双头专用车床液压系统设计说明书(修改版).doc

液 压 与 气 压 传 动
课程设计说明书

学 院： 机电工程学院
设计题目： 双头专用车床液压系统设计
专业班级： 机械电子工程2011-1
学 生： 辛浩

2013年12月

目录

一、设计任务 4
1、课程设计题目 4
2、课程设计任务 5
二、液压回路工况分析 6
1、导程摩擦阻力 6
2、惯性力 6
3、工作负载 7
4、液压缸密封摩擦阻力 7
三、液压系统主要参数计算 10
1、预选系统设计压力 10
2、计算液压缸主要结构尺寸 10
3、单个液压缸需求的最大流量 12
4、其他工作阶段的压力、流量和功率 12
四、制定方案，拟定液压系统图 13
1、制定液压回路方案 13
2、合成液压系统图 14
3、选择液压系统的元件和辅件 16
(1)液压泵的选择 16
(2)控制元件的选择 17
五、液压缸设计
1、液压缸结构的拟定.............................................................................................................18
2、液压缸主要几何尺寸的计算.............................................................................................19
3、液压缸的结构图.................................................................................................................20
六、设计总结...................................................................................................................................22
七、参考文献一、设计任务
1、课程设计题目
某厂欲自行设计制造一台专用车床，用于压缩机连杆两端长轴颈的车削加工。根据加工工件尺寸较长的特点，拟采用的加工工艺方案为：工件固定，刀具旋转并进给。车床主要由床身[布有相互平行的V形导轨和平导轨各一条(见图1-1)]和左右两个车削动力头组成，其总体布局如图2-2所示。工件装夹于床身中部。两个独立的动力头，通过机械传动带动主轴及刀具旋转实现车床的主运动；进给运动要求采用液压缸实现，即在床身上安装两个液压缸，使其活塞杆与各动力头下部相连，通过液压缸往复运动驱动动力头实现车床的进给运动。车床加工工件时，车削动力头的进给工作循环为：快进→工进→快退→停止。已知：移动部件重约是G＝15kN；各车削动力头的最大切削进给抗力(轴向力)估值为Fe＝10kN;主切削力(切向力)Fz＝35kN。要求动力头的快速进、退速度相等，V1=Vmax=3m/min；工进速度无级调整范围为V2=0.02~1m/min.导轨的静、动摩擦因数分别为fs=0.2;fd=0.1。
(2)配置执行元件
根据车床的总体布局及技术要求，选择缸筒固定的单杆活塞缸作为驱动车削动力头实现进给运动的液压执行元件。
(3)工况分析
由于动力头的快速进退及工作进给阶段的速度已给定，不必进行运动分析。故仅对液压缸作动力分析，即通过分析计算，确定液压缸总的最大外负载。 液压缸的受力简图如图1-2所示。

图1-1 车床总体布局示意图
1，8一车削动力头；2，7一主轴；3，6一连杆轴颈；
4一夹具；5一工件(连杆)；9一导轨；10一床身

图1-2 车床液压缸受力分析计算
参数类别
参数值
参数类别
参数值
最大行程
0.4m
轴向载荷
Fe=10KN
工进速度范围
0.02~1.0m/min
轴向载荷
Fz=35KN
快进，快退速度
3m/min
动摩擦系数
fd=0.1
移动部件重
G=15KN
静摩擦系数
fs=0.2

题目要求：
1. 驱动装置：双作用单出杆活塞缸，头部用间隙式缓冲，尾部用可调缓冲。
2. 安装方式：缸前，后盖采用法兰连接，用切向支座与机架固定，活塞杆移动。
3. 控制方式：用行程阀快进与工进速度的换接。
设计要求：
1. 进行工况分析与计算，绘制工况图（包括速度图与负载图）。
2. 拟定液压系统原理图，选择标准液压元件，绘制电磁铁动作循环表。
3. 进行液压缸设计计算，图纸绘制。
上交材料：
1. 设计说明书一份。
2. 液压系统原理图一张。
3. 液压缸装配图及部分零件图一套。

