病理床液壓伺服系統(tǒng)設計-液壓系統(tǒng)含6張CAD圖

病理床液壓伺服系統(tǒng)設計-液壓系統(tǒng)含6張CAD圖,病理,液壓,伺服系統(tǒng),設計,系統(tǒng),cad 摘 要 隨著我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展和計算機的普及與提高，計算機控制技術(shù)越來越多地應用于各行各業(yè)中，傳統(tǒng)的醫(yī)療器械已經(jīng)不能滿足患者的需求了。在此推動下，醫(yī)療護理器械的開發(fā)勢頭迅猛，但由于各地經(jīng)濟發(fā)展的不平衡性以及諸多人為因素的影響，致使許多先進的醫(yī)護設備得不到應用，給患者帶來了許多不便。為了克服這種困難，研制一套功能齊全、造價低廉的護理器械尤為重要，在這種背景下，計算機控制多功能病理床應運而生了。 結(jié)合病人的需求，設計了一種能自動實現(xiàn)抬頭、屈腿、左右側(cè)翻以及同時實現(xiàn)抬頭和屈腿等功能的醫(yī)用多功能病理床?？紤]到該病理床要實現(xiàn)各項功能，特將床板分割成八個部分。驅(qū)動方式上采用液壓驅(qū)動方式，之所以選用液壓系統(tǒng)，是因為其運動速度平穩(wěn)，實用性強。每個動作實現(xiàn)都是由兩個液壓缸同時直接驅(qū)動，上升和下降則通過改變換向閥方向來實現(xiàn)。整個設計分為三步進行：首先設計出能實現(xiàn)動作要求的液壓系統(tǒng)原理圖，根據(jù)要求選擇各標準件；其次，進行液壓缸體的結(jié)構(gòu)設計及材料的選擇；最后，做液壓站的總體設計。 關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；液壓驅(qū)動；病理床 Abstract With the development of medical treatment and the improvement of computers, computer control technique is more and more applied to all kinds of industries, which results the sufferers don’t satisfy traditional medical instruments. Under the impulse of this, the research of medical instruments greatly engages people's attention. But because of the unbalance of regional economic progress and a great deal of factitious factor, many advanced medical instrument are not suitably used, which brings a lot of inconveniences. In order to overcome difficulties, it is more important to study a suit of medical instrument that is multifunctional and cheap, so multifunctional pathological bed controlled by computer comes into being. A kind of multifunction turn-over bed for patients is introduced in this paper, which has the functions of raising head, curling legs, side turning over from left to right separately, or raising head and curling legs at the same time according to patient’s requirement. The bed is composed of 8 parts and hydraulic drive is adopted. We make use of the hydraulic system because hydraulic system’s velocity is stable. Each movement is directly driven by both hydraulic cylinders. Raising and falling of the bed is realized by means of diverting valves. The design is making up of three steps .The first; we design the hydraulic system principle picture and choose the hydraulic stand components. The second, we design the hydraulic cylinder’s construction and their materials. The last, we design the hydraulic station and its arrangement. Keywords　 Hydraulic System ;The Hydraulic Pressure; The Pathologic Bed; 目 錄 摘要…… I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 液壓系統(tǒng)綜述 1 1.2 病理床國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 課題研究的意義和目的 2 第2章 病理床液壓伺服系統(tǒng)的設計 4 2.1 設計要求 4 2.2 病理床液壓執(zhí)行元件載荷力計算 4 2.2.1 進行工作情況分析 4 2.2.2 頭部運動時的負載情況 5 2.2.3 膝部彎曲時的負載情況 6 2.2.4 軀干運動時的負載情況 7 2.3 系統(tǒng)方案制定 8 2.3.1 執(zhí)行機構(gòu)的選擇 8 2.3.2 調(diào)速回路的選擇 8 2.3.3 換向回路的選擇 8 2.3.4 液壓源的選擇 8 2.4 動作順序 8 2.5 病理床液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計算 10 2.5.1 各液壓缸的載荷力計算 10 2.5.2 初選液壓缸工作壓力及液壓缸回油腔背壓力 11 2.5.3 液壓缸主要參數(shù)的確定 11 2.5.4 液壓缸實際工作壓力的確定 15 2.5.5 液壓缸實際所需的流量 15 2.5.6 液壓缸的輸出功率 15 2.6 液壓元件的選擇 16 2.6.1 液壓泵的選擇 16 2.6.2 電動機功率的確定 17 2.6.3 液壓閥的選擇 18 2.6.4 管道尺寸的確定 19 2.6.5 油箱有效容積的確定 19 2.6.6 液壓油的選定 20 2.7 病理床液壓系統(tǒng)性能驗算 20 2.7.