剧院乐池升降机的设计

剧院乐池升降机的设计 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 目 录 设计任务书 ………………………………………………………….......? 开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 …………………………………………………………………...? 英文摘要 …………………………………………………………………....? 设计说明书 …………………………………………………………………….? 第一部分 主体材料的选择 一、机械制造业用铝材的发展情况…………………………………………..3 二、各种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 零部件的铝化 …………………………………………..5 三、Al-Zn-Mg系(7——)合金的比较……………………………………..5 四、铝合金7005与其他材料的比较…………………………………………7 第二部分 乐池升降机机构的设计 第一节 举升机构的功能原理设计…………………………………………..9 第二节 举升机构的系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计…………………………………………..10 第三节 升降机机构的受力 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 …………………………………………..12 第四节 初步确定各主要构件尺寸…………………………………………..18 第五节 油缸最大推力的计算 …………………………………………..18 第六节 销轴抗剪切强度的校核 ……………………………………………19 第七节 上平台的刚度校核 ……………………………………………21 第八节 升降机的机构确定 ……………………………………………21 第三部分 液压系统的设计 第 1 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第一节 引言 …………….……. …………………………………………...23 第二节 液压平台运行特性分析……………………………………………..23 第三节 液压系统设计 ………………………………………………………..24 第四部分 电气控制装置的设计 第一节 引言 ……………………………………………………………49 第二节 电气元件的组成……………………………………………………..50 第三节 工作流程分析………………………………………………………..51 第四节 安全回路的设计……………………………………………………..51 第五部分 人性化设计 第一节 引言 ………………………………………………………….52 第二节 造型设计 ………………………………………………………….52 第三节 安全设计 ………………………………………………………….54 第六部分 附录 一、英文翻译 ………………………………………………………...55 二、参考文献 ………………………………………………………...71 三、结束语 ………………………………………………………....72 第 2 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 剧院乐池升降机的机构设计 引言: 随着我过社会注意精神文明建设的不断发展，升降机在文艺领域的应用越来越广泛。特别是在舞台、剧院等公共娱乐场所，升降机拥有着不可代替的作用。而对其要求也不断提高。要求在设计的过程中，既要讲究升降的安全，平稳，噪声小的特点，也要强调其美观，功能多样性和经济性。为此也有相当多的企业把资金也投入到该行业里来，力争能创造出自己的独特的品牌。升降机也有了良好的发展空间，样式也越来越多样化，伴随着社会主义的物质文明建设的发展不断革新。 第一部分 升降机主体材料的选择 考虑到降低液压升降台的自身重量，预计升降机本身最大载荷只有200KG，故 采用铝合金作为升降机的主体材料，下面将论述铝合金的选择情况。 一 机械制造业用铝材料的发展情况 在铝材与其他材料的竞争中，因铝材的综合性能好，而在机械行业方面获得了广泛的应用。所以铝材包括铸件，压铸件，各种塑性加工材料及铝基复合材料，粉末冶金铝合金等新型铝材，在铝材总消费中已占有一定的比重。据有关科学统计表明:机械制造，精密仪器和光学器械等行业耗铝量为总量的6%~7%。 总的来看，机械工业部门中铝的消费量并不是很大，而且正面临着传统的钢铁材料，新型工程塑料和陶瓷材料，钛合金等材料的挑战和激烈竞争。但是铝材有自身的优势:质量轻，强度高，耐腐蚀，良好的耐低温性，易加工等 。这些卓越的优势使铝材至今仍应用在各个广泛的领域，并且有着更为广阔的前景。尤其在纺织机械，化工机械，医疗机械，光学及精密机械等方面也有应用。另外，在食品加工机械，轻工机械，农用机械，甚至在矿山机械中都有应用。下表是各系铝合金在机械部门中的应用的大致情况。 第 3 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 表1.1 机械工业中使用铝材的情况 合 金 系 列 机 械 部 门 用 途 举 例 纯 铝 化工，精仪，医疗 冷却器，加热器，管道，卷筒， 装饰件 Al-Mn 化工，通用，轻工，农机 油容器，叶片，铆钉，各种零 件 Al-Mg 石化，轻工，通用，纺织，农贮油容器，机筒，旋转叶片， 机 精密机械零件，齿轮，喷灌管 Al-Mg-Si 通用，建筑，纺织 轴，结构框架，机械零件，装Al-Cu-Mg-Si 饰件 Al-Cu-Mg 纺织，通用 铆件，结构件，机械零件 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 通用 活塞，胀圈，叶片，轮盘 Al-Cu-Mn 纺织，建筑 焊接结构件，高温工作零件， 纺织筒 Al-Zn-Mg 化工，纺织 承载构件，皮带框架 Al-Cu-Ni 化工，轻工，农机 承载构件，铆钉，各种零件 Al-Zn-Mg-Cu 通用，精密仪器 结构件，零部件 第 4 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 我国机械制造业用铝的范围和数量在近年来发展很快，特别是木工机械，纺织机械，排灌机械，化工机械等方面使用量增加很快。随着材料科学的发展，新技术，新工艺的采用，铝价格下降和新材料的研制及新产品的发展，铝材在机械工业方面的应用还将不段扩大。如塑性铝合金，粉末冶金铝合金，铝基复合材料，超轻铝合金等的实用化，必将使它们的应用进入一个崭新的时代。 二 各种标准零部件的铝化 铝及铝合金早已被用来制作各种标准的机械和部件，如各种紧固件，焊接器材，设备及机床的零部件，建筑及日用五金件等等。 在紧固件中，有各种标准的铝制螺栓，螺钉，螺柱，螺母及垫圈等。其品种，规格均与钢制标准紧固件相同。钢制零件往往和铝制零件配用，所避免产生电化学腐蚀的危害。铝制通用紧固件可以使用各种铝合金来制造，抗剪强度要求高的一般用2A12和7A09等铝合金。 铝铆钉也是一种通用的紧固件，它适用于两个薄壁零件铆接成一个整体的场合。用途十分广泛，使用也很方便。最常用的有实心或管状的一般铆钉，开口型或封闭型抽芯铆钉、击芯铆钉等种类。其它还有航空铆钉、双鼓型抽芯铆钉、环槽铆钉等品种。 铝铆钉在使用时，除了一般铆钉需要在工作的两侧同时工作外，抽芯和击芯铆钉只需要单面工作。其中，抽芯铆钉需与专用工具——拉铆枪配合使用，而击芯铆钉仅需手捶打击即可，使用十分简便。 铝及铝合金的焊条、焊丝在机械制造部门中也是常用的材料之一。前者主要用于手工电弧的焊接、焊补之用;后者主要用于氩弧焊、气焊铝制机械零件之用，使用时应配用溶剂。 铝及铝合金焊条一般运用直流电源。焊条尺寸在3.2mm、4.5mm两种，长度均为350mm，焊条的化学成分有很多种，应根据被焊铝合金的种类、厚度、焊接后的质量要求等因素来选用。通常，铝-硅合金焊条(含硅约为5%)只要用来焊铝板、铝-硅铸件、锻铝和硬铝;铝-锰合金焊条(含锰约为1.3%)主要用于焊接铝-锰合金、纯铝等。 铝焊丝有高纯铝、纯铝、铝-硅、铝-锰、铝-镁等种类，焊丝直径在 第 5 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 1.5mm~5mm范围内。气焊时应配用碱性溶剂(铝焊粉)，以溶解和有效地除去铝表面的氧化膜，并兼有排除熔池中气体、杂质、改善熔融金属流动性的作用。但焊粉易吸潮失效，故必须密封装瓶，随用随取。在焊接后必须清除干净。电弧焊时，使用惰性气体保护，如氩气等。其中又可以分为钨极惰性气体保护焊(TIG)和熔化极气体保护焊焊(MIG)两种。焊接时要正确设计接头种类和坡口形状，正确选用工艺参数。另外，焊件和焊丝在焊接前的表面清理十分重要。 三 AL-Zn-Mg 系合金(7——系)合金的比较 通过初步的选定，本次设计从Al-Zn-Mg铝合金即7————系列中选用一种作为升降机的主体材料。 Al-Zn-Mg系合金大致可以分为焊接构造材料和高强度合金材料两种。 (1) 焊接构件材料(Al-Zn-Mg系)。此系合金有以下三个特点: 1)热处理性能较好， 与5083合金相比，挤压型材的制造容易，加工性和耐腐蚀性也良好，采用时效硬化可以得到高强度。 2)即使是自然时效，也可达到相当高的强度，对裂纹的敏感性低。 3)焊接的热影响部分，由于加热时候被固融化，故以后进行自然时效时可以恢复强度，从而提高焊接缝的强度。此类合金被广泛用于合金构件的制作。 此外，该系合金在焊接性和耐应力的腐蚀性方面有以下两个特点: 1) 添加微量的锰、钛等元素，有较强的强化效果。 2) 调整包括热处理在内的工艺条件，可以获得具有良好使用性能的材料。日本开发的7N01合金，就是含有锌(质量分数)1%~5%，镁(质量分数)1%~2%的中强度焊接构件材料。日本轻金属公司研制的7904(R74S)合金，具有耐腐蚀，对影响较强的特点。 7904(R74S)合金对裂纹的敏感性与5083相近，焊接条件也差不多。考虑到焊接性和焊接缝的强度，以5556合金作为填充材料最为合适。7904合金的挤压加工性不如5083合金好，但是，挤压性更为优良的，还是数日本轻金属公司研制的7704(W74)合金。该公司开发的7804(N74S)合金，作为焊接及其构件材料不太合适，但挤压性与7704合金相同，适于制造强度较高的部件。 (2) 高强度合金材料(Al-Zn-Mg-Cu系)。此系合金，用做飞机材料的，已 第 6 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 超硬合金7050合金为代表。近年来，滑雪杖、高尔夫球棒等体育用品，也采用这种合金来制作。7050合金的热处理，多用T651,这种处理可使T651处理后的残余应力经拉伸矫正而均匀化，以防止加工时工件发生歪扭变形。T73处理，会使力学性能有所下降，但却有减轻应力腐蚀倾向的效果。以下是7——系列合金的品种，状态和典型用途。这里只截取7005合金分析。 表1.2 7——系铝合金的品种、状态和典型用途 合金 品种 状态 典型用途 挤压材料，用于制造 即有高的强度，又要 有高的断裂韧性的焊 接结构与钎焊结构， T53 如交通运输车辆的珩7005 T6 挤压管、棒、型、线架、杆件、容器;大 T63 材、板材和厚板 型热交换器，以及焊 T651 接后不能进行固熔处 理的部件;还可用于 制造体育器材如网球 拍与垒球棒。 四 铝合金7005与其它材料的比较 铝合金7005是一种硬铝与传统钢铁材料比较而言质量轻，性能与之相差不大，在很多场合下都能代替钢铁。下表是铝合金7005和几种不同材料间的比较。 第 7 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 表1.3 不同材料的力学性能比较 材料 抗拉强度比弹性模量 伸长率 弹性模 比强度 ,,b/MPa b /p E/p E/GPa 项目 /% , 255.0 24 2100 26.9 普通碳素钢 E2613 355.0 23 2100 26.9 含铜低合钢 AC52 510.0 38 1900 29.4 不锈钢 18-8c(301) 350.0 6 720 26.6 Al-Zn-Mg合金 (7005) 235.0 8 750 27.7 6005A合金 由上表可以看出铝合金7005的抗拉强度大于普通碳素钢E2613，和含铜低合金钢AC52相当，略低于不锈钢18-8c(301)。因此在很多不是很大承受载荷的场所基本都可以代替钢铁使用，至于在车辆甚至在飞机上也有广泛的应用。 