機(jī)電液綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)海浪發(fā)電

目錄第一章液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案...........................................................................................11.1前言............................................................................................................................11.2已知條件....................................................................................................................11.3設(shè)計(jì)目的.....................................................................................................................11.4設(shè)計(jì)過程....................................................................................................................21.5最終材料....................................................................................................................21.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖................................................................................................21.6.1液壓結(jié)構(gòu)示意圖.............................................................................................21.6.2液壓原理圖.....................................................................................................3第二章液壓系統(tǒng)元件的選擇...................................................................................................52.1液壓馬達(dá)的選擇.........................................................................................................52.1.1馬達(dá)的工作壓力的確定..................................................................................52.1.2馬達(dá)的流量確定.............................................................................................52.1.3選擇液壓馬達(dá)的規(guī)格.....................................................................................62.2發(fā)電機(jī)的選擇.............................................................................................................62.3蓄能器的選擇...........................................................................................................72.3.1蓄能器容積的計(jì)算.........................................................................................72.3.2蓄能器的選型.................................................................................................82.4其他...........................................................................................................................82.4.1油管.................................................................................................................92.4.2液壓閥.............................................................................................................92.5匯總..........................................................................................................................112.6壓力繼電器及兩種傳感器的控制..........................................................................122.6.1I/O分配表.....................................................................................................122.6.2PLC外部接線圖...........................................................................