《液压与气动技术》课程设计.docx

1、液压与气动技术课程设计中央广播电视大学开放教育新疆广播电视大学本科课程设计液压与气动技术题 目：卧式钻孔组合机床液压系统设计专 业：机械设计及其自动化年 级： 2014 春本科学 号： 1465001200723姓 名：宋超指导老师：徐昌辉1摘 要液压系统的作用为通过改变压强增大作用力。 一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。一个液压系统的好坏取决于系统设计的合理性、 系统元件性能的的优劣， 系统的污染防护和处理， 而最后一点尤为重要。 近年来我国国内液压技术有很大的提高， 不再单纯地使用国外的液压技术进行加工。一个液压系统的好坏不仅取决于

2、系统设计的合理性和系统元件性能的的优劣，还因系统的污染防护和处理， 系统的污染直接影响液压系统工作的可靠性和元件的使用寿命，据统计，国内外的的液压系统故障大约有 70%是由于污染引起的。目前我国液压技术缺少技术交流， 液压产品大部分都是用国外的液压技术加工回来的，近几年国内液压技术有很大的提高， 如派瑞克、 威明德液压等公司都有很强的实力。关键词： 液压缸 , 组合机床 , 液压系统 , 工作循环。2目录1题目53工况分析54拟定液压系统原理图64.1确定供油方式64.2调速方式的选择64.3速度换接方式的选择65液压系统的计算和选择液压元件75.1液压缸主要尺寸的确定75.1.1 工作压力

3、P 的确定 75.1.2 计算液压缸内径 D和活塞杆直径 d 75.1.3 计算在各工作阶段液压缸所需的流量 85.2 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格 85.2.1 泵的工作压力的确定 85.2.2 泵的流量确定 85.2.3 选择液压泵的规格 95.2.4 与液压泵匹配的电动机的选定 95.3液压阀的选择105.4确定管道尺寸105.5液压油箱容积的确定 106 液压系统的验算106.1压力损失的验算 1036.1.1 工作进给时进油路压力损失 106.1.2 工作进给时回油路的压力损失 116.1.3 变量泵出口处的压力 Pp 116.1.4 快进时的压力损失 116.2 系统温升的

4、验算 127 液压缸的设计 127.1 液压缸工作压力的确定 127.2 液压缸的内径 D和活塞杆 d 前面已经计算 137.3 液压缸的壁厚和外径的计算 137.4 缸盖厚度的确定 138 参考文献 1441.设计题目 ：卧式钻孔组合机床液压系统设计2.技术参数和设计要求设计一台卧式钻孔组合机床的液压系统，要求完成如下工作循环：快进 工进 快退 停止。机床的切削力为 2 104N，工作部件的重量为 7.8103N，快进与快退速度均为 6 m/min ，工进速度为 0.05 m/min，快进行程为 100 mm，工进行程为 50 mm，加速、减速时间要求不大于 0.2 s，采用平导轨，静摩擦系

5、数为 0.2，动摩擦系数为 0.1。设计该组合机床的液压传动系统。3.工况分析根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图速度循环图然后计算各阶段的外负载并绘制负载图，如图液压缸所受外负载 F 包括三种类型，即F = Fw + Ff + Fm式中： Fw 工作负载；Fm 运动部件速度变化时的惯性负载；Ff 导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨Ff 可由下式求得：Ff = f (G - Ffn )G 运动部件重力； Fn 垂直于导轨的工作负载； f 导轨摩擦系5数于是可得：Ffs = 0.27.8103 =1560NFfd = 0.17.8103=780N上式中，

6、 Ffs 为静摩擦阻力， Ffd 为动摩擦阻力。Fm = G v/(g. t)式中： g 重力加速度； t 加速或减速时间； v t 时间内的进度变化量在本例中3Fm = 7.8 10 6/(9.80.260) = 398N根据上述计算结果，列出各工作阶段所受外负载工作循环外负载 F(N)工作循环外负载 F(N)启动、加速F=Ffs+Fm1928工进F=Ffd+Fw20780快进F=Ffd780快退F=Ffd7804拟定液压系统原理图4.1 确定供油方式考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低，而在快进、快退时负载较小，速度较高，从节省能量，减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油，

