1、38实例二 液压专用铣床液压系统设计设计要求：设计一台成型加工的液压专用铣床，要求机床工作台上一次可安装两只工件，并能同时加工。工件的上料、卸料由手工完成，工件的夹紧及工作台进给由液压系统完成。机床的工作循环为：手工上料 工件自动夹紧 工作台快进 铣削进给(工进) 工作台快退 夹具松开 手动卸料。参数要求：运动部件总重力 G=25000N切削力 Fw=18000N快进行程 l1=300mm工进行程 l2=80mm快进、快退速度 v1=v3=5m/min工进速度 v2=100600mm/min启动时间 t=0.5s夹紧力 Fj=30000N行程 lj=15mm夹紧时间 t j=1s工作台采用平导
2、轨，导轨间静摩擦系数 fs=0.2,动摩擦系数 fd=0.1，要求工作台能在任意位置上停留一.分析工况及主机工作要求，拟订液压系统方案1.确定执行元件类型夹紧工件，由液压缸完成。因要求同时安装、加工两只工件，故设置两个并联的、缸筒固定的单活塞杆液压缸。其动作 为：工作台要完成单向进给运动，先采用固定的单活塞杆液压缸。其动作为：2. 确定执行元件的负载、速度变化范围(1)夹紧缸 惯性力和摩擦力可以忽略不计，夹紧力 F=300000N。 (2)工作缸 工作负载 Fw=18000N 39运动部件惯性负载 )(2.45.068.92NtvgGFa 导轨静摩擦阻力 Ffs=fsG=0.225000N=5
3、000N 导轨动摩擦阻力 Ffd=fdG=0.125000N=2500N根据已知条件计算出执行元件各工作阶段的负载及速度要求，列入下表：表 2 工作循环各阶段的负载及速度要求工作循环 外负载 速度要求夹紧 3000N v=l/t=0.015m/s工作台启动 Fa+Ffs=5425.2N 加速v/t=1.6m/s 2工作台快进 Ffd=2500N v=5m/min工作台工进 Fw+Ffd=20500N v=0.10.6m/min工作台快退 Ffd=2500N v=5m/min二. 参数设计 1.初定系统压力根据机器类型和负载大小，参考，初定系统压力 p1=3MPa。2.计算液压缸的主要尺寸(1)
4、夹紧缸 按工作要求，夹紧力由两并联的液压缸提供，则 mpFD0798.134.20461根据国标，取夹紧缸内径 D=80mm，活塞杆直径 d=0.6D=50mm。(2)工作缸 由表 2 可知,工作缸的最大负载 F=20500N,取液压缸的回油背压 p2=0.5MPa,机械效率cm=0.95,则 mpDcm 1.095.1.0)7.1(34.5)1(4 622 根据国标，取工作缸内径 D=100mm，活塞杆直径 d 按杆径比 d/D=0.7 得 d=70mm。3.计算液压缸各个工作阶段的工作压力、流量和功率根据液压缸的负载和速度要求以及液压缸的有效作用面积，可以算出液压缸工作过程中各阶段的压力、
5、流量和功率。在计算过程中,工进时因回油节流调速,背压取 pb=0.8MPa,快退时背压取 pb=0.5MPa，液压缸回油口到进油口之间的压力损失取p=0.5MPa,见表 3。40表 3 液压缸所需的实际流量、压力和功率工作循环 负载F(N)进油压力 pj(Pa) 回油压力pm(Pa) 所需流量q(L/min) 输入功率P(kW) 夹紧 30000 pj=F/2A 夹 1=29.86105 0 q=2A 夹 1L/t=90.448差动快进2500 pj=(F+ pA2)/(A1A 2)=11.6810516.68105 q=(A1A 2)v1=19.20.374工进 20500 pj=(F+pb
6、A2)/A1=30.191058105 q=A1v2=4.71 0.237工作台 快退 2500 pj=(F+pbA2)/A2=16.061055105 q=A2v3=20 0.535三. 拟订液压系统方案1.确定油源及调速方式铣床液压系统的功率不大，为使系统结构简单，工作可靠，决定采用定量泵供油。考虑到铣床可能受到负值负载，故采用回油路调速阀节流调速方式。2.选择换向回路及速度换接方式为实现工件夹紧后工作台自动启动，采用夹紧回路上的压力继电器发讯，由电磁换向阀实现工作台的自动启动和换向。要求工作台能在任意位置停止，泵不卸载，故电磁阀必须选择 O 型机能的三位四通阀。由于要求工作台快进与快退速
