专用铣床液压系统的设计方案(张越).doc

专用铣床液压系统的设计方案(张越)

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
液压与气压传动技术课程 设计说明书

设 计 题 目：专用铣床液压系统的设计
学院名称：机械与汽车工程学院
专业班级：机电10-3班
姓名学号：张越 20180710
组 员：裴洪20180712 张启 20180709
樊高金20180711
指导教师： 曾亿山
成 绩:

机械与汽车工程学院
二零一 三 年 七 月 二十四 日

目 录
摘要………………………………………………………………………3
一、设计目的及要求……………………………………………………4
1.设计目的……………………………………………………………4
2.设计要求……………………………………………………………4
二、 设计题目……………………………………………………………4
三、工况分析……………………………………………………………5
1.运动分析……………………………………………………………5
2.负载分析……………………………………………………………6
3.绘制液压缸负载图和速度图………………………………………7
四、初步确定液压缸的参数……………………………………………8
五、拟定液压系统图……………………………………………………15
六、选择液压元件………………………………………………………17
七、液压系统的性能验算………………………………………………18
1.液压系统的效率 …………………………………………………18
2.溢流阀的调整压力 ………………………………………………20
3.液压系统的效率 …………………………………………………20
4.液压系统的温升 …………………………………………………20
八、集成块设计…………………………………………………………21
九、总结…………………………………………………………………24
参考文献………………………………………………………………25

合肥工业大学课程设计任务书
设计
题目
专用铣床液压系统的设计
成绩

主
要
内
容
某台专用铣床，驱动铣头的电动机功率为7.5kw，铣刀<盘形）直径为120mm，转速为350r/min。假定工作平台重量为4×103N，工件和夹具的最大重量为1.5×103N，工作台行程为400mm，其中快进行程300mm，工进行程100mm；快进速度为4.5m/min，工进速度为0.06～1m/min，其往复运动的加速<减速）时间为0.05s，工作台用平导轨，其静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fu=0.1，试设计铣床的液压系统。

指
导
教
师
意
见
签名： 200 年 月 日

摘要
本次液压课程设计的是半自动液压专用铣床的液压设计，专用铣床是根据工件加工需要，以液压传动为基础，配以少量专用部件组成的一种机床。在生产中液压专用铣床有着较大实用性，可以以液压传动的大小产生不同性质的铣床。此次设计主要是将自己所学的知识结合辅助材料运用到设计中，巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般步骤和方法，正确合理的确定执行机构，选用标准液压元件，能熟练的运用液压基本回路，组成满足基本性能要求的液压系统。在设计过程中最主要的是图纸的绘制，这不仅可以清楚的将所设计的内容完整的显示出来，还能看出所学知识是否已完全掌握了。
 整个设计过程主要分成六个部分：参数的选择、方案的制定、图卡的编制、专用铣床的设计、液压系统的设计以及最后有关的验算。主体部分基本在图的编制和液压系统的设计两部分中完成的。

关键词 专用铣床，液压传动，回路，集成块

一、设计目的及要求
1、设计目的
随着制造业的发展，数控机床的应用越来越广泛，相关数控机床控制技术方面文章本也很多，但对传统控制的了解论述不是很多。在该设计过程中，我们通过掌握的数控机床机械本体、液压等知识设计专用铣床液压系统，为我们走向“机电液类”的工作岗位做好铺垫。
本次课程设计要求学生能够具备以下能力：
<1）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。
2、设计要求
首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的分析，明确主机对液压系统的动作、性能以及工作环境等要求，具体包括：
<1）主机的用途、主要结构、总体布局，主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。
<2）主机的工作循环，液压系统执行元件的工作方式及其工作范围。
<3）液压执行元件的载荷特性、行程和运动速度大小等。
<4）主机对液压执行元件的动作顺序或互锁要求。
<5）对液压系统执行元件动作控制方式、控制精度和液压系统的工作效率、自动化程度等方面的要求。
<6）对液压系统防尘、防爆、防寒、安全可靠性等的要求。
<7）其他方面的要求：如体积、重量、经济性等方面的要求。
二、 设计题目
某台专用铣床，驱动铣头的电动机功率为7.5kw，铣刀<盘形）直径为120mm，转速为350r/min。假定工作平台重量为4×103N，工件和夹具的最大重量为1.5×103N，工作台行程为400mm，其中快进行程300mm，工进行程100mm；快进速度为4.5m/min，工进速度为0.06～1m/min，其往复运动的加速<减速）时间为0.05s，工作台用平导轨，其静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fu=0.1，试设计铣床的液压系统。
三、 工况分析
工况分析主要指对液压执行元件的工作情况的分析，即进行运动分析和负载分析。分析的目的是了解工作过程中执行元件的速度、负载变化的规律，并将此规律用用曲线表示出来，作为拟定液压系统方案、确定系统主要参数<压力和流量）的依据。
1、运动分析
由题目要求可知，该专用铣床的运动大致可分分为三个阶段：快进、工进和快退，具体运动过程图见图1。

