机械毕业设计1096螺旋采样机液压系统的设计说明书.docx
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机械毕业设计1096螺旋采样机液压系统的设计说明书
第一章、绪论
1.1课题背景
螺旋采样机广泛应用于火电厂、焦化厂、钢铁厂等入厂煤采制样及煤矿外销煤的采制样。
经特殊设计，还可用于钢铁厂、冶炼厂、焦化厂等矿石、矿粉和焦炭的采制样。
采样原理均为螺旋钻取式，其采样过程具有自我清洗功能，能避免样品污染。
双螺旋镶有硬质合金刀刃的采样钻头，在采样时以钻削的方式将大块煤或煤矸石钻碎，并经螺旋叶片提升采集。
与短螺旋点采样配套的摆动集样斗，有效地解决了点采样须采一点放一次样的问题，使三点采样时间不大于180秒，实现采三点放一次样的目的。
破碎机采用锤式破碎的结构形式，在破碎机入口处设有旋转和平移刮板，能及时和有效的清理掉机壁上沾附的煤样，该破碎机能为用户提供粒度不大于6mm/13mm的样料。
操作系统设有自动/半自动/手动三种操作方式。
日常操作时，只需按下启动命令，整个采样、制样全过程能自动完成，出现异常情况，自动报警并有手动或自动紧急停车。
操作系统设有自动测距定位系统，以保证采样点合乎国标要求。
可与编码保密系统联网，实现对运输车辆所装运煤炭的矿点、煤种在过磅称重、煤样采取、样品制作、分析化验、计质计量结算的全过程进行保密操作，使得采制样设备应用更加公平、公正。
液压传动的采样机，结构上容易实现标准化，通用化和系列化，便于大批量生产时采用先进的工艺方法和设备。
本设计书所述液压系统是为螺旋采样机配套设计和制造；用于提供螺旋采样机液压马达的工作压力油，液压系统配置有加热器，电磁溢流阀，电磁换向阀，双单向节流阀，双液控单向阀等，可对系统马达工作实现远程控制，对于马达工作速度可以实现无级调速，并且可以实现保压功能。
1.2液压传动的优点和缺点
液压传动系统的主要优点液压传动之所以能得到广泛的应用，是因为它与机械传动、电气传动相比，具有以下主要优点：
1.液压传动是由油路连接，借助油管的连接可以方便灵活的布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。
例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。
由于液压缸的推力很大，且容易布置。
在挖掘机等重型工程机械上已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。
2.液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。
例如相同功率液压马达的体积为电动机的12％～13％。
液压泵和液压马达单位功率的体积目前是发电机和电动机的1／10，可在大范围内实现无级调速。
借助阀或变量泵、变量马达可实现无级调速，调速范围可达1：
2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速3 传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。
因此，金属切削机床中磨床的传动现在几乎都采用液压传动。
液压装置易于实现过载保护，使用安全、可靠，不会因过载而造成主件损坏：
各液压元件能同时自行润滑，因此使用寿命长。
液压传动容易实现自动化。
借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易的实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。
液压元件己实现了标准化、系列化、和通用化，便于设计、制造和推广使用。
液压传动系统的主要缺点：
