病理床液压伺服机构设计毕业论文设计

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！ )摘要随着我国医疗事业的发展和计算机的普及与提高，计算机控制技术越来越多地应用于各行各业中，传统的医疗器械已经不能满足患者的需求了。在此推动下，医疗护理器械的开发势头迅猛，但由于各地经济发展的不平衡性以及诸多人为因素的影响，致使许多先进的医护设备得不到应用，给患者带来了许多不便。为了克服这种困难，研制一套功能齐全、造价低廉的护理器械尤为重要，在这种背景下，计算机控制多功能病理床应运而生了。结合病人的需求，设计了一种能自动实现抬头、屈腿、左右侧翻以及同时实现抬头和屈腿等功能的医用多功能病理床。考虑到该病理床要实现各项功能，特将床板分割成八个

2、部分。驱动方式上采用液压驱动方式，之所以选用液压系统，是因为其运动速度平稳，实用性强。每个动作实现都是由两个液压缸同时直接驱动，上升和下降则通过改变换向阀方向来实现。整个设计分为三步进行：首先设计出能实现动作要求的液压系统原理图，根据要求选择各标准件；其次，进行液压缸体的结构设计及材料的选择；最后，做液压站的总体设计。关键词： 液压系统；液压驱动；病理床AbstractWith the development of medical treatment and the improvement ofcomputers, computer control technique is more and

3、more applied to all kinds of industries, which results the sufferers don tsatisfy traditional medical instruments. Under the impulse of this, the research of medical instruments greatly engages people's attention. But because of the unbalance of regional economic progress and a great deal of fac

4、titious factor, many advancedmedical instrument are not suitably used, which brings a lot of inconveniences.In order to overcome difficulties, it is more important tostudy a suit of medical instrument that is multifunctional and cheap, so multifunctional pathological bed controlled by computer comes

5、 into being.A kind of multifunction turn-over bed for patients is introduced in this paper, which by both is making up of three steps .The first; we design the the and their materials. The last, we design the and its arrangement.Keywords Hydraulic System ;The Hydraulic Pressure; The Pathologic Bed;目

6、录摘要. IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1液压系统综述 .11.2病理床国内外研究现状 .21.3课题研究的意义和目的 .2第 2 章 病理床液压伺服系统的设计 .42.1设计要求 .42.2病理床液压执行元件载荷力计算 .42.2.1进行工作情况分析 .42.2.2头部运动时的负载情况 .52.2.3膝部弯曲时的负载情况 .62.2.4躯干运动时的负载情况 .72.3系统方案制定 .82.3.1执行机构的选择 .82.3.2调速回路的选择 .82.3.3换向回路的选择 .82.3.4液压源的选择 .82.4动作顺序 .82.5 病理床液压系统主要参数计算10各液压缸的载

7、荷力计算10初选液压缸工作压力及液压缸回油腔背压力11液压缸主要参数的确定11液压缸实际工作压力的确定15液压缸实际所需的流量15液压缸的输出功率152.6 液压元件的选择16液压泵的选择16电动机功率的确定17液压阀的选择18管道尺寸的确定19油箱有效容积的确定19液压油的选定202.7 病理床液压系统性能验算20液压系统压力损失20系统温升验算222.8 本章小结23第 3 章 病理床所用液压缸基本尺寸的设计243.1 液压缸主要尺寸的确定24液压缸内径及活塞杆直径的确定24缸筒壁厚的计算24缸体外径的计算24液压缸工作行程的确定24最小导向长度的确定25缸体长度的确定263.2 液压缸的

8、结构设计27缸体与缸盖的连接结构27活塞杆与活塞的连接结构27密封装置27液压缸的缓冲装置28液压缸主要零件的材料28液压缸的安装方法283.3 本章小结28第 4 章 病理床液压站的设计294.1 油箱的设计29液压油箱容积的确定29油箱的结构设计304.2 液压泵组的结构设计31布置方式31连接和安装方式31防振降噪措施324.3 本章小结32结论33致谢34参考文献35附录 A36CONTENTSAbstract .IIChapter 1 Introduction .11.1Summary of the Hydrauliic System.11.2The Research of Path

9、ological Bed.21.3The Meaning and Purpose of the Research.2Chapter 2 The Design of Pathological Bed Hydraulic Servo System.42.1Design Requirements.42.2Pathological Bed Hydraulic Actuator Load Force Calculation.42.2.1Analysis of the Work.42.2.2Load of the Head Movement.52.2.3Load of the Knees Bent.62.

