液压与气压课程设计说明书某卧式单面多轴钻孔机床液压系统的设计计算

武汉纺织大学08级液压与气压传动课程设计武汉纺织大学液压与气压课程设计说明书课题名称：某卧式单面多轴钻孔机床液压系统的设计计算完成期限： 2011年12月11日至 2011年12月18日院系名称 机械工程与自动化学院 指导老师 专业班级 机设085 指导教师职称 副教授学生姓名 学号0802721225 目 录1. 设计参数及要求21.1. 设计课题21.2. 原始数据21.3. 系统设计要求21.4. 设计内容要求22. 负载分析33. 液压系统方案设计53.1. 确定液压泵类型及调速方式53.2. 选用执行元件53.3. 快速运动回路和速度换接回路53.4. 换向回路的选择53.5. 定位夹紧回路的选择53.6. 动作换接的控制方式选择53.7. 组成液压系统绘原理图54. 液压系统的参数计算64.1. 液压缸参数计算64.1.1. 初选液压缸的工作压力64.1.2. 确定液压缸的主要结构尺寸64.1.3. 确定夹紧缸的内径和活塞直径84.1.4. 计算夹紧缸的压力和流量84.1.5. 计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量和功率84.2. 确定液压泵的规格和电动机功率及型号94.2.1. 计算液压泵的压力94.2.2. 计算液压泵的流量104.2.3. 选用液压泵规格和型号105. 电动机的选择106. 液压元件的选择106.1. 液压阀及过滤器的选择106.2. 油管的选择116.3. 油箱容积的确定117. 验算液压系统性能117.1. 压力缺失的验算及泵压力的调整117.2. 液压系统的发热和温升验算13个人小结15参考文献151. 设计参数及要求1.1. 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拔销松开，如图1- 1 卧式单面多轴钻孔机床示意图所示。图1- 1 卧式单面多轴钻孔机床示意图1.2. 原始数据1) 主轴数及孔径：主轴6根，孔径14 mm； 2) 总轴向切削阻力：12400 N； 3) 运动部件重量： 9800 N； 4) 快进、快退速度： 5 m/min; 5) 工进速度：0.040.1 m/min 6) 行程长度：320 mm； 7) 导轨形式及摩擦系数：平导轨，1.0,2.0=动静ff； 8) 加速、减速时间：大于0.2秒； 9) 夹紧力：50006000 N 10) 夹紧时间：12秒； 11) 夹紧液压缸行程长度：16 mm。1.3. 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) 钻削时速度平稳，不受外载干扰，孔钻透时不前冲。1.4. 设计内容要求根据原始数据和系统设计要求，完成： 1) 根据设计要求以及附图，绘制液压系统原理图，并完成系统电磁铁动作顺序表。2) 在图1- 2 卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 的基础上，若系统油源改为双泵供油（即一个大泵和一个小泵），重新设计并绘制系统原理图。图1- 2 卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 3) 对系统进行设计计算，从而对主要液压元件进行选型（除液压缸外），给出液压元件明细表，包含元件名称、主要参数、型号规格，包含电机选型，液压缸计算出缸径、行程等主要参数。4) 进行设计验算（发热验算、压力损失等）。5) 设计一个液压阀块（油路块、阀块），其上安装至少3-4个液压元件，可选阀块方案： 图1- 2 卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 ，元件3、7、8、9 图1- 2 卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 ，元件3、7、4、5 图1- 2 卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 ，元件8、10、11、12 图1- 2 卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 ，元件12、13、14、15 6) 选取上述阀块中的一种，要求绘制阀块的二维设计工程图，表明加工所需要的信息（材料、公差、粗糙度、技术说明、加工工艺等）。7) 液压阀块的三维建模，验证钻孔符合要求。用Pro/E或者SolidWorks等软件，绘制其三维实体图。2. 负载分析负载分析中，暂不考虑油腔的背压力，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，设导轨的静摩擦力为Ffs，动摩擦力为Ffd，则而惯性力 如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见Error! Reference source not found. 液压缸各运动阶段负载表。Error! Reference source not found. 液压缸各运动阶段负载表运动阶段计算公式总机械负载定位夹紧5000启动2063加速1471快进1032工进14084快退1032图2-1 负载速度图a）负载图 b） 速度图根据负载计算结果和已知的个阶段的速度，由于行程是320cm，设定快进时的行程L1=250mm，工进时的行程L2=70，可绘制出负载图（F-l）和速度图（v-l），见图2-1a、b。横坐标以下为液压缸活塞前进是的曲线，以下为液压缸活塞退回的曲线。3. 液压系统方案设计3.1. 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，初定背压阀Pb=0.8Mpa3.2. 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。3.3. 快速运动回路和速度换接回路根据本设计的运动方式和要求，采用差动连接这种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。3.4. 