采用单向顺序阀的平衡回路实验装置的设计.docx
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采用单向顺序阀的平衡回路实验装置的设计
摘要
随着科学技术的不断发展，液压传动作为一种可以传递动力和控制的传动方式，已经日益广泛应用到医疗、科技、军事、工业自动化生产、起重、运输、矿山、建筑、航空等各个领域。
液压基本回路是液压传动系统的有机组成部分，它指的是能实现某种特定功能的液压元件的组合。
任何液压系统都是由一些基本回路组成的[1]。
本文对采用单向顺序阀的平衡回路实验装置的设计进行了详细的介绍。
首先，分析了平衡回路的原理，在此基础上，总结出此次设计采用单向顺序阀平衡回路的系统原理图；其次，根据液压传动相关理论进行数据计算，选择合适的液压元件，阐述了实验台、油箱、液压站动力装置的设计及管路与管接头的选择；最后，对本次设计的实验台装置进行性能验算，主要包括压力损失验算和系统温升校核。
进而完成整个实验装置的所有设计。
关键词：
液压；液压基本回路；平衡回路；实验台
Usingaone-wayvalvesequenceinbalancecircuitofexperimentdevicedesign
Abstract
Alongwiththescienceandtechnologydevelopment,thehydraulictransmissiontookasawayofthattransmitthepowerandthecontroltypeofdrive,alreadywidelyappliedinmedical,technical,themilitary,theindustrialautomationproduction,liftsheavyobjects,thetransportation,themine,thebuilding,theaviationandsoon.Thehydraulicpressurebasiccircuitisthehydraulicsystemorganicconstituent,andthatisreferscanrealizesomekindofstipulationfunctionhydraulicpressurepartcombination.Allofthehydraulicsystemiscomposedbysomebasiccircuit.
Thisarticlecarriedoutadetailedanalysisofthedesignationaboutusingaone-wayvalvesequenceinbalancecircuitofexperimentdevicedesign.Firstofall,thispaperanalyzesthebalancecircuittheory,onthisbasis,summarizedtheusingaone-wayvalvesequenceinbalancecircuitschematicdiagram;Secondly,accordingtothehydraulictransmissionrelatedtheoryfordatacalculation,selecttheappropriatehydrauliccomponents.thispaperexpoundsthelaboratoryfurniture,fueltanks,hydraulicstationofpowerplantdesignandtheselectionofpipelineandpipejoint;Finally,onthedesignofexperimentaldeviceforperformanceevaluation,mainlyincludingthepressurelosscalculationofthesystemcheckthesystem'stemperaturerise.ThenIcompletedalloftheexperimentdevicedesign.
KeyWords：
Hydraulicpressure；Hydraulicpressurebasiccircuit；balancecircuit；laboratorystage
1绪论
1.1前言
液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。
现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术[2]。
液压传动由于其具有传动功率大、易于实现无级调速等优点，使得其在各类机械设备中得到了广泛的应用。
本文首先概述了国内外液压技术的研究进展及研究现状，分析了课题的研究背景、阐述课题研究的意义和内容。
论文阐述了平衡回路实验装置的设计，主要对回路的工作原理、实验台结构组成、参数计算等方面做了详细的分析与研究。
通过查阅相关资料，应用相关公式，对液压元件、油箱等进行了选择，并完成液压站的设计，根据原理图以及各项参数来进行管路及管接头的选择，最终确定装置总的结构。
最后计算其性能的好坏并进行温升校核等各项指标。
1.2题目背景
液压传动由于其具有传动功率大、易于实现无级调速等优点，使得其在各类机械设备中得到了广泛的应用。
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。
液压传动技术应用领域几乎遍及国民经济各工业部门。
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。
在整个液压系统中，液压基本回路起着至关重要的作用，决定着能否实现预期所需的要求。