7、现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。4.2 调速方式的选择在中小型专业机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据钻孔类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。 这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点， 并且调速阀装在回油路上， 具有承受负切削力的能力。4.3 速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便、阀的安装也较简单， 但速度换接的平稳性较差。 若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。6原理图如 A3 图纸所示：5.液压系统的计算和选

8、择液压元件5.1 液压缸主要尺寸的确定5.1.1 工作压力 P 的确定工作压力 P 可根据负载大小及机器的类型来初步确定， 现参阅指导书表 2-1 取液压缸的工作压力为 3-5Mpa，本系统取液压缸的工作压力为 4.5Mpa.5.1.2 计算液压缸内径 D 和活塞杆直径 d由负载图知最大负载 F 为 23089N，按指导书表 2-2 执行元件背压的估算值：可取 p 为 0.6MPa， cm 为 0.9，考虑到快进、快退速度相等，取 d/D 为 0.7。将上述数据代入公式可得：A=F/ cm(P-p/2). D=(4A/3.14) 1/2D =0.088(m)圆整为标准值 100mm.根据指导书

9、表 2-4 液压缸内径尺寸系列（ GB2348-80），将液压缸内径圆整为标准系列直径 D=100mm，活塞杆直径 d，按 d/D=0.7 及指导书表 2-5 活塞杆直径尺寸系列（ GB2348-80）活塞杆直径系列取 d=70mm。差动连接时，由于管路中存在压力损失，取 p=0.5MPa 。按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度，可得：A Qmin / V min =0.05 1000/5=10(cm2)式中： Qmin 是由产品样本查得 GE 系列调速阀 Q-6B 的最小稳定流量为0.05L/min 。有杆腔： A= (D2-d2)/4=3.14(102-72)/4 = 40(cm2)无杆

10、腔： A= D2/4=78.5(cm2)可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。根据上述有杆腔与无杆腔的值，可计算得到液压缸工作循环中各阶段的压力，流量和工作值。如下表所示：回油工作循 计算公 进油腔 输入流 输入功F/N 腔压环 式 压力 量 率力7启动16420.95快进加速1240130.84恒速8211.20.7323.08280工进218730.63.10.39320启动16421.78快速加速12400.71.68恒速8210.71.624.026805.1.3 计算在各工作阶段液压缸所需的流量2 2Q(快进 ) = d V( 快进 )/4 =(0.07) 6/4 = 23.0

11、8(L/min)2 22 2 2 2Q(快退 ) = (D -d )V( 快退 )/4 =(0.1 -0.07 )6/4= 24.02(L/min)5.2 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格5.2.1 泵的工作压力的确定考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为Pp = P1 + p式中： Pp 液压泵最大工作压力；P1 执行元件最大工作压力；p 进油管路中的压力损失，初算是简单系统可取0.20.5MPa，复杂系统可取 0.51.5MPa。本题中取 0.5MPa。因此 Pp = P1 + p = 4.5+0.5 = 5(MPa)上述计算所得的 Pp 是系统的静态压力，考虑到

12、系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。 另外考虑到一定的压力贮备量， 并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力 Pa 应满足 Pa (1.251.6)Pp。中低压系统取小值，高压系统取大值。在本题中 Pa = 1.3Pp，Pp =5MPa。5.2.2 泵的流量确定液压泵的最大流量应为Qp K L(Q)max式中： Q 液压泵的最大流量；KL 系统泄露系数，一般取 1.11.3，现取 K L = 1.2。8因此 Qp = KL(Q)max = 1.224.02= 28.82(L/min)5.2.3 选择液压泵的规格根据以上算得的 Pp 和 Qp，查阅有关手册， 现选用 YB1-2.5