综上所述，正因为AL-Zn-Mg 铝合金有着很多的优良性能故在本次液压升降台的设计中选用AL-Zn-Mg铝合金7005作为升降台的主体材料。 第 8 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第二部分 剧院乐池升降机机构设计 第一节 举升机构的功能原理设计 一、功能分析: 功能是以一个技术系统在实现某个任务为目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系。 系统工程学用“黑箱”法来描述功能: 二、功能结构和功能系统分析 一个系统的总功能可以逐步分解为很多分功能。把多功能液压升降 平台总功能可以分解两个分功能:一是升降平台降到最底时，可以为 乐池使用;二是接通液压，电气回路，可以把演员送到和舞台同等的 高度，达到扩大舞台的目的。 上述功能分解方式不能充分表达各个功能之间的相互配合关系。因 此，可以用功能结构图来表示。功能结构图是用来表示各分功能之间 的框图。 第 9 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第二节 升降机构系统方案设计 参考各种资料，我们得知液压升降机构有多种方案。 第一种方案: 是使用液压缸顶起链轮，在链轮上的链条拖动平台上升和下降。简图如下图所示: 台面为焊接框架结构，立柱(图中未画出)为导轨结构，单个多级液压缸 第 10 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 1上的活塞杆上安装的链轮———承重链条2与平台A点相连，承重链条3与平台B点(3个)相连，所以平台的链轮———承重链条2和链轮组4及;链条3的作用下，向上升降。 第二种方案: 是使用4个液压缸顶起平台，以达到平台升降的目的。如下图所示: 此方案中，系统的执行器为8个液压缸，其中4个水平缸用于增加横向跨度，提高平台的抗倾覆能力;另外的4个垂直缸是平台的支承点 ，起承载和调平作用。 第三种方案:是采用剪叉式的连杆顶起平台。液压缸的推力作用在连杆上。结构简图如下图 : 第 11 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 在此方案中，升降平台的运动是通过油缸来实现的。由于柱塞的伸出与缩进，带动剪叉架各铰点的转动，使各剪叉架中的绞架板发生转动。因有AOD绞架板一端绕固定于上台面和EOD一端绕固定于下底面转动，BOC、COF的一端在台面的滑道中滚动。由于这种平面连杆机构的相对关联运动，实现了升降台工作台面的上升和下降。 经过仔细的分析和思考，第一种方案结构简单，但需要安装多个链轮，影响舞台的美感，不适合做乐池的升降机构，一般用于地下车库;第二种方案，平台的刚性不好，如果需要更高的刚性就要增加一些辅助的设备，这样就增加了成本，增加了重量，因此也不适合乐池的使用，此种结构一般用于军事领域;最后第三种方案，其结构简单，外形比较美观，刚性好，升降安全，平稳。最适合剧院乐池的升降机，因此比较三种不同结构的方案，选第三种结构作为本次设计的结构框架。 第三节 升降机构的受力分析 一、双剪叉结构简化 首先，将双剪叉式液压升降机简化结构见图1.6: 第 12 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) γ α θβ 因为结构是对称，而且受力在平台的几何中心，故可对其中的一铰板进行受力分析。升降机的f点为固定铰支座，a , c 两点分别可沿机架底座轨道及升降机下方轨道水平移动，a , c 两点采用同样支撑结构时，其摩擦阻力系数均为f , age , eic , bgd , bif 杆件长为 1 ，且设为无重杆件 ，I , g 两铰点位于上述四杆中点， jm 为油缸推力作用线，其一端与bgd 杆铰接于 j 点， 另一端于bif 杆铰接于 m 点，jm 线与水平面夹角为β，且?jbk为γ，各杆件与水平面的夹角为α 。升降台面与所载工件重量合为G，其作用线距d点为L, 显见，在升降K 机升降的过程中L的值是不变的 。 K 二、整体进行受力分析 以整体为研究对象进行受力分析，见图1.7 : 第 13 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 将G分解到a , c 两端， 则: LGk,,Ray 4cos,L fGLk,,,RaxRayf4cos, L fGLk,,RdxRax4cos, L GLk,Rcy4cos, L cos,,LLk,,RfyG4cos,L LLcos,,GGk RdyRay,,,,GfLk44cosL,,,,RcxRcyf4cos, L第 14 页 共 72 页 GfLk,,RfxRcx4cos, L 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 三 、 以 age及cie杆为研究对象: α α 列平衡方程式: X,0, ,，，,RaxxRgxRe0 ,，,,Re0xRixRcxY,0, ,，,,RayRgyyRe0 RcyRiyy,，,Re0 第 15 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) Me,0, LL,,,,RayLRaxLRgyRgx,,，,,,,,,,,,cossincossin0 22 LL,,,,,,,,,,，,,,,,,RcyLRcxLRiyRixcossincossin0 22将Rax, Rcx, Rcy的值代入并整理得: GfL,,kRix,4cos,L GL,fk(2)Riy,，4coscos,,L GfL,,kRgx,4cos,L GL,fk(2)Rgy,，4coscos,,L四、 以bgd杆为研究对象 设油缸推力为T，bgd杆受力情况如图1.9所示: β γα 第 16 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 列平衡方程式: Mb,0, TLTL,,,，，,,,，，cossin()sincos(),,,,,,bjbj LLRgxRgyRdxLRdyL,,,,,,,,,,,,sincossincos0,,,, 22 X,0 , RbxRgxRdxT,，,,,cos0, Y,0, ,,,，,,RbyRgyRdyTsin0, 将R， R， R， R的值代入并整理得: dydxgxgy RbxT,,cos, GLkf RbyT,,,，sin(2), 4coscosL,,2 fLLLf，，2cossin,,kkTG,, 2sin()cosL，，,,,,bj 静态时: GLcos,,T ，，bjLsin(),,, 五、 确定α角和β角的函数关系, α角和β角的几何关系见图1.6所示 LLLfsinsin()sin(),,,,,，，，,bjmTg,, LLLfcoscos()cos(),,,,,,，,,bjm LLLfsinsin()sin()，，，,,,,,,bjm,,arctg LLLfcoscos()cos(),，,,,,,,,bjm 六、 结论 1、各铰点处的受力,包括油缸推力，与载荷G成正比， 2、R, R, R, R, R, R, R, R, R, R值随α角的增大而增大,在axaycxcydxfxixiygxgyL值确定时,这些力又与L成正比,而R, R值随α值的增大而减小，在L值kdyfy确定时,它们随着L值的减小而增大。 k 第 17 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) fL(1sin)，,k,G3、在计算油缸推力时,动态值比静态值大 2sin()cosL，，,,,,bj 4、油缸推力T与L的值成反比。 bj 5、R, R力随T的值增大而增大。 bxby 第四节 初步决定各主要构件的几何尺寸 因为剧院的舞台的高度一般在2m—3m，乐池的高度要求要比舞台稍低一些，所以选择2.2m作为升降机的最大行程，足够可以实现乐池与舞台相互协调的目的。对于剪叉式液压升降机构，若这时内外叉臂的轴线相互垂直，则，叉臂两端 0的中心空距离L=2.2/(2*sin45)?1.5m .因为平台的全长为6m，所以整个平台可以设置四个剪叉，分为两组，前后个一组，每组包含两个剪叉。成对成布置。 叉臂杆的用料初步定为80mmX40mmX4mm方型铝合金，上平台框架用槽型铝合金，底座框架也是用槽型铝合金。由于油缸的推力T与L的值成反比，要减小bj 油缸的推力T ，那就必须要增加L的值。而在这个设计中，初步确定的最大载bj 荷值为200Kg, 载荷不是很大，所以我们初步确定L的值为200mm. bj 第五节 油缸所需要的最大推力 考虑到平台上可能出现偏载的情况，在设计时按平台单侧提升额定载荷来计算各个构件的受力和进行强度校核,因为每侧均有两个剪叉，所以每个剪叉只受到额定载荷的一半的力的作用 。 以P1代表额定载荷则:P1=G=200×9.8×3×6=35280N 以P2代表上平台自重，上平台为了简便轻巧，我们选用杉木作为材料。查《建 3筑材料工程手册》，杉木(湖南)密度0.371 g/cm . 上平台的尺寸为6000mm×3000mm×20mm 则: P2=6×3×371×9.8×0.02=1309N 以P3代表上平台负担那部分内外叉臂自重。此次设计中叉臂采用的是: 3AL-Zn-Mg合金。查《铝合金的组织和性能》，可知此种材料的密度为:2.7t/m . 第 18 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 铝合金的尺寸为:80mmX40mmX4mm 则:P3=(0.08×0.04-0.076×0.036)×2×8×2.7×1000×9.8=196N 设P=P1+P2+P3 则P=35280+3272+42.3=36785N 提升同样重的载荷时，上平台在最低位置时所需要的油缸推力最大，上平台在 00最低位置时，内外叉臂相互重合，故: α=0 ，L取200mm ,γ去15 ，βbj 0取20 ， 将有关数据代入油缸推力计算公式中: 1PL,cos，367852cos02 ,,,TN320664bj，，，，，，L,,,sin()20.2sin(01520) 第六节 校核各主要销轴抗剪切强度 从平台结构特点可初步判断出，受力大剪切的销轴除了a , b和c 外，还有g 和i销轴。 由前面的分析可得: LGkfGLk,,Ray ,,,RaxRayf4cos,4cos,LL GfLGLkk,,,RcxRcyf, Rcy4cos,4cos,LL GfL,,GL,fkkRix,Riy,，(2) 4cos,4coscosL,,L GfL,,GL,fkkRgx,Rgy,，(2) L4cos,L4coscos,, RbxT,,cos,GLfkRbyT,,,，sin(2), 4coscosL,,式中采用的材料为铝合金，查《铝合金的组织与性能》， 在通常的速度和额定的负载内，此材料的摩擦系数为0.15,0.30。 去f=0.20 .式中的L取为L/2 , G k= P/2 . 第 19 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 则: fGL0.2367851，，kRaxRayfN,,,,,460 0,4cos242cos0L，，， LG367851，kRayN,,,,2300 ,4cos242L，， 2222RaRaxRayN,，,，,46023002346 RcRaN,,2346 GfL,,367850.21，，kRixN,,,460 ,4cos2421L，，， GL,f3678510.2，kRiyN,，,，,(2)(2)5058 ,,4coscos24211L，，， 22 RiRixRiyN,，,，,46050585079 RgRiN,,5079 将前面计算的T代入: 0RbxTN,,,，,cos320664cos20301326, GLfk,,,，sin(2),RbyT4coscos,,L 3678510.2， ,,，301326sin20(2) 24211，，， ,98002N 2222 RbRbxRbyN,，,，,30132698002316862 由以上的计算可知，b销轴受力最大，销轴均选用: 销轴的直径初定为40mm， 则: B点的最大剪切应力为: 44316862F， TbMP,,,25222,d3.1440， 第 20 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) ,查《机械设计手册》，销轴选用:40Cr 调质处理，其许用剪应力为[]=300MP，252MP 所以，销轴可以足够满足抗剪切的要求。 第七节 校核上平台的刚度 上平台基本被内外叉臂上的支点分为三段，中间段约为3m，所以，对上平台的刚度校核，可以简化为对跨度3m的剪支梁的刚度的校核。