专用钻床液压系统设计

机械与电子工程系 液压传动课程设计任务书

班级：12机制 姓名： 学 指导老师：

一．设计题目：专用钻床的液压系统设计

二．设计目的

（1）巩固和深化已学的理论知识，掌握液压系统设计计算的一般步骤和方法；

（2）正确合理的的确定执行机构，运用液压基本回路组合成满足基本性能要求的高效的液压系统；

（3）熟悉并运用有关国家标准，设计手册和产品样本等技术资料。

三．设计要求

设计一个专用钻床的液压系统，要求液压系统完成的工作循环是：快进—工进—快退—停止（卸荷）。

液压系统图拟定时需要提供2种以上的设计方案的选择比较。从中选择你认为更好的一种进行系统元件选择计算。

四．设计时间：

2015年6月8日---2015年6月14日

I

五．设计参数 参数 静摩擦因数fs 动摩擦因数fd 往复运动的加减时间S 切削阻力N 快进、快退速度（m/min) 工进速度（mm/min） 快进行程（mm） 工进行程（mm） 工作部件重量N 数值 0.2 0.1 0.2 16000 5.4 3 380 135 11000

II

目录

一、 前言 ................................. 错误！未定义书签。 二、钻床的液压系统工况分析 ................ 错误！未定义书签。 三、液压系统的原理图拟定及设计 ............ 错误！未定义书签。

3.1

供油方式 ....................................................................................................... 9

3.2调速方式的选择 .......................................................................................... 3 3.3速度换接方式的选择 ................................................ 错误！未定义书签。 3.4绘制液压系统图 ........................................................ 错误！未定义书签。

四、液压系统的计算和液压元件的选择 .............................. 13

4.1工作压力P的确定...................................

4.2液压缸的主要尺寸的确定 ................................... 18 4.3稳定速度的验算 ........................................... 19 4.4计算在各工作阶段液压缸的所需流量 ......... 错误！未定义书签。 4.5液压泵的选择 ............................................. 21 4.6电动机的选择 ............................................. 21 4.7液压阀的选择...................................... 4.8液压油管的设计.................................

III

4.9油箱容量的选择...................................

五、液压系统性能验算 ............................................................................................... 21

5.1压力损失的验算.............................................................................................

5.2系统温升的验算....................................................................................................

六、液压缸转配图 .......................................................................... 错误！未定义书签。 七、总结及感想 ........................... 错误！未定义书签。 八、参考文献 ............................................. 27

IV

一、前言

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

液压传动的基本原理:液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。

液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等;行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等;钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等;土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等;发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等;船舶用的甲板起重机械(绞车)、船头门、舱壁阀、船尾推进器等;特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、

5

升降旋转舞台等;军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。

采用液压传动技术与控制的机床，可在较宽范围内进行无级调速，具有良好的换向及速度换接性能，易于实现自动工作循环，对提高生产效率，改进产品质量和改善劳动条件，都起着十分重要的作用。本文针对专用钻床的液压系统进行设计。

二．钻床的液压系统工况分析

根据所给设计参数绘制运动部件的速度循环图，如图2-1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：

F?Fw?Ff?Fa (2-1)

式中 Fw—工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力， 在本设计中Fw为17100N；

Fa—运动部件速度变化时的惯性负载；

Ff—导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，对于平导轨Ff可

由下式得：

Ff?f(G?Frn) (2-2)

式中 G—运动部件重力；

Frn—垂直于导轨的工作负载，本设计中为零；

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f—导轨摩擦系数，在本设计中取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。

则求得：

Ffs?0.2?11000?2200N Ffs?0.1?11000?1100N

式中 Ffs—静摩擦阻力；

Ffa—动摩擦阻力。

G?vF? (2-3) ag?t式中 g—重力加速度；

?t—加速或减速时间，取0.2；

?v—速度差。

在本设计中

110004.8Fa???505.10N

9.80.15?60

根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载，见表2-1，并画出如图2-2所示的负载循环图

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表2-1工作循环各阶段的外负载

图2-2负载循环图

工作循环 外负载FN 工作循环 外负载FN 加速 F?Ff?Fa 1605 工进 F?Fw?Ffa 17100 快进 F?Ffa F?Fn?fs 1100 2200 快退 F?Ffa 1100 启动 8

图2-3速度循环图

三．液压系统的原理图拟定及设计

（第一种设计方案）

3.1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、减少发热考虑，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。

3.2调速方式的选择

调速方案对液压系统的性能起到决定性的作用。调速方案包括节流调速、容积调速

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和容积－节流调速三种。选择调速方案时，应根据液压执行元件的负载特性、液压缸活

塞杆的运动情况和调速范围以及经济性能因素，最后选出合适的调速方案。需考虑到系统本身的性能要求和一些使用要求以及负载特性，参照表3-1。

表3-1 各种调速方式的性能比较 节流调速 简式节流调速系统 带压力补偿阀的节流调速系统 变量泵、 定量马达 流量 适应 功率适应 容积 调速回路 容积-节流调速回路 主要性能 进油节流及回油节流 速度刚度 承载能力 大 效率 发热 低 大 低 旁路节流 调速阀在进油路 调速阀在旁油路及溢流节流调速回路 负载 特性 调速 范围 功率 特性 成本 差 好 很差 较差 小 较低 较大 低 大 好 好 大 较低 较大 较低 较好 较好 较大 最高 最小 高 较高 较小 小 好 好 大 高 小 最高

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。 节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。

容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。

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（6）最小导向长度的确定

对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求

H?LD600100????80mm 202202

（7）缸体长度的确定

液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。

缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：

L=l+B+A+M+C (4-2)

式中 l—活塞的最大工作行程；

B—活塞宽度，一般为(0.6-1)D； A—活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D； M—活塞杆密封长度，由密封方式定； C—其他长度。

一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。 另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。 取L=650mm.

