四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计课程设计报告书.docx
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四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计课程设计报告书
液压与气压传动
课程设计
题目：
四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计
专业：
机械设计制造及自动化
班级：
：
学号：
指导教师：
液压与气压传动课程设计任务书
一、主要任务与目标
任务：
四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计
钻孔动力部件质量m=200kg，液压缸的机械效率ηw=0.9，钻削力Fe=16000N，工作循环为：
快进→工进→死挡铁停留→快退→原位停止。
行程长度为1500mm，其中，工进长度为50mm，快进、快退速度为75mm/s,工进速度为1.67mm/s。
导轨为矩形，启动、制动时间为0.5s.要求快进转工进平稳可靠，工作台能在任意位置停住。
目标：
通过本题目的课程设计，使学生对所学的《液压与气压传动》课程知识有一个全面深刻的认识，熟悉液压系统设计的基本方法和过程；提高学生的动手能力和工程实践能力。
二、主要容
（1）熟悉设计任务，明确设计及目标。
（2）根据设计要求和已学过的设计流程，拟定系统工作原理图。
（3）计算各元件的参数并验算。
（4）元件选型。
（5）编制文件，绘制速度、负载图谱。
三、工作量要求
完成规定的任务，总字数3000～4000字。
四、时间要求
本课程设计于2012-12-15前完成
设计容
设计说明及计算过程
备注
一、
分
析
负
载
1.1外负载
由已知可得钻削力Fg=30468N
1.2惯性负载
机床工作部件总质量m=980kg导轨为矩形，启动、制动时间为
t=0.2s快进、快退速度为0.1m/s
1.3阻力负载
查表8-2得
静摩擦阻力为
动摩擦阻力为
液压缸在个工作阶段的负载如表6-1已知ηw=0.9
工况
计算公式
外负载（F1）
工作负载F=F1/ηw
启动
F1=Ffs
1960
2178
加速
F1=Ffd+Fm
1470
1633
快进
F1=Ffd
980
1089
工进
F1=Ffd+Fg
31448
34942
反向启动
F1=Ffs
1960
2178
反向加速
F1=Ffd+Fm
1470
1633
后退
F1=Ffd
980
1089
已知快进、快退的速度
为100mm/s,工进速度
为0.88mm/s，工进长度50mm行程150mm。
由已知条件和上表数值绘制速度图、负载图如下图（图6-1,图6-2）
设计容
设计说明及计算过程
备注
二、
确
定
执
行
元
件
主
要
参
数
负载图6-1
速度图6-2
2.1确定执行元件主要参数
由表6-1可知机床最大负载
查表8-78-8得液压系统取工作压力
d=0.707D
=
/
=2
查表8-3得液压缸回油路背压
d=0.707D=0.0707m圆整D=0.1md=0.07m
D为缸筒直径d为活塞杆直径，A1为无杆腔的工作面积，A2为有杆腔的工作面积
设计容
设计说明及计算过程
备注
三、
设
计
液
压
系
统
方
案
和
拟
定
液
压
系
统
原
理
图
由此求的液压缸两腔的实际有效面积为
经验算，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。
3.1设计液压系统方案
根据Dd估算压力、流量、功率如表6-2
工况
负载F/N
回油腔压力P2/Mpa
进油腔压力P1/Mpa
输入油量q×10-3/m3s-1
输出功率P/kw
计算公式
快进
（差动）
启动
3267
0
0.852
—
—
P1=（F+A2ΔP）/（A1-A2）
q=（A1-A2）v1
P=p1q
加速
2513
P1+ΔP（ΔP=0.3Mpa）
0.656
—
—
恒速
2178
0.56
0.2885
0.162
工进
19956
0.6
2.80
0.013
0.0332
P1=（F+P2A2）/A1
q=A1v2
P=p1q
快
退
启动
3267
0
0.825
—
—
P1=（F+P2A1）/A2
q=A2v3
P=p1q
加速
2513
0.6
1.61
—
—
恒速
2178
1.52
0.3003
0.457
在这个液压系统的工作循环中，快进加快退的时间t1，工进所需的时间t2分别为
设计容
设计说明及计算过程
备注
三、
设
计
液
压
系
统
方
案
和
拟
定
液
压
系
统
原
理
图
，
因此从提高系统效率、节省能量的角度来看应采用两个适宜的液压泵自动两级并联供油的油源方案。
如图下图6-3
图6-3
3.2选择基本回路
由于不存在负载对系统做功的工况也不存在负载制动过程，故不需要设置平衡及制动回路。
但必须有快速运动、换向、速度换接以及调压、卸荷等回路。
3.2.1确定换向方式
为了满足工作台在任意位置停止，液压缸差动连接采用滑阀机能为Y型的三位五通电磁换向阀。
（如下图6-4）
3.2.2选择工作进给油路
为了实现工进时液压缸回油腔油液能经换向阀左位流回油箱；快进时液压缸回油腔油液能经换向阀左位流入油腔以及防止高压油液倒流。
在回油路上设置一只液控顺序阀一只单向阀。