1液压系统的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使液压传动不能保证严格的传动比：
2液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体勃性变化引起运动特性变化，使工作稳定性受到影响，所以不宜在温度变化很大的环境条件下工作：
3为了减少泄漏以及满足某些性能上的要求，液压元件制造和装配精度要求比较高，加工工艺比较复杂。
液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。
液压系统发生的故障不易检查和排除。
总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。
1.3主要技术参数及要求
最大要求转矩F=7000kN
排量范围1.45L/ｒ
最大转度40r/s
工作压力不超过10MPa
第二章、系统分析与方案设计
2.1液压系统组成及参数
液压系统结构：
本液压系统共有三大组成部分。
一部分（参见装配图YZ1356-1）主要由油箱及其附件和过滤部件组成，二部分（参见装配图YZ1356-1）主要由一个调压及换向阀块部件组成；三部分（参见YZ1356-1）为一组油泵电机部件；整套设备结构设计紧凑，布局合理，操作方便，性能可靠，节约能源，是螺旋采样机理想的配套液压设备。
主要元件型号及参数：
1齿轮泵：
CB-Fc40-1FL
额定压力：
16MPａ
排 量：
40ｍｌ/ｒ
2 主电动机：
Y160L-4-B5
功 率：
11Kｗ
转 速：
1460ｒ/ｍｉｎ
3 液压系统内各发讯触点：
DC24V
4回油滤油器：
RFA-160*10-Y
过滤精度：
10微米
5工作介质：
抗磨液压油YB-N46
工作介质污染度等级:
NAS1638 9级
6 油箱容积：
400L
液压系统工作压力范围：
10Mpa
2.2液压系统的几种控制方式
液压系统的压力调节及控制：
（参见液压原理图YZ-0-101）
1.本液压控制系统由一台齿轮泵组提供压力油源。
在设备初次调试前，请检查液压系统的溢流阀、各节流阀的手柄，确定都处于松开状态，确定油箱内已加满液压油；拆下电机的防护罩，按顺时针方向手动盘车20～30圈，排尽油泵吸油区的空气，装上防护罩；点动主油泵电机，确定电机旋转方向正确。
2.油泵的压力调试：
首先松开电磁溢流阀（序号11）调压手柄，让电磁铁YV1得电,YV2,YV3,失电，启动电机，空载运行数分钟确定无异常后，让电磁铁YV1失电，逐级调节电磁溢流阀（序号11）调压手柄，打开压力表开关（序号8），压力表（序号9）显示压力值至10MPa，此时油泵声音正常，无异常噪音，压力值稳定，这样即完成油泵压力的调节。
3.油箱内液体的温度及控制：
（参见原理图YZ-0-101）
当系统油箱油温低于20℃时候，需要开启加热器；当油温高于40℃时候，停止加热器。
4.油箱内液位控制：
（参见原理图YZ-0-101）
油箱配备了可目测的液位计，用户随时可以直接的观察油箱液位的变化，出现漏油或者液位降低，需要及时的补充液压油液。
5.油箱内液体清洁度控制：
（参见原理图YZ-0-101）
当管路回油过滤器（序号4）SP1进出口压力差上升到0.35MPa时（显示过滤器的滤芯已堵塞），滤油器报警装置触点闭合并发讯，启动声光报警并停泵，提醒人工更换滤油器或更换和清洗滤芯。
2.3系统控制回路原理图的初步拟定
经过上面的的系统分析，初步拟定液压系统控制回路如图2.2所示
图2.1液压系统控制回路
图中P为压力油路，T为回油路，A,B为液控单向阀控制油路
第三章、系统的计算与选型
3.1柱塞马达的计算
3.1.1柱塞马达工况及要求
柱塞马达最大输出转矩F=7000N
液压缸最大工作压力
马达排量
马达转速
3.1.2液压马达计算
q
=n
式中V-------液压马达排量
n--------液压马达的转速
