根据资料统计和实验确定，本系统的工作压力采用 16（ 5）草拟液压系统原理图 1）见图纸 2）系统工作循环图表 当液压缸 1 单独作用时，工作循环如下表 表 作顺序 动作名称 发讯元件 电磁铁 电动机 手动 自动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 回缩 + + + 外伸 + + + 回缩 + + + 当液压缸 1、 2 共同作用时，工作循环如表 山东科技大学学士学位论文 6 表 作顺序 动作名称 发讯元件 电磁铁 电动机 手动 自动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 回缩 + + + + 外伸 + + + + 回缩 + + 注： 10 号单独作用时，工作循环表与当液压缸 1 单独作用时类似。即几号液压缸工作则与其对应的电磁铁既通电，其余电磁铁则处于 断电状态。 2、当液压缸 310 号共同作用时，其工作循环与表 4， 1 号和 2 号液压缸共同作用时的情况类似。即那两个缸共同作用，则与其对应的电磁铁既共同通电，其余电磁铁则处于断电状态。 3、该系统虽然有两台电动机，但通常情况下只有一台电动机工作，另一台为备用电动机。 山东科技大学学士学位论文 7 压缸主要结构件的设计 压缸的设计步骤和设计原则 液压缸是液压传动的执行元件，它与主机和主机上的机构有着直接的联系，对于不同的机种机构，液压缸具有不同的用途和工作要求。因此，在设计前要作好调查研究，备 齐必要的原始资料和设计依据，如表 示： 表 系统参数 参数名称 代号 数值 拉力 /N 102 推力 /N 103 缸体行程 / 800 伸出时间 /S 36 缩回时间 /S 作压力 / 16 （ 1)保证液压缸往复运动的速度、行程和液压缸推力； （ 2)保证液压缸每个零件有足够的强度、刚度和耐久性； （ 3)在合理选择液压泵供油压力和流量的条件下，尽量减小液压缸的尺寸； （ 4)活塞杆工作时最好承受拉力，以免产生纵向弯曲； 山东科技大学学士学位论文 8 （ 5)液压缸尽量避免承受侧向载荷； （ 6)液压缸的轴线应与被拖动机构的导向方向平行； （ 7)长行程液压缸活塞杆伸出时应尽量避免下垂； （ 8)液压缸各部密封可靠、泄漏小、摩擦力小、寿命长； （ 9)液压缸因温度变化膨胀伸长时，不能因受限制而产生挠 曲； （ 10)根据液压缸的工作条件和具体情况考虑缓冲、排气和防尘措施； （ 11)液压缸各结构要素应采用标准系列尺寸，尽量选择经常使用的标准件； （ 12)液压缸应做到成本低、制造容易、维修简单。 液压缸的设计内容和步骤大致如下： (1)根据负载机构的动作要求选择液压缸适当的结构形式、安装方式以及密封、缓冲、排气、防尘装置等； (2)根据液压缸所承受的外部载荷作用力确定液压缸在行程各阶段上负载的变化规律以及必须提供的动力数值； (3)根据液压缸的工作负载和选定的油液工作压力，确定活塞及活塞杆的直径 (4)根据液压缸的运动速度、活塞及活塞杆的直径，确定液压泵的流量； (5)选择缸筒材料，计算 (6)绘制液压缸装配图和零件图； (7)审定全部设计计算资料、图纸及其他技术文件。 筒的设计 山东科技大学学士学位论文 9 常用的缸筒结构有八类，通常根据缸筒与端盖的连接形式选用，而连接形式又取决于额定工作压力，用途和使用环境等因素。综合考虑本系统各种因素选用：缸体为钢管，一端焊接法兰与缸头连接，一端与缸底焊接。 优点：结构较简单，易加工 ,易装卸。 缺点：重量比螺纹连接的大，但比连杆连接的小，外径较大。 选择缸筒材料和毛坯时，不仅要考虑它的机械性能、工艺性能，还要考虑它的经济性。一般要求有足够的强度和耐冲击韧性，对焊接的缸筒还要有良好的焊接性能。 缸筒毛坯：普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管。 根据缸体材料的要求，查机械设计手册液压传动部分表 21合考虑选 30 号优质碳素结构钢无缝钢管作为缸体材料，它的，。 (1）有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。 (2）有足够的刚度，能承受活塞侧向和安装的反作用力而不致产生弯曲。 (3）内表面在活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 (4）要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大变形。 (1）缸筒内径 当液压缸的理论作用力为 F（推力或拉力）及供油压力 P 为已知时，则无杆腔侧缸筒内径为： 山东科技大学学士学位论文 10 0344 51 式（ 1 P g 缸筒内径应按上式计算后取较大的一个在取整，根据 D 查第五版机械设计手册表 21标准值得液压缸的缸内径 60 。 (2）缸筒的壁厚 缸筒在液压力的作用下，有一种沿圆周方向破坏的趋势，为了防止这种破坏，缸筒壁厚必须有一定的厚度。 缸筒的壁厚 为：210 式中：01缸筒外径公差余量 2蚀余量 关于0的值，可按下列情况分别计算： 当 D 时，可用薄壁缸筒的实用公式计算： )(2 其中 液压缸的最大工作压力； D 缸筒内径； 缸筒材料的许用拉应力 86 式（ b 缸筒材料的抗拉强度极限； 山东科技大学学士学位论文 11 n 安全系数，一般取 n=5 60162 m a ， ,恰好为条件临界点。 当 D 时： 6 01633.2 m a xm a p 缸筒材料的许用压力， 005500 ,刚好满足条件。 当 D 时： 160) m a xm a ，不满足条件 综合比较取 合理。 (3）缸筒外径的确定： 9 417216 021 式（ D 缸筒内径 (4）缸筒壁厚的验算 对最终采用的缸筒壁厚 ，应做以下三方面的验算，以保证液压缸安全工作。 液压缸的额定压力 低于一定的极限值来保证工作安全： 山东科技大学学士学位论文 12 s 立 式中： 液压缸额定压力； D 缸筒内径； 1D 缸筒外径； s 材料的屈服强度极限。 同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定比例范围，以避免塑性变形的发生，即 缸筒发生完全塑性变形的压力， , 满足条件。此外，尚须验算缸筒径向变形 D 应处在允许范围内： )(变形量 D 不应超过密封圈允许范围 式中： 缸筒耐压试验压力 , 缸筒材料弹性模量， 缸筒材料泊松比，钢材 最后还应验算缸筒的爆裂压力 山东科技大学学士学位论文 13 式中： 缸筒爆裂压力； 系统工作压力； b 缸筒材料抗拉极限； nE 满足条件 综合以上三个验算公式均成立，故缸筒壁厚符合要求可保证液压缸安全工作。 塞的结构和选材 活塞（如图 液压缸将液压能转变为机械能的主要元件，它在缸筒内往复滑动，所以配合应适当，既不能过紧也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低动作压力增高，降低液压系统的机械效率，而且容易损坏缸 筒和活塞滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低液压系统的容积效率。 (1)活塞结构型式 由于本系统中，活塞受压为中低压受力不大。综合考虑选择拆装方便，加工成本低，使用寿命长的组合式活塞。 (2)活塞与活塞杆连接型式 连接型式需有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开，同时还需在活塞与活塞杆之间设置静密封。综合考虑该系统选用螺母型连接。 (3)活塞密封结构 根据本液压缸的疏通作用和工作压力选用 V 型密封圈。 (4)活塞材料 无导向环活塞：选用高强度铸铁 300 山东科技大学学士学位论文 14 (5)活塞尺寸及加工公差 活塞宽度： H 活塞宽度， D 活塞外径（缸筒内径） 取 活塞外径的配合采用 径对内孔的同轴度公差不大于 面与轴线的垂直度公差不大于 00mm m ，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半。 图 塞的结构 塞杆的设计 活塞杆是液压缸传递动力的重要元件，它要承受拉力、压力、弯曲力、振动冲击等载荷的作用必须有足够的强度。 1活 塞杆的结构和材料 活塞杆（如图 实心杆和空心杆。空心活塞杆一般用于缸筒运动液压缸，空心部分可以用来导通油路。大型液压机的活塞杆或柱塞也采用空心结构，用以减轻重量。综合考虑该液压缸活塞杆为实心杆，材料选用 45 号钢（ 340,600 ）调质处理。 