二、液压回路工况分析

1、导程摩擦阻力
车床工进阶段的导轨受力见图2-2，取摩擦因数fd=1，可算得动摩擦阻力为

图2-1 车床导轨受力分析简图

车床空载快速进退阶段启动时，导轨受静摩擦阻力作用，区静摩擦因数=0.2，算得

加速阶段和恒速阶段的动摩擦阻力为

2、惯性力
取速度变化量，启动时间。算得故惯性力

3、工作负载
液压缸拖动车削动力头进给时的工作负载为切削抗力，已知。
4、液压缸密封摩擦阻力
作用于液压缸活塞上密封阻力，用下式估算

式中-液压缸机械效率，。
取，算得启动时得静密封摩擦阻力

恒速时的动密封摩擦阻力估取为静密封摩擦阻力的30%，即，即。

将上述计算过程综合后得到的各工作阶段的液压缸外负载结果列于表2-1和2-2，液压缸的负载循环图、速度循环图见图2。

表2-1 车削动力头液压缸外负载计算结果
工况
外负载F/N
计算公式
结果
快进
启动

4621
加速

2264
恒速

2111
工进

16336

表2-2 车削动力头液压缸外负载计算结果
工况
外负载F/N
计算公式
结果
快退
启动

4621
加速

2264
恒速

2111
启动
快进
减速
工进
制动
制动
快退
反
向
启
动
F
O
X
X909
图2 液压缸的负载循环图、速度循环图

由表2-1和表2-2可以看出，最大负载出现在工进阶段 ，其最大值为.

三、液压系统主要参数计算
1、预选系统设计压力
本车床属于半精加工机床，负载最大时为慢速工进阶段，其他工况时载荷都不大，参考表3－1

表3－1 按主机类型选择设计压力
主机类型
设计压力/MPa
说明
机床
精加工机床
0.8～2
当压力超过32MPa时，称为超高压压力
半精加工机床
3～5
龙门刨床
2～8
拉床
8～10
农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构
10～16
液压机、大中型挖掘机、重型机械、起重运输机械
20～22
地址机械、冶金机械、铁道车辆维护机械、各类液压机具等
25～100

预选液压缸的设计压力。
2、计算液压缸主要结构尺寸
为了满足动力头快速进退速度相等的要求并减小液压泵的流量，将缸的无杆腔作为主公作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积与应满足,即活塞杆直径d和液压缸内径D间应满足d=0.71D。
为了提高动力头的工作平稳性，给液压缸设置一定回油背压。

表3－2 液压执行元件的背压力
系统类型
背压力/MPa
中低压系统
简单系统和一般轻载节流调速系统
0..2～0.5
回油带背压阀
调整压力一般为0.5～1.5
回油路设流量调节阀的进给系统满载工作时
0.5
设补油泵的闭式系统
0.8～1.5
高压系统
初算时忽略不计

参考表表3－2，暂取背压0.3MPa，上已取液压缸机械效率，则可算得液压缸无杆腔的有效面积

从而得液压缸内径
按GB/T 2348-1993，将液压缸内径圆整为。
因，故活塞杆直径为

按GB/T 2348-1993，将活塞杆直径圆整为.
则液压缸有效实际面积为

由于动力头的最低工进速度很低，故需按
（式3-1）
对缸的结构尺寸进行检验：将调速阀的最小稳定流量和活塞最小进给速度代入式3－1，算得

结果表明活塞面积可满足最低稳定速度的要求。
差动连接快进时，液压缸有杆腔压力必须大于无杆腔压力，其差值估取，并注意到启动瞬间液压缸尚未移动，此时；另外，取快退时的回油压力损失为0.6MPa。
从而算得液压缸在工进阶段的实际工作压力

它正是系统工作循环中的最高压力。由于
3、单个液压缸需求的最大流量
液压缸最大流量发生在快退阶段，算得单个液压缸的最大流量为

4、其他工作阶段的压力、流量和功率
其他由下表可见，快退阶段工作时，输入功率最大，其值为.

