组合钻床动力滑台液压传动系统的设计

1、第 1 章概论 .31.1液压技术发展简史 .31.2液压技术的发展趋势 .31.3液压传动系统的设计 .31.4本课题的任务 .3第 2 章传动方式的选择及基本设计参数.42.1液压传动与电气传动、机械传动相比的主要优点.42.2液压传动的主要缺点 .42.3基本设计参数 .4第 3 章工况分析 .53.1动力分析 .53.2运动分析 .7第 4 章确定液压系统主要参数 .94.1确定液压缸主要几何尺寸.94.1.1初选系统工作压力 .94.1.2计算液压缸的主要结构参数 .94.2计算液压缸工作循环各个阶段的工作压力、输入流量及输入功率.104.2.1快进阶段： .104.2.2工进阶段：

2、 .114.2.3快退阶段： .124.3绘制液压缸的工况图 .13第 5 章拟定液压系统原理图 .155.1选择液压基本回路 .155.1.1选定液压系统的类型 .155.1.2液压执行元件的选择 .155.1.3选择液压泵的类型及油源回路 .155.1.4选择调速回路和速度换接回路 .155.1.5选择压力控制回路 .155.2组成液压系统图 .165.3液压系统的工作原理 .16第 6 章液压元辅件及液压油的选择.176.1选择液压泵及驱动电动机.176.1.1确定液压泵的最大工作压力 .176.1.2确定液压泵的最大供油流量 .186.1.3选择液压泵 .186.1.4选择电动机 .1

3、86.1.5计算液压缸实际的输入流量、输出流量、运动速度和持续时间.196.1.6选择液压控制阀 .216.1.7液压油管的计算确定 .216.1.8确定油箱的容量 .236.1.9液压油的选择 .246.1.10滤油器的选择 .24第 7 章液压系统的性能验算 .257.1验算系统压力损失 .257.2验算系统发热温升 .28第1章概论1.1液压技术发展简史1.2液压技术的发展趋势1.3液压传动系统的设计液压系统是液压设备的一个组成部分， 液压系统设计是主机设计的重要组成部分液压系统的设计包括如下步骤：1.4本课题的任务组合机床是在综合了通用机床和专用机床的应用特点的基础上发展起来的一种新型

4、专用机床， 组合机床是以系列化、 标准化设计的通用部件为基础， 配以以工件形状和加工工艺要求而设计的少量专用部件， 对一种或若干种零件按预先确定的工序进行加工的机床。组合机床在汽车、拖拉机、电动机、柴油机和阀门等生产中应用较为广泛。本课题针对一台单面多轴卧式组合钻床，设计其动力滑台的液压传动系统，课题将综合应用在大学阶段所学的主要课程的知识，解决实际的生产设计问题。第 2章传动方式的选择及基本设计参数2.1液压传动与电气传动、机械传动相比的主要优点2.2液压传动的主要缺点本文中，为了减轻机床设计重量， 组合钻床动力滑台的驱动拟采用液压驱动。2.3基本设计参数本文中所涉及组合机床是一台单面多轴组

5、合钻床，其动力滑台为卧式布置，导轨为水平导轨，其静、动摩擦系数分别为s =0.2、d =0.1，工件在动力滑台上采用机械夹紧， 滑台由液压与电气配合实现的自动动作循环为： 快进工进快退停止。其主要加工参数和动力滑台的基本参数如下：被加工工件的材料为铸铁，硬度为240HB。在组合钻床上对工件一次钻削直 径 为13. 9n1 3 6 0r / m i n的孔 14 个，采用的主轴转速为，进给量S 0. 1 4 m7 m/r8.5的孔 2 个，采用的主轴转速为n2 550r / min，；钻削直径为进给量 S 0.096mm/ r 。动力滑台的快进、工进和快退行程分别为L1100、L250和L315

6、0 ，快进和快退的速度为 v 0.1m / s ；运动部件重力为 G9800 N ，启动和制动时间均为 t0.2 S。第 3章工况分析工况分析是确定液压传动系统参数的主要依据，包括对每个执行器的动力分析和运动分析， 并画出其对应的负载循环图和速度循环图。对于一些较简单的液压设备，这两种图均可以省略，但对于一些专用的、动作比较复杂的液压设备，则必须绘制负载循环图和速度循环图，以了解运动过程的本质， 查明每个执行器在其工作中的负载、位移、速度的变化规律，并找出最大负载点和最大速度点。根据组合钻床动力滑台的技术要求， 选择杆固定的单杆液压缸作为液压执行器驱动动力滑台做进给运动。 由本文第二节所给出的