换向回路的选择本设计对换向的平稳性没有严格的要求，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。3.5. 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。3.6. 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。3.7. 组成液压系统绘原理图图3- 1卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 将上述所选定的液压回路进行组合，并根据要求作必要的修改补充，即组成图3- 1卧式单面多轴钻孔机床液压系统原理图 。为便于观察调整压力，在液压泵的进口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设置测压点，并设置多点压力表。这样只需一个压力表即能观测各点压力。液压系统中各电磁铁的动作顺序如表3- 1 电磁阀动作顺序表。表3- 1 电磁阀动作顺序表1Y2Y3Y4Y定位夹紧快进工进快退拔销松开4. 液压系统的参数计算4.1. 液压缸参数计算4.1.1. 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，在其他工况负载都不太高，参考表4- 1 按负载选择工作压力表4- 2 各种机械常用的系统工作压力，根据F=14084N，初定液压缸工作压力为p1=30105Pa。4.1.2. 确定液压缸的主要结构尺寸本系统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4- 3 执行元件背压力，选此背压为pb=0.8Mpa。表4- 1 按负载选择工作压力负载/KN50工作压力/Mpa12.5cm2，满足最低速度要求4.1.3. 确定夹紧缸的内径和活塞直径根据夹紧缸的夹紧力Fp=5000N，选夹紧缸工作压力P夹=1.5Mpa，可以认为回油压力为零，则夹紧缸的直径根据表4- 4 按工作压力选取d/D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=7cm d夹=3.6cm表4- 4 按工作压力选取d/D工作压力/Mpa5.05.0-7.07.0d/D0.5-0.550.62-0.700.74.1.4. 计算夹紧缸的压力和流量进油腔压力p1 P1=F夹/A夹=5000/（3.14/4*72）流量Q Q=v夹A夹=16/2*3.14/4*6.324.1.5. 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，可以算出液压工作过程各阶段的压力、流量、功率，在计算工进时背压按Pb=8105Pa代入，快退时背压按Pb=5105Pa代入计算公式和计算结果列入表4-5中表4- 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pj回油压力pb所需流量输入功率PNPaPaL/minkW定位夹紧50001310501.850.040差动快进10328.510513.510515.60.221工进1408426.210581050.320.014快退103213105510516.20.351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 pj，无杆腔回油，压力为pb4.2. 确定液压泵的规格和电动机功率及型号4.2.1. 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失，压力继电器可靠动作需要压力差为0.5Mpa，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表4- 6进油路压力损失经验值系统结构情况总压力损失p/Mpa一般节流调速及管路简单的系统0.2-0.5进油路有调速阀及管路复杂的系统0.5-1.54.2.2. 计算液压泵的流量由表4- 5液压缸所需要的实际流量、压力和功率可知，工进时所需流量最小是0.32L/min，设溢流阀最小流量为2.5L/min，则泵的流量应为：快进快退时液压缸所需的最大流量是16.2L/min，则泵的总流量为：4.2.3. 选用液压泵规格和型号根据上面计算的压力和流量，查阅相关手册，选用YBX-25型限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：排量 O25ml/r，额定压力 6.3MPa，额定转速600-1500r/min 1，驱动功率 4KW,容积效率0.8-0.95(此处选0.9)，总效率n=0.70.85（此处选0.8）.5. 电动机的选择由表4- 5液压缸所需要的实际流量、压力和功率可知，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有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=6105，液压泵总效率=0.8，则电机功率P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1400r/min。因该电动机驱动液压泵是时，泵的实际最大输出流量为2514000.8/1000=28 L/min19.44L/min，所以满足要求。6. 液压元件的选择6.1. 液压阀及过滤器的选择根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量，可选出这些元件的型号及规格。本设计中所有阀的额定压力都为63105Pa，额定流量根据各阀通过的流量，确定为10L/min，25L/min和63L/min三种规格，所有元件的规格想好列于表6- 1 液压元件明细表中。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，表中序号与原理图中的序号一致。