開題報告--大型啟閉機液壓缸的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p><b>　　開題報告</b></p><p>　　題目 大型啟閉機液壓缸設計 </p><p>　　完成日期 2014 年 01月 15日</p><p>　　大型啟閉機液壓缸設計</p><

2、p><b>　　1 課題來源</b></p><p>　　本課題是在啟閉機液壓缸近幾十年的發(fā)展成就和現(xiàn)階段工程應用要求的基礎上提出的。在我國水利水電工程中，液壓啟閉機最早應用于官廳水庫高壓閘門中，很長時間以來，受國內(nèi)外工業(yè)技術(shù)水平的不高，啟閉機液壓缸的發(fā)展和應用受到了多種因素的制約，發(fā)展緩慢，造價是最重要的制約因素。改革開放后，一方面，國內(nèi)外工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展；另一方面，國外先進技

3、術(shù)和液壓元器件產(chǎn)品大量進入國內(nèi)外市場，加速了液壓啟閉機技術(shù)的發(fā)展，也更加拓寬了其應用的前景。2O世紀7O年代末，采用厚壁無縫鋼管作坯料，經(jīng)拉鏜滾壓一次加工成形液壓缸內(nèi)孔工藝的成功實踐，使液壓缸總成的自重大幅度減輕，從而使液壓啟閉機方案的技術(shù)經(jīng)濟指標大大優(yōu)化，在工程中應用的優(yōu)勢驟增，工程實踐經(jīng)驗的積累又較大的促使了該項技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　如今，由于液壓啟閉機與其他種類的啟閉機相比有以下優(yōu)點：技術(shù)先進，

4、工藝合理，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟性好；液壓傳動效率高；可實現(xiàn)無級調(diào)速；運行平穩(wěn)、安全、可靠，維修方便；便于集中控制和自動化操作；有利于優(yōu)化水工建筑物的總體布置。因此，液壓啟閉機在水利水電工程中的得到了更廣泛的應用，幾乎所有型式的閘門都可以用相應的液壓啟閉機來操作。但隨著工程應用的規(guī)模的擴大，特別是大型水利水電工程，對大型啟閉機液壓缸設計提出了迫切的需要，要求啟閉機液壓缸朝著大尺寸、高承載力方向發(fā)展。在液壓啟閉機的構(gòu)件中，液壓缸是其核心部件，故液

5、壓缸的設計好壞直接關(guān)系到液壓啟閉機制造質(zhì)量的優(yōu)劣。</p><p><b>　　2 研究目的和意義</b></p><p>　　研究目的：如今液壓啟閉機的應用工程，特別是對于水利水電工程，都朝著大規(guī)模、重載荷的方向發(fā)展，因此對大型啟閉機液壓缸的設計和應用有著迫切需求。在液壓啟閉機的構(gòu)件中，液壓缸是其核心部件，故液壓缸的設計好壞直接關(guān)系到液壓啟閉機制造質(zhì)量的優(yōu)劣。為滿足

6、現(xiàn)在工程應用的需要，此課題旨在在先前啟閉機液壓缸的研發(fā)和應用基礎上，從設計參數(shù)出發(fā)，根據(jù)液壓啟閉機的使用工況，結(jié)合所學的液壓傳動與機械設計相關(guān)知識，從由缸體、端蓋、活塞、活塞桿等零件入手，重點分析密封與緩沖裝置，設計出結(jié)構(gòu)合理、高承載力、安全適用的大型啟閉機的液壓缸，以滿足大規(guī)模工程應用的需要。</p><p>　　研究意義：在滿足大規(guī)模工程應用需求、減小工程預算、促進水利水電工程的發(fā)展等方面具有具有重要的意義。

7、</p><p>　　3 國內(nèi)外外液壓缸研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p><b>　　3.1文獻綜述</b></p><p>　　通過閱讀國內(nèi)外相關(guān)文件，對啟閉機液壓缸的設計進行全面的了解，現(xiàn)就對所閱讀的一部分文獻進行分析和概括：</p><p>　?。?）三峽船閘人字門啟閉機液壓缸的撓度與縱壓穩(wěn)定性計算_郭應龍、常蘇

