单面多孔钻床液压系统课程设计.docx
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单面多孔钻床液压系统课程设计
液压课程设计任务书
（一）设计课题
设计一台卧式单面多轴钻孔机床的液压传动系统，有三个液压缸，分别完成钻削（快进、工进、快退）、夹紧工件（夹紧、松开）、工件定位（定位、拔销）。
其工作循环为：
定位夹紧快进工进快退原位停止→松开，如1图所示：
（二）原始数据
1.主轴数及孔径：
主轴6根，孔径Ø14mm;
2.总轴向切削阻力：
20000N
3.运动部件重量：
30000N
4.快进、快退速度：
6m/min;
5.工进速度：
0.02~~1.2m/min
6.行程长度：
250mm
7.导轨形式及摩擦系数：
平导轨，
8.加速、减速时间：
大于0.2秒
9.夹紧力：
4000N
10.夹紧时间：
1~2秒
11.夹紧液压缸行程长度：
16mm
（三）系统设计要求
1.夹紧后在工作中如突然停电时，要保证安全可靠，当主油路压力瞬时下降时，夹紧缸保持夹紧力；
2.快进转工进时要平稳可靠
3.钻削是速度平稳，不受外载干扰，孔钻透时不前冲
（四）最后提交内容（电子稿和打印稿各一份）
1.设计说明书各一份
2.系统原理图一份，含电磁铁动作顺序表，主要元件明细表
3.液压阀块二维CAD零件图（A3，比例1：
1或者1：
2）
4.液压阀块三位实体图
5.可选部分，包含液压阀块，阀块安装件的三维实体图
液压课程设计任务书···················································································I
1工况分析································································································1
1.1动作要求分析··················································································1
1.2设计要求及工况分析··············································································1
1.3负载图和速度图的绘制·········································································1
2液压系统方案设计····················································································2
2.1确定液压泵类型及调速方式·····································································2
2.2选用执行元件······················································································2
2.3快速运动回路和速度换接回路··································································2
2.4换向回路的选择···················································································2
2.5定位夹紧回路的选择·············································································2
2.6动作换接的控制方式选择·······································································2
2.7液压基本回路的组成·············································································3
3液压系统的参数计算···············································································4
3.1液压缸参数计算···················································································4
3.1.1初选液压缸的工作压力······································································4
3.1.2计算液压缸主要尺寸·········································································4
3.1.3确定夹紧缸的内径和活塞直径······························································6
3.1.4计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率·········································6
3.2确定液压泵的规格和电动机功率及型号························································7
3.2.1计算液压泵的压力············································································7
3.2.2．计算液压泵的流量···········································································7
