液压与气压传动设计计算单面多轴钻孔组合机床液压系统

1各专业全套优秀毕业设计图纸 湖北文理学院 液压与气压传动设计计算说明书题 目： 单面多轴钻孔组合机床液 压系统 学生姓名： 学 号： 2012139141 所在院(系)： 机械与汽车工程学院 专 业： 汽车服务工程 班 级： 汽服1211班 指 导 教 师：3湖北文理学院课程设计 摘要 目 录摘 要11 设计方案拟定21.1 方案分析21.2 方案确定22 负载分析计算32.1 压系统的要求32.2 分析系统工况，确定主要参数32.2.1 确定执行元件32.2.3 负载图和速度图的绘制42.2.4 液压缸主要参数的确定53 液压系统原理图的拟定83.1 液压回路的选择83.2 流量和方向控制设计83.3 压力控制设计83.4 能耗控制设计84 液压元件的选择114.1 液压泵及驱动电机规格选择114.1.1 大、小泵最高工作压力计算114.1.2 总需供油量114.1.3 电动机的选择124.2 阀类元件及辅助元件的选择124.2.1阀类元件及辅助元件的选择124.2.2 油管134.2.3 油箱135 液压系统性能的验算155.1 验算系统压力损失并确定阀的调整值155.2 油液温升验算166 液压系统油箱结构设计186.1容积的确定186.2 壁厚、箱顶及箱顶元件的设计196.3 箱壁、清洗孔、吊耳、液位计的设计196.4 箱底、放油塞及支架的设计196.5 油箱内隔板及除气网的设置20参考文献21致 谢22摘 要现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。因此，液压与气压传动课程是工科机械类各专业都开设的一门重要课程。它既是一门理论课，也与生产实际有着密切的联系。为了学好这样一门重要课程，除了在教学中系统讲授以外，还应设置课程设计教学环节，使学生理论联系实际，掌握液压传动系统设计的技能和方法。液压传动课程设计的目的主要有以下几点：1、综合运用液压传动课程及其他有关先修课程的理论知识和生产实际只是，进行液压传动设计实践，是理论知识和生产实践机密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深提高和扩展。2、在设计实践中学习和掌握通用液压元件，尤其是各类标准元件的选用原则和回路的组合方法，培养设计技能，提高学生分析和嫁接生产实际问题的能力，为今后的设计工作打下良好的基础。3、通过设计，学生应在计算、绘图、运用和熟悉设计资料（包括设计手册、产品样本、标准和规范）以及进行估算方面得到实际训练。234湖北文理学院课程设计 设计方案拟定1 设计方案拟定1.1 方案分析对设计液压系统进行分析，已知设计的是一卧式单面多轴钻孔组合机床的液压系统，要求液压系统完成的工作循环是：快进工进快退停止。在设计过程中要注意液压设计的注意事项：在滑台的速度变化较大，当滑台由工进转为快退时，以减少液压冲击，须使用背压阀等。方案一：选用两个柱塞缸组合来实现工作循环所要求的快进、工进运动，在快进和快退时要求速度相等，通过差动连接来实现。系统在工作过程环境恶劣，时有冲击可通过在回油路上加背压阀来减少其对加工工件精度的影响。为了减少空间，油箱采用闭式油箱。由于其工况过程分段情况很大，节约能源，节约成本可采用变量泵来实现不同工况对油量的不同需要。闭式油箱，不易于散热，要附加散热器，增加了成本。方案二：选用单杆活塞缸来实现工作循环所要求的快进、工进运动，借鉴经典的实现快进、快退的连接方式，差动连接来实现，而对于有大冲击，工作阻力不定对加工过程的影响，采用使用在回油路上接背压阀和在进油路上用调速阀和行程阀的组合来实现。对于工况分段情况很大，借鉴同类机床多数采用双泵供油来节约能源。为减少热变形对加工精度的影响，减少热源，选用远离机床床身的开式油箱。方案三:选用单杆活塞缸来实现工作环循环所要求的快进、工进运动，对运动方向的改变可以二位二通电磁换向阀来、单向阀和调速阀来实现。液压泵选用变量泵，这种方案就是在快进的时候油液流经阀的速度快，流量大，局部损失大，油液发热高，使液压液的粘性降低，影响系统的稳定性 。1.2 方案确定综合比较方案一、方案二和方案三，从经济成本、以往同类成功机床的例子和可操作性考虑后，选用方案二。方案二的具体设计过程如下。