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机电液课程设计

25
2020年4月19日
文档仅供参考

机电液综合课程设计

学校：大连交通大学
院系：机械工程学院机械电子专业
班级：
设计者：
指导教师：

7月

目录

摘 要 3
一、设计内容及要求 3
1.1设计目的 3
1.2平台动作循环要求 3
1.3平台升降对液压传动系统的具体参数要求 3
二、液压系统的初步设计 4
三、电气控制部分设计 6
四、机械系统的设计与计算 7
4.1工况分析 7
4.2工作腔有效工作面积和活塞直径计算 7
五、液压系统设计与计算 9
5.1流量功率计算 9
5.2液压泵设计与校核 9
5.3阀类元件及辅助元件 10
5.4油管 12
5.5油箱 13
六、PLC设计方案 14
6.1可编程控制器控制系统I/O点数估算 14
6.2结构形式考虑 14
6.3 PLC语句表 15
七、课程设计心得体会 17
参考文献 18

摘 要
本次课程设计内容为1500kg平台升降液压、电控、机械系统综合设计。平台升降的动力来自于液压缸，充分利用了液压传动结构简单，体积小，质量轻，输出功率大及其易于操纵控制的优点；控制系统主要利用西门子PLC编程控制器。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，而且结合相关PLC技术最终实现所要设计的平台升降要求。
关键词：同步运动 蓄能器保压 电液比例调速阀 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能力的一个重要的实践性教学环节，因此，经过设计应达到下述目的：
（1）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；
（2）获得平台升降总体设计，结构设计，零件计算，编写说明书。绘制液压系统图1张；
（3）熟悉有关标准、规格、手册和资料的应用；
（4）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平台动作循环要求
设计一套升降机的液压系统 ，该系统能使平台保持一定的精度，同步、平稳地上升、下降，并可在0.8m的行程范围内任意高度停留。系统结构紧凑，安全可靠。
本次设计要求四个液压缸同步运动。停止时采用蓄能器保压，泵卸荷，同步要求高。动作过程：能够实现“同步上升—停止—保压—同步下降—停止”的工作循环。
1.3平台升降对液压传动系统的具体参数要求
平台重量1500kg,平台升降速度是0.3~0.5 m/s，平台上升高度0.8m。
二、液压系统的初步设计
经过对系统设计的要求的分析，确定系统需要同步回路，锁紧回路，平衡回路和保压回路。
（1）使两个或两个以上的液压缸同步动作的回路称为同步回路。
液压基本同步回路有：机械联结的同步回路，采用同步液压马达的同步回路。
各回路的优缺点：
①机械联结同步回路虽然存在有齿侧隙和齿轮轴的扭转变形引起的误差但同步可靠。缺点是结构复杂，两缸布置的位置受到限制。
串联液压缸的同步回路结构简单，不需要同步元件，其同步精度取决于两液压缸的制造精度和密封性能。由于油缸不可避免的存在内泄漏，因此每次往复运动都将增加两缸的位置误差，从而出现同步失调。
带补偿装置的串联液压缸同步回路解决了串联液压缸的同步回路由于油缸内泄漏引起的同步失调的问题，其缺点是该回路只适用于负载较小的液压系统。
调速阀的同步回路能够实现多缸同步但同步精度受调速阀性能和油满影响，而且个个调速阀比较难调到相同流量，因此误差化较大。
比例调速阀同步回路的同步精度虽然没有采用伺服阀的回路高，但依然具有比较高的精度，而且相对伺服阀闭低很多。
综上所诉及系统要求，本系统采用相同的4个液压缸相并联，用比例调速阀实现同步。
②液压基本锁紧采用液控单向阀单向锁紧回路，当换向阀在中位时，液压泵卸荷活塞被液控单向阀锁紧，当换向阀切换至上升或下降位置时，液控单向阀即被打开，由于液控单向阀没有泄露，故活塞可被较长时间锁紧，不会因自重而下滑。
③在液压系统要设置平衡回路，其方法是在立式液压缸下行回路上设置一个适当阻力，使液压缸的回油腔产生一定的背压，以平衡其自重，在本设计中采用单向顺序阀平衡回路。
④再执行元件液压缸终止运动时要求液压缸能继续保持一段时间的压力在这段时间内不再继续前进，同时也暂时不回程，这时就要采用保压回路，以保持那些暂不继续运动的执行元件的系统油压。
常见的保压方法有定量泵和溢流阀的保压，压力由溢流阀调定并保持，与定量泵构成恒压源，采用液控单向阀保压等，并设计选用蓄能器保压。
各回路优缺点：液控单向阀保压结构简单，密封性好，可是阀类元件的泄露使得保压时间不能维持太久。
采用定量泵和溢流阀的保压，压力由几乎全经溢流阀流回油箱，系统功率损失大，发热严重，故只在小功率且保压时间较短的场合使用。 综上考虑，绘制出图所示液压传动系统草图：

