YS32液控蝶阀液压站设计.doc

YS32液控蝶阀液压站设计 摘 要：液压站又称液压泵站，是独立的液压装置。它按逐级要求供油。并控制液压油流的方向、压力和流量，适用于主机与液压装置可分离的液压机械上。只要将液压站与主机上的执行机构（油缸或油马达）用油管相连，液压机械即可实现各种规定的动作和工作循环。液压站的工作原理：电机带动油泵转动，泵从油箱中吸油供油，将机械能转化为液压站压力能，液压油通过集成块（或阀组合）实现了方向、压力、流量调节后经外接管路并至液压机械的油缸或油马达中，从而控制液动机方向的变换、力量的大小及速度的快慢，推动各种液压机械做功1。关键词：液控；蝶阀；液压站；调节；压力 Design of Hydraulic Pressure Station for YS32 Hydraulic Controlled Butterfly ValveAbstract: Hydraulic pressure station and say hydraulic pump station, is independent of the hydraulic equipment. It gradually according to supply requirements. And control the direction of the duct, hydraulic pressure and flow, and is suitable for the host and hydraulic device can separate the various hydraulic machinery. Users buy as long as the hydraulic pressure station and after will host of actuators (oil cylinder or the motor oil) connected with oil pipeline, hydraulic machinery can be realized of regulations of action and work cycle.The working principle of the hydraulic pressure station: motor drive pump rotation, pump in the fuel tank oil absorption oil supply, the mechanical energy into hydraulic pressure station pressure, hydraulic oil through the integrated block (or valve combination) to implement the direction,pressure, and flow rate by external pipeline and adjusted to the hydraulic machinery oil cylinder or in the motor oil, so as to control the direction of the liquid motivation of the size and the power transformation, how quickly, promote the various hydraulic mechanical work is done. Key words: Hydraulic controlled; Butterfly valves; Hydraulic station; Regulation; pressure目 录摘要1关键词11 前言22 概述23 液压缸的设计23.1 工况分析23.2 液压缸主要几何尺寸的计算33.2.1 液压缸内径的确定33.2.2 活塞杆直径的确定与校核43.2.3 液压缸的有效面积53.2.4 液压缸内缸筒的行程53.2.5 液压缸内缸筒的长度53.3 液压缸结构参数的计算53.3.1 缸筒壁厚的计算和校核53.3.2 壁厚的计算53.3.3 液压缸的缸筒壁厚的校核53.3.4 液压缸油口直径的计算63.3.5 缸底厚度h的计算63.3.6 缸头与法兰的联结计算63.3.7 缸头厚度h的计算73.3.8 法兰直径和厚度的确定83.3.9 缸盖的联结计算83.3.10 缸头直径和缸盖直径93.3.11 液压缸主要尺寸的确定93.4 液压缸主要零件的结构、材料及技术要求103.4.1 油缸的密封103.4.2 油缸缸体104 液压系统图的拟订和工作原理的确定114.1 制定基本方案114.1.1 制定调速方案114.1.2 制定压力控制方案124.1.3 制定顺序动作方案124.1.4 