机械毕业设计（论文）-液压皮带张紧和监测装置设计【全套图纸】

图书分类号： 密 级： 毕业设计(论文) 液压皮带张紧和监测装置设计液压皮带张紧和监测装置设计 THE DEVICE DESIGN OF THE HYDRAULIC TENSIONER AND THE DETECTION OF THE BELT CONVEYOR 学生姓名 学院名称机电学院 专业名称机械设计制造及其自动化 指导教师 2011 年5 月27 日 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。 徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件 和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进 行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 摘要 本论文是设计一种用于带式输送机的液压自动张紧及检测装置。首先，通过查阅资 料，分析了现有的张紧装置的优缺点，并在此基础上设计了装置的总体布局。其次，通 过对工况要求的分析，选择液压张紧的方式，并查阅资料设计了该装置的液压系统，主 要部件液压缸以及对部分辅助液压元件进行了计算和选择。最后，通过与指导老师交流 和查阅资料选择了用单片机控制的液压检测装置对皮带进行自动张紧。采用单片机具有 反应快，实时监控等优点，达到生产使用的要求。该装置可作为大型带式输送机的张紧 装置，例如煤矿上的带式输送机等。 关键词关键词 带式输送机；液压系统；液压缸；单片机；绞车 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 徐州工程学院毕业设计(论文 ) II Abstract This paper is to design a hydraulic auto-tensioner and a detection device for the belt conveyor. First accessing to information, I analyzed the advantages and disadvantages of the existing tensioning device. And on this basis, I designed the overall layout of the device. Secondly I analyzed the working conditions and selected the hydraulic tensioning mean, then designed the hydraulic system of the device and the important hydraulic cylinder. I also calculated and chose the hydraulic components on the part of the auxiliaries. Finally with the guidance of teacher and accessing to information I selected SCMs to control the hydraulic cylinder for the belt conveyor. I used SCMs, which have a quick reaction and a real-time monitoring, to achieve the requirements of the production and use. The device can be used as a large belt tensioning device, such as the coal conveyor and so on. Keywords belt conveyor hydraulic system hydraulic cylinder SCM winch 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 目目 录录 摘要I AbstractII 1 1 绪论绪论.1 1.1 带式输送机简述.1 1.2 带式输送机的工作原理.1 1.3 带式输送机的构成及特点.1 1.3.1 带式输送机的构成.1 1.3.2 带式输送机的特点2 1.4 带式输送机张紧装置的作用和类型3 1.5 现有带式输送机张紧装置的原理及特点.3 1.5.1 重锤式张紧装置3 1.5.2 螺旋式张紧装置4 1.5.3 钢绳绞车式张紧装置4 1.5.4 电控自动张紧装置4 1.6 带式输送机液压张紧装置.5 1.7 液压式自动张紧装置的设计.7 2 2 皮带运输机液压自动张紧装置的总体结构皮带运输机液压自动张紧装置的总体结构.8 2.1 总体结构各部件的确定.8 2.1.1 执行部件的选择8 2.1.2 控制部件的选择8 2.1.3 动力及其它部件的选择8 2.2 系统结构布置简图绘制.8 2.2.1 张紧装置总体组成及其作用9 2.2.2 系统结构布置简图9 3 3 张紧装置的液压系统设计张紧装置的液压系统设计.10 3.1 设计参数和拉紧装置应该满足要求分析.10 3.1.1 设计参数10 3.1.2 设计要求分析10 3.2 工况分析并确定液压缸参数.11 3.1.1 负载分析初步确定各工况的负载和速度11 3.1.2 初步确定液压缸参数11 3.3 液压缸的设计.12 3.3.1 液压缸的类型确定12 徐州工程学院毕业设计(论文 ) II 3.3.2 液压缸的安装形式13 3.3.3 液压缸重要技术性能参数的计算14 3.3.4 缸筒的设计与计算14 3.4 活塞杆的设计与计算.17 3.4.1 活塞杆尺寸的确定17 3.4.2 活塞杆的形式和材料及技术要求17 3.4.3 活塞杆的强度计算18 3.4.4 活塞杆的结构设计18 3.5 