液压设计说明书

NORTHEAST FOFiESTRY UMfVERSITY液压与气压传动课程设计说明书学院：机电工程学院设计题目：压鼓机液压系统设计专业班级：机械设计2010-3班学生：指导老师：林晓亮设计题目：压鼓机液压系统设计题目说明：压鼓机用于压制压力容器的封头，需要操作机控制下好料的板材移动，压鼓机由中 心向外一点点、一圈圈地将其初步压制成型，最后由翻边机将之翻边、旋压成型。压鼓机即液压机，其一个工作循环为：活塞快下一加压一保压一卸压一活塞快上一 停止并卸荷，基本参数如下：参数类别参数值参数类别参数值快进行程0.3m快进速度3m/min工进行程max0.1m工进速度1.2m/min快退行程0.4m快退速度9m/min保压压力20MPa保压时间5s加压时间6s卸压时间3.5s模具重量100KN卸压结束压力2MPa最大载何1000KN题目要求：1、驱动装置：双作用单出杆活塞缸，尾部不可调缓冲；2、安装方式：缸与机架采用头部内法二式连接，活塞杆带动模具移动；3、控制方式：用延时继电器控制延时。设计要求：1、进行工况分析与计算，绘制工况图（包括速度图、负载图）。2、拟定液压系统原理图，选择标准液压兀件，绘制电磁铁动作循环表。3、液压缸设计计算、图纸绘制。上交材料：1、设计说明书一份。2、液压系统原理图一张。3、液压缸装配图及部分零件图。目录一 工况分析2二 液压缸主要参数的确定4三 液压系统的拟定5四 液压元件的计算与选择9五 液压缸的设计10六 拟定液压系统原理图11七 绘制液压缸装配图11八 参考文献11九 设计心得12一、工况分析对液压传动系统的工况分析就是明确各执行元件在工作过程中的 速度和负载的变化规律，也就是进行运动分析和负载分析。由于动力头 的快速进退及工作进给阶段的速度已给定，不必进行运动分析。故仅对 液压缸作动力分析，即通过分析计算，确定液压缸总的最大外负载。根据各执行在一个工作循环内各阶段的速度，绘制其循环图，如下 图所示：1、负载分析负载分析就是研究各执行元件在一个工作循环内各阶段的受力情 况。液压缸的受力简图如下：G + F f(15 + 35 )x 1034 (15 + 35 )x 1030.14+ zx 二x0.1 +x二 6036Nd 2.a22.90sin =sin2 21）导轨摩擦力车床工进阶段的导轨受力见下图，取动摩擦因数fd = 0.1，可算得动摩 擦阻力Ffdi为2 / 14F = G + F f 1 - 2车床 空 载 快速 快 退 阶段 启 动 时，导 轨受 静摩 擦 力 Ffs 作用 ，取 静 摩擦 因 数 fsf二0.2 ,算得sGf+G x2 s 2fs15 x 103x 0.2 +15 x 103.a sin0.2x二 3600N.90sin2加速阶段和恒速阶段的动摩擦阻力为口 G 车 Gfd15 x 1031 15 x 1030.1 1onnA7F” 二f + x 二x 0.1 +x二 1800Nfd22 d 2.a 22.90sm ksin 2 22）惯性力取速度变化量Av = 0.02m / s ,启动时间At = 0.2s。算得惯性力Fi为F. = G xAv = a x 002 = 153 N1 g At9.810.23）4）工作负载液压 缸 拖动 车 削 动 力 头 进 给时 的 工 作负 载 为 切削 抗 力 Fe, 已知Fe = 10 KN。液压缸密封摩擦阻力作用 于 液压 缸 活 塞上 密 封 摩擦 阻 力 Fm ， 用 下 式 估算F =（1 -n ）Fmcm e式中ncm液压缸机械效率，n二0.900.95。cm取 n二0.90，算得启动时的静密封摩擦阻力 cmF =（1-n ） F =（1-0.90）x10 x103 = 1000N mscm e恒速 时 的 动 密 封 摩 擦 阻 力 估取 为 静 密 封 摩 擦 阻 力 的 30% ，即F = 30% F = 300Nmdms将上述计算过程综合后得到的各工作阶段的液压缸外负载结果列于工况外负载F/N工况外负载F/N计算公式结果计算公式结果快 进启动F = F + Ffsms4600N快 退启动F = Fs + Ffsms4600N加速F = F + G xAv + Ffd 2gAt血2253N加速F = F + G xAv + F dfd 2 gAtmd2253N恒速F = F + Ffd 2md2100N工进F = F + Ffd 1 + Fdefd 1md16396N恒速F = F + Ffd 2md2100N下表。由 上 表可 以 看 出 ， 最 大 负 载出 现 在 工进 阶 段 其最大值为F= 16396N。