采用液控单向阀平衡回路的实验装置设计

设计图纸及论文说明书联系球球：二二九七八零六九二1绪论1.1综述液压传动是利用有压液体作为传动介质来传递动力或控制信号的一种传动方式，也是利用有压液体的压力进行能量传递、能量转换和能量控制的传动系统。它由能源装置、传动装置、辅助装置和执行元件组成。传动部分是机械装置的重要组成部分，起着传递运动和力的作用。传动装置的选择正确与否直接决定着实验台的性能好坏；传动方案的选择要充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、效率高、成本低、操作简单、维修方便的液压传动系统。1.2题目背景液压传动与控制是现代机械工程的基础技术，由于其在功率质量比、无级调速、自动控制、过载保护等方面的独特技术优势，使其成为国民经济中各行业、各类机械装备实现机械传动与控制的重要技术手段。特别是20世纪90年代以来，新兴产业不断涌现，并与现代电子与信息相结合，进一步刺激和推动了液压技术的发展，使其在国民经济各行业获得广泛应用。正确合理地设计和使用液压系统，对于提高各类液压机械设备及装置的工作品质和技术经济性能具有重要意义[1]。1.3研究意义本课程的学习目的在于学生综合使用《液压与气压传动》等专业课程的理论知识和生产实际知识，进行液压试验装置的设计实践，使理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展。通过该题目原理图的设计，可以使学生熟悉液压传动系统设计的一般程序，了解并掌握液压传动这门技术，掌握机械设计的一般程序和基本方法。总之，通过本题目的设计，可以使机械设计制造及其自动化专业的学生对四年所学课程得到一次较为全面的实践锻炼。1.4国内外相关研究情况由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高[2]。综合国内外专家的意见，其主要的发展趋势将集中在以下几个方面：a.减少能耗，充分利用能量液压技术在将机械能转换成压力能及反转换方面，已取得很大进展，但一直存在能量损耗，主要反映在系统的容积损失和机械损失上。如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显著提高。b.主动维护液压系统维护已从过去简单的故障拆修，发展到故障预测，即发现故障苗头时，预先进行维修，清除故障隐患，避免设备恶性事故的发展。另外，还应开发液压系统自补偿系统，包括自调整、自润滑、自校正，在故障发生之前，进市补偿，这是液压行业努力的方向。要进一步引发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件，对于不同的液压系统只需修改和增减少量的规则[3]。c.机电一体化电子技术和液压传动技术相结合，使传统的液压传协与控制技术增加了活力，扩大了应用领域[7]。实现机电一体化可以提高工作可靠性，实现液压系统柔性化、智能化，改变液压系统效率低，漏油、维修性差等缺点，充分发挥液压传动出力大、贯性小、响应快等优点。产品向体积小、重量轻、功耗低、组合集成化方向发展，执行元件向种类多、结构紧凑、定位精度高方向发展；气动元件与电子技术相结合，向智能化方向发展；元件性能向高速、高频、高响应、高寿命、耐高温、耐高压方向发展，普遍采用无油润滑，应用新工艺、新技术、新材料[4]。1.5主要研究内容平衡回路的功用就是在于防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重而自行下落，使执行元件的回油路上保持一定的背压值来平衡工作的稳定。本文设计的采用液控单向阀平衡回路的实验台装置，主要工作有：(1)研究采用液控单向阀+单向节流阀的平衡回路的原理；(2)设计出合理的、能满足使用要求的平衡回路实验装置；(3)采用液压缸加载；(4)绘制主要零件图；(5)选择液压元件型号；(6)对系统进行温升校核。2液压系统的设计分析2.1液压系统组成液压系统主要由以下五个主要部分来组成：a.能源装置：液压泵。它将动力部分（电动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。b.执行装置：液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。c.控制装置：液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。d.辅助装置：油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。e.