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臥式鉆鏜組合機床液壓系統(tǒng)
湖南工業(yè)大學
液壓與氣壓傳動課程設(shè)計
資 料 袋
機械工程 學院（系、部） 2014~ 2015 學年第 1 學期
課程名稱 機械設(shè)計 指導教師 劉忠偉
學生姓名 專業(yè)班級 學號
題 目 臥式鉆鏜組合機床液壓系統(tǒng)
成 績 起止日期 2015 年 1 月 4 日～ 2015 年 1月 8日
目 錄 清 單
課程設(shè)計說明書
課程名稱： 液壓傳動課程設(shè)計 設(shè)計題目：臥式鉆鏜組合機床液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 學生姓名: 學 號:
起迄日期:
指導教師: 劉忠偉
湖南工業(yè)大學 制
目錄
一 設(shè)計要求及工況分析 ···································································· 3
二 主要參數(shù)的確定 ·········································································· 6
三 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 ···································································· 9
四 液壓元件的計算和選擇 ·································································· 12
五 液壓系統(tǒng)的性能驗算 ····································································· 15
六 心得體會 ···················································································· 16
七 參考文獻 ···················································································· 17
題目1：
一臥式鉆鏜組合機床動力頭要完成快進→工進→→快退→原位停止的工作循環(huán)，最大切削力為F＝12000N，動力頭自重FG＝20000N，工作進給要求能在0.02～1.2m/min范圍內(nèi)無級調(diào)速，快進、快退速度為6m/min，工進行程為100mm，快進行程為300mm，導軌型式為平導軌，其摩擦系數(shù)取fs＝0.2，fd＝0.1；往復運動的加速減速實踐要求不大于0.5s。試設(shè)計該液壓系統(tǒng)。
一、 設(shè)計要求及工況分析
1.設(shè)計要求
要求設(shè)計的臥式鉆鏜組合機床動力頭要完成快進→工進→→快退→原位停止
主要性能參數(shù)與性能要求如下： 最大切削力 F=12000N 動力頭自重 FG＝20000N
工作進給要求能在 0.02～1.2m/min 范圍內(nèi)無極調(diào)速 快進、快退速度為 6m/min
工進行程為 100mm 快進行程為 300mm
導軌型式為平導軌，其摩擦系數(shù)取靜摩擦因數(shù)fs＝0.2，動摩擦因數(shù)fd＝0.1
往復運動的加速減速實踐要求不大于0.5s。 液壓缸機械效率為0.9.
2工況分析
切削推力 F切=12000N
靜摩擦力 Fs=fs*FG=0.2*20000=4000N 動摩擦力 Fd=fd*FG=0.1*20000=2000N
啟動慣性力（慣性負載）Fm=(G/g)*(△V/△t)=（20000/9.8）*（6/0.5*60）=408N 3.液壓缸的推力
啟動推力 F啟= Fs/η=4000/0.9= 44444N
加速推力 F加=（Fd+Fm）/η =（2000+408）/0.9=2676N 快進推力 F快=Fd/η=2000/0.9=2222N
工進推力 F工=（F切+Fd）/η=912000+20000/0.9=15556N 反向啟動過程作用力與F啟、F加、F快 大小相同，方向相反
根據(jù)液壓缸上述各階段的負載可繪制如圖（1）所示的負載循環(huán)圖 速度圖按已知數(shù)值V1 =V3=6m/min，快進行程長度L1=300mm，工進行程長度為L2=100mm，
快退行程l3=l1+l2=400mm和工進速度V2等繪制，如圖（2）選V2=0.02~1.2m/min 進給循環(huán)圖如圖（3）
二、主要參數(shù)的確定
1.選取工作壓力及背壓力
F工=15556N，在10000-20000N之間，參考表9-2，P1=2.5~3MPa，初選P1=3MPa,防止加工結(jié)束動力頭突然前沖，設(shè)回路有背壓閥，取背壓閥P2=0.8MPa，但是由于油管中有壓降△p存在，有桿腔的壓力必須大于無桿腔，估算時可取△p約為0.5MPa，快退時回油腔中有背壓，這時P2也可按0.5MPa估算。
表2 按負載選擇系統(tǒng)工作壓力
2.確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 由工進時的推力計算液壓缸的面積 F/η=A1P1-A2P2=A1P1-(A1/2)P2
所以 A1=F/η/(P1-P2/2）=15556/0.9/（3-0.8/2）=87mm2
根據(jù)表3表4 由計算所得的液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d值應(yīng)按GB2348—1993圓整到相近的標準直徑，以便于采用標準的密封件。 取液壓缸標準值： D=90mm 取活塞桿標準值： d=63mm 3.定液壓缸筒的長度
活塞桿工作行程：400mm 活塞桿伸出長度不少于 450mm 取活塞桿長 500mm 取液壓缸筒長：L= 450mm 4.液壓缸的活塞面積
A1=πD2/4=（π*9*9）/4=64cm2 A2=A1-A2=33cm2
A3=πd2/4=（π*6.3*6.3）/4=31cm2 5.初選液壓缸流量
快進： Q1=VA1=60?0.64=38.4L/min Q2=VA2=60?0.33=19.8L/min
Qp=Q1-Q2=38.4-19.8=18.6L/min
工進 Q工=V2A1=（0.02~1.2）?6.4=0.128~7.68L/min
根據(jù)上述D和d的值，可以估算液壓缸在不同工作階段的壓力流量和功率 表（5），并根據(jù)繪出如圖（4）所示的液壓缸工況圖，其中粗實線、細實線、雙點畫線分別表示功率、流量、壓力.
