控数车床液压系统的设计终稿大学论文.docx

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控数车床液压系统的设计终稿大学论文

天津广播电视大学

机械设计制造与自动化专业本科

<<液压气动控制技术>>课程设计

数控车床液压系统的设计

学校滨海学院

学号1412001255399

姓名XXX

指导教师XXX

日期2016年10月13日

摘要

液压传动在发展现代工程机械的过程中扮演着越来越重要的角色，数控车床中很多地方也用到液压传动系统，例如装卡装置和尾座顶紧装置等。

数控车床液压尾座在液压系统执行机构的驱动下进行工作，其工作时主要实现尾座的顶紧和加紧过程。

设计尾座的液压回路主要有液压缸、调速阀、电磁阀、单向阀、溢流阀等组成，并充分考虑液压系统的优缺点，设计绘制出液压系统原理图,选择合适的液压缸，计算出液压泵的参数，然后根据这些选择合适的油箱、阀、油管和过滤器，最后再经过精确验算来完设计出一个完整的液压系统。

关键词：

数控车床尾座液压系统液压缸

目录

前言3

一、国内外数控机床和液压系统研究现状及发展4

（一）数控车床现状与发展趋势4

（二）研究方法与内容4

二、液压系统的简介5

（一）液压系统的组成5

（二）液压系统的优缺点5

三、液压尾座液压传动总体设计 5

（一）尾座简介 5

（二）回路设计6

四、尾座液压系统设计7

（一） 液压系统的压力7

（二）绘制液压系统原理图8

（三）顶针油缸的相关计算 8

（四）液压泵的设计9

（五）阀类元件的选择 10

（六） 油管类型的选择 10

（七）油箱的选择    10

（八）过滤器的选择11

五、液压系统性能的验算11

（一）管路系统压力损失的验算11

（二）系统发热温升的验算12

（三）系统效率验算13

结论14

参考文献15

致谢16

前言

液压传动在发展现代工程机械的过程中显得尤为重要。

国外由于应用了全新的技术成果，使产品品种、质量和水平都有较大提高。

液压传动朝着小型化、集成化、精密化、高效化等方向不断前进，但是前进的道路肯定有很多需要解决的问题，例如液压油浪费、油污染、液压系统不能与整机完整的结合等问题都需要我们一一克服。

市场竞争越发激烈，产品的更新又极为迅速，精度要求也越来越高。

数控车床液压系统的设计

一、国内外数控机床和液压系统研究现状及发展

数控机床是典型的机电一体化产品。

数控机床的技术水平高低在一定程度上是衡量一个国家经济发展和工业制造水平的一个重要标志[1]。

数控车床是数控机床的代表品种，近些年一直受到各国的重视并得到了较快的发展。

（一）数控车床现状与发展趋势

 1.国外数控机床技术现状 

1.1高精度、高速度与多轴加工成为数控机床技术突破的主流，纳米技术控制已经成为新的潮流。

1.2不断扩展的智能处理和监测设备,车间可以实时监控和管理机床本身的工作信息,分析相关数据,预测车床的状态,提前保养,避免风险,减少机床的损坏率,提高机床的利用率。

1.3发展迅速的绘图技术为数控机床的精加工提供了很好的辅助。

国内数控车床的现状近些年来，我国数控车床生产数量和产量一直保持高速增长。

但与其它发达国家相比，我国车床数控化率不到30％，国产数控车床到2000年品种大概为700多种，不到数控车床品种的50％ ，其中经济型数控车床占大多数。

国产最高主轴转速一般在2000r／min左右，个别高性能机床转速达8000r／min。

国内数控技术还有很大的发展空间。

2.液压系统的现状与发展趋势

2.1液压控制技术回顾与展望

气压与液压压传动相对于机械传动来说是一门新兴的技术。

在各个行业中，液压技术得到了普遍而又广泛的应用。

随着核能、空间技术、电子技术等多方面的发展，液压技术被应用到更广阔的领域，逐步发展成为包括控制、传动和检测在内的一门完整的自动化控制技术。

国内数控车床液压系统的应用发展速度也很快，主要发展方向是小型集成化、多样化等，并且进一步实现高压、高速、高精度、高可靠性的机电一体化[2]；国外数控车床发展相对较早，相对来说国内与国外有一定差距。