由于此次设计中，上平台的木板固定在槽形铝合金框架上。因此，对上平台的刚度校核，只需要对槽形铝合金进行校核。 第八节 液压升降机的结构确定 经过上面的计算和我们的仔细考虑，我们决定采用这种结构，如下图: 液压升降平台中，以杉木木版作为支撑面。由于是公用产品，所以必须考虑到产品的安全，平稳，美观，而采用杉木木版正好能达到这个要求。为了节约材料，同时考虑到安全性，经过我们的计算，认为15mm厚度是一个比较合适的厚度，它既能承受预定的最大载荷，又比较节约资源，降低成本。 液压平台的高度可以任意变化，所以内外两个剪叉只有一个是固定的，另一 第 21 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 个是滑动。经过考虑，我们把剪叉杆的一端用铰支点固定，铰支点用40的销,轴，因此这个剪叉杆只能饶铰点转动，而不能水平移动。我们把另一个剪叉杆的一端装上轴承，让它既能转动又能水平移动。对于这个轴承的选择上，我们认为其只受到径向力的作用，没有轴向力的作用，所以应从滚动轴承中选择。同时考虑了剪叉杆和槽形铝合金的尺寸，最后选择圆柱滚子轴承N209E(GB/T283-1994),同时我们又为轴承配上了销轴45(GB/T119.2-2000)。 , 剪叉杆与剪叉杆之间也用销轴40(GB/T119.2-2000)进行连接，这样剪叉杆就, 能相对旋转。 液压升降平台的上平台以四根槽形铝合金作为上平台的骨架，槽形铝合金的型号是80×40×4。其中两根槽形铝合金的内表面需要进行加工，因为要作为轴承的轨道。 下面的四根槽形铝合金跟上面的采用相同的型号，也有两根内表面需要加工。 液压平台上的液压缸一端安装在拐臂上的轴上，另一端安装在下底面的铰支架上。 下底面考虑要安装液压站，所以底座必须要有装入液压站的高度。所以，我们把钢板弯成槽形，在用两个槽形的钢板焊成回形状。我们又考虑怕此回形钢板的强度不够，所以我们选用了四个回形钢板。 经过对强度的计算，底板我们选择了10mm钢板。钢板与回形钢板用半圆头铆钉(GB/T863.1-1986)进行连接。轮子用六角螺母M20(GB/T41-2000)与底板连接。 第三部分 液压控制装置设计 第 22 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第一节 引言 液压升降平台是在剧院乐池中使用，用以扩大观众厅，扩大舞台，延伸表演区。升降平台应具有安全、可靠的特点。它集机、电、液于一体，由多个相对独立又相互协调配合的子系统构成。与电动牵引相比，液压升降平台结构紧凑、承载能力大、无级调速、运行平稳、成本低等优点。 第二节 液压平台运行特性分析 在液压平台速度控制系统中，对它的运行性能(包括平台启动、加减速运行平稳性以及运行快速性等方面)都有较高的要求，并对液压平台的速度、加速度以及加速度的最大值都有严格的限制。反映液压平台运动规律，一般以速度曲线来表示。如图所示，整个液压平台运动过程可分为5各阶段:(1)加速阶段O-B (2) 匀速阶段B-C (3)减速阶段C-E (4)平层阶段E-F (5)结束阶段F-H 第三节 液压系统设计 第 23 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 一、系统工作压力的选择 压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定，还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸。对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济;压力选择的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以低一些，行走机械、重载设备压力要选高一些。 查《机械设计手册》表23.4-2，初选液压系统压力为10Mpa 参考泵的种类和参数，查阅《机械设计手册》表23.5-21，最终确定压力为16Mpa 二、初算液压缸的结构尺寸 液压缸有关设计参数见下图。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b为活塞杆在受拉状态。 第 24 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) FW,,,,,FPAPA活塞杆受压时 1122,m FW,,,,,活塞杆受拉时 FPAPA1221,m π22AD,,式中 ——无杆腔活塞有效作用面积() m14 π222ADd,,,() ——有杆腔活塞有效作用面积() m24 P1——液压缸工作腔压力(Pa) P2——液压缸回油腔压力(Pa)，即背压力 D——活塞直径 d——活塞杆直径 一般，液压缸在受压状况下工作，其活塞面积为 F+P,A22A, 1P1 ππ222AD,,ADd,,,()将 代入上式可得 1244 4,F D,2π,,,,[(1/)]PPdD12 查《机械设计手册》表23.4-4，取P2=0.4Mpa 查《机械设计手册》表23.4-5, 取d/D=0.7 假设理想状态，P1取16Mpa 4320664， D,662π,，,，,,[16100.410(10.7)] =0.160m 根据d/D=0.7，则查《机械设计手册》表23.4-6 可得V2/V1=1.96 第 25 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 查《机械设计手册》表23.4-7，可将液压缸内径D取为160mm 再查《机械设计手册》表23.4-8，可将d取为110mm 三、液压系统基本方案的确定 1、确定调速方案 液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。 方向控制用换向阀或控制单元来实现，对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对于高压大流量液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用封闭空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的综合——容积节流调速。 节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件 的流量来调节速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用溢流阀，故效 率低，发热量大，多用于功率不大的场合。 容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流阀和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄露，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。 容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高、速度稳定性较好，但其结构比较复杂。 由于本机器用于剧院乐池，所需液压系统要求结构简单，所以我们选择节流调速方式。 节流调速又分进口节流调速、回油节流调速和旁路节流调速三种方式。进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。 调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。 节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。 第 26 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 本液压系统还需承载一定载荷，选择回油节流方式。 2、确定压力控制方式 液压执行元件工作是，要求系统保持一定的工作压力或在一定的压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。 在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，须考虑选择卸荷回路。 在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，需考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。 在此液压系统中，由于采用的是回油节流调速方式，因此选用定量泵供油，并使用溢流阀调节其压力。 3、确定顺序动作方案 主机各执行机构的顺序动作 , 根据设备类型不同 , 有的按固定程序运行 ,有的则是随机的或人为的。工程机械的操纵机构多为手动 , 一般用手动的多路换向阀控制。加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制 , 当工作部件移动到一定位置时 , 通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀需连接相应的油路 , 因此只适用于管路联接比较方便的场合。另外还有时间控制、压力控制等。 此液压系统在剧院乐池使用 , 要求操作方便。因此我们采用电气开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀来控制连续动作。 4 、选择液压动力源 液压系统的工作介质完全由液压源来提供 , 液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油 , 在无其他辅助油源的情况下 , 液压泵的供油量要大于系统的需油量 , 多余的油经溢流阀流回油箱 , 溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。 为了节省能源提高效率 , 液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。 对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况 , 一般采用多泵供油或 第 27 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况下 , 可增设蓄能器做辅助油源。 油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器 , 进入系统的油液根据被保护元件的要求 , 通过相应的精过滤再次过滤。为防止系统中的杂质流回油箱 , 可在回油路上设置磁性过滤器或其他形式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求 , 还要考虑加热、冷却等措施。 四、液压系统图 整机液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去掉重复多余的元件 , 力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系 , 避免误动作发生。要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。 各液压元件尽量采用国产标准件 , 在图中按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。 在我们这个设计中的液压系统如下图 : 图 2.3 液压系统原理图 五、液压系统的工作过程 此液压系统采用了5个阀门、1个电动机、1个液压泵、1个液压缸、1个油箱、1个滤油器组成。系统可以说是非常简单，但是越简单的系统越是可靠，同时也符合剧院乐池使用的要求。由于它的组件不多，也降低了整个系统的成本。 此系统的工作流程是这样的:通过电动机的驱动，油经单向阀进入液压缸，推动液压缸上升。打开换向阀时，油又经节流阀返回油箱，同时也使液压缸下降。 第 28 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 六 、液压元件的选择与专用件设计 1、 液压泵的选择 P1)确定液压泵的最大工作压力 p PPP,，, ,p1 P式中——液压缸或液压马达最大工作压力 1 ,P ——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失 , ,P的准确计算要待元件选定并绘制管路图时才能进行，初算时可按经, 验数据选取:管路简单流速不大的，取=(0.2~0.5MPa) ,P, 在前面我们已经确定P1为10 MPa，此时取=0.4 MPa ,P, P,则: 10+0.4=10.4 MPa p 2)确定液压泵的流量 QKQ,,() 液压泵的输出流量应为 ,VPVmax 式中K——系统泄露系数，一般K取1.1~1.3 Q——同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量。