汽车液压与气压传动课程设计

中南林业科技大学中南林业科技大学 交通运输与物流学院 汽车液压与气压传动汽车液压与气压传动 课程设计课程设计 课题名称 专用钻床的液压分析 专业班级 12 级交通运输 3 班 学生姓名 宋宇 学 号 20121009 指导教师 周秦源 2014 年5 月10 日 1 设计任务书设计任务书 一 设计课题和原始数据 一 设计课题和原始数据 11 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13412N 运动部件自重为5390N 快进行程为300mm 工进行 程为100mm 快进 快退运动速度为4 5m min 工进速度为60 1000mm min 加 速和减速时间为 t 0 2s 机床采用平导轨 摩擦系数为 Fs 0 2 Fd 0 1 二 系统设计要求 二 系统设计要求 1 夹紧后在工作中如突然停电时 要保证安全可靠 当主油路压力瞬时下 降时 夹紧缸保持夹紧力 2 快进转工进时要平稳可靠 3 钻削是速度平稳 不受外载干扰 孔钻透时不前冲 三 三 最后提交内容最后提交内容 电子稿和打印稿各一份 1 设计说明书一份 2 液压系统原理图 A3 3 液压缸结构图 A3 2 目目 录录 课程设计任务书 1 一 液压与气压传动设计任务 1 1 设计题目及要求 3 1 2 设计目的 3 1 3 设计步骤和内容 3 二 工况分析 2 1 动作要求分析 3 2 2 负载分析 4 2 3 负载图和速度图的绘制 4 2 4 液压缸主要参数确定 5 三 液压系统方案设计 3 1 确定液压泵类型及调速方式 8 3 2 选用执行元件 8 3 3 快速运动回路和速度换接回路 8 3 4 换向回路的选择 8 3 5 定位夹紧回路的选择 8 3 6 动作换接的控制方式选择 8 3 7 液压基本回路的组成 9 3 8 液压元件的选择 11 四 验算性能完成设计 12 五 小结 16 参考书目 18 3 一 液压与气压传动设计任务一 液压与气压传动设计任务 1 11 1 设计题目及要求 设计题目及要求 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 13412N 运动部件自重为 5390N 快进行程为 300mm 工进行程为 100mm 快进 快退运动速度为 4 5m min 工进速度为 60 1000mm min 加速和减速时间为 t 0 2s 机床采用平导轨 摩擦系数为 Fs 0 2 Fd 0 1 1 21 2 设计目的设计目的 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 能进行重要的设计 合理的选 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 1 31 3 设计步骤和内容设计步骤和内容 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 拟定液压系统原理图 4 设计和选择液压元件 5 验算液压系统的性能 6 液压缸的设计 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 二 工况分析二 工况分析 2 12 1 动作要求分析动作要求分析 4 2 22 2 负载分析负载分析 1 工作负载 工作负载与设备的工作情况有关 在机床上 与运动件的方向同轴的切削 力的分量是工作负载 FL 13412N 2 摩擦负载 摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力 它与支承面的形状 放置 情况 润滑条件以及运动状态有关 静摩擦负载 Ffs fsG 0 2 5390 1078N 动摩擦负载 Ffd fdG 0 1 5390 539N 3 惯性负载 惯性负载是运动部件的速度变化是 由其惯性而产生的负载 可用牛顿第 二定律计算 加速 Fa1 m a1 5390 9 81 0 075 0 2 206 04N 减速 Fa2 m a2 5390 9 81 0 074 0 2 203 29N 2 32 3 负载图和速度图的绘制负载图和速度图的绘制 根据负载计算结果和已知的各个阶段的速度 由于行程是 400mm 设定快 进时的行程 L1 300mm 工进时的行程 L2 100mm 可绘出负载图 F l 和速度 图 v l 见图 1 2a b 横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线 以下为液 压缸退回时的曲线 5 2 4 液压缸主要参数确定液压缸主要参数确定 1 初选液压缸的工作压力 按负载大小根据表 2 选择液压缸工作压力 表 2 按负载选择执行元件工作压力 根据最大负载 F 19412N 初选液压缸的工作压力为 3MPa 2 计算液压缸尺寸 按最大负载 Fmax 计算缸筒面积 A 得 计算缸筒内径 D 得 24 6 max 1071 54 103 94 16412 Am p F mmm A 83083 0 14159 3 1071 5444 D 4 6 按计算结果根据表 3 选择缸筒内径标准值 表 3 液压缸内径和活塞杆直径标准系列 GB T2348 1993 mm 按标准取 D 90mm 壁厚 5mm 单重 11 17kg m 