《液压与气压传动》课程设计.doc

1 液压与气压传动液压与气压传动 课程设计课程设计 课程设计题目 9 设计一台校正压装液压机 要求的工作循环是快速下行 慢速加压 快速返回并停止 1 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 课程设计内容和教师参数 各人所取参数应有不同 压装时的速度 工作速度 不超过 5mm s 快速应为工作速度的 8 10 倍 动力头重 1KN 总行 程 800mm 工作压力不小于 10KN 4 设计参考资料 包括课程设计指导书 设计手册 应用软件等 章宏甲 液压传动 机械工业出版社 2006 1 章宏甲 液压与气压传动 机械工业出版社 2005 4 黎启柏 液压元件手册 冶金工业出版社 2002 8 榆次液压有限公司 榆次液压产品 2002 3 课程设计任务 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 5 1 设计说明书 或报告 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 5 2 技术附件 图纸 源程序 测量记录 硬件制作 5 3 图样 字数要求 系统图一张 3 号图 设计说明书一份 2000 3000 字 6 工作进度计划 表表 1 工作进度计划表工作进度计划表 2 起止日期工作安排完成情况 C分析工况确定主要参数 3 4拟订液压系统草图 5 6选择液压元件 验算系统 性能 7答辩 交卷 3 设计方式 手工 4 设计地点 指导答疑时间 待定 9 备注 3 目录目录 一 明确系统的设计要求一 明确系统的设计要求 1 1 主机的用途 主机的用途 1 2 主机的工艺循环 主机的工艺循环 1 二 分析系统工况 确定主要参数二 分析系统工况 确定主要参数 1 一 分析系统工况 一 分析系统工况 1 二 负载图和速度图的绘制 二 负载图和速度图的绘制 2 三 液压缸主要参数的确定 三 液压缸主要参数的确定 2 三 拟定液压系统原理图三 拟定液压系统原理图 5 一 液压缸工况图的绘制 一 液压缸工况图的绘制 5 二 液压回路的拟定 二 液压回路的拟定 7 三 液压回路的综合 三 液压回路的综合 10 四 选择液压元件四 选择液压元件 11 一 液压泵 一 液压泵 11 二 阀类元件及辅助元件 二 阀类元件及辅助元件 12 三 油管 三 油管 13 四 油箱 四 油箱 14 五 验算液压系统性能五 验算液压系统性能 14 4 一 验算系统压力损失并确定压力阀的调速值 一 验算系统压力损失并确定压力阀的调速值 14 二 油液温升验算 二 油液温升验算 15 参考文献参考文献 16 液压系统图液压系统图 17 1 一 明确系统的设计要求一 明确系统的设计要求 1 主机的用途 主机的用途 设计一台校正压装液压机 2 主机的工艺循环 主机的工艺循环 要求的工作循环是快速下行 慢速加压 快速返回并停止 3 液压执行元件的负载和运动速度的大小及变化范围 工作压力 NFw 4 100 1 总行程 800mm 0 8m 工作行程 取 50mm mm50 工作头重量 N 3 100 1 启动和制动时间 0 1s 工进速度 smsmm 005 0 5 快进 快退 速度 取最大 0 05m s smsmm 05 0 04 0 5040 根据以上条件 快速下降时间为 15s 行进的距离为 0 75m 工进所用时间为 10s 行进的距离 为 0 05m 得到各个工位的速度参数如下 快速下行 行程 750mm 速度 50mm s 慢速加压 行程 50mm 速度 5mm s 快速退回 行程 800mm 速度 50mm s 单次循环的总时间是 15s 10s 16s 41s 二 分析系统工况 确定主要参数二 分析系统工况 确定主要参数 一 分析系统工况 一 分析系统工况 1 负载分析 工作负载NFF wt 4 100 1 惯性负载快进 快退起动制动 NNmaFm51 1 0 05 0 8 9 100 1 3 1 工进制动 NNamFm6 1 0 005 0 8 9 100 1 3 2 阻力负载 本系统阻力影响甚小 所以不予考虑 由此得出液压缸在各个工作阶段的负载如下表所示 2 表表 2 液压缸在各个工作阶段的负载值 