立式组合机床液压课程设计.doc

重庆大学本科液压传动系统课程设计（说明书） 方案的确定1 方案的确定1.1整体性分析要求此液压系统实现的工作循环是：工件夹紧 工作快进 工作台工进 工作台快退 工作台原位停止 工件松开 液压泵卸荷。滑台的重量为80000N,快进快退的速度0.1m/s,滑台工进速度(1-10) mm/s 快进行程120mm,工进行程80mm ,切削负载为28000N.对于立式组合机床的液压系统而言，加工的零件需要精度高，定位准确。所以整个系统的设计要求定位精度高，换向速度快。在设计阀的时候，考虑这些方面变的尤其重要，要考虑到工作在最低速度时调速阀的最小调节流量能否满足要求，且在工作位置换的时候要考虑速度的平稳性，例如在快进至工进的过程中加入减速环节，使速度更加的平稳。在行程方面，应该比要求的工作行程大点，包括工作行程、最大行程和夹紧缸行程，主要是考虑到在安全方面和实际运用中。在压力方面也要考虑到满足最大负载要求。而且在液压系统能满足要求的前提下，使液压系统的成本较低。1.2 拟定方案方案一 液压系统中工作台的执行元件为伸缩缸，工件的夹紧用单杆活塞缸；工作台采用节流阀实现出油口节流调速，用行程阀实现工作台从快进到工进的转换，在工进回路上串接个背压阀；为了防止工件在加工过程中松动，在夹紧进油路上串接个单向阀；工作台的进、退采用电磁换向阀；夹紧缸的夹紧与放松用电磁阀控制。方案二 液压系统中工作台的执行元件为单杆活塞缸，工件的夹紧也采用单杆活塞缸；工作台采用调速阀实现进油口节流调速，也采用行程阀实现工作台从快进到工进的转换，工进时，为了避免前冲现象，在回路上串接个背压阀；夹紧缸上串接个蓄能器和单向阀，避免工件在加工过程中松动；工作台的进、退换向采用电液换向阀，工作台快进时，采用差动连接；夹紧缸的夹紧与放松用电磁阀控制。- 5 -1.3比较方案并确定方案单杆活塞缸比伸缩缸结构简单，价格便宜，易维护，而且也能满足要求；调速阀的性能比节流阀稳定，调速较好，用于负载变化大而运动要求稳定的系统中；采用进油口调速回路；夹紧缸进油口处串接蓄能器，更好的保证工件的夹紧力，使工件在加工过程中始终在夹紧状态。电液换向阀的信号传递快，配合液压动力的输出力大、惯性小、反映快的优点使控制灵活、精度高、快速性好。综上比较选择方案二较好。重庆大学本科液压传动系统课程设计（说明书） 工况分析 2 工况分析2.1运动参数分析首先根据主机要求画出动作循环图（图一）。快进工进快退放松夹紧注：从快进到工进，中间加上减速环节使速度变换平稳。图一2.2动力参数分析（1）工作负载工作负载为已知 FL=28000N（2）摩擦阻力负载 已知采用平导轨，且静摩擦因数=0.2,动摩擦因数ud=0.1则： 静摩擦阻力 =0.280009.8N=15680N 动摩擦阻力 =0.180009.8N=7840N （3）惯性负载 动力滑台起动加速，反向起动加速和快退减速制动的加速度的绝对值相等，既v=0.1m/s，t=0.1s，故惯性阻力为：=Gv/gt=（80000.1）/（9.80.1）=816N（4）由于动力滑台为卧式放置，所以不考虑重力负载。（5）关于液压缸内部密封装置摩擦阻力Fm的影响，计入液压缸的机械效率中。（6）背压负载 初算时暂不考虑2.3 液压缸各阶段工作负载计算：（1）启动时 F1=/=15680/0.92=17043N（2）加速时 F2=（+）/0.92=（7840+816）/0.92=9409N（3）快进时 F3=/=7840/0.92N=8522N （4）工进时 F4=(+)/=(28000+7840)/0.92N=38956N（5）快退时 F5=/=7840/0.92N=8522N - 7 -表1 液压缸在各个工作阶段的负载值其中=0.92工况负载组成负载值（N）推力（N）夹紧35000快进起动1568017043加速+86569409快进78408522工进工进+3584038956快退78408522重庆大学本科液压传动系统课程设计（说明书） 液压系统的计算和选择液压元件 2.4负载图和速度图的绘制速度图、负载图按上面的数值绘制，如图所示。120200S (mm) 0V (m/s)F（N）S (mm)快进工进快退1202000.1-0.194098522-852238956图二3 拟定液压系统图3.1确定执行元件类型：3.1.1工作缸：根据组合机床特点和要求，所以选用无杆腔面积等于两倍的有杆腔面积的差动液压缸，近似区d=0.7D。3.1.2夹紧缸：由于结构上的原因和为了有较大的有效工作面积，也采用单杆双作用活塞液压缸。3.2换向方式确定为了便于工作台在任意位置停止，使调整方便，所以采用三位换向阀；为了便于组成差动连接，应采用三位五通电液换向阀。