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  专用夹具设计 PAGE II 参考文献 编号:9 本 科 毕 业 设 计 题 目 剪叉式液压升降机液压系统的设计 学 院: 机械工程学院 专 业: 农业机械化及其自动化 年级: 09级 姓 名: 郭志华 指导教师: 毕晓伟 完成日期: 2013年5月5日 剪叉式液压升降机设计 内蒙古民族大学学士论文 PAGE \* MERGEFORMAT 14 PAGE \* MERGEFORMAT 15 摘要 在本设计中设计了剪叉式液压升降机液压系统的设计,本设计分十个部分,由前言、执行元件速度载荷、液压系统主要参数的确定、方案的确定与选择、液压系统的元件计算与连接。前言我们初步了解研究课题的意义和目的及其国内发展情况;执行元件速度和载荷涉及到元件的类型、速度变化规律;液压系统的主要参数的确定中重点计算其作用力、内径与直径的确定;对开式系统油路方式组合方式的分析和原理图的确定;油泵电机的选择;重点是液压缸的作用力计算,缸筒内径的确定,活塞杆直径的确定,活塞缸壁厚,最小导向长度,液压缸的流量等。 关键词:升降机 液压缸 缸筒 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u HYPERLINK \l _Toc 1.前言 PAGEREF _Toc \h 6 HYPERLINK \l _Toc 1.1阐述研究课题的目的和意义 PAGEREF _Toc \h 6 HYPERLINK \l _Toc 1.2国内发展状况及未来的发展前景展望 PAGEREF _Toc \h 7 HYPERLINK \l _Toc 3.执行元件的速度及载荷 PAGEREF _Toc \h 7 HYPERLINK \l _Toc 3.1执行元件种类、数量以及其安装位置 PAGEREF _Toc \h 7 HYPERLINK \l _Toc 3.2速度和载荷计算 PAGEREF _Toc \h 8 HYPERLINK \l _Toc 3.2.1 速度计算及速度变化规律 PAGEREF _Toc \h 8 HYPERLINK \l _Toc 3.2.2执行元件的载荷计算及变化规律 PAGEREF _Toc \h 9 HYPERLINK \l _Toc 4.液压系统主要参数的确定 PAGEREF _Toc \h 11 HYPERLINK \l _Toc 4.1 系统压力的初步确定; PAGEREF _Toc \h 11 HYPERLINK \l _Toc 4.2 液压执行元件的主要参数 PAGEREF _Toc \h 11 HYPERLINK \l _Toc 4.2.1液压缸的作用力 PAGEREF _Toc \h 11 HYPERLINK \l _Toc 4.2.2 缸筒内径的确定 PAGEREF _Toc \h 12 HYPERLINK \l _Toc 4.2.3 活塞杆直径的确定 PAGEREF _Toc \h 13 HYPERLINK \l _Toc 4.2.4 液压缸壁厚度 PAGEREF _Toc \h 15 HYPERLINK \l _Toc 4.2.5 液压缸的流量 PAGEREF _Toc \h 16 HYPERLINK \l _Toc 5.液压系统方案的选择和论证 PAGEREF _Toc \h 17 HYPERLINK \l _Toc 5.1 油路循环方式的选择与分析 PAGEREF _Toc \h 18 HYPERLINK \l _Toc 5.2 开式系统油路组合方式的分析以及选择 PAGEREF _Toc \h 19 HYPERLINK \l _Toc 5.3 调速方案的选择 PAGEREF _Toc \h 19 HYPERLINK \l _Toc 5.4 液压系统原理图的确定 PAGEREF _Toc \h 20 HYPERLINK \l _Toc 6.