機電液綜合課程設計機電液綜合課程設計學校：大連交通大學院系：機械工程學院機械電子專業班級：設計者：指導教師：2015年7月目錄摘要 3一、設計內容及要求 31.1設計目的 31.2平臺動作循環要求 31.3平臺升降對液壓傳動系統的具體參數要求 3二、液壓系統的初步設計 4三、電氣控制部分設計 6四、機械系統的設計與計算 74.1工況分析 74.2工作腔有效工作面積和活塞直徑計算 7五、液壓系統設計與計算 95.1流量功率計算 95.2液壓泵設計與校核 95.3閥類元件及輔助元件 105.4油管 125.5油箱 13六、PLC設計方案 146.1可編程控制器控制系統I/O點數估算 146.2結構形式考慮 146.3PLC語句表 15七、課程設計心得體會 17參考文獻 18

摘要本次課程設計內容為1500kg平臺升降液壓、電控、機械系統綜合設計。平臺升降的動力來自于液壓缸，充分利用了液壓傳動結構簡單，體積小，質量輕，輸出功率大及其易于操縱控制的優點；控制系統主要利用西門子PLC編程控制器。此次設計主要是將自己所學的知識結合輔助材料運用到實際中，主要設計過程有：明確傳動過程，計算相關數據，繪制液壓系統原理圖，并且結合相關PLC技術最終實現所要設計的平臺升降要求。關鍵詞：同步運動蓄能器保壓電液比例調速閥PLC一、設計內容及要求1.1設計目的課程設計是培養學生綜合運用所學的基礎理論和專業理論知識，獨立解決實際設計問題能力的一個重要的實踐性教學環節，因此，通過設計應達到下述目的：（1）初步掌握正確的設計思想和設計的基本方法，步驟，鞏固，深化和擴大所學的知識,培養理論聯系實際的工作方法和獨立工作能力；（2）獲得平臺升降總體設計，結構設計，零件計算，編寫說明書。繪制液壓系統圖1張；（3）熟悉有關標準、規格、手冊和資料的應用；（4）完成PLC選型及硬件電路設計，繪制PLC端子接線圖1張。并完成軟件設計，繪制梯形圖與列出主要控制程序指令語句1張。1.2平臺動作循環要求設計一套升降機的液壓系統，該系統能使平臺保持一定的精度，同步、平穩地上升、下降，并可在0.8m的行程范圍內任意高度停留。系統結構緊湊，安全可靠。本次設計要求四個液壓缸同步運動。停止時采用蓄能器保壓，泵卸荷，同步要求高。動作過程：能夠實現“同步上升—停止—保壓—同步下降—停止”的工作循環。1.3平臺升降對液壓傳動系統的具體參數要求平臺重量1500kg,平臺升降速度是0.3~0.5m/s，平臺上升高度0.8m。二、液壓系統的初步設計通過對系統設計的要求的分析，確定系統需要同步回路，鎖緊回路，平衡回路和保壓回路。（1）使兩個或兩個以上的液壓缸同步動作的回路稱為同步回路。液壓基本同步回路有：機械聯結的同步回路，采用同步液壓馬達的同步回路。各回路的優缺點：①機械聯結同步回路雖然存在有齒側隙和齒輪軸的扭轉變形引起的誤差但同步可靠。缺點是結構復雜，兩缸布置的位置受到限制。串聯液壓缸的同步回路結構簡單，不需要同步元件，其同步精度取決于兩液壓缸的制造精度和密封性能。由于油缸不可避免的存在內泄漏，所以每次往復運動都將增加兩缸的位置誤差，從而出現同步失調。帶補償裝置的串聯液壓缸同步回路解決了串聯液壓缸的同步回路由于油缸內泄漏引起的同步失調的問題，其缺點是該回路只適用于負載較小的液壓系統。調速閥的同步回路可以實現多缸同步但同步精度受調速閥性能和油滿影響，而且個個調速閥比較難調到相同流量，所以誤差化較大。比例調速閥同步回路的同步精度雖然沒有采用伺服閥的回路高，但仍然具有比較高的精度，而且相對伺服閥閉低很多。綜上所訴及系統要求，本系統采用相同的4個液壓缸相并聯，用比例調速閥實現同步。②液壓基本鎖緊采用液控單向閥單向鎖緊回路，當換向閥在中位時，液壓泵卸荷活塞被液控單向閥鎖緊，當換向閥切換至上升或下降位置時，液控單向閥即被打開，由于液控單向閥沒有泄露，故活塞可被較長時間鎖緊，不會因自重而下滑。③在液壓系統要設置平衡回路，其方法是在立式液壓缸下行回路上設置一個適當阻力，使液壓缸的回油腔產生一定的背壓，以平衡其自重，在本設計中采用單向順序閥平衡回路。④再執行元件液壓缸終止運動時要求液壓缸能繼續保持一段時間的壓力在這段時間內不再繼續前進，同時也暫時不回程，這時就要采用保壓回路，以保持那些暫不繼續運動的執行元件的系統油壓。