阀的中位机能的选择对保证系统工作性能有很大作用，为了满足本专机工作位置的调整方便性和采用液压夹紧的具体情况，决定采用“O”型中位机能。3.3调速方式的选择在组合机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据洗削类专机工作时对低速性能和速度负载特性都有一定的要求，因此决定采用调速阀进行调整。为了便于实现压力控制，采用进油节流调速，同时为了满足低速进给时平稳性，以及避免出现前冲现象，在回路上设有背压阀，初取为0.5Mpa。3.4快进转工进为了保证转换平稳、可靠、精度高，采用行程阀控制快进、减速转工进的控制。3.5终点转换控制方式的选择采用行程开关和加死挡块控制，在需要的地方加上了压力继电器，便于通过压力继电器控制时间继电器控制时间实现电气控制。3.6快速运动的实现和供油部分的设计因为快进、快退和工进的速度相差比较大，为了减少功率损耗，采用变量泵。3.7夹紧回路的确定为了防止夹紧系统的主压力下降，在夹紧系统串接蓄能器。夹紧缸由于需要在夹紧后一直保持夹紧，且需要给进给工作缸足够大的压力，所以采用“O”型中位机能的三位四通换向阀门。3.8具体的回路设计、电控设计（本次通过FluidSIM仿真设计）由于仿真的时候没有限压变量泵的符号，所以在绘制原理图的时候改动，在仿真的过程中，主要是进行了运动的模拟。3.8.1 液压系统原理图具体的工作路线如下：（1）工件夹紧路线按下启动按钮后，6DT得电，具体的回路是：进油路：限压式变量泵单向阀三位四通换向阀右位（6DT得电）夹紧缸（16）回油路：夹紧缸（16）三位四通换向阀右位（6DT得电）油箱在进油路中还串入了蓄能器（15），主要是为了防止由于泵的油压脉动造成有出现夹紧缸松动。还串入了压力继电器（17），主要是用于当夹紧后发出信号转为进给缸的工作。当压力继电器（17）发出电信号，控制三位五通换向阀工作至左位，则进入了进给缸工作的阶段。 （2）进给缸的快进 由于顺序阀的设定压力值为4.5Mpa，所以只有当进给缸（12）进行工进的时候才打开，所以在快进的时候回路如下： 进油路：限压式变量泵单向阀三位五通换向阀左位（1DT得电）二位二通换向阀（10）进给缸（12） 回油路：进给缸（12）三位五通换向阀左位（1DT得电）单向阀（6）二位二通换向阀下位（10）进给缸（12） 此时为差动连接，大流量，低压力。 （3）进给缸的减速 为了减缓快进转工进速度变化比较大，所以加入了减速过程，减速的位置由行程开关控制。具体回路如下： 进油路：限压式变量泵单向阀三位五通换向阀左位（1DT得电）调速阀（8）二位二通换向阀右位（11）进给缸（12） 回油路：进给缸（12）三位五通换向阀左位（1DT得电）单向阀（6）调速阀（8）二位二通换向阀（11）进给缸（12） （4）进给缸的工进 当触碰到工进的行程开关后，开始工进，此时顺序阀(4)打开，具体的回路如下： 进油路：限压式变量泵单向阀三位五通换向阀左位（1DT得电）调速阀（8）调速阀（13）进给缸（12） 回油路：进给缸（12）三位五通换向阀左位（1DT得电）背压阀（5）顺序阀（4）油箱 （5）进给缸的停留 采用死挡块结合压力继电器控制通电延时继电器的延时时间，从而控制停留的时间，具体回路与（4）相同。 （6）进给缸的快退 当停留时间到，1DT失电，2DT得电，三位五通换向阀（7）工作在右位（2DT得电），具体的回路如下： 进油路：限压式变量泵单向阀三位五通换向阀右位（2DT得电）进给缸（12） 回油路：进给缸（12）二位二通换向阀（10）下位三位五通换向阀右位（2DT得电）油箱 （7）夹紧缸的松开 当进给缸回到原位后，有压力继电器（14）发出信号，控制三位五通换向阀工作在中位，三位四通换向阀（18）工作在左位，具体的油路如下：进油路：限压式变量泵单向阀三位四通换向阀左位（5DT得电）夹紧缸（16）回油路：夹紧缸三位四通换向阀左位（5DT得电）油箱（8）液压泵卸荷采用手动卸荷的方式。回路为：限压式变量泵单向阀二位二通手动换向阀（19）油箱3.8.2电气控制原理图启动按钮（在电气控制原理图的14区），按下后整个过程能实现自动运行3.8.3动作循环表： 表2 液压系统动作循环图 序号动作顺序发令元件1DT2DT3DT4DT5DT6DT1夹紧缸夹紧启动按钮开关2工作台快进压力继电器173工作台减速行程开关4工作台工进行程开关5工作台停留死挡块+压力继电器96工作台快退时间继电器7夹紧缸松开压力继电器148液压泵卸荷手动使两位两通换向阀换向卸荷3.9 FluidSIM仿真运动结果截图备注：由于仿真软件最大负载只能设置为20000N，而本次的负载大于20000N，所以只用仿真软件进行了运动上的仿真，没有进行具体的数据上的分析 整体设计 按下开关按钮开始夹紧夹紧完毕后由压力继电器控制三位五通换向阀门切换至左位，使工作台快进快进至设定的减速位置后（通过行程开关控制），开始减速运行，为后面工进时切换速度平稳做准备。 