上料机液压系统设计.doc

《液压传动》课程设计说明书

液压传动课程设计

题目： 上料机液压系统设计
院系： 物理与机电工程学院
专业： 机械设计制造及其自动化
班级： 2011级机械（1）班
姓名： 卫世军
学号： 2011043511
指导老师： 张雪华
起止日期：2013年5月20日—5月24日

摘 要
现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。因此，《液压传动》课程是工科机械类各专业都开设的一门重要课程。它既是一门理论课，也与生产实际有着密切的联系。为了学好这样一门重要课程，除了在教学中系统讲授以外，还应设置课程设计教学环节，使学生理论联系实际，掌握液压传动系统设计的技能和方法。
液压传动课程设计的目的主要有以下几点：
1、综合运用液压传动课程及其他有关先修课程的理论知识和生产实际只是，进行液压传动设计实践，是理论知识和生产实践机密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深提高和扩展。
2、在设计实践中学习和掌握通用液压元件，尤其是各类标准元件的选用原则和回路的组合方法，培养设计技能，提高学生分析和嫁接生产实际问题的能力，为今后的设计工作打下良好的基础。
3、通过设计，在计算、绘图、运用和熟悉设计资料（包括设计手册、产品样本、标准和规范）以及进行估算方面得到实际训练。
液压课程设计题目及上料机示意图
题目:设计一台上料机液压系统：要求工作循环为快速上升——慢速上升——停留——快速下降。工件的重量为630KG,滑台的重量为118KG，快速上升速度要求≥43mm/s；慢速上升要求≥8mm/s;快速下降速度要求≥58mm/s;滑台采用V形导轨，导轨面的夹角为90度，滑台与导轨的最大间隙为2mm,起动加速与减速时间均为0.5s，液压缸的机械效率为0.91（考虑密封阻力）。

上料机示意图

Ⅰ
主目录
摘要及课题………………………………………Ⅰ
目录………………………………………………Ⅱ
一.工况分析………………………………………1
二.负载和速度图的绘制…………………………2
三.液压缸主要参数的确定………………………3
四.液压系统的拟定………………………………5
五.液压元件的选择………………………………7
六.液压系统的性能验算…………………………8
七.液压缸的设计及选择…………………………11
八.总结……………………………………………13
九.参考文献………………………………………13

Ⅱ
一、 工况分析
1.运动分析：
根据各执行在一个工作循环内各阶段的速度，绘制其循环图，如下图所示：

快进
工进

快退
2.负载分析：系统总共承受的负载为7338N，所以系统负载很小，应属于低压系统。系统要求快上速度≥50m/min,慢上的速度≥8m/min,快下的速度≥65m/min，要完成的工作循环是：快进上升、慢速上升、停留、快速下降。但从系统的用途可以看出系统对速度的精度要求并不高，所以在选调速回路时应满足经济性要求。
1）工作负载：（630+118）*9.81=7338N
2）摩擦负载：
由于工件为垂直起升，所以垂直作用于导轨的载荷可由其间隙和结构尺寸求得，可知，取fs = 0.2, fd = 0.1，90°V型导轨，则
静摩擦负载：
动摩擦负载：
3）惯性负载
惯性负载为在起动和制动的过程中滑台和工件自重所引起的，可按 计算，其中：
G---运动部件的重量（N）g---重力加速度 △v---速度变化值（） △t---起动或制动时间（s）（以下合力只代表大小）。
加速：
减速：
制动：
反向加速：
反向制动：
根据以上的计算，考虑到液压缸垂直安放，其重量较大，为防止因自重而自行下滑，系统中应设置平衡回路。因此，在对快速向下运动的负载分析时，就不考虑滑台的重量，则液压缸各阶段中的负载如表1所示（ηm=0.91）
表 1 液压缸各阶段中的负载
工况
计算公式
总负载F(N)
缸推力F（N)
启动

7371.94
8101.03
加速

7419.27
8153.04
快上

7354.97
8082.38
减速

7302.61
8024.85
慢上

7354.97
8082.38
制动

7343.01
8069.24
反向加速

103.738
113.99
快下

16.97
18.65
制动

-69.798
-76.70

二、负载图和速度图的绘制：
按前面的负载分析及已知的速度要求，行程限制等，绘制出负载图和速度图（如下图（a）(b)所示）

F/N
8101.03
8153.04 8082.38

113.99
18.65

0 350 450 s/mm
-76.70
(a) 负载—行程图
V(mm/s)

