液压课程设计说明书----专用卧式铣床.doc

(完整word版)液压课程设计说明书----专用卧式铣床
目录
一 前言 1
1.1课程设计的目的： 1
1.2课程设计题目： 1
1.3课程设计主要完成的主要内容： 1
二 工况分析 2
2.1负载分析 2
2.2运动分析 5
三 确定液压缸的参数 6
3.1初选液压缸的工作压力 6
3.2 确定液压缸尺寸 7
3.3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值 8
3.4绘制液压缸工况图 10
四 拟定液压系统图 11
4.1选择液压回路 11
4.2 液压原理图 12
五 选择液压元件 14
5.1 选择液压泵和驱动电机 14
5.2 选择控制元件 15
5.3 选用辅助元件 15
六 液压系统性能验算 17
6.1 油路中的压力损失 17
6.2液压系统的效率 18
6.3 液压系统的发热温升验算 19
七 液压缸的设计与计算 20
7.1 计算液压缸的结构尺寸 20
总结 23
参考文献 24

第 28 页

一 前言 有一点点数据错误，要高分画图很重要
1.1课程设计的目的：
《液压传动与控制》课程设计是机械设计制造及其自动化专业学生在学完《流体力学与液压传动》课程之后进行的一个重要的实践性教学环节。学生通过本课程设计能够进一步熟悉并掌握液压传动与控制的基本概念、熟悉液压元件结构原理、熟悉液压基本回路、掌握液压系统图的阅读方法及基本技能、能够综合运用本课程及工程力学、机械设计等有关课程的知识设计一般工程设备液压系统。同时，学生通过本课程设计可在以下几方面得到训练：
①正确进行工程运算和使用技术文件、技术资料的能力；
②掌握系统方案设计的一般方法；
③正确表达设计思想的方法和能力；
④综合利用所学知识解决工程实际问题的能力。
1.2课程设计题目：
设计一台专用卧式铣床的液压系统，要求液压系统完成“快进—工进—快退—停止”的工作循环。已知：铣削阻力最大为10000N，工作台、工件和夹具的总重量为5500N，工作台快进行程为300mm，工进行程为100mm，快进、快退速度为4.5m/min，工进速度为60—1000mm/min，加、减速时间为0.05s，工作台采用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。
1.3课程设计主要完成的主要内容：
1.设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、先进性及操作维修方便。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、基本回路及典型系统的组成，积极思考；
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.液压传动课程设计要求学生完成以下工作：
(1) 液压系统原理图1张；
(2) 部件工作图和零件工作图若干张；
(3) 设计计算说明书1份

二 工况分析
工况分析就是分析液压执行元件在工作工程中速度和负载的变化规律，求出工作循环中各动作阶段的负载和速度的大小，并绘制负载图和速度图。从这两图中可明显看出最大负载和最大速度值及二者所在的工况。这是确定系统的性能参数和执行元件的结构参数（结构尺寸）的主要依据。

（a） 工况循环图

2.1负载分析
在负载分析中，先不考虑回油腔的背压力。因工作部件是水平放置的，重力的水平的分力为零，在运动过程的力有轴向切削力、导轨摩擦力、惯性力三种。导轨的正压力等于动力部件的重力。
（1）工作负载 FL ： FL=10000N
（2）摩擦负载 Ff ： fd=0.1 fs=0.2
静摩擦负载： Ffs = Fn fs=55000.2=1100N
动摩擦负载： Ffd = Fnfd=55000.1=550N
（3）惯性阻力Fm： Fm==

同时考虑到液压缸密封装置的摩擦阻力（作为内负载阻力，考虑计入液压缸的机械效率，取液压缸的机械效ηm=0.9），工作台的液压缸在各工况阶段的负载值列于表2.1中，负载循环图如图2-1所示。

表2.1液压缸在各阶段的负载F和缸的推力F
工况
负载组成
负载值F
液压缸推力F、=F/ηm
起动
F=Ffs
1100N
1222.2N
加速
F==Ffd +Fm
1391.8N
1546.4N
快进
F=Ffd
550N
611.1N
工进
F= Ffd+ FL
10550N
11722N
反向起动
F=Ffs
1100N
1222.2N
加速
F= Ffd + Fm
1391.8N
1546.4N
快退
F=Ffd
550N
611.1N
注：ηm——缸的机械效率，取ηm=0.9

图:2.1：负载循环图

2.2运动分析

图2.2：速度循环图

三 确定液压缸的参数

3.1初选液压缸的工作压力
执行元件的参数确定

表(3.1)不同负载条件下的工作压力

负载F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
液压缸的工作压力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
5～7