（如下图6-5）
设计容
设计说明及计算过程
备注
三、
设
计
液
压
系
统
方
案
和
拟
定
液
压
系
统
原
理
图
图6-4
图6-5
3.2.3确定快进转工进方案
为了使快进平稳的转换为工进，采用行程换向阀使快进转工进（如图6-6）
设计容
设计说明及计算过程
备注
三、
设
计
液
压
系
统
方
案
和
拟
定
液
压
系
统
原
理
图
图6-6
3.2.4选择调压和卸荷回路
油源中有溢流阀（见图6-3），调定系统工作压力，因此调压问题已在油源中解决，无需另外设置调压回路。
在图6-3所示的双液压泵自动两级供油的油源中设有卸荷阀，当滑台工进和停止时，低压、大流量液压泵都可以经此阀卸荷。
由于工进在整个循环周期占了绝大部分时间，且高压、小流量液压泵的功率较小，故可以认为卸荷问题已基本解决，就不需要在设置卸荷回路。
3.3将液压回路综合成液压系统
把上面选出的各种液压回路组合画在一起，就可得到一下图6-7所示的液压系统原理图。
设计容
设计说明及计算过程
备注
三、
设
计
液
压
系
统
方
案
和
拟
定
液
压
系
统
原
理
图
图6-7
设计容
设计说明及计算过程
备注
四、
选
择
液
压
元
件
4.1液压泵
液压缸在整个工作循环中的最大压力为2.54Mpa，如果进油路上的压力损失为0.8Mpa，为使压力继电器能可靠地工作，取其调整压力高出系统最大工作压力0.5Mpa，则小油量液压泵的最大工作压力应为
大流量液压泵在快进、快退运动时才才向液压缸输油，由表6-2可知，快退时液压缸的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为0.5Mpa，则大流量液压泵的最高工作压力为
由表6-2可知，两个液压泵应向液压缸提供的最大流量为17.31L/min，因系统较简单，取泄漏系数KL=1.1,则两个液压泵的实际流量应为
由于溢流阀的最小稳定溢流量为3L/min，而工进时输入液压缸的流量为0.78L/min，由小流量液压泵单独供油，所以小液压泵的流量规格最少应为3.78L/min。
根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取PV2R12-6/19型双叶片液压泵其小液压泵和大液压泵的排量分别为6ml/r和19ml/r,当液压泵的转速np=940r/min时该液压泵的理论流量为23.5L/min，若取液压泵的容积效率
，则液压泵的实际输出流量为
=[（6+19）×940×0.9/1000]L/min=（5.1+16.1）L/min=21.2L/min
由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为2.02Mpa、流量为21.2L/min。
按表8-13去液压泵的总效率ηp=0.75，则液压泵的电动机所需的功率为
设计容
设计说明及计算过程
备注
四、
选
择
液
压
元
件
根据此数据值查阅电机产品样本选取Y100L-6型电动机，其额定功率Pn=0.95KW，额定转速nn=940r/min。
4.2阀类元件及辅助元件
根据阀类元件及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，可选出这些液压元件的型号及规格见表6-3,表中序号与图6-7的元件标号相同。
编号
元件名称
估计通过流量L/min
额定流量
L/min
额定压力
Mpa
额定压降
Mpa
型号
规格
1、2
双联叶片泵
—
（5.1+16.1）
17.5
—
PV2R12-6/19
VP=（6+19）ml/r
9
三位五通电磁阀
60
80
16
<0.5
35DYF3Y-E10B
12
溢流阀
50
63
16
-
YF3-E10B
7a7b
7c
行程阀
调速阀
单向阀
50
0.5
60
63
0.07～50
63
16
16
16
<0.5
-
<0.2
AXQF-E10B单向行程调速阀
3
液控顺序阀
5
63
16
<0.3
XF3-E10B
4
液控顺序阀
25
63
16
<0.3
XF3-E10B
5
背压阀
0.3
63
16
-
YF3-E10B
10、11、6
单向阀
25
63
16
<0.2
AF3-Ea10B
Qmax=80L/min
8
压力继电器
-
-
10
-
HED1KA/10
13
滤油器
30
60
-
<0.2
XU-63×80-J
设计容
设计说明及计算过程
备注
四、
选
择
液
压
元
件
4.3油管
各元件连接的规格按液压元件接口处的尺寸决定，液压缸进、出油管则按输入、排除的最大流量计算。
由于液压泵选定后液压在各个工作阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算如表6-4所示
快进
工进
快退
输入油量L/min
q1=（A1qp）/（A1-A2）=（78.5×21.2）/（78.5-40.03）=54.62
q1=0.78
q1=qp=21.2
排除油量L/min
q2=（A2q1）/A1=（40.03×54.62）/78.5=27.85
q2=（A2q1）/A1=（40.03×0.78）/78.5=0.4
q2=（A1q1）/A2=（78.5×21.2）/40.03=41.57
运动速度m/min
v1=qp/（A1-A2）=（19.04×10）/（78.5-40.03）=4.95
v2=q1/A1=（0.78×10）/78.5=0.
