液压与气压传动课程设计

液压与气压传动课程设计说明书

专业：机械设计制造及其自动化班级： 13机二

学号： 13010208 姓名：郭颖颖

指导教师：徐建方

常州工学院机械与车辆工程学院

2016年1月8日

前言

液压传动是用液体作为来传递能量的，液压传动有以下优点：易于获得较大的力或力矩，功率重量比大，易于实现往复运动，易于实现较大范围的无级变速，传递运动平稳，可实现快速而且无冲击，与机械传动相比易于布局和操纵，易于防止过载事故，自动润滑、元件寿命较长，易于实现标准化、系列化。液压传动的基本目的就是用液压介质来传递能量，而液压介质的能量是由其所具有的压力及力流量来表现的。而所有的基本回路的作用就是控制液压介质的压力和流量，因此液压基本回路的作用就是三个方面：控制压力、控制流量的大小、控制流动的方向。所以基本回路可以按照这三方面的作用而分成三大类：压力控制回路、流量控制回路、方向控制回路。

液压传动与机械传动，电气传动为当代三大传动形式，是现代发展起来的一门新技术。《液压与气压传动》课是工科机械类专业的重点课程之一。既有理论知识学习，又有实际技能训练。为此，在教学中安排一至二周的课程设计。该课程设计的目的是：

1、综合运用液压传动及其它先修课程的理论知识和生产实际知识，进行液压传动设计实践，从而使这些知识得到进一步的巩固，加深和发展。

2、熟悉和掌握拟定液压传动系统图，液压缸结构设计，液压元件选择以及液压系统的计算的方法。

3、通过课程设计，提高设计、计算、绘图的基本技能，熟悉设计资料和技术手册，培养独立分析问题和解决问题的能力，为今后毕业设计及设计工作打下必要的基础。

目录

一任务书 (5)

二液压系统设计步骤 (6)

1 液压系统的工况分析 (6)

2 拟定液压系统原理图 (8)

3 液压系统的计算和选择液压元件 (14)

3.1 液压缸主要参数的计算 (14)

3.2 液压泵的流量、压力的计算和选择泵的规 (17)

3.3 液压阀的选择 (19)

3.4 确定管道尺寸 (20)

3.5 液压油箱容积的确定 (21)

4 液压系统验算及技术文件的编制 (22)

4.1 压力损失验算和压力阀的调整压力 (22)

4.2 系统温升的验算 (25)

5 绘制工作图，编制技术文件 (27)

三设计体会 (28)

四参考文献30

任务书

设计课题：

设计一台专用铣床液压系统。要求实现“夹紧————快进————工进————快退————原位停止————松开”的自动工作循环。夹紧力为3500N，工作缸的最大有效行程为400mm 、工作行程为200mm、工作台自重3000N，工件及液压夹具最大重量为1000N，采用平导轨和V形导轨，水平切削力11000N，垂直切削力2000N，快速4m/min，进给速度为40~1000mm/min。备注：夹紧行程20mm，时间为1s，进回油管长各为1m。

1、工况分析

首先根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图1-1所示。然后计算各阶段的外负载并绘制负载图。

液压缸所受外负载F 包括三种类型，即：

a f w F F F F ++=

式中，w F —工作负载，对于金属切削机床来说，即为活塞运动

方向的切削力，在本例中w F 为11000N

a F —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，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨f F 可由下式求得：

)(Rn f F G f F +=

G —运动部件重力，G =3000+1000=4000N ；

Rn F —垂直于导轨的工作负载，Rn F =1000N;

f —导轨摩擦系数，在这里取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1.则求得：

fs F =0.2×5000=1000N

fa F =0.1×5000=500N

上式中fs F 为静摩擦阻力，fa F 为动摩擦阻力。

a G

V

F ma g t ?==??

式中 g —重力加速度；

△t —启动加速或减速制动的时间。机床中进给运动时

一般取△t=0.01～0.5秒；

△V —△t 时间内的速度变化量；

题中 a F = 5446005.04

8.94000=??