对于在本,Vmax 系统中我们采用了节流调速的系统，因此还必须算上溢流阀的最小溢流，一般取 ,43为0.5 ，10/ms ,4,=Av+0.5 ，10Q,Vmax π2,4， =，0.5+0.5 0.16，104 ,3,4 =1.005，10+0.5，10 ,3 =1.055，10 式中K取1.2，则: QKQ,,(),VPVmax ,3， =1.21.055，10 第 29 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) ,33 =1.266 ，10ms/ 3)选择液压泵的规格 PQ根据以上求得的和值，按系统中拟定的液压泵形式，查阅相关产品样PVP 本和机械设计手册，选择双作用叶片泵PV2R1-12 叶片泵PV2R1-12的额定压力为16 MPa大于所需的压力 叶片泵PV2R1-12的排量为8.2ml/s符合输出流量的要求 选用的PV2R1-12双作用叶片泵，系中高压小排量式，其容积效率高，工作可靠，且属于经济型的种类，而且噪声较小，适合于剧院乐池的环境。 2、 液压阀的选择 液压阀的选择要求: 1)阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定 型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取;选择节流阀和调速阀， 要考虑最小流量应满足执行机构最低速度的要求。 控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有 20 %以内的短时间过流量。 2)阀的型式，按安装和操作方式选取。 根据以上的选择要求，查《机械设计手册》 溢流阀选择DBDH10K型直动溢流阀 单向阀选择S10A1.2型单向阀 换向阀选择SAS10A型电磁换向阀 节流阀选择MG10G1.2型节流阀 调速阀选择MSA30EF250 溢流阀在系统中起安全保护作用，压力在出厂前调整到16MPa，单向阀使液体供油到油缸，推动柱塞上升以提升重物。调速阀用于控制重物的上升速度。换向阀开启时，液压柱塞下落，使重物下落。节流阀用于控制重物的下降速度，下降速度调整到2米/分钟左右。本系统采用的SAS10A型电磁换向阀，是本着使系统最简化的原则，因为越是简化，系统的可靠性越好。本回路的设计也是本着这一原则，经发复设计而确定的。 3、 管道尺寸的确定 第 30 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 1)管道内径计算 4,Qvd, π,v 3Q式中——通过管道内流量() ms/v v——管内允许流速(m/s) ,33Q见上面计算=1.055 ，10ms/v v的值查《机械设计手册》表23.4-10，v=0.5m/s 则: ,341.26610 ，，, 37(mm) d, 3.140.5， 2)管壁厚计算 Pd,, ,2[],, 式中P——工作压力(MPa) d——管子内径(mm) , []——许用应力(MPa) 由前面计算P为16 MPa，d为57mm , 查《机械设计手册》[]取为50 MPa 1637， =5.92mm ,, 250， 取为6mm , 3)管道的选择 根据第一步所计算的管道内径，并且本系统为中高压系统，应选钢丝层数为 ?的胶管。查《机械设计手册》，胶管选择内径为38mm，外径为51mm，最小弯曲 半径为500mm 4、 油箱容积确定 ，Q按经验公式V=a确定油箱的容量 v 3Q式中——液压泵每分钟排出压力油(m) v a——经验系数 第 31 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) ,33Q 由于选择的泵为PV2R1-12，则为1.055 ，10m/minv 查《机械设计手册》表23.4-11，a取为6 ,3,33， 则: V=6 1.055=6.33=6.33L ，10，10m 5、 液压缸的设计 由于是举升机构，所以我们采用柱塞缸。经上面的计算，我们可知柱塞最大 外伸长320mm，泵最大工作压力=16 MPa，柱塞外径110mm，缸的内径160mm 1) 柱塞尺寸确定 系统实际最大静压力P为10MPa #,,柱塞材料为钢，其屈服强度245MPa 20s 柱塞的壁厚: D2.31.7，，Pp ,,，ee0p,2s 2.31.710110，，,,，0.5 2452 ?9.28mm ed试取柱塞的壁厚=10 mm，则柱塞内径=90 mm pp截面最小回转半径: 22Dd，pp i,p4 2211090， , 4 , 35.53 mm 截面惯性矩: 44Dd,ppJ,,π p64 4411090, = π, 64 64,，3.9610mm 第 32 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 柱塞的细长: l320,,,,,9.01100 i35.53p 压杆稳定性: fA,c P,k1()al ，, nipf查《机械设计手册》表23.6-64，=340 a=1/7500 n=1/4 c ππ22222,,,,(11090)3140mm(D-d)=A = pp44 ，3403140P,?1062495N>1.4 F=50400N kS1/7500，，19.01 1/4 Ddemmmmmm符合要求。则柱塞的外径=110，内径=90，壁厚=10 ppp 2)缸筒和缸底设计计算 D<1>缸筒的内径为160mm, 查《机械设计手册》，缸筒外径=180mm c<2>壁厚: D2.31.7，，Pcee,,，0c ,2s 第 33 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 2.31.710180，，,,，1.0 2452 ,9.36mm mme取=10 c <3>液压缸采用了平底带焊接的缸底。 2.31.7，,P eDe,,,，0.4d0,s 2.31.710，， ,，,，0.41601.0 245 ,16.57mm emm取油缸机座厚度=17 d 为了消除焊接应力， e17d5.67rmm,,,rmm 取=6 33 uermm,，,，,17623umm 取=23 d 3)液压缸结构设计 液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包:缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆的导向部分结构、密封装置、冲装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。 ?缸体与缸盖的连接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。常见的缸盖连接形式如下表所示 : 第 34 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 表 2.1 液压缸缸体与缸盖的连接形式 连接方式 优缺点 法兰连接 优点: (1)结构简单、成本低 (2)容易加工、便于装拆 (3)强度较大、能承受高压 缺点: (1)径向尺寸大 (2)重量比螺纹连接的大;缸体为钢 管时,用拉杆连接的重量也较大 (3)用钢管焊上法兰、工作过程也复 杂 螺纹连接 优点: (1)外形尺寸小 (2)重量轻 缺点: (1)端部结构复杂、工艺要求较高 (2)装拆时需用专用工具 (3)拧端盖时易损坏密封圈 外半环连接 优点: (1)结构较简单 (2)加工装配方便 缺点: (1)外形尺寸大 (2)缸筒开槽,削弱了强度,需增加 缸筒壁厚 内半环连接 优点: (1)外形尺寸较小 (2)结构紧凑,重量较轻 第 35 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 缺点: (1)缸筒开槽,削弱了强度 (2)端部进入缸体内较长,安装时密 封圈易被槽口擦伤 经过对以上四种连接形式进行比较 , 我们认为内半环连接较适合剧院乐池使用。 因为 , 内半环连接外形尺寸小、重量轻满足轻便要求 , 同时剧院用液压缸的压力不是很大 , 强度不高 , 缸筒开槽对缸没有多大影响。 ?活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的连接形式分整体式结构和组合式结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和销轴连接。 表 2.2 活塞杆与活塞的连接结构 连接形式 特点 整体式结构 结构简单,适用于缸径较小的液压缸 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。 半环连接 结构简单,装拆方便,不易松动，但会出 现轴向间隙。多应用在压力高、负载大, 有振动的场合 销轴连接 结构可靠,用销轴连接,销轴必须用配铰, 销钉连接后必须锁紧,多用于负载较小的 场合 经过对上面四种结构进行比较 , 我们认为螺纹连接比较适合这次设计的要求。 ?活塞杆导向部分的结 构 活塞杆导向部分的结构 , 包括活塞杆与端盖、导向套的结构以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向 , 也可以做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换 , 所以应用较普遍。导向套的位置可以安装在密封圈的内侧 , 也可以装在外侧。机床和工程机械中一般 第 36 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 采用装在内侧的结构 , 有利于导向套的润滑 ; 而油压机常采用装在外侧的结构 , 在高压下工作时 , 使密封圈有足够的油压将唇边张开 , 以提高密封性能。 活塞杆处的密封形式有 O 形、 V 形、 Y 形和 Yx 形密封圈。为了清除活塞杆处外露部分沾附的灰尘 , 保证油液清洁及减少磨损 , 在端盖外侧增加防尘圈。 常用的有无骨架防尘圈和 J 形橡胶密封圈 , 也可用毛毡圈防尘。 表 2.3 活塞杆导向与密封及防尘装置 机构形式 特点 端盖直接导向 (1)端盖与活塞杆直接接触导向,结构简 单,但磨损后只能更换整个端盖 (2)盖与杆的密封常用O型、Y型、Yx型 密封圈 (3)防尘圈用无骨架的防尘圈 导向套导向 (1)导向套和活塞杆接触支承导向,磨损 后便于更换,导向套也可用耐磨材料 (2)盖与杆的密封常用V型、Y型、Yx型 密封装置。密封可靠适用于中高压液 压缸 (3)防尘方式常用J形或三角形防尘装置 我们所采用的是柱塞缸 , 而且在剧院乐池中使用，所以应选用导向套进行导向。 这个设计中的液压系统是中高压系统 , 并且需要高可靠性 , 这正好需要导向套导向的密封可靠性。 ?活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处的密封圈的选用 , 应根据密封的部位、使用的压力、温度、 运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。下表是几种常用的密封圈及其使用参数。 表 2.4 活塞及活塞杆处的密封圈使用参数 密封部位 摩擦类型 活 活塞 材料 压力范围 温度范围 速度范围 用途 / 第 37 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) o 塞 杆 (MPa) (m/s) 泄漏 (C) O NBR -30130 形 O O FPM 6 -15180 0.5 中/低 通用 ,, 圈 O形 NBR十, 圈加 O O PTFE 35 -30130 0.5 中/低 通用 ,, 挡圈 O NBR 10 -30100 通用 , 高低 唇Y O NBR+ 0.5 中/低 , 形圈 夹纤 20 -20100 柱塞 , 维 缸 Y NBR+ 工程 形 O 夹纤 25 -30120 0.5 中/低 机械 ,, 圈 维 农机 奥米 NBR+ 机床 加型 O 夹纤 40 -30120 5 微/中 农机 ,, 维 奥米 NBR+ 机床 加型 O 夹纤 40 -30120 1 微/中 农机 ,, 维 V NBR+ 挖土 型 O O 夹纤 63 -30120 0.5 大/极 机压 ,, 维 微 力机 活 铸 高速 塞 O 铁 25 350 0.3l 0 小/高 液压 ,, 环 机 注 : NBR 一丁腊橡胶 , FPM 一氟碳橡胶 , PTFE 一聚四氟乙烯 , O一应用部位 由于考虑是剧院乐池使用 , 所以需要节约成本 , 比较以上几种材料的 第 38 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 性能和成本 , 我们决定使用 O 型圈进行密封。 ?液压缸的缓冲装置 液压缸带动工作部件运动时 , 因运动件的质量较大 , 运动速度较高 , 则在到达行程终点时 , 会产生液压冲击 , 甚至使活塞与缸筒缸盖之间产生机械碰撞。 为防止这种现象的发生 , 在行程末端设置缓冲装置。现介绍几种常用的缓冲结构。 环状间隙式节流缓冲装置 : 活塞端部的缓冲柱塞向端盖方向运动进入圆柱形油缸时 , 将封闭在柱塞与端盖间的油液从环状间隙中挤出去。由于间隙很小 , 因而起节流缓冲作用。适用于惯性不大、运动速度不高的液压系统。 环状间隙式节流缓冲装置又可分为圆柱形的缓冲柱塞和圆锥形的缓冲柱塞。圆柱形的缓冲柱塞的间隙大小不变 , 缓冲柱塞长度一般为 10mm 左右。这种结构制造容易 , 但在缓冲开始时会出现压力的峰值。圆锥形的缓冲柱塞缓冲时有明显的渐减过程。 三角槽式节流缓冲装置 : 三角槽式节流缓冲装置 , 也是利用被封闭液体的节流产生的液压阻力来缓冲的。活塞的两端开有轴向三角槽 , 前后缸盖上的钢球起单向阀的作用。在活塞启动时 , 压力油顶开钢球进入液压缸 , 推动活塞运动。当活塞接近缸的端部时 , 回油路被活塞逐渐封闭 , 使缸内液压油只能通过活塞上的轴向三角槽缓慢排出 , 形成缓冲液压阻力。节流口的通流面积随活塞的移动而逐渐减小 , 所以活塞运动速度逐渐减慢 , 实现制动缓冲。 可调节流缓冲装置 : 可调节流缓冲装置不但有圆柱形的缓冲柱塞和凹腔等结构 , 而且在液压缸端盖上还装有针形节流阀和单向阀。当活塞上的缓冲柱塞插入凹腔时 , a 腔的油液只能经可调节流阀流入 C 腔而排出 , 回油阻力增大 , 实现制动缓冲。调节针形节流阀的流通面积，便可改变缓冲作用的强弱和效果。 当活塞反向运动时 , 压力油由 C 腔经单向阀进入 a 室 , 使活塞迅速启动。 必须指出 , 上述缓冲装置 , 只能在液压缸全行程终了时才起缓冲作用 , 第 39 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 当活塞在行程过程中停止运动时 , 上述缓冲装置不起作用。这时回油路上可设置行程阀来实现缓冲。 通过对上述缓冲装置的比较 , 和对剧院乐池使用的分析 , 我们认为环状间隙式节流缓冲装置中的圆柱形的缓冲柱塞是比较适合剧院使用的。因为这种柱塞结构简单 , 加工容易 , 因此能够降低其成本。并且剧院用液压缸的压力不是很大 , 缓冲开始时出现压力的峰值也不会很大 , 避免了对液压缸的损坏。 @ 液压缸的排气装置 对于运动速度稳定性要求较高的机床液压缸和大型液压缸 , 则需要设置排气装置 , 如排气阀等。 排气阀一般安装在液压缸两端的最高处。双作用液压缸需要装设两个排气阀。当液压缸需要排气时 , 打开相应的排气阀 , 空气连同油液经过锥部缝隙和小孔排出缸外 , 直至连续排油时 ( 不冒气 ), 就将排气阀关死。 由于我们此次设计的液压缸是剧院用液压缸 , 对于运动速度的稳定性要求不是很高 , 所以我们认为没有必要设置一个排气装置。 ?液压缸的安装连接结构 液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸进出口的连接等。 液压缸的安装形式 : 根据安装位置和工作要求不同可有长螺栓安装、脚架安装、法兰安装、销轴和耳环安装等如下表。 表 2.5 液压缸的安装形式 序号 安装形式 备注 1 长螺栓安装 2 径向脚架 倾翻力矩比较: 序号2较小 3 底面脚架 序号4较大 第 40 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 4 前后脚架 5 头部外法兰 安装螺钉受拉力比较: 序号6、7较小 6 头部内法兰 序号5较大 7 尾部外法兰 8 头部销轴 液压缸在平面内摆动,活塞受弯 曲作用比较: 9 尾部销轴 序号8较小 序号9较大 中部销10 序号10介于序号8、9之间 轴 尾部耳11 同序号9 环 尾部球12 液压缸可在一定的空间范围内 头 摆动 液压缸进、出油口形式及大小的确定 : 液压缸进、出油口 , 可布置在端盖或缸体上。对于活塞杆固定的液压缸 ,进、出油口可设在活塞杆端部。如果液压缸无专用的排气装置 , 进、出口应设在液压缸的最高处 , 以便空气能首先从液压缸排出。进、出油口的形式一般选用螺孔或法兰连接。 液压缸用耳环安装结构 : 根据使用部位不同 , 耳环可分为杆用耳环和缸体用耳环两种。杆用耳环安装在活塞杆的外端 , 通常是用螺纹连接。缸体用耳环一般是固定在缸体的后部 , 也是固定在缸体中部。 耳环结构可分为不带轴套的单耳环结构、带轴套的单耳环结构、球饺耳环结构、双耳环结构。 第 41 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 不带轴套的单耳环结构 , 销轴一般用 H8 配合。 带轴套的单耳环结构，轴套用青铜或聚四氟乙烯制造。 o球饺耳环结构 , 轴套外圆是球面 , 一般能做土的摆动 , 球面用 m6 4 配合 ,球面淬硬到 50HRC 。 双耳环结构 , 销孔一般用过渡配合 , 柱销不能在其中转动。 通过对上面的一些液压缸的安装连接结构的知识的学习 , 然后结合本次设计的实际情况 , 我们采用了耳环连接。缸体的后部焊接了缸体用耳环 , 活塞杆的外端用螺纹连接了杆用耳环。 ?液压缸最终结构 综合上面的各种结构设计 , 我们最终确定了液压缸的结构。它的结构如下图所示 : 此次设计的液压缸是在剧院乐池中使用 , 因此要求液压缸结构简单 , 重量轻 , 外形小巧。所以在本次液压缸设计中 , 在确保能承受预定载荷的前提下 , 我们尽量简化结构 , 来使其美观 , 成本低。 6 、液压站计 液压站是由液压油箱、液压泵装置及液压控制装置三部分组成。液压油箱 第 42 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 装有空气滤清器、滤油器、液面指示器和清洗孔等。液压泵装置包括不同类型的 液压泵、驱动电机及其它们之间的联轴器等。液压控制装置是指组成液压系统的 各阀类元件及其连接体。 机床液压站的结构型式有分散式和集中式两种类型。 集中式 : 这种型式将机床液压系统的供油装置、控制调节装置独立于机床之外 , 单独设置一个液压站。这种结构的优点是安装维修方便 , 液压装置的振动、 发热都与机床隔开 ; 缺点是液压站增加了占地面积。 分散式 : 这种型式将机床液压系统的供油装置、控制调节装置分散在机床的 各处。例如 , 利用机床床身或底座作为液压油箱存放液压油。把控制调节装置放 在便于操作的地方。这种结构的优点是结构紧凑 , 泄漏油易回收 , 节约占地面积 , 但安装维修不方便。同时供油装置的振动、液压油的发热都对机床的工作精度产 生不良影响 , 故较少采用 , 一般非标设备不推荐使用。 1) 液压油箱的设计 液压油箱的作用是贮存液压油、分离液压油中的杂质和空气 , 同时还起到散热的作用。 ?液压油箱有效容积的确定 液压油箱在不同的工作条件下 , 影响散热的条件很多 , 通常按压力范围来考虑。液压油箱的有效容量 V 可概略地确定为 : 在低压系统中(P2.5MPa) 可取 : , q V= (24) p 在中压系统中(P6.3MPa) 可取 : , q V= (57) p 在中高压或高压大功率系统中 (P〉6.3MPa) 可取 : q V = (612) p 式中 V 一一液压油箱有效容量 ; q 一一液压泵额定流量。 p 应当注意 : 设备停止运转后 , 设备中的那部分油液会因重力作用而流回油箱。为了防止液压油从油箱中溢出 , 油箱中的液压油位不能太高 , 一般不 第 43 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 应超过液压油箱高度的 80% 。 ?液压油箱的外形尺寸 液压油箱的有效容积确定后 , 需设计液压油箱的外形尺寸 , 一般尺寸比( 长 : 宽 : 高 ) 为 1: 1: 11: 2: 3 。为提高冷却效率 , 在安装位置不受限制时 , 可将液压油箱的容量予以增大。我国液压油箱到目前还没有统一的标准。 ?液压油箱的结构设计 在一般设备中 , 液压油箱多采用钢板焊接的分离式液压油箱 , 很少采用机床床身底座做为液压油箱。 隔板作用 : 增长液压油流动循环时间 , 除去沉淀的杂质 , 分离、清除水和空气 , 调 整温度 , 吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。 安装型式 : 隔板的安装型式有多种 , 可以设计成高出液压油面 , 使液压油从隔板侧面流过 ; 还可以把隔板设计成低于液压油面 , 其高度为最低油面的 2/3, 使液压油从隔板的上方流过。 过滤网的配置 : 过滤网可以设计成液压油箱内部一分为二 , 使吸油管与回油管隔开 , 这样液 压油可以经过一次过滤。过滤网通常使用 50100 目左右的金属网。 由于我们此次设计的液压油箱的容积较小 , 没有必要再装隔板。如果再装隔 板减少了液压泊的通流面积 , 反而影响液压油流动循环时间。并且我们使用泵站 的功率不大 , 散热量也不大 , 所以不装隔板不会对散热有多大影响。 吸油管与回油管 回油管出口 : 回油管出口型式有直口、斜口、弯管直口、带扩散器的出口等几种型式 , 斜 o口应用得较多 , 一般为45斜口。为了防止液面波动 , 可以在回油管出口装扩散器。回油管必须放置在液面以下 , 一般距液压油箱底面的距离大于 300mm, 第 44 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 回油管出口绝对不允许放在液面以上。 回油集管 : 单独设置回油管当然是理想的 , 但不得己时则应使用回油集管。对溢流阀、顺序阀等 , 应注意合理设计回油集管 , 不要人为地施以背压。 泄漏油管的配置 : 管子直径和长度要适当 , 管口应在液面之上。以避免产生背压。泄漏油管以单独配管为好 , 尽量避免与回油管集流配管的方法。 吸油管 : 吸油管前一般应设置滤油器 , 其精度为 100200 目的网式或线隙式滤油器。滤油器要有足够的容量 , 避免阻力太大。滤油器与箱底间的距离应不小于 20mm 。 吸油管应插入液压油面以下 , 防止吸泊时卷吸空气或因流入液压油箱的液压油搅动油面 , 致使油中混入气泡。 吸油管与回油管的方 向 : 为了使油液流动具有方向性 , 要综合考虑隔板、吸油管和回油管的配置 , 尽量把吸油管和回油管用隔板隔开。为了不使回油管的压力波动波及吸油管 , 吸油管及回油管的斜口应一致 , 而不是相对着。 我们这次设计中 , 采用的回油管出口型式为成 45 ?的斜口式 , 在吸油管前设置了滤油器。 防止杂质侵入 为了防止液压油被污染 , 液压油箱应做成完全密封型的。在结构上应注意以下几点 : 不要将配管简单地插入液压油箱 , 这样空气、杂质和水分等便会从其周围的问隙侵入。同时应尽量避免将液压泵及马达直接装在液压油箱顶盖上。 在接合面上需衬入密封填料、密封胶和液态密封胶 , 以保证可靠的气密性。 例如 , 液压油箱的上盖可直接焊上 , 也可加密封垫(l.5mm 厚以上的耐泊密封垫)进行。 为保证液压油箱通大气并净化抽吸空气 , 需配备空气滤清器。空气滤清器常设计成既能过滤空气又能加油结构。 第 45 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 顶盖及清洗孔 顶盖 : 在液压油箱顶盖上装设泵、马达、阀组、空气滤清器时 , 必须十分牢固。液压油箱同它们的接合面要平整光滑，将密封填料、耐油橡胶密封垫圈 ( 厚 21.5mm 左右〉以及液态密封胶 ( 耐油性、半干燥性〉衬入其间 , 以防杂质、水和空气侵入 , 并防止漏油。同时 , 不允许由阀和管道泄漏在箱盖上的液压油箱内。 液压泵及液压马达的底座要与上顶盖分开 , 另行制做。 清洗孔 : 液压油箱上的清洗孔 , 应最大限度地易于清扫液压油箱内的各个角落和取出箱内的元件。 杂质和污油的排放 : 为了便于排放污油 , 液压油箱底部应做成倾斜式箱底 , 并将放油塞安放在最低处。 液面指示 为观察液压油箱内的液面情况 , 应在箱的侧面安装液面指示计 , 指示最高、最低油位，液面指示计可选用带温度计的。 