组合机床液压系统设计

哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 摘 要 本设计为组合机床液压系统的设计，是根据工作的需求以及工作的环境，对钻孔组合机床进行一些改进，使其能够达到组合机床液压系统自动化控制，由此减轻工作量，提高产品的生产效率，故设计了本套设计。 设计从实际情况考虑，采用的是液压系统的自动化控制来作为控制方式自动控制组合机床钻孔的完成，然后在根据实际要求钻孔的数目以及大小来确定液压系统的各种参数，最后完成本此设计。 主要设计内容包括： (1). 液压系统的总体设计，拟定液压系统图 (2). 液压缸及其主要部件的设计计算与验算 (3). 液压系统的主要部件的选 取与设计 (4). 验算其液压系统的性能 并且，在整个设计中引用了 AutoCAD2010 作为绘图工具，提高了绘图过程的速度，精度。该工具完成了主要部件的绘图。 关键词 ： 组合机床；液压系统； 自动化控制 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) Abstract The design for the design of the combined machine tool of hydraulic system according to the need and environment of the work, hinder drill hole of the combined machine tool minor some changes achieving combined machine tool of hydraulic system automatic control, lessening workloads increasing production efficiency of the product so the design of the set design. Design from the actual situation ,using hydraulic system automatic control as combined machine tool automatic control drill hole completed. Then according to the actual required for the number and big or small of the drill holes , determining the various parameters of the hydraulic system at last ,completed the design. Mainly relates to the content including: (1).Machine tool of hydraulic system overall program to determine , draw up the hydraulic system schematic diagram. (2).Hydraulic cylinder and the main parts of the design calculation and checking . (3).Selection and design of the main parts of the design of hydraulic system. (4).Check the performance of the hydraulic system And reference throughout the design AutoCAD2010 as drawing tools to improve the speed ,accuracy of the drawing process .It drawing of the main components. Key words： combined machine tools ； hydraulic system； automatic control 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) I 目 录 第 1 章 绪论 . 3 1.1 设计项目的来源 . 3 1.2 设计的性质 . 4 1.3 设计的基本任务 . 4 1.4 设计的可行性估计 . 5 1.5 液压传动的工作原理和组成 . 5 1.6 液压传动的优缺点 . 6 第 2 章 原始资料分析 . 8 2.1 技术要求 . 8 2.2 配置执行元件 . 8 2.3 运动分析和动力分析 . 8 2.4 本章小结 . 11 第 3 章 液压系统主要参数计算和工况图的编制 . 12 3.1 预选系统设计压力 . 12 3.2 计算液压缸主要结构尺寸 . 12 3.3 编制液压缸的工况图 . 13 3.4 本章小结 . 14 第 4 章 制定液压 回路方案，拟定液压系统原理图 . 15 4.1 制定液压回路方案 . 15 4.2 拟定液压系统图 . 15 4.3 本章小结 . 17 第 5 章 计算和选择液压元件 . 18 5.1 液压泵及其驱动电机计算与选定 . 18 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) II 5.2 液压控制阀和液压辅助元件 . 19 5.3 密封件的选择 . 22 5.4 本章小结 . 22 第 6 章 验算液压系统性能 . 23 6.1 验算系统压力损失 . 23 6.2 液压泵工作压力的估算 . 