全自動洗車機 畢業(yè)設計.pdf

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1、第7章 氣動系統(tǒng)設計 7．1氣動系統(tǒng)設計的依據(jù) 1. 氣缸的工作特性 氣缸活塞在運動過程中，腔室里的氣體壓力和活塞位移隨時間變化的關系， 稱為氣缸的力-位移特性。如圖7-1所示。 圖 7-1 氣缸壓力-位移特性 初始狀態(tài)時，氣缸處于伸的位置（指氣缸活塞桿處于伸的位置） ，有桿腔內 的氣壓 P1 為大氣壓。當三位四通電磁換向閥左位接通后（圖 7-1，點 1） ，無桿 腔和氣源接通，氣體以高速向無桿腔快速充氣，并很快上升為氣源壓力；有桿腔 的氣壓一直是大氣壓 P1。當無桿腔和有桿腔的壓力差為 P2-P1=P,超過活塞啟動 的最小壓差?；钊麠U就開始運動（圖7-1，點2） 。由圖可見，一旦活塞桿運動啟

2、 動，無桿腔中的壓力有所下降，主要原因是活塞和氣缸內壁之間的摩擦阻力由靜 摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮Χ休^大的減小，活塞運動的起始段開始加速。若活塞在運 動過程中，負載保持恒定，那么活塞兩側的壓力差使活塞桿勻速向前運動，直至 達到最佳清洗狀態(tài)（圖 7-1，點 3） ，無桿腔壓力再次急劇上升到氣源壓力（圖 7-1，點4） 。 圖 7-1 為氣缸典型的壓力-位移曲線，實際上氣缸兩腔室的壓力差大小、位 移曲線的形狀與氣缸的負載（外負載、摩擦阻力的總稱）性質、大小以及工作壓 力、缸徑和行程等多種因素有關。 從上面的說明可知，氣缸活塞運動的速度在運動過程中是變化的。若在換向 閥和氣缸之間的鏈接管路上串連速度控制

3、閥，控制進排氣口的流通能力，就可以 調節(jié)活塞運動的速度。 2. 氣缸的輸出力和缸徑的確定 普通雙作用氣缸無桿腔為工作腔時理論推力 0 F 為： p 4 2 0 D F ? ? ? ? N （7—1） 式中： D—缸徑(mm) p—氣缸的工作壓力(MPa) 普通雙作用氣缸的有桿腔為工作腔時理論拉力 0 F 為： ? ?p 4 2 2 0 d D F ? ? ? ? ? N （7—2） 式中: d—活塞桿直徑(mm)，一般估算時取d=0.3D。 p—氣缸的工作壓力(MPa) 實際中，由于活塞等運動部件的慣性力以及密封等部分的摩擦力，活塞桿的 實際輸出力小于理論推力

4、，稱這個推力為氣缸的實際輸出力。 氣缸的效率η是氣缸的實際推力和理論推力的比值，即: 0 F F ? ? 氣缸的效率取決于密封的種類，氣缸內表面和活塞桿加工的狀態(tài)及潤滑狀態(tài)。 此外，氣缸的運動速度、排氣腔壓力、外載荷狀況及管道狀態(tài)等都會對效率產生 一定的影響。在考慮到活塞桿和活塞本身的摩擦力影響的情況下，實際輸出力要 以氣缸效率來修正，一般效率在0.7～0.95之間。 從對氣缸運行特性的研究可知，要精確確定氣缸的實際輸出力是困難的。于 是在研究氣缸性能和確定氣缸的出力時，常用到負載率的概念。 氣缸的負載率β定義為: % 100 0 ? ? F F 氣缸的理論輸出力 氣缸的實際負載 ? 氣缸的

5、實際負載是由實際工況所決定的，若確定了氣缸負載率β，則由定義 就能確定氣缸的理論輸出力，從而可以計算氣缸的缸徑。氣缸負載率的選取與氣 缸的負載特性及氣缸的運動速度有關，其取值見表7-1。 表 7-1 氣缸的運動狀態(tài)和負載率 阻性負載 （靜負載） 慣性負載的運動速度v ＜100㎜/s 100～500㎜/s ＞500㎜/s β≤0.8 ≤0.65 ≤0.5 ≤0.35 3. 耗氣量 氣缸的耗氣量是指氣缸往復運動時所消耗的壓縮空氣量。 耗氣量大小與氣缸 的性能無關，但它是選擇空壓機排量的重要依據(jù)。 氣缸活塞完成一次行程所需要的耗氣量Q為： t p S D Q 1 1 . 0 1 . 0 0