活塞的设计与计算.19 3.5.1 活塞的结构形式19 3.5.2 活塞的材料及技术要求19 3.5.3 活塞的尺寸的确定20 3.6 导向套的设计与计算.20 3.7 端盖和缸底的设计与计算.21 3.7.1 端盖的设计21 3.7.2 端盖的材料和技术要求22 3.8 其他零件的设计与计算.22 3.8.1 油口的设计与计算22 3.8.2 挡圈的设计选择23 3.8.3 轴套的设计与计算24 3.9 液压缸的密封防尘导向的选择.24 3.9.1 端盖和活塞杆的密封防尘24 3.9.2 端盖和缸筒的密封25 3.9.3 活塞和活塞杆的密封26 3.9.4 活塞和缸筒的密封26 3.10 液压回路的分析及选择.26 3.10.1 液压回路的选择26 3.10.2 液压回路的组合及其动作原理28 3.11 液压元件的选择.29 3.11.1 液压泵的计算与选择29 3.11.2 驱动电机的计算和选择30 3.11.3 液压元件型号30 3.11.4 油管的计算和选择30 3.11.5 蓄能器，油箱的选择31 4 4 外设的选用外设的选用.33 徐州工程学院毕业设计(论文 ) III 4.1 绞车的选型.33 4.2 滑轮的设计与选用.33 5 5 张紧装置的控制系统设计张紧装置的控制系统设计.35 5.1 控制功能分析.35 5.2 硬件的选择.36 5.2.1 单片机的选择36 5.2.2 压力传感器的选择37 5.2.3 模数转换器的选择38 5.2.4 变频器的选择39 5.3 程序流程图的设计.42 5.3.1 单片机 2 控制变频器程序流程图42 5.3.2 单片机 1 的程序流程图43 5.4 电路图的绘制.44 结论结论.46 致谢致谢.47 参考文献参考文献.48 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 1 1 1 绪论绪论 1.1 带式输送机简述 带式输送机，又称胶带输送机，现场俗称“皮带” 。它是冶金，电力和化工等工矿企 业常见的连续动作是运输设备之一，尤其在煤炭工业中，使用更为广泛。在煤矿上，带 式输送机主要用于采区顺槽，采区上（下）山，主要运输平巷及斜井，较常用于地面生 产和选煤厂中。 1.2 带式输送机的工作原理 带式输送机的结构示意图如图 1-1 所示，输送带绕经驱动滚筒 1 和机尾换向滚筒 5 形成无机闭合带。上下两股输送带是由安装在机架上的托辊 3 支撑着。拉紧装置的作用 是给输送带正常云状所需要的张紧力。工作时，驱动滚筒通过它与输送带之间的摩擦力 驱动输送带运行。 图 1-1 带式运输机工作原理图 1.驱动滚筒 2.清扫装置 3.托辊 4.输送带 5.机尾换向滚筒 6.拉紧装置 1.3 带式输送机的构成及特点 1.3.1 带式输送机的构成 带式输送机主要有输送带，驱动装置，托辊及支架，拉紧装置，制动装置，储带装 置和清扫装置组成。如图 1-2 为 SSJ 系列可伸缩带式输送机；如图 1-3 为 TD75 型通用固 定带式输送机。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 2 1.3.2 带式输送机的特点 带式输送机铺设倾角一般为 1618,一般向上运输取较大值，向下运输取较小值。 带式输送机能力大，调度组织简单，维护方便，因而运营费低。此外，结构简单，运行 平稳可靠，运行阻力小，耗电量低，容易实现自动化也是它的特点。 图 1-2 SSJ 系列可伸缩带式输送机 图 1-3 TD75 型通用固定带式输送机 输送带最初是由传送带发展而来的，随着输送机的用途不断扩大和科学技术的发展， 输送带为了满足输送机的要求，品种不断扩大，但所有的输送机在运行一段时间后都有 可能使输送带变长，变形等，输送带的变长由弹性伸长和永久伸长组成。所以，需要采 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 3 用张紧装置来克服由于输送带变长而引起的缺陷。带式输送机装置是矿用带式输送机不 可缺少的重要组成部分，它直接关系到带式输送机的安全运行及使用寿命等。 1.4 带式输送机张紧装置的作用和类型 为了保证输送机能正常运转，张紧装置势必不可少的装置之一。张紧装置有四个主 要作用： 1.保证带式输送机驱动滚筒分离点的足够张力，从而保证驱动装置依靠摩擦传动所 必须传递的摩擦牵引力，以带动输送机正常运转。 2.保证承载分置最嚣张锂电的必须张紧力，限制输送带在托辊之间的垂度，保证带 式输送机的正常运行，不致因输送带松弛而导致打滑，跑偏等现象。 3.补偿塑性变形与过渡工况式输送带伸长量的变化。由于负载变化会引起输送带发 生长度变化，蠕变现象也会造成输送带伸长，所以张紧力是变化的，必须经常调节拉紧 滚筒的位置，才能保证带式输送机的正常工作。 4.为输送带重新接头作必要的行程准备。每每部带式输送机都有若干个接头，可能 在某一时间街头会出现问题，必须截头重做，而这时可通过放松拉紧装置重新接头来解 决。 现有张紧装置大致五种，分别是：重锤车式张紧装置，螺旋式张紧装置，钢绳绞车 式张紧装置，电控式自动张紧装置和液压式自动张紧装置。 1.5 现有带式输送机张紧装置的原理及特点 1.5.1 重锤式张紧装置 如图 1-4 所示，机尾换向滚筒 1 固定在小车 2 上，垂直悬吊的重锤 3 和小车 2 相连， 由于重锤 3 的重量可以为一定值，所以皮带的张力，拉紧力恒定，同时重锤靠自重张紧， 能自动补偿皮带的伸长，但其需要的空间大，占地面积大，往往受空间限制而无法使用， 易于使用在固定式长距离运输机上。 图 1-4 重锤车式张紧装置 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 4 1.滚筒 2.小车 3.重锤 1.5.2 螺旋式张紧装置 如图 1-5 所示，拉近滚筒的轴承座安装在活动架上，活动架可以在导轨上滑动，旋 转螺旋杆使活动架上的螺母和活动架一起前进和后退，达到张金和放松的目的。其结构 简单，但行程太小，只适用于短距离的运输机上，且当皮带自行伸长时，不能自动张紧。 