机电液综合实验(课程设计)

目录

第一章液压传动系统的设计 (1)

1.1 机械动作要求及参数 (1)

1.2 根据要求设计方案 (1)

1.3 计算和选择液压元件 (1)

1.4液压元件 (4)

1.5 工作状态表 (5)

1.6 电气控制系统 (5)

1.7 电气控制系统的安装与调试 (6)

第二章液压缸的设计与计算 (7)

2.1 液压缸的内径D和活塞杆的直径d的计算 (7)

2.2 验算最小稳定速度 (8)

2.3液压缸主要零件材料选择和加工要求 (8)

2.4 液压缸壁厚和外径的计算 (9)

2.5 液压缸工作行程的确定 (10)

2.6 最小导向长度的确定 (10)

2.7 缸盖固定螺栓d3的计算 (10)

2.8 活塞杆的校核 (10)

2.9 活塞的宽度B确定 (10)

2.10 缸体长度的确定 (11)

2.11 缸体与缸盖采的联接及计算 (11)

2.12 活塞与活塞杆的连接及计算 (12)

2.13 活塞及活塞杆处密封圈的选用 (13)

2.14 活塞杆导向部分的结构 (13)

2.15 液压缸的缓冲装置 (14)

心得体会 (15)

参考文献 (16)

第一章 液压传动系统的设计

1.1 机械动作要求及参数

工作时最大负载F=13000N ，液压缸的工作压力为P1=2.5MPa ，快进、快退速度V 快=5m/min ，工进速度V 工=0.6m/min ，油缸内径与活塞杆直径比D/d=2，回油腔背压P2=0.5MPa 。油路压力损失MPa p 3.0=∑?；min /2.0min L Q =。

1.2 根据要求设计方案

根据要求设计的控制系统图如图1-1所示

:

图1-1 液压传动控制系统图

1.3 计算和选择液压元件

1.3.1 液压泵的压力流量和选择泵的规格

1)泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为:

1p p p p =+∑?

(1-1)

式中 p p ——液压泵最大工作压力； 1p ——执行元件最大工作压力；

p ∑?——进油管路中的压力损失，本设计中MPa p 3.0=?∑

p

p =1p p +?∑=2.5+0.3=2.8Mpa (1-2)

上式中计算所得的p p 是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力p p 应满足().~.n p p 12516p ≥。中低压系统去小值，高压系统取大值。在本设计中

n p =p p 25.1=1.25×2.8=3.5Mpa (1-3)

2)泵的流量确定。液压泵的最大流量应为

()max p L q K q ≥∑ (1-4)

式中 p q ——液压泵的最大流量；

()m ax q ∑——同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正

进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量2~3L/min ；

L K ——系统泄露系数， 1.2L K =

()max ...min p L q K q 123925471L =∑=?= (1-5)

3) 选择液压泵的规格

根据算得的p q 和p p ，选用CB-32限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量032.5q m L r =，泵的额定压力10n p M Pa =，电动机转速1450m in H n r =，容积效率

0.9v η=，总效率0.7η=。

1.3.2 与液压泵匹配的电动机的选定

首先分别算出快进与工进两种不同工况的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。

工进时的外负载为13000N ,压力损失为0.3Mpa.

...6

p 2

13000

p 10

03196M Pa 01

4

π

-=

?+=?

(1-6)

快进时所需电动机功率为

....p p

p q 05471P 056kW 6007

η

?=

=

=? (1-7)

工进时所需电动机功率为

....p p

p q 196471P 22kW 6007

η

?=

=

=?

查询电动机产品样本，选用Y100-4型电动机，其额定功率为2.2kW ，额定转速为1430r/min 。

1.3.3 确定其它元件及辅件

1）确定阀类元件及辅件

根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，阅产品样本，选出的阀类元件和辅件规格如表1-1所列。

表1-1 阀类元件及辅助元件规格

2) 确定油管内径

表1-2允许流速推荐值

油管内径为：

3

d===（1-8）

10m m14.14m m

根据内径尺寸系列，选取内径为20mm的软管。

1.4液压元件如下表1-3

表1-3 液压元件的选用

根据动作要求和提供的元件，设计液压传动系统，设计油路图如图1-1，其工作情况由表1-4所示

油路中用到的上述提供的元器件有：二位二通电磁换向阀、调速阀、先导式溢流阀、三位四通电磁换向阀等。

1.5 工作状态表

电磁阀工作时的得失电情况如表1-4

表1-4 工作状态表

1.6 电气控制系统

根据图1-1液压传动系统及表1-4所示，设计电器控制系统如图1-2所示：

图1-2 电器控制系统

1.7 电气控制系统的安装与调试

(1) 基本工作过程

快进：按下SB2,启动液压泵，按下SB3使3DT和1DT得电，执行快进。

工进：碰到行程开关YA4，使3DT失电，1DT仍得电，执行工进。

快退：碰到行程开关YA6，使3DT和2DT得电，1DT失电，执行快退。

强退：按下SB4，使3DT和2DT得电1DT失电，执行强退。

按图1-1连接系统油路，连接时需注意调速阀的P1口和P 2口的链接。按图1-2连接电气控制线路，连接时注意控制电路接的是220V,从火线引出一根线，最后回到的是零线。接信号指示灯时，是并联到每个电磁上不是串联，否则电路将出现问题。

