液压与气压传动-课程设计.doc

液压气动课程设计

院 系： 机电工程学院
班 级： 11机工A1
姓 名： 孙欣
学 号： 20114812079
完成日期： 2014.1.2

目录

一、工况分析·····························
二、液压缸参数确定··························
三、液压系统原理图··························
四、 液压缸装配图···························
五、系统工况图与电磁铁工作表·····················
六、液压动力元件选择·························
七、液压控制元件选择及计算······················
八、液压系统性能验算·························
九、控制电路·····························
十、集成块设计····························
十一、个人小结····························
十二、参考文献····························

设计要求：设计一台铣削专用机床液压系统，要求其完成的工作循环是：工件夹紧→工作台快进→工作台工进→工作台快退→工作台停止。运动部件的重力为25000N，快进、快退速度为5m/min,工进速度为100～1200mm/min，最大行程为400mm，其中工进行程为180mm，最大切削力为18000N，采用平面导轨，其静摩擦系数f=0.2，动摩擦系数f=0.1。

一、工况分析
⑴ 负载分析
计算液压缸工作过程各阶段的负载。
1、切削负载F(已知)18000N
2、摩擦负载F
机床工作部件对动力滑台的法向力为 F=25000N
静摩擦负载 F= F·f=25000×0.2=5000N
动摩擦负载 F= F·f=25000×0.1=2500N
3、惯性负载 F=ma=(25000/9.8)×(5/60/0.2)=1062.9N
根据上述计算结果,可得各工作阶段的液压缸负载如表所示：

表1 液压缸各工作阶的负载F

工况
计算公式
负载值
工况
计算公式
负载值
启动
F= F·f
5000
工进
F= F·f+ F
20500
加速
F= F·f+m
3562.9
快退
F= F·f
2500
快进
F= F·f
2500

按表1数据可画出负载循环及工进时的速度范围可画出速度循环图如下:

二、确定液压缸主要参数
根据《液压元件手册》 P130页 表2-31初定液压缸的工作压力为p=4MPa。动力滑台要求快进、快退速度相等，选用单杆液压缸，快进时采用差动联接。此时液压缸无杆腔面积A与有杆腔面积A之比为2，活塞杆直径d与活塞直径D有d=0.707D的关系。为防止孔钻通后，滑台产生前冲现象，液压缸回油路应有背压p，暂取p=0.5MP。（《机械设计手册》P86，0.2～0.5MPa）
从负载循环图上可知，工进时有最大负载，按此负载求液压缸尺寸。根据液压缸活塞 力平衡关系可知
pA= A
式中： ——液压缸效率，取。

D=0.0828m

d=0.707D=0.0828×0.707=0.061m 根据根据《机械设计手册》将D和d圆整就近取标准值
D=0.0828m=80mm
d=0.061m=70mm

故液压缸的实际有效面积为：
A A
活塞杆强度校核：
由于活塞杆总行程为180，而活塞杆直径为70mm,L/d=2.5710，需要进行强度校核，由材料力学中的有关公式 校核,活塞杆材料选用普通碳钢。根据材料许用应力表查得[]=110MPa
由式 得：
活塞杆直径7015.40 故满足强度条件。

根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积，可以算出液压缸工作过程各阶段的压力、流量和功率：
快进阶段：

工进阶段：

快退阶段：

流量
快进阶段：
q1=v*(A1-A2)=5.90L/min
工进阶段：
q2=v*A1=6.03L/min
快退阶段：
q3=v*A2=19.24L/min

功率
快进阶段： P1=p1*q1=208.47kw
工进阶段： P2=p2*q2=410.04kw
快退阶段：P3=p3*q3=208.43kw
工况
压力P/MPa
流量q/(L/min)
功率P/W
快进

