钻镗专用机床液压系统设计

一、 课程设计任务及设计要求……………………………………………………5

二、液压系统的设计与计算……………………………………………………… 6

1.进行工况分析……………………………………………………………… 6

三、拟订液压系统原理图………………………………………………………… 7

1.确定供油方式………………………………………………………………… 7

2. 调速回路的选择………………………………………………………………8

3. 快速回路的选择………………………………………………………………8

4. 速度换接回路的选择…………………………………………………………8

5. 换向回路的选择………………………………………………………………8

6. 定位夹紧回路的选择…………………………………………………………8

7. 动作转换的控制方式选择…………………………………………………… 8

四、确定执行元件主要参数…………………………………………………………9

1. 工作压力的确定……………………………………………………………… 9

2.确定液压缸的内径D和活塞杆直径d…………………………………………9

3. 计算在各工作各运动阶段液压缸所需的流量……………………………  10

4. 液压缸壁厚和外径的计算……………………………………………………10

5. 液压缸工作行程的确定………………………………………………………10

6. 缸盖厚度的确定………………………………………………………………10

7. 最小导向长度的确定…………………………………………………………10

五、确定液压泵的规格和电动机功率及型号………………………………………11

1. 计算液压泵的压力……………………………………………………………11

2. 计算液压泵的流量……………………………………………………………11

3. 选用液压泵规格和型号………………………………………………………11

4. 确定电动机功率及型号………………………………………………………12

5.液压阀的选择………………………………………………………………… 12

6. 液压元件及辅助元件的选择………………………………………………  13

7. 油箱容量的确定………………………………………………………………13

六 液压系统验算 ……………………………………………………………… 13

1.压力损失的验算……………………………………………………………… 13

2.工作进给时回油路的压力损失……………………………………………… 14

3.变量泵出口处的压力为……………………………………………………15

4.快进时的压力损失…………………………………………………………… 15

(2). 系统温升的验算……………………………………………………………16

七、课程设计简单小结……………………………………………… 17

八、参考文献………………………………………………………… 17

一 、液压课程设计任务书

（一）课程设计题目与设计要求

某厂设计一台钻镗专用机床，要求孔德加工进度有IT6,。要求该机床液压系统要完成的工作循环是：工件定位、夹紧——动力头快进——工进——终点停留——动力头快退——工件松开、拔销。该机床运动部件的重量为30000N，快进、快退速度为6m/min，工进的速度为20~120mm/min可无极调速，工作台的最大行程为400mm，其中工进的总行程为150mm，工进时的最大轴向切削力为20000N，工作台的导轨采用平导轨支撑方式；夹紧缸和拔销缸的行程都为25mm，夹紧力在12000~8000之间可调，夹紧时间不大于1秒钟。

依据上述题目完成下列设计任务：

（1）完成该液压系统的工况分析、系统计算并最终完成该液压系统工作原理图的设计工作；

（2）根据已完成的液压系统工作原理图选择标准液压元件；

（3）对上述液压系统中的进给液压缸进行结构设计，完成该液压缸的相关计算和部件装配图设计，并对其中的1-2非标准零件进行零件图的设计；

1.进行工况分析

液压缸负载主要包括：切削阻力，惯性阻力，重力，密封阻力和背压阀阻力等 

         （1）切削阻力F切

F切=20000N

（2），摩擦阻力F静，F动

F静=F法×f静=30000×0.2=6000N

F动=F法×f动=30000×0.12=3600N 

式中:F法－运动部件作用在导轨上的法向力

f静－静摩擦系数

f动－动摩擦系数

（3）惯性阻力

F惯=G·Δv/（g·Δt）=30000×6/（9.8×0.3×60）=1020.41N

式中: g－重力加速度

      G－运动部件重力

     Δ v－在t时间内变化值

     Δt－启动加速度或减速制动时间

（4）重力F：

因运动部件是水平位置，故重力在水平方向的分力为零。

（5）密封阻力F密：

一般按经验取F密=0.1F总 （F为总负载）

（6）背压阻力

这是液压缸回油路上的阻力，初算时，其数值待系统确定以后才可以定下来。

  根据以上分析，可以计算出液压缸各动作中的负载表如下：

1.确定供油方式

考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低。而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能量、减小发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油。现采用带压力反馈的限压式变量叶片保泵。

