组合机床动力滑台液压系统--课程设计说明书

《液压与气压传动》

课程设计说明书设计题目：组合机床动力滑台液压系统

专业：机械设计制造及其自动化

班级：机设1302

学号：1312110220

姓名：柳团洋

指导老师：高佑芳

完成日期：2015年12月30日

一、课程设计任务 (2)

二、负载分析 (4)

2.1负载计算 (4)

2.2负载速度图 (5)

三、液压系统方案设计 (6)

3.1方案的分析 (7)

3.2组合机床动力滑台液压系统原理图 (8)

四、液压系统参数计算 (8)

4.1液压缸参数计算 (8)

4.2液压泵的参数计算 (10)

4.3电动机的选择 (11)

五、液压元件的选择 (12)

5.1液压附件 (12)

5.2液压主元件 (15)

六、验算液压系统性能 (15)

6.1液压损失的验算及泵压力的调整 (15)

6.2液压系统的发热和温升验算 (18)

七、心得体会 (19)

八、参考文献 (19)

一、课程设计任务书

课程名称：液压与气压传动课程设计设计题目：组合机床动力滑台液压系统

内容及任务1.1设计的主要技术参数

运动部件总动力：G=4500N；切削力：

F=9500N;快进、快退速度：

4.5/

v v m s

==;

工进速度：

60~1000/

v m s

=;行程：400

l mm

=;启动时间：0.5

t s

?=;

静摩擦系数：0.2

f=;动摩擦系数：0.1

1.2设计任务

设计一台组合机床动力滑台液压系统。

1）机床要求的工作循环是：要求实现工件快进、工进、快退等过程，最后自动停止；动力滑台采用平导轨。

。

2）机床自动化要求：要求系统采用电液结合，实现自动循环，速度换接无冲击，且速度要稳定，能承受一定量的反向负荷。

1.3设计工作量

①按机床要求设计液压系统，绘出液压系统图。

②确定滑台液压缸的结构参数。

③计算系统各参数，列出电磁铁动作顺序表。

④选择液压元件型号，列出元件明细表。

⑤验算液压系统性能。

进度安排

起止日期工作内容

2011．1．8 老师讲授设计的一般步骤和方法和要求、布置设计题目2011．1．9—12 按任务要求进行设计

2011．1．13—14 教师检查验收，学生撰写、打印设计报告

主要参考资料[1]徐灏主编《机械设计手册》第5卷机械工业出版社 1992

[2]金清肃主编《机械设计课程设计手册》华中科技大学出版社2007

[3]许福玲陈尧明主编《液压与气压传动》第三版机械工业出版社2007 [3]张利平主编《液压气动技术速查手册》化学工业出版社2007

指导教师（签字）：年月日

系（教研室）主任（签字）：年月日

二、负载分析

组合机床是由通用部件和部分专用部件组成的高效、专用、自动化程度较主的机床。它能完成钻、扩、铰、镗、铣、攻螺纹等加工工序。动力滑台是组合机床的通用部件，它上面安装着各种旋转刀具，常用液压或机械装置驱动滑台按一定的动作循环完成进给运动。

组合机床要求动力滑台空载时速度快、推力小；工进时速度慢、推力大，速度稳定；速度换接平稳；功率利用合理、效率高、发热少。

根据课程设计任务书，要求设计一台组合机床动力滑台液压系统。机床要求的工作和循环是：要求实现工作快进、工进、快退过程，最后自动停止；动力滑台采用平导轨。

机床自动化要求：要求系统采用电液结合，实现自动循环，速度换接无冲击，且速度要稳定，能承受一定量的反向负载。液压系统的工作条件和环境条件，经济性与成本等方面的要求。

负载特性分析和运动参数分析两部分。

通过计算确定液压执行元件的负载大小和方向，并分析执行元件在工作过程中可能产和的冲击、振动及过载等情况。

负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因是平导轨，重力的水平力为零，需要考虑的力有：切削力，导轨摩擦力和惯性力。

