线圈恒压装置的设计说明.docx

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线圈恒压装置的设计说明

毕业设计

题目线圈恒压装置的设计

摘要

线圈恒压装置是主要用于大型连续式和饼式变压器线圈在高温干燥真空环境，在恒定压紧力的作用下线圈的压紧工序作业，是干式变压器线圈生产制造过程的专用设备，一般在常温环境下。

但是线圈恒压装置需要在高温真空罐压紧作业，因此针对此装置需要设计出一套适合真空罐使用的压紧装置[1]。

此装置包括上下压板和液压系统，液压系统包括一套液压泵、四个一组的压紧油缸以及换向球阀。

线圈通过绕线机绕制在模架上，上下压盘通过四根拉杆将线圈固定，在每个拉杆的下端吊装一个空心压紧油缸，当泵站的高压油通入油缸以后，缸筒与活塞相对运动，通过拉杆将力传递给上下压盘，从而对线圈实施压紧作用[2]。

此装置具有外形结构紧凑、使用零部件少、装配维修相对容易、操作安全快捷、压紧质量高等特点。

关键词：

线圈；恒压装置；液压系统

ABSTRACT

Coilconstantpressuredeviceismainlyusedforlarge-scalecontinuousandcake-typetransformercoilinthehot,dryvacuum,theroleofconstantpressingforceinthecoilcompactionprocessesoperatingunder.Itisthedrytypetransformercoilmanufacturingprocessequipment.Thegeneralenvironmentatroomtemperature,inordertowindingthefulldehydration，pressingneedtoworkinhigh-temperaturevacuumtank,forthisdesignasuitableclampingdeviceusedinthevacuumtank.

Constantpressuredeviceincludingupperandlowerplaten,andthehydraulicmechanism,hydraulicmechanismincludesahydraulicpump,agroupoffourcompressioncylindersandreversingvalve,coilwindingmachinewindingthroughtheshelvesinthemodel,upperandlowerpressureplatetothecoilthroughthefourfixedrod,liftingthebottomofeachrodahollowcylindercompression,high-pressureoilthroughthepumpstationintothetankafter,passthroughtherodtoforcetheupperandlowerplaten,totheimplementationofthecompressioncoil.

Thisdevicehasacompactshape,usefewerparts,relativelyeasyassemblyandmaintenance,safeandefficientoperation,compressioncharacteristicsofthequalityofhigher.