2.2液压行业的发展趋势

液压技术在将部分机械能转换成工作压力能方面，已取得很大进步，但是一直存在着容积损失和机械损耗，一直未能很好解决。

为减少压力能的过多损失，需要解决以下几个问题：

①尽量减少液压元件和液压系统的内部压力损耗，以减少系统功率损失；

②尽量减少或消除液压系统的节流损耗；

③采用新技术，新材料，减少磨擦损失；

 ④改良液压系统的性能；

（二） 研究方法与内容

  1. 研究方法

液压系统是液压型机械的一个重要组成部分，液压系统的设计要同机床主机的总体设计同步进行。

设计必须与工作环境、工作方式相结合，确定液压系统的作用及需要改进的方向，进而设计出一个适合整机的液压系统，这才是最关键的

。

设计步骤

一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行：

①学习并掌握液压系统原理的基础知识；

②根据数控机床工况要求及负载分析、对比选出合适的液压回路；

③拟定液压系统原理图；

④液压系统的计算和元件的选择； 

⑤液压系统元件尺寸和结构的确定；

⑥总结分析，精度和误差的统计。

2.研究内容

根据设计要求，本文的研究内容大致分为以下三点：

1.液压系统的设计。

2.各液压元件的选择。

3.对液压系统的检验。

二、液压系统的简介

（一）液压系统的组成

一个完整的液压系统一般由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。

动力元件：

液压泵是液压系统的动力元件，是能量转换元件，由原动机驱动，

把输入的机械能转化为油液的压力能再输出到系统中去，为执行元件提供动力。

执行元件：

主要是将液体的压力能转换为机械能并将其输出。

缸主要是输出力和直线运动，但有的是输出往复摆动运动和扭矩；马达则是输出连续旋转运动和扭矩。

控制元件：

功能是对流动方向、压力和流量进行控制，以满足执行元件所需要各个要求，从而使系统按照特定的工作要求进行工作。

辅助元件：

包括蓄能器、过滤器、油箱、压力表、管件及密封装置等。

（二） 液压系统的优缺点

优点：

能够承受较大的工作压力，便于无级变速，工作相对平稳，便于实现频繁切换，易于实现过载保护，液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计和制造。

缺点：

不宜在较高或较低温度下工作，不可远距离输送动力，元件制造精度要求高，不易实现定比传动，发生故障不易检查和排除，传动效率相对较低。

三、液压尾座液压传动总体设计 

（一）尾座简介 

1.机床采用的是标准的液压型尾座。

尾座安装在机床导轨上，可纵向调整。

可以用顶尖支撑较长的工件，必要时也可以安装铰刀和钻头等相应的孔加工刀具进行孔的加工。

2.尾座的导轨W H为：

95  40mm，尾座的套筒的直径 80mm。

套筒的锥孔MT-4

。

所以，尾座必须具有一定的刚性。

3.尾座的刚度在很大程度上反映了本次设计的合理性；良好的动态性能够使整机的固有频率不至于和激振频率重合而发生共振；良好的工艺便于装配和制造。

此尾座是实现套筒和活塞固定座通过螺钉连接，并且可以移动。

油压后座、活塞轴和尾座体固定在一起。

活塞轴、套筒和活塞固定座形成液压缸，分两个腔。

（二）回路设计

大体看来液压尾座有顶针部分和加紧部分。

前者是起轴顶紧的作用，当顶针工作时需要加紧机构进行加紧工步，保证零件装卡的精度，才能保证加工的精度。

1. 液压尾座顶针液压回路

液压系统原理图如下：

图1液压系统原理图

2.顶针加紧液压回路 

设计尾座液压回路原理图如下：

图2尾座液压回路原理图

四、尾座液压系统设计

前面已经完成尾座的控制回路，本章节将从数据计算的角度来对液压缸和液压泵进行设计。

（一） 液压系统的压力

液压缸的压力主要根据负载确定，此外还需要考虑其它因素，例如各类设备的不同点和应用方式，经济、精度、密封性能要求和功能要求都需要考虑在内，根据负载与工作压力关系表4-1和机械类型与工作压力关系表4-2来确定液压系统的工作力。

根据以上两表，选定工作压力为：

16Mpa 

（二）绘制液压系统原理图

液压系统原理图如图3：

1—邮箱，2—变量液压泵，3—电动机，4、10—过滤器，5—冷却器，，6—油液注入口，7—液位计，8—单向阀，9—加热器，11—溢流阀，12—固定尾座的双联液压缸系统，13、15—三位四通电磁换向阀，14—驱动丝杠的液压马达，16—固定套筒的液压缸，17—两位四通电磁换向阀

