拖拉机水冷系统

拖拉机水冷系统,拖拉机,水冷,系统 浙江农林大学毕业设计(论文)任 务 书课题名称拖拉机水冷系统的设计及散热分析指导教师李彬学院工程学院专业农业机械化及其自动化班级农业机械111学生姓名陈光学号201102120811开题日期2014年11月27日一、主要任务与目标： 根据专业内容，结合自身兴趣，在广泛搜集、阅读相关文献资料的基础上，开展调查研究，确定毕业论文研究的方向和选题确认。进一步根据课题方向，通过互联网、中国期刊网、万方数据网和scidirect索引所收录的杂志、各大学报文章期刊，收集并深入阅读、研究前人研究资料，总结前沿成果，进行文献综述，翻译相关外文资料，确定研究的细节及实际意义。采用理论分析与实证研究相结合的方法，深入思考，解决问题，争取创新突破，采取严谨认真的科学态度解决设计课题。最后，按学校毕业论文的要求完成毕业论文任务。二、主要内容与基本要求： 主要内容：1. 拖拉机水冷系统的结构及工作原理；2. 研究拖拉机水冷系统的发展动向；3. 关键部件的设计及应力分析。基本要求：1. 结构合理，能够实现水冷功能；2. 制冷量达到预设计定要求；3. 尺寸大小与安装尺寸相匹配；4. 关键部件满足应力要求；5. 绘制三维CAD模型图。三、计划进度：1. 选题阶段 2013.11.152013.12.052. 任务书 2013.11.152013.12.153. 开题报告、外文翻译阶段 2013.12.072013.12.244. 撰写毕业论文阶段 2014.04.202014.06.09四、主要参考文献：1 张义,饶沛南,陈燕平.TGA18型内燃机车水冷主变流器的研制J.机车电传动. 2012（05） 2 牟俊彦,张磊.新型变流器水冷系统的设计J.内燃机车. 2013（03） 3 王晓远,刘云飞.基于FEM 的电动汽车用电机水冷系统分析J.微电机.2014（05）4 丁杰,电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析J.铁道机车车辆.2014（04）5 鲍子强.柴油机水冷系统优化设计J.内燃机.1992(04)6 邹档兵,荣智林, 翁星方,刘大.TGA16型动车组主变流器水冷系统的设计J.机车电传动.2014（05）7 谭天祥.内燃叉车水冷系统设计计算J.起重运输机械.1990(07)8 R. Best, W. Rivera.A review of thermal cooling systemsJ.Applied Thermal Engineering, Volume 75, 22 January 2015, 1162-1175 指导教师 2014年12月15日系 主 任 姚立健2014年12月15日毕业设计（论文）开题报告课题名称 拖拉机水冷系统的设计及散热分析 学 院 机械学院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2015 年3月5 日1 选题背景及其意义 拖拉机（tractor）用于牵引和驱动作业机械完成各项移动式作业的自走式动力机。也可做固定作业动力。由发动机、传动、行走、转向、液压悬挂、动力输出、电器仪表、驾驶操纵及牵引等系统或装置组成。发动机动力由传动系统传给驱动轮，使拖拉机行驶，现实生活中，常见的都是以橡胶皮带作为动力传送的媒介。按功能和用途分农业、工业和特殊用途等拖拉机；按结构类型分轮式、履带式、船形拖拉机和自走底盘等。随着我国拖拉机产业的升级以及大中型马力拖拉机应用的增多，拖拉机多用冷却系统开始受到拖拉机行业的认可和重视。本文着重介绍和研究我国拖拉机冷却系统的发展现状，冷却系统的重要意义。如果一台发动机,冷却系统的维修率一直居高不下,往往会引起发动机其他构件损坏,特别是随着车辆行驶里程的增加,冷却系统的工作效率逐渐下降,对发动机的整体工作能力产生较大影响,冷却系统的重要性在于维护发动机常温下工作,尤如人体的皮肤汗腺,如果有一天,人体的汗腺不能正常工作,那么身体内的热量将无法散去,轻则产生中暑,重则休克。 冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎，气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。 冷却过热过冷都是由于冷却系统存在问题造成的，所以对汽车发动机冷却系统的维修具有重要的意义。正常的冷却系统使发动机处于最合理的工作状态，保证了发动机的动力性、经济性以及耐久性。 从此，我们不难看出冷却系统是发动机正常运转的必备条件，如果冷却系统出现了问题，那么发动机肯定不能长时间有效的运转。而一旦冷却系统存在问题，我们却没有及时修理时，对我们的安全驾驶就造成了极大的隐患。 2 拖拉机在使用中的一些问题 拖拉机冷却系统存在的主要问题拖拉机经常在温度高、粉尘多及草屑多的恶劣环境中低速满负荷甚至超负荷工作。再加上小麦、玉米等农作物碎屑的覆盖使拖拉机在田间作业时散热条件很差。所以常常出现发动机过热。导致“水箱开锅”等现象。操作人员不得不经常停机冷却既影响拖拉机作业效率。又缩短了发动机零部件的使用寿命。3 研究内容本课题的研究生拖拉机的结构、工作原理，在现有结构的基础上，设计拖拉机水冷系统。.具体研究内容如下：1）了解拖拉机工作原理，重点了解需要发热部分。2）设计合理的水冷系统3）零部件力学分析4）水冷系统的散热分析5）完成水冷系统的建模 6）整理相关资料，编写说明书。4 研究方案 本课题的研究生拖拉机的结构、工作原理，在现有结构的基础上，设计拖拉机水冷系统水冷系的优点冷却效果好，布置紧凑，使用方便，噪声小，强制循环水冷系，目前的水冷系一般由水泵强制给水，在；冷却系中循环流动。 冷却系统的组成及工作原理水冷系大多由散热器，水泵，风扇，冷却水套和温度调节装置组成水泵强制冷却时循环，冷却时在水套内吸收热量后，流经散热器，将热量散发到空气中，然后再流入水套，如此魂环，保证发动机 在最佳的温度下工作。根据发动机温度的高低，水冷系有两种冷却循环路线，大循环和小循环。