因此，此次设计液压回路实验台装置供实验使用，对满足实验教学需要及熟悉液压基本回路进一步实现机电一体化有着非常重要的意义。
1.3研究意义
本次毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学生在完成《机械设计》、《液压与气压传动》等课程理论教学以后所进行的重要的实践教学环节。
本课题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践知识，进行液压基本回路实验装置的设计，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、为在将来选用和设计液压传动及进一步创新发展奠定基础。
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。
通过液压传动装置的设计，可以使学生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，是对大家知识面的考核，并且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、水平有了一定的提高。
尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求[3]。
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生。
要实现主动维护技术必须要加强液压系统故障诊断方法的研究，当前凭有经验的维修技术人员的感官和经验，通过看、听、触、测等判断找故障已不适于现代工业向大型化、连续化和现代化方向发展，必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的研究，要总结专家的知识，建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机，根据输入的现象和知识库中知识，用推理机中存在的推理方法，推算出引出故障的原因，提高维修方案和预防措施。
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。
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。
c.机电一体化电子技术和液压传动技术相结合，使传统的液压传动与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。
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、惯性小、响应快等优点。
（1）液压行业：
液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、低振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感器等高新技术。
液力耦合器向高速大功率和集成化的液力传动装置发展，开发水介质调速型液力耦合器和向汽车应用领域发展，开发液力减速器，提高产品可靠性和平均无故障工作时间；液力变矩器要开发大功率的产品，提高零部件的制造工艺技术，提高可靠性，推广计算机辅助技术，开发液力变矩器与动力换档变速箱配套使用技术；液粘调速离合器应提高产品质量，形成批量，向大功率和高转速方向发展。
（2）气动行业：
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。
1.5本文主要研究内容
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。
平衡回路在工程机械、起重机械以及一些具有垂直运动部件的场合得到广泛应用，它对于保证液压系统的安全性等方面起到了重要作用[4]。
本文设计的是采用单向顺序阀平衡回路的实验台装置，研究的工作有：
a.外文翻译：
选择相关的外文文献并进行翻译。
b.原理分析：
采用单向顺序阀的平衡回路的原理分析与设计。
c.设计实验装置：
设计出合理的、能满足使用要求的平衡回路实验装置。
d.采用液压缸加载：
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）换成水平放置的液压缸，形成负负载来实现液压缸加载。
e.绘制工作图并编制技术文件：
包括液压系统原理图，液压传动装置装配图，主要零件的零件图，设计说明书等。
f.计算并选择液压元件型号：
计算液压缸的主要尺寸以及所需要的压力和流量；计算液压泵的工作压力、流量和传动功率；选择液压泵和电动机的类型和规格；选择阀类元件和辅助元件的规格。
g.液压系统的验算：
压力损失验算及系统温升校核，说明设计的合理、可行性。
2液压系统设计分析
2.1液压系统的组成
液压系统主要由以下五个主要部分来组成：
（1）能源装置：
液压泵。
它将动力部分（电动机等）所输出的机械能转换成流体压力能，给系统提供压力油液。
（2）执行元件：
液压机（液压缸、液压马达）。
将流体压力能转换成机械能输出，推动负载做功。
（3）控制元件：
液压控制阀。
通过它们的控制和调节，使液流的压力、流量和方向得以改变，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。
压力控制阀又分为溢流阀（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、调速阀、分流集流阀等；方向控制阀分为单向阀、换向阀。
（4）辅助元件：
