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液压说明

青岛滨海学院液压传动课程设计

设计题目

姓名与学号：

李阳20080460210

殷晏珍20080460211

于飞20080460212

姚传亮20080460213

院部：

机电工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

段民弟

成绩：

完成时间：

2010.1.6

卧式钻镗组合机床的液压动力液压系统课程设计

绪论：

液压传动课程设计是本课程的一个综合实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：

1.巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题能力；

2.正确合理地确定执行机构，选用标准液压元件；能熟练地运用液压基本回路、组合成满足基本性能要求的液压系统；

3.熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。

对学生在计算、制图、运用设计资料以及经验估算、考虑技术决策、CAD技术等方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平。

设计的目的和要求：

设计一台卧式钻、镗组合机床液压系统。

该机床用于加工铸铁箱形零件的孔系，运动部件总重G=10000N，液压缸机械效率为0．9，加工时最大切削力为12000N，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0.4m，工进行程为0.1m。

快进和快退速度为0.1m／s，工进速度范围为3×10-4～5×10-3m／s，采用平导轨，启动时间为0.2s。

要求动力部件可以手动调整，快进转工进平稳、可靠。

卧式钻、镗组合机床的液压系统图

1、过滤器2、限压式变量泵3、单向阀4、电液换向阀5、节流调速阀

6、行程阀7、单向阀8、单向阀9、液控顺序阀10、背压阀

A、快进：

在控制压力作用下，1YA通电，阀4的液动阀左位接入系统，这时因负载较小，系统压力较低，液控顺序阀9处于关闭状态，所以主油路为：

进油路：

过滤器1→变量泵2→单向阀3→阀4的液动阀→行程阀6→液控阀左腔

回油路：

液压缸右腔→阀4的液动阀→单向阀8→行程阀6→液压缸左腔。

液压缸左右两腔都通压力油形成差动快进，此时系统压力较低，限压式变量泵2输出流量为最大，滑台快速前进。

B：

工进：

快进行程到位，挡铁压下行程阀6，切断快进油路，此时泵2输出油液只能由5进入液压缸左腔，相应系统压力升高，顺序阀9打开，快进转工进。

进油路：

过滤器1→变量泵2→单向阀3→阀4的液动阀→调速阀5→液压缸左腔；

回油路：

液压缸右腔→阀4的液动阀→液控顺序阀9→背压阀10→油箱。

限压式变量泵2的输出流量随系统压力升高而自动减小，与调速阀5调节的流量相适应，工作进给的速度大小由速阀5调节控制。

C:

死挡铁停留

当滑台工作进给终了碰到死挡铁后，滑台即停止前进，这时液压缸左腔压力升高，使继电器KP动作而给时间继电器发出电信号，其停留时间由时间继电器控制。

D、快速退回

滑台死挡铁停留结束，时间继电器发出电信号，使电磁铁1YA断电而2YA通电，阀4的先导阀右位接入系统，这时控油回路为；

进油路：

过滤器1→变量泵2→单向阀3→阀4的液动阀→液压缸的右腔；

回油路：

阀4的液动阀左端→阀4的左节流阀→阀4的先导阀→油箱；

在控制油液压力作用下阀4的液动阀右位接入系统，主油路为

进油路：

过滤器1→变量泵2→单向阀3→阀4的液动阀→液压缸的右腔；

回油路：

液压缸左腔→单向阀7→阀4的液动阀→油箱；

由于滑台退回时负载小，系统压力较低泵2的流量自动增至最大。

则滑台实现快速退回。

E、原位停止

当滑台快速退回原位时，起挡块压下在原位的电气行程开关而发出电信号是电磁铁2YA断电，阀4的先导阀和液动阀回到中位，液压缸进油口被封闭，滑台原位停止。

这时泵2输出油液经单向阀3和阀4的液动阀中位流回油箱，泵实现低压卸荷。

单向阀3作用是卸荷时，使控制油液仍保持一定压力，以保证阀4的先导阀电磁铁通电时液动阀能启动换向。

一、行工况分析，确定液压缸推力

1、工况分析及液压缸的推力：

（1）、工况分析

切削推力：

F切=12000N

静摩擦力：

Fj=fjG=0.2×10000N=2000N

动摩擦力：

Fd=fdG=0.1×10000N=1000N

启动惯性力：

Fg=

=m·Δv/Δt=10000/9.8·0.1/0.2=510.2N

（2）、液压缸的推力（液压缸效率ηm=0.9）

启动推力：

F启=Fj/ηm=2000N/0.9=2222.22N

加速推力：

F加=（Fd+Fg）/η=（1000+510.2）N/0.9=1678N

快进推力：

F快=Fd/η=1000/0.9=1111.11N

工进推力：

F工=（F切+Fd）/η=（12000+1000）N/0.9=14444.44N

反向启动过程作用力与F启、F加、F快大小相同，方向相反。

工况运行图如下：

卧式钻镗组合机床液压缸工况图

二、确定液压缸工作压力、结构尺寸、初定液压缸流量

1、选取工作压力及背压力

F工=14444.44N在10-20KN之间,P1=2.5-3MPa选取,P1=3MPa，为防止加工结束动力头突然前冲,设回油路有背压阀或调速阀，取背压P2=0.8MPa。

