机械毕业设计（论文）-锡柴汽车厂液压综合试验台设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 锡柴汽车厂液压综合试验台设计锡柴汽车厂液压综合试验台设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：高级工程师 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院本科毕业设计无锡太湖学院本科毕业设计 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计 锡柴汽车厂液压综合试验台设 计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了 在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业 设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 91 学 号： 0923010 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 、题目 锡柴汽车厂液压综合试验台设计 、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 本课题是对自卸车上所有液压元件进行综合试验装置，以满足工厂质量 控制的要求。由于试验台已制造完成，并经多年使用，故在完善液压电控原理 的基础上，加以改进。学生在设计中还须对现有液压电控系统进行分析，须重 新设计液压电控原理。故学生在设计过程中，可掌握较强的实际工作经验，完 成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，这样一来就能很好的掌握机电 一体化技术，提高解决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。 三、本设计应达到的要求：三、本设计应达到的要求： 1达到技术指标所规定要求，满足实际工作需要。 2整机结构简单实用，加载机架部件需作应力变型分析。 3PLC 全自动控制，要有较高的工作可靠性；安全性。 4工作时噪音小，发热较小，设备外形美观及操作方便。实习地点：无锡。 按照用户提出的完整技术要求，写出液压及电气的技术数据，并经用户确 认。 工作量要求： 1.总装图：试验台装配图；液压站装配图；油缸加载设备装配图。 2.主要部装图：液压原理图。 重要零件图：油缸加载设备重要零件图 及液压集成块图 2#等。 3. 油缸加载设备的应力应变分析; 液压集成块三维图 4完整的设计及使用说明书（电液选型；参数计算）。 5必要的技术资料翻译（8000 字符）。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 91 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计指导：六、设计指导： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘摘 要要 液压实验台是进行液压元件检测的关键设备，是集机、液、电为一体的现代化高技 术设备。 本文针对实验室和生产的需求，提出了设计题目。并对该机的机械系统、液压系统、 控制系统进行了全面设计。 液压系统设计中,首先分析液压实验台的工作过程，并在此基础上进行了液压系统原 理图的设计，确定了液压系统的执行元件。计算了整个液压系统的流量,并根据流量和压 力进行了液压阀的选型、油箱的设计和各个辅助元件的选择。计算了核个系统的的功率， 据此选择了电动机的型号，最后绘制了液压泵站的装配图。 由于传统液压实验台采用继电器等元件作为控制系统的控制元件，存在可靠性、灵 活性差等缺点。文中通过实例说明利用PLC对其进行改造 电气控制系统采用可编程控制器PLC作为整台机器的控制器，并对PLC的工作过程进 行了介绍，对PLC及相关元件进行了选型，实现了整机的自动化。本设计己经应用于实际 生产,取得了良好的效果。 关键词关键词：液压实验台；可编程控制器；液压阀；液压系统；控制系统 IV Abstract he hydraulic experimental stand is the critical equipment of testing hydraulic organ, which is a modernize technique equipment which centralizes the machinery, hydraulic and electric. Aiming at the requirement of laboratory and producing ,the aulhor puts forward the topic and devises the hydraulic system and controlling system thoroughly. In the process of the device of hydraulic system, firstly,process of hydraulic experimental stand working were analyzed. Based this, the principle plot of hydraulic system was devised;furthermore, the performing elements were decided. At the same time, the author Computed the flux of the whole system, And then, based on the flux and the pressure, the author accomplished the choices of