液壓啟閉機設計方案

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1、液壓啟閉機設計 余楠-機械電子-3120000110 6 題 目 液壓啟閉機設計 姓 名 余楠 學 號 3120000110 授課教師 龔國芳 魏建華

2、 專 業(yè) 機械電子專業(yè)(混合班) 1. 設計題目及要求 設計題目： 1600KN液壓啟閉機 主要技術參數(shù)： 型式：活塞式雙缸液壓啟閉機 最大啟門力：2×1600kN 工作行程：5.5m 最大行程：5.7m 液壓缸計算壓力：≥15MPa且≤20MPa 液壓缸內徑：Φ400mm（推薦值） 活塞桿直徑：Φ180mm（推薦值） 啟閉速度：≥0.6m/min 液壓泵電動機組單機功率：≤45kW 液壓泵電動機組應不少于兩套，互為備用。 操作要求: （1）液壓系統(tǒng)

3、應有雙缸同步及單缸動作回路（安裝工況），雙缸同步偏差≤20mm。 （2）本機操作閘門至上、下極限位置或設定的任一開度位置時，液壓泵電動機應自動切斷電源，特別是當閘門到達下極限位置時，應確保安全運行。 （3）閘門在全開或設定的任一局部開啟位置時，啟閉機的液壓系統(tǒng)中的保壓鎖錠回路能可靠地將閘門固定在上極限或設定的位置處。 （4）閘門自全開位置或局部開啟預置位置下滑150mm時，或雙缸同步偏差超過20mm時，液壓泵電動機自動投入運行，將閘門提升恢復原位。若繼續(xù)下滑至160mm，液壓泵電動機尚未投入運行時，應自動接通另一組液壓泵電動機，將閘門提升恢復原位；若繼續(xù)下沉至200mm時，在集控室及現(xiàn)場

4、均應有聲光報警信號。 2. 液壓系統(tǒng)原理圖 該設計原理圖由Eplan-fluent軟件設計，如下圖所示。根據該圖可以看出，本液壓設計原理圖可分為八部分，分別為，動力模塊，總控模塊，分流機構，閥門A啟閉機構，閥門A鎖緊機構，閥門B啟閉機構，閥門B鎖緊機構與極限位置保護機構。 3. 設計功能說明 首先對各模塊依次說明，從左下角的動力模塊開始，此模塊包括主泵組，備用泵組，溢流閥，過濾器。在正常運行時，主泵組的兩個45KW電機運轉，輸出90KW功率，若壓力表檢測到系統(tǒng)失壓，會通過電控模塊開啟備用泵組，并發(fā)出檢修信號，提示檢修主泵組。 動力模塊提供的流量進入下面的總控模塊，總控模塊包括保護

5、閥，總控制閥與節(jié)流分流機構。保護閥供能在最后的極限位置保護機構部分會著重解釋，總控閥實現(xiàn)油缸A、B的同步運行或異步運行。 總控模塊后接分流機構，分流機構在此處著重說明，在初步設計時我查閱了相關的論文與設計，了解到了現(xiàn)今主流的同步回路主要有下面三種實現(xiàn)方法： 1、油路并聯(lián)，且每路各接一個節(jié)流閥，實現(xiàn)各路流量一致。 2、利用伺服閥、傳感器與電控系統(tǒng)，通過電控系統(tǒng)的控制算法實現(xiàn)精確分流。 3、使用分流集流閥，利用其機械結構按比例分流集流，實現(xiàn)同步。 對比上面三種方法，利用多節(jié)流閥的方法是最簡單的方法，但是在實際應用中會遇到一定問題，多個節(jié)流閥之間往往很難保證一致性，故調試與安裝較為復雜，且

6、穩(wěn)定性不高。接下來第二種方法中，使用電控閉環(huán)控制，實現(xiàn)了很高的精度，但是在大型系統(tǒng)中，電控的可靠性往往不及純機械結構，當電控出現(xiàn)故障時往往會造成一定事故，故最終我選擇了第三種方法，分流集流閥以純機械結構的方式實現(xiàn)了油液的1:1輸入/輸出，可靠性十分良好，雖然在實際應用中會有3%-5%的誤差，但是配合一定電控措施可以讓誤差保持在可接受范圍之內。由于本設計中油缸啟閉需要油缸能夠雙向運行，故在設計中我使用的比例節(jié)流閥接分流集流閥的方法，油液首先被比例節(jié)流閥控速，后進入分流集流閥，被調速的油液按1:1的比例輸入油缸，實現(xiàn)油缸的同步運動。此外，在電控模塊裝有紅外對管測距傳感器(若精度要求很高也可使用激光

7、測距傳感器)，實現(xiàn)用閉環(huán)的方式監(jiān)控閘門的位置，當液壓模塊產生較大誤差時，對系統(tǒng)進行電控矯正，保證系統(tǒng)安全。 [圖] 1閥門啟閉機構、鎖緊機構 下面介紹閥門啟閉機構由于A、B結構對稱，在此處只介紹其中一組即可，閥門啟閉機構實現(xiàn)了閥門同步異步運動可控，在閥A-1，A-2，B-1，B-2均處于左位時，顯然油缸A、B進行同步運動。在需要異步運動時,比如將A鎖緊，B單獨運動，只需要將A-1，A-2設定至右位，此時油缸與油路斷開，流量繞過油缸通過溢流閥，這保證了另一路的正常運轉，分流集流閥上不會產生過大壓力突變。且溢流閥產生的液控信號被導入閥門鎖緊機構的先導液控閥。與很多其他設計不同的是，本設計中增加

