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液压传动课程设计1副本


液压传动课程设计 液压传动课程设计题目 设计题目 2:某厂设计一台钻镗专用机床,要求孔的加工进度为 IT6 级。要求该 机床液压系统要完成的工作循环是:工件定地、夹紧→动力头快进→工进→终点 停留→动力头快退→工件松开、拔销。该机床运动部件的重量为 30000N,快进、 快退速度为 6m/min,工进的速度为 20~120mm/min 可无级调速,工作台的最大 行程为 400mm,其中工进的总行程为 150mm,工进时的最大轴向切削力为 20000N,工作台的导轨为采用平导轨支撑方式;夹紧缸和拔销缸的行程都为 25mm,夹紧力在 12000N~8000N 之间可调,夹紧时间不大于 1 秒钟。 1. 工况分析

根据已知条件,绘制运动部件的速度循环图,如图 1-1 所示。计算各阶段的 外负载,如下: 液压缸所受外负载 F 包括三种类型,即

F=F ? +F f +F a
式中 F ? —工作负载,对于金属钻镗专用机床,既为工进时的最大轴向切削力, 为 20000N; F a —运动部件速度变化时的惯性负载; F f —导轨摩擦阻力负载,启动时为静摩擦阻力,启动后为动摩擦力阻力, 对于平导轨 F f 可由下式求得

F f = f ( G + F Rn );
G—运动部件重力; F Rn —垂直于导轨的工作负载,本设计中为零; f—导轨摩擦系数,在本设计中取静摩擦系数为 0.2,动摩擦系数为 0.1。则 求得

F fs = 0.2 ? 30000N = 60000N F fa = 0.1 ? 30000N = 30000N
上式中 F fs 为经摩擦阻力,F fa 为东摩擦阻力。

(1-2)

Fa =

G ?? g ?t

式中 g—重力加速度;
?t —加速或减速时间,一般 ?t = 0.01~0.5s,取 ?t = 0.1s。
?? — ?t 时间内的速度变化量。

在本设计中

Fa =

30000 9 .8

?

6 0 .1 ? 60

N = 3061N

根据上述计算结果,列出各工作阶段所受的外负载(见表 1-1) ,并画出如图 1-2 所示的负载循环图。

表 1-1 工作循环各阶段的外负载 工作循环 启动、加速 快进 外 负 载 F (N) F=F fs +F a F=F fa 9061N 3000N 工作循环 工进 快退 外 负 载 F (N) F=F fa +F ? F=F fa 23000N 3000N

2.

拟定液压系统原理图

(1)确定供油方式 考虑到该机床在工作进给时负载较大,速度较低。而在快进、快退时负载较

小,速度较高。从节省能量、减少发热考虑,泵源系统宜选用双泵供油或者变量 泵供油。本设计采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。 (2)夹紧回路的选择 采用二位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时,为了避免工作时突然失 电而松开,应采用失电夹紧方式 0。为了实现夹紧时间可调节和当进油路压力瞬 时下降时仍然能保持夹紧力, 接入节流阀调速和单向阀保压。为了实现夹紧力的 大小可调和保持夹紧力的稳定,在该回路中装有减压阀。 (3)定位液压缸与夹紧缸动作次序回路的选择。 定位液压缸和夹紧缸之间的动作次序采用单向顺序阀来完成, 并采用压力继 电器发信启动工作台液压缸工作,以简化电气发信与控制系统,提高系统的可靠 性。 (4)调速方式的选择 在中小型专用机床的液压系统中, 进给速度的控制一般采用节流阀或者调速 阀。 根据钻镗类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定技术要求的 特点, 采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率 高、发热小和速度刚性好的特点,并且调速阀装在回油路上,具有承受负切削力 的能力。 (5)速度换接方式的选择 本设计采用电磁阀的快慢速度换接回路,它的特点是结构简单、调节行程方 便,阀的安装也容易。 最后把所选择的液压回路组合起来,既可组成图 1—3 所示的液压系统原理。

