专用铣床液压系统设计本科论文.doc

《液压与气动》课 程 设 计

题 目：专用铣床液压系统设计
专业班级： 12机设2班
姓 名：
学 号：
指导教师：

2 0 1 5年 7月 8日

目录
一．设计内容、要求及题目 3
1．设计的内容 3
2．设计的要求 3
3．设计题目 3
二．Y轴负载——工况分析 4
1. 工作负载 4
2. 摩擦阻力 4
3. 惯性负荷 4
三．绘制负载图和速度图 5
四．初步确定液压缸的参数 5
1． 初选液压缸的工作压力。 5
2．计算液压缸尺寸。 6
3．活塞杆稳定性校核 6
4．液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值 7
五．制定液压回路的方案，拟定液压系统图 7
1．选择液压基本回路 8
2．X轴、Y轴、夹紧缸、Z轴的回路 9
六．X轴、Z轴、夹紧缸负载计算 10
1.X轴工作载荷、摩擦阻力、惯性载荷
2.夹紧缸工作载荷、尺寸
3.Z轴工作负载、惯性载荷
七．选择液压元件 13
1．确定液压泵的容量及电动机功率 13
２．控制阀的选择 13
3．确定油管直径 15
4．确定油箱容积 15
八． 液压系统的性能验算 15
１．压力损失及调定压力的确定 15
2．液压系统的效率 16
3．液压系统的发热与温升 17
小结 18
参考文献 18

一．设计内容、要求及题目
㈠设计的内容
1. 液压传动系统方案的对比、选择与工况分析，液压传动系统原理图的拟定、完善。
2. 液压原件（包括液压辅助装置）的计算或设计、
3. 液压系统性能验算、
4. 液压系统工作原理图的绘制、
5. 设计说明书的编写。
㈡设计的要求
要求每个学生完成如下工作量：
1. 图形符号符合GB786.1-93的液压系统原理图一张。（幅面A3~A2，应包括动作循环图、电磁铁动作顺序表及各元件明细表。
2. 设计说明书。
（三）设计题目
设计一台专用铣床，驱动铣头的电动机功率为7.5kw，铣刀直径为200mm，转速为350r/min。假定工作平台重量为4600N，工件和夹具的最大重量为1725N，工作台行程为400mm；快进速度为4.5m/min，工进速度为0.06～1m/min，其往复运动的加速（减速）时间为0.05s，工作台用平导轨，其静摩擦系数fj=0.2，动摩擦系数fd=0.1，试设计铣床的液压系统
二．负载——工况分析
1. 工作负载

2. 摩擦阻力

3. 惯性负荷

查液压缸的机械效率，可计算出液压缸在各工作阶段的负载情况，如下表表1所示：
表1 　液压缸各阶段的负载情况
工　况
负载计算公式
液压缸负载
液压缸推力/N
启　　动

1265
1405.56
加　　速

1599.63
1777.37
快　　进

632.5
702.78
工　　进

2678.84
2976.49
快　　退

632.5
702.78
三．绘制负载图和速度图
根据工况负载和已知快进速度和共进速度及行程S，可绘制负载图和速度图，如下图（图1、图2）所示：

图1(负载图)

图2（速度图）
四．初步确定液压缸的参数
（一）工作台沿Y轴向运动的液压系统
1． 初选液压缸的工作压力。
所设计的动力滑台在工进时负载最大约为3000N，在其他工况时负载都不太高，故参考各类液压设备常用工作压力初选，
2．计算液压缸尺寸。
选用差动液压缸，令快进速度等于快退速度，则无杆腔与有杆腔的有效面积为；回油路上有背压阀或调压阀，取背压;回油管路压力损失。

按JB2183—77取标准值 D=40mm
活塞杆的直径为：
由此求得液压缸的实际有效工作面积

3. 活塞杆稳定性校核
因为活塞杆总行程为400mm，而活塞杆直径为28mm，l/d=400/28=14.29>10，需进行稳定性校核，由材料力学中的有关公式，根据该液压共一端支撑一端铰接取末端系数φ2=2，活塞杆材料用普通碳钢，则：材料强度试验值f=4.9×Pa，系数α=1/5000，柔性系数φ1=85，r=，因为，所以有其临界载荷Fk
,当安全系数n取为4时，,所以满足稳定性条件。
4．液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值如下
液压缸所需的实际流量、压力和功率
工况
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入功率
计算公式
快进
启动
1405.56
—
22.82
—

