专用铣床液压系统的设计(张越).doc

液压课程设计说明书HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY液压与气压传动技术课程 设计说明书设 计 题 目：专用铣床液压系统的设计学 院 名 称： 机械与汽车工程学院专 业 班 级： 机电10-3班姓 名 学 号： 张越 20100710组 员：裴洪20100712 张启 20100709 樊高金20100711指 导 教 师： 曾亿山 成 绩:机械与汽车工程学院 二零一 三 年 七 月 二十四 日 目 录摘要3一、设计目的及要求4 1.设计目的4 2.设计要求42、 设计题目4三、工况分析5 1.运动分析5 2.负载分析6 3.绘制液压缸负载图和速度图7四、初步确定液压缸的参数8五、拟定液压系统图15六、选择液压元件17七、液压系统的性能验算18 1.液压系统的效率 18 2.溢流阀的调整压力 20 3.液压系统的效率 20 4.液压系统的温升 20八、集成块设计21九、总结24 参考文献25 合肥工业大学课程设计任务书设 计题 目专用铣床液压系统的设计成绩主要内容某台专用铣床，驱动铣头的电动机功率为7.5kw，铣刀（盘形）直径为120mm，转速为350r/min。假定工作平台重量为4103N，工件和夹具的最大重量为1.5103N，工作台行程为400mm，其中快进行程300mm，工进行程100mm；快进速度为4.5m/min，工进速度为0.061m/min，其往复运动的加速（减速）时间为0.05s，工作台用平导轨，其静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fu=0.1，试设计铣床的液压系统。指导教师意见签名： 200 年 月 日 摘要本次液压课程设计的是半自动液压专用铣床的液压设计，专用铣床是根据工件加工需要，以液压传动为基础，配以少量专用部件组成的一种机床。在生产中液压专用铣床有着较大实用性，可以以液压传动的大小产生不同性质的铣床。此次设计主要是将自己所学的知识结合辅助材料运用到设计中，巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般步骤和方法，正确合理的确定执行机构，选用标准液压元件，能熟练的运用液压基本回路，组成满足基本性能要求的液压系统。在设计过程中最主要的是图纸的绘制，这不仅可以清楚的将所设计的内容完整的显示出来，还能看出所学知识是否已完全掌握了。 整个设计过程主要分成六个部分：参数的选择、方案的制定、图卡的编制、专用铣床的设计、液压系统的设计以及最后有关的验算。主体部分基本在图的编制和液压系统的设计两部分中完成的。关键词 专用铣床，液压传动，回路，集成块一、设计目的及要求 1、设计目的 随着制造业的发展，数控机床的应用越来越广泛，相关数控机床控制技术方面文章本也很多，但对传统控制的了解论述不是很多。在该设计过程中，我们通过掌握的数控机床机械本体、液压等知识设计专用铣床液压系统，为我们走向“机电液类”的工作岗位做好铺垫。本次课程设计要求学生能够具备以下能力： （1）掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题能力。 （2）正确合理地确定执行机构，选用标准液压元件；能熟练地运用液压基本回路、组成满足基本性能要求的液压系统。 （3）熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。 2、设计要求 首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的分析，明确主机对液压系统的动作、性能以及工作环境等要求，具体包括： （1）主机的用途、主要结构、总体布局，主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。 （2）主机的工作循环，液压系统执行元件的工作方式及其工作范围。 （3）液压执行元件的载荷特性、行程和运动速度大小等。 （4）主机对液压执行元件的动作顺序或互锁要求。 （5）对液压系统执行元件动作控制方式、控制精度和液压系统的工作效率、自动化程度等方面的要求。 （6）对液压系统防尘、防爆、防寒、安全可靠性等的要求。 （7）其他方面的要求：如体积、重量、经济性等方面的要求。2、 设计题目某台专用铣床，驱动铣头的电动机功率为7.5kw，铣刀（盘形）直径为120mm，转速为350r/min。假定工作平台重量为4103N，工件和夹具的最大重量为1.5103N，工作台行程为400mm，其中快进行程300mm，工进行程100mm；快进速度为4.5m/min，工进速度为0.061m/min，其往复运动的加速（减速）时间为0.05s，工作台用平导轨，其静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fu=0.1，试设计铣床的液压系统。