10、2.4Load of the Trunk Movement .72.3 System Programming.82.3.1The Choice of Implementing Ageny.82.3.2The Choice of Speed Control Loop.82.3.3The Choice of Trading to the Looop.82.3.4The Choice of Hydraulic Source.82.4 Sequence of Movement.82.5The Main Calculation of Pathological Bed Hydraulic System.1

11、010Hydraulic Cylinder Back to the Oil Chamber111115152.6 Choice of Hydraulic Components161617181919202.7 Pathological Bed Hydraulic System Performance Calculation2020222.8 Chapter Summary23Chapter 3 Design of Pathological Bed with the Basic Dimensions ofHydraulic Cylinders243.1 The Determine of Hydr

12、aulic Cylinder Size242424242425263.2 Design of the Structural of Hydraulic Cylinder272727272828283.3 Chapter Summary28Chapter 4 Design of Pathological Bed Hydraulic Station294.1 Design of Tank2929304.2 The Structural Design of the Hydraulic Pump Group313131324.3 Chapter Summary32Conclusion33Acknowle

13、dgements34References35AddendunA36第1章绪论1.1液压系统综述液压传动是现代传动中的一门新技术，在工程机械中起着重要作用，是目前科研项目比较广泛的课题。如果从十七世纪中叶巴斯卡提出静压传动原理，十八世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动已有二三百年的历史。然而，液压传动的真正推广使用却是近三四十年的事情，十九世纪末，德国制成了龙门液压刨床，美国制成了液压六角车床和磨床，由于没有成熟的液压元件，一些通用机床到本世纪三十年代猜开始使用液压传动，并且仍不普遍。第二次世界大战期间某些兵器上用了反应快、动作准、功率大的液压传动装置，推动了液压技术的发展，战后，液压

14、技术迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车行业中迅速推广。本世纪六十年代以后，随着原子能、空间技术、计算机等的发展，液压技术得到了很大的发展，渗透到国民经济的各个领域中去，液压技术得到了很大的发展，渗透到国民经济的各个领域中去。目前液压技术向高高速、大功率、高效、地噪、经久耐、高度集成化方向发展，同时，新的液压元件和液压系统的计算机辅助设计，计算机仿真和优化，微机控制等工作，也日益取得显著的成果。随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自

15、动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。液压系统已经在各行各业得到越来越广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部分就越多，现代化产品的特点是自动化程度高，因此必须采用电子和液压这些先进技术。然而如何将电子和液压两门技术结合起来，以满足自动控制的更高要求，就成为当代应用技术的重大课题之一。液压伺服技术也就应运而生了。液压伺服系统是控制领域中的一个重要组成部分，它是在液压传动和自动控制技术基础上发展起来的一门较新的科学技术。液压伺服系统有许多优点，其中最突出的就是响应速度快、输出功率大、控制精确性高，因而在航空、航天、军事

16、、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。人类使用水利机械及液压传动虽然已有很长的历史，但液压控制技术的快速发展却还是近几十年的事，随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。1.2病理床国内外研究现状目前，国内的病理床,多采用手动装置，其基本结构是将床体分为两部分，在护理人员的协助下，应用丝杠螺母的传动原理，仅起到抬动躯干的作用，不但功能单一，而且存在结构锈蚀和振动噪音等诸多问题，不能适应医护人员远程控制的需要。国外，在90 年代电动护理床开始在医疗护理中暂露头角，这其中当属日本生产的多功能电动遥控护理床，它采用世界领先科技成果，在九十年代中期开发成