8、華</p><p>　　該論文主要是針對水利電力建設中經(jīng)常會遇到的細長油缸因為過大的撓度將會導致缸頭密封及活塞與缸壁的過度磨損，從而引起油液的外泄或油缸出力的下降和穩(wěn)定性的不足造成液壓缸的整體失穩(wěn)、撓曲，而帶來更加嚴重的后果等問題，旨在探討啟閉機液壓缸的撓度與縱壓穩(wěn)定性計算方法，這些問題已日益引起人們的普遍關(guān)注，并成為這類液壓缸設計中必須驗算的重要項目之一。 </p><p>　　（2）三

9、峽船閘人字門啟閉機液壓缸撓曲與穩(wěn)定性試驗研究_郭應龍、陶亦壽</p><p>　　本論文主要還是在討論液壓缸撓度問題，介紹了細長臥式液壓缸的撓曲與穩(wěn)定性試驗的情況與試驗結(jié)果，驗證了作者的有關(guān)計算方法與計算結(jié)果，提出了一些新的問題和處理問題的原理與方法。迄今為止，大量有關(guān)液壓缸整體穩(wěn)定性的研究都只是限于理論分析。由于模型比尺較小，未曾考慮自重撓度及其對液壓缸整體穩(wěn)定性的影響。這一點，在三峽啟閉機中卻是不容忽略的。因

10、此，針對三峽船閘啟閉機特定的液壓缸進行模擬試驗，是具有重要意義的。</p><p>　?。?）小浪底工程啟閉機械設計_行少阜</p><p>　　該論文具體介紹了小浪底工程啟閉機械設計。小浪底工程獨特的水工建筑物總體布置格局和調(diào)洪、調(diào)沙運用的特殊要求，決定了閘門啟閉機械設計品種上的多樣性和技術(shù)上的復雜性。在液壓啟閉機密封裝置設計中，引入了無泄漏油缸的概念，采用了蓄能保壓系統(tǒng)。</p&

11、gt;<p>　?。?）液壓啟閉機中液壓缸的設計_趙瑞花</p><p>　　該論文主要針對啟閉機的核心部件液壓缸的設計。液壓缸主要由缸體、端蓋、活塞、活塞桿、緩沖及密封裝置等組成，因此，本文即從以上等零件的設計展開，結(jié)合各啟閉機液壓缸的工作條件，對啟閉機液壓缸各組成部分的作用進行了分析及對主要尺寸進行了精確的分析計算。</p><p>　　（5）液壓缸結(jié)構(gòu)設計及通用程序_王

12、雨露</p><p>　　該論文針對目前啟閉機液壓缸常常過早破壞的問題，分析了其主要原因（①工程設計使用的液壓缸設計方法不理想，大都是根據(jù)設計者的直觀經(jīng)驗及簡單的力學經(jīng)驗公式，人為假一些幾何參數(shù)，以校核通過為準，故很難保證質(zhì)量。②液壓缸常規(guī)設計中的校核分析公式計算誤大無法計算法蘭及缸底過渡區(qū)的應力場，而癱是這兩個部位應力最高，是破壞的主要發(fā)生部位）。并且，將傳統(tǒng)設計方法與優(yōu)化設計理論相結(jié)合，提出了一種工程實用的液

13、壓缸結(jié)構(gòu)設計方法及程序，使得計算簡便準確，適合于一般法蘭和缸底支承液壓缸的結(jié)構(gòu)設計。</p><p>　?。?）液壓缸結(jié)構(gòu)設計及運行特性分析_劉曉明</p><p>　　該論文結(jié)合了液壓缸的靜態(tài)結(jié)構(gòu)設計和動態(tài)運行特性，包括液壓缸參數(shù)計算、液壓缸強度校核、液壓缸緩沖裝置、建立液壓缸活塞運動數(shù)學模型和液壓缸速度特性曲線。</p><p>　　（7）液壓缸穩(wěn)定性計算公式算

