机械毕业设计1413万能外圆磨床液压传动系统设计.docx

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机械毕业设计1413万能外圆磨床液压传动系统设计

第一章引言

液压技术自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，已有300年的历史了，但其真正的发展只是在第二次世界大战后50余年的时间内，战后液压技术迅速向民用工业，在机床，工程机械，农业机械，汽车等行业中逐步推广。

本世纪60年代以来，随着原子能，空间技术，计算机技术的发展，液压技术得到了很大的发展，并渗透到各个工业领域中去。

当前液压技术正向高压，高速，大功率，高效，低噪音，经久耐用，高度集成化的方向发展。

随着科技步伐的加快，液压技术在各个领域中得到了广泛应用，液压系统已成为主机设备中最关键的部分之一。

但是，由于设计、制造、安装、使用和维护等方面的因素，影响了液压系统的正常运行。

因此，了解系统工作原理，懂得一些设计、制造、安装、使用和维护等方面的知识，是保证液压系统能正常运行并极大发挥液压技术优势的先决条件。

本文主要研究的是液压传动系统，液压传动系统的设计需要与主机的总体设计同时进行。

设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。

第二章万能外圆磨床

液压系统的设计步骤与设计要求

液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。

着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。

2.1设计步骤

    液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。

一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。

    1）确定液压执行元件的形式；

    2）进行工况分析，确定系统的主要参数；

    3）制定基本方案，拟定液压系统原理图；

    4）选择液压元件；

    5）液压系统的性能验算；

2.2明确设计要求

    设计要求是进行每项工程设计的依据。

在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。

    1）主机的概况：

用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等；

    2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；

    3）液压驱动机构的运动形式，运动速度；

    4）各动作机构的载荷大小及其性质；

    5）对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；

    6）自动化程序、操作控制方式的要求；

    7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；

8）对效率、成本等方面的要求。

第三章万能外圆磨床液压系统工作原理及特点

3.1万能外圆磨床液压系统工作原理

由万能外圆磨床液压系统图可见,这个系统利用工作台挡块和先导阀拨杆可以连续地实现工作台的往复运动和砂轮架的间隙自动进给运动,其工作情况如下。

1.工作台往复运动

在液压系统图的状态下，当开停阀处于右位时，先导阀都处于右端位置，工作台向右运动，主油路的油液流动情况为：

进油路：

液压泵—换向阀（右位）—工作台液压缸右腔；

回油路：

工作台液压缸左腔—换向阀（右位）—先导阀（右位）—开停阀（右位）—节流阀—油箱。

当工作台向右移到预定位置时，工作台上的左挡块拨动先导阀阀芯，并使它最终处于左端的位置上。

这时控制油路上a2点接通高压油、a1点接通油箱，使换向阀亦处于其左端位置上，于是主油路的油液流动变为

进油路：

液压泵—换向阀（左位）—工作台液压缸左腔；

回油路：

工作台液压缸右腔—换向阀（左位）—先导阀（左位）—开停阀（右位）—节流阀—油箱。

这时，工作台向左运动，并在其右挡块碰上拨杆后发生与上述情况相反的变换，使工作台右改变方向向右运动；如此不停的反复进行下去，直到开停阀拨向左位时才使运动停下来。

2.工作台换向过程

工作台换向时，先导阀先受到挡块的操纵而移动，接着又受到抖动缸的操纵而产生快跳；换向的操纵油路则先后三次变换通流情况，使其阀芯产生第一次快跳，慢速移动和第二次快跳。

这样就使工作台的换向经历了迅速制动、停留和迅速反向启动三个阶段。

当系统图中先导阀被拨杆推着向左移动时，它的右制动锥逐渐将通向节流阀的通道关小，使工作台逐渐减速，实现预制动。

当工作台挡块推动先导阀直到先导阀阀芯右部环行槽使a2点接通高压油，左部环行槽使a1点接通油箱时，控制油路被切换。

这时左、右抖动缸便推动先导阀向左快跳，因为此时左、右抖动缸进回油路为：

进油路：

液压泵—精滤油器—先导阀（左位）—左抖动缸；

回油路：

右抖动缸—先导阀（左位）—油箱。

由此可见，由于抖动缸的作用引起先导阀快跳，就使换向阀两端的控制油路一旦切换就迅速打开，为换向阀阀芯快速移动创造了液流流动条件，由于阀芯右端接通高压油，使液动换向阀阀芯开始向左移动，即

