1、沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸1沈 阳 理 工 大 学目录1.工况分析.12.负载循环图和速度循环图的绘制.23.确定系统主要参数.23.1 初选液压缸工作压.23.2 确定液压缸主要尺寸.33.3 计算最大流量需求.44拟定液压系统原理图44.1 速度控制回路的选择.54.2 速度换接回路的选择 54.3 油源的选择和能耗控制 54.4 压力控制回路的选择.65 .液压元件的选择 75.1 确定液压泵和电机规格 75.2 阀类元件和辅助元件的选择 85.3 油管的选择 105.4 油箱的设计 106. 液压系统性能的验算126.1 回路压力损失验算 126.2 油液温升验
2、算 12参考文献 13沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸2沈 阳 理 工 大 学1 分析系统工况在对液压系统进行工况分析时，本设计实例只考虑组合机床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载和机械摩擦阻力负载，其他负载可忽略。（1）工作负载 FW工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，对于金属切削机床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载，即FW=30000N（2）惯性负载最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度，其中最大加速度可通过工作台最大移动速度和加速时间进行计算。已知启动换向时间为 0.2s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为 4.2m/m
3、in，因此惯性负载可表示为Fm=Gv/（gt ） =100004.2/9.80.260=357 N（3）阻力负载阻力负载主要是工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。静摩擦阻力 Ffj = fjG=Ffs=0.210000=2000 N动摩擦阻力 Ffd= fdG =Ffd=0.110000=1000 N 根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如下表所示。表 1 液压缸在各工作阶段的负载（单位：N）工况 负载组成 负载值 F液压缸推力 =F/m启动 =Ffs2000 N 2222 N加速 = +fdm1357 N 1508 N快进
4、= f 1000 N 1111 N工进 = +Ffdt31000 N 34444 N反向起动 = fs2000N 2222 N加速 = +fdm1357 N 1508 N快退 =Ff 1000 N 1111 N沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸3沈 阳 理 工 大 学2 负载循环图和速度循环图的绘制根据表 1 中计算结果，绘制组合机床动力滑台液压系统的负载循环图如下图所示。图 1 组合机床动力滑台液压系统负载循环图上图表明，当组合机床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为 34444N，其他工况下负载力相对较小。所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进
5、行绘制，已知快进和快退度均为 4.2m/min、快进行程为 150mm,工进行程为 30 mm、快退行程为 180mm，工进速度 0.05m/min。根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统的速度循环图如下图所示。图 2 组合机床液压系统速度循环图沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸4沈 阳 理 工 大 学3 确定系统主要参数3.1 初选液压缸工作压力所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为 34444N，其它工况时的负载都相对较低，初选液压缸的工作压力 p1=4MPa。3.2 确定液压缸主要尺寸由于工作进给速度与快速运动速度差别较大，且快进、快退速度要求相等，从降低总流量需
6、求考虑，应确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。采用活塞杆固定，而液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积 是有杆腔工作面积 两倍的形式，即活塞杆直径 d 与缸筒直径 D 呈 d = 1A2A0.707D 的关系。工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，液压缸有可能会发生前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压(通过设置背压阀的方式)，选取此背压值为 p2=0.8MPa。快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接） ，但连接管路中不可避免地存在着压降 ，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取p0.5MPa。快退时回油腔
7、中也是有背压的，这时选取被压值 =0.6MPa。 2p工进时液压缸的推力计算公式为，1212/ (/)mFAppA式中：F 负载力m液压缸机械效率A1液压缸无杆腔的有效作用面积A2液压缸有杆腔的有效作用面积p1液压缸无杆腔压力p2液压有无杆腔压力因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为A1=34444/（4-0.8/2）1000000=0.0096液压缸缸筒直径为110.5mm因为 d = 0.707D，因此活塞杆直径为 d=0.707110.5=78.12mm，对液压缸缸筒内径尺沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸5沈 阳 理 工 大 学寸和液压缸活塞杆外径尺寸的
