液压传动课程设计.doc

液压气动技术 Hydraulic pneumatic technology 课程设计说明书学校：安徽电视广播大学芜湖分校题目：半自动液压专用铣床液压系统的设计专业：液压气动技术班级：10秋机械（本）设计人：彭洪指导教师：胡老师设计日期：2012年4月10日目 录设计任务书 4序言 5第1章 设计要求6 1.1 机床类型及动作循环要求61.2 机床对液压传动系统的具体参数要求61.3 机床的制造及技术经济性问题6第2章 工况分析与方案选择62.1 分析工况及设计要求，绘制液压系统图62.2 计算液压缸的外负载72.3 确定系统的工作压力72.4 确定液压缸的几何参数7第3章 液压元件的计算和选择83.1 确定液压泵规格和电动机功率及型号83.2 确定各类控制阀93.3 确定油箱容量和结构93.4 选择液压油10第4章 主要部件结构设计与强度校核计算104.1 确定液压缸的结构104.2 计算液压缸主要零件的强度和刚度104.3 完成液压缸的结构设计和部分零件图114.4 结构设计的强度校核134.5 选择装配方案14第5章 液压系统的验算145.1 执行元件输出力或力矩及最低、最高速的校核145.2 管路系统压力损失的估算145.3 压力阀调整压力的确定155.4 系统热平衡计算与油箱容积的验算15简单小结与心得17附录19参考文献21液压传动课程设计任务书题目：半自动液压专用铣床液压系统的设计内容： 1、液压缸设计装配图 1张(见附录)2、液压系统原理图 1张(见附录)3、半自动铣床控制系统图（PLC图） 1张(见附录)4、课程设计说明书 1本序 言本次的课程设计其实主要是由“液压气动技术”课程发展而来的。这次的课程设计属于专业课程设计的方向之一，也是毕业设计前的一个练习和前奏。“液压气动技术”课程是机械设计制造及其自动化专业的主要专业课程之一。“液压气动技术”是一个专业面宽、通用性强的课程，也是一门综合性与实践性较强的课程。成为能适应21世纪科技发展需要的机械设计人才，为国民经济建设作贡献是作为学习本课程学生的使命。“液压气动技术”课程设计是囊括把机械制图、机械制造基础、机械设计、机械制造工艺、液压与气压传动等一系列专业基础知识。这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们学习生活中占有重要的地位。就我个人而言，我希望通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼分析问题，解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础。由于能力有限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指教。第1章、设计内容及要求设计一半自动液压专用铣床液压系统，设计内容及要求如下：1.1 机床类型及动作循环要求设计一台用成型铣刀在工件上加工出成型面的液压专用铣床。要求机床工作台上一次可安装两只工件并能同时加工。机床的工作循环为：手工上料按电钮自动定位夹紧工作台快进铣削进给工作台快退夹具松开手工卸料。1.2 机床对液压传动系统的具体参数要求下表列出了机床对液压传动系统的具体参数要求。 表1-1 机床对液压传动系统的具体参数要求液压缸名 称负载力（）移动件重力（）快进速度(m/min)工进速度(m/min)快退速度(m/min)行程(mm)启动时间 (S)定位与夹紧缸运动时间 (S)定位液压缸5002010夹紧液压缸45004015进给液压缸4000200060.0356快进工进0.5400100 工作台采用平导轨，导轨面的静摩擦系数f0.2，动摩擦系数f0.1。1.3 机床的制造及技术经济性问题该机床为一般技术改造中自制的专用设备，所以力求结构简单，投产快，工作可靠，主要零部件能适应中小型机械工厂的加工能力，配合电气控制可以实现单机半自动化工作的要求。