表6- 1 液压元件明细表序号元件名称最大通过流量L/min型号1变量叶片泵25YBX-252过滤器50XU-B50-1003三位五通电磁阀5035D1-63BY4单向阀50I-63B5调速阀0.50Q-10B6行程阀50DCG-2B2-02G-50/1007单向阀25I-63B8液控顺序阀0.5XY-25B9背压阀0.25B-10B10减压阀25J-63B11单向阀25I-63B12二位四通电磁阀25 24E2-63B13单向顺序阀25XI-B63B14单向节流阀25LI-25B15压力继电器DP1-63B16、17、18液压缸19电动机Y90S-420溢流阀25Y-63B6.2. 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、排出得最大流量来计算，由于系统液压缸差动连接快进快退时，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，则液压缸的进、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。6.3. 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57倍，本设计取7倍，故油箱容积为 V=（725）L=175L7. 验算液压系统性能7.1. 压力缺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。7.1.1. 工进时的压力缺失验算和小流量泵压力的调整工进时管路中的流量仅为0.32L/min，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。这时进油路上仅考虑调速阀和背压阀的压力损失，一般取调速阀的压力损失p1=5105Pa，背压阀的压力损失p2=8105，则工进时总的压力损失为：Pp=26.2105+5105+8105 Pa=39.2105即泵的调定压力应按此压力调整。7.1.2. 快退时的压力损失验算因快退时，液压缸无杆腔的回油量是进油量的两倍，其压力损失比快进时要大，因此必须计算快退时的进油路与回油路的压力损失，以便确定泵的卸载压力。已知：快退时进油管和回油管长度均为l=1.8m，油管直径d=1510-3m，通过的流量为进油路回油路液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度为15，由手册查出此时油的运动粘度=1.5st=1.5cm2/s，油的密度，液压系统元件采用集成块式的配置形式。确定油流的流动状态 式中 v平均流速（m/s） d油管内径（m） 油的运动粘度（cm2/s） q通过的流量（m3/s）则进油路中液流的雷诺数为 回油路中液流的雷诺数为由上可知，进回油路中的流动都是层流。沿程压力损失沿程压力损失，由文献【1】式（137）可算出进油路和回油路的压力损失。在进油路上，流速，则压力损失为在回油路上，流速为进油路流速的两倍即v=4.72m/s，则压力损失为局部压力损失由于采用集成块式的液压装置，所以只考虑阀类元件和集成块内油路的压力损失。通过各阀的局部压力损失按文献【1】（1-39）计算，结果列于表7- 1阀类元件局部压力损失中。表7- 1阀类元件局部压力损失元件名称额定流量实际通过的流量额定压力损失实际压力损失单向阀4635021.26三位五通电磁阀36325/50 40.63/2.52注：快退时通过三位五通阀的两边流量不同，压力损失也不同。若取集成块进油路的压力损失，回油路压力损失为 ，则进油路和回油路总的压力损失为查表4- 5液压缸所需要的实际流量、压力和功率知快退时液压缸负载F=1032N；则快退时液压缸的工作压力为 快退时泵的工作压力为从以上验算结果可以看出，各种工况下的实际压力损失都小于初选的压力损失值，而且比较接近，说明液压系统的油路结构、元件的参数是合理的，满足要求。7.2. 液压系统的发热和温升验算在整个工作循环中，工件阶段所占用的时间最长，所以系统的发热主要是工进阶段造成的，故按工进工况验算系统温升。当v=0.04m/min时=A1=63.610-40.04 =2.5410-4m3/min=0.254 L/min此时泵的效率为0.1，取泵的出口压力损失为10 105，则有此时的功率损失为当v=0.1m/min时=0.64L/min 总效率=0.7则 可见在工进速度较低时，功率损失为527.5W，发热量最大，即为系统的发热功率系统温升的验算已知油箱的容积V=140L=14010-3m3，则按文献【1】式（8-12）油箱近似散热面积A为假定通风良好，取油箱散热系数，则按文献【1】式（8-11）可得油液温升为 设环境温度，则热平面温度为所以油箱散热可达要求。个人小结经过将一周的时间，基本完成了本次的课程设计- 某卧式单面多轴钻孔机床液压系统的设计计算 。论文行文至此，已基本完成。本设计研究主要完成了如下工作：对卧式单面多轴钻孔机床的液压传动系统进行了分析计算，包括负载分析、系统设计方案、相关参数计算、元件选择并验算了系统性能。 由于时间仓促，及本人理论知识、实践经验和认识局限，该设计难免存在许多的不足之处，有待于改进和完善。本设计的一些不足与缺陷如下：1) 模仿课本相关例题进行设计，虽基本完成某卧式单面多空钻孔机床液压系统的设计计算，但设计缺乏自我创新，这表明理论的缺乏，分析实际问题能力不足。2) 对相关参数如系统沿程压力及局部压力损失等，忽略不计。使得设计只是大体完成了学习，而没有能够真正从专业人员角度考虑。总结设计过程中的经验和教训，有几点体会：1) 要深入学习proe、 ANSYS等专业绘图分析软件，这样可以辅助设计，大大提高效率。2) 要准备充分，在系统分析、设计阶段要做的尽可能详细、全面，以免在后阶段返工，浪费人力、物力、财力。在这次的课程设计即将完成之际，我非常感谢本组成员及我的指导老师肖志权老师，从讲授课程到本次设计的完成，肖老师始终给予我们细致耐心地指导和鼓励，才让我们的设计顺利完成。肖老师严谨的教学态度、踏实的工作作风深深地感染和激励着我。在此我要向我的指导老师表达我最真挚的感谢。 参考文献1 许福玲、陈尧明. 液压与气压传动（第三版）M. 北京：机械工业出版社，2007 2 成大先. 机械设计手册（第五版）M. 北京：化学工业出版社，2008 3 邓星钟. 机电传动控制 （第四版） M. 武汉：华中科技大学出版社，2006.10 4 杨啸、倪建成、张东宁. 液压阀块的设计要点 J.维普资讯（锻压机械）l999.2:33-3515