机电液综合设计课程设计

本科课程设计（论文）

题目 机电液综合设计与实验

学 院 机械工程学院 年 级 专 业 机械工程及自动化 班 级 号 学生姓名 XX 指导教师 XX XX

论文提交日期

目录

1 任 务 书.............................................................................................................................................................4 1．1实验目的： ..........................................................................................................................................4 1．2实验任务................................................................................................................................................4 1.2.1机械动作要求 ................................................................................................................................4 1.2.2设计参数 ...........................................................................................................................................4 1.2.3设计内容 ...........................................................................................................................................4 2 液压传动系统的设计 .................................................................................................................................5 2.1 液压传动系统的设计 ........................................................................................................................5 2.2计算和选择液压辅助元件 ..............................................................................................................6 2.3 确定液压泵的规格和电动机功率..............................................................................................6 2.4 确定其它元件及辅件 ........................................................................................................................7 1.确定阀类元件及辅件 ........................................................................................................................7 2.确定油管内径 ........................................................................................................................................7 2.5电气控制系统设计 ..............................................................................................................................8 2.6 选用液压元件 ........................................................................................................................................9 3 缸的设计计算 ...............................................................................................................................................10 3.1 液压缸结构的选择............................................................................................................................10 3.1.1缸筒与缸盖的连接形式：....................................................................................................10 3.1.2油口....................................................................................................................................................10 3.2 液压缸主要零件的材料 .................................................................................................................11 3.3 液压缸的内径D和活塞杆直径D的计算 ..........................................................................11 3.4验算最小稳定速度 ............................................................................................................................12 3.5液压缸壁厚的计算 ............................................................................................................................13 3.6 校核D .......................................................................................................................................................13 3.7 缸盖固定螺栓d3的计算 ...............................................................................................................14 3.8缸体与缸盖采用螺纹连接时的计算 .......................................................................................14

3.9 活塞与活塞杆采用螺纹连接时的计算 .................................................................................15 4 液压传动系统与电气控制系统的安装与调试 .......................................................................16 4.1基本工作过程：..................................................................................................................................16 4.2 液压传动系统与电气控制系统调试过程中的注意事项 ...........................................16 4.3 实验小结 .................................................................................................................................................17 5 心得体会..........................................................................................................................................................19 参考文献...................................................................................................................... 22

1 任 务 书

1．1实验目的：

1. 熟悉、了解本实验台的组成

2. 掌握常见典型液压回路的设计、安装及调试

3. 掌握继电器控制电路的设计；电气控制回路的设计、安装及调试 4. 培养学生综合运用机械、液压、电气等知识及设计、安装调试等综合技能

1．2实验任务 1.2.1机械动作要求

快进200

图1.1 机械动作要求图

1.2.2设计参数

工作是最大负载F=18000N;液压缸工作压力为P1=3Mpa;快进、快退速度V快=5m/min;工进速度V=0.8m/min;油缸内径与活塞杆直径比d/D=0.75;回油腔背压P2=0.5Mpa;油路压力损失∑ΔP=0.3Mpa;Qmin=0.2L/min。

1.2.3设计内容

（1）按规定机械动作要求，设计液压传动系统原理图，设计电器控制系统；

（2）液压元件的选择； （3）电气元件的选择； （4）液压缸的设计；

（5）绘制液压缸总图和绘制端盖零件图；

（6）液压传动装置的安装及电气控制系统的连接；

（7）调试；

2 液压传动系统的设计

2.1 液压传动系统的设计

液压系统图如图2.1所示

图2.1 液压传动系统图

2.2计算和选择液压辅助元件

1. 计算液压泵的最大工作压力

液压缸在工进时工作压力最大，最大工作压力为p1=3MPa，如在调速阀进口节流调速回路中，选取进油路上的总压力损失∑∆p=0.3Mpa，则小流量泵的最高工作压力估算为:

