专用钻床液压系统设计

1、液压传动课程设计专用钻床的液压系统设计系别 ：机械与车辆工程系专业（班级）：机械设计制造及其自动化15 级机制升本班作者（学号）：切克闹指导教师：李培完成日期：2016年6月6日蚌埠学院教务处制0/22目录摘要 .01引言 .12钻床的液压系统工况分析 .23液压系统的原理图拟定及设计 .43.1供油方式 .43.2调速方式的选择 .43.3速度换接方式的选择 .43.4液压系统原理图 .43.5液压系统的工作原理 .53.5.1快进 .53.5.2工进 .53.5.3快退 .54 液压系统的计算和液压元件的选择 .64.1工作压力的确定 .64.2液压缸的主要尺寸的确定 .64.2.1缸筒内

2、径 D.64.2.2活塞杆外径 d .64.2.3液压缸壁厚和外径的计算 .64.2.4液压缸工作行程的确定 .74.2.5最小导向长度的确定 .74.2.6缸体长度的确定 .74.3稳定速度的验算 .84.4计算在各工作阶段液压缸所需的流量 .84.5液压泵的选择 .94.5.1液压泵的压力 .94.5.2液压泵的流量 .104.5.3液压泵规格的选择 .104.6电动机的选择 .104.7液压阀的选择 .114.8液压油管的设计 .114.9油箱容量的选择 .125 液压系统性能验算 .135.1压力损失的验算： .135.1.1工作近给时进油路压力损失 .135.1.2工作进给时回油路的

3、压力损失 .135.1.3快进时的压力损失 .145.2系统温升的验算 .15总结及感想 .161/22谢辞21参考文献222/22摘要：液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到愈来愈广泛的应用，而且愈先进的设备，其应用液压系统的部分就愈多。所以像我们这样的大学生学习和亲手设计一个简单的液压系统是非常有意义的。关键词： 液压传动；稳定性；液压系统Abstract :Hydraulic system is po

4、wered motor basis, the use of hydraulic pump to change mechanical energy into pressure, promote the hydraulic oil. Through various cont -rol valves to change the flow of hydraulic oil, thus promoting the hydraulic cylin -ders made of different distance, different movement. All kinds of different equ

5、ip ment to complete the actions required. Hydraulic system has been used in many d -epartments, such as industry and agriculture have been increasingly widely used, and the more advanced equipment, its application part of the hydraulic system wi -ll be. So students like us to learn and personally de

6、signed a simple hydraulic syst -em is very meaningful.Keywords: hydraulic transmission;stability;hydraulic system0/221 引言液压传动是一门新的学科，虽然从17 世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史，但直到20世纪 30 年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次世界大战结束后，液压技术迅速转向名用工业，液压

7、技术不断应用于各种自动机及自动生产线。20 世纪 60 年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方面发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计 （CAD）、计算机辅助测试 （CAT）、计算机直接控制 （CDC）、机电一体化、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械上。我国在从国外引进一些液压元件、生产技术的同时，也进行自行研制和设计，液压元件现已形成了系列，

8、并在各种机械设备上得到了广泛的使用。液压传动是用液体作为工作介质， 利用液体的压力能来实现运动和力的传递的一种的传动方式。现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压技术在实现高压、 高速、大功率、高效率、低噪声以及液压元件和系统的经久耐用，高度集成化等方面取得了重大进展。将液压传动技术应用到钻床中，使它具有成本低、效率高、机构简单、工作可靠、使用和维修方便等特点。专用钻床是应用液压技术较广泛的领域之一。采用液压传动技术与控制的机床，可在较宽范围内进行无级调速，具有良好的换向及速度换接性能，易于实现自动工作循环，对提高生产效率，改进产品质量和改善劳动条件，都起着十分重

9、要的作用。本文针对专用钻床的液压系统进行设计。1/222 钻床的液压系统工况分析液压缸所受外负载 F 包括三种类型，即：FFwF fFa(2-1)式中Fw 工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力，在本设计中 Fw 为 16000N ；Fa 运动部件速度变化时的惯性负载；F f 导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，对于平导轨F f 可由下式得：F ff (GFrn )(2-2)式中G 运动部件重力；Frn 垂直于导轨的工作负载，本设计中为零；f 导轨摩擦系数，在本设计中取静摩擦系数为 0.2 ，动摩擦系数为 0.08 。则求得：Ffs =0.211000=2200Ffa =