5.90
208.47
工进

6.03
410.04
快退

19.24
208.43
表2

三、拟定液压系统基本回路
从工况可知，该液压系统应具有快速运动、换向、速度换接等回路。为提高系统工作效率，我们选择双泵供油。
1 选择各基本回路
① 双泵供油回路
双泵油源包括低压大流量泵和高压小流量泵。液压缸快速运动时，双泵供油，工进时，高压小流量泵供油，低压大流量泵卸荷。
② 快进回路
这一回路采用液压缸差动联接实现快速运动，用三位四通电磁阀实现换向，并能实现快进时，液压缸的差动联接。
③ 工进回路
此时的负载较大，所以顺序阀被打开，大流量泵直接通过顺序阀流回油箱，此时只有小流量泵工作，接通三位四通电磁换向阀的1YA使得整个系统形成工进回路。
④ 卸荷回路
在双泵供油的油源回路中，可以利用液控顺序阀实现低压大流量泵在工
进和停止时卸荷。
液压系统原理图：

四、液压缸装配图

五、系统工况图及电磁铁工作表：

1YA
2YA
3YA
快进
-
-
+
工进
+
-
+
快退
-
+
+
原位停止
-
-
-

六、选择液压动力元件
1、液压泵和驱动电机
双泵供油的两个液压泵的最大工作压力不同，应分别计算。
液压缸的最高工作压力为4.08MPa，取进油路压力损失为0.5MPa（查《机械设计手册》P86，0.2～0.5MPa)），据此可知高压小流量泵的最大工作压力为：
p4.08+0.5=4.58MPa
从工况图中，得液压缸快进、快退时的最大压力为2.12MPa。取进油路压力损失为0.5MPa，则低压大流量泵的最大压力为：
p2.12+0.5=2.62MPa
通过流量表可知，两泵同时供油的最大流量为19.24L/min，两个泵同时向系统供油时，按漏油10%计算则两个泵的总流量为：
Q1.1×19.24=21.164L/min
溢流阀的最小稳定流量为3L/min，工进时液压缸的流量为6.03L/min，高压小流量泵的流量应为3+6.03=9.03L/min。
根据以上压力和流量数值查产品样本，选定双联叶片泵型号PV2R12-6/23。
该液压泵的排量分别为后泵6ml/r和前泵23ml/r，当液压泵转速n=940r/min时，液压泵理论流量为30.08L/min，取液压泵的容积效率 ，液压泵的实际流量为

（小流量泵的最低流量）

查液压缸工况图可知，液压缸工进时，所需功率最大。液压泵工作压力为4.08MPa，流量为6.03 L/min。则驱动电机功率为：
P=
式中：——液压泵总效率，取=0.75。
查电机手册选取Y90S-6型电动机，额定功率0.75KW，满载转速910r/min

七、液压控制元件的选择及计算
1、阀类元件和辅助元件按其在油路中的最大压力和该元件的实际流量，选出元件的规格型号见表3：
表3
序 号
名 称
流量参数、转数
压力（Mpa）、功率（kw）
型号及规格
出处
1
电动机
910r/min
0.75KW
Y90S-6
机械设计手册
Y系列电动机
2
双联叶片泵
32.6/mL.r
14Mpa
PV2R12-6/23

机械设计手册
P23-89
3
溢流阀
63L/min
5.08Mpa
YF3-E10L
液压元件手册
P214、P215
4
单向调速阀
0.2-125L/min
21Mpa
FCG03125
机械设计手册
P23-339
5
三位四通电磁换向阀
60L/min
31.5Mpa
4WE6HA6XBW110R-50Z4
机械设计手册P23-368
WE型电磁换向阀
6
二位三通电磁换向阀
60L/min
31.5Mpa
4WE6EA6XBW110R-50Z4
机械设计手册P23-368
WE型电磁换向阀
7
单向阀
40L/min
最大25Mpa
CRG03*-50
机械设计手册P23-361
8
液控顺序阀
60L/min
≦35Mpa
DE6DP-XM
机械设计手册P23-296