工作阶段
计算公式
负载
F/N
回油腔压力

工作腔压力

单缸输入流量

输入功率

快进
启动

4621

1.32

加速
2264
1.67
1.17

恒速
2111
1.63
1.13
11.53
217
工进

16336
0.3
2.47
0.157~7.85
6.35~318
快退
启动

4621

1.28

加速
2264
0.6
1.80

恒速
2111
0.6
1.76
12.01
352

四、制定方案，拟定液压系统图
1、制定液压回路方案
a． 调速方式与油源方案。考虑到切削进给传动功率不是很大，低速时稳定性要求较高；加工期间负载变化较大，故采用限压式变量阀供油和调速阀联合的容积节流调速方案，且快进时液压缸差动链接，以满足系统高压小流量和低压大流量的工况特点，从而提高系统效率，实现节能，调速阀设置在进油路上，通过调节通流面积实现液压缸及其拖动的车削动力头的车削进给调速度大小；通过分别调整两个调速阀可使两个车削动力头获得较高同步精度。
b． 方向控制方案。由于系统流量不是太大，故选用三位五通“O”形中位机能的电磁换向阀作主换向阀；本机床加工的轴颈长度尺寸无特殊精度要求，故采用行程控制即活动挡块压下电器行程开关，控制换向阀电磁铁的通断电来实现自动换向和速度换接。通过两个电磁铁换向阀的通断组合，可实现两个车削动力头的独立调节。在调整一个时，另一个应停止。
c． 速度换接方案。快进和和工进的速度换接由二位二通行程阀和远控顺序阀实现，以简化油路，提高换接精度。工进时进右路和回油路的隔离采用单向阀实现。
d． 背压与安全保护。为了提高液压缸及其驱动的车削动力头的运动平稳性，在液压缸工进时的回油路上设置一溢流阀，以使液压缸在一定的背压下运行。为了保证整个系统的安全，在泵出口并联一溢流阀，用于防止过载。
e． 辅助回路方案。在液压泵入口设置吸油过滤器，以保证油液的清洁度；在液压泵出口设置压力表及多点压力表开关以便于个压力阀调压时的压力观测。
2、合成液压系统图
将上述各液压回路方案进行综合即可组成专用车床的液压系统原理图，图中附表是电磁铁及行程阀的状态表。
以左侧动力头及液压缸21为例说明其工作原理。
a． 快进 按下启动按钮，电磁铁1YA通电使换向阀13切换至左位。由于快进时负荷较小，系统压力不高，故顺序阀9关闭，变量泵2输出最大流量。此时，液压缸21为差动连接，动力头快进。西戎的油液流动路线如下。
进油路：变量泵2→换向阀13（左位）→行程阀19（下位）→液压缸21无杆腔。
回油路：液压缸21有杆腔→换向阀13（左位）→单向阀11→行程阀19（下位）→液压缸21无杆腔。
b． 工进 当动力头快速前进到预定位置时，动力头侧面的活动挡块压下行程阀19，动力头开始车削工件。此时系统压力升高，在顺序阀9打开的同时，限压式变量泵2自动减小其输出流量，以便与调速阀17的开口相适应。系统中油液流动路线如下。
进油路：变量泵2→换向阀13（左位）→调速阀17→液压缸21无杆腔。
回油路：液压缸21有杆腔→换向阀13（右位）→顺序阀9→溢流阀（背压阀）→油箱。
c． 快退 在动力头工作进给到预定位置触动行程开关SQ1时，给出动力头快退信号，电磁铁1YA断电，2YA通电，换向阀13切换至右位，此时系统压力下降；变量泵2的流量又自动增大，动力头实现快退。系统中油液的流动路线如下。
进油路：变量泵2→换向阀13（右位）→液压缸21有杆腔。
回油路：变量缸21无杆腔→单向阀15→换向阀13（右位）→油箱。
d． 动力头原位停止 当动力头快退回到原位时，活动挡块压下终点行程开关SQ3，是电磁铁1YA和2YA均断电，此时换向阀13操至中位，液压缸21两腔封闭，动力头停止运动，变量泵2实现高压小流量卸荷。
待卸下加工好的工件，装好待加工工件后，系统开始下一工作循环。

图4－1 专用车床液压系统原理图
1. 过滤器. 2.液压泵 3.电动机 4、7、8.溢流阀 5.压力表开关 6.压力表 9、10顺序阀 11、12、15、16.单向阀 17、18.调速阀 19、20行程阀 21.液压缸 22.油箱

表4－1 专用车床液压系统电磁铁和行程阀状态表
工件
电磁铁和行程阀状态
1YA
2YA
3YA
4YA
行程阀19
行程阀20
快进
＋
—
—
＋
下位
下位
工进
＋
—
—
＋
上位
上位
快退
—
＋
＋
—
上位
上位
等待
—
—
—
—
下位
下位

3选择液压系统的元件和辅件
（1）液压泵的选择
由表可以查得液压缸的最高工作压力出现在工进阶段，即，此时的输入流量较小，泵至缸间的进油路压力损失估取为。则泵的最高工作压力为

在两车削头同时快退时，需要的总流量为

取漏液系数k＝1.1，则液压泵的流量为
根据系统所需流量，拟初选限压式变量液压泵的转速为n=1450r/min，泵的容积效率，

根据以上计算结果查手册，选用规格相近的YBX-B30M型限压式变量叶片泵，其额定压力为6.3MPa，排量为V=30mL/r,泵的额定转速为n＝1500r/min，容积效率取，倒推算得泵的额定流量为

与系统所需流量基本符合。

该系统选用变量泵，故应分别计算快速空载与工进速度最大时所需的功率，按两者中的较大值选取电机功率。
最大工进速度所需流量为

选取泵的总效率为0.8，则工进所需最大功率为

由表可知，快速空载时，液压缸的总负载F=2264N，此时，液压泵的工作压力为

空载快速时，液压泵所需的驱动功率为

因为，故应按空载快退速度时所需功率选取电机。

查设计手册，选用Y系列（IP44）中规格相近的Y90L-4-B5型立式三相异步电动机，其额定功率1.5kW，转速为1400r/min。用此转速驱动液压泵时，变量泵的实际输出流量分别为，仍能满足系统各工况对流量的要求。