3、 工况分析 工况分析主要指对液压执行元件的工作情况的分析，即进行运动分析和负载分析。分析的目的是了解工作过程中执行元件的速度、负载变化的规律，并将此规律用用曲线表示出来，作为拟定液压系统方案、确定系统主要参数（压力和流量）的依据。 1、运动分析 由题目要求可知，该专用铣床的运动大致可分分为三个阶段：快进、工进和快退，具体运动过程图见图1。图1 液压缸简图以及运动过程图 2、负载分析 对于该液压缸来说，会受到工作负载Fw、摩擦阻力负载Ff以及惯性负载Fa，下面具体求这些这些力的大小。 2.1工作负载Fw 2.2摩擦阻力负载摩擦阻力又分为静摩擦阻力与动摩擦阻力。 静摩擦阻力： 动摩擦阻力： 2.3惯性负载3、 绘制液压缸负载图（F-s图）和速度图（v-s图）根据上述计算，可列各工况负载及运动时间见表1。通过表1，可以清晰的看出液压缸在何时负载最大，同时也可以看出液压缸运动的速度与时间的的关系。通过表1，可以绘制液压缸的负载图和速度图，如图2和图3。 、 表1 各工况负载及运动时间计算结果工况液压缸负载F/N液压缸推力FC=F/cm/N速度v/m.min-1运动时间/s启动F=Ffs=11001222.200加速F=Ffd+Fa=13911545.500快进F=Ffd=5506114.54工进F=Ffd+Fw=3960.544000.0611006快退F=Ffd=5506114.55.3图2 F-s图 图3 v-s图四、初步确定液压缸的参数1、初选液压缸的工作压力P1 查液压与气压传动表10-3各类液压设备常用工作压力，初选P1=3MPa。2、计算液压缸尺寸 为了简化专用机床结构，液压缸采用单杆活塞缸，为使快进快退速度相同则用单杆活塞缸的差动连接，无杆腔面积A1与有杆腔面积A2关系为A1=2A2,即活塞杆直径d和液压缸内径D应符合d=0.707D。 回油路上有背压阀或调压阀，查液压与气压传动表10-4取背压缸背压P2=0.8MPa，差动时回油管路压力损失P=0.5MPa，可得液压缸无杆腔面积A1,取液压缸=0.95。 根据GB/T 2348-1993(ISO 3320) 选 D=50mm，活塞杆的直d=0.707D=35.6mm,取d=36mm.由此求得液压缸的实际有效工作面积 验算满足最低速度要求之面积，按液压与气压传动式（10.2-6） 本液压系统拟采用调速阀节流调速系统，使用国产GE系列调速阀，型号为AQF3-E66B，从样本中可查得其，已知给定。则可得 能满足上式要求。3、液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率 3.1快进时油缸需要的流量Q快进 Q快进=（A1-A2）V快进 =（19.63-9.46）4.50.1L/min =4.58L/min 3.2工进时油缸需要的流量Q工进 Q工进=A1V工进 =1.960.12L/min 3.3快退时油缸需要的流量Q快退 Q快退=A2V快退 =9.464.50.1L/min =4.26L/min 3.4工进时油缸的压力 其中： F为液压缸推力； P2=0.8MPa； 代入得P1=2.74MPa同理可以计算其他工况下的压力。液压缸各工况下压力、流量及功率的计算结果列于表2。 表2 液压缸所需的实际流量、压力和功率工况负载回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率 计算公式快进差动启动1222.21.20 加速1545.52.06恒速6111.14.58 0.08工进44000.82.741.90.12 0.09快退启动1222.21.3加速1545.52.76恒速6111.724.260.122 4、绘制液压缸工况图根据表2，可以绘制出液压缸工况图，如图4、5和6。 图4 q-s图图5 p-s图图6 P-s图5、液压缸主要尺寸的确定 5.1液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径D与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 式中： 液压缸壁厚(m)； D液压缸内径(m)； 试验压力，一般取最大工作压力的(1.25-1.5)倍； 缸筒材料的许用应力。无缝钢管：。 =1.525=37.5 则pyD/2=0.068m在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经为 D1D+2=186mm 5.2缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时 有孔时 式中 t缸盖有效厚度(m)； 缸盖止口内径(m)； 缸盖孔的直径(m)。 