图 1-3 液压系统原理图 3.液压系统的计算和选择液压元件 (1)液压缸主要尺寸的确定。 1)工作压力 P 1 的确定。工作压力 P 1 可根据负载大小及其机器的类型来初 步确定,参阅表 2-1 取液压缸工作压力为 4MPa。 2)计算液压缸内径 D 和活塞杆直径 d。由负载图知最大负载 F 为 23000N, 按表 2-2 可取 P 2 为 0.5MPa,? cm 为 0.947,按表 2-3,取 d/D 为 0.7。将上述数

据代入D =

4F ? P ? ? d ?2 ?? ? ? ?P1? cm ?1 ? 2 ?1 ? ? ? ? ? P1 ? ? D ? ? ? ? ? ?? ?
4 ? 23000
6 ? 0 .5 2 ? 3 .14 ? 4 ?10 ? 0 .947 ? ?1 ? 1 ? ?0 .7 ? ? 4 ? ?

(2-3)

可得 DⅠ=

?

?

m = 9.09 ? 10 ?2 m

根据表 2-4,将液压缸内径圆整为标准系列直径 DⅠ = 100mm;活塞杆直径 d,按 d/D = 0.7 及表 2-5,活塞杆直径系列取 dⅠ = 70 mm。

按工作要求夹紧力由一个夹紧缸提供,考虑到夹紧力的稳定,夹紧缸的工作
? 压力应低于进给液压缸的工作压力, 取油背压力为 3.0MPa,回油背压力为零, cm

为 0.947,则按式(2-3)可得

DⅡ =

4 ? 12000 3.14 ? 3 ? 10 ? 0.947
6

m = 7.3 ? 10 ?2 m

按表 2-4 及表 2-5 液压缸和活塞杆的尺寸系列,取加紧液压缸的 DⅡ和 dⅡ 分别为 80mm 及 56mm。 本设计中调速阀是安装在回油路上, 故液压缸节流腔有效工作面积应选取液 压缸有杆腔的实际面积,既
? ?D 2 ? d 2 ? = ? 4 4

A=

?

?10

2

? 72

? cm

2

= 40 cm 2

由式(2-4)得最小有效面积

A min =

q min

? min

=

0.05 ? 10 3 2

cm 2 = 25 cm 2

因为满足 A> A min ,故液压缸能达到所需低速。 3)计算在各工作阶段液压缸所需的流量

q 快进 = q 工进 q 快退 q夹

? 4 ? = 4 ? = 4 ? = 4

? ?2 2 ? ?7 ? 10 ? ? 6m 3 / min = 23 .08 L / min 4 ? DⅠ 2 ? 工进 = ? 0.12 ? 0.12 m 3 / min = 0.942 L / min 4 ?D? 2? d? 2 ? ? 快退 = ? ? ?0.12? 0.07 2 ? ? 6m 3 / min = 24.02 L / min 4 ? DⅡ 2 ? 夹 = ? 0.08 2 ? 25 ? 10 ?3 ? 60 m 3 / min = 7.54 L / min 4

dⅠ 2 ? 快进 =

(2)确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格 1)泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油路有一定的压力损失,所 以泵的工作压力为

P p = P 1 + ? ?p
式中 P p ——液压泵最大工作压力; P 1 ——执行元件最大工作压;

? ?p ——进油管路中的压力损失,初算时简单系统可取 0.2~0.5MPa,
复杂系统取 0.5~1.5 MPa,本设计取 0.5 MPa。

P p = P 1 + ? ?p = ?4 ? 0.5 ? MPa = 4.5 MPa
上述计算所得的 P p 是系统的静态压力, 考虑到系统在各种工况的过度阶段 出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储备量,并确保泵的 寿命,因此选泵的额定压力 P n 应满足 P n ? ?1.25 ~ 1.6 ? P p 。中低压系统取最小 值,高压系统取大值。在本设计中 P n = 1.25 P p = 5.63 MPa。 2)泵的流量确定。液压泵的最大流量应为

q P ? k L ?? q ?max
式中

q P ——液压泵的最大流量;
max

?? q ?