8、规定，圆整后取液压缸缸筒直径为 D=110mm，活塞杆直径为 d=80mm。此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：0.0095 =0.00453.3 计算最大流量需求 工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为q 快进 =（A 1-A2）v 1=21L/min工作台在快退过程中所需要的流量为q 快退 =A2v3=18.9L/min工作台在工进过程中所需要的流量为q 工进 =A1v1=0.475 L/min其中最大流量为快进流量为 21L/min。根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如表 3 所示。表 2 各工况下的主要参数值
9、工况 推力 F/N回油腔压力P2/MPa进油腔压力P1/MPa输入流量q/L.min-1输入功率P/Kw计算公式启动 2222 0 0.89 加速 1508 1.25 0.75 快进恒速 1111 1.17 0.67 21 0.23P1=F+A2p/(A1-A2)q=(A1-A2)v1P=p1qp2=p1+ p工进 34444 0.8 4.004 0.475 0.032P1=(F+p2A2)/A1q=A1v2P=p1q起动 2222 0 1.76 加速 1508 0.6 1.60 快退恒速 1111 0.6 1.51 18.9 0475P1=(F+p2A1)/A2q=A2v3P=p1q沈 阳
10、理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸6沈 阳 理 工 大 学4 拟定液压系统原理图4.1 速度控制回路的选择工况图表明，所设计组合机床液压系统在整个工作循环过程中所需要的功率较小，系统的效率和发热问题并不突出，因此考虑采用节流调速回路即可。虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合，而且结构简单、成本低。该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度-负载特性，因此有三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。钻镗加工属于连续切削加工，加工过程中切削力变化不大，因此钻削过程中负载变化不大，采用节流阀的节流调速回路即可。但由于在钻头钻入铸件表面
11、及孔被钻通时的瞬间，存在负载突变的可能，因此考虑在工作进给过程中采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路，以提高散热效率，防止油液温升过高。4.2 速度换接回路的选择由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。图 3 速度换接回路4.3 油源的选择和能耗控制在工况图的一个工作循环内，液压缸在快进和快退行程中要求油源以低压大流量供油，工进行程中油源以高压小流量供油。其中最大流量与最小流量之比为 44.2，而快进和快退所需的时间 与
12、工进所需的时间 分别为： 4.7s 和 36s1t 2t沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸7沈 阳 理 工 大 学上述数据表明，在一个工作循环中，液压油源在大部分时间都处于高压小流量供油状态，只有小部分时间工作在低压大流量供油状态。从提高系统效率、节省能量角度来看，如果选用单个定量泵作为整个系统的油源，液压系统会长时间处于大流量溢流状态，从而造成能量的大量损失，这样的设计显然是不合理的。如果采用单个定量泵供油方式，液压泵所输出的流量假设为液压缸所需要的最大流量 21L/min，假设忽略油路中的所有压力和流量损失，液压系统在整个工作循环过程中所需要消耗的功率估算为快进时 P=0.
13、6721/60=0.23Kw工进时 P=pqmax=4.00421/60=1.4Kw快退时 P=1.5121/60=0.53Kw如果采用一个大流量定量泵和一个小流量定量泵双泵串联的供油方式，由双联泵组成的油源在工进和快进过程中所输出的流量是不同的，此时液压系统在整个工作循环过程中所需要消耗的功率估算为快进时 P=0.6721/60=0.23Kw工进时，大泵卸荷，大泵出口供油压力几近于零，因此P=pqmax=4.0040.95/60=0.063Kw快退时 P=1.5121/60=0.53Kw除采用双联泵作为油源外，也可选用限压式变量泵作油源。但限压式变量泵结构复杂、成本高，且流量突变时液压冲击较
14、大，工作平稳性差，最后确定选用双联液压泵供油方案，有利于降低能耗和生产成本，如下图所示。图 4 双泵供油油源4.4 压力控制回路的选择由于采用双泵供油回路，故采用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点.沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸8沈 阳 理 工 大 学图 5 液压系统原理图5 液压元件的选择本设计所使用液压元件均为标准液压元件，因此只需确定各液压元件的主要参数和规格，然后根据现有的液压元件产品进行选择即可。5.1 确定液压泵和电机规格1.计算液压泵的最大工作压力由于
15、本设计采用双泵供油方式，大流量液压泵只需在快进和快退阶段向液压缸供油，因此大流量泵工作压力较低。小流量液压泵在快速运动和工进时都向液压缸供油，而液压缸在工进时工作压力最大，因此对大流量液压泵和小流量液压泵的工作压力分别进行计算。根据液压泵的最大工作压力计算方法，液压泵的最大工作压力可表示为液压缸最大工作压力与液压泵到液压缸之间压力损失之和。对于调速阀进口节流调速回路，选取进油路上的总压力损失 ，同p0.8MPa时考虑到压力继电器的可靠动作要求压力继电器动作压力与最大工作压力的压差为0.5MPa，则小流量泵的最高工作压力可估算为 Pp1=Pmax+P（损）+P（继电器）=4.004+0.8+0.