单位液压缸在各个工作阶段的负载值 单位 N 工况负载组成负载值 F 推力 m F 起动 1m FF 5157 加速 1m FF 5157 快进 00 工进 w FF 1000011112 快退 00 注 1 液压缸的机械效率取9 0 m 2 不考虑摩擦阻力 故快进与快退中负载为 0 二 负载图和速度图的绘制 二 负载图和速度图的绘制 负载图按上面的数值绘制 如下图 a 所示 速度图按已知数值 和工进速度mmlllmmlmmlsmmvv80050750 50 2132131 快退行程 等绘制 smmv 5 2 三 液压缸主要参数的确定 三 液压缸主要参数的确定 由教材表 11 2 和表 11 3 可知 负载在 10 20kN 范围内 宜取 MPap35 2 1 3 1 确定液压缸几何尺寸 鉴于动力头要求快进 快退速度相等 这里液压缸可选用单杆式的 并在快进时作差动连接 由第五章得知 这种情况下在快退时活塞杆受拉 工进是爱压 由下表知液压缸无杆腔工作面积 就为有杆腔工作面积的两倍 即活塞杆直径 d 与缸筒直径 D 呈 d 0 707D 的关系 1 A 2 A 表表 3 2 5 2 中 低液压缸活塞杆直径推荐值中 低液压缸活塞杆直径推荐值 活塞杆受力情况受拉伸 受压缩 工作压力MPap 1 5 1 p75 1 p7 1 p 活塞杆直径 d 0 3 0 5 D 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D0 7 D 在校正液压机液压缸下行前 液压缸回油路上必须有背压 以防止动力头在重力作用下自 2 p 动下行 根据 现代机械设计手册 中推荐数值 可取 0 8MPa 快进时虽然作差动连接 但由 2 p 于油管中有压降存在 有杆无杆腔压力必须大于有杆腔 估算时可取 0 5MPa 快退时回油p p 腔中是有背压的 这时候按 0 6MPa 估算 2 p 工进时为液压缸无杆腔进油 由工进时的推力式 5 3 计算液压缸面积 21112211 2 pApApApAFF m 4 故有 22 2 11 0041 0 2 5 0 3 11112 2 mm p p F A m mmAD26 72 4 1 mmDd09 51707 0 当按 GB T2348 93 将这些直径圆整成就近标准值时得 D 80mm d 56mm 由此求得液压缸 两腔的实际有效面积为 242 1 1026 504 mDA 2422 2 1063 254 mdDA 2 计算系统所需的压力 平衡动力头所需的压力为 MPaAGp40 0 10 1063 25 1000 6 4 2 1 系统快进前起动加速时 所需压力为 MPa AA pAF p55 0 10 10 63 2526 50 1063 25105 057 6 4 46 21 2 1 2 系统快进时 所需压力为 MPa AA pAF p52 0 10 10 63 2526 50 1063 25105 00 6 4 46 21 2 1 3 系统工进时 所需压力为 MPa A FApp p42 2 10 1026 50 111121063 2510 4 08 0 6 4 46 1 22 1 4 系统快退前起动加速时 所需压力为 MPa A FGAp p59 1 10 1063 25 5710001026 50106 0 6 4 46 2 12 1 5 系统快退时所需压力为 MPa A FGAp p57 1 10 1063 25 010001063 25106 0 6 4 46 2 12 1 3 计算液压缸所需流量 液压缸的流量 3 1 smAvQ 式中 A 液压缸的有效面积 2 m v 活塞杆的行进速度 sm 快进所需流量 smvAAQ 1024 1 05 0 10 63 2626 50 344 1211 即min 39 7 1 LQ 工进所需流量 smvAQ 1051 2 005 0 1026 50 354 212 5 即min 506 1 2 LQ 快退所需流量 smvAQ 1028 1 05 0 1063 25 354 323 即min 68 7 3 LQ 4 计算系统所需功率 1 系统快进恒速时 输入功率为 kWQpP064 0 60 39 7 52 0 11 2 系统工进时 输入功率为 kWQpP061 0 60 506 1 42 2 21 