v3=q1/A2=（21.2×10）/40.03=5.30
由上表可以看出，液压缸在各个工作阶段的实际运动速度符合要求。
根据表6-4中数值，并按课本第二章第七节推荐取油液在压油管的流速v=3m/s，按式d=2×
算的与液压缸无杆腔及有杆腔相连的油管径分别为
d=2×
2×
mm
mm
这两根油管都按GB/T2351－2005选用径φ15mm、外径φ18mm的冷拔无缝钢管。
4.4油箱
容积按式V=ξqp估算，取经验数据ξ=7，故其容积为
设计容
设计说明及计算过程
备注
五、
验
算
液
压
系
统
性
能
V=ξ
=7×21.2L=148.4L
按JB/T7398－1999规定，区最靠近的标准值V=160L。
5.1验算系统压力损失并确定压力阀的调整值
由于系统的管路布置尚未确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故只能先按课本（8-13）式估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局后，加上管路的沿程损失即可。
压力损失验算应按一个工作循环中不同阶段分别进行。
5.1.1快进
滑台快进时，液压缸差动连接，由表6-3和表6-4可知，进油路单向阀11的流量是16.1L/min，通过电液阀9的流量是21.2L/min，然后与液压缸有杆腔的回油汇合，以流量54.62L/min通过行程阀7a并进入无杆腔。
因此进油路上的总压降为
此值不大，不会是压力阀打开，故能确保两个液压泵的流量全部进入液压缸。
会有路上，液压缸有杆腔中的油液通过电液换向阀9和单向阀6的流量都是27.85L/min，然后与液压泵的供油合并，经行程阀7a流入无杆腔。
由此可计算快进时有杆腔压力
与无杆腔压力
之差。
此值与原估计值0.3Mpa（见表6-2）基本相符。
5.1.2工进
工进时，油液在进油路上通过电液换向阀9的流量为
设计容
设计说明及计算过程
备注
五、
验
算
液
压
系
统
性
能
0.78L/min，在调速阀7c处的压力损失为0.5Mpa；油液在回油路上通过换向阀9的流量0.4L/min，在背压阀5处的压力损失为0.6Mpa，通过顺序阀3的流量为（0.4+16.1）L/min，因此这时液压缸回油腔的压力P2为
可见此值略大原估计值0.6Mpa。
故可以按表6-2表中公式重新计算工进时液压缸进油腔压力P1，即
此值略高于表6-2中数值
考虑到压力继电器可靠动作需要压力差ΔPe=0.5Mpa，故溢流阀12的调压
应为
>P1+
∑∆P+ΔPe=[3.14+0.5×（
）2+0.5+0.5]Mpa
=4.14Mpa
5.1.3快退
快退时，油液在进路上通过单向阀11的流量为16.1L/min，通过换向阀9的流量为21.2L/min；油液在回油路上通过单向阀7b、换向阀9和单向阀14的流量都是41.57L/min。
因此进油路上的总压降为
此值较小所以液压泵驱动电机的功率足够的。
回油路上总压降为
=0.31Mpa
此值与表6-2中的估值相近，故不必重算。
所以，快退时液压泵的工作压降PP为
设计容
设计说明及计算过程
备注
五、
验
算
液
压
系
统
性
能
因此大流量液压泵卸荷的顺序阀5的调压应大于1.688Mpa。
5.2验算油液温升
工进在整个工作循环过程中所占时间比例达95%，所以系统发热和油温升可按工况工进来计算。
工进时液压缸的有效功率为
这时大流量液压泵经顺序阀3卸荷，小流量液压泵在高压下供油。
大液压泵通过顺序阀3的流量为q2=16.1L/min，由表6-3查的该阀在额定流量qn=63L/min时的压力损失ΔPn=0.3Mpa，故此阀在工进的压力损失
ΔP=ΔPn=（
）2=0.3×（
）2Mpa=0.020Mpa
小液压泵工进时的工作压力PP1=4.14Mpa。
流量q1=5.1L/min，所以两个液压泵的总输出功率为
Mpa=0.4693KW
由式（8-21）算得液压系统的发热功率为
ΔP=PP-Pe=（0.4693-0.033）KW=0.4363KW
按式（8-26）可算得的算热面积为
1.92m2
由表8-18查的的散热系数K=9W/（m2·℃），则按式（8-24）求出油液温升为
Δt=
×103=
℃=25.24℃
由表8-19知，此温升值没有超出围，故该系统不必设置冷却器。
设计小结
该四轴卧式钻孔专用机床的液压系统是实现机床的“快进——工进——死挡铁停留——快退——原位停止”，所以在设计该液压系统时应确保液压系统传动的准确性，合理选取各执行原件和控制原件，以保证机床对工件的精确加工。
同时对液压传动系统有更深刻认识和了解，统原理图的绘制过程中学会了用AutoCAD软件制图，也学会了熟练应用AutoCAD制图软件。
提高我自己的动手能力。
参考文献
液压与气压传动技术第二版机械工业2005（2009.6重印）
液压控制系统第二版机械工业2000
新编液压工程手册北京理工大学1998
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