根据上述各式计算出各工作阶段的负载，列出各工作阶段所受的

外负载（见图1-1）,并画出（如图1-2）所示的负载循环图。

图1-1 速度循环图

图1-2 负载循环图表1-1 工作循环各阶段的外负载

2拟定液压系统原理图

确定液压系统方案、拟定液压系统图，是设计液压系统关键性的一步。系统方案，首先应满足工况提出的工作要求（运动和动力）和性能要求。其次，拟定系统图时，还应力求效率高、发热少、简单、可靠、寿合长、造价低。

2.1 确定系统方案

1．确定系统方案

通过分析负载循环图，可初步确定最大负载点，并根据工况特点和性能要求，用类比法选用执行元件工作压力。有时主机的工况难以类比时，可按负载的大小选取。在选用液压泵时，应注意所选用液压泵的类型和额定压力。由于管路有压力损失，因此液压泵的工作压力应比执行元件的工作压力高。液压泵的额定压力应比其工作压力高25～60%，使泵具有压力储备。压力低的系统，储备量宜取大些，反之则取小些。初选的执行元件工作压力作为计算执行元件尺寸时的参考压力。然后，在验算系统压力时，确定液压泵的实际工作压力。

（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，减小发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量供油。现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。

（2）调速方法的选择

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调速阀。根据铣削类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定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，并且调速回路装在回油路上，具有承受负切削力的能力。

（3）速度换接方式的选择

本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便，阀的安装也较容易，但速度换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换速回路。

(4)夹紧回路的选择

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，考虑到夹紧时间可调节和当进油路压力瞬时下降时仍能保持夹紧力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在该回路中还装有减压阀，用来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定。

（5）确定液流流向控制方式

根据系统中工作循环、动作变换性能和自动化程度的要求，按书本方向控制回路一节中选择结构形式、换向位数、通路数、中间滑阀机能和操作方式。

（6）确定顺序动作控制的方式

对操作不频繁，动作顺序随机的，如工程、建筑、起重运输等作业，常采用手动多路换向阀控制。如果操纵力较大，可用手动伺服控制。

行程和速度经常变化时，采用伺服系统。

对一般功率不大，换向平稳性要求较低，动作顺序较严格而变化不多的工况下，常采用以下三种控制方式：

A 行程控制。靠运动部件移动到预定位置（行程）时，发出控制信号，使液压元件动作，实现执行元件速度方向的变化。

B 压力控制。利用油路本身压力的变化控制阀门启闭，实现各工作部件依次顺序动作。如利用压力变化的顺序实现多缸顺序动作、快进给工进、低压转增压，或到达一定力后实现系统卸荷、互锁、安全防护等动作。为了防止压力波引起压力控制元件误动作，调整压力应比所需动作的压力高0.5～0.7 MPa。

C 时间控制。在动作转换中需要间隔一定时间时，常采用电气时间继电器或延时阀的转换，控制时间的间隔。如液压机、压铸机、塑料注射机中保压或冷却一定时间后，实现动作的转换。

有时，为了主机的某一动作更为可靠（如机床，为了定位和夹紧可靠，要求定位行程开关发信，而且夹紧后压力继电器也发信，才允许转换动作），可采用行程和压力联合控制的方式。

此外，还可采用其它物理量的变化实现动作的转换。如压铸机中、加热到规定温度后，通过温度传感器发信，转换下一个顺序动作。有的通过电磁感应、光电感应等发信，转换下一个顺序动作。

2.2 拟定液压系统原理图

确定液压系统方案后，可选择和设计液压基本回路，并配置辅助性回路或元件（如滤油器及其回路、压力表及其测压点布置、控制油路或润滑油路等），即可组成液压系统图。

在拟定液压系统图时，应考虑如下几点：

(1)避免回路之间相互干扰

同一泵源驱动多个执行元件要求同时动作时，由于负载不同会使执行元件先后动作，或者保压油路上，由于其它执行元件的负载变化，使油路压力下降。上述引起速度或压力干扰的现象必须加以解决。

对速度的同步精度要求不高的场合，可在各进油路上串接节流阀；速度同步稍有要求时用调速阀。对同步精度有较高要求时，用流量比例阀或分流-集流阀。

出现压力干扰，可采用蓄能器与单向阀，使与其它动作的油路隔开。如果时间短，可选用泄漏量较小的换向阀，并用单向阀隔断。

对于某一执行元件必须保持一定压力，然后允许其它执行元件动作的回路，可采用顺序阀，使工作台回转时不会落下。

对于两个以上需快进与工进的执行元件，为了防止快进对工进的干扰，可采用在高压小流量泵与各换向阀之间都串接一个调速阀，在低压大流量泵与各换向阀之间都串接一个单向阀，因此当一个或几个执行元件快进时，其余执行元件可继续工进。也可采用快进与工进由低压大流量泵与高压小流量泵分别供油。

