YT4543型组合机床动力滑台液压系统设计.docx
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YT4543型组合机床动力滑台液压系统设计
郑州华信学院
本科生毕业设计（论文）
题目YT4543型组合机床动力滑台液压系统设计
指导教师：
张清郁
职称：
讲师
学生姓名：
李博
学号：
1002130352
专业：
机械设计制造及其自动化
院（系）：
机电工程学院
答辩日期：
2014
年06月17日
2014年06月17日
摘要
本文主要阐述了YT4543型组合机床动力滑台液压系统的设计。
通过对组合机床液压系统工况的分析，拟定了液压系统原理图，完成了YT4543型组合机床
液压系统的液压泵的选型，液压缸的设计以及液压阀的选型和辅助元件的设计；在设计过程中首先介绍了组合机床液压系统的国内外研究现状，工作压力，负载,
然后根据设计的要求，提出了设计方案，确定了液压系统各主要部件的性能参数，最后通过压力及热平衡计算验证设计的合理性，并且设计中运用了典型的液压基本回路，如：
调速回路、调压回路。
通过此次设计，组合机床的液压传动系统满足设计要求，与传统的液压系统相比，具有功耗低、效率高、精度高等优点。
关键词：
组合机床动力滑台液压系统
Abstract
ThispapermainlydescribesthedesignofYT4543typecombinationmachinetoolhydraulicpressuresystem.Throughtheanalysisoftheconditionofhydraulicsystemofmodularmachinetool,proposedtheprinciplediagramofhydraulicsystem,theselectionofhydraulicpumphydraulicsystemofYT4543typecombinedmachinetool,thedesignofthehydrauliccylinderandthehydraulicvalveselectionanddesignofauxiliarycomponents;inthedesignprocess,firstintroducedtheresearchstatusquo,combinationmachinetoolhydraulicsystemathomeandabroadworkpressure,load,andthenaccordingtothedesignrequirements,putsforwardthedesignscheme,themaincomponentsofthehydraulicsystemperformaneeparametersweredetermined,thepressureandheatbalancecalculationverifytherationalityofthedesign,anddesignintheuseofthehydraulicbasiccircuit,suchas:
typicalspeedcontrolcircuit,avoltageregulatingloop.Throughthisdesign,hydraulicsystemofmodularmachinetoolcanmeetthedesignrequirements,comparedwithtraditionalhydraulicsystem,hastheadvantagesoflowpowerconsumption,highefficiency,highprecision.Keywords：
combinationmachinetoolhydraulicpressuresystem
1绪论1
2液压传动方案的拟定2
2.1设计方案的提出及要求2
2.2工况分析2
2.3工作原理分析3
3液压系统的设计7
3.1液压泵的选型7
3.1.1液压泵的特点7
3.1.2液压泵的分类7
3.1.3液压泵的选用原则8
3.1.4液压泵的主要性能参数计算及选型8
3.2液压缸的设计10
3.2.1液压缸类型的选择10
3.2.2液压缸主参数的确定15
3.3液压阀的选型17
3.3.1液压控制阀的分类17
3.3.2液压系统对阀的基本要求17
3.3.3液压控制元件的选用18
3.4动力滑台辅助元件的选择18
4液压系统性能的验算21
4.1回路中的压力损失计算21
4.2液压系统热平衡验算22
结论23
致谢24