选择液压动力源124.2 绘制液压系统图135 液压元件的选择和工作原理的确定155.1液压泵的选择155.2 电动机的选择155.3 其他元件的选择165.3.1 液压阀的选择165.3.2 蓄能器的选择165.3.3 管道尺寸的确定185.3.4 油箱容量的确定186 液压系统性能的验算196.1 管路系统压力损失的验算196.1.1 液压系统压力损失196.1.2 沿程压力损失196.1.3 局部损失206.1.4 总的压力损失216.2 液压系统的发热温升计算216.2.1 系统发热量的计算216.2.2 系统的散热计算216.2.3 系统热平衡温度的验算226.3 油箱的尺寸设计227 液压装置的设计237.1 液压装置总体布局237.2 液压阀的配置形式237.3 集成块设计238 液压系统安装及调试248.1 液压系统安装248.2 调试前准备工作248.3 调试运行248.4 液压系统的用液及对污染的控制248.5 调试运行中应注意的问题259 液压系统的维护及注意事项2510 结论25参考文献26致谢27附录27 1 前言 我国液压工业发展历程，大致可分为三个阶段，即：20世纪50年代初到60年代初为起步阶段；60-70年代为专业化生产体系成长阶段；80-90年代为快速发展阶段。其中，液压工业于50年代初从机床行业生产仿苏的磨床、拉床、仿形车床等液压传动起步，液压元件由机床厂的液压车间生产，自产自用。进入60年代后，液压技术的应用从机床逐渐推广到农业机械和工程机械等领域。到了60年代末、70年代初，随着生产机械化的发展，液压元件制造业出现了迅速发展的局面，一批中小企业也成为液压件专业制造厂。这时，液压件产品已从仿苏产品发展为引进技术与自行设计相结合的产品，压力向中、高压发展，并开发了电液伺服阀及系统，液压应用领域进一步扩大2。至今经过40多年的努力，我国液压元件行业已形成了一个门类比较齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。随着社会主义市场经济的不断深化，液压产品的市场供求关系发生较大变化，长期来以“短缺”为特征的卖方市场已基本成为以“结构性过剩”为特征的买方市场所取代。在我国加入WTO后，其冲击有可能更大。因此，“十五”期间行业产值的增长，决不能依赖于量的增长，而应针对行业自身的结构性矛盾，加大力度，调整产业结构和产品结构，也就是应依靠质的提高，促进产品技术升级，以适应和拉动市场需求，求得更大的发展。2 概述本液压系统控制的阀门为水电站水轮机进水阀门，公称直径为DN2000mm，为液压驱动和控制的液控蝶阀。该系统能实现开启后自动投入、自动保压，重锤和蝶板不抖动。关阀时能先关导叶，自动解除锁定，在蓄能器和水力驱动下按调定的时间关闭阀门。本控制系统集液控与电控为一体，配置蓄能器。系统结构紧凑，动作简单可靠，且具有能耗低的特点，完全满足用户提供的原理要求。本套液压系统配有电器压力开关，可对系统压力实现自动控制。阀门开关时间：60-90s(可调) 。3 液压缸的设计3.1 工况分析执行元件的工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：1) 首先要考虑设备类型及各类设备的不同特点和使用场合。2) 考虑执行元件的装配空间、经济、元件供应情况和重量等因素，工作压力选得低，则元件尺寸大、重量重，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选得高一些，则元件尺寸小、重量轻，但对元件的材质、制造精度、密封性能要求高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的、尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械、重载设备压力要选得高一些。所以，执行元件的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。具体选择可参考表1和表2。表1 按负载选择工作压力Table 1 According to the load selection work pressure载荷/KN 50工作压力/Mpa 0.8-1 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 5表2 按机械类型选执行件的工作压力Table 1 According to the mechanical type choose execution a pressure of work机械类型 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 农业机械 液压机 小型工程机械 大中型挖掘机 建筑机械 重型机械 液压凿岩机 起重运输机械工作压力/Mpa 0.8-2 3 -5 2-8 8-10 10-18 20-32值得注意的是，高压化是液压系统发展趋势之一，因此压力应选得高一些，以减小系统的体积。