《液压系统设计》课程设计.doc

液压系统设计课程设计说明书课题名称 ：钻镗专用机床液压系统设计 院系单位 ： 职业技术教育学院 指导老师 ： 冯志君 时 间 ： 2015年12月17号 目 录一 液压课程设计任务书1二 液压系统的设计与计算21对工作液压缸进行工况分析22对夹紧液压缸进行工况分析3 3绘制工作液压缸、夹紧液压缸的负载图和速度图4三 拟订液压系统原理图51调速回路的选择52快速回路的选择53速度换接回路的选择54换向回路的选择55油源方式的选择56夹紧回路的选择57动作转换的控制方式选择58液压基本回路的组成5四 确定执行元件主要参数7 1确定液压缸的内径D和活塞杆直径d72. 确定夹紧缸的内径D和活塞杆直径d73. 计算工作液压缸各运动阶段的压力，流量和功率84. 计算夹紧液压缸各运动阶段的压力，流量和功率85.绘制工作液压缸、夹紧液压缸的液压工况图9五 确定液压泵的规格和电动机功率及型号101计算液压泵的压力102计算液压泵的流量103选用液压泵规格和型号104确定电动机功率及型号105.液压元件及辅助元件的选择106油箱容量的确定117.液压元件的选择以及报价11六 验算液压系统性能131回路压力损失验算132液压回路的效率153液压系统的温升验算15七 课程设计小结16八 参考文献17液压课程设计任务书（一）设计题目设计题目题目:钻镗专用机床液压系统设计 设计钻镗专用机床液压系统,其工作循环:定位-夹紧-快进-工进-死挡铁停留-工作台快退-停止-拔销松开等自动循环,采用平导轨。设计参数见表1，其中：工作台液压缸负载力(KN):FL 夹紧液压缸负移动件重力（KN）：GC工作台液压缸移动件重力（KN):G 夹紧液压缸负载力（KN）：FC工作台快进、快退速度(m/min)：V1=V3工作台工进速度(mm/min):V2 夹紧液压缸行程（mm）:LC工作台液压缸快进行程（mm）：L1 夹紧液压缸运动时间（s）：tc工作台液压缸工进行程（mm）：L2 工作台启动时间（s）：t=0.5导轨面静摩擦系数：s=0.2 导轨面动摩擦系数d=0.1表1 设计参数FL FCG GCV1V2 L1 L2 LCtc6.84.81.865.032400100221（二）设 计 内 容 (1)明确设计要求进行工况分析； (2)确定液压系统主要参数； (3)拟定液压系统原理图； (4)计算和选择液压件； (5)验算液压系统性能； (6)结构设计及绘制零部件工作图； (7)编写技术文件。 二 液压系统的设计与计算1对工作液压缸进行工况分析 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FQFQ=6.8KN（2），摩擦阻力FJ，FDFJ=FFUS=18000.2=160NFD=FFUd=18000.1=180N 式中:FF运动部件作用在导轨上的法向力US静摩擦系数Ud动摩擦系数（3）惯性阻力FG=Gv/（gt）=18005/（9.80.560）=30.6N式中: g重力加速度 G运动部件重力 v在t时间内变化值 t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FM一般按经验取FM=0.1F总 (F为总负载）。本例中按F除以0.9计算。（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，可以计算出工作液压缸各动作中的负载见表2：工况计算公式液压缸的负载N启动FQ=FJFMFQ=360/0.9=400加速FJ=FDFGFMFJ=（180+30.6）/0.9=234快进FK=FDFMFK=180/0.9=200工进FG=FQFDFMFG=(6800+180)/0.9=7755.56快退FK=FDFMFK=180/0.9=200 （7）负载图与速度图快进 工进 快退 2对夹紧液压缸进行工况分析 同理，夹紧缸负载主要包括：夹紧力，惯性阻力，摩擦力等 （1）夹紧力FQFQ=4.8KN（2），摩擦阻力FJ，FDFJ=FFUS=60000.2=1200N FD=FFUd=60000.1=600N 式中:FF运动部件作用在导轨上的法向力US静摩擦系数Ud动摩擦系数（3）惯性阻力FG=Gv/（gt）=60002210-3/（9.81）=13.47N式中: g重力加速度 G运动部件重力 v在t时间内变化值 t启动加速度或减速制动时间（4）密封阻力FM一般按经验取FM=0.1F总 (F为总负载）。