大功率液壓元件檢測實驗臺設(shè)計
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（設(shè)計）
題目名稱： 大功率液壓元件檢測實驗臺設(shè)計
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大功率液壓元件檢測實驗臺設(shè)計
總計：畢業(yè)論文： 24 頁
表 格： 11 表
插 圖： 9 幅
摘 要
本論文是根據(jù)中國鐵建重工集團的需求，而對大功率液壓元件檢測實驗臺的設(shè)計。其內(nèi)容主要包括對液壓實驗臺的液壓系統(tǒng)設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。
首先通過分析此液壓實驗臺需要完成的工作要求，對液壓實驗臺的液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行設(shè)計，并繪制出了液壓系統(tǒng)原理圖。然后通過對液壓實驗臺參數(shù)的計算，選擇了液壓泵、液壓閥等液壓元件和輔助元件，并完成了電機的選擇和油箱的設(shè)計，繪制了液壓缸等零件圖。接著對液壓實驗臺的機械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計，并選用優(yōu)點突出的PLC作為此實驗臺的電氣控制裝置。最后繪制了液壓實驗臺的總裝配圖。
關(guān)鍵詞：大功率，液壓試驗臺，液壓元件，液壓系統(tǒng)，可編程控制器
I
ABSTRACT
This paper is based on the needs of China Railway Construction Industry Group, and the design of high power hydraulic components test bench. Its contents mainly include the design of hydraulic system design, mechanical structure design and electrical control system of hydraulic test bed.
First of all, this paper analyzes the hydraulic system principle of the hydraulic test bed by analyzing the working requirements of the hydraulic test bed, and draws out the hydraulic system schematic. Then, through the calculation of the parameters of the hydraulic test bed, hydraulic components and auxiliary components such as hydraulic pumps and hydraulic valves were selected, and the selection of the motor and the design of the fuel tank were completed, and the parts of the hydraulic cylinder were drawn. Then the mechanical structure of the hydraulic test bench part of the design, and the advantages of prominent PLC as the experimental platform of the electrical control device. Finally, the total assembly diagram of the hydraulic test bed is drawn.
Key Words： High Power, hydraulic system testing platform, Hydraulic Components, Hydraulic system, PLC
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內(nèi)外大功率液壓實驗臺發(fā)展概況 1
1.3 本論文研究的主要內(nèi)容 2
1.4 課題的現(xiàn)實意義 2
2 大功率液壓系統(tǒng)元件檢測實驗臺液壓原理圖設(shè)計 3
2.1 總體方案的確定 3
2.2 液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 4
2.3 液壓元件檢測方法及要求 4
2.4 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計 6
2.4.1 實驗臺液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計 6
2.4.2 大功率液壓元件檢測實驗臺的檢測項目 7
2.5 本章小結(jié) 8
3 液壓系統(tǒng)元件的選擇 9
3.1 泵源部分的設(shè)計 9
