采用调速阀的速度换接回路实验装置设计Word下载.docx
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ʋ运动粘度
CT油箱散热系数
Re 管道流动雷诺数
3.2.1确定液压泵类型7
3.2.2原理图设计7
3.3.1液压缸主要尺寸的确定11
3.3.2选择液压泵规格13
3.3.3液压元件的选择14
3.3.4确定管路尺寸15
6.3液压油的选择26
7.1压力损失的验算28
7.2系统温升的验算29
参考文献34
致谢35
1绪论
1.1前言
一台完整的机器一般由三个部分组成：
原动机、传动装置和工作机构。
原动机包括内燃机、电动机等。
工作机构是完成该机器的工作任务所需的直接工作部分。
由于原动机输出的扭矩和转速范围有限，为了适应工作机构的输出扭矩（力）和输出转速（速度）变化范围较宽的要求，以及操纵、控制性能的要求，必须在原动机和工作机构之间设置传动设置。
任何机器上的传动装置都是将能量或动力由原动机向工作机构的传递。
通过各种不同的传动方式使原动机的转动转变为工作机构各种不同的运动形式，如车轮的转动、转台的回转、挖掘机动臂的升降等。
因此，传动装置就是设于原动机和工作机构之间，起传递动力和进行控制作用的装置。
传动的类型有多种，按照传动所采取的机件或工作介质的不同，可分为机械传动、电力传动、气压传动和液体传动等。
（1）机械传动：
通过齿轮、齿条、皮带、链条等机件传递动力和进行控制的一种传动方式。
它是发展最早、应用最为普遍的传动形式。
（2）电力传动：
利用电力设备，通过调节电参数来传递动力和进行控制的一种传动方式。
（3）气压传动：
以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。
（4）液体传动：
以液体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动方式。
按其工作原理
的不同又可分为液力传动和液压传动。
液力传动的工作原理是基于流体力学的动量矩原理，主要是以液体动能来传递动力，故又称为动力式液体传动。
液压传动是基于流体力学的帕斯卡原理，主要是利用液体静压能来传递动力，故也称容积式液体传动或静液传动。
本文阐述了增压回路实验台的设计，主要对工作原理、结构组成、参数计算等发面做了详细的分析与研究，得出一套较为合适的方法来设计实验台。
主要通过查阅相关资料，应用相关公式，从而对油箱进行选择，然后来计算液压站的动力装置，确定电机与泵的安装方式，最后在根据原理图以及各项参数来进行管路与管接头的选择，从而完成整个设计。
论文首先综述了国内外液压技术的研究进展及研究现状、分析课题的研究
背景、阐述课题研究的意义和内容。
然后重点从原理设计、即从各回路的功能分析与选择入手，在选择液压元件，计算其性能好坏，最后在校核温升等指标。
1.2题目背景及研究意义
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。
本课程是机械设计制造及其自动化专业的主要专业基础课和必修课，是在完成《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。
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，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。
1.3课题主要内容
（1）研究采用调速阀的速度换接回路的原理；
（2）设计出合理的、能满足使用要求的两种工进速度换接回路实验装置；
（3）可实现两个调速阀串联、并联换接实验；
（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液压传动综述
2.1液压传动系统的组成
所谓液压传动系统，就是根据机械的生产工艺循环和生产能力的要求，用管路将有关的液压元件合理、有机地连接起来，形成一个整体，用以完成规定的动力传动职能。
图2.1所示的是推土机的液压系统结构件图。
推土机的液压系统由液压泵1、液压缸2、换向阀3、安全阀4、滤油器5及油箱6等组成。
图2.1推土机的液压系统结构件图
1-液压泵；
2-液压缸；
3-换向阀；
4-安全阀；
5-滤油器；
6-油箱
发动机带动液压泵从油箱中吸油，并以较高的压力输出，即液压泵把发动机的机械能转变为液压油的压力能。
