液压启闭机设计专项方案.docx

题 目 液压启闭机设计
姓 名 余楠
学 号 310110
讲课老师 龚国芳 魏建华
专 业 机械电子专业(混合班)

1. 设计题目及要求
设计题目：
1600KN液压启闭机

关键技术参数：
型式：活塞式双缸液压启闭机
最大启门力：2×1600kN
工作行程：5.5m
最大行程：5.7m
液压缸计算压力：≥15MPa且≤20MPa
液压缸内径：Φ400mm（推荐值）
活塞杆直径：Φ180mm（推荐值）
启闭速度：≥0.6m/min
液压泵电动机组单机功率：≤45kW
液压泵电动机组应不少于两套，互为备用。

操作要求:
（1）液压系统应有双缸同时及单缸动作回路（安装工况），双缸同时偏差≤20mm。
（2）本机操作闸门至上、下极限位置或设定任一开度位置时，液压泵电动机应自动切断电源，尤其是当闸门抵达下极限位置时，应确保安全运行。
（3）闸门在全开或设定任一局部开启位置时，启闭机液压系统中保压锁锭回路能可靠地将闸门固定在上极限或设定位置处。
（4）闸门自全开位置或局部开启预置位置下滑150mm时，或双缸同时偏差超出20mm时，液压泵电动机自动投入运行，将闸门提升恢复原位。若继续下滑至160mm，液压泵电动机还未投入运行时，应自动接通另一组液压泵电动机，将闸门提升恢复原位；若继续下沉至200mm时，在集控室及现场均应有声光报警信号。
2. 液压系统原理图
该设计原理图由Eplan-fluent软件设计，以下图所表示。依据该图能够看出，本液压设计原理图可分为八部分，分别为，动力模块，总控模块，分流机构，阀门A启闭机构，阀门A锁紧机构，阀门B启闭机构，阀门B锁紧机构和极限位置保护机构。

3. 设计功效说明
首先对各模块依次说明，从左下角动力模块开始，此模块包含主泵组，备用泵组，溢流阀，过滤器。在正常运行时，主泵组两个45KW电机运转，输出90KW功率，若压力表检测到系统失压，会经过电控模块开启备用泵组，并发出检修信号，提醒检修主泵组。
动力模块提供流量进入下面总控模块，总控模块包含保护阀，总控制阀和节流分流机构。保护阀供能在最终极限位置保护机构部分会着重解释，总控阀实现油缸A、B同时运行或异步运行。
总控模块后接分流机构，分流机构在此处着重说明，在初步设计时我查阅了相关论文和设计，了解到了现今主流同时回路关键有下面三种实现方法：
1、油路并联，且每路各接一个节流阀，实现各路流量一致。
2、利用伺服阀、传感器和电控系统，经过电控系统控制算法实现正确分流。
3、使用分流集流阀，利用其机械结构按百分比分流集流，实现同时。
对比上面三种方法，利用多节流阀方法是最简单方法，不过在实际应用中会碰到一定问题，多个节流阀之间往往极难确保一致性，故调试和安装较为复杂，且稳定性不高。接下来第二种方法中，使用电控闭环控制，实现了很高精度，不过在大型系统中，电控可靠性往往不及纯机械结构，当电控出现故障时往往会造成一定事故，故最终我选择了第三种方法，分流集流阀以纯机械结构方法实现了油液1:1输入/输出，可靠性十分良好，即使在实际应用中会有3%-5%误差，不过配合一定电控方法能够让误差保持在可接收范围之内。因为本设计中油缸启闭需要油缸能够双向运行，故在设计中我使用百分比节流阀接分流集流阀方法，油液首先被百分比节流阀控速，后进入分流集流阀，被调速油液按1:1百分比输入油缸，实现油缸同时运动。另外，在电控模块装有红外对管测距传感器(若精度要求很高也可使用激光测距传感器)，实现用闭环方法监控闸门位置，当液压模块产生较大误差时，对系统进行电控矫正，确保系统安全。
[图] 1阀门启闭机构、锁紧机构
下面介绍阀门启闭机构因为A、B结构对称，在此处只介绍其中一组即可，阀门启闭机构实现了阀门同时异步运动可控，在阀A-1，A-2，B-1，B-2均处于左位时，显然油缸A、B进行同时运动。在需要异步运动时,比如将A锁紧，B单独运动，只需要将A-1，A-2设定至右位，此时油缸和油路断开，流量绕过油缸经过溢流阀，这确保了另一路正常运转，分流集流阀上不会产生过大压力突变。且溢流阀产生液控信号被导入阀门锁紧机构先导液控阀。和很多其它设计不一样是，本设计中增加了阀门锁紧机构，经过简单理论力学计算可知，Y向很小力往往能对X向运动产生很大阻尼(比如防盗门)，在A锁紧使能阀处于左位时，锁紧有效，当锁紧阀被压力触发时，顶出锁紧油缸，锁紧油缸连接锁紧机构，提供了对闸门双保护。在不适用锁紧时，将锁紧使能阀设定到右位，因为弹簧作用，锁紧油缸会自动弹回原位，即实现了可控锁紧/使能状态控制。
[图] 2 极限位置保护机构
最终是极限位置保护机构,在上面介绍中知道，本系统已经设计了红外对管测距器实现闸门同时闭环正确控制，不过为了预防电控出现故障，在系统中添加了极限位置保护机构，此机构利用纯机械液压结构，在电控失效时仍然能够正常运转。图，当闸门处于上极限报警位置或下极限报警位置时，极限阀被推开，首先继电器发出报警信号，同时保护阀经过液压方法被推开，动力系统和实施系统被切断，预防深入破坏，确保安全。在恢复时，在确保检修完成条件下，利用电磁阀让保护机构卸荷，保护阀回到右位，动力系统和实施系统连接，恢复至正常工作位置。
以上即为本设计功效说明，因为是首次单独进行液压系统设计，若有不足疏忽之处，还望老师指点。