max、液压缸主要参数的确 定1）预选系统设计压力本车床属于半精加工车床，负载最大时为慢速工进阶段，其他工 况时荷载都不大，参考表2-3,预选液压缸的设计压力p1 = 4MPa。2）计算液压缸主要结构尺寸为了满足动力头快速进退速度相等的要求并减小液压泵的流量， 将缸的无杆腔作为主工作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔 与有杆腔的有效面积含二A2，即活塞杆直径d和液压缸内径D间应满 足 d 二 0.5D。为了提高动力头的工作平稳性，给液压缸设置一定回油背压。参 考表2-4暂取背压p2 = 0.3MPa，上已取液压缸机械效率耳=0.9，则可 2cm 算得液压缸无杆腔的有效面积F max16396A = A = max = 49.24 x 10-4 m 212 （p 厂 p）（4 - 0.3）x 0.9 x10612 cm上已知d = 0.5D 且-x（D 2 - d 2）= A242从而得液压缸内径= 91mm，d = 45.5mmD = (16 A2 = 116 x 49.24 x1023x 3.14按 GB/T 2348-1993(表 7-14)将活塞杆直径圆整为D=100mm， d=50mm则液压缸实际有效面积为A = A. = 1(D2 - d2 )= 314x(1002 - 502 )= 58.88cm2 1244由于动力头的最低工进速度很低，故需按式4 对缸的结构 1 v minmin尺寸进行检验：将调速阀的最小稳定流量q . = 50mL/min和活塞最小进 min给速度 v min= 0.02m / min = 2cm / min 代 入式，算得qmin 50min= 25cm2v .2min 结果表明活塞面积可满足最低稳定速度的要求。从而算得液压缸再工进阶段的实际工作压力pmax + 0.5=16396=3.09 MPa1 耳 人0.9 x 58.88 x10-4cm 1它正是系统工作循环中的最高压力。3）单个液压缸需求的最大流量液压缸最大流量发生在快退阶段，按式（2-26）算得单个液压缸的最大流量 q 1 为q= Av= 58.88 x 4 x 102 = 23.55 L/min1 max2 max4）其他工作阶段的压力、流量和功率。其他工作阶段的压力、流量和功率见下表：工作阶段计算公式负载F/N回油腔 压力 p J MPa工作腔 压力 pj MPa单缸输 入流量 q、/（L / min）负载 功率 pj W快进启 动 加 速 恒 速F.p + An46000.87pA 1 Apn cmA1q AVi22530.10.5321000.10.5023.55196工进工 进工 进F.Pi人+APn cmA1q AVi163960.53.592.355 5.8881413520.118 2.3557 141快退启 动 加 速 恒 速F人46000.87p.十Apn cmA1qa2v i22530.10.5321000.10.5023.55196由表可见，工进阶段以最高进给速度工作时，负载功率最大其值为Plmax = 352W三、液压系统的拟定1）制定液压回路方案a. 调速方式与油源方案。考虑到切削进给系统传动功率不是太大， 低速时稳定性要求较高；加工期间负载变化较大，故采用限压式变量 泵供油和调速阀联合的容积节流调速方案。调速阀设在进油路上，通 过调节通流面积实现液压缸及其拖动的车削刀头的车削进给速度大 小；通过分别调整两个调速阀可使两个车削动力头获得较高同步精 度。b. 方向控制方案。本机床加工的轴颈长度尺寸无特殊精度要求，故 采用行程控制即活动挡块压下电气行程开关，控制换向阀电磁铁的通 断电来实现自动换向和速度换接。通过两个电液换向阀的通断组合， 可实现两个车削动力头的独立调节。在调整一个时，另一个应停止。c. 速度换接方案。快进和工进的速度换接由二位二通行程阀和远控 顺序阀实现，以简化油路，提高换接精度。d. 背压与安全保护。为了提高液压缸及其驱动的车削动力头的运动 平稳性，在液压缸工进时的回油路上设置一溢流阀，以使液压缸在一 定的背压下运行。为了保证整个系统的安全，在泵出口并联一溢流阀， 用于防止过载。e. 辅助回路方案。在液压泵入口设置吸油过滤器，以保证油液的清 洁度；在液压泵出口设置压力表及多点压力表开关以便于各压力阀调 压时的压力观测。2）合成液压系统图 将上述各液压回路方案进行综合即可组成专用车床的液压系统原 理图（见下图），图中附表时电磁铁、行程阀及换向阀的状态表。a. 快进 按下启动按钮，电磁铁1YA通电使换向阀14切换至左位。由于快进时负载较小，系统压力不高，故顺序阀 10关闭，变量泵2输 出最大流量。此时，系统的油液流动路线如下：进油路：变量泵2换向阀14 （左位）f行程阀26 （下位）f液压 缸28左腔。