专用钻床液压系统设计样本.doc

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课 程 设 计 说 明 书

专用钻床液压传动系统设计

姓 名:
学 号:
班 级:
专 业: 机械设计制造及其自动化
学 院: 蚌埠学院
指导教师: 李培

蚌埠学院机械与电子工程系
液压传动课程设计说明书

班级: 12机械设计制造及其自动化
指导教师: 李培

一、 课程设计时间: 6月8日至 6月14日
二、 课程设计任务要求( 包括课程来源、 类型、 目的和意义、 基本要求、 完成时间、 主要参考资料等) :

1.目的:
( 1) 巩固和深化已学的理论知识, 掌握液压系统设计计算的一般步骤和方法;

( 2) 正确合理的确定执行机构, 运用液压基本回路组合成满足基本性能要求的高效的液压系统;

( 3) 熟悉并运用有关国家标准, 设计手册和产品样本等技术资料。

2设计题目:
试设计一个专用钻床的液压系统, 要求液压系统完成的工作循环是: 快进-工进-快退-停止( 卸荷) 。系统设计参数如下表:

参数
数值
静摩擦系数fs
0.2
动摩擦系数fd
0.1
往复运动的加减速时间S
0.3
切削阻力N
17000
快进、 快退速度/(m/min)
5.6
工进速度/(m/min)
1
快进行程/mm
400
工进行程/mm
128
工作部件重量/N
1

3 设计要求:
液压系统图拟定时需要提供2种以上的设计方案的选择比较。从中选择你认为更好的一种进行系统元件选择计算。
4 工作量要求
( 1) 液压系统图1张
( 2) 液压缸装配图1张
( 3) 设计计算说明书1份

目录
一、 前言 4
二、 钻床的液压系统工况分析 5
三、 液压系统的原理图拟定及设计 7
3.1供油方式 7
3.2速度换接方式的选择 8
3.3调速方式的选择 8
3.4绘制液压系统原理图 10
四、 液压系统的计算和液压元件的选择 11
4.1工作压力P的确定..........................................................................................................11
4.2液压缸的主要尺寸的确定 11
4.3稳定速度的验算 14
4.4计算在各工作阶段液压缸的所需流量 15
4.5液压泵的选择 16
4.6电动机的选择 17
4.7液压阀的择 .................................................................................................................. 18
4.8液压油管的设计.............................................................................................................18
4.9油箱容量的选择............................................................................................................ 19
五、 液压系统性能验算 19
5.1压力损失的验算................................................................................................................19
5.2系统温升的验算................................................................................................................21
六、 液压缸转配图 22
七、 总结及感想 23
八、 参考文献 23

一、 前言
液压传动是以液压液作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式, 相对于机械传动来说, 它是一门新技术。但如从1650年帕斯卡提出静压传递原理, 1850年开始英国将帕斯卡原理先后应用于液压起重机、 压力机等算起, 也有二三百年的历史了。而液压传动在工业上的真正推广使用, 则是在20世纪中叶以后的事。近十年来, 随着微电子和计算机技术的迅速发展, 且渗透到液压技术中并与之密切结合, 使其应用领域遍及到各个工业部门, 已成为实现生产过程自动化、 提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。
现今, 采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压技术在实现高压、 高速、 大功率、 高效率、 低噪声以及液压元件和系统的经久耐用, 高度集成化等方面取得了重大进展。将液压传动技术应用到钻床中, 使它具有成本低、 效率高、 机构简单、 工作可靠、 使用和维修方便等特点。专用钻床是应用液压技术较广泛的领域之一。采用液压传动技术与控制的机床, 可在较宽范围内进行无级调速, 具有良好的换向及速度换接性能, 易于实现自动工作循环, 对提高生产效率, 改进产品质量和改进劳动条件, 都起着十分重要的作用。
中国的液压技术最初应用于机床和锻压设备, 后来又用于拖拉机和工程机械。从国外引进一些液压元件、 生产技术的同时, 也进行自行研制和设计, 液压元件现已形成了系列, 并在各种机械设备上得到了广泛的应用。本文是对专用钻床液压系统进行设计

