液压传动课程设计.docx

液压传动与控制课程设计

课程设计题目： 液压传动与控制
所修课程名称： 液压与气压传动
修课程时间：2014 年 3 月至 2014 年 7 月
完成课程设计日期： 2014 年 6 月
评 阅 成 绩：
评阅意见：

评阅教师签名： 年 月 日
_________工________学院____12____级___电气工程____专业 姓名____成攀____ 学号____2012180203_____
………………………………（密）………………………………（封）………………………………（线）………………………………

目录

一、 设计课题 …………………………………………………………2
二、 设计要求 …………………………………………………………2
三、 设计计算 …………………………………………………………3
1、 运动分析 …………………………………………………………3
2、 速度分析 ………………………………………………………… 3
3、 负载分析和负载循环图 ………………………………………… 4
4、 液压缸主要参数确定………………………………………………7
5、 拟定液压系统原理图………………………………………………11
6、 选择液压泵及施动装置……………………………………………11
7、 液压系统技术性能的验算…………………………………………13
四、 设计计算说明书………………………………………………… 14
五、 参考文献 ………………………………………………………14
附页 ……………………………………………………………………15

一、设计课题
最大切削力（N）
快进速度（m/min）
快退速度（m/min）
工进速度（m/min）
总行程（mm）
工进行程（mm）
工作台自重（N）
工件及夹具最大重力（N）
8×lO3
4
5
l
400
150
3500
1800
设计—专用铣床工作台液压系统，工作台驱动装置采用单杆液压缸，要求实现的工作循环为“快进一工进—快退—停止”。部分参数如下：

二、 设计要求
（1）绘制执行机构负载、速度循环图；
（2）绘制执行机构压力、流量、功率循环图；
（3）绘制液压系统图；
（4）选择液压元件，列出液压元件型号、规格明细表；
（5）设计执行元件、绘制装配图；
（6）编制设计计算说明书。

三、 设计计算

设计过程及说明
结果
线
订
装

1、 运动分析
运动分析是对液压系统—个工作循环中各阶段的运动速度变化情况进行定性分析。如常见的机床动力滑台液压缸，在—个工作循环中有快进—工进—快退—停止四个阶段，其定性工作循环图如图 1 所示。
图 1
2、速度循环图
速度循环图是要表示在一个工作循环内各个阶段运动速度随位移变化的情况，在知道执行机构各段的运动速度和总行程及相关参数后（这些参数一般在设计任务书中给出），各段行程可由运动学公式定量计算得到。
启动行程： （2-1）
减速行程： （2-2）
制动行程： （2-3）
快进行程： （2-4）
反向启动行程： （2-5）
反向制动行程： （3-6）
快退行程： （2-7）
式中，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8——分别为启动、快进、减速、工进、制动、反向启动、快退、反向制动行程，单位 m ；
S——总行程，单位 m ；
vl、v2，v3——分别为快进、工进、快退速度，单位m／s；
t1、t3、t5、t6、t8——分别为启动、减速，制动、反向启动、反向制动时间，单位 s 。
计算中，启动、制动和速度转换时间若无特殊要求可取0.01～0.5s，轻载低速时取小值。这里取 0.1s 。
同样，也可由下列公式计算出快速，工进，快退的时间：
（2-8）
（2-9）
（2-10）
式中，t2、t4、t7——分别为快进、工进、快退的时间.单位 s 。
图 2 为滑台速度循环图。图中名段的行程由上面各式计算而得。
图 2
3、 负载分析和负载循环图
负载分析就是要研究执行机构在工作过程中的受力情况，也就是液压缸或液压马达的负载情况。
（1）液压缸负载分析
在一般情况下，液压缸承受的负载由六部分组成，即工作负载Fw、导轨摩擦负载Ff、惯性负载Fa、重力负载Fg、密封负载Fs和背压负载Fb。
（2-11)
式中，F——总负载，N。
①工作负载Fw 不同的工作机构有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对于液压机来说，工件的压制阻力即为工作负载。工作负载Fw与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值。工作负载既可以为恒定值，也可以为变值。
②导轨摩擦负载Ff 导轨摩擦负载与运动部件的导轨形式、放置位置与运动状态有关。各种形式导轨的摩擦负载可查阅有关手册。机床上常用平导轨和V形导轨支承运动部件。当导轨水平放置时，摩擦负载的计算公式为：
静摩擦负载： = 1060 N(f=0.2)
动摩擦负载： = 530 N(f=0.1)
式中：G——运动部件重力，N
FN——垂直于导轨的工作负载,N
③惯性负载Fa 惯性负载是运动部件载启动加速或制动减速运动时，速度发生变化时产生的惯性力，其值由牛顿第二定律求出。
（2-14）
式中：△v——运动部件速度变化值，m／s；
g——重力加速度，g=9.8l m／s2；
△t——速度转换时间，s。可取△t=0.01~0.5s，轻载低速时取小值。
行走机械可取。
以液压缸运动方向为正方向，则：
启动负载： Fa1= 237.972 N
减速负载： Fa2= -178.390 N
制动负载： Fa3= 59.463 N
反向加速负载： Fa4 = 297.316 N
反向制动负载： Fa5= -Fa4 =-297.316 N
④重力负载Fg 垂直或倾斜放置的运动部件，在没有平衡的情况下，其自重也成为一种负载。倾斜放置时，只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正值，反之取负值。
⑤密封负载Fs 密封装置产生的摩擦阻力负载大小与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和油液工作压力有关，计算公式可参阅有关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数，Fs无法计算，—般用机械效率ηm加以考虑，
常取ηm=0.9~0.95。
⑥背压负载Fb 当回油存在背压时，就有回油负载。在液压系统方案及液压缸结构尚未确定之前，Fb无法计算，在负载计算时可暂不考虑，待以后实际尺寸和背压确定之后再进行验算。
液压缸在一个工作循环中—般情况要经历四种负载工况，名个工况的总负载可按下列式子计算：
启动加速阶段： （2-15）
快进阶段： （2-16）
工进阶段： （2-17）
制动减速阶段： （2-18）
快速后退阶段及后退的启动和制动阶段的总负载也可按此类推。
负载循环图如图 3 。