3.2.3．选用液压泵规格和型号······································································7
4液压原件的选择·······················································································8
4.1液压阀及过滤器的选择·········································································8
4.2油管的选择·······················································································8
4.3油箱容积的确定···················································································8
5验算液压系统性能····················································································9
5.1压力损失的验算及泵压力的调整·······························································9
5.1.1工进时的压力损失验算和泵的压力调整···················································9
5.1.2快退时的压力损失验算······································································9
5.2液压系统的热和温升验算·····································································11
5.2.1系统发热量的计算··········································································11
5.2.2系统温升的验算·············································································11
6总结································································································12
7参考文献·····························································································12
1、工况分析
1.1动作要求分析
根据主机动作要求画出动作循环图如图1-1
图1-1动作循环图
1.2负载分析
负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。
因工作部件是卧式放置，重力的水平分力为零，这样需要考虑的力有：
切削力，导轨摩擦力和惯性力。
导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静压力为Ffs，动摩擦力为Ffd，则
Ffs=fsFN=0.2×30000N=60000N
Ffd=fdFN=0.1×30000N=3000N
而惯性力Fm=
N=1530.6N
如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦里的影响，并设液压缸的机械效率ηm=0.95，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表1-1
表1-1液压缸各运动阶段负载表
运动阶段
计算公式
总机械负载F/N
定位夹紧
━
4000
快
进
启动
F=Ffs/ηm
6315.8
加速
F=（Ffd+Fm）/ηm
4769.1
快进
F=Ffd/ηm
3157.9
工进
F=（Ft+Ffd）/ηm
24210.5
快退
F=Ffd/ηm
3157.9
1.3负载图和速度图的绘制
根据负载计算结果和已知的各个阶段的速度，由于行程是250mm，设定快进时的行程L1=200mm，工进时的行程L2=50mm。
可绘出负载图（F-l）和速度图（v-l），见图1-2a、b。
横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸退回时的曲线。
a）负载图图1-2负载速度图b）速度图
2、液压系统方案设计
2.1确定液压泵类型及调速方式
参考同类组合机床，由于快进、快退和工进速度相差比较大，为了减少功率损耗，采用限压式变量叶片泵供油、调速阀进油节流调速的开式回路，溢流阀作定压阀。
为防止钻孔钻通时滑台突然失去负载向前冲，回油路上设置背压阀，初定背压值Pb=0.8Mpa。
2.2选用执行元件
因系统动作循环要求正向快进和工作，反向快退，且快进、快退速度相等，因此选用单活塞杆液压缸，快进时差动连接，无杆腔面积A1等于有杆腔面积A2的两倍。
由于结构上的原因和为了有较大的有效工作面积，定位缸和夹紧缸也采用单杆活塞液压缸。
2.3快速运动回路和速度换接回路
根据运动方式和要求，采用差动连接快速运动回路来实现快速运动。
根据设计要求，速度换接要平稳可靠，另外是专业设备，所以可采用行程阀的速度换接回路。
若采用电磁阀的速度换接回路，调节行程比较方便，阀的安装也比较容易，但速度换接的平稳性较差。
2.4换向回路的选择
由速度图可知，快进时流量不大，运动部件的重量也较小，在换向方面无特殊要求，所以可选择电磁阀控制的换向回路。
为方便连接，选择三位五通电磁换向阀。
2.5定位夹紧回路的选择
按先定位后夹紧的要求，可选择单向顺序阀的顺序动作回路。
通常夹紧缸的工作压力低于进给缸的工作压力，并由同一液压泵供油，所以在夹紧回路中设减压阀减压，同时还需满足；夹紧时间可调，在进给回路压力下降时能保持夹紧力，所以要接入节流阀调速和单向阀保压。