第2章、工况分析与方案选择2.1 分析工况及设计要求，绘制液压系统草图机床工况由题可知为： 定位液压缸 夹紧液压缸 工作台进给液压缸 图2-1 定位液压缸工况图 图2-2 夹紧液压缸工况图 图2-3 进给液压缸工况图 按设计要求，希望系统结构简单，工作可靠，估计到系统的功率不会很大，且连续工作，所以决定采用单个定量泵、非卸荷式供油系统；考虑到铣削时可能有负的负载力产生，故采用回油节流调速的方法；为提高夹紧力的稳定性与可靠性，夹紧系统采用单向阀与蓄能器的保压回路，并且不用减压阀，使夹紧油源压力与系统的调整压力一致，以减少液压元件数量，简化系统结构；定位液压缸和夹紧液压缸之间的动作次序采用单向顺序阀来完成，并采用压力继电器发讯启动工作台液压缸工作，以简化电气发迅与控制系统，提高系统的可靠性。综上考虑，绘制出图1所示的液压传动系统草图。系统中采用Y型三位四通阀是为了使工作台能在任意位置停留，并使换向平稳。二位四通阀在1DT失电时，是加紧液压缸处于夹紧状态，其目的是为了增加安全可靠性，并可以延长电磁铁的寿命。2.2 计算液压缸的外负载（1）定位液压缸：已知负载力 R500N(惯性力于摩擦力可以忽略不计)（2）夹紧液压缸：已知负载力 R4500N(惯性力于摩擦力可以忽略不计)（3）工作台进给液压缸：有效负载力 Rw4000N(已知)惯性力 Rmma=40.8N (按等加速度处理)。摩擦力由液压缸的密封阻力与滑台运动时的摩擦力组成。当密封阻力按5有效作用力估算时，总的摩擦阻力 Rf0.05Rw+Fg=0.054000+0.22000600N,故总负载力：R=Rw+Rm+Rf4000+40.8+6004640.8N2.3 确定系统的工作压力因为夹紧液压缸的作用力最大，所以可以按其工作负载来选定系统的压力。由本书结构设计参考资料表3-1可以初定系统的压力为0.81MPa，为使液压缸体积紧凑，可以取系统压力为p11.5MPa 。2.4 确定液压缸的几何参数（1）定位液压缸 （2-1） 考虑到液压缸的结构与制造的方便性，以及插销的结构尺寸等因素，可以取D=40mm，d20mm（参见表3-4，表3-6，表3-7）。 （2）夹紧液压缸 取D=63mm，d32mm（参见表3-4，表3-6，表3-7）。 （3）进给液压缸因为采用双出杆液压缸，所以 （2-2）按工作压力，可以选杆径,代入上式，求得： （2-3）一般可取背压（对低压系统而言），代入上式有： 按表3-4，表3-7取进给液压缸系列化的标准尺寸为：D=90mm，d28mm。第3章、液压元件的计算和选择3.1 确定液压泵规格和电动机功率及型号（1）确定液压泵规格（a）确定理论流量定位液压缸最大流量： （3-1）夹紧液压缸最大流量： 因为有两个夹紧液压缸同时工作，所以进给液压缸最大流量： （3-2） （b）确定液压泵流量：由于定位、夹紧、进给液压缸是分时工作的，所以其中某缸的最大流量即是系统的最大理论的油流量。另外考虑到泄漏流量和溢流阀的溢流流量，可以取液压泵流量为系统最大理论流量的1.11.3倍，现取1.2倍值计算，则有 （3-3）采用低压齿轮泵，则可取CB-B50为系统的供油泵，其额定流量为50L/min，额定压力为2.5MPa，额定转速为1450r/min。（c）确定电动机功率及型号电动机功率（） （3-4）按CB-B*型齿轮泵技术规格，查得的驱动电机功率为2.6kw，或取功率略大一点的三相异步电机。现选取电动机型号为YD112M-6/4,额定功率为2.8kw，转速为1500r/min。3.2 确定各类控制阀系统工作压力为1.5MPa，油泵额定最高压力为2.5MPa，所以可选取额定压力大于或等于2.5MPa的各种元件，其流量按实际情况分别选取。目前中低压系统的液压元件，多按6.3MPa系列的元件选取，所以可以选取：溢流阀的型号为；Y-50B;工作台液压缸换向阀型号为34D-50BY;快进二位二通电磁阀型号为：22D-50B;调速阀型号为：Q-10B;背压阀型号为B-50B;定位、夹紧系统的最大流量为3.46L/min，所以可以选取：单向阀型号为I-10B;换向阀型号为24D-10B;单向顺序阀型号为XI-B10B;蓄能器供油量仅作定位夹紧系统在工作台快进、工进与快退时补充泄漏和保持压力之用，其补油量极其有限，所以可以按容积最小的规格选取。现选取NXQ-0.63/10-L型胶式蓄能器，当时，其有效补油体积为。滤油器可选用型号为CWU-50120B的网式滤油器，过滤精度为120um。压力表可选用Y-60型量程为6.3MPa的普通精度等级的量表。选用量程较高的压力表可以避免在系统有压力冲击时经常损坏，但量程选得过大会使观察和调整的精度降低。