機(jī)電液壓課程設(shè)計(jì)-2000kg液壓舞臺(tái)升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-3"\f\h\z\u一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 -1-一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)理論知識(shí)，獨(dú)立解決實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力的一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到下述目的：a初步掌握正確的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)的基本方法，步驟,鞏固，深化和擴(kuò)大所學(xué)的知識(shí),培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的工作方法和獨(dú)立工作能力；b獲得舞臺(tái)升降總體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件計(jì)算，編寫說(shuō)明書。繪制液壓系統(tǒng)圖1張；c熟悉有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格、手冊(cè)和資料的應(yīng)用；d完成PLC選型及硬件電路設(shè)計(jì)，繪制PLC端子接線圖1張。并完成軟件設(shè)計(jì)，繪制梯形圖與列出主要控制程序指令語(yǔ)句1張。1.2舞臺(tái)動(dòng)作循環(huán)要求設(shè)計(jì)一套適用于舞臺(tái)升降機(jī)的液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使演出平臺(tái)保持一定的精度，同步、平穩(wěn)地上升、下降，并可在一米的行程范圍內(nèi)任意高度停留。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠。設(shè)計(jì)要完成舞臺(tái)升降液壓系統(tǒng)的機(jī)電液控制設(shè)計(jì)。舞臺(tái)采用四個(gè)液壓缸支撐，要求液壓缸同步上升。舞臺(tái)停止時(shí)，采用蓄能器齙牙，泵卸荷。舞臺(tái)的同步采用分流集流閥。動(dòng)作過(guò)程：能夠?qū)崿F(xiàn)“同步上升—停止—保壓—同步下降—停止”的工作循環(huán)。1.3舞臺(tái)升降對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的具體參數(shù)要求舞臺(tái)重量2000kg,舞臺(tái)升降速度是0.3m/s。二、液壓系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)1.分析工況及設(shè)計(jì)要求,繪制液壓系統(tǒng)草圖工況分析：圖2-1液壓系統(tǒng)草圖2.按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)合理液壓系統(tǒng)原理圖（1）按設(shè)計(jì)要求，希望系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且系統(tǒng)的功率較不大，根據(jù)教材液壓系統(tǒng)常用液壓泵性能比較表決定采用單個(gè)定量泵，并用以個(gè)溢流閥作安全閥，當(dāng)系統(tǒng)超載時(shí)，溢流閥打開，對(duì)系統(tǒng)起到過(guò)載保護(hù)作用，而平時(shí)溢流閥是關(guān)閉的；（2）舞臺(tái)要求同步動(dòng)作，故采用同步缸的同步回路，由于同步缸的兩腔的有效面積相等，且兩工作缸的面積也相同，則兩缸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)；（3）為了是舞臺(tái)停留保持是要求安全可靠，故設(shè)計(jì)鎖緊回路，使液壓缸在任意位置上停留，且停留后不會(huì)因舞臺(tái)自身重力而移動(dòng)位置。當(dāng)換向閥左位接入時(shí)，壓力油經(jīng)左邊液控單向閥進(jìn)入液壓缸下腔，同時(shí)通過(guò)控制口打開右邊液空單向閥，使液壓缸上腔得回油經(jīng)過(guò)右邊液空單向閥及換向閥流回油箱，活塞向上移動(dòng)。反之，活塞向下移動(dòng)；（4）因舞臺(tái)要求上升、下降及停留，故采用三位四通閥，使執(zhí)行元件可以在任意位置停留，且執(zhí)行元件正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)可以得到不同的回油方式。綜上考慮，繪制出圖所示液壓傳動(dòng)系統(tǒng)草圖：圖2-22000Kg舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理圖表2-1電磁鐵動(dòng)作順序表動(dòng)作名稱1YA(3YA)2YA(4YA)同步上升+-停止--保壓--停止--同步下降-+停止--圖2-3電氣控制電路圖三、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1工況分析液壓缸的輸出力由工作壓力p和活塞有效面積A決定的，而液壓缸的輸出速度v是由輸入液壓缸的流量q和活塞有效面積A決定的。