3.2 電機的選擇 9
3.3 液壓缸的選擇 10
3.3.1 設(shè)計液壓缸時應(yīng)該注意的問題 10
3.3.2 液壓缸主要尺寸的確定 10
3.3.3 液壓缸的強度校核 11
3.3.4 液壓缸活塞桿穩(wěn)定性的校核 13
3.4 液壓閥的選擇 13
3.5 液壓系統(tǒng)輔助元件的選擇 14
3.5.1 油管 14
3.5.2 管接頭 15
3.5.3 濾油器 15
3.5.4 液壓油的選擇及使用 15
3.6 本章小結(jié) 15
4 液壓實驗臺機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 16
4.1 液壓裝置結(jié)構(gòu)特征 16
4.2 油箱的設(shè)計 16
4.3 液壓元件與底座集成的結(jié)構(gòu)特征 18
4.4 本章小結(jié) 18
5 液壓實驗臺檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計 19
5.1 大功率液壓元件檢測實驗臺檢測系統(tǒng)原理 19
5.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 20
5.2.1 設(shè)計內(nèi)容 20
5.2.2 PLC控制電路元氣件的選用 20
5.2.3 PLC的接線圖 21
5.2.4 液壓實驗臺檢測系統(tǒng)的要求 22
5.3 本章小結(jié) 22
6 結(jié) 論 23
參 考 文 獻(xiàn) 24
致謝 41
大功率液壓元件檢測實驗臺的設(shè)計
1 緒論
1.1 課題背景
中國鐵建重工集團是世界五百強公司之一，具有高端的工程裝備，其下屬有多家單位，同時擁有多家研究所，堅持“自主創(chuàng)新，科研興企”的戰(zhàn)略，自主研發(fā)大型機械設(shè)備，打破了國外企業(yè)長時間壟斷的一些核心技術(shù)。鐵建重工繼續(xù)保持在鐵路建設(shè)上的優(yōu)勢，而且在原來的經(jīng)驗和技術(shù)上引進(jìn)一些國外的技術(shù)，進(jìn)行消化吸收再創(chuàng)新，從而掌握了多項擁有頂級自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。本課題是為鐵建重工集團液壓技術(shù)研究院設(shè)計大功率液壓系統(tǒng)元件檢測實驗臺，主要用于工程上大功率液壓元件的檢測。
在我國大于30Mpa稱為高壓，高壓技術(shù)是一種新興的技術(shù)，它在工業(yè)生產(chǎn)中和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。在我國的機械、冶金、建筑等多各行業(yè)都廣泛采用高壓技術(shù)，鐵建重工集團大功率高壓產(chǎn)品主要用于地下工程裝備和軌道裝備。
由于液壓技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保，能夠提供巨大動能等優(yōu)點，各制造行業(yè)對液壓技術(shù)的應(yīng)用也越多，從而對大功率液壓元件的要求越高。要保證大功率液壓元件的性能，就要有一套完整的檢測設(shè)備。但是隨著液壓行業(yè)的發(fā)展，對液壓元件傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足。針對目前這些問題，研發(fā)設(shè)計制造大功率液壓元件檢測實驗臺就顯得非常重要。在綜合調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，我們?yōu)殍F建重工集團液壓技術(shù)研究院設(shè)計大功率液壓系統(tǒng)元件檢測實驗臺。
1.2 國內(nèi)外大功率液壓實驗臺發(fā)展概況
近年來，機械產(chǎn)品不斷趨向于輕便化、節(jié)能化。而液壓機械的結(jié)構(gòu)比較簡單，體積相對小，可操作性好，而且能夠在傳動時實現(xiàn)無級變速，液壓產(chǎn)品對環(huán)境的污染小。因此對液壓機械的需求越來越大，發(fā)展液壓機械尤為重要。但是我國大功率液壓元件的發(fā)展滯后于其他制造大國，尤其是大功率液壓元件，這使得我國的機械產(chǎn)品的質(zhì)量較差，運行不穩(wěn)定，使用壽命短。另外我國還需話費大量的資金從國外進(jìn)口大功率的液壓元件。為了解決這一現(xiàn)象，我國在多家企業(yè)和高校建立了液壓元件的實驗平臺，目的是加強對新型大功率液壓元件的檢測與研究，提高我國的自主研發(fā)能力，從而帶動我國液壓行業(yè)的整體發(fā)展[1]。
液壓元件的檢測系統(tǒng)在隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也在改變著，原來的檢測系統(tǒng)已再不適用大功率液壓元件的檢測，現(xiàn)在的檢測系統(tǒng)包括檢測技術(shù)、液壓技術(shù)、計算機技術(shù)，傳感技術(shù)等多項技術(shù)為一體。傳統(tǒng)的計算機檢測系統(tǒng)是利用傳感器對液壓元件進(jìn)行檢測，然后通過放大電路放大傳感器所檢測到的信號，再由示波器等記錄儀記錄這些信號。而要處理這些檢測的結(jié)果信號則需要人工進(jìn)行。這種檢測方法自動化程度不高，而且精確度差，無法用于大功率液壓元件和精密液壓元件的檢測。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)被引入到液壓元件的檢測系統(tǒng)中，從而出現(xiàn)了一門新型的液壓檢測技術(shù)，稱為液壓計算機輔助檢測技術(shù)（CAT），利用計算機來處理數(shù)字信號，大大提高了檢測的速度與精確度，自動化程度高。
