纪文选液压课程设计

机电工程学院 液压与气压传动液压与气压传动课程设计课程设计 说说 明明 书书 课题名称 专用钻床的液压系统 学生姓名 纪文选 学号 20100611220 专 业 机械制造 班级 10 机制 2 成 绩 指导教师签字 2013 年6 月24 日 1 1 液压与液力传动设计任务书液压与液力传动设计任务书 1 1 设计题目和目的 1 1 2 设计步骤和内容 1 二二 运动分析和负载分析运动分析和负载分析 2 1 运动分析 2 2 2 负载分析 2 3 三 液压系统方案设计三 液压系统方案设计 3 1 确定液压泵类型及调速方式 4 3 2 选用执行元件 4 3 3 快速运动回路和速度换接回路 4 3 4 换向回路的选择 5 3 5 定位夹紧回路的选择 5 3 6 动作换接的控制方式选择 6 3 7 液压基本回路的组成 7 四 液压系统的参数计算四 液压系统的参数计算 4 1液压缸参数计算 7 8 9 10 五 液压原件的选择五 液压原件的选择 5 1 液压阀及过滤器的选择 11 12 六 验算液压系统性能六 验算液压系统性能 6 1压力损失的验算及泵压力的调整 13 14 七 总结七 总结 15 一一 液压与液力传动设计任务书液压与液力传动设计任务书 1 设计题目和目的 题目 试设计一专用钻床的液压系统 要求完成 快进 工作 快 退 停止 卸荷 的工作循环 已知 切削阻力为15000N 运动部 件自重为6000N 快进行程为350mm 工进行程为80mm 快进 快退运 动速度为5 5m min 工进速度为60 1000mm min 加速和减速时间为 t 0 2sec 机床采用平导轨 摩擦系数为Fs 0 2 Fd 0 1 目的 液压系统的设计是整机设计的重要组成部分 主要任务是综合 运用前面各章的基础知识 学习液压系统的设计步骤 内容和方法 通过学习 能根据工作要求确定液压系统的主要参数 系统原理图 能进行必 要的设计计算 合理地选择和确定液压元件 对所设计的液压系统 性能进行校验算 为进一步进行液压系统结构设计打下基础 2 设计步骤和内容 液压系统的设计步骤和内容大致如下 1 明确设计要求 进行工况分析 绘制负载和速度循环图 2 确定液压系统的主要性能参数 3 进行方案设计 拟订液压系统原理图 4 计算和选择液压元件 5 验算液压系统的性能 6 液压缸设计 7 绘制工作图 编写技术文件 并提出电气控制系统的设计任务 书 以上步骤中各项工作内容有时是互相穿插 交叉进行的 对某些复 杂的问题 需要进行多次反复才能最后确定 在设计某些较简单的 液压系统时 有些步骤可合并和简化处理 二二 运动分析和负载分析运动分析和负载分析 1 运动分析 快进 工进 快退 拔销松开 定位夹紧 图1 1 动作循环图 负载分析 负载分析中 暂不考虑回油腔的背压力 液压缸的密封装置产生的 摩擦阻力在机械效率中加以考虑 因工作部件是卧式放置 重力的 水平分力为零 这样需要考虑的力有 切削力 导轨摩擦力和惯性 力 导轨的正压力等于动力部件的重力 设导轨的静压力为Ffs 动 摩擦力为Ffd 则 Ffs fsFN 0 2 6000N 1200N Ffd fdFN 0 1 6000N 600N 而惯性力 Fm N 255 1N 2 08 9 60 56000 t v g G t v m 如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦里的影响 并设液压 缸的机械效率 m 0 95 则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以 算出 见表1 1 表1 1 液压缸各运动阶段负载表 运动阶段计算公式总机械负载F N 定位夹紧 6000 启 动 F Ffs m1263 加 速 F Ffd Fm m900 快 进 快 F Ffd m631 进 工进 F Ft Ffd m1531 快退 F Ffd m631 三 液压系统方案设计三 液压系统方案设计 3 1确定液压泵类型及调速方式 参考同类组合机床 由于快进 快退和工进速度相差比较大 为 了减少功率损耗 采用限压式变量叶片泵供油 