14、法探討_李維嘉</p><p>　　該論文主要在探討液壓缸穩(wěn)定性計算公式算法。因為設計過程中，尤其是對于行程較大的液壓缸的設計，穩(wěn)定性校核是一項很重要的內(nèi)容。當液壓缸承受的負載力超過穩(wěn)定臨界力時，即喪失穩(wěn)定。本文討論了液壓缸設計過擇中常用的穩(wěn)定性計算的兩個公式，給出了一種簡便、有效的迭代算法，從而避免了傳統(tǒng)的查圖表的繁瑣工作。</p><p>　　（8）液壓缸設計中的幾個主要問題的簡述_閆

15、寶芳</p><p>　　該論簡要文闡述了液壓缸設計中的幾個主要問題，即設計步驟及參數(shù)的確定和主要零部件的設計和參數(shù)的選取。</p><p>　?。?）液壓缸復合型緩沖結(jié)構(gòu)及緩沖過程的分析_武曉鳳</p><p>　　該論文討論了液壓缸設計中的一個重要問題，即緩沖。介紹了多種緩沖裝置并且解釋了其工作原理，分析各種裝置的特點及其應用場合。</p><

16、;p>　　（10）液壓缸間隙密封流場仿真分析_鄢勇</p><p>　　該論文討論了液壓缸設計中的一個重要問題，即密封。介紹了多種密封裝置并且解釋了其工作原理，分析各種裝置的特點及其應用場合。</p><p>　　（11）三峽水利樞紐中的液壓啟閉機_董必欽</p><p>　　該論文主要討論的是：①液壓啟閉機在三峽水利樞紐中的地位與需求 ②液壓啟閉機國內(nèi)外、外

17、技術(shù)發(fā)展概況 ③三峽液壓啟閉設備的關(guān)鍵技術(shù)。文章對液壓啟閉機在水利工程應用中的地位、發(fā)展狀況及關(guān)鍵技術(shù)做了簡要的闡述。</p><p>　　通過大量閱讀國內(nèi)外外關(guān)于液壓啟閉機的文獻和參考相關(guān)書籍，對液壓啟閉機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有了一定的了解。每篇文章都是對液壓缸設計中的某個方面問題進行了深入的分析研究，包括液壓缸各組成部分的結(jié)構(gòu)設計、尺寸計算、強度和其穩(wěn)定性校核及其校核公式探討等各個方面。</p&g

18、t;<p>　　3.2 國內(nèi)外液壓缸研究現(xiàn)狀</p><p>　　液壓傳動相比機械、電氣傳動具有許多優(yōu)越性，液壓傳動容易獲得大的力或力矩；輸出相同功率，電動機的慣量要比液壓馬達大50倍；獲得相同加速度，電動機所需起動功率要比液壓馬達高出25%；液壓馬達所占空間是電動機的1/2，而重量卻是它的1/10；液壓傳動設備具有體積小重量輕的特點；易于實現(xiàn)無級調(diào)速和過載保護、傳動平穩(wěn)、噪音低、自潤滑性能好、磨損

19、小、只要定期查驗與保持系統(tǒng)清潔度，就可長期穩(wěn)定運行。因此液壓傳動有取代機械傳動的趨勢，在三峽水利樞紐工程中廣泛采用了不同規(guī)格的液壓啟閉設備。</p><p>　　液壓杠是液壓機器最早采用的液壓元件之一，表面看來似乎沒有什么變化，實際上已有很大的發(fā)展。這不僅表現(xiàn)在液壓缸結(jié)構(gòu)的改進、工作范圍的擴大、品種規(guī)格的增多和工作性能的提高，而且還表現(xiàn)在對液壓缸的研究正在逐步深化，設計、計算的理論正在逐步完善。</p>

