专用铣床液压系统课程设计.docx
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专用铣床液压系统课程设计
湖北文理学院
系别
专业
班级
姓名
一、设计题目…………………………………………………………………………3
二、工况分析…………………………………………………………………………4
2.1负载分析……………………………………………………………………4
2.2运动分析……………………………………………………………………5
三、确定液压缸参数…………………………………………………………………7
3.1初选液压缸的工作压力………………………………………………………7
3.2确定液压缸尺寸………………………………………………………………7
3.3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率计算值………………………8
3.4绘制液压缸工况图…………………………………………………………9
四、拟定液压系统图………………………………………………………………10
4.1选择液压回路………………………………………………………………10
4.1.1调速回路………………………………………………………………10
4.1.2换向回路和卸荷回路…………………………………………………10
4.1.3快速运动回路…………………………………………………………11
4.1.4压力控制回路…………………………………………………………12
4.2液压系统合成……………………………………………………………13
五、选择液压元件…………………………………………………………………14
5.1选择液压泵和驱动电机……………………………………………………14
5.2选择控制元件………………………………………………………………15
5.3选用辅助元件……………………………………………………………15
六、液压系统性能验算……………………………………………………………17
6.1回路中压力损失……………………………………………………………17
6.1.1工进时压力损失…………………………………………………………17
6.1.2快退时压力损失…………………………………………………………18
6.2确定液压泵工作压力…………………………………………………………19
6.3液压系统的效率……………………………………………………………19
6.4液压系统的发热温升验算……………………………………………………19
七参考文献………………………………………………………………………20
八结论……………………………………………………………………20
一设计题目
设计一台专用铣床，工作台要求完成快进－－工作进给－－快退－－停止的自动工作循环。
铣床工作台重量4000N，工件夹具重量为1500N，铣削阻力最大为9000N，工作台快进、快退速度为4.5m／min，工作进给速度为0.06～1m／min，往复运动加、减速时间为0.05s工作采用平导轨，静、动摩擦分别为fs＝0.2，fd＝0.1，工作台快进行程为0.3m。
工进行程为0.1m，试设计该机床的液压系统。
参数
铣削阻力最大为F（N）
铣床工作台G1（N）
工件夹具重量为G2
（N）
工作台进给速度为V1
（m/min）
工作台快进、快退速度V2（m/min）
工作台快进行程S1
（mm）
工进行程为S2
（mm）
往复运动加减时间
t（s）
9000
4000
1500
0.06～1m／min
4.5
0.3
0.1
0.05
二工况分析
2.1负载分析根据给定条件，先计算工作台运动中惯性力
，工作台与导轨的动摩擦阻力
和静摩擦阻力
=
△V/g△V=（4000+1500）×4.5/9.8×60×0.05=842
=
（
+
）=0.1×（4000+1500）=550
=
（
+
）=0.2×（4000+1500）=1100
其中已知铣削最大阻力为
=9000N
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
），工作台的液压缸在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
（N）
起动
1100
1222
加速
1392
1547
快进
550
611
工进
9500
10556
反向起动
550
611
反向加速
1942
2158
快退
550
611
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0.09m/s，其行程分别为500mm和800mm，工进速度为0.0117m/s，工进行程300mm，绘出速度循环图如图2-2所示。
图2-2速度循环图
三确定液压缸的参数
3.1初选液压缸的工作压力
根据液压缸最大推力为12789N（表2-1）,按表11-2（书）的推荐值，初选工作压力为
Pa.
