液压课程设计指导书A3双面装订.docx
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液压课程设计指导书A3双面装订
《液压与气动》课程设计任务书
（适用班级 机制101班）
班级：
学号：
姓名：
一、课程设计任务
图1铣床工作台动力分析简图
设计一台如图1所示的专用铣床动力滑台的液压传动系统。
本次课程设计要求学生独立完成以下任务：
1．设计所需的液压系统，绘制出系统传动回路图（A4纸）；
2．设计液压工作缸部件结构，绘制出液压缸部件结构简图并加以简述（A2或A1纸）。
3．图纸用Auto-CAD绘制。
4．将指导书上的图表填写完整。
二、设计给定条件
专用铣床铣头驱动电动机的功率P=7.5kW，铣刀直径D=120mm，主轴转速n=350r/min，工作台的最大重量m1=400kg，工件与夹具的最大重量m2=150kg，工作台行程Lz=400mm（快进行程Lk=300mm，工进行程Lg=100mm），快进速度和快退速度均为vk=4.5m/min，工进速度vg=60~1000mm/min，动力滑台往复运动的加速（减速）时间t=0.05s，工作台采用平导轨，其导轨静摩擦系数us=0.2，动摩擦系数ud=0.1，液压缸机械效率ηm=0.9。
各组参数：
组号
m1（kg）
m2（kg）
Lz（mm）
vk（m/min）
vg（m/min）
1
400
150
400
4.5
60~1000
2
400
100
400
4
60~1000
3
400
200
400
4.5
60~1000
4
400
250
400
3.5
60~1000
5
400
220
400
3.8
60~1000
6
200
150
400
4.5
60~1000
7
300
100
400
4
60~1000
8
300
200
400
4.5
60~1000
9
300
250
400
3.5
60~1000
10
200
220
400
3.8
60~1000
三、液压传动设计流程
1．动力分析
铣床工作台液压缸在快进阶段启动时的外负载是导轨静摩擦阻力，加速时的外负载是导轨动摩擦阻力和惯性力，恒速时是动摩擦阻力；在快退阶段的外负载是动摩擦阻力；由图1可知，铣床工作台液压缸在工进阶段的外负载是工作负载，即刀具铣削力及动摩擦阻力。
（1）静摩擦负载
（2）动摩擦负载
（3）惯性负载
（4）工作负载（铣削力）
注：
T为负载转矩
已知负载力和液压缸的机械效率，可计算出液压缸在各动作阶段中的负载情况。
表1 液压缸在各动作阶段中的负载情况
工况
计算公式
液压缸负载F（N）
液压缸推力F/ηm（N）
快进
启动
F=Ffs
加速
F=Ffd+Fi
恒速
F=Ffd
工进
F=Fe+Ffd
快退
启动
F=Ffs
加速
F=Ffd+Fi
恒速
F=Ffd
2．运动分析
根据工况负载和已知速度v及行程L，可绘制出负载图（F-L）和速度循环图（v-L），并将计算的数值标注在图上。
图2液压缸的F-L图图3液压缸的v-L图
3．初步确定液压缸的参数
（1）初选液压缸的工作压力 按表2各类液压设备常用工作压力初步选取。
表2 各类液压设备常用工作压力
液压设备类型
精加工机床
半精加工机床
粗加工或重型机床
农业机械、小型工程机械
工作压力（MPa）
0.8~2
3~5
5~10
10~16
该铣床为半精加工机床，因此，初选p1=
（2）液压缸的受力分析
通常，液压缸以无杆腔作为主工作腔，即活塞杆受压工作，如图4所示：
图4液压缸主要设计参数
其受力满足公式
（3）背压和压力损失
由于铣床有顺铣和逆铣之分，顺铣时油缸会承受负载，所以建议工进时采用回油节流调速回路，回油路上有节流阀或调速阀，取背压p2=0.8MPa；且当液压缸工作时，回油管路另外有压力损失Δp=0.5MPa。
（4）活塞直径和活塞杆直径
活塞面积
运用上式式确定缸的尺寸时，需事先确定A1和A2的关系或活塞杆径d与活塞直径D的关系。
杆径比Φ=d／D可按压力和活塞退回伸出速比λ=v2／vl选取，见表3和表4。
表3按压力选取Φ=d／D
表4活塞退回伸出速比λ确定Φ=d／D
液压缸采用差动连接时，v1／v2=（D2一d2）／d2，如果要求进退速比相同时，应取A2=A1／2，即
从满足最大推力出发，可算得
液压缸无杆腔面积为 A1=
