液压课程设计52141

1、机械工程学院液压与气动技术课程设计题目：卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统设计专业：机械设计制造与自动化班级：1301 班姓名：王鹏飞学号：1304061033指导教师：蔺国民液压与气动技术课程设计任务书一、主要任务与目标任务：设计一个卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统目标：设计要求滑台实现“快进工进快退停止”工作循环。已知：机床有主轴 11 个，其中 7 个用于钻 13.9mm的孔， 4 个用于钻 8.5mm的孔。刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBW，机床工作部件总质量为m=1000Kg；快进速度 v1 、快退速度 v2 均为 5.5m/S，快进行程长度L1=100mm，工进行程

2、长度为 L2 =50mm，往复运动的加速、减速时间不大于0.157S，动力滑台采用平导轨，静摩擦系数 f s=0.2 ，动摩擦系数 f d=0.1 ；液压系统的执行元件为液压缸。二、主要内容（ 1）熟悉设计任务，明确设计及目标。（ 2）根据设计要求和已学过的设计流程，拟定系统工作原理图。（ 3）计算各元件的参数并验算。（ 4）元件选型。（ 5）编制文件，绘制速度、负载图谱。三、工作量要求完成规定的任务，总字数30004000 字。四、时间要求本课程设计于前完成目录1121323.123.223.33444.144.26585.185.295.395.4106106.1106.1.1106.1.

3、2116.1.3116.2117127.1127.2137.3137.4131. 负载与运动分析负载分析中，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：夹紧力，导轨摩擦力，惯性力。在对液压系统进行工况分析时，本设计实例只考虑组合机床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载和机械摩擦阻力负载，其他负载可忽略。1. 切削负载 FW工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，对于金属切削机床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载。切削负载 (确定切削负载应具备机械切削加工方面的知识 )用

4、高速钢钻头 (单个 )钻铸铁孔时的轴向切削力 Ft (单位为 N) 为Ft25.5Ds0.8 (HBW )0. 6(8 1)式中： D 钻头直径，单位为 mm；s 每转进给量，单位为mm r；HBW 铸件硬度 ,HBW=240 。n 和每转进给量s 按 “组合机床设计手册 ”取：根据组合机床加工特点，钻孔时主轴转速对 13.9mm 的孔： n1=360r min ，s l=0.147mm r；对 8.5mm 的孔： n2=550r min ，s 2=0.096mm r；所以，系统总的切削负载Ft 为：Ft0.8x240 0.60.8x240 0.6=17907N令 Ft=Fg=17907N2惯

5、性负载0.157s ，所以取t 为 0.157S往复运动的加速，减速时间不希望超过Fm=m v/ t=1000x5.5/(60x0.157)N=583N3阻力负载机床工作部件对动力滑台导轨的法向力为：Fn=mg=9810N静摩擦阻力：Ftf =f sFn=0.2x9810N=1962N动摩擦阻力：Ffd=f dFn=0.1x9810N=981N如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率w =0.9 ，根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况由此得出液压缸在各工作阶段的负载如表81所列。表 81液压缸在各工作阶段的负载R工况负载

6、组成负载值 F工况启动FFn f s1962工进加速FFn f d +m v/ t1564快退快进FFn f d981负载组成负载值 FFFn fd +Fg18888FFfd981注：在负载分析中，没有考虑动力滑台上倾翻力矩的作用按表 8-1 数值绘制的动力滑台负载图如图8-1(a)所示。2负载图和速度图的绘制根据工作循环 (总行程 L1+L2=150mm工进速度V2=n 1s1=n2 s2=53mm/min, 绘制动力滑台速度图 ,负载图（如图所示） 。3 确定液压系统主要参数3.1 确定液压缸工作压力由表 2 和表 3 可知，组合机床液压系统在最大负载约为32000N 时宜取 4MPa 。

7、表 2 按负载选择工作压力负载/ KN<5510102020303050>50工作压力 /MPa< 0.811.522.533445 5表 3各种机械常用的系统工作压力机 床农业机械液压机机械类型小型工程机械大中型挖掘机磨床组合龙门拉床建筑机械重型机械机床刨床液压凿岩机起重运输机械工作压力 /Mpa0.823528810101820323.2 计算液压缸主要尺寸由于工作进给速度与快速运动速度差别较大，且快进、快退速度要求相等，从降低总流量需求考虑，应确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。通常利用差动液压缸活塞杆较粗、可以在活塞杆中设置通油孔的有利条件，最好采用活塞杆固定，而