工作介质：液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。2.2系统的设计要求及流程液压的设计一般泛指液压传动系统设计。由于液压传动系统和液压控制系统从结构和工作原理而言，并无本质上的区别。通常所说的液压系统设计，皆指液压传动系统设计。液压系统的设计与主机的设计是紧密联系的，当从必要性、可行性和经济性几方面对机械、电气、液压和气动等传动形式进行全面比较和论证，决定应用液压传动之后，二者往往同时进行[5]。所设计的液压系统首先应满足主机的拖动、循环要求，其次还应符合结构组成简单、体积小重量轻、工作安全可靠、总体看来，液压系统设计的流程是：a.明确系统的设计b.分析系统工况c.确定主要参数d.拟定液压系统原理图e.选择液压元件f.验算液压系统性能g.绘制工作图编织技术文2.3回路原理的设计液压系统的设计可分为两大步骤：一、液压系统的原理及性能设计；二、液压系统的技术设计(液压装置的结构设计即液压站的设计)。液压站按照动力源与控制装置是否安装在一起，可分为整体式液压站和分离式液压站。一个液压系统能否可靠有效地运行，在很大程度上取决于液压站结构选型是否合理及设计质量的优劣，设计时必须给予足够重视[6]。2.3.1平衡回路为了防止立式放置的液压缸活塞，因为垂直运动工作部件的重力而自行下滑，或在工作部件下行时速度失控这种现象发生，往往在液压系统中设置能产生一定背压的液压元件，以保证活塞在任意位置上被锁定，并且可以控制工作部件的下落速度，这样的液压回路称为平衡回路。其作用就是防止立式安装的液压缸受负载力或重力的作用自行下落，或者下落时出现超速失控现象等，它对于保证液压系统的安全性等方面起到了重要作用。2.3.2回路中个元件的作用由于液控单向阀1为锥面密封结构，其闭锁性能好，能够保证活塞较长时间停止在某位置处不动。在回油路上串联单向节流阀2，用于保证活塞下行运动的平稳性。假如回油路上没有串接节流阀2，活塞下行时液控单向阀1被进油路上的控制油打开。由于回油腔没有背压，运动部件由于自重而加速下降，造成液压缸上腔供油不足而压力降低，使液控单向阀1因控制油路降压而关闭，加速下降的活塞突然停止。阀1关闭后控制油路又重新建立起压力，阀1再次被打开，活塞再次加速下降。这样不断重复，由于液控单向阀时开时闭，使活塞一路抖动向下运动，并产生强烈的噪声、振动和冲击[14]。溢流阀有定压、调压、限制保护的作用，减压阀有调节压力大小的作用，泵的压力要小于溢流阀的压力。2.3.3采用液控单向阀设计的平衡回路为了使活塞平稳运行并且考虑到此回路实验装置设计实现的实际性，可将重物（实现工作的部件）换成利用水平放置的液压缸，形成负负载来实现。当电磁铁1YA通电使三位四通电磁换向阀5切换至左位，二位四通换向阀6也处于左位时，液压源的压力油分别进入液压缸1、2左腔，并导通液控单向阀4，缸2左腔进油推动活塞右移，缸1右腔的油液经节流阀、液控单向阀4和换向阀5排回油箱，活塞向右运动。当电1YA和2YA均断电使换向阀处于中位时，液控单向阀迅速关闭，活塞立即停止运动。当2YA通电使换向阀5切换至右位，换向阀6也处于右位，压力油分别进入液压缸1、2的右腔，推动缸2活塞左移，压力油经阀4、阀3进入缸1右腔，使得活塞向左运动。图1采用液控单向阀的平衡回路2.4工况分析本设计中的装置使用于实验室，是为了观察回路等的动作原理。那么定义其最高工作压力；外负载为；液压缸速度范围为。2.5系统方案设计a.确定供油方式及动力系统该机构在实验室为观察现象使用，除工作负载外基本无其它负载，速度较低，从节省能量，减少发热考虑，泵源系统宜采用定量泵供油。动力由常用的三相异步电机提供，通用性更好，便于使用与维护。b.执行机构选择简单的单活塞杆液压缸。c.压力变换方式本系统采用三位四通电磁换向阀，利用其阀芯机能的特点实现换向及液压缸的进退。d.泵的类型叶片泵具有流量均匀，压力脉动小，运转平稳，噪声小，结构紧凑，体积小，重量轻，而排量大等优点。在工程机械、船舶、压铸及冶金设备中得到广泛应用。工作原理主要是当叶片泵转子旋转时，叶片在离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个叶片与转子和定子内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油后再由大到小排油，叶片旋转一周时，完成两次吸油与排油。3液压缸的设计3液压缸的设计3.1预选系统设计压力本装置为实验装置，工况时载荷均不大，预选液压缸设计压力=2.0。