2、油管计算
表4 液压缸的进、出流量

快进
工进
快退
输入流量
（L·min）
Q
=(63.5927.1）/(63.59-28.26)
=48.81
Q4.1
Q27.1
排出流量
（L·min）
Q
=(28.2948.81)/63.59
=21.71
Q
=(28.260.41)/63.59
=0.18
Q
=(63.5927.1)/28.26
=60.98
运动速度
（m·min）
v
=(27.110)/(63.59-28.26)
=7.67
v
=(0.4110)/63.59
=0.064
V
=(27.110)/28.26
=9.59
管道尺寸的确定：
油管采用钢管，p=24.57MPa(P>6.3Mpa) ，钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。塑料管一般用在回油管用。
管接头的选用：
液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。
管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封；细牙螺纹密封性好，用于高压系统。组合垫圈或O形圈进行端面密封，也可采用紫铜垫圈。

5) 管道内径计算：

其中： q——通过管道内的流量
v——管内允许流速
见表：液压系统各管道流速推荐值
油液流经的管道
推荐流速（m/s）
液压泵吸油管
0.5～1.5
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

(1). 液压泵压油管道的内径： 取v=4m/s

根据《机械设计手册》：d=5mm,钢管的外径 D=10mm，管接头联接螺纹M8×1
(2). 液压泵回油管道的内径：取v=2.4m/s

根据《机械设计手册》：取d=6.3mm,钢管的外径 D=10mm，管接头联接螺纹M8×1
6) 确定油箱
油箱的容量按式估算，其中α为经验系数，低压系统，α=2～4；中压系统，α=5～7；高压系统，α=10～12。现取α=10，得

7)管道壁厚的计算：

p——管道内最高工作压力 Pa
d——管道内径 m
——管道材料的许用应力 Pa
——管道材料的抗拉强度 Pa
n——安全系数
时，取n=8；
时，取n=6；
时，取n=4。
钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度=600MPa;

液压泵压油管道的壁厚

液压泵回油管道的壁厚

3、油箱
油箱容量按液压泵的流量计算，取=7。
V=Q=7×27.1=189.7
按GB2876-81规定，就近选取标准值，V=250L。
4、液压油的选择：设系统采用N32液压油。室温为20℃时，
八 液压系统性能验算
⑴压力损失估算
由于具体的管路布置尚未确定，压力损失暂无法计算。这里仅对阀类元件的压力损失进行估算，待管路装配图确定后，再计算管路的沿程和局部压力损失。压力损失要按不同工作阶段分别计算。
① 快进
快进时液压缸差动联接，可知进油路上有单向阀10，其通过流量为22L/min，电磁换向阀2，其流量为27.1L/min，由于此时液压缸实现差动联接，故通过行程阀的流量为48.81L/min，其进油路总损失为

=
=0.024+0.057+0.18
=0.26MPa
式中：——阀的额定压力损失；
——阀的实际过流量；
——阀的额定流量。
回油路上液压缸有杆腔的油液通过电液换向阀和单向阀的流量均为21.71L/min，然后与液压泵供油汇合，通过行程阀进入无杆腔，据此计算出有杆腔与无杆腔之压力差

=0.037+0.024+0.18
=0.241MPa
② 工进
工进时，进油路上电液换向阀的流量为0.5 L/min，调速阀的压力损失为0.5MPa；回油路上通过换向阀的流量为0.24 L/min，背压阀的压力损失为0.6MPa，顺序阀的流量为0.24+22=22.24 L/min，折算到进油路的总损失为

=0.78MPa
液压缸回油腔的压力为
=0.64MPa
考虑到压力继电器的动作压力比系统工作压力高0.5MPa，因此溢流阀的调定压力为

=4.75MPa
③ 快退
快退时，进油路通过单向阀的流量为22 L/min，通过换向阀的流量为27.1 L/min；回油路上通过单向阀，换向阀和单向阀的流量相同，均为57.51 L/min，进油路上总压力损失为
=0.082MPa
回油路总压力损失为
=0.592MPa
则快退阶段，液压泵的工作压力为