液压油箱的起吊 对液压装置而言 , 从工厂装配开始 , 到最终送到用户 , 要经过反复装卸 , 所以在液压装置整体上或阀块上应装设吊钩、吊环螺钉或吊耳环。 液压油箱的防锈 为了防止液压油箱内部生锈 , 应在油箱内壁涂耐油防锈涂料。 液压泊箱的加热与冷却 为提高液压系统工作的稳定性 , 应使系统在适宜的温度下工作。液压油温度一般希望保持在 30?50?范围内 , 最高不超过 60 ?C, 最低不低于 15 ?C 。 加热 : 寒冷地区因温度低 , 液压泵起动困难 , 需首先加热。工厂常用 SRY2型油用管状电加热器。 加热器的使用安装要求 : 第 46 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 加热部分应全部浸入液压油中 , 不允许因液面降低而使加热部分外露。为保证电加热器全部浸入液压油中 , 应使之水平安装。使用电加热器时 , 应同时加一个热电偶 , 当液压油温升高至定值时 , 加热器自行断电。 冷却 : 液压系统工作时，因各种损失 , 有时使液压油液产生大量的热量 , 直接影响系统的正常工作 , 这些热量单凭一般的液压油箱散发是不够的。因此 , 需要设置冷却设备。液压系统中冷却器的常用冷却方式有水冷和风冷两种。 由于我们设计的这个设备是剧院乐池使用 , 为了节约成本 , 没有设置液压油箱的加热与冷却设备。 2) 液压站的结构设计 ?液压泵的安装方式 液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电动机及其联轴器等。其安装方式分为立式和卧式两种。 立式安装 : 将液压泵和与之相联的油管放在液压油箱内 , 这种结构型式紧凑、美观 , 同时电动机与液压泵的同轴度能保证 , 吸油条件好 , 漏油可直接回液压油箱 , 并节省占地面积。但安装维修不方面 , 散热条件不好。 卧式安装 : 液压泵及管道都安装在液压油箱外面 , 安装维修方便 , 散热条件好，但有时电动机与液压泵的同轴度不易保证。 我们在这次设计中 , 采用的液压泵的安装方式是卧式安装 , 这种设计是为了其维修方便 , 散热好。 ?电动机与液压泵的联接方式 电动机与液压泵的联接方式分为法兰式、支架式和支架法兰式。 法兰式 : 液压泵安装在法兰上 , 法兰再与带法兰盘的电动机联接 , 电动机与液压泵依靠法兰盘上的止口来保证同轴度。这种结构装卸很方便。 支架式 : 液压泵直接装在支架的止口里 , 然后依靠支架的底面与底板相连 , 再与带底座的电动机相联。这种结构对于保证同轴度比较困难 ( 电动机与液压泵的同轴度0.05mm) 。为了防止安装误差产生的振动 , 常用带有弹性, 的联轴器。 法兰支架式 : 电动机与液压泵先以法兰联接 , 法兰再与支架联接 , 最后支架再装在底板上。它的优点是大底板不用加工 , 安装方便 , 电动机与液 第 47 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 压泵的同轴度靠法兰盘上的止口来保证。 为避免安装时产生同轴度误差带来的不良影响 , 常采用带有弹性的联轴器。 这种联轴器可以选用零件手册中的标准结构 , 也可自行设计。为增加电动机与液压泵的联接刚性 , 避免产生共振 , 可以把液压泵和电动机先装在刚性较好的底板上使其成为一体 , 然后底板加垫再装到液压油箱盖上。 我们在这次设计中，使用的电动机与液压泵的联接方式为法兰支架式。 ?液压站结构总成 液压站由液压回路、型泵装置和自设的油箱三大部分组成。其中液压系统回路部分和泵装置部分在液压油箱盖上安装固定，再由油管管接头根据油路需要加以联接。在液压油箱边缘处设置一外接管道的支架，以便使外接管道固定牢固，从而增加了刚性，又整齐美观。液压站的结构图如下: 第 48 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第三章 电气控制装置设计 第一节 引言 机电传动控制不仅必须有电动机拖动生产机械这个主体 , 而且还包括一套控制装置 , 用以实现生产机械各种生产工艺的要求。如龙门刨床要求传动部分根据加工需要有顺序地传动工作台正向工作、停止、快速返回、停止、又正向工作„„的自动循环 , 故需要对电动机的启动、调速、反转、制动等过程加以控制。操作者以简单的控制电器如闸刀开关、转换开关等手控电器来实现电力拖动控制 , 称为手动控制 ; 若以自动电器来实现电力拖动的控制 , 就称为自动控制。自动控制不仅能减轻操作人员的劳动强度、提高工作机械的生产率和产品质量 , 而且可以实现手动控制难以完成的诸如远距离集中控制等。 尽管电力拖动自动控制已向无触点、连续控制、弱电化、微机控制方向发展 ,但由于继电器一接触器控制系统所用的控制电器结构简单、价格便宜、能够满足 生产机械一般生产的要求。因此 , 目前仍然得广泛的使用。 第二节 电气元器件组成 电路主要由下列元器件组成 : 交流电动机 M, 启动接触器 KM, 上行接触器 KMU, 下行接触器 KMD, 热继电器 FR, 熔断器 FU 。设计图如下 : 第 49 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第三节 工作流程的分析 一、平台上行 平台需要频繁运行 , 如采用启动电机的控制其上行 , 则这对电机有较大的损害。因此 , 平台上行和下降过程中 , 电机始终保持运行状态。平台需要上行时 , 直接启动上行继电器 KMU, 上行继电器控制调速阀动作 , 使电机驱动油泵把油打到液压缸 , 使液压缸伸出 , 从而驱动平台上行。 二、平台下行 通过控制下行继电器 KMD, 使电磁换向阀动作 , 平台在重力的作用下 ,油经过换向阀回油箱 , 从而实现平台的下行。 第四节 安全回路设计 在此液压系统中 , 调速阀和电磁换向阀不能同时处于通位。因此 , 上行继电器 KMU 和下行继电器 KMD 只有一个能启动 , 所以在电路控制中采用了 第 50 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 互锁装置。同时 , 我们也考虑了系统可能出现一些紧急状况 , 因此设计了一个紧急开关。 第四部分 人性化设计 第一节 引言 为市场而生产的产品就是商品。 设计的目的是满足人类不断增长的需要 , 而人们需要的满足主要是通过 企业不断提供的产品来实现的。 以往人们对产品传统的理解是指具有实体性产品 , 这是一种狭义的理解。 广义而言 , 产品应是为了满足人们需要而设计生产的具有一定用途的物质和非物质形态服务的总和 , 它应包括三方面的内容 : 产品实体一一即提供给消费者、的效用和利益。 产品形式一一产品质量、品种、花色、款式、规格及商品包装等。 产品延伸一一产品附加部分如维修、咨询服务、交货安排等。 要更新对产品的认识 , 牢固树立为市场而生产的产品即商品的观念。机械产品以商品面貌进入市场 , 要经受市场剧烈竞争的考验 , 因为本身就体现着竞争的性质。 第 51 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 由此看来 , 一个在技术上成功的产品不一定在市场上能获得成功 , 一个产品只有在市场竞争中获得成功 , 才能给企业带来真正的效益。 产品的竞争力受许多因素的影响 , 从产品本身的品质来看主要有三个因素起着根本的作用。 首先是产品功能原理的新颖性 , 这是竞争力的核心要素 ; 其次是产品技术性能的先进性 , 优良的技术性能是产品竞争力的基础要素。最后是产品的商品化设计。商品化设计中就包括我们本节所说的人性化设计。 第二节 造型设计 实用、经济、美观是造型设计的三个基本原则。它是根据造型设计的规律总结出来的科学原理。 实用、经济、美观三者的结合与统一 , 是设计工作的内涵 , 又是矛盾的统一，这一普遍法则在设计工作上的体现。三者互相关联 , 相互制约 , 三个原则缺一不可。其基本关系应该在实用的前提下 , 讲究美观 , 实用与美观必须以经济因素为制约条件。 " 实用 " 是指造型设计必须有良好的使用功能。表现为产品性能达到高效率 , 方便 , 安全 , 易保养 , 人机协调等特点 , 以满足人民生活或生产实际应用。在此要求下 , 针对不同产品除实用外还要考虑到有利于人们身心健康 , 不造成环境污染 , 并符合广大群众健康的审美观及习俗爱好等。 在本次设计中 , 我们就是以实用为基础。剧院乐池液压升降平台具有作为乐池和扩大舞台的两种功能。这些就是从实用的角度出发的 , 来满足剧院使用的要求。 " 经济 " 即用价值工程理论指导产品造型 , 使材料和工艺恰如其分地运用 ,构成产品的 "经济"品质。 在造型活动中 , 运用价值分析方法力求降低成本 , 对产品按标准化、系列化、 通用化的要求进行设计 , 以求得材料使用、空间安排、体块的组织达到紧凑、简明、精确。力求以最少的财力、物力、人力和时间而取得最好的经济效益。 第 52 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 在本次设计中 , 我们时刻从成本出发来设计产品。在液压、电气系统设计中 , 我们尽可能简化系统 , 使用标准化的产品作为零件 , 以减少成本。在机械设计部分 , 我们又尽量选用现有的成形材料作为我们的部件。 " 美观 " 即造型美 , 是产品整体各种美感的综合体现。美观既包括匠意的美( 造型、纹饰、色彩 ), 也包括材料的美和加工制作的美。我国先秦古籍《考工记》中总结的 "材美工巧" 便体现了这一原则。应注重当代人的审美思潮 , 强调审美的积极作用。以健康清新的形与色助人向上 , 使之产生高尚的情操。 在这次设计中 , 我们也考虑了产品的外观。我们采用铝合金作为液压平台的支架 , 铝合金的外观就比钢铁要美观 , 而且重量较轻。由于我们使用的液压站是卧式安装的 , 其液压元件在油箱外面 , 为了其美观 , 我们将在其上加个金属罩。同时我们还要给各部件涂上油漆。在整体的升降机的设计中，我们对升降机装置滚轮并有一定的轨道，这样的好处有:限制了升降机在平面的自由移动，便于维修，使用方便等特点。其滚轮及轨道的原理和构造，我们采用和火车轮子相同的原理，即在滚轮中设计一个凹槽而在轨道上则采用凸型工字形轨道，这样可以限制一个方向的自由度，当把支架撑起时，另外的自由度也被限制，这样就达到了规定平台的目的，保证演员和工作人员的安全。 第三节 安全设计 安全、可靠本来就是液压升降平台的基本要求 , 而我们设计的这个液压升降平台是为剧院乐池设计的 , 其安全性就更不言而喻了。对于液压升降平台在升高过程中的安全 , 我们可以在底座上加上四个支腿来支撑 , 同时还可以在上平台上装上扶栏。当然 , 作为扩大舞台使用时 , 这些东西可以拆除。对于电气控制方面 , 我们还设置了一个紧急开关 , 以防不测。 第 53 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 第 54 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 中英文对照翻译 UPWIND LOCAL DIFFERENTIAL QUADRATURE METHOD FORSOLVING COUPLED VISCOUS FLOW AND HEAT TRAN SFER EQUATIONS Abstract:The differential quadrature method (DQM) has been applied successfully to solve numerically many problems in the fluid mechanic -cs,But it is only limited to the flow problems in regular regions,At the same time ,here is no upwind me chanism to deal with the convective property of the fluid flow in traditional DQ method,A local differential quadrature method owning upwind mechanism (ULDQM) was given to solve the coupled problem of incompressible viscous flow and heat transfer in an irregular region,For the problem of flow past a contraction channel whose boundary does not parallel to coordinate