10、0.08110000=880式中Ffs 静摩擦阻力；Ffa 动摩擦阻力。Gv(2-3)Fagt式中g 重力加速度；t 加速或减速时间，取 0.18 ；v 速度差。在本设计中110000.083加速 Fa1517 N9.810.18110000.083减速 Fa 2517 N9.810.18制动Fa3=m*a3=(11000/9.81)*(0.001/0.18)=6.23N根据负载计算结果和已知的各个阶段的速度，由于行程是590mm，设定快进时的行程 L1=380mm，工进时的行程 L2=210mm。可绘出负载图 （ F- l ）和速度图（ v-l ），见图 1-2a 、2/22b。横坐标以上为

11、液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸退回时的曲线。图 2-1 负载循环图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=0.85 ，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表工况计算公式总负载 F/N缸推力 F/N启动Ffs22002588加速Ffs+ F a127173196快进Ffd8801035.29减速Ffd - F a2362.96427.01工进F + Ffd1688019858.82L制动F +F Fa316873.7719851.49Lfd反向加速-F fd- F a41397.041643.58快退-F fd8801035.29制动-F fd +

12、F a5362.964270.1表 2-1工作循环各阶段的外负载3/223 液压系统的原理图拟定及设计3.1 供油方式考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低；而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能量、减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油。现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。3.2 调速方式的选择调速方案对液压系统的性能起到决定性的作用。调速方案包括节流调速、容积调速和容积节流调速三种。 节流调速系统一般用定量泵供油， 在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油

13、，用安全阀限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤，为防止系统中杂质流回油箱。3.3 速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路。它的特点是结构简单、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。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。3.4 液压系统原理图图 3-1液压系统原理图1油箱2 限压式变量泵3 溢流阀4 三位四通电磁换向阀5 单向减速阀6 两位三通电磁换向阀7液压缸8-死档铁s-行程开关A- 压力继电器4/223.5 液压系统的工作原

14、理快进按下起动按钮，电磁铁2YA通电，电磁换向阀4 的阀芯右移，换向阀工作在左位，实现快进，油路为：进油路：油箱1泵 2换向阀 4 左位液压缸左腔；回油路：液压缸右腔换向阀 6 左位液压缸左腔，形成差动连接。工进当活塞杆到达工进行程时，触碰行程开关S，使 3YA失电，实现工进，油路为：进油路：油箱1泵 2换向阀 4 左位液压缸左腔；回油路：液压缸右腔换向阀6 右位 调速阀 5油箱 1。快退当钻床完成工作后，停留在止挡块处，系统压力升高，直到压力继电器A 的调整值时，压力继电器动作，2YA通电，电磁换向阀4 工作在右位，滑台快退返回。快退油路为：进油路：油箱1泵 2 单向阀换向阀6 右位液压缸右

15、腔；回油路：液压缸左腔换向阀4油箱。1YA2YA3YA快进+-+工进+-停留-快退-+-表 3-1 电磁铁动作顺序表注：“+”表示得电， “”表示失电。5/224 液压系统的计算和液压元件的选择4.1 工作压力 p 的确定工作压力 p 可根据负载大小查表取液压缸工作压力为3 MPa 。4.2 液压缸的主要尺寸的确定缸筒内径 D液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积， 从而得到缸筒内径D，再从 GB234880 标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。根据负载和工作压力的大小确定D：4Fmax(4-1)D=P1 cm式中 p 1 缸工作腔的

16、工作压力，可根据机床类型或负载的大小来确定；Fmax 最大作用负载。负载图知最大负载 F 为 16880 N ，查表可取 p2 为 0.5MPa ， cm 为 0.95 ，考虑到快d进、快退速度相等，取D 为 0.7 。上述数据代入公式：D4Fp1 12p1d1 cmp2D可得：D419858.820 . 0 97 m30 10553 .140 .9510.7 2130查表将液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm。活塞杆外径 d活塞杆直径 d, 按 d=0.7D 及查表活塞杆直径系列去d=70mm。液压缸壁厚和外径的计算液压的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。一般分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。

17、本设计采用薄壁圆筒。其计算公式6/22Py D(4-2)2式中液压缸壁厚（ m）；D 液压内径（ m）；Py 试验压力，一般取最大工作压力的（ 1.25 1.5 ）倍（ Mpa）; 缸筒材料的许用应力。取无缝钢管 =100Mpa。按上式计算得3 1.50.12.2510 32100在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够。因此，上式一般不做计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。取=6mm。则外径 D1 D+2=112mm。液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照书中的系列尺寸来选取标准值。最小导向长度的确定对