................132.6.3壓力繼電器控制...........................................................................................132.6.4壓力傳感器控制...........................................................................................132.6.5流量傳感器控制...........................................................................................14第三章液壓缸尺寸的確定.....................................................................................................153.1液壓參數(shù)的確定......................................................................................................153.2液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定.................................................................163.3液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算......................................................................................173.4液壓缸工作行程的確定..........................................................................................193.5液壓缸缸蓋厚度的確定..........................................................................................203.6最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定..............................................................................................203.7缸體長(zhǎng)度的確定......................................................................................................21第四章液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核.........................................................................................224.1缸體與缸蓋的連接形式..........................................................................................224.2活塞與活塞桿的連接形式......................................................................................244.3導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)..........................................................................................................264.4密封件的選用..........................................................................................................274.5液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)..........................................................................................284.6液壓缸進(jìn)出油口的設(shè)計(jì)..........................................................................................294.7液壓缸用耳環(huán)安裝結(jié)構(gòu)..........................................................................................304.8液壓缸主要零件......................................................................................................31第五章心得體會(huì).....................................................................................................................33第六章參考文獻(xiàn).....................................................................................................................34第一章液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案1.1前言現(xiàn)代社會(huì)新能源的開發(fā)和使用是我們作為工程技術(shù)人員進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)的方向，現(xiàn)在要求開發(fā)一套液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)，具體基本示意圖見圖1-1。圖1-1采能裝置示意及基本參數(shù)1.2已知條件1.浮漂的體積V=0.4m2；2.波浪的周期T=3s；3.波浪的浪高H=0.8m；4.