本例中按F除以0.9计算。（5）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，可以计算出夹紧液压缸各动作中的负载见表3：工况计算公式液压缸的负载N启动FQ=FJFMFQ=1200/0.9=1333加速FJ=FDFGFMFJ=（600+13.47）/0.9=682快进FK=FDFMFK=600/0.9=667夹紧FG=FQFJFMFG=（4800+1200）/0.9=6667快退FK=FDFMFK=600/0.9=6673绘制工作液压缸、夹紧液压缸的负载图和速度图根据以上表2，3数值，绘制出工作液压缸、夹紧液压缸的负载图和转速图，这样便于计算分析液压系统。负载图及转速图如图1、2： 图1 液压缸负载图 图2 液压缸转速图三 拟订液压系统原理图1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。2快速回路的选择根据设计要求v快进=5m/min,v快退=5m/min,而尽量采用较小规格的液压泵，可以选择差动连接回路。3速度换接回路的选择根据设计要求，速度换接要平稳可靠，另外是专业设备，所以可采用行程阀的速度换接回路。若采用电磁阀的速度换接回路，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。4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，选择三位五通电磁换向阀。5油源方式的选择由设计要求可知，工进时负载大速度较低，而快进、快退时负载较小，速度较高。为节约能源减少发热。油源宜采用双泵供油或定量泵供油。选用双泵供油方式，在快进、快退时，双泵同时向系统供油，当转为共进时，大流量泵通过顺序阀卸荷，小流量泵单独向系统供油，小泵的供油压力由溢流阀来调定。若采用限压定量泵叶片泵油源，此油源无溢流损失，一般可不装溢流阀，但有时为了保证液压安全，仍可在泵的出口处并联一个溢流阀起安全作用。6夹紧回路的选择按夹紧的要求，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。8液压基本回路的组成将已选择的液压回路，组成符合设计要求的液压系统并绘制液压系统原理图。此原理图除应用了回路原有的元件外，又增加了液压顺序阀5和单向阀等，其目的是防止回路间干扰及连锁反应。从原理图中进行简要分析：1) 快进时，阀2左位工作，由于系统压力低，液控顺序阀5关闭，液压缸有杆腔的回油只能经换向阀2、单向阀4和泵流量合流经单向行程调速阀3中的行程阀进入无杆腔而实现差动快进，显然不增加阀5，那么液压缸回油通过阀6回油箱而不能实现差动。2) 工进时，系统压力升高，液控顺序阀5被打开，回油腔油液经液控顺序阀5和背压阀6流回油箱，此时，单向阀4关闭，将进、回油路隔开，使液压缸实现工进。3) 系统组合后，应合理安排几个测压点，这些测压点通过压力表开关与压力表相接，可分别观察各点的压力，用于检查和调试液压系统。液压系统原理图如图3： 图3 液压系统原理图四 确定执行元件主要参数1确定液工作压缸的内径D和活塞杆直径d工作压力可根据负载大小及设备类型来初步确定，现参阅表2.1、表2.2，根据F工=7755.56N,选P工=2MPa按P2=0，油缸的机械效率=1，将数据代入下式：D=（4F工/P工）1/2 = （47755.56/(2106）1/2 =0.070m根据液压缸尺寸系列表25，将直径圆整成标准直径D=80mm根据液压缸快进快退速度相等，取d/D=0.7，则活塞杆直径d=0.780mm=56mm。按活塞杆系列表26，取d=56mm。根据已取缸径和活塞杆内径，计算出液压缸实际有效工作面积，无杆腔面积A1和有杆腔面积A2分别为A1=D2/4=3.140.082/4=50.2410-4 A2= （D2-d2）/4=3.14（0.082-0.0562）/4=25.610-4 则液压缸的实际计算工作压力为：P=4F/ D=47755.56/（0.082）=1.54MPa 则实际选取的工作压力P=2MP 满足要求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。