无孔时 t0.4333610-3 (37.5/110) = 9.1mm 取 t=10mm 有孔时t0.4330.510-3 (37.550/110(50-36) =3mm 取 t=3mm 5.3最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求： 式中 L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。活塞的宽度B一般取B=(0.6-10)D；缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径D而定；当D80mm时，取。为保证最小导向长度H，若过分增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即 滑台液压缸：最小导向长度 HL/20+D/2=42.5mm取H=50mm活塞宽度：B=0.6D=30mm缸盖滑动支承面长度：l1=0.6d=21.622mm隔套长度： C=H-(l1+B)/2=3 所以有隔套。液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20-30倍。液压缸：缸体内部长度L=B+l=380mm当液压缸支承长度LB(10-15)d时，需考虑活塞杆弯度稳定性并进行计算。本设计不需进行稳定性验算。五、拟定液压系统图 1、选择液压基本回路 从工况图上可以得出： （1）本系统压力、流量和功率都较小，可以选用单定量泵和溢流阀组成的供油源。 （2）调速系统可采用调速阀出口节流调速回路，以满足铣削加工的顺铣和逆铣而且速度稳定的要求。 （3）速度换接方式：铣削时位置精度要求不高，可用行程开关挡铁控制行程开关使电磁换向阀切换来实现换向。 （4）液压缸快进时用单杆活塞缸的差动连接来实现。 （5）换向阀可用三位四通电磁换向阀换向。2、组合成液压系统图根据上诉基本回路再加上必要的辅助装置（如滤油器、压力表等）可组成如图7所示一个完整的液压系统图，并配以电磁铁动作顺序表。动作顺序为：当YA2和YA3通电时，三位四通换向阀处于右位，二位四通换向阀处于右位，液压缸差动连接，此时为快进；当YA3断电后，二位四通换向阀处于左位，液压缸的无杆腔进油，有杆腔连接节流阀，流回油箱，此时液压缸为工进状态；当YA1通电后，三位四通换向阀处于左位，液压缸快退。为保证液压泵能卸荷，在设计过程添加了一个二位四通换向阀，与溢流阀的远程控制口连接，当YA4通电后，液压泵会自动卸荷。图7 专用铣床液压系统图 表3 电磁铁动作表工作程序YA1YA2YA3YA4快进工进快退停止六、选择液压元件1、确定液压泵的容量及电动机功率 1.1液压泵的工作压力和流量计算取进油路的压力损失取，回路泄露系数取，则液压泵最高工作压力 按液压与气压传动表10-12可知，取 根据上述计算选用单作用叶片泵，其型号规格为型定量叶片泵（排量V=4mL/r）其流量 1.2确定驱动电动机功率。在快速时为最大功率 式中：-液压泵总效率，取。 查电机手册，可选用Y系列电动机。2、选择控制阀 根据泵的工作压力和通过各阀的实际流量，选取各元件的规格，如表4所示。 表4 液压元件选择列表序号元件名称最大通流量/型号规格1 定量叶片泵5.6YB-42溢流阀5.6Y-25B3三位四通电磁阀5.634D-25B4单向调速阀5.6QI-25B5二位三通电磁阀5.6Y10B 10636单向阀5.6I-25B7压力表开关E-388过滤器5.6WU-1680-J3、确定油管直径及管接头 进出液压缸无杆腔的流量，在快退和差动工况时为，所以流量为 。取压油管流速，则取吸油管流速，则 查相关机械手册可选用阴极铜管（GB/T 1527-1987），压油管道选用直径为10mm，吸油管道选用直径为12mm。确定管道尺寸应与选定的液压元件接口处的尺寸一致。管接头可选用扩口式管接头（GB/T5626.1-1985)。4、确定油箱容积 故取油箱容积为36L。七、液压系统的性能验算1、液压系统的效率 已知该液压系统中进、回油管的内经均为10mm，各段管道的长度分别为：AB=0.3m,AC=1.7m,AD=1.7m,DE=2m.选用L-HL32液压油，考虑到有的最低温度为15，查的15是该液压油的运动粘度=150cst=1.5cm/s,油的密度=920kg/m. 下面计算压力损失：工作进给时进油路压力损失：工作进给时的最大流量Q=dv/4=8.843L/min v1=Q/(d/4)=188m/s管道流动雷诺数为：Rel=v1d /=1252300可见油液在管道内流态为层流，沿程阻力系数1=75/Rel=0.68.