20、;<p>　　從國內(nèi)外的技術(shù)資料和專利中可以看出，各種結(jié)構(gòu)新穎的液壓缸不斷出現(xiàn)，其共同特點是液壓缸結(jié)構(gòu)復合化。例如以液壓缸為主體，將電機、泵、閥和其它元件組裝為一體，構(gòu)成獨立的液壓部件；將氣缸和液壓缸裝在一起，使用氣體動力推動液壓缸工作；將擺動液壓缸和推力液壓缸組裝在一起，實現(xiàn)多自由度的動作要求；將若干不同行程的液壓缸串聯(lián)起來，經(jīng)過不同的動作組合，進行各種不同長度的點位控制；將液壓缸分成三個工作油腔，利用差動工作原理，實現(xiàn)

21、六種不同速度的運動；將步進電機和帶有反饋機構(gòu)的滑閥與液壓缸裝配成電液步進液壓缸，用于數(shù)字程序控制的機床和其它機械設備等等，這樣不僅緊湊了機械設備的結(jié)構(gòu)，而且使用方便。除此以外，還出現(xiàn)了不少特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸，如鋼索缸，它用包覆尼龍外皮的鋼絲繩代替活塞桿傳遞動力，能借助洽輪任意改變動力的傳遞方向；缸筒能卷曲的液壓缸，能減少工作時所占用的空間；帶有自鎖裝置的液壓缸，能防止在停止運動時外力作用而發(fā)生竄動等等。 </p>

22、<p>　　另外，近年來國內(nèi)外發(fā)表的不少論文中，研究了液壓缸的穩(wěn)定性、強度和局部應力以及液壓缸的壽命等問題，研究了液壓缸的運動特性和緩沖理論。由于電子計算機應用，用有限元法計算液壓缸的強度，以重量及成本為目標函數(shù)的優(yōu)化設計也日益增多。但是，與機械傳動零件相比較，液壓缸的結(jié)構(gòu)和強度設計理論還處于較低級的階段。例如對齒輪的研究就相當深，很多看來是非常細小的問題都有專文論述，并形成較成熟的計算方法。然而，在液壓缸的設計工作中，常用的

23、某些基本公式目前尚不盡合理，只能用來作粗略的計算。有時則采用保守的計算方法，或選取較大的安全系數(shù)，以彌補計算中的某些不足。例如在校核液壓缸穩(wěn)定性時，將液壓缸看作為等截面整體桿而直接引用歐拉公式進行計算，其結(jié)果比較保守，’致使材料消耗、體積、重量都有所增加。另一方面，由于對液壓缸復的受力情況估計不足，選取的安全系數(shù)雖較大，但仍難免會出現(xiàn)不安全的情況。因而，今后有必要進行大最的實驗研究工作，進一步完獸液壓缸的設計理論。</p>

24、<p>　　80年代初，德國力士樂公司開發(fā)了 cERAMAx (謝拉赫斯)油缸，此產(chǎn)品具有較好的耐腐蝕和耐磨損性能，使用壽命長。這是一種將cIMs(行程測量系統(tǒng))與陶瓷保護層結(jié)合在一起的新型產(chǎn)品，累積同步精度為士1mm。據(jù)該公司介紹可提供19種規(guī)格的水工機械專用油缸?；钊麠U的最大行程可達24m，缸體內(nèi)徑從小125mm到小1000mm，活塞桿外徑從中90mm到小720mm。國外的技術(shù)資料可以看出，液壓缸在以下方面取得了很大的進

25、步：</p><p><b>　　①在防護技術(shù)方面</b></p><p>　　活塞桿表面采用陶瓷保護層。過去在美國，活塞桿的制造都是較廣泛地采用抗腐蝕金屬、表層不銹鋼殼、鎳鉻鍍層等來制造。80年代初，德國力士樂公司成功研制了特制陶瓷保護層，它具有較高的硬度和足夠的彈性和良好的耐腐蝕、耐磨損特性，它的耐沖擊能力強，抗彎強度高，承載能力強，使用壽命長，其性能價格比優(yōu)于鎳