加速
1777.37

34.06
—

恒速
702.78

16.61
2.772
77
工进
2976．49
8
27.76
0.075～1.26
3.47～58

快退
启动
1405.56
—
21.93
—

加速
1777.37

37.53
—

恒速
702.78

20.77
2.8845
99.8
工况图如下

5.由于Y轴是负载最大的，故初步将X、Z轴的缸都定为和Y轴一样的，后面会对X、Z轴的缸进行校核。
五、制定液压回路的方案，拟定液压系统原理图
1. 制订液压回路方案
油源型式及压力控制 由计算可知，工进与快速运动时的流量相差不大，故可采用电动机驱动的单定量泵供油油源和溢油阀调压方案，如图3-10所示。

②调速回路 铣床加工零件时，有顺铣和逆铣两种工作状态，故选用单向调速阀的回油节流调速回路（见图3-11）。

③换向回路与快速运动回路及换接方式 换向回路选用三位四通“O”型中位机能的电磁换向阀实现液压缸的进退和停止（见图3-12）。采用二位三通电磁换向阀实现液压缸快进时的差动连接（见图3-13）。
由于对换接位置的要求不高，所以采用由行程开关发讯控制电磁阀来实现速度的换接。

④辅助回路 在液压泵进口设置一个过滤器以保证吸入液压泵的油液清洁（见图3-14）。

X轴、Y轴、夹紧缸、Z轴的回路如下图所示。

在制定各液压回路方案的基础上，经整理所组成的液压系统原理图附表所示。由电磁铁动作顺序表（图中附表）容易了解系统的工作原理及各工况下的油液流动路线。

六．X轴、Z轴、夹紧缸负载计算
1．X轴工作负载

摩擦阻力

惯性负载

令液压缸机械效率为0.9.则有

工　况
负载计算公式
液压缸负载
液压缸推力/N
启　　动

805
894.44
加　　速

1017.94
1131.04
快　　进

402.5
447.22
工　　进

2448.84
2720.93
快　　退

402.5
447.22

液压缸所需的实际流量、压力和功率
工况
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入功率
计算公式
快进
启动
894.44
—
14.52
—

加速
1131.04

23.56
—

恒速
447.22

12.46
2.772
58
工进
2720.93
8
25.73
0.075～1.26
3.22～54

快退
启动
894.44
—
13.95
—

加速
1131.04

27.45
—

恒速
447.22

16.78
2.8845
80.7
进油路压力损失取为0.3MPa,所以此处减压阀的压力为3.1MPa.

2.夹紧缸工作负载=800N，取工作压力=1MPa。查得液压缸机械效率=0.9， 取为标准值D=32mm
活塞杆直径d=0.7D=0.7 32=22.4mm，取为标准值d=22mm
进油路压力损失取为0.3MPa,所以此处减压阀的压力为1.3MPa
输入流量Q= v=0.0889 20dm/min=1.778L/min

3.Z轴工作负载
忽略摩擦力，顺序阀的调定压力=G/=1000/0.000641Pa=1.56MPa

惯性负载
工　况
负载计算公式
液压缸负载
液压缸推力/N
启　　动

0
0
加　　速

152.91
169.9
下 降

0
0
工　　进

2046.34
2273.71
快　　退

0
0

工况
无杆腔压力/MPa
有杆腔压力/MPa
流量Q/(L/min)
功率P/W
计算公式

下降
>0
1.56
5.6565
—

工进

1.63

1.56

0.075~1.26

2.0375

快上
2.54

2.8845
122.1

进油路压力损失取为0.3MPa,所以此处减压阀的压力为2.9MPa

七．选择液压元件
1．确定液压泵的型号及电动机功率
（1）液压泵在整个工作循环中最大工作压力为3.753MPa。进油路的压力损失取，回路泄露系数取，则液压泵的最高工作压力和流量为：

