液压与气动技术课程设计：卧式钻孔组合机床液压系统设计 - 宋超

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    《液压与气动技术》课程设计中，宋超所在的 SANY 标准化小组。#---#在中央广播电视大学开放教育新疆广播电视大学的本科课程设计里，有《液压与气动技术》这一题目，其内容为卧式钻孔组合机床的液压系统设计，专业是机械设计及其自动化，年级为 2014 春本科 723，姓名是宋超，指导老师是徐昌辉。液压系统的作用是通过改变压强来增大作用力。

    一个完整的液压系统由五个部分构成。其一为动力元件；其二是执行元件；其三为控制元件；其四是辅助元件（附件）；其五是液压油。

    一个液压系统的好坏由多方面决定。其一在于系统设计的合理性；其二在于系统元件性能的优劣；其三在于系统的污染防护和处理。而其中最后一点是尤为重要的。

    近年来我国国内液压技术取得了很大的进步，不再仅仅依赖国外的液压技术来进行加工。

    一个液压系统的好坏取决于多方面。其一取决于系统设计是否合理；其二取决于系统元件性能的优劣。同时，还因系统的污染防护和处理情况而异。因为系统的污染会直接对液压系统工作的可靠性产生影响，也会影响元件的使用寿命。据统计，国内外的液压系统故障中，大约有 70%是由污染引起的。

    目前我国的液压技术在技术交流方面存在不足。我国的液压产品大多是采用国外的液压技术进行加工后得到的。近几年，国内的液压技术有了显著的提升，像派瑞克公司、威明德液压等公司都具备很强的实力。

    关键词：液压缸,组合机床,液压系统,工作循环。

    设计题目为卧式钻孔组合机床液压系统设计。技术参数和设计要求是设计一台能完成快进→工进→快退→停止工作循环的卧式钻孔组合机床液压系统。目录包含题目、工况分析、拟定液压系统原理图（包括确定供油方式、调速方式选择、速度换接方式选择）、液压系统的计算和选择液压元件（如液压缸主要尺寸确定，包含工作压力 P 的确定、计算液压缸内径 D 和活塞杆直径 d、计算各工作阶段液压缸所需流量，还有确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格，包括泵的工作压力确定、流量确定、选择规格以及与液压泵匹配的电动机选定）、液压阀的选择、确定管道尺寸、液压油箱容积的确定、液压系统的验算（如压力损失验算，包含工作进给时进油路压力损失、回油路压力损失、变量泵出口处压力 Pp、快进时压力损失，还有系统温升验算）、液压缸的设计（包括液压缸工作压力确定，其内径 D 和活塞杆 d 前面已计算，以及液压缸的壁厚和外径计算、缸盖厚度确定）。最后是参考文献。

    动摩擦系数为。

    设计该组合机床的液压传动系统。

    工况分析依据已知条件，把运动部件的速度循环图绘制出来，也就是如图速度循环图。接着计算各阶段的外负载并且绘制负载图，就像如图液压缸所受外负载 F 包含三种类型那样，即 F = Fw + Ff + Fm 。其中：Fw 是工作负载；Fm 是运动部件速度变化时的惯性负载；Ff 是导轨摩擦阻力负载，在启动时是静摩擦阻力，启动后是动摩擦阻力，对于平导轨 Ff 可以通过下式求得：Ff = f (G - Ffn) 。G 是运动部件重力；Fn 是垂直于导轨的工作负载；f 是导轨摩擦系数。由此可得：Ffs = ××103 ，Ffd = ××103 = 780N 。上式中，Ffs 为静摩擦阻力，Ffd 为动摩擦阻力。

    Fm 等于 G 乘以Δv 除以（g 乘以Δt）。其中，g 表示重力加速度，Δt 表示加速或减速时间，Δv 表示在Δt 时间内的进度变化量。在本例中，Fm 等于（×103×6）除以（××60），结果为 398N。根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载。拟定液压系统原理图并确定供油方式。考虑到该机床在工作进给时负载较大且速度较低，而在快进、快退时负载较小且速度较高，从节省能量和减少发热的角度考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油，现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。

    调速方式的选择在中小型专业机床的液压系统里，对于进给速度的控制，通常会采用节流阀或者调速阀。

    钻孔类专用机床工作时对低速性能有一定要求，同时对速度负载特性也有一定要求。基于此特点，决定采用由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速方式。

    这种调速回路具备效率高的特点，同时发热小，速度刚性也好。并且调速阀是安装在回油路上的，具备能够承受负切削力的能力。

    本系统采用电磁阀的快慢速换接回路来选择速度换接方式。这种方式结构简单，调节行程较为方便，阀的安装也比较简单。然而，其速度换接的平稳性较差。

   

    要提高系统的换接平稳性，就可以采用行程阀切换的方式来构建速度换接回路。

    3. 5.1.2 计算液压缸内径 D 和活塞杆直径 d ，从负载图可知最大负载 F 为，按照指导书表 2 - 2 执行元件背压的估算值，可取 p 为，ηcm 为，考虑到快进、快退速度相等，取 d/D 为。