——同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。

k L ——系统泄露系数,一般取 k L = 1.1 ~1.3,本设计取 k L = 1.15。 q P ? k L ?? q ?max = 1.15 ? 24 L / min = 27.6L/min
3)选择液压泵的规格。根据以上算得的 P p 和 q P ,查找相关手册,选用 YBX-25 限压式变量叶片泵,该泵的基本参数为:每转排量 q o = 25ML/r,泵的 额定压力 P n = 6.3MPa,电动机的转速 n H = 1450r/min,容积效率为 ? v =

0.85,总效率? = 0.7。
4)与液压泵匹配的电动机的选定。首先分别算出快进与工进两种不同工况

时的功率, 取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在慢进时泵输出的流 量减少,泵的效率急剧下降,一般当流量在 0.2~1L/min 范围内时,可取 ? = 0.03~0.14。 同时还应注意到, 为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最 大功率点时不致停转,需进行验算,即
pB q p ? 2 Pn

?

(1-6)

式中

P n ——所选电动机额定功率; P B ——限压式变量泵的限压力; q P ——压力为 P B 时,泵的输出流量。
首先计算快进的功率,快进的外负载为 3000N,进油路的压力损失定为

0.3MPa,由式(1-4)可得

Pp =

? ? ? ? 3000 ? ? 10 ? 6 ? 0.3 ? MPa ?? ? 2 ? ? 0.07 ? ?4 ?

= 1.08MPa

快进时所需电动机功率为

P=

ppqp

?

=

1.1 ? 24 .02 60 ? 0.7

KW = 0.63KW

工进时所需电动机功率为

P=

4.5 ? 0.942 60 ? 0.7

KW = 0.1KW

查阅相关电动机类型标准, 选用 Y90S—4 型电动机, 其额定功率为 1.1KW, 额定转速为 1400r/min。 根据产品样本可查得 YBX—25 的流量压力特性曲线。再由已知的快进时流 量为 23.04L/min,工进时的流量为 0.942 L/min,压力为 4.5MPa,作出泵的实际 工作时的流量压力特性曲线,查得该曲线拐点处的流量为 23 L/min, ,压力为 2MPa,该工作点处对应的功率为
2 ? 23 60 ? 0 .7

P=

KW = 1.1KW

所选电动机满足式(1-6),拐点处能正常工作。

(3)液压阀的选择 本液压系统可采用力士乐系统的阀,控制液压缸部分选用力士乐系列的阀, 其夹紧部分选用叠加阀。选定的液压元件如下表 1-2 所示。 表 1-2 液压元件明细表 序 号 1 2 3 14 15、16 17 18 6 4 5 8 10、11 12 元 件 名 称 滤 油 器 液 压 泵 压 力 开 关 三位四通换向阀 单 向 调 速 阀 二位三通换向阀 压 力 继 电 器 压 力 表 开 关 减 压 阀 单 向 阀 二位四通换向阀 单 向 顺 序 阀 压 力 继 电 器 方 案 通过流量(L/min)

XU—B32 ? 100 YBX-25 KF3-EA10B 34EF30-E10B AQF3-E10B 23EF3B-E10B DP 1 -63B KF3-EA10B JF3-10B AF3-EA10B 24EF3-E10B AXF3-E10B DP 1 -63B