换向阀可连接成断电夹击方式，也可以采用带定位的电磁换向阀，以免工作时突然断电松开。
2.6动作换接的控制方式选择
为了确保夹紧后才能进行切削，夹紧与进给的顺序动作应采用压力继电器控制。
当工作进给结束转为快退时，由于加工零件是通孔，位置精度不高，转换控制方式可采用行程开关控制。
2.7液压基本回路的组成
将已选择的液压回路，组成符合设计要求的液压系统并绘制液压系统原理图。
此原理图除应用了回路原有的原件外，又增加了液控顺序阀6和单向阀等，其目的是防止回路间干扰及连锁反映。
从原理图中进行简要分析：
1）工件定位夹紧：
（1）先定位
压力油→减压阀8→单向阀9→电磁换向阀10→定位缸18无杆腔
定位缸18有杆腔→电磁换向阀10→油箱
（2）再夹紧工件定位后，压力油压力升高到单向顺序阀开启的压力，单向顺序阀开启。
压力油→单向顺序阀11→单向调速阀12→夹紧缸17无杆腔
夹紧缸17有杆腔→电磁换向阀10→油箱
2）快进：
2YA通电，电磁换向阀3左位工作，由于系统压力低，液控顺序阀6关闭，液压缸有杆腔的回油只能经换向阀3、单向阀5和泵流量合流经单向行程调速阀4中的行程阀进入无杆腔而实现差动快进，显然不增加阀6，那么液压缸回油通过阀7回油箱而不能实现差动。
叶片泵1→单向阀2→电磁换向阀3→单向行程调速阀4→主液压缸19（差动连接）
3）工进：
4YA通电，切断差动油路。
快进行程到位，挡铁压下行程开关，切断快进油路，4YA通电，切断差动油路，快进转工进，系统压力升高，液控顺序阀6被打开，回油腔油液经液控顺序阀6和背压阀7流回油箱，此时，单向阀5关闭，将进、回油路隔开，使液压缸实现工进。
叶片泵1→单向阀2→电磁换向阀3→单向行程调速阀4→主液压缸19无杆腔
主液压缸19有杆腔→电磁换向阀3→液控顺序阀6→背压阀7→油箱
4）快退：
3YA通电，工进结束后，液压缸碰上死挡铁，压力升高到压力继电器调定压力，压力继电器发出信息，2YA断电，3YA、4YA通电。
叶片泵→单向阀4→电磁换向阀3→主液压缸有杆腔主液压缸无杆腔→单向行程阀4→电磁换向阀3→油箱
主液压缸无杆腔快退到位碰行程开关，行程开关发信息，下步工件拔销松夹。
5）拔销松夹：
1YA通电
液压油→减压阀8单向阀9→电磁阀10→定位缸18和夹紧缸17的有杆腔
定位缸18无杆腔→电磁阀10→油箱
夹紧缸16无杆腔→单向调速阀12的单向阀→单向顺序阀11的单向阀→电磁阀10→油箱工件松夹后发出信息，操作人员取出工件。
6）系统组成后，应合理安排几个测压点，这些测压点通过压力表开关与压力表相接，可分别观察各点的压力，用于检查和调试液压系统。
系统原理图如下
图2-1卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图
表2-1电磁铁动作顺序表
1Y
2Y
3Y
4Y
定位夹紧
-
-
-
-
快进
-
+
-
-
工进
-
+
-
+
快退
-
-
+
+
原位停止
+
+
-
-
拔销松开
+
-
-
-
3、液压系统的参数计算
3.1液压缸参数计算
3.1.1初选液压缸的工作压力
所设计的动力滑台在工进时负载最大，在其它工况负载都不太高，参考表3-1和表3-2，根据F=24210.5N初选液压缸的工作压力p1=4MPa。
3.1.2计算液压缸主要尺寸
鉴于动力滑台快进和快退速度相等，这里的液压缸可选用单活塞杆式差动液压缸（A1=2A2），快进时液压缸差动连接。
工进时为防止钻透时负载突然消失发生前冲现象，液压缸的回油腔应有背压，参考表3-3选此背压为p2=0.6Mpa。
表3-1按负载选择工作压力
负载/KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作压力/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2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
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
表3-3执行元件背压力
系统类型
背压力/MPa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2~0.5
回油路带调速阀的系统
0.4~0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5~1.5
用补油泵的闭式回路
0.8~1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2~3
回油路较短且直接回油
可忽略不计
由表1-1可知最大负载为工进阶段的负载F=24210.5N，按此计算A1则
A1=
=
=67.3cm2
液压缸直径D=
由A1=2A2可知活塞杆直径d=0.707D=0.707×9.26cm=6.54cm
按GB/T2348-1993将所计算的D与d值分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。
圆整后得D=10cmd=6.6cm
按标准直径算出
A1=
则液压缸的实际计算工作压力为：
则实际选取的工作压力P=4MPa满足要求。
按最低工作速度验算液压缸的最小稳定速度。
若验算后不能获得最小的稳定速度是，还需要响应加大液压缸的直径，直至满足稳定速度为止。
查产品样本，调速阀最小稳定流量
，因工进速度v=1.2m/min由课本式（8-11）
本例A1=127cm2>25cm2，满足最低速度要求。
3.1.3确定夹紧缸的内径和活塞直径
根据夹紧缸的夹紧力
=4000N，选夹紧缸工作压力
=1MPa可以认为回油压力为零，则夹紧缸的直径
根据表3-4取d/D=0.5则活塞杆直径
按GB/T2348-1993将所计算的D与d值分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。
圆整后得
D夹=8cmd夹=3.6cm
表3-4按工作压力选取d/D
工作压力/MPa
≤5.0
5.0~7.0
≥7.0
d/D
05~0.55.