Keywords：

coil；constantpressuredevice；hydraulicsystem

摘要………………………………………………..…….….……………...I

ABSTRACT………………………….……………………..…………….II

1前言………………….…………………………………………….….…………………..1

1.1本课题研究的目的及意义..........................………….………….………..1

1.2国外研究现状...........................……….......…………….………….………..1

1.3液压技术的特点......................…………………………….…....……..………2

2结构特点和技术参数..................……..….………………………….…..….………….3

2.1结构特点…………………………………………………………………..3

2.2技术参数…………………………….………………...……………….3

3液压系统原理图......................……..….………………………….…..….………….5

3.1液压系统方案的选择……………………………………………………………..5

3.2液压系统方案的最终确定…………………….………………...………………..7

3.3液压系统工作原理…………………………….………………...………………..7

4压紧油缸的设计......................……..….………………………….…..….………….9

4.1油缸主要尺寸的确定………………………………………………………..9

4.1.1油缸工作压力的确定……………………….…………………………...9

4.1.2油缸径D和活塞杆直径d的确定………….…………………………...9

4.1.3油缸壁厚的确定…………………………….…………………………...10

4.1.4油缸工作行程的确定……………………….…………………………...10

4.1.5活塞的宽度B的确定……………………….…………………………...10

4.1.6上端盖厚度的确定………………………….…………………………...11

4.1.7缸体长度的确定…………………………….…………………………...11

4.1.8活塞杆稳定性的验算……………………….…………………………...11

4.1.9上端盖螺钉联接的校核…………………….…………………………...11

4.2油缸的结构设计…………………………….………………...………………..12

4.2.1缸体与缸盖的连接形式…………………….…………………………...12

4.2.2活塞杆与活塞的连接结构………………….…………………………...12

4.2.3油缸的密封装置…………………………….…………………………...12

4.2.4油缸的缓冲装置…………………………….…………………………...13

4.2.5油缸的排气装置…………………………….…………………………...13

5液压阀块的设计...........................……..….………………………….…..….…………14

5.1液压阀块的结构………………………………………………………………..14

5.2液压阀块的设计…………………………….………………...………………..14

5.2.1分析液压系统，确定油路板数目………….…………………………...14

5.2.2制作液压元件样本………………………….…………………………...15

5.2.3液压元件的布局…………………………….…………………………...15

5.2.4确定油孔的位置与尺寸…………………….…………………………...15

5.2.5绘制液压阀块零件图……………………….…………………………...15

5.3液压阀块的安装…………………………………………...…………………..16

6油源的设计.....................……..….………………………….…..….………….17

6.1油箱的设计…………………………………………………………………..17

6.1.1油箱容积的确定…………………………….…………………………...17

6.1.2油箱的用途和分类………………………….…………………………...18

6.1.3油箱的构造及设计要点…………………….…………………………...18

6.2泵和电机的设计…………………………….………………...………………..19

6.2.1泵和电机的选型及计算…………………….…………………………...19

6.2.2泵的安装…………………………………….…………………………...20

6.2.3泵和电机的连接方式……………………….…………………………...20

7结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...21

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….22

致......................………………….……………………..…….…………...…………….23

1前言

1.1本课题研究的目的及意义

线圈恒压装置主要用于大型的连续式和饼式变压器线圈在高温干燥真空环境，在恒定压紧力的作用下线圈的压紧工序作业，是干式变压器线圈生产制造过程的专用装备，一般在常温环境下。

线圈的压紧工序可在压力机上方便地完成，而为了方便对变压器充分地进行干燥脱水，需要在高温真空罐压紧作业，这时压力机因体积受限无法在真空罐使用，就必须设计出一套适合于真空罐使用的压紧装置。

要完成本装置的功能，主要应用液压技术来实现。

随着科学技术的不断发展，液压技术在各个领域得到了广泛的应用，对以后的工程领域方面发挥着越来越重要的作用。

1.2国外研究现状

线圈恒压装置主要用于实现线圈的压紧工序作业，是变压器线圈生产过程的专用设备。

因此，此装置所应用的液压技术尤为重要。

液压技术是实现现代化生产传动与控制传动的关键技术之一，因此世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。

就目前的发展形势，液压工业已成为全球行的工业，从上个世纪60年代以来，液压技术已经延伸到各个工业领域中，并且得到了广泛的应用。

目前，国外研究液压技术的最新方向是液压轴，液压轴就是油缸上集成了伺服阀、传感器、伺服放大器、PID调解板、控制器等等液压元件，然后使用总线将应用的的油缸连接起来，实现协调控制，在这种新形势的液压技术中，没有了液压阀站，只有能源站，可以大大减少设计工作量，很大程度地提高液压的自动化水平，这是目前国际上研究发展的新潮流。

同时，液压技术在国也得到了广泛应用，应用了高技术成果，如微电子技术、伺服与传动技术、总线控制技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、伺服与传动技术、精密机械技术、信息处理技术、系统集成技术、摩擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，使液压系统和元件的质量水平有了一定的提高。

尽管如此，目前条件下的液压技术要有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进、扩展和资源整合，不断做强，扩大其应用领域以满足未来的要求。

可以预见，近二三十年液压行业的发展趋势为：

打造绿色液压系统；机电一体化的实现；液压元件、系统的发展呈现多极化；行业资源整合。

为应对我国加入WTO后的新形势，我国液压行业各企业加速科技创新，不断提高产品市场竞争力，使得一批优质产品成功地为国家重点工程和重点主机配置，取得了较好的经济效益和社会效益。