24 6.3 估算系统效率，发热，和温升 . 24 6.4 本章小结 . 25 结 论 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 28 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 3 第 1 章 绪论 1.1 设计项目的来源 本次设计为组合机床液压系统的设计，选这个题目为毕业设计题目的时候经过多方面的考虑。 (1) 相对于我们学机械设计的学生而言，我们所学的知识比较的多，有广泛的题目来源。比如在我们所学习的课程里面可以选择机床的设计，在机床的设计中我们也有两个可以选则。我们学的是普通大机械项目，在金属切削中学过各种机床的作用以及同行们的一些参数，所以在金属切削机床的设计是可以选择的。 (2) 对于我们学机械专业的来说，所学比较多，比如比 较重要的液压系统的设计，我们在学液压与气压传动的时候，袁剑雄老师的悉心教导，虽然不能精通，在瞬间就能够了解到液压的各种参数，但能够在普通的设计能够完成。而我们的本科毕业设计在设计水平上是最初的尝试阶段，所以在这方面我们完全可以值得尝试一下。 (3) 我们在进行毕业设计的情况下得到指导老师的建议，在确定自己的毕业设计题目的前提下，先要阅读至少二十篇的别人设计的东西从而加深对自己想要设计题目的深入了解。着重两个方面可以得到我们的捷径，从而避免自己少走弯路。首先我们可以确定我们设计的题目是不是有很大的重合率，再者 我们可以把它们作为自己的设计经验。 (4) 我在确定本设计的来源就是网络，我在上网的时候发现液压系统的广告比较多，什么液压原件，发现液压是一个市场需求比较大的东西。我的设计出于对市场的需求，以及参考自己所学。 (5) 在本科毕业设计中提到与自己以后毕业后所从事工作有一定的所用之处。我毕业后所从事的工作与自己的专业有很大的关系，虽然名字为“中国兵器”。但是在现的和平年代，兵工厂并不是单一制造兵器。比如我所在工厂就有制造汽车相关的项目，为中国二汽提供很多的汽车原件。我们厂有四个关于制造汽车的分厂，有齿轮加工 厂，汽车减速箱制造厂，轴的加工厂以及液压机床厂。我们有两个选择，一个工作是选择走军用路线，我们全心全意为国家制造武器 ；另外一个方向就是我们走民用路线，最大限度的，合理的使用资源。虽然现在还不能完全确定我以后走的路线，但是选择组合机床液压系统的设计是符合我们以后工作的要求。 综上所诉，我的毕业设计最终确定为组合机床液压系统的设计，这样我对于哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 4 以后的工作中打下一定的基础。另外，对于实用性，在这方面液压系统为一发展趋势，因为液压系统的传动在自动化控制的完成一些列的任务。而且随着技术的发展，液压技术会在很大程度上弥补 现在很多的不足，进而完善液压系统。 1.2 设计的性质 我们学机械设计的本科设计为机械装备设计，此题目在此范围内，为组合机床液压系统的设计。在设计中可以完成体现我们在本科所学到的知识，在一方面是液压系统的设计，在各个元件以及我们的传动原理是液压性质的，但是在各个零件的设计以及计算和校核是我们所学的其他的知识，比如为机械制造工艺学，材料力学以及工艺学。在零件图的画法以及技术要求就牵涉到我们学过的机械制图，以及机械精度设计 (精度设计与互换性 )等。 液压系统的设计既是结合自己所学有联系着社会实际。我们所学得知识并 不是很专业，但是对于我们这些本科设计初学者来说也已经可以适应啦。再者，我这个设计在实际运用上也是越来越常见，虽然我们社会发展到现在这个自动化和高的社会，但是在工厂中的机床设备还是很落后的手工操作，液压系统的到来可以在很大的程度上改变这种落后的局面。液压系统的使用可以实现在一定程度上的自动化，减轻工人的劳动量以及提高产品的生产效率。 1.3 设计的基本任务 本设计为组合机床液压系统的设计，其目的是设计液压系统为一组合机床钻孔所用，所钻孔为汽车发动机箱体孔。其中大孔为 9 个，小孔为 2 个。液压系统要完成的动作有：定 位 (插定位销 )，夹紧，快进，工进，快退，原位停止，夹具松开，拔定位销。 具体的任务有： (1) 动力分析和运动分析，对其进行分析，得到其负载以及编制工作台液压缸的各种负载循环图。 (2) 计算液压缸的主要尺寸，本设计在选择工作腔上使用无杆腔作为主要的工作腔，所以在设计的过程中主要是活塞杆的直径和液压缸的内径设计。 (3) 液压部件以及元件的选择，在此选择上根据所选择的液压泵规格及系统的工况，算出液压缸各阶段的的运动速度以及持续时间来选择相应的原件和部件，大部分液压元件都是标准化，选择相应的就可以啦。 (4) 在电机的选择上，按照液压系统的工况可以得到相应电机要求，然后在与实际的工作情况以及国家标准选择相近的电机。 (5) 验算各种液压系统性能，主要包括系统压力损失以及温升以及油箱散热哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 5 情况的核算。 1.4 设计的可行性估计 本设计为组合机床液压系统的设计，在设计中的要求而言并不是很高，比较适合我们本科设计初学者的尝试。 学习环境来说，我们为机械设计制造及其自动化专业的学生，在自动控制以及液压与气压知识方面也还是可以完成本次设计的。再者我们学校在这方面的老师以及师资力量和各种的硬件设施都能够满足我们初学者的设计。 实用性方面，液压系统的实用性在各个机械工厂都是比较常见的，它能够代替人同时完成几个任务，而且是自动化控制。在提高生产效率方面是大有好处的。 