组合机床动力滑台液压系统设计

1、摘要主要阐述了组合机床动力滑台液压系统，能实现的工作循环是：快速前进工作进给快速退回原位停止，液压技术是机械设备中发展速度最快的技术之一。特别是近年可与微电子、计算机技术相结合、使液压技术进入了一个新的发展阶段，液压元器件制造技术的进一步提高，使液压技术不仅在作为一种基本的传统形式上占有重要地位而且以优良的静态、动态性能成为一种重要的控制手段。面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中占重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。制造装备的改进，使得作为制造工业重要设备的各类机加工工艺装备也有了许多新的变化，尤其是孔加工，其在今天的液压系统的地位越来越重要。本液压系统的设计，除

2、了满足主机在动作和性能方面规定的要求外，还必须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、机构简单、工作可靠、使用和维修方便等一些公认的普通设计原则。液压系统的设计主要是根据已知的条件，来确定液压工作方案、液压流量、压力和液压泵及其它元件的设计。完成整个设计过程需要进行一系列艰巨的工作。设计者首先应树立正确的设计思想，努力掌握先进的科学技术知识和科学的辩证的思想方法。同时，还要坚持理论联系实际，并在实践中不断总结和积累设计经验，向有关领域的科技工作者和从事生产实践的工作者学习，不断发展和创新，才能较好地完成机械设计任务。关键词：组合机床 液压系统 液压缸 液压泵换向阀目 录第1液压传动的发展概况和应用

3、41.2液压传动的特点及在机械行业中的应用6第2章 液压传动的工作原理和组成72.1工作原理82.2液压系统的基本组成8第3章 液压系统工况分析93.1运动分析、负载分析、负载计算93.2液压缸的确定10第4章 拟定液压系统图124.1选择液压泵型式和液压回路124.2选择液压回路和液压系统的合成12第5章 液压元件的选择145.1选择液压泵和电机145.2辅助元件的选择155.3确定管道尺寸155.4确定油箱容积16第6章 液压系统的性能验166.1管路系统压力损失验算166.2 液压系统的发热与温升验算17注意事项17参考文献18附表19第1液压传动的发展概况和应用 液压传动和气压传动称为

4、流体传动，是据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。当今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。通过对通用机床的液压系统的理论学习，完成液压系统的分析工作，加深对液压系统的工作原理、工作性能、工作环境及机构的认识和了解。加深巩固机械原理的相关内容，加深对专业课基础理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的理解，更好的认识国内外液压系统的发展趋势和发展存在的问题，从而为以后更深的了解和设计机床液压系统打下良好的基础。现代社会对通用机床的液压系统提出了更高的要求，为了适应这一发展趋势，我们应立足改进传统的、僵化的、单

5、纯的液压系统，主动培养学习、提高创新能力、树立团结协作精神、锻炼解决实际工程问题能力。 液压传动是以液体为工作介质来传递动力（能量）的，它又分为液压传动和液力传动两种形式。液压传动中心户要是以液体压力能来进行传递动力的，液力传动主要是以液体动能来传递动力。液压系统是利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，g经各种控制阀、管路和液压执行元件将液体的压力能转换成为机械能，来驱动工作机构，实现直线往复运动和会回转运动。油箱液压泵溢流阀、节流阀、换向阀、液压缸及连接这些元件的油管、接头等组成了驱动机床工作台的液压系统。工程机械主要配套件有动力元件、传动元件、液压元件及电气元件等。目前工程机械动力

6、元件基本上都用内燃式柴油发动机(简称柴油机)；传动分机械传动、液力机械传动、静液压传动、电传动等。但目前工程机械用得最多、最普遍的为液力机械传动及静液压传动。整个传动系统还包括传动轴、驱动桥等。静液压传动有多种结构形式，有的有传动轴、驱动桥，有的没有，视情况而定；液压元件主要有缸、泵、阀、密封件及液压附件等。静液压元件的泵(主要是变量泵)、马达(变量与定量)，以及相应的减速机等；电气元件以前对工程机械的影响还并不大，最早的工程机械电气系统，主要是起动电路及照明电路，系统及元件都非常简单，起动可以用拖起动，白天干活不用照明，因此，这两个电路系统出了故障也能勉强维持工作。但工程机械发展到今天，电气

