液压系统设计

1、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601000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fs =0.2，动摩擦系数fd =0.1，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Fm，工作台与导轨的动摩擦阻力Ffd和静摩擦阻力FfsFmFg vg. ：t6300 0.0759.81 0.05-963( N

2、)(2-1)Ffd=fd(FG1Fg2)=0.1(48001500) =6300 (N)(2-2)Ffs二fs(FG1Fg2)=0.2(48001500) =1260(N)(2-3)其中，尸©=口9=480 10 =4800(N)FG2 = m2g =150 10 = 1500 (N)Fg = FG1 - FG2 二 4800 1500 =6300 (N)由铣头的驱动电机功率可以求得铣削最大负载阻力Ft:(2-4)Ft上v所以,nd60350 3.14 0.1260Ft70002.198-3185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m = 0.9），工作台的液压缸在

3、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各阶段负载值工况负载计算公式液压缸负载F（N）液压缸推力F0（ N）起动F =Ffs12601400加速F =Ffd +Fm15931770快进F十630700工进F = Ffd + Ft38154239反向起动F下12601400反向加速F =Ffd +Fm15931700快退F =Ffd630700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300mn和400mm工进速度为601000m/s （即卩0.0010.0167m/9 ,工进行程100mm，绘出速度循 环图如图2-2所

4、示。3确定液压缸的参数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10 105Pa.3.2确定液压缸尺寸由于铣床工作台快进和快退速度相同，因此选用单杆活塞式液压缸，并使 A =2A2,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p -5 105Pa,快退时回油路压力损失亦取 厶p=5 105Pa。工进时，为使运动 平稳，在液压缸回路油路上须加背压阀，背压力值一般为（5L 10）10 5 Pa,选取背 压 P2 =6 105Pa。根据P1A1 = P2A2 ' F。，可求出液压缸大腔面积 A为F。P1

5、 -0.5p242395(10 - 0.5 6) 10= 0.006(m2)A1 二= 0.087(m)(3-1)(3-2)根据GB2348-80圆整成就近的标准值，得D=90mm液压缸活塞杆直径=63.65mm，根据GB2348-80就近圆整成标准值d=63mm于是液压缸实际有效工作面积为-： 2 ： 2 2A D 0.09= 0.006m2(3-3)44A (D2-d2)(0.092 -0.0632) = 0.003m2(3-4)443.3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 3-1）工况F°(N)液压缸/ -5甘10Pap "dpaQ叹）N(W)快进

6、（差 动）起动140009.70.225164.3加速1770510.9恒速70057.3工进4239611.070.0061. 0.16.6110.7快退起动114000.225276.8加速1770515.9减速700512.33.4绘制液压缸工况图根据表3-1计算结果，分别绘制P-L、Q-L和N-L图，如图3-1所示4 QX lcT3(Fa)0. 2250. 1100 200L (mm)3000. 006400Q. 225Q-L图164. 3I iia J；6, 6)1卜八100200300400L (mm)276. 8N-L图图 3-1 -L、Q-L 和 N-L 图4拟定液压系统图4.

7、1选择液压系统图调速回路由工况图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。为防止孔钻通时负载突然消失引起运动部件前冲，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，宜采用调速阀来保证速度稳定，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，从节约成本考虑，选用如图 4-1(a)所示的调速回路。(A)图4-

8、1调速回路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个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，结构简单，也比较经济，如图4-2a所示。在图4-2a-b中结构复杂不利于控制，所以选择 4-2a所示的回路，一起同4-2b组成 的快速、换向回路，同样可以实现差动连接。同时验算回路的压力损失比较简便， 所以不选用图4-2a-b所示的回路。图4-2

9、快速和换向回路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，所以不适宜选用此方案(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。111图4-2液压系统合成5选择液压元件5.1选

10、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Qb -KC Qi）max =1.1 0.225 100.248 10”m3/s，即 QB=14.88L/min。根据拟 定的液压系统是采用回油路节流调速， 进油路压力损失选取105Pa，故 液压泵工作压力为：Pb 二 Pi ' P =(9.84 5) 105 = 14.84 1 05 Pa。(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：Pb =14.84(1 25%) 105 =18.85 105 Pa.(5-2)根据Qb、Pb和已选定的单向定量泵型式，查手册书(二)选用YB,-16型定量叶片泵。该泵