7、基本设计参数可知， 整个工作循环的三个阶段所花费的时间是：t1L1 / v1100 10 3 /0.1快进：1s工进：首先要求出工进的速度v2n1S1 / 60360 0.147/ 600.882mm/st2L2 / v250/ 0.882故56.7st3L3 / v3150 10 3/0.1快退：1.5s3.1动力分析液压执行器的负载包括工作负载和摩擦负载两类。工作负载又分为阻力负载、 超越负载和惯性负载三种类型。 阻力负载是指负载方向与执行器运动方向相反， 负载阻碍执行器的运动； 超越负载指负载方向与执行器运动方向相同， 负载促使执行器运动； 惯性负载是指运动部件在加速和减速过程中产生的负

8、载，其数值由牛顿第二定律确定。摩擦负载又可以分为静摩擦负载和动摩擦负载两类， 它分别是在运动部件在具有运动趋势时和在运动过程中产生的负载。下面计算动力滑台在启动、快进、工进、反向启动、反向加速、快退阶段驱动液压缸所受的负载。首先计算各种负载值：0.80.6阻力负载：由Fe 25.5DS HB 知，Fe 1425.513.90.1470.82400.6225.58.50.0960.82400.630468N惯性负载：Fi maGv( )tg98000.1()9.80.2500N静摩擦负载：F fss (GF )0.2(98000)1960N动摩擦负载：F fdd (G Fn )0.1(98000

9、)980N快进阶段启动： FF fs 1960N加速：FFiF fd5009801480N恒速： FF fd980N工进阶段工进：FFeFfd30468 98031448N快退阶段反向启动：FF fs 1960N反向加速：FFiF fd5009801480N反向恒速： FF fd980N由上述计算结果可以画出液压执行器所受负载随时间变化的曲线为：F/kN31.4481.961.480.980-0.98t/s-1.48-1.96t1t2t33.2运动分析由第二章已知的设计参数， 可以很容易作出液压缸的行程 -时间 ( L t )曲线和速度 -时间 ( v t )曲线如下：L/mm1501000t

10、1t2t3t/sv / m s-10.130.88100t/s-0.1t1t2t3第4章确定液压系统主要参数4.1确定液压缸主要几何尺寸压力和流量是液压系统中两个最主要的参数。要确定液压系统的压力和流量，首先根据液压执行元件的负载 -时间曲线图，选定系统压力；然后确定液压缸的有效工作面积；最后根据速度 -时间循环图确定液压系统的流量。4.1.1初选系统工作压力系统工作压力由设备类型、 载荷大小、 结构要求和工艺水平而定。 若系统压力取得过低， 则液压设备的尺寸和重量增加； 若系统压力取得过高， 液压元件的性能及对密封的要求将会提高， 因此要选择合适的系统工作压力。 这里，根据上一章所绘制的液压

11、缸的Ft 图知，液压缸所受到的最大负载为 31.448KN ，参照表 9-2，选定系统的设计压力为p14MPa 。4.1.2计算液压缸的主要结构参数由基本设计参数知，液压缸快进、快退的速度相等。为了满足这一要求，并使得所需流量较小， 令液压缸的无杆腔作为主工作腔， 并将液压缸接成差动连接以实现快进。 由于快进、快退速度相同， 因此液压缸的无杆腔与有杆腔的有效工作面积A1和 A2 应满足 A1 2A2 。由上一章的分析可知， 当液压缸工进时， 所受负载最大， 液压缸的主要结构参数应该在该工步中计算，即取负载F31.448KN ，工进时液压缸无杆腔进油，有杆腔回油，如下图所示：为了防止工进结束时，

12、发生向前冲的现象，液压缸需要保持一定的回油背压，根据表 9-9 暂取工进时回油背压为 0.6MPa。设液压缸机械效率 cm0.9 ，则A1A2Fp1p2由图知，p1A1p2 A2F /cmA12A2代入有关数据计算得，FA11cm ( p1p2 )2314480.9(410.6)106294.410 4 m 2D4 A1494.410 40.109m由表 5-2 知，取标准值 D110mm=11cm；因 A12 A2 ，知活塞杆直径为d D /2110 / 2 77.8mm由表 5-2 知，取标准值 d80mm则液压缸实际有效工作面积为A14D 2411295cm2A24(D 2d 2 )(1

13、1282 )444.7cm24.2计算液压缸工作循环各个阶段的工作压力、输入流量及输入功率4.2.1快进阶段：快进时液压缸应该连接为差动连接，如下图所示。考虑到液压缸有杆腔向无杆腔回油的压力损失， 因此有杆腔的压力 p2 要大于无杆腔的压力 p1 ，根据表 9-9，其差值估取为 p p2 p1 0.5MPa 。而在启动瞬时，由于液压缸尚未移动，此时p0 。A1A2Fp2p1由图知，p1A1p2 A2F /cmp2p1p，解得，p1F / cmpA2A1A2启动：p11960/ 0.9044.710 4(9544.7)10443.3 104 Pa=0.433MPa加速：p11480/ 0.90.