43
8

0 350 450 s/mm

58

(b) 速度—行程图
三.液压缸主要参数的确定
1、初选液压缸的工作压力
根据分析此设备的负载不大，书本查表可得其在（5~10）KN范围，对应工作压力取值在(1.5~2.0)MPa,按类型属机床类，为粗加工机床，所以初选此设备的工作压力为2Mpa
2、计算液压缸的尺寸选取

机械手册查阅参考资料
式中； F---液压缸上的外负载
p---液压缸的有效工作压 A---所求液压缸有效工作面积

按标准取值：D=70mm 根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径： 代入数值，解得：d=35.60mm
查手册表按标准取值：d=32mm
则液压缸的有效面积为：
无杆腔面积：
有杆腔面积：
3、活塞杆稳定性的校核
因为活塞杆总行程为450mm，而活塞杆直径为28mm，L/d=450/28=16.07>10，需要进行稳定性的校核，由材料力学中的有关公式，根据液压缸的一端支撑，另一端铰链，取末端系数=2活塞杆材料用普通碳钢制：材料强度试验值f = 4.9×108Pa，系数a = ，柔性系数Ψ1=85，，因为 ，所以有其临界载荷：

时
活塞杆的稳定性满足，此时可以安全使用。
4. 巩固走循环中各个工作阶段的液压缸压力：
q快上=A1V快上=38.48×10-4×43×10-3m3/s
= 165.46×10-6m3/s=9.93L/min

q慢上=A1V慢上=38.48×10-4×8×10-3m3/s
= 30.78×10-6m3/s=1.85L/min
q快下=A2V快下=30.43×10-4×58×10-3m3/s
= 176.49×10-6m3/s=10.59L/min
5. 流量和功率见下表：
工况
压力p(MPa)

流量q(L/min)
功率P(w)
快上
1.91
9.93
316.03
慢上
1.91
1.85
58.79
快下
0.0056
10.59
0.99
依据流量和功率情况表可绘制出如下液压缸的工况图：
1.91

0.0056

0 t/s

9.93 10.59

1.85

0 t/s
316.03
58.79
0.99
0 t/s
快上 慢上 快下

(液压缸的工况图)

四、液压系统图的拟定：
液压系统图的拟定，主要是考虑一下几个方面问题：
1）供油方式: 从工况图分析可知，该系统在快上和快下的时所需流量较大，且比较接近，且慢上时所需的流量较小，因此宜选用双联式量叶片泵作为油泵。
2）调速回路: 有工况图可知，该系统的在慢速时速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的回油节流调速。
3）速度换接回路: 由于快上和慢上之间速度需要换接，但对缓解的位置要求不高，所以采用由行程开关法讯控制二位二通电磁阀实现速度换接。
4）平衡及锁紧: 为防止在上端停留时重物下落和在停留的时间内保持重物的位置，特在液压缸的下腔（即无杆腔）进油路上设置液控单向阀;另一方面，为了克服滑台自重在快下过程中的影响，设置了一单向背压阀。
拟定液压系统原理图

五、液压元件的选择
1、确定液压泵的型号及电动机功率
液压缸在工作循环中最大工作压力为1.91Mpa,由于该系统比较简单，所以取其压力损失.所以液压泵的工作压力为：

两个液压泵同时向系统供油时，若回路中的泄漏按10%计算，则两个泵的总流量应为qq=1.1×10.59=11.649L/min，由于溢流阀最小稳定流量为3L/min，而工进时液压缸所需流量为1.85L/min，所以高压泵的流量不得少于（3+1.85）L/min=4.85L/min。
根据以上压力和流量的数值查产品目录，故应选用型的双联叶片泵，其额定压力为6.3Mpa,容量效率，总效率，所以驱动该泵的电动机的功率可由泵的工作压力（2.33Mpa）和输出流量（当电动机转速为910r/min） 求出：

查电动机产品目录，拟选用的电动机的型号为Y90S-6，功率为750kw,额定转速为910r/min。
2、选择阀类元件及辅助元件
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，可选用这些元件的型号及规格（见下表）
液压元件型号及规格（CE系列）

序号
名称
通过流量
型号及规格
1
滤油器
11.47
XLX-06-80
2
双联叶片泵
9.75

3
单向阀
4.875

4
外控顺序阀
4.875

5
溢流阀
3.375

6
三位四通电磁换向阀
9.75
34EF3Y-E10B
7
液控单向阀
11.57
YAF3-Ea10B
8
单向顺序阀
11.57
AF3-10B
9
二位二通电磁换向阀
8.21
22EF3-E10B
10
单向调速阀
9.75
AQF3-E10B
11
压力表