11、额定排量为16mL/r,额定转速 960r/min，其额定流量为0.256 10 Jm3/s，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Nb为：NbpQ (15.9 5) 105 0.256 1。" =713( W0.75(5-3)查电工手册选取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选用各类阀的规序 号控制元件名称型号规格技术数据px10(Pa)3Q(m /s)实际流量3Q(m /s)额定流量时 压力损失510 Pa1溢流阀Y1-25BPmax - 63Q =

12、0.417“030.256X10卸荷压力1L 1.52三位四 通电磁 换向阀34D-25BPmax =63Q=0.417X1030.256X10 山23单向调速阀Q1-25BPmax 633Q=0.417勺0Qmin =0.8 勺00.256X10反向时2最小压差54二位三通电磁换向阀23D-25BPmax 633Q=0.417000.256X1015单向阀1-25BPmax 63Q=0.417汉1031.55.3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100进口滤油器，流量 Q=16l/min=0.267 I0m3/s.油箱容量：由下式计算有效容积 V，取

13、系数K=6, Q=12L/min,则有33V =KQ =6 12=72(L)=72 10 (m )(5-4)根据书(二)标准，可取油箱的容积 V=75L,油箱见附图1,管道尺寸由选 定的标准元件连接口尺寸确定。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成后进行，必须知道管道的长度和直 径。管道直径按选定元件的接口尺寸确定，即d=12mm长度在管道布置图未完成前暂按进油管、回油管均为L=2m估算。油液运动粘度取=1.5 10*m2/s，在 此设计中主要验算工进和快退工况时的压力损失。工进时压力损失进油管路压力损失：首先判别进油管液流状态，由于雷诺数= 70.7 ： 2

14、000(6-1)4Q4 0.1 10；d 二 12 10； 1.5 10*故为层流。管路沿层压力损失:4.3 Q Ld110164.3 1.5 10* 0.1 10” 2124(6-2)10 = 0.622 105(Pa)取管道局部损失 APf = 0.1汇APL=0.0622"05Pa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5-15=1.5 10包空显2"05包空f0.4170.4175=1.32 10( Pa)工进时进油路总压力损失：(6-3)工进时回油路压力损失：因回油管路流量 Q2为Q2 上=0.1 10=0.05 10(m3/s)2(6

15、-5)液流状态经判断为层流（Re = 70.7 ： 2000），于是沿程压力损失:斗空纠016=竺竺J竺亡124d41016 =0.297 105(Pa)(6-6)局部压力损失：AP.： = 0.1xPL=0.0297"05Pa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 失计算方法同上，即QVn2d “50.128 =1 10 I2.417 丿(6-7)2 5 105 2 105 倬 20.417 丿5(6-8)5.28 105(Pa)工进时回油路总压力损失(6-9)也p" =APl + 也P.： + 2：也 R =5.6汉 105（Pa）将回油路中压

16、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 失'"a550 0035p = :p:p=2 105.6 104.8 10 (Pa) (6-10)A0.006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: 2 必 4Q L 1016 °35 10' °225 曲 2d41016 =1.4 105(Pa)P =0.t P =0.14 105(Pa)124(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方法同前25（ 0.256= 1.5勺05 10.417 丿rF

17、VnQv<Qvn JJ"吟10.417 丿快退时进油路总压力损失：(6-13)P=APl +中瓦AR =3.24x105(Pa)快退时回油路中压力损失：由于 Q2Q2,则有：Pl =4.3 ：、，：Q L1610434.3 1.5 10 一 2 0.225 1021216510 =2.8 10 (Pa)(6-14)：P =0.1. ：P =0.28 105(Pa)=2.46 105(Pa)寸 5寸(QV 2 c “5/27.256)RRn- =2 10Qvn. 0.417回油路总压力损失：也p" =APL + 也卩二 + 送也 PV =5.54x105(Pa)(6-1

18、5)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"3.24 105 5.54 105=6 105(Pa)A0.006(6-16)这个数值比原来估计的数值大，因此系统中元件规格和管道直径不宜再减 小。6.2确定液压泵工作压力工进时，负载压力Pl =F 二42 =66.24(N/cm2) =6.624 105(Pa)A 64(6-17)液压泵工作压力Pgj 一 pLp =(6.624 4.8) 105 =11.4 105(Pa)(6-18)快退时，负载压力：F 70025pL=21.88( N /cm2) =2.88"05(Pa)(6-19)A232液压泵的工作压力：根据Pgj，则溢流阀调整压力取12 105 Pa6.3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，系统的效率可以用工 进时的情况来计算。工进速度为0.001L 0.0167m/s，则液压缸的输