20~25TM自升式塔式起重机液压系统设计.doc
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1、前言3第一章 设计任务书41设计题目42设计任务4第二章 液压缸各部分尽寸计算和结构设计5第一节:计算液压缸的主要结构尺寸5第二节:缸筒壁厚计算10第三节:液压缸结构设计141缸体缸的连接形式142.活塞杆与活塞的连接结构163.活塞与活塞杆处密封选用164.液压缸的缓冲装置175.液压缸的排气装置17第三章 液压系统主要参数分析计算19第一节:工况分析191、液压缸载荷的组成与计算19第二节:初选系统工作压力20第四章 液压元件的选择22第一节:液压泵工作压力的泵定22第二节:计算液压缸或液压马达所需流量22第五章 拟定液压系统回路29第一节:调速方案拟定291、进油节流调速回路292、回油
2、节流调速回路303、旁路节流调速30第二节:方向控制回路拟定32第三节:液压动力源选择33第四节:液压系统的组合34第五节:绘制液压系统图35第六章、液压系统主要性能估算36第一节:液压系统压力损失36第二节:液压系统发热温升计算39参考文献45中文摘要本设计是依据现场收集的数据资料而进行的液压系统设计,针对原始数据对液压系统的工况进行了分析,并确定了系统的工作压力和主要元件的结构参数。对液压元件进行了选择,拟定了液压系统图。对液压缸各部分尺寸进行了计算,各部分结构进行了设计。 关键词:液压系统,工况分析,元件选择,系统图确定,液压缸尺寸计算,结构设计前言现在液压技术在现代工程机械中应用日益广
3、泛,我国的液压工业开始于20世纪50年代,其产品最初应用于机床和锻压设备,后来又用于拖垃机动机和工程机械。自1964年开始从国外引进液压元件生产技术,同时自行设计液压产品以来,我国的液压元件生产以形成系列,并在各种机械设备上得到了广泛的使用。目前,我国机械工业在认真消化,推广从国外引进的先进液压技术的同时,大力研制开发国产液压元件新产品。加强产品可靠性和新技术应用的研究,积极采用国际标准的和执行新的国家标准。合理调整产品结构。对一些性能差的不符合国家标准的液压件产品,采取逐步淘汰的措施,可以看出,液压传动技术在我国的应用与发展已进入了一个崭新的历史阶段。液压传动相对于机械传动来说,是一门新技术
4、。如果从1795年世界上第一台水压机诞生算起,液压传动已有200多年的历史,然而液压传动的真正推广使用却是近50多年的事,特别是20世纪60年代以后,随着原子能科学,计算机技术的发展,液压系统也得到了很大的发展,渗透至国民经济的各个邻域之中,在工程机械,冶金,军工,农机,汽车,轻纺,船舶,石油,航空和机床工业中,液压技术得到了普遍的应用,当前液压系统正向高压,高速,大功率,高效率,低噪声,低能耗,经久耐用,高度集成化等方向发展,同时,新型液压元件的应用,液压系统的计算机辅助设计,计算机仿真和优化,微机控制等工作,也日益取得了显著的成果。通过对液压系统的设计,使我们对液压缸的结构,液压元件的选择
5、,液压回路有了更深刻的理解,同时也使我们对液压系统甚至一般机械系统的设计有了初步的了解。由于设计水平有限,在设计过程中错误在所难免,望老师指正。 第一章 设计任务书1设计题目2025TM自升式塔式起重机液压系统设计1、工作原理在建筑施工中塔式起重机用于提升和下放重物,随着建筑物的升高,起重机的塔身逐步升高,起重机的塔身是由一节一节的塔身标准节通过螺栓连接起来的,在塔身升高接入标准节时,需要将标准节接入即起重机上部顶升起来,标准节接入并连接好后,再将顶升起来的起重机上部落下,该任务是由液压系统来完成的。2、主要参数顶升力:150KN190KN工作行程:1600mm顶升速度:0.30.5m/min
6、2设计任务1、进行设计计算,确定设计方案,内容包括:1)确定执行元件(液压缸)的主要结构尺寸2)绘制液压系统图3)选择各类元件及辅助元件的型号和规格4)确定系统的主要参数5)设计整机布局第二章 液压缸各部分尽寸计算和结构设计第一节:计算液压缸的主要结构尺寸液压缸主要设计参数如图(21)图a为液压缸活塞杆工作在受压状态,图b为活塞杆工作在受拉状态。A1A2V1DdFW P1 P2图(a)V1 A1 A2 FWDd P2 P1图(b)图21 液压缸主要设计参数活塞杆受压时 F = = P1A1 P2A2 活塞杆受拉时 F = = P1A2 P2A1 式中 A1 = 无杆腔活塞有效作用面积(m2)