湖北文理学院课程设计12 负载分析计算2 负载分析计算2.1 压系统的要求由于设计一卧式单面多轴钻孔组合机床的液压系统，要求液压系统完成的工作循环是：快进工进快退停止，系统参数如下表，动力滑台采用平面导轨，其静，动摩擦系数分别为0.2，0.1往复运动的加减速时间要求不大于0.2s。2.2 分析系统工况，确定主要参数2.2.1 确定执行元件由于机床要求液压系统完成的是直线运动，最大行程为：240mm,其属于短行程，故选用执行元件为：液压缸。(其具体的参数在后面经计算后再确定)2.2.2 分析系统工况工作负载 Fa=22000惯性负载阻力负载 静摩擦阻力动摩擦阻力由此得出液压缸在各工作阶段的负载如下表21所示：表2-1 液压缸在各工作阶段的负载 （单位：N）工况负载组成负载值F推力起动9801089加速672746快进490544工进2249024988快退490544注:1液压缸的机械效率通常取0.90.95,此处取0.9。2不考虑动力滑台上颠覆力矩的作用。参考资料12.2.3 负载图和速度图的绘制负载图按上面表中数值绘制,如图11。速度图按已知数值, 、，快退行程和工进速度等的绘制，如图12，V2=0.030m/minV(m/min)p/MPa,q(l/min),p/KW 图2.1 负载图 图 2.2 速度图2.2.4 液压缸主要参数的确定a 初选系统工作压力由资料2中表11-2可知，卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统的最大负载为25000N时，可以取34MPa，参考资料1中表42.45中推荐液压系统的公称压力，取=3.5MPa。b 确定液压缸型式、规格及尺寸由于工作进给速度与快速运动速差较大，且快进、快退速度要求相等，从降低总流量需求考虑，确定采用最适的差动液压缸。利用这时活塞杆较粗可以通油的有利条件，沿用活塞杆固定，缸体随滑台运动的常用典型安装形式。由于快进、快退的速度相等，故可以知，推出液压缸特征：。钻孔加工时，液压缸回路上必须具有背压，以防孔被钻通时突然消失而造成滑台突然前冲而设置的回油腔背压0.8MPa。快进时液压缸虽作差动联接，但由于油管中有压降存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时可取。快退时回油腔中是有背压的，这时可按0.6MPa估算。可以算出工作腔需要的工作面积由工进时的推力式（53）得：故有 ；根据资料1表42.42（液压缸缸筒内径尺寸系列）和表42.43（液压缸活塞杆外径尺寸系列）将这些直径圆整成就近标准值时得;D=100mm,d=70mm。由此求得液压缸两腔的实际有效面积为：经检验，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。c 计算最大流量需求：此流量较为适中，可以接受。根据以上D与d的值，可估算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如表2-2所示。表22 液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值工况计算公式推力回油腔压力 进油腔压力输入流量输入功率快 进起动108900.283_加速7461.2130.713_恒速5441.120.6613.480.148工进,249880.83.590.240.014快 退起动108900.272加速7460.61.36恒速5440.61.31140.306并根据此绘出工况图如图23p/MPa,q(l/min),p/KW图 2.3 组合机液压缸工况3 液压系统原理图的拟定3.1 液压回路的选择钻削负载为阻力负载，在钻入铸件表面及钻通孔时的开始和结束时间存在先后等因素影响下，负载存在突变的可能。但从工况图2.3中可知功率较小，故工作进给采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式。由于液压系统选用了节流节流调速的方式和为了更好的散热，系统中油液的循环选项取是开式的。3.2 流量和方向控制设计快进、工进采用与调节器速阀并联的两位二通阀换接实现。差动液压缸实现快进时，需要能利用回流的差动回路配合，故选用三位五通阀实现通断、换向、差动连接等功能。由于流量及功率均较小，控制阀均用普通滑阀式结构。另外尚需要采用单向阀配合控制油流方向。