当进给缸触碰到行程开关设定的工进位置时，工作台工进 工进完毕后，采用死挡块停留一段时间，时间由压力继电器转通电延时继电器控制 停留时间到后，三位五通换向阀工作至右位，工作台快退当进给缸回到原位后，有压力继电器控制三位四通换向阀工作在左位，夹紧缸松开最后手动卸荷4 液压系统的计算和选择液压元件4.1液压缸主要尺寸的确定4.1.1工作压力P的确定： 工作压力P由题目确定液压缸工作压力为4.5MPa。4.1.2计算液压缸内径D和活塞杆直径d：由表1知最大负载F=35840N，按参考文献1表2-2可取液压缸回油腔背压力P2=0.5MPa，cm为0.92，考虑到快进快退速度相等，取d/D为0.7.根据公式，求得D为：D=4Fw/P1cm1-P2（1-d2/D2）/P12 =435840/3.144.51060.92（1-0.5106（1-0.72）/4.5106）=0.106m 根据参考文献1表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列直径D=125mm,活塞杆直径d=1250.7=87.5mm，查表2-5，得d=90mm，缸的D和d分别取125mm和90mm。 按工作要求夹紧力由一个夹紧缸提供，考虑到夹紧力的稳定，夹紧缸的工作压力应低于进给液压缸的工作压力，现取为4Mpa，回油背压为零，根据公式可得：D=4Fw/P1cm1-P2（1-d2/D2）/P12=435000/3.1441060.92=0.11m根据参考文献1表2-4将液压缸的内径圆整为标准系列直径D=125mm,活塞杆直径d=1250.7=87.5mm，查表2-5，得d=90mm，夹紧缸的D和d分别取125mm和90mm。按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度：AQmin/Vmin=50（mL/min）/6=8.4（cm2）式中Qmin查表得GE系列调速阀QF3-E10B的最小稳定流量为50ml/min，本题中液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸无杆腔实际面积，即A=（D2-d2）/4=3.14（12.52-92）/4=59.07cm2见上述不等式满足，液压缸能打到所需低速。4.1.3计算在各工作阶段液压缸所需的流量快进阶段：Q快进=d2V快进/4=1000（0.09）26/4=38.2L/min工进阶段：Q工进=D2V工进/4=1000（0.125）20.6/4=7.36L/min快退阶段：Q快退=（D2-d2）V快退/4=1000（0.1252-0.092）6/4=35.5L/min夹紧阶段：Q夹紧=D2V夹紧/4=1000（0.125）21/4=12.3L/min 表3 液压缸各阶段的流量、压力、功率工况推力回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率F/NP2 /MpaP1/Mpaq/L/minP/KW夹紧35000412.30.82快进起动1704302.68加速940801.48恒速852201.3438.20.85减速852201.34工进389560.54.57.360.61快退起动1704302.89加速940801.59恒速852201.4435.50.85松开35000412.30.824.2确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格4.2.1泵的工作压力的确定PP=P1+P 本题中取P=0.5MPaPP=P1+P=4.5+0.5=5MPa考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的压力Pa应满足Pa（1.251.6）PP，在本题中取Pa=1.25 Pp= 6.25MPa。4.2.2泵的流量的确定液压泵的最大流量为QpKL（Q）max式中Qp液压泵的最大流量 （Q）max时动作的各执行元件所需流量之和的最大值 KL系统泄露系数，一般取KL=1.11.3，本题中取1.2Qp= KL（Q）max=1.238.2=45.84L/min4.2.3选择液压泵的规格根据Pp、Qp查有关手册，现选用YBX-40限压式变量叶片泵。该泵的基本参数：每转排量Q=40ml/r,泵的额定压力Po=6.3MPa，电动机的转速为n0=1450r/min,容积效率v=0.9，总效率=0.75。