图1 液压缸简图以及运动过程图
2、负载分析
对于该液压缸来说，会受到工作负载Fw、摩擦阻力负载Ff以及惯性负载Fa，下面具体求这些这些力的大小。
2.1工作负载Fw

2.2摩擦阻力负载
摩擦阻力又分为静摩擦阻力与动摩擦阻力。
静摩擦阻力：

动摩擦阻力：

2.3惯性负载

3、 绘制液压缸负载图<F-s图）和速度图<v-s图）
根据上述计算，可列各工况负载及运动时间见表1。通过表1，可以清晰的看出液压缸在何时负载最大，同时也可以看出液压缸运动的速度与时间的的关系。通过表1，可以绘制液压缸的负载图和速度图，如图2和图3。

、

表1 各工况负载及运动时间计算结果
工况

液压缸负载
F/N
液压缸推力
FC=F/ηcm/N
速度
v/m.min-1
运动时间
/s
启动
F=Ffs=1100
1222.2
0
0
加速
F=Ffd+Fa=1391
1545.5
0
0
快进
F=Ffd=550
611
4.5
4
工进
F=Ffd+Fw=3960.5
4400
0.06～1
100～6
快退
F=Ffd=550
611
4.5
5.3

图2 F-s图

图3 v-s图
四、初步确定液压缸的参数
1、初选液压缸的工作压力P1
查《液压与气压传动》表10-3各类液压设备常用工作压力，初选P1=3MPa。
2、计算液压缸尺寸
为了简化专用机床结构，液压缸采用单杆活塞缸，为使快进快退速度相同则用单杆活塞缸的差动连接，无杆腔面积A1与有杆腔面积A2关系为A1=2A2,即活塞杆直径d和液压缸内径D应符合d=0.707D。
回油路上有背压阀或调压阀，查《液压与气压传动》表10-4取背压缸背压P2=0.8MPa，差动时回油管路压力损失ΔP=0.5MPa，可得液压缸无杆腔面积A1,取液压缸η=0.95。

根据GB/T 2348-1993(ISO 3320> 选 D=50mm，活塞杆的直d=0.707D=35.6mm,取d=36mm.
由此求得液压缸的实际有效工作面积

验算满足最低速度要求之面积，按《液压与气压传动》式<10.2-6）

本液压系统拟采用调速阀节流调速系统，使用国产GE系列调速阀，型号为AQF3-E66B，从样本中可查得其，已知给定。则可得

能满足上式要求。
3、液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率
3.1快进时油缸需要的流量Q快进
Q快进=<A1-A2）×V快进
=<19.63-9.46）×4.5×0.1L/min
=4.58L/min
3.2工进时油缸需要的流量Q工进
Q工进=A1×V工进
=1.96～0.12L/min
3.3快退时油缸需要的流量Q快退
Q快退=A2×V快退
=9.46×4.5×0.1L/min
=4.26L/min

3.4工进时油缸的压力

其中： F为液压缸推力；
P2=0.8MPa；
代入得P1=2.74MPa
同理可以计算其他工况下的压力。
液压缸各工况下压力、流量及功率的计算结果列于表2。

表2 液压缸所需的实际流量、压力和功率
工况
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入
功率

计算公式
快进
差动
启动
1222.2
—
1.20
—

加速
1545.5

2.06
—

恒速
611

1.1
4.58

0.08
工进
4400
0.8
2.74
1.9～0.12
0.09

快退
启动
1222.2
—
1.3
—

加速
1545.5

2.76
—

恒速
611

1.72
4.26
0.122

4、绘制液压缸工况图
根据表2，可以绘制出液压缸工况图，如图4、5和6。

图4 q-s图

图5 p-s图

图6 P-s图
5、液压缸主要尺寸的确定
5.1液压缸壁厚和外径的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般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，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸的内径D与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算