一般节流阀的最小稳定流量为50ml/min,该系统最低工作速度大于3.2cm/min,故而Q/v=（50ml/min/3.2cm/min）10-4=15.610-4由于AQ/v,所以能满足最小稳定速度的要求。2.确定夹紧液压缸的内径D和活塞杆直径d根据夹紧液压缸的夹紧力=4800N，选夹紧缸工作压力=1MPa可以认为回油压力为零，夹紧缸的机械效率=0.95，按式21可得：D=（4FJ/PJ）1/2 = （44800/(1060.95）1/2 =0.08m根据表25取D=80mm根据活塞杆工作受压，活塞杆直径适当取大时，活塞杆直径d为：d=0.5D=0.580=40mm根据表2.6取d=40mm根据已取缸径和活塞杆内径，计算出液压缸实际有效工作面积，无杆腔面积A1和有杆腔面积A2分别为 A1=D2/4=3.140.082/4=50.2410-4 A2= （D2-d2）/4=3.14（0.082-0.042）/4=37.6810-4 则液压缸的实际计算工作压力为：P=4F/ D2=44800/（0.082）=0.96MPa 则实际选取的工作压力P=1MP 满足要求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。一般节流阀的最小稳定流量为50ml/min,该系统最低工作速度大于2.2cm/min,故而Q/v=（50ml/min/2.2cm/min）10-4=22.710-4由于AQ/v,所以能满足最小稳定速度的要求。3. 计算工作液压缸各运动阶段的压力，流量和功率根据上述所确定的工作液压缸的内径D=80mm和活塞杆直径d=56mm，无杆腔面积A1=50.2410-4 和有杆腔面积A2=25.610-4, 以及差动快进时的压力损失时P=0.5MPa，工进时的背压力P=0.8MPa，快进快退时是P=0.5MPa，则可以计算出液压缸各工作阶段的压力，流量和功率。如下表4：工况负载F（N）回油腔压力P2 (MPa)进油腔压力P1 (MPa)输入流量Q10-4 (m3/s)输出流量N(Kw)计算公式快进启动4000.68P1=(FA2P)/（A1-A2）Q=（A1-A2）v快N=p1Q快进加速2341.1140.614变化值变化值快进恒速2001.100.602.050.123工 进7755.560.81.950.02680.005p1=(FA2P2)/ A1；Q=A1vI；N=p1Q快退启动4000.156p1=（FA1P2）/ A2Q=A2v快N=P1Q快退加速2340.51.073变化值变化值快退恒速2000.51.0592.130.2264. 计算夹紧液压缸各运动阶段的压力，流量和功率 根据上述所确定的夹紧液压缸的内径D=80mm和活塞杆直径d=40mm，无杆腔面积A1=50.2410-4 和有杆腔面积A2=37.6810-4 ,以及快进时的压力损失时P=0.5MPa，夹紧时的背压力P=0.8MPa，快进快退时是P=0.5MPa，则可以计算出液压缸各工作阶段的压力，流量和功率。如下表5：工况负载F（N）回油腔压力P2 (MPa)进油腔压力P1 (MPa)输入流量Q10-4 (m3/s)输出流量N(Kw)计算公式快进启动13332.56P1=(FA2P)/（A1-A2）Q=（A1-A2）v夹紧N=p1Q快进加速6822.092.04变化值变化值快进恒速6672.082.030.280.057夹紧 66670.81.931.1050.21p1=(FA2P2)/ A1；Q=A1vI；N=p1Q快退启动13330.0035p1=（FA1P2）/ A2Q=A2v夹紧、N=P1Q快退加速6820.50.0085变化值变化值快退恒速6670.50.00840.830.0075、绘制工作液压缸、夹紧液压缸的液压工况图根据表4、5可以用坐标法绘制出“液压工况图”，此图可以直观看出工作液压缸、夹紧液压缸各运动阶段的主要参数变化情况。