根据快进和快退速度相等要求 拟定液压系统在快进时采用差动连接 设 活塞杆直径为 d 于是有 D2 D2 d2 1 3 d 43 23mm 按标准取 d 45mm 则液压缸的有效作用面积为 无杆腔的面积 A1 1 4 D2 1 4 92 63 59cm2 有杆腔的面积 A2 1 4 D2 d2 1 4 92 4 52 47 69cm2 3 活塞杆稳定性校核 活塞杆的总行程为 400 mm 而活塞杆的直径为 45mm l d 400 45 8 89 10 不用稳定性校核 4 计算液压缸流量 压力和功率 1 流量计算 2 压力计算 dD q4 d q4 222 min 4 21 m105 3 60 5 4 1059 47vAq min 1 3 m103 5 60 5 0 1059 63vAq min 155 7 m1019 1 60 5 4 10 69 4759 63 v A q 344 32 354 21 34 4 121 Ls Ls Ls A 快退 工进 快进 MPa F MPa F MPaa A F 13 0Pa1013 0 1069 47 12 634 A p 58 2Pa1058 2 1059 63 94 16412 A p 4 0P1040 0 10 69 4759 63 12 634 A p 6 4 2 6 4 1 6 4 21 快退 快退 工进 工进 快进 快进 7 3 功率计算 4 绘制工况图 工作循环中液压缸各阶段压力 流量和功率如表 4 所示 由表绘制液压缸的工况图如图 3 所示 W W W 4 46 60 10 4 21 1013 0 qpP 3 133 60 101 3 1058 2 qpP 7 47 60 10155 7 104 0qpP 3 6 3 6 3 6 快退快退快退 工进工进工进 快进快进快进 图 3 液压缸的工况图 t s p MPa 2 58 0 40 13 q L min 21 47 15 3 1 t s P W 47 7 t s 46 4 133 3 快进工进快退 8 三 液压系统方案设计三 液压系统方案设计 3 13 1 确定液压泵类型及调速方式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 23 2 选用执行元件选用执行元件 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 33 3 快速运动回路和速度换接回路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 43 4 换向回路的选择换向回路的选择 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 53 5 定位夹紧回路的选择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 63 6 动作换接的控制方式选择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 9 换控制方式可采用行程开关控制 3 73 7 液压基本回路的组成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 10 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 系统原理图如下 表表 2 12 1 电磁铁动作顺序表电磁铁动作顺序表 1Y2Y3Y4Y 定位夹紧 快进 工进 快退 11 拔销松开 3 83 8 液压元件的选择液压元件的选择 1 确定液压泵的型号及电动机功率 1 计算液压泵压力 估算压力损失经验数据 一般节流调速和管路简单的系统取 pl 0 2 0 5MPa 有调速阀和管路 较复杂的系统取 pl 0 5 1 5MPa 液压缸在整个工作循环中最大工作压力为 2 58MPa 由于系统有调速阀 但管路简单 所以取压力损失 pl 0 5MPa 计算液压泵的工作压力为 pp p pl 2 58 0 5 2 63MPa 2 计算所需液压泵流量 考虑泄漏的修正系数 K K 1 1 1 3 液压缸在整个工作循环中最大流量为 21 4L min 取回路泄漏修正系数 K 1 1 计算得所需两个液压泵的总流量为 qp 1 1 21 4 23 54L min 由于溢流阀最小稳定流量为 3L min 工进时液压缸所需流量为 0 4L min 所以高压泵的流量不得少于 3 4L min 3 选用液压泵 单泵 Single pump 型号排量压力转速容积效率驱动功率重量 YB1 4 46 3960 851 15 YB1 25 256 3960 903 39 双泵 Double Pump LL1L2L3BB1HSD1D2dd1CtbZ1Z2Z3 25510638144452014511090dc12820d115225Z1Z3 Z1 4 由 3 第 5 卷 P158 选用 YB1 10 16 型的双联叶片泵 液压泵额定压力为 6 3MPa 排量分别为 10mL r 和 16mL r 取容积效率 pV 0 85 总效率 0 8 额定转速分别为 1450r min 和 960r min 4 选用电动机 12 拟选 Y 系列三相异步电动机 满载转速 960r min 按此计算液压泵实际 输出流 qp 10 16 10 