液压上料机原理与液压缸的设计Word文档下载推荐.docx
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一、液压传动的研究对象
液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械的传动和自动控制的科学。
它是利用各种元件组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量传递，转换和控制。
因此，要研究液压传动及其控制技术，就首先要了解组成系统的各类元件的结构，工作原理，工作性能以及由这些元件所组成的各种控制回路的性能和特点，并在此基础上进行液压传动控制系统的设计。
二、液压系统的组成
1）能源装置—把机械能转换成流体的压力能的装置，一般最常见的是液压泵。
2）执行装置—把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指作直线运动的液压缸，作回转运动的液压马达等。
3）控制调节装置—对液压系统中流体的压力，流量和流动方向进行控制和调节的装置。
例如溢流阀，节流阀，换向阀等。
这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液压系统。
4）助装置—指除以上三种外的其他装置，如油箱、过滤器，分水滤气器、油雾器、蓄能器等。
它们对保证液压系统可靠和稳定地工作有重大作用。
5）动介质—传递能量的流体，即液压油。
三、液压传动的优缺点
1、拖动能力
从所能达到的最大功率看，液压系统远不如电力拖动系统，但液压传动最突出的优点是出力大，重量轻，惯性小以及输出刚度大，可用以下的指示来表示：
a）功率—质量比大这意味着同样功率的控制系统，液压系统体积小，重量轻，这是因为电机元件，例如电动机由于受到磁性材料饱和作用的限制，单位质量的设备所能输出功率比较小，液压系统可以通过提高系统的压力提高输出功率，这时仅受到机械强度和密封技术的限制。
在典型情况下，发电机和电动机的功率---质量比仅为165W/KG，而液压泵和液压马达可达165W/KG，是机电元件的10倍，在航空航天技术领域应用的液压马达可达6600W/KG。
作直线运动的动力装置将更加悬殊，从单位面积出力来看液压缸的出力一般可达到700-3000N/CM2，而直流直线式电动机为30N/CM2左右。
b）力—质量比液压缸的力—质量比一般为13000N/KG，而直流直线式电10-20倍，这意味着液压系统能够产生大的加速度，也就是说时间常数小，响应速度快，具有优良的动态品质。
2、控制方式性能
液压传动在组成控制系统时，与机械装置相比，其主要优点是操作方便，省力，系统结构空间的自由度大，易于实现自动化，且能在很大的范围内实现无级调速，传动比可达100：
1至2000：
1。
如与电气控制相配合，可较方便的实现复杂的程序动作和远程控制。
此外，流动传动还具有传递运动均匀平稳，反应速度快，冲击小，能高速启动，制动和换向；
易于实现过载保护；
流体控制元件标准化，系列化和通用化程度高，有利于缩短机器的设计，制造周期和降低制造成本。
当然液压传动也有一定的缺点，例如传动介质易泄漏和可压缩性会使传动比不能严格保证；
由于能量传递过程中压力损失和泄漏的存在使传动效率低；
流体装置不能在高温下工作；
流体控制元件制造精度高以及系统工作过程中发生故障不易诊断等。
四、压传动的应用及发展
在工业生产的各个部门应用液压传动技术的出发点是不尽相同的。
例如，工程机械，矿山机械，压力机械和航空工业中采用液压传动的主要原因是取结构简单，体积小，重量轻，输出力大；
机床上采用液压传动是取其能在工作过程中方便的实现无级调速，易于实现频繁的换向，易于实现自动化。
液压传动在各类机械中的应用如表1-1
表1-1
行业名称
应用举例
工程机械
挖掘机装载机推土机
矿山机械
凿开机开掘机提升机液压支架
建筑机械
打桩机液压千斤顶平地机
冶金机械
轧钢机压力机步进加热炉
锻压机械
压力机模锻机空气锤
机械制造
组合机床冲床自动线气动扳手