1.3 本論文研究的主要內(nèi)容
本論文重點解決的問題是完成大功率液壓元件檢測實驗臺的設(shè)計，其中包括液壓實驗臺功能原理設(shè)計、液壓實驗臺機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、液壓實驗臺電氣控制裝置設(shè)計、液壓系統(tǒng)參數(shù)的計算和液壓元件的選擇、油箱的設(shè)計和管路的設(shè)計。
本論文要取得的預(yù)期成果是根據(jù)實際要求，設(shè)計的液壓實驗臺能夠完成其檢測任務(wù)并繪制實驗臺總圖，繪制泵站、控制系統(tǒng)等部件圖及零件圖。對系統(tǒng)性能進(jìn)行必要的校核。在設(shè)計過程中，應(yīng)該保證液壓實驗臺的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理。本文所設(shè)計的液壓實驗臺采用了可編程邏輯控制器（PLC） 控制，可靠性高，反應(yīng)靈敏，具有一定的安全性。此外，還應(yīng)考慮液壓實驗臺操作的舒適性和安全性。
1.4 課題的現(xiàn)實意義
在我國高壓液壓元件相對比較落后，不能夠滿足我國液壓行業(yè)的發(fā)展，這一現(xiàn)象大大制約了我國眾多大型液壓設(shè)備的生產(chǎn)和使用，造成我國的大型液壓產(chǎn)品質(zhì)量差，運行不穩(wěn)定，使用壽命短。因此，發(fā)展我國大功率高壓液壓元件就顯得尤為重要，而這就需要更為精確的檢測裝置作為支撐。由此，大功率液壓元件檢測實驗臺的發(fā)展應(yīng)該的到重視。近年來隨液壓產(chǎn)品的多樣化發(fā)展，我國制造行業(yè)對液壓機械需求的增加，所以大功率液壓技術(shù)的研發(fā)就更加緊迫，對大功率液壓元件的需求也越來越高。但是一直以來大功率液壓元件大都需要從外國進(jìn)口，這需要花費高額的費用。要改變這一現(xiàn)狀，就必須加大在大功率液壓元件檢測實驗臺的設(shè)計方面的投入。
2 大功率液壓系統(tǒng)元件檢測實驗臺液壓原理圖設(shè)計
2.1 總體方案的確定
如圖2.1所示為大功率液壓元件檢測實驗臺的總裝配圖，其主要包括液壓系統(tǒng)方案設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和控制系統(tǒng)方案設(shè)計三大部分。
圖2.1 大功率液壓元件檢測實驗臺總裝配圖
2.2 液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計
根據(jù)企業(yè)對于實驗臺系統(tǒng)性能的要求，確定液壓實驗臺系統(tǒng)參數(shù)，見表2.1。
表2.1 液壓實驗臺系統(tǒng)參數(shù)
序號
項目
參數(shù)范圍
穩(wěn)態(tài)時波動范圍
1
系統(tǒng)泵站壓力
0-31.5MPa
±2.5%
2
系統(tǒng)泵站流量
0-15L/min
±2.5%
3
系統(tǒng)泵站轉(zhuǎn)速
1440r/min
±2.5%
4
油液最高溫度
0-55℃
±2.5%
5
油液過濾精度
大于25μm
2.3 液壓元件檢測方法及要求
確定被試液壓泵、液壓閥和液壓缸的檢測項目、方法和要求，詳細(xì)如表2.2、2.3、2.4、2.5所示。
表2.2 液壓泵檢測內(nèi)容
表2.3 液壓缸檢測內(nèi)容
表2.4 溢流閥檢測內(nèi)容
表2.5 換向閥檢測內(nèi)容
2.4 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計
2.4.1 實驗臺液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計
根據(jù)對大功率液壓元件檢測實驗的要求，如圖2.2所示為實驗臺液壓系統(tǒng)原理圖。
圖2.2 實驗臺液壓系統(tǒng)原理圖
2.4.2 大功率液壓元件檢測實驗臺的檢測項目
（1）液壓缸的檢測項目及操作
如圖2.3所示為液壓缸的系統(tǒng)原理圖。
圖2.2 液壓缸工作原理圖
表2.6 液壓缸的檢測
空載往復(fù)運動
啟動液壓泵，調(diào)節(jié)閥Y7，觀察壓力表P13，摁下操作臺的主換向閥左通電按鈕和被試油缸縮回按鈕，使換向閥H4和H5左通電，即加載液壓缸伸出，被試液壓缸縮回；使換向閥H4和H5右通電時，情況相反。
最大行程
在空載往復(fù)運動過程中，被試液壓缸頂出后自動停止時即為液壓缸的最大行程。
滿載時的往復(fù)運動
調(diào)節(jié)閥Y4，觀察壓力表P4，使H4通電，H5斷電，加載自卸油缸進(jìn)油口回油被迫從加載壓力調(diào)節(jié)閥(Y7)溢出，然后進(jìn)行液壓缸往復(fù)運動實驗。