pp≥p+∑∆p+∆p

1

1e

=(3Mpa+0.3Mpa)=3.3Mpa

（2.1）

2． 计算液压泵的流量

油源向液压缸输入的最大流量为：

q=0.25⨯π⨯80⨯80⨯5⨯1000=25.12L/min

所以泵的流量 ：

qv≥q

共进时的流量为:

q

g

=0.25⨯π⨯80⨯80⨯0.8⨯1000=4.02L/min

2.3 确定液压泵的规格和电动机功率

据以上压力和流量数值查阅产品样本，并考虑液压泵存在容积损失，最后确定选取CB-C外齿合单级齿轮泵。泵的排量为32mL/r，当液压泵的转速

np=940r/min时，其理论流量分别为31L/min，若取液压泵容积效率ηv=0.9，则液压泵的实际输出流量为: q=30L/min×0.9=27L/min

由于液压缸在快进时输入功率最大，若取液压泵总效率ηp=0.8，这时液压泵的驱动电动机功率为

P≥

pq

p

p

=

3.3⨯⨯25.12⨯60⨯0.8⨯10

3

6-3

Kw=1.727Kw

p

（2.2）

根据此数值查阅产品样本，选用规格相近的Y90L—2型电动机，其额定功率为2.2KW，额定转速为2840r/min。

2.4 确定其它元件及辅件 1.确定阀类元件及辅件

根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，阅产品样本，选出的阀类元件和辅件规格如表2.3所示：

表2.3 所选阀类元件规格

2.确定油管内径

可知允许流速推荐值如表2-4所示

表2-4 允许流速推荐值

根据所给数据，以及上述计算结果

有管内径为：

d=

=

10

-3

mm=16.3mm

（2.3）

根据内径尺寸系列，选取内径为20mm的软管

2.5电气控制系统设计

图2.2 电气控制系统图 电气控制系统工作过程为：

快进 ：按下SB2,启动液压泵，按下SB3使2DT和1DT得电，执行快进。 工进：碰到行程开关YA4，使1DT失电，2DT仍得电，执行工进。 快退：碰到行程开关YA8，使3DT和1DT得电，2DT失电，执行快退。 强退：按下SB4，使3DT和1DT得电，2DT失电，执行强退。

2.6 选用液压元件

根据图2.1、图2.2液压传动系统图如表2.1所示

表2.1 液压元件图

根据动作要求和提供的元件，设计液压传动系统，其工作情况由表2.2所示：

表2.2 液压系统工作表

3 缸的设计计算

3.1 液压缸结构的选择 3.1.1缸筒与缸盖的连接形式：

1．前缸盖与缸筒采用法兰连接

缸筒端部设计有法兰，用螺栓将其与端盖连接起来。法兰连接结构简单，加工和装拆都很方便，只是外形尺寸和重量都较大。法兰与缸筒采用螺纹连接，装拆方便，且缸筒可以使用45钢无缝钢管，满足了经济要求。 2.后缸盖与缸筒采用外螺纹连接

这种方式装拆方便，但需要专用工具。它使缸筒端部结构复杂化，螺纹要与缸筒的内径同心。螺纹对缸筒壁厚尺寸要求不大，很适合无缝钢管做缸筒的液压缸。密封槽一般都设置在缸筒端面或端盖上，以免削弱缸筒强度。为了防止螺纹因冲击震动而松动，往往增加锁紧螺母或紧定螺钉。

3.1.2油口

油口有油口孔和油口连接螺纹。油口孔是压力油进出的直接通道，如果孔小了，不仅造成进油时流量供不应求，影响液压缸的活塞运动速度，而且会造成回油时受阻，形成背压，影响活塞的退回速度，减少液压缸的负载能力。