3 960 0 85 21 22L min 计算所需电动机功率为 由 3 第 4 卷 P569 选用 Y132S 6 电动机 电动机额定功率为 3KW 满载转速为 960r min 2 选择阀类元件及辅助元件 1 标准件 根据系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的流量 由产品目录 确定这些元件的型号及规格如表 5 所示 2 非标件 a 油管 油管尺寸根据实际流量类比确定 采用内径为 16mm 外径为 20mm 的紫铜 管 b 油箱 油箱容积计算如下 V 5 7 qp 5 7 21 22 106 1 148 54L 取 V 150L 四 验算性能完成设计四 验算性能完成设计 4 14 1 液压系统的性能验算液压系统的性能验算 1 压力损失验算 按液压泵的实际输出流量估算压力损失 1 油液在油管中的流速 进油管流速 v 回油管流速 v W qp P p pp p 3 36 1016 1 8 060 1022 211063 2 s m52 5 101660 41022 21 A q v 62 3 p s m81 2 52 5 54 78 06 40 v A A v 1 2 13 2 沿程压力损失 Pf 设系统采用 L HM32 液压油 室温为 20 时粘度为 1 0 10 4 m2 s a 进油沿程压力损失 Pf1 层流状态 1 75 Re1 75 552 0 14 取油液的密度为 890kg m3 进 回油管长度均为 2m 得进油沿程 压力损失为 b 回油沿程压力损失 层流状态 2 75 Re2 75 281 0 27 3 总沿程压力损失 4 局部压力损失 Pr 局部压力损失包括液压阀的压力损失及管道和管接头的压力损失 液压阀 的损失很小 可以忽略不计 管道和管接头压力损失一般取沿程压力损失的 10 计 算 于是 pr 10 pf 0 1 0 48 0 05MPa 5 总压力损失 p p pf pr 0 48 0 05 0 53MPa 原设 p 0 5MPa 与计算结果非常接近 2300552 100 1 101052 5 Re 4 3 1 dv MPa38 0 Pa108 3 2 52 5890 1010 2 14 0 2 v d l p 5 2 3 2 1f1 MPaPa v d l 19 0 109 1 2 81 2 890 1010 2 27 0 2 p 5 2 3 2 2f2 MPaPap A F 64 3 1064 3 1053 0 1059 63 94 16412 p 66 4 1 p 14 2 调定压力的确定 调定压力的确定 双联泵系统中卸荷阀的调定值为 取 p 卸 4 1MPa 溢流阀的调定值应大于卸荷阀调定压力 0 3 0 5MPa 取 p 溢 4 5MPa 顺序阀的调定值应为 p 顺 0 29 p 0 29 0 95 1 24MPa 背压阀的调定值取为 p 背 0 3MPa 3 系统温升验算 系统温升验算 工进时间在整个工作循环中所占的时间比例达 87 所以系统温升可按工 进计算 工进时液压缸的有效功率为 工进时液压缸的有效功率为工进时大流量泵卸荷 卸荷压力为 0 3MPa 小流量泵在高压 3 64MPa 下供油 两个泵的总输出功率为 由此得液压系统单位时间的发热量为 设油箱的三个边长在 1 1 1 1 2 3 范围内 计算散热面积为 2300281 100 1 101081 2 Re 4 3 2 dv MPa48 019 0 54 78 06 40 38 0p A A pp f2 1 2 f1f W37 20 60 05 0 44 24444Fvqpp 222o W824 608 0 10960101064 3 1096016103 0 qpqp p 6666 p1p1p1p1 i W63 80337 20824ppH oi 23232 835 1 150065 0 065 0 AmV 15 按通风良好取散热系数 h 15 10 3kW m2 计算油液温升为 设室温 t1 20 得油液温度 t2 为 热平衡计算在允许范围内 C 20 29 835 1 1015 1063 803 hA H t 3 3 CCtt 6549 20 20 29 20t 12 16 五 小结五 小结 通过这段时间的设计 我认识到自己很多的不足 自己认识的很多盲点和 漏洞 知识和实践的差距 所以说通过这次设计我深刻认识到理论联系实际的 能力还需要提高 液压是一门机械专业十分重要的专业基础课 同时液压在实 际生产的应用上也发挥了契机巨大的作用 在工业生产的各个部门应用液压传 动技术 工程机械 矿上机械 压力机械和航天工业中 常常采用液压传动 因为其结构简单 体积小 重量轻 输出力大 机床上采用液压传动是取其能 在工作过程中方便的实现无级调速 易于实现频繁的换向 易于实现自动化 在电子工业 包装机械 印染机械 食品机械等方面应用气压传动主要是取其 操作方便 无油 无污染 由此可见 液压的应用很广泛 发挥的作用也十分 巨大 液压课程设计是是对液压课程所学理论知识的一次具体的应用和实践 增 强学生所学知识以及具体方法的实际应用有很大的帮助 通过这次课程设计 使我对于液压系统设计有了一个更加形象和直观的认识与掌握 这个过程中锻 炼了我分析解决问题 应用和查阅相关机械资料进行设计的能力 由于这次课程设计是在教学的过程中进行的 刚刚学过的理论