专用钻床的液压系统设计

1、液压传动课程设计专用钻床的液压系统设计系 别 ：机械与车辆工程系专业（班级）：机械设计制造及其自动化15级机制升本班作者（学号）：切克闹指导教师：李培完成日期： 2016年6月6日蚌埠学院教务处制目 录摘要11 引言22 钻床的液压系统工况分析33 液压系统的原理图拟定及设计53.1 供油方式53.2 调速方式的选择53.3 速度换接方式的选择53.4 液压系统原理图53.5 液压系统的工作原理63.5.1 快进63.5.2 工进63.5.3 快退64 液压系统的计算和液压元件的选择74.1 工作压力的确定74.2 液压缸的主要尺寸的确定74.2.1 缸筒内径D74.2.2 活塞杆外径d74.

2、2.3 液压缸壁厚和外径的计算74.2.4 液压缸工作行程的确定84.2.5 最小导向长度的确定84.2.6 缸体长度的确定84.3 稳定速度的验算94.4 计算在各工作阶段液压缸所需的流量94.5 液压泵的选择104.5.1 液压泵的压力104.5.2 液压泵的流量114.5.3 液压泵规格的选择114.6 电动机的选择114.7 液压阀的选择124.8 液压油管的设计124.9 油箱容量的选择135 液压系统性能验算145.1 压力损失的验算：145.1.1 工作近给时进油路压力损失145.1.2 工作进给时回油路的压力损失145.1.3 快进时的压力损失155.2 系统温升的验算16总结

3、及感想17谢辞21参考文献22摘 要：液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸 做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到愈来愈广泛的应用，而且愈先进的设备，其应用液压系统的部分就愈多。所以像我们这样的大学生学习和亲手设计一个简单的液压系统是非常有意义的。 关键词：液压传动；稳定性；液压系统Abstract :Hydraulic system is powered motor ba

4、sis, the use of hydraulic pump to change mechanical energy into pressure, promote the hydraulic oil. Through various cont-rol valves to change the flow of hydraulic oil,&

5、#160;thus promoting the hydraulic cylin-ders made of different distance, different movement. All kinds of different equipment to complete the actions required. Hydraulic system has 

6、;been used in many d-epartments, such as industry and agriculture have been increasingly widely used, and the more advanced equipment, its application part of the hydraulic

7、60;system wi-ll be. So students like us to learn and personally designed a simple hydraulic syst-em is very meaningful. Keywords: hydraulic transmission;stability;hydraulic system1 引 言液压传动是一

8、门新的学科，虽然从17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史，但直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二次世界大战结束后，液压技术迅速转向名用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。20世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方面发展。同时，新型液压元

9、件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械上。我国在从国外引进一些液压元件、生产技术的同时，也进行自行研制和设计，液压元件现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。液压传动是用液体作为工作介质，利用液体的压力能来实现运动和力的传递的一种的传动方式。现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声以及液压元件和系统的经久耐用，高度集成化

10、等方面取得了重大进展。将液压传动技术应用到钻床中，使它具有成本低、效率高、机构简单、工作可靠、使用和维修方便等特点。专用钻床是应用液压技术较广泛的领域之一。采用液压传动技术与控制的机床，可在较宽范围内进行无级调速，具有良好的换向及速度换接性能，易于实现自动工作循环，对提高生产效率，改进产品质量和改善劳动条件，都起着十分重要的作用。本文针对专用钻床的液压系统进行设计。12 钻床的液压系统工况分析液压缸所受外负载F包括三种类型，即： (2-1)式中 工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力， 在本设计中为16000；运动部件速度变化时的惯性负载；导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻

11、力，对于平导轨可由下式得： (2-2)式中 运动部件重力；垂直于导轨的工作负载，本设计中为零； 导轨摩擦系数，在本设计中取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.08。则求得：=0.211000=2200 =0.08110000=880式中 静摩擦阻力；动摩擦阻力。 (2-3)式中 重力加速度；加速或减速时间，取0.18；速度差。在本设计中制动 Fa3=m*a3=(11000/9.81)*(0.001/0.18)=6.23N根据负载计算结果和已知的各个阶段的速度，由于行程是590mm，设定快进时的行程L1=380mm，工进时的行程L2=210mm。可绘出负载图（F-l）和速度图（v-l）

12、，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。 图 2-1 负载循环图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m=0.85，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表18工况计算公式总负载 F/N缸推力 F/N启动Ffs22002588加速Ffs + Fa127173196快进Ffd8801035.29减速Ffd - Fa2362.96427.01工进FL + Ffd1688019858.82制动FL+Ffd Fa316873.7719851.49反向加速-Ffd - Fa41397.041643.58快退-Ffd880103

