液压与气动技术 课件 项目四卧式多轴钻孔机床液压系统设计

项目四

卧式多轴钻孔机床液压系统设计液压与气动技术项目构思项目构思卧式多轴钻孔机床液压系统设计是一个综合性学习项目，在学习了液压元件的基本原理、特点、应用和选用方法，熟悉了各种液压基本回路，掌握了几种典型的液压系统的分析和搭建方法的基础上，进一步学习液压系统的设计，对所学内容能够灵活掌握、融会贯通，并获得综合运用所用知识进行液压系统设计的基本能力。本项目就液压系统设计工程师在液压系统设计过程中的步骤和设计内容进行学习。学习该项目时，首先要认真阅读项目导学表中的内容，明确本项目的学习目标，知悉项目学习成果和项目实施的环节。项目构思知识准备

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.1明确系统设计要求明确主机的用途、结构、总体布局，以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。明确主机对液压系统的动作要求。如执行元件的工作循环、运动方式、负载、运动速度的大小，各执行元件的动作顺序或互锁要求。明确主机对液压系统的性能要求。如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等要求。明确液压系统的限制条件。如压力脉动、振动、噪声、冲击的允许值等。明确液压系统的工作环境。如环境温度、湿度尘埃、通风情况、是否易燃、外界冲击振动的情况及安装空间的大小等。明确液压系统的使用条件。如连续运转、间歇运转、运转的频率等。明确液压装置的重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。在液压系统的设计中，首先应明确系统设计要求。主要包括以下内容：

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.2分析系统工况，确定主要参数1.运动分析按设备的工艺要求，把所研究的执行元件在完成一个工作循环的运动规律用图表示出来，这个图称为运动分析图。2.负载分析根据执行元件在运动过程中负载的变化情况，做出其负载-位移曲线图，即负载循环图。液压缸驱动执行元件机构直线往复运动时，所受到的外负载为一般包括工作负载、摩擦阻力负载和惯性负载组成：

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.2分析系统工况，确定主要参数3.执行元件的参数确定（1）选定工作压力

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.2分析系统工况，确定主要参数3.执行元件的参数确定（2）确定执行元件的几何参数对于液压缸来说，它的几何参数就是有效工作面积A这样计算出来的工作面积还必须按液压缸所要求的最低稳定速度vmin来验算：

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.2分析系统工况，确定主要参数3.执行元件的参数确定（2）确定执行元件的几何参数若执行元件为液压马达，则其排量的计算为同样，马达排量也必须满足液压马达最低稳定转速nmin的要求，即排量确定后，可从产品样本中选择液压马达的型号。

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.2分析系统工况，确定主要参数3.执行元件的参数确定（３）确定执行元件最大流量液压缸所需的最大流量qmax等于液压缸有效工作面积A与液压缸最大移动速度vmax的乘积，即液压马达所需的最大流量qmax应是液压马达的排量V与其最大转速nmax的乘积，即

明确系统设计要求进行工况分析4.14.1.2分析系统工况，确定主要参数４.绘制液压执行元件的工况图液压执行元件的工况图是指压力图、流量图和功率图。按照上面所确定的液压执行元件的工作面积（或排量）和工作循环中各阶段的负载（或负载转矩）即可绘制压力图；根据执行元件的工作面积（或排量）以及工作循环中各阶段所要求的运动速度（或转速）即可绘制流量图；根据所绘制的压力图和流量图即可计算出各阶段所需的功率图。以上三个图统称为工况图，为方便分析，通常可将这三个图合在一起绘制。组合机床执行元件的工况图

拟定液压系统原理图4.21.液压执行元件的类型液压执行元件有提供往复直线运动的液压缸，提供往复摆动的摆动缸和提供连续回转运动的液压马达。在设计液压系统时，可按设备所要求的运动情况来选择。在选择时还应进行比较和分析，以求设计的整体效果最佳。例如，若系统需要输出往复摆动，要实现这个运动，既可采用摆动缸，又可使用齿条式液压缸，

还可使用直线往复式液压缸和滑轮钢丝绳索传动机构。因此，要根据实际情况进行比较和分析，综合多方面因素做出选择。

拟定液压系统原理图4.22.液压回路的选择在确定了液压执行元件后，要根据设备的工作特点和性能要求，首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。例如，机床液压系统，调速和速度换接是主要回路；压力机液压系统，调压回路是主要回路等。然后考虑其他辅助回路，例如有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、同步动作和防干扰回路等。同时，也要考虑节省能源，减少发热，减少液压冲击，保证动作精度等问题。选择回路时常有可能有多种方案，这时除反复对比外，应多参考或吸收同类型液压系统中使用并被实践证明是比较好的回路。

