卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计方案.docx
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卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计方案
卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计方案
1绪论
1.1设计的目的、范围和背景
随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样的质量优、性能好、能耗低、价格廉的液压机床产品。
其中，产品设计是决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。
产品的设计包括液压系统的功能分析、工作原理方案设计和液压传动方案设计等。
这些设计内容可作为液压传动课程设计的内容。
很明显，液压系统设计本身如果存在问题，常常属于根本性的问题，可能造成液压机床的灾难性的失误。
因此我们必须重视对学生进行液压传动设计能力的培养。
1.2液压传动的发展历程及特点
1.2.1液压传动的发展历程
液压传动相对机械传动来说，是一门比较新的学科，它具有结构紧凑、传动平稳、输出功率大、易于实现无级调速及自动控制等特点，因此发展很快。
从1795年英国制造出世界上第一台水压机至今，液压传动已有二三百年的历史，但广泛的应用和推广仅有六七十年。
19世纪末，德国制造出液压龙门刨床，美国制成液压六角车床和液压磨床，但因当时没有成熟的液压元件以及机械制造工艺水平的限制，液压传动技术的应用仍不普遍。
第二次世界大战期间，一些兵器采用精度高、功率大的液压传动装置，大大提高了兵器的性能，同时推动了液压技术的发展。
战后，其迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车、船舶等行业中逐步推广。
20世纪60年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术的应用更加广泛。
目前，正在向高压、高速、高效、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化和模块化、提高可靠性技术及污染控制技术的方向发展。
同时，液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等，又使液压技术的发展进入到了一个新的阶段。
1.2.2我国的液压技术发展
我国的液压工业始于20世纪50年代，最初只是应用于机床和锻压设备，后来发展到拖拉机和工程机械上。
自1964年开始引进国外液压元件生产技术，并自行设计液压产品以来，我国的液压元件生产从低压刀高压形成了系列。
几十年来，随着我国工业水平的不断提高，液压传动技术被广泛应用在机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、航空航海、轻工、农机、渔业、林业等各个方面，也被应用在宇宙航行、海洋开发、核能建设、地震预测等新的技术领域中。
1.2.3液压技术的发展趋势
液压技术中的重大进展是微电子技术和计算机技术在液压系统中的应用。
微电子技术与液压技术相结合，创造出了很多高可能性、低成本的微型节能元件，为液压技术在工业中的应用开辟了更为广阔的前景。
计算机控制是必然趋势，电液比例阀和伺服阀只能接受连续变化的电压或电流信号，而计算机要求数字开关量，使用电液比例阀和伺服阀与计算机接口必须经过D/A转换和A/D转换，极不方便。
而数字液压泵、数字控制阀、数字液压缸等，即用数字量进行控制并具有数字量输出响应特性的液压元件。
由于是可以直接与计算机接口，不需D/A数模转换器，是今后液压技术发展的重要趋向之一。
计算机与液压技术的结合包括：
计算机实时控制技术、计算机辅助设计（液压元件CAD和液压系统CAD）、液压产品的计算机辅助试验（CAT）及计算机仿真和优化设计。
利用计算机闭环控制、最优控制和自适应控制以及灵活的多余度控制等。
计算机辅助设计的基本特点是利用计算机的图形功能，由设计者通过人机对话控制设计过程以得到最优设计结果，并能通过动态仿真对设计结果进行检测。
计算机辅助试验则可运用计算机技术对液压元件及液压系统的静、动态性能进行测试，对液压设备故障进行诊断和对液压元件和系统的数学模型辨识等。
此外，高压大流量小型化与液压集成技术、液压节能与能量回收技术也成为近年研究的重要课题。
总之，随着科学技术的进步，液压技术也随之发展，拓宽范围，以适应各行各业新技术的发展需求。
1.3液压传动的组成及特点
1.3.1液压传动的组成
（1）动力元件（油泵）：
它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动的动力部分。
（2）执行元件（油缸、液压马达）：
它是将液体的液压能转换成机械能。
其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。
（3）控制元件：
包括压力阀、流量阀和方向阀等。
它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。
（4）辅助元件：
除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件及油箱等，它们同样十分重要。
（5）工作介质：
工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。
1.3.2液压传动的特点
液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比较有以下优点：
（1）在相同功率的情况下，体积小、重量轻、结构紧凑，从而惯性小，可快速启动和频繁换向，且能传递较大的力和转矩。
（2）能方便地实现无级调速，且调速范围大，可达100：
1至2000：
1。
而最低稳定转速可低至每分钟几转，即可实现低速强力或低速大扭矩转动，不需减速器。
（3）传递运动均匀平衡、方便可靠，负载变化时速度较稳定。