调速阀进油节流调 速的开式回路 溢流阀作定压阀 为防止钻孔钻通时滑台突然失去 负载向前冲 回油路上设置背压阀 初定背压值Pb 0 8Mpa 3 2选用执行元件 因系统动作循环要求正向快进和工作 反向快退 且快进 快退 速度相等 因此选用单活塞杆液压缸 快进时差动连接 无杆腔面 积A1等于有杆腔面积A2的两倍 由于结构上的原因和为了有较大的 有效工作面积 定位缸和夹紧缸也采用单杆活塞液压缸 3 3快速运动回路和速度换接回路 根据运动方式和要求 采用差动连接快速运动回路来实现快速运动 根据设计要求 速度换接要平稳可靠 另外是专业设备 所以可采 用行程阀的速度换接回路 若采用电磁阀的速度换接回路 调节行 程比较方便 阀的安装也比较容易 但速度换接的平稳性较差 3 4换向回路的选择 由速度图可知 快进时流量不大 运动部件的重量也较小 在换 向方面无特殊要求 所以可选择电磁阀控制的换向回路 为方便连 接 选择三位五通电磁换向阀 3 5定位夹紧回路的选择 按先定位后夹紧的要求 可选择单向顺序阀的顺序动作回路 通 常夹紧缸的工作压力低于进给缸的工作压力 并由同一液压泵供油 所以在夹紧回路中设减压阀减压 同时还需满足 夹紧时间可调 在进给回路压力下降时能保持夹紧力 所以要接入节流阀调速和单 向阀保压 换向阀可连接成断电夹击方式 也可以采用带定位的电 磁换向阀 以免工作时突然断电松开 3 6动作换接的控制方式选择 为了确保夹紧后才能进行切削 夹紧与进给的顺序动作应采用压 力继电器控制 当工作进给结束转为快退时 由于加工零件是通孔 位置精度不高 转换控制方式可采用行程开关控制 3 7液压基本回路的组成 将已选择的液压回路 组成符合设计要求的液压系统并绘制液压 系统原理图 此原理图除应用了回路原有的原件外 又增加了液控 顺序阀6和单向阀等 其目的是防止回路间干扰及连锁反映 从原理 图中进行简要分析 1 工件定位夹紧 1 先定位 压力油 减压阀8 单向阀9 电磁换向阀10 定位缸18无杆腔 定位缸18有杆腔 电磁换向阀10 油箱 2 再夹紧 工件定位后 压力油压力升高到单向顺序阀开启的压 力 单向顺序阀开启 压力油 单向顺序阀11 单向调速阀12 夹紧缸17无杆腔 夹紧缸17有杆腔 电磁换向阀10 油箱 2 快进 2YA通电 电磁换向阀3左位工作 由于系统压力低 液控 顺序阀6关闭 液压缸有杆腔的回油只能经换向阀3 单向阀5和泵流 量合流经单向行程调速阀4中的行程阀进入无杆腔而实现差动快进 显然不增加阀6 那么液压缸回油通过阀7回油箱而不能实现差动 叶片泵1 单向阀2 电磁换向阀3 单向行程调速阀4 主液压缸 19 差动连接 3 工进 4YA通电 切断差动油路 快进行程到位 挡铁压下行程 开关 切断快进油路 4YA通电 切断差动油路 快进转工进 系统 压力升高 液控顺序阀6被打开 回油腔油液经液控顺序阀6和背压 阀7流回油箱 此时 单向阀5关闭 将进 回油路隔开 使液压缸 实现工进 叶片泵1 单向阀2 电磁换向阀3 单向行程调速阀4 主液压缸19 无杆腔 主液压缸19有杆腔 电磁换向阀3 液控顺序阀6 背压阀7 油箱 4 快退 3YA通电 工进结束后 液压缸碰上死挡铁 压力升高到 压力继电器调定压力 压力继电器发出信息 2YA断电 3YA 4YA通 电 叶片泵 单向阀4 电磁换向阀3 主液压缸有杆腔 主液压缸无杆 腔 单向行程阀4 电磁换向阀3 油箱 主液压缸无杆腔快退到位碰行程开关 行程开关发信息 下步工件 拔销松夹 5 拔销松夹 1YA通电 液压油 减压阀8单向阀9 电磁阀10 定位缸18和夹紧缸17的有杆 腔 定位缸18无杆腔 电磁阀10 油箱 夹紧缸16无杆腔 单向调速阀12的单向阀 单向顺序阀11的单向阀 电磁阀10 油箱 工件松夹后发出信息 操作人员取出工件 6 系统组成后 应合理安排几个测压点 这些测压点通过压力表开 关与压力表相接 可分别观察各点的压力 用于检查和调试液压系 统 表 2 1 电磁铁动作顺序表 1Y2Y3Y4Y 定位夹紧 快进 工进 快退 拔销松开 四 液压系统的参数计算四 液压系统的参数计算 4 1液压缸参数计算 4 1 1初选液压缸的工作压力 