3.1.3进入液压马达最大流量的计算
进入液压马达最大流量
=q
=58.4
3.1.41QJM柱塞马达的结构示意
图3.11QJM柱塞马达结构示意图
1QJM柱塞马达的结构如图3.1所示。
主要零件有：
壳体，缸体，输出轴，柱塞，滚轮组，配流轴等。
马达的缸体上径向开有Z个柱塞孔（图中Z=8）。
每个柱塞孔内安放一个柱塞。
柱塞的顶部为球面，与滚轮组一起组成柱塞组件。
每个柱塞孔的底部开有配流窗口。
若变换马达的进排油口，则缸体将反向旋转。
除轴旋转的结构外，若固定缸体与轴，则马达通油后，壳体与配流轴一起旋转，此时多作车轮马达用。
3.2控制回路的计算及选型
3.2.1叠加式单向节流阀的选型
叠加式单向节流阀工况及要求为：
最大工作压力10MPa；最大流量58.4L/min；稳定工作时，叠加式单向节流阀通过改变节流口断面大小来调节油路流量，实现流量控制。
在反向时，油流直接通过单向阀回油。
选用不同安装位置可实现进口节流或出口节流。
故选用Z2FS10-20B型叠加式单向节流阀，压力至35Mpa流量至60L/min，介质温度范围：
-20～+70℃，介质粘度范围：
2.8～380mm2/s。
图3.2叠加式单向节流阀
该阀是叠加式设计成对节流单向阀。
该阀用于限制来自一个或二个工作油口的主流量或控制流量。
两个对称设置的节流单向阀在一个方向上限定流量（通过调整节流阀芯）在相反方向上允许自由流动。
用于进口节流控制时，油液从油口A流经节流口
（1）到达工作油口，节流阀芯（4.1）可借助于设定螺钉（5）进行轴向调整，从而可以设定节流口
（1）。
同时，在油路A中的油液通过节流（4.1）流经油孔
（2）到达弹簧加截侧，存在的压力与弹簧力共同作用使节流阀（4.1）保持在节流位置。
油液从执行器回流推动节流阀芯（4.2），允许油液自由流经阀。
此时阀作为单向阀工作。
1.主流量限制
成对单向节流阀是为了改变执行器的速度。
安装于方向阀和底板之间的（主流量限制）。
2.控制流量限制
在液控方向阀的情况下，成对节流单向阀用于液控阻尼调整，在此情况下，它被安装于主阀和控制阀之间。
Z2FS10型叠加式单向节流阀外形尺寸如下：
图3.3Z2FS10型叠加式单向节流阀
3.2.2叠加式液控单向阀的选择
图3.4叠加式液控单向阀
叠加式液控单向阀它可用于关闭一个或两个工作油口，无泄漏持续时间长，稳定性好。
油液从A到A1或B到B1自由流通，反向则被截止。
如果油流通过阀，例如从A到A1，压力油作用在阀芯上，阀芯则向右远动并推动钢球离开阀座。
单向阀被控制油打开时，油可从B1到B流通，压力在B1腔卸荷[1]。
单向阀全部开启，为保证两个主单向阀在换向中位时能可靠的关闭，阀的A,B口与回油路连接。
通过叠加式液控单向阀的最大流量为58.4L/min，叠加式液控单向阀的最高工作压力为10MPa。
选择叠加式液控单向阀型号为Z2S10-1-20B，其主要技术参数为：
最高工作压力31.5MPa；最大流量120L/min；直通式；开启压力0.6MPa；控制压力范围0.6~31.5MPa.。
3.2.3换向阀的选择
电磁换向阀的主要作用是通过切换液控单向阀控制口与控制油路或泄漏油路的通断来控制液控单向阀的开闭[1]。
其最大工作压力为10MPa稳定工作时系统流量很小，故卸荷时流量较小；电磁溢流阀采用管式连接。
由此选择三位四通电磁换向阀型号为4WE10J31B/CG24NZ5L，其主要技术参数为：
通径10mm；工作压力31.5MPa；额定流量60L/min；其三位四通滑阀机能如图3.5所示
图3.5三位四通电磁换向阀
A）结构图B）详细图形符号C）简化图形符号
P接进油油路，A和B接控制油路，T接回油油路
3.3电机泵组及其阀块的计算选型
3.3.1液压泵的选择
（1）供油压力的计算
有供油压力[2]
3.1
稳定工作时，液压马达有最大工作力，通过伺服阀的流量很小，即伺服阀的压降很小，考虑伺服阀、液控单向阀压降及管路损失，取