13、/32 双联叶片泵，该泵的基本参数为：泵的额定压力 P0 = 6.3MPa，电动机转速 n0 = 1450r/min，总效率 = 0.72。5.2.4 与液压泵匹配的电动机的选定首先分别算出快进与工进两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。 由于在慢进时泵输出的流量减小， 泵的效率急剧降低， 一般当流量在 0.21L/min 范围内时，可取 = 0.030.14。同时还应注意到， 为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转， 需进行验算，即Pb = Qp/Pd式中： Pd 所选电动机额定功率；Pb 限压式变量泵的限定压力；Qp 压力为 Pb 时，泵的输出

14、流量。首先计算快进时的功率，快进时的外负载为 780N，进油路的压力损失定为0.3MPa，由公式可得：2 -6Pb = 780/( 0.07 /4) 10 +0.3 =0.50MPa快进时所需电机功率为：P = PbQp/= 0.5023.08/(600.72) = 0.267(kW)工进时：Pb=23089/( 0.12/4) 10-6+0.3 = 1.81(MPa)工进时所需电机功率为：P = PbQp/= 1.810.393/(600.72) = 0.307(kW)查阅电动机产品样本，选用 Y90S 4 型电动机，其额定功率为 1.1kW ，额定转速为 1400r/min。根据产品样本可

15、查得 YBX 25 的流量压力特性曲线。 再由已知的快进时流量为 23.08L/min ，工进时的流量为 0.393L/min ，压力为 4.5MPa，作出泵的实际工作时的流量压力特性曲线，如图 3-1 所示，查得该曲线拐点处的流量为30L/min ，压力为 3MPa。所选电动机功率满足要求，拐点处能正常工作。 .9图 3-1 YBX 25 液压泵特性曲线1额定压力下的特性曲线； 2实际工作时的特性曲线5.3 液压阀的选择该液压系统可采用力士乐系列阀或 GE 系列阀。本题均选用 GE 系列阀。根据所拟定的液压系统图， 按通过各元件的最大流量来选择液压元件的规格。 选定的液压元件见 A3 图纸。

16、5.4 确定管道尺寸油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统油路流量为差动时流量 Q = 55L/min ，压油路的允许流速取 V = 4m/s，则内径 d = 4.6(Q / V)1/2 = 4.6(55 / 4)1/2 = 17.06(mm)若系统主油路流量按快退时取 Q = 24.02L/min ，则可算得油路内径 d =12.28mm。综合诸因素，现取油管的内径 d 为 15mm。5.5 液压油箱容积的确定本题为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的 57 倍来确定，现选用容量为 160L 的油箱。6液压系统的验算已知该液压系统的进、回油

17、管的内径均为 15mm，选用 LHL32 液压油，考虑到油的最低温度为 15，查得 15时该液压油的运动粘度为= 150cst = 1.5cm2/s油的密度 = 920kg/m36.1 压力损失的验算6.1.1 工作进给时进油路压力损失运动部件工作进给时的速度为 0.05m/min，进给时的最大流量为 0.393L/min ，10则液压油在管内流速 v1 为：v1=Q/(d2/4)=40.393 1000/(3.14 1.52)=2225(cm/min)=3.7(cm/s)管道流动雷诺数 Re1 为Re1 = v1d/=37.081.5/1.5 =3.7 2300可见油液在管道中流态为层流，其

18、沿程阻力系数 1=75，Re1=3.7进油管道的沿程压力损失p1-1 为p1= (l/d ）/(v2/2)=75(1/1.5)/(0.015920 0.037082/2)=0.053MPa6.1.2 工作进给时回油路的压力损失由于选用单活塞杆液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积是无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管道的二分之一，则v2 = v1/2 = 3.7/2 = 1.85(cm/s)Re2 = v2d/=1.851.5/1.5 = 1.85 23002 = 75/Re2 = 75/1.85 =40.54回油管道的沿程压力损失 p2-1 为p2-1=2(l/d) /( v2/2

