液压千斤顶设计

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1、液压千斤顶设计目录1. 引言 2选题的依据及课题的意 义2国 内 外 的 研 究 概况3单片机控制系统的发展概况4 PID控制算法的发展概况5设计要求及工作内容6目标、主要特色及工作进度 72机械结构与液压传动系统设计7系 统 结 构 分 析7千斤顶零部件分析9油缸与螺纹的校验12油 缸 的 壁 厚 校验12锁母螺纹牙剪切强度校13锁母螺纹牙的弯曲强度校验14液 压 系 统 分析14液压泵16与电动机的选择15超 高压泵站简介3单片机控制系统设计17单片机的选用及功能介绍17片外存储器功能简介18显示部分设计21 键盘部分设计25 交流异步电动机变频调速系统27交流异步电动机变频调速原 理28

2、主电路和逆变电路工作原 理 28变频与变压32位 移 检 测 部 分 的设计38位移检测传感器的选用38光栅位移传感器与单片机的接口设计40位移传感器部分的设计43A/D 转 换 器 的 选择43压力传感器与单片机的接口设计47-1 -4.系统的PID控制算法48PID控制原理48数字PID控制算法 50位置式PID控制算法50增量式PID控制算法51智 能 自 适 应 PID 控 制器525.系统模拟仿真 58SIMULINK的窗口和菜单58SIMUINK创 建 模6160 用 SIMULINK 进行系统仿真与分析建 立 控 制61系统模块参数设置与仿真参数62 系统仿真与6.结论7致谢64

3、错误！未定义书签。错误！未定义书签。8.变差。为了改善系统的性能，提高控制质量，通常在控制中引入比例环节来提高系统的快速性；为了消除静态误 差，提高精度，加强系统对参数变化的适应能力，引入积分 (Integral)环节；为了提高系统对动态过程的预知能力，克 服惯性的影响，引入微分(Derivative)环节。这就是通常所 说的PID控制。按照偏差的比例、积分、微分进行控制是连续系统控制理论中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制技术。它结构 简单、参数易于调整、稳定性能好、可靠性高，使它在控制 理论和技术飞速发展的今天仍然具有强大的生命力，在长期 应用中已经积累了丰富的经验。特别是工业过程控制中，

4、在 决定系统参数的时候往往要借助现场调试和经验，在这种情 况下，PID控制就更显示它的威力。其应用经久不衰，应用 范围越来越广泛，改进方法也越来越多。二十世纪60年代 发展、成熟起来的现代控制理论和近几年发展的智能控制理 论仍在大量的PID控制的方法和思想。按照偏差的比例、积 分和微分进行控制是过程控制中应用最为广泛的一种控制 规律。实际运行经验和理论分析都充分证明，这种控制规律 在相当多的工业对象的控制中是可以得到较满意的控制效 果的，在计算机控制系统里首先采用的控制算式也是PID。设计要求及工作内容1. 单片机控制四个液压千斤顶以设定的速度同步顶升 大重量工件。要求四顶顶升时必须同步，顶升

5、速度和高度可 以人为设定。2. 设计具有位置检测功能的液压千斤顶。3.设计千斤 顶的液压回路。4设计单片机控制系统的电路。5设计相 关控制算法。-6 -6使用MATLAB进行仿真试验。目标、主要特色及工作进度目标：设计一个液压驱动，单片机控制，使用PID控制 算法的四顶同步顶升系统。特色：该系统具有位置检测和压力检测功能，可适用于 不规则工作表面的工件，并且体积小、承载适中、精度高、 结构简单、控制方便，具有很咼的实用价值和市场空间。2. 机械结构与液压传动系统设计四顶同步顶升系统千斤顶、超高压泵站、控制系统和操 作台四部分组成。我们所设计的四顶顶升系统的主要参数是每只千斤顶 高约1000mm

6、，最大行程为400mm，最大载荷为20t。因千斤 顶载荷较大，位置精度要求较高，故顶升速度不宜过大，最 大顶升速度应控制在60mm/min以内。千斤顶的动力系统有液压式、气电式、汽液两用式等， 考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了 技术比较成熟的液压系统。系统结构分析于千斤顶的外形尺寸较大，需承受的较大的冲击载荷， 所以初步拟定采用了法兰型液压缸的结构原型，并在此基础 上针对液压千斤顶的使用特性进行调整。为了适应复杂工作表面的工件，千斤顶的工作台与活塞 杆应采用转动连接副相连。当顶升系统工作时，液压千斤顶 工作台可随工件表面形状进行自转动调节，所以设计时将活塞杆顶部插入 球头，

7、与工作台形成转动副。如图所示。球头与活塞杆采用 紧固螺钉固定。为了能使顶升系统能够提供长时间而稳定的支撑力，采 用锁母来提供机械支撑，当活塞上升时，锁母随其同步上升, 到达预定位置后，活塞停止上升，再将锁母旋到螺纹底部， 这时通过千斤顶箱体对锁母的支撑使得工作台所受载荷全 部转变为锁母和活塞杆之间的梯形螺纹所受到的切应力。这 样即使是在油压压力不足或掉电的情况下也能稳定的承载 重物。于光栅尺的尺寸较长，只能将活塞和活塞杆做成中空状 来放置光栅传感器。这样活塞与活塞杆之间就不宜采用螺母 紧固，为方便起见，我们将活塞和活塞杆合为一体，材料同 为45号钢。工作时发光元件与光敏元件随活塞作同步运动,

