液压课程设计--设计一台卧式钻孔组合机床的液压系统

1.设计要求..................................................2

2.负载与运动分析...........................................2

 2.1负载分析..................................................2

 2.2快进、工进和快退时间......................................3

 2.3液压缸F-t图与v-t图......................................3

3.确定液压系统主要参数...................................4

 3.1初选液压缸工作压力........................................4

 3.2计算液压缸主要尺寸........................................4

 3.3绘制液压缸工况图..........................................5

4.拟定液压系统的工作原理图..............................7

 4.1拟定液压系统原理图........................................7

 4.2原理图分析................................................8

5.计算和选择液压件........................................8

 5.1液压泵及其驱动电动机......................................8

5.2阀类元件及辅助元件的选....................................10

6.液压系统的性能验算.....................................10

 6.1系统压力损失验算..........................................10

 6.2系统发热与温升验算........................................11

7.课设总结..................................................12

0．摘要

液压传动技术是机械设备中发展最快的技术之一，特别是近年来与微电子、计算技术结合，使液压技术进入了一个新的发展阶段，机、电、液、气一体是当今机械设备的发展方向。在数控加工的机械设备中已经广泛引用液压技术。作为机械制造专业的学生初步学会液压系统的设计，熟悉分析液压系统的工作原理的方法，掌握液压元件的作用与选型是十分必要的。

液压传动在国民经济的各个部门都得到了广泛的应用，但是各部门采用液压传动的出发点不尽相同：例如，工程机械、压力机械采用液压传动的主要原因是取其结构简单、输出力大；航空工业采用液压传动的主要原因取其重量轻、体积小；机床上采用液压传动的主要原因则是取其在工作过程中能无级变速，易于实现自动化，能实现换向频繁的往复运动等优点。

关键词：钻孔 组合机床 卧式 动力滑台 液压系统

1.设计要求

    设计一台卧式钻孔组合机床的液压系统，要求完成如下工作循环式：快进→工进→快退→停止。机床的切削力为25000N，工作部件的重量为9800N，快进与快退速度均为7m/min，工进速度为0.05m/min，快进行程为150mm，工进行程40mm，加速、减速时间要求不大于0.2s，动力平台采用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1 。要求活塞杆固定，油缸与工作台连接。设计该组合机床的液压传动系统。

2.负载与运动分析

2.1负载分析

   （1）工作负载： =25000N

   （2）摩擦负载： 摩擦负载即为导轨的摩擦阻力

                     静摩擦阻力： = G=1960N

                     动摩擦阻力：=G=980N

   （3）惯性负载： ==500N

   （4）液压缸在个工作阶段的负载。

设液压缸的机械效率 =0.9，得出液压缸在各个工作阶段的负载和推力，如表1所示。

表1液压缸各阶段的负载和推力

   由下式近似求出

      快进： = =1.3s

工进： ==48s

快退：==1.6stu

2.3液压缸F-t图与v-t图

3.确定液压系统主要参数

3.1初选液压缸工作压力

所设计的动力滑台在工进时负载最大，在其他情况负载都不太高，参考表2和表3，初选液压缸的工作压力=4MPa。

 3.2计算液压缸主要尺寸

    鉴于动力滑台快进和快退速度相等，这里的液压缸可选用单活塞式差动液压缸（A1=2A2），快进时液压缸差动连接。工进时为防止钻通时负载突然消失发生前冲现象，液压缸的回油腔应有背压，参考表4选此背压为=0.6MPa。