18、一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求LD600100H22080mm202缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。缸筒长度 L 由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：L=l+B+A+M+C(4-3)式中l 活塞的最大工作行程；B 活塞宽度，一般为 (0.6-1)D ；A 活塞杆导向长度，取 (0.6-1.5)D ；M 活塞杆密封长度，由密封方式定；C 其他长度。一般缸筒的长度最好不超过内径的 20 倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度 H。取 L=1000mm.7/2

19、24.3 稳定速度的验算要保证液压缸节流腔的有效工作面积A ，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积 Amin ，即 A > Amin 。Aminqmin(4-4)vmin式中qmin 的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得；vmin 缸的最低速度，由设计要求给定。如果液压缸节流腔的有效工作面积A 不大于计算所得最小有效面积 Amin ，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸的内径，以满足速度稳定的要求。液压缸壁厚和外径的计算，液压缸壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不

20、同而异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。按最低工进速度演算液压缸的最小稳定速度，由公式（4-4 ）可得：A > qmin0.05 1030.5cm2vmin100qmin 是由产品样本查得GE系列调速阀 LCA6-10 的最小稳定流量为0.05 L min 。本设计中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即A( D 2d 2 )(10272 ) 40cm244可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。4.4 计算在各工作阶段液压缸所需的流量无杆腔的面积 A 1=1/4 D2 = 1/4102=78.5cm2有杆腔的面积 A 2=1/4 (D

21、2-d 2 ) = 1/4(10 2-72) =40.04cm 2q快进A1 - A 2 v快进78.510 4 - 40.0410 4519.2310 319.23L minq工进A 1v工进8/2278.51040.030.24L / minq快退d2v快退4A2 v快退40.04 10 4520.0210 320.02Lmin计算在各工作阶段液压缸所需的压力：F快进1035.29p快进A2 (78.5 40.04)10 4A 10.26910 6 Pa 0.27MPaF工进19858.822.53106Pa 2.53MPap工进78.5 10 4A 1F快退1035.290.259 10

22、6Pa 0.26MPap快退40.04 10 4A 2工作循环中液压缸各阶段压力、流量和功率如表4-1 所示。工况压力 p（ Mpa）流量 q（ L/min ）快进0.2719.23工进2.530.24快退0.2620.02功率 P（ w）8710.1287表 4-14.5液压泵的选择液压泵的压力考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为：p pp1p(4-5)式中p p 液压泵为最大工作压力；p1 执行元件最大工作压力， 现根据负载大小选取液压缸工作压力为3MPa；p 进油管路中的压力损失，初算时简单系统可取0.20.5 MPa ，复杂系统取 0.51.5 MPa ，本系统

23、取 0.5 MPa 。ppp1p30.53.5MPa9/22上述计算所得的p p 是系统的静态压力， 考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外，考虑到一定压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力p p 应满足 pn(1.25 1.6) pp 公式。中低压系统取小值，高压系统取最大值。液压泵的流量液压泵的最大流量应为：q p K L ( q) max(4-6)式中qp 泵的最大流量；(q) max 动作的各执行元件所需流量之和的最大值，如果这时溢流阀正进行工作，尚需加溢流阀的最小溢流量23 L min ；K L 泄露系数，一般取K L =1.1 1.3L min

24、，现取 K L =1.2。qpK L (q) max1.220.0224.02 L min液压泵规格的选择根据以上所得 qp ， pp 查液压产品目录选泵型号：YBX-20 限压式变量叶片泵。额定压力为 6.3 Mpa，排量为 20mL/r ，转速为 1450r/min。该泵的输出流量为：Q20 10 3 145029L / min4.6 电动机的选择首先分别算出快进与共进两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在慢进时泵输出的流量减小，泵的效率急剧降低，一般当流量在0.21 L min 范围内时，可取0.03 0.14 。同时还应注意到，为了使所选则的电动机在经过泵的

