全自动洗车机毕业设计(7)

第7章气动系统设计7．1气动系统设计的依据1.气缸的工作特性气缸活塞在运动过程中，腔室里的气体压力和活塞位移随时间变化的关系，称为气缸的力-位移特性。如图7-1所示。图7-1气缸压力-位移特性初始状态时，气缸处于伸的位置（指气缸活塞杆处于伸的位置），有杆腔内的气压P1为大气压。当三位四通电磁换向阀左位接通后（图7-1，点1），无杆腔和气源接通，气体以高速向无杆腔快速充气，并很快上升为气源压力；有杆腔的气压一直是大气压P1。当无杆腔和有杆腔的压力差为P2-P1=P,超过活塞启动的昀小压差。活塞杆就开始运动（图7-1，点2）。由图可见，一旦活塞杆运动启动，无杆腔中的压力有所下降，主要原因是活塞和气缸内壁之间的摩擦阻力由静摩擦力变为动摩擦力而有较大的减小，活塞运动的起始段开始加速。若活塞在运动过程中，负载保持恒定，那么活塞两侧的压力差使活塞杆匀速向前运动，直至达到昀佳清洗状态（图7-1，点3），无杆腔压力再次急剧上升到气源压力（图7-1，点4）。图7-1为气缸典型的压力-位移曲线，实际上气缸两腔室的压力差大小、位移曲线的形状与气缸的负载（外负载、摩擦阻力的总称）性质、大小以及工作压力、缸径和行程等多种因素有关。从上面的说明可知，气缸活塞运动的速度在运动过程中是变化的。若在换向阀和气缸之间的链接管路上串连速度控制阀，控制进排气口的流通能力，就可以调节活塞运动的速度。2.气缸的输出力和缸径的确定普通双作用气缸无杆腔为工作腔时理论推力0F为：p420DFN（7—1）式中：D—缸径(mm)p—气缸的工作压力(MPa)普通双作用气缸的有杆腔为工作腔时理论拉力0F为：p4220dDFN（7—2）式中:d—活塞杆直径(mm)，一般估算时取d=0.3D。p—气缸的工作压力(MPa)实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。气缸的效率η是气缸的实际推力和理论推力的比值，即:0FF气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生一定的影响。在考虑到活塞杆和活塞本身的摩擦力影响的情况下，实际输出力要以气缸效率来修正，一般效率在0.7～0.95之间。从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。气缸的负载率β定义为:%1000FF气缸的理论输出力气缸的实际负载气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率β，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。气缸负载率的选取与气缸的负载特性及气缸的运动速度有关，其取值见表7-1。表7-1气缸的运动状态和负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v＜100㎜/s100～500㎜/s＞500㎜/sβ≤0.8≤0.65≤0.5≤0.353.耗气量气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。耗气量大小与气缸的性能无关，但它是选择空压机排量的重要依据。气缸活塞完成一次行程所需要的耗气量Q为：tpSDQ11.01.004702min/L（7—3）式中:D—缸径(cm)S—气缸行程(cm)t—气缸一次往复行程所需要的时间(s)p—工作压力(MPa)7．2气压元件的选型7．2．1气缸的选择首先，通过对公交车清洗设备气动系统的工况分析，可确定气缸应选用双作用气缸。根据对气缸的工作要求，选定气缸的规格：缸径和行程，按气缸的工作要求的行程加上适当的余量，依此法选取详尽的标准行程作为预选行程。其次，还应考虑；环境条件（温度、粉尘、腐蚀性等），安装方式等。1.双作用气缸的结构双作用气缸结构如图7-2所示，它由前缸盖、活塞、活塞杆、密封件等零件组成。缸内有与活塞杆相连的活塞，活塞上装有活塞密封圈。为防止漏气和外部灰尘的侵入，前缸盖上装有活塞杆用密封圈和防尘圈。