机电液压课程设计-2000kg液压舞台升降系统设计

目录TOC\o"1-3"\f\h\z\u一、设计内容及要求 -1-一、设计内容及要求1.1设计目的课程设计是培养学生综合运用所学的基础理论和专业理论知识，独立解决实际设计问题的能力的一个重要的实践性教学环节。因此，通过设计应达到下述目的：a初步掌握正确的设计思想和设计的基本方法，步骤,巩固，深化和扩大所学的知识,培养理论联系实际的工作方法和独立工作能力；b获得舞台升降总体设计，结构设计，零件计算，编写说明书。绘制液压系统图1张；c熟悉有关标准、规格、手册和资料的应用；d完成PLC选型及硬件电路设计，绘制PLC端子接线图1张。并完成软件设计，绘制梯形图与列出主要控制程序指令语句1张。1.2舞台动作循环要求设计一套适用于舞台升降机的液压系统，该系统能使演出平台保持一定的精度，同步、平稳地上升、下降，并可在一米的行程范围内任意高度停留。系统结构紧凑，安全可靠。设计要完成舞台升降液压系统的机电液控制设计。舞台采用四个液压缸支撑，要求液压缸同步上升。舞台停止时，采用蓄能器龅牙，泵卸荷。舞台的同步采用分流集流阀。动作过程：能够实现“同步上升—停止—保压—同步下降—停止”的工作循环。1.3舞台升降对液压传动系统的具体参数要求舞台重量2000kg,舞台升降速度是0.3m/s。二、液压系统的初步设计1.分析工况及设计要求,绘制液压系统草图工况分析：图2-1液压系统草图2.按设计要求设计合理液压系统原理图（1）按设计要求，希望系统结构简单，工作可靠，且系统的功率较不大，根据教材液压系统常用液压泵性能比较表决定采用单个定量泵，并用以个溢流阀作安全阀，当系统超载时，溢流阀打开，对系统起到过载保护作用，而平时溢流阀是关闭的；（2）舞台要求同步动作，故采用同步缸的同步回路，由于同步缸的两腔的有效面积相等，且两工作缸的面积也相同，则两缸实现同步运动；（3）为了是舞台停留保持是要求安全可靠，故设计锁紧回路，使液压缸在任意位置上停留，且停留后不会因舞台自身重力而移动位置。当换向阀左位接入时，压力油经左边液控单向阀进入液压缸下腔，同时通过控制口打开右边液空单向阀，使液压缸上腔得回油经过右边液空单向阀及换向阀流回油箱，活塞向上移动。反之，活塞向下移动；（4）因舞台要求上升、下降及停留，故采用三位四通阀，使执行元件可以在任意位置停留，且执行元件正反向运动时可以得到不同的回油方式。综上考虑，绘制出图所示液压传动系统草图：图2-22000Kg舞台液压系统工作原理图表2-1电磁铁动作顺序表动作名称1YA(3YA)2YA(4YA)同步上升+-停止--保压--停止--同步下降-+停止--图2-3电气控制电路图三、机械系统的设计与计算3.1工况分析液压缸的输出力由工作压力p和活塞有效面积A决定的，而液压缸的输出速度v是由输入液压缸的流量q和活塞有效面积A决定的。即：F=P*Av=q/A（3-1）主机工作过程中，其执行机构所要克服的负载包括工作负载，惯性负载和阻力负载（1）外负载F=2000kg×9.8N/kg/4=4.9KN（2）惯性负载Fm=m△V/△t=2000×0.3/0.6=1KN取△t=0.6（3-2）（3）阻力负载静摩擦阻力Ffs=fs*Fn，fs≤0.2～0.3（3-3）动摩擦阻力Ffd=fd*Fn，fd≤0.05～0.1（3-4）又因为Fn=mg=19.6KN=FG（3-5）所以Ffs=0.98KNFfd=0.49KN（3-6）表3-1液压缸在各工作阶段的负载F单位：KN工况负载组成负载值/KN启动阶段F=Ffs+FG5.89上升阶段F=Ffd+Fm+FG6.39保持阶段F=Ffd+FG5.39下降阶段F=Fn-Ffd-Fm3.41由表《各类液压设备常用工作压力》查得工作压力：P=2Mpa（3-7）3.2液压缸内径计算F=6.3914KN（3-8）D===75.2mm（3-9）3.3活塞杆直径计算d=0.707D=0.0559mm（3-10）根据表GB/T2348-2001标准圆整后D=80mm,d=56mm.液压缸两腔的实际有效面积：A1==(3-11)A2=(3-12)3.4缸筒设计1.材料选择：一般采用45号钢，并应调质到241-285HBS缸筒厚度δ：（3-13）式中—缸筒材料强度要求的最小值—缸筒外径公差余量—腐蚀余量按中等壁厚缸筒计算:=（0.08-0.3）D=6.4㎜-24㎜取10㎜（3-14）缸筒外径(3-15)2.缸筒厚度验算（1）工作额定压力应小于一极限值，以保证工作安全(3-16)（2）为避免塑性变形，额定工作压力应满足—缸筒发生安全塑性变形的压力（3-17）（3-18）（3）缸筒底部厚度采用平行缸底，当缸底平面且无油孔，缸底厚度h为：（3-19）式中D—缸筒内径，计算中取—材料的许用应力（MPa），—缸筒材料的抗拉强度，根据表《缸筒常用无缝钢管的材料力学性能》查得45号钢的=600Mpa。根据表《安全系数n》查得，静载荷下的钢的安全系数。（3-20）3.5活塞杆强度校核（3-21）式中，对于圆断面（3-22）（3-23）满足强度条件。四、液压系统设计与计算4.1流量功率计算（1）上升时(4-1)（4-2）(4-3)（2）下降(4-4)（4-5)。（4-6）4.2液压泵设计与校核取油路压力损失0.8Mpa.