由式  =  

由工进的推力计算液压缸无杆腔

   ==   7.8

则液压缸内径    D==m=0.0997m=99.7mm

按GB/T2348-1993圆整后取标准数值D=100mm

参考表5及表6得活塞杆直径d0.71D=71mm ，按GB/T2348-1993圆整后取标准数值d=70mm

由此球的液压缸两端的实际有效面积为

        ===

===

    3.3绘制液压缸工况图

    根据计算出的液压缸尺寸，可算出液压缸在工作循环中各阶段压力、流量和功率值，如表7所列，并据此绘出液压缸工况图，如图3所示。

表7液压缸在各阶段的压、流量和功率值

4.拟定液压系统的工作原理图

4.1拟定液压系统原理图

4.2原理图分析：

   为了保证快进快退速度相等，并减小液压泵的流量规格，拟选用差动连接回路。

1快进：按下启动按钮，三位五通电液换向阀2 1YA通电，左位进入工作状态，这时的主油路是：

       进油路：滤油器11→液压泵1→电液换向阀2的P口到A口→行程阀3→液压缸右腔

       回油路：液压缸左腔→电液换向阀2的B口到T1口→单向阀6→行程阀3→液压缸右腔

    这时形成差动连接回路。因为快进时，滑台载荷较小，同时进油可以经过阀3直通油缸右腔，系统中压力较低，所以液压泵1输出流量大，动力滑台快速前进实现快进。

②工进：在快速行程结束时，滑台上的挡铁压下行程阀3，行程阀上位工作，使通过行程阀3的油路断开，电磁铁1YA继续通电，电液换向阀2左位仍在工作，油路必须经调速阀4进入液压缸右腔，与此同时，系统压力升高，将液控顺序阀8打开，并关闭单向阀6，使液压缸实现差动连接的油路切断，回油经背压阀7和顺序阀8回到油箱，这时的主油路： 

进油路：滤油器11→液压泵1→电液动换向阀2的P口到A口→调速阀4→液压缸右腔

回油路：液压缸左腔→电液换向阀2的B口到T1口→背压阀7→顺序阀8→油箱

③死挡铁停留：当动力滑台工作进给终了碰上死挡铁台，液压缸停止不动，系统的压力进一步升高，达到压力继电器14的调定压力值时，经过时间继电器的延时，再发出电信号，使滑台退回。

④快退：时间继电器发出信号后，2YA通电，1YA关电。电液换向阀2右位工作，这时的主油路是：

   进油路：滤油器11→液压泵1→电液换向阀2的P口到B口→液压缸左腔

   回油路：液压缸右腔→单向阀5→电液换向阀2的A口到T2口→单向阀13→油箱

⑤原位停止：当动力滑台退回到原始位置时，挡块压下行开关，这时1YA，2YA都断电，电液换向阀2处于中位，动力滑台停止运动。

5.计算和选择液压件

5.1液压泵及其驱动电动机

（1）计算液压泵的最大工作压力

小流量泵在快进和工进时都向液压缸供油，由表可知，液压缸在工进时工作压力最大，最大工作压力为=3.25MPa，如在调速阀进口节流调速回路中，选取进油路上的总压力损失

，考虑到压力继电器的可靠动作要求，则小流量的最高工作压力估算为：

       +=（3.25+0.6+0.5）MPa=4.35MPa

    大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，由表7可见，快退时液压缸的工作压力比快进时大。考虑到快退时进油不通过调速阀，故其进油路压力损失比前者小，现取进油路上的总压力损失=0.3MPa，则大流量的最高工作压力估算为

              +=1.91MPa

（2）计算液压泵的流量

    由表7可知，油源向液压缸输入的最大流量为，若取回路泄漏系数K=1.2，则 泵的总流量为

        ===

由于溢流阀的最小稳定溢流量为2，工进时输入液压缸的流量为0.39，所以小流量液压泵的最小流量为2.4，大流量液压泵的最小流量为28.8。      

（3）确定液压泵的规格和电动机的功率

根据以上压力和流量数值查阅液压泵产品手册，现选用YB1-40/6.3型双联液片泵，泵的额定压力为=6.3 Mpa，小泵排量为V1=6.3mL/r,大泵排量为V2=40 mL/r;泵的额定转速为n=960r/min,容积效率为v=0.9，总效率p=0.8。推算的小泵和大泵的额定流量分别为：

qp1=V1nv=6.39600.9=5.44L/min

qp2=V2nv=409600.9=34.56L/min

双泵流量为qp=qp1+qo2=5.44+34.56=40L/min

由工况图可知，最大功率出现在快退阶段，取泵的总效率为=0.80，则所需驱动电动机功率为：

          ===1.591KW 

查电动机手册选Y112M-6-B3型卧式三相异步电动机，其额定功率为2.2Kw，转速为940r/min。用此转速驱动液压泵时，小泵和大泵的实际输出流量分别为5.33L/min和33.84L/min；双泵总流量为39.17L/min；工进时的溢流量为5.33-0.5=4.83L/min,仍能满足系统各工况对流量的要求。