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 20 2.7.2 系統(tǒng)溫升驗算 22 2.8 本章小結(jié) 23 第3章 病理床所用液壓缸基本尺寸的設計 24 3.1 液壓缸主要尺寸的確定 24 3.1.1 液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑的確定 24 3.1.2 缸筒壁厚的計算 24 3.1.3 缸體外徑的計算 24 3.1.4 液壓缸工作行程的確定 24 3.1.5 最小導向長度的確定 25 3.1.6 缸體長度的確定 26 3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)設計 27 3.2.1 缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu) 27 3.2.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 27 3.2.3 密封裝置 27 3.2.4 液壓缸的緩沖裝置 28 3.2.5 液壓缸主要零件的材料 28 3.2.6 液壓缸的安裝方法 28 3.3 本章小結(jié) 28 第4章 病理床液壓站的設計 29 4.1 油箱的設計 29 4.1.1 液壓油箱容積的確定 29 4.1.2 油箱的結(jié)構(gòu)設計 30 4.2 液壓泵組的結(jié)構(gòu)設計 31 4.2.1 布置方式 31 4.2.2 連接和安裝方式 31 4.2.3 防振降噪措施 32 4.3 本章小結(jié) 32 結(jié) 論 33 致 謝 34 參考文獻 35 附錄A 36 CONTENTS Abstract II Chapter 1 Introduction 1 1.1 Summary of the Hydrauliic System 1 1.2 The Research of Pathological Bed 2 1.3 The Meaning and Purpose of the Research 2 Chapter 2 The Design of Pathological Bed Hydraulic Servo System 4 2.1 Design Requirements 4 2.2 Pathological Bed Hydraulic Actuator Load Force Calculation 4 2.2.1 Analysis of the Work 4 2.2.2 Load of the Head Movement 5 2.2.3 Load of the Knees Bent 6 2.2.4 Load of the Trunk Movement 7 2.3 System Programming 8 2.3.1 The Choice of Implementing Ageny 8 2.3.2 The Choice of Speed Control Loop 8 2.3.3 The Choice of Trading to the Looop 8 2.3.4 The Choice of Hydraulic Source 8 2.4 Sequence of Movement 8 2.5 The Main Calculation of Pathological Bed Hydraulic System 10 2.5.1 Load Force of the Hydraulic Cylinder Calculation 10 2.5.2Primary Hydraulic Cylinder Pressure and Back Presssure of Hydraulic Cylinder Back to the Oil Chamber 11 2.5.3 The Main Parameters of Hydraulic Cylinder 11 2.5.4 The Determination of Hydraulic Cylinder of the Actual Working 15 2.5.5 Hydraulic Cylinder of the Actual Traffic 15 2.5.6 The Output Power of the Hydraulic Cylinder 15 2.6 Choice of Hydraulic Components 16 2.6.1 The Choice of Hydraulic Pump 16 2.6.2 The Determination of the Motor Power 17 2.6.3 The Choice of Hydraulic Valves 18 2.6.4 The Determination of Pipe Sizes 19 2.6.5 The Determination of the Effective Tank Volume 19 2.6.6 The Selection of the Hydraulic Oil 20 2.7 Pathological Bed Hydraulic System Performance Calculation 20 2.7.1 Hydraulic System Pressure Loss 20 2.7.2 System Temperature Rise Checking 22 2.8 Chapter Summary 23 Chapter 3 Design of Pathological Bed with the Basic Dimensions of Hydraulic Cylinders 24 3.1 The Determine of Hydraulic Cylinder Size 24 3.1.1 Hydraulic Cylinder Bores and Piston Rod Diameter 24 3.1.2 Cylinder Wall Thickness Calculation 24 3.1.3 Cylinder Outer