此外，低压阀已逐渐淘汰，即使是低压系统也应采用高压阀。启动力为308KN，液压缸的平均输出速度为0.9m/min，设计液压缸的行程，由于采用伸缩式液压缸，其中一级活塞的行程为358mm，二级活塞（内缸筒活塞）的行程为267mm。3.2 液压缸主要几何尺寸的计算液压缸的主要几何尺寸，包括液压缸的内径，活塞杆的直径，液压缸行程等。3.2.1 液压缸内径的确定(1)初选液压缸的工作压力根据分析，此举伸机构的负载较大，初选液压缸的工作压力为p=16Mpa。(2)计算液压缸的尺寸取 F=308000NA =F/p (1)=308000/16106 =0.01925m2 D=m (2)=13.86510-2m 查机械设计手册GB2348-803，按标准取：D=140mm。3.2.2 活塞杆直径的确定与校核(1)活塞杆直径的计算根据和P的关系速度比取1.6来确定活塞杆的直径： d=D ( 3)=120.56mm 同上，按标准取： d=130mm。（2）活塞杆的稳定性校核因为活塞杆行程为358mm，所以取活塞长为567mm，而活塞直径为130mm，L/d=567/130=4.36=16Mpa,取py=1.25pn=1.2516Mpa=20Mpa。液压缸缸壁的材料选35号钢，查金属工艺学表6-5（GB699-88）5，得其材料抗拉强度b=520Mpa。取安全系数为n=5，=b/5=520/5MPa=104MPa D/=140/25=5.610， -1)mm (7)mm=14.7mm20mm，取=1，=1，=3.5，=4.5，求得= (13)螺栓和被联结件均为钢制，采用金属垫片，故取相对刚度系数即有0.3mm由设计手册，选M22，与原设相符。3.3.7 缸头厚度h的计算本液压缸选用螺钉联结法兰，其计算方法如下： (14) 式中 h-法兰厚度 m F-法兰受力总和 N d-密封环内径 m -密封环外径 m -螺钉孔分布圆直径 m -密封环平均半径 m 法兰材料的许用应力 Pa 均压槽一般宽为0.4mm，深为0.8mm，O型密封圈的压缩率为W=（，缸头和法兰的联结是固定的，其密封也是固定的7，取W=20%，即=0.2 得=1，为密封圈直径。 F=308000N，=140mm，=140-/2=139.5mm (15) =140mm+23+22+27=272mm = (16) 3.3.8 法兰直径和厚度的确定法兰直径取与缸头直径相同，即 法兰厚度取 3.3.9 缸盖的联结计算 联接方式：螺栓联接缸体螺纹处的拉应力为： (17)切应力： (18)合成应力为： (19)式中 K螺纹拧紧系数，动载荷，取K=1.5 F-缸体螺纹处所受的拉力 N，F=308000N -螺纹内径 mm z-螺栓个数，取z=8 螺纹处的拉应力 Pa 螺纹材料的许用应力8，=n安全系数，一般取1.5-2.5 (20) 由设计手册，取M16。3.3.10 缸头直径和缸盖直径 取两者相同，即 =+ (21) =（272+16+210）mm=304mm 3.3.11 液压缸主要尺寸的确定（1）活塞最小导向长度 HL为活塞的行程HL/20+D/2=358/20+140/2=84mm。 (22)（2）活塞的宽度BB=0.57D=0.54140mm=75mm。 (23)（3）导向套长A D=140mm80mm， 取A=0.5d=0.5130mm=65mm。 (24) （4）隔套长度EE=H-（A+B）/2=84-（65+80）/2=12mm。 (25)内缸筒最小导向长度HL为内缸筒的行程 H=L/20+D/2=267/20+2OO/2 =113mm。 ( 26)内缸筒活塞的宽度B B=0.4D=80mm。内缸筒导向套长A D=200mm=80mm。 取 A=0.5D=100mm。（5）求液压缸的最大流量=2 =1.40 =60s90s =2.67 =3.58油缸无杆腔作用面积：=2/4=3.14 (27)=2/4=1.53 V=+=13.86流量的计算：油流量： =容积/时间=13.86L/min。3.4 液压缸主要零件的结构、材料及技术要求3.4.1 油缸的密封本次油缸设计充分考虑了其所处的环境恶劣，在密封件的造型上力求密封性能的可靠和寿命有可靠保证9。全套密封件采用进口德国MERKERS产品，使用寿命长达15年。3.4.2 油缸缸体本工程油缸的缸体材料为优质无缝钢管制作，强度高于ST5.2N，内径采用GB1184中的H8配合要求，表面粗糙度达Ra0.4，直线度要求达1000:0.1，圆柱度要求达0.02，孔口有导向角，粗糙度为Ra1.6，缸口采用法兰连接，法兰材料为45#锻钢，并经正火处理。