液压与气压卧式双面铣削组合机床液压系统设计.doc

液压与气压卧式双面铣削组合机床液压系统设计
《液压与气压传动课程设计》

课题名称： 卧式双面铣削组合机床液压系统的设计

姓 名
学 号
同组学生
专业班级
日 期

一、设计的目的和要求：
㈠设计的目的
液压传动课程设计是本课程的一个综合实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：
1.巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题能力；
2.正确合理地确定执行机构，选用标准液压元件；能熟练地运用液压基本回路、组合成满足基本性能要求的液压系统；
3.熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。对学生在计算、制图、运用设计资料以与经验估算、考虑技术决策、CAD技术等方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平。
㈡设计的要求
1.设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、先进性与操作维修方便。如果可以用简单的回路实现系统的要求，就不必过分强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单独考虑简单、经济；
2.独立完成设计。设计时可以收集、参考同类机械的资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。不能简单地抄袭；
3.在课程设计的过程中，要随时复习液压元件的工作原理、基本回路与典型系统的组成，积极思考。不能直接向老师索取答案。
4.液压传动课程设计的题目均为中等复杂程度液压设备的液压传动装置设计。具体题目由指导老师分配，题目附后；
5.液压传动课程设计一般要求学生完成以下工作：
⑴设计计算说明书一份；
⑵液压传动系统原理图一张（3号图纸，包括工作循环图和电磁铁动作顺序表）。
二、设计的内容与步骤
㈠设计内容
1. 液压系统的工况分析，绘制负载和速度循环图；
2. 进行方案设计和拟定液压系统原理图；
3. 计算和选择液压元件；
4. 验算液压系统性能；
5. 绘制正式工作图，编制设计计算说明书。
设计步骤
以一般常规设计为例，课程设计可分为以下几个阶段进行。
1.明确设计要求
⑴阅读和研究设计任务书，明确设计任务与要求；分析设计题目，了解原始数据和工作条件。
⑵参阅本书有关内容，明确并拟订设计过程和进度计划。
2.进行工况分析
⑴做速度-位移曲线，以便找出最大速度点；
⑵做负载-位移曲线，以便找出最大负载点。液压缸在各阶段所受的负载需要计算，为简单明了起见，可列表计算；

工 况
计 算 公 式
缸 的 负 载 F
缸的推力F/ηcm
启 动

加 速

快 进

工 进

快 退

注：ηcm——缸的机械效率，取ηcm=0.9
⑶确定液压缸尺寸
确定液压缸尺寸前应参照教材选择液压缸的类型，根据设备的速度要求确定d/D的比值、选取液压缸的工作压力，然后计算活塞的有效面积，经计算确定的液压缸和活塞杆直径必须按照直径标准系列进行圆整。计算时应注意考虑液压缸的背压力，背压力可参考下表选取。
系 统 类 型
背 压 力（MPa）
回路上有节流阀的调速系统
0.2～0.5
回路上有背压阀或调速阀的进给系统
0.5～1.5
采用辅助泵补油的闭式回路（拉床、龙门刨等）
1～1.5
⑷绘制液压缸工况图
液压缸工况图包括压力循环图（p-s）、流量循环图（q-s）和功率循环图（P-s），绘制目的是为了方便地找出最大压力点、最大流量点和最大功率点。计算过程可列表计算。
各阶段压力、流量和功率值
工 况
负载F（N）
液 压 缸
计 算 公 式
回油腔压力
流入流量
进油腔压力
输入功率
快进（差动）
启动

加速

恒速

工 进

快退
启动

加速

恒速

3.进行方案设计和拟定液压系统原理图
方案设计包括供油方式、调速回路、速度换接控制方式、系统安全可靠性（平衡、锁紧）与节约能量等性能的方案比较，根据工况分析选择出合理的基本回路，并将这些回路组合成液压系统，初步拟定液压系统原理图。
选择液压基本回路，最主要的就是确定调速回路。应考虑回路的调速范围、低速稳定性、效率等问题，同时尽量做到结构简单、成本低。
4.计算和选择液压组件
⑴计算液压泵的工作压力
⑵计算液压泵的流量
⑶选择液压泵的规格
⑷计算功率，选择原动机
⑸选择控制阀
⑹选择液压辅助元件
5.验算液压系统性能
⑴验算液压系统的效率
⑵验算液压系统的温升
6.绘制正式工作图，编制课程设计计算说明书
⑴液压传动系统原理图一张（3号图纸，包括工作循环图和电磁铁动作顺序表）
⑵整理课程设计计算说明书
液压系统原理图的标题栏如下所示：
图 　名
比 例

