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鎮(zhèn) 江 高 專
ZHENJIANG COLLEGE
畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)
專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計
Special Milling Machine Hydraulic System Design
系 名： 機械工程系
專業(yè)班級： 機電W071
學(xué)生姓名： 楊溢
學(xué) 號： 070108123
指導(dǎo)教師姓名： 戴月紅
指導(dǎo)教師職稱： 講師
二○一二 年 六 月
目 錄
引言 ………………………………………………………………………3
第一章 設(shè)計任務(wù)及工況分析
1.1 設(shè)計任務(wù)……………………………………………………………………4
1.2 工況分析并初步確定液壓缸參數(shù) …………………………………4
1.2.1 負載分析及繪制負載圖和速度圖…………………………………4
1.2 .2 初步確定液壓缸參數(shù)及繪制工況圖 ……………………………7
第二章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
2.1 選擇基本回路 ………………………………………………………12
2.2 組成液壓系統(tǒng) ………………………………………………………15
第三章 液壓系統(tǒng)計算與選擇液壓元件
3.1液壓泵、電機計算和選擇……………………………………………18
3.2選擇液壓閥……………………………………………………………19
3.3選擇輔助元件…………………………………………………………19
結(jié)論 ………………………………………………………………………………21
致謝 ………………………………………………………………………………22
參考文獻 …………………………………………………………………………23
專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計
專業(yè)班級： 機電W071 學(xué)生姓名： 楊溢
指導(dǎo)教師：戴月紅 職稱： 講師
摘要 ： 液壓系統(tǒng)是以電機提供動力基礎(chǔ)，使用液壓泵將機械能轉(zhuǎn)化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作。完成各種設(shè)備不同的動作需要。液壓系統(tǒng)已經(jīng)在各個工業(yè)部門及農(nóng)林牧漁等許多部門得到愈來愈廣泛的應(yīng)用，而且愈先進的設(shè)備，其應(yīng)用液壓系統(tǒng)的部分就愈多。所以像我們這樣的大學(xué)生學(xué)習(xí)和親手設(shè)計一個簡單的液壓系統(tǒng)是非常有意義的。
本文首先介紹了液壓的作用和工況分析，其次確定液壓缸尺寸，然后進行了工藝規(guī)程設(shè)計。
關(guān)鍵詞：工況分析 液壓元件設(shè)計 液壓缸設(shè)計
Special Milling Machine Hydraulic System Design
Abstract Hydraulic system is powered motor basis, the use of hydraulic pump will translate into pressure on the mechanical energy, promote the hydraulic oil. Through various control valves to change the flow of hydraulic oil, thus promoting the hydraulic cylinders made of different itinerary, the movements in different directions. All kinds of different equipment to complete the actions required. Hydraulic system has been in various industrial sectors and agriculture, forestry, animal husbandry and fisheries, and many other departments are more widely used, and more advanced equipment, its application on the part of the hydraulic system more. So students like us to study and personally designed a simple hydraulic system is very meaningful.
Key words: hydraulic transmission, control system, hydraulic system
引言