Diameter of the Calculation 24 3.1.4 The Determination of Hydraulic Cylinder Stroke 24 3.1.5 The Determination of Minimumoriented Length 25 3.1.6 The Determination of Cylinder Length 26 3.2 Design of the Structural of Hydraulic Cylinder 27 3.2.1 Connection Structure of Cylinder Block and Cylinder Head 27 3.2.2 Connection Structure of Piston Rod and Piston 27 3.2.3 Seals 27 3.2.4 The Buffer Device of the Hydraulic Cylinder 28 3.2.5 The Main Material Parts of the Hydraulic Cylinder 28 3.2.6 The Installation of the Hydraulic Cylinder 28 3.3 Chapter Summary 28 Chapter 4 Design of Pathological Bed Hydraulic Station 29 4.1 Design of Tank 29 4.1.1 The Determination of the Hydraulic Oil Tank 29 4.1.2 The Structural Design of the Tank 30 4.2 The Structural Design of the Hydraulic Pump Group 31 4.2.1 Layout 31 4.2.2 Connection and Installation 31 4.2.3 The Measures of Anti-vibration Noise Reduction 32 4.3 Chapter Summary 32 Conclusion 33 Acknowledgements 34 References 35 AddendunA 36 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - VIII - 第1章 緒論 1.1 液壓系統(tǒng)綜述 液壓傳動是現(xiàn)代傳動中的一門新技術(shù)，在工程機械中起著重要作用，是目前科研項目比較廣泛的課題。如果從十七世紀中葉巴斯卡提出靜壓傳動原理，十八世紀末英國制成世界上第一臺水壓機算起，液壓傳動已有二三百年的歷史。然而，液壓傳動的真正推廣使用卻是近三四十年的事情，十九世紀末，德國制成了龍門液壓刨床，美國制成了液壓六角車床和磨床，由于沒有成熟的液壓元件，一些通用機床到本世紀三十年代猜開始使用液壓傳動，并且仍不普遍。第二次世界大戰(zhàn)期間某些兵器上用了反應快、動作準、功率大的液壓傳動裝置，推動了液壓技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)后，液壓技術(shù)迅速轉(zhuǎn)向民用，在機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車行業(yè)中迅速推廣。本世紀六十年代以后，隨著原子能、空間技術(shù)、計算機等的發(fā)展，液壓技術(shù)得到了很大的發(fā)展，滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中去，液壓技術(shù)得到了很大的發(fā)展，滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中去。目前液壓技術(shù)向高高速、大功率、高效、地噪、經(jīng)久耐、高度集成化方向發(fā)展，同時，新的液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設計，計算機仿真和優(yōu)化，微機控制等工作，也日益取得顯著的成果。隨著應用了電子技術(shù)、計算及技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)及新工藝、新材料的發(fā)展和應用，液壓傳動技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。液壓傳動技術(shù)已成為工業(yè)機械、工程建筑機械及國防尖端產(chǎn)品不可缺少的重要技術(shù)。而其向自動化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、輕量化方向發(fā)展，是不斷提高它與電傳動、機械傳動競爭能力的關(guān)鍵。 液壓系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到越來越廣泛的應用，而且越先進的設備，其應用液壓系統(tǒng)的部分就越多，現(xiàn)代化產(chǎn)品的特點是自動化程度高，因此必須采用電子和液壓這些先進技術(shù)。然而如何將電子和液壓兩門技術(shù)結(jié)合起來，以滿足自動控制的更高要求，就成為當代應用技術(shù)的重大課題之一。液壓伺服技術(shù)也就應運而生了。液壓伺服系統(tǒng)是控制領(lǐng)域中的一個重要組成部分，它是在液壓傳動和自動控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門較新的科學技術(shù)。 液壓伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點，其中最突出的就是響應速度快、輸出功率大、控制精確性高，因而在航空、航天、軍事、冶金、交通、工程機械等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。人類使用水利機械及液壓傳動雖然已有很長的歷史，但液壓控制技術(shù)的快速發(fā)展卻還是近幾十年的事，隨著電液伺服閥的誕生，使液壓伺服技術(shù)進入電液伺服時代，其應用領(lǐng)域也得到廣泛的擴展。 1.2 病理床國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)的病理床,多采用手動裝置，其基本結(jié)構(gòu)是將床體分為兩部分，在護理人員的協(xié)助下，應用絲杠螺母的傳動原理，僅起到抬動軀干的作用，不但功能單一，而且存在結(jié)構(gòu)銹蝕和振動噪音等諸多問題，不能適應醫(yī)護人員遠程控制的需要。 