所设计的动力滑台在工进时负载最 大 在其它工况负载都不太高 参考表3 1和表3 2 根据F 14084N 初选液压缸的工作压力p1 3MPa 4 1 2计算液压缸主要尺寸 鉴于动力滑台快进和快退速度相等 这里的液压缸可选用单活塞杆 式差动液压缸 A1 2A2 快进时液压缸差动连接 工进时为防止钻 透时负载突然消失发生前冲现象 液压缸的回油腔应有背压 参考 表3 2选此背压为p2 0 6Mpa 表3 1 按负载选择工作压力 负载 KN 50 工作压力 MPa 0 8 1 1 5 2 2 5 3 3 44 5 5 表3 2执行元件背压力 系统类型背压力 MPa 简单系统或轻载节流调速 系统 0 2 0 5 回油路带调速阀的系统 0 4 0 6 回油路设置有背压阀的系 统 0 5 1 5 用补油泵的闭式回路 0 8 1 5 回油路较复杂的工程机械 1 2 3 回油路较短且直接回油可忽略不计 由表1 1可知最大负载为工进阶段的负载F 15000N 按此计算A1则 A1 57 7cm2 2 55 1 108 2 1 1030 15000 2 1 m pp F b 23 1077 5 m 液压缸直径D cm31 8 cm 2 5444 1 A 由A1 2A2可知活塞杆直径 d 0 707D 0 707 8 31cm 5 87cm 按GB T2348 1993将所计算的D与d值分别圆整到相近的标准直径 以 便采用标准的密封装置 圆整后得 D 9cm d 6 3cm 按标准直径算出 A1 2222 6 639 44 cmcmD 222222 2 4 32 3 69 4 4 cmcmdDA 则液压缸的实际计算工作压力为 MPaPaPa A F P35 21035 2 10 6 63 15000 6 4 1 则实际选取的工作压力P 3MPa满足要求 按最低工作速度验算液压缸的最小稳定速度 若验算后不能获得最 小的稳定速度是 还需要响应加大液压缸的直径 直至满足稳定速 度为止 查产品样本 调速阀最小稳定流量 因工进 min 05 0 min Lq 速度v 0 1m min由课本式 8 11 22 2 3 min min 1 5 12 1004 0 1005 0 cmcm v q A 本例A1 63 6cm2 12 5cm2 满足最低速度要求 4 1 3确定夹紧缸的内径和活塞直径 根据夹紧缸的夹紧力 5000N 选夹紧缸工作压力 1 5MPa可以 夹 F 夹 P 认为回油压力为零 则夹紧缸的直径 cm5 6m065 0 m 105 114 3 50004 P F4 6 夹 夹 D 根据表3 4取d D 0 5则活塞杆直径 cmcmDd25 3 5 65 05 0 夹 按GB T2348 1993将所计算的D与d值分别圆整到相近的标准直径 以 便采用标准的密封装置 圆整后得 D夹 7cm d夹 3 6cm 表3 3按工作压力选取d D 工作压力 MPa 5 05 0 7 0 7 0 d D0 5 0 550 62 0 700 7 4 1 4 计算液压缸各工作阶段的工作压力 流量和功率 根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积 可以算出液 压缸的工作过程各阶段的压力 流量和功率 在计算工进时的背压 按代人 快退时的背压按pb 5 105Pa代入计算公式和 Papb 5 108 计算结果列于表3 4中 表 3 4 液压缸所需要的实际流量 压力和功率 负载 F 进油压 力 j p 回油压 力 Pb 所需流 量 输入功 率 工作循 环 计算公 式 NPaPa minL KW 定位夹 紧 qpP vAq A F p 1 1 6000 5 1013 01 850 040 差动快 进 qpP AAvq AA pAF p j j 21 21 2 1032 5 105 8 5 10 5 13 15 60 221 工作循计算公负载 F进油压回油压所需流输入功 力力 Pb 量率 环式 NPaPa minL KW 工进qpP vAq A ApF p j b j 1 1 2 14084 5 10 2 26 5 108 0 320 014 快退qpP