7、A2 = 有杆腔活塞有效作用面积(m2) P1 液压缸工作腔压力(Pa) P2 液压缸回油腔压力(Pa)即背压力,其值根据回路具体情况而定初算时可参考表21取值,差动连接时另行考虑。D 活塞直径(m)d 活塞杆直径(m)表21执行元件背压力系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短,且直接回油箱不忽略不计本设计方案取背压力为0.5MPa。一般液压缸在受压状态下工作,其活塞面积为A1 = 试用上式须事先确定A1和A2的关系或是活塞杆径d与活塞
8、直径D的关系,令杆径比=d/D 可按表22、23选取表22按工作压力选取d/D工作压力/MPa5.05.07.07.0d/D0.550.550.620.700.7表23按速比要求确定d/DV1/V21.151.251.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.7本设计方案取= d/D = 0.7D = = = = 155.8mm液压缸直径D和活塞直径d的计算要按国标规定的有关标准时行圆整,如与标准 液压缸参数相近,最好选用国产相当规模准液压缸,免于自行加工,常用液压缸 内径及活塞杆直径见表24、表25表24常用液压缸内径D(mm)40506380901001101251
9、40160180200220250表25 活塞杆直径d(mm)速比 缸径40506380901001101.462222835454550506055706383速比缸径1251401601802002202501.46270908010090110100125110140125140 故按表进行圆整本设计取D = 160 mm d = 110 mm 当工作速度很低时,还必须按最低速度要求验算液压缸尺寸 A 式中A液压缸有效工作面积(m2)qmin系统最小稳定流量(m2/S)在节流调速中取决于回路中所设调速阀的最小稳定流量,容积调速中决定于变量泵的最小稳定流量 Vmin运动机构要求的最小工作速
10、度(m/s) 从液压元件手册中查qmin = 0.05L/min Vmin 为0.3 m/min A = = 16.7 cm2 而有杆腔有效作用面积为105.98cm2 无杆腔有效作用面积为200.96cm2 故 A A2A2 满足稳定性要求a) 压杆稳定性校核对行程与活塞杆直径比L/d 10的确 受压柱塞或活塞杆,需要做压杆稳定性验算本设计方案中 L = 1600mm d = 110 mm = =14.610故需做压杆稳定性校核稳定性验算如下1 = 式中E 为活塞杆材料的弹性模量一般取p为材料的许用应力,查材料手册p取280MPa 故1 = = 86活塞杆可简化成两端铰支杆= 1(一端自由,
11、一端刚性固定=2、两端铰接=1)截面为圆形 i = = = = = = 58.2 i为惯性半径 是安装导向系数由于1所以不能用欧拉公式计算临界压力,若用直线公式由表26查得优质钢的a和b 分别是a = 461MPa b = 2.568MPa表26 直线公式的系数a和b 材料(bs的单位为MPa)a(MPa)B(MPa)A3钢b372s2353041.12优质碳钢b471s3064612.568硅钢b510s3535873.744铬钼钢98075.296铸铁332.21.454强铝3732.15松木28.70.19 s为材料屈服强度查材料手册s取350MPa 2 = = = 43.2 由上述计算
12、可见活塞杆的柔度介于1和2之间(21)是中性柔度压杆,由直线公式求出临界应力为 cr = a b =4612.56858.2=311.5MPa 临界压力是Pcr=crA= (110103)2311.5106 =2958.8MPa 活塞杆的工作这安全系数为 n= = =15.6 nst安全系数一般nst取 3.55 本设计取 nst =5 nnst 因此活塞杆满足稳定性要求第二节:缸筒壁厚计算= Pmax为试验压力x,当P16MPa时 Pmax一般取1.25P=1.2520=25MPa 是材料许用应力=b为材料抗拉强度,查机械设计手册45号钢b=600n为安全系数 n=3.55 一般取5故=12