    将上述数据代入公式，能得到：A 等于 F 除以 ηcm 再乘以(P 减去 p 除以 2)。D 等于 4A 除以 1 再除以 2D，且将(m)圆整为标准值 100mm。依据指导书表 2 - 4 中液压缸内径尺寸系列（-80），把液压缸内径圆整为标准系列直径 D 为 100mm，活塞杆直径 d，按照 d 除以 D 的比例以及指导书表 2 - 5 中活塞杆直径尺寸系列（-80），活塞杆直径系列选取 d 为 70mm。

    差动连接时，由于管路中存在压力损失，取Δp=。

    验算液压缸的最小稳定速度需按最低工进速度进行。可得：A 要大于等于 Qmin 除以 Vmin，即 A≥Qmin / Vmin。Qmin 由产品样本查得，GE 系列调速阀 Q - 6B 的最小稳定流量为 0.05L/min，换算后为 0.05×1000 = 50ml/min，Vmin 为 5，所以 A≥50 / 5 = 10(cm2)。

    有杆腔：A 等于圆周率乘以（D 的平方减去 d 的平方）再除以 4，即等于圆周率乘以（10 的平方减去 7 的平方）再除以 4，结果为 40 平方厘米。无杆腔：A 等于圆周率乘以 D 的平方再除以 4。由此可见，上述不等式能够满足，液压缸能够达到所需的低速。

    根据上述有杆腔与无杆腔的数值，能够计算出液压缸工作循环里各个阶段的压力、流量以及工作值。

    其中，Pp 为液压泵最大工作压力，P1 为执行元件最大工作压力，ΣΔp 为进油管路中的压力损失，初算时简单系统可取~，复杂系统可取~。

    本题中取。

    因此，P p 等于 P1 加上ΣΔp ，等于 5(MPa)。上述计算得出的 Pp 是系统的静态压力，要考虑到系统在各种工况的过渡阶段所出现的动态压力，这种动态压力往往会超过静态压力。

    另外要考虑到有一定的压力贮备量，同时还要确保泵的寿命。所以，选泵的额定压力 Pa 应该满足 Pa 要大于或等于~Pp 。

    中低压系统取小值，高压系统取大值。

    在本题中Pa = ，Pp=5MPa。

    泵的流量需确定液压泵的最大流量，该最大流量应为 Q p 大于等于 KL 乘以(ΣQ)的最大值。其中：Q 表示液压泵的最大流量；KL 为系统泄露系数，一般取值约为 ，现取 KL = 。

    因此 Qp 等于 KL 乘以 (ΣQ)max，等于某个值，单位为 (L/min)。5.2.3 选择液压泵的规格时，依据以上算得的 Pp 和 Qp，查阅相关手册，现选用 32 双联叶片泵，该泵的基本参数为：泵的额定压力 P0 为具体数值，电动机转速 n 为 1450r/min，总效率 η 为具体数值。

    与液压泵匹配的电动机的选定，首先要分别算出快进工况时的功率以及工进工况时的功率，然后取两者中的较大值，以此作为选择电动机规格的依据。

   

    因为在慢进的情况下，泵输出的流量会减小，所以泵的效率会急剧降低。通常当流量处于~1L/min 这个范围内时，能够取到η=~。

    同时要注意到，为了避免所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时停转，需要进行验算。也就是要满足 P b = Qp/η≤Pd 这个式子，其中 Pd 是所选电动机的额定功率，Pb 是限压式变量泵的限定压力，Q p 是在压力为 Pb 时泵的输出流量。

    查阅电动机产品样本，选用 Y90S—4 型电动机，其额定功率为某值，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。

    已知快进时流量为 23.08L/min，工进时流量为 0.393L/min 且有压力。由此作出泵实际工作时的流量压力特性曲线，如图 3 - 1 所示。经查阅，该曲线拐点处的流量为 30L/min，压力为 3MPa。

    所选电动机功率满足要求，拐点处能正常工作。

    在液压阀的选择方面，该液压系统可以采用力士乐系列阀或者 GE 系列阀。

    本题均选用GE系列阀。

    拟定的液压系统图中，要按照通过各个元件的最大流量来选择液压元件的规格。

    选定的液压元件见A3图纸。

    确定管道尺寸时，油管内径尺寸通常可以依据选用的液压元件接口尺寸来确定，同时也能够按照管路所允许的流速进行计算。

    本系统油路流量处于差动状态时，流量为 Q = 55L/min。压油路的允许流速取为 V = 4m/s，那么内径 d 等于 (Q / V)的 1/2 次方，即 d = (55 / 4)的 1/2 次方，单位为 mm。若系统主油路流量在快退时取为 Q = 24.02L/min，就可以算出油路内径 d 为 12.28mm。

    综合诸因素，现取油管的内径d为15mm。

    本题是中压液压系统。对于液压油箱容积的确定，其有效容量需按照泵的流量的 5 至 7 倍来进行。现在选用的油箱容量为 160L。

    管道流动雷诺数 Re1 为：Re1 = v1d/υ=37.08×15/1.5。< 2300可见油液在管道中流态为层流，其沿程阻力系数λ1=75，Re1=进油管道的沿程压力损失Δp1-1为Δp1=λ(l/d）/(ρv2/2)=75×(16.1.23M6.1.36.1.473 L5.25m0.℃8℃25℃压缸的设计液压缸工作压力的确定选择液压缸工作压力主要根据液压设备类型确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力也不同。