卧式钻镗组合机床的液压系统标准设计.doc

课程设计说明书
课程名称：液压和气压传动
题目名称：卧式钻、镗组合机床液压系统设计
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指导老师署名：
20 年 月 日

机电工程学院课程设计 任务书

题 目
卧式钻、镗组合机床液压系统设计
设计内容及基础要求
设计一台卧式钻、镗组合机床液压系统。该机床用于加工铸铁箱形零件孔系，运动部件总重G=10000N，液压缸机械效率为0．9，加工时最大切削力为1N，工作循环为：“快进——工进——死挡铁停留——决退——原位停止”。行程长度为0.4m，工进行程为0.1 m。快进和快退速度为0.1m／s，工过速度范围为3×10-4～5×10-3m／s，采取平导轨，开启时间为0.2s。要求动力部件能够手动调整，快进转工进平稳、可靠。

设计要求：
1）、绘制液压原理图。
2）、设计液压站和油缸装配图
包含：① 泵、电机和阀选择
② 油箱、油缸、阀座零件设计
3）、课程设计计算说明书一份。

设计起止时间
年 5 月 19 日 至 5 月 24 日
学生署名
年 月 日
指导老师署名
年 月 日

目录

第一章 绪论 4
1.1 开发背景及系统特点 4

第二章 液压系统工况分析 4

第三章 负载图和速度图绘制 5

第四章 液压缸关键参数确实定 6

第五章 液压系统确实定 8
5.1 液压回路选择 8
5.2 液压回路综合 11

第六章 液压元件选择 11
6.1 液压泵 11
6.2 阀类元件及辅助元件 13
6.3 油管和油箱 13

第七章 液压系统性能验算 14
7.1 验算系统压力损失并确定压力阀调整值 14
7.2 油液温升验算 16

第八章 设计总结 17

参考文件 17

卧式钻、镗组合机床液压系统设计说明书

第一章 绪论
1.1 开发背景及系统特点
此次课程设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统设计方法和设计步骤，其中包含组合机床动力滑台液压系统工况分析、关键参数确定、液压系统原理图确实定、液压元件选择和系统性能验算等。
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计专用部件和夹具而组成半自动或自动专用机床。组合机床通常采取多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工方法，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床通常采取多轴、多刀、多面、多工位同时加工方法，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其它精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。液压系统因为含有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调整等优点，在组合机床中得到了广泛应用。

第二章液压系统工况分析
一、工作负载
工作负载是在工作过程中因为机器特定工作情况而产生负载，即
=1N
二、惯性负载
最大惯性负载取决于移动部件质量和最大加速度。已知加、减速时间为0.2s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为0.1m/s，所以惯性负载为：

三、阻力负载
阻力负载关键是工作台机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。
静摩擦阻力
动摩擦阻力

依据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到负载力和液压缸所需推力情况，以下表所表示：
注：1、液压缸机械效率为0.9
2、不考虑动力滑台上颠覆力矩作用。
液压缸各运动阶段负载表
运动阶段
负载组成
负载F/N
推力/N
起动
=

2222.2
加速
=+
1510.2
1687
快进
=
1000
1111.1
工进

13000
14444.4
快退

1000
1111.1

第三章 负载图和速度图绘制
按上面计算数值和已知条件进行绘制，即可绘制出负载和速度图，以下所表示：
速度图

负载图

第四章 液压缸关键参数确实定
由《液压传动》表11-2和表11-3可知，组合机床液压系统在最大负载约为14444.4N是宜取=4MPa。快退时回油腔中也是有背压，这时选择背压值=0.6MPa。
取液压缸无杆腔有效面积等于有杆腔有效面积2倍

故有
快进速度V快=0.1m/s，工进速度V工进=0.005m/s,相差很大,应进行差动换接,取k= A2/ A1=0.5,则：

d = 0.707D=0.707×75.83=53.62mm，
依据GB/T2348—对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸要求，圆整后取液压缸缸筒直径为D=80mm，活塞杆直径为d=60mm。

中低压液压系统,由其切削加工性能确定液压缸筒壁厚，按薄壁圆筒计算壁厚： 额定工作压力： Pn=7MPa<16MPa
试验压力为：
Py=1.5Pn=1.5×7=10.5MPa
许用应力取：
（ 取安全系数n=5）

