一台单缸传动的液压机液压系统.doc

沈阳理工大学课程设计专用纸
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摘要
由于液压技术有很多优点，液压元件设备体积小、重量轻，因而惯性力较小，当突然过载或泊车时，不会产生大的冲击；能在给定范畴内安稳的主动调理牵引速度，并可完成无极调速；换向轻易，在不转变电机旋转方向的情形下，能够较便利地完成工作机构旋转和直线往复活动的转换；液压泵和液压马达之间用油管衔接，在空间布置上相互不受严厉限制；因为采取油液为工作介质，元件绝对活动外表间能自行光滑，磨损小，使用寿命长。正由于液压技术有如此众多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置等等；船舶用的甲板起重机械、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。
通过液压与气动技术课程设计，让我们把以前书本上学到的知识与现实中生产相结合在一起，不仅能加深我们对课本上理论知识的理解，提高我们理论与实践结合的能力，而且还锻炼了我们的创造和设计能力，特别是对液压系统有了更深层次的了解，让我们对液压设备设计有一定的了解，为日后工作中设计出经济实用的产品打下结实的基础。
本次设计主要内容有：做了液压压力机的总体结构设计和液压系统的设计，选择了液压元件的型号，分析了系统的工作原理，设计了液压缸，完成了液压缸的总体设计，绘制了压力机的总体装配图，液压系统图和液压缸的装配图。
目录

1．题目————————————————————
2.技术要求和设计要求—————————————
3．工况分析——————————————————
4．液压缸的设计————————————————
5．液压系统图的拟定——————————————
6．确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格————
7．液压阀的选择————————————————
8．压力损失的验算———————————————
9．液压油箱的设计———————————————
10．总结————————————————————
11．参考文献—————————————————

1．题目
液压机液压系统设计
2．技术要求和设计要求
设计一台单缸传动的液压机液压系统，工作循环是：低压下行——高压下行——低压回程——上限停止。自动化程度为半自动，油缸垂直安装。
主要参数：最大压力1X106N 最大回程力 2X104N
低压下行速度 25mm/s 高压下行速度 1mm/s
低压回程速度25mm/s 工作全程350mm
3.工况分析
根据已知条件计算各阶段的外负载并绘制负载图。
液压缸所收外负载F包括三种类型，即
F=Fw+Ff+Fm
3.1工作负载
Fw在本题中为最大压力1x106N
3.2摩擦负载取Ff=0
3.3液压缸机械效率取ηm =0.95
3.4惯性负载
Fm — 运动部件速度变化时的惯性负载；
启动时：
Fa1=(G/g)(△v/△t)=20000x0.025/(10x0.5)=100N
低压→高压：
Fa2=(G/g)( △v/△t)= 20000x(0025-0.001) /(10x0.5)=96N
高压→保压：
Fa3=(G/g)( △v/△t)= 20000x0.001/(10x0.5)=4N
保压→低压回程：
Fa4=(G/g)( △v/△t)= 20000x0.025/(10x0.5)=100N
低压回程→停止：
Fa5= Fa4=100N
(1)根据以上的计算，液压缸各个阶段中的负载列表如下

工况
计算公式
总负载F/N
缸推力F/N
启动
F=FW+FA1
1.0001X106
1.0527X106
低压下行
F=FW
1X106
1.0526X106
低压过度高压
F=FW-FA2
9.99904X105
1.0525X106
高压下行
F= FW
1X106
1.0526X106
高压到保压
F=FW-FA3
9.99996X105
1.0526X106
保压
F=FW
1X106
1.0526X106
反向启动
F=F+FA4
1.0001X106
1.0527X106
低压回程
F=FW
1X106
1.0526X106
停止
F=FW-FA5
9.999X105
105.25X106
(2)负载图和速度图

