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1、毕业设计说明书第一章 概述1.1流体控制技术综述1.1.1 流体简述 流体是液体和气体的总称。流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力（即粘滞性）。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。固体和流体具有以下不同的特征：在静止状态下固体的作用面上能够同时承受剪切应力和法向应力。而流体只有在运动状态下才能够同时有法向应力和切向应力的作用，静止状态下其作用面

2、上仅能够承受法向应力，这一应力是压缩应力即静压强。固体在力的作用下发生变形，在弹性极限内变形和作用力之间服从虎克定律，即固体的变形量和作用力的大小成正比。而流体则是角变形速度和剪切应力有关，层流和紊流状态它们之间的关系有所不同，在层流状态下，二者之间服从牛顿内摩擦定律。当作用力停止作用，固体可以恢复原来的形状，流体只能够停止变形，而不能返回原来的位置。固体有一定的形状，流体由于其变形所需的剪切力非常小，所以很容易使自身的形状适应容器的形状，在一定的条件下并可以维持下来。1.1.2流体的划分与液体相比气体更容易变形，因为气体分子比液体分子稀疏得多。在一定条件下，气体和液体的分子大小并无明显差异，

3、但气体所占的体积是同质量液体的103倍。所以气体的分子距与液体相比要大得多，分子间的引力非常微小，分子可以自由运动，极易变形，能够充满所能到达的全部空间。液体的分子距很小，分子间的引力较大，分子间相互制约，分子可以作无一定周期和频率的振动，在其他分子间移动，但不能像气体分子那样自由移动，因此，液体的流动性不如气体。在一定条件下，一定质量的液体有一定的体积，并取容器的形状，但不能像气体那样充满所能达到的全部空间。液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的

4、一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段， 1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20世纪初康斯坦丁尼斯克(G Co

5、nstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 第二次世界大战(1941-1945)期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。在1955年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会”。近2030年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置

6、等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。气压传动的特点是:工作压力低,一般为

7、0.30.8兆帕，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；但气压传动速度低，需要气源。 1829年出现了多级空气压缩机，为气压传动的发展创造了条件。1871年风镐开始用于采矿。1868年美国人G.威斯汀豪斯发明气动制动装置，并在1872年用于铁路车辆的制动。后来，随着兵器、机械、化工等工业的发展，气动机具和控制系统得到广泛的应用。1930年出现了低压气动调节器。50年代研制成功用于导弹尾翼控制的高压气动伺服机构。60年代发明射流和气动逻辑元件，遂使气压传动得到很大的发展。气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气源一般由

8、Link title压缩机提供。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和气动马达。气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气动辅件包括：净化空气用的分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器，管子联接件等。在气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。1.1.3流体的发展简史流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。 对流体力学学科的形

9、成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展。 直到15世纪，意大利达芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度、力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。 17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出

10、了牛顿粘性定律。但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。 法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系伯努利方程。 欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实

11、验测量进行流体运动定量研究的阶段。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究。在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。 19世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这就形成了水力学，至今它仍与流体力学并行地发展。1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏

12、观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。 普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了许多新概念，并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使上述两种情况得到了统一。 20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展，期望能够揭示飞行器

13、周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定了它指导工程设计的重大意义。 机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上，又迅速扩展了从19世纪就开始的，对空气密度变化效应的实验和理论研究，为高速飞行提供了理论指导

14、。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。 以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等。 这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。从50年代起，电子计算机不断完善，

15、使原来用分析方法难以进行研究的课题，可以用数值计算方法来进行，出现了计算流体力学这一新的分支学科。与此同时，由于民用和军用生产的需要，液体动力学等学科也有很大进展。 20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力学问题的有限元法。经过十多年的发展，有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中，优越性更加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题，也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。 从20世纪60年代起，流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学

16、等；原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定量的研究，生物流变学就是一个例子。1.2流体技术发展趋势 展望下一世纪流体力学的发展，一方面以湍流机制为核心的若干基本问题将继续受到重视; 另一方面为促进国家建设和社会进步，主要力量将会集中于研究与解决具有明确应用目标的应用基础课题。今后10至20年，流体力学大体会沿以下三个方向发展:1、在基础理论研究方面，湍流机制将仍然是研究的焦点对于流动稳定性和混沌的研究也将会以相当大的比重与湍流研究相结合或者与之发生密切的联系。近来发展非常迅速的各类流动显示技术和粒子成像测速法将对猝发、分离、失稳，以及各类涡的形成、运动和发展、破裂、合并、重联等现象和过程提

17、供详细的记录，巧妙地设计实验将为建立新的理论模型指出方向和依据。直接数值模拟可以摒弃对经验的依赖，考虑到计算机性能的限度，需要发展高分辨率的算法和并行计算技术，精心设计典型算例，将会提供更多新的现象和规律。研究湍流、混沌所遇到的数学困难在于N-S方程的非线性，采用摄动展开不失为解决弱非线性问题的手段，但很有必要寻求新的表述方法和数学工具。针对不同类型的流动特点，将会不断构造出新的理论模型，增强预测的能力。在应用基础研究方面，需要加强流体力学的研究2、在应用基础研究方面除了继续解决航空航天、航海、机械、水利、化工等方面的流体力学问题，还将在普遍受到重视的能源、环境、材料以及高技术等领域中加强流体