（2）控制元件的选择
根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助元件的最大流量，查产品样本所选择的元件型号规格如表所列。

表5－1 专用车床液压系统主要元件的型号规格
序号
名称
通过流量
/（L/min）
额定流量
/（L/min）
额定压力
/MPa
工作压力
/MPa
型号
1
过滤器
36.9
63
原始压力损失
—
XU-63×80J
2
限压式变量叶片泵
36.9
49.3
6.3
3.07
YBX-40B
4
先导式溢流阀
36.9
63
6.3
3.9
YF3-10B
5
六点压力表开关
—
—
6.3
3.9
K-6B
6
压力表
—
—
测量范围0～40
3.9
Y-40
7、8
直动式溢流阀
4.8
10
2.5
0.3
P-B10B
9、10
远控顺序阀
4.8

6.3
3.6
XY-10B
11、12
单向阀
16.22
25
6.3
3.07
1-25B
13、14
三位五通电磁换向阀
26
25
6.3
3.07
35D-25B
15、16
单向阀
26
63
6.3

1-63B
17、18
调速阀
<10
10
6.3
2.47
Q-10B
19、20
行程阀
19.46
100
6.3
2.47
22C-25BH

f． 液压辅件的计算与选择 本系统属于中压系统，故取经验系数5，得油箱容量为

管件尺寸由选定的标准元件油口尺寸确定。所选择的过滤器、压力表及压力表开关的型号规格见表5－1

五．液压缸设计

5.1液压缸结构的拟定
采用双作用单出活塞缸作为执行元件。选择碳钢作为缸筒材料
缸前端与机架，底座与缸体，缸体与缸套，缸体与后盖均采用法兰连接。采用后端可调缓冲,前端间隙式缓冲。后端由一个单向阀与一个节流阀构成，端盖底座和法兰间采用螺栓连接，共采用8个螺栓。
根据活塞中间支撑环大约10mm,两边各向外扩展12mm，安放一对Y型密封环，Y型密封环宽度12mm。再两边各向外取5mm，活塞轴向长度为以上长度之和。活塞与缸筒间采用Y型密封圈密封，端盖与活塞间采用Y型密封圈密封。
5.2液压缸主要几何尺寸的计算
1. 活塞内径D的计算。
根据上面的计算，取D=100mm，d=0.7D=70mm 。
2. 缸筒材料的选择
要求与端盖成法兰焊接的缸筒，所以选择35钢。
3.壁厚的选择
选材料为碳钢[]=150
D=100

取 根据计算结果取缸筒壁厚为mm。
4. 缸底厚度的计算
选择平形缸底，缸底无油口。
18.75mm
5. 缸上焊接法兰的厚度
查表选择图面板式平焊接钢制管法兰根据缸筒内径D=100mm，选择法兰外径 175mm螺栓孔中心圆直径140mm，选择M12的螺栓连接，n=8.法兰厚度28.75mm。

5.3液压缸结构图
图5-1为液压缸结构图

图5-1 液压缸结构图
1. 后端盖 2.排气孔 3.法兰 4.支撑环 5.Y型密封圈 6.缸筒 7.缸头 8.前端盖 9.缸杆
10. 防尘套 11.Y型密封圈 12.O型密封圈 13.活塞 14.紧定螺钉 15.螺栓 16.O型密封圈
17节流阀 18油口
双作用单出杆活塞缸，头部用间隙式缓冲，尾部用可调缓冲,缸前，后盖采用法兰连接，用切向支座与机架固定，活塞杆移动。
图5-2为活塞

图5-2活塞
活塞采用45钢，中间用支撑环，两边采用Y型密封。
图5-3缸盖

图5-3缸盖
缸盖采用M12的螺栓与缸头和法兰连接，左侧开槽，放防尘套，中间采用Y型密封，与缸杆行程配合。

图5-3活塞杆

图5-3活塞杆
缸杆用45号钢，头部用螺栓与活塞连接，用O型密封。
图5-4导向套

图5-4导向套
导向套用于缸头与缸盖之间，起定位导向作用。

6设计总结
（1）本次设计完成了双头专用车床液压系统的设计。
（2）该双缸系统能完成“差动快进→一工进→差动快退→停止”的工作循环。
（3）通过验算该系统的刚度及散热等能达到工作要求。
（4）该液压系统经济实用，应用广泛，可以在各种机床，生产车间随处可见，设计简单，灵活。元件经济实用，但是不足之处就是使用液压油，造成污染。希望随着经济科技的发展，能找到环保的传递介质，在倡导低碳环保的道路上添光加彩。

参考文献

1.《液压传动设计指南》 作者:张利平 北京：化学工业出版社，2009
2.《液压与气压传动》 作者:左健民 北京：机械工业出版社，2007
3.《机械设计手册四》 作者：成大先 北京：化学工业出版社，2002