管道通经与材料，阀类一经选定，管道的通经基本上已经决定，这是标准化设计的一大方便。只有在有特殊需要时才按管内平均流速的要求计算管道通经。按标准：（1） 通经（2） 50L/min流量处，选用15通经的管道；10L/min流量处，选用8通经的管道。为便于安装，可以采用紫铜管，扩口接头安装方式。（3） 壁厚 按强度公式有； （3-5）其中，紫铜的，为安全起见，取p2.5MPa来计算 所以可以取15、壁厚1.6mm和8、壁厚0.8mm的紫铜管。考虑到扩口处管子的强度，壁厚可以略有增加，一般按常用紫铜管的规格选取即可（对低压系统而言），对高压系统必须进行计算。3.3 确定油箱容量与结构因为是低压系统，油箱容积按经验公式计算：油箱容积V=(24)Q现取V=4Q=350=150L,结构可以采用开式、分立、电动机垂直安置式标准油箱（参阅液压传动设计指导书第三部分中油箱及液压泵装置的设计部分）。3.4 选择液压油该系统为一般金属切削机床液压传动，所以在环境温度为之间时，一般可选用20号或30号机械油。冷天用20号机械油，热天用30号机械油。第4章、 主要部件结构设计及强度校核4.1 确定液压缸的结构形式液压缸的结构形式是指它的类型、安装方法、密封形式、缓冲结构、排气等。定位与夹紧液压缸均采用单出杆、缸体固定式；为减少缸体与活塞体积、简化结构；采用O形圈密封；由于行程很短，运动部件质量小，速度也不大，不必考虑缓冲结构；排气螺塞也可以由油管接头来代替。工作台液压缸采用装配活塞、双出杆、缸体固定式，采用双出杆可以使活塞在工作时处于受拉伸应力状态，有利于提高活塞杆的稳定性，并且可以减小活塞杆的直径。活塞上采用两个O形密封圈；缸盖上因为压力不高，杆径较小，所以采用一个U形橡胶密封圈。另外，由于工件材料为铸铁，加工时粉尘及小片状或针状的铁削较多，所以又加上了一个防尘圈。夹紧液压缸的防尘圈也是鉴于同样原因安放的。由于机床工作台作直线进给运动，在运动方向上没有严格要求（这一点与一般钻削动力头液压缸的要求有所区别），不必采用缓冲结构。快退时可以采用电气行程开关预先发讯，使三位四通换向阀切换至中位，工作台停住，避免刚性冲击；排气也采用松开油管进油螺塞的方法进行，而不设专门的放气螺塞。 4.2 计算液压缸主要零件的强度和刚度定位、夹紧油缸的内径和长度较小，一般可以按厚壁筒强度计算公式来估计必需的壁厚。由公式 （4-1）当额定压力时，取，将，的值及定位、夹紧液压缸的直径D代入计算公式，可得：,.工作台液压缸壁厚用薄壁筒计算公式求：。 (4-2)从以上计算可以看出，对于小型低压（D100mm，）液压缸，按强度条件计算出来的缸壁厚度尺寸是很小的。因此在设计这类液压缸时，可以先不计算而直接按机械结构的需要（主要是缸体与缸盖连接处的尺寸及考虑到缸筒刚度所需的基本厚度尺寸）直接设计制图，然后进行强度校核。这样做在一般的情况下，均可满足刚度要求。而对于高压液压缸或铸铁材料的缸体，缸壁的强度估算是必要的，这样可以避免结构设计图的返工和修改。对于缸盖、活塞杆、连接件，鉴于与上相同的原因，强度计算一般亦可放在结构设计后的强度校核中进行。4.3 完成液压缸的结构设计和部分零件图（1）液压缸的长度与壁厚的确定a.液压缸的长度一般右工作行程长度来确定，但还要注意制造工艺性和经济性，一般应取,b.液压缸壁厚的计算一般，低压系统用的液压缸都是薄壁缸，缸壁可用下式计算： (4-3)式中：-缸壁厚度（m）；-试验压力（Pa）当额定压力16MPa时，；D-液压缸内径，-缸体材料的许用应力（Pa）；.所以：定位液压缸：，取夹紧液压缸：，取进给液压缸：，取（2）.液压缸外径的计算 (4-4)液压缸的外径按标准JB1068-67系列或无缝钢管的尺寸选取，参看表3-13和表3-14。可得，选用20号钢。定位液压缸：夹紧液压缸：进给液压缸：（4） 液压缸缸底和缸盖的计算液压缸的缸底和缸盖，在中低压系统中一般是根据结构需要进行设计，不进行强度计算的。但在高压系统，一般都要进行强度计算。其计算方法如下：a. 缸底厚度的计算（采用平面形有油孔缸底）由公式 (4-5)式中 ： b. 缸盖厚度的计算（采用椭圆形法兰缸盖，45号钢） 由公式 (4-6)式中 ： 所以 C.