4．液压缸的设计
4.1 液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备类型确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力也不同。本题液压机选择工作压力为20MPA
4.2 液压缸的内径D和活塞杆d
A=F/P=1.0527X106/(20X106)=0.0526m2
D2=4A/π.得D=0.259m,按标准取 D=250mm
因为P>7,d=0.7D=0.1813mm,按标准取d=180mm
无杆腔面积 A1=πD2/4=0.049m2
有杆腔面积A2=π(D2-d2)=0.024m2
4.3 计算在各工作阶段液压缸所需的流量
低压下行：q1=A1V1 =73.5 (L/min)
高压下行：q2=A1V2=2.94 (L/min)
低压回程：q3=A2V3=36(L/min)
工作循环中各工作阶段的液压缸压力、流量和功率如下表所示液压缸各工作阶段的压力流量和功率
工况 压力P/MPa 流量q/(L/min) 功率P/W
低压下行 0.03 24.73 58
高压下行 21.16 1.34 1776
低压回程 1.86 24.74 1282
4.4 液压缸的壁厚
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度，从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异，一般计算时可分为薄壁圆筒，起重运输机械和工程机械的液压缸一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算
σ≥PyD/2[δ]式中
——液压缸壁厚(m)；
D——液压缸内径(m)；
——试验压力，一般取最大工作压力的(1.25-1.5)倍 ；
——缸筒材料的许用应力。
无缝钢管：
=21.161.25=26.4MPa
σ≥26.4×250/（2×110）=29.8mm
故取σ=30mm
4.5液压缸的缸体外经
液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经D1为
D1≥D+2δ=250+2×30=310mm
液压缸工作行程长度，根据执行机构实际工作的最大行程为350mm,取标准值，液压缸工作行程选l=400mm。
4.6 缸盖厚度的确定
一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。
无孔时
有孔时

式中 t——缸盖有效厚度(m)；
——缸盖止口内径(m)；
——缸盖孔的直径(m)。
无孔时 取=45mm
有孔时 取=75mm
4.7最小导向长度
对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：
设 计 计 算 过 程

式中 L——液压缸的最大行程；
D——液压缸的内径。
H≥L／20+D／2=350／20+250／2=142.5mm,取H=200mm
4.8导向滑动面长度
根据液压缸内径D而定
当D<80mm时，取A=(0.6-1.0)D
当D>80mm时，取A=(0.6-1.0)d
A=(0.6～1.0)×180=(108-180)mm
取A=150mm
4.9活塞宽度
活塞的宽度B一般取B=(0.6-10)D
B=(0.6～1.0)D=(0.6～1.0)×250=(150-250)mm
取B=170mm
4.10隔套的长度
为保证最小导向长度H，若过分增大A和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即
C=H－(A+B)/2=200-(150+170)／2=40mm
4.11缸体内部长度
液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20-30倍。
缸体内部长度:L=B+l=170+350=520mm
5．液压系统图的拟定
原理图