7、度相等，故快进时采用差动连接，且液压缸活塞杆直径 d0.7D。快进和工进的速度换接用二位三通电磁阀来实现。 3.选择夹紧回路用二位四通电磁阀来控制夹紧换向动作。为了避免工作时因突然失电而工件被松开，此处应采用失电夹紧方式，以增加安全可靠性。为了能够调节夹紧力的大小，保持夹紧力的稳定且不受主油路压力的影响，该回路上应该装上减压阀和单向阀。考虑到泵的供油量会超过夹紧速度的需要，故在回路中需串接一个固定节流器(装在换向阀的 P 口)。最后，将所选择的回路组合起来，即组成图 1 所示的液压系统原理图。电磁铁动作顺序表见表 4。41表 4 液压专用铣床电磁铁动作顺序表1Y 2Y 3Y 4Y 1K夹紧工件
8、 +工作缸快进 + + +工作缸工进 + +工作缸快退 + +松开工件 + -图 1 专用铣床液压系统原理图1-双联叶片泵；2、4、8-换向阀；3- 单向调速阀；5-减压阀；6、11-单向阀；7-节流器；9- 压力继电器；10-溢流阀；12-外控顺序阀；13-过滤器；14- 压力表开关 想一想：为什么油源选择双泵供油？ 因为工进和快退的过程中，所需流量差别较大。若按较大流量选择单泵，则在工进时流量损失过大不可取。选用变量泵成本较高。因此综合考虑选取双泵。四. 选择元件 1.选择液压泵泵的最大工作压力 p p=p1+p式中 p 1液压缸最高工作压力，此处为 3.019MPa；p液压缸进油路压力损
9、失。因系统较简单，取p=0.5MPa。则 p p=p1+p=(3.019+0.5)MPa=3.519MPa 42为使泵有一定压力储备，取泵的额定压力 ps1.25p p4.4MPa。泵的最大流量 qpmax=K(q)max式中： (q) max同时动作的执行元件所需流量之和的最大值。这里夹紧缸和工作缸不同时动作，故取( p)max 为工作缸所需最大流量 20（L/min ）。K泄露系数，取 K=1.2。则 qmax=K(p)max=1.220（ L/min）=24 （L/min）。表 3 液压缸所需的实际流量、压力和功率工作循环负载F(N)进油压力 pj(Pa) 回油压力pm(Pa) 所需流量
10、q(L/min)输入功率P(kW) 夹紧 30000 pj=F/2A 夹 1=29.86105 0 q=2A 夹 1L/t=9 0.448差动快进2500 pj=(FpA 2)/(A1A 2)=11.6810516.68105 q=(A1A 2)v1=19.20.374工进 20500 pj=(Fp bA2)/A1=30.191058105 q=A1v2=4.71 0.237工作台 快退 2500 pj=(Fp bA2)/A2=16.061055105 q=A2v3=20 0.535由表 3 可知，工进时所需流量最小是 4.71L/min，设溢流阀最小溢流量为 2.5L/min，则需泵的最小供
11、油量 qmin=K(q+q 溢 ）=1.2(4.71+2.5)L/min=8.652L/min 。比较工作缸工进和快进、快退工况可看出，液压系统工作循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段组成。显然，采用单个定量泵供油，功率损失大，系统效率低。故选用双泵供油形式比较合理。这样，小泵流量可按 qp18.652L/min选择，大泵流量按 qp2qmax-q1=15.35L/min 选择。根据上面计算的压力和流量，查产品样本，选用 YB10/16 型双联叶片泵。该泵的额定压力 ps=6.3MPa，额定转速 ns=960r/min。2. 选择液压泵的驱动电机系统为双泵供油系统，其中小泵的流量 qp1=
12、1010-3/60m3/s=0.16710-3m3/s，大泵的流量 qp2=1610-3/60m3/s=0.26710-3m3/s。工作缸差动快进、快退时两个泵同时向系统供油，工进时，小泵向系统供油，大泵卸载。下面分别计算三个阶段所需要的电机功率 P。(1)差动快进时，大泵的出口压力油经单向阀 11 后与小泵汇合，然后经三位四通阀 2进入工作缸大腔，工作缸大腔的压力 p1=11.68105Pa。查阀产品样本可知，小泵的出口到工作缸大腔之间的压力损失p 1=2105Pa，大泵出口到小泵出口的压力失 p 2=1.5105Pa。于是由计算可得小泵出口压力为 pp1=13.68105Pa(小泵的总效率