缸盖连接强度计算1）定位液压缸的缸盖连接采用螺栓连接拉应力： (4-7)剪应力： (4-8)合成应力： (4-9)2）夹紧液压缸的缸盖采用螺栓连接拉应力：剪应力：合成应力：3）进给液压缸的缸盖采用外卡键连接剪切应力： (4-10)挤压应力： (4-11)缸筒危险断面拉应力： (4-12)（5） 液压缸进出油口尺寸的确定 液压缸的进出口尺寸，是根据油管内的平均流速来确定的，要求压力管路内的最大平均流速控制在45m/s以内，过大会造成压力损失剧增，而使回路效率下降，并会引起气蚀，噪音，振动等，因此油口不宜过大。但是，也要注意到结构上的可能。一般可按液压传动设计指导书的表3-15选取或按液压传动设计指导书的表3-16选用。故可以确定：定位液压缸的进出口尺寸为10mm；夹紧液压缸的进出口尺寸为20mm；进给液压缸的进出口尺寸为20mm； 4.4 结构设计的强度校核校核缸盖A-A断面弯曲应力 由公式 (4-13)式中：所以 所以均符合。4.5 选择装配方案选择装配方案主要指的是选择阀块部件的装配方案。本设计采用阀板式集成块组合方法。第5章、液压系统的验算5.1 执行元件输出力或力矩及最低、最高速度的校核现选工作台液压缸最低要求速度为例进行校核。工作台液压缸有效作用面积为 (5-1)由产品样本查得调速阀最小稳定流量为1170 ，如果不考虑二位二通电磁阀内部的泄漏流量，工作台液压缸运动的最低速度为 (5-2)而设计要求的工作台最低运动速度为1.035m/min，所以液压缸最低运动速度能达到预定的要求。5.2 管路系统压力损失的估算 由于定位，夹紧回路在夹紧后的流量几乎为零，所以管路系统的压力损失主要应在工作台液压缸回路中进行估算。为可靠起见，按快进时最大流量来估算压力损失。即以来考虑。一般，在简单的低压金属切削机床（非高速运动机械）液压系统中值可按经验取为（0.10.3）（为系统调整压力）。故5.3 压力阀调整压力的确定可取。由于系统压力在初步设计时一般取为泵的额定压力的5070，目的是为了延长泵的寿命，减小噪音，所以泵源总有一定的压力能力储备。系统的调整压力可以在试车阶段进一步调节。顺序阀的控制压力可以选择为先动液压缸最大起动压力值的150200；而必须比系统调整压力低。在本设计中，顺序阀的控制压力可调为0.60.7MPa，可以在试车时调定。压力继电器发讯时的压力必须比系统额定压力值稍小一些，这样才能发出讯号来。在本设计中压力继电器的发讯压力可调为1.41.5MPa。5.4 系统热平衡计算和油箱容积的验算系统的发热量可以由功能守恒、平均有效功率的概念出发简捷求得。在本设计中因为定位，夹紧液压缸消耗的功率很小，所以可以略去不计。工作台液压缸的每一工作阶段输出的功率及时间示于下表： 表5-1 工作台液压缸的每一工作阶段输出的功率及时间快 进 工 进 快 退装拆工件停留时间 4（s） 171.43（s） 5（s） 20（s）液压缸输出功率 0.017（kw） 0.0013（kw） 0.017（kw） 0 （kw）液压泵输出功率0.019（kw） 0.76（kw）0.019（kw） 0.77（kw）系统总效率 0.9 0.0017 0.9 0工作循环时间 (5-3)发热率： (5-4)散热量,按油箱设计资料，在通风良好的条件下取K=15(Kcal/)6.3.油箱散热面积 (5-5)取温升极限，代入计算式可得可见油箱容量符合要求。 简单小结与心得1.设计小结 本系统是工厂自制专用设备，因此考虑的主要因素是简单、实用、成本低、上马快。因为功率不大，所以系统效率不是主要矛盾，因而可采用定量泵非卸荷式简单的供油系统。装配方案采用阀板式也是鉴于上述原因。定位夹紧系统采用蓄能器与顺序阀，目的是为了简化电气系统，增加夹紧的可靠性。采用分立标准油箱是为了便于液压系统的安装、调试与维修。在床身结构允许的条件下，采用内部油箱可以进一步缩小机床的占地面积，但势必增加床身的复杂性，单件制造的成本亦会提高，因为工作滑台进给力不是很大，故采用双出杆的液压缸结构也是合理和方便的。若采用标准滑台，则重新计算整个系统即可。2.设计心得体会通过本次课程设计,本人懂得了一些机械工程方面的基本专业知识。 本次课程设计的题目为半自动液压专用铣床液压泵系统的设计，主要设计部分也是难点部分为液压缸的设计校核。在设计过程中，每一步都以事实为基础，以设计标准为依据，以达到工作要求为目的。这一次的课程设计，与以往的课程设计