國外，在90年代電動護理床開始在醫(yī)療護理中暫露頭角，這其中當屬日本生產(chǎn)的多功能電動遙控護理床，它采用世界領(lǐng)先科技成果，在九十年代中期開發(fā)成功的新產(chǎn)品，暢銷日本及歐美等發(fā)達國家，深受消費者喜愛，被譽為醫(yī)療及家庭護理領(lǐng)域的一場革命。使用者通過該產(chǎn)品可以預防脊椎病、褥瘡等常見病的發(fā)生，擺脫長年臥床的痛苦，享受生活的樂趣。此設備具有使用簡單、操作自如、用者自理的特點，為中國護理行業(yè)帶來了全新的概念，也為中國中老年人和長年臥床患者帶來了福音。 1.3 課題研究的意義和目的 現(xiàn)代科技高速發(fā)展,醫(yī)療器械也日新月異,為使生活不能自理的病人得到最有效的治療,多功能智能病理床的研制被提上了日程,課題研究的意義是使患者能夠自己手控完成：坐起、抬腿及側(cè)翻身的動作。課題完成后能使生活不能自理的病人得到最有效的治療。 多功能病理床，根據(jù)人機工程學原理，采用計算機控制技術(shù)，對液壓伺服機構(gòu)進行控制，使之具備任意角度獨立翻轉(zhuǎn)和組合翻轉(zhuǎn)功能，具體為： 1. 幫助病人抬頭或調(diào)節(jié)枕高； 2. 幫助病人坐起或調(diào)節(jié)上身角度； 3. 上身抬起時頭部可適度后仰； 4. 幫助病人抬腿； 5. 大腿抬起時小腿可適度彎曲； 6. 形成座椅； 7. 左、右側(cè)翻身。 本文完成的是病理床液壓伺服設計。設計完成病理床的執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)主要完成床體的運動功能，在設計中采用液壓閥的方式，建立液壓控制臺，通過閥體運動，帶動液壓缸前后運動，從而實現(xiàn)床體的升降功能。 第2章 病理床液壓伺服系統(tǒng)的設計 2.1 設計要求 設計一臺針對腦出血病人，能夠幫助病人緩慢運動的病理床液壓伺服系統(tǒng)。根據(jù)病人情況能夠?qū)崿F(xiàn)以下動作：抬頭、頭和上身同時抬起、下肢可動、左翻、右翻、彎膝。運動速度0.4m/min，啟動時間不大于0.2s。考慮到軀干抬起、下肢抬起、左右側(cè)翻四個動作負載相差不多，所以采用三個相同的液壓缸，經(jīng)計算，得出數(shù)據(jù)為： 頭部運動時：，行程 膝部彎曲時：，行程 軀干運動是：，行程 下肢運動、左右側(cè)翻、與軀干運動時取同樣的數(shù)值，這樣便于生產(chǎn)加工，使原件標準化。動作進行中，突然斷電時保證安全可靠；工作速度平穩(wěn)可靠，前沖小。 2.2 病理床液壓執(zhí)行元件載荷力計算 2.2.1 進行工作情況分析 液壓缸負載主要包括：工作載荷、摩擦載荷、慣性載荷等。 1 工作載荷：病人與床的重力所產(chǎn)生的載荷 2 摩擦載荷： （2-1） 3 慣性載荷： （2-2） 取 根據(jù)以上分析，可以計算出液壓缸各運動階段中的負載 2.2.2 頭部運動時的負載情況 頭部運動時的負載情況見表2-1 表2-1頭部運動時的負載情況表 工況 計算公式 液壓缸的負載 上升啟動加速階段 3207 上升穩(wěn)態(tài)運動階段 3205 上升減速制動階段 3204 下降啟動加速階段 2082 下降穩(wěn)態(tài)運動階段 2081 下降減速制動階段 2080 根據(jù)上表分析，為便于分析及計算液壓系統(tǒng)，繪制出液壓缸的負載圖和速度圖，見圖2－1。 圖2-1頭部運動時液壓缸的負載圖和速度圖 2.2.3 膝部彎曲時的負載情況 膝部彎曲時的負載情況見表2－2 表2－2膝部彎曲時的負載情況表 工況 計算公式 液壓缸的負載 上升啟動加速階段 2071 上升穩(wěn)態(tài)運動階段 2070 上升減速制動階段 2069 下降啟動加速階段 1381 下降穩(wěn)態(tài)運動階段 1380 下降減速制動階段 1379 根據(jù)上表分析，為便于分析及計算液壓系統(tǒng)。繪制出液壓缸的負載圖和速度圖，見圖2－2。 圖2－2膝部運動時液壓缸的負載圖和速度圖 2.2.4 軀干運動時的負載情況 軀干運動時的負載情況見表2－3 表2－3軀干運動時的負載情況表 工況 計算公式 液壓缸的負載 上升啟動加速階段 6440 上升穩(wěn)態(tài)運動階段 6437 上升減速制動階段 6434 下降啟動加速階段 4294 下降穩(wěn)態(tài)運動階段 4291 下降減速制動階段 4288 根據(jù)上表分析，為便于分析及計算液壓系統(tǒng)，繪制出液壓缸的負載圖和速度圖，見圖2－3。 圖2－3軀干運動時液壓缸的負載圖和速度圖 2.3 系統(tǒng)方案制定 2.3.1 執(zhí)行機構(gòu)的選擇 本機的動作機構(gòu)均為直線往復運動，各直線往復運動機構(gòu)均采用單活塞桿雙作用液壓缸驅(qū)動。 2.3.2 調(diào)速回路的選擇 根據(jù)液壓系統(tǒng)的要求使進給速度平穩(wěn)，到位時不前沖，可選用調(diào)速閥的進口節(jié)流調(diào)速回路，見附錄A原理圖。 2.3.3 換向回路的選擇 根據(jù)液壓系統(tǒng)的要求使進給速度平穩(wěn)，到位時不前沖，可選用調(diào)速閥的進口節(jié)流調(diào)速回路，見附錄A原理圖。 2.3.4 液壓源的選擇 由設計要求可知，工作過程中負載過大，速度變化小，才用了變量葉片泵。同時為了保證系統(tǒng)的安全性，仍可在泵的出口處并聯(lián)一個溢流閥起安全作用。 2.4 動作順序 該系統(tǒng)完成頭部抬起、軀干抬起、左翻、右翻、下肢抬起、膝部彎曲的六個動作，六個動作油路如下： 1. 頭部抬起 單向閥開啟，1DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的無桿腔，活塞向左推動機構(gòu)升起，13DT、14DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 2. 頭部下降 單向閥開啟，2DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的有桿腔，活塞向右推動機構(gòu)升起，13DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 3. 軀干抬起 單向閥開啟，3DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的無桿腔，活塞向左推動機構(gòu)升起，13DT、14DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 4. 