14、510644.710 4(9544.7)10 477.1 104 Pa=0.771MPa恒速：p1980/ 0.90.510644.710 4(9544.7)10 466.1 104 Pa=0.661MPa快进阶段的输入流量为：qV 1( A1A2 )v1(9544.7)10 40.15.0310 4 m3/s输入功率为：P1p1 qV 166.11045.0310 4332.5W4.2.2工进阶段：工进阶段液压缸无杆腔进油，有杆腔回油，如图所示：由图知， p1 A1p2 A2F / cm ，则p2 A2 F /cmp1A10.6 10644.7109510431448 / 0.94396 1

15、04 Pa=3.96MPa工进阶段的输入流量为：qV 2A1v29510 40.8810 38.3610 6 m 3 /s工进阶段的输入功率为：P2p1qV 23961048.3610 633.1W4.2.3快退阶段：快退阶段液压缸有杆腔进油，无杆腔回油，如下图所示。另外，取快退时的压力损失为 0.7MPa 。A1A2Fp2p1由图知， p1 A2F /cmp2 A1 ，则F /cmp2 A1p1A2反向启动：此时，p2 0 。由上式知，p11960/ 0.909510 444.710 448.7 104 Pa=0.49MPa反向加速：1480/ 0.90.71069510 4p144.710

16、 4186 104 Pa=1.86MPa反向恒速：980/ 0.90.7 10695 10 4p1444.7 104173 10 Pa=1.73MPa快退阶段液压缸的输入流量为qV 3A2v344.710 40.14.4710 4 m3 /s快退阶段的输入功率为P3p1qV 31731044.4710 4773.3W4.3绘制液压缸的工况图压力 -时间曲线：p/MPa3.961.861.730.770.660.490.4330t1t 2t3t/s流量 -时间曲线：qV10 3 m3/s0.50.4470.00840t1t2t3t/s功率 -时间曲线：P/W773.3332.533.10t1t2

17、t3t/s第5章拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图是整个设计工作中最重要的步骤， 对系统的性能以及设计方案的经济性与合理性有决定性的影响。 液压系统原理图由液压系统图、 工艺循环顺序动作图表和元件明细表 3 部分组成。拟定液压系统原理图的一般方法是根据主机动作和性能要求先分别选择和拟定基本回路， 再将各个基本回路组成一个完整的系统。5.1选择液压基本回路5.1.1选定液压系统的类型由第四章液压缸的工况图可以看出，液压系统功率较小， 负载为阻力负载且在工作过程中变化较小，故采用进油路调速阀节流调速回路。由表 9-4，选择液压系统为开式系统。5.1.2液压执行元件的选择由前文分析知， 这里液压执

18、行元件选择双作用单杆活塞式液压缸， 且活塞杆固定，缸体与滑台固定。5.1.3选择液压泵的类型及油源回路由工况图可知， 液压缸要求系统提供低压大流量和高压小流量的液压油，系统的最大流量和最小流量之比 0.5/0.0084 60，相应持续时间之比为 t2 /(t1 t3 ) 56.7 /(1 1.5) 16.2 。由此可见，系统在快进、快退阶段是低压、大流量工况，且持续时间比较短；在工进阶段为高压、小流量工况，持续时间长。从提高系统效率和节能角度出发， 应采用高低压双泵组合的双联泵供油或采用限压式变量泵供油。本文液压系统采用双联叶片泵供油。5.1.4选择调速回路和速度换接回路由前文分析，液压系统采

19、用采用进油路调速阀节流调速回路； 采用差动回路实现快进，同时考虑到工进快退时，回油流量比较大，为了保证换向平稳，选用三位四通电液动换向阀实现差动连接。由于本机床在终点的定位精度要求不高，因此采用活动挡块压下电气行程开关来实现自动换向和速度换接。5.1.5选择压力控制回路为了防止工进临近结束， 孔钻通时负载突然消失， 滑台向前冲的现象， 在回油路上应设置背压阀。另外，在高压泵的出口并联一个溢流阀， 实现系统定压卸荷； 在低压泵出口并联一个液控顺序阀，实现系统在高压工作阶段的低压泵卸荷。综上所述，选择设计的油源回路、 差动回路和进油路调速阀节流调速回路如下：5.2组成液压系统图将前面所设计的液压基

