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液压专用铣床液压系统设计


湖南农业大学工学院

课程设计说明书

课程名称: 课程名称:液压与气压传动 题目名称: 题目名称:液压专用铣床 班 级: 2008 级机电专业 02 班




名:成夏亮
号:200840614403

指导教师:莫亚武 评定成绩: 教师评语:

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指导老师签名: 2011 年 月 日





一、负载分析与速度析…………………………………………………3 负载分析与速度析 1.负载分析 2.速度分析 确定液压缸主要参数………………………………………………5 二、确定液压缸主要参数 1.初选液压缸的工作压力 2.计算液压缸结构参数 3.计算液压缸在工作循环各阶段压力、流量和功率值 拟定液压系统图……………………………………………………8 三、拟定液压系统图 1.选择基本回路 2.回路合成 液压元件的选择……………………………………………………9 四、液压元件的选择 1.液压泵及驱动电机功率的确定 2.元件、辅件选择 五、系统油液温验算…………………………………………………11 系统油液温验算 六、参考文献…………………………………………………………12 参考文献

1

液压与气压传动课程设计
题目:设计一台专用铣床,工作台要求完成:快进——工作进给—快退—— 停止的自动工作循环。设计要求如下: 铣床工作台的重量 4000N,工件夹具重量为 1500N,工作台快进、快退速度 为 4.5m/min,工作进给速度为 0.06~1m/min,往复运动加,减速时间为 0.05s, 工作台采用平导轨,静、动摩擦分别为 f s = 0.2 , f d = 0.1 ,工作台快进行程为 0.3m。工作行程为 0.1m。试设计该机床的液压系统。

一 、负载分析与速度分析
1.负载分析 . 已知工作负载 Fw = 9000 N ,重力负载 FG = 0 。 启动加速时 Ff = 4000 × 0.2 = 800 N , 快进、工进,快退时 Ff = 4000 × 0.1 = 400 N 。 按加减速时间和运动部件的重量,根据动量定理 mv = Ft ,计算可得惯性负 4000 4.5 载,由 × = Fa × 0.05 ,得到 Fa =612.24N。 9.8 60 取液压缸的机械效率 η m =0.9,则液压缸工作阶段的负载值见表 1-1 表 1-1 液压缸在各个工作阶段的负载值 工 况 计 算 公 式
F = Ff + Fa)η m ( /

缸的负载 F
1569.16N 444.44N 10444.44N 444.44N

启动加 速 快 工 快 进 进 退

F = Ff / η m
F = Ff + Fw)η m ( /

F = Ff / η m

2.速度分析 已知快进、快退速度 4.5m/min,工进速度为 0.06~1m/min。工作台快进行程 为 0.3m。工作行程为 0.1m。按上述分析可绘制出负载循环图和速度循环图。由 于往复加减速时间只有 0.05s, 加减速度最大行程只有 0.002m。 所以相对于快进、
2

工进行程,加减速度的行程很小,可忽略不计!但是为了表示较为直观,所以将 往复加、减速度的行程采用了夸大画法! (详见下图) 。

负载循环图

3

速度循环图 注:在上两图中,代号 1 为启动加速,2 为快进,3 为工进,4 为制动,5 为加速, 6 为快退,7 为制动。

4

二、确定液压缸主要参数
1.初选液压缸的工作压力 1.初选液压缸的工作压力 由最大负载值为 10444.44N,查表 9-3,取液压缸工作压力为 2.5MPa。 2.计算液压缸结构参数 2.计算液压缸结构参数 为使工作台液压缸快进与快退速度相等, 选用单出杆活塞差动连接的方式实 现快进,设液压缸两有效面为 A1 和 A2,且 A1 =2 A2 ,即 D= 2 d,查表 9-1 取回油 路背压为 0.5MPa,液压缸快退时背压取 0.5MPa。 由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程 p1 A1 = p2 A2 + F ,可得

A1 =

F 10444.44 = ≈46.4 cm 2 6 p1 ? 0.5 p2 (2.5 ? 0.5 × 0.5) × 10
则 D=

1 A2 = πD 2 4

4A1 ≈7.69cm=76.9mm π

查表 4-4 圆整取 D=80mm。 又因为 d= 2 D ,得出 d=56.56mm,查表 4-6 将其圆整为 d=56mm,计算出 2

1 液压缸的有效面积 A1 =50.27 cm 2 , A2 = A1 - πd 2 =25.64 cm 2 4 工进时采用调速阀调速,其最小稳定流量 qmin =0.05L/min,按(9-1)式进行 计算: q/v=8.33 cm 2 < A2 ,故满足要求。 3.计算液压缸在工作循环各阶段压力、 3.计算液压缸在工作循环各阶段压力、流量和功率值 计算液压缸在工作循环各阶段压力 差动时液压缸有杆腔压力大于无杆腔压力, 取两腔间回路及阀上的压力损失 为 0.5MPa, 即 p2 = p1 +0.5MPa ,计算结果见表 2-1。