由此可见液压传动产品在国民经济和国防建设中的地位和作用已经十分重要。

液压技术的发展决定了机电产品性能的提高。

所以说液压技术的发展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。

液压技术总的发展趋势是高速化、智能化。

1.3液压技术的特点

优点：

（1）传动平稳在液压系统的传动装置中，因为油液的压缩量非常小，通常压力下可以认为是不可压缩的，依靠油液的连续流动进行传动。

由于油液有吸振能力，因此可以在油路中设置液压缓冲装置，使得传动十分平稳，便于实现频繁的换向。

（2）质量轻体积小液压传动与机械、电力等传动方式相比较，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减小很多，因此惯性小、动作灵敏。

（3）液压传动可以实现无级变速，调速围比较大。

（4）液压传动工作比较平稳，反应快，冲击小，能够快速启动，停止和换向。

（5）液压传动装置易于实现过载保护，能自行润滑，寿命长。

（6）液压传动中，由于工作摩擦产生的热量可以被流动的液压油带走。

缺点：

（1）液压传动的工作介质是液压油，可能会泄露，油液是不可压缩的，实现定比传动非常困难。

（2）压力油对温度和负载的变化敏感，，适合在常温下工作，不利于在高、低温下使用。

（3）液压传动中，采用油管传输压力油，压力损失较大，因此不适宜远距离输送动力。

（4）油液比较容易污染，会影响系统工作的可靠性[3]。

2结构特点和技术参数

2.1结构特点

恒压装置由一套液压泵站和四个一组的压紧油缸组成，液压泵站安装在高温真空罐外侧，高压油缸在高温真空罐工作，恒压装置工作原理如图1所示。

线圈事先通过绕线机[4]绕制在模架上，上下压盘通过四根拉杆将线圈固定，每个拉杆下端吊装一个空心压紧油缸，当泵站的高压油通入油缸后，缸筒与活塞相对运动，通过拉杆将力传递给上下压盘，从而对线圈实施压紧作用，整个线圈组件由底座支撑，放在真空罐[5]。

1、8—螺母2—上压盘3—拉杆4—线圈

5—模架6—下压盘7—油缸组件9—支座

图1线圈恒压压紧结构简图

四个压紧油缸需在温度达150°C的真空罐连续工作50小时以上，油缸的压力要保持恒定，整个压紧过程油缸的实际行程约30～50mm，压紧过程中四个油缸运动必须保持同步[6]，以保证上下压盘的平行度。

泵站需设有恒定压力的功能，能够实现压力的迅速补偿，完成对变压器线圈干燥全过程的恒压加载[7]。

更换不同大小的油缸，可以实现不同大小压紧力要求的线圈压紧要求。

2.2技术参数

恒压装置的主要技术要求如下：

1、工作压紧力：

4×400kN=1600kN；

2、系统最高压力：

35MPa；

3、单个油缸作用力：

400kN；

4、油缸为空心油缸，行程：

100mm；

5、油缸工作最高环境温度：

150°C；

6、工作时油缸的同步精度不低于±1.5%；

7、单泵输出流量围5.2L/min；

8、机器造型美观、操作方便、数字显示清楚。

3液压系统原理图

3.1液压系统方案的选择

恒压装置的工作特点是油缸的环境温度高、活塞运动速度超低近似于爬行、油缸需恒压同步长时连续工作，这几个因素中油缸同步是考虑设计液压系统的关键所在。

以下几个方案是设计过程中考虑过的同步压紧方案，分析如下：

1.同步马达方案

图2是采用同步马达的设计方案。

同步马达是将四个排量相同的液压马达转轴刚性的连接成一体，从而实现各回路流量的均等，同步精度约在±1%～3%之间。

同步马达的同步精度与偏载荷和流量因素有关，当回路流量与马达的额定流量接近、载荷均匀时同步精度高，当过流量低时，因马达不可避免地存在一定的泄漏，这时，同步精度就很低[8]。

图2同步马达的设计方案

2.比例调速阀方案

图3是采用比例调速阀的设计方案。

就单个比例调速阀而言，流量受负载不均因素影响很小，速度稳定性好，但要使一组四个比例调速阀的控制流量达到一致，不但调试方面比较麻烦，即使是调试达到了同步要求，而当油温发生变化后，流量特性又有变化，最终影响同步精度。