进油路：

液压泵—精滤油器—先导阀（左位）—单向阀I2—换向阀阀芯右端。

而液压换向阀阀芯左端通向油箱的油路先后有三种接通情况，开始阶段的情况如系统图所示，回油路线为：

回油路（变换之一）：

液动换向阀阀芯左端—先导阀（左位）—油箱。

由于回路畅通无阻，阀芯移动速度很大，主阀芯出现第一次快跳，右部制动锥很快的关小主回油路的通道，使工作台迅速制动。

当换向阀阀芯快速移动一小段距离后，它的中部台肩移到阀体中间沉割槽处，使液压缸两腔油路相通，工作台停止运动。

此后换向阀阀芯在压力油作用下继续左移时，直通先导阀的通道被切断，回油流动路线改为：

回油路（变换之二）：

液动换向阀阀芯左端—节流阀J—先导阀（左位）—油箱。

这时阀芯按节流阀J1调定的速度慢速移动。

由于阀体上的沉割槽宽度大与阀芯中部台肩的宽度，液压缸两腔油路在阀芯慢速移动期间继续保持相通，使工作台的停止持续一段时间，这就是工作台在反向前的端点停留。

最后，当阀芯慢速移动到其左部环行槽和先导阀相连的通道接通时，回油流动路线又改变成

回油路（变换之三）：

液动换向阀阀芯左端—通道b1—换向阀左部环槽—先导阀（左位）—油箱。

这时，回油路又畅通无阻，阀芯出现第二次快跳，主油路被迅速切换，工作台迅速反向启动，最终完成了全部换向过程。

3.砂轮架的快进快退运动

砂轮架的快进快退运动由快动阀操纵，由快动缸来实现。

在系统图的状态下，快动阀右位接入系统，砂轮架快速前进到其最前端位置，快进的终点位置是靠活塞与缸盖的接触来保证的，为了防止砂轮架在快速运动终点处引起冲击和提高快进运动的重复位置精度，快动缸的两端设有缓冲装置，并设有抵住砂轮架的闸缸，用以消除丝杠和螺母间的间隙。