軀干下降 單向閥開啟，4DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的有桿腔，活塞向右推動機構(gòu)升起，13DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 5. 下肢抬起 單向閥開啟，5DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的無桿腔，活塞向左推動機構(gòu)升起，13DT、14DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 6. 下肢下降 單向閥開啟，6DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的有桿腔，活塞向右推動機構(gòu)升起，13DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 7. 左翻升 單向閥開啟，7DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的無桿腔，活塞向左推動機構(gòu)升起，13DT、14DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 8. 左翻降 單向閥開啟，8DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的有桿腔，活塞向右推動機構(gòu)升起，13DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 9. 右翻升 單向閥開啟，9DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的無桿腔，活塞向左推動機構(gòu)升起，13DT、14DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 10. 右翻降 單向閥開啟，10DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的有桿腔，活塞向右推動機構(gòu)升起，13DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 11. 小腿抬起 單向閥開啟，11DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的無桿腔，活塞向左推動機構(gòu)升起，13DT、14DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 12. 小腿下降 單向閥開啟，12DT得電，壓力油經(jīng)三位四通閥進入調(diào)速回路，油進入液壓缸的有桿腔，活塞向右推動機構(gòu)升起，13DT得電，油經(jīng)背壓閥流回油箱。 2.5 病理床液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計算 2.5.1 各液壓缸的載荷力計算 表2－4各液壓缸的載荷力 液壓缸名稱 工況 液壓缸外載荷 活塞上載荷 頭部運動缸 上升 3207 3563 下降 2082 2313 膝部運動缸 上升 2071 2301 下降 1381 1534 軀干運動缸 上升 6440 7156 下降 4294 4771 各液壓缸的活塞上的載荷力 （2－3） 取液壓缸的機械效率為0.9。 各液壓缸的載荷力見表2－4。 2.5.2 初選液壓缸工作壓力及液壓缸回油腔背壓力 1. 初選系統(tǒng)工作壓力 按載荷選定工作壓力。 表2－5按載荷選擇工作壓力 載荷kN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 >5 參考表2－5初步確定系統(tǒng)工作壓力，各液壓缸的工作壓力見表2－6。 表2－6各液壓缸的工作壓力 頭部運動時 膝部運動時 軀干運動時 2. 背壓的確定 一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 2.5.3 液壓缸主要參數(shù)的確定 根據(jù)工作情況，液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài) (2-4) 式中——無桿腔活塞有效作用面積（） ——有桿腔活塞有效作用面積（） ——液壓缸工作腔壓力（） ——液壓缸回油腔壓力（） ——活塞直徑（） ——活塞桿直徑（） 圖2－4單活塞桿液壓缸計算示意圖 1. 頭部運動液壓缸主要參數(shù)的確定 令桿徑比,按工作壓力取 按P2=0.5pa，油缸的機械效率η=0.9，將數(shù)據(jù)代入下式： (2－5) 根據(jù)液壓缸尺寸系列表2－6，將直徑圓整成標準直徑。 表2－6液壓缸尺寸系列表 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 取，則活塞桿直徑。按活塞桿系列表。取。 按最低速度要求驗算液壓缸尺寸， 式中是由產(chǎn)品樣本查得調(diào)速閥2FRM6-30的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。 本系統(tǒng)的調(diào)速閥是安裝在回油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應選取液壓缸有桿腔的實際面積， (2-6) 可見上述不等式能滿足，液壓缸能達到所需低速。 2. 膝部運動液壓缸主要參數(shù)的確定 令桿徑比,按工作壓力取 按P2=0.5，油缸的機械效率η=0.9，將數(shù)據(jù)代入下式： 根據(jù)液壓缸尺寸系列表2－7，將直徑圓整成標準直徑。 表2－7液壓缸尺寸系列表 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 取，則活塞桿直徑。按活塞桿系列表。取。 按最低速度要求驗算液壓缸尺寸， 式中是由產(chǎn)品型號查得調(diào)速閥2FRM6-30的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。 本系統(tǒng)的調(diào)速閥是安裝在回油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應選取液壓缸有桿腔的實際面積， 可見上述不等式能滿足，液壓缸能達到所需低速。 3. 