二． 钻床的液压系统工况分析
根据所给设计参数绘制运动部件的动作循环图和速度循环图, 分别如图2-1( a) 、 ( b) 所示, 然后计算各阶段的外负载并绘制图。

图2-1( a) 动作循环图

图2-1( b) 速度循环图
1、 工作负载:
工作负载与设备的工作情况, 在机床上, 与运动件的方向同轴的切削力的分量是工作负载。即: =17000 N
2、 摩擦负载:
摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力, 它与支撑面的形状, 放置情况, 润滑条件以及运动状态有关。
静摩擦阻力 = 0.21 =2400 N
动摩擦阻力 = 0.11 =1200 N
3、 惯性负载:
惯性负载是运动部件的速度变化, 由其惯性产生的负载, 可用牛顿第二定律计算。
加速 =( 1 /10) ( 0.093/0.3) = 372 N
减速 =( 1 /10) ( 0.077/0.3) = 308 N
制动 =( 1 /10) ( 0.017/0.3) = 68 N
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 =0.9, 则液压缸在各工作阶段的总机械负载能够算出, 根据上述计算结果, 列出各工作阶段所受的外负载, 见表2-1, 并画出如图2-2所示的负载循环图
表 2-1 工作循环各阶段的外负载
工况
计算公式
总负载F/N
缸推力F/N
启动

2400
2666.7
加速

1572
1746.7
快进

1200
1333.3
减速

892
991.1
工进

18200
20222.2
制动

18132
6.7
反向加速

1572
1746.7
快退

1200
1333.3
制动

828
920

图2-2 负载循环图

三．液压系统的原理图拟定及设计
3.1供油方式
方案一 采用双泵供油
方案二 采用限压式变量叶片泵
依据该钻床的实际工作情况: 工进时负载较大, 速度较低; 而在快进、 快退时负载较小, 速度较高。从节省能量、 减少发热考虑, 泵源系统可选用双泵供油或变量泵供油。综合经济因素考虑我决定采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。
3.2速度换接方式的选择
方案一 采用行程阀切换的速度换接回路
方案二 采用电磁阀控制的速度换接回路
电磁阀控制的快慢速度换接回路的特点是结构简单、 调节行程比较方便, 阀的安装也比较容易, 但速度换接的平稳性较差。行程阀切换的速度换接回路的特点是速度换接平稳性较好。该钻床的速度换接有: 快慢速度换接、 慢快速度换接。综合钻床的功能要求和实际情况, 本液压系统采用电磁阀控制的速度换接回路。
3.3调速方式的选择
调速方案对液压系统的性能起到决定性的作用。调速方案有三种: 方案一 节流调速; 方案二 容积调速; 方案三 容积－节流调速。
节流调速系统一般用定量泵供油, 在无其它辅助油源的情况下, 液压泵的供油量要大于系统的需油量, 多余的油经溢流阀流回油箱, 溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。
容积调速系统多数是用变量泵供油, 用安全阀限定系统的最高压力。
油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器, 进入系统的油液根据被保护元件的要求, 经过相应的精过滤器再次过滤, 为防止系统中杂质流回油箱。
选择调速方案时, 应根据液压执行元件的负载特性、 液压缸活塞杆的运动情况和调速范围以及经济性能因素, 最后选出合适的调速方案。需考虑到系统本身的性能要求和一些使用要求以及负载特性, 参照表3-1, 根据工作功能要求该钻床系统选用容积—节流调速, 且使用变量叶片泵供油。

表3-1 三种调速回路主要性能比较

主要性能
节流调速
容积
调速回路
容积-节流调速回路
简式节流调速系统
带压力补偿阀的节流调速系统
变量泵、 定量马达
流量
适应
功率适应
进油节流及回油节流
旁路节流
调速阀在进油路
调速阀在旁油路及溢流节流调速回路
负载
特性
速度刚度
差
很差
好
较好
好
承载能力
好
较差
好
较好
好
调速
范围
大
小
大
较大
大
功率
特性
效率
低
较低
低
较低
最高
较高
高
发热
大
较大
大
较大
最小
较小
小
成本
低
较低
高
小
最高

3.4绘制液压系统原理图

图3-4 液压系统原理图
1—双作用液压缸 2—二位三通电磁换向阀 3—单向调速阀 4—三位四通电磁换向阀 5—压力表6—溢流阀 7—液压泵 8—电动机 9—油箱
表3-2电磁铁动作顺序表