(2) 液压传动系统与电气控制系统调试过程中出现的问题与解决方法

1）由于实验准备不够充分，没有到实验场地进行观察和分析，导致所设计初步油路与实验设备冲突，安装过程中没有认真思考实验室所具有的设备的名称及功用，为了达到最佳的快进、工进以及快退的效果，采用了差动连接进行实现，而导致液压传动系统安装完成后进行调试时，油液喷出。

2）在安装液压系统回路时，为了防止油液从油管接口处泄露，在油管接口处安装了多个垫圈，而因此带来的问题则是油管接不上。

3）实验室中，机电液综合实验台上共有8个传感器，在我们的实验中只需用到3个即可，此次实验，我们采用了传感器1、4、8，在液压系统回路安装完成后，发现液压缸无法快退，原因是活塞杆与传感器未接触，解决的方法是将传感器尽量靠近活塞杆，使其接触。

4）在安装液压系统回路时，未分清两位三通阀的进出口，导致调试时有大量油液泄露。

5）由于实验设备过于老化的原因，即使是所有油路及电路安装正确，也有漏油的现象。

6）在部分电气系统回路安装完成进行调试时，发现电动机转动，但是没有压油，经分析可知，产生此现象的原因是由于电动机反转，此时只需要将U、V、W三根线中的任意两项互换，使电动机正转。

7）为了方便调试电路时判断电路的接通与否，通过将各线圈与灯并联，从而可以通过灯是否亮来判断电路是否接通。

第二章 液压缸的设计与计算

2.1 液压缸的内径D 和活塞杆的直径d 的计算

图2-1单杆活塞缸

2

22

12()4

4

fc

D P F D d P F π

π

=+

-+

2

22

21

1

4()

()

fc F F P D D d P P π+=

+- （2-1）

式（2—1）中：

12p P F F fc m d D

η—液压缸工作压力；—液压缸回油腔背压力；—活塞杆直径与液压缸内径之比；

—工作循环中最大的外负载；

—液压缸密封处摩擦力，它的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算。

fc m

F F F η+= （2-2）

式（2—2）中：

m η—液压缸的机械效率，一般m η=0.9 ～0.97

将m η带入式（2-1）中，可求得D 为：

F

V

mm D d P P P F

D m 931007015.23.0195.05.213000

41142

2

121=??

?

????

???

??????????? ??-

-???=

??

???????

???????????? ??--=

πηπ

（2-3） 计算结果为：

D=93mm d=63mm

根据GB/T2348-1993,液压缸内径尺寸系列和液压缸活塞杆外径尺寸对D 和d 进行圆整，取D=100mm, d=70mm 。

2.2 验算最小稳定速度

要保证液压缸平稳运行，液压缸工作面积A 必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin ，即A>Amin

Amin=Qmin/Vmin （2-4） 式（2—4）中：

Qmin ——流量阀的最小稳定流量 Vmin ——液压缸的最低速度要求 Qmin=0.2L/min,Vmin=0.6m/min Amin=

min

min V Q =0.210?6/0.610?3=333mm 2

计算的 min 2

2

78504

A mm

D A ≥==

π，经验算满足要求。

2.3液压缸主要零件材料选择和加工要求

2.3.1 缸体

1）材料：无缝钢管 45钢

无缝钢管作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期短，适合大批量生产，起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，常用45钢，大多属于薄壁圆筒结构。

2）加工要求

钢筒内壁表面加工公差为8H ～9H ；表面粗糙度为32.0～um 25.1。为了防止在装配时损伤密封圈，缸筒必须有倒角，倒角大小建议为20°～25°。 2.3.2 活塞

1）材料：45钢

无导向环活塞，采用45钢或球墨铸铁。 2.3.3 活塞杆

1）材料：45钢

活塞杆常用35、45钢等材料。对于冲击震动很大的活塞杆，也可使用55钢。一般实心的活塞杆用35、45钢。

2）加工要求

①压缸活塞杆用的材料通常要求淬火，深度一般为0.5～1.0mm ，或活塞杆直径为1mm 淬深0.03mm 。活塞杆表面需要镀硬铬，厚15～25um ，也有要求镀硬铬30～50um 。