所以本次设计在一定程度上是可行的，我能够在毕业设计期间顺利完成设计要求，最大程度的达到设计的完美性，最终顺利的毕业。 1.5 液压传动的工作原理和组成 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液压的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路传递，借助于液压执行元件 (缸或马达 )把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。驱动机床工作台的液压系统是由邮箱、过滤器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸和连接这些元件的油管，接头等组成 1.5.1 工作原理 (1) 电动机驱动液压泵经泵过滤邮箱中吸油，油液被加压后，从泵的输出口输入管路。油液经开停阀，节流阀，换向阀进入液压缸，推动活塞而使工作台左右移动。液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。 (2)工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀 关小时，进入液压缸的油量减少，工作台的移动速度减少。由此可见，速度是由油量决定的。 1.5.2 液压系统的基本组成 (1) 能源装置 液压泵。它将动力部分 (电动机或其它远动机 )所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。 (2) 控制装置 液压机 (液压缸，液压马达 )。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。 (3) 控制装置 液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力 (或力矩 )、速度和方向，根据控制功能的哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 6 不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制 阀。压力控制阀又分为益流阀 (安全阀 )、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集阀等。方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 (4) 辅助装置 油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等。通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。 (5) 工作介质 液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。 1.6 液压传动的优缺点 (1) 在相同的体积下，液压执行装置能比电气装 置产生山更大的动力。在同等功率的情况下，液压执行装置的体积小、重量轻、结构紧凑。液压马达的体积重量只有同等功率电动机的 12%左右。 (2) 液压执行装置的工作比较平稳。由于液压执行装置重量轻、惯性小、反应快，所以易于实现快速起动、制动和频繁地换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达到每分钟 500 次，实现往复自线运动时可选每分钟 1000次。 (3) 液压传动可在大范围内实现无级调速 (调速比可达 1： 2000)，并可在液压装置运行的过程中进行调速。 (4) 液压传动容易实现自动化，因为它是对液体的压力、 流量和流动方向进行控制或调节，操纵很方便。当液压控制和电气控制或气功控制结合使用时，能实现较复杂制顺序动作和远程控制。 (5) 液压装置易于实现过载保护且液压件能自行润滑，因此使用寿命长。 (6) 液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便。 1.6.2 液压传动的缺点 液压传动是以液体为作介质，在相对运动表面间小可避免地要有泄露，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用，例如螺纹和齿轮加工机床的内传动链系统。 (1) 传动在工作过程中有较多的 能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动。 (2) 液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性。因此，在低温和高温条件下，采用液压传动有一定的困难。 (3) 为了减少泄露，液压元件的制造精度要求苛刻，因此，液压元件的制造成本高，而且对油液的污染比较敏感。 (4) 液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出了更高的要求，既要系统地掌握液压传动的理论知识，又要有一定的实践经验。 (5) 随着高压、高速、高效和大流量化，液压元件和系统的噪声日益增大，这也是要解决的问题。 总而 言之，液压传动的优点是突出的，随着科学技术的进步，液压传动哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 7 的缺点将得到克服，液压传动将日益完善，液压技术与电了技术及其它传动方式的结合更是前途无量。