26、鉻鍍層。</p><p><b>　?、谠跍y控技術(shù)方面。</b></p><p>　　為了保證液壓啟閉機的正常運行，需對液壓缸位移和速度測量。根據(jù)視用戶的要求和啟閉機的工況，國外廠商研制出不同技術(shù)途徑來滿足。例如:德國Ba11naff公司曾在液壓缸內(nèi)腔中安裝超聲波傳感器，來進行在線測量；我國在液壓缸行程測量中，常用的是自整角機系統(tǒng)，或一套差動變壓器安裝在液壓缸內(nèi)。這些

27、裝置受環(huán)境影響大，精度較低，可靠性也較差。如今，水利工程所用的液壓啟閉設備，主要工作機構(gòu)是大直徑、大行程的液壓缸。對行程顯示和速度控制都有要求，為此必須設計出相應的位移和速度測量顯示裝置，以滿足各類啟閉機對閘門的各種啟閉特性要求。</p><p><b>　?、墼谝簤合到y(tǒng)方面</b></p><p>　　從國內(nèi)外水工程采用的液壓啟閉機的技術(shù)特點來看，液壓系統(tǒng)設計較以前

28、有較大進步。液壓泵與缸之間的連接大都采用不銹鋼材質(zhì)材料焊接而成；在油箱的設計方面，非常注意液壓系統(tǒng)的清潔；油監(jiān)視預警裝置，可及時顯示出事故，提高系統(tǒng)運行安全；液壓泵大都是采用伺服變量泵或比例變量泵；通過液壓缸的在線測量裝置測量行程速度等</p><p>　?、茉诎踩煽?，延長壽命方面</p><p>　　先啟閉機在安全運行方面，已有了很大的進步。無論處在何種工況和負載下，都能把液壓缸鎖緊，

29、以保證運行中不安全。在一般情況下，通常是在管路中安裝隔離閥或是與溢流閥所構(gòu)成的液壓系統(tǒng)回路來達到上述目的。</p><p>　　3.3 國內(nèi)外液壓缸發(fā)展趨勢</p><p>　　液壓缸發(fā)展的主要趨勢有以下幾個方面：</p><p>　　⑴高壓化。目前液壓缸的最大工作壓力已超過140MPa以上。高壓化是減小液壓缸徑向尺寸的有效方法。一臺工作壓力為70MPa的30噸壓力

30、機，能制造得象臺鉆一樣精巧。2000-3000噸液壓機若采用100MPa以上的超高壓液壓缸，則比普通高壓液壓機可減輕1/2~2/3的重量。 ⑵液壓缸工作性能地提高。目前超高性能液壓缸在極低的速度下能穩(wěn)定地工作，高速性能已超過1500mm/s。工作溫度的范圍擴大到-60～+200℃。壽命最長的液壓缸要求運行6000km以上不發(fā)生任何事故或零件損壞。為了改善液壓缸的工作特性，避免行程終端的換向沖擊，對級沖裝置進行了研究。近幾年，國外

31、很多廠家已采用了勻減速平穩(wěn)制動的緩沖結(jié)構(gòu)，如拋物線環(huán)晾節(jié)流、階梯環(huán)隙節(jié)流、笛孔節(jié)流緩沖裝置等。 ⑶節(jié)約能源。能源危機的出現(xiàn)，迫使工業(yè)界不得不重視能源消耗問題，這對液壓機械不可避免地將產(chǎn)生深刻的影響。因為液壓機械不僅需要動力，而且需要液壓油作為傳遞動力的工作介質(zhì)，因而如何提高效率、節(jié)省能源，也是液壓缸研究中的重要課題之一。此外，對避免污染、減少噪聲、降低成本以及提高可靠性等方面，也正在進行大量的研究。</p><

32、p><b>　　4 主要內(nèi)容</b></p><p><b>　　4.1 設計任務</b></p><p>　　⑴結(jié)合液壓啟閉機使用工況和設計參數(shù)，選擇恰當?shù)囊簤焊最愋停?lt;/p><p>　?、茝挠筛左w、端蓋、活塞、活塞桿等零件入手，確定缸筒與端蓋的連接形式、活塞與活塞桿的連接形式，重點分析密封、緩沖和排氣裝置；&l