2. 调速回路的选择

根据液压系统要求是进给速度平稳，孔钻透时不前冲，可选用调速阀的进口节流调速回路，出口加背压。

3. 快速回路的选择

  根据设计要求v快进=6m/min,v快退=6m/min,而尽量采用较小规格的液压泵，可以选择差动连接回路。

4. 速度换接回路的选择

  本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便，阀的安装也较容易，但速度换接的平稳性较差。

5. 换向回路的选择

  由速度图可知，快进时流量不大，运动部件的重量也较小，在换向方面又无特殊要求，所以可选择电磁阀控制的换向回路。为方便连接，选择三位四通电磁换向阀。

6. 定位夹紧回路的选择

  按先定位后夹紧的要求，可选择单向顺序阀的顺序动作回路。通常夹紧缸的工作压力低于进给缸的工作，并由同一液压泵供油，所以在夹紧回路中应设减压阀减压，同时还需满足：夹紧时间可调，在进给回路压力下降时能保持夹紧力，所以要接入节流阀调速和单向阀保压。换向阀可连接成断电夹紧方式，也可以采用带定位的电磁换向阀，以免工作时突然断电而松开。

7. 动作转换的控制方式选择

  为了确保夹紧后才进行切削，夹紧与进给的顺序动作应采用压力继电器控制。当工作进给结束转为快退时，由于加工零件是通孔，位置精度不高，转换控制方式可采用行程开关控制。

液压系统原理图如下：

四、确定执行元件主要参数

1. 工作压力的确定

工作压力可根据负载大小及设备类型来初步确定，现参阅液压系统设计简明手册表2－1，液压缸工作压力4 MPa。

2.确定液压缸的内径D和活塞杆直径d

  由负载图知最大负载F为26222.22，按表2－2可取P2为0.5 MPa，油缸的机械效率η为0.95，考虑到快进、快退速度相等，取d/D为0.7.将上述数据代入（2-3）

可得

D={4×26222.22/3.14×40×105×0.95×{1-5/4[1-(0.7)2]}}1/2    =0.117m

根据表2－4，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=125mm；活塞杆直径d，按d/D=0.7及表2－5活塞杆直径活塞杆直径系列取d=90mm。

考虑到夹紧力的稳定，夹紧缸的工作压力应低于进给液压缸的工作的压力，现取夹紧缸的工作压力为2.5Mpa，回油背压力为零，η为0.95，则按式（2-3）可得

D=（4×12000/3.14×25×105×0.95）1/2=0.08m

  按表2－4及表2－5液压缸和活塞杆的尺系列，取夹紧液压缸的D和d分别为80 mm 和56 mm。

按最低工作速度验算液压缸的最小稳定速度。若验算后不能获得最小的稳定速度是，还需要响应加大液压缸的直径，直至满足稳定速度为止。

A>q/v=0.05×103/2=25cm2

  式中q是由产品样本查得GE系列调速阀AQF3-E10BD的最小稳定流量为0.05L/min。

   本题中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即

A= π/4（D2-d2）=π/4×（12.52-92）cm2=59.1 cm2

可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。

3. 计算在各工作各运动阶段液压缸所需的流量

q快进=πd2v快进/4=π×（9×10-2）2×6/4=38.2×10-3m3/ min 38.2L/min

q工进=πD2v工进/4=π×0.1252×0.12/4=1.47×10-3m3/ min 1.47L/min

q快退=π×（D2-d2）v快进/4=π×（0.1252-0.092）×6/4=35.5×10-3m3/ min 35.5L/min

q夹=πD2v夹/4=π×0.1252×25×10-3×60/4=18.4×10-3m3/ min 18.4L/min

4. 液压缸壁厚和外径的计算

液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。由公式: PyD/s[]得： 4.51.25125/(260)=5.86mm，为了保证有足够的强度将其选一个较大值为6mm