20、本回路进行组合， 并加以修改和完善便可以组成一个完整的液压系统原理图， 如附图所示。 在图中，为了切断工进阶段系统进油路和回油路的相通， 增设了单向阀 6；为了防止滑台停止工作时， 系统油液流回油箱，导致空气进入系统，影响启动的平稳性，增加一个单向阀9。此外，还应增加一些辅助元件。在液压泵的进油口设置一个过滤器 11；出油口设置一个压力表及压力表开关，以便观测系统压力。5.3液压系统的工作原理第6章液压元辅件及液压油的选择6.1选择液压泵及驱动电动机6.1.1确定液压泵的最大工作压力液压泵的最大工作压力应该由下式确定：ppp1maxp式中， p1max 液压执行元件最大工作压力，由工况图选取；

21、p 液压泵出口到执行元件入口之间所有沿程压力损失和局部压力损失之和。初算时按经验选取：简单管路系统取 0.2 0.5MPa ，复杂管路系统取 0.5 1.5MPa 。首先确定小流量液压泵的最高工作压力pp 1 ：由工况图可知， 在工进阶段， 液压缸出现最高工作压力p1max3.96MPa 。初取小流量液压泵至缸间的压力损失p0.8MPa，那么小流量液压泵的最高工作压力为pp1p1maxp3.960.84.76MPa其次确定大流量液压泵的最高工作压力pp 2 ：由工况图可知， 在快退阶段液压缸的工作压力较高为p1max1.86MPa 。初取大流量液压泵至液压缸之间的压力损失为p0.4MPa，那么

22、大流量液压泵的最高工作压力为pp2p1maxp1.860.42.26MPa6.1.2确定液压泵的最大供油流量液压泵的最大输出流量应按下式计算：qpK (q)max式中K 系统的泄漏系数，一般取1.1 1.3。其中大流量取小值，小流量取大值。(q) max 同时动作的液压执行器的最大流量，对于工作过程始终用流量阀节流调速的系统，尚需加上溢流阀的最小溢流量，一般取23L/min 。本文中，当液压缸在快进、快退时，大小流量液压泵同时向系统供油，取上式中系数 K1.1此时液压泵的最大供油量为qpK (q)max1.10.510 35.510 3 m3 /s 33L / min当液压缸处于工进阶段时，设

23、溢流阀的最小稳定溢流量为1.8L / min ，由工况图知，工进阶段时液压缸的输入流量为qV 28.3610 6 m 3/s 0.5L/min ，那么小流量泵的输出流量为qp11.80.52.3L / min6.1.3选择液压泵按照上面的计算结果， 液压泵额定压力 pP(125%) pP15.95MPa ，查文献选择规格相近的 YB1-2.5/32 型双联叶片泵。该泵公称压力为6.3Mpa，额定转速为 960r/min。6.1.4选择电动机由工况图可知， 系统的最大功率出现在快退阶段， 取液压泵的效率 P 0.8 ，则电动机的输出功率为pPqPPMP2.26106(2.532)10 30.86

24、01031.624kW根据上面计算出来的功率和转速要求，查文献表 2-55，选择规格相近的电动机 Y112M-6 ，该电动机额定功率为2.2kW，可以满足要求。6.1.5计算液压缸实际的输入流量、输出流量、运动速度和持续时间高压小流量泵的输出流量为低压大流量泵的输出流量为1. 快进阶段：实际输入流量为q进A1qPA2A195(2.430.7)95 44.762.5L/min实际输出流量为q出A2qPA2A144.7(2.430.7)95 44.729.4L/min实际运动速度为qP19602.5/10002.4L/minqP296032 /100030.7L/minv1qPA1A2(2.430

25、.7)10 36050.3100.110m/s持续时间为L14t1v110010 30.110.91s2. 工进阶段：实际输入流量 q进0.5L/min实际输出流量q出A2 q进A144.7950.50.235L/min实际运动速度v2q进A10.5 10360 95 1040.00088m/s持续时间L2t2v2501030.0008857s3. 快退阶段实际输入流量 q进qP1qP22.430.733.1L/min实际输出流量q出A1qP2A29533.144.770.35L/min实际运动速度v3q进A233.1 10 360 44.7 10 40.123m/s持续时间L3t3v3150

