单面多孔钻床液压系统课程设计方案

1.1课题选择的意义液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。图1-1液压传动能量传递过程Fig.1-1hydraulictransmissionenergytransferprocess从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递 [2]。图1-2液压传动基本原理Fig.1-2hydraulictransmissionbasicprinciple液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。1.2液压系统在工程中的应用液压传动相对于机械传动来说，是一门新技术。自 1795年制成第一台水压机起，液压技术就进入了工程领域，1906年开始应用于国防战备武器。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。20世纪60年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成话等方向发展；同时，减小元件的重量和体积，提高元件寿命，研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果。 解放前，我国经济落后，液压工业完全是空白。解放后，我国经济获得迅速发展，液压工业也和其它工业一样，发展很快。 20世纪50年代就开始生产各种通用液压元件。当前，我国已生产出许多新型和自行设计的系列产品，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液脉冲马达以及其它新型液压元件等。但由于过去基础薄弱，所生产的液压元件，在品种与质量等方面和国外先进水平相比，还存在一定差距，我国液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业技术的发展，可以预见，液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业部门中的用应，也将会越来越广泛。现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。1.3液压传动系统的优缺点液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。液压传动的应用性是很强的，比如装卸堆码机液压系统，它作为一种仓储机械，在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。也可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。这些系统的特点是功率比较大，生产的效率比较高，平稳性比较好。1.3.1优点传动平稳在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用 了 液 压 传 动 。质量轻体积小液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的 1m3挖掘机在采用液压传动后 ， 比 采 用 机 械 传 动 时 的 质 量 减 轻 了 1t 。承载能力大液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。4)容易实现无级调速在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且调速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。5)易于实现过载保护液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。6)液压元件能够自动润滑由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。7)容易实现复杂的动作采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件．简化机构采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。便于实现自动化液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床和自动线 上 应 用 得 很 普 遍 。便于实现“三化”液压元件易于实现系列比、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本[3]。1.3.2缺点1)液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。实现定比传动困难液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应 1用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。油液受温度的影响由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。不适宜远距离输送动力由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。油液中混入空气易影响工作性能油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。油液容易污染油液污染后，会影响系统工作的可靠性。发生故障不易检查和排除。（一）设计课题设计一台卧式单面多轴钻孔机床的液压传动系统，有三个液压缸，分别完成钻削（快进、工进、快退）、夹紧工件（夹紧、松开）、工件定位（定位、拔销）。其工作循环为：定位 夹紧 快进 工进 快退 原位停止→松开，如图所示：（二）原始数据1.主轴数及孔径：主轴 6根，孔径 ?14mm。2.总轴向切削阻力： 20000N3.运动部件重量： 30000N4.快进、快退速度： 6m/min。5.工进速度：0.02~~1.2m/min6.行程长度：250mm7.导轨形式及摩擦系数：平导轨，8.加速、减速时间：大于0.2秒9.夹紧力：4000N10.夹紧时间：1~2秒11.夹紧液压缸行程长度： 16mm（三）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（四）最后提交内容（电子稿和打印稿各一份）1.设计说明书各一份2.系统原理图一份，含电磁铁动作顺序表，主要元件明细表3.液压阀块二维CAD零件图（A3，比例1：1或者1：2）4.液压阀块三位实体图5.可选部分，包含液压阀块，阀块安装件的三维实体图目录液压课程设计任务书 ··········································I1工况分析 ·················································11.1动作要求分析·········································11.2设计要求及工况分析········································11.3负载图和速度图的绘制·····································12液压系统方案设计···········································22.1确定液压泵类型及调速方式····································22.2选用执行元件···············································22.3快速运动回路和速度换接回路·································22.4换向回路的选择·············································22.5定位夹紧回路的选择·········································22.6动作换接的控制方式选择····································22.7液压基本回路的组成········································33液压系统的参数计算 ···········································43.1液压缸参数计算 ·············································43.1.1初选液压缸的工作压力····································43.1.2计算液压缸主要尺寸·········································43.1.3确定夹紧缸的内径和活塞直径··································63.1.4计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率·····················63.2确定液压泵的规格和电动机功率及型号 ·································73.2.1计算液压泵的压力 ····································73.2.2．计算液压泵的流量·······································73.2.3．选用液压泵规格和型号······································74液压原件的选择···········································84.1液压阀及过滤器的选择·······································84.2油管的选择···············································84.3油箱容积的确定·············································85验算液压系统性能··········································95.1压力损失的验算及泵压力的调整······························95.1.1工进时的压力损失验算和泵的压力调整··························95.1.2快退时的压力损失验算····································95.2液压系统的热和温升验算···································115.2.1系统发热量的计算············································115.2.2系统温升的验算·······································116总结·················································12参考文献·················································121、工况分析1.1动作要求分析根据主机动作要求画出动作循环图如图 1-1定位夹紧快进工进快退拔销松开图1-1动作循环图1.2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 30000N=60000N×Ffd=fdFN=0.1 30000N=3000N×而惯性力Fm=N=1530.6N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ηm=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━4000启动F=Ffs/ηm6315.8快加速F=(Ffd+Fm)/ηm4769.1进快进F=Ffd/ηm3157.9工进F=(Ft+Ffd)/ηm24210.5快退F=Ffd/ηm3157.91.3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，由于行程是行程L1=200mm，工进时的行程 L2=50mm。可绘出负载图（