电磁铁动作表

低压下行
高压下行
保压
低压回程
上限停止
1YA
-
-
-
+
-
2YA
+
+
-
-
-
3YA
+
-
-
+
-
4YA
+
-
-
-
-

6． 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格
6.1泵的工作压力的确定
考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为Pp = P1 +ΣΔp
式中：Pp — 液压泵最大工作压力；
P1 — 执行元件最大工作压力；
ΣΔp — 进油管路中的压力损失，初算是简单系统可取0.2-0.5MPa，复杂系统可取0.5-1.5MPa。本题中取0.4MPa。
因此Pp = P1 +ΣΔp =20+0.4 = 20.4(MPa)
上述计算所得的Pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力Pa应满足Pa≥(1.25—1.6)Pp。中低压系统取小值，高压系统取大值。在本题中Pa = 1.25Pp =31.5MPa。
6.2泵的流量确定
液压泵的最大流量应为
qp ≥ KLΣqmax
式中：qp — 液压泵的最大流量；
Σqmax — 各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行工作，尚须加1溢流阀的最小流量2-3 L/min；
KL — 系统泄露系数，一般取1.1-1.3，现取KL = 1.1。
因此qp =1.1X73.5=80.85 L/min
6.3选择液压泵的规格
根据以上算得的Pp和qp，查阅有关手册，现选用型号63YCY14-1B轴向柱塞泵，该泵的基本参数为：排量63ml/r 泵的额定压力P0 =32MPA，电动机转速n0 = 1500r/min，容积效率ηv = 0.92。
6.4与液压泵匹配的电动机的选定
首先分别算出低压下行与高压下行两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在高压下行时泵输出的流量减小，泵的效率急剧降低，一般当流量在0.2-1L/min范围内时，可取η= 0.03-0.14。同时还应注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转，需进行验算，即
Pb = qp/η≤Pd
式中：Pd — 所选电动机额定功率；
Pb — 限压式变量泵的限定压力；
qp — 压力为Pb时，泵的输出流量。
首先计算低压下行时的功率，低压下行时的外负载为1.0526X106N，进油路的压力损失定为0.3MPa，由公式可得：
Pb =1.0526X106N/0.25 X106 +1=5.21MPa
低压下行时所需电机功率为：
P = Pbqp/η= 5.21×80.85/(60×0.81) =8.67(kW)
高压下行时：
Pb=(1.0525X106+0.18)/ 0.25 X106= 4.21(MPa)
高压下行时所需电机功率为：
P = Pbqp/η=4.21×3.234/(60×0.81) = 0.28(kW)
查阅电动机产品样本，选用Y160M-4型电动机，其额定功率为11KW，额定转速为1500r/min。

7．液压阀的选择
该液压系统可采用力士乐系列阀或GE系列阀。本题均选用GE系列阀。根据所拟定的液压系统图，按通过各元件的最大流量来选择液压元件的规格。选定的液压元件如下表：
序号
元件名称
代码
额定流量(L/min)
1
轴向柱塞泵
63YCY14-1B
94.5
2
先导式溢流阀
DB-10
200
3
压力表