33、t;/p><p>　?、且簤焊赘鹘M成部分設計完成后，完成總體結(jié)構(gòu)設計，繪制裝配圖；</p><p>　?、冗x材并計算主要尺寸，最后校核。</p><p><b>　　4.2 設計思路</b></p><p>　?、琶鞔_液壓啟閉機工作原理；</p><p>　?、泼鞔_設計要求和設計參數(shù)，簡單布置啟閉機液

34、壓缸工作形式，選擇液壓缸類型；</p><p>　?、菑挠筛左w、端蓋、活塞、活塞桿等零件入手，確定缸筒與端蓋的連接形式、活塞與活塞桿的連接形式，重點設計密封、緩沖和排氣裝置，完成裝配圖；</p><p>　?、冗x材，計算，最后校核。</p><p><b>　　4.3 設計特點</b></p><p>　　設計內(nèi)容全面，

35、從零件的選材和技術(shù)要求，到液壓缸各組成部分結(jié)構(gòu)設計，再到整個裝配圖，并且進行了嚴格的技術(shù)和強度校核。</p><p>　　中液壓缸各組成部分裝置的設計中，對多種結(jié)構(gòu)進行了特性分析和比較，然后在根據(jù)工況、設計要求和使用場合，最終確定其結(jié)構(gòu)。每一個結(jié)構(gòu)確定都進行了嚴密地分析，都有確鑿的依據(jù)。</p><p>　　所設計的結(jié)構(gòu)力求簡單，并且承受的載荷盡量大。</p><p&g

36、t;　　5 設計成果的應用價值</p><p>　　近年來，隨著國外液壓技術(shù)的飛速發(fā)展，在大型水電工程中，各類閘門的啟閉已逐步由液壓傳動替代了機械驅(qū)動，在三峽水利樞紐工程中也不例外。該工程中選用的液壓啟閉機具有規(guī)格大、數(shù)量多、技術(shù)水平高、制造難度大等特點，這些啟閉機安裝在本樞紐工程泄洪、發(fā)電、通航等關(guān)鍵部位，它們運行的安全可靠性和穩(wěn)定性將影響三峽工程總體效益的發(fā)揮。液壓啟閉機在三峽水利樞紐中的地位與需求三峽工程是

37、一項具有防洪、發(fā)電、航運等巨大綜合效益的水利樞紐工程，因此，其工程質(zhì)量和運行的安全可靠性是至關(guān)重要的。而液壓啟閉機在完成上述任務中處于極端重要的地位，起著決定性的作用。這些液壓啟閉機的可靠運行是確保長江航運通暢的關(guān)鍵之一。</p><p>　　在垂直式升船機中，上、下閘首處的臥倒門采用液壓啟閉機。船廂的防撞設施、安全鎖定裝置，鋼絲繩平衡系統(tǒng)也采用了液壓傳動。</p><p>　　因此，大型

38、啟閉機液壓缸由很重大的應用價值。</p><p>　　6 工作的主要階段、進度</p><p>　　7 最終目標及完成時間</p><p>　　完成啟閉機液壓缸各組成部分的結(jié)構(gòu)設計，繪制液壓缸總體結(jié)構(gòu)設計圖，進行主要尺寸計算，確定主要零件的材料選取及技術(shù)要求，進行強度和穩(wěn)定性校核。達到設計出結(jié)構(gòu)合理，安全適用，滿足大規(guī)模、重載荷應用場合的大型啟閉機液壓缸的目標。&l

39、t;/p><p>　　完成時間：2014,06,01</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　郭應龍, 陶亦壽. 三峽船閘人字門啟閉機液壓缸的撓度與縱壓穩(wěn)定性計算[J]. 水利電力機械, 1996,(5): 7-10。</p><p>　　郭應龍, 陶亦壽. 三峽船閘人字門啟閉機液壓缸撓曲與穩(wěn)定性試

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