故即可求出缸体的外径DD+2=110+25=137mm。

5. 液压缸工作行程的确定

根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表2-6中的系列尺寸可选得进给液压缸工作行程H=400mm 。

6. 缸盖厚度的确定

选取无孔的平底缸盖，其有效厚度t按强度要求用下面公式进行近似计算

t0.433D得 t0.433110=0.0166m 故取t=125mm

7. 最小导向长度的确定

对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求H 故可得夹紧缸最小导向长度Hmm 。

活塞的宽度B一般由公式B=（0.6~1.0）D 得进给缸活塞宽度B=0.6125=75mm；当液压缸内径D>80mm时，活塞杆滑动支承面的长度=（0.6~1.0）d  故=0.790=63mm。

五、确定液压泵的规格和电动机功率及型号

1. 计算液压泵的压力

液压泵的工作压力应当考虑液压缸最高有效工作压力和管路系统的压力损失。所以泵的工作压力为：

P泵=P1+ΣΔP

式中：P泵----液压泵最大工作压力

      P1----液压缸最大有效工作压力

      ΣΔP ----管路系统的压力损失，复杂系统取0.5～1.5 MPa，取ΣΔP=1MPa。

P泵= P1+ΣΔP= F1/ A1+1MPa

=[26222.22/(π×0.1252/4)]+1MPa

=2.1MPa。

上述计算所得的P泵是系统的静态压力，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储蓄量，提高泵的寿命，所以选泵的额定压力应满足P额=1.25～1.6P泵。本系统为中低压系统应取小值，故取P额=1.25 P泵=2.63MPa

2. 计算液压泵的流量

液压泵的最大流量q泵应为

q泵>K(∑q)max

式中：(∑q)max----同时动作各液压缸所需流量之和的最大值

 K----系统的泄露系数，一般取K=1.1～1.3，现取K=1.2。

q泵=K(∑q)max=1.2×38.2=7.63×10-4m3/s

3. 选用液压泵规格和型号

根据P额、P泵值查阅有关手册，选用YBX-25限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量q = 25ml/r,泵的额定压力P = 6.3MPa，电动机的转速n = 1450r/min,容积效率为= 0.88，总效率= 0.7。

4. 确定电动机功率及型号

由工况图可知，液压缸最大输入功率在快退阶段，可按此阶段估算电动机功率，由于工况图中压力值不包括由泵到液压缸这段管路的压力损失，在快退时这段管路的压力损失若取△P=0.2MPa,液压泵总效率η=0.75，则电机功率P电为：

 P电= P泵q泵/η=2.63×106×7.63×10-4/0.75=2.7KW

查阅电动机样本，选用Y132S-40电动机，其额定功率为3.0KW，额定转速为960r/min.

5.液压阀的选择

本液压系统可采用力士乐系统的阀，控制液压缸部分选用力士乐系列的阀，其夹紧部分选用叠加阀。选定的液压元件如下表1-2所示。

表1-2 液压元件明细表

（1）液压元件的选择

根据所拟订的液压原理图，进行计算和分析通过各液压元件的最大流量和最高工作压力选择液压元件规格。

（2）的计算和选择

内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可以按管路允许流速进行计算，流量q=45.8l/min，压的允许流速取v=4m/s

则压内径d为：

d=(4q/πv) 1/2

      =(4×7.63×10-4/3.14×4) 1/2 

=1.6cm

可选内径为d=15mm的。

流量q=38.2 l/min，吸的允许流速取v=1.5m/s

则吸内径d为：

d=(4q/πv) 1/2

  =(4×6.37×10-4/3.14×1.5) 1/2 

=2.3cm

可选内径为d=24mm的。

7. 油箱容量的确定

该方案为中压系统，液压油箱的有效容量按泵的流量5～7倍来确定，油箱的容量V为:

V=(5～7) q泵=(5～7) ×45.78=(229～320)L

按油箱公称容量系列JB/T7938—1995，且考虑散热因素，取靠近的标准值V=400L。

六 液压系统验算

已知该液压系统中进、回的内劲均为15mm，现设各段管道的长度分别为：AB = 1.7m,AC = 0.3m,AD = 1.7m,DE = 2m。选用L-HL32液压油，考虑到油的最低温度为15C时该液压油的运动粘度=150cst =1.5cm/s，油的密度= 920kg/m。

1.压力损失的验算

1）工作进给时进油路压力损失。运动部件工作进给时的最大速度为

0.12m/min，进给时的最大流量为1.47L/min，则液压油在管内流速为

=  = cm/min =  13.87cm/s

管道流动雷诺系数Re为

Re =  =  =13.87

Re1<2300，可见油液在管道内流态为层流，其沿程阻力系数1===5.41。

进道BC的沿程压力损失p为

查得换向阀34EF30-E10B的压力损失p=0.0510Pa

忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，刚进油路总压力损失为

P=

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，且液压缸有杆的工作面积为无杆腔的工作面积的二分之一，则回道的流量为进道的二分之一，则

回道的沿程压力损失为：

查产品样本知换向阀23EF3B-E10B的压力损失=0.02510Pa，换向阀22D-H10B的压力损失，调速阀QF3-E6aB的压力损失=0.5。

回油路总压力损失为为

=+++2*

=（0.003+0.025+0.025+1.0）=0.08

3.变量泵出口处的压力为

= 

 =

4.快进时的压力损失。快进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既为46L/min，AC段管路的沿程压力损失为

Re =  =  = 721

=75/721=0.1

同样可求得管道AB段及AD段的沿程压力损失和为

Re =  =  = 360

=

=

=

查产品样本知，流经各阀的局部压力损失为：

34EF30-E10B的压力损失，23EF3B-E10B的压力损。

据分析在差动连接中，泵的出口压力为

=2+++++=

快退时压力损失验算从略。上述验算表明，无需修改原设计。  

(2)系统温升的验算

 在整个工作循环中，工进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，工进速度大时发热量较大，由于限压式变量泵在流量不同时，效率相差极大，所以分别计算最大、最小时的发热量，然后加以比较，取数值大者进行分析。

当=2cm/min时

q = D =  0.125

此时泵的效率为0.4，泵的出口压力为4MPa,则有

P

        P

此时的功率损失为

当= 12cm/min时，q=1.47Lmin,总效率，则

            PKW

            P

可见在工进速度高时，功率损失为0.055KW，发热量最大。

假设系统的散热状况一般，取K=10，油箱的散热面积A为

A=

系统的温升为 

验算表明系统的温升在许可范围内。

七、课程设计简单小结

   通过这次的课程设计，加深了我对液压各个元件的了解和对各工作原理的理解，也加深了我对液压各个元件的设计计算和选择，让我明白了液压系统的工作原理，在设计过程中，让我明白到查阅相关的设计手册的重要性，最后让我再次熟悉CAD软件的操作。

八、参考文献

  1.液压系统设计简明手册/杨培元，朱福元主编.——北京：机械工业出版社，1999.12

  2.机械设计手册.单行本.液压控制/成大先主编——化学工业出版社，2004.1

  3.新编液压工程手册（上、下册）/雷天觉主编——机械工业出版社

  4.液压气动设计手册/张利平主编——机械工业出版社

5、张世亮编写，液压与气压传动课程设计指导书，广东海洋大学印刷，2006年6月

6、张世亮主编，液压与气压传动，机械工业出版社，2006年3月

7、杨元明主编，液压传动设计简明手册，机械工业出版社，2005年3月