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 8 第 2 章 原始资料分析 2.1 技术要求 某型汽车发动机箱体加工自动线上的一台单面多轴钻孔组合机床，其卧式动力滑台 (导轨为水平导轨，静摩擦因数为 0.2，动摩擦因数为 0.1 )拟采用液压缸驱动，以完成工件钻削加工时的进给运动；工件的定位和夹紧均采用液压方式，以保证自动化要求。液压与电气配合实现的自动循环为：定位 (插定位销 )，夹紧，快进，工进，快退，原位停止，夹具松 开，拔定位销。工件部件终点定位精度无特殊要求。工件情况及动力滑台的已知参数见表 2-1. 表 2-1 工件情况及动力滑台的已知参数 工件情况 动力滑台 钻孔直径 数量 D/mm 切削用量 主轴转速 进给量 n/(r/min) S/(mm/r) 工况 行程 速度 L/mm v/(m/s) 快进 L1： 300 v1 待定 工进 L2： 100 v2 待 定 快退 L3： 400 v3 待定 1D ： 13.9 14 1n ： 450 1S :0.147 运动部件重量 G/N9800 2D ： 3.5 2 n2； 550 S2: 0.096 启动 制动时间 0.2s 2.2 配置执行元件 根据上述技术要求，选择杆固定的单杆活塞缸作为驱动滑台实现切削进给运动的液压执行元件；定位和夹紧控制则选择缸筒固定的单杆活塞缸作为液压执行元件。 2.3 运动分析和动力分析 以下着重对动力滑台液压缸进行分析计算。 2.3.1 运动分析 运动分析 与相近金属切削机床相类比，确定滑台液压缸的快进，快退的速度相等，且 12v = v = 0 .1m / s。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 9 -32 1 1v = n 4 5 0 0 . 1 4 7 / 6 0 m m / s = 1 . 1 0 2 5 1 0 m / sS . (2-1) 各工况的动作持续时间 由行程和运动速度算得各工况的动作持续时间为 快进 -31 1 1t = / v = 3 0 0 1 0 / 0 . 1 = 3 sL （ ） (2-2) 工进 )(7.90)101 0 2 5.1/(10100/ 3322 svLt (2-3) 快退 -33 3 3t = / v = 4 0 0 1 0 / 0 . 1 = 4 sL （ ） (2-4) 由表 2-1 及上述分 析计算结果可画出滑台液压缸的行程 -时间循环图 (L-t 图 )和速度循环图 (v-t 图 )，如图 2-1 所示。 图 2-1 行程 -时间循环图 (L-t 图 )和速度循环图 (v-t 图 ) 2.3.2 动力分析 动力滑台液压缸在快速进，退阶段，启动时的外负载是导轨静摩擦阻力，加速时的外负载是导轨动摩擦阻力和惯性力，恒速时是动摩擦阻力；在工进阶段，外负载是工作负载即钻削阻力负载及动摩擦阻力。 静摩擦负载 ( ) 0 . 2 ( 9 8 0 0 0 ) 1 9 6 0 ( )f s s nF G F N (2-5) 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 10 动摩擦负载 ( ) 0 . 1 ( 9 8 0 0 0 ) 9 8 0 ( )f d d nF G F N (2-6) 惯性负载 9 8 0 0 0 . 1 5 0 0 ( )9 . 8 1 0 . 2iGvFNgt (2-7) 利用铸铁工件钻孔的轴向钻削阻力经验公式 0 . 8 0 . 62 5 . 5eF D S H B (2-8) 算得工作负载 0 . 8 0 . 6 0 . 8 0 . 61 1 2 20 . 8 0 . 6 0 . 8 0 . 61 4 2 5 . 5 2 2 5 . 51 4 2 5 . 5 1 3 . 9 0 . 1 4 7 2 4 0 2 2 5 . 5 0 . 0 9 6 2 4 0 3 0 4 6 8 ( )eeF D S H B D S H B 式中 eF 轴向钻削阻力， N； D 钻孔孔径， mm； S 进给量， mm/r； HB 铸件硬度。 滑台液压缸各工况下的外负载计 算结果列于表 2-2. 表 2-2 动力滑台液压缸外负载计算结果 工况 外 负载 F/N 结果 启动 fsFF 1960 快进 加速 v+ gtfdGFF 1480 恒速 fdFF 980 工进 +fdF F F 启动 sfFF 1960 快退 加速 fdv+ gtGFF 1480 恒速 fdFF 980 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 11 图 2-2 组合机床液 压缸的工况图 2.4 本章小结 本章 节主要讲述 选择杆固定的单杆活塞缸作为驱动滑台实现切削进给运动的液压执行 元件；定位和夹紧控制则选择缸筒固定的单杆活塞缸作为液压执行元件， 和相关 技术要求 。哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 12 第 3 章 液压系统主要参数计算和工况图的编制 3.1 预选系统设计压力 本钻孔组合机床属于半精加工机床，载荷最大时为慢速工进阶段，其他工况时载荷都不大，参考预选液压缸的设计压力 1 4aP MP 3.2 计算液压缸主要结构尺寸 为了满足滑台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，将液压缸无杆腔作为主工作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔 与有杆腔的有效面积 1A 与 2A因满足 12=2AA,即活塞杆直径 d 和液压缸内径 D 关系应为 d=0.71D . 