70吨舞台升降液压系统设计资料.docx

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70吨舞台升降液压系统设计资料

大连交通大学

机电液课程设计说明书

设计题目：

3500kg舞台升降液压系统设计

学院：

机械工程学院

姓名：

张希良

班级：

机械茅以升112班

学号：

1104010907

指导老师：

王冬屏

时间：

2014年6月

目录

摘要........................................................................................................3

一、设计内容及要求4

1.1设计目的4

1.2舞台动作循环要求4

1.3舞台升降对液压传动系统的具体参数要求4

二、液压系统的初步设计5

2．1分析工况及设计要求,绘制液压系统草图5

三、机械系统的设计与计算6

3.1工况分析6

3.2液压缸内径及活塞杆直径计算6

3.3缸筒设计8

四、液压系统设计与计算9

4．1流量功率计算11

4.2确定液压泵的最高压力11

4.3液压泵的流量12

五、阀类元件及辅助元件13

5．1叶片泵选择13

5．2电机的选择13

5.3节流阀选择13

5.4三位四通电磁阀选择13

5.5液控单向阀14

5.6分流集流阀14

5.7储能器选择14

5.8压力继电器选择14

5.9溢流阀选择15

5.10滤油器选择15

5.11油管16

5.12油箱16

六、PLC设计17

6.1PLC的选型17

6.2PLC系统硬件设计17

6.3PLC端子接线图18

6.4梯形图19

6.5语句指令20

6.6硬件电路图21

个人心得............................................................................................22

参考文献............................................................................................23

摘要

本次课程设计是舞台升降液压系统设计，舞台升降是以液压传动为基础，利用液压传动其结构简单，体积小，质量轻，输出功率大及其易于操纵控制的优点来实现的。

此次设计主要是将自己所学的知识结合辅助材料运用到实际中，主要设计过程有：

明确传动过程，计算相关数据，绘制液压系统原理图，并且结合相关PLC技术最终实现所要设计的舞台升降要求。

关键词：

液压传动，PLC

一、设计内容及要求

1.1设计目的

课程设计是培养学生综合运用所学的基础理论和专业理论知识，独立解决实际设计问题的能力的一个重要的实践性教学环节。

因此，通过设计应达到下述目的。

a初步掌握正确的设计思想和设计的基本方法，步骤,巩固，深化和扩大所学的知识,培养理论联系实际的工作方法和独立工作能力；

b获得舞台升降总体设计，结构设计，零件计算，编写说明书。

绘制液压系统图1张；

c熟悉有关标准、规格、手册和资料的应用；

d完成PLC选型及硬件电路设计，绘制PLC端子接线图1张。

并完成软件设计，绘制梯形图与列出主要控制程序指令语句1张。

1.2舞台动作循环要求

设计舞台升降的液压系统，要求该液压系统完成动作：

上升→保持→上升→停止→下降→保持→下降→原位停止。

动作过程中能使演出平台保持一定的精度，同步，平稳的上升下降，系统结构紧凑，安全可靠。

上升速度可以调节，舞台停止时采用辅助液压泵保压。

1.3舞台升降对液压传动系统的具体参数要求

舞台重量3500kg,舞台升降速度是0.01m/s。

二、液压系统的初步设计

2．1分析工况及设计要求,绘制液压系统草图

工况分析：

按设计要求设计合理液压系统原理图

（1）按设计要求，希望系统结构简单，工作可靠，且系统的功率较大，根据教材液压系统常用液压泵性能比较表决定采用叶片泵，并用以溢流阀作安全阀，当系统超载时，溢流阀打开，对系统起到过载保护作用，而平时溢流阀是关闭的；