图 1-5 螺旋式张紧装置 1.5.3 钢绳绞车式张紧装置 如图 1-6 所示，这种张紧装置是利用小型绞车张紧。绞车一般用蜗轮蜗杆减速器带 动卷筒来缠绕钢绳从而张紧皮带。这种张紧装置的优点是体积小，拉力大，所以被广泛 运用到井下带式运输机中，但其不能自行张紧。 图 1-6 钢绳绞车式张紧装置 1.5.4 电控自动张紧装置 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 5 自动张紧装置不仅能根据主动滚筒的牵引力来自动调节拉紧力，而且还能补偿皮带 的伸长。如图 1-7 所示，是电控自动张紧装置的一种，此张紧装置只能保持张紧力恒定， 相当于重锤是拉紧装置，不能根据其工况随时改变张紧力。 图 1-8 电控自动张紧装置 1.控制箱 2.永久磁铁 3.控制杆 4.弹簧 5.缓冲器 6.电动机 7.减速器 8.链传动 9.传动齿轮 10.滚 筒 11.钢丝绳 12.拉紧滚筒及活动小车 13.皮带 电动机 6 启动后，经过弹性连轴节带动蜗轮减速器 7，在经过传动装置 8（链传动） 带动下面的滚筒，下面的滚筒通过传动比为 1:1 的齿轮 9 带动上面的滚筒，两个滚筒 10 旋转方向相反，这样通过钢绳 11 可以移动小车 12，是皮带 13 存储或放出，张紧或放松。 控制杆 2 的一端通过钢绳绕过两个定滑轮组后与动滑轮相连，另一端连有两根弹簧 4，通 过调节弹簧可以做到满足所需要的拉力。在钢绳拉力和弹簧拉力的共同作用下，控制杆 处于中间位置。当胶带张紧力小于调节好的数值时，弹簧对控制杆的作用力大于钢绳对 控制杆的作用力，原被拉伸的弹簧缩回，带动控制杆向右偏斜。装在控制杆上的磁铁 3 接通安装在控制箱 1 中的张紧继电器，开动绞车使皮带拉紧，钢绳对控制杆的张紧力逐 渐增加，弹簧又逐渐伸长。当皮带的张紧力恢复到调节好的数值时，控制杆回到中间位 置。这时永久磁铁离开张紧继电器，继电器断开，绞车停止转动，从而张紧过程结束。 反之，当胶带张紧力大于调节好的数值时，可以开动绞车反转，以放松皮带。缓冲器 5 的作用是使张紧力的震荡受到阻尼作用。此装置中的张紧力调节可以通过调节弹簧实现。 1.6 带式输送机液压张紧装置 ZYL500J 型带式输送机自控液压拉紧装置 带式输送机自控液压拉紧装置是根据我国带式输送机的特点，吸取世界工业发达国 家的先进技术，考虑大师输送机在工作时所需拉紧力不同，经合理的张力模型分析研究 而设计的。如图 1-9 所示，ZYL500J 型自控液压拉紧装置适用于长距离歹势输送机的张紧， 主要由拉紧油缸，液压泵站，蓄能站，电气控制开关，张紧小车和拉紧附件等五大部分 组成。其中液压泵站，蓄能站和电气控制开关不需要做地基，仅要求安放地点不落物料 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 6 和水即可。 图 1-9 ZYL500J 型带式输送机自控液压拉紧装置液压原理图 1，13，15.吸油滤油器 2.组电机泵组 3，14.电磁溢流阀 4.手动换向阀 5.液控单向阀 6，12.压力 表 7.拉紧油缸 8.蓄能器 9.截止阀 10.压力继电器 11.溢流阀 16.副电机泵组 17.卸荷溢流阀 18.电液电 磁换向阀 20.平衡阀 21.制动器 22.液压马达 液压系统的工作原理如下： 将旋钮开关调整到自动位置，按下启动按钮准备进入启动过程 自动状态 1.输送机启动 控制开关得到启动信号后，电磁铁 2DT,4DT 及主电机得电启动张紧绞车正转，张紧 力上升至启动设定值，电磁铁 2DT，4DT 及主电机失电张紧绞车停止正转，并返回允许启 动信号，进入启动过程。输送机在启动过程中张紧系统不允许参与任何动作。输送机启 动完成后，并发出满速信号或通过时间延时 t 秒。控制开关得到满速信号或延时 t 秒后， 电磁铁 2DT，3DT 及主电机得电启动张紧绞车反转，张紧力下降至运行上限设定值。电磁 铁 2DT，3DT 及主电机失电张紧绞车停止反转，进入正常运行阶段。 2.正常运行阶段 在正常运行期间，当系统张紧力低于测力装置变送设定下限值时，电磁铁 2DT，4DT 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 7 及主电机得电启动张紧绞车正转，张紧力上升至测力装置变送设定上限值。电磁铁 2DT，4DT 及电机失电张紧绞车停止正传。 在正常运行期间，当活塞杆伸出行程达到头行程开关时，发出报警故障灯闪烁信号。 通知值班司机输送机停车后需要调整活塞杆伸出位置。 在正常运行期间，当活塞杆缩回行程达到头行程开关时，发出报警故障灯闪烁信号。 通知值班司机输送机停车后需要调整活塞杆伸出位置。 若系统张紧力超过设定高限值时，电磁铁 2DT,3DT 及主电机得电启动张紧绞车反转， 张紧力下降至运行上限设定值。电磁铁 2DT，3DT 及主电机失电张紧绞车停止反转。 3.停机阶段与正常运行阶段工况相同，等待再次启动准备信号。 1.7 液压式自动张紧装置的设计 液压式自动张紧装置有很多形式，其最终目的就是不仅能根据主动滚筒的牵引力来 自动调节拉紧力，而且还能补偿皮带的伸长以及在输送机皮带调整时能方便操作等。 本设计采用液压缸和绞车结合的液压式自动张紧装置，一定程度上满足了上述目的， 定为生产实际带来很大效益。 通过上文分析，结合他们的优点，下面将分三部分对液压式自动张紧装置的结构布 置，液压系统和液压缸等进行设计，计算。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 8 2 2 皮带运输机液压自动张紧装置的总体结构皮带运输机液压自动张紧装置的总体结构 2.1 总体结构各部件的确定 通过对整个张紧装置的作用以及应满足的要求的分析和选择，确定装置应具有的部 件如下。 2.1.1 执行部件的选择 由前文可知张紧装置在其工作过程中的作用如下： 1.保证带式输送机驱动滚筒分离点的足够张力，从而保证驱动装置依靠摩擦传动所 必须传递的摩擦牵引力，以带动输送机正常运转。 2.