8、液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。这种情况下， 应把液压缸设计成无杆腔工作面积A1 是有杆腔工作面积 A2 两倍的形式，即活塞杆直径d 与缸筒直径D呈 d = 0.707 D的关系。工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，液压缸有可能会发生前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压( 通过设置背压阀的方式) ，选取此背压值为p2=0.6MPa。快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），但连接管路中不可避免地存在着压降p ，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取p0.3MPa。快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值p2 =0.6MPa。工进时液压缸的推

9、力计算公式为F /mA1 p1A2 p2A1 p1( A1 / 2) p2式中： F 负载力m 液压缸机械效率A 液压缸无杆腔的有效作用面积1A 液压缸有杆腔的有效作用面积2p 液压缸无杆腔压力1p 液压有无杆腔压力2因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为2F=18888=26.59 ×10-4 m2A =0. 96 （46m( p1p2)2 0.6） 10AA2A53. 1810 4 m2A1= 122D4A10. 082m由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d = 0.707D，因此活塞杆直径为d=0.707 ×0.087=0.06m ，根据

10、 GB/T2348 2001 对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，圆整后取液压缸缸筒直径为D =90mm，活塞杆直径为d=63mm 。此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：A1D 263.61 10 4 m24A2( D 2d 2 )32.44 10 4 m243.3 各阶段压力、流量、功率的计算根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如表4 所示。表 8-2液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值回油腔进油腔输入理输入功论流量工况负载率计算式压力压力qFL/NP/kWP /MPaP /MPa/(L/s)21快进启动19620(差 加

11、速1564p1p动 )恒速9810.66-p1FL / m A2 p / A1 A20.526-qA1 A2 v10.3300.2840.0937Pp1qp1FL /工进188880.63.500.00560.0196qA1v2Pp1q启动196200.63-p1FL /快15640.53-qA2 v3加速0.6退9810.3190.1760.056Pp1q恒速m p2 A2 / A1mp2 A1/ A2并据表 4 可绘制出液压缸的工况图，如图2 所示。图 2组合机床液压缸工况图4 液压系统图的拟定根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析，所设计机床对调速范围、低速稳定性有一定要求， 因此速度

12、控制是该机床要解决的主要问题。 速度的换接、 稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。 此外，与所有液压系统的设计要求一样， 该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。4.1液压回路的选择选用执行元件因系统运动循环要求正向快进和工进，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A 2 的两倍。速度控制回路的选择工况图表明，所设计组合机床液压系统在整个工作循环过程中所需要的功率较小，系统的效率和发热问题并不突出， 因此考虑采用节流调速回路即可。 虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合， 而且结构简单、 成本低。

13、该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度 - 负载特性，因此有三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。钻镗加工属于连续切削加工， 加工过程中切削力变化不大， 因此钻削过程中负载变化不大，采用节流阀的节流调速回路即可。但由于在钻头钻入铸件表面及孔被钻通时的瞬间，存在负载突变的可能， 因此考虑在工作进给过程中采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。由于选定了节流调速方案， 所以油路采用开式循环回路， 以提高散热效率， 防止油液温升过高。从工况图中可以清楚地看到，在这个液压系统的工作循环内，液压要求油源交替地提供低压大流

14、量和高压小流量的油液。而快进快退所需的时间t1 和工进所需的时间 t2t2有 t1=20 因此从提高系统效率、节省能量角度来看，如果选用单个定量泵作为整个系统的油源， 液压系统会长时间处于大流量溢流状态，从而造成能量的大量损失，这样的设计显然是不合理的。如果采用一个大流量定量泵和一个小流量定量泵双泵串联的供油方式，由双联泵组成的油源在工进和快进过程中所输出的流量是不同的，此时液压系统在整个工作循环过程中所需要消耗的功率估大，除采用双联泵作为油源外，也可选用限压式变量泵作油源。但限压式变量泵结构复杂、成本高，且流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，最后确定选用双联液压泵供油方案，有利于降低能耗和