液压元件的选择计算及其连接 PAGEREF _Toc \h 21 HYPERLINK \l _Toc 6.1 油泵和电机选择 PAGEREF _Toc \h 21 HYPERLINK \l _Toc 6.1.1泵的额定流量和额定压力 PAGEREF _Toc \h 21 HYPERLINK \l _Toc 6.1.2 电机功率的确定 PAGEREF _Toc \h 22 HYPERLINK \l _Toc 6.2 控制阀的选用 PAGEREF _Toc \h 24 HYPERLINK \l _Toc 6.2.1 压力控制阀 PAGEREF _Toc \h 24 HYPERLINK \l _Toc 6.2.2 流量控制阀 PAGEREF _Toc \h 25 HYPERLINK \l _Toc 6.2.3 方向控制阀 PAGEREF _Toc \h 25 HYPERLINK \l _Toc 6.3 管路,过滤器,其他辅助元件的选择计算 PAGEREF _Toc \h 26 HYPERLINK \l _Toc 6.3.1 管路 PAGEREF _Toc \h 26 HYPERLINK \l _Toc 6.3.2 过滤器的选择 PAGEREF _Toc \h 27 HYPERLINK \l _Toc 6.3.3 压力表选择 PAGEREF _Toc \h 28 HYPERLINK \l _Toc 参考文献 PAGEREF _Toc \h 30 1.前言 1.1阐述研究课题的目的和意义 升降机具有良好的升降性能,应用范围广,不尽可以实现货物的上下运送,也可以使生产实现流水线作业。它采用全程液压系统控制,采用液压系统有以下特点: (1)在液压装置与其他装置相比较能够产生较大的动力,而且它的结构相对紧凑。 (2)液压装置工作时没有大的震动,液压装置有启动速度快,制动和频繁的转换方向容易等优点。 (3)液压装置可实现大范围对速度的调节。 (4)液压传动便于实现自动化控制,节省人力和其他费用,也可以调节和控制液体的压力,流量和流动方向。 (5)液压装置便于设置过载保护装置。 (6)现有的生产技术已经能够使液压元件实现标准化,系列化,通用化, 尽管如此,液压技术也存在不完善的地方。例如,液压装置的元件之间存在摩擦力,因此可能产生热损耗。液压转动装置可能产生液体的泄露,泄露的液体有可能对环境产生污染,也有可能对人身造成伤害或财产损失,因此对其适用范围有一定的约束。液压元件制造精度高,造价昂贵,出现故障不易查找原因,但在实际的应用中,可以通过有效的措施来减小不利因素带来的影响。 1.2国内发展状况及未来的发展前景展望 液压技术在我国的发展要追溯到建国以后。从不断的模仿到不断地学习,现在已经具有相当成熟的研发水平。 近年来,通过技术创新和科研攻关,产品水平得到一定程度的提高,生产出具有先进水平的产品。 然而,我国在产品品种、数量及技术水平上,与国际水平有一定的差距,每年都要进口一定数量的液压元件。 液压技术的未来前景展望: (1)元件性能的改善,新型元件的研制,体积不断缩小。 (2)实现高度的组合化,集成化,模块化。 (3)和微电子技术相结合,实现智能化。 总而言之,液压工业在我国的发展已经步入了良性发展阶段,它与气动技术的发展状况是用来衡量一个国家的工业化发展水平的重要指标。 3.