表（3.2）各类机械常用的工作压力

设备类型

机床

农业机械、小型工程机械、工程机械中的辅助机构、船舶机构

压力机重型机械、起重运输机械、船舶起货机、大中型挖掘机

磨床
车、镗、铣
组合机床
拉床龙门刨床
工作压力/MPa
0.8～2
2～4
3～5
<10
10～16
20～32
由表（3.2）选取工作压力P=3.0MPa

表（3.3）液压系统中背压力的经验数据表
回路特点
背压力 P2/Pa
进口调速
（
进口调速，回油腔装背压阀
（
出口调速
（
闭式回路，带补油辅助泵

工作压力超过25 MPa的高压系统

采用内曲线液压马达

3.2 确定液压缸尺寸
3.2.1液压缸内径与活塞直径
由于动力滑台快进和快退速度相等，这里的液压缸可选用单活塞杆式差动液压缸（A1=2A2），快进时液压缸差动连接。工进时为防止车铣时负载突然消失发生前冲现象，液压缸的回油腔应有背压，参考表上章（2.4）选择背压为P2=0.5MPa。

工进时液压缸的推力公式为： F/ηm =P1A1-P2A2= P1A1-P2A2
式中： F————负载力
P1————液压缸无杆腔压力
P2————液压缸有杆腔压力
A1————液压缸无杆腔有效作用面积
A2=————液压缸有杆腔有效作用面积
ηm————液压缸机械效率
根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积A1 为：
A1 10-6
=10550{（3.0- ）0.9106}=4.2810-3 m2
D== 73.9 mm
由于液压缸采用差动连接，故：

按GB/T2348-2001将直径元整成就进标准值
D=80mm d=56 mm
根据整圆后的液压缸内径和活塞杆直径，可得到液压缸有杆腔和无杆腔的实际工作有效面积：
A1=πD2/4=50.26cm2
A2=π(D2-d2)/4=26cm2

3.3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值
根据液压缸的负载循环图及液压缸的有效工作面积，可以计算出液压缸在工作循环各个阶段的压力、流量和功率。当液压缸做差动连接快进时，由于管路中有压力损失，液压缸有杆腔的压力必须大于无杆腔中的压力，此处选管路压力损失 =0.5MP,则有杆腔压力为P1= P2+= P1+0.5。液压缸工进时回油腔中的被压P2=0.5MPa，快退时回油腔中背压为P1=0.5MP。

表3.3 液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率计算表
工况
推力
F/N
回油腔压力P2/MPa
进油腔压力P1/MPa
输入流量
输入功率
计算公式
快进
启动
1222.2
0
1.07
—
-

加速
1546.4

△P=0.5
1.21
—
-
恒速
611.1
0.81
10.68
0.14
工进
11722
0.5
2.38
5.24
0.21

快退
启动
1222.2
0
0.46
—
-

加速
1546.4
0.5
1.53
—
-
恒速
611.1
1.17
13.25
0.26

3.4绘制液压缸工况图
根据上述液压缸中各个阶段的压力、流量和功率的计算结果，可绘制液压缸的工况图。

图3.1液压缸工况图

四 拟定液压系统图
4.1选择液压回路
(1)选择油源形式
由工况图（3.1）可知，该液压系统在快进和快退时，所需要的流量比较大，而且比较相近，在工进时所需流量较小，所以从提高系统效率、节省能量角度来看，选用单定量泵油源显然是不合理的，为此可选用限压式变量泵或双联叶片泵作为油源。但前者流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，且后者可双泵同时向液压缸供油实现快速运动，最后确定选用双联定量叶片泵方案。
(2)选择调速回路
由工况图（3.2）可知，这台机床液压系统功率较小，滑台运动速度低，工作负载为阻力负载且工作中变化小，故可选用进口节流调速回路。为防止铣完工件时负载突然消失引起运动部件前冲，在回油路上加背压阀。由于系统选用节流调速方式，系统必然为开式循环系统。
(3)速度换接回路
由于快进和工进之间速度需要换接，但换接的位置要求不高，故快进时采用在回油路加二位三通电磁换向阀和与在进油路上的调速阀上并联一个二位二通电磁换向阀实现差动连接。该连接方式能在不增加液压泵流量的情况下提高液压元件的运动速度，实现速度的平稳接换。