28.8 28.8

24 24 7.5 24

7.5 7.5 7.5 7.5 7.5

(4)确定管道尺寸 油管内劲尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定。

d= 4.6×

q v

= 4.6×

40 4

mm= 14.5mm

若 系 统 主 油 路 流 量 按 快 退 时 取 q+20L/min, 则 可 算 得 油 管 内 径 d =

10.3mm。综合诸因素,现取油管的内劲 d 为 12mm。参照 YBX-25 变量泵吸

油口连接尺寸,取吸油管内劲 d 为 28mm。 (5)液压邮箱容积的确定 本设计为中低液压系统, 液压油箱有效容量按泵的流量的 5~7 倍来确定, 取 选用容量为 160L 的邮箱。 4.液压系统的验算 已知该液压系统中进、回油管的内劲均为 12mm,各段管道的长度分别为: AB = 0.3m,AC = 1.7m,AD = 1.7m,DE = 2m。选用 L-HL32 液压油,考虑到油的最 低温度为 15 ? C 时该液压油的运动粘度 ? =150cst =1.5cm 2 /s,油的密度 ? = 920kg/m 3 。 (1) 压力损失的验算 1)工作进给时进油路压力损失。运动部件工作进给时的最大速度为

0.12m/min,进给时的最大流量为 0.942L/min,则液压油在管内流速 ? 1 为
?1 =
q

?
4

=
2

4 ? 0.942 ? 10 3 3.14 ? 1.2 2

cm/min = 833cm/min = 13.9cm/s

d

管道流动雷诺系数 Re 1 为

Re 1 =

?1d ?

=

13 .9 ? 1.2 1 .5

= 11.1

Re1<2300 , 可 见 油 液 在 管 道 内 流 态 为 层 流 , 其 沿 程 阻 力 系 数
? 1= 75 = 75 =6.8。
Re 1

11 .1

进油管道 BC 的沿程压力损失 ? p 1?1 为
?p1?1 ? ? l ??1 d 2
2

? 0.68 ?

? 1 .7 ? 0 .3 ?
1.2 ? 10 ? 2

?

920 ? 0.139 2 2

Pa ? 0.1 ? 10 4 Pa

查得换向阀 34EF30-E10B 的压力损失 ? p 1 =0.05 ? 10 6 Pa 忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失,刚进油路总压力损失 ?P1 为

? P 1 = ?p1?1 ? ?p1? 2 ? ?0.1 ? 10 4 ? 0.05 ? 10 6 Pa ? ? 0.051 MPa

2)工作进给时回油路的压力损失。由于选用单活塞杆液压缸,且液压缸有 杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的二分之一, 则回油管道的流量为进油管道 的二分之一,则
?2 ? ?1
2 ? 6.95 cm / s

Re 2 ?

? 2 d 6.95 ? 1.2 ? ? 5.55 ? 1 .5
? 75 5.55 ? 13 .5

?2 ?

75 Re 2

回油管道的没种压力损失 ?p 2?1 为:
?p 2 ?1 ? ? l ?? 2 d 2
2

? 13 .5 ?

1 .7 1.2 ? 10 ? 2

?

920 ? 0.695 2 2

Pa ? 0.42 ? 10 6 Pa

查产品样本知换向阀 34EF30-E10B 的压力损失 ?p 2? 2 =0.025 ? 10 6 Pa,换向 阀 34EW30-E10B 的压力损失 ?P2 ? 3 ? 0.025 ? 10 6 Pa ,调速阀 AQF3-E10B 的 压力损失 ?P2? 4 =0.5 ? 10 6 Pa 。 回油路总压力损失为 ? P2 为
? P2 = ?p 2?1 + ?p 2? 2 + ?P2? 3 + ?P2? 4

=(0.42+0.025+0.025+0.5) ?10 6 Pa =0.97MPa
3)变量泵出口处的压力 Pp 为
Pp =

F / ? cm ? A2 ?P2 A1

? ?P1

? 23000 / 0 .947 ? 40 .05 ? 10 ?4 ? 0 .97 ? 10 6 ? ? 0 .051 ? 10 6 ? Pa ? 3 .64 MPa =? ? ? 78 .54 ? 10 ? 4 ? ?

4)快进时的压力损失。快进时液压缸为差动连接,自汇流点 A 至液压缸 进油口 C 之间的管路 AC 中,流量为液压泵出口流量的两倍既为 46L/min,AC 段管路的沿程压力损失 ?p1?1 为

?1 ?

q 4

?

4 ? 46 ? 10 3 3.14 ? 1.2 2 ? 60

cm / s ? 678 .5cm / s

?

d2

Re 1 =
?1 ?
75 Re
2

?1d ?