参考文献25
附录26
附录A26
附录BYT4543型组合机床动力滑台液压系统原理图28
附录C液压缸装配图及零件图若干28
附录D油箱装配图28
ill
1绪论
随着近50年的科学技术的进步与发展，液压技术已经成为了一门影响现代机械装备技术的重要基础学科和基础技术，液压组合机床是一种利用液体压力来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机床。
随着新工艺及新技术的应用，液压组合机床在金属加工及非金属成形方面的应用越来越广泛，在机床行业中的占有
份额正在大幅度增加。
由于液压组合机床在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。
如板材成型；管、线、型材挤压；粉末冶金、塑料及橡胶制品成型；胶合板压制、打包；人造金刚石、耐火砖压制和炭极压制成型；轮轴压装、校直等等。
各种类型的液压组合机床迅速发展，有力地促进了各种工业的发展和进步。
八十年代以来，随着微电子技术、液压技术等的发展和普及应用，液压组合机床有了更进一步的发展。
目前，液压组合机床的最大标称压力已达750MN用于金
属的模锻成型。
众多机型已采用CNC或工业PC机来进行控制，使产品的加工质量和生产率有了极大的提高。
随着人们生活水平的提高，金属压制和拉伸制品的需求逐年提高，同时，对产品品种的需求也越来越多，另一方面产品的生产批量日益缩小。
为与中、小批量生产相适应，需要能够快速调整的加工设备，这使液压组合机床成为理想的成型工艺设备。
特别是当组合机床液压系统实现具有对压力、行程速度单独调整功能后，不仅能够实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，实现了极低的废品率。
这种加工方式还适合于长行程、难成型以及高强度的材料。
可变的动力组合、短的加工时间、根据工件长度的简易的压力行程调整，这与机械加工系统相比，有其优越性。
面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中占重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。
制造装备的改进，使得作为制造工业重要设备的各类机加工艺装备也有了许多新的变化，尤其是孔加工，其在今天的液压系统的地位越来越重要，组合滑台在数控车床上担任着重要的角色，由于工业的发展元件的不断提高性能使得滑台的快速发展也日新月异。
全世界各种零件约有85%至90%的加工都是由组合滑台液压系统组成的机床上完成的。
组合滑台是一种万能型机床组成部分，目前已经无可争议地成为零件加工的必不可少的功能性部件，在世界机床市场上它的功能重点已占据首位，并且仍在发展扩大。
组合机床动力滑台的发展主要以液压技术的应用为基础，其
液压系统已成为工业工程机械液压系统的主流形式。
随着科学技术的发展和加工业现代化生产的需要，组合机床动力滑台需要大幅度的技术进步，技术创新是机床行业所面临的新挑战。
在技术方面，机床产品的核心技术就是组合滑台的液压系统设计，所以对其液压系统的分析研究具有十分重要的现实意义。
2液压传动方案的拟定
液压传动是以液体作为介质来传递能量和进行控制的一种传动方式。
利用液
压泵将原动机的机械能转换成液体的压力能的液压系统，它传递能量是通过液体压力能的变化来实现的，再通过各种控制系统和液压回路的传递，最后再借助于液压执行元器件把液体的压力能最终转换成为机械能，使工作机构运转，从而实
现机构的直线往复运动和回转运动。
其中驱动机床工作台的液压系统是由液压
泵、溢流阀、节流阀、开停阀、换向阀、液压缸、油箱、过滤器以及连接这些元件的油管、接头等液压元器件组成。
2.1设计方案的提出及要求
根据YT4543型组合机床主机的工作情况、对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及成本，经济性、等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟定出了一个比较合理的、可实现的液压系统的方案来。
包括液压回路的分析、选择与合成，液压系统原理图的拟定、设计与分析。
动力滑台为卧式布置，动力滑台拟采用液压驱动；工件采用机械方式夹紧。
本课题所设计的液压系统是卧式组合机床液压动力滑台液压系统，在切削阻
力为20000N快进、快退速度为3.5m/min工进的速度为0.08m/min；二工
