专用平面磨床工作台往复运动的液压系统设计毕业设计任务书

广西科技大学  课程设计 (说明书 )     液压课程设计       学生姓名  。  学院名称  。      班级  。  指导教师  。    2013 年  01 月  18 日               摘要  主要阐述了平面磨床工作台液压系统，液压技术是机械设备中发展最快的技术之一。随着科技步伐的加快，液压技术在各个领域中得到广泛应用。液压技术己成为主机设备中最关键的部分之一。  本平面磨床工作台液压系统设计，出了满足在性能方面规定要求外，还必须符合体积小，重量轻，工作可靠，使用和维修方便等一些公认的普通设计原则。液压系统的设计主要是根据已知条件，来确定液压工作方案、液压流量、压力和液压泵以及其他元件的设计。  完成整个设计过程需要进行一系列工作。设计者首先应以树立正确的设计思路，努力掌握先进的科学技术知识和科学辩证的思想方法。同时，还要坚持理论联系实际，并在实践中不断总结和积累设计经验，向有关领域的科技工作者和从事生产实践的工作者学习，不断发展和创新，才能建好地完成机械设计任务。  关 键词 ：  磨床  液压缸  液压泵             目        录  摘要 .  目        录 . 2 1 课题题目 . 3 1.1 课程设计课题内容 . 3 1.1.1 设计的目的 . 3 1.2设计内容及步骤  . 3 1.2.1 设计的内容及步骤 . 4 2. 正文 . 5 2.1 设计要求及设计参数  . 5 2.1.1设计要求 . 5 2.1.2设计参数 . 5 2.2负载与运动分析  . 5 2.2.1负载分析 . 6 2.2.2运动分析 . 6 2.2.3负载图与运动图的绘制 . 6 2.3确定液压系统主要参数  . 9 2.3.1液压缸的选定 . 9 2.3.2液压缸各阶段的压力，流量和功率 . 11 2.3.3液压缸的工况图 . 13 3 选型及计算书 . 14 3.1 拟定液压系统原理图 . 14 3.2液压元件的选择  . 15 3.2.1确定液压泵的规格和电动机的功率 . 15 3.2.2选择阀类元件及辅助元件 . 17 3.3液压确定系统性能的验算  . 17 总结 . 18 参考文献 . 18   1 课题题目  1.1课程设计课题内容  1.1.1设计的目的   专用平面磨床液压系统的设计是为了使得工作台的往复运动采用液压运动，平面磨床为精加工磨床，磨削力及变化量不大，工作台往复运动速度高，调速范围广，要求换向灵敏迅速，冲击小，所以采用液压传动能够达到这些效果，液压传动主要是为了操纵平面磨床的往复运动，所以是液压系统的主体回路，其中主要有工作台油路的控制，和工作台速度的控制，工作台制动，换向和停留以及工作台手动与自动控制互锁。专用平面磨床工作台液压系统设计能够提高运动的效率和精确度，并且能够对调速，运动平稳性，换向精度，换向频率都有较好的控制，所以对液压系统也有较高 的要求。  小型 平面磨床 工作台的液压传动系统，其采用液压系统和双出杆液压缸组成了液压传动系统，取代原机床手动传动系统。工作台的来回纵向运动由安装在拖板上的液压缸的液压杆来回运动而牵引着工作台来回运动。其运动行程和方向转换则由安装在工作台上的行程挡块和安装在拖板上的磨床专用液压阀所决定。本发明解决了手动平面磨床以纯人工手动操作的这一系列的动作，大大提高生产效率，降低劳动强度，而且重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快  1.1.2 设计的要求  1.设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、先进性及操作维修方便。 如果可以用简单的回路实现系统的要求，就不必过分强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单独考虑简单、经济；  2.独立完成设计。设计时可以收集、参考同类机械的资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。不能抄袭；  3.在课程设计的过程中，要随时复习液压元件的工作原理、基本回路及典型系统的组成，积极思考。不能直接向老师索取答案。  4.液压传动课程设计的题目均为中等复杂程度液压设备的液压传动装置设计。  1.2设计内容及步骤     1.2.1 设计的内容及步骤  （一） 设计内容  1. 液压系统的工况分析，绘制负载和速度循环图；  2. 进行方案设计和拟定液压系统原理图；  3. 计算和选择液压元件；  4. 验算液压系统性能；  5. 绘制正式工作图，编制设计计算说明书。  （二） 设计步骤  以一般常规设计为例，课程设计可分为以下几个阶段进行。  1.明确设计要求  阅读和研究设计任务书，明确设计任务与要求；分析设计题目，了解原始数据和工作条件。  参阅与本课题相关 内容，明确并拟订设计过程和进度计划。  2.进行工况分析  做速度 -位移曲线，以便找出最大速度点；  做负载 -位移曲线，以便找出最大负载点。  