取调整压力高于系统最大工作压力0.5Mpa,整个过程中最大工作压力：=4.99Mpa（4-7）=+0.8+0.5=4.99+1.3=6.29Mpa（4-8）整个过程中最大流量为：（4-9）取泄露系数（4-10）溢流阀的最小稳定流量为，所以液压泵的最小流量为49.14。查《YB-E型叶片泵技术参数》选择YB-E100，其中，液压泵排量为98ml/min（4-11）由于液压缸在快速工进时输入功率最大，这时液压泵的工作压力为6.29Mpa，流量为94.32，查表《液压泵的总功率》取总效率，液压泵驱动电动机所需功率：（4-12）根据表《Y系列（IP44）α型三相异步电动机技术参数》选取Y16L-4电动机额定功率15KW额定转速1460r/min效率88.5%功率因数0.85。4.3选择基本回路1.由于舞台升降系统需要保持一定精度、同步、平稳地上升下降可选择同步缸的同步回路；2.舞台上升速度可以调节，可选择进油节流阀调速回路；3.舞台停止时采用辅助液压泵保压和锁紧回路；4.选择调压和卸荷回路。4.4阀类元件及辅助元件根据阀类及辅助元件所有油路的最大压力和通过最大试验流量，选出这些液压元件。1.叶片泵（1）定流量99.04L/min；(2)额定压力16Mpa；(3)型号规格Y200L1-2。2.三位四通电磁阀（m型）（1）最大流量94.32*2=188.64L/min以上，取200L/min；(2)根据表《电磁换向阀系列技术参数》选取型号：DG5S-H8B；(3)额定流量200L/min额定压力8Mpa压降＜6.3Mpa。3.单向阀（1）预计流量99.036L/min，所以选取型号：DIF-L32H2；（2）额定流量100L/min，额定压力21Mpa，额定压降＜0.2Mpa。4.滤油器（1）预计通过流量99.0364L/min，选取型号：TLW-100；（2）额定流量160L/min，额定压力16Mpa。5.溢流阀（背压阀）（1）其可调到1Mpa，故选取型号：YF3—E10B；（2）额定流量106L/min，额定压力14Mpa。6.蓄能器（1个）查产品样本手册，选用HXQ-C16D，公称容积为16L公称压力为17MPa。表4-1元件的型号及规格序号元件名称估计通过流量额定流量额定压力/MPa额定压降/MPa型号规格1叶片泵94.32153.0916—YB—E1002三位四通电磁阀188.6420016＜0.334DM—E10B3单向阀99.03610021＜0.2DIF—L32H24液控单向阀99.03617021＜0.2DFY—L32H25溢压阀—638—YF—L32H16滤油器99.04100—＜0.2XU—160X80J7溢流阀306316—YF3—E10B4.5油管根据推荐选择在压油管的流速4m/s，按：（4-13）式中q—通过管道的流量v—管内允许流速。表4-2液压缸的进出流量匀速上升匀速下降输入流量输出流量所以液压缸无杆腔及有杆腔的油管内径分别为：（4-14）（4-15）这两根管都可按GB/T2351—2005选用内径mm，外径mm的冷拔无缝钢管。4.6油箱根据经验，取数据=5，故其容积为（4-16）按JB/T7938—1999规定，取最靠近的标准值V=500L4.7蓄能器（1）在本设计中蓄能器用来起保压作用，其有效工作容积为（4-17）式中：——液压缸有效工作面积（）；（2）活塞式蓄能器总容积的计算，按等温过程计算：(4-18）式中:查产品样本手册，选用HXQ-C16D，公称容积为16L公称压力为17MPa。4.8验算液压系统性能（1）验算系统压力损失并确定压力阀的调整值由于系统管路布置尚未确定，整个系统压力损失无法全面估算，但对中小型液压系统，管路压力损失甚微，可以不予考虑。压力损失验算按一个循环的不同阶段进行：匀速上升时，进油回油通过电磁阀，流量为94.32L/min,电磁阀进油为94.32L/min.，背压阀背压损失损失1MPa，回油通过电磁阀46.14L/min.(4-20)（4-21）匀速下降v=0.3m/s进油压降为（4-22）回油压降为（4-23）所以匀速下降时工作压力为(4-24)所以顺序阀至少大于5.77（2）验算油液温升由于快进时间较短，我们以向上工进上升下降来计算(4-25)液压泵通过顺序阀的流量49.14L/min,由表查得该阀在额定流量=63L/min时的压力损失，故此阀的压力损失(4-26)液压泵工作压力为，流量为由式（4-26）算的液压系统的发热功率（4-28）油箱的散热面积为（4-29）根据表《油箱散热系数》查得则按式求出温升为（4-30）根据表《机械允许温升》，故该液压系统超出温度范围65，故不需设置冷却器。五、PLC设计图1.PLC设计图5-1PLC梯形图图5-2PLC端子接线图2.PLC语句表地址指令 指令数据0000 LD 00010001 ANDNOT 00040002 ANDNOT 00060003 ANDNOT 05010004 OUT 05000005 LD 00020006 ANDNOT 00050007 ANDNOT 00060008 ANDNOT 05000009 OUT 05010010 END3.PLC系统硬件设计PLC控制系统控制液压系统的电磁阀换向开关以及限位开关SQ1~SQ3，实现液压缸的变换，进而实现液压缸的上升与下降，工作过程如下：（1）旋下SA，液压缸启动；（2）按下SB1，液压缸匀速上升；（3）松开SB1，液压缸停止；（4）当运动到预定高度时，碰到行程开关SQ1，液压缸停止上升；（5）按