式中： ——液压缸壁厚(m>；
D——液压缸内径(m>；
——实验压力，一般取最大工作压力的(1.25-1.5>倍；
——缸筒材料的许用应力。无缝钢管：。
=1.5×25=37.5
则δ≥pyD/2[σ]=0.068m
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，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。
液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经为
D1≥D+2δ=186mm
5.2缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。
无孔时
有孔时
式中 t——缸盖有效厚度(m>；
——缸盖止口内径(m>；
——缸盖孔的直径(m>。
无孔时 t≥0.433×36×10-3×(37.5/110> = 9.1mm
取 t=10mm
有孔时t≥0.433×0.5×10-3×(37.5×50/110(50-36>> =3mm
取 t=3mm
5.3最小导向长度的确定
当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度<间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。
对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：

式中 L——液压缸的最大行程；
D——液压缸的内径。
活塞的宽度B一般取B=(0.6-10>D；缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径D而定；
当D<80mm时，取；
当D>80mm时，取。
为保证最小导向长度H，若过分增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即

滑台液压缸：最小导向长度

H≥L/20+D/2=42.5mm
取H=50mm活塞宽度：B=0.6D=30mm缸盖滑动支承面长度：l1=0.6d=21.6≈22mm
隔套长度：
C=H-(l1+B>/2=3
所以有隔套。
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。
液压缸：缸体内部长度L=B+l=380mm
当液压缸支承长度LB(10-15>d时，需考虑活塞杆弯度稳定性并进行计算。本设计不需进行稳定性验算。

五、拟定液压系统图
1、选择液压基本回路
从工况图上可以得出：
<1）本系统压力、流量和功率都较小，可以选用单定量泵和溢流阀组成的供油源。
<2）调速系统可采用调速阀出口节流调速回路，以满足铣削加工的顺铣和逆铣而且速度稳定的要求。
<3）速度换接方式：铣削时位置精度要求不高，可用行程开关挡铁控制行程开关使电磁换向阀切换来实现换向。
<4）液压缸快进时用单杆活塞缸的差动连接来实现。
<5）换向阀可用三位四通电磁换向阀换向。
2、组合成液压系统图
根据上诉基本回路再加上必要的辅助装置<如滤油器、压力表等）可组成如图7所示一个完整的液压系统图，并配以电磁铁动作顺序表。
动作顺序为：当YA2和YA3通电时，三位四通换向阀处于右位，二位四通换向阀处于右位，液压缸差动连接，此时为快进；当YA3断电后，二位四通换向阀处于左位，液压缸的无杆腔进油，有杆腔连接节流阀，流回油箱，此时液压缸为工进状态；当YA1通电后，三位四通换向阀处于左位，液压缸快退。
为保证液压泵能卸荷，在设计过程添加了一个二位四通换向阀，与溢流阀的远程控制口连接，当YA4通电后，液压泵会自动卸荷。

图7 专用铣床液压系统图

表3 电磁铁动作表
工作程序
YA1
YA2
YA3
YA4
快进
－
＋
＋
－
工进
－
＋
－
－
快退
＋
－
－
－
停止
－
－
－
－

六、选择液压元件
1、确定液压泵的容量及电动机功率
1.1液压泵的工作压力和流量计算
取进油路的压力损失取，回路泄露系数取，则液压泵最高工作压力

按《液压与气压传动》表10-12可知，取
根据上述计算选用单作用叶片泵，其型号规格为ＹＢ－６型定量叶片泵<排量V=4mL/r）其流量

1.2确定驱动电动机功率。在快速时为最大功率

式中：------液压泵总效率，取。
查电机手册，可选用Y系列电动机。
2、选择控制阀
根据泵的工作压力和通过各阀的实际流量，选取各元件的规格，如表4所示。

表4 液压元件选择列表
序号
元件名称
最大通流量/
型号规格
1
定量叶片泵
5.6
YB-4　
2
溢流阀
5.6
Y-25B
3
三位四通电磁阀
5.6
34D-25B
4
单向调速阀
5.6
QI-25B
5
二位三通电磁阀
5.6
Y—10B 10×63
6
单向阀
5.6
I-25B
7
压力表开关
－
E-38
8
过滤器
5.6
WU-16×80-J
3、确定油管直径及管接头
进出液压缸无杆腔的流量，在快退和差动工况时为，所以流量为 。
取压油管流速，则取吸油管流速，则
查相关机械手册可选用阴极铜管<GB/T 1527-1987），压油管道选用直径为10mm，吸油管道选用直径为12mm。确定管道尺寸应与选定的液压元件接口处的尺寸一致。管接头可选用扩口式管接头<GB/T5626.1-1985>。
4、确定油箱容积