成绩

件 数

设 计

日 期
学号

共 张
第 张
审 核

日 期
湖北文理学院 机械与汽车工程学院
审 核

日 期

7.设计总结与答辩
⑴完成答辩前的准备工作。
⑵参加答辩。
三、进度安排
按教学计划安排，液压传动课程设计总学时数为1周，其进度与时间大致分配如下：

序号
设 计 内 容
天数（约占比例）
1
设计准备
0.5（约占10%）
2
液压系统的工况分析，绘制负载和速度循环图
0.5（约占10%）
3
进行方案设计和拟定液压系统原理图
1.5（约占30%）
4
计算和选择液压组件
1（约占20%）
5
验算液压系统性能
0.5（约占10%）
6
绘制正式工作图，编制课程设计说明书
0.5（约占10%）
7
设计总结与答辩
0.5（约占10%）
总计

5

四、答辩与成绩评定
课程设计完成后的全部图纸与说明书应有设计者和指导教师的签名。未经指导老师签名的设计，不能参加答辩。
由指导老师组成答辩小组，答辩时设计者按说明书编写顺序先对自己的设计进行5-10分钟的讲解，内容包括主要解决的问题，液压系统原理图的动作与控制信号来源，然后回答教师提问。每位学生答辩时间不超过20分钟。

目 录
1 设计题目 卧式双面铣削组合机床的液压系统设计...........1
2 工况分析...............................................1
2.1负载分析 ………………………………………………………............................1
3 液压系统方案设计.......................................3
3.1液压缸参数计算………………………………………………….......................3
3.2拟定液压系统原理图……………………………………………....................6
3.3液压元件的选择………………………………….…………….......................10
3.3.2阀类元件与辅助元件的选择………………………………................11
3.3.3油管的选择…………………………………………………........................12
4 液压系统性能验算 ………………………………………………14
4.1 验算系统压力损失并确定压力阀的调整值..............14
4.2 油液温升计算...........................................................................16
5 设计小结.............................................17
6 参考文献.............................................17

1．设计题目 卧式双面铣削组合机床的液压系统设计
试设计卧式双面铣削组合机床的液压系统。机床的加工对象为铸铁变速箱箱体，动作顺序为夹紧缸夹紧→工作台快速趋近工件→工作台进给→工作台快退→夹紧缸松开→原位停止。工作台移动部件的总质量为400kg，加、减速时间为0.2s，采用平导轨，静、动摩擦因数μs=0.2，μd=0.1。夹紧缸行程为30mm，夹紧力为800N，工作台快进行程为100mm，快进速度为3.5m/min，工进行程为200mm，工进速度为80～300mm/min，轴向工作负载为12000N，快退速度为6m/min。要求工作台运动平稳，夹紧力可调并保压。

2 工况分析
2.1负载分析
负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因工作部件是卧式放置，重力的的水平分力为零，这样需要考虑的力有：切削力，导轨摩擦力和惯性力。导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静摩擦力为，动摩擦力为,则
工作负载：
惯性负载：

静摩擦负载：
动摩擦负载：
如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表2-1。

表2-1 液压缸各运动阶段负载表

工况
负载组成
负载值F/N
推力
起动

800
889N
加速

517
574N
快进

400
444N
工进

12400
13778N
快退

400
444N

0.08
-6
V/m/min
3.5
根据负载计算结果和已知的各阶段的速度，可绘制出负载图和速度图
13778
577
F/N

3.5
577

0.3
0.3
444
889

0.08
0

L/mm
L/mm
300
200
100
0
L/mm
300
200
100

-889
-444

速度图
负载图

3 液压系统方案设计
3.1液压缸参数计算
组合机床液压系统的最大负载约为14000N，初选液压缸的设计压力=3MPa，为了满足工作台快速进退速度要求，并减小液压泵的流量，这里的液压缸选用单杆式的，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的等效面积与应满足=0.37（即液压缸内径D和活塞杆直径d应满足：d=0.607D。为防止铣削后工件突然前冲，液压缸需保持一定的回油背压，暂取背压为0.5MPa，并取液压缸机械效率=0.9。则液压缸上的平衡方程

故液压缸无杆腔的有效面积：

液压缸内径：
按GB/T2348-1980，取标准值D=80mm；因=0.37，故活塞杆直径d=0.607D=50mm（标准直径）
则液压缸有效面积为：

差动连接快进时，液压缸有杆腔压力必须大于无杆腔压力，其差值估取－=0.5MPa，并注意到启动瞬间液压缸尚未移动，此时△P=0；另外取快退时的回油压力损失为0.5MPa。根据假定条件经计算得到液压缸工作循环中各阶段的压力.流量和功率，并可绘出其工况图