液壓傳動與機械傳動、電氣傳動相比具有許多特殊優(yōu)點，其應(yīng)用已涉及二十多個專業(yè)領(lǐng)域的不同場合。各理工科大、專院校都把《液壓傳動》作為相關(guān)專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)必修課或?qū)I(yè)課程，并既有理論知識學(xué)習(xí)，又有實際技能訓(xùn)練。在教學(xué)中安排《液壓傳動》課程設(shè)計，其目的是使學(xué)生在鞏固、消化和吸收課堂基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，進一步擴大、加深對液壓傳動知識掌握和運用的深度、廣度，借助課程設(shè)計任務(wù)指導(dǎo)書、國家有關(guān)標準、和技術(shù)手冊等相關(guān)參考資料，提高掌握和使用制圖及編寫設(shè)計計算說明書等手段來正確表達自己的設(shè)計思想和意圖的能力。
各?！兑簤簜鲃印氛n程設(shè)計開展十幾年來，設(shè)計題目一直是組合機床液壓系統(tǒng)設(shè)計，具體如“臥式雙面多軸組合鉆床液壓系統(tǒng)設(shè)計”、“半自動液壓專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計”等，這些題目屬于已經(jīng)在工廠成熟應(yīng)用的、典型的液壓系統(tǒng)。對學(xué)生掌握負載計算、液壓缸參數(shù)計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核、液壓基本回路的選擇、元件選擇、液壓系統(tǒng)性能估算等方面能起到較好的鍛煉。首先需根據(jù)設(shè)備要求分析液壓系統(tǒng)要完成的任務(wù)，需要幾個執(zhí)行元件，這幾個執(zhí)行元件各自有什么動作要求，相互之間有什么樣的關(guān)聯(lián)等等。同時還需了解有關(guān)機械制造工藝方面的知識，雙面鉆多個不同直徑的孔，在已知孔個數(shù)、直徑、材料及硬度的情況下，如何計算負載。其次還需了解液壓動力滑臺與液壓缸的連接形式，以確定液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，以及根據(jù)滑臺運動速度要求確定液壓系統(tǒng)的基本回路，根據(jù)機床的布局決定液壓系統(tǒng)采用分散結(jié)構(gòu)還是集中布置等等內(nèi)容，確實能達到課程設(shè)計的訓(xùn)練目標。
1.鞏固和深化已學(xué)知識，掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計計算的一般方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力和綜合分析問題、解決問題能力；
2.正確合理地確定執(zhí)行機構(gòu)，選用標準液壓元件；能熟練地運用液壓基本回路、組合成滿足基本性能要求的液壓系統(tǒng)；
3.熟悉并會運用有關(guān)的國家標準、部頒標準、設(shè)計手冊和產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料。對自己在計算、制圖、運用設(shè)計資料以及經(jīng)驗估算、考慮技術(shù)決策、CAD技術(shù)等方面的基本技能進行一次訓(xùn)練，以提高這些技能的水平。
第一章 設(shè)計任務(wù)及工況分析
1.1 設(shè)計任務(wù): 專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)要求:工作臺采用平面導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)0.2，動摩擦系數(shù)0.1，工作臺重量為3000N，工件和夾具最大重量為1000N，切削阻力最大達9000N，快進速度為7.5cm/s，快退速度與快進速度近似相等，工進速度為0.1~0.617cm/s，工作臺行程為400mm(快進300mm，工進100mm)，其往復(fù)運動始末的加減速度時間為0.05s。
1.2 工況分析并初步確定液壓缸參數(shù)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)系統(tǒng)的工作循環(huán)如下：
工進
快進
原
為
停
止
快退
工作循環(huán)圖
1.2.1 負載分析及繪制負載圖和速度圖
液壓缸負載包括：切削阻力、摩擦阻力、慣性阻力、重力、密封阻力和被壓阻力等。
(1) 切削阻力F切
FL = 9000N
(2) 摩擦阻力F靜、F動，
(3) 慣性阻力F慣
式中 g-重力加速度(m/s2)
G-運動部件重量(N)
?v-在?t是時間內(nèi)的速度變化值（m/s）
?t-啟動加速度或減速制動的時間
運動時間：
快進
工進
快退
(4) 重力
因為運動部件是水平安置，故重力在運動方向的分力為零。
(5) 密封阻力
一般按經(jīng)驗取F密=0.1F(F為總的負載)。
(6) 背壓阻力F背
這是液壓回油路上的阻力，初算時，可不考慮，其數(shù)值待系統(tǒng)確定后才能定下來。