常用的保壓方法有定量泵和溢流閥的保壓，壓力由溢流閥調定并保持，與定量泵構成恒壓源，采用液控單向閥保壓等，并設計選用蓄能器保壓。各回路優缺點：液控單向閥保壓結構簡單，密封性好，但是閥類元件的泄露使得保壓時間不能維持太久。采用定量泵和溢流閥的保壓，壓力由幾乎全經溢流閥流回油箱，系統功率損失大，發熱嚴重，故只在小功率且保壓時間較短的場合使用。綜上考慮，繪制出圖所示液壓傳動系統草圖：圖2-1液壓系統工作原理圖1—液壓缸；2—液控單向閥；3—電液比例調速閥；4—蓄能器；5—壓力計；6—壓力繼電器；7—單向順序閥；8—三位四通電磁換向閥；9—背壓閥；10—兩位兩通電磁換向閥；11—溢流閥；12—定量泵；13—濾油器+空氣過濾器；14—油箱表2-1電磁鐵動作順序表動作名稱1YA2YA3YA同步上升+_-停止__+保壓__+同步下降_+-停止__+三、電氣控制部分設計電路圖如下所示：圖3-1電氣控制電路圖SB1啟動按鈕SB2停止按鈕SB3上升按鈕SB4下降按鈕SB4下降按鈕SB5上升停止按鈕SB6下降停止按鈕SQ1上升極位開關SQ2下降極位開關四、機械系統的設計與計算4.1工況分析液壓缸的輸出力由工作壓力p和活塞有效面積A決定；液壓缸的輸出速度v是由輸入液壓缸的流量q和活塞有效面積A決定。即：（4-1）主機工作過程中，其執行機構所要克服的負載包括工作負載、慣性負載和阻力負載。（1）工作負載（2）慣性負載N取Δt=0.2sΔv=0.5m/s（4-2）（3）密封阻力啟動時（4-3）運動時（4-4）導軌摩擦阻力(4-5）初步估計有桿腔活塞面積取(4-6）啟動階段（4-7）由表《各類液壓設備常用工作壓力》查得工作壓力：P=3Mpa（4-8）4.2工作腔有效工作面積和活塞直徑計算F=13392.5N（4-8）（4-9）D=（4-10）往返速度比取d=0.62D=0.0049m圓整后D=80mmd=50mm液壓缸兩腔的實際有效面積（4-11）（4-12）復算執行元件的工作壓力無桿腔進油工作階段：（4-13）有桿腔進油階段：（4-14）五、液壓系統設計與計算5.1流量功率計算（1）上升時，（5-1）（5-2）(5-3)（2）下降時(5-4)（5-5)（5-6）5.2液壓泵設計與校核取油路壓力損失0.3Mpa.取調整壓力高于系統最大工作壓力0.3Mpa,整個過程中最大工作壓力：(5-7)整個過程中最大流量為：（5-8）取泄露系數（5-9）溢流閥的最小穩定流量為查《YB-Ea型葉片泵技術參數》選擇YB-Ea315葉片泵，其中，，液壓泵排量為316ml/r,額定壓力10MPa.（5-10）由于液壓缸在快速工進時輸入功率最大，這時液壓泵的工作壓力為6.28Mpa，流量為91.8，查表《液壓泵的總功率》取總效率，液壓泵驅動電動機所需功率：（5-11）根據表《Y系列（IP44）α型三相異步電動機技術參數》選取Y16L-4電動機額定功率15KW額定轉速1460r/min效率88.5%功率因數0.85。5.3閥類元件及輔助元件根據閥類及輔助元件所有油路的最大壓力和通過最大試驗流量，選出這些液壓元件。1.葉片泵（1）定流量436.08L/min；(2)額定壓力10Mpa；(3)型號規格YB-Ea315（4）工作原理：葉片泵轉子旋轉時，葉片在離心力和壓力油的作用下，尖部緊貼在定子內表面上。這樣兩個葉片與轉子和定子內表面所構成的工作容積，先由小到大吸油后再由大到小排油，葉片旋轉一周時，完成一次吸油與排油。（5）詳細功能介紹：葉片泵，是轉子槽內的葉片與泵殼(定子環)相接觸，將吸入的液體由進油側壓向排油側的泵。2.三位四通電磁閥（m型）（1）最大流量以上，取400L/min；(2)根據表《液壓元件產品樣本》選取型號：D1-32；(3)額定流量250L/min最大流量400L/min額定壓力20MPa（4）工作原理：電磁換向閥是液壓控制系統與電器控制系統之間的轉換元件，它利用兩端電磁鐵的吸力來實現閥芯的運動，從而改變油路的通斷，進而實現執行元件的換向。（5）詳細功能介紹：閥芯可實現左位、中位、右位三個位置的變換。當閥芯處于中位時由圖可知各油口各不相通，當閥芯處于左位時由圖可知油路可由P口進A口出，同時B口與T口相通。當閥芯處于右位時油路可由P口進B口出，同時A口與T口相通。