valves, the design of gasoline tank and the choices of assistant components. And then,computed the power of the whole system and chose the model of electromotor. At last，the component plot of hydraulic station drawn. The traditional hydraulic experimental stand using relays as control elements shows some disadvantages such as low reliability and flexibilityThis paper discusses the improved design of hydraulic experimental stand based on PLC. The controlling system adopts the PLC as the controller of the entire machine. It introduced the working process of the PLC, chose the model of the PLC and related elements. At the same time, This design has already been applied to practice, and has gained a very good effect. Key Words: hydraulic experimental stand,；PLC； hydraulic pressure valves； hydraulic system；controlling system V 目目 录录 摘 要 .III AbstractIV 目 录.V 1 绪论 .1 1.1 概况和发展趋势 .1 1.1.1 锡柴汽车厂简介 .1 1.1.2 国内外自卸车的概况和发展趋势 .1 1.1.3 液压检测技术的概况和发展趋势 .2 1.2 课题的提出与意义 .3 1.3 课题的主要内容 .4 2 总体方案的确定 .5 2.1 设计依据 .5 2.2 确定液压系统方案 .6 2.3 确定控制系统方案 .6 2.4 确定外观及机械附件的设计方案 .6 2.5 总体配置设计 .6 3 液压系统的设计及其校核 .7 3.1 液压系统的组成 .7 3.1.1 能源装置 .7 3.1.2 执行元件 .7 3.1.3 调节控制元件 .7 3.1.4 辅助元件 .7 3.2 液压系统的主要优缺点 .7 3.2.1 液压传动的优点 .7 3.2.2 液压传动的缺点 .8 3.3 液压系统方案设计 .8 3.3.1 液压系统原理图设计 .8 3.3.2 液压系统参数设计和液压件的选择 .12 3.3.3 液压辅助元件的设计与选择 .25 3.3.4 液压元件的安装和键校核 .29 4 机械附件设计 .32 4.1 自卸钢架的设计 .32 4.1.1 方案的拟定 .32 4.1.2 方案的确定及部件分析 .34 4.2 油箱的设计 .35 VI 4.3 实验台操作面板及控制电柜的外形设计 .37 4.3.1 设计依据与问题的提出 .37 4.3.2 设计方案的确定 .37 5 控制系统的设计 .39 5.1 PLC 与继电器控制系统的比较39 5.2 PLC 与微型计算机的比较39 5.3 PLC 可靠性高的原因40 5.4 PLC 的安装与抗干扰措施40 5.5 PLC 系统的调试和运行41 5.5.1 通电前的检查 .41 5.5.2 调试运行主要过程 .41 5.6 PLC 系统的维护42 5.7 PLC 控制系统的设计42 5.7.1 设计内容 .42 5.7.2 控制流程的拟订 .43 5.7.3 PLC 控制电路元气件的选用.43 5.7.4 PLC 的编制.44 6 UG 有限元分析方法.46 6.1 有限元分析方法简介 .46 6.2 进行有限元分析的目的和意义 .46 6.3 活塞杆的受力变形情况进行分析 .47 6.3.1 分析步骤 .47 6.3.2 分析载荷 .47 6.3.3 分析结果 .47 6.4 自卸钢架端板受力变形的分析 .48 6.4.1 分析步骤 .48 6.4.2 分析载荷 .48 6.4.3 分析结果 .48 7 活塞杆的最优化设计 .49 7.1 优化设计简介 .49 7.2 活塞杆的可靠性优化设计方法 .49 7.2.1 活塞杆的工况分析 .49 7.2.2 选择设计变量、建立目标函数 .49 8 液压综合实验台测试实例 .51 8.1 自卸油缸试验 .51 8.1.1 空载的往复运行 .52 8.1.2 全行程长度 .52 8.1.3 满载的往复运行（最大推力（慢速）对顶） .52 VII 8.1.4 内泄漏及外泄漏 .53 8.2 单向阀（DF-F20A1）试验53 8.2.1 内泄漏 .53 8.2.2 耐压试验 .53 8.2.3 正向压力损失 .54 8.2.4 开启压力 .54 9 液压原理改进设计 .55 9.1 液压系统现状 .55 9.2 液压系统的改造 .55 9.3 液压系统改造原理图的绘制 .55 10 结论与展望 .57 10.1 结论 57 10.2 展望 57 参考文献 .58 致谢 .59 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 1 1 绪论绪论 1.1 概况和发展趋势概况和发展趋势 1.1.1 锡柴汽车厂简介锡柴汽车厂简介 一汽解放汽车有限公司无锡锡柴汽车厂是一汽解放汽车有限公司无锡柴油机 厂下设 生产各类改装车的专业化分厂，是一汽集团在华东地区设立的改装汽车生产基地。工厂 具有年产 10000 辆改装汽车和 5000 辆底盘的生产能力，拥有国家公安部和国家技术监督 总局核准的汽车安全环保性能检测线。