油箱、管件、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等。
通过这些元件把系统连接起来，来实现各种工作的循环。
（5）工作介质：
液压油。
绝大多数液压油采用矿物油，用它来进行能量和信息的传递。
2.2液压系统设计的要求及步骤
2.2.1液压系统设计要求
通常所说的液压系统设计，都是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，二者往往同时进行。
所设计的液压系统首先应满足主机的拖动、循环工作的要求，其次还必须符合结构组成简单、体积小、重量轻、工作安全可靠、经济实用性等方面的要求。
2.2.2液压系统设计步骤
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、液压站的设计）。
液压站具有外形整齐、美观大方，便于装配维护和电液信号的采集，隔离了振动、发热对主机的影响等诸多突出优点，在现代机床及其它工业生产设备中被广泛采用。
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，后续设计时必须给予足够重视。
液压系统的设计具体的流程包括：
明确系统的设计、分析系统工况、确定主要参数、拟定液压系统原理图、选择液压元件、验算液压系统性能、绘制工作图编制技术文件。
2.3系统工况分析
负载分析和运动分析统称为液压系统的工况分析，它是确定液压系统主要参数的基本依据。
工况分析就是分析每个液压元件在各自工作循环中的负载和速度随时间（或位移）的变化规律，并用负载循环图和运动循环图加以表示，以便了解运动过程的本质。
对于此题目设计的实验台装置运动动作较为简单，这两种图均可省略。
此题涉及到的液压执行元件的外负载包括工作负载、摩擦负载、惯性负载三类，其中摩擦负载、惯性负载在此可忽略不计，故液压缸的外负载即为工作负载。
其中的工作负载为负负载（与运动方向相同而助长运动的负载）。
此装置机构最终是要在实验室里使用，根据原理等分析可定义其系统的最高工作压为2.2MPa、外负载为F=3000N、回路动作速度范围1~3m/min。
2.4系统方案确定
a.确定供油方式及动力系统此次设计的装置在实验室为观察现象而使用，速度一般较低，从节省能量，减少发热等方面考虑，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.执行机构执行机构多而复杂，此次设计仅为观察平衡回路现象变化，故可以选择简单的单作用活塞杆液压缸。
c.压力等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与退。
d.能源装置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，排量大等优点。
在工程机械、船舶、压铸和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，尖部紧贴在定子内圆上。
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。
双作用叶片泵转子旋转一周，叶片在转子叶片槽内滑动两次，完成两次吸油和两次压油，双作用叶片泵可用作定量泵。
定量泵可以满足回路要求，故泵可选用双作用叶片泵。
2.5平衡回路实验装置功能原理设计
2.5.1平衡回路概述
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。
平衡回路在工程机械、起重机械以及一些具有垂直运动部件的场合得到广泛应用。
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[5]。
2.5.2单向顺序阀平衡回路分析
顺序阀与单向阀组合成单向顺序阀起到平衡阀的作用。
顺序阀和平衡阀都属于压力阀，用于控制和调节系统的压力，是基于阀芯上液压力和弹簧力相平衡的原理进行工作的。
顺序阀的主要作用是以压力作为控制信号，在一定的控制压力作用下自动接通或切断油路；平衡阀是为了防止重物自由下落（即通常所说的负负载）时超速而保持一定背压的压力控制阀。
顺序阀与单向阀组合起来用于平衡重物下行，即起平衡阀的作用。
单向顺序阀平衡回路的主要缺点是：
由于顺序阀和换向阀不可避免地产生泄漏，活塞和与之相连的工作部件会因为顺序阀和换向阀的泄漏而缓慢下落。
它主要是根据普通顺序阀的特点进行分析的。
这样的顺序阀平衡回路不宜使用在保证重物准确停止并保持的系统中，一般可用在停止要求不严格，保持时间不长，或者在运动时需要有一定背压使下降运动平稳的场合[6]。
2.5.3单向顺序阀的平衡回路原理图拟定
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。
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）换成水平放置的液压缸，即在工作缸右端增加一个支路作为负载，形成负负载来实现加载。
单向顺序阀设计的平衡回路原理图如下图2.1所示。
具体过程为：
调整单向顺序阀5、6，使其开启压力与工作缸7右腔面积稍大于负载缸所提供的流量。
换向阀4接左位1YA、3YA得电，在负载拉力作用下活塞右移，回油路上就存在一定的背压，只要将这个背压调得与右边调压阀压力相当，活塞就可以平稳运行，系统速度不会过大或过小，不会影响工作的平稳性。
当换向阀处于中位时，单向顺序阀5、6关闭，工作缸活塞就停止运动，不在继续右移，泵3通过阀4中位卸载。
换向阀接右位时，工作缸7活塞左移，2YA得电。