为防止工进结束时发生前冲，液压缸需要保持一定的回油背压。参考得暂取背压 0.6MPa，并取液压缸机械效率 cm=0.9 ，则可算得液压缸无杆腔的有效面积 4212c m 131448 9 4 1 0 ( m )0 . 60 . 9 ( 4 )22FAP （ P (3-1) 液压缸内径 414 4 9 4 1 0 0 . 1 0 9 mAD （ ） (3-2) 按 GB/T2348-1993,将液压缸内径圆整为 D=100mm=10cm 因为 122AA , 故活塞杆直径为 d = 0 . 7 1 = 0 . 7 1 1 0 0 = 7 1 m m )D （ 按 GB/T2348-1993，将活塞杆直径圆整为 d=70mm=7cm。 则液压缸实际有效面积为 222110 7 8 . 5 ( )44A D c m (3-3) 222 2 22( 1 0 7 )( ) 4 0 . 0 5 ( )44A D d c m (3-4) 212 3 8 . 4 5 ( )A A A c m 差动连接快进时，液压缸有杆腔压力 P2 必须大于无杆腔压力 P1，其差值估取 21 0 . 5 ( )P P P M P a ， 并 注 意 到 启 动 瞬 间 液 压 缸 尚 未 移 动 ， 此 时 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 13 0P ；另外，取快退时的回油压力损失为 0.7MPa。 3.3 编制液压缸的工况图 工况分析 根据上述设计参数，计算该机床动力滑台在各个动作循环下的速度以及负载， 并绘制出图 1 和图 2 的速度和负载循环图。 图 3-1 速度循环图 图 3-2 负债循环图 根据上述条件计算得到液压缸工作循环中各个阶段的压力，流量和功率 (见表3-3)，并可编制其工况图 (见图 3-3) 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 14 图 3-3 组合机床液压缸的工况图 表 3-3 液压缸工作循环中各阶段的压力，流量和功率 工作阶段 计算公式 负载 F/N 回油腔压力2p / aMP 工作腔压力 1p / aMP 输入流量 -3 3q / 10 m / s（ ） 输入功率 P/W 启动 2cm1+pp=F AA 1960 - 0.48 - - 快进 加速 11q= v ；A P p q 1480 1.27 0.77 - - 恒速 980 1.16 0.66 0.5 330 工进 1 2 1q= v ；A P p q22cm11+pp=F AA 31448 0.6 3.96 20.83 10 33 启动 211 2cmF pAp A 1960 - 0.48 - - 快退 加速 2 1 1；q A v P p q 1480 0.7 1.86 - - 恒速 980 0.7 1.73 0.45 780 3.4 本章小结 总结本章 根据上述条件计算得到液压缸工作循环中各个阶段的压力，流量和功率，为防止工进结束时发生前冲，液压缸需要保持一定的回油背压。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 15 第 4 章 制定液压回路方案，拟定液压系统原理图 4.1 制定液压回路方案 (1) 调速回路 工况图表明，液压系统功率小，负载为阻力负载且工作中变化小，故采用调速阀的进油节流调速回路。为防止在孔钻通时负载突然消失引起滑台前冲，回油设置背压阀。由于已选用节流调速回路，故系统必然为开式循环。 (2) 油源型式 工况图表明， 系统在快速进，快速退阶段为低压，大流 量的工况且时间持续较短，而工进阶段为高压，小流量的工况且持续时间长，两种工况的最大流量与最小流量之比约达 60，从提高系统效率和节能角度，宜选用高低压双泵组合供油或采用限压式变量泵供油。两者各有利弊，现决定采用变量轴向柱塞泵， (3) 换向与速度换接回路 系统已选定差动回路做快速回路，同时考虑到工进到快退时回油流量较大，为保证换向平稳，故采用三位五通， Y 型中位机能电液动换向阀作为主要换向阀并实现差动连接。由于本机床工作部件终点的定位精度无特殊要求，故采用行程控制方式即活动挡块压下电气行程开关，控制换 向阀电磁铁的通断电即可实现自动换向和速度换接。 (4) 压力控制回路 在高压泵出口并联一溢流阀，实现系统的溢流定压；在低压泵出口并联一外控顺序阀，实现系统高压工作阶段的卸荷。 (5) 定位夹紧回路 为了保证工件的夹紧力可靠且能单独调节，在该回路上串联减压阀和单向阀；为保证定位到夹紧的顺序动作，采用压力控制方式，即在后动作的加紧缸进油路上串联单向顺序阀，当定位缸达到顺序阀的调压值时，夹紧缸才动作；为保证工件确已夹紧后滑台液压缸才能动作，在夹紧缸进油口处装一压力继电器。 (6) 辅助回路 在液压泵进口设置 一过滤器以保证吸入液压泵的油液清洁；出口设一压力表及其开关，以便各压力控制元件的调压和观测。 4.2 拟定液压系统图 在制定个液压回路方案的基础上，经整理分析所组成的液压系统原理图如图 4-1 所示，图中附表是电磁铁及行程阀的动作顺序表。结合附表 1 看系统在各哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 16 工况下的油液流动路线。