根據(jù)上述分析，可計算出液壓缸各動作階段中的負載。計算公式及數(shù)值見表1。
表1 進給液壓缸負載計算
工 況
負載計算公式
液壓缸負載
液壓缸推力/N
啟 動
800
888.9
加 速
1419.37
1577.08
快 進
400
444.44
工 進
9400
10444.4
快 退
400
444.44
(7) 繪制進給液壓缸的負載圖和速度圖
根據(jù)液壓缸在上述各階段內(nèi)的負載和運動時間，即可繪制出負載循環(huán)圖1 和速度循環(huán)圖2
圖1 負載循環(huán)圖
圖2 速度循環(huán)圖
1.2 .2 初步確定液壓缸參數(shù)及繪制工況圖
(1) 確定進給缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑
初選液壓缸工作壓力：
所設(shè)計的動力滑臺在工進時負載最大F工=10444.44，在其它工況負載都不太高，參考表2和表3，初選液壓缸的工作壓力p1=3MPa。
表2 負載和工作壓力的關(guān)系
負載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備類型
磨床
組合機床
車床
銑床
鏜床
拉床
龍門刨床
農(nóng)業(yè)機械
小型工程機械
液壓機
重型機械
起重運輸機械
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~4
2~8
8~10
10~18
20~32
根據(jù)所選壓力估算缸體內(nèi)徑：
按缸徑尺寸系列，如表4取D=63mm=6.3cm。
表4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80） (mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
(90)
100
(110)
125
(140)
160
(180)
200
(220)
250
320
400
500
630
注：括號內(nèi)的數(shù)值為非優(yōu)先選用值。
根據(jù)液壓缸快進、快退速度相等，可選單出桿液壓缸差動連接，活塞桿直徑可按下式計算：
表5活塞桿直徑尺寸系列 （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
55
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
136
400
按活塞桿尺寸系列，取d=4.5cm
根據(jù)已取的缸徑和活塞桿直徑，計算液壓缸實際有效工作面積，無桿腔面積A1和活塞桿面積A2分別為：
有桿腔有效工作面積A2=A1-A3=31.16-15.9=15.26（cm2）
鑒于動力滑臺快進和快退速度相等，這里的液壓缸可選用單活塞桿式差動液壓缸（A1=2A2），快進時液壓缸差動連接。工進時為防止車銑時負載突然消失發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸的回油腔應(yīng)有背壓，p2=0.8×106MP。
如表6可選的：
表6執(zhí)行元件背壓的估計值
系統(tǒng)類型
背壓力/MPa
中,低壓系統(tǒng)0~8MPa
簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2~0.5
回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)
0.4~0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5~1.5
用補油泵的閉式回路
0.8~1.5
中高壓系統(tǒng)〉8~16MPa
回油路較復(fù)雜的工程機械
1.2~3
高壓系統(tǒng)〉16~32MPa
回油路較短且直接回油
可忽略不計
(2) 計算進給缸各運動階段的壓力、流量和功率
根據(jù)計算出的液壓缸的尺寸，可估算出液壓缸在工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率，如表7。
表7 液壓缸在各階段的壓力、流量和功率值
工況
推力
F0/N
回油腔壓力
p2/MPa
進油腔壓力
p1/MPa
輸入流量
q×10-3/m3/s
輸入功率
P/KW
計算公式
快進
啟動
888.89
—
1.04
—
—
加速
1577.08
p1+Δp
△p=0.5
1.97
—
—
恒速
444.44
p1+Δp
1.26
0.119
0．15
工進
10444.44
0.8
3.74
0.003~0.019
0．011~0.071
快退
啟動
888.89
—
1.08
—
—
加速
1577.08
△p=0.5
1.53
—
—
恒速
444.44
△p=0.5
0.79
0．114
0．09
注：1. Δp為液壓缸差動連接時，回油口到進油口之間的壓力損失，取Δp=0.5MPa。
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。
(3) 繪制進給液壓缸的工況圖