16、5=5.304MP大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为 0.5MPa，则大流量泵的最高工作压力为：沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸9沈 阳 理 工 大 学Pp2=（P1+P 损）=1.60+0.5=2.1MP2.计算总流量在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在快进工作阶段，为 33.18L/min，若整个回路中总的泄漏量按液压缸输入流量的 10%计算，则液压油源所需提供的总流量为：Qp=1.121=23.1L/min工作进给时，液压缸所需流量约为 0.475 L/min，但由于要考虑溢流阀的最
17、小稳定溢流量 3 L/min，故小流量泵的供油量最少应为 3.475L/min。据据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，上网或查阅有关样本，例如 YUKEN 日本油研液压泵样本，确定 PV2R 型双联叶片泵能够满足上述设计要求，因此选取 PV2R126/33 型双联叶片泵，其中小泵的排量为 6mL/r，大泵的排量为33mL/r，若取液压泵的容积效率 =0.9，则当泵的转速 =940r/min 时，小泵的输出vnp流量为qp 小 =69400.9/1000=5.076 L/min该流量能够满足液压缸工进速度的需要。大泵的输出流量为qp 大 =33*940*0.9/1000=27.918
18、L/min双泵供油的实际输出流量为 p=(6+3)940./1L/min32.94 L/in该流量能够满足液压缸快速动作的需要。表 3 液压泵参数规格元件名称估计流量 1/minL额定流量 1/inL额定压力 MPa 型号双联叶片泵 (5.1+27.9)最高工作压力为 21 MPaPV2R126/333.电机的选择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 2.1MPa，流量为32.994L/min。取泵的总效率 ，则液压泵驱动电动机所需的功率为：0.75pP=Pp.Qp/0.75/60=1.54KW根据上述功率计算数据，此系统选取 Y112M-6 型电动机，其额定功率，额定转速 。
19、2.KWpn94r/minn沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸10沈 阳 理 工 大 学5.2 阀类元件和辅助元件的选择1阀类元件的选择表 4 阀类元件的选择序号 名称 型号1 双联液压泵 PV2R12-6/282 三位五通电液换向阀 35DYR3Y-E10B3 行程阀 AXQF-10B4 调速阀 AXQF-E10B5 单向阀 AXQF-E10B6 单向阀 AF3-E10B7 顺序阀 XF3-E10B8 背压阀 YF3-E10B9 溢流阀 YF3-E10B10 单向阀 AF3-E10B11 过滤器 XU-63*80-J12 压力表开关 KF3-E3B13 单向阀 AF3-Ea1
20、0B14 压力继电器 HED1Ka/102选过滤器的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。由于所设计组合机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，故有2.5(3.)/min82.5/inqL泵 入过 滤 器因此系统选取通用型 WU 系列网式吸油过滤器，参数如表 6 所示。3空气滤清器的选择按照空气滤清器的流量至少为液压泵额定流量 2 倍的原则，即有23/in/iqp过 滤 器5.3 油管的选择液压缸进、出油管的规格可按照输入、排出油液的最大流量进行计算。由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以应
21、对液压缸进油和出油连接管路重新进行计算，如表 8 所示。沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸11沈 阳 理 工 大 学采用活塞杆固定式，则与液压缸相连的两根油管可以采用无缝钢管连接在液压缸活塞杆上或采用高压软管连接在缸筒上。表 5 液压缸的进、出油流量和运动速度流量、速度 快进 工进 快退输入流量 1/minLQ1 =（A1Qp）/(A1-A2)=9.532.994/(9.5-4.5)=62.7Q1=0.475 Q1=Qp=32.994排出流量 1/minLQ2 =A2q1/A1=4.562.7/9.5=29.7Q2=(A2Q1)/A1=4.50.475/9.5=0.225Q2=