液压缸活塞杆的伸缩使推土机铲刀升降，即把液压油的压力能转变为机械能传递给铲刀。
换向阀的作用是控制液流的方向，它共有P、A、B、O四个油口，分别与液压泵、液压缸上下腔及油箱相通。
阀杆有四个操作位置，对应于推土机的四种工作状态。
当阀杆处于中立位置
时，在换向阀内部P口与O口相通，A口与B口被封闭，此时液压泵输出的油液不通过液压缸而直接流回油箱，液压泵卸荷，液压缸活塞保持在一定位置；
当阀杆在位置
时，换向阀内部P口与B口相通，A口与O口相通，液压泵输出的油液经换向阀进入液压缸下腔，液压缸活塞杆缩回，提升铲刀，液压缸上腔的油经换向阀流回油箱；
时，液压泵输出的油液进入液压缸
上腔，使铲刀下降，液压缸下腔的油经换向阀流回油箱；
时，换向阀内部四个口全通，此时铲刀处于浮动状态。
在阀杆处于位置
或
时，如果液压缸活塞杆上升或下降到极限位置，液压缸内的压力便急剧上升，可能造成油管破裂等事故，为此设置了安全阀4，以限制系统内的最高压力。
当系统压力高于某一限定值时，安全阀开启，液压泵出口的油液通过安全阀直接流回油箱。
油箱的作用主要是储存液压油并散热。
滤油器的作用是滤去工作油液中的杂质，以减小对液压元件的磨损。
由上面的例子可以看出，液压传动系统由以下几部分组成。
（1）动力元件——包括各种液压泵。
它们用来将原动机的机械能转换成工作液体的压力能。
（2）执行元件——包括各类液压缸和液压马达。
它们的作用是把工作液体的压力能转变为机械能，推动负载运动。
液压缸完成直线运动，液压马达完成旋转运动。
（3）控制元件——包括各类压力、流量、方向控制阀等。
通过它们控制和调节液压系统中液压油的压力、流量和流向，以保证执行元件所要求的输出力、速度和方向。
（4）辅助元件——包括液压油箱、管路、滤油器、蓄能器、冷却器、加热器、压力表、温度计等。
它们对保证液压系统正常、可靠、稳定的工作是不可缺少的。
（5）工作介质——也称为工作液体，是传递能量的媒介。
它的性质对液压系统的正常工作有直接的重要影响。
2.2液压技术的优缺点
液压传动与其他传动形式相比，有许多独特的优点。
（1）能容量大，即较小重量和尺寸的液压元件，可传递较大的功率。
如液压马达的外形尺寸约为同功率电动机的12%，重量约为同功率电动机的10%~20%。
（2）惯性小，启动、制动迅速，运动平稳，冲击小，换向迅速。
（3）能在运行过程中进行无极调速，调速方便，调速范围较大，可从100:
1至2000:
1。
（4）简化整机结构，减少零件数目，减轻整机重量。
例如，斗容量为1m3的机械式挖掘机，零件总数为1500多件，机重41吨，而相通斗容量的全液压挖掘机，零件总数为700多件，机重23吨。
（5）易于实现低速大扭矩；
易于实现直线往复运动，可以直接驱动工作装置；
各液压元件间用于管道连接，因而安装位置自由度大，易于总体布置。
（6）操纵方便，省力，控制、调节简单，易于实现自动化。
与电气元件相配合，易于实现复杂的控制操作。
（7）由于系统充满油液，对各液压元件有自润滑作用；
又由于液压系统容易实现过载保护，因而有利于延长元件的使用寿命。
（8）易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和维修。
液压传动与其它传动形式相比，也存在着下面一些缺点。
（1）由于存在泄露及油的可压缩性，因而不能用于高精度的定比传动。
（2）由于油的黏度随温度变化，影响传动系统的工作性能，因而不宜在高温或低温下工作。
（3）能量损失较大，因而效率较低。
（4）对油液的污染比较敏感，要求有良好的防护和过滤设施。
（5）液压元件制造精度要求高，造价高。
（6）故障诊断及排除比较困难，要求操作维修人员有较高的专业水平。
2.3液压技术的应用和发展状况
液压与气压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。
虽然从17世纪中叶帕斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制造出世界上第一台水压机算起，已有几百年历史，但液压与气压传动在工业上被广泛采用和有较大幅度的发展却是20世纪中期以后的事情。
近代液压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早时间成功的液压传动装置是舰艇上的炮塔转位器，其后才在机床上应用。
第二次世界大战期间，由于军事工业和装备迫切需要反应迅速、动作准确、输出功率大的液压传动及控制装置，促使液压技术迅速发展。