13、0=16.7mm参考表27额定压力(MPa)缸筒内径/mm材料40506380100125140160180200缸筒外径/mm2.555658097124铸铁6.3607086100124165060769512114616819421924520钢205060769512114616819421924540钢25506083102121152168194219245325463.583102127152168194219245固此径圆整后取缸外径为194mm=17mm1、缸底厚度计算t(m)一般情况下液压缸多为平底缸盖,其有效厚度t按强度要求可用下式进行近拟计算无孔时 t 0.433D2有
14、孔时 t 0.433D2本设计为无孔D2为缸底内孔孔径(m)式中P为试验压力 图2-2t 0.433110 21.7故t取22mm2、最小导向长度的确定 当活塞全部外伸时,从活塞支撑面中点到缸盖,滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度,如果最小导向长度过小时将便液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保证有一定的最小导向长度,对于一般液压缸最小导向长度H应满足以下要求H+ 式中L为液压缸最大行程 D 为液压缸的内径 H += 160mm3、缸盖滑动支撑面长度确定一般当缸筒内径D80mm时导向滑动面长度取 (0.61.0)D 当缸筒内径D80mm时,导向滑动面的
15、长度取(0.61.0)d其中d为活塞杆直径本设计取b=0.6d=0.6110=66mm4、活塞密度确定活塞密度一般为活塞外径的0.61.0倍,但也要根据密封材料,导向环的安装沟槽尺寸来决定对长行程的液压缸为了避免负载引起的侧向力,要考虑加长活塞宽度本设计方案中B取0.7DB=0.7X160=112mm 图2-3为保证最小导向长度H,若过他增大b和B,都是不合适的,必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套来增加H的值,隔套宽度由最小导向长度决定,隔套不仅能保证最小导向长主,还可以提高导向套和活塞的通用性C = H-(b+B)= 160-(66+112)= 71mm5.缸体内部长度的确定液压缸缸体内部长
16、度应等于活塞行程和活塞宽度,以及导向套长度之和,缸体外形长度还要考虑两端盖的厚度,一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍即缸体内部长度为L内=1600+112+160+71 =1943mm第三节:液压缸结构设计1缸体缸的连接形式由于要求设计的结构较为简单故采用对焊方式,如图2-4 图2-4 焊接处的拉应力为 = 106 ( MPa) 式中F液压缸输出的最大推力N F = AL2P AL液压缸直径 mP 系统最大工作压力 PaD1 液压缸外径D2焊缝底径m焊接效率通常0.7 式中F即 F=PA =20MP0.02009m2 =402KN =106 =60.8MPa 查b取600MPa n取安
17、全系数5= = 120MPa60.8MPa 故该方案可行2.活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的连接有几种常见的连接方式,分整体式结构和组合式结构,组合式结构又分为螺纹连接,半环连接和锥销连接。本设计方案采用螺纹式连接:该连接方式加工容易应用较多,如组合机床与工程机械上的液压缸如图25图2-53.活塞与活塞杆处密封选用活塞杆处密封圆形有O型、Y型、V型和YX型密封圆等。为了清除活塞杆处外露部分沾附的飞尘,保证油液清洁及减少磨损,在端盖外侧增加防尘圈,常用的有无骨架防尘圈和j型橡胶防尘圈,也可用毛毡圈防尘,活塞及活塞杆处的密封圈选用、应根据密封部位使用压力,温度,运动速度的范围不同而选择不同类
18、型的密封圈。如图2-6,2-7图2-6 图2-74.液压缸的缓冲装置 液压缸带动工作部件运动时,固运动的质量较大,速度高,则在到在行程终点时会产生液压冲击,甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞,为防止此现象发生,在行程末端,设置缓冲装置。 由于本设计方案的液压回路中使用回油调速,故在时油时,回油路上有背压,所以不会产生冲动现象,进油稳定,既在设计液压缸是缓冲装置可以省略。5.液压缸的排气装置对于运动速度稳定性要求较高的机床液压缸和大型液压缸,则需要设置排气装置,如排气阀等。 排气阀一般安装在液压缸两端的最高处,双作用液压缸需设两个排气阀,当液压缸需要排气时,打开相应的排气阀,空气连同油液过锥部
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