保证承载分支最小张力点的必须张力，限制输送带在托锟之间垂度，保证带式输 送机的正常运行，不致因输送带松弛而导致打滑，跑偏等现象。 3.补偿塑性变形与过渡工况式输送带伸长量的变化。由于负载变化会引起输送带发 生长度变化，蠕变现象也会造成输送带伸长，所以张紧力是变化的，必须经常调节拉紧 滚筒的位置，才能保证带式输送机的正常工作。 4.为输送带重新接头作必要的行程准备。每每部带式输送机都有若干个接头，可能 在某一时间街头会出现问题，必须截头重做，而这时可通过放松拉紧装置重新接头来解 决。 可见，张紧装置因具有自动调节拉紧力，响应快，体积小，控制简单等特点。根据 设计要求，液压自动张紧装置的执行元件可选择工程液压缸结合调度绞车的形式，以满 足皮带机在正常工作，断带调整，重新接头以及位置转移时对张紧装置的不同要求。 2.1.2 控制部件的选择 1.皮带运输机在煤矿生产中大多用在井下和地上选煤，在井下使用时应保证其工作 过程中不产生电火花，所以张紧装置应有防爆控制箱。 2.张紧装置正常工作时，可采用泵断续的供油，利用蓄能器实现油缸的自动张紧和 特殊情况下启动保护作用，以降低能耗。 3.在皮带运输机尾部拉紧小车的轨道上设置行程开关，来控制液压缸张紧系统快速 动作，以防在断带时拉紧小车的快速后退和油缸中某一腔的液压急剧变化而造成很大的 冲击对系统带来巨大的破坏。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 9 2.1.3 动力及其它部件的选择 1.设置液压泵站，为系统提供动力。 2.设置固定绳座，选择系统所用的钢绳以及其他附属元件。 2.2 系统结构布置简图绘制 2.2.1 张紧装置总体组成及其作用 由上文分析，选择可知，张紧装置总体有以下几个部分组成： 1.油缸，正常工作时的执行元件。 2.慢速调度绞车，在皮带机断带调整，重新接头时工作。 3.防爆控制箱，皮皮带机在井下工作时起隔离，防爆作用。 4.液压泵站，提供压力油，提供系统动力。 5.蓄能器，在液压泵间隔空转是为系统提供动力，并在特殊情况下起保护作用。 6.行程开关，起断带保护的作用。 7.其他部件，为系统起固定，连接，传动等作用。 2.2.2 系统结构布置简图 如图 2-1 所示： 图 2-1 皮带机液压自动涨紧装置系统结构布置简图 1.皮带 2.拉紧小车 3.小车轨道 4.钢绳 5 .行程开关 6.液压泵站 7.滑轮组 8.防爆控制箱 9. 蓄能器 10. 慢速调度小车 11.压力传感器 12. 拉紧油缸 13. 固定绳索 系统结构布置图说明： 1.此图为示意图，详见工程图。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 10 2.拉紧油缸的中线位置，滑轮组，钢绳的布置位于同一水平面内。 3.防爆控制箱 8，液压泵站 6 为无地基放置件，可根据使用场合的不同灵活放置。 4.滑轮组之间的垂直距离要尽可能大，以保证拉紧小车的稳定性。 3 3 张紧装置的液压系统设计张紧装置的液压系统设计 3.1 设计参数和拉紧装置应该满足要求分析 3.1.1 设计参数 1.启动张力是正常运行的 1.3-1.5 倍要求 2.被拉紧皮带宽 1 米 3.最大拉紧力 150KN 4.张紧速度：V1=2m/min，快退速度为：V2=4m/min 5.张紧行程：S=1000mm 3.1.2 设计要求分析 结合生产实际，考虑多方面原因得出以下拉紧装置应满足的要求： 1.如图 3-1 所示，实现油缸的张紧，松开以及特殊时期的动作 2.张紧系统能随皮带张力的大小的变化而动作，实现皮带的张紧力在一范围内保持 不变，哲理取皮带的张力 F 的范围为： 0.95FA稳，所以能满足最小稳定速度的要求。 2.计算进给液压缸各运动阶段的压力，流量和功率 通过估计，工作时背压 P背=Pa，快退时背压 P背=Pa,同时根据上面计算 5 106 5 108 出的液压缸的直径及活塞杆的直径等，计算出液压缸各运动阶段的压力，流量和功率， 如下表 3-2。 表 3-2 液压缸的压力流量和功率 工况 负载 F(KN) 回油腔压 力 P2(Mp) 进油腔压 力 P1(Mp) 输入油量 Q(L/min) 输入功率 N(KW) 计算公式 启动阶 段 116.67 P2=P123.22 变化值变化值 )( 211 AAFP VAAQ)( 21 QPN 1 张紧阶 段 83.30.67.1524.532.92 1221 / )(APAFP 11 VAQ QPN 1 快速后 退阶段 00.81.3528.970.65 2211 / )(APAFP 22 VAQ QPN 1 3.3 液压缸的设计 3.3.1 液压缸的类型确定 根据设计要求，设计液压系统为中高压系统，根据不同类型液压缸所需满足的工况 情况的不同，可选择“双作用单杆直线液压缸” ，根据机械设计手册选择焊接型液压 缸，因为这类液压缸暴露在外面的零件较少，外表光洁，外形尺寸小，能承受一定的冲 击负载和恶劣的外界环境条件。但由于前端盖螺纹强度和预紧时端盖对操作的限制，因 而不能用于过大的缸的内径和较高的工作压力，缸的内径常用于 D530MPa,则：材料的许用 b 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 16 应力：=/n=530/3=176.67MPa b 2.缸筒的尺寸参数选择 （1）缸筒内径的确定 由前面计算得到：缸筒内径 D=125mm （2）缸筒壁厚的计算 按薄壁筒计算， =10.27mm 式 2 ALPy 3 530 2 12525 . 1 22.23 （3.10） 式中 Py试验压力，当工作压力 P16MPa 时,Py=1.25P； 液压缸的内径；AL 材料的许用应力。 查手册取工程液压缸的外径的标准值为 146mm,即缸筒壁厚为 10.5mm，=10.271.2mm 式中 Fmax=116670N； L=D=0.46m；146 . 0 14. 3 =0.6=。 6 1067.1766 . 0 即一般焊接即可满足要求。 （2）结构形式 鉴于此液压缸用于皮带运输机张紧装置中，主要为矿上所用，且内径 D600MPa,340MPa。 b s 显然，活塞杆符合要求。 3.4.4 活塞杆的结构设计 1.活塞杆和活塞的连接 液压系统为中压系统，本着满足方便安装，连接强度高等要求，选择卡环式连接， 如图 3-8 所示。 2.活塞杆端部和负载的拖动机构相连接，考虑到液压缸工作时轴线固定不动，可采 用螺栓连接。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 20 图 3-8 活塞杆和活塞的连接 1.缸底 2.缸壁 3.活塞 4.活塞杆 5.轴套 6.挡圈 7.卡环 3.5 活塞的设计与计算 3.5.1 活塞的结构形式 根据液压缸使用的情况（密封，有无导向环等） ，选用有导向环形活塞，具体结构形 式如图 3-9 所示。 图 3-9 活塞的密封和导向 1.YX型密封圈 2.导向环 3.活塞 4.缸壁 3.5.2 活塞的材料及技术要求 查表可选“有导向环活塞” ，材料为 45 号钢，外加导向环。 技术要求（如图 3-10）： 1.活塞外径 D 对内径 D1的径向跳动公差值按 7，8 级精度选取。 2.端面 T 对内径 D1轴线的垂直度公差值按 7,8 级精度选取。 3.外径 D 的援助度公差值按 8,9 或 10 级精度选取。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 21 图 3-10 活塞的技术参数 3.5.3 活塞的尺寸的确定 根据以往经验，可取活塞的宽度为活塞外径的 0.6-1.0 倍，这里取活塞的宽度为活 塞外径的 0.8 倍，即 h=0.8D=10cm。 5 . 128 . 0 3.6 导向套的设计与计算 导向套在活塞往复运动中起导向支承作用，导向套的性能的好坏对液压缸的性能有 很大的影响。 最小导向长度及中隔圈长度的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到导向套活动面中点的距离称为最小导向 长度 H，如图 3-11 所示。 图 3-11 最小导向长度 一般情况下，最小导向长度应满足下面的要求： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 22 式 220 DL H （3.17） =0.1125m 2 125 . 0 20 8 . 0 H 式中 L最大工作行程 m； D缸筒的内径 m。 因为缸径大于 80mm，所以导向套滑动面的长度 A 为： A=（0.6-1.0）d=0.8d=0.64m 式8 . 08 . 0 （3.18） 式中 d活塞杆的直径 m。 导向套的长度为：b=（2/3）d=(2/3) 80=53.33mm,这里取 b=60mm，以满足要求。 由于液压缸的行程长度较长，一个导向套不能满足要求，增加导向套会增加系统摩 擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一个中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足 够的支承长度，通常支承长度应满足： LG(D+d/2)m 式 （3.19） LG0.125+0.08/2=0.165m 一般情况下，当行程长度超过缸筒内径的 8 倍时，可装一个 100mm 的中隔圈；超过 的部分每增加 700mm，中隔圈的长度即增加 100mm。 由于此液压缸的行程要求为 1000mm，缸筒内径为 125mm 为 8 倍，所以可选择安装一 个长度为 100mm 的中隔圈。 根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相对滑动少，磨 损也少，所以取端盖结合导向支承环的方式导向，这里取端盖的长度（图 3-12）h=80mm, 导向支承长度为 l=30mm，具体布置见工程图。 3.7 端盖和缸底的设计与计算 3.7.1 端盖的设计 在单活塞杆液压缸中，有活塞杆通过的缸盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或 缸底。缸盖的设计主要考虑活塞杆的导向，密封，防尘等问题。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 23 图 3-12 端盖 3.7.2 端盖的材料和技术要求 如图 3-12 所示。 1.端盖的材料采用 45 号钢。 2.技术要求： （1）直径 D1,D2,D3的圆柱度公差值按 9,10,11 级精度选取； （2）D2，D3与 D1的同轴度公差值为 0.03mm； （3）端面 A,B 与直径 D1轴心线的垂直度公差值按 7 级精度选取； （4）导向孔的表面粗糙度 Ra=1.25um 3.7.3 液压缸缸底尺寸的确定 如图 3-5 所示。 选择缸底形状为平面有油口型，材料为 35 号钢，计算如下： =30.47mm 式 )( 433 . 0 0 dAL ALP ALh y 5 530 )017 . 0 125 . 0 ( 125 . 0 25 . 1 22.23 125 . 0 433 . 0 （3.20） 式中 Py试验压力 MPa，当工作压力 P16MPa 时， Py=1.25P； 液压缸的内径 m；AL D0油口的直径 m； 材料的许用应力 MPa。 根据计算，同时考虑到油口在缸底的布置，取缸底尺寸 h=65mm。 3.8 其他零件的设计与计算 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 24 3.8.1 油口的设计与计算 1.液压缸油口的连接形式 采用螺纹连接。 2.液压缸油口直径的计算（图 3-13） 图 3-13 油口 油口的计算根据活塞的最高运动速度和油口的最高液流速度计算如下： =16.25mm 式 0 0 13 . 0 V V ALd 4 4 125 . 0 13 . 0 （3.21） 式中 d0油口的直径 mm； 缸筒的内径 m；AL V液压缸的最大输出速度，v=4m/min； V0油口液流速度 m/s，通常取油口液流速度为 2.5-5m/s。 