产品的销售、服务纳入一汽营销大网络统一运作， 已经发展培育了 46 家锡柴改装车专营销售网点。 图 1.1 锡柴汽车厂生产的刚性自卸车 1.1.2 国内外自卸车的概况和发展趋势国内外自卸车的概况和发展趋势 据有关资料显示，到 2007 年国内专用车保有量将达到 275 万辆，每年需求量 34 万 辆，原有专用车更新量 12 万辆。每年以 7.8%的速度递增，其发展速度高于普通货车的增 长速度，且会向重型化发展。目前，专用汽车重、中、轻比例约为 2:5:3，随着中国加入 WTO，国外技术的引进及合资合作等多种方式的技术改造和提高，加上国家大型项目拉 动，以及开发中西部的需求，重型车将有较大发展，逐渐向 3:4:3 的合理比例接近。 新工艺、新材料的应用以及机、电、液一体化是专用汽车今后发展的另一方向，如 液压辅助装置装卸货物，纤维增强复合材料，PP 蜂窝板在各种厢式车上的应用，特殊复 合材料在防弹运钞车的运用，大大提高了专用车的整体性能，促进了专用汽车的发展。 自卸车起源于欧洲，它是一种适宜在恶劣天气及空间受限制的工作条件下工作的工 程汽车，其用途由最初的修路逐渐发展应用到采矿业、水电工程、铁路工程和机场等不 同行业的工程项目中。自卸车具有良好的驱动能力、通过能力和机动性能以及比刚性车 辆低得多的运营成本。其优越的性能在国内外得到了工程承包商的广泛认可，使之成为 年销售量增长率最快的重型工程车辆。 自卸车的开发历史并不很长，其中有瑞典的沃尔沃（VOLVO） 、美国的特雷克斯 （TEREX）和卡特彼勒（Caterpillar）等公司。三家的年产量占全世界年产量的 80%以上。 无锡太湖学院学士学位论文 2 铰接式卡车以其独特的车架结构、全轮驱动方式，显示出卓越的机动性和通过性， 发展迅速，已深为广大用户青睐。铰接式卡车不仅初期投资少，同时投入产出比高，用 户投资的利润回报率高，是一种很有前途、值得大力推广的车型。这种先进的运输设备 已在我国的工程施工中得到了推广，市场前景广阔。 成立于 1927 年的 VOLVO 公司是瑞典最大的工业企业集团，总部设在比利时的布鲁 塞尔。1966 年该公司开始生产铰接式自卸车，现在主要在瑞典 Braas 生产，年生产能力 在 2000 辆左右，主要型号有 A25D、A30D、A35D 和 A40D 等四种机型。有效载重量 2541t。总部位于美国诺沃克的 TEREX 公司为世界三大自卸车生产基地之一，主要产品 包括 T25、T30、T35、T40 等型号。 由于国内铰接式自卸车开发时间很短，现在还几乎处于空白状态，因此国内市场几 乎全由 VOLVO 等几个大公司所占据。目前，徐工集团工程机械制造厂在综合我国国情 和施工现场实际情况的基础上，自主开发载重量为 25t 的 XAD250 铰接式自卸车。该车在 总体上采用 66 全轮驱动、液力传动、防滑差速器、自动换档、双向驾驶、液压转向及 橡胶弹性悬挂，在最近的上海宝马车展上一亮相，就引起了国内外同行的广泛关注。 1.1.3 液压检测技术的概况和发展趋势液压检测技术的概况和发展趋势 液压设备由于具有单位功率重量轻、体积小、易获得大力矩、可实现无级变速、控 制载荷容易等突出优点，而得到越来越广泛地应用。国内各类机械设备配置的液压系统 也越来越多，而且日趋复杂。液压技术的应用已成为现代化工程机械和农业机械的典型 标志。 虽然液压系统具有许多的优点，但由于设计、制造、管理水平以及客观条件限制， 液压系统在使用过程中免不了要发生故障，使得液压设备达不到设计要求甚至不能正常 作。同时随着现代化机械的液压系统向着高性能、高精度和复杂化方向的发展，液压元 件的价格昂贵，一旦液压系统出现故障，从维修成本考虑我们不能每次都更换有故障的 液压元件，而是应该找出故障所在，首先选择尽快修复。但是，因为液压传动系统的密 闭性，以及一些工作人员对液压传动知识了解不够，使得机械中经常出现的许多液压技 术上的故障难以诊断和排除。 由于故障排查和检测技术的缺乏，而延长了修理周期，严重影响生产的情况是屡见 不鲜的。因此，开展液压系统故障检测和诊断技术的研究越来越受到重视，已成为液压 技术发展的一个重要方向。 A.液压检测技术的分类液压检测技术的分类 由于液压系统是一个有机联系的多元件复杂整体，故障现象和故障原因并非是一一 对应关系，呈现出综合性和系统性的特点，再加上液压系统工作元件及工作介质的封闭 特性，给系统的状态检测及不解体在线故障诊断带来相当多的困难。目前，主要还停留 在人工巡回检测和定期检修的水平上。近年来，由于计算机技术、检测技术、信息技术 和智能技术的发展，大大地促进了液压系统故障检测与诊断技术地发展。检测方法主要 有以下几种： a.感观诊断法感观诊断法 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 3 查找液压系统故障的最简便方法就是“感官诊断法”，又称为“四觉诊断法”，这 是指有经验的维修技术人员凭感官和经验，通过看、听、触、嗅等方法判断故障原因。 b.加热检测法加热检测法 用一个电热源对液压系统中的管道进行加热，从管道外壁的温升情况即可迅速判明 金属管道内，有无油液、油液流动的方向以及大概流速。但是这种方法不能测试压力等 其它参数，测试结果也易受外界因素、测试部位、测试方法的影响，有时候要经过大量 的实验才能找出故障部位。 c.铁谱技术铁谱技术 是通过分析设备磨损的微粒来诊断系统的故障。但由于铁谱技术是一门新兴的技术， 目前所用设备的成本较高。 d.实验台检测实验台检测 包括综合性检测实验台和单一功能的检测实验台。利用实验台可以很方便的检测出 被测试液压元件的多种参数，再与标准值比较，即可迅速判明哪一个元件出现故障。 e.仪器检测法仪器检测法 所谓仪器检测法就是使用仪器、仪表进行故障诊断的方法。这些仪器、仪表是在不 拆卸液压设备的情况下进行参数测量后与正常值相比较从而断定是否有故障。一般地说， 用仪器仪表检测比较准确有效。 f.智能诊断智能诊断 包括模糊诊断法、神经网络诊断法和专家系统诊断法。 