液压传动发展到目前的水平主要是由于液压传动本身的特点所致，随着工业的发展，液压技术必将更加广泛的应用于各个工业领域。
液压技术自18世纪末英国制成世界上第一台水压机计算起，已有300年的历史了，但是真正的发展只是在第二次世界大战后50余年的时间内，战后液压技术迅速转向民用工业，在机床，工程机械，农业机械，汽车等行业中逐步推广。
本世纪60年代以来，随着原子能，空间技术，计算机技术的发展，液压技术得到了很大的发展，并渗透到各个工业领域中去。
当前液压技术正向高压，高速，大功率，高效，低噪音，经久耐用，高度集成化的方向发展。
同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD），计算机辅助测试（CAT），计算机直接控制（CDC），计算机实时控制技术，机电一体化技术，计算机仿真和优化设计技术，可靠性技术，以及污染控制技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。
五、系统的污染控制
工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因。
它严重影响液压系统的可靠性及液压元件的寿命，因此工作介质的正确使用，管理以及污染控制是提高液压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。
1.污染的根源
进入工作介质的固体物有四个主要根源，它们是：
已被污染的新油，残留污染，侵染和内部生成污染。
了解每一个根据，都是液压系统的污染控制措施和过滤器设置的主要考虑因素。
a）已被污染的新油—虽然液压油和润滑油是在比较清洁的条件下精炼和调和的，但油液在运输和储存过程中受到管道，油桶和储油罐的污染。
其污染物为灰尘，沙土，锈垢，水分和其它液体等。
b）残留污染—液压系统和液压元件在装配和冲洗中的残留物。
如毛刺，切屑，型砂，涂料，橡胶。
焊星和棉纱纤维等。
c）侵入污染—液压系统运行过程中，由于油管密封不完善以及元件密封装置损坏由系统外部侵入的污染物。
如灰尘，沙土，切屑以及水分等。
d）生成污染—液压系统运行中系统本身所生成的污染物。
其中既有元件磨损剥离，被冲刷和腐蚀的金属颗粒或橡胶末，又有油液老化产生的污染物等。
这一类污染物最具有危险性。
3、引起的危害
液压系统的故障有75%以上是由工作介质污染所引起的。
污染物颗粒具有各种形状和尺寸并由各种材料组成，大多数是磨粒性的。
它们与元件表面相互作用时，产生磨粒磨损和表面疲劳。
从元件表面犁削和切削出碎片，加速元件磨损，使内泄漏增加，降低泵，阀等元件的效率和精度，这些变化一开始很难察觉，尤其对泵来说，最终会引起失效。
这种失效是不能恢复的退化失效。
最容易引起磨损的颗粒是处于间隙尺寸的颗粒。
当一个大颗粒进入泵或阀时，可能使泵或阀卡死，或者堵塞阀的控制节流孔，引起突发失效。
细小颗粒淤积也能引起突法失效。
有时，颗粒或污染物防碍阀的归位，使阀不能完全关闭，当阀再次打开时，该颗粒或污染物可能被冲走，于是，出现一种讨厌的间歇失效。
导致液压系统不能正常工作。
颗粒污染物和油液氧化变质生成的粘性胶质堵塞过滤器，使液压泵运转困难，产生噪声。
水分和空气的混入使工作介质的润滑性能降低，并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，液压系统出现振动和爬行等现象。
这些故障轻则影响液压系统的性能和使用寿命，重则损坏元件使元件失导致液压系统不能工作。
危害是非常严重的。
1.3本文研究内容
如下：
第二章
一上料机的液压传统系统的设计。
要求驱动它的液压传动系统完成快速上升-——慢速上升——停留——快速下降的工作循环。
其垂直上升工件1的重力为5000N，滑台2的重量为1000N，快速上升行程350MM，速度要求大于45mm/s；
慢速上升行程为100mm，其最小速度为8mm/s；
快速下降行程为450mm，速度要求大于等于55mm/s，滑台采用V行导轨，其导轨面的夹角90度，滑台与导轨的最大间隙为2mm，起动加速和减速时间均为0.5s，液压缸的机械效率（考虑密封阻力）为0.91.