进油管道的沿程压力损失为：p1-1=1(l/d)( v /2)=0.2Mpa查的换向阀4WE6-61/G12的压力损失 p1-2=0.05 Mpa忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失为：p1=p1-1+p1-2=0.15 Mpa工作进给时回油路的压力损失： 由于选用单活塞液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管的二分之一，则v2=v1/2=94Re2=v2d /=62.72=75/Re2=1.2回油管路的沿程成压力损失为： p2-1=2(l/d)( v /2)=0.15Mpa 查得：换向阀3WE650/G24的压力损失p2-2=0.025 Mpa,换向阀4WE6-61/G12的压力损失p2-3=0.025 Mpa，调速阀2FRM5-10的压力损失p2-4=0.5 Mpa回油管路总压力损失为： p2=p2-1+p2-2+p2-3+p2-4=0.6 Mpa变量泵出口处的压力： Pp=(F/cm+A2p2) A1+p1=0.8Mpa进油时的压力损失：快进时液压缸为差动连接，自汇流点A至液压缸进油口C之间的管路AC 中流量为液压泵出口流量的两倍即24L/min,管路沿程压力损失为： v1=Q/(d/4)=510m/s Rel=v1d /=340 1=75/Rel=0.221 p1-1=1(l/d)( v /2)=0.52Mpa同样可求管道AB段及AD段的沿程压力损失为： V2=Q/(d/4)=255m/s Re2=v1d /=170 2=75/Re2=0.44 p1-2=0.032 Mpa p1-3=0.181 Mpa查产品样本知：流经各阀的局部压力损失为：4EW6-61/G12的压力损失p2-1=0.17 Mpa3EW650/G24的压力损失p2-2=0.17Mpa据分析在差动连接中，泵的出口压力为：Pp=2p1-2+p1-2+p2-2+p2-1+p2-2+ F/(A2cm)=4.05 Mpa快退时压力损失验算从略，上述验算表明，无需修改原设计。2、溢流阀的调整压力 溢流阀共进的调整压力。取。3、液压系统效率 液压系统效率见液压与气压传动式10.4-1 取泵的效率，液压缸的机械效率，回路效率为： P1=(F+A2P2)/A1+P1 =(4010.46+6.26510.0110-4105)/19.6310-4+0.63105Pa =24.3105Pa 24105Pa当工进速度为时， 当工进速度为时， 4、液压系统的温升（只验算系统在工进时的发热和温升）定量泵的输入功率为： 工进时系统的效率，系统发热量为： 取散热系数，油箱散热面积时，计算出油液温升的近似值： 故油温符合要求。若油箱太小，温度过高，可换更换稍大油箱或使用冷却装置。八、集成块设计1液压集成回路设计 1.1回路划为若干单元回路，每个单元回路一般由三个液压元件组成，采用通用的压力油路P和回油路T，这样的单元回路称液压单元集成回路。设计液压单元集成回路时，优先选用通用液压单元集成回路，以减少集成块设计工作量，提高通用性。 1.2连接起来，组成液压集成回路，图8所示为组合铣床的液压集成回路。一个完整的液压集成回路由底板、供油回路、压力控制回路、方向回路、调速回路、顶盖及测压回路等单元液压集成回路组成。 图8 组合铣床液压集成回路 2液压集成块及其设计组合铣床液压集成块装配总图是由底板、中间集成块1、中间集成块2和顶盖组成，由四个紧固螺栓把它们连接起来，再由四个螺钉将其紧固在液压油箱上，油压泵通过油管与底板连接，组成液压站，油压元件分别固定在各集成块上，组成一个完整的液压系统。 2.1底板的设计底板块作用是连接集成块组。液压泵供应的压力油P由底板引入各集成块，液压系统回油路T及泄漏油路L经底板引入液压油箱冷却沉淀。其零件图见附件。 2.2顶盖的设计顶盖的主要用途是封闭主油路，安装压力表开关及压力表来观察液压泵及系统各部分工作压力的。设计顶盖时，要充分利用顶盖的有效空间，也可把测压回路、卸荷回路以及定位夹紧回路等布置在顶盖上。其零件图见附件。 2.3集成块设计若液压单元集成块回路中液压元件较多或者不好安排时，可以采用过渡板把阀与集成块连接起来。如：集成块某侧面要固定两个液压元件有困难，如果采用过渡板则会使问题比较容易解决。使用过渡板时，应注意，过渡板不能与上下集成块上的元件碰撞，避免影响集成块的安装，过渡板的高度应比集成块小2mm。过渡板一般安装在集成块的正面，过渡板厚度为35至40mm，在不影响其部件工作的条件下，其长度可稍大于集成块尺寸。过渡板上孔道的设计与集成块相同。可采用先将其用螺钉与集成块连好，再将阀装在其上的方法安装。集成块上的公用通道，即压力油孔P、回油孔T、泄漏孔L（有时不用）及四个安装孔。压力油孔由液压泵流量决定，回油路一般不得小于压力油孔。直接与液压元件连接的液压油孔由选定的液压元件规格决定。孔与孔之间的连接孔（即工艺孔）用螺塞在集成块表面堵死。与液压油管连接的液压油孔可采用米制细牙螺纹或英制管螺纹。把制做好的液压元件样板放在集成块各视图上进行布局，有的液压元件需要连接板，则样板应以连接板为准。电磁阀应布置在集成块的前、后面上，要避免电磁换向阀两段的电磁铁与其它部分相碰。液压元件的布置应以在集成块上加