液壓馬達(dá)的工作壓力：P=5-8MPa,設(shè)計(jì)工作壓力P=5MPa。1.3設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)為近岸液壓浮子式海上波浪能發(fā)電裝置，浮子式波浪能搜集裝置在吸收波浪能后通過液壓缸輸出高壓的液壓油，液壓油通過管道輸送至液壓馬達(dá)做功，用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作發(fā)電，液壓馬達(dá)要求工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，發(fā)電頻率穩(wěn)定。設(shè)計(jì)過程采用蓄能器穩(wěn)壓、輸出采用減壓閥穩(wěn)壓。該平臺(tái)的重要設(shè)備發(fā)電機(jī)、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等處于平臺(tái)密室內(nèi)，可保證其能抵御臺(tái)風(fēng)，降低鹽霧侵?jǐn)_；對(duì)于浮子裝置，當(dāng)遭遇臺(tái)風(fēng)侵襲時(shí)，通過液壓支桿將浮筒抬離水面進(jìn)行保護(hù)；平臺(tái)的主要設(shè)備有波浪能轉(zhuǎn)換部分、發(fā)電機(jī)，每一部分的設(shè)計(jì)盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。（3）浮筒為裝置的唯一浸水部分，可降低海水腐蝕帶來的影響。海浪能轉(zhuǎn)換部分均經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)行實(shí)效性高。11.4設(shè)計(jì)過程1.方案的查詢與確定2.相關(guān)計(jì)算與校核3.液壓元器件的選型4.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和液壓油缸的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓油缸的主要零部件設(shè)計(jì)1.5最終材料1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)的計(jì)算說明書2.油缸總裝配圖，包括液壓缸缸體鏈接轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、缸頭鏈接球軸承結(jié)構(gòu)3.零件圖：活塞，前后端蓋，鏈接頭、鉸鏈零件等圖紙1.6擬定液壓系統(tǒng)原理圖1.6.1液壓結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)動(dòng)作要求和提供的元件，設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1-2所示。圖1-2液壓系統(tǒng)原理示意圖平臺(tái)分為上下兩層，上層是主要承重層，承載著整個(gè)機(jī)組的大部分設(shè)備，包括液壓油儲(chǔ)能器發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)等。由于整個(gè)平臺(tái)處于海上，為了防止平臺(tái)上的重要設(shè)備受到強(qiáng)風(fēng)或2鹽霧的侵?jǐn)_，特別將發(fā)電機(jī)、液壓馬達(dá)等裝置置于一個(gè)密室內(nèi)。平臺(tái)下層為支撐浮子及液壓裝置的支架，是由幾個(gè)“工”字型鋼架組成的支承結(jié)構(gòu)。平臺(tái)布置雙排圓柱式浮子，浮子通過支桿與“工”字型鋼梁鉸接，支桿的另一端連接著液壓缸的活塞桿。活塞桿通過浮子的上下擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸做功，輸出的高壓油匯集后送至平臺(tái)上層的液壓馬達(dá)，推動(dòng)液壓馬達(dá)做功。在海上發(fā)電平臺(tái)的兩側(cè)布置兩排浮子，每排可以有多個(gè)浮子。單個(gè)浮子通過浮子臂與單個(gè)液壓缸連接，全部浮子共用一個(gè)液壓系統(tǒng)。當(dāng)浮子在垂直波浪力的作用下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過浮子臂繞著杠桿支點(diǎn)作用下，牽引液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)，液壓缸內(nèi)的液壓油被排出；多個(gè)液壓缸內(nèi)排出的液壓油全部匯集到同一根高壓油管中，高壓液壓油首先輸送到一個(gè)儲(chǔ)能器中，經(jīng)過緩沖調(diào)和之后流往液壓馬達(dá)，推動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)做功；做完功的液壓油通過一根回油管回流至液壓缸，形成一個(gè)完整的循環(huán)。海上波浪的起伏運(yùn)動(dòng)具有豐富的動(dòng)能與勢(shì)能，可以將這些能量傳遞給漂浮在海面上的浮子，轉(zhuǎn)變?yōu)楦∽由舷缕鸱膭?dòng)能與勢(shì)能。浮子臂銜接浮子和液壓缸活塞桿，將浮子從波浪中所吸收的能量傳遞給液壓缸活塞桿，從而推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)擠壓液壓油，具有液壓能的高壓液壓油通過油管進(jìn)入液壓馬達(dá)，使得液壓能轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能。1.6.2液壓原理圖根據(jù)擬定好的液壓結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)計(jì)出液壓原理圖，如圖1-3圖1-3液壓原理圖1-液壓缸2-單向閥3-壓力傳感器4-蓄能器5-壓力表2-6-二位二通電磁換向閥7-減壓閥8-壓力傳感器9-調(diào)速閥3-10-流量傳感器11-液壓馬達(dá)12-發(fā)電機(jī)13-補(bǔ)油油箱3通過海水對(duì)浮標(biāo)的作用，以及杠桿的作用，將浮子的上下移動(dòng)轉(zhuǎn)化為液壓缸1的進(jìn)油和回油動(dòng)作，當(dāng)波浪上升時(shí)，液壓缸上腔的壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到指定壓力時(shí)，液壓缸開始下行，由于油路中存在漏油現(xiàn)象，所以需要補(bǔ)油郵箱13進(jìn)行補(bǔ)油，此時(shí)上邊的兩個(gè)單向閥打開，開始向儲(chǔ)能器中充油，當(dāng)儲(chǔ)能器中的油液壓力達(dá)到預(yù)定的設(shè)定值時(shí)，此時(shí)壓力繼電器3發(fā)出電信號(hào)，使得二位四通電磁換向閥得電，此時(shí)油液從儲(chǔ)能器和油路系統(tǒng)一起供油，通過減壓閥7，使壓力保持恒定，之后經(jīng)過調(diào)速閥，使得流量保持恒定，但是調(diào)速閥存在一定的壓力損失，所以減壓閥的設(shè)定值要比液壓馬達(dá)高0.5Mpa左右，然后選擇合適的發(fā)電機(jī)給電池充電；當(dāng)波浪下降時(shí)，液壓缸的壓力開始下降，當(dāng)達(dá)到指定壓力時(shí)，液壓缸開始上升，此時(shí)單向閥關(guān)閉，油路不通，此時(shí)儲(chǔ)能器單獨(dú)向油路供油，當(dāng)儲(chǔ)能器中壓力降到設(shè)定壓力以下時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，電磁換向閥6失電，此時(shí)通向液壓馬達(dá)的油路不通，所以電池停止充電。