7、系统及电气元件已经成了工程机械一个非常关键的部分，可以说今天的绝大多数工程机械，电气系统出了故障根本就不能工作，有的甚至寸步难行，等于一堆废钢铁。因此电气系统、电器元件目前也是工程机械最关键最主要的配套件之一。主要电器元件除传统的元件外，还有各种传感器，各种控制元件及微处理机等等。下面就国际上这些工程机械主要配套件的基本情况及发展趋势谈谈看法。目前国外工程机械主要配套件大多数都生产历史悠久，技术成熟、供应充足，生产集中度高，品牌效应突出。配套件的发展随主机的发展而发展，同时配套件自身的发展反过来又促进主机的发展。目前国外工程机械配套件的发展形势好过主机的发展形势。目前国外工程机械配套件的发展形

8、势比较好。在流体产品领域内，目前世界上最大的流体产品(主要是液压件、密封件及液压附件等)制造企业，美国的派克(Parket)公司，成立于1918年，也有近100年历史，可以提供品种齐全的、高技术水平的液压件、密封件及所有的液压附件。目前世界上最大的用于静液压系统的变量液压元件制造企业，德国的博士力士乐公司，已有200多年的历史，从1953年开始全面制造液压元件，也有50年以上历史。其最具特色的产品是用于静液压传动的变量系统液压元件，无论是斜盘式或斜轴式，闭式(泵控)或开式(阀控)系统液压元件品种都非常齐全，能为各种需要静液压系统元件的工程机械整个系统成套配套。还有世界上最大的传动部件制造企业，

9、德国的ZF公司，成立于1915年，也有近100年历史，能为各种工程机械提供品种齐全的传动部件。在电气配套件方面，世界最大的德国西门子电气公司，以及日本的东芝公司、川崎公司、德国的博士(Bose)公司等，都有50年以上，甚至100年以上的悠久历史，能满足工程机械各种高技术水平的电气系统和电气元件的要求。 20世纪50年代我国的液压工业才开始，液压元件初用于锻压和机床设备上。六十年代有了进一步的发展，渗透到了各个工业部门，在工程机械、冶金、机床、汽车等工业中得到广泛的应用。如今的液压系统技术向着高压、高速、高效率、高集成等方向发展。同时，新元件的应用、计算机的仿真和优化等工作，也取得了卓有的成效。

10、工程机械主要的配套件有动力元件、传动元件、液压元件及电器元件等。内燃式柴油发动机是目前工程机械动力元件基本上都采用的；传动分为机械传动、液力机械传动等。液力机械传动时现在最普遍使用的。液压元件主要有泵、缸、密封件和液压附件等。当前，我国的液压件也已从低压到高压形成系列。我国机械工业引进并吸收新技术的基础上，进行研究，获得了符合国际标准的液压产品。并进一步的优化自己的产业结构，得到性能更好符合国际标准的产品。国外的工程机械主要配套件的特点是生产历史悠久、技术成熟、生产集中度高、品牌效应突出。主机和配套件是互相影响、互相促进的。当下，国外工程机械配套件的发展形势较好。最近，这些年国外的工程机械有一

11、种趋势，就是：主机的制造企业逐步向组装企业方向发展，配套件由供应商提供。美国的凯斯、卡特彼勒，瑞典的沃尔沃等是世界上实力最强的主机制造企业，其配套件的配套能力也是非常强的，数量上也是逐年大幅的增长，配套件主由零部件制造企业来提供。在科技大爆炸的今天，计算机技术、网络技术、通信技术等现代信息技术对人类的生产生活产生了前所未有的影响。这也为今后制造业的发展，设计方法与制造技术模式的改变指明了方向，为数字化的设计资源与制造资源的远程共享，提高产品效率奠定了基础。目前，在液压领域中，特别是中小企业在进行液压传动系统的设计时，存在零部件种类繁多、系统集成复杂、参考资料缺乏等一系列困难，而远程设计服务可以

12、解决这些问题。液压技术作为实现现代传动与控制的关键基础技术之一，已成为工业机械、工程建设机械及国际尖端产品不可缺少的重要技术基础。是它们向自动化、高精度、高效率、高速度、小型化、轻量化方向发展的关键技术。世界工业发达国家都将液压工业列为竞争发展的行业，其发展速度远高于机械工业的发展速度。液压元件及其控制已发展成为综合的液压工程技术。机械制造是为国民经济各部门和自身技术改造提供先进技术装备的工业部门。铸造、锻压、焊接、热处理、及切削等是机械制造工业获取毛坯、成形产品及提高零件机械性能的重要生产方法，在众多金属冷、热加工机器设备中普遍使用液压技术，其中压力机和金属切削机床是应用液压技术较早较广的领