13、5.29制动-Ffd+ Fa5362.964270.1表 2-1 工作循环各阶段的外负载3 液压系统的原理图拟定及设计3.1 供油方式 考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低；而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能量、减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油。现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。3.2 调速方式的选择调速方案对液压系统的性能起到决定性的作用。调速方案包括节流调速、容积调速和容积节流调速三种。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数

14、是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤，为防止系统中杂质流回油箱。3.3 速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路。它的特点是结构简单、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。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。3.4 液压系统原理图 图3-1 液压系统原理图1油箱 2限压式变量泵 3溢流阀 4三位四通电磁换向阀 5单向减速阀 6两位三通电磁换向阀 7液压缸 8-死档铁 s-行程开关 A-压力继电器3.5 液

15、压系统的工作原理 3.5.1 快进按下起动按钮，电磁铁2YA通电，电磁换向阀4的阀芯右移，换向阀工作在左位，实现快进，油路为： 进油路：油箱1泵2换向阀4左位液压缸左腔； 回油路：液压缸右腔 换向阀6左位液压缸左腔，形成差动连接。 3.5.2 工进当活塞杆到达工进行程时，触碰行程开关S，使3YA失电，实现工进，油路为： 进油路：油箱1泵2换向阀4左位液压缸左腔； 回油路：液压缸右腔换向阀6右位 调速阀5油箱1。 3.5.3 快退当钻床完成工作后，停留在止挡块处，系统压力升高，直到压力继电器A的调整值时，压力继电器动作，2YA通电，电磁换向阀4工作在右位，滑台快退返回。快退油路为： 进油路：油箱

16、1泵2 单向阀换向阀6右位液压缸右腔； 回油路：液压缸左腔换向阀4油箱。1YA2YA3YA快进+-+工进+-停留-快退-+-表3-1电磁铁动作顺序表注：“+”表示得电，“”表示失电。4 液压系统的计算和液压元件的选择4.1 工作压力的确定工作压力可根据负载大小查表取液压缸工作压力为3。4.2 液压缸的主要尺寸的确定 4.2.1 缸筒内径D液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，再从GB234880标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。根据负载和工作压力的大小确定D：D= (4-1)式中 p缸工作腔的工作压力，可根据机

17、床类型或负载的大小来确定；F最大作用负载。负载图知最大负载为16880，查表可取为0.5，为0.95，考虑到快进、快退速度相等，取为0.7。上述数据代入公式：可得：查表将液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm。4.2.2 活塞杆外径d 活塞杆直径d,按 d=0.7D及查表活塞杆直径系列去d=70mm。4.2.3 液压缸壁厚和外径的计算液压的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。一般分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。本设计采用薄壁圆筒。其计算公式 (4-2)式中 液压缸壁厚（m）； D液压内径（m）； 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（Mpa）;缸筒材料的许用应力。取无缝钢管=100M

18、pa。按上式计算得在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够。因此，上式一般不做计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。取=6mm。则外径D1D+2=112mm。4.2.4 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照书中的系列尺寸来选取标准值。4.2.5 最小导向长度的确定对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求 4.2.6 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构

19、需要来确定，即：L=l+B+A+M+C (4-3)式中 l活塞的最大工作行程； B活塞宽度，一般为(0.6-1)D； A活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D； M活塞杆密封长度，由密封方式定； C其他长度。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。取L=1000mm.4.3 稳定速度的验算要保证液压缸节流腔的有效工作面积，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积，即>。 (4-4)式中 的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得；缸的最低速度，由设计要求给定。如果液压缸节流腔的有效工作面积不大于计算所得最小有效面积，则说明液压缸不能保证最小稳定

20、速度，此时必须增大液压缸的内径，以满足速度稳定的要求。液压缸壁厚和外径的计算，液压缸壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。按最低工进速度演算液压缸的最小稳定速度，由公式（4-4）可得：>是由产品样本查得GE系列调速阀LCA6-10的最小稳定流量为0.05。本设计中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。4.4 计算在各工作阶段液压缸所需的流量无杆腔的面积 A1=1/4

21、 D2 = 1/4102=78.5cm2有杆腔的面积 A2=1/4 (D2-d2) = 1/4(102-72) =40.04cm2 计算在各工作阶段液压缸所需的压力： 工作循环中液压缸各阶段压力、流量和功率如表4-1所示。工况压力p（Mpa）流量q（L/min）功率P（w）快进0.2719.2387工进2.530.2410.12快退0.2620.0287表4-14.5 液压泵的选择4.5.1 液压泵的压力考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为： (4-5)式中 液压泵为最大工作压力；执行元件最大工作压力，现根据负载大小选取液压缸工作压力为3MPa；进油管路中的压力损失，初