17、功的新产品，畅销日本及欧美等发达国家，深受消费者喜爱，被誉为医疗及家庭护理领域的一场革命。使用者通过该产品可以预防脊椎病、褥疮等常见病的发生，摆脱长年卧床的痛苦，享受生活的乐趣。此设备具有使用简单、操作自如、用者自理的特点，为中国护理行业带来了全新的概念，也为中国中老年人和长年卧床患者带来了福音。1.3课题研究的意义和目的现代科技高速发展 ,医疗器械也日新月异 ,为使生活不能自理的病人得到最有效的治疗 ,多功能智能病理床的研制被提上了日程,课题研究的意义是使患者能够自己手控完成：坐起、抬腿及侧翻身的动作。课题完成后能使生活不能自理的病人得到最有效的治疗。多功能病理床，根据人机工程学原理，采用计

18、算机控制技术，对液压伺服机构进行控制，使之具备任意角度独立翻转和组合翻转功能，具体为：1. 帮助病人抬头或调节枕高；2. 帮助病人坐起或调节上身角度；3. 上身抬起时头部可适度后仰；4. 帮助病人抬腿；5. 大腿抬起时小腿可适度弯曲；6. 形成座椅；7. 左、右侧翻身。本文完成的是病理床液压伺服设计。设计完成病理床的执行机构，执行机构主要完成床体的运动功能，在设计中采用液压阀的方式，建立液压控制台，通过阀体运动，带动液压缸前后运动，从而实现床体的升降功能。第2章病理床液压伺服系统的设计2.1设计要求设计一台针对脑出血病人，能够帮助病人缓慢运动的病理床液压伺服系统。根据病人情况能够实现以下动作：

19、抬头、头和上身同时抬起、下肢可动、左翻、右翻、弯膝。运动速度 0.4mmin，启动时间不大于 0.2s。考虑到躯干抬起、下肢抬起、左右侧翻四个动作负载相差不多，所以采用三个相同的液压缸，经计算，得出数据为：头部运动时： Fg2671N ，行程 L112.79mm膝部弯曲时： Fg2671N ，行程 L240.18mm躯干运动是： Fg2671N ，行程 L200.29mm下肢运动、左右侧翻、与躯干运动时取同样的数值，这样便于生产加工，使原件标准化。动作进行中，突然断电时保证安全可靠；工作速度平稳可靠，前冲小。2.2病理床液压执行元件载荷力计算进行工作情况分析液压缸负载主要包括：工作载荷、摩擦载

20、荷、惯性载荷等。1工作载荷：病人与床的重力所产生的载荷Fg2摩擦载荷： F f0.2Fg（2-1）3惯性载荷： FaFgu（2-2）g2t取 u 0.006m / s t0.1s根据以上分析，可以计算出液压缸各运动阶段中的负载头部运动时的负载情况头部运动时的负载情况见表2-1表 2-1 头部运动时的负载情况表工况计算公式上升启动加速阶段FwFgF fFa上升稳态运动阶段FwFgF f上升减速制动阶段FwFgF fFa下降启动加速阶段FwFgF fFa下降稳态运动阶段FwFg F f下降减速制动阶段FwFgF fFa液压缸的负载320732053204208220812080根据上表分析，为便于

21、分析及计算液压系统，绘制出液压缸的负载图和速度图，见图 21。负载图速度图图 2-1 头部运动时液压缸的负载图和速度图膝部弯曲时的负载情况膝部弯曲时的负载情况见表22工况上升启动加速阶段上升稳态运动阶段上升减速制动阶段下降启动加速阶段下降稳态运动阶段表 2 2 膝部弯曲时的负载情况表计算公式FwFgF fFaFwFgF fFwFgF fFaFwFgF fFaFwFgF f液压缸的负载20712070206913811380下降减速制动阶段FwFgF fFa1379根据上表分析，为便于分析及计算液压系统。绘制出液压缸的负载图和速度图，见图 22。负载图速度图图 2 2 膝部运动时液压缸的负载图和

22、速度图躯干运动时的负载情况躯干运动时的负载情况见表23表 2 3 躯干运动时的负载情况表工况计算公式液压缸的负载上升启动加速阶段FwFgF fFa6440上升稳态运动阶段FwFgF f6437上升减速制动阶段FwFgFfa6434F下降启动加速阶段FwFgF fFa4294下降稳态运动阶段FwFgF f4291下降减速制动阶段FwFgF fFa4288根据上表分析，为便于分析及计算液压系统，绘制出液压缸的负载图和速度图，见图 23。负载图速度图图 2 3 躯干运动时液压缸的负载图和速度图2.3系统方案制定执行机构的选择本机的动作机构均为直线往复运动，各直线往复运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸

23、驱动。调速回路的选择根据液压系统的要求使进给速度平稳，到位时不前冲，可选用调速阀的进口节流调速回路，见附录A 原理图。换向回路的选择根据液压系统的要求使进给速度平稳，到位时不前冲，可选用调速阀的进口节流调速回路，见附录A 原理图。液压源的选择由设计要求可知，工作过程中负载过大，速度变化小，才用了变量叶片泵。同时为了保证系统的安全性，仍可在泵的出口处并联一个溢流阀起安全作用。2.4动作顺序该系统完成头部抬起、躯干抬起、左翻、右翻、下肢抬起、膝部弯曲的六个动作，六个动作油路如下：1. 头部抬起单向阀开启， 1DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起，1

24、3DT 、 14DT 得电，油经背压阀流回油箱。2. 头部下降单向阀开启， 2DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起，13DT 得电，油经背压阀流回油箱。3. 躯干抬起单向阀开启， 3DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起，13DT 、 14DT 得电，油经背压阀流回油箱。4. 躯干下降单向阀开启， 4DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起，13DT 得电，油经背压阀流回油箱。5. 下肢抬起单向阀开启， 5DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油

25、进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起，13DT 、 14DT 得电，油经背压阀流回油箱。6. 下肢下降单向阀开启， 6DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起，13DT 得电，油经背压阀流回油箱。7. 左翻升单向阀开启， 7DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起，13DT 、 14DT 得电，油经背压阀流回油箱。8. 左翻降单向阀开启， 8DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起，13DT 得电，油经背压阀流回油箱。9. 右翻升单向阀开启， 9DT 得

26、电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起，13DT 、 14DT 得电，油经背压阀流回油箱。10. 右翻降单向阀开启， 10DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起，13DT 得电，油经背压阀流回油箱。11. 小腿抬起单向阀开启， 11DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的无杆腔，活塞向左推动机构升起，13DT 、 14DT 得电，油经背压阀流回油箱。12. 小腿下降单向阀开启， 12DT 得电，压力油经三位四通阀进入调速回路，油进入液压缸的有杆腔，活塞向右推动机构升起，13DT 得电，油经

27、背压阀流回油箱。2.5病理床液压系统主要参数计算各液压缸的载荷力计算表 2 4 各液压缸的载荷力液压缸名称工况液压缸外载荷 FW活塞上载荷 F头部运动缸上升32073563下降20822313膝部运动缸上升20712301下降13811534躯干运动缸上升64407156下降42944771各液压缸的活塞上的载荷力FFW（23）取液压缸的机械效率为0.9。各液压缸的载荷力见表24。初选液压缸工作压力及液压缸回油腔背压力1. 初选系统工作压力按载荷选定工作压力。表 25按载荷选择工作压力载荷 kN<5510102020303050>50工作压<0.811.522.533445&

28、gt;5力 MPa参考表 25 初步确定系统工作压力，各液压缸的工作压力见表2 6。表 26各液压缸的工作压力头部运动时F3563 NP11MPa膝部运动时F2301NP11MPa躯干运动时F7156 NP12MPa2. 背压的确定一般轻载的节流调速系统P20.5MPa液压缸主要参数的确定根据工作情况，液压缸活塞杆工作在受压状态FFWP2 A2(2-4)P1 A1式中 A14D 2 无杆腔活塞有效作用面积（ M2 ）A2( D 2d 2 ) 有杆腔活塞有效作用面积（M 2 ）4P1 液压缸工作腔压力（Pa ）P2 液压缸回油腔压力（Pa ）D 活塞直径（ M ）d 活塞杆直径（ M ）VFWD

29、dA1A2P1P2图 24 单活塞杆液压缸计算示意图1. 头部运动液压缸主要参数的确定令杆径比 dD,按工作压力取0.5按 P2=0.5pa，油缸的机械效率 =0.9，将数据代入下式：D4Fp2 (12 ) p1(25)43563D0.085m10 60.5106 (10.52 )1根据液压缸尺寸系列表26，将直径圆整成标准直径 D80mm 。表 2 6 液压缸尺寸系列表81012162025324050638090100110取 d D0.5 ，则活塞杆直径d0.58040mm 。按活塞杆系列表。取d 40mm。按最低速度要求验算液压缸尺寸，A qmin0.00005 11.9cm2vmin