3.3 压力控制设计系统工作压力由溢流阀控制调节。负载阻力在钻削过程中的突变，特别是加工完毕后负载突然消失，采用附有压差补偿控制的调速阀，而不用节流阀，再在回流路上附加可调背压阀，就可使工作速度稳定和避免发生前冲现象。3.4 能耗控制设计在流量、方向和压力液压系统关键参数决定后，还要考虑能耗控制，用尽量少的能量来实现控制，以达到节能的目的和降低生产成本的目的。由工况图知： (快进所花时间) (工进所花时间) （快退所花时间）数据表明： 即，这表明在一个工作循环中的大部分时间都处于高压小流量工作。从提高系统效率、节省能量角度来看，选用单定量泵油源显然是不合理的，为此可选用限压式变量泵或双联叶片泵作为油源。此系统大部分时间在高压小流量下工作显然采用单定量泵溢流动力源，长时大流量溢流会造成能量大量损失，是不可取的。考虑到前者流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，且后者可双泵同时向液压缸供油实现快速运动，最后确定选用双联叶片泵方案，。故在此采用双泵供油动力源，有得于降低度能耗，有利于生产成本。如图3.1-a所示。（a）油源 （b）换向回路 （c）速度换接回路图3.1 液压回路的选择元件为了防止快进转工进时速差变化太大，达倍而产生压力冲击，选择快速运动和换向回路 本系统已选定液压缸差动连接和双泵供油两种快速运动回路实现快速运动。考虑到从工进转快退时回油路流量较大，故选用换向时间可调的电液换向阀式换向回路，以减小液压冲击。由于要实现液压缸差动连接，所以选用三位五通电液换向阀，选用电液控制型，以利于按要求调节换向过和的时间，防止压力冲击。如图3.1-b所示。切换速度用的二位二通阀先用行程式开关控制型。如图3.1-c所示。背压阀选用可调的，以备根据工作需要调节。为了解决滑台工进时进、回油路串通使系统压力无法建立的问题，增设了单向阀a。为了解决滑台快进的时候回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀8，这里作背压阀。以阻止油液在快进阶段返回油箱。为了避免机床停止工作时回路中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动的平稳性，图中添置了一个单向阀11。考虑到这台机床用于钻孔（通孔与不通孔）加工，对位置定位精度要求较高，图中增设了一个压力继电器15。当滑台碰上死挡块后，系统压力升高，它发出快退信号，操纵电液换向阀换向。在进油路上设有压力表开关和压力表。钻孔行程终点定位精度不高，采用行行程开关控制即可。综合以上设计和优化后可给出3.2液压系统原理图：图3.2 液压系统原理图15湖北文理学院课程设计 液压元件的选择4 液压元件的选择4.1 液压泵及驱动电机规格选择4.1.1 大、小泵最高工作压力计算液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为3.59Mpa，由表11-4得，进油路压力损失的范围为0.51.5Mpa，取进油路上的压力损失为0.8Mpa，压力继电器调整压力高出系统工作压力之值为0.5Mpa则小泵的最大工作压力为大泵快退时液压缸的工作压力比快进大，取进油路上的压力损失为0.5MPa,则大流量的最高工作压力为4.1.2 总需供油量两个泵应向液压缸提供最大的流量为14L/min,若回路中的泄露按液压缸输入流量的10%计算，则两缸的总流量为：工进进给时需流量为),但不得不考虑溢流阀的最小稳定溢流量,故小流量泵的供油量最少应为。据据以上压力和流量的数值，上网查YUKEN日本油研PV2R型双联叶片泵，选取PV2R126/26型双联叶片泵，其小泵的排量为，大泵的排量为，若取液压泵的容积效率=0.9，则当泵的转速=940r/min时，液压泵的实际输出流量为：由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵泵工作为1.81 MPa流量为。取泵的总效率=0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为：4.1.3 电动机的选择根据此数值，查资料4中表939，选取Y90L6型电动机，其额定功率=1.1KW，额定转速=910r/min。