液压与气压传动课程设计--液压气动系统系统设计与分析.docx

宁波理工学院液压气动系统系统设计与分析 姓 名 朱贤晖 学 号 3100612086 专业班级 机械电子工程102 分 院 机电与能源工程学院 完成日期 2013年12月19日 目录1.设计任务书21.1课程设计题目21.2课程设计的目的和要求22.负载分析23.液压系统设计方案43.1确定液压泵类型43.2选用执行元件43.3快速运动回路和速度换接回路43.4换向回路的选择43.5组成液压系统绘原理图44.液压系统的参数计算64.1液压缸参数计算64.1.1初选液压缸的工作压力64.1.2确定液压缸的主要结构尺寸64.1.3计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率74.2液压泵的参数计算84.3电动机的选择85.液压元件的选择95.1液压阀及过滤器的选择95.2油管的选择105.3油箱容积的确定106.验算液压系统性能116.1压力损失的验算及泵压力的调整116.1.1工进时的压力损失验算和小流量泵压力的调整116.1.2快退时的压力损失验算及大流量泵卸载压力的调整116.2液压系统的发热和温升验算137.阀块的3D结构148.总结及感谢178.1设计小结178.2设计所得及感谢179.参考文献1818 1.设计任务书1.1课程设计题目设计一台上料机的液压传动系统。1）工作台的工作循环过程：“快速上升慢速上升停留快速下降”。2）工作参数：工件的重量为500Kg，滑台的重量为100Kg，快速上升要求=45mm/s,慢速上升要求=8mm/s，快速下降要求=55mm/s,滑台采用V型导轨，导轨面夹角为90，滑台与导轨的最大间隙为2mm，气动加速与减速时间均为0.5s，液压缸的机械效率为0.91（考虑密封阻力）。1.2课程设计的目的和要求通过设计液压传动系统，使学生获得独立设计能力，分析思考能力，全面了解液压系统的组成原理。明确系统设计要求；分析工况确定主要参数；拟订液压系统草图；选择液压元件；验算系统性能。2.负载分析负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力的机械效率中加以考虑。因工作部件的卧式防止，重力的水平分力为零，这样需要考虑的力有：切削力，导轨摩擦力和惯性力。导轨的正压力等于动力部件的重力，社导轨的静摩擦力为，动摩擦力为，,则而惯性力如果忽略切削力英气的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见下表1表1 液压缸各运动阶段负载表运动阶段计算公式总机械负载F/N启动1222加速1528快进611工进10611快退611 根据负载计算结果和已知的各阶段的速度 ，可绘制出负载图（F-l)和速度图（v-l），见图1a、b。横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸活塞退回时的曲线。 a） 负载图 b）速度图 图1 负载速度图3.液压系统设计方案3.1确定液压泵类型 参考同类组合机床，选用双作用叶片泵双泵供油、调速阀进油节流调速的开式回路，溢流阀作定压阀。为防止钻孔钻通时滑台突然失去负载向前冲，回油路上设置背压阀，初定背压值3.2选用执行元件因系统动作循环要求正向快进和工作，反向快退，且快进、快退速度相等，因此选用单活塞杆液压缸，快进时差动连接，无杆腔面积等于有杆腔面积的两倍。3.3快速运动回路和速度换接回路根据本例的运动方式和要求，采用差动连接和双泵供油两种快速运动回路来事先快速运动。即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。本例采用二位二通电磁阀的速度换接回路，控制由快进转为工进。与采用行程阀相比，电磁阀可直接安装在液压站上，由工作台的行程开关控制，管路较简单，行程大小也容易调整，另外采用液控顺序阀与单向阀来切断差动油路。因此速度换接回路为行程与压力联合控制形成。3.4换向回路的选择本系统对换向的平稳性没有严格的要求，所以选用电磁换向阀的换向回路。为便于实现差动连接，选用三位五通换向阀。为提高换向的位置精度，采用死挡铁和压力继电器的行程终点返程控制。3.5组成液压系统绘原理图将上述所旋动的液压回路进行组合，并根据要求做必要的修改补充，即组成如下图2所示的液压系统图。