油口孔大多数属于薄壁孔（孔的长度与直径之比l/d≥0.5的孔）。通过薄壁空的流量按下式计算

Q=CA

2p

(p1-p2)=CA

2p∆p

式中 C——流量系数，接头处大孔与小孔之比大于7时为0.6—0.62，小于7

时为0.7—0.8。

A——油孔的截面积 ρ——液体的密度

p1——油孔前腔压力 p2——油孔后腔压力

从式中可见，C、ρ是常量，对流量影响最大的因素是油孔的面积A。根据此式，可以求出孔的直径大小，以满足流量的需要，从而保证液压缸的正常工作运动速度。

3.2 液压缸主要零件的材料

1.缸体 无缝钢管 45钢

无缝钢管作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期短，适于大批

量生产，标准液压缸大部分都采用无缝钢管，一般常用调质的45号钢。

2.活塞 铸铁HT200

活塞常用材料灰铸铁，耐磨铸铁、35及40钢和铝合金等。缸径较小的整体

式活塞用35、45钢，其他多用灰铸铁。

3.活塞杆 45钢

活塞杆常使用35、45钢等材料。对于冲击震动很大的活塞杆，也可以使用

55钢。一般实心的活塞杆用35、45钢。

4.前缸盖 45钢

缸盖常用35、45钢的锻件或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。

5.后缸盖 45钢

缸盖常用35、45钢的锻件或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料。起导向作

用时则用铸铁

3.3 液压缸的内径D和活塞杆直径d的计算

F

pA=pA+F (3.1) 1122

式中：P1------液压缸工作压力（Mpa）

P2---------回油腔背压(Mpa)

A1--------无杆腔面积(mm^2)

A2--------有杆腔面积(mm^2)

F----------最大负载（N） A=1π42 （3.2） π42=A-A 21 （3.3）

式中：D----------液压缸的内径

d-----------活塞杆的直径

所给的设计参数为：最大负载F=18000N;工作压力为P1=3Mpa; d/D=0.75;

回油腔背压P2=0.5Mpa 。依据式(3.1) 、（3.2）、（3.3）可计算出内径D和活塞杆直径d.

计算结果为：

D=93mm d=65mm

根据GB/T2348-1993,液压缸内径尺寸系列和液压缸活塞杆外径尺寸对D和d

进行圆整，取D=100mm d=70mm.

3.4验算最小稳定速度

要保证液压缸平稳运行，液压缸工作面积A必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin，即A>Amin Amin=QminVmin （3—4）

7850

经验算满足要求。

3.5液压缸壁厚的计算

δ≥PyD /2[σ] (3.4)

式中：δ ----------液压缸缸筒厚度（mm）；

Py------------实验压力（Mpa）,工作压力P≤16Mpa时，Py=1.5P；

工作压力P≥16Mpa时，Py=1.25P；

[σ]--------缸体材料的许用应力（Mpa）

[σ]= σ/n；

σ--------缸体材料的抗拉强度（Mpa）；

n--------安全系数，n=3.5～5，一般n取5。

根据我们设计的液压回路的机械的动作要求及工作压力等要求，选用45钢，

其抗拉强度为500～550Mpa，根据式1.4求得：

δ≥ 1.8mm

根据钢管外径尺寸系列，选取其外径为121mm，其厚度也就为

10.5mm>1.8mm,满足要求。

3.6 校核d

d≥ [σ]= σ/1.4=357Mpa

式中：F-------- 最大负载（N）。

据式（3.5）计算得d≥8mm

上述计算得d=70mm>8mm,所以满足要求。

3.7 缸盖固定螺栓d3的计算 d3≥

式中：F-------液压缸负载； 5.2KFπZσ (3.6)

K-------螺纹拧紧系数，K=1.12~1.5；

Z-------固定螺栓个数；

[σ]----螺栓许用应力，[σ]= σ3/(1.22~2.5), σ3为材料的屈服点为355Mpa。

其中负载为18000N，拧紧系数取1.5，螺栓个数取六个，根据式1.6计算得： d3≥6.5mm,选取M8的螺栓。

3.8缸体与缸盖采用螺纹连接时的计算 缸体螺纹处的拉应力：

σ=

螺纹处的切应力为:

τ=KF4(d1-D)22 (3.7)