＝
液压缸筒内径计算D=
＝
计算出内径尺寸并圆整后，按表5选取液压缸内径尺寸标准值
D=
表5缸的内径和活塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）单位：
mm
活塞杆直径为
d=0.707D=
根据表5，将活塞杆直径圆整为
d=
由此求得液压缸的实际有效面积：
无杆腔有效作用面积A1=
＝
有杆腔有效作用面积A2=
（D2－d2）＝
A=A1－A2=
（5）缸筒长度
液压缸筒长度的确定 缸筒长度由活塞行程加上各种结构需要来确定，行程长度按表6推荐的尺寸选取。
表6 液压缸活塞行程系列（GB2349－80） （单位：
mm）
25
50
80
100
125
160
200
250
280
320
（360）
400
（450）
500
（550）
630
（700）
800
（900）
1000
（1100）
1250
（1400）
1600
（6）液压缸压力计算
①快进阶段的液压缸压力
启动时
加速时
恒速时
②工进阶段的液压缸压力
③快退阶段的液压缸压力
启动时
加速时
恒速时
（7）液压缸流量计算
①快进（恒速时）阶段流量
q=Avk=
②工进阶段流量
qmax=A1vgmax=
qmin=A1vgmin=
③快退阶段的流量
q=A2vk=
（8）液压缸功率
①快进（恒速时）阶段功率
P=p1q=
②工进阶段功率
P=p1q=
③快退阶段功率
P=p1q=
由上述填写液压缸工况图：
图6液压缸的P-L图图7液压缸的q-L图图8液压缸的P-L图
4．拟定液压系统图
（1）选择液压基本回路
通过对工况图的分析，确定供油源的形式。
对于流量和压力都较小的液压系统，可选用定量泵和溢流阀组成的供油源。
进一步分析机床设备工作状况，确定基本回路，图8~图12推荐了5种液压基本回路片断。
图9液压油源图10调速回路图11换向回路
图12差动回路图13辅助回路
（2）组成系统图 液压系统设计时要考虑到铣床在工进和快速移动时的速度和工作压力的不同，在进、出油路上选用不同的调速方式。
5．画出液压缸的简图
参见附录：
液压缸结构图（有尺寸照尺寸画，没有尺寸则按比例画）
4．拟定液压系统图
（1）选择液压基本回路
通过对工况图的分析，确定供油源的形式。
对于流量和压力都较小的液压系统，可选用定量泵和溢流阀组成的供油源。
进一步分析机床设备工作状况，确定基本回路，图4推荐了4种液压基本回路片断。
（2）组成系统图 液压系统设计时要考虑到铣床在工进和快速移动时的速度和工作压力的不同，在进、出油路上选用不同的调速方式。
（参见图5液压系统设计举例）。
5．选择液压元件
（1）确定液压泵容量及电动机功率
1）液压泵的工作压力与流量计算 已知进油路
的压力损失Δp=3×105Pa，回路泄漏系数K=1.1，则
液压泵的最高工作压力和流量为：
pB=p1+ΣΔp＝
QB=KQmax＝
根据上述计算查阅液压泵的产品目录，选用适合系
统需要的液压泵。
2）确定驱动电动机的功率 根据工况图中最大功
率可能出现的工作阶段，取液压泵的总效率为η=0.75，
则电动机功率为：
P=
＝
根据计算结果，查阅产品目录，选取电动机。
（2）控制阀的选择 根据液压泵的工作压力和各阀
图14 液压系统设计举例
的实际流量，选取相关元件规格。
（3）确定油管直径
进出无杆腔的油管：
在快进和快退时，进入
液压缸无杆腔的流量为最大，所以管道流量应该按所选用液压泵流量的两倍2QB计算。
油管内径为：
D=
＝
上式中Q为通过油管的流量（m3/s）。
v为通过油管的流速（m/s）。
压油管取v≤2.5~5m/s，一般取3m/s；吸油管取v≤0.6~1.5m/s，一般取1m/s。
计算出来的油管内径应被圆整成为标准值。
确定油管尺寸应与选定的液压元件接口处的尺寸一致。
表7 各相关液压元件的规格
序号
元件名称
最大通流量（L/min）
型号规格
1
定量叶片泵
2
溢流阀
3
三位四通电磁阀
4
单向调速阀
5
二位三通电磁阀
6
单向阀
7
过滤器
（4）确定油箱容量 粗略计算油箱有效容积时，
一般可ξ取5~7倍。
油箱总容积一般为有效容积的1.25倍左右。
对计算的油箱容积尺寸进行圆整，按GB2876－81规定，取最靠近的标准值。
6．液压系统的性能估算