4. 设计计算
4.1系统最高控制压力确定
参阅关键技术参数，因为系统需要最大单缸启闭力为1600kN，液压缸内径400mm,带入公式计算可得：
p=F14πd2=12.73 Mpa
考虑到系统损耗和辅助元件分压，最高控制压力应该富余10%左右。故系统最高控制压力应为：

PMAX=F14πd2×110%=14.01 Mpa≈14Mpa

4.2泵最大输出流量确定
系统要求启闭速度大于等于0.6m/min，取Vmax=1.0m/min，经过计算可知在双缸同时运动时：
q=2vA=4.2 L/s
考虑到系统对油液有一定损耗，在流量损耗3%且留出10%富余量条件下，得到：
qmax=4.76 L/s

4.3主油缸校核
由4.1结果能够看出，在液压缸压力为12.73Mpa时油缸即可输出1600kN启门力，在系统控制压力为15Mpa时，液压缸能够输出足够推力/拉力。
又活塞杆直径为180mm，经过简单材料力学计算可知，在1600kN载荷下，活塞杆承受62.87Mpa单向应力，参考常见钢材Q235屈服极限235Mpa，安全系数n=3.7，校核安全。

4.4液压泵功率计算
经过上述计算可知，液压泵最大控制压力pmax为14Mpa，最大流量qmax为4.76L/s，液压泵效率取常见值0.85，带入公式能够求出：
P=PAvη=pqη=78.4kW
故若要达成最快1.0m/min启闭速度，需要输出功率78.4kW，在液压泵单机功率为45kW且需要有备用泵组条件下，整个系统需要4台泵，分为两组使用。

4.5保护溢流阀计算
参阅设计要求，单门开启力为1600kN，对应油缸压力12.73Mpa，保护溢流阀溢流压力设置可比油缸最大压力高出20%，取整后取16Mpa。对于系统总溢流阀，参考系统控制压力14Mpa，溢流阀压力高出20%，取整后取17Mpa。

5. 关键元件参数和参考选型
5.1液压泵选型要求
液压泵共需要4台，分为两组即主泵组和备用泵组，要求正常工作功率45KW，最大输出流量可达成143L/min，最大工作压力170bar，工作稳定，能够承受变载荷。在此条件下，定量柱塞泵能够满足设计要求。具体型号需依据不一样供货企业提供产品名目查找符合以上要求产品。

5.2主液压缸选型要求
主液压缸一共需要2台，要求内径Φ400mm，活塞杆直径Φ180mm，许可最大运动速度≥1m/min，工作行程：5.5m，最大行程：5.7m。具体型号需依据不一样供货企业提供产品名目查找符合以上要求产品。

6. 参考文件
[1] 液压传动/王积伟-机械工业出版社
[2] 机械设计手册/闻邦椿主编-机械工业出版社
[3] 机械工程师设计手册-电子版/北京英科宇科技开发中心