3 系统快退时 输入流量为 kWQpP201 0 60 68 7 57 1 31 根据上述 D 与 d 的值 可估算液压缸在各个工作阶段中的压力 流量和功率 如下表所示 并据此会出工况图如所示 表表 4 液压缸在不同工作阶段的压力 流量和功率值液压缸在不同工作阶段的压力 流量和功率值 工况推 力 F 回油腔压力MPap 2 进油腔压 力 MPap 1 输入流量 1 min LQ 输入功 率 kWP 起动5700 55 加速570 55 快进 差动 恒速0 5 0 12 MPap ppp 0 527 390 064 工进11 11 2 0 82 421 5060 061 起动5701 59 加速571 59 快退 恒速0 0 6 1 577 680 201 三 拟定液压系统原理图三 拟定液压系统原理图 一 液压缸工况图的绘制 一 液压缸工况图的绘制 液压缸的工况图是指 1 液压缸压力循环图 2 流量循环图和 3 功率循环图 它是调整系统参 6 数 选择液压泵和阀的依据 1 压力循环图 通过最后确定的液压元件的结构尺寸 再根据实际载荷的大小求出液压执行元件 在其动作循环各阶段的工作压力 然后把他们绘制成 P l 图 2 流量循环图 根据己定的液压缸有效面积 结合其运动速度算出他在工作循环中每一阶段的实际 流量 把它绘制成 Q 一 l 图 3 功率循环图 绘制压力循环图和流量循环图后 绘制出系统的功率循环图 7 二 液压回路的拟定 二 液压回路的拟定 首先要选择平衡回路 由于本系统中的动力头是垂直运动部件 根据设计原则要考虑平衡回路 在本系统中 工作部件自重不大 活塞锁住时定位要求不高 故采用下图的单向顺序阀的平衡回路 由图分析知 换向阀 2 左位接入回路使活塞下行时 回油路上存在着一定的背压 只要调节单向顺 序阀 3 使液压缸内的背压能支承得住活塞和与之相连的工作部件 活塞就可以平稳的下落 当换向 阀处于中位时 活塞就停止运动 不再继续下移 继而选择调速回路 由液压缸的工况图可知 这台机床液压系统的功率小 动力头运动速度低 工作负载变化不大 可采用进口节流调速形式 由于液压系统选用了节流调速的方式 系统中油液必然是开式的 8 在这个液压系统的工作循环内 液压缸要求油源交替地提供低压大流量和高压小流量的油液 最大流量与最小流量之比约为 5 而快进快退所需时间和工进所需时间分别为 1 t 2 t svlvlt3150 80050 750 33111 svlt105 50 222 亦即是 因此从提高系统效率 节省能量的角度来看 采用单个定量泵作为油源33 0 12 tt 显然是不合适的 而家选用大 小两个液压泵自动关联供油的油源方案 9 接着是选择快速运动和换向回路 系统中采用节流调速回路后 不管采用什么形式油源形式都 必须有单独的沿路直接通向液压缸两腔 以实现快速运动 在本系统中 单杆液压缸要作差动连接 所以它的快进快退换向回路应采用下图所示形式 10 再而是选择速度换接回路 由工况图中的流量循环图可知 动力头从快进转为工进时 输入液 压缸的流量由 7 39L min 降为 1 506L min 动力头速度变化较大 宜选用行程阀来控制速度的换 接 以减少液压冲击 如下图所示 当动力头由工进转为快退时 回路中通过很大的流量 进油路中通过 7368L min 回油路中 能过 min 06 15min 63 25 26 50 68 7 LL 最后考虑压力控制回路 系统的调压问题和卸荷问题在油源中解决 就不需再设置专业的元件 或油路 三 液压回路的综合 三 液压回路的综合 把在面的各种回路组合画在一起 就可以得到下图所示的液压系统原理图 11 将此图仔细检查一遍 可以发现 这个图所示系统在工作中还存在问题 必须作如下的修改和 整理 1 为了解决动力头工进时图中进油路 回油路相互接通 系统无法建立压力的问题 必 须在换向回路中串接一个单向阀 a 将工进时的进油路 回油路隔断 2 为了解决动力头快进时油路接能油箱 无法实现差动连接的问题 必须在回油路上串 接一个液控顺序阀 b 以阻止油液在快进阶段返回油箱 3 为了便于系统自动发出快退信号 在调速阀输出端增设一个压力继电器 c 4 为了能使控制油有一定压力 应增设单向阀 d 产生压降 5 将顺序阀 b 与 11 合并 可以减少元件数量 经过上述修改 整理后的液压系统如下图所示 