1YA
2YA
3YA
快进
＋
－
＋
工进
＋
－
－
快退
－
＋
－
注: ”+”表示得电, ”—”表示失电。

四、 液压系统的计算和液压元件的选择
4.1工作压力的确定。
表4.1 负载条件下的工作压力
负载F/N
<5000
5000~
10000
10000~
0
0~
30000
30000~
50000
>50000
液压缸工作压力P/MPa
0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
5~7

表4.2 背压压力
系统类型
背压压力/MPa
系统类型
背压压力/MPa
中低压系统或轻载节流调速系统
0.2~0.5
采用辅助泵补油的闭式油路系统
1~1.5
回油路带调速阀或背压阀的系统

0.5~1.5
采用多路阀的复杂的中高压系统( 工程机械)

1.2~3
工作压力可根据负载大小查表4.1, 本设计取液压缸工作压力为3。在钻孔加工时, 液压缸回油路上必须具有背压P2, 以防止孔钻通时滑台突然前冲。查表4.2取P2=0.5Mpa。
4.2液压缸的主要尺寸的确定
( 1) 液压缸内径D

根据负载和工作压力的大小确定D:
D= (4-1)
式中 p—缸工作腔的工作压力, 可根据机床类型或负载的大小来确定;
F—最大作用负载。
由负载图知最大负载为18200, 查表4.2取为0.5, 为0.9, 考虑到快进、 快退速度相等, 取为0.5。上述数据代入公式:

可得:

查表将液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm。
( 2) 活塞杆外径d

活塞杆直径d,按 d=0.5D及查表活塞杆直径系列去d=50mm。
则液压缸的有效作用面积为:
有无活塞杆
计算公式
有效面积
有活塞杆

58.9
无活塞杆

78.5

( 3) 液压缸壁厚和外径的计算

液压的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。一般分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计采用薄壁圆筒。其计算公式

式中 ——液压缸壁厚( m) ;
D——液压内径( m) ;
——试验压力, 一般取最大工作压力的( 1.25~1.5) 倍( Mpa) ;
——缸筒材料的许用应力。取无缝钢管=100Mpa。
按上式计算得

在中低压液压系统中, 按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小, 使缸体的刚度往往很不够。因此, 上式一般不做计算, 按经验选取, 必要时按上式进行校核。取=6mm。
则外径D1D+2=112mm。
( 4) 液压缸工作行程的确定
液压缸工作行程长度, 可根据执行机构实际工作的最大行程来确定, 并参照表2-6中的系列尺寸来选取标准值。
表2-6 液压缸活塞行程参数第一系列
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600

2500
3200
4000

( 5) 缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖, 其有效厚度t按强度要求可用下列两式进行近似计算。
无孔时 , 取t=10mm.
有孔时 ,取t=18mm.
式中t为缸盖有效厚度, D2为缸盖止口内径, d0为缸盖孔的直径。

( 6) 最小导向长度的确定
对一般的液压缸, 最小导向长度H应满足以下要求

( 7) 缸体长度的确定
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。
缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定, 即:
L=l+B+A+M+C (4-2)
式中 l—活塞的最大工作行程;
B—活塞宽度, 一般为(0.6-1)D;
A—活塞杆导向长度, 取(0.6-1.5)D;
M—活塞杆密封长度, 由密封方式定;
C—其它长度。
一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。
另外, 液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。
取L=650mm.
4.3稳定速度的验算
要保证液压缸节流腔的有效工作面积, 必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积, 即>。
(4-3)
式中 —的最小稳定流量, 一般从选定流量阀的产品样本中查得;
—缸的最低速度, 由设计要求给定。
如果液压缸节流腔的有效工作面积不大于计算所得最小有效面积, 则说明液压缸不能保证最小稳定速度, 此时必须增大液压缸的内径, 以满足速度稳定的要求。
液压缸壁厚和外径的计算, 液压缸壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知, 承受内压力的圆筒, 其内应力分布规律因壁厚的不同而异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
按最低工进速度计算液压缸的最小稳定速度, 由公式( 4-3) 可得:
>
是由产品样本查得GE系列调速阀的最小稳定流量为0.05。
本设计中调速阀是安装在回油路上, 故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积, 即