6、47 0 2 ? ? ? ? ? ? min / L （7—3） 式中: D—缸徑(cm) S—氣缸行程(cm) t—氣缸一次往復行程所需要的時間(s) p—工作壓力(MPa) 7．2 氣壓元件的選型 7．2．1 氣缸的選擇 首先，通過對公交車清洗設備氣動系統(tǒng)的工況分析，可確定氣缸應選用雙作 用氣缸。根據(jù)對氣缸的工作要求，選定氣缸的規(guī)格：缸徑和行程，按氣缸的工作 要求的行程加上適當?shù)挠嗔?，依此法選取詳盡的標準行程作為預選行程。 其次，還應考慮；環(huán)境條件（溫度、粉塵、腐蝕性等） ，安裝方式等。 1. 雙作用氣缸的結構 雙作用氣缸結構如圖7-2所示，它由前缸蓋、活塞、活塞桿、密封件等零件 組成。

7、缸內有與活塞桿相連的活塞，活塞上裝有活塞密封圈。為防止漏氣和外部 灰塵的侵入，前缸蓋上裝有活塞桿用密封圈和防塵圈。這種雙作用的氣缸被活塞 分為兩個腔室：有桿腔（簡稱頭腔或前腔）和無桿腔（簡稱尾腔或后腔） 。有活 塞桿的腔室稱為有桿腔，無活塞桿的腔室稱為無桿腔 [2] 。 圖 7-2 普通型單活塞桿雙作用氣缸 1—后缸蓋；2—密封圈；3—緩沖密封圈；4—活塞密封圈；5—活塞；6—緩沖柱塞；7—活 塞桿；8—缸筒；9—緩沖節(jié)流閥；10—導向閥；11—前缸蓋：12—防塵密封圈；13—磁鐵；14—導向環(huán) 當從無桿腔端的氣口輸入壓縮空氣時， 若氣壓作用在活塞右端面上的力克服 了運動摩擦力、負載等各種反作

8、用力，推動活塞前進，有桿腔內的空氣經該端氣 口排入大氣，使活塞桿伸出。同樣，當有桿腔端氣口輸入壓縮空氣時，活塞桿退 回初始位置。通過無桿腔和有桿腔的交替進氣和排氣，活塞桿伸出或者退回，氣 缸實現(xiàn)往復直線運動。 由于在運行過程中，活塞均不必到達與缸蓋接觸的位置，選擇無緩沖雙作用 普通氣缸。 2. 缸徑的確定 在汽車清洗機的機械傳動系統(tǒng)中，裙刷、側刷支撐架的轉動及定位全是依靠 氣缸活塞桿拉動完成的。按照洗車機最佳洗車效果的要求來看，裙刷、側刷刷洗 時，其作用于車身的垂直壓力為40N左右時，清洗效果為最佳，根據(jù)各傳動機構 的結構計算，側刷支撐架作用于活塞桿上的軸向負載力約為 200N；裙刷支撐架 作

9、用于活塞桿上的軸向負載力約為90N。 在氣壓傳動系統(tǒng)中，系統(tǒng)的工作壓力為0.6MPa,而氣缸工作壓力計算時一般 選用0.4MPa。 根據(jù)以上要求，考慮氣缸運動平均速度在100～500㎜/s之間，因此取負載 率β=0.5，效率η=0.8，可計算出氣缸的理論缸徑。 由式7—1可得側刷氣缸的缸徑為： mm 9 . 39 4 . 0 200 2 5 5 0 ? ? ? ? ? ? ? ?p F D 根據(jù)標準氣缸的尺寸故選擇氣缸缸徑為40mm。 同理可得到裙刷氣缸的缸徑為： mm 8 . 26 4 . 0 90 2 5 5 0 ? ? ? ? ? ? ? ?p F D 根據(jù)標準氣缸的尺寸故選擇氣缸缸徑為

10、32mm。 3. 氣缸的行程確定 按照規(guī)定的氣缸行程允差， 選擇生產廠商提供的標準行程， 故確定結果如下： 側刷氣缸行程為250mm； 裙刷氣缸行程為200mm； 根據(jù)以上要求最終選用的側刷氣缸型號為 SC-40250-S-LB,其含義為：缸 徑為 40mm，行程為 250mm，附磁，采用 TC 固定型式的標準復動型氣缸。裙刷氣 缸型號為SC-32200-S-LB，其含義為：缸徑為32mm，行程為200mm，附磁，采 用TC固定型式的標準復動型氣缸。 7．2．2 減壓閥的選擇 為保證氣動系統(tǒng)正常工作，選擇減壓閥時根據(jù)要求的工作壓力，調壓范圍、 使用流量的最大值和穩(wěn)壓精度來選擇。 耗氣量的計算可