根波浪的變化，電池進(jìn)行間歇式充電。4第二章液壓系統(tǒng)元件的選擇根據(jù)之前擬定的液壓結(jié)構(gòu)圖和液壓原理圖，選擇主要元器件。本裝置主要由液壓馬達(dá)、蓄能器、發(fā)電機(jī)、液壓閥等元件組成，根據(jù)系統(tǒng)使用要求，選出所需的型號(hào)。2.1液壓馬達(dá)的選擇液壓馬達(dá)是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，在液壓系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件使用。液壓馬達(dá)將來自液壓缸輸入的液壓能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，獲得輸出軸上的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。液壓馬達(dá)主要分高速液壓馬達(dá)、低速液壓馬達(dá)和擺動(dòng)液壓馬達(dá)。通過對(duì)脈動(dòng)率、啟動(dòng)效率、最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速三個(gè)方面的比較，可以發(fā)現(xiàn)多作用內(nèi)曲線馬達(dá)的綜合性能最好。同時(shí)根據(jù)計(jì)算所得到的液壓油量和壓力，選擇合適的液壓馬達(dá)。2.1.1馬達(dá)的工作壓力的確定考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失，所以馬達(dá)的工作壓力為:Pp=P1+?P(2-1)式中：Pp——液壓馬達(dá)最大工作壓力；P1——執(zhí)行元件最大工作壓力；?P——進(jìn)油管路中的壓力損失，本設(shè)計(jì)中?P=0.5MpaPp=(5+0.5+)=5.5MPa上式中計(jì)算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力儲(chǔ)備量，并確保馬達(dá)的壽命，因此選馬達(dá)的額定壓力pp，應(yīng)滿足Pn≥(1.25~1.6)Pp。中低壓系統(tǒng)去小值，高壓系統(tǒng)取大值。在本設(shè)計(jì)中Pn=1.25Pp=7.5Mpa，為方便計(jì)算取10Mpa2.1.2馬達(dá)的流量確定液壓馬達(dá)的最大流量應(yīng)為：5qp≥KL(q)max(2-2)式中：qp——液壓馬達(dá)的最大流量；(q)max——同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。KL——系統(tǒng)泄露系數(shù)，KL=1.2qp=K(q)max=1.2×8.4×10?5=1.008×10?4m3/s2.1.3選擇液壓馬達(dá)的規(guī)格根據(jù)算得的qp和Pp，選用YM型限壓式變量葉片馬達(dá)，該馬達(dá)的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量q0=20ml/r，馬達(dá)的額定壓力Pn=10MPa，轉(zhuǎn)速n=302r/min，容積效率ηv=0.9，總效率η=0.7。表2-1馬達(dá)銘牌參數(shù)2.2發(fā)電機(jī)的選擇本文設(shè)計(jì)的海洋波浪能發(fā)電裝置通過第二級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)把波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過第三級(jí)輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電能。在把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過程中，發(fā)電機(jī)是第三級(jí)輸出系統(tǒng)的核心部件，發(fā)電機(jī)不僅僅直接影響整個(gè)第三級(jí)輸出系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能的質(zhì)量，同時(shí)也關(guān)系到第二級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作方式、部件結(jié)構(gòu)和工作效率。目前波浪能發(fā)電裝置上使用的發(fā)電機(jī)一般都采用的是通用的小型三相交流發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)并不完全適用在波浪發(fā)電裝置上使用?，F(xiàn)階段運(yùn)用風(fēng)能發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，市場(chǎng)上已有許多相關(guān)產(chǎn)品。風(fēng)能和波浪能在一定程度上具有相似之處，風(fēng)能也是隨時(shí)隨地變化，具有隨機(jī)性，因此運(yùn)用波浪能發(fā)電的發(fā)電機(jī)的選擇可以借鑒風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本文設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置是一臺(tái)獨(dú)立工作的裝置，并且輸出電功率不需要很大，因此選用獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電機(jī)通常容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實(shí)現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)輸出。