一端与活塞螺栓连接，查机械设计手册表 21B/15 选取活塞杆螺纹尺寸 75256 M 图 塞杆的结构 2活塞杆的计算 (1)活塞杆直径计算 对于双作用单边活塞杆液压缸，其活塞杆直径 d 可由往复运动的速比 确定。由表 表 压缸速比 公称压力 /0 20 20 = 根据液压缸活塞往复运动的速度之比： 222122221244A D 得公式： 式（ 式中 d 活塞杆直径； D 缸筒内径； 液压缸往复运动速比 查第五版机械设计手册表 21照 77 中所制定的标准规定的活塞杆外径尺寸圆整取 0 。 山东科技大学学士学位论文 16 (2)活塞杆的强度计算 活塞杆工况稳定，只受推力和拉力近似的用直杆承受 拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： 41026 ， 式中 ： d 活塞杆直径 ; F 活塞杆的最大推力； p 活塞材料的许用应力，中碳钢（调质） 01034265 活塞杆一般都设有螺纹退刀槽等结构，这些部位往往是活塞杆上的危险截面也要进行计算。危险截面处的合成应力应满足： pn 危险截面合成应力 2F 活塞杆的拉力 2d 危险截面的直径 p 材料的许用应力，中碳钢调质则：P (3)活塞杆弯曲稳定性验算 液压缸的支撑长度 )13 5090 0()1510(16 002 需验算活山东科技大学学士学位论文 17 塞杆弯曲稳定性 式中： 液压缸支撑长度； S 缸体行程； d 活塞杆直径； 假设活塞杆受力完全在轴线上，主要是按下式验证： 12612 10 51 1 . 8 1 011EE 46444 式中： 活塞杆弯曲失稳临界压缩力， N； 安全系数，通常取 65.3里取 ； K 液 压缸安装及导向系数，见表 21 实际弹性模量， a 材料组织缺陷系数，钢材 a 一般取 12/1a ； b 活塞杆截面不均匀系数，一般取 13/1b ； E 材料的弹性模量，钢材 E , I 活塞杆截面惯性矩， 液压缸支撑长度； 则： 226652 山东科技大学学士学位论文 18 166 5 5517 2 . 5 1 0 1 4 . 5 6 1 0 2 1 05 满足弯曲稳定性条件。 (4)确定活塞杆长度： 54321 1L 活塞行程； 2L 活塞宽度； 3L 活塞前端盖宽度； 4L 后端螺纹长度； 5L 附加长度； )173457013012880054321 盖的设计 （ 1）缸盖的结构和材料 缸盖（如图 在液压缸的两侧，与缸筒构成密闭的压力油腔。因此它不仅有足够的强度承受液压力，而且还必须具有一定的连接强度。综合考虑选该缸盖为螺钉连接，这种连接方法结构简单，加工装配容易，缸盖材料选用 45 号钢。 山东科技大学学士学位论文 19 图 头端盖的结构 图 2.底端盖的结构 （ 2）缸筒端盖厚度的计算 端盖厚度 )(3 1 式（ 式中 h 端盖厚度； 螺钉孔分布直径 (m)； P 液压力 ( 密封坏形端面平均直径（ m） 材料的许用应力（ 山东科技大学学士学位论文 20 缸底为平底，由材料力学中圆盘计算公式，得 缸底端盖厚度： 1 式（ = 16004=150 2D 缸底内径 ; 1n 安全系数 ; b 缸底材料的抗拉强度极限 则 它结构的设计 向套 活塞杆导向套装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腔的密封。外侧有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。 1导向套的结构与材料： 查第五版机械设计手册表 21得该液压疏通系统的液压缸选用轴套式导向套，其特点为摩擦 阻力大，一般采用青铜材料制作，适用于重载低速的液压缸中。 导向套的材料一般采用摩擦因数小、耐磨性好的青铜材料制作。 2导向套最小导向长度 山东科技大学学士学位论文 21 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动中点的距离称为最小导向长度 H。如果导向长度太小，将使液压缸的初始挠度增大，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，一般液压缸的最小导向长度应满足下式要求： 220 式（ 式中： H 最小导向长度，是从活