要使比例调速阀能发挥其控制灵活的作用，就必须采取闭环控制方式，即在每个油缸上装有位移传感器[9]。

图3比例调速阀的设计方案

3.分流-集流阀方案

图4是采用分流-集流阀的方案。

分流-集流阀是利用负载压力反馈的原理，将进油路的流量平分成等量的两条出油支路的流量。

本设计采用三个特殊定做的自调式分流-集流阀，实现四个压紧油缸的同步，每个阀的额定流量为0.5L/min，同步精度±1%，实际试车运行后，通过测量上下压盘的平行度，能够达到±1.5%同步精度的要求。

图4恒压装置液压系统原理图

3.2液压系统方案的最终确定

同步马达方案中，线圈在恒压加载过程中，油缸在50多小时的时间过程中行程仅不过50mm，也就是说，油缸以及其低的速度或近似于爬行的方式工作，对此来说，同步马达的精度将大打折扣。

因此，如果采用同步马达方案，是花费高的造价成本，却是不能满足设备的精度要求。

比例调速阀方案中，此恒压装置是在150°C的高温环境下工作，普通位移传感器上的电子元件不能承受这么高的温度。

如果花高代价装上可耐此高温的LVDT差动变压器式位移传感器，但因油缸是每压完一组线圈后就需要拆卸下来，这种频繁更换拆卸的工作方式，很容易损坏传感器，实际生产中工作可靠性不高。

同步马达的成本是分流-集流阀的近乎十倍，比例调速阀加上传感器与控制放大器的成本，造价已超出分流-集流阀的十倍以外。

因此，最终选择方案就是分流-集流阀方案。

3.3液压系统工作原理

恒压装置系统回路实际上是一个保压回路+同步回路。

油泵7的出口压力由电磁溢流阀10来控制。

当电磁溢流阀10中电磁铁断电时，油泵卸荷；通电时，油泵出口压力为电磁溢流阀10的调定压力，最高35Mpa。

当电磁换向阀12左位的电磁铁通电，电磁换向阀12左位接入油路，油泵输出的压力油通过分流集流阀17.1、17.2、17.3进入加载油缸。

在升压加载过程中，电磁换向阀12左位电磁铁通电，电磁换向阀14上的电磁铁断电，电磁溢流阀10中电磁铁断电。

当升压至油缸的工作压力时，此压力即为数显压力表的上限值。

数显压力表将电讯号发给电磁换向阀12和电磁溢流阀10中的电磁铁，使电磁换向阀12工作至中位（左右电磁铁都断电）、电磁溢流阀10卸荷，电磁换向阀14仍维持断电状态。

此时，系统压力由蓄能器维持。

在经过一段时间后,由于油缸的缓慢运动,若当系统压力又低于数显压力表18所设定的下限值时,数显压力表又给电磁溢流阀10与三位四通电磁换向阀12的左边电磁铁发出通电信号（此信号还应送给计数器，来计一次数，即在恒压过程中，电磁溢流阀10与三位四通电磁换向阀12的左边电磁铁每得到由数显压力表发来的通电信号一次，就计一个数，计数是逐次累加的，如果油路有泄漏,阀10与阀12将会通电次数频繁，从计数器的计数值上将会得到间接的反映），油泵又给油缸与蓄能器同时供高压油,以维持系统正常工作压力；当系统压力再次达到数显压力表所设定的上限值时,电磁溢流阀10与三位四通电磁换向阀12左边电磁铁又获得由数显压力表发来的信号,使二者都断电,油泵卸荷，系统压力由蓄能器维持，在50个小时的恒压过程中,油泵一直处于“加压”与“卸荷”这两中状态下交替工作……。