为便于观察调整压力，在液压泵的进口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设置测压点，并设置多点压力表考官。这样只需一个压力表即能观测个点压力。液压系统中各电磁铁的动作顺序如下表2所示。表2 电磁铁动作顺序表1Y2Y3Y快进+-工进+-+快退-+-停止- 图2液压系统原理图4.液压系统的参数计算4.1液压缸参数计算4.1.1初选液压缸的工作压力初定液压缸的工作压力为。4.1.2确定液压缸的主要结构尺寸本例要求动力滑台的快进、快退速度相等，现采用活塞杆固定的单杆式液压缸。快进时采用差动连接，并取无杆腔有效面积等于有杆腔面积的两倍，即。为了防止在钻孔钻通时滑台突然前冲，在回油路中转悠背压阀，按表8-2，初选背压。由表1可知最大负载为工进阶段的负载，按此计算则液压缸直径由可知活塞杆直径按GB/T2348-1993将所计算的D与d值分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得按标准直径算出按最低工进速度验算液压缸尺寸，查产品样本，调速阀最小稳定流量，因工进速度，则由式（8-11）本例，满足最低速度的要求。4.1.3计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积，可以算出液压缸工作过程各阶段的压力、流量和功率，在计算工进时背压按代入，快退时背压按代入计算公式和计算结果列入表3中。表3 液压缸所需的实际流量、压力和功率工作循环计算公式负载F进油压力回油压力所需流量输入功率PNPaPaL/minkW差动快进6117.1550.136工进106110.320.021快退61112.90.281注：1.差动连接时，液压缸的回油口到进油口之间的压力损失,而。 2.快退时，液压缸有杆腔进油，压力为，无杆腔回油，压力为。4.2液压泵的参数计算 由表3可知工进阶段液压缸工作压力最大，若取进油路总压力损失，压力继电器可靠动作压力差为，则液压泵工作最高压力可按式（8-5）算出 因此泵的额定压力可取由表8-5可知，工进时所需流量最小是，设溢流阀最小溢流量为2.5L/min,则小流量泵的流量按式应为快进快退时液压缸所需的最大流量是6.885L/min,则泵的总流量为即大流量泵的流量根据上面计算的压力和流量，查产品样本，选用YB-4/12型的双联叶片泵，该泵额定压力6.3MPa,额定转速960r/min。4.3电动机的选择系统为双泵供油系统其中小泵1的流量大泵流量。差动快进快退时两个泵同时向系统供油；工进时，小泵向系统供油，大泵卸载。下面分别计算三个阶段所需要的电动机功率p。1.差动快进差动快进时，大泵2的出口压力由经单向阀11后与小泵1汇合，然后经单向阀2，三位五通阀3，二位二通阀4进入液压缸大腔，大腔的压力，查样本可知，小泵的出口压力损失大泵出口到小泵出口的压力损失。于是计算可得小泵的出口压力（总效率），大泵出口压力（总效率）。电动机功率2.工进考虑到调速阀所需最小压力差。压力续电器可靠动作需要压力差。因此工进时小泵的出口压力。而大泵的卸载压力取。（小泵的总效率，大泵的总效率）。电动机功率3.快退类似差动快进分析知：小泵的出口压力（总效率）；大泵出口压力（总效率）。电动机功率综合比较，快退时所需功率最大。据此查样本选用Y90L-6异步电动机，电动机功率1.1KW。额定转速910r/min。5.液压元件的选择5.1液压阀及过滤器的选择根据液压阀在系统工作中的最高中作压力与通过该阀的最大流量，可选出这些元件的型号及规格。本例中所有阀的额定压力都为，额定流量根据各阀通过的流量，确定为10L/min, 25L/min和63L/min三种规格，所有元件的规格型号列于表8-6中。过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器。表中序号与系统原理图中的序号一致。表4 液压元件明细表序号元件名称最大通过流量/型号1双联叶片泵16YB-4/122单向阀16I-25B3三位五通电磁阀324二位二通电磁阀325调速阀0.32Q-10B6压力继电器7单向阀16I-25B8液控顺序阀0.16XY-25B9背压阀0.16B-10B10液控顺序阀（卸载用）12XY-25B11单向阀12I-25B12溢流阀4Y-10B13过滤器32XU-B32x10014压力表开关K-6B5.2油管的选择根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸。液压缸的进出油管按输入、排出的最大流量来计算。由于本系统液压缸差动连接快进快退时，油管内通油量最大，其实际流量为泵的额定流量的两倍达32L/min，则液压缸进、出油管直径d按产品样本，选用内径为15mm，外径为19mm的10号冷拔钢管。5.3油箱容积的确定中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的57倍，本题取7倍，故油箱容积为V=(7x16)L=112L6.验算液压系统性能6.1压力损失的验算及泵压力的调整6.1.1工进时的压力损失验算和小流量泵压力的调整工进时管路中的流量仅为0.187L/min,因此流速很小，所以沿程压力损失和局部压力损失都非常小，可以忽略不计。这时进油路上仅考虑调速阀的压力损失，回油路上只有背压阀的压力损失，小流量泵的调整压力因等于工进时液压缸的工作压力加上进油路压差，并考虑压力继电器动作需要，则即小流量泵的溢流阀12应按此压力调整。6.1.2快退时的压力损失验算及大流量泵卸载压力的调整 因快退时，液压缸无杆腔的回油量是进油量的两倍，其压力损失比快进时要大，因此必须计算快退时的进油路与回油路的压力损失，以便确定大流量泵的卸载压力。已知：快退时进油管和回油管长度均为l=1.8m,油管直径，通过的流量为进油路，回油路。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度为,由手册查出此时油的运动粘度，油的密度，液压系统元件采用集成块式的配置形式。（1） 确定油流的流动状态 按式（1-30）经单位换算为式中 v-平均流速（m/s）; d-油管内径（m）; -油的运动粘度（）； q-通过的流量（）。则进油路中液流的雷诺数为回油路中液流的雷诺数为 由上可知，进回油路中的流动都是层流。（2）沿程压力损失 由式（1-37） 可算出进油路和回油路的压力损失。在进油路上，流速则压力损失为在回油路上，流速为进油路流速的两倍即v=3.02m/s，则压力损失为（2） 局部压力损失 由于采用集成块式的液压装置，所以只考虑阀类元件和集成块内油路的压力损失。通过各阀的局部压力损失按式（1-39）计算，结果列于表5中。表5 阀类元件局部压力损失元件名称额定流量实际通过的流量额定压力损失实际压力损失单向阀2251620.82三位五通电磁阀36316/3240.26/1.03二位二通电磁阀4633241.03单向阀11251220.46注：快退时经过三位五通阀的两油道流量不同，压力损失也不同。若取集成块进油路的压力损失,回油路压力损失为，则进油路和回油路总的压力损失为查表3可算出快退时泵的工作压力为 按式（8-5）可算出快退时泵的工作压力为因此，大流量泵卸载阀10德尔调整压力应大于。 从以上验算结果可以看出，各种工况下的实际压力损失都小于初选的压力损失值，而且比较接近，说明液压系统的油路结构、元件的参数是合理的，满足要求。6.2液压系统的发热和温升验算在整个工作循环中，工进阶段所占用的时间最长，所以系统的发热主要是工进阶段造成的，故按工进工况验算系统温升。工进时液压泵的输入功率如前面计算工进时液压缸的输出功率系统总的发热功率为：已知油箱容积，则按式（8-12）油箱近似散热面积A为假定通风良好，取油箱散热系数，则利用式（8-11）可得油液温升为 设环境温度，则热平衡温度为所以温升超出允许范围，油箱散热不能达到要求，液压系统中需要设置冷却器。7.阀块的3D结构7.1调速阀图7.1 调速阀7.2减压阀图7-2 减压阀7.3 换向阀图7-3换向阀7.4单向阀图7-4 单向阀7.5阀块图 7.5 阀块7.6液压阀块组装图图7-5 液压阀块组装图7.7阀块cad图8.总结及感谢8.1设计小结经过这次的液压课程设计，我学到了很多，让我知道设计一个液压设备的基本过程和一些基础知识，也使得我们在上学期所学的液压及气压传动的知识和基本的原理进一步的得到了巩固和加强，使得我们明白了液压设备里面的各个孤立的液压元件之间是通过怎么样的相互联系而连接起来的。总之这次课程设计的收获是很大的。8.2设计所得及感谢本次课程是一次对我搜索信息和整理信息的锻炼，让我有一次运用solidwork，cad绘图软件的机会。本人从中学到了液压，机械设计的相关知识，对液压阀块有了更进一步的了解，使自己的大学课程更加的充实，这种独立完成一次课题的训练将对我以后在工作岗位上有着很大的帮助。在此，我衷心的感谢我的指导老师黄方平老师，在我设计中碰到困难时及时对我的帮助和鼓励。