通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁、轉(zhuǎn)速和功率變換器可以產(chǎn)生恒定電壓的直流電或者恒定電壓和恒定頻率的交流電。根據(jù)上述發(fā)電機(jī)的分類和特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的海洋波浪能發(fā)電裝置初步選用的發(fā)電機(jī)類型為獨(dú)立6運(yùn)行的直流發(fā)電機(jī)。結(jié)合本文設(shè)計(jì)的海洋波浪能發(fā)電裝置的工作要求，選擇直流發(fā)電機(jī)中的永磁式直流發(fā)電機(jī)作為海洋波浪能發(fā)電裝置中所選用的發(fā)電機(jī)。根據(jù)前文確定的發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速360--400r／min，并且根據(jù)輸出功率，選擇發(fā)電機(jī)型號(hào)Y100-1。確定選擇的發(fā)電機(jī)型號(hào)的銘牌參數(shù)如表2-2所示。表2-2發(fā)電機(jī)銘牌參數(shù)2.3蓄能器的選擇為了便于給發(fā)電機(jī)提供持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力，一般需要選用一個(gè)蓄能器來暫時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)傳送過來的液壓能量。蓄能器是把壓力油的壓力能儲(chǔ)存在耐壓容器中，需要時(shí)再將其釋放出來的一種能量?jī)?chǔ)存裝置，它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分的能量。保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。對(duì)于液壓系統(tǒng)，廣泛使用的是活塞式蓄能器和氣囊式蓄能器。液壓控制系統(tǒng)實(shí)際情況，蓄能器用于作輔助動(dòng)力源并維持系統(tǒng)的壓力，需要蓄能器有良好的靈敏特性和更高的壓力值2.3.1蓄能器容積的計(jì)算蓄能器的工作原理：利用氣體的可壓縮性，靠封閉氣體的彈性變形儲(chǔ)存和釋放能量。當(dāng)進(jìn)入蓄能器中的油液壓力升高時(shí)，蓄能器氣囊中的氣體受壓縮氣體變小，儲(chǔ)存能量，同時(shí)蓄能器內(nèi)的油液體積增大。當(dāng)蓄能器內(nèi)油液壓力降低時(shí)，氣囊內(nèi)氣體膨脹，釋放能量，同時(shí)把油液擠出蓄能器。用于能量?jī)?chǔ)存時(shí)的氣囊式蓄能器氣體狀態(tài)變化滿足玻義耳定律。nnnp1v1=p2v2=p3v3=C（2.3）即則有7式中p1——充氣壓力,MPa(此時(shí)體積為v1)p2——系統(tǒng)的最低工作壓力,MPa(最低工作壓力下的氣體體積v2)；p3——系統(tǒng)的最高工作壓力,MPa(最高工作壓力下的氣體體積v3)；n——等溫變化時(shí)，n=1；絕熱變化時(shí),多變指數(shù)n=1.4。當(dāng)從壓力p2降到p3后，蓄能器釋放的油液體積及氣體體積的變化量v為:v=v3-v2根據(jù)液壓系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，蓄能器工作過程為等溫變化，則蓄能器容積計(jì)算公式簡(jiǎn)化為v1=?v（2.4）p11p2?1p3系統(tǒng)采用10條行程為160mm,活塞直徑為50mm，活塞桿直徑為32mm的液壓缸。則需求總流量為：vz=π×502?322×160×10=1.8L根據(jù)已知條件：p2=5MPa，p3=10MPa?；钊絻?chǔ)能器充氣系數(shù)：0.8，p1=0.8p2=4MPa，則：v1=?v=p11p2?1p34?1.8所以蓄能器所需容積為v1=4.5（L）2.3.2蓄能器的選型根據(jù)容積4.5L選擇NXQ※-6.3/※-L/F-※，參數(shù)如表2-3所示表2-3蓄能器銘牌參數(shù)型號(hào)NXQ※-6.3/※-L/F-※公稱容積/L6.3公稱壓力/MPa10、20、31.52.4其他除主要液壓元器件液壓馬達(dá)、蓄能器的選擇外，為提高總效率，還需要確定并選擇其他8輔助元件，例如油管、液壓油、液壓閥等。2.4.1油管如表2-4為管道允許流速推薦值。表2-4允許流速推薦值油管內(nèi)徑為：4q4×47.1×10?3d==×103mm=14.14mm根據(jù)內(nèi)徑尺寸系列，選取內(nèi)徑為20mm的軟管。2.4.2液壓閥1.單向閥單向閥又稱止回閥或逆止閥。用于液壓系統(tǒng)中，以控制油流的溝通或切斷。單向閥的開啟壓力有0.04MPa和0.4MPa兩種，前者一般用在壓力管路中，以防止油流反向流動(dòng)；后者一般可作為背壓閥使用。根據(jù)之前所得流量Q=8.4×10?5m3，選用AF3-Ea10B單向閥。如表2-5為AF3-Ea10B單向閥基本參數(shù)。表2-5單向閥基本參數(shù)表2.二位二通電磁換向閥換向閥用于液壓系統(tǒng)中，以控制油流的換向。根據(jù)使用環(huán)境的不同可分為三類，低壓電9磁閥、常規(guī)電磁閥高壓電磁閥。根據(jù)工作壓力為5MPa和之前所得流量Q=8.4×10?5m3，選用2L200-10二位二通電磁換向閥。如表2-6為2L200-25二位二通電磁換向閥基本參數(shù)。表2-6換向閥基本參數(shù)3.調(diào)速閥調(diào)速閥是由定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)而成的組合閥。節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)通過的流量，定差減壓閥則自動(dòng)補(bǔ)償負(fù)載變化的影響，使節(jié)流閥前后的壓差為定值，消除了負(fù)載變化對(duì)流量的影響。節(jié)流閥前、后的壓力分別引到減壓閥閥芯右、左兩端，當(dāng)負(fù)載壓力增大，于是作用在減壓閥芯左端的液壓力增大，閥芯右移，減壓口加大，壓降減小，從而使節(jié)流閥的壓差（p2-p3）保持不變；反之亦然。這樣就是調(diào)速閥的流量恒定不變（不受負(fù)載影響）。根據(jù)系統(tǒng)要求，選用HF2-KG16K-02型調(diào)速閥。具體參數(shù)如表2-7。表2-7調(diào)速閥基本參數(shù)表4.減壓閥減壓閥是通過調(diào)節(jié)，將進(jìn)口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質(zhì)本身的能量，使出口壓力自動(dòng)保持穩(wěn)定的閥門。