战后，液压技术很快转入民用工业，在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到了大幅度的应用和发展。
20世纪60年代以后，随着原子能、空间技术、电子技术等方面的发展，液压技术向更广阔的领域渗透，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。
随着液压机械自动化程度的不断提高，液压元件应用数量急剧增加，元件小型化、系统集成化是必然的发展趋势。
特别是近十年来，液压技术与传感技术、微电子技术密切结合，出现了许多诸如电液比例控制阀、数字阀、电液伺服液压缸等机（液）电一体化元器件，使液压技术在高压、高速、大功率、节能高效、低噪声、使用寿命长、高度密集化等方面取得了重大进展。
无疑，液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助试验（CAT）和计算机实时控制也是当前液压技术的发展方向。
人们很早就懂得用空气作工作介质传递动力做功，如利用自然风力推动风车、带动水车提水灌田，近代用于汽车的自动开关门、火车的自动抱闸、采矿用风钻等。
因为空气做工作介质具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射等优点，近年来气动技术的应用领域已从汽车、采矿、钢铁，机械工业等重工业迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等各行各业。
和液压技术一样，当今气动技术亦发展成包含传动、控制与检测在内的自动化技术，作为柔性制造系统（FMS）在包装设备、自动生产线和机器人等方面成为不可缺少的重要手段。
由于工业自动化以及FMS的发展，要求气动技术以提高系统可靠性、降低总成本与电子工业相适应为目标，进行系统控制技术和机电液气综合技术的研究和开发。
显然，气动元件的微型化、节能化、无油化是当前的发展特点，与电子技术相结合产生的自适应元件，如各类比例阀和电气伺服阀，使气动系统从开关控制进入到反馈控制。
计算机的广泛普及与应用为气动技术的发展提供了更广阔的前景。
2.4液压系统设计要求及流程
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。
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：
（1）明确系统的设计；
（2）分析系统工况；
（3）确定主要参数；
（4）拟定液压系统原理图；
（5）选择液压元件；
（6）验算液压系统性能；
（7）绘制工作图编织技术文件。
3速度换接回路液压系统的设计
3.1液压系统的工况分析
采用调速阀的速度换接回路实验装置设计主要是利用电磁换向阀的通电与否，不同位的工作控制不同调速阀的工作状态来实现。
首先，液压油液通过液压泵输出，经由未连接调速阀的油路直接工作给液压缸，实现液压缸快进的工作状态，通过控制电磁换向阀的通电，先使某一个调速阀进行工作，控制液压泵输出后的流量的大小，实现液压缸一工进的任务要求，然后控制不同电磁换向阀的通电，实现液压缸二工进的任务要求。
其中，通过液压回路的设计，实现调速阀之间的串并联要求，以此完成题目中的任务要求。
任务书中给出压力的大小为2.5MPa左右，液压缸的速度为1~3m/min。
3.2原理图的拟定
3.2.1确定液压泵类型
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，而排量较大等优点。
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。
单作用叶片泵转自每转一周，吸、压油各一次，故称为单作用。
这次所设计的实验台要求压力不高，单作用泵可以满足回路要求，故选用单作用叶片泵。
3.2.2原理图的设计
a.二调速阀串联两工进速度换接回路的设计
（1）二调速阀串联的两工进速度换接回路
如图3.1所示为我们教材中常见的二调速阀串联的两工进速度换接回路。
当阀1左位工作且阀3断开时，控制阀2的通断与否，使油路经调速阀A或既经调速阀A后又经调速阀B才能进入液压缸左腔，从而实现第一次工作进给或第二次工作进给。
这里要求调速阀B的开口需要调节的比调速阀A的开口小，
即第二次工进的速度必须比第一次工进的速度低；