图3液压系统原理图

（三）顶针油缸的相关计算 

已知车床切削用量f=0.1-0.3mm/r；切削速度v=50-80m/min；工件直径400mm，加工长度350mm。

假设液压尾座最大轴向力为5754.3N，所以液压油缸要想克服这一轴向力，即液压油缸所受的外力Fz=3.5754N，根据相关表格加紧时的压力区2MPa，背压0.5MPa。

则液压缸的内径是：

p为输出压力，2p为系统背压，代入数据可得：

所以选取油缸直径D=80mm；  

活塞杆直径d=D×（0.5~0.7）=50mm

（四）液压泵的设计

确定液压泵的最大工作压力PB=P1+ΣΔP

其中：

P1为液压缸工作时所需要的最大压力ΣΔP为总的压力损失包括流量阀和

其他元件的局部压力损失、管路损失等，根据同类型的系统的经验ΣΔP为（2～5）×105Pa，复杂系统的ΣΔP为（5～15）×105Pa，具体也可以参照下表：

表4-3  常用中、低压各类阀的压力损失（Δpn）

根据以上数据可知：

卡紧套筒的支路压力损失ΣΔp为0.5+0.3=0.8MP（调速阀和换向阀）

液压马达支路压力损失ΣΔp为0.3MP（换向阀）

 主线路上压力损失ΣΔp为0.5MP（单向阀）

卡紧尾座的支路压力损失ΣΔp为0.3MP（换向阀）

PB=P1+ΣΔp=16+0.3+0.8+0.3+0.5=17.9MP

 泵流量的确定qB

 qB由液压缸最大流量qmax和系统泄漏确定液压缸同时工作时存在容积效率降低，泄露增多的问题，即：

（Σq）max为同时动作的液压缸（或马达）的最大总流量（m3/s）， K为系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值,所以由已知数据得出：

液压泵规格的选择

由以上计算的液压泵的最大工作压力和流量，查液压元件产品样本，选择与

PB和qB相当的液压泵的规格型号。

pB计算的是静态压力，所以为了性能要求和安全起见，额定压力pB应比系统最高压力大25%～60%，故额定压力为22.375~28.64MP，即选用GPC4型外啮合齿轮泵（公称排量20~80ml/r 额定压力25MP 转速3000r/min）。

驱动液压泵工作的输入功率

ηB为液压泵的总效率，可根据表4-4进行合适选择。

表4-4液压泵的总效率

（五）阀类元件的选择 

阀类元件的选择必须根据最大流量，额定压力，动作方式，固定方式，压力损失，性能参数和工作寿命进行综合考虑。

阀类元件选择的注意事项   

（1）尽量选择标准件    

（2）阀类元件的规格要根据油液的最大压力和最大流量选取。

选择溢流阀，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。

（3）参照液压系统原理图

17号换向阀应采用ZS系列多路阀 

流量100L/min 额定压力20MPa 

13号换向阀应采用ZS系列多路阀

流量160L/min 额定压力20MPa 

15号换向阀应采用ZS系列多路阀

流量40L/min 额定压力20MPa 

15、17号换向阀流量小于100L/min连接方式采用叠加阀。

13号换向阀流量在100~200L/min之间应采用常规板式阀。

（六） 油管类型的选择 

液压系统中使用的油管分硬管和软管，合适的油管应有足够的通流截面和承压能力，管路越短越好。

因为此处的油管不用在相对运动的工件之间，且工作压力25MP，故选择金属硬管即钢管，更加安全可靠。

钢管分为无缝钢管和焊接钢管，中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。

管接头的选择需要满足连接牢固、密封可靠，装配方便、工艺性好、外形尺大小、通油能力强等性能要求。

综上所述，查阅相关资料，液压系统压力为25MPa，选用的是无缝钢管，因此管接头选用卡套式管接头。

（七）油箱的选择    

油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中污物，逸出渗入油中的空气，有时它还兼作液压元件和阀块的安装平台。

其形式有开式和闭式两种：

开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面与大气隔绝。

开式油箱应用较多。

油箱容量计算

油箱的有效容量V可按下述经验公式确定，即：

V=mqp=4x240=960L

式中：

m为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7,中、高压或高压大功率系统时6～12；qp为液压泵的流量。

查表得爱用AB40-1型带支撑脚的矩形邮箱规格为1000，工作容积为1100L。

（八）过滤器的选择

在液压系统中，大多数故障时由于介质被污染而造成的，液压油中存在各种污染物，油液的污染能加速液压元件的磨损，卡死阀芯，堵塞工作间隙和小孔，腐蚀元件，元件表面划伤，寿命降低。

