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专用铣床液压系统设计说明书


湖南农业大学工学院

课程设计说明书

课程名称:液压与气压传动 题目名称:液压专用铣床 班 级: 2010 级机械教育班




名:
号:20104091

指导教师: 评定成绩: 教师评语:

指导老师签名: 2013 年 月 日<

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摘要:……………………………………………………………………1 1、设计要求与题目……………………………………………………1 2、设计要求 3、设计题目 二、负载分析与速度分析…………………………………………………3 1.负载分析 2.速度分析 三、确定液压缸主要参数………………………………………………5 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 四、拟定液压系统图……………………………………………………8 1.选择基本回路 2.回路合成 五、液压元件的选择……………………………………………………9 1.液压泵及驱动电机功率的确定 2.元件、辅件选择 六、系统油液温验算…………………………………………………11 七、参考文献…………………………………………………………12

1

液压与气压传动课程设计 摘要:本文在专用铣床液压系统设计中,主要对专用铣床的液压系统进行了总
体设计, 根据工况条件对负载与速度进行了科学分析、 还拟定优化了液压系统图, 并且对液压缸参数确定、 液压元器件选择等方面进行了设计,并且从温升方面对 液压系统性能进行了验算。

关键词:液压系统 专用铣床 控制元件选择 性能验算 液压泵参数
一、 设计要求与题目

1、1 设计要求: 1.学生必须独立完成设计,可以搜集、参考同类机械资料,深入理解后才能 借鉴,但决不允许抄袭。 2.提交设计计算说明书一份。 3.液压传动系统原理图一张(CAD 绘制) 1、2 设计题目: 设计一台专用铣床, 工作台要求完成: 快进——工进—快退的自动工作循环。 设计要求如下: 铣床最大切削力 9000N, 铣床工作台重量 3000N, 工件夹具最大重量为 1000N, 工作台快进、快退速度为 4.5m/min,工作进给速度为 60~1000mm/min,启动、 减速制动时间为 0.05s,工作台导轨水平放置,静、动摩擦分别为 f s ? 0.2 ,

f d ? 0.1 ,工作台快进行程为 200mm。工作行程为 200mm。试设计该机床的液压系
统。

二 、负载分析与速度分析
1.负载分析 已知工作负载 Fw ? 9000N ,重力负载 FG ? 0 。
) 启动加速时 Ffs ? (3000? 1000 ? 0.2 ? 800N ,

快进、工进,快退时 Ffd ? (3000? 1000 ? 0.1 ? 400N 。 )
2

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 ? ? Fa ? 0.05 ,得到 Fa =612.24N。 载,由 9.8 60 忽略因切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影 响,取液压缸的机械效率

? 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 缸的负载 F 1124.71N 444.44N 10444.44N 444.44N

启动加 速 快 工 快 进 进 退

F ? Ffd ? Fa)?m ( /
F ? Ffd / ?m

F ? Ffd ? Fw)?m ( /
F ? Ffd / ?m

2.速度分析 已知快进、 快退速度 4.5m/min,工进速度为 600-1000mm/min。工作台快进行 程为 200mm。 工作行程为 200mm。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、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) 。

3

负载循环图

4

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。

5

二、确定液压缸主要参数
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 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 1044444 . = ≈46.4 cm 2 6 p1 ? 0.5 p2 (2.5 ? 0.5 ? 0.5) ?10

1 A1 = π D 2 4



D=

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 1 液压缸的有效面积 A1 = π D 2 =50.27 cm 2 , A2 = A1 - π d 2 =25.64 cm 2 4 4

工进时采用调速阀调速,其最小稳定流量 q min =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、流量和功率值 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。

6

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

输入功率

m 3 s ?1
—— ——

快 进 启动 快 进 恒速

P ? 1

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

1.66MPa

1.16MPa

q1 ? ( A1 ? A2 )v1

P ? p1q1
P1 ? F ? A2 p2 A1

444.44

1.20MPa

0.70MPa

0.185

0.13

工进

q1 ? A1v1

10444.44

0.5MPa

2.33MPa

0.005 ~ 0.084

0.0116 ~ 0.197

P ? p1q1
快 退 加速 快 退 恒速

P1 ?