4
三位四通电磁阀
34D—10B
10
5
两位两通电磁阀

6
调速阀

7
单向阀

8
二位三通电磁阀
23D-10B

10
9
顺序阀

10
单向阀
DF—L10H3

11
液压缸

12
压力表

13
液控单向阀
XF3-E10B

14
滤油器
WJ-6.3X180

油管内径可按

式中 Q——通过管道内的流量m3/s
v——管内允许流速m/s，查表这里面取5m/s
则
取d=15mm,外径D=20mm。
油箱容积根据液压泵的流量计算，取其体积V=6qp即V=213L
8．压力损失的验算
8.1 工作进给时进油路压力损失
运动部件工作进给时的速度为1mm/s，进给时的最大流量为2.94L/min，则液压油在管内流速v1为：
v1=q/(πd2/4)=4×2.94×1000/(3.14×1.82)
=1155.9 (cm/min)=19.27(cm/s)
管道流动雷诺数Re1为
Re1 = v1d/υ= 19.27×1.8/1.5 = 23.124 < 2300
可见油液在管道中流态为层流，其沿程阻力系数λ1=75，Re1=0.68.
进油管道的沿程压力损失Δp1-1为
Δp1-1=λ(l/d）/(ρv2/2)
=0.68×(1.7+0.3)/(0.015×920×0.231242/2)
=3.69MPa
查得换向阀34EF3P—E10B的压力损失Δp1-2= 0.5MPa。
忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路的总压力损失
Δp1=Δp1-1+Δp1-2 =3.69 + 0.5 = 4.19(MPa)
8.2 工作进给时回油路的压力损失
由于选用单活塞杆液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积是无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管道的二分之一，则
v2 = v1/2 = 23.124/2 = 11.562(cm/s)
Re2 = v2d/υ=11.562×1.8/1.5 = 13.87 < 2300
λ2 = 75/Re2 = 75/13.87 = 5.41
回油管道的沿程压力损失Δp2-1为
Δp2-1=λ2(l/d) /( ρv2/2)
=5.41(1.7+0.3)/(0.015×920×0.115622/2) =117.3Mpa
查产品样本知换向阀SL10G的压力损失为Δp2-2=1MPa。
回油路总压力损失Δp2为
Δp2=Δp2-1+Δp2-2 +Δp2-3
=117.3+1
= 118.3(MPa)
8.3 变量泵出口处的压力Pp
Pp = (F/ηcm+A2Δp2)/A1+Δp1
=(25980/0.95+118.3×0.024×100)/0.049+4.19
=4.806 (MPa)
8.4 高压下行时的压力损失
高压下行时液压缸为差动连接，自汇流点A至液压缸进油口C之间的管路AC中，流量为液压泵出口流量的两倍，即73.5L/min，AC段管路的沿程压力损失
Δp1-1为：
v1=q/(πd2/4)=4X73.5×1000/(3.14×1.82×60)=481.6(cm/s)
Re1 = v1d/υ = 481.6×1.8/1.5 = 577.97
λ1 = 75/Re1 = 75/577.97 = 0.13
Δp1-1=λ1(l/d) /( ρv1/2)=0.13×(1.7/0.018)/(920×4.8162/2)
=0.0012 (MPa)
同样可求管道AB段和AD段的沿程压力损失Δp12和Δp1-3为：
Δp1-2=0.024MPa、Δp1-3=0.13MPa
查产品样本知，流经各阀的局部压力损失为：
换向阀24EF3M—E10BΔp2-1 = 1MPa
故差动连接时，泵的出口压力Pp为：
Pp = 2Δp1-1+Δp1-2+Δp1-3+Δp2-1+Δp2-2+F/(A2ηcm) = 2.63(MPa)
快退时压力损失验算从略，上述验算表明，无需修改原设计。
8.5 系统温升的验算
在整个工作循环中，高压下行阶段所占的时间最长，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，高压下行速度大时发热量较大，计算如下：v=1cm/min：
流量q=v(πd2/4)= π×0.182×0.1/4=2.63(L/min)
此时泵的效率为0.1，泵的出口压力为2.63Mpa，则有：
P(输入) = 2.63×2.63/(60×0.1) = 1.15(kW)
P(输出)= Fv = 25980×10/60×10-2×10-3 = 0.0433(kW)
此时的压力损失为：
ΔP = P(输入) - P(输出) = 1.1067(kW)
假定系统的散热状况一般，取K=10×10-3 =kW/(cm2℃)，油箱的散热面积A为1.92cm2，则系统的温升为：