此时液压缸两腔实际有效面积分别为：

按最低工进速度验算液压缸尺寸，查产品样本，调速阀最小稳定流量q=0.05L/min因工进速度为0.00265m/s为最小速度，则有
≥q/v=50000/15.9=3145
因为=5024≥3145，满足最低速度要求。
初步确定液压缸流量为：
快进：=30L/min
=15L/min
=15L/min
工进：=0.8L/min
依据上述液压缸直径及流量计算结果，深入计算液压缸在各个工作阶段中压力、流量和功率值，以下表所表示：

工作循环

计算公式

负载F
（N）

进油压力（Mpa）

回油压力（Mpa）

所需流量Q（L/min）

输入功率P(kw)

差动快进
Pj=(F+△p A2)/（A1-A2）
Q=v×（A1-A2）
P= Pj×Q

1111.1

0.78

0.5

16.95

0.22

工进
Pj=(F+Ph A2)/A1
Q=v ×A1
P= Pj×Q

14444.44

3.23

0.8

1.51

0.081

快退
Pj=(F+Ph A1)/ A2
Q=v× A2
P= Pj×Q

1111.11

1.68

0.6

13.19

0.369

第五章 液压系统图确实定
5.1液压回路选择
首先要选择调速回路。这台机床液压系统功率小，滑台运动速度低，工作负载改变小，故采取节流调速开式回路是适宜，为了增加运动平稳性，预防钻孔时工件忽然前冲，系统采取调速阀进油节流调速回路，并在回油路中加背压阀。
从工况图中能够清楚地看到，在这个液压系统工作循环中，液压缸要求油源交替地提供低压大流量和高压小流量油源。最大流量和最小流量之比约为11，而快进快退时间和工进所需时间分别为：

即是/=3。所以从提升系统效率、节省能量角度上来说，采取单个定量泵作为油源显然是不适宜，而宜选择大、小两个液压泵自动并联供油油源方案。以下图所表示：

双泵供油油源
其次是选择快速运动和换向回路。系统中采取节流调速回路后，不管采取什么油源形式全部必需有单独油路直接通向液压缸两腔，以实现快速运动。本系统中，单杆液压缸要作差动连接，所以它快进快退换向回路，以下图所表示：
换向回路
再次是选择速度缓解回路，工况图能够看出，当动力头部件从快进转为工进时滑台速度改变较大，可选择行程阀来控制快进转工进速度换接，以降低液压冲击，图以下所表示：

速度换接回路
夹紧回路选择，用三位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免工作时忽然失电而松开，应采取失电夹紧方法。考虑到夹紧时间可调整和当进油路压力瞬时下降时仍能保持夹紧力，所以单向阀保压。在该回路中还装有减压阀，用来调整夹紧力大小和保持夹紧力稳定，
图示以下所表示：5.2液压回路综合

液压回路综合和整理

第六章 液压元件选择
6.1液压泵
工进阶段液压缸工作压力最大，取进油总压力损失Σ=0.5MPa,压力继电器可靠动作需要压力差0.5MPa,则液压泵最高工作压力
Pp=+Σ+0.5MPa=4.8MPa
所以泵额定压力Pr≥1.25×4800000Pa=6MPa
工进时所需要流量最小是0.8L/min,设溢流阀最小流量为2.5L/min,则小流量泵流量
≥（1.1*0.32+2.5）L/min=2.85L/min
快进快退时液压缸所需最大流量为15.4L/min,则泵总流量
qp=1.1*15.4L/min=16.9L/min。即大流量泵流量
≥qp-=（16.9-2.85）L/min=14L/min
依据上面计算压力和流量，查产品样本，选择双联叶片泵，该泵额定压力6.3MPa，额定转速960r/min