13、域。在车、铣、刨、磨、钻各类液压机床中，主要利用液压技术可在较宽范围内进行无级调速，具有良好的换向及换接性能，易于实现工作循环等优点，完成工件及刀具的加紧、控制进给速度和驱动主轴作业，尽管现代数控机床、加工中心等先进制造设备中采用离电伺服系统，但采用液压传动与控制仍然是现代金属切削机床自动化的重要途径。在锻造机、液压机、折弯机、剪切机等压力加工设备中，主要利用液压传动传递力较大、便于压力调节控制和过载保护的特点，进行下料、成形加工等作业。铸造、锻压、焊接、热处理等机器设备的生产作业环境极为恶劣，温度高、粉尘多、湿度大、有腐蚀性气体、振动噪声大。因此要求机器要有良好的适应性、可靠性和维护性。在造

14、型机及浇铸机、焊接机、淬火机等铸造、焊接及热处理机器设备中，主要利用液压技术便于无级调速和远距离遥控作业等特点，进行造型及铸型输送与浇铸、高温零件抓取等作业，以减轻劳动者劳动强度、避免和减少热辐射和有害气体对人身的侵袭并提高生产率。1.2液压传动的特点及在机械行业中的应用1、液压传动的优点：（1）单位功率的重量轻，即在相同功率输出的条件下，体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态特性好。（2）可实现较大范围的无级调速。（3）工作平稳、冲击小、能快速的启动、制动和频繁换向。（4）获得很大的力和转矩容易。（5）操作方便，调节简单，易于实现自动化。（6）易于实现过载保护，安全性好。（7）液压元件以实现

15、了标准化、系列化和通用化，便于液压系统的设计、制造和使用。2、液压系统的缺点：（1）液压系统中存在着泄漏、油液的可压缩性等，这些都影响运动的传递的准确性，不宜用于对传动比要求精确地场合。（2）液压油对温度敏感，因此它的性能会随温度的变化而改变。因此，不宜用于问短变化范围大的场合。（3）工作过程中存在多的能量损失，液压传动的效率不高，不宜用于远距离传送。（4）液压元件的制造精度要求较高，制造成本大，故液压系统的故障较难诊断排除。3液压系统在机械行业中的应用：工程机械装载机、推土机等。汽车工业平板车、高空作业等。机床工业车床铣、床刨、床磨等。冶金机械轧钢机控制系统、电炉控制系统等。起重运输机械起重

16、机、装卸机械等。铸造机械加料机、压铸机等。第2章 液压传动的工作原理和组成液压传动是以液体为工作介质来传递动力（能量）的，它又分为液压传动和液力传动两种形式。液压传动中心户要是以液体压力能来进行传递动力的，液力传动主要是以液体动能来传递动力。液压系统是利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，g经各种控制阀、管路和液压执行元件将液体的压力能转换成为机械能，来驱动工作机构，实现直线往复运动和会回转运动。油箱液压泵溢流阀、节流阀、换向阀、液压缸及连接这些元件的油管、接头等组成了驱动机床工作台的液压系统。2.1工作原理液油在电动机驱动液压泵的作用下经滤油器从油箱中被吸出，加油后的液油由泵的进油口

17、输入管路。再经开停阀节流阀换向阀进入液压缸，推动活塞而使工作台左右移动。液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。节流阀用来调节工作台的移动速度。调大节流阀，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度就增大；调小节流阀，进入液压缸的油量就减少，工作台的移动速度减少。故速度是由油量决定的，液压系统的原理图见图2。2.2液压系统的基本组成（1）动力元件：液压缸将原动机输入的机械能转换为压力能，向系统提供压力介质。（2）执行元件：液压缸直线运动，输出力、位移；液压马达回转运动，输出转矩转速。执行元件是将介质的压力能转换为机械能的能量输出装置。（3）控制元件：压力、方向、流量控制的元件。用来控制液压系统所需

