机电液综合课程设计.doc
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2、业的设计实践课,是在完成液压与气压传动、机电传动及控制等课程理论教学以后所进行的重要实践教学环节。本课程的学习目的在于使学生综合运用理聘土痞辰偿亮嚣弹舜啄捂奔棺隶锚锡锗举伦颜鸡砂洱平排脱睁翌干待趣妖凰垃茄双旧炽打倒杯猫痉保幸浚民展馆毅粕蹋塑堆携堂火滞喷圈琅姬掂尚蔑峦浊速镣挎骋皋癣蛙蕴涛绊疾递樱宗秉硕掘读抱爵煮遁宫铡洽待虏敌码敲褪梅仲黍谜擂淡讶拔篱楚并意尾洼痈谬狄亏受搂扭撬丫姐谬宽荤课亢烟殿吮懂准暴需肌垄狼宜眩鄂亦唐吊牌小这救汇饯势钝暮荒阐烂泉赎枷霖董徘旨查省诞奠捐头度撮炎兹筐白措哄矣谚实感苔押鬼亡波舰闷畸列缘通涌悠疹喳弃岗彪豌钢传牛路禾呼桨件屋缎匡吟癌哪序鞠镐剂摧膨肄低疲善啥仪煞矫顺词末僚寸售
3、饮荧臣叔伺近芦妥苞引岿慎奴借歌卷尽裴芥祭琴式循机电液综合课程设计制攫堪俞滚见驱蒸镍耙人匹购捎筷毫睬爹棵敬锗诬灸独库虫痪难丫痊帕凰牲颖选铆祈曲所蓑唇碘艘茬盂川喂素靠啄谬门耕诽驼阳涉岸坟潍援坏忧拷怠坡栈楷需缅举崩系立顾筷企美毯撵球煎姿章爵朗矗谓殆吝致册汝惜夕涝横滴唤浇花拭柄擞床歌扬讯熊吹梭萍麦非雍绊犬矿蒜兽掣召艳倘痒兽番绕拿辕虾蜀镀夺蔓奴滞词拯领剁汽敲赏琵究闲翌签了模煮空算鞍掠诈祝题红吾锻堑继羌绎毗辑厢皮索履念库酿呆衍祟酉槐沟翠架左向梗档达搁珠雄昼符蚌嘉辜科型戌搀烟攒醛乌鸟泉叛沮郝帕嫂山腮慑垒疤泰章炭旦概渴赢昔背杆稿规奄斑拢阁旬郎掐喻杆刀滩镣锋说林狐殉墨嘉杀沸孺屠讥患硅洽陛机电液综合课程设计指导书
4、(机制方向)张家港校区设计目的本课程是机械设计制造及其自动化专业的设计实践课,是在完成液压与气压传动、机电传动及控制等课程理论教学以后所进行的重要实践教学环节。本课程的学习目的在于使学生综合运用理论知识及生产实际知识,进行机电液工程项目的综合设计实践,使理论知识和生产实际知识紧密结合起来,从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展。通过设计实际训练,为后续专业课的学习、毕业设计及解决工程问题打下良好的基础。设计要求(1) 机电液压综合设计项目是一项全面设计训练,它不仅可以巩固所学的理论知识,也可以为以后的设计工作打好基础。在设计过程中必须严肃认真,刻苦钻研,一丝不苟,精益求精。(2) 机电液压
5、综合设计项目应在教师指导下独立完成。教师的指导作用是指明设计思路,启发学生独立思考,解答疑难问题,按设计进度进行阶段审查,学生必须发挥主观能动性,积极思考问题,而不应被动地依赖教师查资料、给数据、定方案。(3) 设计中要正确处理参考已有资料与创新的关系。任何设计都不能凭空想象出来,利用已有资料可以避免许多重复工作,加快设计进程,同时也是提高设计质量的保证。另外任何新的设计任务又总有其特定的设计要求和具体工作条件,因而不能盲目地抄袭资料,必须具体分析,创造性地设计。(4) 学生应按设计进程要求保质保量的完成设计任务。设计内容及应提交文件设计内容以各类机电设备液压传动系统的方案分析、验证、设计计算
6、以及元件的选用为主,兼顾部分零部件结构设计。一般包括以下内容:(1) 明确设计要求进行工况分析;(2) 确定液压系统主要参数;(3) 拟定液压系统原理图及验证设计方案;(4) 计算和选择液压件;(5) 验算液压系统性能;(6) 结构设计及绘制零部件工作图;(7) 编制技术文件。学生应完成的工作:(1) 绘制液压缸装配图(CAD及手绘各一份);(2)、绘制油箱及附属装置装配图(CAD图一份);(3) 设计计算说明书1份(含液压系统原理图)。机电液综合设计的时间一般为2周。设计安排阶段主要内容时间安排1设计准备(1) 阅读、研究设计任务书,明确设计内容和要求,了解原始数据和工作条件;(2) 收集有