內(nèi)泄漏和外泄漏
液壓缸內(nèi)泄漏試驗是在液壓缸滿載時的往復(fù)運動實驗中進(jìn)行，當(dāng)被試缸運動到一半時，關(guān)閉截止閥K8使加載缸的進(jìn)口封閉，然后在被試缸的出口接容器，摁下加載油缸的頂出按鈕，觀察液壓油的泄漏量。外泄漏可在實驗過程中進(jìn)行外部觀察。
（2）單向液壓閥的檢測項目及操作
將單向閥與單向節(jié)流閥相連，松開調(diào)壓閥Y6,打開L0，關(guān)閉開關(guān)L4和調(diào)速閥L5及L6，使所有電磁換向閥斷電，讓所有電氣開關(guān)回到原位。啟動液壓泵，調(diào)節(jié)Y3，觀察壓力表P4的示數(shù)。
表2.7 單向液壓閥的檢測
內(nèi)泄漏
調(diào)節(jié)Y4閥，觀察壓力表P4的示數(shù)，使液壓系統(tǒng)中的壓力逐漸升高。其中壓力表P7和P8的示數(shù)分別表示單向液壓閥的進(jìn)口和出口壓力。當(dāng)P7和P8的示數(shù)相差比較大時，單向閥反向?qū)?，此時流量計中的示數(shù)則表示額定壓力下單向液壓閥的內(nèi)泄漏量。
耐壓試驗
在上述實驗后，使主換向閥左通電，這時小流量計的示數(shù)為單向閥在最高壓力下反向關(guān)閉時的泄漏量。
正向壓力損失
使主換向閥右通電，則單向閥正向?qū)?，觀察壓力表P7和P8的示數(shù)，兩表示數(shù)的壓力差則代表單向閥的正向壓力損失。
開啟壓力
使主換向閥右通電，此時流量計的示數(shù)為液壓閥在額定壓力下正向?qū)〞r的流量。然后調(diào)節(jié)閥Y3，當(dāng)流量計的示數(shù)為0時，觀察壓力表P11，此時的示數(shù)為單向液壓閥的開啟壓力。
2.5 本章小結(jié)
本章主要根據(jù)設(shè)計要求和國家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定了液壓實驗臺的系統(tǒng)參數(shù)和液壓元件的檢測方法和檢測內(nèi)容，設(shè)計了大功率液壓元件檢測實驗臺的液壓系統(tǒng)原理圖，確定了液壓缸和液壓閥檢測的具體操作過程。
3 液壓系統(tǒng)元件的選擇
3.1 泵源部分的設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求，此液壓系統(tǒng)是對大功率（P≥300kw）液壓元件測試需求的現(xiàn)狀提出的，主要針對高壓（21MPa—31.5MPa）環(huán)境工況下的液壓元件進(jìn)行性能檢測。從而根據(jù)被測液壓元件的相關(guān)參數(shù)，選擇合適的液壓泵。
以下是對液壓泵的額定壓力及額定流量的計算：
取進(jìn)油路總的壓力損失為 Pa，那么液壓泵的最高的工作壓力為： Pp = P1 + =31.5×10+5×10=32MPa。
液壓泵的額定流量是根據(jù)液壓缸的運動速度來計算的，參照被檢測液壓缸的規(guī)格，取檢測時候液壓缸的進(jìn)給速度為0.4mm/s。
則液壓泵的額定流量為：
根據(jù)以上所計算的額定壓力和額定流量，通過查《機械設(shè)計手冊單行本》液壓傳動中表20-5-40 技術(shù)性能，我們選用CY14-1B型斜盤式軸向柱塞液壓泵，它的額定壓力為32MPa，額定流量為10ml/r，轉(zhuǎn)速1500r/min，符合題目要求。
3.2 電機的選擇
電機的額定功率是選擇電機的主要標(biāo)準(zhǔn)，我們所選電機的額定功率應(yīng)大于電機正常工作時所要求的功率。若所選電機的額定功率太小，則電機會長期過載而導(dǎo)致不能正常運行；若額定壓力選擇過大，效率低會導(dǎo)致電機的浪費，需要的成本高。電機額定功率的選擇主要受其發(fā)熱因素的影響，在此液壓系統(tǒng)中，電機的負(fù)載變化程度較小，且不會超載，所以電機不會過熱，故在選擇電機時不用校驗啟動力矩和發(fā)熱的影響。
按下式計算電機在各循環(huán)周期的等值功率：
此式的i選為1。在所需輸入功率最大的時持續(xù)時間最短，并且且滿足。
那么我們根據(jù)選擇電機。綜上所述，液壓泵所選的電動機如表3.1所示：
表3.1 電動機選擇表
電動機型號
額定功率
滿載轉(zhuǎn)速
高壓泵
Y 132M-4
7.5KW
1440r/min
3.3 液壓缸的選擇
在選擇液壓缸時要考慮與液壓實驗臺整體的關(guān)系，這樣才能選擇正確的結(jié)構(gòu)尺寸。首先應(yīng)該分析液壓實驗臺的液壓系統(tǒng)，弄清液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力，液壓缸的行程，進(jìn)給速度，然后根據(jù)這些量來確定液壓缸的尺寸。
3.3.1 設(shè)計液壓缸時應(yīng)該注意的問題
1.在液壓缸能完成其運行目的的要求下，盡可能使液壓缸的尺寸能夠符合標(biāo)準(zhǔn)，并且使液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊，這樣便于安裝和維修。
2. 在設(shè)計時保證液壓缸的活塞桿能夠在受拉力的情況下承受最大的載荷，這樣增加了活塞桿的強度。在活塞桿伸長時，為了不使活塞桿下垂而影響檢測精度，應(yīng)該在液壓缸上加輔助支撐。