2.1负载计算

1.工作负载

导轨的正压力等于有动力部件的重力

运动部件总重力G=4500N

F=9500N

切削力

2.摩擦负载

静摩擦力F FS=f s× F N=0.2×9500=1900N

动摩擦力F fd=f d×F N=0.1×9500=950N

3.惯性负载

惯性力F m=ma=G/g×ΔV/Δt=4500×4.5/9.8×0.5×60=294N 4.各工况负载

若忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效

η=，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，如下：

率0.95

启动F=F fs/ηm=1900/0.95=2000

加速F=(F fd+F m)/ηm=(950+61.2)/0.95=1064

快进F=F fd/ηm=950/0.95=1000

工进 F=(F W +F fd )/ η

m =(9500+950)/0.95=11000 快退 F=F fd /ηm =950/0.95=1000 表2.1 液压缸各运动阶段负载表

运动阶段计算公式总机械负载F （N ）

启动

/fs m F η 2000 加速

()/fd m m F F F η=+ 1064 快进

/fd m F F η= 1000 工进

()/w fd m F F F η=+ 11000 快退

/fd m F F η= 1000

5. 快进、工进和快退时间和速度并绘制负载——时间图和速度——时间图研究主机依据工艺要求应对何种运动规律完成一个工作循环，即研究运动形式（是平移、回转或摆动）、运动的速度大小和变化范围、运动行程长短，运动变化规律（循环过程与周期）等。

2.2负载速度图

根据负载计算结果和已知的各阶段的速度，可绘制出负载（F —1）和速度图（v —1）,见图1（a ）、（b ）。横坐标以上为液压缸前进时的曲线，以下为液压缸活塞缸退回时的曲线。

图

1 a 液压缸各阶段负载图

图1 b 液压缸各阶段速度图

三、液压系统方案设计

液压系统方案设计是根据主机的工作情况、主机对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及成本，经济性、供货情况等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟定出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统的方案来。其内容包括：油路循环方式的分析与选择，油源形式的分析与选择，液压回路的分析、选择与合成，液压系统原理图的拟定、设计与分析。

3.1选择基本回路

（1）液压泵种类的确定

参考同类组合机床，选用双作用叶片泵双泵供油、调速阀进油节流调速的开式回路，溢流阀作定压阀。为防止钻通时滑台突然失去负载向前冲，回油路上设置背压阀（定压式），初定背阀值1b F MPa .

因系统动作循环要求正向快进和工作，方向快退，且快进、快退速度相等，因此选用单杆活塞液压缸，快进时差动连接，无杆腔面积1A 等于有杆腔面积2A 的两倍。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。其动作如上图所示。

（2）快速、换向和速度换接回路确定

根据该设计的运动方式和要求，采用差动连接与双泵供油两种快速运动回路

来实现快速运动。即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。

该系统对换向要求平稳较高，选用电液换向阀的换向回路。为便于实现差动，选用三位五通阀。为提高换向的位置精度，采用死挡铁和压力继电器的行程终点往返控制。

（3）调速回路与油路循环方式的确定

选定调速方案和液压基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路，如控制油路、润滑油路、测压油路等，并对回路进行归并和整理，就可将液压回路合成为液压系统。

a.快进

按下启动按钮，电磁铁1Y得电，电磁换向阀7处于左位，在控制油咱的驱动下，液动换向阀6切换至左位。主油路的进油路：小泵1→单向阀2→顺序阀5（预控压力阀）→液动阀6左位→行程阀11→液压缸右腔。由于快进时动力滑台负载小，泵的出口压力较低，液控顺序阀9关闭。所以液压缸左腔回油→液动阀6左位→单向阀8→行程11→液压缸右腔。液压缸实现差动连接，且此时两泵同时供量流量最大，滑台右向快进。