，则供油压力为
3.2
（2）液压泵工作压力的计算
考虑到泵出口过滤器、单向阀的压降，及泵出口到电磁溢流阀阀块管路的压力损失，取泵出口压力为9.8MPa。
考虑液压泵的压力储备，可取液压泵的工作压力为10MPa。
（3）液压泵最大输出流量的计算
工作稳定时，柱塞马达达到最大转动速度，则柱塞马达所需要的最大流量为[3]
3.3
考虑到系统工作时需要的流量不大，选1台电机泵组同时工作向系统供油，则电机泵组应向系统提供的最大流量为
3.4
（4）液压泵的选择
稳定工作时要求系统压力保持稳定，故选择恒压式定量泵；在根据上面计算出来的压力和流量选择齿轮泵，型号为CB-FC40，其主要技术参数为：
最大排量40mL；额定压力16MPa；转速2000r/min；恒压定量。
液压泵的最大输出功率为
3.5
取液压泵容积效率
，机械效率
；则液压泵的输入功率
3.6
3.3.2电动机的选择
液压泵所要求的输入功率Ni=9.82kW，转速2000r/min，据此选择电动机型号[4]为Y160M-4-B5型三相异步电动机。
其主要技术参数为：
额定功率11kW；满载时转速1460r/min；效率93.8%。
3.3.3电机泵组的验算
电动机的最大输出功率
11×93.8%=10.23>Ni3.7
故电动机可以驱动液压泵。
液压泵所能提供的最大流量
3.8
故液压泵能提供系统所需的最大流量。
所以电机泵组的选择能满足系统的需求。
3.3.4泵出口处电磁溢流阀的选择
定压溢流作用：
在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。
当系统压力增大时，会使流量需求减小。
此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。
安全保护作用：
系统正常工作时，阀门关闭。
只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10％～20％）。
溢流阀的调定压力位10MPa；据此选择电磁溢流阀型号为DBW10A1-50B/200-6CG24NZ5L，常闭式，其主要技术参数为：
通径10mm；最高设定压力10MPa；最大流量200L/min；管式连接；内控内排。
图3.6DBW型先导式溢流阀结构图
溢流阀旁边接液压泵的出口，用过来保证液压系统即泵的出口压力恒定或限制系统压力的最大值。
前者称为定压阀，主要用于定量泵的进油和回油节流调速系统；后者称为安全阀，对系统起保护作用，有时也旁接在执行元件的进口，限制执行元件的最高压力。
电磁溢流阀除完成溢流阀功能外，还可以在执行元件不工作时使液压泵卸载。
3.3.5进油过滤器的选择
过滤器的功用就是滤去油液中的杂质，维护油液的清洁，防止油液的污染，保证液压系统的正常工作。
此处应安装进油过滤器，主要作用是在油液进入系统之前对其进行过滤。
选择过滤器应该从如下几个方面进行考虑：
（1）根据使用目的（用途）选择过滤器的种类，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。
（2）过滤器应具有足够大的通油能力，并且压力损失要小。
（3）过滤精度应当满足液压系统或元件所需清洁度要求。
（4）滤芯使用的滤材应当满足所使用工作介质的要求，并且有足够的强度。
（5）过滤器的强度及压力损失是选择时需要重点考虑的对象，安装过滤器后会对系统造成局部压降或产生背压。
（6）滤芯的更换及清洗应方便。
（7）应根据系统需要考虑选择合适的滤芯保护附件（如带旁通阀的定压开启装置及滤芯污染情况指示器或信号器等）。
（8）结构尽量简单、紧凑、安装形式合理。
（9）价格低廉。
综合以上各因素以及设计的技术要求（系统清洁度为NAS16389级）而网式过滤器一般安装在液压泵吸油管端部，起保护泵的作用，具有结构简单，通油能力大，阻力小，易清洗等有点，且系统对油液清洁度要求较高，此过滤器的过滤精度应为80μm；过滤器最高工作压力10MPa；最大流量58.4L/min。