它在各自方面都比较合理完善了 12 四 选择液压元件四 选择液压元件 一 液压泵 一 液压泵 液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为 2 42MPa 如取进油路上的压力损失为 0 8MPa 见 教材表 11 4 压力继电器调整压力高出系统最大工作压力之值为 0 5MPa 刚小流量泵的最大工作 压力应为 MPaMPapp72 3 5 08 042 2 1 大流量泵是在快速运动时才向液压缸输油的 由压力循环图可知 快退时液压缸中的工作压力 比快进时大 如取快进油路上的压力损失为 0 5MPa 刚大流量泵的最高工作压力为 MPaMPapp09 2 5 059 1 2 两个液压泵应向液压缸提供的最大流量为 7 68L min 参照流量循环图 若回路中的泄漏按 液压缸输入流量的 10 估计 刚两个泵的总流量为 min 448 8 min 68 7 1 1LLqp 13 由于溢流阀的最小稳定溢流量为 3L min 而工进时输入液压缸的流量为 1 506L min 由小流 量泵单独供油 所以小液压泵的流量规格最少应为 3 5L min 根据以上压力和流量的数值查阅产品样本 最后确定选取 YB 的泵组合的双联叶 片泵 其小泵和大泵的排量分别为和 6 3mL r 若取液压泵的容积效率为9 0 v 刚当rmL 4 泵的转速时 液压泵的实际输出流量为min 910rnp min 435 8 min 1000 9 0910 3 64 LLqp 由于液压缸在快退时输入的功率最大 这时液压泵工作压力为 1 57MPa 流量为 8 453 L min 取泵的总效率为 刚液压泵驱动电机所需的功率为75 0 p kW qp P p pp 30 0 75 0 60 453 8 57 1 根据此数据按 JB T9616 1999 查阅电动机产品样本选取 Y90S 6 型电动机 其额定功率为 转速 kWPn75 0 min 910rnn 二 阀类元件及辅助元件 二 阀类元件及辅助元件 根据阀类有辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量 可选出这些液压 元件的型号及规格见下表 表表 5 5 元件的型号及规格元件的型号及规格 序号元件名 称 估计通 过流量 1 min L 额定流量 1 min L 额定压力 MPa 额定压降 MPa 型号 规格 1 2双联叶 片泵 3 27 5 166 3 6 3 YB1 4 6 3 rmLVp 3 64 3 三位四 通电磁 阀 177531 5 6 334DYF H16B TZLH 4 行程阀 256316 0 3 5 单向阀 256316 0 2 6 节流阀 1 5060 07 5016 AXQF E10B 单向行程调速阀 min 100 max Lq 7 两位四 通电磁 阀 8 510031 5 6 324DYF H20B TZLH 8 单向阀 8 56316 0 2AF3 Ea10B 14 min 80 max Lq 8 溢流阀 16316 YF3 E10B 9 背压阀 16316 YF3 E10B 10 单向阀 8 56316 0 2AF3 Ea10B min 80 max Lq 11 液控顺 序阀 5 26316 0 3XF3 E10B 12 溢流阀 3 36316 YF3 E10B 13 单向阀 5 26316 0 2AF3 Ea10B min 80 max Lq 14 过滤器 8 56316 0 02XU 6380 J 15 液压缸 16 单向阀 8 56316 0 2AF3 Ea10B min 80 max Lq 17 压力继 电器 10 HED1kA 10 18 单向阀 8 56316 0 2AF3 Ea10B min 80 max Lq 三 油管 三 油管 各元件间连接管道的规格按元件接口处尺寸决定 液压缸进 出油管刚按输入 排出的最大流 量计算 由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进 出流量已与原定数值不同 所以要重新 计算如下表所示 表中数值说明 液压缸快进 快退速度与设计要求相近 这表明所选液压 31 v v 泵的型号 规格是适宜的 表表 6 6 液压缸的进 