液压系统设计

1设计题目1.1设计题目设计一台专用铣床,铣头驱动电机的功率为7.0千瓦,铣刀直径为120mm,转速350转/分,如工作台质量为480公斤,工件和夹具的质量为150公斤,工作台的行程为400mm,工进行程为100mm,快进快退速度为4.5米/分,工进速度为60~1000毫米/分,其往复运动的加速(减速时间为0.05秒,工作台用平导轨静摩擦系数0.2sf=,动摩擦系数0.1df=,试设计该机床的液压系统。2工况分析2.1负载分析根据给定条件,先计算工作台运动中惯性力mF,工作台与导轨的动摩擦阻力fdF和静摩擦阻力fsF63000.0759639.810.05GmFvFgt∆⨯===∆⨯(N(2-112(0.1(480015006300fddGGFfFF=+=⨯+=(N(2-212(0.2(480015001260fSsGGFfFF=+=⨯+=(N(2-3其中,GFmg==⨯=(NGFmg==⨯=(N00GGGFFF=+=+=(N由铣头的驱动电机功率能够求得铣削最大负载阻力tF:tPFv=(2-4其中3503.140.122.1986060ndmvsπ⨯⨯===因此,.198tPFv===同时考虑到液压缸密封装置的摩擦阻力(取液压缸的机械效率0.9mη=,工作台的液压缸在各工况阶段的负载值列于表2-1中,负载循环图如图2-1所示。表2-1各阶段负载值图2-1负载循环图2.2运动分析根据给定条件,快进、快退速度为0.075m/s,其行程分别为300mm和400mm,工进速度为60~1000m/s(即0.001~0.0167m/s,工进行程100mm,绘出速度循环图如图2-2所示。图2-2速度循环图3拟定液压缸的参数3.1初选液压缸的工作压力根据液压缸推力为4239N(表2-1,按表11-2(书的推荐值,初选工作压力为51010⨯Pa.3.2拟定液压缸尺寸由于铣床工作台快进和快退速度相似,因此选用单杆活塞式液压缸,并使122AA=,快进时采用差动连接,因管路中有压力损失,快进时回油路压力损失取5510p∆=⨯Pa,快退时回油路压力损失亦取5510p∆=⨯Pa。工进时,为使运动平稳,在液压缸回路油路上须加背压阀,背压力值普通为5(51010⨯Pa,选用背压52610p=⨯Pa。根据11220pApAF=+,可求出液压缸大腔面积1A为2151242390.006(0.5(100.5610FAmpp===--⨯⨯(3-10.087(Dm===(3-2根据GB2348-80圆整成就近的原则值,得D=90mm,液压缸活塞杆直径63.65dmm==,根据GB2348-80就近圆整成原则值d=63mm,于是液压缸实际有效工作面积为22210.090.00644ADmππ==⨯=(3-3222222((0.090.0630.00344ADdmππ=-=-=(3-43.3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值(见表3-13.4绘制液压缸工况图根据表3-1计算成果,分别绘制P-L、Q-L和N-L图,如图3-1所示P-L图Q-L图N-L图图3-1-L、Q-L和N-L图4拟定液压系统图4.1选择液压系统图4.1.1调速回路由工况图3-1可知,该铣床液压系统功率小,因此选用节流调速方式,滑台运动速度低,工作负载为阻力负载且工作中变化小,故可选用进口节流调速回路。为避免孔钻通时负载忽然消失引发运动部件前冲,在回油路上加背压阀。由于系统选用节流调速方式,系统必然为开式循环系统。。考虑到铣削加工中有顺铣和逆铣两种工况,宜采用调速阀来确保速度稳定,并将调速阀装在液压缸回油路上起阻力作用,使工作台低速运动时比较平稳,如图4-1(a和4-1(A所示,由于本系统滑台由快进转为工进时,速度变化不大,为减少速度换接时的液压冲击,从节省成本考虑,选用如图4-1(a所示的调速回路。(a(A图4-1调速回路4.1.2换向回路和卸荷回路铣床工作台采用单活塞杆液压缸驱动。