即：F=P*Av=q/A（3-1）主機(jī)工作過(guò)程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要克服的負(fù)載包括工作負(fù)載，慣性負(fù)載和阻力負(fù)載（1）外負(fù)載F=2000kg×9.8N/kg/4=4.9KN（2）慣性負(fù)載Fm=m△V/△t=2000×0.3/0.6=1KN取△t=0.6（3-2）（3）阻力負(fù)載靜摩擦阻力Ffs=fs*Fn，fs≤0.2～0.3（3-3）動(dòng)摩擦阻力Ffd=fd*Fn，fd≤0.05～0.1（3-4）又因?yàn)镕n=mg=19.6KN=FG（3-5）所以Ffs=0.98KNFfd=0.49KN（3-6）表3-1液壓缸在各工作階段的負(fù)載F單位：KN工況負(fù)載組成負(fù)載值/KN啟動(dòng)階段F=Ffs+FG5.89上升階段F=Ffd+Fm+FG6.39保持階段F=Ffd+FG5.39下降階段F=Fn-Ffd-Fm3.41由表《各類液壓設(shè)備常用工作壓力》查得工作壓力：P=2Mpa（3-7）3.2液壓缸內(nèi)徑計(jì)算F=6.3914KN（3-8）D===75.2mm（3-9）3.3活塞桿直徑計(jì)算d=0.707D=0.0559mm（3-10）根據(jù)表GB/T2348-2001標(biāo)準(zhǔn)圓整后D=80mm,d=56mm.液壓缸兩腔的實(shí)際有效面積：A1==(3-11)A2=(3-12)3.4缸筒設(shè)計(jì)1.材料選擇：一般采用45號(hào)鋼，并應(yīng)調(diào)質(zhì)到241-285HBS缸筒厚度δ：（3-13）式中—缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值—缸筒外徑公差余量—腐蝕余量按中等壁厚缸筒計(jì)算:=（0.08-0.3）D=6.4㎜-24㎜取10㎜（3-14）缸筒外徑(3-15)2.缸筒厚度驗(yàn)算（1）工作額定壓力應(yīng)小于一極限值，以保證工作安全(3-16)（2）為避免塑性變形，額定工作壓力應(yīng)滿足—缸筒發(fā)生安全塑性變形的壓力（3-17）（3-18）（3）缸筒底部厚度采用平行缸底，當(dāng)缸底平面且無(wú)油孔，缸底厚度h為：（3-19）式中D—缸筒內(nèi)徑，計(jì)算中取—材料的許用應(yīng)力（MPa），—缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)表《缸筒常用無(wú)縫鋼管的材料力學(xué)性能》查得45號(hào)鋼的=600Mpa。根據(jù)表《安全系數(shù)n》查得，靜載荷下的鋼的安全系數(shù)。（3-20）3.5活塞桿強(qiáng)度校核（3-21）式中，對(duì)于圓斷面（3-22）（3-23）滿足強(qiáng)度條件。四、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1流量功率計(jì)算（1）上升時(shí)(4-1)（4-2）(4-3)（2）下降(4-4)（4-5)。（4-6）4.2液壓泵設(shè)計(jì)與校核取油路壓力損失0.8Mpa.取調(diào)整壓力高于系統(tǒng)最大工作壓力0.5Mpa,整個(gè)過(guò)程中最大工作壓力：=4.99Mpa（4-7）=+0.8+0.5=4.99+1.3=6.29Mpa（4-8）整個(gè)過(guò)程中最大流量為：（4-9）取泄露系數(shù)（4-10）溢流閥的最小穩(wěn)定流量為，所以液壓泵的最小流量為49.14。查《YB-E型葉片泵技術(shù)參數(shù)》選擇YB-E100，其中，液壓泵排量為98ml/min（4-11）由于液壓缸在快速工進(jìn)時(shí)輸入功率最大，這時(shí)液壓泵的工作壓力為6.29Mpa，流量為94.32，查表《液壓泵的總功率》取總效率，液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需功率：（4-12）根據(jù)表《Y系列（IP44）α型三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)》選取Y16L-4電動(dòng)機(jī)額定功率15KW額定轉(zhuǎn)速1460r/min效率88.5%功率因數(shù)0.85。4.3選擇基本回路1.由于舞臺(tái)升降系統(tǒng)需要保持一定精度、同步、平穩(wěn)地上升下降可選擇同步缸的同步回路；2.舞臺(tái)上升速度可以調(diào)節(jié)，可選擇進(jìn)油節(jié)流閥調(diào)速回路；3.舞臺(tái)停止時(shí)采用輔助液壓泵保壓和鎖緊回路；4.選擇調(diào)壓和卸荷回路。4.4閥類元件及輔助元件根據(jù)閥類及輔助元件所有油路的最大壓力和通過(guò)最大試驗(yàn)流量，選出這些液壓元件。1.葉片泵（1）定流量99.04L/min；(2)額定壓力16Mpa；(3)型號(hào)規(guī)格Y200L1-2。2.三位四通電磁閥（m型）（1）最大流量94.32*2=188.64L/min以上，取200L/min；(2)根據(jù)表《電磁換向閥系列技術(shù)參數(shù)》選取型號(hào)：DG5S-H8B；(3)額定流量200L/min額定壓力8Mpa壓降＜6.3Mpa。