图2.1单向顺序阀的平衡回路原理图
1-滤油器，2-先导型溢流阀，3-油泵，4-M型三位四通换向阀，5-顺序阀（内控外泄），
6-单向阀，7-工作缸，8-两杆连接部分，9-加载缸，10-换向阀，11-减压阀，12-油箱。
3液压系统参数设计及元件选型
3.1液压缸设计
液压缸结构简单，工作可靠，应用广泛，种类繁多。
根据结构特点分为活塞式、柱塞式、回转式三大类；根据作用方式分为单作用式和双作用式，前者只有一个方向由液压缸驱动，反向运动则由弹簧力或重力完成，后者两个方向的运动均由液压实现。
从本次设计的要求分析，由于不需要太大的作用力，此处选择活塞式即可满足要求。
而活塞式又分为双作用单活塞杆式液压缸和双作用双活塞杆式液压缸，对于此回路，选双作用单活塞杆式液压缸。
3.1.1液压缸工作压力
a.系统设计压力的预选液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。
本装置为实验装置，工况时载荷不大，预选系统工作压力Pp=2.2MPa。
b.缸的工作压力液压缸的工作压力P1，初算时可取系统工作压力，故P1=2.2MPa。
3.1.2液压缸主要结构尺寸
a.液压缸内径D和活塞杆d的确定由于选用的液压缸为单活塞杆液压缸，故可分析图3.1
图3.1液压缸计算示意图
可知，计算时应用以下公式
（3.1）
（3.2）
（3.3）
由以上三个式子得出内径D为
（3.4）
上式中
P1—液压缸的工作腔压力P1=2.2MPa；
P2―液压缸的回油腔压力（背压力），背压的经验选取：
由于此设计为简单的低压系统，故取值范围为0.2~0.5MPa，此处可取P2=0.4MPa；
A1―工作缸无杆腔的有效面积；
A2―工作缸有杆腔的有效面积；
D―液压缸内径（或活塞直径）；
d―活塞杆直径，杆径比d/D一般按表3.1选取，此处取0.56；
F—液压缸的最大外负载，取F=3000N；
—液压缸的机械效率，一般取0.9~0.97，此处选取
=0.9；
由以上数据计算得出：
D=47.9mm，圆整后，查相关资料，得到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。
液压缸内径D=50mm、活塞杆直径d=28mm。
表3.1液压缸内径D与活塞杆直径d的关系
按机床类型选取d/D
按液压缸工作压力选取d/D
机床类别
d/D
工作压力p/（MPa）
d/D
磨床及研磨机床
0.2~0.3
≤2
0.2~0.3
插床、拉床、刨床
0.5
>2~5
0.5~0.58
钻、镗、车、铣床
0.7
>5~7
0.62~0.70
其他
—
>7
0.7
对于选定后液压缸内径D，必须进行最小稳定速度的验算。
要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须保证大于最小稳定速度的最小有效面积Amin，即A>Amin，Amin=qmin/vmin，其中qmin为流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得；Vmin=1m/min为液压缸的最低工作速度，此次设计要求的速度范围为1~3m/min，故vmin取1m/min，即vmin为每秒六十分之一米[7]。
如果液压缸节流腔的有效工作面积A不大于计算所得的最小有效面积Amin，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸的内径，以满足速度稳定的要求。
b.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。
液压缸的壁厚通常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。
一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
本设计液压缸采用无缝钢管，即属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式3.5计算
（3.5）
式中
—液压缸壁厚（m）；
D—液压缸内径（m）；
Py—试验压力，一般取最大工作压力的（1.25～1.5）倍（MPa）；
—缸筒材料的许用应力；此设计的缸体选用高强度铸铁HT200，则此时许用应力
=60MPa。
在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在安装变形等问题引起液压缸工作过程卡死或漏油。
因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
对于此设计即为低压系统，故可选液压缸壁厚
。
液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径D1≥D+2
，式中D1值应按无缝钢管标准，或按有关标准圆整为标准值。
估计算出可取液压缸外径D1=148mm。
c.液压缸工作行程的确定由于此次设计的是实验台装置，故活塞杆外部一般不受外力，活塞杆的运动动作只是为了便于观察，参考活塞杆移动速度1m/min及表3.2，选取液压缸工作行程L=200mm。
表3.2液压缸活塞行程系列（GB/T2349-1980）（mm）
50
80
100
125
160
200
250
320
活塞理论动作时间为T=L/V=12（s）。
液压缸动作时间过于太长，浪费资源，时间太短则不利于观察实验现象，此时间相对比较合理。
d.缸盖厚度的确定此
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