进的速度为0.05m/min;工进时的最大切削力为34444N工作台最大行程为500mm,其中工进的总行程为300mm快进的行程为50mm加、减速时间为0.25s的条件下完成系统原理图和该系统主要零件的结构及有关设计计算。
液压泵及液压元件
的选用，液压缸采用单作用液压缸，液压缸作为液压系统的执行元件安装在机床的床身上，与液压供油装置分开布置，避免两者之间形成振动干涉。
最终使液压系统能够准确的完成快进一第一次工作进给一第二次工作进给一止挡块停留一快退一原位停止这一工作循环⑴。
2.2工况分析
（1）阻力计算
1切削阻力
切削阻力为已知Fq=20000N:
2摩擦阻力
取静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fd=0.1，已知运动部件总重为10000N
则：
静摩擦阻力：
FfS二fsFN=0.2X10000N=2000N（2.1）
动摩擦阻力：
Ffd二fdFN=0.1X10000N=1000N
3贯性阻力
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，
既厶u=3.5m/min，△t=0.25s，故惯性阻力为：
Fa二一（100003.5）（9.80.2560）238N（2.2）
gt
由于动力滑台为卧式放置，所以不考虑重力负载。
（2）液压缸各阶段工作负载计算：
（取液压缸的机械效率nm=0.9）
1起动：
F仁Ffs=3000/0.9=3333N（2.3）
nm
2加速：
F2=（Ffd+Fa）/nm（1000+238）/0.9=1376N（2.4）
3快进：
F3=Ffd/nm=1000/0.9N=1111N（2.5/
4一工进：
F4=（Ffd+Fn）/ncm=（1000+25000）/0.9N=28889N（2.6/
4二工进：
F5=（Ffd+Fr2）/ncm=（1000+30000）/0.9N=34444N（2.7/
5快退：
F6=Ffd/nm=1000/0.9N=1111N（2.8/
据已知结果可以画出负载循环图如下：
一工进
28889
二工进
34444
3333
\1111
200
'快进"
50快退150
w
-1111
图2.2负载循环图
根据上面的负载分析能够初步确定液压系统的主参数，为下一步确定液压系统执行元件的压力和流量提供设计依据。
2.3工作原理分析
图2.3所示为YT4543型组合机床动力滑台的液压系统原理图，该系统采用限压式变量泵供油、电液动换向阀换向、快进由液压缸差动连接来实现。
用行程
阀实现快进与工进的转换、二位二通电磁换向阀用来进行两个工进速度之间的转换，为了保证进给的尺寸精度，采用了止挡块停留来限位⑺。
通常实现的工作循环为：
快进第一次工作进给第二次工作进给止挡块停留快退原位停止。
系统的油源为限压式变量叶片泵1它与串联的调速阀7、8和背压阀3组成容积节流（进口）调速回路单杆活塞缸13为差动连接，以实现快速运动，缸的运动方向变换由电液换向阀6实现，二位二通机动换向阀（行程阀）11和电磁换向阀12用于液压缸的快慢速度换接，电液换向阀6中的电磁阀的M型中位机能用于停止时的卸荷，快进与工进由远控顺序阀4控制，阀4的设定压力低于工进时的系统压力而高于快进时的系统压力，压力继电器9用于死挡铁停留开始时的发信，系统中有三个单向阀，单向阀2用于保护液压泵免受液压冲击，同时用于保证系统卸荷时电液换向阀的先导控制油路保持一定的控制压力，以确保换向
动作的实现，单向阀5用于工进时进油路和回油路的隔离，单向阀10用于提供快退回路油［10］。
图2.3YT4543型动力滑台液压系统原理图
电磁铁、压力继电器和行程阀的动作顺序表2.3如下所示:
表2.3
动作名称
电磁铁工作状态液压元件工作状态
1YA2YA3YA压力继电器9行程阀11
快进
+---接通（下位）-
切断（上位）
一工进
+
+
二工进
+
-
+
-
切断+
停留
+
-
+
+
切断+
快退
-
+
±
±
切断一接通土
停止
—
—
—
—
接通-
注：
"+”表示通电,“-”表示断电。
（1）快进
按下启动按钮，电磁铁1YA通电，电液动换向阀6的先导阀阀芯向右移动从而引起主阀芯向右移，使其左位接人系统，其主油路为：
进油路：
液压泵1f单向阀2^换向阀6（左位）f行程阀11（下位）f液压缸左腔
回油路：
液压缸的右腔f换向阀6（左位）f单向阀5f行程阀11（下位）f液压缸左腔，形成差动连接。
（2）第一次工作进给
当滑台快速运动到预定位置的时候，滑台上的行程挡块压下行程阀11的阀