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，減壓閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，即通過改變節(jié)流面積，使流速及流體的動(dòng)能改變，造成不同的壓力損失，從而達(dá)到減壓的目的。然后依靠控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使閥后壓力的波動(dòng)與彈簧力相平衡，使閥后壓力在一定的誤差范圍內(nèi)保持恒定。根據(jù)系統(tǒng)要求，選用GWJYF-5-3-50型可調(diào)減壓閥。具體參數(shù)如表2-8。10表2-8減壓閥基本參數(shù)表2.5匯總液壓所用元件匯總?cè)缦卤?-9：表2-9液壓元件匯總表112.6壓力繼電器及兩種傳感器的控制2.6.1I/O分配表表2-10I/O分配表122.6.2PLC外部接線圖圖2-1PLC外部接線圖2.6.3壓力繼電器控制當(dāng)儲(chǔ)能器的壓力達(dá)到指定壓力時(shí)，通過A/D轉(zhuǎn)換器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送到PLC，通過PLC程序使得輸出正確的控制信號(hào)，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)控制二位二通電磁換向閥得失電。（X0代表PLC控制信號(hào)（當(dāng)壓力達(dá)到時(shí)自動(dòng)接通），電磁閥PLC信號(hào)以Y0表示）壓力繼電器PLC控制如圖2-1所示。圖2-2壓力繼電器PLC控制2.6.4壓力傳感器控制壓力傳感器主要是使得壓力基本上保持恒定，當(dāng)壓力過大時(shí)，使得減壓閥開口適當(dāng)減小，當(dāng)壓力過小時(shí)，使得減壓閥開口適當(dāng)加大。由于此處的壓力是由壓力傳感器測(cè)定，且本次選定的壓力傳感器有0.25Mpa左右的偏差，所以在指定壓力±0.25Mpa范圍內(nèi)都符合要求。通過減壓閥的壓力，通過A/D轉(zhuǎn)換器，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送到PLC，通過PLC程序使得輸出正確的控制信號(hào)，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)控制減壓閥開口大小。（X1、X2、X3代表PLC控制信號(hào)，X1代表壓力在正常范圍內(nèi)，X2代表壓力低于正常壓力，X3代表壓力高于正常壓力；Y1代表正常開口，Y2代表開口調(diào)大，Y3代表開口調(diào)小。）壓力傳感器PLC控制如圖2-2所示。13圖2-3壓力傳感器PLC控制2.6.5流量傳感器控制流量傳感器主要是使得流量基本上保持恒定，當(dāng)流量過大時(shí)，使得調(diào)速閥開口適當(dāng)減小，當(dāng)流量過小時(shí)，使得調(diào)速閥開口適當(dāng)加大。由于此處的流量是由流量傳感器測(cè)定，且本次選定的流量傳感器有一定偏差，所以在指定流量范圍內(nèi)都符合要求。通過調(diào)速閥的壓力，通過A/D轉(zhuǎn)換器，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送到PLC，通過PLC程序使得輸出正確的控制信號(hào)，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)控制調(diào)速閥開口大小。（X4代表流量過大，Y4代表調(diào)速閥開口減??；X5代表流量過小，Y5代表調(diào)速閥開口增加；X6代表壓力正常，Y6代表調(diào)速發(fā)開口正常）流量傳感器PLC控制如圖2-3所示。圖2-4流量傳感器PLC控制14第三章液壓缸尺寸的確定3.1液壓參數(shù)的確定設(shè)浮標(biāo)為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)為1m，寬為1m，高位0.4m。設(shè)海水的密度為ρ海水=1.0×103kg/m3，浮標(biāo)的密度為ρ浮標(biāo)=0.5×103kg/m3，當(dāng)浮標(biāo)的體積浸入海水34時(shí)浮標(biāo)開始上升，浮標(biāo)功率90%為有效值。ρ浮標(biāo)=mv=0.5×103kgm3m=ρ浮標(biāo)×v=0.5×103×0.4=0.2×103kgF合=F浮標(biāo)?GG=mg=0.2×103×10=2000N∴F浮標(biāo)=ρ海水×v×g=1×103×34×0.4×10=3000N∴F合=1000Nw浮標(biāo)=F合×?=1000×0.8?0.4×14=700JP浮標(biāo)=Wt=700÷1.5×90%=420WQ流量=P浮標(biāo)÷P壓=420÷5×106=8.4×10?5m3V體=Qt=8.4×10?5×1.5=1.26×10?4m3L=V體÷A=0.8?0.4×14÷5=0.14m153.2液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定如圖3-1為活塞桿液壓缸示意圖p1p2圖3-1活塞桿液壓缸計(jì)算示意圖F1=F2=p1?p2×A=p1?p2××D2?d2(3-1)4π式中：p1---------液壓缸工作壓力（Mpa）p2---------回油腔背壓(Mpa)A---------活塞的有效面積(mm2)F----------最大負(fù)載（N）A=4πD2?d2(3-2)式中：D--------液壓缸的內(nèi)徑d---------活塞桿的直徑由L=V體÷A=140mm和A=14π(D2?d2)D2?d2=1.14×103mm2取d/D=0.7時(shí)D=47.3mmd=30.3mm1根據(jù)表3-1和3-2液壓缸內(nèi)徑尺寸系列和液壓缸活塞桿外徑尺寸對(duì)D和d進(jìn)行圓整，?。篋=50mm、d=32mm。16表3-1液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348--80）表3-2活塞桿直徑系列（GB2348--80）3.3液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算液壓缸的材料選用無縫鋼管，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算為：δ≥PyD2[?](3-3)式中：δ---------液壓缸缸筒厚度（mm）Py--------試驗(yàn)壓力（MPa）[?]-------缸體材料的許用應(yīng)力（MPa）工作壓力P≤16MPa時(shí)，Py=1.5Pa；工作壓力P≥16MPa時(shí)，Py=1.25Pa；所以Py=1.5×6=9MPa17無縫鋼管的許用應(yīng)力[?]