此外，第二次工作进给时，油液流经调速阀A后又流过调速阀B，须经过两个调速阀，故液压能量损失较大。
图3.1二调速阀串联的两工进图3.2二调速阀串联的两工进
速度换接回路原有原理图速度换接回路新原理图
（2）新回路的组成与原理
将现有回路图3.1中阀3接在E点的油路略略改动，移接到D点处，即阀3的进、出油口分别接到C、D处，只与调速阀A并联，另外阀2的规格相应加大，而其他部分均无变化。
如图3.1所示，这就是新回路的组成。
图3.2则是新回路图3.2的另一种等效画法。
新回路不但可以完全实现已有回路3.1所要求的动作循环，而且还具有现有回路不具备的一些新的优点，现分析如下（参考图3.3）：
图3.3二调速阀串联的两工进速度换接回路新原理图
1）快进
按下启动按钮，电磁铁1TA通电，三位换向阀1左位接入系统工作；
电磁铁3YA及4YA均不带电，阀2和阀3的右位（常开）接入系统工作；
从油泵来的压力经阀1左位、阀3和阀2的右位进入液压缸左腔；
液压缸右腔的油经阀1回油箱，推动活塞快速右移，实现快进。
2）一工进
电磁铁1YA通电，阀1左位接入系统工作，电磁铁4YA通电、3YA仍不通电，阀3左位、阀2右位接入系统工作；
从油泵来的压力流经流经阀1左位后，流过调速阀A，在流经阀2右位而进入液压缸左腔，液压缸右腔油经阀1回油箱；
活塞推动工作台慢速右移，实现了第一次工作进给，进给量的大小由调速阀A来调节。
3）二工进
电磁铁1YA仍通电，阀1左位仍接入系统工作；
此时电磁铁4YA失电（与已有回路图2.1中通电刚好相反，从而可节约用电）、3YA通电，阀3的右位和阀2的左位接入系统工作；
从油泵来的压力经过阀1左位后，会流过阀3的右位，再流经调速阀B而进入液压缸左腔；
液压缸右腔的油经阀1后回油箱；
活塞推动工作台慢速右移，实现了第二次工作进给，进给量的大小由调速阀B来调节，不受调速阀A通流面积大小的限制。
（现有回路图3.1中，阀B的开度需调的比A小，即二工进速度必须比一工进速度低）。
4）快退
电磁铁1YA失电、2YA通电，阀1的右位接入系统工作；
电磁铁3YA和4YA均失电，阀2和阀3的右位同时接入系统工作。
从油泵来的压力油经阀1右位流入液压缸右腔；
液压缸左腔的油经阀2和阀3的右位后，再流经阀1后位而进入油箱；
活塞带动工作台快速左移，实现了快退。
5）原位停止
工作台快速退回到原位后，工作台上的挡块压下行程开关、发出信号，使电磁铁2YA断电，至此全部电磁铁皆断电，阀1处于中位，液压缸两腔油路均被切断，活塞与工作台原位停止。
此时，油泵经阀1中位卸荷。
综上所述，图3.2和图3.3所示的新回路不但完全可以实现图3.1所示现有回路的所有循环动作，而且还具有现有回路不具备的新特点。
b.二调速阀并联两工进速度换接回路的设计
两个调速阀并联的速度换接回路设计思路与两调速阀串联的原理大同小异，通断电情况、工进情况均相同，原理图如图3.4。
图3.4二调速阀并联的两工进速度换接回路原理图
c.实验原理图的完善
在一个液压站的实验装置设计实验中，要求完成两种工进速度换接回路实验装置的设计，可实现两个调速阀的串联、并联换接实验，原理图如图3.5。
图3.5液压试验原理图
电磁铁动作顺序表如表3.1。
表3.1电磁铁动作顺序表
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
快进
＋
－
一工进
二工进
＋/－
－/＋
快退
停止
3.3液压系统的计算和液压元件的选择
3.3.1液压缸主要尺寸的确定
a.工作压力p的确定
液压缸的工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对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。
由表3.2列出的数据【4】，可选择工作压力为2.5MPa。
表3.2液压设备常用的工作压力
设备类型
机床
农业机械或中型工程机械
液压机、重型机械、起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力
p/（MPa）
0.8~2.0
3~5
2~8
8~10
10~16
20~32
b.计算液压缸内径D和活塞杆直径d。
分析得液压缸所受的外负载：
（3.1）
式中Fw-工作负载，为0；
Ff-导轨摩擦阻力负载：
f为导轨摩擦系数，其中
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