可见上述不等式能满足, 液压缸能达到所需低速。
4.4计算在各工作阶段液压缸所需的流量:

表4.3液压缸在不同工作阶段的压力、 流量和功率值
工况

负载F/N
回油腔压力/MPa
进油腔压力/MPa
输入流量/
输入功率P/KW
计算公式

快进

1200

0.3

1.58

0.183

0.289

工进

18200

0.5

2.58

0.131

0.338

快退

1200

0.5

0.892

0.55

0.491

4.5液压泵的选择
4.5.1液压泵的压力
液压泵的工作压力应当考虑液压缸最高有效工作压力和管路系统的压力损失, 因此泵的工作压力为:
(4-4)
式中 —液压泵为最大工作压力;
—执行元件最大工作压力, 现根据负载大小选取液压缸工作压力为3MPa;
—进油管路中的压力损失, 初算时简单系统可取0.2～0.5, 复杂系统取0.5～1.5, 本系统取0.5。

上述计算所得的 是系统的静态压力, 考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外, 考虑到一定压力储备量, 提高泵的寿命, 因此选泵的额定压力应满足公式。中低压系统取小值, 故取=1.25=4.375Mpa
4.5.2液压泵的流量
液压泵的最大流量应为:
(4-5)
式中 —泵的最大流量;
—动作的各执行元件所需流量之和的最大值, 如果这时溢流阀正进行工作, 尚需加溢流阀的最小溢流量2～3;
—泄露系数, 一般取=1.1～1.3, 现取=1.2。

4.5.3液压泵规格的选择
根据以上所得, 查液压产品目录选泵型号: YBX-32限压式变量叶片泵。
额定压力为6.3 MPa, 排量为32mL/r, 转速为1450r/min容积效率=0.88, 总效率=0.72。该泵的输出流量为:

4.6电动机的选择
首先分别算出快进与工进两种不同工况时的功率, 取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在慢进时泵输出的流量减小, 泵的效率急剧降低, 一般当流量在0.2～1范围内时, 可取。同时还应注意到, 为了使所选则的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转, 需进行验算, 即:
( 4-6)
式中 —所选电动机额定功率;
—限压式变量泵的限定压力;
—为时, 泵的输出流量。
首先计算快进时的功率, 快进时的外负载为1200N, 进油路的压力损失定为0.3, 由式( 3-6) 可得:

快进时所需电动机功率为:

工进时所需电动机功率为:

查阅电动机产品样本, 选用Y90S-4型电动机, 其额定功率为1.1, 额定转速为1400。
4.7液压阀的选择
液压控制阀是液压系统中用来控制液流的压力、 流量和流动方向的控制元件、 是影响液压系统性能, 可靠性和经济性的重要元件。
序号
元件名称
最大通流量
型号规格
1
限压式变量叶片泵
57.6
YBX-32
2
溢流阀
40
YF-L10H
3
三位四通电磁换向阀
40
34D-B10H-T
4
单向调速阀
100
QA-20H
5
二位三通电磁换向阀
40
23D-B10H-T
6
压力表
—
KF-28
7
过滤器
60
WU—160
4.8液压油管的设计
油管类型的选择此次设计中我采用的管道是无缝钢管。油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定。现取油管内径d为12mm。
4.9油箱容量的选择
本例为中压液压系统, 液压油箱有效容量按泵的流量的5~7倍来确定, 现取经验数据=7, 则其容积为
按JB/7938—1999规定, 取靠近的标准值 V=250L
五．液压系统性能验算
已知该液压系统中进, 回油管的内径均为12mm,, 各段管道的长度分别为: AB=0.5m, AC=2m, AD=2m, DE=3m。选用L—HL32液压油, 考虑到油的最低温度为15℃, 查得15℃时该液压油的运动粘度v=150cst=1.5/s, 油的密度为ρ=920kg/m3.