拟定液压系统原理图4.23.液压回路的综合液压回路的综合是把选出来的各种液压基本回路放在一起，进行归并、整理，再增加一些必要的元件或辅助油路，使之成为完整的液压传动系统。进行这项工作时还必须注意以下几点：（1）尽可能省去不必要的元件，以简化系统结构。（2）最终综合出来的液压系统应保证其工作循环中的每个动作都安全可靠，不相互干扰。（3）尽可能提高系统的效率，防止系统过热。（4）尽可能使系统经济合理，便于维修检测。（5）尽可能采用标准元件，减少自行设计的专用件。

液压元件的计算和选择4.31.液压泵的选择一是执行机构在运动行程终了，停止时才需要最高工作压力的情况，如液压机和夹紧机构中的液压缸；对于这种情况，泵的最高工作压力

pP也就是执行机构所需的最大压力

p1。（1）确定液压泵的最高工作压力

pP泵的最高工作压力的确定要分两种情况：二是最高工作压力是在执行机构的运动行程中出现的，如机床及提升机等。而对于这种情况，除了考虑执行机构的压力外还要考虑油液在管路系统中流动时产生的总压力损失，即

液压元件的计算和选择4.31.液压泵的选择（2）确定液压泵的最大供油量

qP液压泵的最大供油流量

qP

按执行元件工况图上的最大工作流量及回路系统中的泄漏量来确定，即式中，

K为考虑系统中有泄漏等因素的修正系统，一般

q=1.1~1.3，小流量取大值，大流量取小值；∑qmax为同时动作的各缸所需流量之和的最大值。若系统中采用了蓄能器供油时，泵的流量按一个工作循环中的平均流量来选取

液压元件的计算和选择4.31.液压泵的选择（3）选择液压泵的规格根据前面设计计算过程中计算的

pP和

qP值，即可从产品样本中选择出合适的液压泵的型号和规格。为了使液压泵工作安全可靠，液压泵应有一定的压力储备量，通常泵的额定压力可比

pP高25%~60%。泵的额定流量则宜与

qP相当，不要超过太多，以免造成过大的功率损失。

按执行元件工况图上的最大工作流量及回路系统中的泄漏量来确定，即

液压元件的计算和选择4.31.液压泵的选择（4）确定泵的驱动功率如果系统中使用的是定量泵，视具体工况不同，其驱动功率的计算是不同的。当在整个工作循环中，液压泵的功率变化较小时，可按下式计算液压泵所需驱动功率，即当在整个工作循环中，液压泵的功率变化较大，且在功率循环图中最高功率所持续的时间很短时，则可按上式分别计算出工作循环各阶段的功率

Pi

，然后用下式计算其所需电动机的平均功率。求出了平均功率后，还要验算一个阶段电动机的超载量是否在允许的范围内，一般电动机允许短期超载量为25%。如果在允许超载范围内，即可根据平均功率与泵的转速从产品样本中选取电动机。

液压元件的计算和选择4.32.阀类元件的选择阀类元件的选择是根据阀的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择控制阀的规格。即所选用的阀类元件的额定压力和额定流量要大于系统的最高工作压力及实际通过阀的最大流量。条件不允许时，可适当增大通过阀的流量，但不得超过阀额定流量的20%，否则会引起压力损失过大。具体地讲，选择压力阀时应考虑调压范围，选择流量阀时应注意其最小稳定流量，选择换向阀时除了要考虑压力、流量外，还应考虑其中位机能及操纵方式。

液压元件的计算和选择4.33.辅助元件的选择液压系统中的辅助元件，如油箱、过滤器、蓄能器、油管、管接头等，它们对保证液压系统的工作性能起着重要的作用，因此，它们的设计（主要是油箱）和选用应予以足够的重视。（1）油箱的设计

在进行油箱的结构设计时应注意以下几个问题：①油箱应有足够的刚度和强度。②油箱要有足够的有效容积。③吸油管和回油管应尽量相距远些。④防止油液污染。⑤易于散热和维护保养。（2）过滤器的选用