确定液压缸尺寸  确定液压缸尺寸前应参照教材选择液压缸的类型，根据设备的速度要求确定d/D的比值、选取液压缸的工作压力，然后计算活塞的有效面积，经计算确定的液压缸和活塞杆直径必须按照直径标准系列进行圆整。计算时应注意考虑液压缸的背压力，背压力可参考下表选取。  系      统      类      型  背    压    力（ MPa）  回路上有节流阀的调速系统  0.2 0.5 回路上有背压阀或调速阀的进给系统  0.5 1.5 采用辅助泵补油的闭式回路（拉床、龙门刨等）  1 1.5 绘制液压缸工况图  液压缸工况图包括压力循环图（ p-s）、流量循环图（ q-s）和功率循环图（ P-s），绘制目的是为了方便地找出最大压力点、最大流量点和最大功 率点。  3.进行方案设计和拟定液压系统原理图  方案设计包括供油方式、调速回路、速度转 接控制方式、系统安全可靠性（平衡、锁紧）及节约能量等性能的方案比较，根据工况分析选择出合理的基本回路，并将这些回路组合成液压系统，初步拟定液压系统原理图。  选择液压基本回路，最主要的就是确定调速回路。应考虑回路的调速范围、低速稳定性、效率等问题，同时尽量做到结构简单、成本低。   2 正文  2.1设计要求及设计参数  2.1.1设计要求  设计专用磨床工作台往复运动的液压系统  2.1.2设计参数  工作台速度最大 12m/min,最小为 0.5m/min,最大切削力为 800N,工作台及工件重量 G=20000N,启动时间 t=0.1s,液压缸总回程为 700毫米，导轨面的摩擦系数 f=0.2，节流阀装载在液压缸的回油路上，回油背压 0.3Mpa。  1.  2.2负载与运动分析  2. 运动分析：  根据已知条件，运动部件的工作循环为快进 -工进 -快退 -停止。工作循环图如下所示：                        图 1  工作循环图     2.2.1负载分析， (假设工作台动摩擦系数 f=0.2)   工作载荷 Ft=800N,   工作台最大速度 V=12m/min=0.2m/s   工作台最小速度 V=0.5m/min=0.00833m/s   惯性负载： F1=ma=(20000/10) (0.2/0.1)=4000N             F2=ma=(20000/10) (0.00833/0.1)=166N   阻力负载： Fs=0.2 20000=4000N Fd=0.2 20000=4000N   假设液压缸的机械效率 91.0cm， 得出液压缸在各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   工况  负载组成  液压缸负载 F/N 液压缸推力NFF cm0  启动 F=Fs 4000 4396 加速  F=Fd+F1 8000 8791 快进  F=Fd 4000 4396 工进  F=Fd+Ft 4800 5275 快退 F=Fd 4000 4396 2.2.2负载图和速度图的绘制     速度循环图 V-1 2.3液压缸的主要参数的确定  由教材表 9-2可知初定 Pb=2pa 2.3.1液压缸的选定  (1) 确定液压缸的几何尺寸  鉴于动力滑台要求快进 、快退速度相等，这里的液压缸可以选用单杆式的，并在快进是做差动连接。这种情况下液压缸无杆腔 A1 应为有杆腔工作面积 A2 的 2倍，即塞杆直径 d与缸筒直径 D呈 d=0.707D的关系。    在磨床加工时，液压缸回油路上必须有背压 P2,以防止工件被加工完时磨床突然前冲。根据题目要求，取P2=0.3Mpa。快进时液压缸虽做差动连接，但由于油管中有压降 p 存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算的时候取 p=0.5Mpa。快退时回油腔中是有背压的，这时的 P2=0.3Mpa。     有表 1 可知最大负载为加速阶段时 F=8791N，有加速时的负载计算液压缸的面积     A2=F/（ 2p1-p2） =8791/（ 2 2 106 -0.3 106)    所以 A1=2*A2=4.751 10-3m2,    D= 4A1/ =78.30mm, d=0.707D=55.36mm 当按照 GB-T2348-1993将这些直径圆整成就近标准值时得到： D=80mm, d=63mm,由此求得液压缸两腔实际有效面积为： A1=D2/4=5.024 10-3m2, A2=(D2-d2)/4=1.908 10-3m2, 因为 A1=50.25cm2>1cm2 故满足最低速要求 。  