30、0.42式中 qmin 是 由产品 样本 查得 调 速阀 2FRM6-30 的最小稳 定流 量为0.05Lmin。本系统的调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，A( D 2d 2 )4(2-6)A(0.0820.04 2 ) 0.0038m 238cm24可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。2. 膝部运动液压缸主要参数的确定令杆径比 dD,按工作压力取0.5按 P2=0.5，油缸的机械效率 =0.9，将数据代入下式：D4F2 ) p1 p2 (1D423010.068m10 60.5106 (110.52 )根据液压缸尺寸系列表27，将直径圆整

31、成标准直径D63mm 。表 27 液压缸尺寸系列表81012162025324050638090100110取 d0.5，则活塞杆直径 d 0.5 63 61.5mm。按活塞杆系列表。D取 d 32mm 。按最低速度要求验算液压缸尺寸，A qmin0.00005 11.9cm2vmin0.42式中 qmin 是 由产品 型号查得 调速阀 2FRM6-30 的最小稳 定流 量为0.05Lmin。本系统的调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，A(D 2d 2 )4A(0.06320.0322 ) 0.0023m223cm24可见上述不等式能满足，液压缸能达

32、到所需低速。3. 躯干运动液压缸主要参数的确定令杆径比 dD,按工作压力取0.5按 P2=0.5，油缸的机械效率 =0.9，将数据代入下式：D4F p1p2 (12 )D471560.075m 21060.5 106 (1 0.52 )根据液压缸尺寸系列表28，将直径圆整成标准直径D80mm 。表 28 液压缸尺寸系列表81012162025324050638090100110取 d D0.5 ，则活塞杆直径d0.58040mm 。按活塞杆系列表。取d 40mm。按最低速度要求验算液压缸尺寸，A qmin0.00005 11.9cm2vmin0.42式中 qmin 是 由产品 样本 查得 调

33、速阀 2FRM6-30 的最小稳 定流 量为0.05Lmin。本系统的调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，A(D 2d 2 )(0.0820.042 ) 0.0038m238cm244可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。液压缸实际工作压力的确定按最后确定的液压缸的结构尺寸，计算出各工况时液压执行元件实际工作压力，见表 29。工况液压缸名称头部运动 头部运动缸膝部运动 膝部运动缸躯干运动 躯干运动缸表 2 9 液压缸实际工作压力载荷背压力工作压力计算公式NMPaMPa35620.51.09F P2A2P123010.51.08A171560.5

34、1.81液压缸实际所需的流量按最后确定的液压缸的结构尺寸及运动速度，计算出各工况时液压执行元件实际工作流量，见表2 10。表 2 10 液压缸实际所需的流量工况液压缸名称运动速度结构参数流量头部上升头部运动缸0.007msA10.005m 20.035 Ls头部下降0.009msA20.0038m20.0342 Ls膝部上升膝部运动缸0.007msA10.0032m20.0224 Ls膝部下降0.009msA20.0023m20.0207 Ls躯干上升躯干运动缸0.007msA10.005m 20.035 Ls躯干下降0.009msA20.0038m20.0342 Ls液压缸的输出功率按最后确定的液压缸的流量及工作压力，计算出各工况时液压执行元件实际工作流量，见表 211。表 2 11 液压缸的输出功率工况液压缸名称流量工作压力输出功率头部上升头部运动缸0.035 LsP1.09MPa0.0381 kW头部下降0.0342 Ls0.0372 kW膝部上升膝部运动缸0.0224 LsP1.08MPa0.0242 kW膝部下降0.0207 Ls0.0223 kW躯干上升躯干运动缸0.035 LsP1.81MPa0.0634 kW躯干下降0.0342 Ls0.0619 kW2.6液压元件的选择液压泵的选择1. 液压泵工作压力的确定PPP1P（27）P1 液压缸的最大工作压力，对于本系