B.液压检测技术的发展方向液压检测技术的发展方向 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。 上面提到的某些检测方法具有主观性，对检测结果的判断具有一定的影响，因此我 们要加强液压检测技术的科技含量，提高其检测结果的准确性。 一方面，我们要大力开展仪器检测。这是一种实用的液压系统故障诊断方法，能够 方便准确地判断出故障部位及原因，及时处理。其优点是科学、客观，避免了个人诊断 的盲目性，诊断结果符合实际，具有较高的实用推广价值。 另一方面，我们要实现主动维护技术，加强液压系统故障诊断方法的研究，液压系 统故障诊断专家系统的开发应是一个具有巨大应用前景的研究领域。这就要总结专家的 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信息和知识 库中的知识，用推理机中存在的推理方法推算出引起故障的原因，提出维修方案和预防 措施。 要进一步开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须 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，在故障发生之前进行补偿，这是液压行业努力的方向。 无锡太湖学院学士学位论文 4 1.2 课题的提出与意义课题的提出与意义 近年来随着我国工程机械产品的不断引进和发展，大吨位液压缸以及相关液压元件 的应用越来越多，而这种液压缸进口价格偏高，国产质量又不十分过关。因此，生产与 使用这类液压缸的厂家，建造一台能够对其进行试验与检测的实验台，就显得非常重要 与迫切。 本课题是对锡柴汽车厂自卸车上所有液压元件进行综合试验的装置，以满足工厂质 量控制的要求。由于试验台已制造完成，并经多年使用，故在完善液压电控原理的基础 上加以改进。在设计中还须对现有液压电控系统进行分析，须重新设计液压电控原理及 程序，对于进行自卸油缸试验的承载钢架进行结构设计以及油缸中重要零件的优化设计 并做出必要的有限元分析。本课题使我在设计过程中，能掌握较强的实际工作经验，完 成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，这样一来就能很好的掌握机电一体化技术， 提高解决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。 1.3 课题的主要内容课题的主要内容 木课题的主要内容是完成液压实验台的总体设计。最后，将它们转化为能供指导制 造、装配、安装、调试和维修用的设计图纸及各类说明书等技术文件。总之，设计的主 要内容分为机械系统、液压系统和控制系统三部分。按照用户提出的完整技术要求，写 出液压及电气的技术数据，并经用户确认。 本设计需满足的要求如下： 1达到技术指标所规定要求，满足实际工作需要。 2整机结构简单实用，加载机架部件需作应力变型分析。 3PLC 全自动控制，要有较高的工作可靠性；安全性。 4工作时噪音小，发热较小，设备外形美观及操作方便。主要技术指标： 根据技术要求，我们需要在搞清设备工作原理的基础上，经改进设计，进行正式图 纸绘制。在设计中还须对现有的机构进行分析，如充分利用 UG 和 LINGO 等软件进行有 限元应力优化设计,有条件的话还要进行运动分析。且重新设计电液原理图，主机等部件。 在自动化生产软件的使用编程逻辑方面有所改进使用 PLC 实时部分控制。因类似设备已 投入生产，故我在设计过程中，可获得并掌握较强的实际工作经验。最终完成从设计到 实际生产及运行调试的整个过程，这样一来就能很好的掌握机电一体化技术，提高了解 决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。尤其这几个软件的使用对以后的 研究生课程有莫大的帮助和指导性的方向。 在设计的时候，课本知识和实际生产经验的结合是我最想拥有的经历。期间充分利 用已有的资源在搞清设备工作原理的基础上，调研工厂实际情况包括设备的调试（主要 是液压部分和电控部分）以及制造过程遇到的难题和解决方案，因而形成了对设备的机 械部分，液压部分，电气部分技术观念和感性认识，为改进，完善设备打下坚实基础。 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 5 本课题为机电液综合设计，对本科的机械工程学生而言，已经是能够接受和有所创 新地完成的项目了。而且整个设备制造技术路线清晰明了。最后在设计完成交付，并实 现功能的整个流程中，学习并收获有限元应力优化设计及运动分析等先进设计方法在设 计中的作用。综合机电液，加强巩固和糅合这三方面知识结构，为以后的发展打好基本。 课题结束后，希望能达到锻炼设计能力，而又能熟悉如何从图纸到设备实际工作调 试完成交付使用的整个过程，并经实际的动手完成真正能正常工作的设备。 2 总体方案的确定总体方案的确定 2.1 设计依据设计依据 本课题是对锡柴汽车厂自卸车上所有液压元件进行综合试验的装置，以满足工厂质 量控制的要求。经过与厂方代表的协商决定，该实验台能够对以下液压元件进行检测并 完成相应的检测项目。 表 2.1 测试项目 被试产品名称型号及规格其它型号及规格试验项目备注 电磁换向阀 22EQ-6B 6，10，16 通径国际标准型号， 但不-提供阀连接块。 1滑阀机能 2换向性能 3压力损失 电压 24V 气控换向阀 Q23-E15L 1油路型式及滑阀机能 2各换向位置时内泄漏 3压力损失及背压试验 4安全阀调压性能 管式 多路换向阀 ZS1-L20-T/A0-F 20 通径长源液压 标准型号，但不提 供阀连接块。 1油路型式及滑阀机能 2各换向位置时内泄漏 3压力损失及背压试验 4安全阀调压性能 管式 操纵阀 LY341 20 通径长源液压 标准型号，但不提 供阀连接块。 1油路型式及滑阀机能 2各换向位置时内泄漏 3压力损失及背压试验 4安全阀调压性能 管式 单向阀按实物 6，10，16 通径国际标准型号， 但不提供阀连接块。 