快动阀左位接入系统时，砂轮架快速后退带其最后端位置。

4.砂轮架的周期进给运动

砂轮架的周期进给运动由进给阀操纵，由砂轮架进给缸通过其活塞上的拨爪棘轮、齿轮、丝杠螺母等传动副来实现。

砂轮架的周期进给运动可以在工件左端停留时进行，可以在工件右端停留时进行，也可以在工件两端停留时进行，，也可以不进行进给。

这些均由选择阀的位置决定。

在图示状态下，选择阀选定的是“双向进给”，进给阀在操纵油路的a1和a2点每次相互变换压力时，向左或向右移动一次，于是砂轮架便做一次间歇进给。

进给量的大小由拨爪棘轮机构调整，进给快慢及平稳性则通过调节节流阀J3、J4来保证。

5.工作台液动手动的互锁

工作台液动和手动的互锁由互锁缸来实现。

当开停阀处于图示位置时，互锁缸内通入压力油，推动活塞使齿轮z1、z2脱开，工作台运动时就不会带动手轮转动。

当开停阀左位接入系统时，互锁缸接通油箱，活塞在弹簧作用下移动，使z1、z2啮合，工作台就可以通过摇动手轮来移动，以调整工件。

6.尾架顶尖的退出

尾架顶尖的退出是由一个脚踏式的尾架阀操纵，由尾架缸来实现。

尾架顶尖只在砂轮架快速退出时才能后退以确保安全，因为这时系统中的压力油必须在快动阀左位接入时才能通入尾架阀处。

7.机床的润滑

液压泵输出的油液有一部分经精滤油器到达润滑稳定器，经稳定器进行压力调节及分流后，送至导轨、丝杠螺母、轴承等处进行润滑。

8.压力的测量

系统中的压力可通过压力表开关由压力表测定，如：

在压力表开关处与左位时测出的是系统的工作压力，而在右位时则可测出润滑系统的压力。

3.2万能外圆磨床液压系统的特点

1.该液压系统采用了活塞杆固定式双杆液压缸，保证了左、右两个方向运动速度一致，又减少了机床的占地面积。

2.采用了结构简单的节流阀式调速回路，功率损失小，这对调速范围不大，负载较小且基本恒定的磨床来说是合适的。

此外，由于采用了回油节流调速回路，液压缸回油中有背压力，可以防止空气渗入液压系统，且有助于工作稳定和加速工作台的制动。

3.系统采用了HYY21/3P-25T型快跳操纵箱，结构紧凑，操纵方便，换向精度和换向平稳性都较高。

此外，这种操纵箱使工作台能作很短距离的高频抖动，有利于提高切入式磨削和阶梯轴磨削的加工质量。

第四章制定基本方案和绘制液压系统图

4.1制定基本方案

（1）制定调速方案

    液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。

    方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。

对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。

对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

    速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。

相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。

    节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。

此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。

    容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。

其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。

但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。

此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。

    容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。

此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。

    节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。

进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。

    调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。

    节流调速一般采用开式循环形式。

在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。

开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。

容积调速大多采用闭式循环形式。

闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。

其结构紧凑，但散热条件差。

（2）制定压力控制方案

    液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。

在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。

    在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。

液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。

在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。

    （3）制定顺序动作方案

    主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。

工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。

加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。

行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。

另外还有时间控制、压力控制等。

例如液压泵无载启动，经过一段时间，当泵正常运转后，延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。

压力控制多用在带有液压夹具的机床、挤压机压力机等场合。

当某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力达到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下一个动作。

    （4）选择液压动力源

    液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。

节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。

容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。

    为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。

对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。

对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。

油液的净化装置是液压源中不可缺少的。

一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。

为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。

根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

4.2绘制液压系统图

    万能外圆磨床液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。

各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。

注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。

要尽量减少能量损失环节。

提高系统的工作效率。

    为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。

见图4-1；

图4-1液压系统原理图

第五章万能外圆磨床

液压元件的选择与专用件设计

 5.1液压泵的选择

    1）确定液压泵的最大工作压力pp

       pp≥p1+Σ△p                    

    式中p1——液压缸或液压马达最大工作压力；

   Σ△p——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。

Σ△p的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：

管路简单、流速不大的，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路复杂，进口有调阀的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。

    2）确定液压泵的流量QP多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

QP≥K（ΣQmax）   

    式中K——系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3；

    ΣQmax——同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t）图上查得。

对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5×10-4m3/s。

    系统使用蓄能器作辅助动力源时

    式中K——系统泄漏系数，一般取K=1.2；

       Tt——液压设备工作周期（s）；

       Vi——每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量（m3）；

        z——液压缸或液压马达的个数。

3）选择液压泵的规格根据以上求得的pp和Qp值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或本手册中选择相应的液压泵。

为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%。

    4）确定液压泵的驱动功率在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即（p-t）、（Q-t）图变化较平缓，则

    式中pp——液压泵的最大工作压力（Pa）；

        QP——液压泵的流量（m3/s）；

       ηP——液压泵的总效率，参考表5-1选择。

表5-１液压泵的总效率

液压泵类型

齿轮泵

螺杆泵

叶片泵

柱塞泵

总效率

0.6～0.7

0.65～0.80

0.60～0.75

0.80～0.85

限压式变量叶片泵的驱动功率，可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。

一般情况下，可取pP=0.8pPmax，QP=Qn，则

    式中

——液压泵的最大工作压力（Pa）；

——液压泵的额定流量（m3/s）。

    在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即（Q-t），（p-t）曲线起伏变化较大，则须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率

    式中t1、t2、…tn——一个循环中每一动作阶段内所需的时间（s）；

         P1、P2、…Pn——一个循环中每一动作阶段内所需的功率（W）。

按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。

电动机允许的短时间超载量一般为25%。

5.2液压阀的选择

    1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。

溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。

控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。

2）阀的型式，按安装和操作方式选择。

5.3蓄能器的选择

根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。

    1）液压执行元件短时间快速运动，由蓄能器来补充供油，其有效工作容积为

    式中A——液压缸有效作用面积（m2）；

        l——液压缸行程（m）；

        K——油液损失系数，一般取K=1.2；

       QP——液压泵流量（m3/s）；

        t——动作时间（s）

    2）作应急能源，其有效工作容积为：

    式中

——要求应急动作液压缸总的工作容积（m3）。

有效工作容积算出后，根据有关蓄能器的相应计算公式，求出蓄能器的容积，再根据其他性能要求，即可确定所需蓄能器。

5.4管道尺寸的确定

（1）管道内径计算

    式中 Q——通过管道内的流量（m3/s）；

        υ——管内允许流速（m/s），见表5-2:

计算出内径d后，按标准系列选取相应的管子。

（2）管道壁厚δ的计算

表5-２允许流速推荐值

管道

推荐流速/（m/s）

液压泵吸油管道

0.5～1.5，一般常取1以下

液压系统压油管道

3～6，压力高，管道短，粘度小取大值

液压系统回油管道

1.5～2.6

    式中p——管道内最高工作压力（Pa）；

        d——管道内径（m）；

       [σ]——管道材料的许用应力（Pa），[σ]=

；

σb——管道材料的抗拉强度（Pa）；

       n——安全系数，对钢管来说，p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa时，取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。

5.5油箱容量的确定

初始设计时，先按经验公式（31）确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。

    油箱容量的经验公式为

V=αQV          

    式中QV——液压泵每分钟排出压力油的容积（m3）；

        α——经验系数，见表5-3。

表5-3 经验系数α

系统类型

行走机械

低压系统

中压系统

锻压机械

冶金机械

α

1～2

2～4

5～7

6～12

10

 在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。

第六章磨床中上料机的液压系统进行设计计算

本章对磨床中上料机的液压系统进行设计计算。

要求驱动它的液压传动系统完成快速上升—慢速上升—停留—快速下降的工作循环。

其垂直上升工件的重力为5000N，滑台的重量为1000N，快速上升行程350mm，速度要求≥45mm/s；慢速上升行程为100mm，其最小速度为8mm/s；快速下降行程为450mm，速度要求≥55mm/s，滑台采用V形导轨，其导轨面的夹角为90度，滑台与导轨的最大间隙为2mm，起动加速和减速时间均为0.5s，液压缸的机械效率为0.91。

6.1负载分析

1.工作负载

FL=FG=（5000+1000）N=6000N

2.摩擦负载

Ff=fFn/sin（∝/2）

由于工件为垂直起升，所以垂直作用于导轨的载荷可由其间隙和结构尺寸求得Fn=120N，取fs=0.2，fd=0.1则有

静摩擦负载Ffs=（0.2*120/sin45）=33.94N

动摩擦负载Ffd=（0.1*120/sin45）=16.97N

3.惯性负载

加速Fa1=（G/g）*（△v/△t）=（6000/9.81）*（0.045/0.5）=55.05N

减速Fa2=（G/g）*（△v/△t）=（6000/9.81）*（0.045-0.008）/0.5=45.26N

制动Fa3=（G/g）*（△v/△t）=（6000/9.81）*（0.008/0.5）=9.79N

反向加速Fa4=（G/g）*（△v/△t）=（6000/9.81）*（0.055/0.5）=67.28N

反向制动Fa5=Fa4=67.82N

根据以上计算。

考虑到液压缸垂直安放，其重量较大，为防止因自重而自行下滑，系统中应设置平衡回路。

因此在对快速向下运动的负载分析时，就不考虑滑台的重量。

6.2液压缸主要参数的确定

1.初选液压缸的工作压力

根据分析此设备的负载不大，按类型属机床类，所以初选液压缸的工作压力为2.0Mpa。

2.计算液压缸的尺寸

A=F/P=6672.55/2000000m

=33.36/10000m

D=4A/=（4*33.36）/（10000*3.14159）m

=6.52/100m

按标准取：

D=63mm。

根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：

D/（D-d）=55/45

d=26.86mm

按标准取d=25mm。

则液压缸的有效面积为：

无杆腔面积A1=D/4=（/4）*6.3cm=31.17cm

有杆腔面积A2=（D–d）/4=（6.3–2.5）/4cm=26.26cm

3.活塞杆稳定性校核

因为活塞杆总行程为450mm，而活塞杆直径为25mm，l/d=450/25=18>10，需要进行稳定性校核，由材料力学中的有关公式，根据该液压缸一端支承一打铰接取末端系数∮2=2，活塞杆材料用普通碳钢则：

材料强度试验值f=4.9*10Pa，系数=1/5000，柔性系数∮1=85，Rk=J/A=d/4=6.25，因为l/Rk=72<∮1∮2=852=120，所以有其临界载荷Fk

Fk=197413.15N

当取安全系数为4时，Fk/nk=49353.29N>6672.55N

所以，满足稳定性条件。

6.3拟订液压系统图

液压系统图的拟订，主要考虑以下几个方面的问题：

1.供油方式

该系统在快上和快下时做需流量较大，且比较接近。

在慢上时所需的流量较小，因此从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，采用单个定量泵的供油方式显然是不合适的，宜选用双联式定量叶片泵作为油源。

2.调速回路

该系统在慢速时速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的回油节流调速回路。

3.速度换接回路

由于快上和慢上之间速度需