=100~110MPa，帶入數(shù)據(jù)δ≥PyD2δ=9×502×100=2.25mm由計(jì)算的公式所得的液壓缸的壁厚厚度很小，使缸體的剛度不夠，所以用經(jīng)驗(yàn)法選取壁厚：δ=10mm由液壓缸的壁厚，可求得缸體的外徑D1為D1≥D+2δ=70mm缸體壁厚的驗(yàn)算：液壓缸的額定工作壓力Pn應(yīng)低于一定的極限值，以保證工作安全，即Pn≤0.352?D2?sD1D?50=0.35×245×70=82.32Mpa(3-4)5022式中：D1，D--------液壓缸的外徑和內(nèi)徑（m或cm）σs-------------缸體材料的屈服強(qiáng)度（MPa）由前面計(jì)算的液壓缸的額定工作壓力為Pn=10MPa,故滿足要求。為避免缸體的工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力Pn應(yīng)與塑性變形壓力PrL有一定的比例關(guān)系：Pn≤(0.35~0.42)PrLPrL≤2.3?Slg顯然滿足要求。缸體的徑向變形量?D值應(yīng)在允許范圍內(nèi)，而不能超過密封件允許的范圍：?D=PyDE1+D+u=0.0076mm（3-5）DD?D122D170=2.3×245×lg=82.34Mpa式中：Py------液壓缸試驗(yàn)壓力（MPa）由前面知道E--------缸體材料的彈性模數(shù)（MPa）取200GPu--------缸體材料的泊松比，取u=0.3在允許范圍內(nèi)，滿足要求。為確保液壓缸安全使用，缸體的爆裂壓力PE應(yīng)大于試驗(yàn)壓力Py：PE=2.3?blgD170=2.3×410×lg=137.80Mpa>Py計(jì)算得出的PE的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)壓力Py值，所以液壓缸可安全使用。183.4液壓缸工作行程的確定液壓缸工作行程長(zhǎng)度，可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來確定，并參照下表中的尺寸系列來選取標(biāo)準(zhǔn)。表3-3液壓缸活塞行程參數(shù)系列（GB2349-80）由表3-3取行程L=160mm193.5液壓缸缸蓋厚度的確定液壓缸有孔時(shí)的近似計(jì)算公式為：PyD29×50t=0.433D2=0.433×50=12.20mm20由于缸蓋上要進(jìn)出油口，所以按經(jīng)驗(yàn)取:t=65mm3.6最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定圖3-2為液壓缸導(dǎo)向長(zhǎng)度示意圖。圖3-2液壓缸的導(dǎo)向長(zhǎng)度當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支承面中點(diǎn)的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度（如圖）。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足以下要求:H≥L20+D2=8+25=33mm（3-6）式中：L——液壓缸的最大行程D——液壓缸的內(nèi)徑活塞的寬度B一般取B=（0.6~1.0）D，D=50，故取B=40mm。缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度L1，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定當(dāng)D<80mm時(shí)，取L1=（0.6~1.0）D；當(dāng)D>80mm時(shí)，取L1=（0.6~1.0）d。所以B=(0.6~1)D=(0.6~1)×50=30~50mm，取B=40mmL1=(0.6~1)d=(0.6~1)×50=30~50mm，取L1=40mm20為保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，若過分增大L1和B都是不適宜的，必要時(shí)可在缸蓋與活塞之間增加一隔套K來增加H的值。隔套的長(zhǎng)度C有需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即1C=H?L1+B，此設(shè)計(jì)不需要用隔套。3.7缸體長(zhǎng)度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍。這里?。簝?nèi)部長(zhǎng)度為：160+40=270mm。外部長(zhǎng)度為：160+40+2×[90+(40-33)]=394mm。21第四章液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核4.1缸體與缸蓋的連接形式缸體端部與缸蓋的連結(jié)形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。下表4-1為液壓缸缸體與缸蓋的連接形式。表4-1液壓缸缸體與缸蓋的連接形式22考慮到加工成本以及連接可靠性，選擇法蘭螺栓連接，此種方法連接強(qiáng)度較大，能承受高壓。法蘭與缸體無縫鋼管采用了螺紋連接，這樣加工既方便，成本又低，連接又可靠。螺栓連接校核選取的螺栓為M12×1.5缸體與缸蓋采用螺栓連接時(shí)螺紋處的拉壓力為：?=πdZ4-1）14KF螺紋處的切應(yīng)力為：τ=合應(yīng)力為：?n=（4-3）式中：K--------螺紋擰緊系數(shù)（Pa）靜載時(shí)取K=1.25~1.5，動(dòng)載時(shí)取K=2.5~4；K1----------螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取K1=0.12；d0----------螺紋外徑（m）d1----------螺紋內(nèi)徑（m）采用普通螺紋時(shí)，232K1KFd0Z0.2d14-2）d1=d0-1.0825t=12-1.0825×2=9.835t-----------螺紋螺距（m）[?]--------螺紋材料的許用壓力（Pa）?≤?s350==175Mpan----------安全系數(shù)，通常取n=1.5~2.5；?s--------螺紋材料的屈服極限點(diǎn)（Pa）F----------缸體螺紋處的所受拉力（N）F=D2p,p為系統(tǒng)最大工作壓力。4πZ----------螺栓數(shù)量Z=6將各參數(shù)帶入公式得：?=50.40Mpaτ=30.88Mpa?n=73.49Mpa所以?n=73.49MpaMPa[?]=175MPa,其螺紋連接滿足要求。