采用能蓄能器、差动连接快速移动回路装置设计

采用蓄能器、差动连接的快速运动回路实验装置设计 I

采用蓄能器、差动连接的快速运动回路实验装置设计

摘要

作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。与其他传动控制技术相比，液压技术具有能量密度高、配置灵活方便、调速范围大、工作平稳且快速性好、易于控制并过载保护、易于实现自动化和机电液一体化整合、系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势，因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基木技术要素。

该实验装置是蓄能器快速运动回路和差动连接的快速运动回路的有机结合设计，该系统不但能完成液压传动设计性、创造性、综合性实验，而且特别适用于液压工程测试，性能测试，对教学、科研、检测具有极为强大的支持，是液压学科中的学者、专家、工程技术人员的得力助手。本文根据一般液压系统的用途，特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数.然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计，并对系统进行温升验算。该装置液压系统呈长方形布置，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。

关键词：蓄能器，实验装置，差动连接，快进，工进，快退，温升验算

陕西科技大学毕业设计说明书 II

Accumulator, the differential connection of rapid movement

circuit experiment device design

ABSTRACT

As an important technology of the modern mechanical equipment realizes the drive

and control method, hydraulic technology in the national economy in various fields has been widely used. Compared with other drive control technology, hydraulic technology with high energy density, flexible configuration, large range of speed reg- ulation, smooth work and good rapidity, easy control and overload protection, easy to realize automation and

electromechanical integration integration, system design and manufacturing and maintenance is convenient wait for a variety of significant technical advantage, and thus make it become the basic technology of modern mechanical engineering and modern control engineering of wood technology elements.

The experimental device is loop accumulator fast movement and the differential

connection of the combination of rapid movement circuit design, the system can not only complete hydraulic transmission design, creative, comprehensive experiments, and especially suitable for hydraulic engineering testing, performance testing, for teaching, scientific research, detection has very strong support, is the scholars, experts, hydraulic engineering and technical personnel's right-hand man. Hydraulic system based on the general purpose, characteristics and requirements, using the basic principle of hydraulic transmission, and formulate a reasonable hydraulic system diagram, after the necessary calculations to determine the parameters of the hydraulic system. Then according to these parameters to choose the specifications of the hydraulic components and system structure design, and the

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system temperature rise calculation. The device is a rectangular hydraulic system layout, novel and beautiful appearance, power system adopts hydraulic system, the structure is simple, compact and reliable.

KEY WORDS: Accumulator，The experimental device，Differential connection，Fast forward，Work into，Retreat quickly，Temperature rise calculation

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1 前言

1.1 国内外液压系统技术现状及发展趋势

近代液压传动技术是由19 世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是舰船上的炮塔转位器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用车床到20 世纪30年代末才用上了液压传动。第二次世界大战期间，由于军事上的需要，出现了以电液伺服系统为代表的响应快、精度高的液压元件和控制系统，从而使液压技术得到了迅猛发展。

20 世纪50 年代，随着世界各国经济的恢复和发展，生产过程自动化的不断增长，使液压技术很快转入民用工业，在机械制造、起重运输机械及各类施工机械、船舶、航空等领域得到了广泛的发展和应用。20世纪60 年代以来，随着原子能、航空航天技术、微电子技术的发展，液压技术在更深、更广阔的领域得到了发展，在工程机械，数控加工中心，冶金自动线等国民经济的各个方面也都得到了应用。

目前液压技术应用的主要领域是工程机械和冶金机械等，具体来说，液压系统在国内外领域中有着广泛的应用。

1.2液压系统的组成及各部分的作用

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。

1.动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。

2. 执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。

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3 .控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

4.辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。 5.液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。

1.3液压系统的特性

1、液压传动的优点

（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；

（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；

（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；

（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。 2、液压传动的缺点

（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁； （2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；

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（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； （4）用油做工作介质，在工作面存在火灾隐患； （5）传动效率低。

1.4 液压产品的应用领域及市场要求

1.由于液压技术有许多的突出优点，从民国用到国防，由一般传动到精确度很高的控制系统，都得到广范的应用。

2、在机床工业中，目前机床传动系统有85%采用了液压传动与控制。如磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、剪床、和组合机床等。