参考文献34.2.4与液压泵匹配的电动机的选定由于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0.21L/min范围内时，可取=0.030.14，使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时，不至停转,需要验算，即：快进时外负载为7840N，进油路压力损失为0.3MPaPp=7840410-6/（0.092）+0.3=1.53MPa快进时所需电机功率为：工进时的电功率：查阅电动机产品样本，选用Y90L-4型电动机，其额定功率为1.5kw，额定转速为1400r/min。- 35 - 选择液压元件和确定辅助装置4.3选择阀类元件4.3.1各类阀可通过最大流量和实际工作压力选择阀的规格如下表所示：序号元件名称估计通过流量L/min额定流量L/min额定压力MPa额定压降MPa型号、规格1过滤器150160250.02XU-J40100B2变量叶片泵7-406.3YBX403单向阀40140250.2AF3-Ea10B4液控顺序阀401206.30.1XF3-20B5溢流阀401206.30.4YF3-20B6单向阀40140250.2AF3-Ea10B7三位五通电磁换向阀404031.535DO-H10B-T8调速阀405031.50.52FRM10-20/509压力继电器DP1-6310二位二通电磁换向阀354031.522DO-H10B-T11二位二通电磁换向阀354031.522DO-H10B-T13调速阀101031.50.32FRM10-20/1014压力继电器DP1-6315蓄能器-NXQA-L2.5/10-H17压力继电器DP1-6318三位四通电磁换向阀12.3302034DO-H10B-T19二位二通手动换向阀12.34031.5_24SO-H10B-T表44.4确定油管4.4.1确定管道尺寸油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统主油路流量为差动时流量q=38.2L/min，压油管的允许流速取v=4m/s，内径d为 若系统主油路流量按快退是取q=35.5L/min，则可算得油管内径d=13.7mm。综合诸因素，现取油管的内径d为14mm。吸油管同样可按上式计算（q=45.84L/min、v=1.5m/s），现参照YBX-40变量泵吸油口连接尺寸，取吸油管内径d为30mm。重庆大学本科液压传动系统课程设计（说明书） 工况分析 5 油箱的设计5.1油箱容量的确定中压系统中，油箱有效容积可按泵每分钟内公称流量的57倍来确定，即油箱的容积V=（57）QB=545.84=229.2L查参考文献1表4-1得油箱的标准值为250L。5.2估算油箱的长、宽、高设油箱的长、宽、高比值范围为1：1：11：2：3，则根据油箱的容量可算出油箱的长、宽、高分别为a=b =c=630mm,由于在选择油箱的容量时系数选的较大，在此就不在考虑油箱的壁厚，即油箱的壁厚包括在上面计算的长、宽、高中。5.3确定油箱壁厚800以下容量的油箱箱壁厚取3mm。箱底厚度应大于箱壁，取箱底厚度为5mm，箱盖厚度应为箱壁的34倍，取箱盖厚度为9mm。5.4隔板的尺寸计算隔板的长度由油箱的内部尺寸可以确定，主要计算隔板的高度。隔板的高度一般为油箱内液面高度的3/4。但是也要考虑到当油箱内的油液降到最低位置时，液压油也能流入到吸油腔，避免液压系统吸入空气。所以隔板的高度为 H液面=200-35-10=155mm回油腔一侧的隔板要考虑吸油腔快速吸油时，油箱底部的沉淀杂质不能流入吸油腔中，再此取隔板离油箱底的尺寸为100mm。6 液压系统性能的验算已知该液压系统中进、回油管的内径均为14mm，各段管道的长度分别为：AB=0.3m，AD=1.7m, AC=1.7m，DE=2m。选用L-HL32液压油，考虑到油的最低温度为15时该液压油的运动粘v =150cst=1.52/s，油的密度=920/m36.1压力损失的验算6.1.1工作进给时进油路压力损失：运动部件工作进给时最大速度为0.6m/min，进给时的最大流量为36L/min，则液压油在管内流速v1为 管道流动雷洛数Re1为Re12300，可见有野在管道内流态为层流，其沿程阻力系数1=75/ Re1=75/405=0.19。进油管BC的沿程压力损失p1-1为查得换向阀35DO-H10B-T的压力损失p1-2=0.025106Pa,调速阀2FRM10-20/50的压力损失p1-3=0.5MPa,调速阀2FRM10-20/10的压力损失p1-4=0.3MPa忽略油液通过管接头、油路板等处的