液压工况图如图4、5： 图4 工作液压缸的液压工况图 图5 夹紧液压缸的液压工况图五 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：PB=P1+P式中：PB-液压泵最大工作压力 P1-液压缸最大有效工作压力（根据以上计算比较可知，液压缸最大有效工作压力P1 =1.54MPa） P -管路系统的压力损失，由于进口节流，出口加背压阀的调速方式,复杂系统取0.51.5 MPa，取P=1MPa。PB= P1+P= 1.54MPa+1MPa=2.54MPa。上述计算所得的PB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=1.251.6P泵。本系统为中低压系统应取小值，故取P额=1.25 PB=3.18MPa2计算液压泵的流量液压泵的最大流量q泵应为QBK(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=1.11.3，现取K=1.2。QB=K(q)max=1.22.13=2.610-4 m3/s 3选用液压泵规格和型号根据P额=3.18MPa、QB=2.610-4 m3/s值查阅有关手册，选用YB1-16型单级叶片泵。该泵的基本参数为：排量16mL/r ,额定压力P额=6.3MPa,电动机转速960r/min,驱动功率2.2KW，容积效率c=0.9,总效率=0.8。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=0.7，则电机功率ND为： ND= PBQB/=3.181062.610-4/0.8=1.03 KW查阅电动机样本，选用Y132S-6电动机，其额定功率为3KW，额定转速为960r/min。5.液压元件及辅助元件的选择（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）油管的计算和选择油管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=30 L/min，压油管的允许流速取v=4 m/s则压油管内径d为：d=(4q/v) 1/2 =43010-3/（3.14460) 1/2 102=1.2cm可选内径为d=11mm的油管。流量Q=12 l/min，吸油管的允许流速取v=1.5m/s则吸油管内径d为：d=(4q/v) 1/2 =41210-3/（3.141.560） 1/2 102=1.3cm可选内径为d=12mm的油管。关于定位夹紧油路的管径，可按元件接口尺寸选择。6油箱容量的确定该方案为低压系统（P2.5MPa)，液压油箱的有效容量按泵的流量57倍来确定，油箱的容量V为:V=(24) QB=(24) 15.6=31.264.2 L按GB2876-81规定，且考虑散热因素，取靠近的标准值V=160 L。 七.液压阀的选择以及报价根据液压阀在系统中的最高工作压力和通过该阀的最大流量，可选出阀的型号和规格。所有阀的额定压力都为6.3MPa，具体型号及规格如下图所示。液压元件规格、型号以及报价如表6序号元件名称通过的最大实际流量q/L/min规格报价（元）备注型号额定/最大流量额定压力1定量叶片泵YB1-16166.3125无锡温纳自动化科技有限公司2三位五通电磁换向阀7035DF3-E10B806.355宁波开灵气动元件制造有限公司3电磁调速阀1UCF1G-03-8*10401660宁波开灵气动元件制造有限公司4单向阀40YAF3-Ea10B801615成都志诚信机电工程有限公司5顺序阀63F3-C10B636.345成都志诚信机电工程有限公司6背压阀1B-10B106.340成都志诚信机电工程有限公司7减压阀24JF3-C10B636.340成都志诚信机电工程有限公司8单向阀40AF3-Ea10B801615成都志诚信机电工程有限公司9二位四通电磁换向阀2424DF3B-E10B606.360宁波开灵气动元件制造有限公司10工作液压缸400无锡上研液压有限公司11调速阀1ALF3-E10B1001630成都志诚信机电工程有限公司12压力继电器-DP1-63B-901.1.1.1 上海群赫液压设备有限公司 13压力表开关-K-6B-15温州市淳浩液压有限公司14滤油器36.6XU-80200-J806.360无锡温纳自动化科技有限公司15电动机Y132S-6100上海谷稳电子科技有了限公司16夹紧液压缸310无锡上研液压有限公司17挡铁10宁波开灵气动元件制造有限公司18油箱160L150上海中龙机电设备有限公司19油管30景县杜桥兴源橡塑制品厂总报价:1650元 六 验算液压系统性能1回路压力损失验算主要验算工作液压缸在各运动阶段中的压力损失，由于夹紧液压缸系统简单可省略。