vAq A ApF p j b j 2 2 1 1032 5 1013 5 105 16 20 351 5 5 液压原件的选择 液压原件的选择 5 1液压阀及过滤器的选择 根据液压阀在液压系统中的最高工作压力与通过该阀的最高流量 可选出这些元件的型号及规格 本题中所有阀的额定压力都为 额定流量根据各阀通过的流量 确定为 a p 5 1063 三种规格 所有元件的规格型号列于表5中 min 63min 25min 10LLL和 过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器 表中序 号与系统原理图中的序号一致 表 5 1 液压元件明细表 序 号 元件名称 最大通过流量 1 min L 型号 1 限压式变量叶片泵 20YBX 20 2 单向阀 20I 25B 3 三位五通电磁阀 4035D1 63BY 4 单向行程调速阀 40UCF1G 03 5 单向阀 20I 25B 6 液控顺序阀 0 16XY 25B 7 背压阀 0 16B 10B 8 减压阀 20JF3 C10B 9 单向阀 20I 10B 10 二位四通电磁换向 阀 2024D1 63BH 11 单向顺序阀阀 20AXF3 C B 12 单向调速阀 20MK 10G 13 压力继电器 DP1 63B 14 溢流阀 20Y 25B 15 过滤器 40XU B40 100 16 压力开关表 K 6B 20 电机 Y90S 4 5 2油管的选择 根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸 液压缸的进 出油管按输入 输出的最大流量来计算 由于本系统液压缸差动连 接快件快退时 油管内通油量最大 其实际流量为泵的额定流量的 两倍达32L min 则液压缸进 出油管直径d按产品样本 选用内径 为15mm 外径为19mm的10号冷拔钢管 5 3油箱容积的确定 中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的5 7倍 本题取7 本倍 故油箱容积为 六 验算液压系统性能六 验算液压系统性能 6 1压力损失的验算及泵压力的调整 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计算 6 1 1工进时的压力损失验算和泵的压力调整 工进时管路中的流量仅为因此流速很小 所以沿程压力损 min 32 0 L 失和局部压力损失都非常小 可以忽略不计 这时进油路上仅考虑 调速阀的压力损失 回油路上只有背压阀的压力损失 a pp 5 1 105 小流量泵的调整压力应等于工进时液压缸的工作压力加上进油路 1 p 压差 并考虑压力继电器动作需要 则 1 p aaap pppppp 555 11 10 2 3610 55 2 26 105 即泵的调定压力应按此压力调整 6 1 2快退时的压力损失验算 因快退时 液压缸无缸腔的回油量是进油量的2倍 其压力损失比快 进时要大 因此必须计算快退时的进油路与回油路的压力损失 已知 快退时进油管和回油管长度均为 油管直径 ml8 1 通过的流量为进油路 回 md 3 1015 smLq 1033 0 min 20 33 1 油路q 2 40L min 0 67 10 3m3 s 压力系统选用N32号液压油 考 虑最低工作温度为15 C 由手册查出此时油的运动粘度 油的密度 液压系统元件采用集成块 scmst 5 15 1 2 3 900mkg 式的配置形式 确定油的流动状态 按式 1 30 经单位换算为 44 10 2732 1 10Re d qvd 式中 smv平均速度 通过的流量 油的运动粘度 油管内径 sm scm m 3 2 q d 则进油路中流量的雷诺数为 230018710 5 11015 1033 0 2732 1 Re 4 3 3 1 回油路中液流的雷诺数为 230037410 5 11015 1067 0 2732 1 Re 4 3 3 2 由上可知 进回油路中的流动都是层流 沿程压力损失 由式 1 37 可算出进油路和回油路的压力损 p 失 在进油