由工况图可知,系统压力和流量都不大,同时考虑工作台工作一种循环后装夹具时间比较长,为方便工作台的手动,选用三位四通U型电磁换向阀,并由电气行程开关配合实现自动换向,如图4-2b所示4.1.3快速运动回路为实现工作台快速进给,选用二位三通电磁换向阀构成液压缸的差动连接。这种差动连接的快速运动回路,构造简朴,也比较经济,如图4-2a所示。在图4-2a-b中构造复杂不利于控制,因此选择4-2a所示的回路,一起同4-2b构成的快速、换向回路,同样能够实现差动连接。同时验算回路的压力损失比较简便,因此不选用图4-2a-b所示的回路。(a(b(a-b图4-2快速和换向回路4.1.4压力控制回路由于液压系统流量很小,铣床工作台工作进给时,采用回油路节流调速,故选用定量泵供油比较、经济,如图4-1a所示.调压回路采用先导式溢流阀维持液压泵出口压力恒定。当换装工件时,工作台停止运动,液压泵卸荷回路采用小型二位三通电磁阀控制先导型溢流阀,实现液压泵的卸荷。而从提高系统效率、节省能量角度来看,选用双联叶片泵油源显然是不合理的,如图4-3b所示,其结构复杂,控制也复杂,因此不适宜选用此方案。(a(b图4-3压力控制回路4.2液压系统合成根据以上选择的液压基本回路,合成为图4-2所示的定量泵-回油路节流调速液压系统图。图4-2液压系统合成5选择液压元件5.1选择液压泵和驱动电机取液压系统的泄漏系数K=1.1则液压泵的最大流量333max(1.10.225100.24810/BiQKQms-≥∑=⨯⨯=⨯,即BQ=14.88L/min。根据拟定的液压系统是采用回油路节流调速,进油路压力损失选用5510pPa∑∆=⨯,故液压泵工作压力为:551(9.8451014.8410BpppPa=+∑∆=+⨯=⨯。(5-1考虑到系统动态压力因素的影响,液压泵的额定工作压力为:5514.84(125%1018.8510BpPa=+⨯=⨯.(5-2根据BQ、Bp和已选定的单向定量泵型式,查手册书(二选用116YB-型定量叶片泵。该泵额定排量为16mL/r,额定转速960r/min,其额定流量为330.25610/ms-⨯,由工况图知,最大功率在快退阶段,如果取液压泵的效率为为0.75,驱动液压泵最大输入功率BN为:531(15.95100.256107130.75BBBpQNη-+⨯⨯⨯===(W(5-3查电工手册选用750W的电动机。5.2选择控制元件根据系统最大工作压力和通过控制元件的最大流量,选用各类阀的规格见表5-1.表5-1选用各类阀的规5.3选用辅助元件滤油器:液压泵吸油口需装粗滤油器,选用XU-16⨯100J线隙式100mμ进口滤油器,流量Q=16l/min=0.267⨯3310/ms-.油箱容量:由下式计算有效容积V,取系数K=6,Q=12L/min,则有3361272(7210(VKQLm-==⨯==⨯(5-4根据书(二原则,可取油箱的容积V=75L,油箱见附图1,管道尺寸由选定的原则元件连接口尺寸拟定。6液压系统性能验算6.1回路中压力损失回路压力损失计算应在管道布置图完毕后进行,必须懂得管道的长度和直径。管道直径按选定元件的接口尺寸拟定,即d=12mm,长度在管道布置图未完毕前暂按进油管、回油管均为L==2m估算。油液运动粘度取421.510/msν-=⨯,在此设计中重要验算工进和快退工况时的压力损失。6.1.1工进时压力损失进油管路压力损失:首先鉴别进油管液流状态,由于雷诺数334440.11070.712101.510evdQRdνπνπ---⨯⨯====<⨯⨯⨯⨯(6-1故为层流。