大循环，当发动机在正常热状态下工作室，即水温高于80度，冷却时应该全部流经散热器，形成大循环，此时节温器的主阀门完全开启，而侧阀门将旁通孔全部关闭小循环当水温低于70度是，水不经过散热器，而进行得循环流动6 进度计划 2015年2月 2015年3月：收集资料，确定设计系统总体方案，撰写开题报告及开题报告答辩。2015年3月2014年4月：设计计算、图纸绘制、毕业设计论文初稿。 2015年4月2014年5月：论文修改，图纸修改。 2015年5月 2014年6月：准备毕业答辩。参考文献1）工业机械设计 作者:李允文主编 出版社:北京市：机械工业出版社 出版日期:1996 2）90年代以来国外拖拉机产品的技术状况及发展张闽鲁，吴清分，洛阳拖拉机研究所471039-3）赵剡水，杨为民-农业机械学报4) 国外专用型拖拉机技术发展浅析吴清分-现代农业装备，2007年毕业设计(论文)题 目： 院 （系）： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2013年 6月 摘 要最初拖拉机是手动的，从发明到2013年已经有一百三十多年了，期间经历了由蒸汽驱动斗回转拖拉机到电力驱动和内燃机驱动回转拖拉机、应用机电液一体化技术的全自动液压拖拉机的逐步发展过程。第一台液压拖拉机由法国波克兰工厂发明成功。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲地悬挂式拖拉机。1951 年，第一台全液压反铲拖拉机由位于法国的 Poclain( 波克兰 ) 工厂推出，从而在拖拉机的技术发展领域开创了全新空间，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压拖拉机和履带式全液压拖拉机。初期试制的液压拖拉机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于拖拉机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压拖拉机进入推广和蓬勃发展阶段，各国拖拉机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压拖拉机产量已占拖拉机总产量的83%，已接近100%。第一代拖拉机：电动机、内燃机的出现，使拖拉机有了先进而合适的电动装置，于是各种拖拉机产品相继诞生。1899年，第一台电动拖拉机出现了。第一次世界大战后，柴油发动机也应用在拖拉机上，这种柴油发动机(或电动机)驱动的机械式拖拉机是第一代拖拉机。第二代拖拉机：随着液压技术的广泛使用，使拖拉机有了更加科学适用的传动装置，液压传动代替机械传动是拖拉机技术上的一次大飞跃。1950年德国的第一台液压拖拉机诞生了。机械传动液压化是第二代拖拉机。第三代拖拉机：电子技术尤其是计算机技术的广泛应用，使拖拉机有了自动化的控制系统，也使拖拉机向高性能、自动化和智能化方向发展。机电一体化的萌芽约发生在1965年前后，而在批量生产的液压拖拉机上采用机电一体化技术则在1985年左右，当时主要目的是为了节能。拖拉机电子化是第三代拖拉机的标志。关键词：拖拉机 液压 支架 有限元分析Abstract The first excavator is manual, from the invention in 2013 has been one hundred and thirty years, experienced a gradual development of the automatic hydraulic excavator rotary bucket excavator driven by steam to electric drive and internal combustion engine driven rotary excavator, application of mechatronics technology during the. The first hydraulic excavator factory in France invented successfully by poclain. The application of hydraulic technology, in twentieth Century 40 has been installed in the tractor equipped with hydraulic backhoe hanging type excavator. In 1951, the first full hydraulic backhoe excavator located by the French Poclain (POCLAIN) factory launched, thus creating a new space in the field of technology development of excavator, twentieth Century 50 in the early and metaphase develops towed all rotary hydraulic excavators and crawler hydraulic excavator. The early trial of hydraulic excavator hydraulic technology is used aircraft and machine tools, the lack of suitable excavator hydraulic components in various working conditions, the manufacturing quality is not stable enough, the pieces do not fully support. From twentieth Century