机电液综合课程设计.doc
机电液综合课程设计学院： 机械工程学院 班级： 机械工程及自动化114班 设计者：指导教师：二0一四年六月目 录目 录II摘 要1关键词：同步运动 蓄能器保压 分流集流阀 PLC1一、设计内容及要求11.1设计目的11.2舞台动作循环要求11.3舞台升降对液压传动系统的具体参数要求1二、液压系统的初步设计2三、电气控制部分设计4四、机械系统的设计与计算54.1工况分析54.2液压缸内径计算54.3活塞杆直径计算64.4缸筒设计64.5活塞杆强度校核7五、液压系统设计与计算85.1流量功率计算85.2液压泵设计与校核85.3选择基本回路95.4阀类元件及辅助元件95.5油管105.6油箱115.7蓄能器11六、PLC设计方案136.1PLC设计图136.2PLC语句表14课设小结16参考文献16摘 要本次课程设计内容为2000kg舞台升降液压、电控、机械系统综合设计。舞台升降的动力来自于液压缸，充分利用了液压传动结构简单，体积小，质量轻，输出功率大及其易于操纵控制的优点；控制系统主要利用西门子PLC编程控制器。此次设计主要是将自己所学的知识结合辅助材料运用到实际中，主要设计过程有：明确传动过程，计算相关数据，绘制液压系统原理图，并且结合相关PLC技术最终实现所要设计的舞台升降要求。关键词：同步运动 蓄能器保压 分流集流阀 PLC一、设计内容及要求1.1设计目的课程设计是培养学生综合运用所学的基础理论和专业理论知识，独立解决实际设计问题能力的一个重要的实践性教学环节，因此，通过设计应达到下述目的：（1）初步掌握正确的设计思想和设计的基本方法，步骤，巩固，深化和扩大所学的知识,培养理论联系实际的工作方法和独立工作能力；（2）获得舞台升降总体设计，结构设计，零件计算，编写说明书。绘制液压系统图1张；（3）熟悉有关标准、规格、手册和资料的应用；（4）完成PLC选型及硬件电路设计，绘制PLC端子接线图1张。并完成软件设计，绘制梯形图与列出主要控制程序指令语句1张。1.2舞台动作循环要求设计一套适用于舞台升降机的液压系统 ，该系统能使演出平台保持一定的精度，同步、平稳地上升、下降，并可在1m的行程范围内任意高度停留。系统结构紧凑，安全可靠。设计要完成舞台升降液压系统的机电液控制设计。舞台采用四个液压缸支撑，要求液压缸同步上升。舞台停止时，采用蓄能器龅牙，泵卸荷。舞台的同步采用分流集流阀。动作过程：能够实现“同步上升停止保压同步下降停止”的工作循环。1.3舞台升降对液压传动系统的具体参数要求舞台重量2000kg,舞台升降速度是0.20.5 m/s，舞台升高1m。二、液压系统的初步设计液压系统的设计要求：（1）按设计要求，希望系统结构简单，工作可靠，且系统的功率不大，根据教材液压系统常用液压泵性能比较表决定采用单个定量泵，并用一个溢流阀作安全阀，当系统超载时，溢流阀打开，对系统起到过载保护作用，而平时溢流阀是关闭的； （2）设计要求四个液压缸同步动作，故采用由三个分流集流阀组成的同步回路；（3）为了使舞台停留时能够保持当前位置，故设计锁紧回路，使液压缸在任意位置上停留，且停留后不会因舞台自身重力而下降。当换向阀左位接入时，压力油经左边液控单向阀进入液压缸下腔，同时通过控制口打开右边液空单向阀，使液压缸上腔得回油经过右边液空单向阀及换向阀流回油箱，活塞向上移动。反之，活塞向下移动；（4）因舞台要求上升、下降及停留，故采用三位四通阀，使执行元件可以在任意位置停留，且执行元件正反向运动时可以得到不同的回油方式。 