（2）舞台要求同步动作，故采用同步缸的同步回路，由于同步缸的四腔的有效面积相等，且四工作缸的面积也相同，则四缸实现同步运动；

（3）为了是舞台停留保持是要求安全可靠，故设计锁紧回路，使液压缸在任意位置上停留，且停留后不会因舞台自身重力而移动位置。

当换向阀左位接入时，压力油经左边液控单向阀进入液压缸下腔，同时通过控制口打开右边液空单向阀，使液压缸上腔得回油经过右边液空单向阀及换向阀流回油箱，活塞向上移动。

反之，活塞向下移动；

（4）因舞台要求上升速度可以调节，故设计调速阀接在执行元件进油路上；

（5）因舞台要求上升、下降及停留，故采用三位四通阀，使执行元件可以在任意位置停留，且执行元件正反向运动时可以得到不同的回油方式。

综上考虑，绘制出图所示液压传动系统草图。

三、机械系统的设计与计算

3.1工况分析

液压缸的输出力由工作压力p和活塞有效面积A决定的，而液压缸的输出速度v是由输入液压缸的流量q和活塞有效面积A决定的。

即：

F=P*Av=q/A

主机工作过程中，其执行机构所要克服的负载包括工作负载，惯性负载和阻力负载

（一）外负载F=3500kg×9.8N/kg/4=8.575KN

（二）惯性负载Fm=m△V/4△t=3500×0.01/40.05=0.175KN取△t=0.05s

（三）阻力负载

静摩擦阻力Ffs=fs*Fn，fs≤0.2～0.3取fs=0.2

动摩擦阻力Ffd=fd*Fn，fd≤0.05～0.1取fd=0.05

又因为Fn=mg/4=8.575KN=FG

所以Ffs=1.715KNFfd=0.8575KN

液压缸在各工作阶段的负载F单位：

KN

工况

负载组成

负载值

启动阶段

F=Ffs+FG

10.29

上升阶段

F=Ffd+Fm+FG

9.60

保持阶段

F=Ffd+FG

9.43

下降阶段

F=Ffs+Ffd-Fm+FG

7.63

初选液压缸的工作压力，根据计算得出各阶段负载值的最大值，查表8-7，载荷10~20KN取液压缸的工作压力为3MPa。

3.2液压缸内径及活塞杆直径计算

（1）查表得，按工作压力P

5MPa,取杆径比

=0.5，查表得，取p2=1MPa

=78.29mm

d=

D=0.5

78.291=39.15mm

根据表GB/T2348-2001标准圆整后D=80mm,d=40mm.

液压缸两腔的实际有效面积

（2）活塞杆强度校核

式中

，对于圆断面

满足强度条件。

（3）稳定性校核

—安全系数，一般取

=2~4

活塞杆长度=行程+行程量+法兰长度+初始位移伸出量=1000+20+40+50=1110mm

即工作负载小于临界负载，所以活塞杆的稳定性满足要求。

3.3缸筒设计

1.材料选择：

一般采用45号钢，并应调质到241-285HBS[σ]＝120MPa

缸筒厚度δ：

式中

—缸筒材料强度要求的最小值

—缸筒外径公差余量

—腐蚀余量

按中等壁厚缸筒计算:

=（0.08-0.3）D=6.4㎜-24㎜

取10㎜

缸筒外径

2.缸筒厚度验算

（1）工作额定压力应小于一极限值，以保证工作安全

（2）为避免塑性变形，额定工作压力应满足

—缸筒发生安全塑性变形的压力

（3）缸筒底部厚度

采用平行缸底，当缸底平面且无油孔，缸底厚度h为：

式中D—缸筒内径，计算中取Pmax=1.25P=1.25x3=3.75Mpa

—材料的许用应力（MPa），

—缸筒材料的抗拉强度，根据表《缸筒常用无缝钢管的材料力学性能》查得45号钢的

=600Mpa。

根据表《安全系数n》查得，静载荷下的钢的安全系数

四、液压系统设计与计算

按设计要求设计合理液压系统原理图

（1）按设计要求，希望系统结构简单，工作可靠，且系统的功率较大，根据教材液压系统常用液压泵性能比较表决定采用叶片泵，并用以溢流阀作安全阀，当系统超载时，溢流阀打开，对系统起到过载保护作用，而平时溢流阀是关闭的；

