专用钻床液压系统设计11316149(DOC).doc

湖北文理学院理工学院

《液压与气压传动课程设计》

说 明 书

课题名称： 专用钻床的液压传动

学生姓名： 殷红进 学号： 11316149

专 业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机械1111

成 绩： 指导教师签字：

2014年

5月

30日

目 录

1 设计题目及其要求................................ 1
2工况分析
2.1动作要求分析...............................1
2.2负载分析...................................2
2.3负载图和速度图的绘制.......................5
2.4液压缸主要参数确定.........................6
3 液压系统设计设计
3.1液压系统图的拟定..........................10
3.2液压系统的工作原理........................12
3.3液压元件的选择........................... 13
4 验算性能完成设计 .............................. 16
5总结............................................20

22

设计内容
计算说明
结论

题目及要求

动作要求分析

一，设计题目及要求：
试设计一专用钻床的液压系统，要求完成”快进-工作-快退-停止（卸荷）”的工作循环．已知：切削阻力为15000N，运动部件自重为5000N，快进行程为220mm，工进行程为80mm，快进，快退运动速度为5m/min,工进速度为60-1000mm/min，加速和减速时间为△t=0.2sec,机床采用平导轨，摩擦系数为Fs=0.2,Fd=0.1

二，工况分析
2.1动作要求分析
根据主机动作要求画出动作循环图如图1-1

图1-1 动作循环图

设计内容
计算说明
结论

工作负载

摩擦负载

惯性负载
2.2负载分析
（1）工作负载：
工作负载与设备的工作情况有关，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。
FL=15000N
（2）摩擦负载：
摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力，它与支承面的形状，放置情况，润滑条件以及运动状态有关。
静摩擦负载 Ffs=fsG = (0.2*5000)=1000N
动摩擦负载 Ffd=fdG = (0.1*5000)=500N
（3） 惯性负载：
惯性负载是运动部件的速度变化是，由其惯性而产生的负载，可用牛顿第二定律计算。
加速
Fa1=m*a1=(5000/10)*(0.075/0.2)=187.5N
减速 Fa2 = m*a2=(5000/10)*(0.074/0.2)=185N

FL=15000N

Ffs=1000N

Ffd=500N

Fa1 = 187.5N

Fa2=185N

设计内容
计算说明
结论

制动 Fa3 = m*a3 =(5000/10)*(0.001/0.2)=2.5N
反向加速 Fa4 = Fa1 = 187.5N
反向制动 Fa5 = Fa4 =185N
如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦里的影响，并设液压缸的机械效率ηm=0.85，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表
工况
计算公式
总负载 F/N
缸推力 F/N
启动
Ffs
1000
1176.47
加速
Ffd + Fa1
687.5
808.82
快进
Ffd
500
588.24
减速
Ffd - Fa2
315
370.59
工进
FL + Ffd
15500
18235.29
制动
FL+Ffd – Fa3
15597.5
18350
反向加速
Ffd - Fa4
312.5
367.65
快退
Ffd
500
588.24
制动
Ffd+ Fa5
685
805.88

Fa3=2.5N

Fa4=187.5N
Fa5=185N

负载图和速度图的绘制

液压缸主要参数确定

初选液压缸的工作压力

液压缸尺寸

活塞杆稳定性校核

流量计算

压力计算

功率计算

工况图

2.3负载图和速度图的绘制
根据负载计算结果和已知的各个阶段的速度，由于行程是400mm，设定快进时的行程L1=300mm，工进时的行程L2=100mm。可绘出负载图（F-l）和速度图（v-l），见图1-2a、b。横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸退回时的曲线。

1-2a,b

2.4、液压缸主要参数确定
（1）、初选液压缸的工作压力
按负载大小根据表2选择液压缸工作压力
表2 按负载选择执行元件工作压力

根据最大负载F=19412N, 初选液压缸的工作压力为3MPa
（2）、计算液压缸尺寸
按最大负载Fmax计算缸筒面积A得

计算缸筒内径D得

按计算结果根据表3选择缸筒内径标准值。
表3 液压缸内径和活塞杆直径标准系列（GB/T2348—1993） mm

按标准取D = 90mm(壁厚5mm，单重11.17kg/m)
根据快进和快退速度相等要求，拟定液压系统在快进时采用差动连接。设活塞杆直径为d，于是有

D2/(D2-d2) =1.3 d=43.23mm
按标准取 d = 45mm
则液压缸的有效作用面积为：
无杆腔的面积 A1=1/4 *π*D2 = 1/4*π*92=63.59cm2
有杆腔的面积 A2=1/4 *π*(D2-d2) = 1/4*π*(92-4.52) =47.69cm2