3、在冶金工业中，电炉控制系统、轧钢机的控制系统、平炉装料、转炉控制、高炉控制、带材跑偏和恒张力装置等都采用了液压技术。

4、在工程机械中，普遍采用了液压传动，如挖掘机、轮胎装载机、汽车起重机、履带推土机、轮胎起重机、自行式铲运机、平地机和振动式压路机等。

5、在农业机械中，采用液压技术也很广泛，如联合收割机、拖拉机和犁等。 6、在汽车工业中，液压越野车、液压自卸式汽车、液压高空作业车和消防车等均采用了液压技术。

7、在轻纺工业中，采用液压技术的有塑料注塑机、橡胶硫化机、造纸机、印刷机和纺织机等。

2 蓄能器、差动连接的快速运动回路实验装置原理设计

2.1毕业设计目的

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。通过该题目原理图的设计，可以使学生熟悉液压传动

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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。

2.2毕业设计题目描述和要求

采用蓄能器、差动连接的快速运动回路实验装置设计。

设计（论文）所需收集的原始数据与资料：拟定液压缸速度快进、快退=2m/min，工进=1m/min，动摩擦阻力1000N。

主要研究采用蓄能器、差动连接的快速运动回路的原理，设计出合理的、能满足使

用要求的快速运动回路实验装置，并对系统进行温升校核。要求 ： 实验装置应能实现蓄能器、差动连接的快速运动回路实验。

2.3基本液压回路分析

（1）液压缸差动连接快速运动回路

图2-1所示的回路是利用二位三通电磁换向阀实现的差动连接快速运动回路，是机床中常用的实现“快进一工进一快退”的回路。当换向阀3在左位、阀5在上位时回路构成差动连接，实现快速进给运动，一方面油泵全流量供油，另一方面由于液压缸的作用面积小，故运动速度较高。当阀5通电时差动连接即被解除，液压缸的回油经过调速阀到油箱，形成调速阀回油节流调速，油泵一部分流量进人液压缸，另一部分流量经溢流阀回油箱，实现工作进给运动，一方面油泵部分流量供油，另一方面由于液压缸的作用面积大，故运动速度较低。

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2 图2-1 液压缸差动连接快速运动回路

（2）采用蓄能器的快速运动回路

当液压系统在某个较短的时间内需要较高的速度时可以采用蓄能器增速。图2-2所示为采用蓄能器的快速运动回路。当换向阀5在左位时，泵1和蓄能器4共同向液压缸供油，以提高液压缸的运动速度;当系统不工作时，换向阀5处于中位，油泵经单向阀3向蓄能器充液，蓄能器充满且压力达到预定值后打开卸荷阀使油泵卸荷。采用蓄能器的好处是可以用流量较小的油泵。

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图 2-2 采用蓄能器的快速运动回路

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2.4蓄能器、差动连接的快速运动回路实验装置的基本结构

该系统属于中低压实验装置。活动缸的法兰底座固定装在油箱上，工作缸活塞做左右往复运动，由液压压力推动顶出活塞使活塞杆运动。液压缸工作中承受全部的工作载荷。

工作缸采用单活塞杆式液压缸，当压力油进入工作缸进油腔，活塞在压力作用下做快进工进运动，其速度快慢由压力大小决定；当压力油进入工作缸回油腔腔，活塞返回运动，其做快退运动，如果系统在运动过程中油量不足，将有蓄能器辅助元件储能补充，故符合一般的实验监测要求。

该装置动力部分是液压泵，将机械能转变为液压能，向设备的工作油腔和液压缸提供压力液体。

2.5负载分析

根据中压系统要求，给定的的工况条件，卧式安装的液压缸活塞杆带动滑块及动横梁在立柱上滑行时，运动部件的负载为Ft=20000N，总行程为150mm.分析负载中，暂不考虑回油腔的压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因为工作部件是卧式放置，重力的水平分力为零，这样需要考虑的力有：切削力、导轨摩擦力和惯性力。导轨的正压力等于动力部件的重力，即取Fn=1000N。设导轨的静摩擦力为Ffs, 动摩擦力Ffd,则有 Ffs?fFSn?0.2?10000?2000N 滑动导轨低速启动，《机械设计手册》P23-50, F得fd?fF?2?1? dnfdnfd?FF?1000?0.1,(同上，P23-50,10000fd?0.1~0.12)