3.在液壓缸的安裝和定位時，應(yīng)該考慮到液壓缸的熱脹冷縮，只能使用一端定位。
4. 根據(jù)液壓缸在不同環(huán)境中的運行，考慮其防塵，排氣，冷卻等裝置。
3.3.2 液壓缸主要尺寸的確定
1. 缸筒內(nèi)徑尺寸（D）
在選擇液壓缸筒內(nèi)徑D時，首先根據(jù)液壓缸的工作壓力等量計算出內(nèi)徑D，然后根據(jù)GB2348-80標(biāo)準(zhǔn)選擇相應(yīng)的尺寸并加以圓整。在液壓缸的設(shè)計過程中，要使液壓缸具有足夠的強度和剛度，保證其在完成高負(fù)載的運動過程中不發(fā)生變形。此外，還應(yīng)保證液壓缸在運行過程中的密封性。
2. 活塞桿的設(shè)計
首先根據(jù)液壓缸規(guī)定的進(jìn)給速度來確定活塞桿的直徑d，再從標(biāo)準(zhǔn)尺寸中選取合適的尺寸并且圓整，然后校核其強度和穩(wěn)定性。在設(shè)計活塞桿時應(yīng)注意的是：活塞桿在導(dǎo)向套中滑動時，摩擦力不宜太大也不能太小，摩擦力過大會影響活塞桿的運動，摩擦力太小則不能保證運行的精度。
3. 液壓缸的缸筒長度(S)
液壓缸的缸筒長度S是由最大工作行程確定的，液壓缸的缸筒長度S應(yīng)小于缸筒內(nèi)徑D的20倍。
4. 液壓缸最小的導(dǎo)向長度(H)
當(dāng)液壓缸的最短導(dǎo)向長度H越小，則液壓缸的活塞桿伸出越長，液壓缸越不穩(wěn)定，因此，要保證液壓缸最小導(dǎo)向長度H的最大值，一般為HL\20+D\2。
5. 活塞的選擇
因為活塞在液壓缸里做的是往復(fù)運動，為了防止活塞和液壓缸發(fā)生磨損，必須要保證活塞和液壓缸筒之間的配合。在這里我們選用45#鋼并且?guī)еС协h(huán)的活塞，與缸筒的配合H8/f9。
6. 密封
我們在油缸中采用O型圈，軸和孔采用聚胺脂橡膠密封圈，聚胺脂橡膠廣泛采用于各種液壓缸，它具有較強的穩(wěn)定性和突出的物理性能，并且具有很強的彈性和耐油性還其強度和耐磨性符合設(shè)計要求，適合于高壓條件。
3.3.3 液壓缸的強度校核
1. 液壓缸筒壁厚的校核
在高壓系統(tǒng)下，當(dāng)液壓缸筒壁的內(nèi)直徑比較大時,就必須對液壓缸筒壁厚m進(jìn)行強度校核。
在D/m≥10時,用薄壁筒的公式來進(jìn)行校核：
m為液壓缸筒壁厚最小處
D為液壓缸筒壁內(nèi)直徑
P為實驗中液壓缸的壓力,當(dāng)p<16Mpa時，P1=1.5P；當(dāng)p>16Mpa時，P1=1.25P。
為液壓筒壁材料的許用應(yīng)力， = /n，其中n為安全系數(shù)，一般n的取值5。
45#的強度極限為。
當(dāng)D/m≤10時，則按厚壁筒的公式來進(jìn)行校核：
由上式可見，符合要求。
因為液壓缸筒的外徑不需要進(jìn)行精加工,在計算出壁厚之后,應(yīng)將液壓缸的外徑向相對大尺寸圓整。
2. 液壓缸活塞桿直徑d的校核
當(dāng)液壓缸的活塞桿所受負(fù)載壓力過大時，活塞桿的強度不夠，則會引起活塞桿的變形，因此需要校核活塞桿的強度，所用的公式為：
其中F為活塞桿上的作用力。
d1為空心活塞桿孔徑，實心桿的d1=0。
為活塞桿材料的許用應(yīng)力, =/n，其中n為安全系數(shù)。一般情況下n的取值為n>1.4。
3. 液壓缸連接釘校核
液壓缸筒和液壓缸蓋是利用螺釘進(jìn)行連接的，而這些螺釘在實驗過程要承受一定力的作用，因此有必要對連接螺釘進(jìn)行校核。
在液壓缸上使用八個螺釘進(jìn)行連接，截面總面積為：
A＝8×π×r＝8×3.14×144＝3619（mm）
所受拉力 F=723822N
此類螺釘?shù)闹睆皆?6～40mm范圍內(nèi)，則查閱《機械設(shè)計手冊》可得Q235A的屈服強度為：，抗拉強度為：σ＝375～460 MPa。
由安全系數(shù)，σ>σ。
由此可見，螺釘?shù)膹姸葷M足要求。
4. 液壓缸筒聯(lián)接強度的校核
液壓缸底為焊接，所用材料45#鋼的，。焊接應(yīng)力：
由此可見，符合設(shè)計要求。
其中，F(xiàn)為液壓缸所輸出的最大推力（N）， F=。
D為液壓缸直徑（m）。
p為液壓系統(tǒng)的最大壓力（Pa）。
D為液壓缸外徑（m）。
D為焊縫底徑（m）。
為焊接效率，通常取=0.7。
3.3.4 液壓缸活塞桿穩(wěn)定性的校核
此液壓實驗臺液壓缸活塞桿的材料為45鋼，其屈服極限 Mpa，強度極限 Mpa，E=210Gpa，活塞桿長度為L=1227mm, 活塞桿直徑為d=110mm,活塞桿的最大工作壓力為p=723822N，安全系數(shù)取8。按下式來校核液壓缸活塞桿的穩(wěn)定性：
活塞桿可簡化成懸臂梁， ,活塞桿的橫截面為圓型，
柔度:
，則用歐拉公式計算臨界壓力。
由此可見，活塞桿的穩(wěn)定性滿足要求。
3.4 液壓閥的選擇
液壓閥的流量和兩端壓力是選擇液壓閥所要考慮的重要因素。
液壓閥的主要功能是改變和控制液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力、流量和方向。所以它的質(zhì)量對液壓系統(tǒng)的正常工作有著很大的影響。按用途的不同液壓閥可以分成流量控制閥、方向控制閥和壓力控制閥三類。在液壓系統(tǒng)中，所選擇的液壓閥應(yīng)具有良好的密封性，安裝起來方便，動作相對靈敏，價格低，使用壽命長，而且方便維修和保養(yǎng)。