②塞杆外径公差为f7～f9，表面粗糙度一般为Ra ≤0.3～0.4um ，精度要求高时，Ra ≤0.1～0.2um ，活塞端部需有15°～25°倒角。

③装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于0.01mm ，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm ，保证活塞安装不产生歪斜。

④为是运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。 2.3.4 前端盖

1）材料：45钢

缸盖常用35、45钢的锻造或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。 2.3.5 后端盖

1）材料：45钢

缸盖常用35、45钢的锻造或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料。起导向作用时用铸铁

2.4 液压缸壁厚和外径的计算

液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。工程机械的液压缸，一般是用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算

[]

y p D 2δσ

≥

（2-5）

式中 δ——液压缸壁厚(m)；

D

——液压缸内径(m)；

y p ——试验压力，取最大工作压力的1.5

倍（MPa ）；

[]σ——缸筒材料的许用应力。无缝钢管[]100M Pa σ=。

mm

875.1100

2100

5.25.1=???≥

δ （2-6）

按照工程机械标准液压缸外径尺寸系列，所以取外径为114mm 。

壁厚为7mm>1.875mm ，符合要求。

2.5 液压缸工作行程的确定

液压缸的工作行程长度，根据执行机构的实际工作最大行程来确定，并参考GB2349-80系列尺寸来选取标准值。本次设计选取的行程为250mm 。

2.6 最小导向长度的确定

如果导向长度过小，将使液压缸的初始扰度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。

对一般的液压缸，最小导向长度H 应满足以下条件

H ≧(L/20)+(D/2)

其中 L---液压缸的最大行程 D---液压缸的内径

2.7 缸盖固定螺栓d3的计算

3d ≥

（2-7）

式中 F-------液压缸负载；

K-------螺纹拧紧系数，K=1.12～1.5； Z-------固定螺栓个数；

[σ]----螺栓许用应力，[σ]= σ3/(1.22～2.5), σ3为材料的屈服点为

355Mpa 。

其中负载为18000N ，拧紧系数取1.5，螺栓个数取六个，根据式（2-7）计算得：

d3≥6.5mm,选取M8的螺栓。

2.8 活塞杆的校核

当活塞杆长度10l d ≤时，应按强度校核条件校核活塞杆直径d 。

d ≥

（2-8）

[σ]= σ/1.4=357Mpa

式中：F-------- 最大负载（N ） 据式（2-8）计算得d ≥6.8mm

上述计算得d=70mm>6.8mm,满足强度的要求。

2.9 活塞的宽度B 确定

一般活塞B=(0.6～1.0)D 所以选B = 60mm

2.10 缸体长度的确定

液压缸刚体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两短端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20～30倍。

因此取缸体长度250+60+5=315mm 。

2.11 缸体与缸盖采的联接及计算

2.11.1 联接的形式选择

缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。

a 法兰连接 优点：(1)结构简单、成本低(2)容易加工、便于装拆(3)强度较大、能承受高压

缺点：(1)径向尺寸较大(2)重量比螺纹连接的大(3)用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些

b 螺纹连接 优点：(1)外形尺寸小(2)重量较轻

缺点：(1)端部结构复杂、工艺要求较高(2)装拆时需用专用工具(3)拧端盖时易损坏密封圈

c 半环连接 优点：(1)结构较简单(2)加工装配方便

缺点：(1)外形尺寸大(2)缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒厚度 比较各连接形式，本设计中选取半环联接和螺纹联接的形式。 2.11.2 螺纹联接的计算

缸体螺纹处的拉应力：

)

(4

2

2

1D d KF

-=

π

σ （2-9）

螺纹处的切应力为:

10

0.2(d1^3-D ^3)K K Fd σ=

（2-10）

n

σ=

x

（2-11）

式中：σ-------螺纹处的拉应力（Pa ）

K-------螺纹拧紧系数，静载荷时，取K=1.25～1.5；动载荷时，取K=2.5～4,(取

K=3)

K1-------螺纹内摩擦系数，（取K1=0.12） d0-------螺纹外径m d1-------螺纹内径m D-------液压缸内径m

τ-------螺纹外的切应力Pa [σ]----螺纹材料的许用应力Pa

[σ]=σs/n （2-12） σs-------螺纹材料的屈服点pa （σs=355MPa ） n-------安全系数 （n=2） σn-----合成应力（Pa ）

F-------缸体螺纹处所受到的拉力（N ） 将各参数带入式（2-10）、（2-11）、（2-12）得：

σ =15.63MPa τ =5.39MPa σn =18.2MPa [σ]=175Mpa 所以σn =18.2MPa< [σ]=175MPa,其螺纹联接符合要求。