11、采用式7—3,設氣缸的工作壓力為0.4MPa， 每秒完成一次行 程，則: 側刷氣缸耗氣量為Q1=0.0474255=94L/min； 裙刷氣缸耗氣量為Q2=0.0473.2205=48.2L/min； 整個系統(tǒng)的耗氣量為Q=4Q12Q2=472.4 L/min； 所以選定的減壓閥型號為AR2000-02型標準額定流量為550L/min的減壓閥， 其調壓范圍為0.05～0.85MPa,最高使用壓力為1.0MPa,保證耐壓力1.5MPa。 總氣體選定的減壓閥型號為AR2500-02型標準額定流量為2000L/min的減壓 閥， 其調壓范圍為0.05～0.85MPa,最高使用壓力為1.0MPa,保證

12、耐壓力1.5MPa。 7．2．3 電磁換向閥的選擇 電磁換向閥控制力是電磁力， 它利用電磁鐵的通電吸合與斷電釋放直接推動 閥芯來切換氣流的方向或氣路通、斷，以控制氣壓系統(tǒng)相應的工作狀態(tài)。它是電 氣系統(tǒng)與氣壓系統(tǒng)之間的信號轉換元件，它的電氣信號由按鈕開關、限位開關、 行程開關等元件控制，使氣壓系統(tǒng)方便地實現(xiàn)各種操作及自動順序動作。 電磁換向閥按使用電源的不同，可分為交流（D 型）和直流（E 型）兩種， 交流電磁換向閥的電壓為 220V，其特點是啟動力較大，換向時間短，價廉。但 當閥芯卡住或吸力不夠而使鐵芯吸不上時，電磁鐵容易因電流過大而燒壞，故工 作可靠性較差，動作時有沖擊，壽 命較低。直流電磁

13、鐵電壓一般為24伏。其優(yōu) 點是工作可靠，不會因閥芯卡住而燒壞，壽命長，體積小，但啟動力較交流電磁 鐵小，而且在無直流電源時，需整流設備。 電磁換向閥只是采用電磁鐵來操縱滑閥閥芯運動， 而閥芯的結構及型式可以 是各種各樣的，所以電磁滑閥可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通 和三位五通等多種型式。一般二位閥用一個電磁鐵，三位閥需用兩個電磁鐵。 按照氣壓驅動系統(tǒng)的控制要求，選用電磁換向閥的型號為34E1-125B。其中 “3”表示換向閥位置數(shù)， “4”表示氣口通路數(shù)， “E”表示直流電源， “125”表 示公稱流量為125L/min， “B”表示板式。其職能符號圖如圖7-3所示。 圖 7-3

14、 三位四通電磁換向閥的職能符號圖 三位電磁換向閥的閥芯在閥體孔內有 3 個位置，因此它需要 2 個電磁鐵，2 個中彈簧。當左、右電磁鐵均斷電時，閥芯在對中彈簧的作用下處于中間位置。 氣口 P、T、A、B 互不相通；當右邊電磁鐵通電（左邊電磁鐵斷電）時，閥芯在 推桿推動下移至左端位置，氣口 P 和 B，A 和 T 相通；當左邊電磁鐵通電（右邊 電磁鐵斷電）時，閥芯在推桿推動下移至右端位置，氣口P和A，B和T相通。 7．2．4 單向調速閥的選擇 單向調速閥一般根據(jù)流量調節(jié)范圍和使用條件， 根據(jù)市場上的單向調速閥性 能， 通過參考其他汽車清洗機的情況， 采用類比方法， 確定選用FCG-03-125-

15、N-30 型單向調速閥。其中“FC”表示單向調速閥， “G”表示底板安裝型， “03”表示 最大調節(jié)流量 125L/min，最小調節(jié)流量 0.2L/min， “N”表示帶壓力補償活塞開 度調節(jié)機構。 7．3氣動系統(tǒng)的工況分析 在本控制系統(tǒng)中有 2 個裙刷，4 個側刷，每個毛刷都安裝在毛刷支撐架上， 毛刷支撐架一端安裝軸承固定在設備的框架上，另一端與活塞桿相連，毛刷支撐 架在氣缸的驅動下就可旋轉。圖7-4為毛刷支撐架的實物圖。 圖 7-4 毛刷支撐架 在原位時，毛刷支撐架處于水平狀態(tài)，當氣缸進氣時，活塞桿伸長，毛刷支 撐架通過軸承就可實現(xiàn)旋轉運動，從而使毛刷接近車輛達到最佳清洗距離。當清 洗完后