此實驗臺的液壓系統(tǒng)中，在進(jìn)出口的節(jié)流回路中，用到的有單向節(jié)流閥和電液換向閥；在背壓回路中，用到是電液換向閥和先導(dǎo)型溢流閥；在調(diào)壓回路上用到的有先導(dǎo)溢流閥；在流量計選擇回路中用到是電液換向閥。
此液壓實驗臺的液壓系統(tǒng)主要回路的液壓閥如表3.2。
表3.2 液壓系統(tǒng)主要回路的液壓閥
回路
名稱
型號
調(diào)壓回路
先導(dǎo)溢流閥
DBW-10B-DC24
進(jìn)出口節(jié)流回路
電液換向閥
WEH16E-50/G24
單向節(jié)流閥
LDF-B20H
背壓回路
電液換向閥
WEH16E-50/G24
先導(dǎo)型溢流閥
YF-B20H
流量計選擇回路
電液換向閥
4WEH16G-50/G24
3.5 液壓系統(tǒng)輔助元件的選擇
3.5.1 油管
液壓系統(tǒng)中可選各類油管的特點如表3.3所示。
表3.3 各類油管的特點
各類油管
特點
無縫鋼管
不容易彎曲，裝配困難，但價格較低，常常用在高壓液壓系統(tǒng)中。
銅管
優(yōu)點是不容易生銹且容易彎曲，便于安裝；缺點是價格昂貴，不能用于壓強過大的液壓系統(tǒng)中。
橡膠管
優(yōu)點是質(zhì)量輕，容易彎曲，經(jīng)常安裝在拐角較大的地方；缺點是價格較高且容易被腐蝕老化。
低壓膠管
內(nèi)外層都是都是由合成膠構(gòu)成，具有很好的耐熱性，而且容易彎曲，質(zhì)量輕。
尼龍管
優(yōu)點是可塑性好，在加熱后可以改變接口的形狀，便于安裝。且其內(nèi)壁光滑，抗腐蝕性能好；缺點是柔軟度不高，只能用于低壓。
塑料管
優(yōu)點是質(zhì)量輕，耐腐蝕，加工方便，成本低；缺點是容易老化，且不太環(huán)保。
由于此實驗臺為高壓液壓元件檢測實驗臺，故選擇耐高壓的鋼管油管。
3.5.2 管接頭
管接頭的作用是用于液壓元件和管道之間的連接，而且可以拆卸，方便更換。在液壓系統(tǒng)中經(jīng)常使用的管接頭類型有焊接式的管接頭、卡套式的管接口頭、擴口式的管接頭和快換接頭等。此液壓實驗臺的設(shè)計要求管接頭的密封性好，連接牢靠，并且便于拆卸，故選擇卡套式的管接口。
3.5.3 濾油器
液壓油中的污染物是造成液壓系統(tǒng)故障的主要原因之一，因此為了保證液壓油的質(zhì)量，使得液壓系統(tǒng)能夠正常運行，就必須使用濾油器過濾掉液壓油中的雜質(zhì)污染物。
目前磁性濾油器是被廣泛采用的一種濾油器，它的工作原理就是利用永磁材料來吸附液壓油中的雜質(zhì)。因此這種濾油器常常被用在加工鋼鐵行業(yè)的液壓系統(tǒng)中。磁性濾油器的濾芯也經(jīng)常和其他濾油器的濾芯復(fù)合使用，這樣濾油器的性能就會更強。
在選擇濾油器時要考慮的參數(shù)主要是壓力損失、濾油器的過濾精度、濾油器的額定流量和額定壓力。根據(jù)此液壓實驗臺的特點，我們選用網(wǎng)式濾油器，其型號為WU-160X180-J，密封圈和防塵圈等配件按標(biāo)準(zhǔn)選取。
3.5.4 液壓油的選擇及使用
液壓介質(zhì)的選擇原則根據(jù)液壓系統(tǒng)工作時所處的環(huán)境選取，同時也要考慮成本、是否更換方便等因素。根據(jù)本實驗臺的情況，查閱《機械設(shè)計手冊》后我們選用YA-N32#液壓油，選用冷卻器的型號是2LQ-U型。在液壓系統(tǒng)工作時，我們還應(yīng)仔細(xì)檢查液壓油的清潔度、氣泡和泄露等問題。
3.6 本章小結(jié)
本章根據(jù)設(shè)計要求，經(jīng)過計算和查閱相關(guān)手冊，對液壓實驗臺的液壓泵、電機、液壓缸、液壓閥和相關(guān)的液壓系統(tǒng)輔助元件進(jìn)行選擇，并對液壓缸的強度進(jìn)行校核。
4 液壓實驗臺機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
4.1 液壓裝置結(jié)構(gòu)特征
設(shè)計此液壓實驗臺為集中配置型液壓裝置，它是將液壓系統(tǒng)的執(zhí)行器安裝在實驗臺上，而降液壓泵及驅(qū)動電機、輔助元件等安放在實驗臺外。本實驗臺的結(jié)構(gòu)是將液壓站設(shè)計在實驗臺的旁邊，將液壓缸等設(shè)計在實驗臺的上方，使得液壓站的液壓油通過管道傳遞到液壓缸等被測元件上而進(jìn)行實驗。
4.2 油箱的設(shè)計
油箱的主要作用是：1、儲存液壓油；2、散發(fā)液壓系統(tǒng)中液壓油的溫度；3、釋放液壓油中氣泡和沉淀雜質(zhì)。
油箱有開式油箱和閉式油箱兩種。開式油箱應(yīng)用廣泛，油箱內(nèi)頁面與大氣相通。為了防止液壓油被大氣污染，要在液壓油箱的頂部安裝空氣濾清器，也可當(dāng)做注油口用。閉式油箱指的是油箱內(nèi)液面不與大氣相連，而將通氣孔與具有一定壓力的通氣孔相連，充氣壓力一般可達(dá)到0.05MPa。
油箱的設(shè)計時應(yīng)注意的問題：