KF0.2(d-D) （3.8） 13031σn=2+3⨯τ∙x2 (3.9) 式中：σ-------螺纹处的拉应力（pa）；

K-------螺纹拧紧系数，静载荷时，取K=1.25~1.5；动载荷时，

K=2.5～4,(取K=3)；

K1-------螺纹内摩擦系数，（取K1=0.12）；

d0-------螺纹外径m （d0=121mm）；

d1-------螺纹内径m (d1=120mm)；

D-------液压缸内径m (D=100mm)；

τ -------螺纹外的切应力pa；

[σ]----螺纹材料的许用应力pa

[σ]=σs/n；

σs-------螺纹材料的屈服点pa （σs=355Mpa）；

n-------安全系数 （n=2）；

σn-----合成应力（pa）；

F-------缸体螺纹处所受到的拉力（N）。

将各参数带入式3.7、3.8、1.9得：

σ =15.63Mpa τ =5.39Mpa σn =18.2Mpa [σ]=175Mpa

所以σn =18.2Mpa

3.9 活塞与活塞杆采用螺纹连接时的计算

螺纹连接：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。

活塞杆危险截面处的拉应力： σ=KF1

π

4 （3.10） d1^2

切应力为： τ=

合应力为：

K1KF1d00.2d13 （3.11）

σn= ≤ [σ] （3.12）

式中：F1-------液压缸输出压力 ππ22262=(-)∙p=∙(-)∙3⨯=12016.6Nd0.10.0710FD144 式中：d-------活塞杆直径；

[σ]----活塞杆材料的许用应力 ；

[σ]=σs

n=355

2=175Mpa

将各参数带入式2.0、2.1、2.2得：

σ=3.19Mpa τ=1.51Mpa σn=4.13Mpa

所以σn=4.13Mpa≤[σ]=175Mpa,其螺纹联接满足要求。

4 液压传动系统与电气控制系统的安装与调试

根据图2.1、2.2进行液压传动系统与电气控制系统的安装，并可知其基本过程如下：

4.1基本工作过程：

快进 ：按下SB2,启动液压泵，按下SB3使2DT和1DT得电，执行快进。 工进：碰到行程开关YA4，使1DT失电，2DT仍得电，执行工进。

快退：碰到行程开关YA8，使3DT和1DT得电，2DT失电，执行快退。 强退：按下SB4，使3DT和1DT得电，2DT失电，执行强退。

按图2.1连接系统油路，连接时需注意调速阀的P1口和P 2口的连接。按图

2.2连接电气控制线路，连接时注意控制电路接的是220V,从火线引出一根线，最后回到的是零线。接信号指示灯时，应与其并联而不是串联，否则电路将出现问题。

4.2 液压传动系统与电气控制系统调试过程中的注意事项

1．由于实验准备不够充分，没有到实验场地进行观察和分析，导致所设计初步油路与实验设备冲突，安装过程中没有认真思考实验室所具有的设备的名称及功用，为了达到最佳的快进、工进以及快退的效果，采用了差动连接进行实现，而导致液压传动系统安装完成后进行调试时，油液喷出。

2.在安装液压系统回路时，为了防止油液从油管接口处泄露，在油管接口处

安装了多个垫圈，而因此带来的问题则是油管接不上。

3.实验室中，机电液综合实验台上共有8个传感器，在我们的实验中只需用到3个即可，此次实验，我们采用了传感器1、4、8，在液压系统回路安装完成后，发现液压缸无法快退，原因是活塞杆与传感器未接触，解决的方法是将传感器尽量靠近活塞杆，使其接触。

4.在安装液压系统回路时，未分清两位三通阀的进出口，导致调试时有大量油液泄露。

5.由于实验设备过于老化的原因，即使是所有油路及电路安装正确，也有漏油的现象。

6.在部分电气系统回路安装完成进行调试时，发现电动机转动，但是没有压油，经分析可知，产生此现象的原因是由于电动机反转，此时只需要将U、V、W三根线中的任意两项互换，使电动机正转。