since 60, hydraulic excavator into spreading and flourishing development stage, excavators manufacturing plant and breed increases quickly, production soared. During the period of 1968-1970 hydraulic excavator, excavator production accounted for 83% of total output, has close to 100%.The first generation of excavator: the emergence of motor, internal combustion engine, the excavator is an electric device of advanced and suitable, so all kinds of excavator product birth. In 1899, the first electric excavator appeared. After the first World War, the diesel engine is also used in excavator, this kind of diesel engine (or motor) excavator driver is the first generation of excavator.The second generation of excavator: with the widespread use of hydraulic technology, make the excavator with more scientific and suitable gearing, hydraulic transmission instead of mechanical transmission is a big leap in technology of excavator. The first hydraulic excavator was born in Germany in 1950. Mechanical transmission is the second generation of hydraulic excavator.The third generation of excavator: electronic technology especially the wide application of computer technology, the automatic control system of excavator has, also make the excavator to the development of high performance, automation and intelligent direction. Germination of electromechanical integration occurs around 1965, and in the mass production of hydraulic excavator on adopting the technology of Mechatronics in around 1985, when the main purpose is to save energy. Excavator electronic is a symbol of the third generation of excavator.Keywords: Hydraulic pressure finite element analysis目 录摘 要1目 录3第一章 绪论41.2 拖拉机平台特点51.3拖拉机水冷系统主要部件介绍6第二章 支架设计92.1支架的作用92.2支架的结构设计102.3支架力学分析10第三章 液压传动的工作原理和组成113.1工作原理113.2水冷系统的基本组成123.3研究的内容12第四章 水冷系统功能原理的设计124.1 明确技术要求124.2 执行元件的配置确定及动作顺序124.3 确定水冷系统主要参数134.3.1 计算和确定水泵的主要结构尺寸134.3.2 计算水泵所需流量144.4水冷系统图的拟定144.4.1制定液压回路方案144.4.2原理草图的绘制154.5 元件的选型与设计164.5.1 水泵的选择164.5.2液压控制阀的选择174.5.3液压辅助元件及工作介质的选择184.6 前景展望19第五章 零部件应力分析205.1 设计中的不足之处205.2 使用水冷系统要注意的问题20参考文献21设计总结22第一章 绪论1.1 拖拉机平台功能及其意义最初拖拉机是手动的，从发明到2013年已经有一百三十多年了，期间经历了由蒸汽驱动斗回转拖拉机到电力驱动和内燃机驱动回转拖拉机、应用机电液一体化技术的全自动液压拖拉机的逐步发展过程。第一台液压拖拉机由法国波克兰工厂发明成功。由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲地悬挂式拖拉机。1951 年，第一台全液压反铲拖拉机由位于法国的 Poclain( 波克兰 ) 工厂推出，从而在拖拉机的技术发展领域开创了全新空间，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压拖拉机和履带式全液压拖拉机。初期试制的液压拖拉机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于拖拉机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压拖拉机进入推广和蓬勃发展阶段，各国拖拉机制造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970年间，液压拖拉机产量已占拖拉机总产量的83%，已接近100%。