15、生产成本，如图3 所示。图 3 双泵供油油源选择快速运动和换向回路根据本设计的运动方式和要求，采用差动连接与双泵供油两种快速运动回路来实现快速运动。即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。本设计采用二位二通电磁阀的速度换接回路，控制由快进转为工进。与采用行程阀相比，电磁阀可直接安装在液压站上，由工作台的行程开关控制，管路较简单，行程大小也容易调整，另外采用液控顺序阀与单向阀来切断差动油路。因此速度换接回路为行程与压力联合控制形式。速度换接回路的选择所设计多轴钻床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。为便于实现差动连接，选用三位

16、五通电磁换向阀。为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，应考虑选用Y 型中位机能。由前述计算可知，当工作台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由0.5485 L/S0.0084 L/S，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少速度换接过程中的液压冲击，如图 4 所示。由于工作压力较低，控制阀均用普通滑阀式结构即可。由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。降a. 换向回路b.速度换接回路图 4 换向和速度切换回路的选择参考同类组合机床，选用双作用叶片泵双泵供油，调速阀进油节流阀调速的开式回路，溢流阀

17、做定压阀。为了换速以及液压缸快退时运动的平稳性，回油路上设置背压阀，初定背压值 Pb=0.6MPa 。4.2液压回路的综合选定调速方案和液压基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路，如控制油路、润滑油路、测压油路等，并对回路进行归并和整理，就可将液压回路合成为液压系统，即组成如图5 所示的液压系统图。1双联叶片液压泵；2三位五通电液阔；3行程阀； 4调速阀； 5单向阀；6单向阀； 7顺序阀； 8背压阀； 9溢流阀； 10单向阀； ll 过滤器；12压力表接点；13单向阀； l4压力继电器。系统图的原理1快进快进如图所示， 按下启动按钮， 电磁铁 1YA 通电，由泵输出地压力油经 2

18、 三位五通换向阀的左侧，这时的主油路为：进油路：泵 向阀 10三位五通换向阀 2（ 1YA 得电）行程阀 3液压缸左腔。回油路： 液压缸右腔三位五通换向阀 2（ 1YA 得电） 单向阀 6行程阀 3液压缸左腔。由此形成液压缸两腔连通，实现差动快进，由于快进负载压力小，系统压力低，变量泵输出最大流量。2工进减速终了时，挡块还是压下，行程开关使3YA通电，二位二通换向阀将通路切断，这时油必须经调速阀4 和 15 才能进入液压缸左腔，回油路和减速回油完全相同，此时变量泵输出地流量自动与工进调速阀15 的开口相适应，故进给量大小由调速阀15 调节，其主油路为：进油路：泵 向阀 10三位五通换向阀2（

19、1YA 得电）调速阀4调速阀15液压缸左腔。回油路：液压缸右腔三位五通换向阀2背压阀8液控顺序阀7油箱。3. 快退滑台停留时间结束后，时间继电器发出信号，使电磁铁1YA、3YA 断电， 2YA 通电，这时三位五通换向阀 2 接通右位，因滑台返回时的负载小， 系统压力下降， 变量泵输出流量又自动恢复到最大，滑快速退回，其主油路为：进油路：泵 向阀 10三位五通换向阀2（ 2YA得电）液压缸右腔。回油路：液压缸左腔单向阀5三位五通换向阀2（右位）油箱。4. 原位停止当滑台退回到原位时，挡块压下原位行程开关，发出信号，使2YA 断电，换向阀处于中位，液压两腔油路封闭，滑台停止运动。这时液压泵输出的油

20、液经换向2 直接回油箱，泵在低压下卸荷。5 液压元件的选择5.1 确定液压泵的规格和电动机功率（ 1）计算液压泵的最大工作压力由于本设计采用双泵供油方式，根据液压系统的工况图，大流量液压泵只需在快进和快退阶段向液压缸供油， 因此大流量泵工作压力较低。 小流量液压泵在快速运动和工进时都向液压缸供油， 而液压缸在工进时工作压力最大， 因此对大流量液压泵和小流量液压泵的工作压力分别进行计算。根据液压泵的最大工作压力计算方法，液压泵的最大工作压力可表示为液压缸最大工作压力与液压泵到液压缸之间压力损失之和。对于调速阀进口节流调速回路，选取进油路上的总压力损失p0.8MPa ，同时考虑到压力继电器的可靠动