2、确定液压缸结构尺寸

取液压缸无杆腔作工作腔列液压缸力的平衡方程：

卧式钻镗组合机床液压缸力的平衡图

F=P1A1-P2A2=A1（P1-P2A2/A1）

快进速度V快=0.1m/s，工进速度V工进=5×10-3m/s,相差很大,应进行差动换接,且由于快进与快退速度相等,则无杆腔面积A1和有杆腔A2的关系：

A1=2A2。

则无杆腔面积:

A1=F工/﹙p1-p2/2﹚=14444.44×10-6/﹙3-0.8/2﹚m2=0.00556m2

活塞直径：

D=[（4A1）/π]1/2=84.16mm

活塞杆直径：

d=0.707D=0.707×84.16=59.5mm

查《机械设计手册》取标准值：

D=80mmd=63mm

液压缸实际有效面积：

A1=πD2/4=5024mm2

A2=π（D2-d2）/4=1908mm2

按最低工进速度验算液压缸尺寸，查产品样本，调速阀最小稳定流量q=0.05L/min因工进速度为0.005m/s为最小速度，则有

≥q/v=50000/﹙60×5﹚

=166.67

因为

=5024

≥166.67

，满足最低速度的要求。

3、认证液压缸筒壁厚

中低压液压系统,由其切削加工性能确定液压缸筒壁厚，按薄壁圆筒计算壁厚：

快进与快退速度相等

额定工作压力：

Pn=7MPa<16MPa

试验压力为：

Py=1.5Pn=1.5×7MPa=10.5MPa

许用应力取：

[σ]=σb/n=640÷5MPa=128MPa（

取安全系n=5）

则液压缸壁厚：

δ≥PyD/2[σ]=10.5×80/﹙2×128﹚=3.28mm

4、初定液压缸流量

快进：

=0.1×50.24×10-4m3/s=5.024×10-4m3/s=30.14L/min

=0.1×19.08×10-4m/s=1.908×10-4m3/s=11.45L/min

=18.69L/min

工进：

=5×10-3×50.24×10-4m/s=2.512×10-5m/s=1.51L/min

5、计算液压缸各工作阶段压力，流量和功率

根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积，可以算出液压缸工作过程各阶段的压力，流量和功率，在计算工进时背压力P2=0.8MPa，快退时背压力按

P2=0.6MPa。

工作循环

计算公式

负载F

进油压力Pj

回油压力P2

所需流量Q

输入功率P

差动快进

Pj=（F+△pA2）/（A1-A2）

Q=v·（A1-A2）

P=Pj·Q

1111.11N

0.66MPa

3.5MPa

18.69L/min

0.21Kw

工进

Pj=（F+P2A2）/A1

Q=v·A1

P=Pj·Q

14444.44N

3.18MPa

0.8MPa

1.51L/min

0.08Kw

快退

Pj=（F+P2A1）/A2

Q=v·A2

P=Pj·Q

1111.11N

2.16MPa

0.6MPa

11.45L/min

0.41Kw

三、设计卧式钻镗组合机床的液压动力滑台电磁铁动作表

　　　　　电磁铁动作表

动　作

1YA

2YA

行程阀

KP

快进

＋

—

—

—

工　　进

　＋

—

＋

—

死挡铁停留

　＋

　—

　＋

—

快　　退

—

　＋

—

—

原位停止

—

—

—

—

四、液压元件设计计算与选择

1、液压泵工作压力、流量、驱动功率计算

工进阶段液压缸工作压力最大为3.18MPa，取进油总压力损失Σ

=0.8MPa,压力继电器可靠动作需要压力差0.5MPa,则液压泵最高工作压力

Pp1=

+Σ

+0.5MPa=4.48MPa

液压泵是在快速运动时才向液压缸输油的，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，这时液压缸工作压力为2.16MPa，如取进油路上的压力损失为0.5MPa，则泵在快进时的最高工作压力为

Pp1=（2.16+0.5）MPa=2.66MPa

液压泵向液压缸提供的最大流量为18.69L/min，，若回路中的泄漏按液压缸输入流量的10%估计，则泵的流量应为

p=1.1×18.69L/min=20.56L/min,由《机械设计手册》查得取YBX-B※D型变量叶片泵。

泵的额定转速为1500r∕min，泵的最大排量为v=25mL∕r,若取液压泵的容积效率为ηv=0.9，则当泵的转速np=1440L/min时，液压泵的最大实际输出流量为qp=（25×1440×0.9∕1000）L/min=32.49L/min

2、电动机的驱动功率

系统为变量叶片泵供油系统，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2.66MPa、流量为32.49L/min.取泵的总效率ηp=0.81，则液压泵驱动电机所需的功率为