4.2活塞與活塞桿的連接形式考慮到成本、加工工藝、工作條件等因素，從表4-2所示連接形式中選擇活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)。表4-2活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)24結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，不易半環(huán)連接松動(dòng)，但會(huì)出現(xiàn)軸向間隙。銷孔必須配鉸，銷釘連接后推銷連接必須鎖緊，多用于負(fù)載較小的場(chǎng)合。本液壓缸設(shè)計(jì)選擇螺紋連接，此連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在振動(dòng)的工作條件下容易松動(dòng)，必須用鎖緊裝置，應(yīng)用較多，如組合機(jī)床與工程機(jī)械上的液壓缸。1）活塞桿強(qiáng)度校核活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向拉力或推力，可近似按直桿承受拉壓載荷的簡(jiǎn)單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行校核計(jì)算：?=4F4×5000==7.07Mpa≤?=120Mpa如果液壓缸工作時(shí)，活塞桿所受的彎曲力矩不可忽略時(shí)，應(yīng)按照彎曲聯(lián)合強(qiáng)度考慮，此時(shí)計(jì)算公式:?=A+1FFymaxW≤[?](4-4)式中：?--------活塞桿壓力（Pa）F--------活塞桿輸出力（N），F(xiàn)=5F合=5000NA1--------活塞桿面積（m2）d---------活塞桿直徑（mm）ymax------活塞桿最大撓度（mm）W--------活塞桿抗彎模量數(shù)（m3）,實(shí)心圓截面活塞桿為W=πd332因此活塞桿的強(qiáng)度滿足要求。2）活塞桿與活塞螺紋連接時(shí)的螺紋校核活塞桿與活塞連接螺紋的強(qiáng)度按第四強(qiáng)度理論校核25?nτ=(4-6)(4-7)?式中：?n--------拉壓力（Pa）τ--------剪應(yīng)力（Pa）?--------合成應(yīng)力（Pa）K--------螺紋連接摩擦系數(shù)，一般取K=0.7得出:5F5×5000==8.42Mpaπd120Fk20×5000×0.07τ===3.29Mpa1?n==10.17Mpa?=n故滿足要求。4.3導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可做成端蓋分開的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)，后者導(dǎo)向套磨損后便于直接更換，所以應(yīng)用比較普遍。導(dǎo)向套的位置可安裝在密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以裝在外側(cè)。設(shè)計(jì)中采用了導(dǎo)向套導(dǎo)向，密封裝置為O型密封圈。選取的螺釘為M10×1.25缸體與缸蓋采用螺栓連接時(shí)螺紋處的拉壓力為：?=πdZ(4-8)14KF螺紋處的切應(yīng)力為：τ=2K1KFd0Z0.2d1(4-9)26合應(yīng)力為：?n=式中：K-----------螺紋擰緊系數(shù)（Pa）靜載時(shí)取K=1.25~1.5，動(dòng)載時(shí)取K=2.5~4；K1----------螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取K1=0.12；d0----------螺紋外徑（m）d1----------螺紋內(nèi)徑（m）采用普通螺紋時(shí)，d1=d0-1.0825t=6.647mmt-----------螺紋螺距（m）[?]--------螺紋材料的許用壓力（Pa）?≤?s350==175Mpan--------安全系數(shù)，通常取n=1.5~2.5；?s--------螺紋材料的屈服極限點(diǎn)（Pa）F--------缸體螺紋處的所受拉力（N）F=D2p,p為系統(tǒng)最大工作壓力。4πZ--------螺栓數(shù)量Z=6將各參數(shù)帶入公式得：?=68.40Mpaτ=35.88Mpa?n=92.42Mpa所以?n=92.42MpaMPa[?]=175MPa,其螺紋連接滿足要求。4.4密封件的選用液壓缸工作中要達(dá)到零泄漏、摩擦小和耐磨損的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，正確的選擇密封件、導(dǎo)向套和防塵圈的結(jié)構(gòu)型式和材料是很重要的。從現(xiàn)代的密封技術(shù)來分析，液壓缸的活塞和活塞桿及其它們的密封、導(dǎo)向和防塵等應(yīng)作為一個(gè)綜合的密封系統(tǒng)來考慮，只有具有可靠的密封系統(tǒng)，才能使液壓缸有良好的工作狀態(tài)和理想的使用壽命。1.活塞與導(dǎo)向套之間的密封防塵：根據(jù)《新編液壓工程手冊(cè)》1440頁，選用A防塵圈直徑范圍為6~390，工作溫度-30~+110℃，進(jìn)給速度≤1，Vc=0.8m/s符合要求。材料為丁腈橡膠在外表面上具有梳子形截面的密封表面，保證了它在溝槽中可靠的定位。根據(jù)GB10708.1-89，選擇Y形橡膠密封圈，密封槽尺寸為寬6.3mm，深2.9mm。2.缸筒與缸蓋之間的密封：采用O形密封圈，帶擋圈的溝槽；根據(jù)GB3452.1-92選擇O形密封圈。O形密封圈的優(yōu)點(diǎn)主要有：①結(jié)構(gòu)小巧，裝拆方便。②價(jià)格低廉，體積小。③既可用于動(dòng)密封，也可用于靜密封。④動(dòng)摩擦阻力較小。⑤使用單件O形圈，可對(duì)兩個(gè)方向27起密封作用。3.活塞與缸筒之間的密封：中間采用O形密封圈，兩邊采用帶擋圈的溝槽的唇形密封圈。4.其他地方的密封裝置：根據(jù)GB3452.1-92，根據(jù)需要密封的部件尺寸，選擇合適的O形密封圈。4.5液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)根據(jù)安裝位置和工作要求的不同可有螺栓安裝、腳架安裝、法蘭安裝、軸銷和耳環(huán)安裝等如下表4-3所示表4-3液壓缸安裝方式HYPERLINK"/retype/zoom/a06a8d166ad97f192279168884868762caaebb20?pn=30&x=0&y=0&raww=640&rawh=587&o=jpg_6_0_______&type=pic&aimh=440.25&md5sum=7dfa7f9a4c3885de8725ab44f809769f&sign=c8bc6a