芯，这时切断了该通道，使液压油必须经调速阀7进入液压缸的左腔。
由于油液流经调速阀，液压系统的压力升高，打开液控顺序阀4,此时单向阀5的上部分压力比下部分压力大，所以单向阀5关闭，切断了液压缸的差动回路，流回的压力油经过液控顺序阀4和背压阀3流回油箱使组合机床动力滑台液压系统转换为第一次工作进给。
其油路连通情况是：
进油路：
液压泵1f单向阀2f换向阀6（左位）f调速阀7f换向阀12（右位）f液压缸左腔；
回油路：
液压缸右腔f换向阀6（左位）f顺序阀4f背压阀3f油箱。
因为液压系统工作进给时，其内部压力升高，所以变量式叶片泵1的输油量便会自动的减少，来适应工作进给的需要，进给量的大小是由调速阀7调节的。
（3）第二次工作进给
第一次工作进给结束之后，行程开关被行程挡块压下使3YA通电，液压回路被二位二通换向阀切断，进油必须经过调速阀7、8才能够进入到液压缸，此时由于调速阀8的开口量比调速阀7的要小，所以进给速度再次下降，其它油路情况同第一次工作进给。
（4）止挡块停留
当动力滑台工作进给完成以后，碰上止挡块的液压动力滑台将不再前进，停留在止挡块处，同时液压系统的压力上升，当上升到压力继电器9的调整值的时候，压力继电器开始动作，再经过时间继电器的延时作用，发出信号使动力滑台返回，滑台的停留时间可以通过时间继电器在一定范围内作调整。
（5）快退
时间继电器经过延时发出信号，1YA3YA断电，2YA通电，系统中油路连通情况为：
进油路：
泵1f单向阀2f换向阀6（右位）f液压缸的右腔；
回油路：
液压缸的左腔f单向阀10f换向阀6（右位）f油箱。
（6）原位停止
当动力滑台退回到原始位置时，行程开关被行程挡块压下，发出信号，使2YA断电，此时换向阀6处于中间位置，液压缸失去了液压动力源，动力滑台停止运动。
液压泵输出的油液直接经过换向阀6流回到油箱，泵卸荷［16］。
3液压系统的设计
3.1液压泵的选型
动力元件是指一般常见的液压泵，它的功用是将原动机输入的机械能转换成为液体的压力能，以驱动执行元件的运动。
液压传动系统中使用的液压泵都是容积式的，它是依靠密闭容积的周期性变化而工作的，以下图3.1是液压泵的四种
类型：
图3.1泵的类型
a-单向定量泵；b-单向变量泵；c-双向定量泵；d-双向变量泵
3.1.1液压泵的特点
（1）必须具备一个或若干个密封油腔，且密封油腔的容积应能不断变化，液压泵的吸油和压油过程都是靠泵的密封容积不断变化来实现的。
密封容积的大小、变化率和数量就决定了液压泵的输油量的大小。
（2）自吸式液压泵的吸油条件是油箱必须以大气相通。
因此为保证液压泵能正常吸油，油箱必须和大气连通，或采用密闭的充压油箱。
（3）油压形成的条件是液压油的压力决定于外部的负载。
（4）必须让液压泵在吸油时吸油腔和油箱相连通，而与压油腔不连通；而在
压油时压油腔和压油管道相连通，而与吸油腔不连通[19]。
3.1.2液压泵的分类
常用的容积式液压泵有：
齿轮泵、叶片泵（单作用叶片泵，变量叶片泵）、柱塞泵（径向，轴向）等。
液压泵的压力分级标准如表3.1.2所示：
表3.1.2
压力分级
压力等级
低压
中压
中咼压
高压
超高压
压力P/Mp
<2.5
2.5〜8
8〜16
16〜32
>32
流量分级：
461016254063100250
3.1.3液压泵的选用原则
液压泵是向液压系统提供一定流量和压力的动力元件，它是每个液压系统不可缺少的核心元件，合理的选择液压泵的型号对于降低液压系统的能耗，提高系
统的工作效率，降低噪声，改善工作性能和保证液压系统工作的可靠性都十分重要。
液压泵的选择原则是：
根据主机的工况、功率大小和液压系统对工作性能的要求，首先确定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。
一般在轻载小功率的液压设备上，可选用齿轮泵，双作用叶片泵；精度较高的机械设备，可用双作用叶片泵（采用单向定量泵）；在负载较大并且有快速、慢速进给的机械设备上，可选用限压式变量叶片泵（采用单向变量泵），双联叶
片泵；负载大，功率大的设备上，可用柱塞泵；机械设备的辅助装置，如送料、夹紧等不重要的场合，可选用价格低廉的齿轮泵[21]0限压式叶片泵的使用场合和优缺点：
（1）适用场合：
由于限压式变量叶片泵的上述流量压力特性，都应用于组合机床的进给系统，以实现快进、工进和快退运动；且限压式叶片泵也适用于定位和夹紧系统。
（2）优缺点：
1限压式变量叶片泵根据负荷大小，自动调节输出流量，因此功率损耗小、可以减小油液发热。