在适当的部位安装过滤器可以截留油液中不可溶的污染物，使油液保持清洁，保证液压系统的正常工作。

过滤器的选择应该满足有足够的过滤能力，能承受一定的工作压力，有足够的过滤精度，易于清洗和更换，足够长的的工作寿命等条件。

过滤器按过滤精度可分为四级：

粗过滤器d≥0.1mm

普通过滤器0.01mm≤d＜0.1mm

精过滤器0.005mm≤d＜0.01mm

特精过滤器0.001mm≤d＜0.005mm

过滤精度只要取决于系统的压力。

由相关表格确定系统压力大于21MPa，由表中得出选用精过滤器。

五、液压系统性能的验算

（一）管路系统压力损失的验算

当执行元件的工作压力确定以后，调整压力可由管路中的压力损失来进行计算。

但是为了尽早地评估系统的主要性能，避免后面的设计工作出现大的反复，在系统方案初步确定之后，通常用液流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行概略地估算，因为这部分损失是系统的主要损失。

本系统的阀类元件有单向阀、调速阀、电磁阀。

压力损失包括：

液压油流经管道的沿程压力损失△pλ、局部压力损失和

p△ζ,管路总的压力损失为ΣΔp，即：

计算沿程压力损失时，如果管中为层流流动，可按下经验公式计算：

式中：

q为通过管道的流量（0.004m3/s）；L为管道长度（2m）；d为管道内径（50mm）；υ为油液的运动粘度（1xm2）。

局部压力损失可按下式估算：

系统的调整压力：

p0≥p1+Δp

 式中：

p0为液压泵的工作压力或支路的调整压力（25MP）；p1为执行件的工作压力（16MP）。

（二）系统发热温升的验算

系统发热来源于系统内部的能量损失，压力损失、容积损失和机械损失所消耗的能量多数转化为热能。

系统发热使油温升高，油液的温升使粘度下降、油液变质泄漏增加，影响正常工作。

因此必须控制温升在允许范围内，如一般机床液压系统正常工作油温为25～30℃；数控机床低于25℃；粗加工机械、工程机械和机车车辆工作油温为35～40℃。

单位时间的发热量Ø（kW）为：

Ø=P1-P2

式中：

P1为系统的输入功率，P2为系统的输出功率。

若在一个工作循环中有几个工作阶段，则根据各阶段的发热量求出系统的平均发热量，即：

式中：

T为工作循环周期；i为工作阶段的序号；ti为各工作阶段的持续时间假设液压系统全部热量都是由油箱散发的。

油箱在单位时间内的散热量可按下

式计算：

 式中：

h为油箱的表面传热系数，当自然风冷却很差时h=（8～9）×10-3kW/（m2•℃），当自然冷却通风良好时h=15×10-3kW/（m2•℃）；用风扇冷却时h=23×10-3kW/（m2•℃），用循环水冷却时h=（110～170）×10-3kW/（m2•℃）；A为油箱的散热面积；ΔT为液压系统的温升。

当液压系统的散热量等于发热量时，系统达到了热平衡，这时系统的温升为：

油箱的散热面积为A=1.8（a+b）h+1.5ab=6.25

经计算ΔT=23℃，在允许的范围之内。

可见油箱满足散热要求。

不需要加设其他冷却装置。

（三）系统效率验算

液压系统的效率是由液压泵、执行元件和液压回路效率来确定的。

但由于系统比较简单，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量已选取较大值，系统发热温升也不是很大，故此系统的效率验算可以省略。

结论

在本次设计中，了解了液压系统的基本知识，并依靠对其了解，完成了对此液压尾座的设计。

通过这次设计，加深了对液压课程和液压油系统的了解。

作为一个接触液压专业不久的学生，个人能力和经验都有限，固在一些地方采用了一些经验数据，并不准确，还有待改进。

参考文献

[1]:

丁树模主编. 《液压传动》. 北京.机械工业出版社.1992.

[2]:

杨培元主编.《液压系统设计简明手册》. 北京.机械工业出版社.1991.

致谢

本课题在选题及研究过程中得到了指导老师的悉心指导。

从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程，指导老师帮助我开拓研究思路，并为我指点迷津，帮助我在确定论文思路、完成开题报告等方面有了很大的进步。

本论文的完成倾注了老师大量的心血。

在此，谨向指导老师表达我崇高的敬意和衷心的感谢。

 同时，还要感谢所有教过我和帮助过我的老师、同学和朋友们，感谢你们对我的帮助和支持。

 最后，向所有关心和帮助过我的人们致以衷心的感谢，谢谢!