25基于帕斯卡原理的重力液压自开关式门Word格式文档下载.docx

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下面是我们模型的流图：

图1工作原理图

附注：

1-外作用式单杆活塞液压缸2-液控单向阀3-减压阀

4-液动换向阀（三位五通）5-换向阀（三位六通）6-换向阀（三位六通）

7-溢流阀8-水箱19-右踏板10-水箱211-左踏板

12-水箱313-溢流阀14-减压阀15-液控单向阀

拟研究的内容

本作品针对重力液压自开关式门禁系统的设计主要研究了以下几个方面的内容：

1）门运动的稳定：

利用减压阀的减压稳压作用来实现对瞬间高压的控制，使得门能够稳定运行；

2）过载的保护：

通过计算开门的最小压力来购买溢流阀的调定压力，利用溢流阀作为安全阀来防止过载与油路堵塞；

3）门内外的控制：

利用手动换向阀的换向作用并且结合杠杆原理设计了门内外的选通开关来实现门内外踏板的作用切换；

4）门的防回：

利用两个液控单向阀的互锁来实现对门的锁定，防止门回滑。

主要涉及液压传动技术与相关的机构设计。

预期取得的成果

撰写设计说明书一份；

设计制作实物样机；

设计图纸一份；

调研报告一份

经费

预算

图书资料费100元用于前期查阅材料

调研费200元用于前期考察调研

材料设备费2000元用于购买材料及支付设备使用费

实验费3000元用于实物的运行试验

调试费3500元用于后期的调试和改进工作

其它1500元用于车旅费和零件替换等

合计11300元

科技作品类作品可展示的形式

☑实物、产品☑模型☑图纸□磁盘☑现场演示

☑图片□录像☑样品

社会实践类调查方式

□走访□问卷□现场采访□人员介绍□个别交谈□亲临实践

□会议□图片、照片□书报刊物□统计报表

□影视资料□文件□集体组织□自发□其它

附：

项目负责人：

查宏文

指导老师：

沈强

（物流工程学院）

作品内容简介

本小组通过多次试验反复验证，设计了一种基于帕斯卡原理的重力自开关式门禁系统，不耗电，本系统以水作为液压载体，适用于生活场景，避免了液压油造成的污染，且非金属材料液压阀阀体耐腐蚀性强，同时也节省了成本，采用了独特的液压系统利用了进出者的重力势能转化为液压能，进一步转化为开门的机械能，结构简单，易于实现。

1、研制背景及意义

目前，在各种公共场合感应开关式自动门随处可见如下图1.1所示。

图1.1感应开关式自动门

自动门参数如表1所示，原理如下：

表1自动门运行参数

运

行

参

数

开门速度

25︒/秒-45︒/秒（可调）

关门速度

电源电压

AC180-240V50Hz

开停时间

静止后1-10秒

驱动方式

30W低速直流无刷电机

环境温度

-20-50︒C

噪声

<

50DB

可选配功能

感应传感器，光线传感器

门禁系统

手感应光电开关

电子锁

无线遥控开关

如下图1.2，其中，AD阶段为加速阶段，DD′阶段为匀速运行阶段，A′D′阶段为减速阶段。

在启动打开或者关闭过程时首先缓慢加速如AB阶段；

接着提高速度如BC阶段，减小开关门时间；

接近最高速度时再降低速度缓慢进入匀速运行阶段如CD阶段，以保证电机运行平稳。

匀速阶段后期，先缓慢减速后进入高速减小阶段，最后速度逐渐减小至停止。

图1.2自动门开门运行曲线

由此可见，当没有人出入时，传感器也会在不停的工作，同时，当人们频繁地出入时也会导致电机的频繁运作，一方面，这种自动门应用十分广泛，每天通过电机运转与传感器的不停运作，浪费的电能将十分庞大；