4.2 液压原理图

图4.1液压系统原理图

1—定量叶片泵 2—背压阀 3—溢流阀 4—三位四通电磁换向阀
5—二位二通电磁换向阀 6—调速阀 7—二位三通电磁换向阀 8—液压缸 9—滤油器

系统各个阶段的工作状态：
1.快进
按下启动按钮，电磁铁2YA和电磁铁3YA得电，电磁铁4YA不得电（入如图所示状态），此时从液压缸右腔流出来的油液经油管路又流回液压缸左腔，形成差动连接。
油路：定量泵1——换向阀4（左位）——换向阀5（右位）液压缸左腔——液压缸右腔——换向阀7（左位）——液压缸左缸(形成差动连接)
2．工进
当铣刀运动到预定的位置时，电磁铁3 YA与电磁阀4YA将会得电，换向阀5与换向阀7则自动换向，此时系统的压力上升，速度降低。
油路：定量泵1——换向阀4（左位）——调速阀6——液压缸8——换向阀7（右位）——换向阀4（左位）——背压阀2——油箱
3.快退
当铣刀完成工进，运动到预定的位置时，电磁铁1YA与电磁铁3YA得电，换向阀4与换向阀5自动换向，此时系统的油压又减低，速度增加。
油路：定量泵1——换向阀4（右位）——换向阀7（右位）——液压缸8——换向阀5（右位）——背压阀2——油箱
4.停止
当铣刀完成快退，运动预定位置时，电磁铁1YA再次得电，换向阀4自动换向，此时油路不通。
油路:定量泵1——溢流阀3——油箱

五 选择液压元件
5.1 选择液压泵和驱动电机
5.1.1确定液压泵的工作压力
液压泵工作压力计算。
由工况图（3.2）可知，最大工作压力为P1=2.38MPa，因油路比较简单，故初步估计压力损失取=0.5MPa。
Pp1 = p1+△p=2.38+0.3=2.88 MPa
5.1.2确定液压泵的流量
由工况图（3.1）可知，液压缸所需要的最大流量为13.25L/min，取泄漏折算系数K=1.1,则液压泵的最大总流量为
qp =k·qmax =1.1×13.25=14.575 L/min
5.1.3液压泵规格的确定。
根据液压泵的最大工作压力P1 和液压泵的流量Qp ，查阅机械手册，选择YB1-10/10 型的双联动叶片泵。
泵的型号
排量ml/min
公称压力 MPa
转速 r/min
YB1-10/10
10
6.3
960
注: η＝0.75.
5.1.4确定驱动电动机的功率
由工况图（3.1）可知，液压缸的最大功率Pmax =0.26KW,出现在快退时期，此时液压泵输出压力为2.88 MPa,流量为20L/min。取泵的效率η＝0.75，则电动机所需要的功率为：
P===1.28 KW
查液压设计手册，选择型号为Y132S-6的三相异步电动机。

5.2 选择控制元件
序号
元件名称
额定流量L/min
额定压力MPa
型号规格
1
定量叶片泵
19.2
6.3
YB1-10/10
2
背压阀
63
6.3
YF3-10B
3
溢流阀
63
6.3
YF3-10B
4
三位四通电磁阀
40
31.5
34B-H10B-T
5
二位二通电磁阀
40
31.5
22B-H10B-T
6
调速阀
16
31.5
2FRM1021/16L
7
二位三通电磁阀
40

23EY-10HB
8
滤油器
25

YFX-25X80

表（5.1）液压元件一览表
5.3 选用辅助元件
5.3.1选择滤油器
查《液压气动系统设计手册》表5-38，根据泵的额定流量、压力和过滤精度，选用YLX-25X80过滤器。
5.3.2选择油箱容量
初步设计，按经验公式确定，由下表（5.4）取系数k=5。
V=k·q=519.2=96L=9610-3 (m3)
表（5.4）经验系数a
系数类型
行走机械
低压系统
中压系统
锻压机械
冶金机械
a
1～2
2～4
5～7
6～12
10

根据《液压气动系统设计手册》表20-1-9，可取油箱的容积V=96L，管道尺寸由选定的标准元件连接口尺寸确定。
5.3.3选择管道尺寸
各元件间连接管道的规格按原件接口尺寸决定，液压缸则按输入、排出的最大流量计算。由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算，如下表所示。
表（5.2）
流量、速度
快进
工进
快退
输入流量L/min
q1=(A1qp)/(A1-A2`)
==30.19
q1=2.38
q1=qp=14.575
排出流量L/min
q2=(A2q1)/A1
=16.26
q2=(A2q1)/A1
=1.25

q2=(A1q1)/A2
=27.64

根据下表（5.3）中的数值，当油液在压油管中的流速取3m/min，可算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径为：
d1≥2=2×mm=14.76mm
取d1 =15mm
d2≥2=2×mm=10.16mm
取d2 =10mm
油管均为无缝钢管。
表（5.3）允许流速的推荐值
管道
推荐流速/(m/s)
液压泵吸油管道
0.5～1.5一般取1一下
液压系统压油管道
3～6，压力高，管道短，粘度小，取大值
液压系统回油管道
1.5～2.6

管道壁厚：查液压设计手册表30.1-4得 进油管壁厚1=2mm
出油管壁厚2=1.6mm

故应选用d=15mm，=2mm，钢管外径D=22mm和d=10mm，=1.6mm，钢管外径D=18mm的油管，且管接头联接螺纹为M22×1.5和M18×1.5。

六 液压系统性能验算
6.1 油路中的压力损失
回路压力损失计算应在管道布置图完成后进行，必须知道管道的长度和直径。管道直径按选定元件的接口尺寸确定，即d=15mm,长度在管道布置图未完成前暂按进油管、回油管均为L=2m估算。油液运动粘度取v=1.5×10-4 m2/s。
在此设计中主要验算工进和快退工况时的压力损失。