（2）舞台要求同步动作，故采用同步缸的同步回路，由于同步缸的四腔的有效面积相等，且四工作缸的面积也相同，则四缸实现同步运动；

（3）为了是舞台停留保持是要求安全可靠，故设计锁紧回路，使液压缸在任意位置上停留，且停留后不会因舞台自身重力而移动位置。

当换向阀左位接入时，压力油经左边液控单向阀进入液压缸下腔，同时通过控制口打开右边液空单向阀，使液压缸上腔得回油经过右边液空单向阀及换向阀流回油箱，活塞向上移动。

反之，活塞向下移动；

（4）因舞台要求上升速度可以调节，故设计调速阀接在执行元件进油路上；

（5）因舞台要求上升、下降及停留，故采用三位四通阀，使执行元件可以在任意位置停留，且执行元件正反向运动时可以得到不同的回油方式。

综上考虑，绘制出图所示液压传动系统图及电磁特动作顺序表

1—液压缸2—液控单向阀3—分流集流阀4—蓄能器

5—压力计6—压力继电器7单向顺序阀8—电磁换向阀

9—背压阀10—节流阀11—溢流阀12—液压泵

13—滤油器14—空气过滤器15—油箱16—行程开关

表2-1电磁铁动作顺序表

动作名称

1YA（3YA）

2YA（4YA）

同步上升

+

-

停止

-

-

保压

-

-

停止

-

-

同步下降

-

+

停止

-

-

4.1、流量功率计算

（1）上升时

（2）下降时

4.2确定液压泵的最高工作压力

P1---执行元件在稳定工况下最高压力

---沿程损失和局部损失

由于系统中有采用分流集流阀其损失在0.8-----1.2MPa之间则3个分流集流阀就有

=2.4MPa，若取其它局部和沿途损失为1.5MPa

4.3、液压泵的流量

k--考虑系流池漏修正系数一般取1.1--1.3

查《YB-E型叶片泵技术参数》选择YB-E20，其中

，

液压泵排量为20ml/r,则液压泵额定流量

由于液压缸在上升时输入功率最大，这时液压泵的工作压力为7.76MPa，流量为14.50L/min，查表《液压泵的总功率》取总效率

，液压泵驱动电动机所需功率

查电动机产品样本，选用Y100L-2型异步电动机额定功率P＝3KW,n=960r/min，

效率82%。

五、阀类元件及辅助元件

根据阀类及辅助元件所有油路的最大压力和通过最大试验流量，选出这些液压元件。

5.1叶片泵选择

⑴额定流量15.74L/min

⑵额定压力6.3Mpa

⑶型号规格YB-E20，V=20ml/r

5.2电机选择

额定功率：

3Kw

转速：

960r/min

型号规格Y100L-2效率82%

5.3节流阀选择

由于节流阀的流量不仅取决于节流口面积的大小，还与节流口前后的压差有关，阀的刚度小，故只适用于执行元件负载变化很小且速度稳定性要求不高的场合。

对于执行元件负载变化大及对速度稳定性要求高的节流调速系统，必须对节流阀进行压力补偿来保持节流阀前后压差不变，从而达到流量稳定。

根据流量与压力计算选择节流阀类型为TVC-02。

5.4三位四通电磁阀选择

换向阀是通过变换阀心在阀体内的相对工作位置，使阀体各油口连通或断开，从而控制执行元件的换向或启停。

阀心在中间位置时，流体的全部通路被阻断，活塞不动。

当阀心移到左端时，泵的流量流向A口，使活塞向右运动，活塞右腔的油液流经B口和阀流回流箱，反之当阀心移到右端时，活塞便向左运动。

因而通过阀芯的移动可实现执行元件的正反运动或停止。

根据所算出数据得到三位四通换向阀型号为34D-B10H。

5.5液控单向阀

液控单向阀是依靠控制流体压力，可以使单向阀反向流通的阀。

液控单向阀与普通单向阀不同之处是多了一个控制油路K，当控制油路未接通压力油液时，液控单向阀就象普通单向阀一样工作，压力油只从进油口流向出油口，不能反向流动。

根据算得数据得出应选型号为DIF-L20H2。

5.6分流集流阀

分流集流阀也称速度同步阀，是液压阀中分流阀，集流阀，单向分流阀，单向集流阀和比例分流阀的总称.同步阀主要是应用于双缸及多缸同步控制液压系统中。

通常实现同步运动的方法很多，但其中以采用分流集流阀－同步阀的同步控制液压系统具有结构简单、成本低、制造容易、可靠性强等许多优点，因而同步阀在液压系统中得到了广泛的应用。

