铣床液压系统设计

1设计题目 12、工况分析 1负载分析 2运动分析 23、确定液压缸参数3初选液压缸的工作压力 3确定液压缸尺寸 3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率计算值 4绘制液压缸工况图 44、 拟定液压系统图 6选择液压回路 6调速回路 6换向回路和卸荷回路 6快速运动回路 6压力控制回路 7液压系统合成 85、 选择液压元件 8选择液压泵和驱动电机 8选择控制元件 9选用辅助元件 106、 液压系统性能验算10回路中压力损失 10工进时压力损失 10快退时压力损失 11确定液压泵工作压力 12液压系统的效率 12液压系统的发热温升验算 13参考文献 14附录 （液压系统图）液压油缸图）1设计题目设计题目设计一台专用铣床，铣头驱动电机的功率为千瓦，铣刀直径为120mm转速 350转/分，如工作台质量为480公斤，工件和夹具的质量为150公斤，工作台 的行程为400mm工进行程为100mm快进快退速度为米/分，工进速度为601000 毫米/分，其往复运动的加速(减速)时间为秒，工作台用平导轨静摩擦系数fs 0.2，动摩擦系数fd 0.1，试设计该机床的液压系统。2工况分析负载分析根据给定条件，先计算工作台运动中惯性力 Fm，工作台与导轨的动摩擦阻 力Ffd和静摩擦阻力FfsFmFg v63000.075963(N)(2-1)g t9.810.05Ffdfd ( FG1Fg2)0.1(48001500)6300 (N)(2-2)FfSfs(FG1Fg2)0.2(48001500)1260 (N)(2-3)其中，FG1 m1g 480 104800(N)FG2 m2g 150 10 1500 (N)Fg FG1 FG2 4800 15006300 (N)由铣头的驱动电机功率可以求得铣削最大负载阻力Ft:PFt -(2-4)vn d 350 3.14 0.12m其中 v2.198m60 60 /s7000所以，Ft3185v 2.198同时考虑到液压缸密封装置的摩擦阻力(取液压缸的机械效率m 0.9)，工作台的液压缸在各工况阶段的负载值列于表2-1中，负载循环图如图2-1所示表2-1各阶段负载值工况负载计算公式液压缸负载F（N）液压缸推力F0（ N）起动12601400加速15931770快进630700工进38154239反向起动12601400反向加速15931700快退630700图2-1负载循环图运动分析根据给定条件，快进、快退速度为 s，其行程分别为300mnO 400mm工进速度为601000m/s（即s）,工进行程100mm绘出速度循环图如图2-2所示3确定液压缸的参数初选液压缸的工作压力根据液压缸推力为4239N(表2-1 ),按表11-2 (书)的推荐值，初选工作 压力为10 105Pa.确定液压缸尺寸由于铣床工作台快进和快退速度相同，因此选用单杆活塞式液压缸，并使A 2A2,快进时采用差动连接，因管路中有压力损失，快进时回油路压力损失 取p 5 105Pa,快退时回油路压力损失亦取p 5 105Pa。工进时，为使运动平稳，在液压缸回路油路上须加背压阀，背压力值一般为(5: 10)10 5 Pa,选取背压P26 105 Pa。根据P1A1 P2A2 F。，可求出液压缸大腔面积 A为A F42395 0.006(m2)(3-1)p10.5p2(10 0.5 6) 10D4 0.0063.140.087(m)(3-2)根据GB2348-80圆整成就近的标准值，得 D=90mm液压缸活塞杆直径63.65mm，根据GB2348-80就近圆整成标准值d=63mm于是液压缸实际有效工作面积为K -D2- 0.0920.006m2(3-3)44A (D2 d2)(0.092 0.0632) 0.003m2(3-4)44液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值（见表3-1 ）工况F(N)液压缸3 1C5PaP1 1C5PaN(W)快进（差 动）起动14000加速17705恒速7005工进42396:快退起动11400加速17705减速7005绘制液压缸工况图根据表3-1计算结果，分别绘制P-L、Q-L和N-L图，如图3-1所示Q-L图N-L图图3-1 -L 、Q-L和N丄图4 拟定液压系统图选择液压系统图由工况图 3-1 可知，该铣床液压系统功率小，因此选用节流调速方式，滑 台运动速度低，工作负载为阻力负载且工作中变化小，故可选用进口节流调速 回路。