6.1.1 工进时压力损失
工进时进油管中的流态为层流，即：
Re=4q1/()=42.3810-3/(10-310-4)=22.46
故进油管的沿程压力损失为：
L=
取管道局部损失：

油液经三位四通电磁换向阀的压力损失按下表计算：
（Pa）
工进时进油路总压力损失：
=+p+∑△pv=1.4310-3 （pa）
工进时回油路总压力损失（按上述方法计算）：
=+p+∑△pv=2.8310-3 （pa）
整个回路的压力损失为：
∑△pv =+（A2/A1）=6.7910-3 （pa）
实际损失略大于估算值

6.1.2 快退时压力损失
按上述方法计算快退时进油路总压力损失：
=+p+∑△pv=1.0310-3 （pa）
按上述方法计算快退时退油路总压力损失：
=+p+∑△pv=2.2310-3 （pa）
整个回路的压力损失为：
∑△pv =+（A2/A1）=5.2510-3 （pa）
实际损失略大于估算值。
6.2液压系统的效率
由于在整个工作循环中，工进占用时间最长。因此，系统的效率可以用工进时的情况来计算。工进速度为，查表3.3可知液压缸的输出功率为

液压泵的输出功率：

工进时液压回路效率：

液压系统效率,取液压泵效率，液压缸效率取，于是

6.3 液压系统的发热温升验算
6.3.1液压系统总发热功率计算
工进在整个工作循环过程中所占的时间几乎占据整个工作循环周期，所以系统发热和油液温升可用工进时的情况来计算。
工进时液压缸的有效功率为
PO=Fv= kW=0.195 Kw
液压泵的输入总功率

Pi=0.32Kw

由此得液压系统的发热量

Hi=Pi-Po=(0.32-0.195)Kw=0.125kW

油液温升的近似值
T=(0.125×103)/ ℃=3.15℃
温升没有超出允许范围，液压系统中不需要设置冷却器。

七 液压缸的设计与计算
7.1 计算液压缸的结构尺寸
7.1.1 活塞杆参数
（1）活塞杆外径d
计算可知活塞杆外径d=56mm。
（2）活塞杆直径校核
活塞杆材料选用45钢，其，取安全系数为n=2.0，则：

实际d=56mm，故校核安全。
（3）活塞宽度B
根据公式B=（0.6～1）D=48～80mm，选取B=56mm。
查液压设计手册表26.2-1确定O型密封圈d2=2.65±0.09（mm）
（4）活塞杆导向套滑动面长度A
已知挡D>80mm时，取A=（0.6～1.5）d=66～165mm，选取 A=70mm
7.1.2 缸体参数
（1)液压缸最小导向长度H
H≥L/20+D/2=542/20+80/2=67.1mm
(2)缸筒壁厚
根据《液压传动设计手册》缸筒选用20号钢，，取安全系数n=5。

所以选用壁厚 3mm

查《液压工程手册》表23.3-2得
缸筒外径
（4）缸筒底厚
底部采用平底型，材料为ZG230-450，

取
（5）缸筒法兰头部厚度
缸筒头部采用法兰连接，易加工拆卸，材料为45钢，，安全系数n=2.5，则

查表26.3-3确定V型密封圈尺寸
查表26.3-2确定O型密封圈尺寸1.28±0.08（mm）

（6）液压缸盖固定螺栓直径校核

查《机械设计手册》表2-12-1取螺栓为M6，螺纹长度l为15mm。

（7）缸筒长度
缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构来确定，即

l—活塞的最大工作行程，即l=400mm;
B—活塞宽度，一般为（0.6~1）D，取B=56mm;
A —活塞杆导向长度,取A=72mm；
M—活塞杆密封长度，取M=30mm；
C—其他长度；
由于一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍，即L1600mm，所以此处取缸筒长度L=542mm。

总结

通过这段时间的设计，认识到我们还有很多知识的盲点和漏洞，理论知识和实践的差距。所以说通过这次设计我深刻的认识到理论联系实际的能力还需提高。
液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到愈来愈广泛的应用，而且愈先进的设备，其应用液压系统的部分就愈多。所以像我们这样的大学生学习和亲手设计一个简单的液压系统是非常有意义的。
本次设计涉及了液压传动大部分知识，还有就是CAD画图和word文档的处理，也使我们很好的将课本上的知识与实际运用结合起来，收获颇多。最后，真诚的感谢吴老师对我们指导和耐心的讲解分析。

参考文献

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