题 目  液压启闭机设计 姓 名  余楠 学 号  3120000110 授课教师  龚国芳 魏建华 专 业  机械电子专业  (  混合班  ) 液压启闭机设计 余楠 -机械电子 -3120000110 1 设计题目及要求 设计题目： 1600KN液压启闭机 主要技术参数： 型式：活塞式双缸液压启闭机 最大启门力： 2× 1600kN 工作行程： 5.5m 最大行程： 5.7m 液压缸计算压力：≥ 15MPa且≤ 20MPa 液压缸内径：Φ 400mm（推荐值） 活塞杆直径：Φ 180mm（推荐值） 启闭速度：≥ 0.6m/min 液压泵电动机组单机功率：≤ 45kW 液压泵电动机组应不少于两套，互为备用。 操作要求 : （1）液压系统应有双缸同步及单缸动作回路（安装工况） ，双缸同步偏差≤ 20mm。 （2）本机操作闸门至上、下极限位置或设定的任一开度位置时，液压泵电动机应自动断电，特别是当闸门到达下极限位置时，应确保安全运作。 （3）闸门在全开或设定的任一局部开启位置时，启闭机的液压系统中的保压锁锭回路能可靠地将闸门固定在上极限或设定的位置处。 （4）闸门自全开位置或局部开启预置位置下滑 150mm时，或双缸同步偏差 超过 20mm时，液压泵电动机自动投入运行，将闸门提升恢复原位。若继续下滑 至 160mm，液压泵电动机尚未投入运行时，应自动接通另一组液压泵电动机，将 闸门提升恢复原位； 若继续下沉至 200mm时，在集控室及现场均应有声光报警信 号。 液压启闭机设计 余楠 -机械电子 -3120000110 2 液压系统原理图 该设计原理图由 Eplan-fluent 软件设计，如下图所示。根据该图能够准确的看出， 本液压设计原理图可分为八部分，分别为，动力模块，总控模块，分流机构，阀 门 A 启闭机构，阀门 A 锁紧机构， 阀门 B 启闭机构，阀门 B 锁紧机构与极限位置保护机构。 设计功能说明 首先对各模块依次说明，从左下角的 动力模块 开始，此模块包括主泵组，备 用泵组，溢流阀，过滤器。在正常运行时，主泵组的两个 45KW电机运转，输出 90KW功率，若压力表检测到系统失压，会通过电控模块开启备用泵组，并发出 检修信号，提示检修主泵组。 动力模块提供的流量进入下面的 总控模块 ，总控模块包括保护阀，总控制阀 液压启闭机设计 余楠 -机械电子 -3120000110 3 与节流分流机构。 保护阀供能在最后的极限位置保护机构部分会着重解释， 总控 阀实现油缸 A、B 的同步运行或异步运行。 总控模块后接 分流机构 ，分流机构在此处着重说明，在初步设计时我查阅了 相关的论文与设计，了解到了现今主流的同步回路主要有下面三种实现方法： 1、油路并联，且每路各接一个节流阀，实现各路流量一致。 2、利用伺服阀、传感器与电控系统，通过电控系统的控制算法实现精确分流。 3、使用分流集流阀，利用其机械结构按比例分流集流，实现同步。 对比上面三种方法，利用多节流阀的方法是最简单的方法，但是在实际应用 中会遇到一定问题， 多个节流阀之间往往很难保证一致性， 故调试与安装较为复 杂，且稳定性不高。接下来第二种方法中，使用电控闭环控制，实现了很高的精 度，但是在大型系统中， 电控的可靠性往往不及纯机械结构， 当电控发生故障时 往往会造成一定事故， 故最终我选择了第三种方法， 分流集流阀以纯机械结构的 方式实现了油液的 1:1 输入 / 输出，可靠性十分良好，虽然在实际应用中会有 3%-5% 的误差，但是配合一定电控措施可以让误差保持在可接受范围以内。 由于本设计中油缸启闭需要油缸能够双向运行， 故在设计中我使用的比例节流阀接分流集流 阀的方法，油液首先被比例节流阀控速，后进入分流集流阀，被调速的油液按 1:1 的比例输入油缸，实现油缸的同步运动。此外，在电控模块装有红外对管测距传感器 ( 若精度要求很高也可使用激光测距传感器 ) ，实现用闭环的方式监控闸门的位置，当液压模块产生较大误差时，对系统来进行电控矫正，保证系统安全。 下面介绍 阀门启闭机构 由于 A、B 结构对 称，在此处只介绍其中一组即可，阀门启闭 机构实现了阀门同步异步运动可控， 在阀 A-1， A-2， B-1，B-2 均处于左位时，显然油缸 A、 B 进行同步运动。在需要异步运动时 , 比如将 A 锁紧， B 单独运动，只需要将 A-1， A-2 设 定至右位，此时油缸与油路断开，流量绕过 油缸通过溢流阀，这保证了另一路的正常运 转，分流集流阀上不会产生过大压力突变。 且溢流阀产生的液控信号被导入 阀门锁紧机 [ 图 ] 1 阀门启闭机构、锁紧机构 液压启闭机设计 余楠 -机械电子 -3120000110 4 构的先导液控阀。 