液压与气压传动的课程设计.docx
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液压与气压传动的课程设计
湖北文理学院
液压与气压传动课程设计
题目：
专用钻床的液压系统
学院：
机械与汽车工程学院
专业：
汽车服务工程
学号：
姓名：
颜玉楠
指导教师：
邬国秀
液压与气压设计任务书：
一、设计的目的和要求：
㈠设计的目的
液压传动课程设计是本课程的一个综合实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：
1.巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题能力；
2.正确合理地确定执行机构，选用标准液压元件；能熟练地运用液压基本回路、组合成满足基本性能要求的液压系统；
3.熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。
对学生在计算、制图、运用设计资料以及经验估算、考虑技术决策、CAD技术等方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平。
㈡设计的要求
1.设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、先进性及操作维修方便。
如果可以用简单的回路实现系统的要求，就不必过分强调先进性。
并非是越先进越好。
同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单独考虑简单、经济；
2.独立完成设计。
设计时可以收集、参考同类机械的资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。
不能简单地抄袭；
3.在课程设计的过程中，要随时复习液压元件的工作原理、基本回路及典型系统的组成，积极思考。
不能直接向老师索取答案。
4.液压传动课程设计的题目均为中等复杂程度液压设备的液压传动装置设计。
具体题目由指导老师分配，题目附后；
5.液压传动课程设计一般要求学生完成以下工作：
⑴设计计算说明书一份；
⑵液压传动系统原理图一张（3号图纸，包括工作循环图和电磁铁动作顺序表）。
二、设计的内容及步骤
设计内容
1.液压系统的工况分析，绘制负载和速度循环图；
2.进行方案设计和拟定液压系统原理图；
3.计算和选择液压元件；
4.验算液压系统性能；
设计步骤
以一般常规设计为例，课程设计可分为以下几个阶段进行。
1.明确设计要求
⑴阅读和研究设计任务书，明确设计任务与要求；分析设计题目，了解原始数据和工作条件。
⑵参阅本书有关内容，明确并拟订设计过程和进度计划。
2.进行工况分析
⑴做速度-位移曲线，以便找出最大速度点；
⑵做负载-位移曲线，以便找出最大负载点。
液压缸在各阶段所受的负载需要计算，为简单明了起见，可列表计算；
工况
计算公式
缸的负载F
缸的推力F/ηcm
启动
加速
快进
工进
快退
注：
ηcm——缸的机械效率，取ηcm=0.9
⑶确定液压缸尺寸
确定液压缸尺寸前应参照教材选择液压缸的类型，根据设备的速度要求确定d/D的比值、选取液压缸的工作压力，然后计算活塞的有效面积，经计算确定的液压缸和活塞杆直径必须按照直径标准系列进行圆整。
计算时应注意考虑液压缸的背压力，背压力可参考下表选取。
系统类型
背压力（MPa）
回路上有节流阀的调速系统
0.2～0.5
回路上有背压阀或调速阀的进给系统
0.5～1.5
采用辅助泵补油的闭式回路（拉床、龙门刨等）
1～1.5
⑷绘制液压缸工况图
液压缸工况图包括压力循环图（p-s）、流量循环图（q-s）和功率循环图（P-s），绘制目的是为了方便地找出最大压力点、最大流量点和最大功率点。
计算过程可列表计算。
各阶段压力、流量和功率值
工况
负载F（N）
液压缸
计算公式
回油腔压力
流入流量
进油腔压力
输入功率
快进（差动）
启动
加速
恒速
工进
快退
启动
加速
恒速
3.进行方案设计和拟定液压系统原理图
方案设计包括供油方式、调速回路、速度换接控制方式、系统安全可靠性（平衡、锁紧）及节约能量等性能的方案比较，根据工况分析选择出合理的基本回路，并将这些回路组合成液压系统，初步拟定液压系统原理图。