2． 快退時，液壓缸有桿腔進油，壓力為p1，無桿腔回油，壓力為p2。
三、 液壓系統(tǒng)圖的擬定
1. 擬定液壓系統(tǒng)原理圖一般應(yīng)考慮以下幾個問題：
（1） 采用何種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行元件； （2） 確定供油方式； （3） 調(diào)速方式的選擇；
（4） 快速回路和速度換接方式的選擇； （5） 如何完成執(zhí)行機構(gòu)的自動循環(huán)和順序動作；
（6） 系統(tǒng)的調(diào)壓、卸荷及執(zhí)行機構(gòu)的換向和安全互鎖等要求； （7） 壓力測量點的合理選擇。
根據(jù)上述要求選擇基本回路，然后將各基本回路歸并、整理，在增加一些必要的元件或輔助油路，使之成為完整的液壓系統(tǒng)，進行這項工作時還必須注意一下幾點：
（1） 盡可能省去不必要的元件，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
（2） 最終綜合出來的液壓系統(tǒng)應(yīng)保證其工作循環(huán)中的每個動作
都安全可靠，互相無干擾；
（3） 盡可能采用標準件，減少自行設(shè)計的專用件； （4） 盡可能使系統(tǒng)經(jīng)濟合理，便于維修檢測。
2.選擇基本回路
（1）選擇調(diào)速回路 由圖（4）中的曲線得知，這臺機床液壓系統(tǒng)的功率小，滑臺運動速度低，工作負載變化小，可采用進口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進口節(jié)流調(diào)速回路前沖現(xiàn)象，回油路上要設(shè)置背壓閥。初定背壓值Pb=0.8MPa.由于液壓系統(tǒng)選用了節(jié)流調(diào)速的方式，系統(tǒng)中的液壓油的循環(huán)必須是開式的。
從工況圖來看，這個系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸交替地要求油源提供低壓大流量和高壓小流量的液壓油，最大流量和最小之比約為58，而快進，快退所需時間t1和工進所需時間t2分別是
t1=（l1/v1）+(l3/v3)=（60?300）（/6?1000）+（60?400）（/6?100）=7st2=l2/v2=(60?100)/[(0.02~1.2)?1000]=5~300s
從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能源來看，采用定量泵作為油源是不合適的。所以采用雙聯(lián)式定量葉片泵。如圖（5）
圖（5） 雙聯(lián)式定量葉片泵
（2）選擇快速運動和換向回路 采用節(jié)流調(diào)速回路后，不管采用什么油源形式，都必須有單獨的油路直接通向液壓缸兩腔，以實現(xiàn)快速運動。此系統(tǒng)中單桿液壓缸要作差動連接。 （3）選擇速度換接回路
由圖4中的流量值得知，當滑臺從快進轉(zhuǎn)為工進時，輸入流量由18.6L/min降到0.32L/min，滑臺的速度變化較大，宜采用行程閥來控制速度的換接，以減小沖擊。當滑臺由工進轉(zhuǎn)為快退時，回路中通過的流量很大，為了保證換向閥式換接回路。 （4）組成液壓系統(tǒng)
將上面選出的液壓基本回路組合在一起，就得到完整的液壓系統(tǒng)原理圖。如A3圖紙（1）
四 、液壓元件的計算與選擇
1、確定液壓泵的規(guī)格
液壓整個工作循環(huán)中的最高工作壓力為2.84MPa，如果進油路上壓力損失為0.8MPa，壓力繼電器調(diào)整壓力高于系統(tǒng)最高工作壓力0.5MPa，則小流量泵的最高工作壓力應(yīng)為2.84+0.8+0.5=4.14MPa。 大流量泵是在快速運動時才向液壓缸供油的，由圖（4）可知，快退時液壓缸中的工作壓力要比快進時大，如果取進油路上的壓力損失為0.5MPa，則大流量泵的最高工作壓力為1.78+0.5=2.28MPa。 兩個液壓泵液壓缸提高的最大流量為19.8L/min，如圖（4），若回路中的泄露按液壓缸輸入的10%來估算的話，則兩泵總流量應(yīng)為
qp=1.1?19.8=21.12L/min而溢流閥的最小穩(wěn)定流量為3L/min，工進時
輸入液壓缸的流量為0.32L/min,所以小流量泵的流量規(guī)格最小為3.5L/min。
根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查，最后確定選取 PV2R12 型雙聯(lián)式葉片泵。
2、電動機的驅(qū)動功率
由于液壓缸在快退時輸入功率最大，這相當于液壓泵輸出壓力2.28MPa、流量22L/min時的情況。若取雙聯(lián)葉片泵的總效率ηp=0.75，
（2.28*22）（/60*0.75*106）=1.11KW 則液壓泵的驅(qū)動原動機的功率為P=
根據(jù)此數(shù)據(jù)查電機產(chǎn)品樣本，最后選定了Y系列型電動機，其額定功率為 1.5KW。
3. 其他元件及輔件