8、了閥門鎖緊機構，通過簡單的理論力學計算可知，Y向很小的力往往能對X向的運動產生很大阻尼(比如防盜門)，在A鎖緊使能閥處于左位時，鎖緊有效，當鎖緊閥被壓力觸發(fā)時，頂出鎖緊油缸，鎖緊油缸連接鎖緊機構，提供了對閘門的雙保護。在不適用鎖緊時，將鎖緊使能閥設定到右位，由于彈簧的作用，鎖緊油缸會自動彈回原位，即實現(xiàn)了可控的鎖緊/使能狀態(tài)控制。 [圖] 2 極限位置保護機構 最后是極限位置保護機構,在上面的介紹中知道，本系統(tǒng)已經設計了紅外對管測距器實現(xiàn)閘門同步的閉環(huán)精確控制，但是為了防止電控出現(xiàn)故障，在系統(tǒng)中添加了極限位置保護機構，此機構利用純機械液壓結構，在電控失效時依然可以正常運轉。如圖，當閘門處于

9、上極限報警位置或下極限報警位置時，極限閥被推開，一方面繼電器發(fā)出報警信號，同時保護閥通過液壓方式被推開，動力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)被切斷，防止進一步的破壞，保證安全。在恢復時，在保證檢修完畢的條件下，利用電磁閥讓保護機構卸荷，保護閥回到右位，動力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)連接，恢復至正常工作位置。 以上即為本設計的功能說明，由于是首次單獨進行液壓系統(tǒng)設計，若有不足疏忽之處，還望老師指點。 4. 設計計算 4.1系統(tǒng)最高控制壓力確定 參閱主要技術參數(shù)，由于系統(tǒng)需要最大單缸啟閉力為1600kN，液壓缸內徑400mm,帶入公式計算可得： p=F14πd2=12.73 Mpa 考慮到系統(tǒng)損耗與輔助元件

10、分壓，最高控制壓力應該富余10%左右。故系統(tǒng)的最高控制壓力應為： PMAX=F14πd2×110%=14.01 Mpa≈14Mpa 4.2泵的最大輸出流量確定 系統(tǒng)要求啟閉速度大于等于0.6m/min，取Vmax=1.0m/min，通過計算可知在雙缸同步運動時： q=2vA=4.2 L/s 考慮到系統(tǒng)對油液有一定損耗，在流量損耗3%且留出10%富余量的條件下，得到： qmax=4.76 L/s 4.3主油缸校核 由4.1的結果可以看出，在液壓缸壓力為12.73Mpa時油缸即可輸出1600kN啟門力，在系統(tǒng)控制壓力為15Mpa時，液壓缸能夠輸出足夠推力/拉力。

11、 又活塞桿直徑為180mm，通過簡單材料力學計算可知，在1600kN載荷下，活塞桿承受62.87Mpa單向應力，參考常用鋼材Q235的屈服極限235Mpa，安全系數(shù)n=3.7，校核安全。 4.4液壓泵功率計算 通過上述計算可知，液壓泵最大控制壓力pmax為14Mpa，最大流量qmax為4.76L/s，液壓泵效率取常用值0.85，帶入公式可以求出： P=PAvη=pqη=78.4kW 故若要達到最快1.0m/min的啟閉速度，需要輸出功率78.4kW，在液壓泵單機功率為45kW且需要有備用泵組的條件下，整個系統(tǒng)需要4臺泵，分為兩組使用。 4.5保護溢流閥計算 參閱設

12、計要求，單門啟動力為1600kN，對應油缸壓力12.73Mpa，保護溢流閥溢流壓力設置可比油缸最大壓力高出20%，取整后取16Mpa。對于系統(tǒng)總溢流閥，參考系統(tǒng)控制壓力14Mpa，溢流閥壓力高出20%，取整后取17Mpa。 5. 主要元件參數(shù)與參考選型 5.1液壓泵選型要求 液壓泵共需要4臺，分為兩組即主泵組與備用泵組，要求正常工作功率45KW，最大輸出流量可達到143L/min，最大工作壓力170bar，工作穩(wěn)定，可以承受變載荷。在此條件下，定量柱塞泵可以滿足設計要求。具體型號需根據不同供貨公司提供的產品名錄查找符合以上要求的產品。 5.2主液壓缸選型要求 主液壓缸一共需要2臺，要求內徑Φ400mm，活塞桿直徑Φ180mm，允許最大運動速度≥1m/min，工作行程：5.5m，最大行程：5.7m。具體型號需根據不同供貨公司提供的產品名錄查找符合以上要求的產品。 6. 參考文獻 [1] 液壓傳動/王積偉-機械工業(yè)出版社 [2] 機械設計手冊/聞邦椿主編-機械工業(yè)出版社 [3] 機械工程師設計手冊-電子版/北京英科宇科技開發(fā)中心