为防止孔钻通时负载突然消失引起运动部件前冲，在回油路上加背压 阀。由于系统选用节流调速方式，系统必然为开式循环系统。考虑到铣削加 工中有顺铣和逆铣两种工况，宜采用调速阀来保证速度稳定，并将调速阀装在 液压缸回油路上起阻力作用，使工作台低速运动时比较平稳，如图 4-1(a) 和 4-1 (A)所示, 由于本系统滑台由快进转为工进时，速度变化不大，为减少速度换接时的液压 冲击，从节约成本考虑，选用如图 4-1(a) 所示的调速回路。(a)(A)图 4-1 调速回路换向回路和卸荷回路 铣床工作台采用单活塞杆液压缸驱动。由工况图可知，系统压力和流量都 不大，同时考虑工作台工作一个循环后装夹具时间比较长，为方便工作台的手 动，选用三位四通U型电磁换向阀，并由电气行程开关配合实现自动换向，如 图 4-2b 所示快速运动回路 为实现工作台快速进给，选用二位三通电磁换向阀构成液压缸的差动连 接。这种差动连接的快速运动回路，结构简单，也比较经济，如图 4-2a 所示。 在图 4-2a-b 中结构复杂不利于控制，所以选择 4-2a 所示的回路，一起同 4-2b 组成的快速、换向回路，同样可以实现差动连接。同时验算回路的压力损失比 较简便，所以不选用图 4-2a-b 所示的回路。(a) (b)(a-b)图 4-2 快速和换向回路压力控制回路由于液压系统流量很小，铣床工作台工作进给时，采用回油路节流调速， 故选用定量泵供油比较、经济，如图 4-1a 所示. 调压回路采用先导式溢流阀维 持液压泵出口压力恒定。当换装工件时，工作台停止运动，液压泵卸荷回路采 用小型二位三通电磁阀控制先导型溢流阀，实现液压泵的卸荷。而从提高系统 效率、节省能量角度来看，选用双联叶片泵油源显然是不合理的，如图 4-3b 所 示，其结构复杂，控制也复杂，所以不适宜选用此方案。液压系统合成根据以上选择的液压基本回路，合成为图4-2所示的定量泵-回油路节流调速液压系统图。图4-2液压系统合成5选择液压元件选择液压泵和驱动电机取液压系统的泄漏系数K= 则液压泵的最大流量Qb K( QJmax 1.1 0.225 1 03 0.248 1 0 3 m3/s，即 QB=mi n。根据拟定的液压系统是采用回油路节流调速，进油路压力损失选取p 5 105Pa，故液压泵工作压力为：Pb pip (9.84 5) 105 1 4.84 1 05 Pa。(5-1)考虑到系统动态压力因素的影响，液压泵的额定工作压力为：pB 14.84(1 25%) 105 18.85 105 Pa.(5-2)根据Qb、Pb和已选定的单向定量泵型式，查手册书(二)选用丫日16型定量叶片泵。该泵额定排量为16mL/r,额定转速960r/min，其额定流量为 0.256 10 3m3/s，由工况图知，最大功率在快退阶段，如果取液压泵的效率为 为，驱动液压泵最大输入功率 Nb为：NbP1QBB(15.9 5) 105 0.256 1030.75(5-3)查电工手册选取750W的电动机。选择控制元件根据系统最大工作压力和通过控制元件的最大流量，选用各类阀的规格见 表 5-1.表5-1选用各类阀的规序 号控制元件名称型号规格技术数据实际流量额定流量时 压力损失1溢流阀Y1-25B卸荷压力1: 1.52三位四通电磁34D-25B2换向阀3单向调速阀Q1-25B反向时2取小压差54二位三通电磁换向阀23D-25B15单向阀1-25B选用辅助元件滤油器：液压泵吸油口需装粗滤油器，选用XU-16 100J线隙式100 m进口滤油器，流量 Q=16l/min= 10 3m3/s .油箱容量：由下式计算有效容积 V，取系数K=6, Q=12L/min,则有V KQ 6 12 72(L) 72 10 3(m3)(5-4)根据书(二)标准，可取油箱的容积 V=75L油箱见附图1,管道尺寸由选 定的标准元件连接口尺寸确定。6液压系统性能验算回路中压力损失回路压力损失计算应在管道布置图完成后进行，必须知道管道的长度和直 径。管道直径按选定元件的接口尺寸确定，即d=12mm长度在管道布置图未完成前暂按进油管、回油管均为L=2m估算。油液运动粘度取1.5 10 4m2/s，在此设计中主要验算工进和快退工况时的压力损失。工进时压力损失进油管路压力损失：首先判别进油管液流状态，由于雷诺数vd 4Q4 0.110 3Re3470.72000(6-1)d12 101.5 10故为层流。