2.1
㈠负载分析
1.工作负载
2.摩擦负载
由于工件为垂直起升，所以垂直作用于导轨的载荷可由其间隙和机构尺寸求得F=120N，取fs=0.2，fd=0.1则有
静摩擦负载
动摩擦负载
3.惯性负载
加速
减速
制动
反向加速
反向制动
根据以上的计算，考虑到液压缸垂直安放，其重量较大，为防止因自重而自行下滑，系统中应设置平衡回路。
因此在对快速向下运动的负载分析时，就不考虑滑台2的重量。
则液压缸各阶段中的负载如表9-3所示（效率0.91）
表9—3液压缸各阶段中的负载
工况
计算公式
总负载
缸推力
启动
F=Ffs+FL
6033.94
6630.70
加速
F=FL+Ffd+Fa1
6072.02
6672.55
快上
F=Ffd+FL
6016.97
6612.05
F=Ffd+FL-Fa2
5971.71
6562.32
慢上
F=FL+Ffd
F=Ffd+FL-fa3
6007.18
6601.30
F=Ffd+Fa4
84.25
92.58
F=Ffd
16.97
18.65
F=Ffd-Fa5
-50.31
-55.29
2.2负载图和速度图的绘制
按照前面的负载分析结果及已知的速度要求行程限制等，绘制出负载图及速度图如图9-4所示。
F/N
6672.556612.05
6630.70
18.6592.58
0
-55.29350450s/mm
45
8
0350450s/mm
55
图9—4液压缸的负载图及速度图*
2.3液压缸主要参数的确定
1初选液压缸的工作压力
根据分析此设备的负载不大，按类型属机床类，所以初选液压缸的工作压力为2.0MPa。
2计算液压缸的尺寸
按标准取：
D=63mm
根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：
按标准取d=25mm。
则液压缸的有效作用面积为：
无杆腔面积
有杆腔面积
3活塞杆稳定性校核
因为活塞杆总行程为450mm，而活塞杆直径为25mm，l/d=450/25=18,需进行稳定性校核，由材料力学中的有关公式，根据该液压缸一端支承一端铰接取末端系数
，活塞杆材料用普通碳钢则：
材料强度实验值
，系数
，柔性系数
，
，因为
，所以有其临界载荷
取其安全系数
时
所以，满足稳定性条件。
4.求液压缸的最大流量
5.绘制工况图
工作循环中各个工作阶段的液压缸压力流量和功率如表9-4所示。
压力
流量
功率
1.93
8.42
270.84
1.50
48.25
快下
0.0065
8.67
0.94
由表9-4可绘制出液压缸的工况图，如图9-5所示
2.4液压系统图的拟定
液压系统图的拟定，主要是考虑以下几个方面的问题：
（1）供油方式从工况图分析可知，该系统在快上和快下时所需的流量较小，因此从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，采用单个定量泵的供油方式显然是不适合的，宜选用双联式定量叶片泵作为油源。
（2）调速回路由工况可知可知，该系统在慢速时速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的回油节流调速回路。
（3）速度换接回路由于快上和满上之间速度需要换接，但对换接到位置要求不高，所以采用由行程开关发讯控制二位二通电磁阀来实现速度的换接。