13、 1=0.5)，大泵出口压力pp2=15.18105Pa(大泵的总效率 2=0.5)。故电机功率为P1=pp1q1/1+pp2q2/2=(13.681050.16710-3/0.5+15.181050.26710-3/0.5)W=1267.5W(2)工进时，小泵的出口压力 pp1=p1+p 1=32.19105Pa，大泵卸载，卸载压力取pp2=2105Pa(小泵的总效率 1=0.5，大泵的总效率 2=0.3)。故电机功率为43P2=pp1q1/1+pp2q2/2=(32.191050.16710-3/0.5+21050.26710-3/0.3)W=1253.15W(3)快退时，大、小泵出口油液
14、要往二位三通阀 4 进入工作缸的小腔，即从泵的出口到小腔之间的压力损失p=5.510 5Pa，于是小泵出口压力 pp1=21.56105Pa(小泵的总效率1=0.5)，大泵出口压力 pp2=23.06105Pa(大泵的总效率 2=0.5)。故电机功率为P3=pp1q1/1+pp2q2/2=(21.561050.16710-3/0.5+23.061050.26710-3/0.5)W=1951.5W综合比较，快退时所需功率最大。据此查产品样本选用 Y112M-6 型异步电机。电机功率为 2.2KW，额定转速为 940r/min。3.选择液压阀 根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量，
15、可选出这些元件的型号及规格。选定的元件列于表 5 中。表 5 液压元件明细表序号 元件名称 通过的最大流量(L/min)型号1 双联叶片泵 26 YB10/162 三位四通电磁换向阀 52 34E-63BO3 单向调速阀 26 QI-63B4 二位三通电磁换向阀 26 23EF3O-E6B5 减压阀 10 JF-B10G6 单向阀 10 AF3-Ea10B7 固定节流器 10 8 二位四通电磁换向阀 10 24EF3I3-E6B9 压力继电器 DP1-63B10 溢流阀 10 YF-B10B11 单向阀 16 AF3-Ea10B12 外控顺序阀（卸载用） 16 X4F-B10E13 过滤器 5
16、2 XU-J6310014 压力表开关 K-6B说明：(1)工作缸的换向阀 3，在快进时通过双泵的供油量之和为 26L/min，在快退时通过工作缸大腔排出的流量为 A1/A2(q1+q2)52L/min，所以选择阀 3 的额定流量为 60L/min。(2)夹紧缸在动作过程中，由于固定节流器 8 的阻尼作用，大泵 2 卸载，仅由小泵 1 供油，故选择夹紧回路中的液压阀的额定流量为 25L/min。44(3)过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器。(4)固定节流器的尺寸计算。取固定节流器的长径比 l/d=4。由短孔的流量公式得。这里 q 为泵 1 的额定流量 L/min；p 为夹紧缸启
17、动时节流器前后)/2(pCqAd的压力差,此时应为泵 2 的卸载压力，初定为 20105Pa；C d为短孔流量系数，取 0.82。计算得 A=d2/4=310-6m2，d=1.9510 -3m。4.选择油管 根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸。液压缸的进、出油管按输入、输出、排出的最大流量来计算。由于本系统工作缸差动快进和快退时，油管内通油量大，其实际流量为泵的额定流量的两倍 52(L/min)，则工作缸进、出油管按设计手册选用内径为15mm、外径为 19mm 的 10 号冷拔钢管。夹紧缸进、出油管则选用内径为 8mm、外径为10mm 的 10 号冷拔钢管。5.确定油箱容积中压系统的油