第一代拖拉机：电动机、内燃机的出现，使拖拉机有了先进而合适的电动装置，于是各种拖拉机产品相继诞生。1899年，第一台电动拖拉机出现了。第一次世界大战后，柴油发动机也应用在拖拉机上，这种柴油发动机(或电动机)驱动的机械式拖拉机是第一代拖拉机。第二代拖拉机：随着液压技术的广泛使用，使拖拉机有了更加科学适用的传动装置，液压传动代替机械传动是拖拉机技术上的一次大飞跃。1950年德国的第一台液压拖拉机诞生了。机械传动液压化是第二代拖拉机。第三代拖拉机：电子技术尤其是计算机技术的广泛应用，使拖拉机有了自动化的控制系统，也使拖拉机向高性能、自动化和智能化方向发展。机电一体化的萌芽约发生在1965年前后，而在批量生产的液压拖拉机上采用机电一体化技术则在1985年左右，当时主要目的是为了节能。拖拉机电子化是第三代拖拉机的标志。1.2 拖拉机平台特点1.2.1拖拉机系统的优点拖拉机系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控系统、液力增压式电控系统和高压式电控系统。高压系统可实现在传统系统中无法实现的功能，其优点有：a. 系统中的压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b. 可独立地柔性控制正时，配合高的喷射压力（ 120MPa200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。c. 柔性控制速率变化，实现理想规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。d. 由电磁阀控制，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。由于高压系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。1.3拖拉机系统主要部件介绍图 1 为高压电控系统的基本组成图。它主要由电控单元、驱动机构、轮毂部件、电控部分以及各种传感器等组成。低压液压缸将液压输入驱动机构，驱动机构将液压加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的液压经过液压传动，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的定时、持续期由电液控制的电子器将液压喷入气缸。1.3.1 驱动机构 驱动机构的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于系统中压力的产生于过程无关，且正时也不由驱动机构的凸轮来保证，因此驱动机构的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。 bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞缸来产生高达 135Mpa 的压力。该驱动机构在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统驱动机构的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压腔中的压力的控制是通过对腔中液压的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞缸中的一个压油单元使供油量减少。 日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列缸来产生高压，如图 2 所示。该驱动机构对油量的控制采用了控制低压液压有效进油量的方法，其基本原理如图 3 所示。a 柱塞下行，控制阀开启，低压液压经控制阀流入柱塞腔；b 柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压液压经控制阀流回低压腔；c 在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的液压被压缩，液压经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；d 凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压液压进入柱塞腔进入下一个循环。 该方法使驱动机构不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与驱动机构凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。1.3.2 轮毂部件 轮毂部件将供油缸提供的高压液压分配到各器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的供轨管如图 4 所示。它的容积应削减驱动机构的供油压力波动和每个器由过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压缸的最大循环供油量为 600 mm3 ，轮毂部件容积为 94000 mm3 。高压轮毂部件上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在器出现液压漏泄故障时切断向器的供油，并可减小和液压传动中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。 从上述分析可见，精确设计高压轮毂部件的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。