1.5+0.082=1.582MPa
此值为卸荷顺序阀的压力调定值。
⑵ 温升验算
以工进时的消耗功率计算温升。
工进时液压缸的有效功率为
=0.018KW
双泵供油在工进时，两泵的输出功率应分别计算。低压大流量泵输出功率：，此时大流量泵的压力为卸荷阀的调定压力，其值为
=0.037MPa，则。
高压小流量泵工作压力4.75MPa，流量为5.1 L/min，因此总输入功率为
=0.556kW
则发热功率为 =0.538Kw
油箱散热面积 A=2.58
温升 =22.8℃
式中，取散热系数K=9W/℃
温升在允许范围，可不设冷却装置。

九、电磁换向阀控制电路

十、 集成块设计

十一、 个人小结
　　毫无疑问，这是痛苦的两周，因为我不愿意说假话，也不愿意敲击着键盘将那些客套话搬上电脑屏幕。当然，我也无意对着他人诉苦，因为将课堂所学化为专业所用本就是作为一个学生的基本任务和职责，在课堂上抱怨着那些纷繁复杂的理论知识以及那些晦涩难懂的概念和公式时自己也曾想过如果能有那么一次实验或是一次能够接触到具体内容的教学过程那该多好呢，当度过了最初的抱怨之后我想到了自己当初所持的这一想法，学习，究其渊薮仍旧是要学以致用，尽管有些许繁忙，可我到底还是乐于接受了。
当小组成立以后自己被一种复杂的情绪所环绕着，这是一种既烦恼又兴奋的感觉，烦的是自己又将面对两周寝食难安的日子以及许多自己从未遇见过的难题，恼的是自己还有其他课程的设计任务需要去完成可时间偏偏只有两周，兴奋的是，我似乎能够预见到在课设结束之时，看着自己的报告书那时的我会有多轻松与自豪。怀揣着这种较为复杂的心情，我踏上了这次的课设之旅。
组长还没问，不由分说我和我的一个好哥们就一起自告奋勇揽下了设计计算的任务，因为之前做过机械设计的课程设计，我们俩也一起搞定了所有的计算，算是一对黄金搭档，当初的那种成就感还依旧历历在目，现在想来仍旧值得自豪，因为当其他组的同学们还在艰苦奋斗的时候我们组的同学们已经卷铺盖放假回家了。可当翻开设计任务书以及设计过程的时候我发现，事情远没有我们想象的类同，和之前不同的事，这次的系统工作原理全部要自己设计拟定，再一看那些纷繁复杂的计算，我们顿时有种压力山大的感觉，再加之各种装配图，我的世界霎时变成了灰色.....由于种种原因，我们的计算工作始终落在了其他小组的后面，当我们解决完各种棘手麻烦的问题时，其他小组的同学早已纷纷答辩完毕满面春风的拍着我的肩膀说道：“欣仔，这次你们怎么这样的磨。”我只是想，所谓快慢并非关键，而在于面对挑战时的态度以及困难来临时我们是否有勇气去面对，当我此刻坐在电脑前敲击着键盘时我想我已经做到了。
一个有着复杂心情的开局，一个有着将要抓狂的过程，一个有着美好结局的未来，也许我并不是一个优秀的学生，也许许多人认为我不适合学工科（我自己也这么认为）可这几年我到底还是坚持下来了，也许我别无所长，也许我前途堪忧可我不明白什么叫放弃，熬过了大学的两年，我似乎习惯了被一门又一门的专业课包围，习惯了被一个又一个的实训染白了一根又一根的头发，习惯了让自己语无伦次的繁忙，可我也习惯了战胜客服它们之后所带来的巨大喜悦，也许，很多路只在走与不走的一念之间，与其放弃不如裸衣与之一战，待到考试通过之日便是畅快淋漓之时。所谓人生，奋斗、奋斗、奋斗而已。

十二、 参考文献
1.《液压与气压传动》教材
2.《机械零件设计手册》（液压与气动部分） 冶金出版社
3.《组合机床设计》（液压传动部分） 机械出版社
4.《液压工程手册》 机械工业出版社
5.《液压系统设计简明手册》 杨培元主编，机械工业出版社
6.《液压元件手册》 黎启柏主编，冶金机械工业出版社