（1）油箱必須要有足夠大的容量存儲液壓油，以保證液壓系統(tǒng)在正常工作時能夠保持一定的液位高度；為了滿足散熱的要求，需要在油缸內(nèi)安裝冷卻裝置。
（2）在油箱的回油口安裝濾油器來保證流回油箱的液壓油液的污染等級。
（3）設(shè)置油箱的主要油口。在設(shè)計時排油口與吸油口之間的距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)些，管口應(yīng)插在最低油面之下，防止在吸空和回油時產(chǎn)生大量氣泡。
（4）設(shè)置隔板將吸油區(qū)和回油區(qū)隔開，在油液循環(huán)時便于液壓油中氣泡和雜質(zhì)分離和沉淀。還應(yīng)根據(jù)不同的需要在隔板上安裝濾網(wǎng)。
（5）在開式油箱的通氣口出要安裝空氣濾清器，阻止空氣中的粉塵進(jìn)入油箱。
（6）放油孔要設(shè)置在油箱底部的最低位置上，這樣才能使油液和污染物順利從放油口流出。在設(shè)計油箱結(jié)構(gòu)時還應(yīng)考慮清理油箱內(nèi)部沉淀污染物的方便性。
（7）為了方便觀察向油箱注油時液面上升的高度，在油箱上必須設(shè)計液位計。
（8）在設(shè)計油箱時還用考慮吊耳、油盤等。
油箱的尺寸為1.2m×0.8m×0.6m。其存儲容量為0.5立方米。油箱中的油溫一般應(yīng)控制在30~50℃，最高也不能超過60℃，最低不能低于15℃。如果液壓油溫度過高，將會使液壓油很快變質(zhì)，同時使液壓泵的容積效率變低；如果液壓油溫度太低，液壓泵啟動時吸油困難，因此，在液壓系統(tǒng)工作時，液壓油需要進(jìn)行加熱或冷卻處理。
圖4.1 油箱主視圖
圖4.2 油箱左視圖
4.3 液壓元件與底座集成的結(jié)構(gòu)特征
將液壓控制元件與連接件底座即過渡板相連接，在底座上開有通液壓油的小孔，這些小孔又與油管相連，從而形成各控制元件之間的聯(lián)系[5]，如圖4.3所示。
圖4.3 底座三視圖
讓控制元件和底座相連接，減少了大量油管的使用，提高了效率，同時使得液壓實驗臺的結(jié)構(gòu)更加緊湊，實驗方便，減少了實驗臺的尺寸，使得更加容易安裝。這大大減少了油路的長度，從而減少液壓系統(tǒng)壓力的損失，不容易泄露。
底座的內(nèi)孔道和孔道相連的地方容易有粉塵等污染物的積聚，為了消除這一現(xiàn)象，將底座的較長的盲孔改為通孔，然后把通孔的另一端用螺紋塞封住。
4.4 本章小結(jié)
本章主要是對液壓實驗臺裝置的設(shè)計，通過分析選用集中配置型液壓裝置。設(shè)計了液壓系統(tǒng)的油箱，同時本章也介紹了液壓元件和底座集成的結(jié)構(gòu)特征，通過在底座內(nèi)開通油孔道的方法，減少油管的使用，使液壓實驗臺的結(jié)構(gòu)更加緊湊。
5 液壓實驗臺檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計
5.1 大功率液壓元件檢測實驗臺檢測系統(tǒng)原理
大功率液壓元件檢測實驗臺檢測系統(tǒng)原理為：當(dāng)系統(tǒng)工作時，各種信號不斷的被傳感器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，再經(jīng)二次儀表濾波和放大的作用后，傳送到數(shù)據(jù)采集卡中。再由數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器把相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換為電腦可識別的數(shù)字信號。然后由計算機讀取數(shù)據(jù)和運算處理，將結(jié)果通過數(shù)據(jù)采集卡中的D/A接口轉(zhuǎn)換為實驗臺可識別的信號，然后通過調(diào)理電驢進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換和緩沖放大后對檢測系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制。計算機的運算結(jié)果同時也會被保留并反饋給檢測人員]。在檢測的過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)過載等異?，F(xiàn)象時，數(shù)據(jù)采集卡的I/O接口可以接通報警系統(tǒng)，這實現(xiàn)了對液壓實驗臺系統(tǒng)的保護(hù)。
大功率液壓元件檢測實驗臺的檢測系統(tǒng)原理如圖5.1所示。
圖5.1 大功率液壓元件檢測實驗臺檢測系統(tǒng)原理圖
5.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計
5.2.1 設(shè)計內(nèi)容
因為采用PLC控制的實驗臺可靠性高，抗干擾能力強，能夠適應(yīng)于大功率液壓元件的檢測。因此此液壓實驗臺采用三菱公司的PLC控制系統(tǒng)，它型號為FX2N-48MR。
5.2.2 PLC控制電路元氣件的選用
電氣控制主電路的保險絲熔斷器和繼電器主要由電氣控制電路中的最大電流所決定，而繼電器通過控制電磁鐵的得失電來控制液壓實驗臺的運行。表5.1為此液壓實驗臺電氣元件的選擇。
表5.1 液壓實驗臺電氣元件的選擇
序號
元件名稱