1.3.3 电控部分电控部分是式液压系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的液压以最佳的定时、量和率喷入柴油机的燃烧室。 BOSCH 和 ECD-U2 的电控部分的结构基本相似，都是由于传统器相似的嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控部分结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的液压压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，器开始；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭器完成过程。 控制了率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在结束时不能实现快速的断油，使后期的液压雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大量合理选择。控制量孔 A 、 Z 的大小对嘴的开启和关闭速度及过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对器的性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了嘴针阀的开启速度，而嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使嘴针阀有足够的关闭速度，以减少嘴喷射后期雾化不良的部分。 此外嘴的最小压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了嘴针阀完全开启的稳定、最短过程，同时就确定了嘴的稳定最小量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使液压温度对嘴量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的规律。 由于高压喷射系统的喷射压力非常高，因此其嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，液压流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，液压雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。对于器电磁阀，由于系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道，本文不再对此进行分析。1.3.4 液压传动 液压传动是连接轮毂部件和电控部分的通道，它应有足够的液压流量减小液压流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压液压的冲击作用，且起动时中的压力能很快建立。各缸液压传动的长度应尽量相等，使柴油机每一个器有相同的压力，从而减少发动机各缸之间量的偏差。各液压传动应尽可能短，使从到嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的液压传动的外经为 6mm ，内径为 2.4mm ，日本电装公司的液压传动的外经为 8mm ，内径为 3mm 。第二章支架设计2.1支架的作用支架再本系统中有着很重要的作用。支撑着很多的管路部件，要给这些部件提供称重，和稳定性。稳定性是本系统的一个重要影响因素。管路的稳定性，能够防止泄露，防止元器件在工作过程中发生震动而松弛。所有本系统中支架的设计至关重要。2.2支架的结构设计如下图所示为支架的设计结果其主要功能为支撑管路部件，防止工作过程中产生震动，固定管路部件，使其在工作过程中稳定。支架采用不锈钢板，厚度为10mm2.3支架力学分析2.3.1有限元介绍本设计使用有限元方法对支架进行力学分析在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析。方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。第三章液压传动的工作原理和组成3.1工作原理液压传动是以液体为工作介质，利用压力能来驱动执行机构的传动方式。 该装置工作台的水冷系统是由油箱、过滤器、水泵、溢流阀、节流阀、换向阀、水泵以及连接这些元件的油管、接头等组成。1）工作原理如下：电动机驱动水泵经滤油器从油箱中吸油，油液被加压后,从缸的输出口输入管路。油液经开停阀、节流阀、换向阀进入水泵，推动活塞而使工作台左右移动。水泵里的油液经换向阀和回油管排回油箱。2）工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入水泵的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入水泵的油量减少，工作台的移动速度减少。由此可见，速度是由油量决定的。3.2水冷系统的基本组成1）能源装置水泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。2）执行装置液压机（水泵、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。3）控制装置液压阀（流量阀、压力阀、方向阀等）。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向。4）辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。5）工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。