（3 ）活塞杆稳定性校核
活塞杆的总行程为400 mm , 而活塞杆的直径为45mm , l/d =400/45=8.89<10
∴不用稳定性校核
（4） 、计算液压缸流量、压力和功率
1） 流量计算

2）压力计算

3）功率计算

4、绘制工况图
工作循环中液压缸各阶段压力、流量和功率如表4所示。
由表绘制液压缸的工况图如图3所示。

图3 液压缸的工况图
t(s)
p(MPa)
2.58
0.4
0.13
q(L/min)
21.4
7.15
3.1
t(s)
P(W)
47.7
t(s)
46.4
133.3
快进
工进
快退

3MPa

D=83mm

A1=63.59cm2
A2=47.69cm2

不用稳定性校核
设计内容
计算说明
结论

选用执行元件

确定供油方式

调速方式选择

速度换接选择

换向方式选择

快进

工进

快退

液压泵压力

所需液压泵流量

选用液压泵

选用电动机

标准件

油管

油箱

压力损失验算

沿程压力损失△Pf

回油沿程压力损失

总沿程压力损失

局部压力损失△Pr

总压力损失∑△p

调定压力的确定

系统温升验算

总结

三，液压系统设计

3.1、液压系统图的拟定
1、选用执行元件
由系统动作循环图，选定单活塞杆液压缸做为执行元件。根据快进和快退速度相等的要求，拟定在快进时采用差动连接，因此应使无杆腔有效面积为有杆腔有效面积的两倍。
2、确定供油方式
由工况图分析可知，液压缸在快进、快退时所需流量较大，但持续时间较短；而在工进时所需流量较小，但持续时间较长。因此从提高系统效率，节省能源的角度考虑，系统供油方式不宜采用单个定量泵，而宜采用双泵或变量泵。因此参考同类组合机床，选用双作用叶片泵双泵供油方式。
3、调速方式选择
由工况图可知，快进和快退时有速度要求，因此在有杆腔油口处统一采用调速阀调速。工进时速度低，考虑到系统负载变化小，所以采用调速阀进油节流调速回路。

4、速度换接选择
快进和工进之间速度需要换接，为便于对换接的位置进行适当的调整，因此采用二位二通行程阀来实现速度的换接。另外采用液控顺序阀与单向阀来切断差动回路。因此速度换接回路为行程与压力联合控制形式。
5、换向方式选择
采用三位五通电磁阀进行换向，以满足系统对换向的各种要求。选用三位阀的中位机能为M型，以实现可以随时在中途停止运动的要求。为提高换向的位置要求，拟采用止挡块和压力继电器的行程终点返回控制。
6、其它选择
为便于观察调整压力，在液压泵的出口处和液压缸的两接口处 均设置测压点，并配置多点压力表开关，以便利用一个压力表即能观测各点压力。
完成以上各项选择后，作出拟定的液压系统原理图和各电磁铁的动作顺序表如图4所示。

3.2、液压系统的工作原理
1、快进
按下起动按钮，电磁铁1YA通电，电磁换向阀8的阀芯右移，换向阀工作在左位，实现快进，油路为：
进油路：泵2→换向阀8左位→行程阀13下位→液压缸左腔；
回油路：液压缸右腔 →调速阀14 →换向阀8左位→单向阀9→行程阀13下位→液压缸左腔，形成差动连接。
2、工进
当滑台快速运动到给定位置时，滑台上的撞块压下行程阀13阀芯，切断通道，使压力油经调速阀10进入液压缸左腔。由于油液流经调速阀，系统压力上升，打开液控顺序阀7，此时单向阀9关闭，切断液压缸差动回路，实现工进，油路为：
进油路：泵2→换向阀8左位→调速阀10→液压缸左腔；
回油路：液压缸右腔→调速阀14 →换向阀8左位→顺序阀7→背压阀6 →油箱。