2油液系统中采用变量泵，可节省液压元件的数量，从而简化了油路系统。
3泵本身的结构复杂，泄漏量大，流量脉动较严重，致使执行元件的运动速度不够平稳。
4存在径向不平衡问题，影响轴承的寿命，噪声也大。
正因为本次设计的是组合机床的动力滑台，需要快进、工进和快退运动，所以此液压系统中应该选用的是限压式变量叶片泵[22]0
3.1.4液压泵的主要性能参数计算及选型
（1）压力
1工作压力：
液压泵工作时输出液体的实际压力。
其值取决于负载（包括管路阻力）。
2额定压力：
液压泵的密圭寸能力和结构强度所决定的、保证正常工作所允许的最高工作压力。
3最高允许压力：
液压泵在短时间内超载运转时所允许的极限压力。
（2）流量和排量
1排量V：
液压泵在无泄漏的情况下，泵轴每转一转所排出的液体体积。
（单位m/r）其值取决于密圭寸工作腔的数目和结构尺寸大小。
2理论流量qvt:
液压泵在不考虑泄漏的情况下，单位时间内输出液体的体
积。
其值等于液压泵的排量V与泵轴转速n的乘积，
qt=Vn（3.1）
式中V—液压泵排量（nVr）;N—主轴转速（r/s）。
3实际流量qv：
液压泵工作时的实际输出的流量。
等于理论流量减去泄漏、压缩等损失的流量△6,即
qv=qvt—△qv（3.2）
4额定流量qvn:
液压泵在额定压力下工作的实际流量。
（3）功率和效率
液压泵的功率损失包括容积损失和机械损失两个部分：
1容积损失：
是指液压泵在流量上的损失，液压泵实际的输出流量小于其理论的流量，主要原因是由于液压泵高压腔的泄漏、内部油液的压缩以及它在吸油的过程中由于油液粘度过大、吸油的阻力太大以及液压泵的转速太高等原因导致油液不能完全充满整个密封的工作腔。
用容积效率来表示液压泵的容积损失，它
等于液压泵实际的输出流量q与理论流量qt之比，即
泵的实际输出流量q为
q=qtv=Vnv
2机械损失：
指在转矩上的损失。
它等于液压泵的理论转矩
矩T之比，设液压泵的转矩损失为Ti，则其机械效率为
Ti
Tt
液压泵的功率
1输入功率口:
液压泵输入功率等于原动机的输出功率。
用输出转矩T和角速度••来表示，即
Pi'（3.6）
2输出功率P。
：
液压泵实际输出的液压功率，液压泵在实际工作过程中的吸、压油口间的压力差P和输出流量qv的乘积。
即
3
液压泵的总效率：
液压泵的输出功率与输入功率之比。
即
（4）参数计算
取系统泄漏系数K=1.15，由于管路比较复杂取沿程总压力损失
p?
；；=：
0.5MPa，调速阀压降为0.5MPa,则
液压泵的最大工作压力为
Pp亠Pimax亠】、P二5.160.5二5.66MPa（3.9）
取压力储备为25%，则液压泵的额定压力为
Ppi_1.25pp=1.255.66MPa7.08MPa（3.10）
液压泵的最大供油量
qp-k'qmax=1.1516.15L/min=18.57L/min（3.11）
根据上述计算查附表1和附表2，选定液压泵的型号为：
YBX-25型限压式变量叶片泵。
3.2液压缸的设计
执行元件是指作直线运动的液压缸或是作回转运动的液压马达等，它们的功
用是将流体的压力能转换成机械能，来驱动工作部件的能量转换装置。
液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转变为机械能且做直线往复运动的能量转换装置。
液压杠结构简单、工作可靠、制造容易，做直线往复运动时，省去减速机构，且没有传动间隙，传动平稳、反应快，因此在液压系统中被广泛的应用。
3.2.1液压缸类型的选择
液压缸按其结构形式，可分为活塞缸、柱塞缸和两类。
活塞缸和柱塞缸实现往复运动，输出推力和速度。
按其作用方式，可分为单作用缸、双作用缸两类。
单作用缸只是向活塞一侧输入压力流体实现单向运动，而反方向的运动则靠自重、
弹簧或其他外力实现。
双作用缸是交替地向活塞两侧输入压力流体实现往复运动。
液压缸除单个使用外，还可以几个组合起来或和其它机构组合起来，以完成特殊的功用。
（1）活塞式液压缸
活塞式液压缸分为单杆式和双杆式两种。
①单杆式活塞缸
图321-1单杆活塞缸
a-无杆腔进油；b-有杆腔进油
如图3.2-1所示，活塞只有一端带有活塞杆，单杆液压缸也有缸体固定式和
活塞杆固定式两种，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。
单杆式活塞缸由于活塞两端有效面积不相等。
如
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