故取油箱容积为36L。
七、液压系统的性能验算
1、液压系统的效率
已知该液压系统中进、回油管的内经均为10mm，各段管道的长度分别为：AB=0.3m,AC=1.7m,AD=1.7m,DE=2m.选用L-HL32液压油，考虑到有的最低温度为15º，查的15º是该液压油的运动粘度ν=150cst=1.5cm²/s,油的密度ρ=920kg/m.
下面计算压力损失：
工作进给时进油路压力损失：
工作进给时的最大流量Q=πd²v/4=8.843L/min
v1=Q/(πd²/4>=188m/s
管道流动雷诺数为：
Rel=v1·d /ν=125<2300
可见油液在管道内流态为层流，沿程阻力系数λ1=75/Rel=0.68.
进油管道的沿程压力损失为：
Δp1-1=λ1(l/d>( ρv ²/2>=0.2Mpa
查的换向阀4WE6-61/G12的压力损失
Δp1-2=0.05 Mpa
忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失为：
Δp1=Δp1-1+Δp1-2=0.15 Mpa
工作进给时回油路的压力损失：
由于选用单活塞液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管的二分之一，则
v2=v1/2=94
Re2=v2·d /ν=62.7
λ2=75/Re2=1.2
回油管路的沿程成压力损失为：
Δp2-1=λ2(l/d>( ρv ²/2>=0.15Mpa
查得：换向阀3WE650/G24的压力损失Δp2-2=0.025 Mpa,
换向阀4WE6-61/G12的压力损失Δp2-3=0.025 Mpa，
调速阀2FRM5-10的压力损失Δp2-4=0.5 Mpa
回油管路总压力损失为：
Δp2=Δp2-1+Δp2-2+Δp2-3+Δp2-4=0.6 Mpa
变量泵出口处的压力：
Pp=(F/ηcm+A2Δp2> ／A1+Δp1=0.8Mpa
进油时的压力损失：
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两倍即24L/min,
管路沿程压力损失为：
v1=Q/(πd²/4>=510m/s
Rel=v1·d /ν=340
λ1=75/Rel=0.221
Δp1-1=λ1(l/d>( ρv ²/2>=0.52Mpa
同样可求管道AB段及AD段的沿程压力损失为：
V2=Q/(πd²/4>=255m/s
Re2=v1·d /ν=170
λ2=75/Re2=0.44
Δp1-2=0.032 Mpa
Δp1-3=0.181 Mpa
查产品样本知：
流经各阀的局部压力损失为：
4EW6-61/G12的压力损失Δp2-1=0.17 Mpa
3EW650/G24的压力损失Δp2-2=0.17Mpa
据分析在差动连接中，泵的出口压力为：
Pp=2Δp1-2+Δp1-2+Δp2-2+Δp2-1+Δp2-2+ F/(A2ηcm>=4.05 Mpa
快退时压力损失验算从略，上述验算表明，无需修改原设计。
2、溢流阀的调整压力
溢流阀共进的调整压力。取。
3、液压系统效率
液压系统效率见《液压与气压传动》式10.4-1

取泵的效率，液压缸的机械效率，回路效率为：

P1=(F+A2ΔP2>/A1+ΔP1
=(4010.46+6.265×10.01×10-4×105>/19.63×10-4+0.63×105Pa
=24.3×105Pa
≈24×105Pa
当工进速度为时，

当工进速度为时，

4、液压系统的温升<只验算系统在工进时的发热和温升）

定量泵的输入功率为：

工进时系统的效率，系统发热量为：

取散热系数，油箱散热面积时，计算出油液温升的近似值：

故油温符合要求。若油箱太小，温度过高，可换更换稍大油箱或使用冷却装置。
八、集成块设计
1．液压集成回路设计
1.1回路划为若干单元回路，每个单元回路一般由三个液压元件组成，采用通用的压力油路P和回油路T，这样的单元回路称液压单元集成回路。设计液压单元集成回路时，优先选用通用液压单元集成回路，以减少集成块设计工作量，提高通用性。
1.2连接起来，组成液压集成回路，图8所示为组合铣床的液压集成回路。一个完整的液压集成回路由底板、供油回路、压力控制回路、方向回路、调速回路、顶盖及测压回路等单元液压集成回路组成。