1内泄漏 2正反向压力损失 3开启压力 4控制压力特性 5耐压及耐久性试验 管板 式 1空（满）载的往复运行 无锡太湖学院学士学位论文 6 根据本实验台所测试的液压元件以及相关经验，确定本系统的最大额定工作压力 30MP，可无级调节，最大公称流量 125L/min。在低压状态下（3MP）,压力精度要达到 0.1MP。 2.2 确定液压系统方案确定液压系统方案 液压实验台包括综合性检测实验台和单一功能的检测实验台，实验台的液压系统属 于很典型的液压系统，利用实验台可以很方便的检测出被测试液压元件的多种参数，再 与标准值比较，即可迅速判明哪一个元件出现故障。 在液压系统的设计方案中，通过设置调压回路、增压回路、换向回路、进、出节流 回路实现不同的测试目的。高低压油泵以及控制油泵的配合使用，使得测试的效率大大 提高，准确性更佳。 2.3 确定控制系统方案确定控制系统方案 该厂原先使用的液压实验台是采用继电器控制的，传统的继电器控制系统中使用了 大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，所以应厂方要求， 需要对原来的控制系统进行PLC改造。 根据厂方要求，决定采用日本三菱公司生产的FX系列PLC对原先的实验台进行改造。 可编程序控制器根据操作者的指令，完成对换向阀等元件的控制，以控制每个执行 元件。可编程控制器具有很高的柔性和通用性，同时采用传统的梯形性能可靠，操作维 护(I观、方便，具有以下特点:油缸油压控制采用压力控制，因而调节方便、可靠；因而调 节操作简单 ,控制精确；显示和操作采用高性能和易操作的控制面板，操作、调节、简单 直观;可实现手动、单动、自动等工作状态，参数范围大，有利于实验台对油压的选择。 当故障发生时，PLC做出相应保护措施。 PLC在满足同样控制要求的情况下，又不像计算机控制系统那样复杂、难以掌握。有 利于控制系统的标准化、通用化和柔性化，缩短控制系统的设计、安装和调试周期。 径自卸车用油缸程用油缸，但不提 供以上工程用油缸 安装架。 2最低启动压力 3内泄漏及外泄漏 4全行程长度 5耐压试验 6缓冲及限位效果试验 7最大推力（慢速）对 顶 用油缸 可对顶 加载试 验。 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 7 2.4 确定外观及机械附件的设计方案确定外观及机械附件的设计方案 本液压实验台放置在生产第一线，工作环境比较恶劣，外观只需美观大方即可，控 制面板的布置需合理以方便测试人员的操作。 由于厂家不提供测试自卸油缸时所需的测试钢架，所以需设计一个能够满足测试要 求的钢架，初步确定其为焊接结构，为了验证设计的合理性，还需运用专业软件对其进 行应力应变分析。 2.5 总体配置设计总体配置设计 基本取决于厂方提出的测试项目，结合自动化方案，进行总休配置设计，把测试项 目中各个环节所需的设备、传感器、行程开关进行合理安排，力求达到精简、可靠、高 效、操作安全、调核简单、拆装维修方便等要求。 3 液压系统的设计及其校核液压系统的设计及其校核 液压系统是液压实验台的心脏，液压系统设计的先进性、合理性是测试技术先进性 的重要标志，也是实验结果的稳定性、可靠性、精确性的关键。 3.1 液压系统的组成液压系统的组成 3.1.1 能源装置能源装置 它是将电机输入的机械能转换为油液的压力能(压力和流量)输出的能量转换装置，一 般最常见的形式是液压泵。 3.1.2 执行元件执行元件 它是将油液的压力能转换成直线市或回转式机械能输出的能量转换装置，一般做直 线运动的是液压缸，做回转运动的是液压马达。 3.1.3 调节控制元件调节控制元件 它是控制液压系统中油液的流量、压力和流动方向的装置，包括方向控制阀、压力 控制阀、流量控制阀、比例阀和逻辑阀。这些元件是保证系统正常工作不可缺少的组成 部分。 3.1.4 辅助元件辅助元件 是除上述三项以外的其它装置，如油箱、滤油器、油管等，这些元件对保证液压系 无锡太湖学院学士学位论文 8 统的可靠、稳定持久的工作，有重大作用。 3.2 液压系统的主要优缺点液压系统的主要优缺点 3.2.1 液压传动的优点液压传动的优点 与机械传动和电力拖动系统比较，液压系统具有以下优点： 1. 液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装 有很大的灵活性，能构成其他方法难以组成的复杂系统。 2. 可以在运行过程中实现大范围的无级调速，且调速范围大。 3. 液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动，制动和频繁的换向。 4. 操作控制方便，省力，易于实现自动控制，中远程距离控制，过载保护。与电气 控制，电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。 5. 液压元件属于机械工业基础件。其标准化，系列化和通用化程度都较高，这样有 利于缩短机器的设计，制造周期和降低制造成本。 6. 除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输出功率大，因为液压传动的动力 元件可采用很高的压力，因此，在同等输出功率下具有体积小，质量小，运动惯性 小，动态性能良好的特点 9。 3.2.2 液压传动的缺点液压传动的缺点 1. 在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。 2. 由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。 3.液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动 介质时还需要注意防火问题。 4.液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。 