根據(jù)進給液壓缸各階段的壓力、流量和功率值，用坐標法繪制出 “液壓缸工況圖”,此圖可直觀看出液壓缸各個運動階段主要參數(shù)的變化情況，如圖3所示：
圖3 液壓缸工況圖
第二章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
2.1 選擇基本回路
(1) 選擇調(diào)速回路
選擇調(diào)速回路 由圖3可知，這臺機床液壓系統(tǒng)功率較小，滑臺運動速度低，工作負載為阻力負載且工作中變化小，故可選用進口節(jié)流調(diào)速回路。為防止銑完工件時負載突然消失引起運動部件前沖，在回油路上加背壓閥。由于系統(tǒng)選用節(jié)流調(diào)速方式，系統(tǒng)必然為開式循環(huán)系統(tǒng)。
(2) 選擇油源形式
選擇油源形式 從工況圖可以清楚看出，在工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸要求油源提供快進、快退行程的低壓大流量和工進行程的高壓小流量的油液。最大流量與最小流量之比qmax/qmin=0.119/0.00339.7；其相應(yīng)的時間之比(t1+t3)/t2=(4+5.3)/16=0.58。這表明在一個工作循環(huán)中的大部分時間都處于高壓小流量工作。從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量角度來看，選用單定量泵油源顯然是不合理的，為此可選用限壓式變量泵或雙聯(lián)葉片泵作為油源?？紤]到前者流量突變時液壓沖擊較大，工作平穩(wěn)性差，且后者可雙泵同時向液壓缸供油實現(xiàn)快速運動，最后確定選用雙聯(lián)葉片泵方案，如圖4a所示。
圖4 （a）
(3) 選擇快速運動和換向回路
選擇快速運動和換向回路 本系統(tǒng)已選定液壓缸差動連接和雙泵供油兩種快速運動回路實現(xiàn)快速運動?？紤]到從工進轉(zhuǎn)快退時回油路流量較大，故選用換向時間可調(diào)的電液換向閥式換向回路，以減小液壓沖擊。由于要實現(xiàn)液壓缸差動連接，所以選用三位五通電液換向閥，如圖4b所示。
圖4 (b)
(4) 選擇速度換接回路
選擇速度換接回路 由于本系統(tǒng)滑臺由快進轉(zhuǎn)為工進時，速度變化大（1/2=7.5/0.175），為減少速度換接時的液壓沖擊，選用行程閥控制的換接回路，如圖4c所示。
圖4 (c)
(5) 選擇調(diào)壓和卸荷回路
選擇調(diào)壓和卸荷回路 在雙泵供油的油源形式確定后，調(diào)壓和卸荷問題都已基本解決。即滑臺工進時，高壓小流量泵的出口壓力由油源中的溢流閥調(diào)定，無需另設(shè)調(diào)壓回路。在滑臺工進和停止時，低壓大流量泵通過液控順序閥卸荷，高壓小流量泵在滑臺停止時雖未卸荷，但功率損失較小，故可不需再設(shè)卸荷回路。
2.2 組成液壓系統(tǒng)
將上面選出的液壓基本回路組合在一起，并經(jīng)修改和完善，就可得到完整的液壓系統(tǒng)工作原理圖，如圖6所示。在圖6中，為了解決滑臺工進時進、回油路串通使系統(tǒng)壓力無法建立的問題，增設(shè)了單向閥6。為了避免機床停止工作時回路中的油液流回油箱，導(dǎo)致空氣進入系統(tǒng)，影響滑臺運動的平穩(wěn)性，圖中添置了一個單向閥12。圖中增設(shè)了一個壓力繼電器13。當(dāng)滑臺碰上死擋塊后，系統(tǒng)壓力升高，它發(fā)出快退信號，操縱電液換向閥換向。
圖5 液壓系統(tǒng)原理圖
電磁動作順序表
動
作
電磁
閥
快退
原為停
止
快進
工進
行程閥
第三章 液壓系統(tǒng)計算與選擇液壓元件
3.1液壓泵、電機計算和選擇
(1) 計算液壓泵的最大工作壓力
小流量泵在快進和工進時都向液壓缸供油，由表7可知，液壓缸在工進時工作壓力最大，最大工作壓力為p1=3.74MPa，如在調(diào)速閥進口節(jié)流調(diào)速回路中，選取進油路上的總壓力損失∑?p=0.8MPa，考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓差Dpe=0.5MPa，則小流量泵的最高
工作壓力估算為
大流量泵只在快進和快退時向液壓缸供油，由表7可見，快退時液壓缸的工作壓力為p1=1.53MPa，比快進時大?？紤]到快退時進油不通過調(diào)速閥，故其進油路壓力損失比前者小，現(xiàn)取進油路上的總壓力損失∑?p=0.3MPa，則大流量泵的最高工作壓力估算為
(2) 計算液壓泵的流量
由表7可知，油源向液壓缸輸入的最大流量為0.119×10-3 m3/s ，若取回路泄漏系數(shù)K=1.1，則兩個泵的總流量為
=7.854(L/min)
考慮到溢流閥的最小穩(wěn)定流量為3L/min，工進時的流量為0.019×10-3 m3/s =1.14L/min，則小流量泵的流量最少應(yīng)為4.14L/min。
(3) 確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率