18、箱容积一般取液压泵额定流量的 57 倍。本例取 6 倍，选用容量为312L 的油箱。五.液压系统性能验算已知：工作缸进、回油管长度均为 l=18m,油管直径 d=1510-3m,选用 L-HL32 型液压油，油的最低工作温度为 15，由设计手册查出此时油的运动粘度 =1.5cm2/s，油的密度=900kg/m3，液压系统元件采用集成块式配置形成。1.压力损失的验算(1)工进时的压力损失 工进时管路中的流量较小，流速较低，沿程压力损失和局部压力损失可以忽略不计。小流量泵的压力应按工作缸工进时的工作压力 p1 调整：p p130.19105Pa。(2)快退时的压力损失 快退时，缸的无杆腔的回油量是
19、进油量的两倍，其压力损失比快进时要大，因此必须计算快退时的进油路与回油路压力损失，以便确定大流量泵的卸载压力。快退时工作缸的进，回油量为 q1=52L/min=0.86710-3m3/s,油量为 q2=26L/min=0.43310-3m3/s。1)确定油液的流动状态：雷诺数 Re=vd/ 104=1.2732q/d104式中： v平均流速(m/s )；d油管内径(m )；油的运动粘度(cm 2/s)；q通过的流量(m 3/s)。则工作缸回油路中液流的雷诺数为45Re1=1.27320.86710-3104/1510-31.54902320工作缸进油路中液流的雷诺数为Re2=1.27320.4
20、3310-3104/1510-31.52452320因此，工作缸进、回油路中的流动都是层流。2)计算沿程压力损失p ：回油路上流速 v 1=4q1/d2=40.86710-3/3.14(1510-3)2m/s4.91m/s则 p 1=64lv12/2Re1d=641.89004.912/24901510-31.7105Pa进油路上流速 v 22.45m/s则 p 2=64lv22/2 Re2d=641.89002.452/22451510-30.35105Pa(3)计算局部压力损失p ： 由于采用集成块式的液压装置，因此只考虑阀类元件和集成块内油路的压力损失。通过各阀的局部压力损失按p =p
21、s(q/qs)2 计算，结果列于表 6 中。表 6 阀类元件局部压力损失元件名称 额定流量(L/min)实际通过流量(L/min)额定压力损失(Pa)实际压力损失(Pa)三位四通换向阀 2 50 26/52 4105 0.75105/3105单向调速阀 3 40 26 2105 0.85105二位三通换向阀 4 40 26 4105 1.69105单向阀 11 40 16 1.8105 0.3105若集成块回油路的压力损失p j1=0.5105Pa，进油路压力损失p j2=0.3105Pa，则回油路和进油路总的压力损失为p1=p1+p+p j1=(1.7+3+0.5)105Pa=5.2105P
22、ap2=p2+p+p j2=(0.35+0.75+0.85+1.69+0.3)105Pa=3.94105Pa计算工作缸快退时的工作压力：p1=(F+p2A1)/A2=(2500+5.21057.8510-3)/410-3Pa=16.45105Pa这样，快退时泵的工作压力为pp=p1+ p1=(16.45+3.94) 105Pa=20.39105Pa因此大流量泵卸载阀 13 的卸载，压力应大于 20.39105Pa(与固定节流器尺寸计算时的初定值基本相符)。从以上验算结果可以看出，各种工况下的实际压力损失都小于初选的压力损失值，而且比较接近，这说明液压系统的油路结构、元件参数是合理的，满足要求。
23、2.液压系统的发热和温升验算 46在整个工作循环中，工作阶段工进阶段所占用的时间最长，所以系统的发热主要是工进阶段造成的，故按工进工况验算系统的温升。工进时液压泵的输入功率如前面计算P1=1253.15W工进时液压缸输出功率P2=Fv=205000.6/60W=205W系统总的发热功率=P1- P2=(1253.15-205)W=1048.15W已知油箱容积 V=312L，油箱散热面积按 (m2)(假设油箱三个边长的比3065.VA例在 111 到 123 范围内，且油面高度为油箱高度的 80%)计算。 22332 9.1.065. mA假定通风良好，取油箱散热系数 CT=1510-3kW/(m2) ，则油液温升T= /CTA=1048.1510-3/1510-32.9923.37设环境温度 T2=25，则热平衡温度为T1=T2+T=(25+23.37)=48.37所以油箱的散热效果达到要求。