另一方面，由图1.3知，自动门内部控制十分复杂，通过对电机的控制来控制开关，电机经过频繁地正转反转，会使得电机的寿命下降，而且开门关门通过齿轮传动来带动，长时间会使得磨损严重，必须作定期的维修更换零件，而自动门大都是在公共场合使用的，频繁维修会造成许多不必要的麻烦，而且维修费用也是一笔不小的支出。

图1.3自动门控制部分剖视

我们通过多次试验验证与结构设计，最终设计出一种能够利用水做介质的液压自动门系统，整个系统的能量来源是每天通过门的人的重力势能，将重力势能转化为水的液压能，最终通过机构将水的液压能转化为机械能来实现门的开关。

整个装置结构简单，成本低廉，考虑到液压油的污染，液压自动门应用在生活场景中，项目组采用的介质是水，且水较液压油价格便宜，符合“节能减排”的思想，且非金属材料液压阀阀体耐腐蚀性强，适合水作介质的液压系统，而且装置的稳定性较高，一般不需要定期维修，或者维修期较长。

整个装置是无电装置，这样也将节省下一部分的电能，而且结构简单，也省去了大量的传统自动门的材料，体现了“节能减排”的“节能”思想。

装置简单易行，实用性强，有希望得到大规模的生产与应用。

2、设计方案

项目组设计基于帕斯卡原理的重力液压自开关式门的液压原理图及流程图如下图所示。

图2.1工作原理图图2.2工作流程图

1-外作用式单杆活塞液压缸2-液控单向阀3-减压阀

4-液动换向阀（三位五通）5-换向阀（三位六通）6-换向阀（三位六通）7-溢流阀8-水箱1

9-右踏板10-水箱211-左踏板12-水箱313-溢流阀14-减压阀15-液控单向阀

在后台中，阀芯在阀体中有左、中、右三个稳定的工作位置。

后台控制阀芯的位置，当阀芯处在图示中间位置（即中位）时，六个通口都关闭；

当后台工作人员通过拨动换挡杆来控制阀芯移向左端（即右工位）时，两踏板处于卸荷状态，在这两种状态下门均处于锁定状态，踏板和开关都无法起到开启门与关闭门的作用。

当后台工作人员通过拨动换挡杆来控制阀芯向右移动（即左工位）时，上下通口接通，门此时处于工作状态，可通过开关与踏板控制门的开关。

进门时，按下开关，开关通过杠杆机构带动使手动换向阀所处阀芯移向右端，此时换向阀处于左工位，上下通口接通，踩门外踏板（左踏板），水因为压力从踏板中沿管道向上流动，经过液动换向阀时，通过水自身的压力推动液动换向阀的阀芯右移，使得液动换向阀处于左工位，上下通口接通；

水流经液控单向阀，水的压力使双作用式单杆活塞液压缸的活塞杆往外伸出，将门打开，而后水经回油通路流回水箱；

进门后再踩门内踏板（右踏板），水流经通路将双作用式单杆活塞液压缸活塞杆推回，使门关闭。

反之亦然，人从另一边进门，通过开关来转换踏板对门的控制。

当两边同时有人踩踏板时，因为液控单向阀的逆向导通作用，左右两边哪边的压力更大哪边就会起作用使门打开，避免了矛盾的发生，也减少了对门的伤害，提高了安全性。

重力液压自开关式门的整体图如图2.3所示。

图2.3重力液压自开关式门的整体图

2.1过载保护模块

在本装置中，两个溢流阀主要起安全阀的作用，溢流阀的外观图及剖视图如图2.4所示。

图2.4溢流阀

溢流阀具有定压溢流作用，当系统压力增大时，会使流量需求减小，此时溢流阀开启，使多余流量溢回水箱，保证溢流阀的进口压力，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。

当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（项目组设置溢流阀的调定压力比系统最高压力高10%-20%）。