2.3.2液压缸各阶段的压力，流量和功率  计算系统所需压力       1）系统快进前启动时，所需压力为          P1=(F+A2P)/(A1-A2)=(4396+1.908 10-3 0.3 106)/(5.024-1.908) 10-3=1.59Mpa      2)系统快进加速时，所需压力为          P1=(F+A2P)/(A1-A2)= (8791+1.908 10-3 0.3106)/(5.024-1.908) 10-3=3Mpa，       3)系统快进恒速时所需压力为          P1=(F+A2P)/(A1-A2)= (4396+1.908 10-3 0.3106)/(5.024-1.908) 10-3=1.59Mpa，        4）系统工进时，所需压力为          P1=(F+P2A2)/A1= (5275+1.908 0.3 103)/5.02410-3=1.16Mpa        5 ）系统快退时，所需压力为            P1=(F+P2A1)/A2= (4396+0.3 5.024 103)/1.908 10-3=3.09Mpa，  （ 3）计算液压缸所需的流量          1)快进过程中所需的流量  q=(A1-A2)V1=(5.024-1.908) 10-3 12 103=37.3L.min-1         2）工进过程中所需的流量  q=A1V2=5.024 10-3 0.5 103=2.512L.min-1         3)快退过程中所需的流量  q=A1V3=1.908 10-3 12 103=22.89 L.min-1   （ 4）计算系统所需功率           1）快进恒速时，所需功率为             P=p1q=1.59 37.3/60=0.988KW          2) 工进时，所需的功率为             P=p1q=1.16 2.512/60=0.049KW          3)快退时，所需功率为             P=p1q=3.09 22.89/60=1.179KW 2 3.3 液压缸的工况图  工况  推力F/N 回 油 腔 压 力P2/Mpa 进油腔压力 P1/Mpa 输 入 流 量q/L.min-1 输 入 功率 P/KW 计算式   快进（差动）  起动  4396 0 1.59   P1=(F+A2P)/(A1-A2) q=(A1-A2)V1 p=p1q    加速  8791  P2=P1+P 3   恒速  4396 1.5 37.7 0.988   工进  285275 0.3 1.16 2.512 0.049 P1=(F+P2A2)/A1 q=A1V2 P=P1q  快退   4396 0.6 3.09 22.89 1.179 P1=(F+P2A1)/A2 q=A2V2 P=P1q 确定液压泵流量  3 造型及计算书  3.1 液压系统图拟定     （一）液压回路的选择           首先要选择调速回路，由上图中的一些曲线可知，这台专用磨床工作台往复运动液压系统的功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，可采用进口节流调速形式，为了解决进口节流调速回路在工件磨完时突然前冲的现象，回路上要设置背压阀。  1）  油源形式及压力控制  从上图计算可知，最大流量和最小流量的比值为 15，而快进快退时间 t1 和工进所需时间 t2。从提高系统效率和节省能量的角度上看，采用单个定量泵作为油源时可行的。  2）  换向回路，快退运动回路及换接方式  系统中使用节流调速回路 后，不管使用什么油源形式液压缸两腔，都必须有单独的油路直接通向液压缸两腔以实现快速运动。在本系统中，单杆液压缸要做差动连接，所以他的换向回路，快速运动回路以及换接方式应该采用以下所示的形式    调速回路有计算表格可知，当工作台快进时，输入液压缸的流量为 37.7 L.min-1，当工作台工作在工进阶段时，输入液压缸的流量为 2.512 L.min-1，当工作台在快退阶段时，输入液压缸的流量为 22.89 L.min-1，为满足不同的流量，必须要调速回路，调速回路选用单向调速阀调速    4 冷却回路  由于磨床工作时，液压系统工作负载加大，油温不断身高，需对油温进行冷却处理。选用冷却器组成冷却回路来冷却液压油  3）  测量回路  为使用户更直观的了解 系统的使用情况，安装压力表，实时显示系统状态。    （ 二） 液压回路综合        将上面的各种回路组合画在一起，就得到下图所示的液压系统原理图。         3.2 液压元件的选择  3.2.1 确定液压泵的规格和电动机的功率        液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为3.09Mpa, 根据书上取进油路上压力损失为 p=0.6MPa ， 则 泵 的 最 大 工 作 压 力 为P1=3.09+0.6=3.69Mpa        泵 应 该 向 液 压 缸 提 供 最 大 流 量 为37.7L.min-1， ，若回路中的泄露按照液压缸输入量的10 估计，则泵的总流量为 1.1 37.7=41.47 L.min-1， 。由于溢流阀的最小稳定溢流量为 3 L.min-1， ，而快退时输入液压缸的流量为 22.89，所以流量泵的流量规格最小为 25.89.4 L.min-1， 。