18、力学的研究。相当数量的问题是具有几何形状复杂、流体结构多样，还可能存在多相和反应以及出现非平衡现象，值得提到的有超声速燃烧，化学反应流，高超声速绕流等。不论是整体流场或是某一单元过程，数值模拟将会发挥重要作用。在某些典型问题方面，如绕流、水波、可压缩性波动等，已经发展了一批大型计算软件，今后这一发展势头将会更快，它不仅可以满足实用的需要，也是一种为理论研究服务的数值实验。3、一些新的领域可能有大的发展从阿基米德到现在的二千多年，特别是从20世纪以来，流体力学已发展成为基础科学体系的一部分，同时又在工业、农业、交通运输、天文学、地理学、生物学、医学等方面得到广泛应用。由于社会经济持续发展的需要，

19、流体力学将会对全社会关心的生态环境的维护问题发挥积极的作用，重点是研究陆气、海气界面过程，污染物的迁移，风沙、泥沙、泥石流运动，以及农业和工业中的水循环等。此外，与生物、地球和天文的结合也将会涌现重大的研究成果。今后，人们一方面将根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性的研究，另一方面将更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。后一方面主要包括：通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流动和分离；生物地学和环境流体流动等问题；有关各种实验设备和仪器等。第二章 门窗组角机主要特点2.1 门窗组角机主要结构该组角机主要由外部机架，液压系

20、统，电气系统三大部分组成。外部机架主要由组角滑板，电气控制柜，工作平台，定位块，调整手轮等主要部分组成。液动系统由异步电机，液压泵，电磁阀，高压胶管，空气滤清器，过滤器，液位液温计，压力表等主要部分组成。 电气系统主要由继电器，电磁阀等主要部分组成。门窗组角机特点：1、动力由液压系统控制，使工作平稳可靠；2、左右冲头钢性同步进给，避免组角过程的无益变形，使窗角连接更牢固；3、螺纹调节上下组角刀的距离，使对刀工作更方便；4、同步进给机构使机器调整变得简单。2.2 门窗组角机工作原理设计的技术方案为：包括工作台，有通过支点活动连接在工作台上的两条相对的作用臂，在所述作用臂的前部安装有冲铆刀，两作用

21、臂的后部通过单个油缸活动连接，两作用臂之间安装有稳定机构。将门窗型材放在定位液压缸上的定位块上，型材在液压缸的驱动之下，活动连接在工作台上组角滑板带动冲铆刀以完全相同的力度同步冲铆型材，避免冲铆时的角偏，提高了产品质量和成品率；同时，由于采用单油缸带动组角滑板的设计简化了机械机构，使得本实用新型性能可靠、成本低廉。本机是在吸收国外同类产品优点的基础上开发的新机型。本机采用，电，液联和操作控制。动力由液压系统控制，使工作平稳可靠，左右冲头钢性同步进给，避免组角过程的无益变形，使窗角连接更牢固，同步进给机构使机器调整变得简单，由于采用了机械联动新结构，消除了油压波动对组角质量的影响，使组角过程易于

22、控制，组角深度更加一致，组角的90角度更加精确。另外，螺纹调节上下组角刀的距离，使对刀工作更方便，可配置单刀多点组角刀，使门窗组角更加可靠。如图2.1门窗组角机总体结构图:图2.1 组角机总体结构图Fig.2.1 Figure of overall structure of machine for door and window 表2.1 组角机明细表Table 2.1 Schedule of doors and windows processor序号名 称1滑板调整手轮2组角油缸3工作台4辅助定位器5组角滑板6组角启动按钮7液压停止按钮8定位延时继电器9退刀延时继电器10电源指示灯11液压启

23、动按钮12冲铆轴13轴座14刀架15主定位器16定位油缸17定位油缸调整手轮18机架支座19滑块20滑槽2.3门窗组角机主要技术参数根据门窗组角机工艺要求得出门窗组角机主要技术参数如表2.1所示：表2.2 门窗组角机主要技术参数Table2.2 Main technical parameters of doors and windows processor电源三相四线 380V 50Hz电机功率1.1KW电机转速1430r/min额定油泵压力16Mpa油箱容量20L总组角压力16000N组角运动行程70mm第三章 门窗组角机液压系统设计3.1 液压系统原理图根据门窗组角机对液压系统的要求绘出门