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
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
Pa，快退时回油路压力损失亦取
Pa。
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
Pa,选取背压
Pa。
快退时回油腔中是背压的，这是
可以按0.6
根据
可求出液压缸大腔面积
为
根据GB2348-80圆整成就近的标准值，得D=80mm，液压缸活塞杆直径
，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
3.3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值
表3-1各阶段的压力、流量和功率的计算值
工况
推力
F0/N
回油腔压力
p2/MPa
进油腔压力
p1/MPa
输入流量
输入功率
P/KW
计算公式
快进
起动
1222
0
0.711
——
——
加速
1056
p1+Δp
（
=0.5MPa）
0.64
——
——
恒速
611
0.52
16.56
0.135
工进
12789
0.8
2.88
3.51
0.168
快退
启动
1133
0
2.07
——
——
加速
920
0.6
1.96
——
——
恒速
567
1.78
11.04
0.328
3.4绘制液压缸工况图
根据表3-1计算结果，绘制液压缸的工况图，如图3-2所示
图3-2液压缸的工况图
四拟定液压系统图
4.1选择液压回路
4.1.1调速回路
由工况图3-2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。
为防止铣削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，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。
（a）（A）
图4-1调速回路
4.1.2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
4.1.3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。
（a）（b）
（a-b）
图4-2快速和换向回路
4.1.4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，选用如图4-3b所示。
（a）（b）
图4-3压力
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。
图4-2液压系统合成
1-变量叶片泵2-三维五通电磁阀3-单向阀（4个）
4-溢流阀5-调速阀6-行程阀7-背压阀8-压电继电器
9-过滤器10液空顺序阀11-节流阀12液压缸
五选择液压元件
5.1选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
，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
，压力续电器压力高出系统最大工作压力之比为0.5MPa故液压泵工作压力为：
。
根据
、
和已选定的单向定量泵型式，查手册书
（二）选用
型定量叶片泵。
该泵额定排量为14.4mL/rev,额定转速1500r/min，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
为：
（W）
查电工手册选取Y2-100L-6的三相异步电动机
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选择各种阀件的规格
序号
元件名称
最大通流量/（L/min）
型号规格
1
定量叶片泵
21
2
溢流阀
21
Y—10B
3
三位四通电磁阀
21
34D—10B
4
单向调速阀
21
QI—10B
5
二位三通电磁阀
21
23D—10B
6
单向阀
21
I—10B
7
过滤器
21
XU—B
5.3选用辅助元件
油管：
各元件连接管道的规格按元件接口处尺寸决定，液压缸进，出油管则按输入排量的最大流量计算，由于液压泵具体选定之后，液压缸在实际快进、工进和快退运动阶段的运动速度、时间以及进入和流出液压缸的流量，与原定数值不同，重新计算的结果如表5.2所列
表5.2各液压缸的进、出流量和运动速度
流量、速度
快进
工进
快退
输入流量
/
排出流量
/
运动速度/
表3中数据说明液压缸快进快退速度与设计要求相近，这表明所选液压泵型号，规格是适合的。
根据表3数值，当油液在压力管中速度取
=3m/s，由式
计算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为
为了统一规格，按产品样本（GB/T8163）选取所有管子均为内径Φ15mm、外径Φ18mm的无缝钢管。
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，进出液压缸无杆腔的流量，在快退和差动工况时为
，所以管道流量
按
计算。
油箱容量：
由下式计算有效容积V，取系数K=5，Q=21L/min,则有
根据书中标准，可取油箱的容积V=150L，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。
六液压系统性能验算
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=15mm,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
，在此设计中主要验算工进和快退工况时的压力损失。
6.1.1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
故为层流。
管路沿层压力损失：
取管道局部损失
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5-1
（Pa）
工进时进油路总压力损失：
工进时回油路压力损失：
因回油管路流量
为
液流状态经判断为层流（
，于是沿程压力损失：
局部压力损失：
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
工进时回油路总压力损失
将回油路中压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
6.1.2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，回油路压力损失为：
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
快退时进油路总压力损失：
快退时回油路中压力损失：
由于
则有
回油路总压力损失：
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：
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
液压泵工作压力
快退时，负载压力：
液压泵的工作压力：
根据
，则溢流阀调整压力取
。
6.3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
，则液压缸的输出功率为
液压泵的输出功率：
工进时液压回路效率：
液压系统效率
取液压泵效率
，液压缸效率取
，于是
6.4液压系统的发热温升验算
液压系统总发热功率计算
液压泵输入功率：
液压缸有效功率：
系统总发热功率：
（6-27）
油箱散热面积：
油液温升：
，取
，则
（℃）
温升没有超出允许的范围，液压系统中不需要设置冷却器。
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.
结论
经过对专用铣床机床的液压系统的设计，上述设计结果可以实现该课题所给的要求，即组合机床在铣削加工零件时需要的动作循环。
液压传动课程的设计，使我对液压系统有进一步的认识，进一步掌握了液压元件的工作原理和在所设计液压系统时对液压元件的选用。
我在设计过程中，切身体会设计的艰辛，但是，使我对其它所学课程得到了知识加深和巩固。
对该专用铣床机床的液压系统优点的分析：
1）传动平稳在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。
油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上。
2）质量轻体积小液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。
例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。
3）承载能力大液压传动易于获得很大的力和转矩。
4）容易实现无级调速在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大，可达2000：
1，很容易获得极低的速度。
5）易于实现过载保护液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。
6）液压元件能够自动润滑由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。
7）容易实现复杂的动作采用液压传动能获得各种复杂的机械动作。
8）简化机构采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。
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