2.12 活塞与活塞杆的连接及计算

2.12.1 联接的选择

活塞杆与活塞的连接结构有：整体式结构和组合式结构。 组合式结构又分螺纹连接、半环连接和锥销连接。 a 整体式结构：结构简单，适用于缸径较小的液压缸

b 螺纹连接：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。

c 半环连接：结构简单，装拆方便，不易松动，但会出现轴向间隙。多应用在压力高、负荷大、有振动的场合

d 锥销连接：结构可靠，用锥销连接销孔必须配铰，销钉连接后必须锁紧，多用于负荷较小的场合。

由于本设计是组合机床用的液压缸，根据螺纹连接多用于组合机床的叙述，选用螺纹连接的活塞杆与活塞的连接结构。 2.12.2 螺纹联接校核

活塞杆危险截面处的拉应力：

1

1^2

4

K F d σπ

=

（2-13）

切应力为：

3

1101

0.2K KF d d τ=

（2-14）

合应力为： σ

σ

=

n

n

σ=

≤ [σ] （2-15）

式中： F1-------液压缸输出压力

N

p d D

F 6.1201610

3)07.01.0(4

)(4

6

222

2

1=??-?=

?-=

π

π

（2-16）

式中： d-------活塞杆直径；

[σ]----活塞杆材料的许用应力 ；

355[]1752

s n

σσ=

=

= Mpa

将各参数带入式（2-14）、（2-15）、（2-16）得：

σ=3.19Mpa τ=1.51Mpa σn=4.13Mpa

所以σn=4.13Mpa ≤[σ]=175Mpa,其螺纹联接满足要求。

2.13 活塞及活塞杆处密封圈的选用

活塞及活塞杆处的密封圈的选用，根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。常用的密封圈类型有O 形圈、Y 形圈、V 型和活塞环。

O 形圈:结构简单，密封性好，安装空间小，摩擦力小，易于制造，所以应用较广，但运动速度不能太大。

Y 形圈:用于压力在20MPa 以下、往返速度较高的液压缸，密封性能可靠。 V 形圈:性能好，耐久性也好，缺点是安装空间大，调整困难，摩擦阻力大，只适用于运动速度较低的液压缸。

活塞环:命长，不容易损坏，常常用在不便于拆卸的液压缸中，缺点是泄漏较大，必须成组使用，加工工艺比较复杂，所以成本较高。

图2.1 O 形圈示意图

由于本设计中液压缸的工作压力为5MPa ，速度范围<0.5m/s ，因此选用缸体与缸盖的密封形式选用O 形圈的密封形式（如图2.1）。活塞杆与缸盖，活塞与缸体的密封选用O 圈的密封形式。

2.14 活塞杆导向部分的结构

活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套结构。

a 端盖直接导向：(1)端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个缸盖(2)盖与杆的密封常用O型，Y型等密封圈(3)防尘圈用无骨架的防尘圈。

b 导向套导向： (1)导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料(2)盖与杆的密封常用Y型等密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸(3)防尘方式常用J型或三角形防尘装置。

由于密封圈的是选用O形圈的密封类型，常于O形圈配合导向套结构为端盖直接导向，因此本设计选用端盖直接导向的导向部分结构。

2.15 液压缸的缓冲装置

常用的缓冲装置结构有

(1)环状间隙式节流缓冲装置，适用于运动惯性不大、运动速度不高的液压系统。

(2)三角槽式节流缓冲装置，利用被封闭液体的节流产生的液压阻力来缓冲的。

(3)可调节流缓冲装置，它调节针形节流阀的流通面积，就可改变缓冲作用的强弱和效果。

本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用圆柱形环状间隙式缓冲装置。

心得体会

为期两个星期的课程设计结束了，在本次课程设计中我不仅学到了很多的知识，还为以后的毕业设计与工作打下了一个很好的基础。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。

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，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以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。通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，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

此次课程设计让我很好的锻炼了理论联系实际，不知不觉中查阅资料的能力也有了很大提高。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们会遇到许多未知的领域，这方面的能力，会使我们受益匪浅。在设计过城中，总是遇到这样或那样的问题，有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，不知不觉中，我们的耐心也培养起来了，这将对我们以后的经历有很大的好处。

参考文献

1.李笑吴冉泉主编，《液压与气压传动》，国防工业出版社，2006

2.杨培元朱福元主编，《液压系统设计简明手册》，机械工业出版社，1998

3.雷天觉主编，《新编液压工程手册》，机械工业出版社，1998

4.赵明。《工厂电气控制设备》。北京，机械工业出版社，1989

5.李仁。《电气控制》。北京，机械工业出版社，1987

6.电工手册编写组。《电工手册（第三版）》。上海，科学技术出版社，1990

7.方承远。《工厂电气控制技术》。北京，机械工业出版社，1992

8.钟肇新。《可编程控制器原理及应用》。广州，华南理工大学出版社，1991

9.边辉震《油缸密封支承材料的选用》中国设备工程，2005.5

10.张利平主编，《液压与气压传动设计手册》，机械工业出版社，1997