22、算时简单系统可取0.20.5，复杂系统取0.51.5，本系统取0.5。上述计算所得的 是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外，考虑到一定压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力应满足公式。中低压系统取小值，高压系统取最大值。4.5.2 液压泵的流量液压泵的最大流量应为： (4-6)式中 泵的最大流量；动作的各执行元件所需流量之和的最大值，如果这时溢流阀正进行工作，尚需加溢流阀的最小溢流量23；泄露系数，一般取=1.11.3，现取=1.2。4.5.3 液压泵规格的选择 根据以上所得，查液压产品目录选泵型号：YBX-20限压式变量叶片泵。额定压力

23、为6.3 Mpa，排量为20mL/r，转速为1450r/min。该泵的输出流量为：4.6 电动机的选择首先分别算出快进与共进两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在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0.21范围内时，可取。同时还应注意到，为了使所选则的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转，需进行验算，即： （4-7）式中 所选电动机额定功率；限压式变量泵的限定压力；为时，泵的输出流量。首先计算快进时的功率，快进时的外负载为880N，进油路的压力损失定为0.3，由式（3-6）可得：快进时所需电动机功率为：工进时所需电动机功率为：查阅电动机

24、产品样本，选用Y90S-4型电动机，其额定功率为1.1，额定转速为1400。4.7 液压阀的选择液压控制阀是液压系统中用来控制液流的压力、流量和流动方向的控制元件、是影响液压系统性能，可靠性和经济性的重要元件。 序号元件名称最大通流量型号规格1限压式变量叶片泵30YBX-202溢流阀25Y-25B3三位四通换向阀2534E1-25B4单向调速阀25LCA6-105二位四通电磁阀2524E1-25B6压力表开关3KB-C67过滤器25WU-25 x180表4-24.8 液压油管的设计油管类型的选择此次设计中我采用的管道是无缝钢管。油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定。现取油管内径d为

25、12mm。4.9 油箱容量的选择 本例为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的57倍来确定，现选用容量为160L的油箱。5 液压系统性能验算 已知该液压系统中进，回油管的内径均为12mm,，各段管道的长度分别为：AB=0.5m，AC=2m，AD=2m，DE=3m。选用LHL32液压油，考虑到油的最低温度为15，查得15时该液压油的运动粘度v=150cst=1.5/s，油的密度为=920kg/m3.5.1 压力损失的验算：5.1.1 工作近给时进油路压力损失 运动部件进给时的最大速度为0.03m/min，进给时的最大流量为19.2L/min，则液压油在管内流速v1为管道流动雷诺数<23

26、00，可见油液在管道内流态为层流，其沿程阻力系数为进油管道BC的沿程压力 （5-1）查得换向阀34E125B的压力值是忽略油液通过管接头：油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失5.1.2 工作进给时回油路的压力损失 由于选用单活塞杆液压缸，切液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的1/2，则回油管道的流量为进油管道的1/2，则回油管道的沿程压力损查产品样本知换向阀24E125B的压力损失，换向阀34E1-25B的压力损失，调速阀LCA6-10的压力损失。回油路总压力损失：变量泵出口处的压力5.1.3 快进时的压力损失 快进时液压缸为差动连接，自汇流点A至液压缸进油口C之间的管路AC中，

27、流量为液压泵出口流量的2倍，即45L/min，AC段管路的沿程压力损失为 同样可求管道AB段及AD段的沿程压力损失和为 Re2= 查产品样本知，流经个阀的局部压力损失为：34E125B的压力损失24E125B的压力损失据分析在差动连接中，泵的厨楼压力快退时压力损失验算从略。上述验算表明。无需修改原设计。5.2 系统温升的验算 采用上述“系统的发热功率计算方法之二”来进行计算。工进时液压缸的有效功率：功率损失为： 假定系统的散热状况一般，取K=KW/（cm2*），油箱的散热面积为 系统的温升为 验算表明系统的温升在许可范围内。总结及感想通过这段时间的设计，认识到自己的很多不足，自己知识的很多盲点和漏洞知识和实践的差距。比如这次的集成块的设计，在做课程设计之前，我根本不知道什么是集成块。通过的这次课程设计才知道液压阀的组装方法和控制系统的方法，以及液压的系统的工作方式。这是液压课本书上没有的，所以我发现了自己的很多知识上的盲点和理解错误。我的理论