项目组拟采用青铜溢流阀，不易生锈。

两个减压阀主要起到稳压作用，其实物图如图2.5所示，减压阀通过调节，将进出口压力减至系统所能承受的出口压力，并依靠水本身的能量，使出口压力自动保持稳定。

增加了门的安全性，防止其因压力过大而损坏。

图2.5减压阀

2.2内外控制转换模块

通过开关与踏板来控制门的开，踏板控制门的合，开关即为手动换向阀，其设计图如图2.6所示。

开关通过控制阀芯位置来控制通路的接通闭合，踩踏板给水提供压力来使水流动，从而开门或关门。

图2.6开关（手动换向阀）

2.3自动门防回模块

液控单向阀是可以用来实现逆向流动的单向阀，液控单向阀的简化符号如下图2.7所示，当控制口K无压力水时，其工作原理与普通单向阀一样，压力油只能从进油口

流向出油口

，反向流动被截止。

当控制口K有控制压力

作用时，在液压力作用下，控制活塞向上移动，顶开单向阀芯，使油口

和

相通，水就可以从

口流向

口。

图2.7液压单向阀简化符号

液控单向阀互锁回路如图2.8所示，当只有一边有人踩踏板时，一部分水先进入一边的液控单向阀，进而将外作用式单杆活塞液压缸顶开，一部分水通过通路进入另一边的液控单向阀给控制口以控制压力，使其可逆向流动，水可从液控单向阀流出，进而流回水箱；

当两边同时都有人踩踏板时，水要通过通路进入另一边的液控单向阀，这时压力大的那一边，水会通过通路进入另一边的液控单向阀给控制口以控制压力，使其可逆向流动，压力大的那边会将外作用式单杆活塞液压缸顶开，门打开，而不会使系统紊乱，避免了对门的伤害。

图2.8液控单向阀互锁回路

2.4踏板补液模块

由流程框图可知，整个开关门过程中，踏板里的水只会外溢，不会进行回流补充，为了补水，特设计水箱进行补水，实现水循环利用，并且保持开门的稳定性，水箱、单向阀与踏板的连接部分如图2.9所示。

图2.9水箱、单向阀与踏板的连接

3.材料选用

3.1管道选材

管道采用的是UPVC给水管如图3.1所示，给水用硬聚氯乙烯管材简称为UPVC给水管，是以PVC树脂为主要原料，加入专用助剂，经挤出机挤出成型而成，要求采用氯乙烯单位（VCM）残留量低的卫生给PVC树脂粉，同时采用无毒或低毒（低铅含量）热稳定体系，以保证管子的卫生性。

UPV给水管低温耐压性能优良，20℃耐压环应力可大于42MPa，是目前市场上出现的建筑用给水塑料管中用量最大的。

管道的选用符合“节能减排”的宗旨。

图3.1UPVC给水管材料

3.2阀类选材

通路选用的阀都是采用的水用阀体，减压阀如图3.2所示，换向阀如图3.3所示，单向阀如图3.4所示，液控单向阀如图3.5所示，成本低廉，节能环保，符合“节能减排”的宗旨。

图3.2减压阀图3.3换向阀

图3.4单向阀图3.5液控单向阀

4．经济效益分析

4.1材料价格

通过淘宝查询，32mm的T型管0.3元每个，32mm的弯头管0.2元每个。

各种给水管材价格如表2。

表2PVC-U给水用管材系列

品名

编号

规格壁厚

mm

长度

米/支

公称

压力

单价

元/米

平

口

管

6001

20×

1.6

4

0.6

2.38

6002

25×

3.04

6003

32×

3.93

6004

40×

4.98

自动门感应器功率消耗很小，应该是以个位计算的，控制器消耗的功率也就几十瓦左右，最大消耗电能的配件当数电机，一般自动门电机功率在50-120瓦之间，比如松下自动门全系产品的马达功率都为50瓦，德弗徕自动门功率为65w和80w，ownic欧尼克和self自动门电机功率在100w，重型门机的最大功率也就是最大200w，从以上分析可以确定，自动门机总运行功率在300瓦以内。