軀干運動液壓缸主要參數(shù)的確定 令桿徑比,按工作壓力取 按P2=0.5，油缸的機械效率η=0.9，將數(shù)據(jù)代入下式： 根據(jù)液壓缸尺寸系列表2－8，將直徑圓整成標準直徑。 表2－8液壓缸尺寸系列表 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 取，則活塞桿直徑。按活塞桿系列表。取。 按最低速度要求驗算液壓缸尺寸， 式中是由產(chǎn)品樣本查得調(diào)速閥2FRM6-30的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。 本系統(tǒng)的調(diào)速閥是安裝在回油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應選取液壓缸有桿腔的實際面積， 可見上述不等式能滿足，液壓缸能達到所需低速。 2.5.4 液壓缸實際工作壓力的確定 按最后確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸，計算出各工況時液壓執(zhí)行元件實際工作壓力，見表2－9。 表2－9液壓缸實際工作壓力 工況 液壓缸名稱 載荷N 背壓力MPa 工作壓力MPa 計算公式 頭部運動 頭部運動缸 3562 0.5 1.09 膝部運動 膝部運動缸 2301 0.5 1.08 軀干運動 軀干運動缸 7156 0.5 1.81 2.5.5 液壓缸實際所需的流量 按最后確定的液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸及運動速度，計算出各工況時液壓執(zhí)行元件實際工作流量，見表2－10。 表2－10液壓缸實際所需的流量 工況 液壓缸名稱 運動速度 結(jié)構(gòu)參數(shù) 流量 頭部上升 頭部運動缸 0.007m/s 0.035 L/s 頭部下降 0.009m/s 0.0342 L/s 膝部上升 膝部運動缸 0.007m/s 0.0224 L/s 膝部下降 0.009m/s 0.0207 L/s 軀干上升 軀干運動缸 0.007m/s 0.035 L/s 軀干下降 0.009m/s 0.0342 L/s 2.5.6 液壓缸的輸出功率 按最后確定的液壓缸的流量及工作壓力，計算出各工況時液壓執(zhí)行元件實際工作流量，見表2－11。 表2－11液壓缸的輸出功率 工況 液壓缸名稱 流量 工作壓力 輸出功率 頭部上升 頭部運動缸 0.035 L/s 0.0381 kW 頭部下降 0.0342 L/s 0.0372 kW 膝部上升 膝部運動缸 0.0224 L/s 0.0242 kW 膝部下降 0.0207 L/s 0.0223 kW 軀干上升 軀干運動缸 0.035 L/s 0.0634 kW 軀干下降 0.0342 L/s 0.0619 kW 2.6 液壓元件的選擇 2.6.1 液壓泵的選擇 1. 液壓泵工作壓力的確定 （2－7） ——液壓缸的最大工作壓力，對于本系統(tǒng)最高壓力是軀干運動缸的工作壓力： ——是泵到執(zhí)行元件間總的管路損失，?。? 液壓泵工作壓力為： 2. 液壓泵流量的確定 （2－8） 由流量表看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在軀干運動上升時，，取泄漏系數(shù)K為1.2。 3. 液壓泵規(guī)格及型號的確定 選擇液壓泵應考慮以下情況： 1）系統(tǒng)使用壓力 系統(tǒng)常用工作壓力在10MPa以下，可以選用YB1系列或YB-D系列中壓葉片泵。 2）系統(tǒng)對噪音要求 一般來說，葉片泵的噪音較低，且雙作用葉片泵的噪音比單作用泵的噪音低。 3）工作可靠性、壽命 雙作用葉片泵壽命較長，YB1系列在10000H以上。 4）考慮污染因素 葉片泵抗污染能力差，不如齒輪泵，若系統(tǒng)過濾條件較好，油箱又是密封的，則可選用葉片泵。 5）從節(jié)能角度考慮 為了節(jié)省能量，減少功率消耗，選用變量泵，最好選用比例壓力、流量控制變量葉片泵，變量葉片泵具有壓力補償裝置及最大流量調(diào)節(jié)裝置，可隨系統(tǒng)負載變化自動改變輸出流量，并保證系統(tǒng)壓力恒定，可降低油液發(fā)熱及電機功率消耗。 液壓泵系列見表2－13。 表2－13液壓泵系列 型號 最大排量mL/r 額定壓力MPa 轉(zhuǎn)速r/min 廠家 YBPD 10~63 10 600~1500 南京液壓件廠 YBN 20~40 7 600~800 大連液壓件廠 YBX 16~40 6.3 600~1500 上海液壓件廠 綜上選擇TB1－2.5，規(guī)格見表2－14。 表2－14 TB1－2.5葉片泵規(guī)格 最大排量mL/r 額定壓力MPa 轉(zhuǎn)速r/min 2.5 6.3 1450 2.6.2 電動機功率的確定 病理床在整個動作循環(huán)中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的，所需功率變化較大，為滿足整個工作循環(huán)的需要，按較大功率段來確定電機功率。 從工況圖看出，液壓缸輸出功率發(fā)生在頭部運動時，可按頭部運動階段估算電動機的功率。 （2－9） ——液壓泵的最大工作壓力（Pa） ——液壓泵的流量（） ——液壓泵的總效率 該系統(tǒng)采用限壓式變量葉片泵驅(qū)動，可按流量特性曲線拐點處的流量，壓力值，一般情況下，取， （2－10） ——液壓泵的最大工作壓力（Pa） —— 查電動機，選Y801－2型，其額定功率為0.75KW,轉(zhuǎn)速為1470r/min。 2.6.3 液壓閥的選擇 選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量，本系統(tǒng)工作壓力在3.5MPa左右，所選擇的閥的規(guī)格和型號，見表2－15。 表2－15液壓閥型號表 名稱 型號 通徑mm 壓力MPa 流量L/min 單向閥 S6A10 6 31.5 10 溢流閥 DBDH6G 6 31.5 10 三位四通閥 4WE6G50 6 31.5 10 單向調(diào)速閥 2FRM6-30 6 31.5 10 2.6.4 管道尺寸的確定 液壓系統(tǒng)中使用的油管種類很多，有鋼管、尼龍管、銅管、塑料管、橡膠管等。按照安裝位置、工作環(huán)境和壓力來正確選擇。本設計根據(jù)具體情況，選用鋼管，其能承受高壓、價格低廉、耐油、耐腐蝕、剛性好。 本系統(tǒng)管路較復雜，按式： （2－11） 中－通過管道內(nèi)的流量() －管內(nèi)允許流速() 取管道內(nèi)徑為： 選用內(nèi)徑為的吸油管，其他管類可按閥類接口選用內(nèi)徑為的油管。 