=
75

678 .5 ? 1.2 1 .5 ? 0.138

= 542.8

=
1

542 .8

?p1?1 ? ?

l ??1 d 2

? 0.138 ?

1 .7 1.2 ? 10
?2

?

900 ? 6.785 2 2

Pa ? 0.41 ? 10 6 Pa

同样可求得管道 AB 段及 AD 段的沿程压力损失 ?p1? 2 和 ?p1? 3 为
?2 ?
q 4 ? 4 ? 23 ? 10 3 3.14 ? 1.2 2 ? 60 cm / s ? 339 cm / s

?

d2

Re 2 =
?2 ?

?2d 339 ? 1.2 = = 271.2 ? 1 .5
75

Re

=
2

75 271 .2
?

? 0.28

?p1? 2 = 0.28 ?

0 .3 1.2 ? 10 ? 2 1 .7 1.2 ? 10

920 ? 3.39 2 2 ?

Pa ? 0.029 ? 10 6 Pa

?p1? 3 = 0.28 ?

920 ? 3.39 2 2

?2

Pa ? 0.168 ? 10 6 Pa

查产品样本知,流经各阀的局部压力损失为: 4EW6E50/AG24 的压力损失 ?P2 ?1 ? 0.17 ? 10 6 Pa ,3EW6E50/AG24 的压 力损失 ?P2 ? 2 ? 0.17 ? 10 6 Pa 。 据分析在差动连接中,泵的出口压力 p P 为
p P =2 ?p1?1 + ?p1? 2 + ?p1? 3 + ?p 2?1 + ?p 2? 2 +
F A2? cm

=

3000 ? ? 6 ??2 ? 0.41 ? 0.029 ? 0.168 ? 0.17 ? 0.17 ? ? 10 ? 40 .05 ? 10 ? 4 ? 0.947 ? Pa ? 2.15 MPa ? ?

快退时压力损失验算从略。上述验算表明,无需修改原设计。 (2) 系统温升的验算 在整个工作循环中,工进阶段所占的时间最长,为了简化计算,主要考虑工 进时的发热量。一般情况下,工进速度大时发热量较大,由于限压式变量泵在流 量不同时, 效率相差极大, 所以分别计算最大、 最小时的发热量, 然后加以比较, 取数值大者进行分析。 当 ? = 2cm/min 时

q = DⅠ 2 ?
? 0.1 2 ? 0.02 m 3 / min ? 0.157 ? 10 ?3 m 3 / min ? 0.157 L / min

? 4 ? = 4

此时泵的效率为 0.1,泵的出口压力为 6.3MPa,则有

P 输入 ?

6.3 ? 0.157 60 ? 0.1

KW ? 0.16 KW 2 60 ? 10 ? 2 ? 10 ?3 KW ? 0.008 KW

P 输入 ? F? ? 23000 ?
此时的功率损失为

?P ? P输入 ? P输出 ? ?0.16 ? 0.008 ?KW ? 0.152KW

当 ? = 12cm/min 时,q=0.942Lmin,总效率? ? 0.7 ,则 P 输入 ?
6.3 ? 0.942 60 ? 0.7 KW ? 0.141 KW 12 60 ? 10 ? 2 ? 10 ?3 KW ? 0.046 KW

P 输入 ? F? ? 23000 ?

?P ? P输入 ? P输出 ? ?0.141 ? 0.046 ?KW ? 0.095KW

可见在工进速度低时,功率损失为 0.152KW,发热量最大。 假设系统的散热状况一般,取 K=10 ? 10 ?3 KW / ?cm 2 ?? C ?,油箱的散热面积 A 为

A= 0.065 3 V 2
系统的温升为
?t ? ?p KA ?

? 0.065 3 160 2 m 2 ? 1.92 m 2

0.152 10 ? 10
?3

?

? 1.92

C ? 7.92 ? C

验算表明系统的温升在许可范围内。


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