direction,the satisfac -tory numerical solutions were obtained by using ULDQM with a few grid points,The numerical results show that the ULDQM possesses advantages including well convergence,less computational workload and storage as compared with the low-order finite difference method, Key words:upwind locall DQM ;Navier-Stokes equation ;heat equation lntroduction Numerical solution of nonlinear partial differential equations plays prominent role in many areas of engineering and physics sciences(Finite difference method(FDM)and finite element method are two kinds of valid numerical methods(A great quantity of grid points must be used to obtain a moderately accurate solution as the finite difference method (FDM) or finite element method is adopted(So these methods require large comput 第 55 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) -ational workload and storage(The number of grid points can be greatly reduced to obtain the same accurate results as the differential quadrature method (DQM)，introduced by Bellman et a1 is used(Because the information on all grid points is used to fit derivatives at grid points in DQM， it is enough to use only a few grid points to obtain high-accurate numerical solutions Furthermore ,due to this method possesses advantages including easily applying and arbitrarily choosing of mesh spaces，the DQM has absorbed many researchers，attention in recent years, Previously the DQM is limited to the problems with regular domains，such as rectang -ular and parallelogram regions or circular and concentric regions. Recently by using element and mapping techniques (the application of the DQM has been extended to problems with complex regions(But this has to add extra workload as the techniques are used( 1 Upwind Local Differential Quadrature Method 1(1 Differential quadrature method The essence of the DQM is that derivatives of a function with respect to a space coordinate at a given grid point are approximated by a weighting linear combination of function values at all grid points along this coord -inate direction(For a smooth function f(x ，y) on a domain 0? x ? a，0?y? b，where 0 and b are constants，the rth—order partial derivative off with respect to x， and the sth—order partial derivative of f with respect to y at the grid point ( xi ,yi )are approximately expressed as follows: where N，M are the numbers of grid points in the ,- and ,-direction， 第 56 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) (r)(s)respectively，AandAare the respective weighting coefficients determ ikjl -ined by following formulas: 1.2 Local DQ method owning upwind mechanism It is obvious that there are difficulties to apply the traditional DQM to solve problems with an irregular domain and the upwind mechanism is absence in DQM but it is important in the computation of fluid flow(So a new DQM that is suitable for irregular regions and possesses upwind mechanism is presented as follows(Let us consider an irregular region with place uniform grid(Ax=Ay=A)inside the region Q(The spacing between any two neighboring 第 57 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) internal grid points on the same coordinate direction is A，and the spacing between a boundary grid point and an adjacent internal grid point may be less than A(Unlike DQM，a weighting linear combination of a function values at only P adjacent grid points along a coordinate direction is used to approximate the derivatives with respect to the coordinate direction at a grid point rather than at all grid points，namely，we have where is a positive integer number and ?[1，p]，n =1，2( In order to introduce upwind mechanism in DQM，in terms of horizontal velocity component(Uij )and vertical velocity component(vij )of the flow， ,the value of will be determined as follows: n If p is even，then 第 58 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) Clearly ,it is possible that there are no grid points enough to introduce the upwind mechanism when an internal point(i ，j )locates near ,the boundary(To overcome the difficulty should be chosen to guarantee n that P grid points in Eq.(5)are not outside the flow region(The formulas of can be modified as follows: This method is called the local differential quadrature method owning upwind mechanism，denoted by ULDQM( 2 Mathematical Model Consider the incompressible viscous flow-heat transfer problem(The 第 59 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) Navier-Stokes equations of the vorticity function ,( x，y)/ stream function ( x，y)and equation of temperature T( x，y)，in term of the , dimensionless form，are given as Where u and v are the veloci -ty components，F is a term caused by the force field without potential is only dependent upon temperature Re is theReynolds number( The region of the flow is shown in Fig.2 Assume that the temperature 2T(x，y) = 1，veloc -ity u =3(4-y ),16，and v =0 at the entry FA，the temperature T(x ,y)=0 and the flow is fully developed at exit DE，and the velocity has no-slip at the solid wall AB，BC，CD(Owing to the symmetry of the flow about y = 0，it is only necessary to seek the solution for y ? 