自来水价格如表3。

表3自来水价格表单

名称

居民生活用水

2.80元/立方米

行政事业用水

3.90元/立方米

工商业用水

4.10元/立方米

宾馆、饭店、餐饮业等用水

4.60元/立方米

洗浴业用水

60元/立方米

洗车业、纯净水用水

40元/立方米

农赔水

0.60元/立方米

按照物价部门核定的价格义务民用电费：

①50度以内含50度：

0.538

②50度以上至200度：

0.568

③200度以上：

0.648

阀的价格如下：

①溢流阀：

dn251寸（外径直径32mm）260元

②减压阀：

大约73元

③液控单向阀：

价格在80-100元

④换向阀：

三位五通的100元左右；

三位六通的240元左右

4.2模型组成

①32mm管径的管长度为：

3870+400+9589+1293+362+414+464+825+680+1438+2930=22265mm

②32mm弯管头28×

2=56个

③T型管7×

2=14个

④1000×

500×

50mm的踏板两个

⑤溢流阀2个，减压阀2个

⑥单向阀4个，液控单向阀2个

⑦三位六通手动换向阀2个，三位五通液动换向阀1个

水箱两个，液压缸一个

4.3价值分析

1、装置共需花费：

3.93×

22.265+0.2×

56+0.3×

14+260×

2+73×

2+80×

2+2×

4+240×

2+100+500=2016.9（元）

按照居民生活用水的价格来算，水共花费：

2.8×

0.1=0.28（元）

本装置共花费：

2016.9+0.28=2017.18（元）

自动门的电费折算成钱为：

0.3×

0.538×

24=3.8736（元）

自动门安装及购买的价格：

最便宜的自动门为1399元/套

2、价值分析如下

（1）若不计入自动门的安装费用，则只需2017.18÷

3.8736=520.8，即521天即可收回成本。

（2）若计入自动门的安装费用，则本装置只需2017.18-1399=618.18,618.18÷

3.8736=160,即160天即可收回成本。

5．可行性分析

5.1技术可行性

本装置全程采用PVC给水管连接，PVC给水管拥有一定的抗水压能力，具有较好的抗拉、抗压强度，流体阻力小，输水能力可比同等管径的铸铁管提高20%,具有良好的水密性。

所以使用PVC给水管作为输水管道是完全可靠的。

液压介质选用水，在工业上，液压介质很少选用水，主要是水的粘性小易泄露，水具有腐蚀性会腐蚀管道，而在我们的装置中整个过程都是使用PVC给水管道的，对密封性与耐腐蚀性都有一定的要求，所以此处关于水做液压介质的问题，在本装置上是完全不必担心的，而且水的密度比油的大，拥有良好的传动性能。

整个装置简单易行，主要材料都是可以购买的，并且经济实惠，原理上见上述原理过程解析，从总体上来说，本装置从技术上是完全可行的。

5.2经济可行性

本装置维修方便，不需经常维修，节能又经济，故在经济可行性上本装置绝对是十分经济可行的。

5.3科学可行性

本装置设定的基础开门压力为50Kg的人踩踏踏板的压力；

本装置中水的流动均为紊流，沿程阻力系数取1；

流程压损公式：

局部压损公式：

细长孔压损：

重度公式：

假设重力势能转化为液压能没有损失：

水的动力粘度为：

水的局部阻力系数：

由此可求得管道内压力损失为：

0.45MPa

总压力为：

压力补充压损后剩余压力提供推力，为：

可推开门，故可行。

6.创新点及应用前景

1、整个装置采用的都是纯机械式装置，装置整个过程中的耗能来源均来自于人体的重力势能，以此来代替电动式自动门；

2、整个装置设计精巧，单向阀的使用以及整体的结构安排都显得十分合理；

3、重力踏板的双向使用也避免了了复杂的通路设计，使结构得以简单化，实行方便；

4、装置采用的材料成本低廉，节能效果显著。