3.3 研究的内容(1)确定整体方案及拟定水冷系统图(2)确定水冷系统参数，选择液压元件水泵的选择水泵的选择液压控制阀的选择油箱及工作介质的选择第四章 水冷系统功能原理的设计4.1 明确技术要求4.2 执行元件的配置确定及动作顺序本机的执行元件在运行过程中的运动形式是往复直线运动，尺寸和质量比较小，安装简单，因此选用水泵中的单杆活塞缸。本机的动作顺序是启动时从原位先快进，然后达到工进，然后制动。往返时从停留位置快推到原位。 4.3 确定水冷系统主要参数4.3.1 计算和确定水泵的主要结构尺寸 单杆活塞缸的主要结构尺寸，设计如下： 无杆腔为主工作腔，则， P1A1-P2A2=Fmax/cmA1=D2/4A2=(D2-d2)/4式中 P1 主工作腔压力，Pa; P2 回油腔压力（背压力），Pa;A1 无杆腔的有效面积，m2;A2 水泵有杆腔活塞的有效面积，m2;Dd 水泵活塞（缸筒）内径、活塞杆直径，m;Fmax 水泵的最大负载力，N;cm 水泵机械效率，一般取cm=0.90.97。 通常，水泵以无杆腔作为主工作腔，即活塞杆受压工作，活塞面积为 A1=1P1(Fcm + P2 A2) 运用此公式确定缸的尺寸时，须事先确定A1 和A2的关系或活塞杆径d与活塞直径D的关系。杆径比=d/D可按压力来取。表1 按压力选取=d/D压力/ Mpa5.05.07.07.0杆径比=d/D0.50.550.620.700.7而（m） j因为设计压力10 Mpa5.0 Mpa，系 统 结 构 情 况 背 压 力 pb ( MPa)用节流阀的回路节流调速系统 0.30.5对中高压水冷系统背压力数值应放大50%100%用调速阀的回路节流调速系统 0.50.8 回有路上有背压阀的系统0.51.5 采用辅助缸补油的闭式回路 0.81.5表2 水冷系统背压力则根据表2可选杆径比=d/D=0.50.55，取=d/D=0.7由于该系统比较简单，属于一般轻载节流调速，则 背压力P2=0.20.5 Mpa，取P2=0.5 Mpa， 水泵机械效率cm取0.9， 代入式 j，可得D=60.26mm，则d=42mm根据液压工程式设计手册，查的可知，可选取HSG01-63/dE型号的水泵，缸径D为63mm，活塞杆直径d为45mm，最大行程为750mm，符合要求。4.3.2 计算水泵所需流量水泵的最大流量qmax qmax=Avmax式中 A水泵的有效面积，m2vmax水泵的最大速度则，qmax=Avmax=d2 *vmax =3.140.02 =62.3110-6m3/s=62.31ml/s4.4水冷系统图的拟定4.4.1制定液压回路方案1)方向控制与调速方式方案的拟定方向控制方案的拟定，此装置是做简单的往复直线运动，则采用标准的普通换向阀进行换向即可，此机构采用三位四通手动换向阀。 调速方式方案的拟定，此装置功率较小，负载变换不大，速度变化小，因此，采用节流调速。 2）油路的循环形式 由于此系统选用了节流调速方式，则系统必然为开始循环系统。 3）动力源方案的拟定水冷系统的工作介质完全由液压源提供，液压源的核心是水泵。液压源型式与调速方案有关，此系统采用节流调速方案，则只能采用定量缸作为液压源。4）压力控制方案的制定水冷系统的工作压力必须与所承受的负载相适应。对于定量缸供油的节流调速系统，系统应采用溢流阀与水泵相连进行恒压控制。综上所述，本系统的主要回路部分是进油路节流调速回路以及回油路的平衡回路。4.4.2原理草图的绘制由图可知，当换向阀处于（a）位置时，系统处于停车状态，处于（b）位置时，系统启动水泵带动工作台工作，处于（c）位置时水泵往回收缩。因此可见，通过换向阀，可以改变压力油的通路，使水泵不断换向以实现工作台的往复直线运动。在回油路设置顺序阀与单向顺序阀，当回油路的油液压力小于H型顺序阀设定的压力值时，顺序阀处于关闭状态；当油液压力大于顺序阀设定的压力值时，顺序阀才会打开，这种设置可避免活塞杆在向下运动的过程中由于压板重力而失控，增加了设备的安全系数。4.5 元件的选型与设计选择液压元件时一般应考虑以下问题：j应用方面的问题，如主机的类型、原动机的特性、环境情况、安装形式及外形连接尺寸、货源情况及维护要求等。k系统要求，如压力和流量的大小、工作介质的种类、循环周期、操纵控制方式等。l经济性问题，如使用量，购置及更换成本，货源情况及产品质量和信誉等。m应尽量使用标准化，通用化及货源条件较好的元件，以缩短制造周期，便于零部件的互换和维护。4.5.1 水泵的选择j计算水泵的最大工作压力P（Pa） 水泵的最大工作压力P取决于执行元件的最大工作压力，即 PpP1+P式中 P1水泵的最大工作压力，Pa P系统进油路上的总压力损失，Pa，简单系统取 P=（0.20.5）106Pa,则ppP1+P=10106Pa+0.5106Pa =10.5106Pak计算水泵的最大流量qp（m3/s） 取决于系统所需流量qvqpqv=K（q）max式中，qv系统所需流量；K系统的泄漏系数；一般取1.11.3（大流量取小值，小流量取大值）（q）max同时动作时水泵的最大总流量，对于工作过程始终用流量阀节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取（0.0330.05）10-3 m3/s则 qpqv=K（q）max=1.3(4510-6 +62.3110)=139.50310 m3/s其中 K取1.3；溢流阀的最小溢流量取0.04510-3 m3/s l选择水泵的技术规格为了保证系统不致因为过渡过程中过高的动态压力作用被破坏，水泵应有一定的压力储备量，所选缸的压力一般要比最大工作压力25%60%。 该系统选用齿轮缸，则根据CB-B型齿轮缸技术规格，选择产品型号CBT-E308的齿轮缸。 产品型号排量（ml/r）转速范围（r/min）额 定 压 力（Mpa）CBT-E3088800300016m计算水泵的驱动功率并选择电动机a 驱动功率的计算在工作循环中，缸的压力和流量比较恒定，则水泵驱动功率Pp应按下式计算 Pp=pp qpcm式中，Pp 、qp为水泵的最大工作压力（Pa）和最大流量(m3/s)，cm为水泵的总效率则 Pp= pp qpcm=(1010 Pa139.50310 /s)/0.9 =1550W其中，pp取值10106Pa，qp取值139.50310-6m3/s，cm取值90%。