执行元件的速度及载荷 3.1执行元件种类、数量以及其安装位置 表5.1 执行元件类型的选择 运动形式 往复直线运动 回转运动 往复摆动 短行程 长行程 高速 低速 摆动液压马达 执行元件的类型 活塞缸 柱塞缸 液压马达和丝杠螺母机构 高速液压马达 低速液压马达 根据上表选择双作用单活塞杆无缓冲式液压缸, 数量:选双单叉结构为升降台构造,因此采用4个功率和结构完全相同的液压缸。 安装位置:液压缸的安装方式为耳环型,尾部单耳环,气缸体可以在垂直面内摆动,安装的位置为前后两固定支架之间的横梁之上,横梁和支架组成为一体,通过横梁活塞的推力逐次向外传递,使升降机升降。 3.2速度和载荷计算 3.2.1 速度计算及速度变化规律 升降机设计为全液压系统,相关工艺参数如下: 额定载荷:2500kg 最低高度:530 mm 最大起升高度:1500mm ,所以本升降机的升降时间在40s—50s之间,执行元件的速度v为: (3—1) 当 时: =0.01325 当 时: 3.2.2执行元件的载荷计算及变化规律 执行元件载荷就是液压缸的总阻力,油缸的总阻力由以下几部分组成:对运动起阻碍作用的的切削力,元件运动过程中因相互摩擦而产生的力,密封装置产生的摩擦力,在突然制动或变换方向过程中存在的惯性力,由于回油腔受到外部的挤压而产生的阻力,即液压缸的总阻力也就是它的最大牵引力: (3-2) (1)切削力。凡是在工作部件工作时对其有阻碍作用的力,额定负载的重力和支架以及上顶板的重力一起构成了切削力: 其计算式为: (3-3) (2)摩擦力。存在相对运动的物体之间的力,由于运动部件之间不是绝对的光滑,并且之间是钢-钢接触,所以必定产生摩擦,取, 其具体计算式为: (3-4) (3)密封装置的密封阻力。不同的装置有不同的阻力计算方法; O形密封圈: 液压缸的推力 Y形密封圈: (3-5) f 摩擦系数,取 密封摩擦力也可以采用经验公式计算,一般取 (4)运动部件的惯性力。 其计算式为: (3-6) 对于行走机械取,本设计中取值为 (5)背压力。背压力在此次计算中忽略,而将其计入液压系统的效率之中。 由上可知液压缸的总阻力为: = =(204.8+316+120+188+2500)x9.8+0.15(204.8+316+120)x 9.8+(204.8+316+120+188+2500)x0.4+(204.8+316+120+188+2500)9.80.05 =40KN 液压缸的总负载为40KN,那么平均下来每个液压缸需要克服的阻力为10KN。 如果将该升降台的额定载荷定为2500Kg ,其负载变化范围为小于等于2500Kg,在排除冲击负载的影响的情况下,负载的范围也就可以得到,即小于等于升降台的额定载荷2500Kg。即升降台负载为恒定的。 4.液压系统主要参数的确定 4.1 系统压力的初步确定; 表4.1 液压缸牵引力与工作压力之间的关系 牵引力F(KN) 5 5-10 10-20 20-30 30-50 50 工作压力P(MPa) 0.8-10 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 5-7 由上表可知液压缸的牵引力在5-10这个范围的符合要求,上文计算得知推力为10KN,,可以确定液压缸的工作压力在1.5-2这个范围。所以p=2MPa 。 4.2 液压执行元件的主要参数 4.2.1液压缸的作用力 液压缸由于受到不同方向的力的作用,虽然此力统称为压力,但又可以根据施力和受力物体的不同分为压力和推力,当液压油进入无杆腔时会产生压力的一种形式推力: F= (4-1) 式中: p 液压缸的工作压力 Pa 取p= D 活塞内径 单位m 0.09m 液压缸的效率 0.95 代入数据: F = F = 10.3KN 即液压缸工作时产生的推力为10.3KN。 