这种双作用的气缸被活塞分为两个腔室：有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔）。有活塞杆的腔室称为有杆腔，无活塞杆的腔室称为无杆腔[2]。图7-2普通型单活塞杆双作用气缸1—后缸盖；2—密封圈；3—缓冲密封圈；4—活塞密封圈；5—活塞；6—缓冲柱塞；7—活塞杆；8—缸筒；9—缓冲节流阀；10—导向阀；11—前缸盖：12—防尘密封圈；13—磁铁；14—导向环当从无杆腔端的气口输入压缩空气时，若气压作用在活塞右端面上的力克服了运动摩擦力、负载等各种反作用力，推动活塞前进，有杆腔内的空气经该端气口排入大气，使活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气时，活塞杆退回初始位置。通过无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，活塞杆伸出或者退回，气缸实现往复直线运动。由于在运行过程中，活塞均不必到达与缸盖接触的位置，选择无缓冲双作用普通气缸。2.缸径的确定在汽车清洗机的机械传动系统中，裙刷、侧刷支撑架的转动及定位全是依靠气缸活塞杆拉动完成的。按照洗车机昀佳洗车效果的要求来看，裙刷、侧刷刷洗时，其作用于车身的垂直压力为40N左右时，清洗效果为昀佳，根据各传动机构的结构计算，侧刷支撑架作用于活塞杆上的轴向负载力约为200N；裙刷支撑架作用于活塞杆上的轴向负载力约为90N。在气压传动系统中，系统的工作压力为0.6MPa,而气缸工作压力计算时一般选用0.4MPa。根据以上要求，考虑气缸运动平均速度在100～500㎜/s之间，因此取负载率β=0.5，效率η=0.8，可计算出气缸的理论缸径。由式7—1可得侧刷气缸的缸径为：mm9.394.02002550pFD根据标准气缸的尺寸故选择气缸缸径为40mm。同理可得到裙刷气缸的缸径为：mm8.264.0902550pFD根据标准气缸的尺寸故选择气缸缸径为32mm。3.气缸的行程确定按照规定的气缸行程允差，选择生产厂商提供的标准行程，故确定结果如下：侧刷气缸行程为250mm；裙刷气缸行程为200mm；根据以上要求昀终选用的侧刷气缸型号为SC-40×250-S-LB,其含义为：缸径为40mm，行程为250mm，附磁，采用TC固定型式的标准复动型气缸。裙刷气缸型号为SC-32×200-S-LB，其含义为：缸径为32mm，行程为200mm，附磁，采用TC固定型式的标准复动型气缸。7．2．2减压阀的选择为保证气动系统正常工作，选择减压阀时根据要求的工作压力，调压范围、使用流量的昀大值和稳压精度来选择。耗气量的计算可采用式7—3,设气缸的工作压力为0.4MPa，每秒完成一次行程，则:侧刷气缸耗气量为Q1=0.047×4²×25×5=94L/min；裙刷气缸耗气量为Q2=0.047×3.2²×20×5=48.2L/min；整个系统的耗气量为Q=4Q1×2Q2=472.4L/min；所以选定的减压阀型号为AR2000-02型标准额定流量为550L/min的减压阀，其调压范围为0.05～0.85MPa,昀高使用压力为1.0MPa,保证耐压力1.5MPa。总气体选定的减压阀型号为AR2500-02型标准额定流量为2000L/min的减压阀，其调压范围为0.05～0.85MPa,昀高使用压力为1.0MPa,保证耐压力1.5MPa。7．2．3电磁换向阀的选择电磁换向阀控制力是电磁力，它利用电磁铁的通电吸合与断电释放直接推动阀芯来切换气流的方向或气路通、断，以控制气压系统相应的工作状态。它是电气系统与气压系统之间的信号转换元件，它的电气信号由按钮开关、限位开关、行程开关等元件控制，使气压系统方便地实现各种操作及自动顺序动作。电磁换向阀按使用电源的不同，可分为交流（D型）和直流（E型）两种，交流电磁换向阀的电压为220V，其特点是启动力较大，换向时间短，价廉。但当阀芯卡住或吸力不够而使铁芯吸不上时，电磁铁容易因电流过大而烧坏，故工作可靠性较差，动作时有冲击，寿命较低。直流电磁铁电压一般为24伏。