b 电机的选择，固定设备的水冷系统，其水泵通常用电机驱动。根据上述算出的功率和水泵的转速及使用环境，根据G/T9616-1999，Y系列（IP44）三相异步电动机主要技术参数可知，选用Y801-4型号的电动机比较合适。其技术参数如下表：型号额定功率/kW满载转速/(r/min)最大转矩/Nm净重/kgY100L1-42.214302.234此电机为一般用途的电动机，为全封闭结构自扇冷式，能阻止灰尘、铁屑、杂物侵入电动机内部。具有体积小、重量轻、效率高、耗电小、振动小、运行可靠和维修方便的特点，适用于灰尘多、土扬水溅的场合。4.5.2液压控制阀的选择液压控制阀式液压技术中品种与规格最多，应用最广的元件。此系统为一般液压传动系统，因此，所选用的都是标准的普通液压阀。液压传动中选择合适的液压阀，使系统的设计合理，性能优良，安装、维修方便，并保证该系统正常工作的重要条件一个水冷系统各部分回路通过的流量不可能都相同。因此，不能单纯根据水泵的额定输出流量来选择阀的流量参数，而应该考虑到水冷系统在所有设计工作状态下各部分阀可能通过的最大流量。除按系统功能需要选择液压控制阀的类型以外，还要考虑各个阀的额定压力、通过流量、安装形式、动作方式、性能特点等。在回路设置平衡阀，防止水泵因压板重力而失控。平衡阀属于调节阀范畴，工作原理是通过改变阀芯与阀座的间隙（即开度），改变流体流经阀门的流通阻力，达到调节流量的目的。平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件。溢流节流阀是节流阀与溢流阀并联而成的组合阀，它能补偿因负载变化而引起的流量变化。溢流节流阀能使系统压力随负载变化，没有调速阀中减压阀口的压差损失，功率损失小，是一种较好的节能元件，但流量稳定性较差一些，尤其在小流量工况下更为明显。4.5.3液压辅助元件及工作介质的选择j油箱容量的确定，本系统使用矩形的油箱 油箱容量的经验公式为： V=qp式中 V油箱的有效容积，L；qp水泵的总额定流量，Lmin；与主机类型及系统压力有关的经验系数，低压系统=24V=qp=2.1*（8ml/r1430r/min）=2.111.44L/min=24.024L =2.1 min根据JB/T 7938-2010，可选工称容量为25L的油箱。k过滤器的选择 本系统使用普通过滤器，过滤精度为10100m，可防止环境污物侵入，同时还有足够的流通能力，保证油箱中液位升降时通气顺畅。l油管和管接头的确定油管的作用是将液压元件连接起来组成水冷系统，为进入系统及返回油箱的油液提供通路。本系统选择硬管，其尺寸由与它连接的液压元件的有口尺寸决定。 管接头用于油管与油管油管与元件的连接。一般选择耐压能力高、流通能力大、装卸方便、连接牢固、密封可靠、外形紧凑的尺寸合适的即可。m液压工作介质的选定液压工作介质的功用是载能和润滑、冷却。考虑到其工作环境、工作条件、油液质量、经济性等因素，可选用适用于低压系统的精制矿物油。 4.6 前景展望本课题所设计的拖拉机，在工业上面使用非常广泛，并且与国民经济仅仅相扣。s第五章 零部件应力分析5.1有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件有限元模型：它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。5.2有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。本次分析针对振动平板夯中的侧板支架进行分析。第一步将模型导入ansys软件打开有限元软件，ansys如下图所示，点住static structural拖到project界面线弹性有限元是以理想弹性体为研究对象的，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；应力与应变也是线性关系，线弹性问题可归结为求解线性方程问题，所以只需要较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助于降低有限元分析的时间。线弹性有限元一般包括线弹性静力学分析与线弹性动力学分析两方面。非线性问题与线弹性问题的区别：1）非线性问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解；2）非线性问题不能采用叠加原理；3）非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。有限元求解非线性问题可分为以下三类：然后右击gemotery选择模型的路径，打开模型如上图所示5.2.2前处理材质设定第二步，对模型进行材质设定如下图所示，点击assignment，在右边弹出选项条中选择structural steel结构钢1）材料非线性问题材料的应力和应变是非线性的，但应力与应变却很微小，此时应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料的非线性问题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的本构关系，所以，一般材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据，有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟，尽管这些模型总有他们的局限性。在工程实际中较为重要的材料非线性问题有：非线性弹性（包括分段线弹性）、弹塑性、粘塑性及蠕变等。5.2.3前处理网格划分有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件有限元模型：它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。