2.6.5 油箱有效容積的確定 初始設計時，先按下式確定油箱的容量，待系統(tǒng)確定后，在按散熱的要求進行校核。 油箱容量的經(jīng)驗公式為 （2－12） 式中——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（） ——經(jīng)驗系數(shù)，見表2－16。 表2－16經(jīng)驗系數(shù) 系統(tǒng)類型 行走機械 低壓系統(tǒng) 中壓系統(tǒng) 鍛壓機械 冶金機械 a 1~2 2~4 5~7 6~12 10 考慮到散熱的問題，油箱根據(jù)標準，見表2－17，選擇40L. 表2－17油箱容量 4 6.3 10 25 40 63 100 160 250 315 400 500 630 800 1000 1250 2.6.6 液壓油的選定 液壓系統(tǒng)中，目前使用最多的是礦質(zhì)型液壓油。選用液壓油時，最先考慮的是它的粘度，粘度既影響泄漏，也影響功率損失。同時再兼顧其他方面，選擇時應考慮： 1. 液壓系統(tǒng)的工作壓力 工作壓力較高的系統(tǒng)選用粘度較高的液壓油，以減少泄漏；反之，選用粘度較低的液壓油。 2. 環(huán)境溫度 環(huán)境溫度較高時，宜選用粘度較高的液壓油。本設計是在室溫下工作。 3. 運動速度 運動速度較高時，為減少液流的功率損失，宜選用粘度較低的液壓油。 為了改進液壓油的機械性能指標，往往在液壓油中加入抗氧化、抗泡沫、抗磨損、抗銹蝕、改善粘度性能指標的各種添加劑。本設計選擇L-HL3號油，正常運轉(zhuǎn)后油的運動粘度。本產(chǎn)品為精制礦質(zhì)型液壓油，并改善了其防銹和抗氧化性能的油，常用于低壓液壓系統(tǒng)，也可適用于要求換油期較長的輕負荷的油浴式非循環(huán)的液壓系統(tǒng)。 2.7 病理床液壓系統(tǒng)性能驗算 2.7.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 本系統(tǒng)較為復雜，有多個液壓執(zhí)行元件、動作回路，其中環(huán)節(jié)較多，管路損失較大的是軀干運動回路，故主要驗算由泵到軀干運動缸這段管路的損失。 1. 沿程壓力損失 沿程壓力損失主要是軀干運動缸上升時，進油管路的壓力損失。此管路長5m、管內(nèi)徑0.006m、上升時通過流量0.035L/s、選用20號機械系統(tǒng)損耗油，正常運轉(zhuǎn)后油的運動粘度，油的密度。 油在管路中的實際流速為： （2－13） 管道流動雷諾數(shù)為： （2－14） 可見油液在管道內(nèi)流態(tài)為層流，其沿程阻力系數(shù)為： 按式 （2－15） 求得沿程壓力損失 2. 局部壓力損失 局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部損失，其中管路局部壓力相對來說小的多，故主要計算通過控制閥的局部壓力損失。 參看原理圖，從泵出口到軀干運動缸進油口要通過單向閥2、三位四通閥9和調(diào)速閥16。單向閥2的壓力損失為0.2MPa、三位四通閥9的壓力損失為0.3MPa、調(diào)速閥16壓力損失為0.3MPa。 忽略油液通過管接頭、油路板處的局部壓力損失，則進油路總壓力損失為： （2－16） 上述驗算表明，滿足設計要求，無需修改原設計。 2.7.2 系統(tǒng)溫升驗算 在整個工作循環(huán)中，軀干運動所用時間最長，為了簡化計算，主要考慮上升時的發(fā)熱量。 泵的效率為0.7KW，泵的出口壓力為6.3MPa。則有 （2－17） （2－18） 假定系統(tǒng)的散熱狀況一般，取,油箱的散熱面積為： （2－19） 系統(tǒng)的溫升為： （2－20） 表2－19各種機械允許油溫（℃） 液壓設備類型 數(shù)控機床 一般機床 工程機械、礦山機械 正常工作溫度 30～50 30～55 50～80 最高允許溫度 55～70  55～70 70～90 驗算表明，系統(tǒng)的溫升在許可范圍內(nèi)，見表2－19。 2.8 本章小結(jié) 本章主要完成了液壓系統(tǒng)的設計。根據(jù)設計要求及負載情況，計算了每個液壓缸的基本尺寸、選擇了液壓元件、繪制了液壓原理圖。 第3章 病理床所用液壓缸基本尺寸的設計 3.1 液壓缸主要尺寸的確定 3.1.1 液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑的確定 ， 頭部、軀干、腿部、右翻、左翻、曲膝相同。 3.1.2 缸筒壁厚的計算 對于中低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算 （3－1） ——液壓缸缸筒厚度（mm） ——實驗壓力（MPa），工作壓力時，。 ——液壓缸內(nèi)徑（m） ——缸體材料的許用應力。對本系統(tǒng)采用無縫鋼管 由于計算的壁厚太小，中低壓系統(tǒng)中按經(jīng)驗取。 3.1.3 缸體外徑的計算 （3－2） 3.1.4 液壓缸工作行程的確定 執(zhí)行機構(gòu)實際工作的最大行程 頭部運動時 膝部運動時 軀干運動時 參照表中的系列尺寸來選取標準值。見表3－1。 表3－1液壓缸活塞行程參數(shù)系列（GB2349－80） 20 50 80 100 125 160 200 250 頭部運動時 膝部運動時 軀干運動時 3.1.5 最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點的到缸蓋滑動支承面中點的距離H稱為最小導向長度。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始繞度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定的最小導向長度。 對于一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求 （3－3） ——液壓缸的最大行程； ——液壓缸的內(nèi)徑。 活塞的寬度B一般取B=(0.6～1.0)D；缸蓋滑動支承面的長度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定，當D<80mm時，取 圖3－1單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)計算示意圖 頭部運動缸： 膝部運動缸： 膝部運動缸： 3.1.6 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內(nèi)徑的 20～30倍。 