有关焊接采用氩弧焊，焊前预热，焊后局部高温回火去应力处理，并对焊缝进行100%超声波探伤，按JB4730-1级标准验收10。1）活塞杆材料用优质45#锻钢并正火处理，表面防腐采用镀铬工艺，镀0.040.06mm硬铬，杆头开有夹头及导向角，所有结构均符合国标要求，表面硬度达HRC58-64以上，圆度公差值达7级精度。2）活塞所用材料为45#锻件正火处理加支承环结构（材料为QA19-4），活塞外径公差达f8，内径采用基孔制，公差为H9，其密封面（槽）的加工精度为h9，粗糙度为Ra1.6，两端面对内孔的垂直度为0.04mm，外径对内径的同轴度为0.03mm，定位有导向角导入。3）缸底、缸盖均采用锻焊钢件，材料为45#并经正火处理，各配合处的圆柱度高于9级，同轴度公差为0.03mm，粗糙度为Ra1.6um11。4）导向套45#材料，导向面的配合公差为H9和f8，粗糙度为Ra0.2umRa0.3um。配合面的圆度公差为0.05mm，同轴度为0.03mm。5）油缸设有排气测压装置，销轴部位设有防水防锈机构。6）关节轴承采用自润滑轴承，用户使用时可免维护。对液压启闭机的运输采取了可靠的防撞、防震、防刮伤、防擦伤、防磕碰等防护措施。7）密封：选用O型密封圈.8）防尘：防尘圈.9）液压缸的缓冲装置：缓冲装置是为了防止和减少液压运动时的冲击，通过节点产生内压力抵抗液压推力、惯性力和载荷力，降低液压杆的速度。该系统中活塞杆的运动速度较小，移动惯性不大，选用固定性的缓冲方式12。10） 排气装置：当系统长时间停止工作，系统中的油液由于本身重量的作用和其他原因而流出，这时易使空气进入系统，如果液压缸中有空气或混入空气，都会使液压缸运动不不平稳。因此可在液压缸的最高部位设置排气装置。4 液压系统图的拟订和工作原理的确定4.1 制定基本方案4.1.1 制定调速方案液压执行元件确定后，运动方向和运动速度的控制是定液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速。节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度13。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用溢流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱14。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。4.1.2 制定压力控制方案液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路15。在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。4.1.3 制定顺序动作方案主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。另外还有时间控制、压力控制等。例如液压泵无载启动，经过一段时间，当泵正常运转后，延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。压力控制多用在带有液压夹具的机床、挤压机压力机等场合。当某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力达到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下一个动作。4.1.4 选择液压动力源液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。4.2 绘制液压系统图整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。大型设备的关键部位，要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要连续工作。各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制16。对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作表。系统的油源及压力控制：（参见液压原理图）1）油源：液压系统直接利用油泵供油，满足蝶阀开启要求。另设有一台手动泵，供检修或无电时开关阀使用。2）压力调节与控制：开启油泵前松开溢流阀(件号8)手柄，启动电机，空载运行5分钟，缓慢调节溢流阀手柄，逐级调节系统压力至20Mpa。系统输出压力合符工况要求的压力油源。系统中配置一电子压力开关(件号18)，调定好压力开关上限压为20Mpa，下限压为12Mpa，电子压力开关能在压力调定值准确发信。