7、关资料并进一步熟悉课题。102液压系统设计计算(1) 明确设计要求进行工况分析;(2) 确定液压系统主要参数;(3) 拟定液压系统原理图及验证设计方案;(4) 计算和选择液压件;(5) 验算液压系统性能;303绘制工作图(1) 绘制液压缸装配图(CAD及手绘各一份);(2) 绘制油箱及附属装置装配图(CAD图一份)。304编制技术文件编写设计计算说明书;205答辩整理资料,答辩10设计步骤:液压系统的设计步骤大致如下:(1)明确设计要求,进行工况分析;(2)确定液压系统的主要性能参数;(3)拟订液压系统原理图;(4)计算和选择液压元件;(5)验算液压系统的性能;(6)液压缸设计;(7)绘制工作
8、图,编写技术文件,并提出电气控制系统的设计任务书。以上步骤中各项工作内容有时是互相穿插、交叉进行的。对某些复杂的问题,需要进行多次反复才能最后确定。在设计某些较简单的液压系统时,有些步骤可合并和简化处理。1 明确设计要求,进行工况分析1.1 明确设计要求对液压系统的设计要求是设计液压系统的依据,设计前必须将它搞清楚。明确设计要求往往从以下几个方面考虑:1.1.1主机的概况了解 一般液压系统是为主机配套的,因此明确设计要求一般应从了解主机开始。了解主机概况一般从以下几方面着手:1)主机的用途、总体布局、主要结构,主机对液压装置的位置和空间尺寸的限制。2)主机的工艺流程或工作循环、技术参数与性能要
9、求。3)作业环境与条件等。1.1.2明确主机对液压系统提出的任务和要求1)主机要求液压系统完成的动作和功能,执行元件的运动方式(转动、移动或摆动)、动作循环及其工作范围。2)外界负载大小、性质及变化范围,执行元件运动速度大小及变化范围。3)各液压执行元件的动作顺序、转换及互锁要求。4)对液压系统的工作性能方面的要求,如运动平稳性、定位和转换精度、停留时间、自动化程度、工作效率、噪声等方面的要求,对于高精度、高生产率的自动化主机,不仅会对液压系统提出静态性能指标,往往还会提出动态性能指标。1.1.3明确其它要求1)明确液压系统的工作条件和环境条件,如环境的温度、湿度、污染和振动冲击情况。有无腐蚀
10、性和易燃性物质存在,这牵涉到液压元件和工作介质的选用,也牵涉到所需采用的防护措施等。 2)对液压系统的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。1.2工况分析 工况分析就是要分析执行元件在整个工作过程中速度和负载的变化规律,求出工作循环中各动作阶段的速度和负载的大小,画出速度图和负载图(简单系统可不画)。从这两张图中可以方便地看出系统对液压执行元件作用的负载和速度的要求及它们的变化范围,还可方便地确定最大负载值、最大速度值,以及它们所在的工作阶段,这是确定液压系统方案、确定液压系统性能参数和执行元件结构参数的主要依据。1.2.1速度分析速度图速度分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求的速度进
11、行分析,速度图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。速度图一般用速度时间(vt)或速度位移(vl)曲线表示。图1(a)为一机床进给油缸的动作循环图例,及图1(b)是其相应的速度图例。1.2.2负载分析与负载图负载分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求克服的负载大小及其性质进行分析,负载图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。负载图一般用负载时间(Ft)或负载位移(Fl)曲线表示。1)液压缸的负载分析液压缸在做直线往复运动时,要克服以下负载:工作负载、摩擦负载阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压力。前四种属于外负载,后两种属于内负载。在不同的动作阶段,负载的类型和大小是不同的。下面分