16、，氣缸排氣，活塞桿退回，毛刷支撐架回到初始位置。 7．4 氣動系統(tǒng)原理圖 由于裙刷和側刷的驅動控制要求相同，故其氣壓系統(tǒng)原理相同。在控制系統(tǒng) 中速度的調節(jié)是采用單向調速閥實現(xiàn)的， 在實現(xiàn)裙刷和側刷清洗距離的調節(jié)以及 回位要求時，可采用三位四通電磁換向閥進行換向，同時為使氣源壓力與氣缸工 作壓力匹配，選擇調壓閥來滿足控制要求，其氣動系統(tǒng)原理如圖7-5所示。 圖 7-5 毛刷氣動原理圖 1—減壓閥；2—三位四通電磁換向閥；3—單向調速閥；4—氣缸 其中元件 1 為減壓閥，它的作用是將較高的輸入壓力調到規(guī)定的輸出壓力， 并能保持輸出壓力穩(wěn)定，不受空氣流量變化及氣源壓力波動的影響。減壓閥的調 壓方式有

17、直動式和先導式兩種。直動式是借助彈簧力直接操縱的調壓方式；先導 式是用預先調整好的氣壓來代替直動式調壓彈簧進行調壓。 一般先導式減壓閥的 流量特性比直動式好。 直動式減壓閥通徑小于 20～25mm，輸出壓力在 0～1MPa 范圍內最為適當， 超過這個范圍應選用先導式。根據(jù)汽車清洗機的工作特點，直動式減壓閥可以滿 足氣動系統(tǒng)的要求，故選擇直動式減壓閥。 在圖7-5中，元件2為三位四通電磁換向閥，其初始位置氣路關閉，裙刷和 側刷停在原位；洗車機開始工作后，電磁閥左位接通，氣缸進氣，活塞桿伸出， 毛刷支撐架開始轉動。當毛刷達到最佳清洗距離后，電磁閥斷電，工作在中位。當毛刷清洗完后，電磁閥右位接通，氣

18、缸排氣，活塞桿退回，毛刷支撐架回轉至 初始位置。 綜上所述，將各個系統(tǒng)組合在一起，再配以氣動三聯(lián)件（空氣過濾器、減壓 閥、油霧器）就形成了整個系統(tǒng)的氣壓驅動系統(tǒng)原理圖，如圖7-6所示。 圖 7-6 氣壓驅動系統(tǒng)原理圖 1—空氣壓縮機；2—后冷卻器；3—分水排水器；4—儲氣罐；5—壓力計；6—空氣過濾器； 7、9、13、17、21、25、29—減壓閥；8—油霧器；10、14、18、22、26、30—三位四通電 磁換向閥；11、15、19、23、27、31—單向調速閥；12、16、20、24、28、32—氣缸 結 論 通過這次對公交車高壓清洗設備課題的設計，使我從中學習到了很多知識， 增長了自己的

19、經驗，加強了自己的設計能力，并且更了解了機械、電氣、PLC自 動控制以及氣動系統(tǒng)之間的相互配合使用。 本系統(tǒng)設計主要是解決城市公交車能自動清洗的問題， 基于節(jié)水和環(huán)境保護 以及成本控制的要求，設計的一種既滿足公交站清洗速度快、效率高的要求，又 能節(jié)水環(huán)保且設備投資成本較低的洗車機，系統(tǒng)具有一體的經濟性和實用性。在 具體的設計過程中， 特別體會到理論必須和實際相結合。 雖然收集了大量的資料， 但是實際運用中卻有很多的差異，出現(xiàn)了許多意想不到問題。從一開始的確定課 題，到后來的資料查找、理論學習，再有就是近來的調試和測試過程，這一切都 使我的理論知識和動手能力進一步得到提高。 也因此鍛煉了自己在社

20、會上的適應 能力，為自己以后在社會上的工作打下了結實的基礎。 本課題主要完成的工作主要包括以下幾個方面： 1．通過對汽車清洗機功能的要求，清洗機清洗過程中各主要清洗機構運動 軌跡分析，完成了清洗機總體方案的設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)的技術性、經濟性和可靠 性的要求。 2．完成了汽車清洗機驅動系統(tǒng)的設計，采用了本質安全設計方案，使洗車 機在斷電、過載時各機件都能處于安全位置。同時采用模擬電路電流互感控制器 來控制毛刷與車身之間的距離，從而達到最佳的清洗效果。 3．完成了汽車清洗機控制系統(tǒng)的設計，硬件設計采用了 PLC控制器，提高 了控制系統(tǒng)運行的可靠性。軟件設計采用自動模式和手動模式之間的互鎖，保證 了洗車機的安全運行。