管路沿层压力损失:4316441654.34.31.5100.11021012100.62210(LQLPdPaν--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯∆=⨯=⨯=⨯(6-2取管道局部损失50.10.062210LPPPaζ∆=⨯∆=⨯油液流经单向阀和三位四通换向阀的压力损失按下面公式计算,有关数据见表5-1222550.2560.2561.5102100.4170.417VVVnVnQPPQ⎛⎫⎛⎫⎛⎫∑∆=∑∆=⨯+⨯⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭51.3210=⨯(Pa(6-3工进时进油路总压力损失:'5210LVpPPPζ∆=∆+∆+∑∆=⨯(Pa(6-4攀枝花学院本科毕业设计（论文）5选择液压元件工进时回油路压力损失：因回油管路流量Q2为Q2=Q10.1×10−3==0.05×10−3(m3/s22(6-5液流状态经判断为层流（Re=70.7<，于是沿程压力损失：4.3×ν×Q×L4.3×1.5×10−4×0.05×10−3×2×1016=d4124×1016=0.297×105(Pa∆PL=(6-6局部压力损失：∆Pζ=0.1×∆PL=0.0297×105Pa(6-7回油路中油液流经二位三通换向阀、调速阀和三位四通换向阀时的压力损失计算办法同上，即Q0.128550.128∑∆P=∑∆PV=1×105VVn+5×10+2×100.4170.417QVn222=5.28×105(Pa工进时回油路总压力损失(6-8∆p"=∆PL+∆Pζ+∑∆P=5.6×105(PaV失∆p=∆p'+∆p"A20.003=2×105+5.6×105×=4.8×105(PaA10.006(6-9将回油路中压力损失折算到进油路上，就可求出工进时回路中整个压力损(6-106.1.2快退时压力损失快退时进油路和回油路中经检查都是层流，进油路压力损失为：4.3×ν×Q×L4.3×1.5×10−4×0.225×10−3×2×1016=d4124×1016=1.4×105(Pa∆PL=∆Pζ=0.1∆P=0.14×10(Pa5(6-11进油路中油液流经单向阀、三位四通换向阀、单向调速阀（反向时）以及二位三通换向阀时压力损失计算办法同前Q0.25650.256∑∆P=∑∆PV=1.5×105VVn+2×100.4170.417QVn2220.2565+1×105=1.7×10(Pa0.4172(6-12攀枝花学院本科毕业设计（论文）5选择液压元件快退时进油路总压力损失：∆p'=∆PL+∆Pζ+∑∆P=3.24×105(PaV快退时回油路中压力损失：由于Q1=2Q2,则有∆PL=4.3×ν×Q×L4.3×1.5×10−4×2×0.225×10−3×2×1016=d4124×1016=2.8×105(Pa(6-13(6-14∆Pζ=0.1∆P=0.28×105(PaQ2×0.2565∑∆P=∑∆PV=2×105VVn=2.46×10(PaQVn0.417回油路总压力损失：22∆p"=∆PL+∆Pζ+∑∆P=5..54×105(PaV(6-15将回油路中的压力损失折算到进油路上去，可得到快推时回油路中的整个压力损失：∆p=∆p'+∆p"0.003A2=3.24×105+5.54×105×=6×105(PaA10.006(6-16这个数值比原来预计的数值大，因此系统中元件规格和管道直径不适宜再减小。6.2拟定液压泵工作压力工进时，负载压力pL=F42.39==66.24(N/cm2=6.624×105(PaA164(6-17液压泵工作压力pgj≥pL+∆p=(6.624+4.8×105=11.4×105(Pa(6-18快退时，负载压力：'pL=F700==21.88(N/cm2=2.88×105(PaA232(6-19液压泵的工作压力：pkt≥pL+∆p=(2.88+6×105=8.88×105(Pa(6-20根据pgj，则溢流阀调节压力取12×105Pa。攀枝花学院本科毕业设计（论文）5选择液压元件6.3液压系统的效率由于在整个工作循环中，工进占用时间最长，因此，系统的效率能够用工进时的状况来计算。工进速度为0.0010.0167m/s，则液压缸的输出功率为NC=FV=4239×0.001=4.239(W'NC=FV=4239×0.0167=70.79(W