ΔT =ΔP/KA = 0.205/(10×10-3 ×1.92) = 20.1(℃)
验算表明系统的温升在许可范围内。
9．液压油箱的设计
液压油箱的作用是贮存液压油、充分供给液压系统一定温度范围的清洁油液，并对回油进行冷却，分离出所含的杂质和气泡。
9.1液压油箱有效容积的确定
液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。液压油箱的有效容量可概略地确定为：V=αQv m3
根据实际设计需要，选择的P=20.4MPa，所以此系统属于中高压系统p>6.3Mpa，所以取： V=6-12Qv 式中 －液压油箱有效容量；
Qv－液压泵额定流量。
参照《机械设计手册》成大先P20-767锻压机械的油箱容积通常取为每分钟流量的6-12倍。
即： V=6X94.5—12X94.5=(567--1134 )L/min
取 V=900 L/min
应当注意：设备停止运转后，设备中的那部分油液会因重力作用而流回液压油箱。为了防止液压油从油箱中溢出，油箱中的液压油位不能太高，一般不应超过液压油箱高度的80%。
所以，实际油箱的体积为：
V=V1/0.8=900/0.8=1125L/min
9.2液压油箱的外形尺寸设计
液压油箱的有效面积确定后，需设计液压油箱的外形尺寸，一般设计尺寸比（长：宽：高）为1：1：1～1：2：3。但有时为了提高冷却效率，在安装位置不受限制时，可将液压油箱的容量予以增大，本设计中的油箱根据液压泵与电动机的联接方式的需要以及安装其它液压元件需要，选择长为1.5m,宽为1.1m，高为1.0m。
9.3液压油箱的结构设计
一般的开式油箱是用钢板焊接而成的，大型的油箱则是用型钢作为骨架的，再在外表焊接钢板。油箱的形状一般是正方形或长方形，为了便于清洗油箱内壁及箱内滤油器，油箱盖板一般都是可拆装的。设计油箱时应考虑的几点要求：
（1）. 壁板：壁板厚度一般是3～4mm；容量大的油箱一般取4～6mm。本设计中取油箱的壁厚为6mm。对于大容量的油箱，为了清洗方便，也可以在油箱侧壁开较大的窗口，并用侧盖板紧密封闭。
（2）. 底板与底脚：底板应比侧板稍厚一些，底板应有适当倾斜以便排净存油和清洗，液压油箱底部应做成倾斜式箱底，并将放油塞安放在最低处。油箱的底部应装设底脚，底脚高度一般为150～200mm，以利于通风散热及排出箱内油液。一般采用型钢来加工底脚。本设计中用的是槽钢加工的。
9.4回油集管的考虑：
单独设置回油管当然是理想的，但不得已时则应使用回油集管。对溢流阀、顺序阀等，应注意合理设计回油集管，不要人为地施以背压。
9.5 吸油管：
吸油管前一般应该设置滤油器，其精度为100～200目的网式或线式隙式滤油器。滤油器要有足够大的容量，避免阻力太大。滤油器与箱底间的距离应不小于20mm。吸油管应插入液压油面以下，防止吸油时卷吸空气或因流入液压油箱的液压油搅动油面，致使油中混入气泡。
9.6 泄油油管的配置：
管子直径和长度要适当，管口应该在液面之上，以避免产生背压。泄漏油管以单独配管为最好，尽量避免与回油管集流配管的方法。
9.7过滤网的配置：
过滤网可以设计成液压油箱内部一分为二，使吸油管与回油管隔开，这样液压油可以经过一次过滤。过滤网通常使用50～100目左右的金属网。
9.8滤油器： 滤油器的作用及过滤精度 液压系统中的液压油经常混有杂质，如空气中的尘埃、氧化皮、铁屑、金属粉末。密封材料碎片、油漆皮和 纱纤维。这些杂质是造成液压元件故障的额重要原因，它们会造成油泵、油马达及阀类元件内运动件和密封件的磨损和划伤，阀芯卡死，小孔堵塞等故障，影响液压系统的可靠性和使用寿命。近年来对液压油的污染控制已经开始引起人们的极大重视。
为了便于随时检查和观察箱内液体液位的情况，应该在油箱壁板的侧面安装液面指示器，指示最高、最低油位。液面指示器一般选用带有温度计的液面指示器。
油箱顶板需要装设空气滤清器，对进入油箱的空气进行过滤，防止大气中的杂质污染液压油。空气滤清器的过滤能力一般为油泵流量的两倍，其过滤精度应与液压系统中最细的滤油器的精度相同。
油箱内部应刷浅色的耐油油漆以防止锈蚀。

10．总结
经过对液压机液压系统的设计使我对液压课本上所学的知识有了一个系统的复习和总结，对液压传动有了深刻的认识，并且对所学知识进行了一定的扩展和深入，并且学习到了很多以前不了解的东西。最重要的是通过这次设计把自己所学到的知识应用到实际生产当中，并且掌握了一般液压系统设计的思路和方法，为以后步入社会工作打下基础。
11．参考文献
张利平 《液压气动技术速查手册》化学工业出版社 2008年7月
王守成 段俊勇 《液压原件及选用》化学工业出版社 2007年4月
陆望龙《典型液压元件结构600例》 化学工业出版社 2009年6月
左健民《液压与气压传动》机械工业出版社2007年5月

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