0.62~0.70
0.7
3.1.4计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率
根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积，可以算出液压缸的工作过程各阶段的压力、流量和功率，在计算工进时的背压按
代人，快退时的背压按pb=5×105Pa代入计算公式和计算结果列于表3-5中
表3-5液压缸所需要的实际流量、压力和功率
工作循环
计算公式
负载F
进油压力
回油压力
Pb
所需流量
输入功率
N
Pa
Pa
KW
定位夹紧
4000
0
15.24
0.078
差动快进
3157.9
9.92
0.063
工作循环
计算公式
负载F
进油压力
回油压力
Pb
所需流量
输入功率
N
Pa
Pa
KW
工进
24210.5
15.24
0.553
快退
3157.9
5.32
0.190
注：
1.差动连接时，液压缸的回油口到进油口之间的压力损失
，而
2.快退时，液压缸有杆腔进油，压力为
，无杆腔回油，液压为
3.2确定液压泵的规格和电动机功率及型号
3.2.1．计算液压泵的压力
由表3-5可知工进阶段液压缸的工作压缸工作压力最大，若取进油路总压力损
，压力继电器可靠动作需要压力差为
，则液压泵最高工作压力可按课本式（8-5）算出
因此泵的额定压力可取
3.2.2．计算液压泵的流量
液压泵的最大流量q泵应为
q泵>K（∑q）max
式中：
（∑q）max----同时动作各液压缸所需流量之和的最大值
K----系统的泄露系数，一般取K=1.1～1.3，现取K=1.2。
由表2-6可知快退时液压缸所需的最大流量是16.2L/min由于各阶段为分时工作，所以
（∑q）max=16.2L/min
q泵=K（∑q）max=1.2×16.2L/min=19.44L/min
3.2.3．选用液压泵规格和型号
根据P额、q泵值查阅有关手册，选用YBX-20型限压式变量叶片泵。
该泵的基本参数为：
排量0-20L/min,额定压力P额=6.3MPa,电动机转速范围0-1450r/min,容积效率ηc=0.9,总效率η=0.7
3.2.4．确定电动机功率及型号
由表2-6可知，液压缸最大输入功率在快退阶段，可按此阶段估算电动机功率，由于表中压力值不包括由泵到液压缸这段管路的压力损失，在快退时这段管路的压力损失若取△P=0.5MPa,液压泵总效率η=0.7，则电机功率P电为：
查阅电动机样本，选用Y90S-4电动机，其额定功率为1.1KW，额定转速为1500r/min.
4、液压原件的选择
4.1液压阀及过滤器的选择
根据液压阀在液压系统中的最高工作压力与通过该阀的最高流量，可选出这些元件的型号及规格，本题中所有阀的额定压力都为
，额定流量根据各阀通过的流量，确定为
三种规格，所有元件的规格型号列于表4中，过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器，表中序号与系统原理图中的序号一致。
表4-1液压元件明细表
序号
元件名称
最大通过流量/
型号
1
限压式变量叶片泵
20
YBX-20
2
单向阀
20
I-25B
3
三位五通电磁阀
40
35D1-63BY
4
单向行程调速阀
40
UCF1G-03
5
单向阀
20
I-25B
6
液控顺序阀
0.16
XY-25B
7
背压阀
0.16
B-10B
8
减压阀
20
JF3-C10B
9
单向阀
20
I-10B
10
二位四通电磁换向阀
20
24D1-63BH
11
单向顺序阀阀
20
AXF3-C-B
12
单向调速阀
20
MK-10G
13
压力继电器
DP1-63B
14
溢流阀
20
Y-25B
15
过滤器
40
XU-B40×100
16
压力开关表
K-6B
20
电机
Y90S-4
4.2油管的选择
根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸。
液压缸的进出油管按输入、输出的最大流量来计算。
由于本系统液压缸差动连接快件快退时，油管内通油量最大，其实际流量为泵的额定流量的两倍达32L/min，则液压缸进、出油管直径d按产品样本，选用内径为15mm，外径为19mm的10号冷拔钢管。
4.3油箱容积的确定
中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的5～7倍，本题取7本倍，故油箱容积为
5验算液压系统性能
5.1压力损失的验算及泵压力的调整
由于定位、夹紧回路在夹紧后的流量几乎为零，所以管路系统的压力损失主要应在工作台液压缸回路中进行计算。
5.1.1工进时的压力损失验算和泵的压力调整
工进时管路中的流量仅为
因此流速很小，所以沿程压力损失和局部压力损失都非常小，可以忽略不计，这时进油路
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