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惯性力为:F??m??G??10000260????170N (同上，?tg?t9.80.2P23-50,?t?0.1~0.5s). 如果忽略切削力引起的的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响,一般采取液压缸的机械效率0.90～0.95(同上P23-50),??0.95. m表2-1 液压缸各个阶段负载表 运动阶段 启动 计算公式 总机械负载F/N 2105 F?F/?fsm加速 F?(Ffd?F)/?mSm1232 快进 F?Ffd/?Sm 1053 工进 F?(Ffd?F)/?tSm 22105 快退 F?Ffd/?Sm 1053 2.6负载循环图和速度循环图绘制

根据负载计算结果和已知的各阶段的速度，可绘出负载图（F-L）和速度图（V-L）,见图2.3（a）和（b）。

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?min启动快进2mmin工进1mmin010100150Lmin?2mmin?a?FN21051232105310221050135150Lmin制动快退反向启动?b?图2-3 负载图（F-L）和速度图（V-L）

2.7拟定液压系统原理图

采用蓄能器、差动连接的快速运动回路实验装置设计

设计（论文）所需收集的原始数据与资料：拟定液压缸速度快进、快退=2m/min，工进=1m/min，动摩擦阻力1000N。

主要研究采用蓄能器、差动连接的快速运动回路的原理，设计出合理的、能满足使

用要求的快速运动回路实验装置，并对系统进行温升校核。要求 ： 实验装置应能实现蓄能器、差动连接的快速运动回路实验。制定方案原理图如2-4图所示：

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图2-4 液压系统原理图

2.8该实验装置液压系统原理循环

1.蓄能器油路

三位四通电磁换向阀10处于中位，液压泵3经过调节阀4，再打开单向阀5给蓄能器6供油。当蓄能器6储油满后打开溢流阀7，使多余的油液流回油箱1。

2.差动连接快速运动回路

液压泵3经过三位四通电磁换向阀10（1DT接通），油液进入液压缸14的无杆腔和有杆腔，溢流阀7也同时工作，组成差动连接快进回路。

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当液压泵3供给液压缸14的油量不足时，蓄能器6打开，把储存的油液经节流阀8，打开单向阀9与液压泵3同时给液压缸供油，使液压缸活塞向右快速运动，油液流回油箱。 3.工进油路 液压泵3经过三位四通电磁换向阀10（1DT接通），油液进入液压缸14的无杆腔，经过换向阀13（3DT接通，右位接入），再经过调速阀11和三位四通电磁换向阀10，使液压缸活塞向右实现工进，油液流回油箱。 4.快退油路 液压泵3经过三位四通电磁换向阀10（2DT接通），经过单向阀12和换向阀13（3DT接通，右位接入），油液进入液压缸14的无杆腔和有杆腔，使液压缸活塞向左快速退回复位，油液流回油箱。 表2-2 电磁铁动作顺序表 电磁铁 1DT 动作 快进 工进 快退 停止 + + - - - - + - - + + - 2DT 3DT 3 液压传动系统的设计计算 3. 1确定液压缸主要参数

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1.据《机械设计手册》表23.4-2和表23.4-3，P23-51,按载荷和液压机床类型初选液压缸的工作压力为P1?3MPa. 2.根据快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸(缸体卧式固定)，快进时采用差动连接，并通过蓄能器补油法来实现。据《机械设计手册》表23.4-6，P23-51，若要求往返速度相同时，应取d=0.71D,即液压缸无杆腔有效面积A1应为有杆腔有效工作面积A2的2倍，即A1=2A2。 液压缸回油路上装有调速阀，据《机械设计手册》表23.4-4，初定背压P2?0.4MPa. 根据表2-1计算知，最大负载为工进阶段的负载F=22105N,按此计算液压缸无杆腔有效面积A1，则有 ?1A1A2 p1p2DdFW 图3-1 A1?F22105??7.89?10?3m2?78.9cm2?3?1? 116P?P3?10??4?10512224A1液压缸直径D???4?78.9??10.03cm?3?2? 单活塞杆液压缸直径d=0.71D=7.12cm据《机械设计手册》表23.4-7和表23.4-8知分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封式元件。圆整后得：D=100mm,d=70mm. 按标准直径算出 A1??4D2??4?102?78.5cm2

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