综上考虑，绘制出图所示液压传动系统草图：图2-2 液压系统工作原理图1液压缸；2液控单向阀；3分流集流阀；4蓄能器；5压力计；6压力继电器；7单向顺序阀；8电磁换向阀；9背压阀；10节流调速阀；11溢流阀；12定量泵；13滤油器+空气过滤器；14油箱表2-1 电磁铁动作顺序表动作名称1YA2YA同步上升+-停止-保压-停止-同步下降-+停止-三、电气控制部分设计电路图如下所示：图3-1 电气控制电路图四、机械系统的设计与计算4.1工况分析液压缸的输出力由工作压力p和活塞有效面积A决定；液压缸的输出速度v是由输入液压缸的流量q和活塞有效面积A决定。即： （4-1）主机工作过程中，其执行机构所要克服的负载包括工作负载、惯性负载和阻力负载。（1）工作负载 （2）惯性负载 取t=1.0s （4-2）（3）阻力负载静摩擦阻力 ，fs0.20.3 （4-3）动摩擦阻力 ，fd0.050.1 （4-4） 又因为 (4-5）所以 （4-6）表3-1 液压缸在各工作阶段的负载F 单位：KN工况负载组成负载值/KN启动阶段6.39上升阶段5.89保持阶段5.39下降阶段3.41由表各类液压设备常用工作压力查得工作压力： P=2Mpa （4-74.2液压缸内径计算F=6.3914KN （4-8） D=75.2mm （4-9）4.3活塞杆直径计算d=0.707D=0.0559mm （4-10）根据表GB/T 2348-2001标准圆整后 D=80mm,d=56mm.液压缸两腔的实际有效面积：A1= (4-11) A2= (4-12)4.4缸筒设计1.材料选择：一般采用45号钢，并应调质到241-285HBS缸筒厚度： （4-13）式中缸筒材料强度要求的最小值缸筒外径公差余量腐蚀余量按中等壁厚缸筒计算:=（0.08-0.3）D=6.4-24取10 （4-14）缸筒外径 (4-15)2.缸筒厚度验算（1）工作额定压力应小于一极限值，以保证工作安全 ( 4-16)（2）为避免塑性变形，额定工作压力应满足缸筒发生安全塑性变形的压力 （4-17） （4-18）（3）缸筒底部厚度采用平行缸底，当缸底平面且无油孔，缸底厚度h为： （4-19）式中 D 缸筒内径，计算中取材料的许用应力（MPa），缸筒材料的抗拉强度，根据表缸筒常用无缝钢管的材料力学性能查得45号钢的=600Mpa。根据表安全系数n查得，静载荷下的钢的安全系数 。 （4-20）4.5活塞杆强度校核 （4-21）式中，对于圆断面 （4-22） （4-23） 满足强度条件。 五、液压系统设计与计算5.1流量功率计算 （1）上升时， (5-1) （5-2） (5-3) （2）下降时 (5-4) （5-5) （5-6）5.2液压泵设计与校核取油路压力损失0.8Mpa.取调整压力高于系统最大工作压力0.5Mpa,整个过程中最大工作压力： =4.99Mpa （5-7）=+0.8+0.5=4.99+1.3=6.29Mpa （5-8）整个过程中最大流量为： （5-9）取泄露系数 （5-10） 溢流阀的最小稳定流量为，所以液压泵的最小流量为49.14。查YB-E型叶片泵技术参数选择YB-E100，其中，液压泵排量为98ml/min （5-11）由于液压缸在快速工进时输入功率最大，这时液压泵的工作压力为6.29Mpa，流量为94.32，查表液压泵的总功率取总效率，液 压泵驱动电动机所需功率： （5-12）根据表Y系列（IP44）型三相异步电动机技术参数选取Y16L-4电动机额定功率15KW 额定转速1460r/min 效率88.5%功率因数0.85。5.3选择基本回路（1）由于舞台升降系统需要同步、平稳地上升下降可选择采用分流集流阀的同步回路；（2）舞台上升速度可以调节，可选择进油节流阀调速回路；（3）舞台停止时采用辅助液压泵保压和锁紧回路；（4）选择调压和卸荷回路。5.4阀类元件及辅助元件根据阀类及辅助元件所有油路的最大压力和通过最大试验流量，选出这些液压元件。1.叶片泵（1）定流量146.79L/min；( 2 ) 额定压力16 Mpa；( 3) 型号规格 Y200L1-2 。