b.工进

快进到预定位置，滑台上的行程挡块压下行程阀11，切断了原来进入液压缸右腔的油路。此时，从电磁换向阀6左位来的油液→调速阀12→液压缸右腔。由于调速阀的接入使系统的压力升高，达到或超过卸载阀3的调定压力，大流量泵通过卸载阀3卸载，单向阀2自动关闭，只有小流量泵向系统供油，滑台慢速向右工进。

c.快退

当滑台碰到死挡铁后停止运动。这时，泵的压力升高，流量减小，直至输出流量仅能补偿系统内部泄漏为止。此时，液压缸右腔压力随之升高，压力继电器动作并发出快退信号，1Y失电，2Y得电，电磁先导阀7、液动换向阀6处于右位。主油路的进油路：泵1→顺序阀5→液动阀6右位→液压缸左腔。回油路：液压缸右腔→行程阀11→流动阀6右位→油箱。由于此时空载，泵的供油压力低，输出流量大，滑台快速退回。

d.原位停止

当滑台快退到远位时，挡块压下行程阀开关，使电磁铁1Y，2Y失电，液动阀6、电磁先导阀7处于中位，滑台停止运动，泵1通过液动阀6处于中位卸载。为了使卸载状态下控制油路保持一定预控压力，泵1和液动阀6之间装有参院控压力阀5。

3.2组合机床动力滑台液压系统原理图

组成液压系统原理图、电磁铁动作顺序表

表3.1为该滑台的电磁铁动作顺序表

1Y 2Y 压力继电器15 行程阀11 快进+ - 通

工进+ - 断

快退- + + 断→通

原位停止 - - 通

四、液压系统的参数的计算

液压系统的主要参数设计是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。液压执行元件的工况图是选择系统中其它液压元件和液压基本回路的依据，也是拟定液压系统方案的依据。

液压执行元件的类型，根据主机所要实现的运动形式（移动、转动或摆动）和性质（速度和负载的大小）而定。

4.1液压缸参数计算

1.初选液压缸的工作压力

按课本中表8-1即表2，初定液压缸的工作压力为513010P Pa =? 表4.1液压缸参考背压

系统类型背压52/(110)p Pa ? 回油路上有节流阀的调速系统 2～5

回油路上有调速阀的调速系统 5～8

回油路上装有背压阀 5～15

带补油泵的闭式回路 8～15

2.计算液压缸的主要尺寸

该设计要求动力滑台的快进、快退速度相等，故采用活塞杆固定的单杆式液压缸。快进时采用差动边接，并取无杆腔有效面积A1等于有杆腔有效面积A2的两倍，即A1=2A2。为了防止在钻孔钻通时滑台突然前冲，在回油路中安装有背压阀，按课本中表8-2，初选背压0.8b P MPa =。负载分析得最大负载为工进阶段的负载F=10421N ，按此计算A1，则

23252152111109.2108103010421m m P P F A b

-?=??-?=-= =29cm 2

液压缸直径 D=cm A 08.629

441

=?=ππ

由A 212A =可知活塞杆直径

D=0.707D=0.707×6.08=4.30cm

按GB/ T2348-1993将所计算的D 与d 值分别圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得：D=6.3cm d=4.5cm

按标准直径算出 A 2212.314

cm D ==π

22223.15)(4

cm d D A =-=π

按最低工进速度验算液压缸尺寸查机械设计手册，调速阀最小流定量min /05.0min L q =，

因工进速度V=0.06m/min 为最小速度，则有式min min 1/v q A =的： 2223min min 133.810

06.01005.0cm cm v q A =??=≥ 故满足最低速度的要求。

3.计算液压缸在工作循环中各工作阶段的工作压力了、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，在计算工进时背压按b P =0.8Mpa 代入公式，快退市背压按b P =0.5Mpa 代入计算公式，如下： 54

52121107.1010)3.152.31(103.151054.947?=?-???+==?+=--A A PA F P j Pa 快进 min /15.7min /109.1545)(221L L A A v q =??=-=- KW W q p p j 128.05.127601015.7107.103