选择液压基本回路，最主要的就是确定调速回路。
应考虑回路的调速范围、低速稳定性、效率等问题，同时尽量做到结构简单、成本低。
4.计算和选择液压组件
⑴计算液压泵的工作压力
⑵计算液压泵的流量
⑶选择液压泵的规格
⑷计算功率，选择原动机
⑸选择控制阀
⑹选择液压辅助元件
5.验算液压系统性能
⑴验算液压系统的效率
⑵验算液压系统的温升
6.绘制正式工作图，编制课程设计计算说明书
⑴液压传动系统原理图一张（3号图纸，包括工作循环图和电磁铁动作顺序表）
⑵整理课程设计计算说明书
液压系统原理图的标题栏如下所示：
图 名
比例
图 号
件数
设计
日期
重量
共张
第张
指导
日期
襄樊学院
审核
日期
三、进度安排
按教学计划安排，液压传动课程设计总学时数为1周，其进度及时间大致分配如下：
序号
设计内容
天数（约占比例）
1
设计准备
0.5（约占10%）
2
液压系统的工况分析，绘制负载和速度循环图
0.5（约占10%）
3
进行方案设计和拟定液压系统原理图
1.5（约占30%）
4
计算和选择液压组件
1（约占20%）
5
验算液压系统性能
0.5（约占10%）
6
绘制正式工作图，编制课程设计说明书
0.5（约占10%）
7
设计总结
0.5（约占10%）
总计
5
参考文献
[1]左健民.液压与气压传动.第2版.北京：
机械工业出版社，2004.
[2]章宏甲.液压与气压传动.第2版.北京：
机械工业出版社，2001.
[3]许福玲.液压与气压传动.武汉：
华中科技大学出版社，2001.
[4]液压系统设计简明手册.北京：
机械工业出版社，2000.
设计题目：
18、试设计一专用钻床的液压系统，要求完成”快进-工作-快退-停止（卸荷）”的工作循环．已知：
切削阻力为13412N，运动部件自重为5390N，快进行程为300mm，工进行程为100mm，快进，快退运动速度为4.5m/min,工进速度为60-1000mm/min，加速和减速时间为△t=0.2sec,机床采用平导轨，摩擦系数为Fs=0.2,Fd=0.1
目录：
一．液压与气压传动设计任务书...........................1
1.设计题目和目的...................................1
2.设计步骤和内容...................................1
二．运动分析和负载分析.................................2
1.运动分析.........................................2
2.负载分析.........................................2
3.负载图与速度图的绘制.............................3
三．确定液压缸的主要参数...............................5
1.初选液压缸的工作压力.............................5
2.确定液压缸尺寸...................................5
3.计算液压缸的最大流量.............................5
4.绘制工况图.......................................5
四．拟定液压系统图.....................................7
五．液压元件的选择.....................................8
1.液压泵及驱动电机功率的确定.......................8
2.元件、辅件选择...................................9
六．液压系统的性能验算.................................11
1.压力损失及调定压力的确定.........................11
2.系统的发热与温升.................................13
七．设计小结...........................................13
八．参考文献...........................................15