12
压力表开关

KF3-E3B
13
电动机

14
液压缸

HSG※01-63/dE
（1）油管 油管内径一般可参考所接元件口尺寸进行确定，也可按管中允许速度计算。在本例设计中，出油口采用内径为A0=8mm，外径为10mm的紫铜管。
（2）油箱 油箱的主要功能是储存油液，此外还起着散发油液中的热量，逸出混在油液中的气体，沉淀油中的污物等作用。
油箱容积根据液压泵的流量计算，取其体积:
, 即V=70L
六、液压系统的性能验算
1.压力损失及调定压力的确定
根据计算慢上时管道内的油液流动速度约为0.50m/s，通过的流量为1.5L/min，数值较小，主要压力损失为调速阀两端的压降，此时功率损失最大；而在快下时滑台及活塞组件的重量由背压阀所平衡，系统工作压力很低，所以不必验算。因而必须以快进为依据来计算卸荷阀和溢流阀的调定压力，由于供油流量的变化，快上时液压缸的速度为
v1=qp/A1=9.75×10-3/60×38.48×10-4m/s=42mm/s
此时油液在进油管中的流速为
v=qp/A0=9.75×10-3×4/π×82×10-6m/s=3.23m/s

（1） 沿程压力损失 首先要判别管中的流态，设系统采用N32液压油。室温为20℃时，动力粘度，所以有：Re=vd/v0=3.23×8×10-3/1.0×10-4=258.4<2320,管中为层流，则阻力损失系数λ=75/Re=75/258.4=0.29，若取进、回油管长度均为2m，油液的密度为,则其进油路上的沿程压力损失为:
Δpλ1=λ(l/d)(ρ/2)v2=0.29×(2/8×10-3)×(890/2)×3.232Pa=3.37×105Pa=0.337MPa
（2）局部压力损失 局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的10％；而后者则与通过阀的流量大小有关，若阀的额定流量和额定压力损失为和，则当通过阀的流量为q时的阀的压力损失式为
因为CE系列10mm通径的阀的额定流量为63L/min,而在本题中通过每个阀的最大流量仅为9.75L/min,所以通过整个阀的压力损失很小，可以忽略不计。
同理，快上时回油路上的流量

则回油路油管中的流速
v=7.71×10-3/60×(π/4)×82×10-6m/s=2.55m/s
由此可计算出Re=vd/v0=2.55×8×10-3/1.0×10-4=204.0（层流），λ=75/Re=0.362,所以回油路上沿程压力损失为:Δpλ1=λ(l/d)(ρ/2)v2=0.362×(2/8×10-3)×(900/2)×2.552Pa=2.64×105Pa=0.264MPa
(3） 总的压力损失 同上面的计算所得可求出

∑△p=△p1+(A2/A1)△P2=MPa
=0.825MPa
原设∑△p=0.4MPa,这与计算结果有差异，应用计算出来的结果来
确定系统中压力阀的调定值。
（4）压力阀的调定值

所以卸荷阀的调定压力应取2.8MPa为宜。
溢流阀的调节器定压力应大于卸荷阀的调定压力0.3~0.5MPa，所 以取溢流阀定压力为3.2MPa
背压阀的调定压力以平衡滑台自重为根据，即
P背≥1157/(38.48×10-4)Pa=3.006×105Pa=0.3006MPa,
取p背=0.4MPa
2.系统的发热与温升
根据以上的计算可知，在快上时电动机的输入功率为：
Pp=pp/qpηp= 2.6×106×9.75×10-3/60×0.75w=563.33w;
慢上时的电动机输入功率为:Pp1=pp1qp1/ηp=3.0×106×4.875×10-3/60×0.75=325w ；而快上有用功率为P1=1.91×106×9.75×10-3/60W=313.63W；慢上时的有效功率为42.75W；所以慢上时的功率损失为316.56W-42.75W=273.81W，略小于快上时的功率损失559.25W-266.48W=292.48W，现以较大的值来校核其热平衡，求出发热温升。
油箱的三个边长在1：1：1～1：2：3范围内，则散热面积为
假设通风良好，取，由于升降台在上升后有时间停留，在快下后也有上料上时间要停留，综合考滤取其工作时理论的油温升的1/4作油箱的温升，所以油液的温升为