表4.2系统被压经验数据; 回路特点 背压值 进油路调速 1-2*10KN 进油路调速回油装被压阀 2-5*10KN 回油路调速 6-10*10KN 4.2.2 缸筒内径的确定 该液压缸宜按照推力要求来计算缸筒内经,计算式如下: 要求活塞无杆腔的推力为F时,其内径为: (4-2) 液压缸机械效率 0.95 代入数据: D= =0.083m D= 83mm 取圆整值为 D=90mm 4.2.3 活塞杆直径的确定 (1)活塞杆直径根据受力情况和液压缸的结构形式来确定 受拉时: 受压时: 该液压缸的工作压力为为:p=2MPa,5MPa,取d=0.5D,d=45mm。 (2)活塞杆的强度计算 活塞杆在只受推力或拉力的情况下,可以用直杆承受拉压载荷的简单强度近似计算公式进行: 材料的许用应力 单位MPa 活塞杆用45号钢 代入数据: =6.3MPa 活塞杆的强度满足要求。 (3)稳定性校核 该活塞杆在不受到偏心力矩的作用下,可以通过等截面法计算,其细长比为: 时, (4-3) 在该设计及安装形式中,液压缸两端采用铰接,其值分别为: 将上述值代入式中得: 故校核采用的式子为: 式中: n=1 安装形式系数 E 活塞杆材料的弹性模量 钢材取 J 活塞杆截面的转动惯量 L 计算长度 1.06m 代入数据: =371KN 其稳定条件为: 式中: 稳定安全系数,一般取=2—4 取=3 F 液压缸的最大推力 单位N 代入数据: =123KN 故活塞杆的稳定性满足要求。 4.2.4 液压缸壁厚度,最小导向长度,液压缸长度的确定 4.2.4.1 液压缸壁厚的确定 对于不同厚度的液压缸壁的结构及其工艺要求的确定,通常我们通过薄壁筒计算而获得,即由以下公式确定: 液压缸最高工作压力 单位Pa 一般取=(1.2-1.3)p 缸体材料的许用应力 钢材取 代入数据: 考虑到液压缸的加工要求,将其壁厚适当加厚,取壁厚。 4.2.4.2 最小导向长度 图4.1 液压缸简图 H 最小导向长度 L 液压缸最大行程 D 缸筒直径 最小导向长度 即 取为72cm 4.2.5 液压缸的流量 余缸径和活塞的运动方式是决定液压缸流量的主要因素,活塞的供油量和活塞的内径宽度都影响流速的大小,但若使某一个因素不变而研究另一个因素就是我们常说的控制变量法,因为是同一个液压缸,它的面积内径是不变的,那么变化的是流量,若我们控制流量一定,那么其流速则恒定不变。即,液压缸的流量可以计算如下: (4-4) 式中: A 活塞的有效工作面积 对于无杆腔 活塞的容积效率 采用弹形密封圈时=1,采用活塞环时 =0.98 为液压缸的最大运动速度 单位m/s 代入数据: 当液压缸运动速度最大时,所需要的流量为,以其 最小运动速度运动时,所需要的流量为。 5.液压系统方案的选择和论证 主机的运转状态可以用来确定液压系统的方案,由于液压系统本身的技术要求,以及对液压系统所处的工作环境,不同液压系统的成本、经济性、市场供货条件等诸多因素进行综合考虑,从而选择一个综合各方面因素的方案。主要考虑一下几个方面:对液压回路自身元件的筛选如硬度,工艺性,经济性等,油路运行通道的鉴别等。 5.1 油路循环方式的选择与分析 油路循环方式有开式和闭式之分,其相同点与不同点详见下表: 表5.1 液压系统的散热条件和和调速系统基本上决定了油路的循环方式。 从上表中我们能够了解到两者的不同之处,再考虑到自身升降机的设计理念我们选择开式油路循环系统,并且为了更大的节省空间存储液体,升降主机与液压泵应该分开安装。 图5.1 源油回路原理图 1油缸 2 过滤器 3 温度计 4 液位计 5 电动机 6液压泵 7 溢流阀 8 压力表 5.2 开式系统油路组合方式的分析以及选择 开式系统油路分为三种形式,两个以上的油路依次连接则为串联,两个以上的并排相连则为并联,如果只有一个的话就叫做独联。 