液压课程设计--小型磨床工作台液压系统的分析与设计.doc

液压与气压传动课程三级项目小型磨床工作台液压系统的分析与设计研究报告组 员：王定军 100101010178 曹瑞瑞 100101010225 何士轩 100101010273 胡 智 100101010235 刘 辉 100101010215 指导教师： 刘 劲 军 2013-06-20 燕山大学液压与气压传动三级项目研究报告燕山大学液压与气压传动课程三级项目任务书院（系）：机械工程学院 基层教学单位： 机控系 项目名称1000N小型磨床工作台液压系统指导教师姓名刘劲军小组成员分工王定军 液压系统的设计及计算，说明书的编写，系统原理图的设计刘辉 汇总、整理、打印各项资料曹瑞瑞 查阅资料以及后期ppt的制作胡智 A2原理图的审核与修改 何士轩 A2原理图的绘制项目考察知识点本课程的三级项目针对典型液压系统工作原理的分析与设计，通过该项目的实施使学生加深对液压传动基础知识的理解，并初步具备运用所学知识进行实际液压系统分析与设计的能力，复杂系统的计算机辅助设计及计算能力，相关标准、手册的查阅能力等。项目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1000N,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。项目实施内容设计一小型磨床工作台液压系统，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，液压缸驱动，液压与电气配合实现自动工作循环：快进工进快退自动停止。要求液压缸工作过程中速度可调，工进时要求背压回油。液压泵站要求：1）液位、压力、温度有显示及报警；2）油温范围（3045）；3）滤油器精度15m，有堵塞显示及报警。项目结题须提交材料(1)液压传动系统原理图 A2；(2)液压系统参数计算说明书1份；(3)答辩汇报PPT。图纸研究报告提交纸质及电子版各1份，PPT上交电子文档。项目实施时间节点要求第一周 查阅资料，分析系统原理，了解系统性能及典型工艺过程，完成参数计算和原理图设计；第二周 编写项目研究报告及答辩汇报PPT。小组分工及贡献姓 名课题组分工王定军液压系统的设计及计算，说明书的编写，系统原理图的设计曹瑞瑞查阅资料以及后期ppt的制作何士轩A2原理图的绘制胡智A2原理图的审核与修改刘辉汇总、整理、打印各项资料摘 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3第1章 绪论51.1 课题背景51.1.1设计的目的51.1.2设计的要求6第2章系统设计及参数计算62.1 确定对液压系统的工作要求62.2液压系统工况分析72.3确定主要参数8第三章 拟定液压系统图103.1液压泵型式选择103.2选择液压回路103.3液压系统的合成11第四章 液压元件的选择124.1确定液压泵的规格和电动机的功率124.2阀类元件和辅助元件的选择134.3确定管道尺寸144.4确定油箱容量15第五章 液压系统性能验算155.1回路压力损失155.2液压系统的发热与温升验算16结论17心得17参考文献18 共 18 页 第 19 页第1章 绪论1.1 课题背景在力的传动中，液压传动具有多种技术优势，例如功率密度大，配置灵活方便，调速范围大，工作平稳且快速性好，易于操控并实现过载保护，易于实现自动化和机电液的整合，系统设计制造和使用维护方便等，因而已经成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术的应用遍及国民经济各个领域，例如机械制造，能源与冶金工业等。液压技术已经成为包括传动，控制和检测在内的，对现代机械装配技术进步有重要影响的基础技术和基础学科；随着近二十年来的电子技术、计算机技术和信息技术的迅速发展，液压技术不仅是一种传动方式，更是作为一种控制手段，作为连接微电子技术和大概率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中重要的、不可缺少的环节和手段。在对一些新的领域，如航空航天，水下和海洋工程，微型机械装置及高温明火环境下所急需的一些特殊元件研究甚少，甚至是空白状态，迅速改变这种落后状况，是中国液压技术界和工程界所面临的一项很重要的任务，所以液压技术在以后的机械行业会起很大作用。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。第2章系统设计及参数计算2.1 确定对液压系统的工作要求 设计一小型磨床工作台液压系统，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，液压缸驱动，液压与电气配合实现自动工作循环：快进工进快退自动停止。要求液压缸工作过程中速度可调，工进时要求背压回油。工作台速度最大12m/min,最小为0.5m/min,最大切削力为1000N,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。