当XYZ三轴同时快进时所需流量最大，则

当XYZ三轴同时工进时所需流量=1.26×3=3.78，而溢流阀最小稳定流量为3L/min,所以液压泵最小提供流量为6.78L/min.
根据上述计算数据查泵的产品目录，选用ＹＢ－10型定量叶片泵。
（２）确定驱动电动机功率。
由工况图表明，最大功率出现在Y轴快退阶段，液压泵总
效率η＝0.75,则电动机功率为：

２．控制阀的选择
根据泵的工作压力和通过各阀的实际流量，选取各元件规格，如表３所示。
格表3 各元件的规格
序号
元件名称
通过流量/（L/min）
型号规格
1
定量叶片泵
9.519
YＢ1－10
2
先导式溢流阀
9.519

3
滤油器
9.519

4
减压阀

5
单向阀

6
三位四通电磁换向阀

7
单项调速阀

8
单项顺序阀

9
二位二通电磁换向阀

10
二位三通电磁换向阀

11
二位四通电磁换向阀

12
压力继电器

13
蓄能器

14
电动机

3．确定油管直径
进出液压缸无杆腔的流量，在快退和差动工况时为，所以管道流量按计算。取压油管流速
，取内径为7m的管道。
吸油管的流速，通过流量为，则
，取内径为管道。
确定管道尺寸应与选定的液压元件接口处的尺寸一致。
4．确定油箱容积

八． 液压系统的性能验算
１． 压力损失及调定压力的确定
根据计算知Y轴快退时压力损失最大（压力、流量相对较大）,调节调速阀的开口大小控制液压缸的速度为4/5m/min，此时流量为2.8845L/min，压力为2.077MPa。则油液在进油管中的流速为
（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摄氏度时，，所以有
，管中为层流，则阻力损失系数，若取进、回油管长度均为2m，油液的密度为，则其进有路上的沿程压力损失为

（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。则当通过整个阀的流量为q时的阀的压力损失，因为通过阀的流量很小，所以整个阀的压力损失很小，且可以忽略不计。
同理，快退时回油路上的流量，则回油路管中的流速，由此可计算出
，所以回油路上的沿程压力损失
（3）总的压力损失 由上面的计算所得可求出
，
原设，与计算结果差异不大。
（4）压力阀的调定值 由前面计算可知
X轴处的减压阀调定压力为3MPa，Z轴处的减压阀调定压力为2.9MPa，夹紧缸处的减压阀调定压力为1.3MPa。
2. 液压系统的效率
（由上面计算，）
取泵的效率，液压缸的机械效率，回路效率为：

当工进速度为时，

当工进速度为时，

3． 液压系统的发热与温升
（只验算系统在工进时的发热和温升）定量泵的输入功率为：

工进时系统的效率，系统发热量为：

取散热系数，油箱散热面积时，
计算出油液温升的近似值：
，故合理。

小结
一个星期的时间，课程设计终于完成了。在这个过程中我对书本有了更深的了解，学到了很多有价值东西，对于液压系统也有了更全面的认识。在设计的过程中，我们相互讨论，想出好几种方案，然后研究它们的优缺点，进行筛选。当基本确定下系统后，又在计算、分析的过程中发现一个个问题，然后积极思考，想出解决办法来。这个修改的过程虽然会让人觉得烦躁，但是当解决了一个个问题后还是蛮有成就感的。而正是这个不讨人喜欢的过程让我开动了脑经，更加牢固的掌握课堂上所学的知识。
从这个题目中我们可以看出，对于相同的设计要求，却没有一个确定的设计方案，我们只能相互比较，优中选优，制定出效率更好、成本更低的方案来。
参考文献
[1]左建民.液压与气压传动.第4版.北京：机械工业出版社，2007.5
[2]左建民.液压与气压传动学习指导与例题集. 北京：机械工业出版社，2009.6
[3]李松晶 向东 张玮.液压气动系统原理图.北京：化学工业出版社.2013.3
[4]张世伟.《液压传动系统的计算与结构设计》.宁夏人民出版社.1987.
[5]中央电大《液压传动辅导教材》编写小组.《液压传动辅导教材》.中央电大出版社.
[6]机械设计手册电子版
[7]