串联方式能够实现多个元件同时工作,速度又是恒定的。 5.3 调速方案的选择 如何调速以及调速的方法都对主机的性能有很大的影响,在确定调速的方法时,应该充分考虑液压回路里的执行元件和其负载特性以及经济特性等因素进行选择。 在液压回路里经常用的调基本方法有三种形式:容积调速回路,节流调速回路,容积节流调速回路。此次设计的升降机所采用的回路是节流调速回路,是因为该回路具有非常大的优点,如有非常好的散热能力承载能力以及非常广的调速范围且成本较低,但是也有一定的缺点,如功率较小、速度钢性差和发热量大等缺点。原因是该调速回路具有以下优点特:有较好的承载能力,成本低,调速范围大,适用于小功率,轻载或中低压系统等,不过速度刚度差,效率低,发热量大。 5.4 液压系统原理图的确定 初步拟定液压系统原理图如下所示;见下图: 图5.2 液压系统原理图 1 油箱 2 空气过滤器 3 温度计 4 液面计 5 单向定向马达 6 摆动马达 7 溢流阀 8 压力计 9 13 14 节流阀 10 11 电压换向阀 12 15调速阀 16 17 18 19 液压缸 6.液压元件的选择计算及其连接 液压元件主要包括有:油泵,电机,各种控制阀,管路,过滤器等元件。因液压元件的功能比较多样,其组合后的组合回路具有不同的功能,以下主要是选择不同的液压元件进行组合和计算。 6.1 油泵和电机选择 6.1.1泵的额定流量和额定压力 6.1.1.1泵的额定流量 在选择泵的流量的时候,应该符合执行元件的流速要求,因此在选择泵的输出流量时应根据系统所需要的最大流量和系统的泄漏量来确定: 对于在工作过程中再用节流阀进行的调速的系统,在计算泵的流量时,应该加上溢流阀的最小溢流量,一般最小的取: 6.1.1.2 泵的最高工作压力 泵的工作压力应该根据液压缸的工作压力来确定,即 式中: 泵的工作压力 单位Pa 执行元件的最高工作压力 单位Pa 进油路和回油路总的压力损失。 在初步计算时,一般的节流调速和一般的的油路可以取 ,对于进油管路中含有调速阀和进油管路比相对比较较复杂的系统一般取。 代入数据: 再液压系统工作过程中会有压力峰值出现,所以液压油路额定压力比工作压力大25%--60% ,因此取泵的额定压力为3.125--4.0,取其额定压力为4。 6.1.2 电机功率的确定 (1) 电机的功率决定了液压泵的输入功率,但是液压泵和油路都会有一定的容积损失和机械损失,因此电机的输出功率必须略大于液压泵的功率,因此液压泵所需要的实际功率为: (6-1) 代入数据: 表6.1 (2)在选定电机的功率时可以根据电机的技术手册进行查找,通过查表得电机的输出功率率为4。 通过以上进行的初步计算,可以对所用电机进行选择取,此次设计的液压系统是一般的液压回路,一般选取三相异步电机,经过删选初步确定电机的一般参数和额定功率如下: 型号: 额定功率:4 满载时转速: 电流: 效率: 85.5% 净重: 45Kg 额定转矩: 电机的安装形式为 型,其参数为: 基座号:112M 极数:4 国际标准基座号: 液压泵为三螺杆泵,其参数如下: 规格: 标定粘度: 10 转速: 2900 压力: 4 流量: 26.6 功率: 4 吸入口直径: mm 25 排出口直径: mm 20 重量: Kg 11 允许吸上线 压力控制阀 压力控制阀的选用原则 压力:控制阀所受到压力不能超过其峰值为了控制阀正常工作。 压力调节范围:系统调节压力应在阀所承受的压力调节范围之内。 流量:通过压力控制阀的实际流量应小于压力控制阀的额定流量。 可以选择直动型压力阀,再根据发的调定压力及流量和相关参数,可以选择DBD式直动式溢流阀,相关参数如下: 型号:DBDS6G10 最低调节压力:5MPa 流量: 40L/min 介质温度: 6.2.2 流量控制阀 流量控制阀的选用原则如下: 压力:系统压力的变化必须不超过额定压力。 