2.三位四通电磁阀（m型）（1）最大流量139.8*2=279.6L/min以上，取300L/min；( 2 ) 根据表电磁换向阀系列技术参数选取型号：DG5S-H8B；( 3 ) 额定流量300L/min额定压力8 Mpa压降6.3Mpa。3.单向阀（1）预计流量146.79L/min，所以选取型号：DF-B32H2；（2）额定流量200L/min，额定压力21Mpa，额定压降0.2Mpa。4.滤油器（1）预计通过流量146.79L/min，选取型号：TLW-100；（2）额定流量160L/min，额定压力16Mpa。5.溢流阀（背压阀）（1）其可调到1Mpa，故选取型号：YF3E10B；（2）额定流量200L/min，额定压力14Mpa。6.蓄能器（1个）查产品样本手册，选用HXQ-C16D，公称容积为16L公称压力为17MPa。表5-1 元件的型号及规格序号元件名称估计通过流量额定流量额定压力/MPa额定压降/MPa型号规格1叶片泵139.8153.0916YBE1002三位四通电磁阀188.64200160.334DME10B3单向阀146.79200210.2DF-B32H24液控单向阀146.79170210.2DFYL32H25溢压阀638YFL32H16滤油器146.792000.2XU160X80J7溢流阀306316YF3E10B5.5油管根据推荐选择在压油管的流速4m/s，按： （5-13） 式中，q通过管道的流量， v管内允许流速。表5-2 液压缸的进出流量匀速上升匀速下降输入流量输出流量所以液压缸无杆腔及有杆腔的油管内径分别为： （5-14） （5-15）这两根管都可按GB/T 23512005选用内径mm，外径mm的冷拔无缝钢管。5.6油箱根据经验，取数据=5，故其容积为 （5-16）按JB/T79381999规定，取最靠近的标准值V=500L5.7蓄能器（1）在本设计中蓄能器用来起保压作用，其有效工作容积为 （5-17）式中：液压缸有效工作面积（）；（2）活塞式蓄能器总容积的计算，按等温过程计算： (5-18）式中:查产品样本手册，选用HXQ-C16D，公称容积为16L公称压力为17MPa。六、PLC设计方案6.1PLC设计图 6-1 PLC梯形图 图6-2 PLC端子接线图6.2PLC语句表地址 指令 数据0000 LDNOT 00030001 IL0002 LD 00010003 OR 05000004 ANDNOT TIM000005 ANDNOT 00030006 ANDNOT 05010007 OUT 05000008 LD 05000009 ANDNOT 00010010 OUT TIM00 #0000 0011 LD 00020012 OR 05010013 ANDNOT TIM010014 ANDNOT 00040015 ANDNOT 05000016 OUT 05010017 LD 05010018 ANDNOT 00020019 OUT TIM01 #00000020 ILC0021 END课设小结本次机电液压课程设计我们8人小组从最基础的压力继电器和分流集流阀的工作原理查起，一点点，一步步，把2000kg舞台液压升降系统的液压回路图绘制完毕，然后是对PLC的控制电路图，端子接线图，语句表等的探讨。这中间有很多计算和公式，我们经历了很多错误，但是在老师的帮助和我们的努力下，最终共同完成了这个课设，感谢老师的精心指导。参考文献1黎启柏，刘树道等.液压元件手册. 北京：机械工业出版社，2000.2雷天觉，杨尔庄. 新编液压工程手册. 北京：北京理工大学出版社，1998.3王积伟. 液压与气压传动. 北京：机械工业出版社，1999.4田小静. 机电液综合课程设计指导. 北京：北京航空航天大学出版社，2012.