19、)=40.54(1/1.5)/(0.0159200.01852/2) =0.114Mpa查产品样本知换向阀 24EF3M E10B 的压力损失为 p2-2=0.025MPa。回油路总压力损失 p2 为p2= p2-1+ p2-2=0.114+0.025=0.139(MPa)6.1.3 变量泵出口处的压力 PpPp = (F/cm+A 2 p2)/A 1+ p1=(23089/0.9+0.139 1000000 0.06100)/0.1+0.053 1000000=2.953(MPa)6.1.4 系统压力损失验算工作循环中进、回油管中通过的最大流量 q=73 L/min ，有此计算雷诺数得Re=

20、 vd/ =4q/ d =4 73 10-3/60 15 10-3 1.5 1110-4=6882300由此可推出各工况下的进、出回油中的液流均为层流，管中流速为V=q/( d2/4)= 4 73 10-3 /60 (1510-3 )2 =5.25m/s 因此沿程压力损失为：pf=75/ Re l/d v2/2 =75/688 2/15 10-39205.255.25/2=0.15 106MPa6.2 系统温升的验算在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进速度大时发热量较大，计算如下：v=0.05m/min：2 2流量 Q=v(d /4)

21、= 0.1 0.05/4=0.393(L/min)则有：L =P1Q1/Pp1Qp1+Pp2Qp2=3.1 0.393/3.92.5+0.07732=0.1液压泵的总效率为 P=0.72液压缸效率为 m=0.9所以 =P m L=0.72 0.950.1=0.068由此可见工进时液压系统效率很低， 这是由于溢流损失和节流损失造成的。工进时液压泵输入功率为 Pi：则 Pi=Pp1Qp1+Pp2Qp2/ P=(3.9 2.5 1000/60+0.077 32 1000/60)/0.72=283W工进阶段发热功率为 QQ=Pi （1- ）=283（ 1-0.07）=263W取散热系数 K=15W/

22、（m） 容积 V=226L则系统升温为 TT=Q/KA=Q/0.065KV 2/3=263/0.065152262/3=8设机床工作环境温度 t=25，加上此温度后有 33 度，在正常工作温度下，符合要求。7.液压缸的设计7.1 液压缸工作压力的确定选择 4.5MP液压缸工作压力主要根据液压设备类型确定， 对不同用途的液压设备， 由于12工作条件不同，通常采用的压力也不同。7.2 液压缸的内径 D和活塞杆 d 前面已经计算D = 100mm ; d =70mm7.3 液压缸的壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度，从材料力学可知，承受内压

23、力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异， 一般计算时可分为薄壁圆筒，起重运输机械和工程机械的液压缸一般用无缝钢管材料， 大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 PD/2 公式中： 为液压缸壁厚（ m）D 为液压缸内径（ m）P 试验压力，一般取最大工作压力的（ 1.25-1.5 倍）（ Mpa） 缸筒材料的许用应力： 锻钢 110-120，铸钢 100-110，无缝钢管 100-110 高强度铸铁 60，灰铸铁 25， 单位（ Mpa） PD/2 4.5=1.5 /（ 2110）=3.41mm故取 =5mm液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径 D1 为D1 D+2=100+25=

24、110mm 取 D1=1107.4 缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度 t 按强度要求可用下面两个公式进行近似计算无孔时： t 0.433D（ P【 】）有孔时： t 0.433DPD【 】（Dd）式中，t- 缸盖有效厚度D- 缸盖止口内直径d- 缸盖孔的直径138.参考文献左健民 . 液压与气动传动 . 北京 , 机械工业出版社 , 2005宋锦春 , 苏东海 , 张志伟 . 液压与气动传动 . 北京 , 科学出版社 , 2006崔广臣 , 谢群 . 液压与气动技术课程设计指导书 . 沈阳 , 沈阳理工大学机械工程学院流体传动与控制教研室 , 2007指导老师意见及建议：签字：年 月 日14