4.2 阀类元件及辅助元件的选择4.2.1阀类元件及辅助元件的选择表41 阀类元件及辅助元件的选择序号元件名称估计通进阀的流量规格额定流量额定压力MPa型号1双联叶片泵(5.1+22)查得只知最高压力为：16 MPaPV2R126/26=(6+26)ml/r2三位五通电液阀50801635DY-100BY3行程阀60631622C-100BH4调速阀0.5616Q-6B5单向阀606316I-100B6单向阀256316I-63B7液控单向阀226316YDF63B8背压阀0.36316B-10B9溢流阀5.16316Y-10B10压力表开关K-6B11单向阀226316I-100B12单向阀606316I-63B13顺序阀32636.3XY-63B14过滤器36506.3XU-50 2004.2.2 油管各元件间边接管道的规格按元件接口处尺寸决定，液压缸进、出油管见分晓按输入、排出的最大流量计算。由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算如下表4-2所示。表中的数值说明，液压缸快进、快退的速度与、与设计相近。这表明上边所选液压泵的型号、规格是合适的。表42液压缸的进、出流量和运动速度流量、速度快进工进快退输入流量排出流量 运动速度根据表42中数值，当油液在压力管中流速取5m/min时，按资料2中7-9算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：取标准值18mm取标准值15mm这两根油管都根据资料1表42.7133选用公称通径为和的无缝钢管。4.2.3 油箱油箱容积按式78估算，取时，求得其容积为按JB/T79381999规定，取标准值V=250L。16湖北文理学院课程设计 液压系统性能的验算第 17 页 共 23 页湖北文理学院课程设计 液压系统性能的验算第 17 页 共 22 页湖北文理学院课程设计 液压系统性能的验算5 液压系统性能的验算本系统属压力不高的中低压范围，无迅速起动、制动需求，设计中已考虑了防冲击可调节环节及相关防冲措施；故不必进行冲击验算。这里仅验算系统压力损失并确定压力阀的调整值和油液温升验算。5.1 验算系统压力损失并确定阀的调整值由于系统的管路布置尚未具体确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故只能先按书上式346估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局图后，加上管路的沿程损失和局部损失即可。但对于中小型液压系统，管路的压力损失甚微，可以不予考虑。压力损失的验算应按一个工作循环中不同阶段分别进行。快进滑台快进时，液压缸差动连接，由表41和表42可知，进油路上油液通过单向阀12的流量是22L/min,通过电流换向阀2的流量是27.1L/min,然后与液压缸有杆腔的回油汇合，以流量55.28L/min通过行程阀3并进入无杆腔。因此进油路上的总压降为：此值不大，不会使压力阀开启，故能确保两个泵的流量全部进入液压缸。回油路上，液压缸有杆腔中的油液通过电液换向阀2和单向阀6的流量都是21.94L/min,然后与液压泵的供油合并，经行程阀3流入无杆腔。由此可算出快进时有杆腔压力与无杆腔压力之差。此值小于原估值0.5MPa，所以是偏安全的。工进工进时，油液在进油路上通过电液换向阀2的流量为0.5L/min，在调速阀4处的压力损失为0.5MPa；油液在回油路上通过电液换向阀的流量是0.24L/min，在液控单向阀7处的流量为22+0.24=22.24L/min,在背压阀8处的压力损失为为19湖北文理学院课程设计 液压系统性能的验算0.5MPa。因此这时液压缸回油腔的压力为：因为0.537MPa小于原估计值0.8Mpa，故可按照表11-6中公式重新计算工进时液压缸进腔压力，即：与表中的3.59MPa相近。考虑到压力继电器可靠动作需要压差。故溢流阀的调压为：快退快退时，油液在进油路上通过单向阀12的流量为22L/min，通过电液换向阀2的流量为27.1L/min；油液在回油路上通过单向阀5、换向阀2和单向阀11的流量都是57.52L/min。因为进油路上总压降为：此值较小，所以液压泵驱动电动机的功率是足够的。回油路上的总压降为：故快退时液压泵的最大工作压力应为因此大流量液压泵卸荷的顺序阀7的调压应大于1.442 MPa。