頭部運動缸 膝部運動缸： 膝部運動缸： 3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)設計 液壓缸主要尺寸確定后，就進行液壓缸的結(jié)構(gòu)設計。具體內(nèi)容包括：缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接、密封裝置、排氣裝置、緩沖裝置、液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。 3.2.1 缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu) 液壓缸缸體的常用材料為無縫鋼管，本設計綜合考慮具體情況，選用45號無縫鋼管。并采用半環(huán)連接。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較簡單、加工裝配方便。缺點：外形尺寸大、缸筒開槽，消弱了強度，需要增加缸筒壁厚。 3.2.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞有幾種常用的連接形式。分整體式結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式機構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接、和錐銷連接。本設計采用螺紋連接。螺紋連接結(jié)構(gòu)簡單、應用加多、采用鎖緊裝置不容易松動。 3.2.3 密封裝置 1. 活塞桿與活塞的密封形式 根據(jù)液壓缸的壓力，使用溫度及運動速度，選用O形密封圈。它利用橡膠的彈性使各種截面的環(huán)形圈緊貼在靜動配合面之間來防止泄漏。它結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，磨損后有自動補償能力，性能可靠。 2. 活塞與缸的密封形式 根據(jù)運動特點，選用高低唇Y(jié)形圈。往復運動用密封圈又稱徑向唇形密封圈，密封圈受壓力面呈唇狀，使唇緣與密封面充分接觸產(chǎn)生密封作用。 3.2.4 液壓缸的緩沖裝置 液壓缸帶動工作部件運動時，因運動件的質(zhì)量較大，運動速度較快，則在達到行程終點時，會產(chǎn)生液壓沖擊，甚至使活塞與缸蓋之間產(chǎn)生機械碰撞。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在行程末端設置緩沖裝置。本設計采用環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置加圓錐形緩沖柱塞的結(jié)構(gòu)。 3.2.5 液壓缸主要零件的材料 缸體：無縫鋼管；活塞：45號鋼；缸蓋：45號鋼；活塞桿：45號鋼 3.2.6 液壓缸的安裝方法 本設計所用的液壓缸采用尾部外法蘭安裝。 3.3 本章小結(jié) 本章完成了液壓缸的結(jié)構(gòu)設計，設計了液壓缸的安裝方式和連接方式。 第4章 病理床液壓站的設計 液壓站又稱液壓泵站，是獨立的液壓裝置。它按逐級要求供油。并控制液壓油流動的方向、壓力和流量，適用于主機與液壓裝置可分離的各種液壓機械上。只要將液壓站與主機上的執(zhí)行機構(gòu)（油缸或油馬達）用油管相連，液壓機械即可實現(xiàn)各種規(guī)定的動作和工作循環(huán)。液壓站是由泵裝置、集成塊或閥組合、油箱、電氣盒組合而成。各部件功能為： 泵裝置：上裝有電機和油泵，是液壓站的動力源，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能。 集成塊：由液壓閥及通道體組裝而成。對液壓油實行方向、壓力和流量調(diào)節(jié)。 閥組合：板式閥裝在立板上，板后管連接，與集成塊功能相同。 油箱：板焊的半封閉容器，上還裝有濾油網(wǎng)、空氣濾清器等，用來儲油、油的冷卻及過濾。 液壓站的工作原理：電機帶動油泵轉(zhuǎn)動，泵從油箱中吸油供油，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓站的壓力能，液壓油通過集成塊（或閥組合）實現(xiàn)了方向、壓力、流量調(diào)節(jié)后經(jīng)外接管路并至液壓機械的油缸或油馬達中，從而控制液動機方向的變換、力量的大小及速度的快慢，推動各種液壓機械做功。 4.1 油箱的設計 油箱在液壓系統(tǒng)中具有存儲液壓油液、散發(fā)油液熱量、逸出空氣、沉淀雜質(zhì)、分離水分和安裝元件等作用。 4.1.1 液壓油箱容積的確定 液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。本設計是低壓系統(tǒng)，液壓油箱的有效容量V可概略地確定為： 在低壓系統(tǒng)中（）可?。? ——液壓油箱有效容量； ——液壓泵額定流量。 另外油箱的最高液面以上要留出等于油箱有效容積的10％－15％的空間，以便形成油液的自由表面，容納熱膨脹和泡沫，促進空氣分離，容納停機或檢修時靠自重流回油箱的油液。 確定的油箱容量。 4.1.2 油箱的結(jié)構(gòu)設計 本設計采用鋼板焊接的分離式液壓油箱 1. 隔板 隔板作用是增長液壓油流動循環(huán)時間除去沉淀的雜質(zhì)，分離、清除水和空氣，調(diào)整溫度，吸收液壓油壓力及防止液面波動。本設計采用安裝方式是把隔板設計成高出液壓油面，使液壓油從隔板側(cè)面流過。見圖4.1－1。 圖4－1隔板的安裝形式 2. 回油管與吸油管 回油管采用斜口，出口放入液面以下。吸油管前端安裝濾油器。吸油管插入液壓油面以下，防止吸油時卷吸空氣或因流入液壓油箱的液壓油攪動油面，致使油中混入氣泡。 3. 頂蓋 液壓油箱頂蓋上安裝閥組、空氣濾清器。在他們的連接面裝耐油橡膠密封圈，以防止雜質(zhì)、水和空氣侵入，并防止漏油。同時不允許由閥和管道泄露在箱蓋上的液壓油流回液壓油箱內(nèi)。 4. 箱底 油箱底部朝放油口傾斜，傾斜坡度通常為1/15~1/20。這樣可以促進沉積物匯集到油箱的最低點。在最低點設置放油塞。 油箱設有支腳，支腳有地腳螺釘用的固定孔，支腳應該有足夠大的面積，以便可以用墊片或楔鐵來找平。 5. 液面指示 為觀察液壓油箱內(nèi)的液面情況，應在箱的側(cè)面安裝液面指示計，指示最高、最低液位。液面指示計選用帶溫度計的。 6. 液壓油箱的防銹 為防止液壓油箱內(nèi)部生銹，在油箱內(nèi)部涂耐油防銹涂料 4.2 液壓泵組的結(jié)構(gòu)設計 液壓泵組是由液壓泵及驅(qū)動泵的原動機和聯(lián)軸器及傳動底座組成。 4.2.1 布置方式