室温为20℃，热平衡温度为28.75℃＜65℃，没有超出允许范围。系统合格。

七. 液压缸的设计及选择
1、液压缸的分类及组成
液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸、和摆动缸三类。活塞缸和柱塞刚实现往复运动，输出推力和速度。摆动缸则能实现小于的往复摆动，输出转矩和角速度。此次我选择选用活塞缸中的双作用单活塞杆液压缸。液压缸的结构基本上可分成缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置，以及排气装置五个部分。
2、液压缸的主要参数设计（已经计算）,通过计算，查表选择用双作用单活塞杆液压缸HSG※01-63/dE型号。
3、液压缸的结构设计
1）缸体与缸盖的连接形式 常用的连接方式法兰连接、螺纹连接、外半环连接和内半环连接，其形式与工作压力、缸体材料、工作条件有关。
2）活塞杆与活塞的连接结构 常见的连接形式有：整体式结构和组合式结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接。
3）活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘、锁紧装置等。
4）活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处密封圈的选用，应根据密封部位、使用部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。常见的密封圈类型：O型圈，O型圈加挡圈，高底唇Y型圈，Y型圈，奥米加型等。
5）液压缸的缓冲装置 液压缸带动工作部件运动时，因运动件的质量大，运动速度较高，则在达到行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒端盖产生机械碰撞。为防止此现象的发生，在行程末端设置缓冲装置。常见的缓冲装置有环状间隙节流缓冲装置，三角槽式节流缓冲装置，可调缓冲装置。
6）液压缸排气装置 对于速度稳定性要求的机床液压缸，则需要设置排气装置。

4、 液压缸设计需要注意的事项
1）尽量使液压缸有不同情况下有不同情况，活塞杆在受拉状态下承受最大负载。
2）考虑到液压缸有不同行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题，缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应措施。
3）根据主机的工作要求和结构设计要求，正确确定液压缸的安装、固定方式，但液压缸只能一端定位。
4）液压缸各部分的结构需根据推荐结构形式和设计标准比较，尽可能做到简单、紧凑、加工、装配和维修方便。

八.总结：
通过这次液压传动设计，我学到了很多，因为我们现在正在走的路，是老师已经走过的路。他们会给我们指导与建议，会让我们的人生少那么点坎坷，多那么点平坦。我们从他们那里学习知识，掌握知识，学习如何自己获取知识，好为自己以后的人生铺路。请懂得：老师，只是我们人生的指明灯，他们不可能教会我们所有需要的知识与道理。但，他们会教给我们自己去探索的勇气与方法。我们师从于他们，只是为了站在巨人的肩上，让自己看的更高。刚开始时总觉得这有点太简单了，但等具体动手做了之后 ,事实证明之前的想法是完全错误的，做一件事应该有一种专注精神，而之前忙于兼职，落下很多功课没有深入学习。从此次课程设计的过程：求计算还要画图并且还要兼带查表等各项工作，对于这些方面的要求都很高，既考验耐心又考验细心，同时还要有信心，还好在老师同学的帮助下，之前一些一知半解的问题都顺利解决了。
我们参考了一些资料包括课外教材与网上找的，让我们的视角伸向了书本之外，而在找寻查阅资料的同时，我们对过去不足的地方进行了弥补。在CAD、solidworks,fuuidsim等设计软件的使用上，我们共同学习，共同努力。在设计计算的过程中，我们虽然有的步骤发生了点错误，但通过一个小组同学的检查，我们不断的修补改正。
经过液压实训设计练习，对学习的液压传动知识比较系统的归纳总结，用学到的理论知识去解决实际问题，加深了基础知识的掌握，对液压传动这门课程有了更清晰的认识。对我而言，一个人，从小学、初中、高中，再到大学要学习很多东西。但不要认为学完了这些就懂得了很多知识——因为世界上还有很多问题等待我们去发现，去解决。要拥有解决能力的问题首先要学会学习。学习是什么？学习就是生趣盎然的生活方式，而研究学问、学习技能、积累知识应该是一种积极的人生态度。
本设计的完成是在我们的指导老师张老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了老师很多的宝贵时间和精力，在此向老师表示衷心地感谢！老师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！
九.参考文献
1、《机械零件设计手册》（液压与气动部分）冶金出版社
2、《液压与气动传动》第四版 左键民主编机械工业出版社
3、《液压系统设计元器件选型手册》
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