（1）確定控制元件和輔助元件 根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過各個控制閥類元件和輔助元件的實際流量，可選出這些元件的規(guī)格和型號，表（6）為選用的元件型號和規(guī)格。
（2）確定油管 各元件間管道的規(guī)格按元件接口的尺寸確定，液壓缸進、出油管按輸入、輸出的最大流量計算。由于液壓泵具體選定后液壓缸在各個階段的進出流量已經(jīng)與原定數(shù)值不同，所以要重新計算得到表（7）所示的數(shù)據(jù)。
當液壓油的流速取3m/min時，可得到液壓缸有桿腔和無桿腔相連的
/π?3?103?60≈21mm 油管內(nèi)徑分別為 d=2?43.35?106）
/π?3?103?60≈15mm d=2?21?106）
為統(tǒng)一規(guī)格，按產(chǎn)品樣本選取所有的油管均為內(nèi)徑20mm，外徑28mm的10號冷拔鋼管。
（3）油箱 油箱的容量V按式V=aqv估算，當經(jīng)驗系數(shù)取6時，V=6*21=126L。按GB 2876-1981規(guī)定，取最靠近的標準值V=150L
五、液壓系統(tǒng)的性能驗算
1.回路壓力損失驗算
由于系統(tǒng)的具體管路布置沒有確定，整個回路的壓力損失無法估算，所以此處省略。 2 油液溫升驗算
工進在整個工作循環(huán)中所占的時間比例達95%，所以系統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升可用工進時的情況來計算。
工進時液壓缸的有效功率（即系統(tǒng)輸出功率）為
P0=FV=
15556?0.02~1.2-3
=5.19?10~0.3KW 3
60?10
這是大流量泵通過順序閥卸荷，小流量泵在高壓下供油，所以兩個泵的總輸入功率（即系統(tǒng)輸入功率）為
PKW i≈qp?P1工≈21?2.84=0.994
由此得液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為
Hi=pi-p0=0.994-0.3=0.694
按式（11-2）求出油液溫升近似值
?T=
Hi
2
?103=28.230C
溫升沒有超出允許范圍，液壓系統(tǒng)中不需設(shè)置冷卻器。
六、心得
1.系統(tǒng)了所學的專業(yè)知識。貫穿了液壓與氣動、材料力學、機械原理以及機械設(shè)計等的知識，使所學知識得以融會貫通。并溫故而知新，對知識有了一個更深層次的理解。
2.培養(yǎng)了自己的基本素質(zhì)，學會查閱手冊，借鑒經(jīng)驗。學會了基本的設(shè)計思路，積累了經(jīng)驗。
3.養(yǎng)成了嚴謹認真的設(shè)計作風。在設(shè)計中，一定要認真對待每一個環(huán)節(jié)，一個數(shù)據(jù)的錯誤、一會的煩躁不安都足以使設(shè)計失敗。 4.提升自我分析和處理解決的問題的能力，是的，由剛接到題目時的不知所措，到自己摸索，跟同學交流，由不明白到最終完成整個設(shè)計方案，我想這本身已是一種考驗。
5.盡管這次作業(yè)的過程是曲折的,但我的收獲還是很大的.不僅僅掌
握了液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟與方法;也不僅僅對制圖有了更進一步的掌握;Auto CAD ,Word這些僅僅是工具軟件,熟練掌握也是必需的.提升了AutoCAD的操作水平，由略帶生疏到現(xiàn)在可以比較熟練地操作AutoCAD。 對我來說,收獲最大的是方法和能力.那些分析和解決問題的方法與能力.在整個過程中,我發(fā)現(xiàn)像我們這些學生最最缺少的是經(jīng)驗,沒有感性的認識,空有理論知識,有些東西很可能與實際脫節(jié).總體來說,我覺得做這種類型的作業(yè)對我們的幫助還是很大的,它需要我們將學過的相關(guān)知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來,從中暴露出自身的不足,以待改進.有時候,一個人的力量是有限的,合眾人智慧,我相信我們的作品會更完美!
七 參考文獻
[1] 劉忠偉，劉少軍.液壓與氣壓傳動[M].第三版.北京：化學工業(yè)出版社，2013
[2] 成大先 .機械設(shè)計手冊[M].第一版.北京:化學工業(yè)出版社，2004
[3] 王守城，段俊勇臥式鉆鏜組合機床液壓系統(tǒng).液壓元件及選用[M].北京:化學工業(yè)出版社，2007
[4] 周士昌.液壓系統(tǒng)設(shè)計圖集[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004
[5] 張世偉，朱福元.液壓系統(tǒng)的計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].寧夏：寧夏人民出版社，1987
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