P=Ppqp∕ηp=2.66×32.49∕（60×0.81）kW=1.78kW

根据此数值由《机械设计手册》查得取Y112M-4型电动机，其额定功率Pn=4kW，额定转速nn=1440L/min.。

3、根据工作压力和通流量选取阀类元件及辅助元件

根据阀类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:

序号

元件名称

通过的最大流量q/L/min

规格

型号

额定流量qn/L/min

额定压力Pn/MPa

额定压降∆Pn/MPa

1

滤油器

36.6

XU—80×200

80

6.3

0.02

2

变量叶片泵

—

YBX-B※D

5.1/27.9*

16

—

3

单向阀

60

I—100B

100

6.3

0.2

4

三位五通电液换向阀

50

35DYF3Y-E10BY

80

16

<0.5

5

调速阀

<1

Q—6B

6

6.3

—

6

行程阀

62.3

22C—100BH

100

6.3

0.3

7

单向阀

40

I—100B

100

6.3

0.2

8

单向阀

29.3

I—100B

100

6.3

0.2

9

液控顺序阀

28.1

XY-—63B

63

6.3

0.3

10

背压阀

<1

B—10B

10

6.3

—

压力表开关

—

K—6B

—

—

—

压力继电器

—

PF—B8L

—

14

—

4、油管尺寸

在选定了液压泵后，液压缸在实际快进、工进和快退运动阶段的运动速度、时间以及进入和流出液压缸的流量，与原定数值不同，重新计算的结果如表

快进

工进

快退

1=1.51

1=32.49

=19.08

52.388/

50.24=19.896

=0.301

允许流速推荐值

管道

推荐流速/（m/s）

吸油管道

0.5～1.5，一般取1以下

压油管道

3～6，压力高，管道短，粘度小取大值

回油管道

1.5～3

由表可以看出，液压缸在各阶段的实际运动速度符合设计要求。

根据表中数值，按表推荐的管道内允许速度取

=4m/s，由式

计算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为

为了统一规格，按产品样本选取所有管子均为内径15mm、外径22mm的20号退火钢管。

4、4油箱容积

油箱容积按公式计算，当去ζ为6时，求得其容积为V=ζqp=6×32.5=195L，由《机械设计手册》查询得，最靠近的标准值V=250L

五、液压系统稳定性论证

5、1工进时的压力损失验算和变量泵压力的调整

工进时管路的流量仅为1.51L/min,因此流速很小，所以沿程压力损失和局部损失都非常小，可以忽略不计。

这时进油路上仅考虑调速阀的损失0.5MPa，回油路上只有背压阀损失，泵的调整压力

Pp=

+0.5+0.5=4MPa

5、2快退时的压力损失变量泵卸载压力的调整

快退时进油管和回油管长度为1.8m，有油管直径d=0.015m，通过的流量为进油路

=11.45L/min，回油路

=32.49L/min。

液压系统选用L-HL号液压油，考虑最低工作温度为15℃，油液的运动粘度取

=110-4m2/s，油液的密度取=0.9103kg/m3，液压系统元件采用集成块式的配置形式

=4q/πdν

则进油路中的液流雷诺数为

Re=vd/ν=4q/πdν=162.1<2320

回油路中液流的雷诺数为

Re=vd/ν=4q/πdν=459.87<2320

由上可知，进回油路的流动都是层流

进油路上，流速

则压力损失为

在回油路上，流速为进油路速的两倍即V=3.16m/s，

则压力损失为

Σ

=0.088MPa

5、3局部压力损失

元件名称

额定流量

实际流量

额定压力损失

实际压力损失

单向阀

25

16

2

0.082

电液换向阀

25

16

2

0.082

行程阀

63

16

4

0.026

顺序阀

63

16

4

0.026

取集成块进油路的压力损失0.03MPa，回油路压力损失为0.05MPa，则进油路和回油路总的压力损失为P1=0.082+0.082+0.026+0.082+0.03=0.275MPa

P2=0.082+0.082+0.026+0.082+0.026+0.05=0.348MPa

快退负载时液压缸负载F=1111N，则快退时液压缸的工作压力

P=（F+P2A1）/A2=1.16MPa

快退时工作总压力为

P+P1=1.435MPa

大流量泵卸载阀的调整压力应大于1.435MPa

综上，各种工况下世纪压力损失都小于初选的压力损失值，而且比较接近，说明液压系统满足要求

5、4系统热能工况的稳定性校核

由于工进在整个工作循环中占96%，所以系统的发热与温升可按工进工况来计算工进时液压缸的有效功率（即输出功率）为：

P0=FV=（14444.440.005）W=72.22W

工进时液压泵的总输入功率为：

Pi=pq/ηp=3.181061.5110-3/（600.8）=100.04W

系统总发热功率Hi=Pi-P0=27.82W

则油液温升

温升没有超出允许范围，液压系统中不需要设置冷却器。

参考文献

1、成大先主编《机械设计手册（第五版）》北京：

化学工业出版社2010。

2、冯锦春主编《液压与气压传动技术》北京：

人民邮电出版社2009。

3、王积伟、章宏甲、黄谊主编《液压传动》机械工业出版社2010。