运动分析和负载分析
1.运动分析
动作循环图
2.负载分析
（1）工作负载
工作负载与设备的工作情况有关，在机床上，与运动方向同轴的切削力的分量是工作负载。
（2）摩擦负载
摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力，它与支撑面的形状，放置情况，润滑条件以及运动状态有关。
静摩擦负载与动摩擦负载分别是如下：
（3）惯性负载
惯性负载是运动部件的速度变化，是由惯性而产生的负载，可用牛顿第二定律计算。
加速Fa1=m
=（5390/9.81）
（0.075/0.2）=206.04N
减速Fa2=m
=（5390/9.81）
（0.074/0.2）=203.29N
制动Fa3=m
a3=（5390/9.81）
（0.001/0.2）=2.75N
反向加速Fa4=Fa1=206.04N
反向制动Fa5=Fa4=206.04N
液压缸的机械效率取ηm=0.85
三负载图与速度图的绘制：
液压缸各阶段的负载
工况
计算公式
总负载F/N
缸推力F/N
启动
14490
17047.1
加速
14157
16655.34
快进
13951
16412.94
减速
13747.71
16173.78
工进
13951
16412.94
制动
13948.25
16409.7
反向加速
745.04
876.52
快退
539
634.12
制动
332.96
391.72
四主要参数的确定：
1初选液压缸的工作压力
根据最大负载F=17047N,初选液压缸的工作压力为3MPa（取自《液压传动与控制》表9-3、表9-4）
2计算液压缸的尺寸
A=F/P=17047/=0.00568
D=85mm
按标准取D=90mm（壁厚5mm，单重11.17kg/m）
根据快进与快退的速度比值来确定活塞杆的直径
D2/（D2-d2）=1.3d=43.23mm
按标准取d=45mm
则液压缸的有效作用面积为：
无杆腔的面积A1=1/4×π×D2=1/4×π×92=63.59c㎡
有杆腔的面积A2=1/4×π×（D2-d2）=1/4×π×（92-4.52）=47.69c㎡
3活塞杆稳定性校核
活塞杆的总行程为400mm,而活塞杆的直径为45mm,
l/d=400/45=8.89<10
∴不用稳定性校核
4求液压缸的最大流量
q快进=A1×v快进=0.×0.075m/s=0.m3/s=28.6L/min
q工进=A1×v工进=0.×0.001m/s
=6.359×10-6m3/s=0.382L/min
q快退=A2×v快退=45.69×10-4×0.075m/s=21.5L/min
5绘制工况图
工作循环中的各个工作阶段的液压缸的压力、流量和功率为：
快进：
P=4F/（3.14dxd）
工进：
P=F/A1
快退：
P=F/A2
液压缸各工作阶段的压力、流量和功率为
工况
压力p/Mpa
流量（L/min）
功率P/W
快进
2.19
28.6
104.39
工进max
2.19
3.82
13.94
工进min
2.19
0.382
1.39
快退
0.113
21.5
4.05
由上表可绘制出液压缸的工况图：
四．拟定液压系统图
供油方式：
有工况图分析可知，该系统在快上和快下时所需流量较大，可用单泵供油回路。
五．液压元件的选择
1.YB1～系列叶片泵系中低压双作用定量叶片泵。
YB1～系列叶片泵额定压力为63kgF。
排量为4～100ml/r，用户可根据需要选择。
本产品将根据不同的排量组合成单泵和双泵。
它广泛使用于金属切削机床或其它机械的中低压液压系统中。
该泵一般为正转，根据需要可安装成反转。
一、特点及用途：
YB1叶片泵系中压、双作用、定量叶片泵，适用于金属切削机床或其他机械的中、低压液压系统中。
该泵一般为正转，根据需要，可安装成反转。
由于YB1～系列叶片泵噪音小，性能比较稳定，价格比较低廉。
工进:
3.82/0.85/0.96=3.03ml/r所以YB1系列查表选泵:
YB1～4快进：
28.6/0.85/0.96=22.7ml/r所以YB1系列查表选泵：
YB1～25
单泵:
型号
排量
压力
转速
容积效率
驱动功率
重量
YB1-4
4
6.3
960
≧85
1.1
5
YB1-25
25
6.3
960
≧90
3.3
9
2、双泵：
L
L1
L2
L3
B
B1