（4）平衡及锁紧为防止在上端停留时重物下落和在停留期间内保持重物的位置，特在液压缸的下腔（无杆腔）进油路上设置了液控单向阀；
另一方面，为了克服滑台自重在快下过程中的影响，设置了一单向背压阀。
1.93
0.0065
8.428.67
1.50
270.84
48.2
00.94
图9-5液压缸的工况图
2.5液压元件的选用
1.确定液压泵的型号及电动机功率
液压缸在整个工作循环中最大工作压力为1.93MPa，由于该系统比较简单，所以取其压力损失
=0.4MPa，所以液压泵的工作压力为
两个液压泵同时向系统供油时，若回路中泄漏按10%计算，则两个泵的总流量应为qp=1.1*8.67L/min=9.537L/min，由于溢流阀最小稳定流量为3L/min，而工进时液压缸所需流量为1.5L/min，所以。
高压泵的输出流量不得少于4.5L/min。
根据以上压力和流量的数值查产品目录，选用型的双联片泵，其额定压力为6.3MPa，容积效率，总效率，所以驱动该泵的电动机的功率可由泵的工作压力（2.33MPa）和输出流量（当电动机转速为910r/min）qp=2*6.3*910*0.85*0.01L/min求出
查电动机产品目录，拟定选用电动机的型号为Y90S-6,功率为750W，额定转速为910r/min。
2.选择阀类元件及辅助元件
根据系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的流量，可选出这些元件的型号及规格如9-5
序号
名称
通过流量
型号及规格
1
滤油器
11.47
WU-16X*-J
2
双联叶片泵
9.75
YB16.3
3
单向阀
4.875
AF3-Ea10B
4
溢流阀
3.375
YF3-10B
5
三位四通电磁换向阀
34EF3Y-E10B
6
单向顺序阀
11.57
AXF3—10B
7
液控单向阀
YAF3—Ea10B
8
二位二通电磁换向阀
8.21
22EF3—E10B
9
单向调速阀
AQF3—E10B
10
压力表
Y—100T
11
压力表开关
12
电动机
Y90S-6
⑴
1.滤油器WU-16X*-J
过滤器的功用是清除油液中的各种杂质，以免其划伤，磨损，甚至卡死有相对运动的零件，或堵塞零件上的小孔及缝隙，影响系统的正常工作，降低液压元件的寿命，甚至造成液压系统的故障。
用过滤器对油液进行过滤是十分重要的。
过滤器的选用应考虑如下几个方面。
1根据使用的用途选择过滤器的种类，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。
2过滤器应具有足够大的通油能力，并且压力损失要小。
3过滤精度应满足液压系统或元件所需要清洁度要求。
4过滤器所使用的滤材应满足所使用工作介质的要求，并且有足够的强度。
5过滤器的强度及压力损失是选择时重点考虑的因数，安装过滤器后会对系统造成局部降压或产生背压。
6滤芯的更换及清洗应方便。
7结构尽量简单，紧凑，安装形式合理。
8价格低廉。
根据使用目的选择过滤器的种类，根据安装。
《液压系统设计元器件选型手册》周思涛主编P754.
2.叶片泵YB16.3
上海液压件厂，阜新液压件厂，武汉液压件厂。
《液压系统设计元器件选型手册》周思涛主编P86-87表1-42，144.