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 17 附表 1 系统的电磁铁和行程阀动作顺序表 工况 电磁铁 及行程阀状态 1YA 2YA 3YA 行程阀 定位 + 夹紧 + 工况 电磁铁 及行程阀状态 快进 + 下位 工进 + 上位 快退 + 上位 滑台原位停止 + 下位 松开 拔销 1-柱塞泵； 2-三位五通电液动换向阀； 3-二位二通机动换向阀 (行程阀 )； 4- 调速阀； 5 6 10 13 16- 单向阀； 7-外控顺序阀； 8 9-溢流阀； 11-过滤器； 12 - 压力表开关； 14 19 20 -压力继电器； 15-减压阀； 17-二位四通电磁换向阀； 18 - 单项顺序阀； 21-定位缸； 23- 进给缸； 24-压力表 图 4-1 组合机床液压系统原理图 4.3 本章小结 总结本章 在制定个液压回路方案的基础上， 在液压泵进口设置一过滤器以保证吸入液压泵的油液清洁；出口设一压力表及其开关，以便各压力控制元件的调压和观测。 在高压泵出口并联一溢流阀，实现系统的溢流定压；在低压泵出口并联一外控顺序阀，实现系统高压工作阶段的卸荷。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 18 第 5 章 计算和选择液压元件 5.1 液压泵及其驱动电机计算与选定 (1) 液压泵的最高工作压力计算 由工况图 3-1 可以查出液压缸的最高工作压力出现在工进阶段，即 p=3.96MPa，而压力继电器的调整压力应该比液压缸最高工作压力大 0.5MPa。此时 缸的输入量比较而言相对来说比较小，且进油原件也表较少，故泵到缸之间的进油路压力损失估计取值为 p=0.7 aMP 。此时泵的最高工作压力 1pP 为 1p = 3 . 9 6 0 . 5 0 . 7 5 . 1 6 ( )P M P a ( 5-1) 泵在快速进退时向液压缸供油，由图 3-1 可以知道，快退的时候液压缸的工作压力比快进时候的压力大，取进油压力损失为 0 .3P M Pa ，则最高工作压力2Pp 为 2 1 . 8 8 6 0 . 3 2 . 1 6 ( )P p M P a (2) 液压泵的流量计算泵的最小供油 qP 按液压缸的最大输入流量331 m a x 0 . 5 1 0 /q m s 进行估 算。根据标准取泄露系数 K=1.2，柱塞泵最小供油量应该为 3 3 3 31 m a x 1 . 2 0 . 5 1 0 / 0 . 6 1 0 /q P q v K q m s m s (5-2) 考虑到溢流阀的最小稳定流量为 3 / minqL ，工进时候的流量为 530 . 8 3 1 0 / 0 . 5 / m i nq m s L 泵所需要最小流量为 31 3 6 1 . 2 0 . 5 3 3 2 . 4 ( / m i n )q p q v q p K q q L (5-3) (3) 确定液压泵的规格根据系统的流量，拟定初选柱塞泵的转速为1 1 0 0 0 / m innr ，泵的容积效率 0.9v ，可以计算泵的流量参考值为 11 0 0 0 1 0 0 0 3 2 . 43 6 ( / )1 0 0 0 0 . 9gqvV m L rnv (5-4) 根据以上计算结果查阅产品样 本，选用规格相近的 1 0 1 4 1YC YY B 型变量柱 塞 泵， 泵 的额 定压 力 为 7MPa ， 排量 为 40 /V mL r ； 泵 的额 定转 速n=960r/min，容积效率 v=0.95 ，总效率 p=0.90 。倒推泵的额定流量为 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 19 vq p = V n = 4 0 9 6 0 0 . 9 5 = 3 6 . 4 8 / m i n )L （ (5-5) 经验算可得与系统所需流量相符合。 (4) 确定液压泵驱动功率及电机的规格，型号。由工况图可以得知，最大功率住现在快退阶段，已知泵的总效率为 0.90，则液压泵快退所需要的驱动功率为 6332 . 1 6 1 0 3 6 . 4 8 1 0 1 . 4 5 9 ( )0 . 9 0 6 0 1 0ppp pPqP k W (5-6) 查表可以得知，选用 Y 系列中规格相近的 Y112M-6-B3 型卧式三相异步电动机，其额定功率为 2.2kW ，其转速为 940r/min。用此转速驱动液压泵时，泵的实际输出流量为 33.84L/min，工进是的流量为 4.83L/min，仍能满足系统各工况对流量的要求。 5.2 液压控制阀和液压辅助元件 首先根据液压泵规格及系统工况，算出液压缸在各阶段的实际进出流量，运动速度和持续时间见表 5-1 ，这些计算为其他液压控制阀及辅助的选择及系统的性能计算奠定基础。哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 20 表 5-1 液压缸在各阶段的实际进出流量，运动速度和持续时间 功进阶段 流量 /(L/min) 无杆腔 有杆腔 速度 /(m/s) 时间 /s 快进 1 1 2( q p + q p= Aq A进 ） 7 8 .5 3 3 .8 4= = 6 9 .0 83 8 .4 5 21q =q AA出 进 4 0 .0 56 9 .0 8 7 8 .5 35.244 1 qpv=A 343 3 . 8 4 1 06 0 3 8 . 4 5 1 0 0.14 111t=vL -3300 10=0.14 =2.14 工进 q =0.5进 21q =q AA出 进 40.05= 0.5 78.5 =0.25 2 1qv=A进 340 . 5 1 06 0 7 8 . 5 1 0 31.06 10 222t=vL -3-3100 10= 1.06 10 =94.3 快退 12=q Aq A出 进 7 8 .53 3 .8 4 4 0 .0 5 66.33 q =33.84进 3 2qv=A进 343 3 . 