几何非线性问题几何非线性问题是由于位移之间存在非线性关系引起的。当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。对模型进行网格划分如下图所示，点击模型，然后右击点mesh，点击element size，设定网格的大小，如图所示，设定网格大小为10mm设定完毕以后右击mesh，软件对模进行网格划分，几何非线性问题几何非线性问题是由于位移之间存在非线性关系引起的。当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题。网格划分结束以后的效果图如下非线性边界问题在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。平时遇到的一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性问题。非线性边界问题5.2.4边界条件设定有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件有限元模型：它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。非线性边界问题在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。平时遇到的一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性问题。前处理完毕以后，需要对模型进行边界条件设定如下图所示，上图为设定位移约束，由于在工作过程中，支架的两个圆孔部分与轴连接可以看做相对静止，将其设定为0位移。设定参数为displacement三个方向的位移都为0同理对右边的支架进行设定，设定方法与上面一样设定完位移约束，还需要对模进行受力设定有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。如图上图所示，在对两个圆孔部分进行位移约束以后，对支架下面进行受力约束，在工作过程中，支架下面受到冲击力，所以可以模拟，在其下面施加一个力。如图所示，在下面施加向上的力200N5.2.5计算有限元法：把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元（子域）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解，由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件有限元模型：它是真实系统理想化的数学抽象。由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。设定完毕，点击solve进行计算计算结果包括Equivalent stressEqulivalent elastic strainTotal deformation参考文献1 张浩,党新安. 全高压液压机传动系统设计J. 重庆工学院学报, 2006，20(08):54-56.2 张增林，关正，王志民等.MKJ一1型高密度牧草捆包机J.农牧与食品机械，1992（03）：33-34；3 禹振军. Y K - 1 0 型液压打捆机的设计J.农业机械，2007；4 秦丽君. 捆扎机自动控制系统J. 职大学报, 2000(02)；5 王春光，李林，童淑敏等. 打捆机草捆后捆绳张力的测试研究J.内蒙古农牧学院学报，1998，15（03）；6乔中华，王海栓.全自动打捆机水冷系统分析J.山西机械，2001；7赵洪刚.饲草压捆机动态特性仿真研究D.东北林业大学，2007；8刘祥鹏，孙传祝，姜常尊，陈鲁光. 小型方草捆 捆机压缩机构设计J.山东理工大学，2012，12；9魏春雨，高兴岐，薛凤英，刘金国. 打捆机驱动系统的设计和受力分析J.鞍山科技大学，2002，31（04）；10 Chen Gong,Li Liang,Ma Xianghua et al.Steelstrapping machineline junctionstrength andformingconditions of theexperimental study of J.University of Science and Technology Beijing,2001,05;11LiLiang,ChenGong,YanJohn.Steel wireknottingclasscharacteristics ofbalerline analysisJ. of University of Science and Technology Beijing,2001,3设计总结通过三个月的努力付出，在指导老师与同学们的帮助下，毕业设计任务才得以完成。在这三个月的时间里，我不停地上网查阅资料，去图书馆翻阅文献，做笔记，画草图，往往因为一个数据而忙的焦头烂额。这三个月里，应该是酸甜苦辣都有的。本是春暖花开的季节，我们却不得不埋头于一大堆枯燥的文献中，进行一项一项繁琐的工作，将所学的知识一遍一遍回放，疲惫是不言而喻的，但是任务完成时的那份喜悦只有自己体会的最深。课程设计是一个学习与实践的过程，不仅提高了我的资料整理能力和知识整合能力，还培养我科学严谨的学习态度。生活本身就是学习与实践的过程，但是今后的生活肯定不如在学校来的一帆风顺。毕业设计已经完成，再过不久，我就要迈出学校的大门，离开这个曾经承载了我许多梦想与期望的学校。社会是另一所学校，与现在不同的是我们需要用自己现有的能力为自己争取一席容身之地。社会是残酷的，竞争无处不在，淘汰无处不在，我们将在竞争中成长，在拼搏中蜕变，用汗水与努力赢得属于自己的未来。大学生活就要结束了， 我们用自己的努力完成最后一份答卷，带着母校的期望走向社会，开创自己的人生！31