总的来说，液压传动的优点是主要的，其缺点将随着科学技术的发展不断得到克服。 本机器的传动主要采用了液压传动，并实现电控自动化控制 11。 3.3 液压系统方案设计液压系统方案设计 3.3.1 液压系统原理图设计液压系统原理图设计 3.3.1.1 确定油液的循环方式确定油液的循环方式 表 3.1 开式系统和闭式系统的比较 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 9 根据上图所示，本液压系统采用开式循环方式，因为执行元件有多个。 3.3.1.2 确定油路的组合方式确定油路的组合方式 本系统中采用并联方式。 3.3.1.3 调速方案的分析与选择调速方案的分析与选择 表 3.2 三种调速回路主要性能比较 根据上述表格内容所示，本液压系统采用节流调速回路。 A.调压回路调压回路 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 3.1 调压回路 B.进出口节流回路进出口节流回路 图 3.2 进出口节流回路 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 11 C.背压回路背压回路 图 3.3 背压回路 D.流量计选择换向回路流量计选择换向回路 图 3.4 流量计选择换向回路 无锡太湖学院学士学位论文 12 3.3.1.4 液压系统原理图的拟定液压系统原理图的拟定 根据上述分析、选择，本液压系统的原理图如下： 图 3.5 液压实验台原理图 3.3.2 液压系统参数设计和液压件的选择液压系统参数设计和液压件的选择 3.3.2.1 泵源部分的设计泵源部分的设计 根据厂方要求，满足液压测试系统的功效，在本系统中，高压油泵经滤油器进入高 压油泵吸油口，输出高压油经单向阀至控制阀组。 低压油泵经滤油器进入低压油泵吸油 口，输出低压油经单向阀至控制阀组，高低压油泵合并给系统供油。如系统工作在高压 下，低压油泵自动卸压，系统小流量供油。如系统工作在低压下，高低压油泵合并给系 统供油，系统大流量供油。 控制油泵经滤油器进入油泵吸油口，输出低压油经单向阀至控制阀组，用于电液换 向阀控制油液换向。 本系统所测试的油缸是用于自卸车上的推力油缸，根据厂方提供的资料，该油缸最 大负载达到 60 吨，被测油缸最快伸出速度 800mm /min，系统最大工作压力为 25Mpa，最 大流量 125L/min。所以需要根据被测液压元件的相关参数，分别选择高、低压油泵和控 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 13 制油泵14。 A. 高压油泵的选择高压油泵的选择 a.高压泵的额定压力的计算 假设，若取进油路的总压力损失为 Pa，则液压泵的最高工作压 5 105p 力可按下式算出 Pp = P1 + =25X10 +5X10 =25.5MPa p 65 根据气压与液压传动11中的有关规定，选取液压泵时，泵的额定压力应选的比最 高工作压力高20%-60%，以便留有压力储备。 因此泵的额定压力可取MP 6 . 3010 5 . 252 . 1Pr 6 b.泵的额定流量的计算 该系统测试200mm的自卸油缸，如果只需要油泵来供油时需要比较大的排量。油缸 所需流量 所以我们可以根据油缸前进时候的速度来选择泵的额定流量。 参照被测油缸的规格，最高伸出速度为800mm/min，但那是在自卸油缸实际推负载时 的数据，那种情况下由汽车发动机提供几百千瓦的功率，这在测试系统上肯定是达不到 的，所以取测试时候油缸的进给速度为0.4mm/s。 则油泵的流量为： （3-1）min/ 5 . 12 4 200 /4 . 0 2 LsmmAVQ 根据上面计算的压力和流量， 机械设计手册第四版，表23.5-40 技术规格，选用 CY14-1B型斜盘式轴向柱塞液压泵，额定 压力为 31.5MPa，流量为 2.5ml/r-400ml/r，转速 1000 r.min3000r.min 111 B. 低压油泵的选择低压油泵的选择 a.低压泵的额定压力的计算 根据本液压综合实验台的测试规程，低压油泵的工作压力为4MPa。 根据气压与液压传动中的有关规定，选取液压泵时，泵的额定压力应选的比最 高工压力高20%-60%，以便留有压力储备。 因此泵的额定压力可取MP8 . 41042 . 1Pr 6 b.低压泵的额定流量的计算 同高压油泵，则低压油泵流量为：min/96 4 200 /3 . 3 2 LsmmAVQ 根据上面计算的压力和流量， 机械设计手册第四版，表23.5-21 技术规格，选用 型叶片泵，额定压力为6.3MPa，排量为100ml/r，转速960 r.min100 1 YB 1 无锡太湖学院学士学位论文 14 C. 控制油泵的选择控制油泵的选择 a.控制油泵的额定压力的计算 根据气压与液压传动中的有关规定，选取液压泵时，泵的额定压力应选的比最 高工作压力高20%-60%，以便留有压力储备。 因此泵的额定压力可取MP8 . 41042 . 1Pr 6 b.控制油泵的额定流量的计算 因为控制油泵的作用是给一些液动阀供油，根据走访工人师傅和工程技术人员，额 定流量取为 8.7L/min 已经可以满足各种液控阀的要求了。 根据上面计算的压力和流量， 机械设计手册第四版，表23.5-21 技术规格，选用 型叶片泵，额定压力为6.3MPa，排量为6ml/r，转速1450 r.min6 1 YB 1 3.3.2.2 电机的选择电机的选择 标准电机的容量由额定功率表示。所选择的电机的额定功率应等于或者稍大于工作 要求的功率。容量小于工作要求，则不能保证工作机正常工作，或使电机长期过载，发 热大而过早损坏，容量过大，则增加成本，并且由于效率和功率因数低而造成浪费。电 机的容量主要由运行时的发热条件限定，在不变或表化很小的载荷下长期连续运行的机 械，只要其电机的负载不超过额定值，电机就不会过热，通常不必校验发热和启动力矩。 由于在液压泵在工作循环各个阶段所需的输入功率差别比较大，则按下面计算循环 周期的等值功率。