8 4 1 06 0 4 0 . 0 5 1 0 0.14 333t=vL -3400 10=0.14 =2.85 根据系统的工作压力与通过的个液压控制阀几部分辅助原件的最大流量，进过查表以及产品样本选择原件型号规格见表 5-2 油箱容量的计算与选择 油箱的主要作用储存油液，此外还起着散发油液中的热量，逸出混在油液中的气体，沉淀有中的污物等作用。液压系统中 的油箱有总体式和分离式两种。总体式是利用机器设备机身内腔作为油箱，结构紧凑，各处漏油易于回收，但维修不便，散热条件不好。分离式是设置一个单独油箱，与主机分开，减少了油箱的发热和液压源震动对工作精度的影响。因此得到广范的运用，特别在组合机床，自动线和精密机械设备上大多采用分离式油箱。本次设计为组合机床，所以选分离式油箱。 油箱的容量计算，本系统属于中压系统，但考虑到要将泵组和阀组装在邮箱顶盖上，估取经验系数 =10 ，得油箱容量为 q p = 1 0 3 3 . 8 4 = 3 3 8 . 4VL 为了更好地完成任务取值 V=400L哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 21 表 5-2 钻孔组合机床 液压系统中控制阀和部分辅助原件的型号规格 序号 名称 通过流量 (L/min) 额定流量 (L/min) 额定压力 MPa 额定压降 MPa 型号 1 柱塞泵 - 36/6.3 7 - 10YCYY14-1B 2 三位五通电液动换向阀 73.98 100 7 0.3 35DY-100BY 3 行程阀 73.98 100 7 0.3 22C-100BY 4 调速阀 1 6 7 0.3 Q-6B 5 单向阀 83.24 100 7 I-100B 6 单向阀 34.81 63 7 0.2 I-63B 7 顺序阀 33.84 63 7 XY-63B 8 背压阀 1 10 7 B-10B 9 溢流阀 4.83 10 7 Y-10B 10 单向阀 33.84 63 7 0.2 I-63B 11 过滤器 39.17 50 7 XU-50 12 压力表开关 - - - - K-6B 13 单向阀 83.24 100 7 0.2 I-100B 14 压力继电器 - - 7 - DP-63B 15 单向阀 33.84 63 7 0.2 I-63B 16 减压阀 33.84 63 7 J-63B 17 二位四通电磁换向阀 33.84 40 7 0.3 24D-40B 18 单向顺序阀 33.84 63 7 0.2 I-63B 19 压力继电器 - - 7 - DP-63B 20 压力继电器 - - 7 - DP-63B 说明 管件尺寸有选定的标准原件油口尺寸确定。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 22 5.3 密封件的选择 液压系统中密封件的作用是防止工作介质的内外泄漏，以及防止灰尘，金属屑等异物侵入液压系统。能实现上述作用的装置称为密封装置，其中起密封作用的关键元件密封元件，简称密封件。系 统的内外泄漏均会使液压系统容积效率下降，或达不到要求的工作压力，甚至使液压系统不能正常工作。外泄漏还会造成工作介质的浪费，污染环境。异物的侵入会加剧液压元件的磨损，或使液压元件堵塞，卡死甚至损坏，造成系统失灵。一般的液压系统对密封件的主要要求是： (1) 在一定的压力，温度范围内具有良好的密封性能； (2) 有相对运动时，因密封件引起的摩擦应尽量小，摩擦系数应尽量稳定； (3) 耐腐蚀、耐摩性能好，不易老化，工作寿命长，磨损后能在一定程度上自动补偿； (4) 结构简单，装拆方便，成本低廉。 5.4 本章小结 总结本章 液压泵的最高工作压力计算，确定液压泵的规格根据系统的流量，系统的内外泄漏均会使液压系统容积效率下降，或达不到要求的工作压力，甚至使液压系统不能正常工作。哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 23 第 6 章 验算液压系统性能 6.1 验算系统压力损失 按选定的液压元件接口尺寸确定管道直径为 d=18 mm，进油管和回油管长度均取为 l=2m ；取油液运动粘度 -4 2v=1 1 0 m / s ，油液密度 33= 0 . 9 1 7 4 1 0 k g / m 。由表 5-2 查得工作循环中进，回油管道中通过的流量 q=83.24L/min 发生在快退阶段，由此计算的得到液流雷诺系数 Re 小于临界雷诺数 Rec=2300，所以能够推论出，各工况下的进回油路中的液流 均为层流。 -3- 3 - 4v d 4 q 4 8 3 . 2 4 1 0R e = = = = 9 8 1d 6 0 1 8 1 0 1 0 (6-1) 将适用于层流的沿程阻力系数 = 7 5 / R e = 7 5 d v / 4 q ) （和管道中液体流速 24 / ( )v q d 代入沿程压力损失计算公式得 34 84 3 44 7 5 4 7 5 0 . 9 1 7 4 1 0 1 1 0 2 0 . 8 3 5 1 02 2 ( 1 8 1 0 )vlp q q qd (6-2) 在管道具体结构尚未确定的情况下，管道局部压力损失 p 常按以下经验公式计算，即 0.1pp 各工况下的阀类元件的局部压力损失按以下公式计算，即 2( / )v s sp p q q (6-3) 根据以上三个计算式计算出的各工况的进回油 管道的沿程，局部和阀类元件的压力损失见表 6-1 将回油路上的压力损失折算到进油路上，可求得总的压力损失，快进工况下的总压力损失为 5 5 54 0 . 