18、的压力、流量、方向和工作性能，以保证执行元件实现各种不同的工作要求。（4）辅助元件：油箱、管路、压力表等。它们对保证液压系统可靠和稳定工作具有非常重要的作用。（5）工作介质：液压油。是传递能量的介质。第3章 液压系统工况分析3.1运动分析、负载分析、负载计算绘制动力滑台的工作循环图，如图1-1（a）所示。（a）图表 1 (b) (c)快进工进快退3.2液压缸的确定3.2.1液压缸工作负载的计算（1）工作负载： （2）摩擦阻力：静摩擦阻力动摩擦阻力（3）惯性阻力动力滑台起动加速，反向起动加速和快退减速制动的加速度的绝对值相等，即v=0.1m/s，t=0.2m/s,故惯性阻力为：根据以上的计算，可

19、得到液压缸各阶段的各各动作负载，见表1所示，并绘制负载循环图，如图1-c所示。表1液压缸各阶段工作负载计算工况计算公式液压缸负载/N液压缸推力F/N起动2 0002 222加速1 5001 667快进1 0001 111工进F= +13 00014 444反向起动F =2 0002 222加速F = +1 5001 667快退F =1 0001 111制动F =500556注：液压缸的机械效率取=0.93.2.2 确定缸的内径和活塞杆的直径参见课本资料，初选液压缸的工作压力为p1=25105 Pa。液压缸的面积由A=计算，按机床要求选用A1=2A2 的差动连接液压缸，液压缸回油腔的被压取，并初

20、步选定快进、快退时回油压力损失。液压缸的内径为：圆整取标准直径D=95mm，为实现快进与快退速度相等，采用液压缸差动连接，则d=0.707D，即d=0.70795=67.165mm，圆整取标准直径d=71mm。液压缸实际有效面积计算无杆腔面积有杆腔面积3.2.3计算液压缸在工作循环中各个阶段的压力、流量和功率的实际值结果见表3所示。表3液压缸各工况所需压力、流量和功率工况负载F/N回油腔压力p2 (p2)/ (105 Pa)进油腔压力p1/(105 Pa)输入流量q/(L/min)输入功率P/kW计算公式快进启动2 2225.6_p1=(F+p2 A2)/(A1 -A2)q=(A1 -A2)v

21、1P=p1 q10-3加速1 6678.4_快速1 11123.723.70.33工进14 44423.10.20.0077p1=(F+p2 A2)/ A1q= A1v2P= p1q10-3快退启动2 2227.1_p1=(F+p2 A1)/ A1q= A2v2P=p1q10-3加速1 66721.1_快退1 11119.40.0750.024制动55617.6_第4章 拟定液压系统图4.1选择液压泵型式和液压回路由工况图可知，系统循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段顺序组成。从提高系统的效率考虑，选用限压式变量叶片泵或双联叶片泵较好。将两者进行比较（见表2）故选用双联叶片泵较好。表2双联

22、叶片泵限压式变量叶片泵1流量突变时，液压冲击取决于溢流阀的性能，一般冲击较小1流量突变时，定子反应滞后，液压冲击大2内部径向力平衡，压力平衡，噪声小，工作性能较好。2内部径向力不平衡，轴承较大，压力波动及噪声较大，工作平衡性差3须配有溢流阀、卸载阀组，系统较复杂3系统较简单4有溢流损失，系统效率较低，温升较高4无溢流损失，系统效率较高，温升较低4.2选择液压回路和液压系统的合成1、（1）调速回路的选择由工况图可知，该液压系统功率较小，工作负载变化不大，故可选用节流调速方式。由于钻孔属连续切削且是正负载，故采用进口节流调速较好。为防止工件钻通时工作负载突然消失而引起前冲现象，在回油路上加背压阀（

23、见图3-a）。（2）快速运动回路与速度换接回路的选择采用液压缸差动连接实现了快进和快退速度相等。在快进转工进是，系统流量变化较大，故选用行程阀，使其速度换接平稳。从工进转快退时，回路中通过的流量很大，为保证换向平稳，选用电液换向阀的换接回路，换向阀为三位五通阀（见图3-b）。（3）压力控制回路的选择由于采用双泵供油，故用液控顺序阀实现低压大流量泵的卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。为方便观察压力，在液压泵的出口处，背压阀和液压缸无杆腔进口处设置测压点（见图3-c）。2、液压系统的合成在选定的基本回路的基础上，综合考虑多种因素得到完整的液压系统，如图 所示。（1）在液压换向回路中串入一个