7.为了方便调试电路时判断电路的接通与否，通过将各线圈与灯并联，从而可以通过灯是否亮来判断电路是否接通。

4.3 实验小结

通过对液压传动系统及电气控制系统的设计，以及安装和调试等一系列的工作，我从中学到了很多。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，液压系统回路的设计、安装及调试，是对本学期所学内容的巩固，我们实验中所设计的回路虽然是我们在平时学习中遇到的算是比较简单的回路，而难就难在我们必须自己去考虑它的可行性，必须亲自在现场进行液压回路的安装与调试，这也就要求我们要充分考虑各个方面的问题，比如说，实验室中现有的实验设备，漏油时该如何处理等。而这些都不是通过看看就能够学得到的，我们必须亲自去接回路，通过自己动手实践才能真正理解液压系统所能实现的功用。对于电气控制回路，是我们在大二以及大三上学期学的《电工电子学》及《PLC与电气控制》中就已经接触到的知识，同样对于这样的电路我们已经不陌生了，而此次我们将电气控制回路与液压系统回路结合到一起，这就必须考虑液压如何与电气回路连接起来的问题，同时，我们也必须注意电气控制回路连接的正确与否将直接影响到液压控

制系统是否能正常工作，及是否能够实现题目所要求的机械动作要求。

这次实验需要我们充分掌握液压的基本知识，如：阀的功用，换向阀的进出油口的判断等，液压基本回路的基本知识，电气控制系统方面的知识等。通过这个实验，也可以看出我们平时所学知识在实际中的应用，也就要求我们在平时学习过程中能够结合实际，认真学好专业课。

5 心得体会

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

此次课程设计，我们也遇到很多的问题，虽然都不是很难的，也不是很棘手，却也是花费了很大的功夫。各个零件的标准与非标准的问题，加工螺纹时哪边应该设置退刀槽等，虽然都是《机械制图》中学到的，但还是有一些小问题使大家产生了分歧，比如说，孔与孔相贯时，剖开后是否有相贯线等，最后还是将《机械制图》书拿出来，才得出最终结论。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

通过这次机电液综合设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次液压缸的设计工作和液压系统及电气控制系统的安装与调试从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了《液压与气压传动》、《PLC与电气控制》等课程所学的内容，掌握液压缸设计的基本方法和步骤，掌握液压系统设计中的基本的元件和基本回路，也通过多次的课程设计懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了液压缸的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程如《机械制图》、《工程材料》、《互换性与测量基础》等都有了全面的复习，独立思考与团结协作的能力都有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，从开始看到任务书的无从下手到对题目的注意分解，在老师的指导下，对设计过程有了初步的了解，从而我也学会了分析问题的能力。

在这段日子里，学到了很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。

通过课程设计，使我深深地体会到，干任何事都必须耐心、细致。课程设计过程中，许多计算有事不免令我感到有些心烦意乱，记得又一次取数取错了，到最后才知道不行，只好毫不犹豫的重来。但以想起老师平时对我们的耐心教导，想到以后自己应当承担的社会责任，一定要养成一种高度负责、一丝不苟的良好习惯。这次课程设计使我在工作风度上得到了一次难得的磨练，

短短的两周的课程设计，使我学会了运用标准、规范、手册、图册和查阅科技文献资料以及计算机应用等，培养机械设计的基本技能和获取有关信息的能力。但我还是发现自己所掌握的知识是真的如此的贫乏，自己综合应用所学专业

知识的能力是如此的不足。

此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

参考文献

[1] 李笑 吴冉泉主编，《液压与气压传动》，国防工业出版社，2006

[2] 杨培元 朱福元主编，《液压系统设计简明手册》，机械工业出版社，1998

[3] 雷天觉主编，《新编液压工程手册》，机械工业出版社，1998

[4] 张利平主编，《液压与气压传动设计手册》，机械工业出版社，1997

[5] 杨尔庄.二十一世纪液压技术现状及发展趋势[J].液压与气动,1, 6:1 ［6］吴宗泽主编，《机械零件设计手册》，机械工业出版社，2003