F ? A1 p2 A2

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。

7

图 2-2

工况图

注:进油腔压力 p 单位为 MPa,输入流量 q 单位为 L.s-1,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)换向回路 为了使换向平稳,选用电液换向阀,为了实现液压缸中位停止,采用三位五 通电液换向阀。 (2)调速回路 因为液压系统功率不大,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。 (3)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, 并且设溢流阀起 稳压、安全保护作用。 (4)泵供油回路 由于系统最大流量与最小流量比约为 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,为了避免工进时效率损失大,选用限压式变量泵以节 约能源提高效率。 (6)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,选用行程阀与调速阀并 联的快慢速度换接回路,快速运动通过差动回路来实现。 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)为了防止油内杂质对系统的损害,需在油液进入液压泵前接入滤油器。 (2)为防止液压缸油压过高使油液倒流损害液压泵,因设置单向阀。 (3)防止工作时液压缸进油路、回油路相通,需接入单向阀。 (4)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。 (5)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。 (6)设置压力表以及压力表的开关。

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四、元件的选择
1.液压泵及驱动电机功率的确定 (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
P ? P2 。P1 为执行原件的最大工作压力,P ? 2.33MPa 。P2 为进油路的压力损失, 1 1

取 P2 =0.8MPa。 则 工 作 时 泵 的 最 高 压 力 为 P ? P2 =3.53Mpa , 选 择 泵 的 额 定 压 力 应 为 1

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 :

qP ? Kqmax ? 1.2 ? 0.192?10?3 m3 s ? 0.23?10?3 m3 s ? 13.8 L min 。由于工进时
做 需 要 的 最 大 流 量 为 0.084?10?3 m3 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 m3 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η v=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,则液压泵输出压力为 1.15+0.5=1.65Mpa。 液压泵的总效率为η p=0.8,液压泵流量为 13.8L/min。则电动机功率 为:

P ? p p qq /? p ? 1.65?106 ?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 (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
9

4-1 所示。

表 4-1 序号 元器件

液压控制元件 额定流量 L/min 40 40 75 型号

1 2 3

单向阀 溢流阀 三位五通电液换向阀

AJ-Hb10B Y1-F*16D-A/o 34DY*-B20H-T

4 5 6 7 8 9

行程阀 单向阀 溢流阀 压力继电器 单向阀 调速阀

40 40 25

22CH-D16B AJ-Hb10B Y1-F*16D-B/o PD-F*10D-A

40 25

AJ-Hb10B QA-F6/10D-A

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。 溢流阀 2 是为液压缸工进时保回油有一定的被压。
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(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: d=2
q πv

取吸油管 V1 =1m/s, 压油管 V2 =2.5m/s ,回油管 V 3 =2m/s 。 计算可得: d 1 =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 ? ?q ? 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 qq /? p , 计算可得输入功率为 441.2W,即 Pi =441.2W。
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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

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 =1.12m2 式中 V——油箱有效面积(m3) A——散热面积(m2) 。 采用风扇冷却,取散热系数 K 为 20W/(m2 ·0C),由试(9-13)得 t=Hi/KA=431.8/(20x1.12)=19.30C 即在温升允许范围内。

六、参考文献
(1)贺红尚, 《液压与气压传动》 、-2 版,长沙:中南大学出版社,2012.8 (2)贾铭新, 《液压传动与控制》 ,北京:国防工业出版社,2001 (3)黎启柏, 《液压元件手册》 ,北京:机械工业出版社,2000.08 (4)姜佩东, 《液压与气压传动》 ,北京:高等教育出版社,2000 (5)王春行, 《液压控制系统》 ,北京:机械工业出版社,1999

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