2.2液压系统工况分析 1. 运动和负载分析。（假设工作台动摩擦系数f=0.16)（1）工作负载： Fw=1000N（2）背向力（取Fp/Fc=2.5）Fp=2.51000=2500N（3）惯性负载： （4）阻力负载： Ffs=fsG=0.220000=4000NFfd=fd （G+ Fp）=0.16（20000+2500）=3600N 假设液压缸的机械效率mC=0.9，得出液压缸在各工作阶段的负载和推力，如表2-1所示 表2-1 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液压缸推力启动F=Ffs40004445加速F=Ffd+Fa75128347快进F=Ffd36004000工进F=Ffd+Fw46005111反向启动F=Ffs40004445加速F=Ffd+Fa75128347快退F=Ffd36004000制动F=Fa- Ffd3123472.负载图和速度图的绘制 a） b） c）图2-1速度负载循环图a）工作循环图 b）负载循环图c）速度循环图2.3确定主要参数1.确定液压缸的工作压力查表，初选液压缸工作压力为p1=2MPa2.计算液压缸主要结构参数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，液压缸回油路上有背压Pb=0.3MPa，以防止工件被加工完时磨床突然前冲。并初选快进、快退时回油压力损失p2=0.5MPa。取标准直径D=80mm，d=0.707D=53.03cm，取标准值d=50mm。由此求得液压缸两腔实际有效面积为：A1=D2/4=5.0210-3m2A2=(D2-d2)/4=3.0610-3m23.计算液压缸在工作循环中各阶段的压力、流量和功率的实际使用值。计算结果表2-2所示。表2-2 液压缸各工况所需压力、流量和功率工况负载F/N回油腔压力P2105MPa进油腔压力P1105MPa输入流量q/（L/min）输入功率P/kW计算公式快进启动4445P2=022.7q=(A1-A2)v1P=p1q10-3加速8347P2=550.4快进4000P2=528.223.521.11工进5111Pb=312.02.510.050P1=(F+P2A2)/A1q=A1V2P=p1q10-3快退启动4445P2=014.5P1=(F+P2A1)/A2q=A2V2P=p1q10-3加速8347P2=535.5快退4000P2=521.2736.721.30制动347P2=59.34.绘制液压缸工况图根据表2-2可绘制出液压缸的工况图，如图2-2所示图2-2 液压缸工况图第三章 拟定液压系统图3.1液压泵型式选择由工况图可知，最大流量和最小流量的比值为72，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，选用双联叶片泵。3.2选择液压回路1.调速回路的选择 由工况图可知，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。2.快速运动回路与速度换接回路的选择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一个三位四通电动换向阀和一个两位三通电动换向阀来实现。3.压力控制回路的选择在泵的出口连接一个溢流阀来控制整个油路的油压，同时起到卸荷阀的作用3.3液压系统的合成在所选定的基本回路的基础上，在综合考虑一些其他因素和要求：1.调速回路 由计算表格可知，当工作台快进时，输入液压缸的流量为23.52 L/min，当工作台工作在工进阶段时，输入液压缸的流量为2.51 L/min，当工作台在快退阶段时，输入液压缸的流量为36.72 L/min，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。2.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。4.为了便于系统自动发出快速退回信号起见，在调速阀出口必须增设一个压力继电器。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。图3-1 液压系统原理图第四章 液压元件的选择4.1确定液压泵的规格和电动机的功率1.液压缸工作压力的计算以确定液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为5.04Mpa,在调速阀节流调速回路中，进油管路比较复杂，取进油路上压力损失为0.2Mpa,压力继电器调整压力高出系统最大工作压力值0.4Mpa，则泵的最大工作压力为P1=5.04+0.2+0.4=5.64Mpa2.液压泵流量的计算由工况图知，泵应该向液压缸提供最大流量为36.72L/min，若取系统泄漏系数K=1.2，则液压泵的最大流量为：qp=1.236.72=44.07L/min由于溢流阀的最小稳定溢流量为3 L/min，而工进时输入液压缸的流量为2.51 L/min，所以流量泵的流量规格最小为5.51 L/min。