根据计算以及 D=125mm，查机械设计手册表 17-6-25 得 EC=M27 2，EE=17mm，螺 纹精度为 6H。 3.8.2 挡圈的设计选择 根据设计要求，查表选用弹性挡圈 A 型(GB/T 894.1-1986),材料 62Mn，热处理 44- 51HRC,表面氧化处理。如图 3-14 所示，其尺寸如下： 1.端盖用挡圈： d0=125mm,d=105mm,s=3mm,b=12.6mm,d1=4mm，d2=121m=3.2mm,n6mm,重量 54 . 0 30 . 1 07 . 0 22 . 0 0 63 . 0 18 . 0 0 为每 1000 个 89.97Kg。 2.活塞用挡圈： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 25 d0=70mm,d=50mm,s=2.5mm,b=7.6mm,d1=3mm,d2=56.5mm，m=2.7mm,n5.3mm, 54 . 0 30 . 1 07 . 0 22 . 0 0 35 . 0 14 . 0 0 重量为每 1000 个 32.5Kg。 图 3-14 挡圈以及和轴的配合图 3.8.3 轴套的设计与计算 轴套的尺寸由挡圈和卡环决定，一般取其截面的长，宽分别为卡环，挡圈的长，宽 的二倍（卡环固定用） ；端盖用轴套的尺寸由卡环决定。 3.9 液压缸的密封防尘导向的选择 3.9.1 端盖和活塞杆的密封防尘 活塞杆在端盖中作往复运动，其密封属于动密封，且液压缸工作压力大于 16MPa，所 以可采用 YX型密封圈，挡圈结合 J 形防尘圈的密封方式，如图 3-15,图 3-16,图 3-17,图 3-18 所示。 图 3-15 端盖和活塞杆的密封和防尘 1.挡圈 2.YX密封圈 3.J 型防尘圈 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 26 图 3-16 J 型防尘圈 图 3-17 轴用 YX型密封圈 图 3-18 孔用 YX型密封圈 查手册（根据 JB/ZQ4265-86）选择，密封圈代号 d80（d=80mm，H=14mm，H1=12.5mm）材料：聚氨酯3；挡圈规格： d=80mm,D=92mm，T=20.15mm，材料：聚四氟乙烯；防尘圈代号：J 型防尘圈 070 . 0 0 050 . 0 140 . 0 d80，d1=81.50.6mm，d2=75.50.6mm，D1=124.50.6mm,H=10mm(允许公差-0.5mm)， h=5mm（允许公差-0.5mm） ，材料：聚氨酯橡胶。查手册（根据 ZB/ZQ4265-88）取挡圈的 规格为：d=80mm；T=1.35-4.35mm，材料为：聚四氟乙烯。 3.9.2 端盖和缸筒的密封 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 27 图 3-19 端盖和缸体的密封 1.挡圈 2.O 型密封圈 3.卡环 缸盖和缸筒连接在一起，其密封属于静密封，如图 3-19 所示，这里采用 O 型密封圈 加挡圈的密封方式，挡圈的作用是防止密封圈被挤压损坏。 查手册（根据 GB3452.1-92）取 O 型密封圈尺寸为： D=125mm，d2=70.15mm，b=9.3mm，D=75mm，d2=5.30.13mm,b=6.9mm,由于增加了挡圈， 其密封槽分别为 b=12.3mm，b=9mm，其密封圈材料为：耐油通用橡胶 I-4。查手册（根据 ZB/ZQ4265-88）取挡圈的规格为：d=75mm；T=1.35-4.35mm，材料为：聚四氟乙烯。 3.9.3 活塞和活塞杆的密封 活塞和活塞杆连接在一起作往复运动，属于静密封，可采用 0 型密封圈结合挡圈的 密封方式（如图 3-20） 。 图 3-20 O 型密封圈的尺寸图 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 28 图 3-21 挡圈的尺寸 3.9.4 活塞和缸筒的密封 活塞在缸筒中作往复运动，其密封属于动密封，可选择 YX型密封圈如图 3-18 所示。 查手册（根据 JB/ZQ4264-86）得 YX型密封圈 D125（D=125mm，H=14mm，H1=12.5mm， 沟槽长度为 16mm，深度为 10mm，材料为聚氨酯-4） 。 3.10 液压回路的分析及选择 3.10.1 液压回路的选择 1.选择蓄能供能回路和过载保护回路（如图 3-22） 设置蓄能器 6 可在一定时间内保持系统压力动态平衡，同时其采用二位二通电磁阀 5 可起到断带保护的作用。图示压力油流动方向为启动后压力油流动方向，此时，蓄能器 蓄能。启动阶段，由于系统压力较高，此时二位二通电磁阀 7 应断开，4YA 得电，启动完 毕后接通。 图 3-22 蓄能，供能，断带保护回路 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 29 2.选择断带保护回路（如图 3-22） 实际工作中，当意外的事情（如突然断带等）发生时，会对液压缸产生很大的冲击， 此时若对系统不加以保护，定会造成严重的损失。为防止类似事情的发生，在小车轨道 上设置行程开关，断带时，小车快速右移，触动行程开关，行程开关通过给单片机信号 控制二位二通电磁换向阀 5，使 5YA 得电，左位工作，油液压力下降，通过二位二通电磁 换向阀 5 流回油箱，从而保护系统。 3.过载保护回路（如图 3-23） 实际工作过程中，若皮带机突然过载，即油缸无杆腔压力突然增大，此时可以通过 设置压力溢流阀，设置溢流阀压力为某一定值，当油缸中的压力达到此值时即通过溢流 阀 8 卸荷，活塞杆左移，过载消除，液压缸恢复原位，保持皮带拉压力在一个很小范围 内变化。同理，油缸无杆腔压力突然减小时（皮带轻载） ，活塞杆右移拉紧皮带。 图 3-23 过载和快退保护回路 3.10.2 液压回路的组合及其动作原理 根据以上选择的液压回路，考虑各个回路及元件之间的先后动作组合成符合设计要 求的液压系统并绘制液压系统图（如图 3-24） 。 