21、作要求压力继电器动作压力与最大工作压力的压差为0.5MPa，则小流量泵的最高工作压力可估算为pp 1 (3.50.80.5)MPa4.8MPa大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，图 4 表明，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为0.5MPa，则大流量泵的最高工作压力为：pp 2 (0.319 0.5)MPa0.819MPa（ 2）计算总流量表 3 表明，在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在快进工作阶段，为 17.04 L/min ，若整个回路中总的泄漏系数K L= 1.05，则液压油源所需提供的总流量为：q p 1.0517.04L / min

22、 17.892L / min工作进给时，液压缸所需流量约为0.0056L/s，但由于要考虑溢流阀的最小稳定溢流量0.05 L/s ，故小流量泵的供油量最少应为0.0556L/s 。据据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，因此选取PV2R12 6/26型双联叶片泵，其中小泵的排量为6mL/r ，大泵的排量为26mL/r ，若取液压泵的容积效率nv=0.9 ，则当泵的转速 np=940r/min时，液压泵的实际输出流量为q p(626)9400.9 /1000 L / min27.1L / min由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为0.819MPa 、流量为27.1r/mi

23、n 。取泵的总效率p0.75 ，则液压泵驱动电动机所需的功率为：pp qp0.81927.1P600.8 kWp0.75根据上述功率计算数据，此系统选取Y100L-6型电动机，其额定功率Pn1.5kW，额定转速nn960 r min 。5.2 确定阀类元件及辅件根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，查阅产品样本，选出的阀类元件和辅件规格如表6 所列。表 6液压元件规格及型号通过的最规格序号元件名称大流量型号额定流量额定压力额定压降q/L/minnnnq /L/minP /MPa?P /MPa1双联叶片泵PV2R12-12/323716/142三位五通电5035DYF3Y E1

24、0B8016< 0.5液换向阀3行程阀60AXQF E10B6316< 0.34调速阀<1AXQF E10B6165单向阀60AXQF E10B63160.26单向阀25AF3-Ea10B63160.27液控顺序阀22XF3 E10B63160.38背压阀0.3YF3 E10B63169溢流阀5.1YF3 E10B631610单向阀22AF3-Ea10B6316< 0.0211滤油器30XU 63× 80-J63< 0.0212压力表开关KF3-E3B 3 测点1613单向阀60AF3-Fa10B1006.30.214压力继电器PF B8L0* 注：此为

25、电动机额定转速为940r/min 时的流量。5.3确定油管在选定了液压泵后，液压缸在实际快进、工进和快退运动阶段的运动速度、时间以及进入和流出液压缸的流量，与原定数值不同，重新计算的结果如表7 所列。流量、速度快进工进快退输入流量A1q pq1A2/(L/min ）A1q1 q p27.163.6127.1q1 0.33663.6132.4455.3排出流量A2q1A qA qq2q22 1q211A1A1A2/(L/min ）32.44 55.30.33632.4427.163.6163.6128.263.6132.440.17153.14运动速度qpq1q1v1A2v2v3A1A1A2/(

26、L/min ）27.1100.3361027.11063.6132.4463.6132.448.690.0538.35表 7 各工况实际运动速度、时间和流量由表可以看出，液压缸在各阶段的实际运动速度符合设计要求。有表 7 中的数据，取油液的流速 v=3m/s，算得液压缸无杆腔及有杆腔相连的油管内径分别为dq255.3 106 / 6023103 mm 19.77mmvd27.1106 / 6013.85mm233mm10这两根油管都按 GB/T 2351-2005选用内径15mm，外径 18mm 的冷拔无缝钢管。5.4 油箱计算油箱的容量按式,V= qp 估算，其中 为经验系数，取 =7 ，得