3、快退
当滑台工进完毕之后，停留在止挡块处，系统压力升高，直到压力继电器12的调整值时，压力继电器动作，2YA通电，电磁换向阀8工作在右位，滑台快退返回。快退油路为：
进油路：泵2 →调速阀14 →换向阀8右位→液压缸右腔；
回油路：液压缸左腔→单向阀11→换向阀8右位→油箱。
3.3、液压元件的选择
1、确定液压泵的型号及电动机功率
1）计算液压泵压力
估算压力损失经验数据：
一般节流调速和管路简单的系统取∑△pl=0.2~0.5MPa，有调速阀和管路较复杂的系统取∑△pl=0.5~1.5MPa。
液压缸在整个工作循环中最大工作压力为2.58MPa，由于系统有调速阀，但管路简单，所以取压力损失∑△pl=0.5MPa，计算液压泵的工作压力为
pp=p+∑△pl=2.58+0.5=2.63MPa

2）计算所需液压泵流量
考虑泄漏的修正系数K：K=1.1~1.3。
液压缸在整个工作循环中最大流量为21.4L/min。取回路泄漏修正系数K=1.1，计算得所需两个液压泵的总流量为
qp=1.1×21.4=23.54L/min
由于溢流阀最小稳定流量为3L/min，工进时液压缸所需流量为0.4L/min，所以高压泵的流量不得少于3.4L/min。
3）选用液压泵
1、 单泵Single pump

型号
排量
压力
转速
容积效率
驱动功率
重量
YB1～4
4
6.3
960
≧85
1.1
5
YB1～25
25
6.3
960
≧90
3.3
9

2、 双泵：Double Pump

L
L1
L2
L3
B
B1
H
S
D1
D2
d
d1
C
t
b
Z1
Z2
Z3
255
106
38
144
45
20
145
110
90dc
128
20d
11
5
22
5
Z1”
Z3/4”
Z1/4”

由[3]第5卷P158选用YB1—10/16型的双联叶片泵。
液压泵额定压力为6.3MPa，排量分别为10mL/r和16mL/r，取容积效率ηpV=0.85，总效率η=0.8，额定转速分别为1450r/min和960r/min.
4）选用电动机
拟选Y系列三相异步电动机，满载转速960r/min，按此计算液压泵实际输出流 qp=（10+16）×10﹣3 ×960 ×0.85=21.22L/min
计算所需电动机功率为

由[3]第4卷P569选用Y132S-6电动机。
电动机额定功率为3KW，满载转速为960r/min。
2、选择阀类元件及辅助元件
1）标准件
根据系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的流量，由产品目录确定这些元件的型号及规格如表5 所示。
2）非标件
a）油管
油管尺寸根据实际流量类比确定，采用内径为16mm，外径为20mm的紫铜管。
b）油箱
油箱容积计算如下
V=（5~7）qp=（5~7）×21.22=106.1~148.54L
取V=150L。
表5 液压元件型号及规格
序 号 名 称 通过流量qmax(L/min) 型号及规格
1 滤油器 24.96 XU-C32×100B
2 双联叶片泵 21.22 YB1—10/16
3 溢流阀 8.11 Y-10B
4 单向阀 13.61 I-25B
5 顺序阀 13.61 X-B25B
6 溢流阀 8.37 Y-10B
7 顺序阀 8.37 XB-25B
8 三位五通电磁换向阀 21.22 35D-25BM
9 单向阀 8.37 I-25B
10 调速阀 16.20 Q-25B
11 单向阀 16.80 I-25B
12 压力继电器 DP-25B
13 二位二通行程阀 24.57 22D-25B
14 调速阀 21.22 Q-25B
15 压力表开关 K-3B
16 压力表 Y-100T
17 电动机 Y132S-6

四， 验算性能完成设计
4.1、液压系统的性能验算
1、压力损失验算
按液压泵的实际输出流量估算压力损失。
1）油液在油管中的流速
进油管流速v'

回油管流速v"

层流状态： λ1=75/Re1=75/552=0.14

2）沿程压力损失△Pf
设系统采用L-HM32液压油，室温为20℃时粘度为
ν=1.0×10﹣4 m2/s
a）进油沿程压力损失△Pf1

层流状态： λ1=75/Re1=75/552=0.14
取油液的密度为ρ=890kg/m3，进、回油管长度均为2m，得进油沿程压力损失为

b）回油沿程压力损失

层流状态： λ2=75/Re2=75/281=0.27

c）总沿程压力损失

3）局部压力损失△Pr
局部压力损失包括液压阀的压力损失及管道和管接头的压力损失。液压阀的损失很小，可以忽略不计。管道和管接头压力损失一般取沿程压力损失的10%计算，于是
△pr=10% △pf=0.1×0.48=0.05MPa
4）总压力损失∑△p
∑△p=∑△pf+ ∑△pr=0.48+0.05=0.53MPa
原设∑△p=0.5MPa，与计算结果非常接近。
2、调定压力的确定
双联泵系统中卸荷阀的调定值为