出流量和运动速度液压缸的进 出流量和运动速度 流量 速 度 快进工进快退 输入流量 1 min L 22 17 63 2526 50 435 8 26 50 2111 AAqAq p506 1 1 q435 8 1 p qq 15 排出流量 1 min L 79 8 26 50 22 1763 25 1122 AqAq 77 0 26 50 506 1 63 25 1122 AqAq 55 16 63 25 435 8 26 50 2112 AqAq 运动速度 1 min m 42 3 63 2526 50 10435 8 q 21p1 AAv 30 0 26 50 10506 1 112 Aqv 30 3 63 25 10435 8 213 Aqv 根据上表数值 当油液在压力管中流速取 3m min 时 按式 7 9 算得与液压缸无杆腔和有杆 腔的油管内径分别为 mmmmvqd04 11 60103 1022 17 2 2 36 mmmmvqd73 7 60103 10435 8 2 2 36 这两根油管都按 GB T2351 2005 选用外径 12mm 内径 10mm 的无缝钢管 四 油箱 四 油箱 油箱容积按式 2 7 8 估算 当取为 7 时 求得其容积为 LqV p 1 59435 8 7 按 JB T7938 1999 规定 取标准什 V 63L 五 验算液压系统性能五 验算液压系统性能 一 验算系统压力损失并确定压力阀的调速值 一 验算系统压力损失并确定压力阀的调速值 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 故只能用式 教材 3 46 估算阀类元件的压力损失 待设计好管路而已后 加上管路的沿程损失和局部损失即可 但 对于中小型液压系统 管路的压力损失甚微 可以不予考虑 压力损失的验算应按一个工作循环中 不同阶段分别进行 1 快进 动力头快进时 液压缸差动连接 由表 5 6 可知进油路上油液通过单向阀 16 的流量是 8 5L min 通过电磁换向阀 3 的流量是 8 435L min 然后与液压缸有杆腔的回油汇合 以流量 17 22L min 通过行程 4 并进入无杆腔 因此进油路上的总压降为 MPaMPa MPapv 0709 0 0224 0 0449 0 0036 0 63 22 17 3 0 100 435 8 3 6 63 5 8 2 0 222 此值不大 不会使压力阀开启 故能确保两个泵的流量全部进入液压缸 回油路上 液压有杆腔中的油液通过电磁换向阀 7 是和单向阀 18 的流量都是 8 5L min 然后 与液压泵的供油合并 经行程阀 4 流入无杆腔 由此可算出快进时有杆腔压力与无杆腔压力 2 p 16 之差 1 p MPaMPa MPappp 071 0 0224 0 0036 0 045 0 63 22 17 3 0 63 5 8 2 0 100 5 8 3 6 222 12 此值小于原估计值 0 5MPa 见表 4 所以是偏安全的 2 工进 工进时 油液在进油路上通过电磁换向阀的流量是 1 506L min 在节流调速阀 5 6 外的压力 损失为 0 5MPa 油液在回油路上通过电磁换向阀 7 的流量是 0 77L min 在背压阀 9 处压力损失为 0 5MPa 通过顺序阀 9 的流量为 0 24 5 16 L min 5 4L min 因此这时液压缸回油腔的压力 为 2 p MPaMPap503 0 63 4 5 3 05 0 100 77 0 3 6 22 2 可见此值略大于原估计什 0 5Mpa 故可按表 4 中公式重新计算工进时液压缸进油腔压力 1 p 即 MPaMPa A ApF p47 2 10 1026 50 1063 2510503 0 11112 6 4 46 1 22 1 此值与表 4 中的数值 4 42MPa 相近 考虑到压力继电器可靠动作需要压差 故溢流阀 12 的调压应为MPap5 0 Ap p 1 MPaMPapppp eAp 47 5 5 05 0 100 3 6 5 047 2 2 111 3 快退 快退时 油液在进油路上通过单向阀 16 的流量是 8 5L min 通过电磁换向阀 3 的流量为 8 435L min 油液在回油路上通过单向阀 5 电磁换向阀 3