其基本动作原理简要如下： 1.启动阶段：启动系统，泵 12 开始工作，油液通过二位四通电磁阀 2，调速阀 3， 液控单向阀 4，进入液压缸无杆腔，油液压力达到一定值后，活塞，活塞杆带动滑轮组以 及拉紧小车右移，进而拉紧皮带，液压缸有杆腔油液经二位三通阀 10，经二位四通电磁 阀 2 回油箱。 2.张紧阶段：控制二位二通电磁阀 7,4YA 失电，油路同上。但油液进入液压缸无杆 腔的同时经二位二通电磁阀 7 进入蓄能器 6，蓄能器 6 蓄能；当液压缸的压力达到一定值 （系统工作时的压力值） ，单片机控制电磁溢流阀 1,1YA 得电，使电磁溢流阀 1 的二位二 通阀接通，油液从泵源直接回油箱，泵空转（停止工作） 。 3.保压阶段：由蓄能器为液压缸补充由于油液损失而造成的压力不足等，以维持液 压缸的正常的工作压力；由于油液损失的继续，以致蓄能器的补充也难以维持时（系统 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 30 压力小于规定值时） ，单片机控制电磁溢流阀 1,1YA 失电，使电磁溢流阀 1 的二位二通阀 断开，油液重新向液压缸无杆腔，蓄能器供油；到蓄能器的压力达到一定值（系统工作 时的压力值） ，单片机控制电磁溢流阀 1,1YA 得电，使电磁溢流阀 1 的二位二通阀接通， 油液从泵源直接回油箱，泵空转（停止工作） 。这样系统反复此过程，保证液压缸工作的 正常压力。 4.快退阶段：系统要停止工作时，控制二位四通电磁阀 2,2YA 得电，油液通过二位 三四通电磁阀 10 进入液压缸有杆腔，无杆腔油液通过液控单向阀 4 和调速阀 3 回油箱， 同时二位二通电磁阀 5，5YA 得电，二位二通电磁阀 5 接通，蓄能器 6 卸荷。当液压缸碰 到障碍物或油路堵塞（液控单向阀坏了）油液可通过溢流阀 8 回油箱，从而保护系统。 5.实际工作中，当意外的事情（如突然断带等）发生时，会对液压缸产生很大冲击， 此时若对系统不加以保护，定定会造成严重损失。为防止类似事情发生，在小车轨道上 设置行程开关。断带时，小车快速右移，触动行程开关，行程开关通过给单片机信号控 制二位二通电磁换向阀 5，使 5YA 得电，左位工作，油液压力下降，通过二位二通电磁换 向阀 5 流回油箱，从而保护系统。 6.实际工作过程中，若皮带机突然过载，即油缸无杆腔压力突然增大，此时可以通 过设置压力溢流阀压力为某一定值，当油缸中的压力达到此值即通过溢流阀 8 卸荷，活 塞杆左移，过载消除，液压缸恢复原位，保持皮带拉压力在一个很小的范围内变化。同 理，油缸无杆腔压力突然减小时（皮带轻载） ，活塞杆右移拉紧皮带。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 31 图 3-24 液压原理图 1. 电磁溢流阀 2. 两位四通电磁阀 3. 调速阀 4. 液控单向阀 5. 两位两通电磁阀 6. 蓄能器 7. 两位 两通电磁阀 8. 溢流阀 9. 溢流阀 10. 两位三通电磁阀 11. 背压阀 12. 液压泵 13. 滤油器 14. 油箱 3.11 液压元件的选择 3.11.1 液压泵的计算与选择 1.确定液压泵的工作压力 PP 液压泵在启动，张紧和快退各工况都向系统供油，由表 3-2 可知，最大工作压力为： P1=23.22MPa，在出口节流调速中，由于此油路简单，故取进油路压力损失P1=0.5MPa。 则泵的最高工作压力为： PP=P1+P=23.22+0.5=23.72MPa 式 （3.22） 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 32 2.确定液压泵的流量 液压泵的流量应考虑液压缸最大工作流量和回路的泄露，常取回路泄露系数 K=1.1- 1.4，如取 K=1.1，则液压缸工作流量 Q泵为： Q泵=K Qmax=1.1 28.97=31.87L/min 式 （3.23） 3.选择液压泵的规格和型号 根据 PP,Q泵的值，查阅机械设计手册表 17-5-21 选择型号为：T6，额定流量： 10-214L/min，取 32L/min，额定压力：24.5-28MPa，额定转速：600-1800r/min。 3.11.2 驱动电机的计算和选择 1.由表 3-2 可知，液压缸的最大输出功率在张紧阶段，此时的 P1=7.15MPa，Q泵 =24.53L/min，液压缸的总效率取：=0.9，则电动机驱动功率 N电为： 泵 =2.92KW 式 3 10 泵 泵泵 电 QP N 3 3 6 109 . 0 1060 53.24 1015 . 7 90 . 0 （3.24） 式中 =Pmax/PN=23.72/24.5-28=0.97-0.85。 2.选择电机的规格和型号 考虑到需要的功率和电机的使用要求（井下使用要考虑防爆）及其安装和泵的连接 形式等，由机械零件设计手册表 19-3 查得，选择 YB 系列隔爆型异步电动机，型号 为 YB132S-6 的电机，PN=3KW,满载转速=960r/min。 3.11.3 液压元件型号 根据所拟定的液压系统图，计算通过各个元件的最大流量和最高工作压力，选择液 压元件的规格。选好的元件规格如表 3-3 所示。 表 3-3 元件的规格 规格 序号名称型号 压力 MPa流量 L/min 最大使用流 量 L/min 1 滤油器 ZU-H6310S31.56349 2 液压泵 T624.5-283232 3 两位四通电磁阀 4WE62031.510049 4 调速阀 MSA10EF4931.560049 5 液控单向阀 AF3-Eb20B2145 6 两位两通电磁阀 2WE62031.510049 7 两位两通电磁阀 2WE62031.510049 8 蓄能器 NXQ1/2-L1031.5 9 溢流阀 Y2Hd20F31.55049 10 溢流阀 Y2Hd20F31.55049 11 两位三通电磁阀 3WE61031.55049 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 33 12 背压阀 FBF3-20B31.55049 13 电磁溢流阀 3.11.4 油管的计算和选择 1.