据此选择高压过滤器型号为WU-160×80-J，其主要技术参数为：
通径40mm；公称流量160L/min；过滤精度80μm；板式连接；压力损失小于0.01MPa。
图3.7吸油口过滤器示意图
A接油箱B接液压泵
3.3.6单向阀的选择
此处单向阀的主要作用是防止油液的倒流并且正向液流通过压力损失小，反向截止时密封性能好；其最高工作压力为10MPa；最大流量为58.4L/min。
据此选择单向阀型号为S15A12.0B/，其主要技术参数为：
通径15mm；最大工作压力31.5MPa；开启压力0.05MPa；管事连接；最大允许流量65L/min时的压力损失约为0.05MPa。
如图示下：
图3.8单向阀
单向阀有阀体，阀心和弹簧等零件组成，阀的连接形式为螺纹管式连接，阀体左端油口为进油，右端油口为出油。
当进口来油时，压力油作用在阀心左端，克服右端弹簧力使阀心右移，阀心锥面离开阀座，阀口开启，油液经阀口，阀心上的径向孔和轴向孔，从右端出口流出。
若油液反向，由右端油口进入，则压力油与弹簧同向作用
，将阀心锥面紧压在阀座孔上，阀口关闭，油液被截止不能通过。
在这里，弹簧力很小，仅起复位作用，因此正向开启压力只需0.05MPa；反向截止时，因锥阀阀心与阀座孔为线密封，且密封力随压力增高而增大，因此密封性能良好。
3.4油箱的容量的计算及其附件的选择
3.4.1油箱容量的计算
系统最大流量为58.4L/min，液压系统油箱容量通常为系统每分钟最大流量的6-10倍,本系统中取6.8倍[3]；则油箱容量为
58.4×7=397.12L3.9
考虑到油箱的散热，圆整取油箱容积为400L。
矩形油箱三边尺寸比在1：
1：
1至1：
2：
3之间[3],由此取矩形油箱的尺寸为：
长度a=1m
高度h=0.8m
宽度b=0.49m
油箱的有效容积V0=0.8·V=0.8×400=320L
油箱内液面最大高度h0=0.8·h=0.8×0.8=0.64m
3.4.2液位计的选择
油箱内液面最大高度为0.64m。
据此选择液位计型号为YWZ-250TA，其主要技术参数为：
工作温度为-20至80摄氏度，液位计连接法兰距离300mm；液位控制点数为3；液位控制指示器电压24V。
3.4.3空气过滤器的选择
空气过滤器的进入油箱空气的最大流量与系统最大流量相同，即
3.10
据此选择空气过滤器型号为QUQ2-10×1.0，其主要技术参数为：
过滤精度10μm；空气流量1m3/min。
3.4.4加热器的计算选型
加热器发热功率计算公式[3]如式3.4所示
3.11
式中N为加热器的发热能力（W）；
C为油的比热，取C=1680J/（kg·℃）；
r为油的密度，r=900kg/m3；
V为油箱内油液的体积，V=320L
为油加热后的温升（℃），设油温为20℃时加热器开始工作，油温超过
25℃时，加热器停止工作；即加热后油液温升为5℃；
T为加热时间（s），设加热时间为3600s。
代入数据至式3.4，有
3.12
电加热器的功率
3.13
取加热器效率
为0.8，代入电加热器功率
3.14
根据计算结果选择电加热器型号为GYY2-220/1，数量1个,其主要技术参数为：
功率1kW；额定电压220V。
3.4.8回油过滤器的选择
回油过滤器的功能是清除液压系统工作介质中的固体污染物，使工作介质保持清洁，延长元器件的使用寿命、保证液压元件性能可靠。
液压系统故障的75％左右是由介质的污染物所造成的。
因此过滤器对液压系统来说是不可缺少的重要辅件。
选择过滤器应该从如下几个方面进行考虑：
（1）根据使用目的（用途）选择过滤器的种类，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。