快进，慢进，工进，快退。 ( 3-2 ) 1 1 N i i i N i i Pt P t 在这里 i 选择为 1。所需功率最大的阶段持续时间控制在最短，而且满足。 max 25% P P 则按照等值功率选择电机。综上，各泵所选电动机如下表所示：P 表 3.3 电动机选择表 电动机型号额定功率满载转速 高压泵 Y 132M-47.5KW1440r/min 低压泵 Y 160M-411KW1460r/min 控制油泵 Y 90L-41.5KW1400r/min 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 15 3.3.2.3 液压缸的选择液压缸的选择 液压缸的结构尺寸与整个系统的工作机构有直接的关系。在对整机液压系统进行分 析，编制负载图，确定个工况压力之后，根据工作机构的负载，运动速度，工作行程等 确定液压缸的结构尺寸和结构，对主要零件进行验算，最后进行液压缸的结构设计，具 体设计时还需参考有关手册，本系统所测试的油缸是用于自卸车上的推力油缸，根据厂 方提供的资料，该油缸最大负载达到60吨，被测油缸最快伸出速度800mm /min。 3.3.2.4 液压缸设计中应注意的问题液压缸设计中应注意的问题 1. 在保证所获得的速度和推力下，应尽可能使液压缸的各部分结构按有关标准来设 计，尽量做到液压缸的结构紧凑，加工，装配和维修方便。 2. 尽量使活塞杆在承受最大负载时处于受拉状态，若受压应具有良好的纵向稳定性， 长行程的活塞杆伸出时，还应加辅助支撑，避免活塞杆下垂。 3. 液压缸热胀冷缩时应不受阻碍，所以液压缸在安装，固定时，液压缸只能一端 定位。 4. 根据液压缸具体工作条件，考虑是否有缓冲，排气和防尘装置。 3.3.2.5 液压缸主要尺寸的确定液压缸主要尺寸的确定 图 3.6 自卸油缸立体图 1. 缸筒内径D 根据液压缸推力F 和选定的工作压力，或者运动速度和输入流量 ，按有关公式确定 缸筒内径D后，然后再从GB2348-80标准中选取相近的尺寸并且加以圆整。 对缸筒的要求： a. 有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不至于产生永久 变形。 b.有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不至于产生弯曲。 无锡太湖学院学士学位论文 16 c. 内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公差 和形位公差足以保证活塞密封件的密封性。 d. 需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上缸底和管接头后不至于产生 裂纹或过大的变形。 图 3.7 自卸油缸钢桶立体图 2. 活塞杠设计 活塞杆直径d通常先满足液压缸速度或速度比来确定活塞杆的直径d然后再从GB2348- 80标准中选取相近的尺寸并且加以圆整，再按其结构强度和稳定性进行校核。活塞杆要 在导向套中滑动。太紧则摩擦大，太松则容易引起卡滞现象和单边磨损。活塞杆内端的 卡环槽，缓冲柱塞要保证与轴线同心，特别是缓冲柱塞2。 图 3.8 自卸油缸活塞杆立体图 3. 液压缸缸筒长度S 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 17 液压缸缸筒长度S是由最大工作行程长度确定，液压缸缸筒长度一般不超过液压缸缸筒 内径D的20倍。 4. 液压缸最小导向长度H 当活塞杆全部外伸，从活塞面的中点到导向套滑动面的中点的距离称为液压缸最小 导向长度H，若液压缸最小导向长度H太小，当活塞杆全部外伸时，这种结构就是材料力 学中见的悬臂梁结构，这种结构最大的缺点就是他的稳定性不好，容易造成液压缸活塞 杆的晃动 ，一方面，这种悬臂梁结构将使液压缸活塞杆所受到的弯矩变的大， 这样一 来对液压缸活塞杆的材料性能要求就比较高。另一方面，悬臂梁结构将使得液压缸活塞 杆对液压缸缸筒内壁造成冲击，容易造成液压缸的损坏，同时对液压缸缸筒材料的性能 也有较高的要求，最后就是，液压缸的稳定性将变差。因此，对一般液压缸必须有一个 合适的导向长度，根据经验，当液压缸的最大行程L，液压缸缸筒直径D时，最小导向长 度HL20+D2。 一般导向套滑动面长度A，在D80mm时，可取A=（0.6-1.0）D；在在D80mm时， 可取A=（0.6-1.0）d。活塞宽度B=（0.6-1.0）D。若导向长度H不够时，可以在活塞杆上 增加一个导向隔套K来增加H值，导向隔套K的宽度C=.0.5 ()HAB 5. 密封 油缸中使用密封圈可以防止高压油的泄漏。密封圈是易损件，如果质量不好，回严重影 响机器的正常工作。对密封件的要求是：密封性能好，能随着液体压力增高而提高其密 封性能，摩擦阻力小，磨损小，寿命长，使用维修简单，易拆换，成本低，容易制造。 在选择密封材料时，应考虑其性能，一般要求：在一定温度使用范围内有较好的化学稳 定性，不容于工作介质，与金属接触时不互相起作用（如腐蚀，拈着等） ，不软化或硬化， 弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，耐磨性好，摩擦系数小，易于压制成型，价 格低廉等。密封件有多种形式，在油缸中采用 O 型圈，轴用和孔用 Y x 型密封圈。基于 上述要求，对 O 型圈和轴用 Y x 型密封圈用聚胺脂橡胶（它是广泛运用于各种液压缸中 的一种橡胶材料，具有优良的物理性能和化学稳定性，强度，弹性及耐油性均很好，还 有极好的耐磨性。能耐高压） 。 无锡太湖学院学士学位论文 18 图 3.9 自卸油缸档圈立体图 6.液压缸的安装形式 这里的自卸油缸后端采用耳轴安装，前端采用单耳环安装。液压缸的后端耳轴安装 在固定支座内，并与实验钢架的端板相连，以实现油缸的尾部固定。在油缸对顶实验中， 通过固定装置把两油缸前耳环上的销轴固定，从而实现两个自卸油缸的连接以达到受力 均衡的目的。