表3—1液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

工作阶段
计算公式
推力
F（N）
回油腔压力
P2（MPa）
工作腔压力
P1（MPa）
输入流量
q（L/min）
输入功率
P（KW）
快进启动

871

0

0.44
0
0
快进加速

566

1.57

1.07

变化
变化
快进恒速

436

1.5

1.00

6.86

0.114

工进

13769

0.8

3.228

0.4~1.5

0.21~0.8
快退启动

871

0

0.284
0
0
快退加速
566
0.3

0.677
变化
变化
快退恒速
436
0.3

0.634

18.378

0.194

注：1.差动连接时，液压缸的回油口到进油口之间的压力损失.而
2.快退时，液压缸有杆腔进油，压力为，无杆腔回油，压力为

L/mm
100
200
300
8.617
1.5
0.4
0
q/L/min
q/L/min
q/L/min
q/L/min
液压缸的工况
0
0.35
0.75
/MPa
300
0.809
0.70
100
300
P/kw
0.45
0.43
0.15
0.68
0
L/mm
8.617
0.4
0
0
0.758
200
L/mm
8.967
1.5
0
300
200
100
0.34
200
100

3.2拟定液压系统原理图
3.2.1调速回路的选择

该机床液压系统的功率小（<1kw）,速度较低；钻镗加工时连续切削，切削力变化小，故采用节流调速的开式回路是合适的，为了增加运动的平稳性，防止钻孔时工件突然前冲，系统采用调速阀的进油节流调速回路，并在回油路中加背压阀。

3.2.2油源与其压力控制回路的选择
该系统为了节能，考虑采用变量叶片泵油源供油。

3.2.3快速运动与换向回路
由于系统要求快进与快退的速度相同，因此在双泵供油的基础上，快进时采用双泵供油回路，快退时采用液压缸有杆腔进油，无杆腔回油的快速运动回路。

3.2.4速度换接回路
由工况图可以看出，当动力头部件从快进转为工进时滑台速度变化较大，可选用行程阀来控制快进转工进的速度换接，以减少液压冲击。

3.2.5压力控制回路
在泵出口并联一先导式溢流阀，实现系统的定压溢流，同时在该溢流阀的远程控制口连接一个二位二通电磁换向阀，以便一个工作循环结束后，等待装卸工件时，液压泵卸载，并便于液压泵空载下迅速启动。

3.2.6行程终点的控制方式
这台机床用于钻、镗孔（通孔与不通孔）加工，因此要求行程终点的定位精度高因此在行程终点采用死挡铁停留的控制方式。

3.2.7组成液压系统绘原理图
将上述所选定的液压回路进行组合，并根据要求作必要的修改补充，即组成如下图1-3所示的液压系统图。为便于观察调整压力，在液压泵的进口处、背压阀和液压缸无腔进口处设置测压点，并设置
多点压力表开关。这样
只需一个压力表即能观
测各点压力。

图1-3液压系统原理图

液压系统中各电磁铁的动作顺序如表3-2所示。

动作名称
1YA
2YA
3YA
工作台快进
+
-
-
工作台工进
+
-
-
工作台快退
-
+
-
夹紧缸松开
-
+
+
3-2电磁铁动作顺序表

3.3液压元件的选择
3.3.1液压泵
液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为3.228MPa,如取进油路上的压力损失为0.8MPa,压力继电器调整压力高出系统最大工作压力之值为0.5MPa，则变量泵的最大工作压力应为

由工况图可知，液压泵应向液压缸提供的最大流量为18.378L/min，若回路中的泄漏按液压缸输入流量的10%估计，则液压泵的总流量应为

由于要求工作平稳，选取最大工作压力为液压泵额定压力的70%，则液压泵的额定压力为:

根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取YBX-B※L型变量叶片泵，其最大排量为25mL/r，压力调节范围为2.0—7.0Mpa，若取液压泵的容积效率，泵的转速为1500r/min
由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为0.634MPa,进油路压力损失0.3Mpa,流量为20.22L/min,取泵的总效率为0.75，则液压泵驱动电动机输出所需的功率为

根据此数值按JB/T10391-2002,，查阅电动机产品样本选取Y90L-4型电动机，其额定功率，额定转速

3.3.2阀类元件与辅助元件的选择
根据阀类与辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，可以选出这些液压元件的型号与规格见表3—3