3.2液压缸主要结构尺寸3.2.1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定(3.1)(3.2)式中——液压缸工作压力，初算时可以取系统工作压力，取；——液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表3.1估算，取0.2；——活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表3.2选取，取0.5；表3.1执行元件背压的估计值系统类型背压中、低压系统0~8简单的系统和一般轻载的节流调速系统0.2~0.5回油路带调速阀的调速系统0.5~0.8回油路带背压阀0.5~1.5采用带补液压泵的闭式回路0.8~1.5中高压系统>8~16同上比中低压系统高50%~100%高压系统>16~32如锻压机械等初算时背压可忽略不计表3.2液压缸内径D与活塞杆直径d的关系工作压力≤20.2~0.3＞2~50.5~0.58＞5~70.62~0.70＞70.7(3.3)——工作循环中最大的外负载，取；——液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算；——液压缸的机械效率，一般=0.9~0.97，取0.9。(3.4)活塞杆直径可由d/D值算出，由计算所得的D与d值分别按表3.3与表3.4圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。查表3.2，可以取d/D=0.5，圆整后则表3.3液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）40506380（90）100(110)注：括号内数值为非优先选用数值。表3.4活塞杆内径尺寸系列（GB2348-80）22252832363640453.2.2液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计液压缸采用无缝钢管，属薄壁圆筒结构，其壁厚按公式计算(3.5)式中——液压缸壁厚；D——液压缸内径；——试验压力，一般取最大工作压力的（1.25~1.5）倍；〔〕——材料的许用应力；考虑缸体在应用中的各种情况，取。液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径D1为3.2.3液压缸工作行程的确定此次设计活塞杆外部不受力，活塞杆的动作只是便于观察，参照活塞移动速度及表3.4，选取行程。表3.4液压缸活塞行程系列（GB/T2349-1980）50801001251602002503203.2.4缸盖厚度一般液压缸多为平底缸盖，次液压缸为单活塞单作用缸，缸底有油孔，其有效厚度t按强度要求可用下式进行理论计算[7]。(3.6)式中t——缸盖有效厚度；D2——缸盖止口内径,取；d0——缸盖孔的直径。则取。3.2.5最小导向长度当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离H称之为最小导向长度。如果最小导向长度过小，影响液压缸的稳定性，以此设计时必须保证具有一定的最小导向长度。普通液压缸的最小导向长度H必须满足以下要求：(3.7)式中L——液压缸的最大行程；D——液压缸的内径。活塞的宽度B一般取，则，取；缸盖滑动支撑面的长度根据液压缸的内径D而定；当时，取；当时，取；本次设计的液压缸内径，故而，取；最小导向长度需要保证，但过分的增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由下式确定：(3.8)3.2.6液压缸缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。故缸体长度=活塞的行程+活塞宽度=160+40=2003.3液压缸的结构设计3.3.1缸体与缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料及工作条件有关，通过查表，再结合液压缸的安装方式（地面脚架安装），选择缸体与缸盖的连接方式为法兰连接。在缸筒两端焊接法兰，且缸盖加工成法兰结构，并将安装脚架和液压缸加工为一体，结构更为紧凑。表3.5液压缸缸盖与缸体的连接形式安装方式结构形式图例优缺点法兰连接优点：1）结构简单、成本低2）易加工，便于装拆3）强度大、能承受高压缺点：1）径向尺寸较大2）重量比螺纹连接大；缸体为钢管时，用拉杆连接的重量也较大3）用钢管焊接法兰，工艺复杂3.3.2活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的连接分为整体式结构和组合式结构。而组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。整体式结构用于缸径较小