当电磁溢流阀10卸荷、三位四通电磁换向阀12处于中位，使电磁换向阀14通电，此时加压油缸卸载，活塞缩回。

截止阀13插装在集成块部，正常情况下是关闭的，除非维修排除故障之需要开通，任何情况下应关闭。

19.1～19.5为插装式液控单向阀，其通断是由控制油路决定。

设置压力继电器是考虑到的对油泵的第二道保护措施，即一旦电磁溢流阀10的溢流安全功能失效，系统压力超过了数显压力表的上限而达到压力继电器的设定值（压力继电器的设定值应高出数显压力表上限设定值约1～2Mpa），压力继电器的触点吸合，立即使电机停止转动，以免油泵受损[10]。

4压紧油缸的设计

油缸是液压系统的执行元件，油缸的设计是在对液压系统进行一系列分析，选定工作压力之后进行设计的。

线圈恒压装置中采用的油缸是空心油缸，油缸设计的创新之处是在活塞中间设置了导向套，从而使油缸中心形成一个空腔，这便解决了拉杆穿过油缸无杆腔时的密封问题。

4.1油缸主要尺寸的确定

4.1.1油缸工作压力的确定

液压系统设备的类型决定油缸的工作压力，因此针对不同的液压设备，由于工作条件的不同，所以通常采用的压力围也是不同的。

由技术参数可知：

系统最高压力为25MPa，由表1可知该系统设备属于高压类型。

系统的压力高，可采用小体积的油缸，能够保证油缸的结构紧凑。

表1

P（MPa）

0~2.5

2.5~8

8~16

16~32

>32

类型

低压

中压

中高压

高压

超高压

故系统工作压力Ps=25Mpa，单个油缸作用力Fmax=400KN。

4.1.2油缸径D和活塞杆直径d的确定

由公式可求得油缸径D:

（4.1）

（4.2）

油缸径D圆整到相近的标准直径，方便采用标准的密封件，D=160mm，因为工作压力Ps=25Mpa>7Mpa,由下表得d=0.7D

表2液压缸活塞杆直径推荐表

活塞杆受力情况

受拉伸

受压缩，工作压力

/Mpa

<7

>7

活塞杆直径

（0.3~0.5）D

（0.5~0.55）D

（0.6~0.7）D

0.7D

取：

d=0.7D=0.7x160=112mm（4.3）

将活塞杆直径d圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封件：

d=125mm。

4.1.3油缸壁厚的确定

油缸的壁厚是由油缸的强度条件来确定的，油缸的壁厚一般是指缸筒中最薄处的厚度。

一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。

当

10时为薄壁，当

<10时为厚壁。

起重运输机械和工程机械的液压缸中，一般采用无缝钢管材料，这类材料的液压缸大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按照薄壁圆筒公式计算。

（4.4）

式中，

——液压缸壁厚；

D——为缸筒径；

——缸筒试验压力，当缸的额定压力

时，取

，而当

时，取

；

——为缸筒材料的许用应力。

其值为：

锻钢：

=110~120Mpa；铸钢：

=100~110Mpa；无缝钢管：

=100~110Mpa；高速度铸铁：

=60Mpa；

因油缸材料为无缝钢管，取

=100Mpa。

=25mm（4.5）

取

=25mm

液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径

为:

=

=160+2x25=210mm（4.6）

4.1.4油缸工作行程的确定

油缸的工作行程长度，由技术参数可知油缸的最大行程L=100mm。

4.1.5活塞的宽度B的确定

活塞的宽度B取B=100mm。

4.1.6上端盖厚度的确定

一般油缸多为平底缸盖，其有效长度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。

无孔时

（4.7）

有孔时

（4.8）

式中t—缸盖有效厚度（mm）

—缸盖止口径（mm）

—缸盖孔的直径（mm）

上端盖厚度t=80mm，材料为HT200.

4.1.7缸体长度的确定

油缸缸体的部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和，为

L1=100+100=200mm（4.9）

缸体的外形长度包括两端盖的厚度，因此缸体外形长度为：

L2=200+80+120=400mm（4.10）

4.1.8活塞杆稳定性的验算

油缸的支撑长度

是指活塞杆全部伸向外侧时，油缸