25、流量特性曲线最大功率点时不致停转，需进行验算，即：pB q p2Pn（）4-7式中Pn 所选电动机额定功率；10/22pB 限压式变量泵的限定压力；qp 为 pB 时，泵的输出流量。首先计算快进时的功率， 快进时的外负载为880N，进油路的压力损失定为0.3 MPa ，由式（ 3-6）可得：p p88010 6 0.3 0.53MPa0.0724快进时所需电动机功率为：Ppp qp0.5319.230.24kW600.7工进时所需电动机功率为：Ppp qp2.530.240.02kW600.7查阅电动机产品样本，选用Y90S-4 型电动机，其额定功率为1.1 KW ，额定转速为1400 r m

26、in 。4.7 液压阀的选择液压控制阀是液压系统中用来控制液流的压力、流量和流动方向的控制元件、是影响液压系统性能，可靠性和经济性的重要元件。序号元件名称最大通流量型号规格1限压式变量叶片泵30YBX-202溢流阀25Y-25B3三位四通换向阀2534E1-25B4单向调速阀25LCA6-105二位四通电磁阀2524E1-25B6压力表开关3KB-C67过滤器25WU-25 x180表 4-24.8 液压油管的设计11/22油管类型的选择此次设计中我采用的管道是无缝钢管。油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定。现取油管内径d 为 12mm。4.9 油箱容量的选择本例为中压液压系统，液

27、压油箱有效容量按泵的流量的57 倍来确定，现选用容量为 160L 的油箱。12/225 液压系统性能验算已知该液压系统中进，回油管的内径均为12mm,，各段管道的长度分别为：AB=0.5m ，AC=2m，AD=2m ，DE=3m。选用 L HL32 液压油，考虑到油的最低温度为15，查得 15时该液压油的运动粘度v=150cst=1.5cm 2 /s，油的密度为 =920kg/m3.5.1 压力损失的验算：工作近给时进油路压力损失运动部件进给时的最大速度为0.03m/min ，进给时的最大流量为19.2L/min ，则液压油在管内流速v1 为q4 19.23 103v13.141.221701

28、2cm / min 284cm / s24 dv1 d284 1.2227.2管道流动雷诺数 Re 11.5vRe1 <2300，可见油液在管道内流态为层流，其沿程阻力系数为175750.33Re1227.2进油管道 BC 的沿程压力2plvd2（5-1 ）2p1-1lv 0.81（2）92020.16Pa0.51.510d21.21022查得换向阀 34E1 25B 的压力值是P1 20.05106 Pa忽略油液通过管接头：油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失P1P11666PaP1 2 (0.1 10 0.0510 ) 0.15105.1.2工作进给时回油路的压力损失由于选用

29、单活塞杆液压缸， 切液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的1/2，则回油管道的流量为进油管道的1/2，则 V2V1142cm/ s2Re2 = v 2 d1421.2113.6v1.575750.662Re2113.6回油管道的沿程压力损13/22lv239202p2-10.661.426d1020.15 10 Pa21.22查产品样本知换向阀 24E125B的压力损失P0.025 10 P2 26a，换向阀 34E1-25B的压力损失2 30.0256a，调速阀 LCA6-10的压力损失2 46a。0.510 PP10 PP回油路总压力损失：P2P2 1P2 2P2 3P24（0.025

30、0.025）60.660.050.51010 Pa变量泵出口处的压力PPF/ CMA2P2P12.85106 PaA15.1.3快进时的压力损失快进时液压缸为差动连接， 自汇流点 A 至液压缸进油口 C 之间的管路 AC 中，流量为液压泵出口流量的2 倍，即 45L/min ，AC 段管路的沿程压力损失P11为q43v145 10663cm / s3.1426021.2d4Re1 = v1d6631.2530v1.5175750.142Re153022lv2920p1-10.1426.630.466Pad21021.2102同样可求管道AB段及AD段的沿程压力损失P和1 3 为12q422.5

31、3v210332cm / s3.1426021.2d4Re2=v2d3321.2256v1.5275750.29Re22560.5P1 20.291.2102P1 30.291.2109203.3220.0186Pa221029203.3220.245106Pa214/22查产品样本知，流经个阀的局部压力损失为：34E1 25B 的压力损失P2 10.17610Pa24E1 25B 的压力损失P2 20.17106 Pa据分析在差动连接中，泵的厨楼压力PP 2 P11P12 P13 P21P2 2F1.766PaA2 CM10快退时压力损失验算从略。上述验算表明。无需修改原设计。5.2 系统温升的验算采用上述“系统的发热功率计算方法之二”来进行计算