管路沿层压力损失:Pl4.3 Q Ld110164.3 1.5 10 4 0.1 10 3 2(6-2)10160.622 105(Pa)取管道局部损失P 0.1FL 0.0622 105Pa油液流经单向阀和三位四通换向阀的压力损失按下面公式计算，有关数据 见表5-11.32 105( Fa)(6-3)工进时进油路总压力损失:pPLFFV 2 105 (Fa)(6-4)工进时回油路压力损失：因回油管路流量 Q2为330.05 10 (m /s)(6-5)液流状态经判断为层流(Re 70.72000)，于是沿程压力损失:P 4.3 Q L 10花 4.3 1.5 10 4 0.05 10 3 2Pld710(6-6)100.297 105(Pa)局部压力损失：P 0.1PL 0.0297 105Pa(6-7)回油路中油液流经二位三通换向阀、调速阀和三位四通换向阀时的压力损 失计算方法同上，即=5.28 105(Pa)(6-8)工进时回油路总压力损失pPLP P 5.6 105(Pa)(6-9)将回油路中压力损失折算到进油路上，就可求出工进时回路中整个压力损 失p pp A2 2 105 5.6 1054.8 105(Pa) (6-10)A0.006快退时压力损失快退时进油路和回油路中经检查都是层流，进油路压力损失为:Pl16104.3 Q L16104.3 1.5 10 4 0.225 10 3 212451.4 10 (Pa)(6-11)5P 0.1 P 0.14 10 (Pa)进油路中油液流经单向阀、三位四通换向阀、单向调速阀(反向时)以及二位三通换向阀时压力损失计算方法同前21 1051.7 105(Pa)(6-12)0.417快退时进油路总压力损失：pPLP P 3.24 105(Pa)(6-13)快退时回油路中压力损失：由于 Q1 2Q2,则有165102.8 10 (Pa)(6-14)回油路总压力损失：pPlPP/ 5.54 105(Pa)(6-15)将回油路中的压力损失折算到进油路上去，可得到快推时回油路中的整个压力损失:(6-16)ppp电 3.24 105 5.54 1056 105(Pa)A 0.006这个数值比原来估计的数值大，因此系统中元件规格和管道直径不宜再减确定液压泵工作压力工进时，负载压力F 42 3925Pl 一 66.24(N / cm2) 6.624 105(Pa)(6-17)A164液压泵工作压力55PgjPlp (6.624 4.8) 1011.4 10 (Pa)(6-18)快退时，负载压力：F 70025Pl 21.88( N/cm )2.88 10 (Pa)(6-19)A 32液压泵的工作压力：PktPlp (2.88 6) 105 8.88 1 05(Pa)(6-20)根据Pgj，则溢流阀调整压力取12 105 Pa。液压系统的效率由于在整个工作循环中，工进占用时间最长，因此，系统的效率可以用工 进时的情况来计算。工进速度为 0.001: 0.0167m/s，则液压缸的输出功率为Nc FV 4239 0.001 4.239(W)(6-21)Nc FV 4239 0.0167 70.79(W)液压泵的输出功率：53Nb pQ 12 100.256 10307(W)(6-22)工进时液压回路效率：液压系统效率NcNb4.23930770.793070.014 : 0.23(6-23)Y C ,取液压泵效率B0.75，液压缸效率取Y 0.88，于是B Y C 0.75 0.88 (0.014 : 0.23)0.009 : 0.15(6-24)液压系统的发热温升验算液压系统总发热功率计算液压泵输入功率：N1pQ307409.3(W)B0.75(6-25)液压缸有效功率：N2Nc4.239(W)(6-26)系统总发热功率：H1N1N2409.3 4.239405(W)油箱散热面积：A 6.66疔 6.66竽(72 10 3)21.15(m2)(6-28)油液温升：THl ，取 G 15，则CT ATH1405.623.5C)(6-29)CT A 15 1.15温升没有超出允许范围25: 35 C的范围，液压系统中不需要设置冷却器 至此，该铣床液压系统设计计算宣告全部结束。参考文献1 王积伟，章宏甲，黄谊 . 主编 . 液压传动 . 机械工业出版社 .2 成大先 . 主编 . 机械设计手册单行本机械传动 . 化学工业出版社3 何玉林，沈荣辉，贺元成 . 主编 . 机械制图 . 重庆大学出版社 .4 路甬祥主编 . 液压气动技术手册 . 北京 . 机械工业出版社 .20025 雷天觉主编 .液压工程手册 .北京. 机械工业出版社 .1990