0. The boundary conditions (B(Cs)are 第 60 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) Our governing equations are formed by Eqs((7),(10) and boundary condit -ions(11)(Our aim is to seek the steady state solution of the governing ,,equation as t( 3 Numerical Results In the paper，for the space variables and the temporal variable， we apply the ULDQM and the backward difference scheme，respectively(The governing equations(7),(10)are discretized into the following form: 第 61 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) where(i ,j)are all internal grid points(The derivatives included in the boundary conditions are approximated by DQM in terms of the formula(6) (Then the discrete equations of boundary condition(11)are obtained( In this paper ，we take F = T to express the force field without , ,,potential ,where> 0 is a constant(in Refs([9,11] letting F=( T, ,x) yields the Boussineaq approximation mode1)( In Fig.2 ,we take that , l1 =l3=2，l2= 1，the slope of BC is -1,2，the spacing = 0.25，and P =5 , or 6(The numerical computation is carried out for the two(dimensional incompressible viscous flow-heat transfer problems with different Re and , > 0 ( In computations Gauss Seide1 scheme is adopted to solve Eqs((12)and(13)，and SOR with damping factor 0<@ < 1 is adopted to solve Eq.(14)(The streamlines and isotherm lines for varied Re are shown in ,Figs.3 and 4，and the streamlines with varied are shown in Fig.5(From the figures，one can see that as Re is smaller the flow vortex appears in the fluid field， and as Re increases，the inertia force of the fluid becomes important and the vortex disappears( To compare it with 3-point FDM ,the interactive times and maximum absolute error are given in Table 1，horizontal velocity profiles at the centerline by ULDQM and FDM are shown in Fig.6(Table 2 lists the iterations required for the steady state solution as p 6(it has to point out that the FDM has no converge or converge is slow as Re>100，but ULDQM is still convergent as 100? Re?700(The 第 62 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) values of velocity“at centerline of the contraction domain for different Re are listed in Table 3(From the table，we see that the flow becomes fully developed at x=1.75 as Re = 30 or 50,and at x = 1.50 as Re=70 or ,5100，respectively(The precision of error is given as ，1< Re < ,,10 ,800 and 0< < 6 in all computations of this paper( 4 Conclusions The ULDQM is proposed in this paper to solve two—dimensional income -pressible flow-heat transfer problem with irregular region(By using the ULDQM，the computation is carried out to solve the fully developed fluid in the contraction channe1( The numerical results show that the ULDQM possesses advantages including well convergence ， less computational workload and storage(Also it is suitable to solve problems for irregular regions and larger Re(Furthermore，it is more efficient than three— point finite difference method. 求解粘性流体和热迁移联立方程的 迎风局部微分求积法 摘要: 微分求积方法(DQM)已成功地应用于数值求解流体力学中的 许多问题(但是已有的工作大多限于正规区域的流动问题，同时缺少 用迎风机制来描述流体流动的对流特性(该文对一个不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 区域中的 不可压缩层流和热迁移的耦合问题给出了一种具有迎风机制的局部 微分求积方法，对通过边界和坐标不平行的收缩管道中的流体，只用 少数网格点得到了比较好的数值解(和有限差分方法(FDM)相比较， 这一方法具有计算工作量少、存储量小和收敛性好等优点( 关键词: 迎风局部微分求积方法; N—S方程; 热方程 引 言 在许多工程和物理学中，非线性偏微分方程的数值解起着重要的 作用(有限差分方法(FDM)和有限单元方法是最常见的两种有效的数 第 63 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 值方法(但是，为了得到适当精度的解，在使用这些方法时需要使用大量的网格点，因此，需要比较大的工作量和存储量(Bellman ,21等人在1971年提出了一种微分求积方法(DQM)，因为在这种方法中，所有网格点上的信息都被使用来拟合在各网格点处的导数，所以只要使用很少的网格点就能得到较高精度的数值解(此外，由于DQM具有使用方便，网格步长选取灵活等优点，近年来这一方法广泛受到了人们的重视(早期，DQM方法仅局限于求解正规区域的问题，如矩形、平行四边形或者圆形区域、同心圆形区域等，最近使用单元和映射的技巧，DQM已被推广到求解复杂区域的问题_3 J(但是为了使用这种技巧，需要一些额外的计算量( 1 局部迎风微分求积法(ULDQM) 1(1 微分求积方法 DQM的本质，在于用整个区域上所有网格点处的函数值的线性组合，来近似表示在网格点处函数的各阶导数(对区域0?x?a，0?y?b(a和b是固定的)上的光滑函数f( x，y)，f在点( x，y)上对x的r阶偏导数以及f对y的s阶偏导数近似表示如下: 第 64 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 1(2 具有迎风机制的局部DQM方法 显然，当区域不规则时上述传统的微分求积法则很难实现(此外，对流体流动问题，迎风机制是十分重要的，但在传统的DQM中缺少这种机制(下面我们引进一种适用于不正规区域的具有迎风机制的局部DQM方法(考察一个不规则区域c，用?x =?y =?的均匀网格点剖分( 这时在一个坐标方向上的两个内部节点间的距离为?，而边界, 结点到相邻的内部结点的距离将可能小于?，和传统的DQM方法不同，现在不是用全部沿x轴或y轴方向上的结点处的函数值，而只是用部分结点上函数值的加权线性组合来近似表示沿x方向或y方向的结点处 第 65 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 的导数(即f(x，Y)在结点(i，j)处沿x方向或y方向的导数，近似地表示成结点( i，y )附近的P个结点沿x方向或y方向处函数值的线性组合 ,,其中, (n=1，2)是一个正整数， ?[1，P]( nn 为了引进迎风机制，按(i，j)处流体的水平速度Uij和垂直速度vij ,的正负号，将由下面公式确定( 即，当P是偶数时，有 n 第 66 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 显然，当结点(i，j )的位置接近边界点时，可能没有足够的结点来引进迎 ,风机制，所以将会遇到一些困难(为了克服这一困难，下面校正 使得(5)中n ,的P个结点不超出流动区域，修正后的 有如下公式: n 这种离散方法称为具有迎风机制的局部DQ方法，记为“ULDQM”。 2 数学模型 考察一个不可压层流和热迁移的耦合问题(在无量纲形式下，用 ,(x,y),涡函数 ( x，y )和流函数表示的N-S方程和温度的T(x，y )的控制方程为 第 67 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 其中，u和v是速度分量，F是由于力场无势而引起的与温度有关的函数 ,Re是雷诺数(本文所讨论的流场n如图2所示( 假定在管子人口 处，流体的温度和 2速度分别是T(x,y)= 1 ，v = 0 ，u = 3(4-y),16(在出口DE处，流体的温度T(x,y )=0， 并且流体是充分发展的，在管 壁AB，BC，CD处流体是绝热 的，并且速度没有滑移( 由 于问题关于y=0是对称的，所 以我们只需对y?0的区域求 解问题，于是我们有如下边界 条件: 我们的控制方程由方程(7),(10)及边界条件(11)构成(本文的目的是寻求当时间t—>? 时控制方程的稳态解. 3 数值结果 在本文中，对时间变量采用向后差分格式，对空间变量采用UIDQM进行离散，得到如下公式: 第 68 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 其中，(i，j )是区域内部的所有网格点(边界点处的导数则采用公式(6)进行离散(从而可以得到边界条件(11)的离散方程(在计算中，我们取F:a ，其中a>0是常数，表示没有势的力场所引起的项(在[9] ,和[11]中取F=( T,x)，就得到通常的Boussinesq模型)( 图2,, 中,1=l3=2，l2=1，BC的斜率为-1,2。空间网格距离?x =?y=?=1,4，取P=5或6( 对不同雷诺数Re和a>0的问题进行了数值计算(在计算中对方程(12)和(13)我们采用Gauss一$eidel迭代法求解，对方 第 69 页 共 72 页 南华大学机械工程学院毕业设计(论文) 程(14)采用SOR方法求解，其中阻尼因子0<@<1( 图3和图4给出了不同雷诺数舶时的流线和等温线，图5给出了流线随a变化的情况(从这些图可以看到:当雷诺数很小时，流场中出现了旋涡，随着雷诺数的增大，这些旋涡将会消失( 为了和通常的三点差分格式相比较，表1给出了两种方法的叠代次数和最大绝对误差( 图6给出了根据两种方法得到的中心线处速度分量“的轨线(表2给出了当P:6时达到稳态解所需的迭代次数( 应该指出，当Re>100时，传统的差分格式收敛十分缓慢，或者不收敛，而采用ULDQM时，直到雷诺数Re=700时仍然是收敛的( 表3给出了管道收缩部分中心线处的速度分量“的值( 由表3看到:当舶:30或50时，流体在 =1(75处达到充分发展，而当舶=70或100时，流体在 =1(50处达到充分发展( 在上面的所有计算中 ,5,迭代精度=10，1