=???==- a b j P A A p F p 544

5121103.3710

2.3110

3.1510810421?=????++=-- 工进 min /187.0min /6.0102.312min 1min L L v A q =??==-

min /12.3min /10102.312max 1max L L v A q =??==- KW W q P P j 194.0194601012.3103.373

max ==???==- a b j MP A A P F p 2.1110

3.15103.15105

4.94744

5221--????+=+= 快退 min /88.6min /103.154522L L vA q =??==- KW W q P P j 128.0128102.11601088.653

==??==-? 计算结果列于表3中

表4.2 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 j P (bar) 回油压力 b P （bar ）所需流量 q （L/min ）输入功率 P （KW ）差动

快进

1000 10.7 15.7 7.15 0.128

工进

11000 37.3 8 0.187 0.194

快退 1000 11.2

5 6.88 0.128 注：1、差动连接时，液压缸的回路口到进油口之间的压力损失△P=0.5Mpa, 而 b P = j P +△P 。

2、快退时，液压缸有杆腔进油，压力为j P ，无杆腔回油压力为b P 。

液压能源装置时是液压系统的重要组成部分。通常有两种形式：一种是液压装置与主机分离的液压泵站；一种是液压装置与主机合为一体的液压泵组（包括单个液压泵）。

4.2 液压泵的参数计算

1.选择液压泵

（1）液压泵工作压力的计算

由以上计算的相关数据可知，工进阶段液压缸的工作压力最大，若取进油力损失MPa P 5.0=∑?，压力继电器可靠动作需要压力0.5MPa ，则液压泵最高工

作压力可按P P =MPa P P 5.01

+?+∑=（37.3+5+5）510?Pa=4.73MPa 故泵的额定压力可取Pr=1.25×4.73MPa=5.9MPa

（2）液压泵流量的计算

工进时所需最小流量是0.187L/min ，设溢流阀最小溢流量为2.5L/min ，小泵流量按min,/7.2min /)50.2187.01.1(1L L q p =+?≥快进快退时液压所需要的最大流量是7.15L/min ，则泵的总流量为p q =1.1×7.15=7.865L/min 大泵流量min /165.57.2865.712L q q q p p p =-=-=

（3）液压泵的确定

根据计算的压力和流量差表，选用YB1型叶片泵，给泵的额定压力为6.3MPa ，转速为960-1450r/min ，公称排量为 2.5-100mL/r 。大泵取6L/min ，转速为960r/min 。

电动机的选择

系统为双叶泵供油系统，其中小泵1的流量

s m s m q p /10067.0/60

10433331--?=?= 大泵流量 s m q /101.060

106333

2--??= 差动快进是，快退时两泵同时向系统供油；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动机功率P 。

4.3电动机的选择

1、快进快退

差动快进时，大泵的出口压力油经单向阀2后于小泵回汇合，然后经顺序阀5三位五通电液换向阀6、7及行程阀11进入液压缸的大腔，大腔的压力

Pa p p j 51107.10?==，差样本可知，小泵的出口压力损失Pa P 51105.4?=?，大

泵的出口压力损失Pa P 52105.1?=?。于是计算可得小泵的出口压力为15.2510?Pa （总效率为0.5），大泵出口压力为16.7510?Pa （总效率为0.5）。

电动机功率 W P q P P P p 5.0101.0107.165.010067.0102.15353522

11--???+???=+=ηη =538w

2.工进

考虑到调速阀所需最小压力差Pa P 51105?=?。

压力继电器可靠动作需要压力差Pa P 52105?=?。

因此工进时小泵的出口压力

Pa P P P P P 551111105.4710)553.37(?=?++=?+?+=

而大泵的卸载压力取MPa P P 2.01=（小泵的总效率为0.565，大泵的总效率为0.3）

电动机的功率

W P q P P P p 5.0101.0105.165.010067.010********

11--???+???=+=ηη =628W

3、快进

类似差动快进分析知：小泵的出口压力1P P =1.5MPa ，（总效率为0.5）；出口压力位16.5MPa 。电动机效率 W P q P P P p 51.0101.0105.165.010067.010********