应努力提高安装板的强度，液压缸本身靠固定支座上的上的螺栓固定在端 板上，容易有应力集中产生，所以后面我们将对油缸和法兰的安装螺纹进行强度校核。 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 19 图 3.10 自卸油缸连接立体图 7.活塞的选择 由于活塞在液体压力的作用下往复运动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过 紧也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损 坏缸筒和活塞的华东配合表面，间隙过大会引起液压缸内部泄漏，降低容积效率，使液 压缸达不到要求的设计性能。 根据密封装置型式来选活塞结构型式（密封装置则按工作条件选定） 。通常分为整体 活塞和组合活塞两类。整体活塞在活塞周围开沟槽，安置密封圈，结构简单，但给活塞 的加工带来困难，密封圈安装时容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样，主要受密封圈 型式决定。组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长，随着耐磨的导向环大 量的使用，多数密封圈与导向环联合使用，大大降低了活塞的加工成本。这里活塞取45# 钢，带支承环。配合H8/f917。 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 3.11 自卸油缸活塞立体图 3.3.2.6 油缸零件的强度校核油缸零件的强度校核 1. 缸筒壁厚m的校核 对中低压系统, 缸筒壁厚m往往根据结构工艺的要求来确定,它的强度往往足够,通常 可以不用校核.但在高压系统并且筒壁内直径较大时,则必须对缸筒壁厚m进行校核. 当时,可按薄壁筒公式来校核式中10D m m 缸筒壁厚最小处 D 筒壁内直径 P 实验压力,当缸的工作压力p16Mpa时,P1=1.25P 筒壁材料的许用应力, = n, n为安全系数,一般取5，45#的强度极限是 280 a Mp 当时,按厚壁筒公式来校核10D m 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 21 ( 3-3 ) 0.4 21 1.3 p mD p 3 3 66 66 160 10 0.8 10 280 100.4 1.5 10 10 21 280 101.3 1.5 10 10 m 显然符合要求。 因缸筒材料大多选用无缝钢管,外径不需要精加工,计算出厚壁以后, 缸筒外径应向大 尺寸方向圆整成标准无缝钢管的外径. 2. 活塞杆直径d的校核 F 活塞杆上的作用力 d1 空心活塞杆孔径,实心杆的d1=0 活塞杆材料的许用应力, =n, n安全系数.通常取大于1.4 b 当活塞杆计算长度时,受到轴向压缩负载超过某一临界值时,会失去稳定性,所以要按材 料力学有关公式进行稳定性。活塞杆主要承受拉压应力的作用,起校核公式为： ( 3-4 ) 6 44 723822 110100 200 10 F dddmm 工厂提供的自卸油缸的活塞杆直径符合要求, 但是已经接近极限的直径尺寸，在实际 使用中有拉断的危险，所以需要进行重新设计，在以后的章节中将对自卸油缸的活塞杆 进行优化设计。 3. 液压缸连接螺栓的直径校核 当缸筒和缸盖用螺栓连接时,螺栓在油缸检测实验中主要承受压力,按材料力学有关公 式进行校核 油缸尾部的耳轴以八个 M24 的螺钉来与固定支座部分连接的。螺钉所承受的主要拉 力来自于油缸加载时所产生的拉力，下面我们将对螺钉的强度进行校核。 八个螺钉的截面面积总和为： A8r 83.141443619（mm ） 22 拉力 F=723822N ( 3-5 ) 6 723822 50 44 3619 10 a F Mp A 该类螺钉的直径范围在 1640 内，由机械设计手册可得 Q235A 的屈服强度为： 225 sa Mp 安全系数 225 1 50 s S 所以螺钉的强度足够高，故连接部分安全。 下面我们将会对螺钉进行安全校核计算： 八个螺钉的截面面积： A8r 83.141443619（mm ） 22 拉力 F=723822N 无锡太湖学院学士学位论文 22 6 723822 50 44 3619 10 a F Mp A 该类螺钉的直径范围在 1640 内，由机械设计手册可得 Q235A 的抗拉强度为： 375460 Mpa b 由 ，方形法兰处螺钉的抗拉强度足够，故即使由于意外的原因导致失控也不 b 至于使油缸跌落到工作台上而失效，使用更加安全。 4.缸筒联接强度的校核 液压缸底采用对焊的圆周焊，材料是45#钢，它的，而焊接应610 b Mp360 s Mp 力为 ( 226 222222 1212 19225 10 44 414 2452050.7 444 b D p F Mp DDDD 3-6 ) 显然符合要求。 F-液压缸输出的最大推力（N） F=pD 2 4 D-液压缸直径（m） p-系统最大工作压力（Pa） D -液压缸外径（m） 1 D -焊缝底径（m） 2 -焊接效率，通常取=0.7 3.3.2.7 对油缸活塞杆的稳定性进行校核对油缸活塞杆的稳定性进行校核 对各种柔度的压杆，总可以用欧拉公式或经验公式求出相应的临界压力，乘上横截 面积便为临界压力，临界压力与工作压力之比值即为压杆的工作安全系数n，它应大于规 定的稳定安全系数n1。该液压系统的各油缸的活塞杆的材料均为45钢，材料的屈服极限 为 Mpa，材料的强度极限为 Mpa。E=210Gpa活塞杆的长度为L, 活塞杆 1 350 2 280 的直径为d,最大工作压力为P，规定安全系数为8。按材料力学中压杆稳定性问题进行校核。 所用校核公式如下： ( 3-7 ) 1 cr p nn p 材料的屈服极限为 Mpa，材料的强度极限为 Mpa。活塞杆的长度为 1 350 2 280 锡柴汽车厂液压综合实验台设计 23 L=12