（2）过滤器应具有足够大的通油能力，并且压力损失要小。
（3）过滤精度应当满足液压系统或元件所需清洁度要求。
（4）滤芯使用的滤材应当满足所使用工作介质的要求，并且有足够的强度。
（5）过滤器的强度及压力损失是选择时需要重点考虑的对象，安装过滤器后会对系统造成局部压降或产生背压。
（6）滤芯的更换及清洗应方便。
（7）应根据系统需要考虑选择合适的滤芯保护附件（如带旁通阀的定压开启装置及滤芯污染情况指示器或信号器等）。
（8）结构尽量简单、紧凑、安装形式合理。
（9）价格低廉。
回油过滤器的通过流量为56L/min，回油过滤器安装在油箱附近的地面上。
据此选择微型回油过滤器，型号为RFA-160
10-Y，其主要技术参数为：
公称流量160L/min；额定压力1.6MPa；过滤精度10μm；螺纹连接；带CYB-1型发信号器
。
3.5液压工作介质的选择
本设计中液压介质工作环境恶劣，属于高温高压的应用场合，所以应选择耐磨性较好的液压油。
选择N46号耐磨型液压油，牌号为L-HM32，其主要技术参数为：
密度850-960kg/m3；运动粘度28.8-35.2mm2/s；比热容1.68CkJ/（kg·℃）。
3.6管路的计算
3.6.1管路内径的计算公式
管子内径[3]计算公式为
3.15上式中
为通过管路的流量，L/min
v为流体在管路的流速，m3/s
3.6.2液压泵吸油管路的计算
液压泵最大输出流量为58.4L/min；吸油管路流速一般小于1~2m/s，此处取
；则液压泵吸油管路内径
3.16
圆整取钢管公称通径为34mm,吸油管路油液压力很小，可取钢管外径为42mm，即钢管壁厚为4m[3]。
3.6.3系统压油管路的计算
用过压油管路流量为58.4L/min；压油管路流速
，系统压力不高，故压油管流速可取较小值，取3m/s；则压油管路内径
3.17
压油管路油液压力较大，管子壁厚要较大，圆整取钢管公称[3]通径为22mm外径为26mm,则壁厚为3mm。
3.6.4回油管路的计算
通过回油管路的流量为58.4L/min；回油管路流速
，取
；则回油管路内径
3.18
圆整取钢管内径[3]为28mm，外径为34mm，壁厚为3mm。
3.6.5泵出口软管的计算
软管内油液流量为58.4L/min；软管内油液为高压油，取油液在软管内的流速为3m/s；则软管内径为
3.19
取胶管内径[3]为22mm，胶管外径为26mm，钢丝层数为1层，最小曲率半径为190mm。
3.6.6其它管路的内径壁厚计算
用上述相同的方法可计算出液压系统其它管路的内、外径[3]，如表3.1所示
管路名称
管路内径/mm
管路外径/mm
管路壁厚/mm
系统泄漏管路
14
18
2
最小曲率半径为100mm
表3.1管路的内、外径及其壁厚
3.7其它液压辅助元件的选择
3.7.1压力表的选择
系统中压力表主要安装在阀架上，起显示系统压力的作用，压力表的安装应便于工作人员的观察。
选择压力表型号为YN-60，其主要技术参数为：
压力表直径60mm；测量范围0-40MPa。
3.7.2压力表开关的选择
压力表开关是小型的截止阀或节流阀，用来切断压力表和油路的连接或调节开口度大小。
它是有阻尼作用可减轻压力表急剧跳动，防止损坏，也可当作一般小流量的截止阀或节流阀使用。
选择压力表开关型号为KF-L8/M14E，其主要技术参数为：
进油接口螺纹M14×1.5；压力表接螺纹M14×1.5；压力等级35MPa；通径8mm。
第四章、液压系统的性能验算
4.1液压系统压力损失
压力损失[2]包括管路的沿程损失△p1，管路的局部压力损失△p2和阀类元件的局部损失△p3，总的压力损失为
△p=△p1+△p2+△p3
4.1
式中l----管道的长度（m）；
d----管道内径（m）；
v----液流平
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