图3

4、液压缸主要参数确定
在执行元件的速度和工作负荷确定以后，要初步确定执行元件的主要性能参数，包括压力、流量等，以作为选择或设计液压执行元件和其它元件的主要依据。
（1）初选执行元件的工作压力
所设计的动力滑台在工进时负载最大，在其它工况负载都不太高，参考表4-1, 2初选液压缸的工作压力P=1MPa。

压力等级
低压
中压
中高压
高压
超高压
压力（Mpa）
<2.5
2.5~8
8~16
16~32
>32
表4-1 压力级别

负载F（KN）
<10
10~20
20~30
30~50
>50
工作压力P（MPa）
0.8~l.2
1.5~2.5
3.O~4.0
4.0~5.0
>5.0
表4-2 负载荷工作压力之间的关系

（2）流量确定
①.液压缸内径计算
对于动力较大的设备，当有杆腔进压力油驱动负载时：
（3-1）
式中，，取值见表3-4；
D——液压缸内径，m；
F——总负载，N；
P——选定的工作压力，Pa；
d——活塞秆直径，m。

表3-4 系数l的推荐值
l
工作压力（MPa）

<5
5～7
>7
活塞杆受拉力

0.3～O.45

活塞杆受压力
O.5～0.55
O.6～O.7
0.7

当无杆腔进压力油驱动负载时：
（3-2）
对于动力较小的设备，缸体尺寸若按负载计算，其数值可能很小。故多按结构需要而确定。对单杆活塞缸，—般是先按结构要求选定活塞杆直径d，再按给定的速比，根据以下公式计算出缸的内径D。
（3-3）

由以上求得的D、d值应按标准值（见GB2348-80）进行圆整。根据选定的标准值，再计算出液压缸的实际有效面积。

无杆腔面积： = 0.0314

有杆腔面积： = 0.0236
②根据液压缸无杆腔的有效面积A，再根据所要求的运动速度v，即可求出液压缸在各个阶段所需要的流量。当工作循环中有几个执行元件同时工作，即进行复合运动时，还应计算出在各阶段各个缸所需流量的总和，并进行比较求得最大流量，为选择液压泵提供依据。
若液压缸的动作循环为快进一工进—快退，则流量计算式分别为：
快进： （3-4）
工进： （3-5）
快退： （3-6）
式中, q1、q2、q3——分别为油缸快进、工进、快退三个工况所需流量，m3/s；
Al、A2、A3——分别为各工况对应的液压缸工作腔有效面积，m2；
v1、v2、v3——分别为各工况对应的速度，m／s。
当主机有最低速度要求时，还需进行速度方面的验算，即，
（3-7）
式中，A——液压缸的有效工作面积，单位m2；
qmin——节流阀、调速阀或变量泵的最小稳定流量，可由产品样本查得，单位 m3/s；
vmin——液压缸要求最低速度，单位m/s。

③液压马达流量计算
液压马达的流量由排量和转数确定。液压马达所需排量为：
（3-8）
式中，V——液压马达排量，m3/r；
Mmax——负载要求的液压马达最大输出转矩，取（2-21）、（2-22）、（2-23）式计算所得最大值，
△P——液压马达进出口压力差，Pa。计算时取出口压力为0；
hm——液压马达的机械效率．通常取hm≈0.9。
根据排量和工作机构所需的转速n，即可选择液压马达的型号，并查出液压马达的实际排量和转速。

（3）执行元件的工作压力与功率

① 压力计算公式：

其中
F——表示相应工段的负载
A——表示相应工段的有效面积

快进压力： P1=18754.459
工进压力： P2=301837.580
快退压力： P3=24952.966 单位：Pa
压力循环图如图 4。

图 4

②功率计算公式：
其中，F——表示当前工作负载
v——表示当前工作速度

快进功率：P1=39.259
工进功率：P2=1579.617
快退功率：P3=49.074 单位：w

功率循环图如图 5 。

图5

5、 拟定液压系统原理图（见附页1）
液压元件的计算与选择
液压泵及拖动装置、液压控制阀和液压辅助元件。
6、 选择液压泵及施动装置
（1）选择液压泵
①计算液压泵的最大工作压力Pp