3.單向閥（1）預(yù)計(jì)流量99.036L/min，所以選取型號(hào)：DIF-L32H2；（2）額定流量100L/min，額定壓力21Mpa，額定壓降＜0.2Mpa。4.濾油器（1）預(yù)計(jì)通過(guò)流量99.0364L/min，選取型號(hào)：TLW-100；（2）額定流量160L/min，額定壓力16Mpa。5.溢流閥（背壓閥）（1）其可調(diào)到1Mpa，故選取型號(hào)：YF3—E10B；（2）額定流量106L/min，額定壓力14Mpa。6.蓄能器（1個(gè)）查產(chǎn)品樣本手冊(cè)，選用HXQ-C16D，公稱容積為16L公稱壓力為17MPa。表4-1元件的型號(hào)及規(guī)格序號(hào)元件名稱估計(jì)通過(guò)流量額定流量額定壓力/MPa額定壓降/MPa型號(hào)規(guī)格1葉片泵94.32153.0916—YB—E1002三位四通電磁閥188.6420016＜0.334DM—E10B3單向閥99.03610021＜0.2DIF—L32H24液控單向閥99.03617021＜0.2DFY—L32H25溢壓閥—638—YF—L32H16濾油器99.04100—＜0.2XU—160X80J7溢流閥306316—YF3—E10B4.5油管根據(jù)推薦選擇在壓油管的流速4m/s，按：（4-13）式中q—通過(guò)管道的流量v—管內(nèi)允許流速。表4-2液壓缸的進(jìn)出流量勻速上升勻速下降輸入流量輸出流量所以液壓缸無(wú)桿腔及有桿腔的油管內(nèi)徑分別為：（4-14）（4-15）這兩根管都可按GB/T2351—2005選用內(nèi)徑mm，外徑mm的冷拔無(wú)縫鋼管。4.6油箱根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取數(shù)據(jù)=5，故其容積為（4-16）按JB/T7938—1999規(guī)定，取最靠近的標(biāo)準(zhǔn)值V=500L4.7蓄能器（1）在本設(shè)計(jì)中蓄能器用來(lái)起保壓作用，其有效工作容積為（4-17）式中：——液壓缸有效工作面積（）；（2）活塞式蓄能器總?cè)莘e的計(jì)算，按等溫過(guò)程計(jì)算：(4-18）式中:查產(chǎn)品樣本手冊(cè)，選用HXQ-C16D，公稱容積為16L公稱壓力為17MPa。4.8驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能（1）驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失并確定壓力閥的調(diào)整值由于系統(tǒng)管路布置尚未確定，整個(gè)系統(tǒng)壓力損失無(wú)法全面估算，但對(duì)中小型液壓系統(tǒng)，管路壓力損失甚微，可以不予考慮。壓力損失驗(yàn)算按一個(gè)循環(huán)的不同階段進(jìn)行：勻速上升時(shí)，進(jìn)油回油通過(guò)電磁閥，流量為94.32L/min,電磁閥進(jìn)油為94.32L/min.，背壓閥背壓損失損失1MPa，回油通過(guò)電磁閥46.14L/min.(4-20)（4-21）勻速下降v=0.3m/s進(jìn)油壓降為（4-22）回油壓降為（4-23）所以勻速下降時(shí)工作壓力為(4-24)所以順序閥至少大于5.77（2）驗(yàn)算油液溫升由于快進(jìn)時(shí)間較短，我們以向上工進(jìn)上升下降來(lái)計(jì)算(4-25)液壓泵通過(guò)順序閥的流量49.14L/min,由表查得該閥在額定流量=63L/min時(shí)的壓力損失，故此閥的壓力損失(4-26)液壓泵工作壓力為，流量為由式（4-26）算的液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率（4-28）油箱的散熱面積為（4-29）根據(jù)表《油箱散熱系數(shù)》查得則按式求出溫升為（4-30）根據(jù)表《機(jī)械允許溫升》，故該液壓系統(tǒng)超出溫度范圍65，故不需設(shè)置冷卻器。五、PLC設(shè)計(jì)圖1.PLC設(shè)計(jì)圖5-1PLC梯形圖圖5-2PLC端子接線圖2.PLC語(yǔ)句表地址指令 指令數(shù)據(jù)0000 LD 00010001 ANDNOT 00040002 ANDNOT 00060003 ANDNOT 05010004 OUT 05000005 LD 00020006 ANDNOT 00050007 ANDNOT 00060008 ANDNOT 05000009 OUT 05010010 END3.PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)的電磁閥換向開關(guān)以及限位開關(guān)SQ1~SQ3，實(shí)現(xiàn)液壓缸的變換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓缸的上升與下降，工作過(guò)程如下：（1）旋下SA，液壓缸啟動(dòng)；（2）按下SB1，液壓缸勻速上升；（3）松開SB1，液壓缸停止；（4）當(dāng)運(yùn)動(dòng)到預(yù)定高度時(shí)，碰到行程開關(guān)SQ1，液壓缸停止上升；（5）按