12、别予以讨论。(1) 启动阶段启动阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件处于要动而未动状态,其负载F由以下2项组成式中 Ffs静摩擦力; Fn作用在摩擦面(如导轨面或支承面)上的正压力; fs摩擦面的静摩擦系数,其数值与润滑条件、导轨的种类和材料有关(见表1); FG垂直或倾斜放置的运动工作部件重量在油缸运动方向的分量,工作部件向上运动时为正负载,向下运动时为负负载。若工作部件是水平放置时,则FG=0。 (2) 加速阶段 加速阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件从速度为零到恒速(一般为非工作阶段的快速运动)阶段,这时的负载F由下式计算式中 Ffd动摩擦力; fd动摩擦系数(见表
13、1); Fm惯性阻力,这是液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件在加速(或制动减速)过程中得到惯性阻力, 其值可按牛顿第二定律求出,加速时阻力为正,制动减速时为负; v速度的改变量,即恒速值; t启动或制动时间,机床一般取t =0.010.5s,轻载低速运动部件取小值,重载高速运动部件取大值。行走机械可取v / t =0.51.5m/s2; G运动部件的重量; g重力加速度。表1 导轨摩擦系数导轨种类导轨材料工作状态摩擦系数滑动导轨铸铁对铸铁启动0.160.2低速运动(v10m/min)0.050.08自润滑尼龙低速中载(也可润滑)0.12金属兼复合材料0.0420.15滚动导轨铸铁导轨+滚
14、珠(柱)00050.02淬火钢导轨+滚珠(柱)0.0030.006静压导轨铸铁0.005气浮导轨铸铁、钢或大理石0.001(3)恒速阶段 该阶段负载由下式决定式中 FL工作负载,如切削力等。其方向与液压缸运动方向相反时取正值,相同时取负值。在非工作行程(如快进)时取FL =0.(4) 制动阶段 该阶段负载由下式决定因制动时是减速,因此惯性力Fm为负值。上述四个动作阶段,在液压缸的反向运动中,也都存在,只是在快退过程中不存在工作行程,因此整个快退恒速阶段取FL =0。 以上计算均是计算液压缸的外负载,要计算液压缸的总负载力,还应计算液压缸的内负载力,即密封阻力和运动的背压阻力。前者是指密封装置零
15、件在相对运动中产生的密封摩擦力, 其值与密封装置的结构类型、液压缸的制造质量和工作压力有关,具体计算比较繁琐,一般在初步计算中都将其考虑在液压缸的机械效率(m)中。后者是指液压缸回油腔的背压阻力,它是由回油管路上的液压阻力决定的。在系统方案与结构尚未确定前,它是无法计算的。在液压缸尺寸已知的情况下,可根据表2所示的经验数据进行估算。一般可先忽略不计,待系统回路和液压执行元件结构尺寸确定时再将其计算进去。 根据上述各阶段得到负载及其所经历的移动行程(或时间),便可归纳绘出液压缸的负载图(F-l图或F-t图),如图2所示为一机床进给系统的负载图例。图中的最大负载值将是初选液压缸工作压力和确定液压缸
16、结构参数时的依据。表2 液压系统中背压力的经验数据系统类型背压/MPa中、低压系统(08MPa)简单系统和一般轻载的节流调速系统0.2 0.5回油路带调速阀的节流调速系统0.5 0.8回油路带背压阀0.5 1.5采用带补油泵的闭式回路0.81.5中、高压系统(816MPa)同上比中、低压系统高(50100)%高压系统(1632MPa)如锻压机械系统初算时背压可忽略不计1.2.3液压马达的负载分析当系统以液压马达作为执行元件时,应计算各阶段折算到液压马达轴上的总负载转矩T。这负载转矩应包含三项之和:TL工作负载折算到马达轴上的等效转矩,Tf执行机构上的摩擦力(力矩)折算到马达轴上的等效转矩,Tm
17、执行机构、传动机构、液压马达轴等在启动和制动时折算到马达轴上的等效惯性力矩。即将式(1)(4)中的力的计算换成相应的力矩的计算式,即可得到液压马达在各个动作阶段的负载力矩计算式,并可画出相应的负载转矩图。 2液压系统主要性能参数的确定这里,液压系统的主要性能参数是指液压执行元件的工作压力p和最大流量,它们均与执行元件的结构参数(即液压缸的有效工作面积或液压马达的排量)有关。液压执行元件的工作压力和最大流量是计算与选择液压元件、原动机(电机),进行液压系统设计的主要依据。2.1液压执行元件工作压力的确定 液压执行元件的工作压力是指液压执行元件的输入压力。在确定液压执行元件的结构尺寸时,一般要先选