5.2阀类元件及辅助元件的选择

根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件及辅助元件的流量，可选出这些元件的型号及规格，下表为选择元件的一种方案。

表8 液压元件的选择

6.1系统压力损失验算

管道直径按选定的液压元件接口尺寸确定为d=18mm,进、回长均取l=2m油液的运动粘度取v=1 ,油液密度取ρ =900kg/m3。

工作循环中进、回中通过的最大流量q=83.2L/min,由此计算雷诺数，得

    Re=vd/V=4q/πdv =981<2300

由此可推出各工况下的进、回油路中的液流均为层流。

管中流速为

V=q/πd2/4=5.45m/s

因此沿程压力损失为

 pf=75/Rel/dρv2/2=0.1Mp

在管路具体结构没有确定时，管路局部损失 pr= ps(q/qs)2

式中：q为阀的实际流量；qs为阀的额定流量(从产品手册中查得)； ps为阀在额定流量下的压力损失（从产品手册中查得）。

根据以上公式计算出各个工况下的进、回路的压力损失，计算结果均小于估取值，不会使系统工作压力高于系统的最高压力。

6.2系统发热与温升验算

液压系统工进在整个工作循环中所占的时间比例打94%，所以系统发热和温升可用工进时的数值来计算。

工进时的回路效率

η 1=p1q1/ (Pp1*qp1+Pp2*qp2)=0.067

其中，大流量泵的工作压力Pp2就是此泵通过顺序阀8卸荷时所产生的压力损失，因此其数值为：

Pp2=0.3（33.84/63)2=0.087Mp

前面已经取双联液压泵的总效率=0.8，现取液压缸的总效率为m=0.95，则可算得本液压系统的效率为：

=0.75*0.067*0.95=0.048

可见工进时液压系统效率很低，这主要是由于溢流损失和节流损失造成的。工进工况液压泵的输入功率为：

Pi=（Pp1*qp1+Pp2*qp2)/=611.24W

根据系统的发热量计算式（9-24）可得工进阶段的发热功率为:

Q=Pi*(1-η )=611.24*(1-0.048)=581.90    W

当油箱的高、宽、长比例在1:1:1到1:2:3范围内，且油面高度为油箱高度的80%时，油箱散热面积近似为

式中 V—油箱有效容积（）;

     A—散热面积（）。

取油箱有效容积为0.4，散热系数K为15W/㎡·℃

算得系统温升为：T=    Q/KA=10.7℃

设机床工作环境温度t=25℃，加上此温升后有t=25+10.7=35.7℃，在正常工作温度内，符合要求。

7.课设总结

    本次课程设计时间一周虽然略显得仓促一些，但是通过本次每天都过得很充实的课程设计，自己还是受益匪浅，从中学到了很多东西。

这次课程设计，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手，但在老师的耐心指导，和小组同学的共同努力下，我还是顺利完成了本次课设。通过本次课设，使自己学到了很多在课堂上学不到的东西，锻炼了自己的设计能力，以及查阅有用资料整合知识的能力，使我深刻的认识到自己在课堂上学的知识还远远不足，必须加强理论联系实际的能力，提高自己的动手能力。在以后的工作和学习中我会继续好好学习，丰富自己的知识，全面提高自己，使自己成为一个综合素质过硬的当代大学生。

参考文献：

谢群，崔广臣，王健等主编.液压与气压传动.北京：国防工业出版社，2011

陆望龙主编.典型液压元件结构.北京：化学工业出版社，2009

成大先主编.机械设计手册（第五版）.北京：化学工业出版社，2010

张利平编著.液压传动系统设计与使用.北京：化学工业出版社，2010

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