YB16.3
排量
压力
转速
外形尺寸
质量
6.3ml/r
6.3MPa
1450r/min
151*90*105
5.3KG
《液压元件手册》黎启柏主编P5253
YB16.3□-□□⑴名称：
叶片泵YB⑵结构代号（用下标）：
1——中压浮动结构2——减压结构⑶压力等级（MPa）C-6.3（一般不注明）D-10,E-16⑷排量ml/r（后泵/前泵排量）
3.单向阀AF3-Ea10B
《液压元件手册》黎启柏主编P256表3-3-6
型号
通径mm
压力MPa
生产单位
AF3
10，20
16
40-100
佛山液压件厂
外形结构P268表3-3-21
4.溢流阀YF3-10B
《液压元件手册》黎启柏P213P124
YF3-⑴⑵⑶-⑷
YF:
名称溢流阀3.结构代号⑴压力等级：
C-6.3MPa略E-16MPa⑵通径10.20mm⑶安装形式：
L-管式B—板式⑷调压手柄与安装板平面关系：
平行（略）C垂直。
通径
额定流量
调压范围
缸荷压力
/MPa
重量1KG
63
0.5-6.3
0.45
1.9
外形尺寸见P215
5.三位四通电磁换向阀34EF3Y-E10B
3：
工作数量4：
通油路数E干式直流型F3固定表达形式
Y滑阀机能代号E：
公称压力16Mpa10：
通径MMB复位形式
《液压元件手册》黎启柏
6单向顺序阀AXF3—10B
AXF—单项顺序阀3—结构代号10—通径10mmB板式安装
《液压元件手册》黎启柏P2192.11.5顺序阀
7液控单向阀YAF3—Ea10B
板式连接
开启压力
控制压力
10mm
16MPa
40L/min
0.05
《液压元件手册》黎启柏P259表3-3-10
8二位二通电磁换向阀22EF3—E10B
2：
工作位置数2：
通油路数E公称压力10通径B板式
9单向调速阀AQF3—E10B
通径10额定压力16MPa最高使用压力20MPa
最小稳定流量50cm/min最大流量50L/min使用油温10-60
油液粘度7—320最低工作压力0.7MP重量5.0kg
10压力表Y—100T
Y弹簧压力表100压力表直径mmT径向有边
生产厂：
无锡雪浪仪表厂，沈阳仪表厂，宜昌仪表厂，西安仪表厂，无锡市特种压力表厂
《液压系统设计元器件选型手册》周恩涛编P809P810
11压力表开关
12电动机Y90S-6
Y90S-6
额定功率
电流
效率
功率因数
转动惯量
质量
0.75kw
910r/min
2.25A
72.5
0.70
0.029
23kg
《机械设计通用手册》张展
2.6液压系统的性能验算
1压力损失及调定压力的确定
根据计算慢上时管道内的油液流动速度约0.50m/s,通过的流量为1.5L/min,数值较小，主要压力损失为调速阀两端的压降；
此时功率损失最大；
而在快下时滑台及活塞组件的重量由背压阀所平衡，系统工作压力很低，所以不必验算，因而必须以快进位依据来计算卸荷和溢流阀的调定压力，由于供油流量的变化，其快上时液压缸的速度为
此时油液在进油液在进油管的流速为
⑴沿程压力损失首先要判别管中的流态，设系统采用N32液压油。
室温为20度时，
所以有：
，管中为层流，则阻力损失系数
，若取进回油管长度均为2m，油液的密度为
，则其进油路上的沿程压力损失为
⑵局部压力损失局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的10%；
而后者则与通过阀的流量大小有关，若阀的额定流量和额定压力损失为
和
，则当通过阀的流量为q时的阀的压力损失
因为GE系列10mm通经的阀的额定流量为63L/min，叠加阀10MM通经系列的额定流量为40L/min，而在本例中通过每一个阀的最大流量仅为9.75L/min，所以通过整个阀的压力损失很小，且可以忽略不计。
同理，快上时回油路上的流量
，则回油路油管中的流速
。
由此可计算出Re=vd/v=2.72*8*0.001/0.0001=217.6（层流），
所以回油路上的沿程压力损失为
⑶总压力损失由上面的计算所得可求出
原设
，这与计算结果略有差异，应用计算出的结果来确定系统中压力阀的调定值。
⑷压力阀的调定值双联泵系统中卸荷阀的调定值应该满足快进的要求，保证双泵同向系统供油，因而卸荷阀的调定值应略大于快进时泵的供油压力
所以卸荷阀的调压压力应取2.6Mpa为宜。
溢流阀的调定压力应大于卸荷阀调定压力0.3-0.5Mpa，所以取溢流阀调定压力为3.0Mpa
背压阀的调定压力以平衡滑台自重为根据，即
，取p=0.4MPa。
2.系统的发热与温升
根据以上的计算可知，在快上时电动机的输入功率为
；
慢上时的电动机输入功率为
而快上时其有用功率为
满上时的有用
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