（1）压力损失 通过对工况图的分析可知，计算液压系统的压力损失时，只需计算工进和快退工况时的压力损失。
在液压装置未设计好之前，管道长度不能断定，鉴于所设计的液压系统是用于固定的机床设备，管道长度按2米估算。
油液的运动粘度取ν=1.5cm2/s。
1）工进时压力损失
①工进时进油路的总压力损失：
ΣΔp1=Δp沿+Δp局+ΣΔp
沿程损失：
Δp沿=λ
式中沿程损失系数λ与油液的流动状态有关，对光滑金属管内层流液体，取λ=75/Re，雷诺数Re=vd/ν=4Q/（ν·πd），若小于2320，为层流液体。
局部损失：
在尚未确定管道结构的情况下，进油管路的局部损失按下式估计：
Δp局=0.1Δp沿＝
进油路上各种阀类的压力损失ΣΔp阀为各阀压力损失之和，各阀的额定压力损失查手册，参见表8。
表8 几种类型液压阀的额定压力损失
元件名称
三位四通电磁阀
二位三通电磁阀
调速阀
滤油器
单向阀
额定压力损失
0.25MPa
0.1MPa
0.6MPa
0.02MPa
0.2MPa
ΣΔp阀＝
则ΣΔp1=Δp沿+Δp局+ΣΔp阀＝
②工进时回油路的总压力损失为：
ΣΔp2=Δp回沿+Δp回局+ΣΔp回阀
将回油路上的压力损失折算到进油路上，就可求出工进时回路上的整个压力损失为：
Δp1=ΣΔp1+ΣΔp2
2）快退时进油路的压力损失
1快退时进油路的压力损失计算参见工进时进油路的压力损失计算。
ΣΔp1=Δp沿+Δp局+ΣΔp＝
2快退时回油路的压力损失计算参见工进时回油路的压力损失计算。
ΣΔp2=Δp回沿+Δp回局+ΣΔp回阀＝
将快退时回油路上的压力损失折算到进油路上，可求出快退时回路上的整个压力损失。
Δp1=ΣΔp1+ΣΔp2
＝
（2）液压泵的工作压力
工进时，pB≥
+Δp1＝
快退时，pB≥
+Δp1＝
计算出在工进和快退两个时间段中较大的那个工作压力，以确定系统溢流阀的调整压力py值，满足系统安全工作的需要。
Py=
（3）液压系统的效率 η=ηB·ηG·ηC
液压泵的效率ηB=0.75，液压缸的机械效率ηG=0.9，回路的效率为：
ηC=
＝
式中 p1=Δp1+
=
工进速度为1mm/min时，ηC1＝
工进速度为60mm/min时，ηC2＝
计算液压系统的效率为：
η=ηB·ηG（ηC1~ηC2）=η1~η2＝
（4）液压系统的发热与温升 通过分析工况图可知，系统的发热与温升主要发生在工进工况条件下，只需对这一阶段的发热与温升进行验算。
定量泵的输入功率为：
P入=
＝
当系统效率下降或较低时，往往有大量输入功率消耗于系统的发热，所以，对系统发热量的计算主要是对较低效率工况条件下系统工作情况的计算。
假设系统在不同工进速度工况条件下的回路效率分别为ηC1和ηC2，且ηC1＞ηC2，对应的液压系统的效率为η1和η2，则系统发热量的计算为：
H=Pλ（1－η1）＝
当自然通风条件较好时，取散热系数K=15×10－3kW/m2·℃；当油箱三个边的结构尺寸比例为1：
1：
1~1：
2：
3，而油面高度为油箱高度的80%时，
油箱散热面积：
A=0.065
＝（m2）
V为油箱的有效容积（L），油液温升的近似值为：
ΔT=
＝
计算所得的温升ΔT加上环境温度不应超过油液的最高允许温度，应使油温保持在允许范围内：
一般要求不低于30℃，不高于50~55℃，最高不应超过65℃。
在此范围内，则认为系统达到热平衡时的温升在合理范围内，油箱的散热面积足够，是合理的。
七、课程设计计算说明书的编写
课程设计计算说明书是针对具体设计任务，进行液压系统设计完毕后提交的技术文档，其内容应包括前言、目录、设计任务、设计过程、设计结果（包括设计的回路图、回路原理说明、设计参数等）、感想、参考文献、致谢。
设计过程部分可按照本指导书和任务书中推荐的步骤和方法完成分析计算任务，应阐明对液压系统的设计要求和自己对该系统的设计思想和意图，在明确了设计要求和加深了对设计任务理解的基础上，选定执行元件，确定其种类、数量及各执行元件的工作顺序；分析各执行元件的负载、速度随时间的变化规律，绘制负载图和速度图，这些是设计液压系统的基本依据。
其中图纸的绘制、零部件的选用和标注应符合国家标准的有关规定。
如若需要应对此系统的安装及调试写出具体说明要求。
附录.：
液压缸结构图
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