27、 V= qp=7 27.1=189.7L按 JB/T 7938-1999规定，取最靠近的标准值V=200L6 验算液压系统性能6.1 验算系统压力损失由于系统管路布置尚未确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故只能估算阀类元件的压力损失。6.1.1 快进滑台快进时， 液压缸通过电液换向阀差动连接。在进油路上， 油液通过单向阀10 的流量是 22L/min 、电液换向阀 2 的流量是 27.1L/min ，然后与液压缸有杆腔的回油汇合，以流量 55.3L/min 通过行程阀 3 进入无杆腔。在进油路上，总压降为pv 0.2( 22 )20.5( 27.1) 20.3( 55.3)2 MPa0.3

28、1 MPa638063在回油路上， 油液通过电液换向阀 2 和单向阀 6 的流量是 28.2L/min ，然后与液压泵的供油合并，通过行程阀 3 进入无杆腔。有杆腔压力 P2 与无杆腔压力 p1 之差为p p2p1 0.5( 28.2)20.2 ( 28.2 )20.3(55.3) 2 MPa 0.333MPa8063636.1.2 工进滑台工进时，在进油路上，油液通过电液换向阀2 的流量为 0.336L/min 、调速阀 4 进入液压缸无杆腔， 在调速阀4 处的压力损失为0.5MPa 。在回油路上， 油液通过电液换向阀2 的流量为 0.171L/min ，经液控顺序阀7 的流量为（ 0.17

29、+22 ）=22.17L/min ，返回油箱，在背压阀 8 处的压力损失为0.6MPa。若忽略管路的沿程压力损失和局部压力损失，则在液压缸回油腔的压力P2 为p2 0.5( 0.17)20.6 0.3( 22.17) 2 MPa 0.637MPa8063可见此值略大于原估计值0.6MPa 。故可按表 8-2中公式重新计算工进时液压缸进油腔压力 p1，即Fp2 A2p1m3.81MPaA1此略高于表 8-2数值。考虑到压力继电器的可靠动作要求压差pe=0.5MPa ，则溢流阀9 的调压 Pp1 应为p p1Ap1p1pe3.81 0.5 ( 0.5)20.5 0.54.75MPa806.1.3

30、快退滑台快退时，在进油路上，油液通过单向阀10 的流量为 22L/min 、电液换向阀 2 的流量为 27.1L/min进入液压缸有杆腔。 在回油路上， 油液通过单向阀 5、电液换向阀2 和单向阀 13 的流量为53.14L/min 返回油箱。在进油路上总的总压降为pv10.2 ( 22)20.5( 27.1)2 MPa 0.082MPa6380此值远小于估计值，因此液压泵的驱动电动机的功率是足够的。在回油路上总的总压降为pv20.2 (53.14 )20.5 ( 53.14)20.3(53.14) 2 MPa 0.576MPa638063此值与表7 的数值基本相符，故不必重算。快退时液压泵的

31、工作压力为ppp1pv1(0.530.082)MPa0.612MPa此值是调整液控顺序阀7 的调整压力的主要参考数据。6.2 验算系统发热与温升由于工进在整个工作循环中占95%，所以系统的发热与温升可按工进工况来计算。液压系统输出的有效功率即为液压缸输出的有效功率pe Fv2188880. 053103600. 0167kWkW这时大流量液压泵经顺序阀7 卸荷，小流量液压泵在高压下供油。大液压泵通过顺序阀 7 的流量为 22L/min ，有表 8-2 查得该阀在额定流量qn=0.3MPa ，故此阀在工进时的压力损失ppn ( q2 )20.3 ( 22)20.037MPaq163小液压泵工进时

32、的工作压力 pp1=4.75MPa ，流量 q1 =5.1L/min ，所以俩个液压泵的总输入功率为pp1q1 pq24.751065.110 30.0371062210 36060pkW 0.5564kWp液压系统的发热功率为ppppe( 0. 55640. 0167)kW0. 540kW油箱的散热面积为A6.53 V 26.53 20010 3 m22.22m2查表 8-18 得油箱的散热系数K=9W, 则油液温升为tp1030. 540103 C27.0 CKA92. 22油温在允许范围内，油箱散热面积符合要求，不必设置冷却器。7 油箱设计7.1壁厚、箱顶及箱顶元件的设计采取钢板焊接而成，故取油箱的壁厚为 3mm，并采用将液压泵安装在油箱的上表面的方式，故上表面应比其壁要厚，同时为避免产生振动，则顶扳的厚度应为壁厚的 4 倍以上，所以取：顶壁厚 1