0 53 . 2 4 1 1 0 1 . 1 9 7 1 0 3 . 8 5 1 0 0 . 3 8 57 8 . 5p P a M P a 其余工况以此类推，在计算结果和估取值不同，但不会使系统工作压力超过能达到的最高压力。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 24 表 6-1 各工况下的进回油管道的沿程，局部和阀类元件的压力损失 管道 压力损失 Pa 快进 工况 工进 快退 p 51.105 10 50.00696 10 50.545 10 进油管道 p 50.111 10 50 .0 0 0 6 9 6 1 0 50.0545 10 p 52.101 10 55 10 50.460 10 p 53.241 10 55 10 51.0596 10 p 50.484 10 50.00348 10 51.1584 10 回油管道 p 50.0484 10 50 .0 0 0 3 4 8 1 0 50.11584 10 p 50.665 10 56 10 54.85 10 p 51.197 10 56 10 56.1242 10 6.2 液压泵工作压力的估算 流量泵在工进时的工作压力等于液压缸工作腔压力加上进油路上的压力损失及压力继电器比缸工作腔最高压力所大的压力值，即 6 5 51 3 . 9 6 1 0 5 1 0 + 5 1 0 a = 4 . 9 6 app P M P 此值为调整溢流阀 9 的调压力时的主要参考依据。 在快退时的工作压力最高，其数值为 6 5 5p2 1 . 8 6 1 0 1 . 0 5 9 1 0 = 1 9 . 6 6 1 0 a = 1 . 9 6 6 M P apP 此值为调整顺序阀 7 的调整压力的主要参考值。 6.3 估算系统效率，发热，和温升 由表 5-1 可看到，本液压系统的进给缸在其工作循环持续时间中，快速进退仅占很少一部分时间，而工作进给占有绝大部分时间，所以系统效率，发热和温升可概略用工进时的数值来代表。 (1) 计 算系统效率 根据计算公式可得工进阶段的回路效率 6 - 511- 3 - 366p 1 p 1 p 2 p 2q 3 . 9 6 1 0 0 . 8 3 1 0= = 0 . 0 6 75 . 3 3 1 0 3 3 . 8 4 1 0p q + q p 4 . 9 6 1 0 + 0 . 0 8 7 1 06 0 6 0PC (6-4) 其中，流量泵的工压力就是此泵通过顺序阀 7 卸荷时所产生的压力损失，因此其数值为 : 6 2 6p2p = 0 . 3 1 0 3 3 . 8 4 / 6 3 = 0 . 0 8 7 1 0 aMP （ ） （ ） 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 25 前面已经取得泵的总效率为 0.90 ，现取液压缸 总效率 cm = = 0.95A ，则按照计算式即可算得本液压系统的效率 = 0 . 9 0 0 . 0 6 7 0 . 9 5 = 0 . 0 5 7 足以见到工进时液压系统效率极低，这主要是因为溢流损失和节流损失造成的。 工进工况液压泵输入功率为 - 3 - 366p 1 p 1 p 2 p 2p15 . 3 3 1 0 3 3 . 8 4 1 04 . 9 6 1 0 + 0 . 0 8 7 1 0p q + p q6 0 6 0= = = 5 4 3 . 4p 0 . 9 0P (6-5) (2) 计 算系统发热功率 根据系统的发热功率计算公式可以计算得到工进阶段的发热功率 h p i= 1 ) 5 4 3 . 4 ( 1 0 . 0 5 7 ) 5 1 2 . 4 ( )P P W （ (6-6) (3) 计算 系统散热功率 前面已经初步求得油箱的有效容积为 400L= 30.4m ，按照计算式 0.8V abh 求得油箱各边之积为 3/ 0 . 8 0 . 4 / 0 . 8 0 . 5 ( )a b h V m (6-5) 取油箱三边之比为 : : 1 : 1 : 1a b h ，则计算得到 0 . 7 9 4 ( )a b h m 为了方便取值取整为 0.8m 按照计算式算得油箱散热面积为 1 . 8 ( ) 1 . 5 1 . 8 ( 0 . 8 0 . 8 ) 0 . 8 1 . 5 0 . 8 0 . 8A a b h a b (6-6) 23 .2 6 4 ( )Am 有计算公式知油箱的散热功率为 hoP KA t 取油箱散热系数 01 5 / ( * )K W m C ,油温与环境之差 025tC 。算得 散热功率为 1 5 3 . 2 6 4 2 5 1 2 2 4 5 1 2 . 4hoP K A t W W （ ） 6.4 本章小结 总结本章 根据以上计算式计算出的各工况的进回油 管道的沿程，局部和阀类元件的压力损失。 本液压系统的进给缸在其工作循环持续时间中，快速进退仅占很少一部分时间，而工作进给占有绝大部分时间，所以系统效率，发热和温升可概略用工进时的数值来代表。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计 (论文 ) 26 结 论 本设计为组合机床的液压系统的设计，是以速度为变换而设计的，经过以上的设计基本满足其要求 (1) 能够实现工作部件的自动工作循环，生产率比较高。 (2) 快进与工进的速度和负载相差比较大。 (3) 进给速度比较平稳，刚性 良好，有比较大的调速范围。 (4) 此机床没有最终点的重复位子精度要求，但在设计中也是比较注意，