元件型號
序號
元件名稱
元件型號
1
交流接觸器
CJ20-10 10A 220V
11
多股銅芯線
BVR-1.0MM
2
塑料外殼式斷路器
DZ108-20 10A
12
可編程控制器
FX2N-48MR
3
單極斷路器
DZ47-63 C3
13
電壓表
85C1-V 0-50V
4
二極管
IN4007 200V
14
三擋旋鈕
LAY50-11X3
5
行程開關(guān)
ME8108
15
兩檔旋鈕
LAY50-11X2
6
快速插頭插座
XS12K2P 四芯
16
溫控儀
XMTD-2001
7
信號燈
24V
17
導(dǎo)軌
1000mm*35mm
8
擋板
18
接線端子板
JF5 25A
9
中間繼電器
HH54P DC24V
19
普通按鈕
LAY50-11 紅6綠6
10
電流表
85C1-A 10ADC
20
緊急停止按鈕
LAY50-11Z
5.2.3 PLC的接線圖
PLC的接線圖如圖5.2所示，F(xiàn)X2N-48MR型號的PLC如圖5.3所示，
圖5.2 PLC接線圖
圖5.3 FX2N-48MR PLC示意圖
5.2.4 液壓實驗臺檢測系統(tǒng)的要求
（1）可靠性和穩(wěn)定性強，具有良好的抗干擾能力，在保證系統(tǒng)正常運行的條件下不丟失數(shù)據(jù)。
（2）安全性能要高。由于大功率液壓元件檢測系統(tǒng)壓力可達(dá)到31.5MPa，為了防止出現(xiàn)液壓油泄漏等特殊狀況而造成的事故，檢測系統(tǒng)應(yīng)具有很高的安全性能。
（3）快速響應(yīng)性。為了能保證采集數(shù)據(jù)的實時性和在發(fā)生異常情況下緊急制動，液壓實驗臺的及時響應(yīng)速度快。
（4）實用性能好。操作頁面簡單，便于操作。
（5）性價比高。在液壓實驗臺能完成大功率液壓元件檢測的條件下，能夠降低成本。
5.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了大功率液壓元件檢測實驗臺的檢測系統(tǒng)原理，設(shè)計和選擇了PLC控制系統(tǒng)的型號和液壓實驗臺的電氣元件，完成了PLC接線圖的設(shè)計。
6 結(jié) 論
本文詳細(xì)介紹了大功率液壓元件檢測實驗臺的功能原理設(shè)計、液壓實驗臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓實驗臺電氣控制裝置設(shè)計、液壓系統(tǒng)參數(shù)的計算和液壓元件的選擇、油箱的設(shè)計和管路的設(shè)計。
通過分析此液壓實驗臺需要完成的檢測項目和工作要求，對液壓實驗臺的液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行設(shè)計，并繪制出了液壓系統(tǒng)原理圖。針對液壓實驗臺液壓系統(tǒng)高壓這一特點，根據(jù)設(shè)計要求的數(shù)據(jù)，對液壓系統(tǒng)的流量、壓力和功率進(jìn)行了計算，選擇了液壓泵、液壓閥等液壓元件和輔助元件，并完成了電機的選擇和油箱的設(shè)計，用CAD軟件繪制了液壓缸等零件圖。接著對液壓實驗臺的機械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計，并選用優(yōu)點突出的PLC作為此實驗臺的電氣控制裝置。最后繪制了液壓實驗臺的總裝配圖。
本次設(shè)計的液壓實驗臺所要達(dá)到的目的是完成對高壓（21MPa—31.5MPa）環(huán)境工況下的液壓元件進(jìn)行性能檢測，不僅要求能對大多數(shù)液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥以及液壓缸的性能參數(shù)進(jìn)行測量，而且既要系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，又要環(huán)保節(jié)能，可擴展性好，易于操縱，便于維修。
參 考 文 獻(xiàn)
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致謝
這次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，和給予我耐心指導(dǎo)的老師和無私幫助的同學(xué)們是密不可分的。首先要感謝我的指導(dǎo)老師關(guān)浩教授，從開始選題到進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的過程中，關(guān)浩老師都耐心地知道我如何去做，幫我捋清設(shè)計思路。授人以魚不如授人以漁，從關(guān)浩老師身上我學(xué)到了如何去分析和解決問題，這對我以后學(xué)習(xí)和工作來說都是非常寶貴的財富。我也非常感謝幫助我解決問題的其他老師們和同學(xué)們。在做畢業(yè)設(shè)計時，在中國鐵建重工集團工作的于洋學(xué)長給我提供了本次設(shè)計所需要的重要資料，這對我完成本次設(shè)計有巨大幫助。最后，感謝大學(xué)這四年辛勤栽培我的全體老師。
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