图8 组合铣床液压集成回路
2．液压集成块及其设计
组合铣床液压集成块装配总图是由底板、中间集成块1、中间集成块2和顶盖组成，由四个紧固螺栓把它们连接起来，再由四个螺钉将其紧固在液压油箱上，油压泵通过油管与底板连接，组成液压站，油压元件分别固定在各集成块上，组成一个完整的液压系统。
2.1底板的设计
底板块作用是连接集成块组。液压泵供应的压力油P由底板引入各集成块，液压系统回油路T及泄漏油路L经底板引入液压油箱冷却沉淀。
其零件图见附件。
2.2顶盖的设计
顶盖的主要用途是封闭主油路，安装压力表开关及压力表来观察液压泵及系统各部分工作压力的。设计顶盖时，要充分利用顶盖的有效空间，也可把测压回路、卸荷回路以及定位夹紧回路等布置在顶盖上。
其零件图见附件。
2.3集成块设计
若液压单元集成块回路中液压元件较多或者不好安排时，可以采用过渡板把阀与集成块连接起来。如：集成块某侧面要固定两个液压元件有困难，如果采用过渡板则会使问题比较容易解决。使用过渡板时，应注意，过渡板不能与上下集成块上的元件碰撞，避免影响集成块的安装，过渡板的高度应比集成块小2mm。过渡板一般安装在集成块的正面，过渡板厚度为35至40mm，在不影响其部件工作的条件下，其长度可稍大于集成块尺寸。过渡板上孔道的设计与集成块相同。可采用先将其用螺钉与集成块连好，再将阀装在其上的方法安装。集成块上的公用通道，即压力油孔P、回油孔T、泄漏孔L<有时不用）及四个安装孔。压力油孔由液压泵流量决定，回油路一般不得小于压力油孔。直接与液压元件连接的液压油孔由选定的液压元件规格决定。孔与孔之间的连接孔<即工艺孔）用螺塞在集成块表面堵死。与液压油管连接的液压油孔可采用M制细牙螺纹或英制管螺纹。
把制做好的液压元件样板放在集成块各视图上进行布局，有的液压元件需要连接板，则样板应以连接板为准。电磁阀应布置在集成块的前、后面上，要避免电磁换向阀两段的电磁铁与其它部分相碰。液压元件的布置应以在集成块上加工的孔最少为好。孔道相同的液压元件尽可能布置在同一水平面，或在直径d的范围内，否则要钻垂直中间油孔，不通孔道之间的最小壁厚h必须进行强度校核。
液压元件在水平面上的孔道若与公共油孔相通，则尽可能地布置在同一垂直位置或在直径d范围，否则要钻中间孔道，集成块前后与左右连接的孔道应相互垂直，不然也要钻中间孔道。
集成块的零件图见附件。

九、总结
本次液压课程设计在本小组成员的合作下，可以说圆满的完成了预期的任务。通过这次的液压课程设计，我们切身体会了液压系统的整个设计体制，加深了液压传动学的知识的理解，了解和掌握了液压系统的设计步骤。
本次液压系统的设计，采取小组成员分工合作制，在集体讨论好设计方案后，每个小组成员按工作量分别计算和设计液压系统的一部分集成块，完成各自的设计后，再汇总进行审查。本小组的方案进行审查后，可以成功的达到所需要求，液压系统的设计成功的完成。
通过这次的液压课程设计，我们再次体会到团队合作的重要性，在设计的过程中，不断的查阅各种相关技术资料，加深了我们对液压系统设计过程的映像。这次课程设计为我们以后的工作做了一次良好的铺垫，为我们以后的工作奠定了一定的基础。
在此要感谢曾亿山老师和夏永胜老师的悉心指导，感谢老师们给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

参考文献
1. 曾亿山编.液压与气压传动.合肥：合肥工业大学出版社.2008.
2. 张利平编.液压传动系统及设计.北京：化工工业出版社，2005.
3. 王守城，段俊勇编.液压元件及选用.北京：化工工业出版社，2007.
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5. 周士昌编.液压系统设计图集.北京：机械工业出版社，2003.
6. 许贤良，王传礼编.液压传动.北京：国防工业出版社，2006.
7. 徐之梦编.液压机构.机械工业出版社.2018.

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