(2)防止液压冲击

液压系统中由于工作部件运动速度变换、工作负载突变，常会产生液压冲击，影响系统的正常工作，故必须采取预防措施，其办法见表1-3。

表1-3

(3)力求控制油路可靠

除高压大流量系统采用单独低压油泵供控制油路外，一般在主油路上直接引出控制油路。此时，引出的控制油应满足液动阀的最低控制压力。当油泵卸荷时，为保证液动阀能换向，在回油路上安装背压阀，或在进油路上安装顺序阀。但应注意，高压系统中，采用高压顺序阀，当高压下开启时间较长时，由于弹簧疲劳、滑阀“卡紧”而不能复位，易产生误动作。同样，电液换向阀由于控制压力较高，在停留时间较长时，也存在不能复位的问题。因此采用面序阀维持开启压力，引出的控制油，经减压阀和安全阀限压后，获得较稳定的低压控制油源。但在高压下工作的可靠性比单独低压泵供油要差些。

(4)力求系统简单

在组合基本回路时，力求元件少。如当二个油缸不同时工作而工作速度相同时，可采用公用阀的回路，即在回油路上并联节流阀下二位二通阀。应尽量选用标准元件，品种规格要少。只在不得已时，才自行设计元件。在连接油管时，尽量要短，接头数量要少。

经修改、整理后的液压系统图如图1-4所示：

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

工作压力p的确定

通过负载循环图，初步确定了执行元件的最大外负载和系统的工作压力后，根据选择的执行元件的类型、密封件的型式和回路的组合情况，计算执行元件的主要尺寸。参考主机液压执行器常用的设计压力表（表2-1、表2-2）可知，专用铣床液压系统在最大负载约为11500N 时宜选液压缸的设计压力P=3Mpa。

表2-1 按主机类型选择执行元件工作压力

表2-2 按负载选择执行元件工作压力

表2-3执行元件背压的估计值

表2-4 液压缸内径D与活塞杆直径d的关系

计算液压缸内径D 和活塞杆直径d

fc F p d D F p D +-+=22

2

12)(44ππ

1

22212)()

(4p p d D p F F D fc -++=π

式中 1P ——液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力p P ； 2P ——液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表2-3估计；

D d ——活塞杆直径与液压缸内径比，可按表2-4选取；

F ——工作循环中最大的外负载；

c f F ——液压缸密封处摩擦力，它的精确值不以求得，常用液压缸的机械效率cm η进行估算。

cm

fc F

F F =+

由负载图知最大负载F 为11500N ，按表2-3可取2P 为0.5MPa ，并取液压缸机械效率cm η=0.95，考虑到快进、快退速度相等，取d/D 为0.7。将上述数据代入式（2-3）可得

D=()}{0.49-11/6-195.0103014.31150045?????=0.075m=7.5cm

根据表2-5，将液压缸内径圆整为D=80mm ；活塞杆直径d ，按d/D=0.7及表2-6活塞杆直径系列取d=56mm

表2-5 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）

表2-6活塞杆直径系列（GB2348-80）

按工作要求夹紧力由两个夹紧缸提供，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，现取夹紧缸的工作压力为2.5Mpa ，回油脊压力为零，ηcm=0.95，则按式（2-3）可得

D=95

.0102514.3175045????=0.0306m

按表2-5，2-6液压缸和活塞缸的尺系列，取夹紧液压缸的D 和d 分别为32mm 和22mm 。

按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度，由式（2-4）可得 cm 5.12450min min ==>v q A

式中min q 是由产品样品查的GE 系列调速阀AQF3-E10B 的最小稳定流量为0.05L/min 。

本例中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效面积应取液压缸有杆腔的实际面积，即 cm 64.254

)6.58(4)(2222=-?=-=ππd D A 可见上述不等式能满足，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：

min /85.94056.04V d 422L q =??==

ππ快进快进min /025.51)08.0(4V D 422L q =??==ππ工进工进 min /25.104)056.008.0(4

V d -D 42-222L q =??==ππ快退快退）（min /2.34)032.0(4

V D 422L q =??==ππ夹夹夹 （2）确定液压泵的流量、压力的计算和选择泵的规格

①泵的工作压力的确定

考虑到正常工作中进油管路一定的压力损失，所以泵的工作压力为：

∑?+=p p p p 1

式中 p p ——液压泵最大工作压力

1p ——执行元件最大工作压力；

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0.5～1.5Mpa ，本题中取0.5Mpa 。

∑=+=?+=Mpa Mpa p p p p 5.3)5.03(1 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渡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贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力

p n p p )6.1~25.1(≥。中低压系统取小值，高压系统取大值。本题中取Mpa p p n 25.33.1p ==。

泵的流量确定液压泵的最大流量应为

()max q K q L p ∑=

式中 p q ——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