根据所设计的液压系统的技术要求，按过滤精度、通油能力、工作压力、油液的粘度和工作温度等来选用不同类型的过滤器及其型号。

液压系统性能验算4.41.回路压力损失验算回路压力损失包括管路压力损失和所有阀的压力损失。

管路压力损失包括沿程压力损失Δpf

和局部压力损失Δpr沿程压力损失Δpf

局部压力损失Δpr不同的工作阶段要分开计算，回油路上的压力损失要折算到进油路上，在未画出管路装配图之前，有些压力损失仍只能估算。

液压系统性能验算4.42.发热温升验算液压泵输入功率与执行元件输出功率的差值为液压系统的功率损失，这些能量损失全部转换成热量，使液压系统产生温升。如果这些热量全部由油箱散发出去，不考虑其它部分的散热效能，则油液温升的计算为当验算出来的温升超过允许值时，

系统中必须设置冷却器。所设计的液压系统经验算后，即可对初步拟定的液压系统进行修改，并绘制工作图和编制技术文件。绘制工作图时，在画出整个液压系统的回路之外，还应注明各元件的规格、型号、压力调整值，并给出各执行元件的工作循环图，列出电磁铁及压力继电器的动作顺序表，另外，对于有非标准件时还需画出非标准专用件的装配图及零件图。最后是编写技术文件，技术文件一般包括液压系统设计计算说明书，液压系统的使用及维护技术说明书，零部件目录表、标准件、通用件等。项目分析与仿真

卧式多轴钻孔机床液压系统设计要求4.5设计一台卧式单面多轴钻孔组合机床动力滑台液压系统，液压系统包括进给液压缸和夹紧液压缸。其具体要求如下：该系统的工作循环为：快进→工进→快退→停留。该系统的最大钻削力FL=30468N，运动部件总重量G=9810N。液压缸的机械效率ηcm=0.9。动力滑台快进速度、快退速度v1=v3=7m/min，工进速度v2=53mm/min进给缸快进行程l1=100mm，工进行程l2=50mm。运动部件的导轨形式为平导轨，其静摩擦系数为fs=0.2，动摩擦系统为fd=0.1。进给缸往复运动的加速、减速时间为∆t=0.2s。该系统采用液压与电气配合，实现自动工作循环。液压系统的执行元件采用单杆活塞液压缸。系统工作时要求快进转工进时平衡可靠，工作台能在行程中的任意位置停止。

系统工况分析及主要参数的确定4.64.6.1液压系统的工况分析1.运动分析根据已知条件绘制出动力滑台的工况图。快进、

工进、

快退的时间可由下式计算

系统工况分析及主要参数的确定4.64.6.1液压系统的工况分析2.负载分析

系统工况分析及主要参数的确定4.64.6.1液压系统的工况分析3.负载图和速度图的绘制根据液压缸的运动，以液压缸的行程为横坐标，分别绘制不同工作行程中液压缸的负载变化曲线和速度变化曲线。

系统工况分析及主要参数的确定4.64.6.2液压系统主要参数的确定1.确定液压缸的工作压力按液压系统最大负载35000N时选取的工作压力为

4～5MPa，可以初选液压缸工作压力

p1＝4MPa。2.计算液压缸的主要结构参数鉴于动力滑台快进、快退速度相等，液压缸可选用单杆活塞液压缸，并在快进时做差动连接。这种情况下，液压缸无杆腔工作面积

A1

为有杆腔工作面积A2的两倍。由工进时的推力计算液压缸面积：按国家标准GB/T2348-2018《流体传动系统及元件缸内径及活塞杆外径》，将直径圆整成标准值得

系统工况分析及主要参数的确定4.64.6.2液压系统主要参数的确定根据上述D与d的值，可估算出液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率。

系统工况分析及主要参数的确定4.64.6.2液压系统主要参数的确定工况图组合机床液压缸工况图

卧式多轴钻孔床液压系统图的拟定4.71.确定调速方法采用进口节流调速回路，回油路上要设置背压阀。为了满足系统对执行元件速度稳定性的要求，采用调速阀的进油节流调速回路。2.确定供油方式提高系统效率、节省能量，选用国内比较成熟的产品-双联式定量叶片泵。3.确定换向方式4.速度换接回路采用差动连接方式以实现快进，主换向阀选用Y型中位机能的三位五通电液换向阀。当滑台从快进转为工进时，滑台的速度变化较大，宜选用行程阀来控制速度的换接。4.7.1液压回路的拟定

卧式多轴钻孔床液压系统图的拟定4.74.7.2液压回路的综合（1）为解决滑台工进时图中进油路、回油路相互接通，无法建立压力的问题，在液动换向回路中串接一个单向阀a，将工进时的进油路、回油路断开。（2）为解决滑台快速前进时回油路接通油