5.2 油液温升验算工进在整个工作循环中所占比因此系统发热和油液温升可用工进时的情况来计算。工进时液压缸的有效功率（即系统输出功率）为这时大流量泵通过顺序阀13卸荷，小流量泵在高压下供油，所以两泵的总输出功率（即系统输入功率）为：由此得液压系统的发热量为按书上112求出油液温升近似值温升没有超出允许范围，液压系统中不需设置冷却器。23湖北文理学院课程设计 液压系统油箱结构设计6 液压系统油箱结构设计6.1容积的确定油箱的体积为：（此处取0.8参照资料2给出的值。） =0.3125且选择开式油箱，考虑到油箱的整体美观大方,将其设计成为带支撑脚的长方体形油箱。所以其长、宽、高尺寸均按国家规格选取，其外形图如图6所示。图6.1 油箱外形图根据有关手册及资料初步确定其外形尺寸为如表7-1所示：表6.1 油箱的轮廓参数工作容量工作容积B1B21L12L21HD2最小壁厚250L46L620mm570mm1010mm912mm670mm14mm3mm6.2 壁厚、箱顶及箱顶元件的设计由表中数据分析可采取钢板焊接而成，故取油箱的壁厚为：，并采用将液压泵安装在油箱的上表面的方式，故上表面应比其壁要厚，同时为避免产生振动，则顶扳的厚度应为壁厚的4倍以上，所以取：，并在液压泵与箱顶之间设置隔振垫。在箱顶设置回油管、泄油管、吸油管、通气器并附带注油口，即取下通气帽时便可以进行注油，当放回通气帽地就构成通气过滤器，其注油过滤器的滤网的网眼小于，过流量应大于40L/min。另外，由于要将液压泵安装在油箱的顶部，为了防止污物落入油箱内，在油箱顶部的各螺纹孔均采用盲孔形式，其具体结构见油箱的结构图。6.3 箱壁、清洗孔、吊耳、液位计的设计在此次设计中采用箱顶与箱壁为不可拆的连接方式，由于油箱的体积也相对不大，采用在油箱壁上开设一个清洗孔，在法兰盖板中配以可重复使用的弹性密封件。法兰盖板的结构尺寸根据油箱的外形尺寸按标准选取，具体尺寸见法兰盖板的零件结构图，此处不再着详细的叙述。为了便于油箱的搬运，在油箱的四角上焊接四个圆柱形吊耳，吊耳的结构尺寸参考同类规格的油箱选取。在油箱的箱体另一重要装置即是液位计了，通过液位计我们可以随时了解油箱中的油量，同时选择带温度计的液位计，我们还可以检测油箱中油液的温度，以保证机械系统的最佳供油。将它设计在靠近注油孔的附近以便在注油时观察油箱内的油量。6.4 箱底、放油塞及支架的设计在油箱的底设置放油塞，可以方便油箱的清洗和换油，所以将放油塞设置在油箱底倾斜的最低处。同时，为了更好地促使油箱内的沉积物聚积到油箱的最低点，油箱的倾斜坡度应为：。在油箱的底部，为了便于放油和搬运方便，在底部设置支脚，支脚距地面的距离为150mm，并设置加强筋以增加其刚度，在支脚设地脚螺钉用的固定。6.5 油箱内隔板及除气网的设置为了延长油液在油箱中的逗留时间，促进油液在油箱中的环流，促使更多的油液参与系统中的循环，以更好地发挥油箱的散热、除气、沉积的作用，在油箱中的上下板上设置隔板，其隔板的高度为油箱内油液高度的2/3以上。并在下隔板的下部开缺口，以便吸油侧的沉积物经此缺口至回油侧，经放油孔排出。在油箱中为了使油液中的气泡浮出液面，并在油箱内设置除气网，其网眼的直径可用网眼直径为0.5mm的金属网制成，并倾斜布置。在油箱内回油管与吸油管分布在回油测和吸油测，管端加工成朝向箱壁的 斜口，以便于油液沿箱壁环流。油管管口应在油液液面以下，其入口应高于底面23倍管径，但不应小于20mm，以避免空气或沉积物的吸入或混入。对泄油管由于其中通过的流量一般较小，为防止泄油阻力，不应插入到液面以下。另外在油箱的表面的通孔处，要妥善密封，所以在接口上焊上高出箱顶20mm的凸台，以免维修时箱顶的污物落入油箱。参考文献1 李壮云主编 .中国机械设计大典第五卷 . 江西：江西科学出版社，2002年2 液压传动第二版，王积伟等主编，机械工业出版社，2006.12 ISBN 978-7-111-03745-33 液压站设计与使用张利平编著，-北京 海洋出版社，2004.2 ISBN 7-5027-111-6081-44机械设计课程设计席伟光，杨光，李波主编。-北京 高等教育出版社，2003 总结通过一周时间的努力，通过对组合机床液压系统设计，让我真正地将课本知识融会贯通，在设计过程中，得到了同学的帮助和龚老师的指导，在此十分感谢他们。