回油路：液压缸28右腔f换向阀14 （左位）f换向阀12 （右位）f 油箱。b. 一工进当动力头快速前进到预定位置时，动力头侧面的活动挡块压下行程阀26,动力头侧面的活动挡块压下行程开关SQ1,换向阀 12 换到左位，动力头开始车削工件。此时系统压力升高，在顺序阀10 打开的同时，限压式变量泵 2 自动减小其输出流量，以便与调速阀16的开口相适应。系统中油液流动路线如下：进油路：变量泵2f换向阀14 （左位）f调速阀16-液压缸28左腔。回油路：液压缸28右腔f换向阀14 （左位）f换向阀12 （左位）f 顺序阀10-溢流阀（背压阀）8-油箱。c. 二工进当动力头一工进到预定位置时，动力头侧面的活动挡块压下行程开关SQ2,换向阀20换到左位，动力头开始二工进。系统中 油液流动路线如下：进油路：变量泵2f换向阀14 （左位）f调速阀16-调速阀17-液 压缸28左腔。回油路：液压缸28右腔一换向阀14 （左位）一换向阀12 （左位）一 顺序阀10-溢流阀（背压阀）8-油箱。d. 铁档块停留当动力头工进给完毕之后，碰上止挡块的滑台不再前 进，停留在止挡块处，同时系统压力升高，当升高到压力继电器 22 的调整值时，压力继电器动作，经过时间继电器的延时，再发出信号 使滑台返回，滑台的停留时间可由时间继电器在一点范围内调整。e. 快退时间继电器经延时发出信号，2YA通电，1,5,7YA断电，换向 阀14切换到右位，此时系统压力下降，变量泵2的流量又自动增大 动力头实现快退。系统中油液流动路线如下：进油路：变量泵2-换向阀14 （右位）一液压缸28右腔。回油路：液压缸28左腔一单向阀24-换向阀14 （右位）一换向阀 12（右位）-油箱。f. 动力头原位停止：当动力头快退回到原位，换向阀14移到中位，液 压缸28两腔封闭，动力头停止运动，变量泵实现卸荷。待卸下加工好的工件，装好待加工工件后，系统开始下一工作循环。专用车床液压系统电磁铁和行程阀状态表工 况电磁铁、行程阀和换向阀状态1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA电磁 阀 12、13换向 阀14、15电磁 阀 20.21行程 阀 26、27快 进+一一+一一一一右左右左右左下下工 进+一一+一一左右左右右左上上工 进+一一+左右左右左右上上死 挡 铁 停 留+一一+左右左右左右上上快 退一+右左右左左右上上停 止中中右左右左下下四、液压元件的计算与选择1)液压泵的选择由 表 2-26 可以 查得 液压 缸的最高 工作压力 出现在工进 阶段，即p1 = 3.59 MPa ,此时缸的输入流量较小，泵至缸间的进油路压力损 失估取为Ap = 1.0MPa。则泵的最高工作压力pp为pp = 3.59 +1.0 = 4059MPa在两车削头同时快退时， 需要的总流量为q 2= 2 x q、= 2 x 23.55 = 47.1L /min2 max1 max取泄露系数为k = 1.1，则液压泵的流量为q = kq2 max =1.1x47.1= 51.81L/ minp 2 max根据系统所需流量， 拟初选限压式变量液压泵的转速为n = 1500r /min，泵的容积效率=0.85，根据式(2-36 )可算得泵的排1000qv 1000 x 51.81量参考值为V = v = 40.64mL / rgnn1500 x 0.85v根据以上计算结果查手册，选用规格相近的 YBX 型限压式变量叶片泵，其额定压力为6.3MPa ，排量V = 45mL / r，泵的额定转速为n = 1500r/min，取容积效率nv = 0.85，倒推算得泵的额定流量为q =Vnn =45x1500x0.85=57.375L/minpv与系统所需流量基本符合。 由表 2-26 可知， 系统在工进阶段以最高进给速度工作时，负载功率最大，其值为 p1max=352W ，故按此阶段的1 max液压泵所需驱动功率选择电动机。 此时， 泵的工作压力为Pp = 4.19MPa，流量为 qp = 2xq1 = 2x5.888 = 11.78L/min。已知泵的总效率为nv = 0.80，则液压泵在工进阶段所需的驱动功率为p q4.59x 106 x 11.78xl0-3p =p = 1.13 KWp n0.80 x 60 x103p查设计手册，选用Y系列（IP44 ）中规格相近的Y90L-4-B5型立式三相异步电动机， 其额定功率 1.5KW， 转速 1400r/min 。 用此转速 驱动液压泵时， 变量泵的实际输出流量分别为 53.55mL/min ， 仍能满 足系统各工况对流量的要求。