二、电动机驱动功率
系统为双泵共有系统，其中小泵流量=（0.04/60）/s=0.000667/s
大泵流量=（0.012/60）/s=0.0002/s
差动快进，快退时两个泵同时向系统供油；工进时，小泵向系统供油，大泵卸载。快进时，小泵出口压力损失0.45MPa，大泵出口损失0.15MPa。
小泵出口压力=1.26MPa(总功率=0.5)
大泵出口压力=1.41MPa（总功率=0.5)
电动机功率=/+/=0.73Kw
工进时调速阀所需要最小压力差0.5MPa。压力继电器可靠需要动力差0.5MPa。所以工进时小泵出口压力=+0.5+0.5=4.8Pa.
大泵卸载压力取=0.2Pa
小泵总功率=0.565
大泵总功率=0.3
电动机功率=/+/=0.7Kw
快退时小泵出口压力=1.65MPa(总功率=0.5)
大泵出口压力=1.8MPa(总功率=0.5)
电动机功率=/+/=0.9Kw
快退时所需功率最大。依据查样本选择Y90L-6异步电动机，电动机功率1.1Kw。额定转速910r/min

6.2阀类元件及辅助元件
液压系统原理图中包含调速阀、换向阀、单项阀等阀类元件和滤油器、空气滤清器等辅助元件。
阀类元件选择
序号
元件名称
最大经过流量
规格
额定流量
额定压力MPa
型号
1
三位五通电磁阀
20
63
6.3
35-63BY
2
行程阀
20
63
6.3
AXQF-E10B
(单向行程调速阀)

3
调速阀
1.51
10
6.3
4
单向阀
20
25
6.3
5
单向阀
18
25
6.3
AF3-Ea10B
6
液控次序阀
16
25
6.3
XF3-E10B
7
背压阀
0.125
10
6.3
YF3-E10B
8
溢流阀
4
10
6.3
YF3-E10B
9
单向阀
16
25
6.3
AF3-Ea10B
10
单向阀
16
25
6.3
AF3-Ea10B
11
过滤器
30
60
—
XU-63x80-J
12
压力继电器
—
—
—
HED1kA/10

6.3油管和油箱
各元件间连接管道规格按元件接口处尺寸决定，液压缸进、出油管则按输入、输出最大流量计算。因为液压泵具体选定以后液压缸在各阶段进、出流量已和原定数值不一样，所以要重新计算如表所表示
液压缸进、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)

当油液在压力管中流速取3m/min时，可算得和液压缸无杆腔和有杆腔相连油管内径分别为：

这两根相关按GB/T2351-选择外径mm、内经mm无缝钢管。
油箱容积按公式计算，当去K为6时，求得其容积为V=6×40=240L，按GB2876-81要求，取最靠近标准值V=250L。

第七章 液压系统性能验算
7.1 验算系统压力损失并确定压力阀调整值
一、工进
工进时管路流量仅为0.8L/min,所以流速很小，所以沿程压力损失和局部损失全部很小，能够忽略不计。这时进油路上仅考虑调速阀损失0.5MPa，回油路上只有背压阀损失，小流量泵调整压力：Pp= +0.5+0.5=4.8MPa
二、快退时压力损失及大流量泵卸载压力调整
快退时进油管和回油管长度为1.8m，有油管直径d=0.015m，经过流量为进油路 =16L/min，回油路 =32L/min。液压系统选择N32号液压油，考虑最低工作温度为15℃，有手册查出此时油运黏度V=1.5st，油密度P=900kg/ ，液压系统元件采取集成块式配置形式
则进油路中液流雷诺数为：R=10000vd/r=151<2300
回油路中液流雷诺数为：R=302<2300
由上可知，进回油路流动全部是层流
进油路上，流速
则压力损失为：Σ =64lp /Rd2=0.52MPa
在回油路上，流速为进油路速两倍即V=3.02m/s，
则压力损失为：Σ =1.04MPa

三、局部压力损失

元件名称
额定流量
实际流量
额定压力损失
实际压力损失
单向阀
25
16
2
0.082
电液换向阀
25
16
2
0.082
电磁阀
63
16
4
0.026
次序阀
63
16
4
0.026