24、窗组角机液压系统原理图如图3.1图3.1 液压系统原理图Fig.3.1 Schematic diagram of hydraulic system下表为液压系统元件明细表:表3.1 液压系统元件明细表Table 3.1 Schedule of component of hydraulic system1油箱7联轴器2液位液温计8电机3空气滤清器9耐震压力表4滤油器10电磁换向阀5油泵11组角油缸6溢流阀12定位油缸图1所示为门窗组角机液压系统原理图，当门窗组角机开始工作时，操作工人将要加工的型材放到定位油缸（12）上的主定位器上将型材固定好位置，此时通过电气控制系统让电磁阀上的3DT通电，其余

25、断电。定位油缸中的活塞杆开始向左移动，移动到一定行程后停止，活塞杆固定在当前位置，此时电磁换向阀上的2DT开始通电，组角油缸中的活塞杆开始向右移动，活塞杆上连接的组角滑板也随着活塞杆运动，当组角滑板上的刀具完成冲铆后，电磁换向阀上的2DT 断电，4DT通电，组角油缸中的活塞杆连同其上的组角滑板及其刀具开始反向运动，直到活塞杆回到初始位置，4DT断电，然后电磁换向阀上的3DT断电，1DT通电，定位油缸中的活塞杆开始返回，直到回到初始位置，1DT断电，整个组角过程完成。如图3.2操作流程图：图3.2 操作程序图Fig.3.2 Operation flow chart3.2主要参数确定根据门窗组角机

26、的主要技术参数组角缸活塞杆输出的压力为16000N，所需油泵的额定压力为16MPa，电机功率最少为1.1KW，电机转速为1430r/min，油箱容量为20L。通过上述参数来选择液压系统元件。3.3液压系统元件选型3.3.1液压泵的选择液压泵是为液压传动提供加压液体的一种液压元件，是泵的一种。它的功能是把动力机(如电动机和内燃机等)的机械能转换成液体的压力能。液压泵的分类：按流量是否可调节可分为：变量泵和定量泵。输出流量可以根据需要来调节的称为变量泵，流量不能调节的称为定量泵。按液压系统中常用的泵结构分为：齿轮泵、叶片泵和柱塞泵3种。1、齿轮泵：体积较小，结构较简单，对油的清洁度要求不严，价格较

27、便宜；但泵轴受不平衡力，磨损严重，泄漏较大。2、叶片泵：分为双作用叶片泵和单作用叶片泵。这种泵流量均匀、运转平稳、噪音小、工作压力和容积效率比齿轮泵高、结构比齿轮泵复杂。3、柱塞泵：容积效率高、泄漏小、可在高压下工作、大多用於大功率液压系统；但结构复杂，材料和加工精度要求高、价格贵、对油的清洁度要求高。一般在齿轮泵和叶片泵不能满足要求时才用柱塞泵。还有一些其他形式的液压泵，如螺杆泵等，但应用不如上述3种普遍。根据主机工况，功率大小和系统对工作性能的要求，确定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力，流量大小确定其规格和型号。根据上述原则液压泵选用外啮合式齿轮泵，型号为CBT-E306。齿轮泵工作原

28、理齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵，在结构上可分为外啮合式和内啮合式两类。外啮合双齿轮泵的结构。一对相互啮合的齿轮和泵缸把吸入腔和排出腔隔开。齿轮转动时，吸入腔侧轮齿相互脱开处的齿间容积逐渐增大，压力降低，液体在压差作用下进入齿间。随着齿轮的转动，一个个齿间的液体被带至排出腔。这时排出腔侧轮齿啮合处的齿间容积逐渐缩小，而将液体排出。齿轮泵适用于输送不含固体颗粒、无腐蚀性、粘度范围较大的润滑性液体。泵的流量可至300米/时，压力可达3107帕。它通常用作液压泵和输送各类油品。齿轮泵结构简单紧凑，制造容易，维护方便，有自吸能力，但流量、压力脉动较大

29、且噪声大。齿轮泵必须配带安全阀，以防止由于某种原因如排出管堵塞使泵的出口压力超过容许值而损坏泵或原动机。内啮合齿轮泵是采用齿轮内啮合原理，内外齿轮节圆紧靠一边，另一边被泵盖上“月牙板”隔开。主轴上的主动内齿轮带动其中外齿轮同向转动，在进口处齿轮相互分离形成负压而吸入液体，齿轮在出口处不断嵌入啮合而将液体挤压输出。如表3.2为齿轮泵技术参数：表3.2 齿轮泵技术参数Table3.2 Technical parameters of gear pump型号CBT-E306公称排量/(mL/r)6额定压力/MPa16工作/最低转速/(r/min)900最高转速（r/min） 2000最高压力/MPa2

30、03.3.2液压缸的选择液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比，液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成，缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。液压缸的类型：根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型：1、活塞式：单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两

31、端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。2、柱塞式：（1）、它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重； （2）、柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸； （3）、工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度； （4）、柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。3、伸缩式： 伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，如图所示。伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。4、摆动式： 摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。图中定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向，叶片将带动转子作往复摆动。根据系统要求采用HSG型工程液压缸，选择液压缸的型号为HSG01-40/dE。表3.3 液压缸型号及其参数Table3.3 The p