图2-1 液压系统工作原理图
1—液压缸；2—液控单向阀；3—电液比例调速阀；4—蓄能器；5—压力计；6—压力继电器；
7—单向顺序阀；8—三位四通电磁换向阀；9—背压阀；10—两位两通电磁换向阀；11—溢流阀；12—定量泵；
13—滤油器+空气过滤器；14—油箱
表2-1 电磁铁动作顺序表
动作名称
1YA
2YA
3YA
同步上升
+
_
-
停止
_
_
+
保压
_
_
+
同步下降
_
+
-
停止
_
_
+
三、电气控制部分设计
电路图如下所示：

图3-1 电气控制电路图

SB1启动按钮 SB2停止按钮 SB3上升按钮 SB4下降按钮 SB4下降按钮 SB5上升停止按钮
SB6下降停止按钮 SQ1上升极位开关 SQ2下降极位开关

四、机械系统的设计与计算
4.1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；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。
即： （4-1）
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。
（1）工作负载
（2）惯性负载 N
取Δt=0.2s Δv=0.5m/s （4-2）
（3）密封阻力
启动时 （4-3）
运动时 （4-4）
（4） 导轨摩擦阻力 (4-5）
初步估计有杆腔活塞面积
取
(4-6）
（5） 启动阶段
（4-7）
由表《各类液压设备常见工作压力》查得工作压力：
P=3Mpa （4-8）
4.2工作腔有效工作面积和活塞直径计算
F=13392.5N （4-8）
（4-9）
D= （4-10）
往返速度比 取
d=0.62D=0.0049m
圆整后 D=80mm d=50mm
液压缸两腔的实际有效面积
（4-11）
（4-12）

复算执行元件的工作压力
无杆腔进油工作阶段：
（4-13）
有杆腔进油阶段：
（4-14）

五、液压系统设计与计算
5.1流量功率计算
（1）上升时，
（5-1）

（5-2）
(5-3)
（2）下降时
(5-4)

（5-5)
（5-6）
5.2液压泵设计与校核
取油路压力损失0.3Mpa.取调整压力高于系统最大工作压力0.3Mpa,整个过程中最大工作压力：
(5-7)
整个过程中最大流量为：
（5-8）
取泄露系数
（5-9）
溢流阀的最小稳定流量为
查《YB-Ea型叶片泵技术参数》选择YB-Ea315叶片泵，其中，，液压泵排量为316ml/r,额定压力10MPa.
（5-10）
由于液压缸在快速工进时输入功率最大，这时液压泵的工作压力为6.28Mpa，流量为91.8，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：
（5-11）
根据表《Y系列（IP44）α型三相异步电动机技术参数》选取Y16L-4电动机额定功率15KW 额定转速1460r/min 效率88.5%功率因数0.85。
5.3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经过最大试验流量，选出这些液压元件。

1.叶片泵
（1）定流量436.08L/min；
( 2 ) 额定压力10 Mpa；
( 3) 型号规格 YB-Ea315
（4）工作原理：叶片泵转子旋转时，叶片在离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个叶片与转子和定子内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油后再由大到小排油，叶片旋转一周时，完成一次吸油与排油。
（5）详细功能介绍：叶片泵，是转子槽内的叶片与泵壳(定子环)相接触，将吸入的液体由进油侧压向排油侧的泵。
2.三位四通电磁阀（m型）
（1）最大流量以上，取400L/min；
( 2 ) 根据表《液压元件产品样本》选取型号：D1-32；
( 3 ) 额定流量250L/min 最大流量400L/min 额定压力20MPa
（4）工作原理：电磁换向阀是液压控制系统与电器控制系统之间的转换元件，它利用两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，从而改变油路的通断，进而实现执行元件的换向。
（5）详细功能介绍：阀芯可实现左位、中位、右位三个位置的变换。当阀芯处于中位时由图可知各油口各不相通，当阀芯处于左位时由图可知油路可由P口进A口出，同时B口与T口相通。当阀芯处于右位时油路可由P口进B口出，同时A口与T口相通。
3液控单向阀
（1）预计流量91.8L/min，因此选取型号：4CT1-06；
（2）额定流量114L/min，额定压力21Mpa，额定压降＜0.2Mpa。
（3）工作原理：在单向阀出口方上开有一个控制油口，该油口由给定的压力去克服单向阀内部的弹簧力，从而将出口方的压力油反向流入口方向，从而实现出口到入口的通路。
（4）详细功能介绍: 依靠控制流体压力，能够使单向阀反向流通
4.溢流阀（背压阀）
（1）其可调到0.5Mpa，故选取型号：Y2D1-H50F；
（2）额定流量500L/min，额定压力32Mpa。
（3）工作原理: 系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（一般使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10％～20％）。
（4）详细功能介绍: 溢流阀是一种液压压力控制阀，在液压设备中主要起定压溢流作用，稳压，系统卸荷和安全保护作用。