取 p卸=4.1MPa
溢流阀的调定值应大于卸荷阀调定压力0.3~0.5MPa。取
p溢=4.5MPa
顺序阀的调定值应为
p顺=0.29+∑△p=0.29+0.95=1.24MPa
背压阀的调定值取为 p背=0.3MPa

3、系统温升验算
工进时间在整个工作循环中所占的时间比例达87%，所以系统温升可按工进计算。
工进时液压缸的有效功率为

工进时大流量泵卸荷，卸荷压力为0.3MPa，，小流量泵在高压3.64MPa下供油，两个泵的总输出功率为

由此得液压系统单位时间的发热量为

设油箱的三个边长在1：1：1~1：2：3范围内，计算散热面积为

按通风良好取散热系数h=15×10﹣3kW/（m2℃），计算油液温升为

设室温t1=20℃，得油液温度t2为

热平衡计算在允许范围内。

五，总结
液压是一们机械专业十分重要的专业基础课。同时液压在实际生产的应用上也发挥了契机巨大的作用。在工业生产的各个部门应用液压传动技术。工程机械，矿上机械，压力机械和航天工业中，常常采用液压传动，因为其结构简单，体积小，重量轻，输出力大；机床上采用液压传动是取其能在工作过程中方便的实现无级调速，易于实现频繁的换向，易于实现自动化；在电子工业，包装机械，印染机械，食品机械等方面应用气压传动主要是取其操作方便，无油，无污染。由此可见，液压的应用很广泛，发挥的作用也十分巨大。
液压课程设计是是对液压课程所学理论知识的一次具体的应用和实践，增强学生所学知识以及具体方法的实际应用有很大的帮助。通过这次课程设计，使我对于液压系统设计有了一个更加形象和直观的认识与掌握。这个过程中锻炼了我分析解决问题，应用和查阅相关机械资料进行设计的能力。
由于这次课程设计是在教学的过程中进行的，刚刚学过的理论知识印象还很深刻，但要在在短短的几周时间做好液压课程是不是一件容易的事，做课程设计又需要很多的相关的知识，这次课程设计又相当于让自己再次温固了一遍课程。真正做到理论与实践的相统一。做好一个设计首要的是理清思路，把具体要做的工作细分，循序渐进，走一步再走一步，这也有助于使自己不会遇到大的任务，繁杂的事情而手慌脚忙，不知所措。
查找资料是在整个设计过程中也是一项至关重要的事情，因为我们都没有经验，要想在短短的时间里完成一套设计，有用的资料是必不可少的。图书馆中找到了一些和我们的题目相近的设计实例，老师给了我们一套关于液压设计的工程手册。设计实例可以快速给我们设计思路，设计过程中要包括哪几个方面的内容也一目了然，于是大概是怎么样的一个过程就有了；液压设计工程手册提供了我们需要选取的元件，这些都是标准件，比如电磁换向阀，液压泵等等
有了充足的资料之后就要开始做自己的设计了。设计分为几个模块：设计计算及元件选择，验算，图纸（溢流阀零件图、三位四通换向阀、集成块零件图等等）设计并不是照搬照抄书上原有的东西，而是要根据前人的经验和一些经典回路，再加入自己所需的一些功能，最终设计完成的。设计的过程我们小组遇到了不少问题和疑点，通过和同学的讨论交流，以及请教王老师，最终使问题得以解决。自己也在这个过程中学到了很多实战知识。
通过小组队员的一起努力，终于完成了液压课程设计。
整个课程设计过程是在教学的同时进行的，理论与实践相结合的效果特别好。自己也收获了不少的东西。全盘规划，具体分析，付诸实施，合理调整，以及团队协作等等科学的做事方法都得到了很好的体现。
感谢这次夏庆国老师的精心指点和辅导。
我会以这次课程设计为契机，更好的学习专研机械知识。在今后学校的学习生活中更加严格的要求自己，我会继续努力，朝着二工大“知识型”“高技能”“创新型”人才的培养标准而不断奋斗。

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
7. 机械设计手册《液压传动》PDF版 化学工业出版社

采用差动连接

双作用叶片泵双泵供油

调速阀进油节流调速回路。

行程与压力联合控制形式

挡块和压力继电器的行程终点返回控制

2.63MPa

23.54L/min

YB1—10/16型的双联叶片泵。

Y132S-6电动机

内径为16mm，外径为20mm

V=150L

热平衡计算在允许范围内。