26、100.12331.22s6.1.6选择液压控制阀根据系统的工作压力和通过各液压控制阀及部分辅助元件的最大流量， 查阅机械设计手册选择相应型号的液压控制阀。各液压元件的型号及主要参数如下图：序号名称通过流量额定流量额定压力额定压降L/minL/minMPa型号MPa1双联叶片泵2.5/326.32三位五通电70.351006.30.3液动换向阀3行程阀62.51006.30.34调速阀<166.35单向阀70.351006.30.26单向阀29.4636.30.27顺序阀30.7636.30.38背压阀<1106.39单向阀70.351006.30.210单向阀30.7636.30

27、.211过滤器33.11006.3XU-100×180-J12 压力表开关13溢流阀2.5106.36.1.7液压油管的计算确定管路是液压系统中液压元件之间传递工作介质的各种油管的总称。 按管路在液压系统中的作用可以分为主管路、 泄油管路、控制管路和旁通管路。 液压系统常用管路的材料有无缝钢管、有缝钢管、橡胶软管、铜管、塑料管和尼龙管等。确定系统中主要管路的内径油管的内径取决于管路的种类及管内的流速。油管内径d 由下式确定：4Qd 1000v0式中Q 流经油管的流量 ( m 3/s )v0 油管内的允许流速 ( m/s )对吸油管可取v0( 0 . 5 1 . 5 ) m / s1

28、m / s，一般取以下，回油管可取v0 (1.52.5)m/s ；对压力油管，当p2.5MPa时，取v0 2m/s；当p(2.5 16)MPa时，取v0 (34)m/s ；当 p14MPa时， v0 5m/s 。在工程机械和行走机械的液压系统中，当p21MPa时，取v0(5 6)m/s。管道较长或者油液粘度较大时油液取小值。上式计算结果应按照有关标准圆整为标准值。对橡胶软管，流速都不能超过(35)m/s 。下面利用上式来求本液压传动系统主要管路的直径对吸油管路，取v00.8m/s，Q62.5L/min，代入上式得d462.510 310000.86040.7mm由表 10-1 取 d50mm对

29、压油管路，取v03.5m/s，Q62.5L/min，代入上式得d462.510 310003.56019.5mm由表 10-1 取 d20mm对回油管路，取 v02m/s ， Q70.35L/min ，代入上式得d470.3510 310002.56024.4mm由表 10-1 取 d25mm为统一规格，压油管路和回油管路都取d25mm 。确定系统中各主要管路的壁厚金属油管的壁厚应该按照下式计算pd2式中油管壁厚 ( mm )p 油管内液体的最大压力(MPa)d 油管内径 (mm)许用应力 (MPa)对钢管b / n ( b 为抗拉强度、 n 为安全系数 )。当 p7MPa时，取 n 8 ；当

30、 7MPa p17.5MPa 时，取 n6 ；当 p 17.5MPa 时，取 n 4 。铜管取许用应力25MPa 。下面利用上式来求本液压系统中各主要管路的壁厚查材料手册知，b600MPa，取 n8 ，则75MPapd4.76501.6mm对吸油管路：2275，查表 10-1 知，壁厚 b6.5mm ，外径 D =63mm ；pd4.76250.79mm2275对压油、回油管路：，查表10-1 知，壁厚b4.5mm ，外径 D =34mm ；6.1.8确定油箱的容量油箱在液压系统中的主要功能是储存油液、散发热量、沉淀污物及分离水分等。此外，有时它还可以作为液压元件和阀块的安装台。根据系统的具体

31、条件，要合理选用油箱的容积、 形式和附件、 以使油箱充分发挥作用。 油箱有开式和闭式两种。开式油箱应用广泛。 箱内液面与大气相通， 为防止油液被大气污染， 在油箱顶部安装空气滤清器，并兼着注油口用。闭式油箱是指箱内液面不直接与大气相通， 而将通气孔与与具有一定压力的惰性气体相接，充气压力可达 0.05Mpa。闭式油箱可用于水下或者高空无稳定气压及对工作稳定性与噪声有严格要求的场合。油箱的结构特点及设计要点如下油箱要有足够的容量吸油管与回油管要插入最低液面以下，以防止卷吸空气和回油时产生气泡为了便于排放污油， 油箱底部应有 1：30 斜度，并且与地面保持一定的距离油箱的上端应设置注油孔和通气孔，中部应安装油位计油箱的散热条件要好油箱的密封性要好油箱应便于安装、吊运、维修和清洗油箱的容量通常按照下式计算VqP式中V 油箱容量， L；与系统压力有关的经验系数： 低压系统2 4 ，中压系统5 7 ，高压