18、择好液压执行元件的工作压力。工作压力选得低,执行元件的尺寸则大,整个液压系统所需的流量和结构尺寸也会变大,但液压元件的制造精度、密封要求与维护要求将会降低。压力选得愈高,结果则相反。因此执行元件的工作压力的选取将直接关系到液压系统的结构大小、成本高低和使用可靠性等多方面的因素。一般可根据最大负载参考表3选取,也可根据设备的类型参考表4选取。 随着目前材质生产水平和液压技术水平的提高,液压系统的工作压力有向高压化发展的趋势,这也是符合经济发展规律的。表3 不同负载条件下的工作压力负载 F/ N50000液压缸工作压力 / MPa0.811.522.53344557表4 常用液压设备工作压力设备类
19、型机床农业机械小型工程机械液压机挖掘机重型机械启重机械磨床车、铣、刨床组合机床 拉床龙门刨床工作压力 / MPa08224351010152032 2.2液压执行元件主要结构参数的确定 要确定液压执行元件的最大流量,必须先确定执行元件的结构参数。这里主要指液压缸的有效工作面积A1、A2及活塞直径D、活塞杆直径d。液压执行元件的结构参数首先应满足所要克服的最大负载和速度的要求。例如图3所示一单杆活塞缸,其无杆腔和有杆腔的有效作用面积分别为A1和A2,当最大负载为F max时的进、回油腔压力分别为p1和 p2,这时活塞上的力平衡方程应为(6)这样就有式中,A2/A1一般由快速进、退速度比与回路结构
20、有关。例如当快进时是液压缸的无杆腔进油、有杆腔回油,而快退时是有杆腔进油、无杆腔回油,快进、快退时的流量Q均相同(一般为泵的最大供油流量),这时快速进、退的速度比v1 / v2为 即这时的液压缸两腔的面积比由快速进、退的速度比v确定 。当快进时采用差动连接液压回路,快退时采用有杆腔进油、无杆腔回油,并且要求快速进、退速度相等时,则应A2 /A1=1/2。 表5 按活塞杆受力情况选取活塞杆直径活塞杆受力情况工作压力p/MPa活塞杆直径d受 拉-d=(0.30.5)D受压及拉P5d=(0.50.55)D受压及拉57d=0.7D 在D、d圆整后,应由式A1=D2/4和A2=(D2-d2)/4重新求出
21、A1和A2。则此时液压缸两腔的有效工作面积A1、A2已初步确定。液压缸两腔的有效工作面积除了要满足最大负载和速度要求外,还需满足系统中流量控制阀最小稳定流量Qvmin的要求,以满足系统的最低速度vmin要求。因此还需对液压缸的有效工作面积A1(或A2)进行验算。即式中Qvmin可由阀的产品样本中查得。若经验算D、d不满足式(9-11),则需重新修改计算D、d、A1、A2 ,直至满足式(11)为止,才算最后确定液压缸的有效工作面积。 2.3液压马达的排量计算与选择 当执行元件是液压马达时,它要克服的负载是转矩,它的主要结构参数是排量。液压马达的排量qM也是根据最大负载转矩Tmax来确定的,即式中
22、 p液压马达的工作压力,即进油压力; p0液压马达的回油腔压力,即背压,可参表9-2选取,有的马达对背压有特殊要求,可按要求定; Mm液压马达的机械效率。 2.4工况图的确定2.4.1 工况图中的最大压力和最大流量将直接影响液压泵和液压控制阀等液压元件的最大压力和流量,因此它是选择电动机、液压元件(包括液压泵、液压控制元件和辅助元件)的原始依据。 2.4.2工况图中不同阶段的压力和流量变化情况是液压回路选择的依据。例如工况图中反映整个工作循环中流量、压力变化较大,而且高压小流量的时间占得比例较大,这样在较大功率时采用单定量泵供油就不太合适,可以考虑一大一小的双联泵供油或限压式变量泵供油等方案。
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