250mm，设定快进时的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。a)负载图 图1-2负载速度图 b)速度图2、液压系统方案设计2.1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。2.2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。2.3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。2.4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。2.5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。2.6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。2.7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。系统原理图如下图2-1卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图表2-1电磁铁动作顺序表1Y2Y3Y4Y定位夹紧----快进-+--工进-+-+快退--++原位停止++--拔销松开+---3、液压系统的参数计算3.1液压缸参数计算3.1.1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=24210.5N初选液压缸的工作压力p1=4MPa。3.1.2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3-3选此背压为p2=0.6Mpa。表3-1按负载选择工作压力负载/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作压力<0.8~11.5~22.5~33~44~5≥5/MPa表3-2各种机械常用的系统工作压力机床农业机械液压机磨床组合机龙门刨拉床小型工程机大中型挖掘机械类型床床械机建筑机械重型机械液压凿岩机起重运输机械工作压力0.8~23~52~88~1010~1820~32/MPa表3-3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=24210.5N，按此计算 A1则A1= = =67.3cm2液压缸直径 D=由A1=2A2可知活塞杆直径d=0.707D=0.707×9.26cm=6.54cm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=10cmd=6.6cm按标准直径算出A1=则液压缸的实际计算工作压力为：则实际选取的工作压力 P=4MPa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 ，因工进速度 v=1.2m/min由课本式（8-11）本例A1=127cm2>25cm2，满足最低速度要求。3.1.3确定夹紧缸的内径和活塞直径根据夹紧缸的夹紧力 =4000N，选夹紧缸工作压力 =1MPa可以认为回油压力为零，则夹紧缸的直径根据表3-4取d/D=0.5则活塞杆直径按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=8cmd夹=3.6cm表3-4按工作压力选取d/D工作压力/MPa≤5.05.0~7.0≥7.0d/D05~0.55.0.62~0.700.73.1.4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代入计算公式和计算结果列于表3-5中表3-5液压缸所需要的实际流量、压力和功率负载F进油压力回油压力所需流量输入功率Pb工作循环计算公式NPaPaKW定位夹紧 4000 0 15.24 0.078差动快进3157.99.920.063负载F进油压力回油压力所需流量输入功率Pb工作循环计算公式NPaPaKW工进24210.515.240.553快退3157.95.320.190注：1.差动连接时，液压缸的回油口到进油口之间的压力损失 ，而2.快退时，液压缸有杆腔进油，压力为 ，无杆腔回油，液压为3.2确定液压泵的规格和电动机功率及型号3.2.1．计算液压泵的压力由表3-5可知工进阶段液压缸的工作压缸工作压力最大，若取进油路总压力损，压力继电器可靠动作需要压力差为 ，则液压泵最高工作压力可按课本式（ 8-5）算出因此泵的额定压力可取3.2.2．计算液压泵的流量液压泵的最大流量 q泵应为q泵>K(∑q)max式中：(∑q)max----同时动作各液压缸所需流量之和的最大值K----系统的泄露系数，一般取 K=1.1～1.3，现取K=1.2。由表2-6可知快退时液压缸所需的最大流量是 16.2L/min由于各阶段为分时工作，所以(∑q)max=16.2L/minq泵=K(∑q)max=1.2

×16.2L/min=19.44L/min3.2.3．选用液压泵规格和型号根据 P额、q泵值查阅有关手册，选用 YBX-20 型限压式变量叶片泵。该泵的基本参数为：排量 0-20L/min,额定压力 P额=6.3MPa,电动机转速范围 0-1450r/min,容积效率 ηc=0.9,总效率η=0.73.2.4．确定电动机功率及型号由表2-6可知，液压缸最大输入功率在快退阶段，可按此阶段估算电动机功率，由于表中压力值不包括由泵到液压缸这段管路的压力损失，在快退时这段管路的压力损失若取△P=0.5MPa,液压泵总效率η=0.7，则电机功率P电为：查阅电动机样本，选用 Y90S-4电动机，其额定功率为 1.1KW，额定转速为 1500r/min.4、液压原件的选择4.1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 三种规格，所有元件的规格型号列于表 4中，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。序号元件名称1限压式变量叶片泵2单向阀3三位五通电磁阀4单向行程调速阀5单向阀6液控顺序阀7背压阀8减压阀9单向阀二位四通电磁换向阀11单向顺序阀阀12单向调速阀13压力继电器14溢流阀15过滤器16压力开关表

表4-1液压元件明细表最大通过流量/型号20YBX-2020I-25B4035D1-63BY40UCF1G-0320I-25B0.16XY-25B0.16B-10B20JF3-C10B20I-10B2024D1-63BH20AXF3-C-B20MK-10GDP1-63B20Y-25B40XU-B40×100K-6B20 电机 Y90S-44.2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。4.3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，故油箱容积为验算液压系统性能5.1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。5.1.1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，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压差 ，并考虑压力继电器动作需要，则即泵的调定压力应按此压力调整。5.1.2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此必须计算快退时的进油路与回油路的压力损失。

2倍，其压力损失比快进时要大，因已知：快退时进油管和回油管长度均为

，油管直径

，通过的流量为进油路

，回油路

q2=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式的配置