5

液压缸在工作循环各阶段压力、 表 2-1 液压缸在工作循环各阶段压力、流量和功率值
流入流量

工 况

计 算 公 式

负载 F(N)

回油被压

进油压力

p2

p1

q1 /10 ?3
m 3 s ?1

输入功率

快 进 启动 快 进 恒速

P1 =

F + A2 ( p2 + p1 ) 1569.16 A1 ? A2

1.66MPa

1.16MPa

——

——

q1 = ( A1 ? A2 )v1 P = p1q1
P1 = F + A2 p 2 A1
444.44 1.20MPa 0.70MPa 0.185 0.13

工进

q1 = A1v1 P = p1q1
F + A1 p2 A2

10444.44

0.5MPa

2.33MPa

0.005 ~ 0.084

0.0116 ~ 0.197

快 退 加速 快 退 恒速

P1 =

1569.16

0.5MPa

1.59MPa

——

——

q1 = A2 v1 P = p1q1

444.44

0.5MPa

1.15MPa

0.192

0.22

把表 2-1 中计算结果绘制成工况图,如图 2-2 所示。

6

图 2-2

工况图
-1

注:进油腔压力 p 单位为 MPa,输入流量 q 单位为 L.s ,输入功率 P 单位为 Kw。

三、拟定液压系统图
1.选择基本回路 1.选择基本回路 (1)调速回路 因为液压系统功率小,并且只有进油负载,所以选用进油节流调速回路。为 有较好的低速平稳性和加速度负载特性,可选用调速阀调速,并在液压缸回路上 设置背压。 (2)泵供油回路 由于系统最大流量与最小流量比为 38 倍,且整个工作循环中,大部分时间 都是在工进状态下工作,为了避免共进时效率损失大,选用限压式变量泵以节约 能源提高效率。 (3)速度换接回路和快速回路 由于快进速度与工进速度变化较大,为了换接平稳,选用行程阀与节流阀并 联的快慢速度换接回路,快速运动通过差动回路来实现。 (4)换向回路 为了换向平稳,选用电液换向阀,为了实现液压缸中位停止和差动连接,采 用三位五通电液换向阀。 (5)压力控制回路 限压式变量泵本身能按预先调定的压力限制其最大的压力, 故无需另设安全 阀。 2.回路合成 对选定的基本回路在合成时,有必要进行整理、修改和归并。具体方法为: (1)防止工作时液压缸进油路、回油路相通,需接入单向阀要。 (2)要实现差动快进,必须在回油路上设置液控单向阀,以阻止油液流回 油箱。同时它与溢流阀串联。 (3)为防止机床停止工作时系统中的油液回油箱,应增设单向阀。 (4)设置压力表以及压力表的开关。

四、元件的选择
7

1.液压泵及驱动电机功率的确定 1.液压泵及驱动电机功率的确定 液压泵 (1)液压泵的工作压力 液压泵的在工进时工作压力最大。则液压泵的工作压力 P 大于或者等于

P1 + P2 。P1 为执行原件的最大工作压力,P1 = 2.33MPa 。P2 为进油路的压力损失,
取 P2 =0.8MPa。 则 工 作 时 泵 的 最 高 压 力 为 P1 + P2 =3.53Mpa , 选 择 泵 的 额 定 压 力 应 为 Pn = (3.53 + 3.53 × 25%) MPa 与 Pn = (3.53 + 3.53 × 60%) MPa 之 间 。 即 , 4.4125Mpa< Pn <5.648Mpa. (2)液压泵流量计算 取 系 统 泄 露 系 数 K=1.2 , 则 液 压 泵 的 流 量 为 :

q P = Kqmax = 1.2 × 0.192 × 10 ?3 m 3 s = 0.23 × 10 ?3 m 3 s = 13.8 L min 。由于工进时

做 需 要 的 最 大 流 量 为 0.084 × 10 ?3 m 3 s , 则 泵 的 工 进 时 最 大 稳 定 流 量 为 ,

q p1 = Kq1 = 1.2 × 0.084 × 10 ?3 = 0.10 × 10 ?3 m 3 s ,即 6 L min
(3)确定液压泵规格 查液压元件手册, 选用 YBN-20N-JB18, 其额定转速为 1500r/min, 容积效率为ηv=0.9,排量最大为 12.5ml/r,调压范围为 2-7Mpa。 (4)确定驱动电动机功率 由工况图表明,最大功率出现在快退阶段,取液压缸进油路上压 力损失为 0.5MPa,则液压泵输出压为 1.15+0.5=1.65Mpa。 液压泵的总效率为ηp=0.8,液压泵流量为 13.8L/min。则电动机功率 为:

P = p p qq / η p = 1.65 × 10 6 × 13.8 × 10 ?3 /(60 × 0.8) =474.4W
据此选用 Y802-4 型立式电动机,其额定功率为 0.75KW,转速为 1390r/min,此时液压泵流量为 17.375L/min,仍能满足系统要求。 2.元件、辅件选择 2.元件、辅件选择 元件 (1)根据实际工作压力及流量大小可选择液压元、辅件如下表 4-1 所示。

8

表 4-1 序 号 元件名称

液压控制元件 额定流量 L/min 型号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

溢流阀 单向阀 定差减压阀 三位五通电液换向阀 单向节流阀 三位四通电磁换向阀 调速阀 行程阀 压力继电器 单向阀 液控先导式顺序阀 溢流阀

40 40 40 75 25 7 25 40

Y1-F*16D-A/o AJ-Hb10B J-F*10D-P 34DY※-B20H-T ALF3 型(GE 系列) 34D※-B6C-T QA-F6/10D-A 22CH-D16B PD-F*10D-A

40 40 20

AJ-Hb10B XY-F*10D-P/0 Y1-F*16D-B/o

注:溢流阀(1)为防止系统压力突然升高,起到保护系统元件的作用。 定差减压阀是为了防止因线隙式过滤器堵塞而使得泵经溢流阀(1)卸荷, 导致长时间在高压下工作,起到保护泵,以及节约能量的作用。 行程阀的作用是为了将液压缸的动作由快进切为工进。 压力继电器的的作用是当工进速结束后,液压缸静止不动,系统压力升高, 这时压力继电器就发出电信号给 2YA 电磁铁, 是电磁铁得电, 进而改变液压缸的 运动方向,使液压缸实现快退的动作。 液控先导式顺序阀是为了实现有杆腔中的油液的流动方向的顺序动作。 溢流阀(2)为液压缸工进时保回油有一定的被压。 (2)油管的选择与计算 连接管选用尼龙管,承压能力 8MPa,价格低廉,弯曲方便。缺点,寿命较 短。 油管的计算主要确定油管内径和管壁的厚度。根据(6-5)式有:
9

d=2

q πv

取吸油管 V1 =1m/s, 压油管 V2 =2.5m/s ,回油管 V3 =2m/s 。 计算可得: d1 =15.6mm , d 2 =9.9mm, d 3 =11.0mm 因为采用尼龙管,所以壁厚计算略。 (3)油箱的容积 由于是中低压系统,所以油箱容积取液压泵流量的 5 倍,管道尺寸由连接 尺寸决定。 V = αq = 5× 13.8 =69L (4)过滤器的选择 按照过滤器的流量至少是液压泵总流量的两倍的原则, 取过滤器的流量为泵 流量的 2.5 倍。 q过滤器 = q输入 × 2.5 =(13.8X2.5)L/min=34.5L/min 采用两个过滤器,第一个采用网式过滤器,安装在液压泵的吸油口处。主要 保护泵。第二个采用线隙式过滤器,安装在泵的出油口处,用以保护系统中的其 他液压元件。 由于所设计铣床液压系统为普通的液压传动系统, 对油液的过滤精度要求不 高,查液压元件手册选网式过滤器的型号为 WU-40x180,流量为 40L/min,通经 为 20mm,过滤精度 180um,压力损失小于 0.01MPa。 线隙式过滤器的型号为 XU-J40x80,流量为 40L/min,通经为 20mm,过滤 精度 80um,压力损失小于 0.02MPa。

五、系统油液温升验算
系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段,所以可按工作状态来计算温 升。泵在工作状态下的压力为 3.53MPa,流量为 6L/min。由公式 P = p p q q / η p , 计算可得输入功率为 441.2W,即 Pi =441.2W。 液压缸的最小有效功率为
Po = Fv =(9000+400)x0.06/60=9.4W

系统单位时间发热量为
10

H i = Pi ? Po =441.2-9.4=431.8W 当油箱的高、宽、长比在 1:1:1 到 1:2:3 范围内,且油面高度为油箱高度的 80%时,油箱散热面积近似为 A=6.66 3 V 2 =1.12m 式中
2

V——油箱有效面积(m ) A——散热面积(m ) 。
2

3

采用风扇冷却,取散热系数 K 为 20W/(m · C),由试(9-13)得 t=Hi/KA=431.8/(20x1.12)=19.30C 即在温升允许范围内。

2

0

六、参考文献
(1)刘延俊, 《液压与气传动》 ,北京:机械工业出版社,2010.08 (2)黎启柏, 《液压元件手册》 ,北京:机械工业出版社,2000.08 (3)姜佩东, 《液压与气压传动》 ,北京:高等教育出版社,2000 (4)王春行, 《液压控制系统》 ,北京:机械工业出版社,1999 (5)贾铭新, 《液压传动与控制》 ,北京:国防工业出版社,2001 (6)雷天觉, 《液压工程手册》 ,北京:机械工业出版社,1990

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