5.1压力损失的验算:
1） 工作进给时进油路压力损失
运动部件进给时的速度为1m/min, 进给时的最大流量为7.85L/min, 则液压油在管内流速v1为

回油管内的流速为:
管道流动雷诺数Re1=
Re1<2300, 可见油液在管道内流态为层流, 其沿程阻力系数为
进油管道BC的沿程压力

查得换向阀34D-B10H-T的压力值是
忽略油液经过管接头: 油路板等处的局部压力损失, 则进油路总压力损失
2） 工作进给时回油路的压力损失。由于选用单活塞杆液压缸, 且液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的1/2, 则回油管道的流量为进油管道的1/2, 则
Re2=

回油管道的沿程压力损

查手册知换向阀23D-B10H-T的压力损失, 换向阀34D-B10H-T的压力损失, 调速阀QA-20H的压力损失。
回油路总压力损失:

3） 变量泵出口处的压力
4） 快进时的压力损失。快进时液压缸为差动连接, 自汇流点A至液压缸进油口C之间的管路AC中, 流量为液压泵出口流量的2倍, 即50L/min, AC段管路的沿程压力损失为

Re1=

同样可求管道AB段及AD段的沿程压力损失和为

Re2=

查换向阀手册知, 流经换向阀的局部压力损失为:
34D-B10HH-T的压力损失
24D-B10H-T的压力损失
据分析在差动连接中, 泵的出口压力

据上述验算结果知, 各项数据均在许可范围内, 故此设计合理, 无需修改原设计。

5.2系统温升的验算
工进在整个工作循环过程中所占的时间比例达95%, 因此系统发热和油液温升可按工进时的工况来计算。工进速度V=1m/min时, q=7.85L/min, 总效率2, 则

功率损失为:
假定系统的散热状况一般, 取K=KW/( cm2*℃) , 油箱的散热面积为

系统的温升为℃
验算表明系统的温升在许可范围内。

六. 液压缸装配图

6.1液压缸装配图

6.2液压缸系数

元件
参数
D( 缸内径)
d( 活塞直径)
L( 缸体长)
t1( 前缸盖壁厚)
t2( 后缸盖壁厚)
l(活塞行程)
( 缸体壁厚)
液压缸
100
50
650
18
10
600
6

七、 总结及感想

经过一周的课程设计让我知道了设计液压系统的整个过程, 收获很多, 同时在这个过程中也发现很多问题, 经过查书和同组同学讨论解决了一些问题, 同时发现自己知识的欠缺, 也知道了团队合作的重要性。
一周的课程设计结束了, 但收获很多, 对课本知识有了进一步的巩固, 并把知识运用到实际的设计。设计回路虽然简单, 但其过程让我学到了许多课本上所没有的知识, 让我对液压的设计有了一定的了解, 对实际液压系统钻床的工作原理及过程有了更深的认识, 从而对理论知识运用到实际操作。经过同组成员之间的讨论及努力最终任务完成。
八、 参考文献
[1] 刘忠, 杨国平主编. 工程机械液压传动原理、 故障诊断与排除[M]. 机械工业出版社, .01.
[2] 王积伟、 章宏甲、 黄谊主编. 液压与气压传动. 第2版.机械工业出版社, .
[3] 张岚, 张海霞, 刘宇辉主编. 实用液压技术手册[M]. 上海: 人民邮电出版社, .01.
[4] 王守城,段俊勇主编. 液压元件及选用. 北京: 化学工业出版社, .
[5] 张利平主编. 液压气动技术速查手册[M]. 北京: 化学工业出版社, .
[6] 阎祥安, 焦秀稳主编. 液压传动与控制[M]. 天津: 天津大学出版社, .
[7] 张利平主编. 液压气动技术实用问答. 北京: 化学工业出版社, .
[8] 田勇,高长银主编. 液压与气压传动技术及应用. 北京: 电子工业出版社, .
[9] 杨培元, 朱福元主编.液压系统设计简明手册.机械工业出版社,1999.
[10] 张利平,液压气动系统设计手册.北京:机械工业出版社,1997.09.
[11] 孔庆华主编. 液压系统设计指导书.哈尔滨工业大学出版社

蚌埠学院本科课程设计评阅表
机械与电子工程系 级 机械设计制造及其自动化 专业
学生姓名
周宝宝
学 号

课题名称
专用钻床液压传动系统设计
指导教师评语:

指导教师( 签名) :

月 日
评定成绩