3.液压泵规格的确定根据以上计算数据，查阅产品目录，选用相近规格YYB-AA63/8B型双联叶片泵。4.液压泵电机功率的确定由工况图可知，液压缸的最大输出功率出现在快退工况，其值为1.3kW。此时，泵的输出压力应为：pp2=5.64MPa；流量为qp=q1+q2=50+6=56L/min。若取泵的总效率为0.75，则电机的功率为：根据以上计算选额定功率为7.5kw的标准型号电机。4.2阀类元件和辅助元件的选择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。表4-1 所选用元件的说明序号元件名称估计流过流量技术数据公称流量/（L/min）公称压力/105MPa12 345678910111213双联叶片泵单向阀三位四通电动阀调速阀单向阀两位三通电动阀溢流阀双联叶片泵冷却器过滤器过滤器压力表压力继电器368418484684424263/8631006（qmin=0.03）631001063/8100636363636363636363由于液压泵选定之后，液压缸在各个阶段的进出流量与原定数值不同，所以要重新计算列于表4-2中。表4-2 液压缸的进出口流量快进工进快退输入流量/（L/min）q1=(A1qp)/(A1-A2)=（50.242）/（50.2-30.6）=107.57q1=2.51q1=qp=42排出流量/（L/min）q2=(A2q1)/A1=（30.6107.57）/50.2=65.57q2=(A2q1)/A1=30.62.51/50.2=1.53q2=(A1q1)/A2=50.242/30.6=68.90运动速度/（m/min）v1=qp/（A1-A2）=（4210）/（50.2-30.6）=21.43v2=qp/A1=（0.510）/50.2=0.099v3=qp/A2=（4210）/30.6=13.734.3确定管道尺寸各元件间连接管道的规格安元件接口处决定，由于本系统液压缸差动连接时，油管通油量较大，其实际流量q约为107.57L/min，取允许流速为v=3m/s。主压力油管d为：圆整后取d=30mm经查液压传动手册，选用内径30mm，外径38mm无缝钢管。4.4确定油箱容量按经验公式V=（57）qp，选取油箱容量，取油箱容积：V=6 qp=642=252L第五章 液压系统性能验算5.1回路压力损失由于本系统具体管路尚未确定，故整个回路的压力损失无法验算。但是控制阀处压力损失的影响是可计算的。从产品样本上查得，换向阀和调速阀的额定压力损失是0.3MPa，单向阀是0.2MPa，为此可作如下估算：1.快进时的回路压力损失进油路上通过单向阀的流量都是36L/min、通过换向阀的流量是42L/min，因此总的压力损失为：回路上通过换向阀和调速阀的流量都是65.57L/min，因此总的压力损失为：将回路上的压力损失折算到进油路上去，就可求出快进时整个回路中阀类元件造成的压力损失2.工进时的回路压力损失为了保证工进时速度稳定，应使回油路上调速阀上有0.5MPa的压差，背压损失为0.3MPa，换向阀通过流量为65.57L/min，因此整个回路因阀类元件造成的压力损失为：3.快退时的回路压力损失进油路上通过单向阀的流量分别为36L/min、84L/min，通过换向阀的流量为42L/min因此这是回路总压力损失为：5.2液压系统的发热与温升验算通过运动分析，在整个工作循环中，工进时间为t2=0.5/0.5/60=60s，启动时间为t1=0.1s，所以系统的发热和油液温升可用工进时的情况计算。工进时，液压缸的负载F=5111N，移动速度v=0.0083m/s，故输出功率为：液压泵的输入功率为：式中，pp为系统的工作压力，pp=1.2MPa；qp为流量泵的输出流量63L/min；p是油泵总效率，p=0.75.故：由此得液压系统的发热量为：H=Pi-P0=1.68-0.0424=1.256kW若只考虑油箱的散热，其中油箱散热面积A为：取油箱散热系数K=13，可得液压系统的温升为：油温值没有超过允许值。结论本次设计涉及了液压传动的知识，首先需要了解组成液压系统的元件以及各自的工作原理，然后根据设计要求进行各个元件的参数计算与规格选用，最后根据计算结果作出磨床的液压系统工作原理图。根据原理图，基本实现小型平面磨床的工作要求，实现了工作台的快进、工进、快退和自动停止的动作。在本次设计中，主要发现了对液压元件的计算与规格的选用存在较大问题，主要原因是缺乏实际的相关经验，今后应多了解一些机床的液压系统，最好能实际操作，以达到快速、高效的设计出符合实际应用的液压系统的目的，为以后工作打好基础。心得通过对课程设计的学习和实践，使我对液压系统设计过程有了具体了解。对液压系统的各个元件有了进一步的认识，掌握了设计的基本技巧，以及对参考数据的选择和计算等，在设计中熟悉了设计资料以及经验数据的估算为我在今后的文化节设计工作积累了的经验，打下了坚实的