5.单向顺序阀
（1）初选XH型（联合型）
（2）压力0.6-31.5MPa 流量40-500L/min
(3)详细功能介绍：单向阀并联顺序阀合称为平衡阀，构成平衡回路。
6.压力继电器
（1）选取PD型（联合型）
（2）压力0.6-31.5MPa
（3）工作原理：利用液体的压力来启闭电气触点的液压电气转换元件。当系统压力达到压力继电器的调定值时，发出电信号，使电气元件动作，使油路卸压、换向，执行元件实现顺序动作，或关闭电动机使系统停止工作，起安全保护作用等。
7.蓄能器
查产品样本手册，选用HXQ-C16D，公称容积为16L公称压力为17MPa。
详细功能介绍：在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它能够吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。
8.滤油器
（1）烧结式过滤器
（2）过滤杂质颗粒直径 压力损失
9. 管道
（1）选用无缝钢管
（2）价格便宜，工作压力较高，不宜任意弯曲，排管费事
表5-1 元件的型号及规格
序
号
元件名称
估计经过流量
额定流量

额定压力/MPa
额定压降/MPa
型号
规格
1
叶片泵
403.92
436.08
10
—
YB-Ea315
2
三位四通电磁换向阀
403.92
250
20
＜0.3
D1-32
3
液控单向阀
91.8
114
21
＜0.2
4CT1-06
4
两位两通电磁换向阀
403.92
1200
21
—
24DY-F50H
5
滤油器
403.92
450
—
＜0.2
烧结式过滤器
6
溢流阀
403.92
500
32
—
YF3—E10B

5.4油管
根据推荐选择在压油管的流速4m/s，按：
（5-13）
式中，q—经过管道的流量，
v—管内允许流速。
表5-2 液压缸的进出流量

匀速上升
匀速下降
输入流量

q1=90.48

q1=91.8
输出流量
q2=(q1A2)/A1=55.14
q2=(q1A2)/A1=55.94

因此液压缸无杆腔及有杆腔的油管内径分别为：

这两根管都可按GB/T 2351— 选用内径20mm，外径28mm的冷拔无缝钢管。
5.5油箱
根据经验，取数据=7，故其容积为
V=ξqp=7*91.8=642.6
按JB/T7938—1999规定，取最靠近的标准值V=700L

六、PLC设计方案
6.1可编程控制器控制系统I/O点数估算
根据控制电路可得，SB1启动，SB2停止，SB3上升，SB4下降，SB5上升停止，SB6下降停止，SQ1上升极位开关，SQ2下降极位开关，压力继电器，I点数总计9个；KM泵启动，1YA上升，2YA下降，3个指示灯，O点数总计6个，总点数为15个，留15%I/O裕量。因为控制系统较简单，选用小型机。
6.2结构形式考虑
小型PLC控制系统多采用整体式结构。
因此，可选择西门子S7-200。

图6-1 PLC端子接线图

图6-2 PLC梯形图

6.3 PLC语句表
地址 指令 数据
0000 LD I0.0
0001 O Q0.0
0002 AN I0.1
0003 A I0.8
0004 AN I0.9
0005 = Q0.0
0006 = Q0.4
0007 LD I0.2
0008 O Q0.1
0009 A Q0.0
0010 AN T33
0011 AN I0.4
0012 AN I0.6
0013 = Q0.1
0014 = Q0.6
0015 LD Q0.1
0016 AN I0.2
0017 TON T33, +2667
0018 LD I0.3
0019 O Q0.2
0020 A Q0.0
0021 AN I0.5
0022 AN I0.7
0023 AN T34
0024 = Q0.2
0025 = Q0.7
0026 LD Q0.2
0027 AN I0.3
0028 TON T34, +1600
0029 END

七、课程设计心得体会
经过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关机电液控制方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的讨论终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，经过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。经过这次课程设计，我掌握了一些平常课本上学不到的知识，而且进一步巩固了AUTOCAD的技巧和方法。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，能够说得是苦多于甜，可是能够学到很多很多的东西，同时不但能够巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

参考文献
[1]田小静. 机电液综合课程设计指导. 北京：北京航空航天大学出版社， .
[2]黎启柏，刘树道等.液压元件手册. 北京：机械工业出版社， .
[3]雷天觉，杨尔庄. 新编液压工程手册. 北京：北京理工大学出版社，1998.
[4]王积伟. 液压与气压传动. 北京：机械工业出版社，1999.
[5]韩桂华 液压系统设计 技巧与禁忌 化学工业出版社