分流集流阀的同步是速度同步，当两油缸或多个油缸分别承受不同的负载时，分流集流阀仍能保证其同步运动。

根据算得数据得出应选型号为ZSTF2-L40

130。

5.7储能器选择

在系统中，要求液压缸达到某一位置是保持一定的压力，这时可以是泵卸载，用蓄能器提供的压力油来补偿系统中的漏油，并且保持一定的压力，以节约能耗以及降低温升。

根据算得数据得出应选型号为FKQ320-4E。

5.8压力继电器选择

压力继电器是液压系统中当流体压力达到预定值时，使电接点动作的元件。

是将压力转换成电信号的液压元器件，可根据自身的压力设计需要，通过调节压力继电器，实现在某一设定的压力时，输出一个电信号的功能。

根据算得数据得出应选型号为PF-L8B。

5.9溢流阀选择

溢流阀是利用被控压力作为信号来改变弹簧的压缩量。

从而改变阀口的通流面积和系统的溢流量来达到定压目的。

当系统压力升高时.阀芯卜升，阀口通流面积增加，溢流量增大.进而使系统压力下降。

内部通过阀芯的平衡和运动构成栖这种负反馈作川是其定压作用的基本原理。

在常位状态下溢流阀进、出油口之问是不相通的，而且作用在阀芯上的液压力是山进口油液压力产生的，经溢流阀芯的泄漏油液经内泄漏通道进入回油口了。

根据算得数据得出应选型号为YF—L10B1。

5.10滤油器选择

网式滤油器，其滤芯以铜网为过滤材料，在周围开有很多孔的塑料或金属筒形骨架上，包着一层或两层铜丝网，其过滤精度取决于铜网层数和网孔的大小。

这种滤油器结构简单，通流能力大，清洗方便，但过滤精度低，一般用于液压泵的吸油口。

根据算得数据得出应选型号为RFA160X20P。

序号

元件名称

估计通过量

额定流量

额定压力

额定压降

型号，规格

1

叶片泵

—

15.74L/min

6.3

—

YB-E20

2

三位四通电磁阀

6.04

30

21

＜0.3

34D-B10H

3

压力继电器

—

—

7

＜0.3

PF-L8B

4

单向阀

30

80

21

＜0.2

DIF-L20H2

5

液控单向阀

30

60

21

＜0.2

DFY—B20H

6

溢流阀

0.5

40

8

—

YF—L10B1

7

储能器

0.5

0.05

42

14

—

FKQ320-4E

8

分流集流阀

30

40

130

32

—

ZSTF2-L40

130

9

节流阀

20

30

7

—

TVC-02

10

滤油器

20

25

7

—

RFA160X20P

元件的型号及规格

5.11油管

根据推荐选择在压油管的流速3m/s，按

式中q—通过管道的流量

v—管内允许流速

所以液压缸无杆腔及有杆腔的油管内径分别为

无：

4.6mm

有：

4.0mm

这两根管都可按GB/T2351—2005选用内径10mm，外径18mm的冷拔无缝钢管。

5.12油箱

根据经验，取数据

=6，故其容积为

6x14.50=87L

按JB/T7938—1999规定，取标准值V=100L

六、PLC设计

6.1PLC的选型

根据为了完成泵的输入的输入输出中的各项功能，可选择西门子S7—200作为此套系统的PLC。

S7—200为目前中小型系统首选PLC，特点是稳定、安全、价格适中。

6.2PLC系统硬件设计

PLC控制系统控制液压系统的电磁阀换向开关以及限位开关SQ1~SQ2，实现液压缸的变换，进而实现液压缸的上升与下降，压力传感器保证流量泵输出流量的稳定，工作过程如下：

（1）按下SB1，液压泵启动。

（2）按下SB2，液压缸匀速上升。

（3）按下SB3，液压缸手动上升控制。

（4）碰到行程开关SQ1，液压缸停止上升。

（5）按下SB4，液压缸匀速下降控制。

（6）按下SB5，液压缸手动下降控制。

（7）碰到行程开关SQ2，液压缸停止下降。

（8）按下开关SB6液压泵停止

系统用四个按钮控制，一个启动按钮，一个停止按钮。

按一下启动按钮就开始工作，按一下停止按钮系统自动卸荷并停止工作。

舞台升降控制系统PLC输入／输出点分配见表2-1

表2-1

输入电器

输入点

输出电器

输出点

启动按钮SB1

I0.1

输出线圈KM1

Q0.1

自动上升按钮SB2

I0.2

电磁铁KM2

Q0.2

手动上升按钮SB3

I0.3

电磁铁KM3

Q0.3

自动下降按钮SB4

I0.4

启动指示

Q0.5

手动下降按钮SB5

I0.5

上升指示

Q0.6

压力传感器

I0.6

下降指示

Q0.7

行程开关SQ1

I0.7

过载指示

Q0.8

行程开关SQ2

I0.8

行程（限位）开关SQ3

I0.8

停止按钮SB6

I1.1

6.36.3PLC端子接线图

6.4梯形图

6.5语句指令

6.6硬件电路图

个人心得

经过两个星期的努力，本次机电液压课程设计我们6人小组从最基础的压力继电器和分流集流阀的工作原理查起，一点点，一步步，把这个3500kg舞台液压升降系统的液压回路图绘制完毕，然后是对PLC的控制电路图，端子接线图，语句表等的探讨，通过软件画出来电路图，其中，我主要参与了对PLC电路的设计和绘画，以及最后对整套设计说明书的编写。

这中间有很多计算和公式，我们经历了很多错误，但是经过我们的不断坚持和努力，共同完成了这个令人激动的课程设计，我们对自己努力的结果比较满意，同时在这次的机电液课程设计中，通过对3500kg舞台升降液压系统的设计计算，对液压元件和液压系统的工作原理又有了进一步的认识，对机电传动控制的知识又有了巩固和提高，总之，这次课设的收获特别大，除了知识以外，还有团队合作的意识和与同组同学的友谊。

参考文献

[1]  机电传动控制王丰 李明颖汤武初中国计量出版社 2007

[2]  液压与气压传动  王积伟 章宏甲黄谊机械工业出版社2005