2) 控制元件的 选择 根据系统工作压力与通过各液压控制法及部分辅助元件的最大 流量， 查产品样本所选择的元件型号规格如下表所例:序号名称通过流 量/(L/min)额定流 量/(L/min)额定压 力 /MPa工作压 力 /MPa型号1过滤器53.5563原始压 力损失 0.02XU 63 x 80J2限压式 叶片泵53.5557.3756.33.59YBX4先导式 溢流阀53.55636.339YF3 10B5六点压 力表开 关6.33.9K 6B6压力表测压范 围0603.9Y 607单向阀57.23636.33.59I 63B8、9直动式 溢流阀4.8102.50.5PB10B10、11远控顺 序阀4.86.33.59XY 10B12、13二位三 通电磁 换向阀23.55256.33.5923D 25B14、15三位五 通电磁 换向阀24.55256.33.5935DYF25B16、17、18、19调速阀10106.32.84Q 10B20、21/亠 二位二 通电磁 换向阀5.888256.32.3422D 25B22、23继电器5.03.00HED10524、25单向阀28.12636.36.3I 63B26、27行程阀24.551006.32.8422C 25BH3）液压辅件的计算与选择 油箱容量按式（6-47）计算，本系统属于中压系统，故取经验系数a =6 ,得油箱容量为V = a q# = 6 x 53.55 = 321.3L五、液压缸的设计1）液压缸的主要参数设计a. 活塞杆的直径和缸筒直径（已经计算）b. 缸筒的壁厚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,其壁厚按薄壁圆筒公式计算, 即鉛式中，6液压缸壁厚（m）； D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 ；yL 缸筒材料的许用应力。取 L = 60MPa ； p = 1.5p ；yn算得 6 mjn= 4.5mm。c. 活塞的宽度活塞的宽度，一般取B =（0.61.0）D，取 B=0.8D ，即 B=80mm 。2）液压缸的结构设计a. 缸体与缸盖的连接形式采用螺纹连接b活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括导向套的结 构，以及密封、防尘、锁紧装置等。c柱塞密封圈的选用应根据密封部位、使用部位、使用的压力、温 度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。常见的密封圈 类型：O型圈，O型圈加挡圈，高底唇Y型圈，Y型圈，奥米加型等。 选用唇型和O型。3）液压缸主要零件的材料和技术要求a. 缸体材料-45 钢b. 活塞杆材料-空心： 45钢粗糙度杆内圆柱粗糙度为R = 1.6 pma技术要求：调质2025HRCc. .盖材料-HT150d导向套材料-QT500 7粗糙度-导向表面粗糙度为 R = 1.6pma技术 要求 ：外 径 D 内孔的同 轴度不大于 内孔公差 之半六、拟定液压系统原理图（见 A2 图纸）七、绘制液压缸装配图（见 A1 图纸）八、参考文献1 张利平.液压传动设计指南.北京：化学工业出版社,2008.2 左健民.液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2007.3 成大先.机械设计手册第四版第四卷. 北京：化学工业出版社，2002.4 杨永平.液压与气动技术.北京：化学工业出版社，2011.5 周长城.液压与液力传动.北京：北京大学出版社，2010.九、设计心得液压课程设计安排在临近放假的时间，要求在有限的时间内完成设 计内容。起初拿到设计题目时，确实慌了。题目比较难，而且对于液压 的设计，一点不太懂。随着秒针滴答滴答的走过，慢慢的通过查找书籍 和同学商量，也有了成果，这是值得高兴的。总结在这两周的设计过程 中，困难比以往都大，主要是由于没有很好的实体观念，对于课本内容 的认识不够透彻。在这次的设计中，我用到了一些经验公式以及一些在一定范围内取 值的数据，以前我习惯了在精确公式及数值下计算，所以这方面做的不 够好，而且在查阅工具书方面的能力还不足，还需要在今后的设计中进 一步加强。出现以上的种种缺陷的关键问题在于我们缺乏这方面专业能 力的锻炼。通过这次的课程设计，让我对液压系统以及液压阀件有了更深的认 识，对设计液压装备时应有的要求有了新的见解，完成同样的要求，有 不同的设计方案，但是我们应向使用性能，结构，经济性更优的方向发 展。当然这还需要我们不断地刻苦学习，然后在前人实践经验的基础上 勇于创新，寻求更经济实惠的设计。由于能力所限，在设计过程中还有许多不足之处，恳请老师批评指 正！