吸油管道 Q泵=32L/min，通过流量 1m/s，则吸油管内径为： =0.026m=26mm 式 V Q d 4 601 10324 3 （3.25） 根据机械设计手册表 17-8-2，取公称通径 d=32mm，外径 42mm，管子壁厚 5mm， 管接头联接螺纹 M42 2。 2.压油管道 Q=24.53L/min，通过流量 3.5m/s，则压油管内径为： 公式同上，d=12.20mm，根据机械设计手册表 17-8-2，取公称通径 d=15mm，外 径 22mm 管子壁厚 2.5mm，管接头联接螺纹 M22 1.5。 3.回油管道 Q=32L/min，通过流量 2.5m/s，则回油管内径为： 公式同上，d=16.49mm，根据机械设计手册表 17-8-2，取公称通径 d=20mm，外 径 28mm，管子壁厚 3.5mm，管接头联接螺纹 M27 2。 以上三种管皆为无缝钢管。 3.11.5 蓄能器，油箱的选择 1.蓄能器的工作容积的确定 根据蓄能器在系统中起保压，补充漏油和辅助动力源的作用，蓄能器的容积为： =11.77L 式 12 02 0 /1 / PP PP VV 05 . 1 95 . 0 1 95 . 0 18 . 1 （3.26） 式中 V供液容积，V=1/4V有； P2供油压力，P2=0.95P0； P1充油压力，P1=1.05P0； P0充气压力。 考虑到蓄能器的功用，容积尽量取大一些，能使系统的稳定供油时间更长些。 由机械设计手册查表取型号为 NXQ1/2-L10/*,公称容积为 10L,压力为 31.5MPa 的蓄能器，考虑到蓄能器的主要作用是长时间保压，使用时采取两个并联使用。蓄能器 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 34 安装在便于检查和维修的位置，并远离热源。皮囊式蓄能器应油口向下，充气阀朝上竖 直安放。蓄能器与液压泵之间应装设液控单向阀。各蓄能器应牢固地固定在支架上，并 固定在地基上，预防蓄能器从固定部位脱开而发生飞起伤人事故。 2.油箱容积的确定 油箱的有效容量与系统的流速有关，根据以上数据可知，油箱的功能主要是储油和 散热，由于工作时主要由蓄能器提供油液，系统散发的热量少，所以取=2，则： V=2 32=64L 式 （3.27） 根据油箱容积规格，由机械设计手册查表 17-8-160 工作容量 66L,工作容积 20L,同 时为满足工作要求，应选封闭式油箱。 为了在相同的容量下取得最大的散热面积，油箱外形以立方体或长六面体为宜，油 箱的顶盖要安放泵和电机，阀的集成装置有时也要安放在箱盖上，最高油面只允许达到 油箱高度的 80%，油箱一般用钢板焊接而成。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 35 4 4 外设的选用外设的选用 4.1 绞车的选型 根据设计要求，由绞车操作工选择标准型号为 JD-1.6 的调度绞车，牵引力 16KN，绳速 36-72m/min，绳径 15.1mm，容绳量 400m，滚筒规格（直径 宽度） 300 356mm，减速比 40.12。绞车电动机型号 JBJD-22-4,功率 22KW,转速 1478r/min。 4.2 滑轮的设计与选用 1.滑轮的尺寸的确定 由于此设计中的滑轮尺寸不大，受力不高，故可选铸造型滑轮。按钢丝绳中心来计 算滑轮的最小直径，即： Dmin=hd 式 （4.1） 式中 Dmin滑轮的最小直径 mm； H与钢丝绳和卷筒级别有关的系数，查表取 h=18（GB3811-83） ； D钢丝绳的直径 mm。 则 Dmin=18 11.5=207mm。 2.选择滑轮并校核 查手册可组合滑轮型号：滑轮 B11.5 207-50JB/9005.3，即标准为 JD-1.6，型号为 A 型，钢丝绳直径为 11.5mm，滑轮直径为 207mm，滑轮轴直径为 50mm 的滑轮。 由于此滑轮为小尺寸，低受力型，其强度尺寸主要决定于铸造工艺，这里不在校核。 3.绘制滑轮工程图 图 4-1 为其技术参数简图： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 36 图 4-1 滑轮技术参数图 具体尺寸：d=11.5mm，R=mm（绳槽表面粗糙度为 2 级） ， 3 . 0 0 5 . 6 B1=36mm，E=2.5mm，C=1.0mm，R1=12mm，R2=10mm，R3=2.5mm，R4=3.0mm，M=8mm，N=0，S= 9mm，t20.3mm,t3=D/1000=0.207mm。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 37 5 5 张紧装置的控制系统设计张紧装置的控制系统设计 5.1 控制功能分析 液压张紧装置的控制主要要求为: 1.启动时提供正常工作时压力的 1.3-1.5 倍的张紧压力，这主要靠单片机控制变频 器，改变电动机的频率从而改变电动机的转速，因此改变供油压力，达到启动要求。单 片机控制二位二通电磁阀 7,4YA 得电，油液进入液压缸无杆腔的同时不经二位二通电磁 阀 7 进入蓄能器 6。 2.通过单片机定时器编程控制延时 0.1s。 3.张紧阶段：靠单片机控制变频器，改变电动机的频率从而改变电动机的转速，因 此改变供油压力，达到正常工作要求。单片机控制二位二通电磁阀 7,4YA 失电，油液进 入液压缸无杆腔的同时经二位二通电磁阀 7 进入蓄能器 6，蓄能器 6 蓄能，并且单片机控 制 3YA 得电。当液压缸内的压力达到正常工作的压力时，单片机控制电磁溢流阀 1,1YA 得电，使电磁溢流阀 1 的二位二通阀接通，油液从泵源直接回油箱，泵空转（停止工作） 。 4.保压阶段：当液压缸内的压力小于正常工作的压力时，单片机控制电磁溢流阀 1,1YA