H
S
D1
D2
d
d1
C
t
b
Z1
Z2
Z3
255
106
38
144
45
20
145
110
90dc
128
20d
11
5
22
5
Z1”
Z3/4”
Z1/4”
根据以上压力和流量的数值查产品目录，选用YB1～4型的双联液压泵，其额定压力为6.3MPa;容积效率
pv=0.85，总效率
p=0.72，所以驱动该泵的电动机的效率可由泵的工作压力和输出流量qp=6.3×1450×0.85×10-3L/min=7.76L/min
根据以上压力和流量的数值查产品目录，选用YB1～25型的双联液压泵，其额定压力为6.3MPa;容积效率
pv=0.9，总效率
p=0.72，所以驱动该泵的电动机的效率可由泵的工作压力和输出流量
qp=20×960×0.9×10-3L/min=21.6L/min
所以由以上两个泵可以求出电机功率：
Pp=（pp×qp+pp×qp）/
p=（2.19×106×21.6×10-3+2.19×106×7.76×10-3）/60×0.72=1488W
查Y系列电动机表，拟选用电动机的型号为Y100L1，功率为2.2KW，额定转速为1440r/min。
功率
型号
电流
转速
效率
2.2kw
Y100L--1
5.0
1440
0.81
选择阀类元件及辅助元件（GE系列）
序号
名称
通过流量q
/（L/min）
型号及规格
1
滤油器
11.47
XLX-06-80
2
叶片泵
15.04
YBX-16
3
溢流阀
3.375
YF3*10B
4
两位两通电磁换向阀
8.21
22EF3-E10B
5
三位四通电磁换向阀
9.75
34EF3Y-E10B
6
单向调速阀
9.75
AQF3-E10B
7
两位三通电磁换向阀
9.75
23EF3-E10B
8
电动机
9.75
Y100L1
（1）.油管V取1.5m/s内径d=
取d=12mm管接头连接螺纹M18×1.5mm钢管外径18mm
吸油管同上（q=8.64L/min,v=1.5m/s）且参照液压泵YBX-16,吸油管内径取d=25mm《液压元件手册》电子书表6-4-1P496
（2）.油箱V=（5～7）Qp
V=7×29.36=205L考虑到温升问题取标值250L
七液压系统的性能验算
1.压力损失几调定压力的确定
在快退、快进时，系统工作压力很低，所以不必验算。
快进时液压缸的速度为
V1=qp/A1=（7.76×10-3）/（63.59×10-4×60）=20mm/s
此时油液在进油管的流速为
V=qp/A=（7.76×10-3）/（0.25π×82×10-6×60）=2.57m/s
⑴沿程压力损失
首先要判断管中的流态，设采用N32液压油，室温为20℃时，γ=0.0001m²/s，
所以有Re=v×d/γ=（2.57×8×10-3）/（0.1×10-3）=205.6<2320
管中为层流，则阻力损失关系系数
λ=75/Re=0.36
若取进出口油管长度约为2m,油液的密度ρ=890kg/m3
则其进油路上的沿程压力损失为
Pλ1=λ
×v2=0.36×（2/8×10-3）×（890/2）×2.572=0.265Mpa
⑵局部压力损失
局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失,前者视管道具体结构而定,一般取沿层压力损失的10﹪;而后者则与通过阀的流量大小有关,若阀的额定流量和额定压力损失为qn和⊿pn,则当通过阀的流量为q时的阀的压力损失⊿pv为:
⊿pv=⊿pn*（q/qn）²
因为GE系列10mm通径的阀的额定流量为63l/min,叠加阀10mm通径系列的额定流量为42l/min，而在本题中通过每个阀的最大流量仅为7.76l/min，所以，通过整个阀的压力损失很小可忽略不计。
同理，工进时回油路上的流量
q2=A2×q1/A1=（4769×7.76）/6359=5.82l/min
则回油路油管上的流速
v=qp/A=（5.82×10-3）/（60×0.25π×82×10-6）=1.93m/s
由此可得Re=v×d/γ=（1.93×8×10-3）/（0.1×10-3）=154.4（层流）
λ=75/Re=0.49
∴回油路上沿程压力损失为
Pλ=λ
×v2=0.49×（2/8×10-3）×（890/2）×1.932=0.203Mpa
⑶总压力损失:
∑
P=
P1+（A2/A1）×
P2=（0.265+0.0265）+（4768/6359）×（0.203+0.0203）=0.459Mpa
∴原设∑
P=0.4Mpa，这与结果无差异
⑷压力阀的调定值
Pp=F/A1+∑
P=2.58+0.459=3.04Mpa
∴卸荷阀得调定压力应取3.1Mpa为宜
溢流阀的调定压力大于卸荷阀压力0.3—0.5Mpa,所以取溢流阀调定压力为4Mpa。
2、系统的发热与温升
快进时电机输出功率为
Pp=Pp×qp/
p=（3.1×106×7.76×10-3）/（60×0.72）=556.9w
工进时电机输出功率为
Pp1=Pp1×qp1/
p=（4×106×3.88×10-3）/（60×0.72）=359.3w
而快进时有效功率
P1=（2.58×106×7.76×10-3）/（60）=333.7w
工进时有效功率
P2=13.88w
所以快进时的功率损失为556.9-333.7=223.2w，而工进时的功率损失为359.3-13.88=231.12W,比较大的值231.12来校核其热平衡,求出温升:
设油箱得三边长在1:
1:
1-1:
2:
3范围内，则散热面积为
A=0.065
=0.065×2102/3=2.30m
假设通风良好,取h=15×0.001KW/（m²×℃）,所以油液的温升为:
△t=H/（hA）=0.53/（15×10-3×2.30）=15.36℃
室温为20℃,热平衡温度为35.36℃<65℃,没有超出允许范围
（七）个人设计小结
液压是一们机械专业十分重要的专业基础课。
同时液压在实际生产的应用上也发挥了契机巨大的作用。
在工业生产的各个部门应用液压传动技术。
工程机械，矿上机械，压力机械和航天工业中，常常采用液压传动，因为其结构简单，体积小，重量轻，输出力大；机床上采用液压传动是取其能在工作过程中方便的实现无级调速，易于实现频繁的换向，易于实现自动化；在电子工业，包装机械，印染机械，食品机械等方面应用气压传动主要是取其操作方便，无油，无污染。
由此可见，液压的应用很广泛，发挥的作用也十分巨大。
液压课程设计是是对液压课程所学理论知识的一次具体的应用和实践，增强学生所学知识以及具体方法的实际应用有很大的帮助。
通过这次课程设计，使我对于液压系统设计有了一个更加形象和直观的认识与掌握。
这个过程中锻炼了我分析解决问题，应用和查阅相关机械资料进行设计的能力。
由于这次课程设计是在教学的过程中进行的，刚刚学过的理论知识印象还很深刻，但要在在短短的一周时间做好液压课程是不是一件容易的事，做课程设计又需要很多的相关的知识，这次课程设计又相当于让自己再次温固了一遍课程。
真正做到理论与实践的相统一。
查找资料是在整个设计过程中也是一项至关重要的事情，因为我们都没有经验，要想在短短的时间里完成一套设计，有用的资料是必不可少的。
图书馆中找到了一些和我们的题目相近的设计实例，老师给了我们一套关于液压设计的工程手册。
设计实例可以快速给我们设计思路，设计过程中要包括哪几个方面的内容也一目了然，于是大概是怎么样的一个过程就有了；液压设计工程手册提供了我们需要选取的元件，这些都是标准件，比如电磁换向阀，液压泵等等
有了充足的资料之后就要开始做自己的设计了。
设计分为几个模块：
设计计算及元件选择，验算，图纸（溢流阀零件图、三位四通换向阀、集成块零件图等等）设计并不是照搬照抄书上原有的东西，而是要根据前人的经验和一些经典回路，再加入自己所需的一些功能，最终设计完成的。
设计的过程我们小组遇到了不少问题和疑点，通过和同学的讨论交流，以及请教王老师，最终使问题得以解决。
自己也在这个过程中学到了很多实战知识。
我会以这次课程设计为契机，更好的学习专研机械知识。
在今后学校的学习生活中更加严格的要求自己，我会继续努力，朝着二工大“知识型”“高技能”“创新型”人才的培养标准而不断奋斗。
八．参考文献
1.《液压与气压传动》教材
2.《机械零件设计手册》（液压与气动部分）冶金出版社
3.《组合机床设计》（液压传动部分）机械出版社
4.《液压工程手册》机械工业出版社
5.《液压系统设计简明手册》机械工业出版社
6.《液压元件手册》冶金/机械工业出版社
7.机械设计手册《液压传动》化学工业出版社
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