取集成块进油路压力损失0.03MPa，回油路压力损失为0.05MPa，则进油路和回油路总压力损失为：
P1=0.082+0.082+0.026+0.082+0.03=0.275MPa
P2=0.082+0.082+0.026+0.082+0.026+0.05=0.348MPa
快退负载时液压缸负载F=1111N，则快退时液压缸工作压力
P=（F+P2A1）/A2=1.16MPa
快退时工作总压力为
P+P1=1.435MPa
大流量泵卸载阀调整压力应大于1.435MPa
综上，多种工况下世纪压力损失全部小于初选压力损失值，而且比较靠近，说明液压系统满足要求
7.2 油液温升验算
系统关键发烧是在工进阶段造成
工进时输入功率：P1=701Kw
工进时液压缸输出功率：P2=FV=(14444×0.00265)W=38.3W
系统总发烧功率Φ=P1-P2=662.7W
已知油箱容积V=250L，则油箱近似散热面积A=2.58
假定通风良好，取消散热系数Cr=0.015Kw/( ℃)可得油液升温为
T1=Φ/CrA=17.1℃
设环境温度T2=25℃则热平衡温度为
T=T1+T2=42.5℃≤55℃
所以油箱散热可达成要求

第八章 设计总结
此次液压传动课程设计花费了整整一个周时间。在这一周课程设计中，能学到东西真很有限，不过不能说一点收获全部没有，我想我知道了通常机床液压系统设计框架而且我也掌握了设计一个液压系统步骤，此次课程设计是我们对所学知识利用一次尝试，是我们在液压知识学习方面一次有意义实践。
一开始做课程设计时自己根本就不知道从哪儿开始做，看着书本和多种参考书费了很长时间才慢慢搞懂，此次设计包含了液压传动大部分知识，也使我们很好将书本上知识和实际结合起来，收获颇多，尤其是搜集资料和信息能力，这也是我们大学期间一次难得机会，总而言之是获益匪浅。

参考文件
1.《液压和气压传动》 张元越.西安交通大学出版社
2．《液压传动》 王积伟.章宏甲.机械工业出版社
3.《液压系统设计元器件选型手册》 周恩涛.机械工业出版社
4. 《液压传动和控制》（第二版） 国防工业出版社

卧式钻、镗组合机床液压动力系统图

1、大泵，2、小泵，3、滤油器，4、外控次序阀，5、单向阀， 6、溢流阀，，7、电液换向阀，8、单向行程调速阀，，9、压力继电器，10、主液压缸，11、二位三通电磁换向阀，12、背压阀，13、二位二通换向阀，

A、快进： 1YA通电，电液换向阀左位工作，
大泵→单向阀5→电液换向阀7→行程阀14→主液压缸无杆腔
小泵2→单向阀5→电液换向阀7→行程阀14→主液压缸无杆腔
液压缸有杆腔→电磁阀11→电液换向阀7→单向行程调速阀8→油箱（差动换接）

B：工进： 　3YA通电，切断差动油路，
快进行程到位，挡铁压下行程阀8，切断快进油路，3YA通电，切断差动油路，快进转工进，液压系统工作压力升高到溢流阀5调定压力，进油路高压油切断单向阀5供油路,打开外控次序阀4，大泵卸荷，接通经背压阀12通油箱油路。

大泵→外控次序阀4（卸荷阀）→油箱（大泵卸荷）
小泵2→→电液换向阀7→单向行程调速阀8→主液压缸无杆腔
主液压缸有杆腔→电磁阀11→电液换向阀7→背压阀12→油箱

C、快退： 1YA断电，2YA、3YA、4YA通电
工进结束，液压缸碰上死挡铁，压力升高到压力继电器调定压力，压力继电器发出信息，1YA断电，2YA、3YA、4YA通电

大泵→单向阀5→电液换向阀7→电磁阀11→主液压缸有杆腔
小泵2→单向阀5→电液换向阀7→电磁阀11→主液压缸有杆腔
主液压缸无杆腔→单向行程调速阀8→电液换向阀7→电磁阀13→油箱
小泵2→单向行程调速阀8→电液换向阀7→电磁阀13→油箱
主液压缸无杆腔快退到位碰行程开关，行程开关发信，6YA通电，下步工件松夹。

D、工件松夹： 6YA通电
压力油→减压阀14→单向阀15→电磁阀→定位缸19和定位缸18有杆腔
定位缸19无杆腔→电磁阀→油箱
夹紧缸18无杆腔→单向次序阀单向阀→电磁阀→油箱
工件松夹后发出信息，操作人员取出工件。