11--???+???=+=ηη =524W

由以上结果，快进时的功率最大。据此可以选择相应的电动机为Y90S1-6型，额定功率为0.75KW ，满载转速960 r/min ，同步转速1000r/min 。

五、液压元件的选择

5.1 液压附件

（1）各元件和辅件列表

1）过滤器的选择

为了保证液压系统的正常工作和可靠性，必须对液压油液污染进行控制，因此就需要过滤油液。过滤的功用就是过滤掉油液中的杂质，维护油液的清洁，防止油液污染，保证油液系统正常工作。

选用的过滤器的精度应满足系统要求，要有做够的通路能力，结合过滤装置在液压系统中的安装位置，根据相关资料来选取。按表5所示，可知道系统的过滤精度，因此课程《机械设计手册》得到合适的过滤器，差得过滤器的型号为XU-C63X100。

表5.1 各种液压系统的过滤精度要求

该设计中，过滤器安装在泵的吸油口，防止大颗粒杂质进入泵内，同时有较大的通流能力，防止空穴现象。

2）热交换的选用

热交换器是泠却器和加热器的总称。

液压系统油液温度一般控制在正常工作温度范围（20~65）内。因此在过泠或过热的环境中就需要加热或领泠却，以控制油温在合理范围内。

a.泠却器

对泠却器基本要求是在保证散热面积足够大，散热功率和压力损失大小的前提下，要求结构紧凑、坚固、体积小和重量轻，有自动控温装置以保证油温控制的准确性。此处，采用最简单常用的方法是多管水冷式冷却器。

b.加热器

该设计选用电加热器。电加热器使用方便，易于自动控制温度，故采用电加热器。发热部分全部浸在油液流动处，便于热量交换，电加热器表面温度功率密度不得超过23/W cm ,以免油液局部温度过高而变质。

3）压力表辅件

压力表辅件主要包括压力表及压力表开关。

a. 压力表

液压系统各工作点的压力一般都用压力表来观测，以调整到要求的工作压力。该设计采用最常用的弹簧管式压力表，在选用压力表时，其量程比液压系统压力要高，应为系统最高工作压力的1.5倍左右。选用精度等级2.5的压力表。 b. 压力表开关

压力表开关用于切断忽然接通压力表与油的通道，压力表相当于一个小型截止阀。该设计采用六点压力表开关，型号为K-6，其中四点四个测点油路相通，测得相系统类型

润滑

系统

传动系统伺服系统特殊要求系统压力 0-2.5 7≤ >7 35≤ 21≤

35≤ 颗粒度/mm 1.0≤ 05.0≤ 025.0≤ 005.0≤

05.0≤ 001.0≤

应的油液压力。

（2）管路尺寸

a.油管的选择

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、排出的最大流量来计算。由于该系统液压缸差动连接快进快退时油管内流量最大，其实际流量为泵的额定流量的两倍达20L/min，液压缸进出油管直径d，按《机

M ，械设计手册》查得，选用内径为8mm，外径为14mm，钢管接头螺纹为14 1.5

管子壁厚为2mm。

c.管接头的选择

管接头用于管道与管道式管道与液压元件之间的连接，必须在强度足够的前提下，安装、拆卸方便，抗振动、冲击，密封性能好，外形尺寸小、加工工艺性好。该液压系统为不超过8MPa的中低压系统，可采用结构简单，性能良好、体积小、加工方便、成本低和重复使用性好的扩口式管接头。