8、光栅尺下端固定在底盖上不动，光源与光栅尺的相对位移量 通过读数头转化为数字信号传递给单片机。图千斤顶的工作台与活塞之间的连接于千斤顶的行程较长，达400mm，当工作台旋转一个角 度去承载重物时容易产生较大的弯曲力矩使活塞杆折断。所 以有必要设计一个支撑套进行保护。支撑套与油缸壁之间采 用通孔螺钉紧固。图液压缸底盖的固定方式于光栅传感器放在千斤顶内部，考虑到其信号线的连接 问题，我们将油缸底盖与千斤顶底座之间留有一定空间。为 了方便装卸，不宜将底盖与油缸焊接。经过多方面的考虑， 比较了多种方案后，采用了如图所示的方法固定底盖。图中 千斤顶底座处转有4个螺纹孔，用4个型号为M32x85的六 角头螺

9、栓将底盖顶起至油缸卡槽处。螺杆长度比实际所需的 长35mm,可通过增加垫片的方法达到使4个螺栓平均分配 载荷的目的。底盖上套有密封圈，防止漏油。千斤顶底座与 油缸通过6个内六角螺钉紧固。在底座和油缸两侧各开一个 通孔用于连接光栅传感器和压力传感器的信号线。千斤顶零部件分析于顶升系统可能会在比较恶劣的条件下使用，而且在装 载和卸载重物时，可能会因操作不当而对千斤顶底座造成较 大冲击，导致整个系统遭到破坏。所以底座采用具有较高强 度和韧性的球墨铸铁QT600-9 -3。油缸是液压系统的主要零件，它与底座、底盖、油口、 导向套等零件构成密封的容器，用于容纳压力油液，同时还 是活塞的运动轨道。所以设计

10、油缸时，应该正确的确定各部 分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行 程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载 力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的公差等级、 表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动 平稳性和耐用性。对油缸材料的可选空间很大，对其进行筛选需要有足够 的耐心。对油缸的要求：1 要有足够的强度，能长期承受 最高工作压力及短期动态压力而不致产生永久变形；2要 有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用力而不 致产生弯曲；3内表面与活塞密封件及导向套的摩擦作用 下，能长期工作而磨损很少，尺寸公差等级和形位公差等级 足以保证活塞密封件的密封

11、性；4 最好还需要有良好的可 焊性，以防在需要焊接的时候不致产生裂纹或过大变形。最 后我们选定各方面性能良好的45号钢。油缸毛坯普遍采用 退火的冷拔或热轧无缝钢管，现在国内市场上已有内孔经珩 磨或内孔精加工的无缝钢管卖，只需按所要求的长度切割即 可。本次设计虽然活塞与活塞杆采用了一体式设计，采用相 同的材料，但对他们的工艺要求很不相同，所以分开来介绍。于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它 与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合 过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易 损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸 内部泄露，降低容积效率，使液压缸达

12、不到要求的设计性能。 活塞材料我们选用的是45号钢。活塞外径的配合一般采用 f9的公差等级，外径对内孔的同轴度公差不大于，端面与轴 线的垂直度公差不大于/100mm，外表面的圆-10 -度和圆柱度一般不大于外径公差之半，内孔的工作表面 粗糙度Ra值选用|J m。活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H8/f7的配合。太 紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损。 其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴径 与外圆的同轴度公差不大于，是为了保证活塞缸外圆与活塞 外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞 现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大 于/100mm

13、，以保证活塞安装不产生歪斜。活塞杆的外圆粗糙度Ra值取J m。太光滑了，表面无法 形成油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活 塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚，并进行抛光或磨削加 工。活塞杆导向套装在缸筒和支撑套的内侧，被限制在缸筒 和支撑套的卡槽之内，但不固定死。用以对活塞杆进行导向， 内装有密封装置以保证缸筒的密封。上方装有防尘圈，以防 止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。如图所示：图导向套的设计导向套的材料我们选用的是摩擦系数较小、耐磨性好的 青铜-11 -ZQSn-1。导向套外圆与缸筒内孔工作表面的配合多为 H8/f7,内孔与活塞杆外圆的配合也可采用

14、H8/f7。外圆与内 孔的同轴度公差不大于，圆度和圆柱度公差不大于直径公差 之半。本次设计中所有的密封装置都采用的是O型密封圈。O 型密封圈在往复运动过程中，除了自密封作用外，于压力的 作用和液体分子与金属表面相互作用的结果，又业中所含的 “极性分子”便在金属便表面形成一个坚固的边界层油膜， 且对轴产生很大的附着力。该油膜始终存在于密封件与往复 运动轴之间，从泄露的角度看，这是有害的，长时间的使用 后会造成油液的泄露；但它对运动密封面的再润滑却起到异 常重要的作用。所用材料是橡胶。符合的标准。千斤顶底座与油缸之间的连接、光栅尺密封层与活塞之 间的连接还有支撑套与油缸壁之间的连接件采用的都是沉

15、头内六角螺钉。符合GB70-85的标准。工作台与盖板之间的 连接和对油缸底盖的顶升都采用了六角头螺栓，并符合 GB5783-86 的标准。油缸与螺纹的校验油缸的壁厚校验油缸的额定压力Pn应低于一定极限：2o SDlD2PnW 2D1式中：Pn 额定工作压力；D1油缸外径，本次为175mm； D 油缸内径，本次为 147mm； o S 油缸材料屈服强度。油缸的材料为45号钢，查表可得o S=360MPa；此可知 上式右边二MPa-12 -液压缸最大工作载荷为20t,面积为pn2)wmax4wmax(n (D1D2)其中：Wmax为最大工作载荷，本 次为20XX00N。经校验，油缸壁所受压力在许可范围之内。锁母螺纹牙剪切强度校验螺纹牙的剪切应力：Ft 二Wt n dbu1)(式中：F为千斤顶的最大载荷，本次为20XX00N；d为公差直径；b为螺纹牙根部宽度；u为旋合圈数;T 为材料许用剪切应力锁母内螺纹的公差直径d设为160mm，查表可得 螺距P 为 16mm。