与很多其他设计不同的是， 本设计中增加了阀门锁紧机构， 通过简单的理论力学计算可知， Y向很小的力往往能对 X向的运动产生很大阻尼 ( 比如防盗门 ) ，在 A 锁紧使能阀处于左位时，锁紧有效，当锁紧阀被压力触发时， 顶出锁紧油缸， 锁紧油缸连接锁紧机构， 提供了对闸门的双保护。 在不适用锁紧时，将锁紧使能阀设定到右位，由于弹簧的作用，锁紧油缸会自动弹回原位，即实现了可控的锁紧 / 使能状态控制。 最后是 极限位置保护机构 , 在上面的 介绍中知道，本系统已经设计了红外对管 测距器实现闸门同步的闭环精确控制， 但 是为避免电控发生故障， 在系统中添加 了极限位置保护机构， 此机构利用纯机械 液压结构，在电控失效时依然可以正常运 转。如图，当闸门处于上极限报警位置或 下极限报警位置时， 极限阀被推开， 一方 面继电器发出报警信号， 同时保护阀通过 液压方式被推开，动力系统与执行系统被 切断，防止进一步的破坏，保证安全。在 [ 图 ] 2 极限位置保护机构恢复时，在保证检修完毕的条件下， 利用 电磁阀让保护机构卸荷， 保护阀回到右位， 动力系统与执行系统连接， 恢复至正常工作位置。 以上即为本设计的功能说明，由于是首次单独进行液压系统模块设计，若有不足疏忽之处，还望老师指点。 设计计算 4.1 系统最高控制压力确定 参阅主要技术参数，由于系统要最大单缸启闭力为 1600kN，液压缸内径 400mm,带入公式计算可得： p = 1 ?? = 12.73 Mpa 4 2 ???? 液压启闭机设计 余楠 -机械电子 -3120000110 5 考虑到系统损耗与辅助元件分压，最高控制压力应该富余 10%左右。故系统 的最高控制压力应为： ??MAX = 1 ?? ×110% = 14.01 Mpa ≈14Mpa 4 2 ???? 4.2 泵的最大输出流量确定 系统要求启闭速度不小于 0.6m/min ，取 Vmax=1.0m/min，通过计算可知在 双缸同步运动时： q = 2vA = 4.2 ??/?? 考虑到系统对油液有一定损耗，在流量损耗 3%且留出 10%富余量的条件下，得到： ??max = 4.76 L/s 4.3 主油缸校核 由 4.1 的结果能看出，在液压缸压力为 12.73Mpa 时油缸就可以输出 1600kN 启门力，在系统控制压力为 15Mpa时，液压缸能够输出足够推力 / 拉力。 又活塞杆直径为 180mm，通过简单材料力学计算可知， 在 1600kN载荷下，活 塞杆承受 62.87Mpa 单向应力，参考常用钢材 Q235 的屈服极限 235Mpa，安全系 数 n=3.7 ，校核安全。 4.4 液压泵功率计算 通过上述计算可知，液压泵最大控制压力  pmax 为  14Mpa，最大流量  qmax 为 4.76L/s  ，液压泵效率取常用值  0.85 ，带入公式能求出： PAv  pq P = = = 78.4???? ?? ?? 故若要达到最快  1.0m/min  的启闭速度，需要输出功率  78.4kW，在液压泵单 机功率为  45kW且需要有备用泵组的条件下，总系统需要  4 台泵，分为两组使 用。 液压启闭机设计 余楠 -机械电子 -3120000110 6 4.5 保护溢流阀计算 参阅设计的基本要求， 单门启动力为 1600kN，对应油缸压力 12.73Mpa，保护溢流阀溢流压力设置可比油缸最大压力高出 20%，取整后取 16Mpa。对于系统总溢流阀，参考系统控制压力 14Mpa，溢流阀压力高出 20%，取整后取 17Mpa。 主要元件参数与参考选型 5.1 液压泵选型要求 液压泵共需要 4 台，分为两组即主泵组与备用泵组， 要求正常工作功率 45KW，最大输出流量可达到 143L/min ，最大工作所承受的压力 170bar ，工作稳定，能承受变载荷。在此条件下， 定量柱塞泵能够完全满足设计的基本要求。 具体型号需根据不同供货企业来提供的产品名录查找符合以上要求的产品。 5.2 主液压缸选型要求 主液压缸一共需要 2 台，要求内径Φ 400mm，活塞杆直径Φ 180mm，允许最大运动速度≥ 1m/min，工作行程： 5.5m，最大行程： 5.7m。具体型号需根据不同供货企业来提供的产品名录查找符合以上要求的产品。 参考文献 液压传动 / 王积伟 - 机械工业出版社 机械设计手册 / 闻邦椿主编 - 机械工业出版社 机械工程师设计手册 - 电子版 / 北京英科宇科技开发中心

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