（4）控制调节比较方便、省力，易于实现自动化，当与电气控制或气动控制配合使用时，能实现各种复杂的自动工作循环，还可远程控制。
（5）易于实现过载保护。
同时液压元件可自行润滑，使用寿命较长。
（6）液压元件易于实现标准化、通用化、系列化，便于设计制造和推广使用。
元件之间用管路连接时，在系统中的排列布置有较大的机动性。
（7）用液压传动实现直线运动一般比机械传动简单。
液压传动同时存在的缺点如下：
（1）由于采用液体传递压力，系统不可避免地存在泄漏，因而传动效率较低，不宜于作远距离传动。
（2）液压装置对油温变化比较敏感，运动件的速度不易保持稳定，同时对油液的清洁程度要求较高。
（3）为减少泄漏，液压元件制造精度要求高，加工工艺复杂，因而成本较高。
（4）系统发生故障时，不易查找原因，维修难度较大。
（5）系统或元件的噪声较大。
总的来说，液压传动的优点是主要的，随着科学技术和设计、制造工艺水平的发展，其缺点正逐步得到改善，因此，液压传动有着广阔的发展前景。
1.4理论依据、实验基础和研究方法
液压传动系统的设计是整个机器设计的一部分，它与主机的设计是密切相关的。
当经过全面方案论证，确定一部机器或机器的一部分的传动方式采用液压传动后，则考虑液压传动系统设计的基本内容和一般流程如下：
1明确对液压系统的要求；
2分析主机工况，确定液压系统的主要参数；
3进行方案设计，初拟液压系统原理图；
4计算和选择液压元件；
5验算液压系统的性能；
6绘制正式系统工作图，编织技术文件。
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。
组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。
组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。
1.5预期的结果及其地位、作用和意义
本次设计主要针对液压泵站的结构设计以及对液压系统的设计和电气控制系统的设计。
液压系统设计包括拟定液压系统原理图，液压元件的选择，液压系统参数的计算与校核以及液压缸主要参数的确定；控制系统的设计主要包括电气控制原理图的拟定，电气元件的选型等。
本文共分为6部分：
1.绪论简述本课题研究的主要目的和意义，介绍液压传动的发展历程及特点，以及液压泵站在国内外的发展概况，提并出本文的主要研究工作和内容。
2.液压系统设计通过所给数据进行计算，并设计出合理的液压系统。
3.液压缸的设计根据所得数据和液压缸工况的分析，对液压缸进行结构设计。
4.验算液压系统性能对液压系统在不同工况下的损失进行计算，以及对油箱温升的计算来确定是否需要冷却装置。
5.液压泵站的设计对回路换接和调速方式进行选择，以及油源的选择和能耗的控制，最终组成原理图。
6.控制系统设计设计电气控制原理图，并选择相关的电气元件。
1.6本章小结
本部分主要内容包括：
针对卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计，说明了本次设计课题的作用和意义，并对本论文所涉及的内容进行了概括性的讲述。
2液压系统设计
2.1组合机床工作情况分析，确定液压系统主要参数
2.1.1负载分析
①工作负载
②摩擦负载
静摩擦负载
动摩擦负载
③惯性负载
根据以上计算，得出液压缸在各工作阶段的负载如表2-1所示。
表2-1液压缸在各工作阶段的负载/N
工况
负载组成F
系统负载
时间
启动
5556
——
加速
7026
——
快速进、退
2778
2.9；5.3
工进
22778
90
制动
-1470
——
注：
1.取工进时的最大速度mm/s；
2.；；
3.取液压缸的机械效率。
由表2-1数值绘制负载循环图如图2-1所示。
图2-1负载循环图图2-2速度循环图
2.1.2运动分析
根据，取，绘制出速度循环图如图2-2所示。
2.1.3确定液压缸的主要结构参数
执行元件的工作压力可以根据伏在循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型了确定（见表2-2和表2-3）。
表2-2按负载选择执行元件的工作压力
负载/KN
<5
510
1020
2030
3050
>50
工作压力/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
≥5
表2-3各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床
农业机械
小型工程机械
建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
0.82
35
28
810
1018
2032
所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为22778N，其它工况时的负载都相对较低，参考表2-2和表2-3按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=3MPa。
为了节省能源宜选用较小流量的油源。
利用单活塞缸差动连接满足快进速度的要求，且往复快速运动速度相等，这样就给液压缸内径D和活塞杆直径d规定了的关系。
在钻孔加工时，为了防止孔被钻通时负载突然消失而产生的钻头前冲，液压缸回油腔应有一定的背压，查液压工程手册（回油路带调速阀的调速系统<0.50.8>/回油路带背压阀<0.51.5>）取背压为。
由此求得液压缸无杆腔面积为
由GB/T2348-1980查得标准值为D=10cm，d=8cm。
由此计算出液压缸的实际有效面积为
按工作进给速度检验液压缸结构尺寸。
查产品样本，Q型调速阀的最小稳定流量为，则
本例，能满足工作进给速度要求。
快速进给时液压缸做差动连接。
由于管路中有压力损失，去此项损失为，同时假定快退时回油压力损失为0.5MPa。
根据以上数据，可以计算出液压缸在一个工作循环各阶段的压力、流量和功率，如表2-4所示，并根据此绘制出其工况图如图2-3所示。
表2-4液压缸在不同阶段所需压力、流量和功率
工作阶段
系统负载/N
回油腔压力/MPa
工作腔压力/MPa
输入流量q/）
输入功率P/kW
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