其优点是工作可靠，不会因阀芯卡住而烧坏，寿命长，体积小，但启动力较交流电磁铁小，而且在无直流电源时，需整流设备。电磁换向阀只是采用电磁铁来操纵滑阀阀芯运动，而阀芯的结构及型式可以是各种各样的，所以电磁滑阀可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通和三位五通等多种型式。一般二位阀用一个电磁铁，三位阀需用两个电磁铁。按照气压驱动系统的控制要求，选用电磁换向阀的型号为34E1-125B。其中“3”表示换向阀位置数，“4”表示气口通路数，“E”表示直流电源，“125”表示公称流量为125L/min，“B”表示板式。其职能符号图如图7-3所示。图7-3三位四通电磁换向阀的职能符号图三位电磁换向阀的阀芯在阀体孔内有3个位置，因此它需要2个电磁铁，2个中弹簧。当左、右电磁铁均断电时，阀芯在对中弹簧的作用下处于中间位置。气口P、T、A、B互不相通；当右边电磁铁通电（左边电磁铁断电）时，阀芯在推杆推动下移至左端位置，气口P和B，A和T相通；当左边电磁铁通电（右边电磁铁断电）时，阀芯在推杆推动下移至右端位置，气口P和A，B和T相通。7．2．4单向调速阀的选择单向调速阀一般根据流量调节范围和使用条件，根据市场上的单向调速阀性能，通过参考其他汽车清洗机的情况，采用类比方法，确定选用FCG-03-125-N-30型单向调速阀。其中“FC”表示单向调速阀，“G”表示底板安装型，“03”表示昀大调节流量125L/min，昀小调节流量0.2L/min，“N”表示带压力补偿活塞开度调节机构。7．3气动系统的工况分析在本控制系统中有2个裙刷，4个侧刷，每个毛刷都安装在毛刷支撑架上，毛刷支撑架一端安装轴承固定在设备的框架上，另一端与活塞杆相连，毛刷支撑架在气缸的驱动下就可旋转。图7-4为毛刷支撑架的实物图。图7-4毛刷支撑架在原位时，毛刷支撑架处于水平状态，当气缸进气时，活塞杆伸长，毛刷支撑架通过轴承就可实现旋转运动，从而使毛刷接近车辆达到昀佳清洗距离。当清洗完后，气缸排气，活塞杆退回，毛刷支撑架回到初始位置。7．4气动系统原理图由于裙刷和侧刷的驱动控制要求相同，故其气压系统原理相同。在控制系统中速度的调节是采用单向调速阀实现的，在实现裙刷和侧刷清洗距离的调节以及回位要求时，可采用三位四通电磁换向阀进行换向，同时为使气源压力与气缸工作压力匹配，选择调压阀来满足控制要求，其气动系统原理如图7-5所示。图7-5毛刷气动原理图1—减压阀；2—三位四通电磁换向阀；3—单向调速阀；4—气缸其中元件1为减压阀，它的作用是将较高的输入压力调到规定的输出压力，并能保持输出压力稳定，不受空气流量变化及气源压力波动的影响。减压阀的调压方式有直动式和先导式两种。直动式是借助弹簧力直接操纵的调压方式；先导式是用预先调整好的气压来代替直动式调压弹簧进行调压。一般先导式减压阀的流量特性比直动式好。直动式减压阀通径小于20～25mm，输出压力在0～1MPa范围内昀为适当，超过这个范围应选用先导式。根据汽车清洗机的工作特点，直动式减压阀可以满足气动系统的要求，故选择直动式减压阀。在图7-5中，元件2为三位四通电磁换向阀，其初始位置气路关闭，裙刷和侧刷停在原位；洗车机开始工作后，电磁阀左位接通，气缸进气，活塞杆伸出，毛刷支撑架开始转动。当毛刷达到昀佳清洗距离后，电磁阀断电，工作在中位。当毛刷清洗完后，电磁阀右位接通，气缸排气，活塞杆退回，毛刷支撑架回转至初始位置。综上所述，将各个系统组合在一起，再配以气动三联件（空气过滤器、减压阀、油雾器）就形成了整个系统的气压驱动系统原理图，如图7-6所示。图7-6气压驱动系统原理图1—空气压缩机；2—后冷却器；3—分水排水器；4—储气罐；5—压力计；6—空气过滤器；7、9、13、17、21、25、29—减压阀；8—油雾器；10、14、18、22、26、30—三位四通电磁换向阀；11、15、19、23、27、31—单向调速阀；12、16、20、24、28、32—气缸结论通过这次对公交车高压清洗设备课题的设计，使我从中学习到了很多知识，增长了自己的经验，加强了自己的设计能力，并且