若取泵的总效率为 0.75，则驱动液压泵的的功率为：P=pq/=3.09 37.7/(60*0.75)=2.59KW. 根据以上压力和流量数值查阅产品样本，并考虑液压泵存在容积损失，最后确定选取 YB-63 型叶片泵。 其流量为63 L.min-1， ,转速为 960r/min 容积效率大于 90%驱动功率选 5.5KW 采用 20 号液压油温度为 10-50C。    3.2.2 选择阀类元件及辅助元件  （ 1）根据阀类及辅助原件在油路中的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，即可选出合适的液压元件。  （ 2）  确定油管   表 10 允许流速推荐值  管道  推荐流速 /(m/s) 吸油管道  0. 5 1.5，一般取 1 以下  压油管道  3 6，压力高，管道短，粘度小取大值  回油管道  1. 5 3   按表 10 推荐的管道内允许速度取 =4 m/s，由式vqd4 计算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为  mmmmvqdd 1.1710314.360 1047.4144 3321 为了统一规格，按产品样本选取所有管子均为内径 20mm、外径25mm 的 10 号冷拔钢管。  (3) 确定油箱  油箱的容量按式 pnqV 估算，其中为经验系数，低压系统， =2 4；中压系统， =5 7；高压系统， =6 12。现取 =6，得  LLqV pn 82.24847.416      3.3 液压确定系统性能的验算       （一）验算系统压力损失并确定压力阀调整值，由于系统的管路布置尚未具体确定，整个系统的压力损失无法全面估算，所以只能估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局后，加上管路的沿程损失就好。但对于中小型的液压系统，管路压力损失很小，不与计算。  (二 ) 集成块连接装置的设计      1 .通用集成块组结构   集成块组，是按通用的液压典型回路设计成的通用组件。它由集成块、底块和顶盖用四只长螺栓垂直固紧而成。  液压元件一般安装在集成块的前面、后面和右侧面、左侧面不安放元件，留着连接油管，以便向执行元件供油。为了操纵调整方 便，通常把需要经常调节的元件，入调速阀、溢流阀、减压阀等，布置在右侧面和前面。   元件之间的联系借助于块体内部的油道孔。根据单元回路块在系统中的作用可分为调压、换向、调速、减压、顺序等若干种回路。每块的上下两面为叠积结合面，布有公用的压力油孔 P、回油孔 O、泄漏油孔 L 和连接螺栓孔。   2 集成块的特点   从集成块的组成原理图可以看出，集成块由板式元件与通道体组成，元件可以根据设计要求任意选择，因此，集成块连接装置广泛地应用在机床及组合机床自动线中，其工作压力为 0.3 106 3.5 107Pa，流量一般在 30 60l/min，集成块与其它的连接方式相比有以下特点：   （ 1）  可以采用现有的板式标准元件，很方便地组成各种功能的单元集成回路，且回路的更换很方便，只须更换或增、减单元回路就能实现，因而有极大的灵活性。   （ 2）  由于是在小块体上加工各种孔道，故制造简单，工艺孔大为减少，便于检查和及时发现毛病。如果加工中出了问题，仅报废其中一小块通道体，而不是整个系统报废。  （ 3）  系统中的管道和管接头可以减少到最少程度，使系统的泄漏大  为减少，提高了系统的稳定性，并且结构紧凑，占地面积小，装配与维修方便。   （ 4）  由于装在通道体侧面的各液压元件间距离很近，油道孔短，而且通油孔径还可选择大一些，因而系统中管路压力损失小，系统发热量也小。   （ 5）  有利于实现液压装置的标准化、通用化、系列化，能组织成批生产。由于组成装置的灵活性大，故设计和制造周期大为缩短，生产成本低，为在机床广泛应用液压技术提供了方便。   3.油孔直径的确定。   （ 1）油孔间最小间隙的确定。若相邻油孔间的距离太近，则在油液压力作用下可能造成油道串通，致使集成块报废。因此在设计油孔的具体位置时，必须确定通道体内各通油孔道的最小间隔尺寸 e，一般推荐 e 不小于 5mm，当油液压力高于 6.3 106Pa 或孔道间隔尺寸较小时，还要作强度校核，以防止使用过程中被击穿。   （ 4）通道体高度 H 的确定。   （ 5）通道体外形尺寸的确定。    （ 6）元件在通道体上的初步布局。    5.集成块的设计  （ 1）公用油道孔的选定。  集成块的主要作用为连通各液压元件，以便组成单元回路。因此，集成块上一般必须有公用的压力油孔 P，回油孔O 及泄露孔 L，它们是由下往上贯穿通道体的。集成块通道体，有二孔式、三孔式  、四孔式、五孔式等多种设计方案，目前广泛应用二孔式和三孔式，这里选择二孔式。  （ 1） 油孔直径的确定。  油孔直径可按下式确定：    d= V/Q 6.4   式中  , Q 流经油孔的流量（ L/min）；