根據(jù)以上壓力和流量數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，并考慮液壓泵存在容積損失，最后確定選取BY-6/16L 型雙聯(lián)葉片泵。其小流量泵和大流量泵的排量分別為6mL/r和16mL/r，當(dāng)液壓泵的轉(zhuǎn)速np=940r/min時，其理論流量分別為5.6 L/min和14.9L/min，若取液壓泵容積效率ηv=0.9，則液壓泵的實際輸出流量為
由于液壓缸在快退時輸入功率最大，若取液壓泵總效率ηp=0.8，這時液壓泵的驅(qū)動電動機功率為
根據(jù)此數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的Y100L—6型電動機，其額定功率為1.5KW，額定轉(zhuǎn)速為940r/min。
3.2選擇液壓閥
序號
元件名稱
通過流量qv(L*min-1)
型號規(guī)格
工作壓力
1
雙聯(lián)葉片泵
24L/min
YB1-16/6
6.3MPa
2
三位五通電磁換向閥
60L/min
35EF3Y-E10B
6.3MPa
3
單向行程調(diào)速閥
24L/min
AXQF3-E10L
6.3MPa
4
節(jié)流閥
24L/min
L1-25B
6.3MPa
5
單向閥
24L/min
AF3-Ea10B
6.3MPa
6
單向閥
24L/min
AF3-Ea10B
6.3MPa
7
背壓閥
18L/min
YF3-10B
0．5MPa
8
減壓閥
18L/min
J-25B
6.3MPa
9
液控順序閥
＜0.5L/min
XY-25B
4MPa
10
單向閥
24L/min
AF3-Ea10B
6.3MPa
11
過濾器
24L/min
XU-J40*80
6.3MPa
12
單向閥
24L/min
AF3-Ea10B
6.3MPa
13
壓力計開關(guān)
KF3-E3B
3.3 選擇輔助元件
（1）確定管道尺寸
油路內(nèi)徑尺寸一般可參照選用的液壓元件接口尺寸而定，也可按管路允許的流速進行計算。本系統(tǒng)主油路流量為差動時流量q=17.56L/min,壓油管的允許流速取（參照《液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊》）
綜合諸因素及系統(tǒng)上面各閥的通徑取d=12mm,吸油管的直徑參照YBX-16變量泵吸油口連接尺寸，取吸油管內(nèi)徑d=25mm.
（2）液壓油箱容積的確定
本系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)液壓油箱有效容量按泵流量的5～7倍來確定，現(xiàn)選用容量為130L.
結(jié) 論
通過本次設(shè)計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。
在本次設(shè)計中，我們還需要大量的以前沒有學(xué)到過的知識，于是圖書館和INTERNET成了我們很好的助手。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學(xué)習(xí)的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領(lǐng)域，這方面的能力便會使我們受益非淺。
在設(shè)計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經(jīng)驗，增強了信心。
致 謝
經(jīng)過這些時候的努力我終于完成了畢業(yè)設(shè)計，通過畢業(yè)設(shè)計是我對液壓系統(tǒng)有了更加全面的認識。在這個過程中我對書本有了更深的了解，學(xué)到了很多有價值東西，能達到這樣的效果是與戴老師的教導(dǎo)分不開的，謝謝戴老師的鼓勵和幫助。
在這個畢業(yè)設(shè)計過程中我碰到了許多困難，通過書本和戴老師的教導(dǎo)都克服了過去，設(shè)計液壓系統(tǒng)是一個很神奇的過程在這個過程中我學(xué)到了很多專業(yè)性知識我深切的感覺到，在這次設(shè)計中也暴露出我們的許多薄弱環(huán)節(jié)，很多學(xué)過的知識不能靈活應(yīng)用，在這次作業(yè)后才漸漸掌握，以前學(xué)過的東西自己并不是都掌握了，很多知識都已很模糊，經(jīng)過這次設(shè)計又回憶起來了。做作業(yè)的期間用到的手工制圖又得到了鞏固，AutoCAD畫圖軟件也在不斷練習(xí)中進一步深入，學(xué)會了如何去應(yīng)用工程手冊，我體會到戴老師的良苦用心。
謝謝學(xué)校能給我這個學(xué)習(xí)的機會，也謝謝所有幫助我的老師，同學(xué)。因為有你們的幫助，我的畢業(yè)設(shè)計得以順利完成。我們之間相互探討，相互激勵，使我總能攻克困難。謝謝你們！
參考文獻:
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2．左健民.《液壓與氣動傳動》.北京：機械工業(yè)出版社
3．張世偉.《液壓系統(tǒng)的計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計》.北京：機械工業(yè)出版社
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