24、单向阀6，将工进时的进油路、回油路隔断。可解决滑台工进时进油路、回油路连通而无压力的问题。（2）在回油路上串入一个液控顺序阀7，以防止油液在快进阶段返回油箱，可解决滑台快速前进时，回油路接通油箱而液压缸无差动连接问题。（3）在电液换向阀的出口处增设一个单向阀13，可防止机床停止时系统中的油液流回油箱，引起空气进入系统影响滑台运动 平稳性的问题。（4）在调速阀出口处增设一个压力继电器，可使系统自动发出快速退回信号。（5）设置一个多点压力计开关口12，可方便观察和调整系统压力。电磁铁和行程阀动作顺序见表4电磁铁和行程阀动作顺序表4工况 元件1YA2YA行程阀压力继电器快进+-工进+-+快退-+-停

25、止-图3 a双联叶片泵 b三位五通电液换向阀 c用行程阀控制的换接回路第5章 液压元件的选择5.1选择液压泵和电机5.1.1确定液压泵的工作压力、流量（1）液压泵的工作压力已确定液压缸的最大工作压力为2.5 MPa。在调速阀进口节流调速回路中，工进是进油管路较复杂，取进油路上的压力损失30105 Pa,则小流量泵的最高工作压力为P=(25+30)105 Pa =55105 Pa 。 大流量液压泵只在快速时向液压缸供油，由工况图可知，液压缸快退时的进油路比较简单，取其压力损失为 4105 Pa，则大流量泵的最高工作压力为Pp2=(19.4105+4105) =23.5105 Pa。（2）液压泵的

26、流量由工况图可知，进入液压缸的最大流量在快进时，其值为 23.7L/min ，最小流量在快退时，其值为0.075 L/min，若取系统泄漏系数k=1.2，则液压泵最大流量为=1.223.7 L/min=28.44 L/min 由于溢流阀的最小稳定流量为3 L/min，工进时的流量为0.2 L/min，所以小流量泵的流量最小应为3.2 L/min。5.1.2液压泵的确定根据以上计算数据，查阅产品目录，选用相近规格YYB-AA36/6B型双联叶片泵。 液压泵电动机功率为：由工况图可知，液压缸的最大输出功率出现在快进工况，其值为 0.33kW。此时，泵的输出压力应为=8.4105 Pa ，流量为=(

27、36+6) L/min= 42L/min 。取泵的总效率p= 0.75 ，则电动机所需功率计算为/ 有上述计算，可选额定功率为1.1kW的标准型号的电动机。5.2辅助元件的选择根据系统的工作压力和通过阀的实际流量就可选择各个阀类元件和辅助元件，其型号可查阅有关液压手册。液压泵选定后，液压缸在各个阶段的进出流量与原定值不同，需重新计算，见表5。表5快进工进快退输入流量/（L/min）排出流量/（L/min）运动速度/（L/min）5.3确定管道尺寸由于本液压系统的液压缸为差动连接时，油管通油量较大，其实际流量q约为75.28L/min=1.25510-3 m3/s，取允许流速v=3m/s。主压力

28、油管根据公式计算：d=圆整后取d=20mm。5.4确定油箱容积按经验公式V=(57)，选取油箱容积为:第6章 液压系统的性能验6.1管路系统压力损失验算 由于有同类型液压系统的压力损失值可以参考，故一般不必验算压力损失值。下面以工进时的管路压力损失为例计算如下：已知：进油管、回油管长约为l=5m，油管内径d=20mm，压力有的密度为9000kg/ m3，工作温度下的运动粘度=46 m3s。选用LHM32全损耗系统用油，考虑最低温度为15，右路总的局部阻力系数为=7.2。6.1.1判断液流类型利用下式计算出雷诺数为层流。6.1.2沿程压力损失利用公式分别算出进、回油压力损失，然后相加即得到总的沿程损失。沿程压力损失P1=75590004646/1304202=0.058Mpa 局部压力损失工进时总的沿程损失为6.2 液压系统的发热与温升验算 本机床的工作时间主要是工进工况，为简化计算，主要考虑工进时的发热故按工进工况验算系统温升。 液压系统的发热量:H= P1(1-)=0.33(1-0.90.75)KW=0.11KW散热量: K取145当系统达到热平衡时 即H=H0=14.5最高温度为t+15=44100,故不需采用相应的散热措施。注意事项（1）使用者应明白液压系统的工作原理，熟悉各种操作和