②计算液压泵的最大供油量
取K=1.3,则可计算泵的最大流量
考虑到溢流阀的最小稳定流量是3L/min，工进是的流量为3.401L/min
故小流量泵的流量最少应为6.401L/min。根据以上计算数据，选用型号为 的双联叶片泵,其最小和最大排量分别为 mL/r和 mL/r。
③选择驱动液压泵的电动机
当液压泵的转速np= r/min时，其理论流量分别为 L/min和 L/min，若取液压泵容积效率ηv=0.9，则液压泵的实际输出流量为qp1=qp1+qp2 由于液压缸在快退时输入功率最大，若取液压泵总效率ηp=0.8，这时液压泵的驱动电动机功率为：Pp = 3.47 kW
根据此数值查阅产品样本，可选型号为2台Y90S-6的电动机，其额定功率为750W

（2） 选择控制阀
单向阀: 外控顺序阀: 溢流阀: 三位四通电磁换向阀: 单向顺序阀: 液控单向阀: 二位二通电磁换向阀: 单向调速阀: 压力表 压力表开关
（3）选择辅助元件
①管道的选择
选择管道的主要内容是根据压力损失、发热量和液压冲击，合理确定管道内径、壁厚和材料。
②油箱的确定
为了储油和散热，油箱必须有足够的容积和散热面积。油箱的有效容量（指液面高度为油箱高度的80%时，油箱所储液压油的体积），按下式计算：
（5-9）
式中，V——油箱有效容积，L；
qp——液压泵的总额定流量，L/min；
a——经验系数，其数值如下：
低压系统：a=2～4
中压系统：a=5～7
高压系统：a=6～12（这里a取4）
对于工程机械和行走机械，其油箱容量通常只取油泵的l～2倍，这样可使结构布局紧奏，但往往要配置冷却器。
③滤油器的选择依据
承压能力：按系统管路工作压力确定；
过滤精度：按被保护的元辅件精度要求确定；
流通能力：按通过最大流量确定（应有裕度）；
阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。
④其他辅件
其它辅件包括蓄能器、冷却器、加热器、压力表、管接头等，根据液压系统的需要进行选择。
⑤液压油的选择
选用n32或n46机械油
7、 液压系统技术性能的验算
（1） 液压系统的压力损失及泵的工作压力
单杆缸系统差动连接时压力损失计算简图见图7-1（b），由图可知：

由于两腔相通，其关系为：
代入上两式得：
（7-3）

所以： （7-4）
式中，Pa——液压缸差动时的工作压力，MPa；
∑△P3——合流路上的总压力损失，Mpa。
综上所述，液压泵要驱动执行元件克服负载运动，它除了要产生—个与负载相平衡的压力外，同时还要产生—个附加压力，即压力损失。在前面选择液压泵时对压力损失已进行了估计，若估算值与式（7-2）或（7-4）所求值相差较大，则应重新确定泵的最高供油压力，选择油泵。
（2） 液压系统的总效率h
在液压系统中，执行机构输出的有效功率
输入动力装置（泵）的功率
则，系统总效率为： （7-5）
式中，hp——液压泵的效率。

S1=3.333

S3=2.500

S5=0.833

S4=149.167

S2=244.167

S6=4.167

S8=4.167

S7=391.666

单位：mm

t2=3.663

t4=8.950

t7=4.700

单位：s

Fw =8000

Ff =1060（动摩擦）

Ff =530
（静摩擦）

备注：以上数据都以最大夹具计算而得
单位：N
Fa1= 237.972

Fa2= 178.390

Fa3= 59.463

Fa4 = 297.316

Fa4 = 297.316

Fa5= -297.316

总负载：
F1=853.20
（启动）
F2=588.89
（快进）
F3=787.10
（减速）
F4=9477.78（工进）
F5=9411.71（制动减速）
F6=588.89
（快退）
F7=919.24
单位：N

P=1.2 MPa

l = 0.5

D=200mm

d=100mm

q1=12.56

q2=3.401

q3=19.67

单位：L/min

P1=18754.459

P2=301837.580

P3=24952.966

单位：Pa

Pp = 3.52
单位：Mp

=47.321
单位：L/min

V = 78.68 l

四、设计计算说明书
以上所有数据的估算都严格按照GB要求进行的。设备的规格也是严格按照液压系统设计简明手册设计。
五、参考文献

[1] 左建民．液压与气压传动【M】．第4版．北京：机械工业出版社，2007
[2] 杨培元．液压系统设计简明手册【M】．第1版．北京：机械工业出版社，2011
[3]老师提供的Word资料

附页1
拟定液压系统原理图

- 20 -