22、(A1Q1)/A2=9.532.994/4.5=65.99运动速度 1/inV1=QP/(A1-A2)=32.994/(9.5-4.5)=6.6V2=Q1/A1=0.475/9.5=0.05V3=Q1/A2=32.994/4.5=7.3325.4 油箱的设计5.4.1 油箱长宽高的确定油箱的主要用途是贮存油液，同时也起到散热的作用，参考相关文献及设计资料，油箱的设计可先根据液压泵的额定流量按照经验计算方法计算油箱的体积，然后再根据散热要求对油箱的容积进行校核。油箱中能够容纳的油液容积按 JB/T79381999 标准估算，取 时，求得其容7积为 732.94L0.6Vqp按 JB/T79381
23、999 规定，取标准值 V=250L。依据35015m.8.容 量沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸12沈 阳 理 工 大 学如果取油箱内长 l1、宽 w1、高 h1 比例为 3：2：1，可得长为： =1107mm，宽1l=738mm，高为 =369mm。1wh对于分离式油箱采用普通钢板焊接即可，钢板的厚度分别为：油箱箱壁厚 3mm，箱底厚度 5mm，因为箱盖上需要安装其他液压元件，因此箱盖厚度取为 10mm。为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，取箱底离地的距离为 160mm。因此，油箱基体的总长总宽总高为：长为： 12(073)1ltm宽为： 874w高为： 56(0
24、6950)54h m5.4.2 隔板尺寸的确定为起到消除气泡和使油液中杂质有效沉淀的作用，油箱中应采用隔板把油箱分成两部分。根据经验，隔板高度取为箱内油面高度的 ，根据上述计算结果，隔板的43高度应为： 30.25294178VhLW隔 板隔板的厚度与箱壁厚度相同，取为 3mm。5.4.3 各种油管的尺寸油箱上回油管直径可根据前述液压缸进、出油管直径进行选取，上述油管的最大内径为 20mm，外径取为 28mm。泄漏油管的尺寸远小于回油管尺寸，可按照各顺序阀或液压泵等元件上泄漏油口的尺寸进行选取。油箱上吸油管的尺寸可根据液压泵流量和管中允许的最大流速进行计算。32.94/min36./in0qp
25、LLv泵 入取吸油管中油液的流速为 1m/s。可得： .120.25.6d m泵 入液压泵的吸油管径应尽可能选择较大的尺寸，以防止液压泵内气穴的发生。因此根据上述数据，按照标准取公称直径为 d=32mm，外径为 42mm。6. 液压系统性能的验算本例所设计系统属压力不高的中低压系统，无迅速起动、制动需求，而且设计中已考虑了防冲击可调节环节及相关防冲击措施，因此不必进行冲击验算。这里仅验算系统的压力损失，并对系统油液的温升进行验算。沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸13沈 阳 理 工 大 学6.1 回路压力损失验算由于系统的具体管路布置尚未确定，整个回路的压力损失无法估算，仅只阀
26、类元件对压力损失所造成的影响可以看得出来，供调定系统中某些压力值时参考。6.2 油液温升验算液压传动系统在工作时，有压力损失、容积损失和机械损失，这些损失所消耗的能量多数转化为热能，使油温升高，导致油的粘度下降、油液变质、机器零件变形等，影响正常工作。为此，必须控制温升 T 在允许的范围内，如一般机床 T = 25 30 ；数控机床 T 25 ；粗加工机械、工程机械和机车车辆 T= 35 40 。液压系统的功率损失使系统发热，单位时间的发热量 （kW）可表示为P12式中 系统的输入功率（即泵的输入功率） （kW） ；P1 系统的输出功率（即液压缸的输出功率） （kW） 。2若在一个工作循环中有
27、几个工作阶段，则可根据各阶段的发热量求出系统的平均发热量对于本次设计的组合机床液压系统，其工进过程在整个工作循环中所占时间比例为 210.96.%4.2t因此系统发热和油液温升可用工进时的发热情况来计算。工进时液压缸的有效功率（即系统输出功率）为P0=Fv=344440.05/60=28.7W=0.0287KW这时大流量泵通过顺序阀 10 卸荷，小流量泵在高压下供油，所以两泵的总输出功率（即系统输入功率）为：Pi=Pp1Qp1+Pp2Qp2/750=0.414KW由此得液压系统的发热量为Hi=Pi-P0=0.414-0.0287=0.3853KW即可得油液温升近似值：T=/（ hA）=0.386/（9*10 -3*6.5*10-2*2502/3）=15.6C温升小于普通机床允许的温升范围，因此液压系统中不需设置冷却器沈 阳 理 工 大 学 课 程 设 计 专 用 纸14沈 阳 理 工 大 学参考文献1 左建民液压与气压传动机械工业出版社2上海市职业技术教育课程改革与教材建设委员会组编.液气压传动.北京：机械工业出版社，2001.93 章宏甲.液压与气压传动.第 2 版.北京：机械工业出版社，2001.4许福玲 . 液压与气压传动. 武汉：华中科技大学出版社，2001.