若验算后与原估算值相差较大，就要进行修改。压力算出后，可以确定液压泵各运动阶段的输出压力机某些元件调整压力的参考值。 具体计算可将液压系统按工作阶段进行，例如快进，工进，快退等，按这些阶段，将管路划分成各条油流进液压缸，而后液压油从液压缸流回油箱的路线的管路，则每条管路的压力损失可由下式计算：式中： 某工作阶段总的压力损失；液压油沿等径直管进入液压缸沿程压力损失值之和； 液压油沿等径直管从液压缸流回油箱的沿程压力损失值之和； 液压油进入液压缸所经过液压阀以外的各局部的压力损失值之总和，例如液压油流进弯头，变径等； 液压油从液压缸流回油箱所经过的除液压阀之外的各个局部压力损失之总和； 液压油进入液压缸时所经过各阀类元件的局部压力损失总和； 液压油从液压缸流回油箱所经过各阀类元件局部压力损失总和； 液压油进入液压缸时液压缸的面积； 液压油流回油箱时液压缸的面积。 和的计算方法是先用雷诺数判别流态，然后用相应的压力损失公式来计算，计算时必须事先知道管长L及管内径d，由于管长要在液压配管设计好后才能确定。所以下面只能假设一个数值进行计算。 和是指管路弯管、变径接头等，局部压力损失可按下式：式中局部阻力系数（可由有关液压传动设计手册查得）； 液压油的密度 液压油的平均速度此项计算也要在配管装置设计好后才能进行。 及是各阀的局部压力损失，可按下列公式：式中液压阀产品样本上列出的额定流量时局部压力损失； q 通过液压阀的实际流量； 通过液压阀的额定流量。另外若用差动连接快进时，管路总的压力损失应按下式计算：式中AB段总的压力损失，它包括沿程、局部及控制阀的压力损失； BC段总的压力损失，它包括沿程、局部及控制阀的压力损失； BD段总的压力损失，它包括沿程、局部及控制阀的压力损失； 大腔液压缸面积； 小腔液压缸面积。现已知该液压系统的进、回油管长度均为1m，吸油管内径为，压油管内径为，局部压力损失按进行估算，选用L-HL32液压油，其油温为时的运动粘度，油的密度。按上述计算方法，得出各工作阶段压力损失数值经计算后见表7。快进时(MPa)工进时(MPa)快退时(MPa)沿程损失0.65忽略不计0.76阀件局部损失三位五通电磁阀0.08忽略不计0.25单向行程调速阀（行程阀）0.56单向行程调速阀（调速阀）0.5单向行程调速阀（单向阀）0.44单向阀0.74背压阀0.41总损失2.030911.45随后计算出液压泵各运动阶段的输出压力，计算公式及计算数值见表8所示。计算公式液压泵输出压力（Pa）快进时P快进=400/(0.005024-0.00256)+2.03106 =2.19106工进时 P工进=7755.56/0.005024+0.91106 =2.45106快退时 P快退=200/0.00256+1.45106 =1.53106液压泵在各阶段的输出压力，是限压变量叶片泵和顺序阀调压时的参考数据，在调压时应当符合下面要求：其中限定压力 快进时泵的压力 顺序阀调定压力 工进时泵的压力从上述验算表明，无须修改原设计。2. 液压回路的效率在各工作阶段中，工进所占的时间较长。所以液压回路的效率按工进时为计算。 回=p缸q缸/p泵q泵 =1.541060.026810-4/(2.451060.026810-4) = 0.633液压系统的温升验算 在整个循环中，由于工作液压缸在工进阶段所占时间最长，所以考虑工进时的温升。另外，变量叶片泵随着压力的增加，泄漏也增加，功率损失出增加，效率也很低。此时泵的效率 。 p泵=2.45106Pa， q泵I=1.6110-4m3/min 则有： N泵入= N泵出/回= p泵q泵I/回 =2.45 1061.6110-4/(0.03160) =212W=0.212KWH发热= N泵入（1-系统）= N泵入（1-泵回缸）=0.212(1-0.0310.630.