3液控單向閥（1）預計流量91.8L/min，所以選取型號：4CT1-06；（2）額定流量114L/min，額定壓力21Mpa，額定壓降＜0.2Mpa。（3）工作原理：在單向閥出口方上開有一個控制油口，該油口由給定的壓力去克服單向閥內部的彈簧力，從而將出口方的壓力油反向流入口方向，從而實現出口到入口的通路。（4）詳細功能介紹:依靠控制流體壓力，可以使單向閥反向流通4.溢流閥（背壓閥）（1）其可調到0.5Mpa，故選取型號：Y2D1-H50F；（2）額定流量500L/min，額定壓力32Mpa。（3）工作原理:系統正常工作時，閥門關閉。只有負載超過規定的極限（系統壓力超過調定壓力）時開啟溢流，進行過載保護，使系統壓力不再增加（通常使溢流閥的調定壓力比系統最高工作壓力高10％～20％）。（4）詳細功能介紹:溢流閥是一種液壓壓力控制閥，在液壓設備中主要起定壓溢流作用，穩壓，系統卸荷和安全保護作用。5.單向順序閥（1）初選XH型（聯合型）（2）壓力0.6-31.5MPa流量40-500L/min(3)詳細功能介紹：單向閥并聯順序閥合稱為平衡閥，構成平衡回路。6.壓力繼電器（1）選取PD型（聯合型）（2）壓力0.6-31.5MPa（3）工作原理：利用液體的壓力來啟閉電氣觸點的液壓電氣轉換元件。當系統壓力達到壓力繼電器的調定值時，發出電信號，使電氣元件動作，使油路卸壓、換向，執行元件實現順序動作，或關閉電動機使系統停止工作，起安全保護作用等。7.蓄能器查產品樣本手冊，選用HXQ-C16D，公稱容積為16L公稱壓力為17MPa。詳細功能介紹：在適當的時機將系統中的能量轉變為壓縮能或位能儲存起來，當系統需要時，又將壓縮能或位能轉變為液壓或氣壓等能而釋放出來，重新補供給系統。當系統瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的能量，以保證整個系統壓力正常。8.濾油器（1）燒結式過濾器（2）過濾雜質顆粒直徑壓力損失管道（1）選用無縫鋼管（2）價格便宜，工作壓力較高，不宜任意彎曲，排管費事表5-1元件的型號及規格序號元件名稱估計通過流量額定流量額定壓力/MPa額定壓降/MPa型號規格1葉片泵403.92436.0810—YB-Ea3152三位四通電磁換向閥403.9225020＜0.3D1-323液控單向閥91.811421＜0.24CT1-064兩位兩通電磁換向閥403.92120021—24DY-F50H5濾油器403.92450—＜0.2燒結式過濾器6溢流閥403.9250032—YF3—E10B5.4油管根據推薦選擇在壓油管的流速4m/s，按：（5-13）式中，q—通過管道的流量，v—管內允許流速。表5-2液壓缸的進出流量勻速上升勻速下降輸入流量q1=90.48q1=91.8輸出流量q2=(q1A2)/A1=55.14q2=(q1A2)/A1=55.94所以液壓缸無桿腔及有桿腔的油管內徑分別為：這兩根管都可按GB/T2351—2005選用內徑20mm，外徑28mm的冷拔無縫鋼管。5.5油箱根據經驗，取數據=7，故其容積為V=ξqp=7*91.8=642.6按JB/T7938—1999規定，取最靠近的標準值V=700L六、PLC設計方案6.1可編程控制器控制系統I/O點數估算根據控制電路可得，SB1啟動，SB2停止，SB3上升，SB4下降，SB5上升停止，SB6下降停止，SQ1上升極位開關，SQ2下降極位開關，壓力繼電器，I點數總計9個；KM泵啟動，1YA上升，2YA下降，3個指示燈，O點數總計6個，總點數為15個，留15%I/O裕量。因為控制系統較簡單，選用小型機。6.2結構形式考慮小型PLC控制系統多采用整體式結構。因此，可選擇西門子S7-200。圖6-1PLC端子接線圖圖6-2PLC梯形圖6.3PLC語句表地址指令數據0000LDI0.00001OQ0.00002ANI0.10003AI0.80004ANI0.90005=Q0.00006=Q0.40007LDI0.20008OQ0.10009AQ0.00010ANT330011ANI0.40012ANI0.60013=Q0.10014=Q0.60015LDQ0.10016ANI0.20017TONT33,+26670018LDI0.30019OQ0.20020AQ0.00021ANI0.50022ANI0.70023