流量:通过流量控制阀的流量应小于该阀的额定流量。 单向分流阀的规格和型号如下: 型号: FDL-B10H 公称通径:10mm 公称流量: P,O口 40L/min A,B口 20L/min 连接方式:管式连接 重量:4Kg 分流阀的型号为:FL-B10 其余参数与单向分流阀相同。 6.2.3 方向控制阀 方向控制阀的选用原则如下: 压力:额定压力应大于液压系统的工作时的最大压力。 流量:流经方向控制阀最大流量一般不大于阀的流量。 滑阀机能:滑阀机能之换向阀处于中位时的通路形式。 操纵方式:选择的操纵方式,如手动,电动,液动等。 所选择的换向阀型号及规格如下: 型号:4WE5E5OF 额定流量:15L/min 消耗功率:26KW 电源电压: 工作压力:A.B.P腔 T腔: 重量:1.4Kg 6.3 管路,过滤器,其他辅助元件的选择计算 6.3.1 管路 计算主管路中油管的尺寸。 (1)吸油管尺寸 管路的种类和管内液体的流速决定了油管内径,油管直径d如下: 对吸油管,取 ,本设计中取: (6-2) 代入数据: 取圆整值为: (2)回油管尺寸 回油管尺寸与上述计算过程相同:,取为 代入数据: 取圆整值为: (3)压力油管 压力油管: ,本设计中取为: 代入数据: 取圆整值为: (4)油管壁厚: 升降机系统中的油管采用橡胶软管管道,橡胶软管便于装配,能够缓冲液压系统中的冲击和振动,压力油管采用的橡胶软管其参数如下: 内径: 10mm 外径: 型 17.5-19.7mm 工作压力:型 16 最小弯曲半径:130mm 6.3.2 过滤器的选择 过滤器的选择应考虑以下优点: (1)具有通油能力好,摩擦损失小。 (2)设计要求和工艺要求对过滤精度有很大的影响,由于系统的压力不同,所以过滤精度的要求也有很大差别,系统压力越高,要求液压元件的间隙越小,所以过滤精度要求越高,过滤精度与液压系统压力的关系如下所示 表 6.1 过滤精度与液压系统的压力关系 (3)滤芯应有足够的强度,过滤器的实际压力应小于样本给出的工作压力。 (4)滤芯抗腐蚀性能好,能在规定的温度下长期工作。 根据上述原则,考虑到螺杆泵的流量,选定过滤器为烧结式过滤器,其型号及具体参数如下所示: 型号: 流量: 过滤精度: 接口尺寸: 工作压力: 压力损失: 6.3.3 压力表选择 压力表安装于便于观察的地方。其选择如下: 型号:Y-60 测量范围: 名称:一般弹簧管压力表 致 谢 本次毕业设计论文从选题、设计计算、绘图等过程及论文撰写和修改都是在赖庆辉 老师悉心指导下完成的,感谢他对完成论文过程中给予我的教导和帮助。 此外,也非常感谢在设计完成过程中给予我支持的有关老师和同学。 参考文献 北京:北京理工大学出版社 北京:人民交通出版社 第三版第三卷 第四版第四卷 1983 2001 2002 2003 1998 2001 北京:机械工业出版社 《新编液压工程手册》 《流体传动与控制》 《机械设计手册》 《机械设计手册》 2 黄宏甲、黄谊、王积伟主编 4 张利平、邓钟明主编 《液压与气压传动》 《液压气动系统设计手册》 北京:机械工业出版社 1997 化学工业出版社 化学工业出版社 《液压气动设计手册》 北京:机械工业出版社 8 上海煤矿机械研究所编 《液压传动设计手册》 上海人民出版社 1978 工程机械 2008 (11) 《剪叉式液压升降平台的设计》 机车车辆工艺 1995 (03) 《剪式液压升降台相关参数的确定》

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