表3—3元件的型号与规格
序号
元件名称
估计流量
L/MIN
额定流量
L/MIN
额定压力

额定压降

型号、符号
1
变量叶片泵
—
25
7
——
YBX-B※L
2
三位四通阀
55
80
16
<0.5
35DF3Y-E10B
3
行程阀
60
63
16
<0.25
AXQE-Ea10B
4
调速阀
0.4~1.5
0.2~80
16
—
AXQF-Ea10B
5
单向阀
60
63
16
0.2
AF3-Ea10B
6
单向阀
30
63
0.5-16
<0.2
AF3-Ea10B
7
液控顺序阀
22
63
16
<0.3
XF3-E10B
8
背压阀
0.2~0.8
63
16
—
YF3-E10B
9
溢流阀
5.1
63
16
——
YF3-E10B

10
单向阀
22
63
16
<0.2
AF3-Ea10B

11
过滤器
30
63
—
<0.2
XU-63*80J

12

压力表开关
——
——

16
——

KF3-Ea10B

13

单向阀

55

63

16

<0.2

KF3-Ea10B

3.3.3油管的选择
各元件间连接管道的规格按元件接口处尺寸决定，液压缸进、出油管则按输入、输出的最大流量计算。由于液压泵的具体选定之后液压缸在各阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算如表3—4所示
表3—4液压缸的进、出流量和运动速度
流量、速度
快进
工进
快退

输入流量/(L/min)

排出流量/(L/min)

运动速度/(m/min)

由表中的数据可知所选液压泵的型号、规格适合。
由表3—4可知，该系统中最大压力小于3MPa，油管中的流速取3m/s。所以按公式可计算得液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：

则选18mm的孔径。
3.3.4确定油箱容积：
油箱容积按《液压传动》式（7-8）估算，当取为7时，求得其容积

按JB/T7938-1999规定，取标准值V=250L。
4液压系统性能验算
4.1验算系统压力损失并确定压力阀的调整值
(1)快进
滑台快进时，液压缸差动连接，进油路上油液通过单向阀10的流量是22L/MIN，通过电液换向阀2的流量是20.22L/MIN，然后与液压缸的有杆腔的回油汇合，以流量51.80L/min通过行程阀3并进入无杆腔。因此进油路上的总压降为

此值不大，不会使压力阀开启，故能确保两个泵的流量全部进入液压缸。
回油路上，液压缸有杆腔中的油液通过电液换向阀2和单向阀6的流量都是28.2L/min，然后与液压泵的供油合并，经行程阀3流入无杆腔。由此可算出快进时有杆腔压力P2和无杆腔压力P1之差。

此值小于原估计值0.5Mpa,所以是偏安全的。
（2）工进
工进时，油液在进油路上通过电液换向阀2的流量为0.4~1.5L/min，在调速阀4处的压力损失为0.5Mpa;油液在回油路上通过换向阀2的流量为0.20~0.76L/min，在背压阀8处的压力损失为0.5MPa,通过顺序阀7的流量为22.2~22.76L/min，因此这时液压缸回油腔压力为

此值大于原估计值0.5Mpa,则重新计算工进时液压缸进油腔压力

与原计算数值3.761MPa相近。
考虑到压力继电器可靠动作需要压差，故溢流阀9的调压

（3）快退
快退时，油液在进油路上通过单向阀5的流量为22L/min，通过换向阀2的流量为20.22L/MIN；油液在回路上通过单向阀5、换向阀2和单向阀13的流量都是33.17L/min。一次进油路上的总压降为：

此值较小，所以液压泵驱动电动机的功率是足够的。回油路上的总压降是

所以，快退时液压泵的最大工作压力：

因此主泵卸荷的顺序阀7调压应大于0.862Mpa.
4.2油液温升计算
工进在整个工作循环中所占的时间比例达95%，所以系统发热和油液温升可用工进的情况来计算。
工进时液压缸的有效功率为：

此时泵在高压下供油，所以它的输入功率为：

系统效率0.0088，
由此得液压系统的发热量为：

温升近似值如下：

温升没有超出范围，液压系统中不需设置冷却器。

5设计小结
在这不到一周的课程设计中，能学到的东西真的很有限，但无疑来说收获还是巨大的，我想我知道了一般机床液压系统的设计框架而且我也掌握了设计一个液压系统的步骤，我想本次课程设计是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在液压知识学习方面的一次有意义的实践。
在本次课程设计中，我完成了自己的设计任务，通过这次设计，弄懂了一些以前书本中难以理解的内容，加深了对以前所学知识的巩固。在设计中，通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和设计技能等方面都得到了一次良好的训练。

6参考文献
1 液压与气压传动第四版 机械工业出版社
2液压系统设计简明手册 机械工业出版社
3 液压设计手册（电子版R1.0）. 北京：机械工业出版社

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