（3）油箱容量

油箱在液压系统中主要功能是储存液压系统所需要的足够油液，散发油液的热量，分离油液中气体及沉淀物。

采用分离式油箱，它是一个单独的与主机分开的装置，布置灵活，维修保养方便，减少油箱发热和油液振动对工作精度的影响，便于采用通用化、系列化的产品，得到广泛的应用。

a．油箱容量的确定油箱容积的确定，是油箱设计的关键。主要根据热平衡来确定。通常油箱的容量去液压泵额定流量5~7倍进行估算，此处取7倍。此外，还要考虑到液压系统回油到油箱不至于溢出来，油面高度一般不超过油箱高度的80%。

油箱的容积 V=7q=7×10=70L

b．油箱中设有吸油过滤器，要有足够的通流能力。考虑到要经常清洗过滤器，油箱结构要便于拆卸。

c．油箱底部做成适当斜度，并设有放油塞。油箱箱盖上设有通气孔，其大小在最大吸油量和回油量时能保证在正常气压下供油。在较脏的工作环境中。则加设空气过滤器，其通气量不小于泵流量的1.5倍，以保证具有良好的抗污能力。

d．油箱侧壁安装油位指示器，用来指示最低、最高油位。主油器应带有滤网。油箱上装设有温度计。并在新油箱内壁经喷丸、酸洗和表面清洗后涂一层与工作油液相溶的塑料薄膜或耐油清漆，以防锈、防凝水。

e．吸油管和回油管要尽量离远些，增加油液循环的距离，使油液有足够的时间分离气泡、沉淀杂质。吸油管理油箱底面距离H≥2D(D吸油管内径)，距离箱壁不小于3D，以利于吸油畅通。回油管插入最低油面以下，防止回油时带入空气，距离油箱底面h≥2d(d回油管内径)，回油管排油口应面向箱壁，管端切成45°，以增大通流面积。吸油侧和回油侧用隔板分开，用来分离回油带来的气泡和脏物。隔板高度不低于油面到箱底高度的3/4。

5.2液压主元件

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，可选在这些元件的型号及规格。该设坟中所有的阀的额定压力都为2

kg cm，额定流量根据

63/

各阀通过的流量，确定为10L/min，25L/min和63L/min三种规格，所有元件的

规格型号列于表6中。表中的序号与系统原理图中的序号一致。

5.2液压元件明细表

序号元件名称最大通过流量L/min ）

型号 1 双叶泵 4/6 YB1-4,YB1-6 2 单向阀 6 DF-B10K3 3 液压顺序阀（卸载） 6 XY-10B 4 溢流阀 4 YF-B8B 5 预控压力阀 10 Q-10B 6 流动阀 20 35Y-25B 7 电磁先导阀 0.2 35D-25B 8 单向阀 10 DK-B10K3 9 液压顺序阀 0.093 XY-25B 10 背压阀（定压式） 0.093 B-10B 11 二位二通行程阀 20 22C-63B 12 调速阀 0.187 Q-10B 13 过滤器 20 XU-J25×80 14 压力表开关 K-6B 15 压力继电器 HED20A/10Z

六、液压系统主要系能验算

6.1液压损失的验算级泵压力的调整

1、系统压力损失、效率的计算

（1）工进时的压力损失验算的小流量泵压力的调整

工进时管路中的最大流量仅为0.187/min ，因此流苏很小，所以沿程压力损失和局部压力损失都非常小，可以忽略不计。这是进油路上仅考虑调速阀的压力损失Pa 105P 51?=?，回油路上只有背压阀的压力损失，小流量泵的调整压力等于工进时液压缸的工作压力1P 加上上进油路压差1P ?，并考虑压力继电器动作需要，则

Pa 1047.3Pa 10553.37Pa 105P P P 55511p ?=?++=?+?+=）（

即小流量泵的溢流阀4应该按此压力Pa 1047.3P 5p ?=进行调整。

（2）快退时进油管和回油管长度按L=2.0m 计算，油管直径m 108d 3-?=，通过的流量为进油路s /m 100.16710L/min q 331-?==，回油路s /m 10333.0L/min 02q 332-?==。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温