液压系统的工作程序：（参见液压原理图）3）开阀：关闭调速阀导叶后，中控室向液控蝶阀发出开阀指令，开启旁通阀，管道上下游平压后，压差控制器发出平压信号，液压锁定解除，主阀开启，液压锁定投入，最后关闭旁通阀，这样蝶阀开启完毕。4）关阀：正常关闭：关闭调速器导叶后，中控室向液控蝶阀发出关阀指令，液压锁定解除，主阀关闭，液压锁定投入，这样蝶阀关闭完成。事故关闭：中控室向液控蝶阀发出关闭指令，液压紧定解除，主阀关闭，液压锁定投入，蝶阀关闭完成。液压系统的动作过程：（参见液压原理图）1）开阀：中控室发出开阀指令，旁通阀开启(信号指示)，当活门两侧的水压差降至设定值时，压差控制器发出信号，启动电机，此时电磁铁YV1失电、YV3得电，锁定解除到位(信号指示)，调节节流阀可控制锁定液压缸的退回速度。锁定解除后系统油压上升，主阀开启，在开启过程中，调节节流阀，可得到所需的开阀时间。主阀全开到位后，电磁铁YV3失电，锁定投入(信号指示)，同时关闭旁通阀(信号指示)。在此过程中，系统压力上升至压力开关设定上限，电机停止工作，开阀过程完成。2）保压：主阀全开到位后，液压系统便进入保压状态，当系统压力降至压力开关设定的下限时，电机启动；压力上升至设定点的上限时，电机停止工作。这样保证系统的油压始终处在压力开关设定的上、下限范围内17。3）关阀：中控室发出指令，电磁铁YV3得电，锁定液压缸退回，到位后发出指令(同时有信号指示)，电磁铁YV1得电，主阀关闭，全关到位后(信号指示)，延时10s，电磁铁YV3失电，锁定再次投入，关阀过程即完成。运行速度及快、慢关角度转换的控制： 4）蝶阀在开启过程中的运行速度可通过调节节流插件获得。蝶阀的快、慢关速度及快、慢角度的调整，可通过调节液压缸尾端的调节杆获得。图 2 液压系统原理图Fig 2 Hydraulic system diagram5 液压元件的选择和工作原理的确定5.1 液压泵的选择1）油泵的最大工作压力计算 确定液压泵的最大工作压力pp pp=p1+p （28） 式中 p1液压缸最大工作压力；液压缸的公称压力16 MPap从液压泵出口到液压缸入口之间总的管路损失。 p的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取p=（0.20.5）MPa；管路复杂，进口有调速阀，取p=（0.51.5）MPa。这里取p=1 MPa pp=p1+p=17 MPa 确定液压泵的的流量 液压缸的流量=容积/时间=30.41L/min （29） 液压泵的流量=K=36.5L/min （30）式中 K系统泄漏系数，一般取K=1.11.3； 这里取K=1.2 液压泵的排量计算q=/n （31）其中：为油泵最大工作流量。n为电机工作转速，选用三相异步电机，4级转速故额定转速n=1460rpm。那么：q=36.5103/1460ml/rev=25ml/rev 选择液压泵的规格 根据以上求得的pp和值，按系统中拟定的液压泵的形式。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%60%。这里液压泵选用邵液提供的25SCY14-1B柱塞泵，排量25ml/rev，在转速1460rev/min情况下，流量36.5L/min，额定工作压力为160bar,排量可调。5.2 电动机的选择电动机的选择N=pp/60 （32）表3 液压泵的总效率Table 3 Hydraulic pump overall efficiency液压泵类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵总效率 0.60.7 0.650.80 0.600.75 0.800.85注：为电机效率，取0.6P为液压系统油泵出口压力Notes: for motor efficiency, take 0.6P for hydraulic system pressure pump export那么:N=1716.63600.6=7.85kw查机械设计课程设计手册： 电机为Y160L-4，转速n=1460r/pm,电机功率11kw。5.3 其他元件的选择5.3.1 液压阀的选择（1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求18。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。（2）阀的型式，按安装和操作方式选择。5.3.2 蓄能器的选择 根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。（1）液压执行元件短时间快速运动，由蓄能器来补充供油，其有效工作容积为 （33）式中 A液压缸有效作用面积（m2）； l液压缸行程（m）； K油液损失系数