4.3稳定速度的验算

要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin，即A>Amin。

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Amin?qmin (4-3) vmin式中 qmi—的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得； nvmin—缸的最低速度，由设计要求给定。

如果液压缸节流腔的有效工作面积A不大于计算所得最小有效面积

Amin，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸的内径，

以满足速度稳定的要求。

液压缸壁厚和外径的计算，液压缸壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。

按最低工进速度演算液压缸的最小稳定速度，由公式（4-3）可得：

qmin0.05?103??0.17cm2 A>vmin300qmin是由产品样本查得GE系列调速阀LCA6-10的最小稳定流量为

0.05Lmin。

本设计中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即

A??4(D2?d2)??4?(102?52)?58.9cm2

可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。

4.4计算在各工作阶段液压缸所需的流量：

q快进??2dv快进 417

??4??5?10?2??5.4

2 ?10.60?10?3?10.60L/min

q工进??2Dv工进 4 ??4?0.21?3?23L.55 / m i n

q快退?（D2?d2）v快退

4? ???0.12?0.052??5.4

4? ?31.7L/min

4.5液压泵的选择

4.5.1液压泵的压力

考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为：

pp?p1???p (4-4)

式中 pp—液压泵为最大工作压力；

p1—执行元件最大工作压力，现根据负载大小选取液压缸工作

压力为3MPa；

??p—进油管路中的压力损失，初算时简单系统可取

0.5MPa，复杂系统取0.5～1.5MPa，本系统取0.5MPa。

pp?p1???p?3?0.5?3.5MPa

0.2～

上述计算所得的 pp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，考虑到一定压力储备量，

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并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力pp应满足pn?(1.25~1.6)pp公式。中低压系统取小值，高压系统取最大值。

4.5.2液压泵的流量

液压泵的最大流量应为：

qp?KL(?q)max (4-5)

式中 qp—泵的最大流量；

(?q)max—动作的各执行元件所需流量之和的最大值，如果这时

溢流阀正进行工作，尚需加溢流阀的最小溢流量2～3Lmin；

KL—泄露系数，一般取KL=1.1～1.3Lmin，现取KL=1.2。

qp?K??q?max?1.2?31.7?38.04L/min

4.5.3液压泵规格的选择

根据以上所得qp，pp查液压产品目录选泵型号：YBX-40限压式变量叶片泵。

额定压力为6.3 Mpa，排量为40L/min，转速为1450r/min。 该泵的输出流量为：

Q?40?10?3?1450?58L/min

4.6电动机的选择

首先分别算出快进与共进两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在慢进时泵输出的流量减小，泵的效率急剧

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降低，一般当流量在0.2～1Lmin范围内时，可取??0.03～0.14。同时还应注意到，为了使所选则的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转，需进行验算，即：

pBqp??2Pn （4-6）

式中 Pn—所选电动机额定功率；

pB—限压式变量泵的限定压力；

qp—为pB时，泵的输出流量。

首先计算快进时的功率，快进时的外负载为1000N，进油路的压力损失定为0.3MPa，由式（3-6）可得：

pp?1100?4?0.072?10?6?0.3?0.59MPa

快进时所需电动机功率为：

P?ppqp??0.59?10.60?0.21kW

60?0.5工进时所需电动机功率为：

P?ppqp??3.5?23.55?2.74KW

60?0.5查阅电动机产品样本，选用Y100L—2型电动机，其额定功率为3KW。额定转速为2870r/min。

4.7液压阀的选择

液压控制阀是液压系统中用来控制液流的压力、流量和流动方向的控

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制元件、是影响液压系统性能，可靠性和经济性的重要元件。 序号 1 2 3 4 5 6 7 元件名称 限压式变量叶片泵 溢流阀 三位四通换向阀 单向调速阀 二位四通电磁阀 压力表开关 过滤器 最大通流量 50 25 25 25 25 25 型号规格 YBX-40 Y-25B 34E1—25B LCA6-10 24E1—25B 3KB-C6 WU—25*180

4.8液压油管的设计

油管类型的选择此次设计中我采用的管道是无缝钢管。油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定。现取油管内径d为12mm。

4.9油箱容量的选择

本例为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的5~7倍来确定，现选用容量为250L的油箱。

五．液压系统性能验算

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已知该液压系统中进，回油管的内径均为12mm,，各段管道的长度分别为：AB=0.5m，AC=2m，AD=2m，DE=3m。选用L—HL32液压油，考虑到油的最低温度为15℃，查得15℃时该液压油的运动粘度

2cmv=150cst=1.5/s，油的密度为ρ=920kg/m3.

5.1压力损失的验算：

1）工作近给时进油路压力损失

运动部件进给时的最大速度为1.5m/min，进给时的最大流量为23.55L/min，则液压油在管内流速v1为

v1?q?4d2?4?23.55?103.14?1.223?10417cm/min?347.33cm/s

管道流动雷诺数Re1=

v1d347.33?1.2??277.86 v1.5Re1<2300，可见油液在管道内流态为层流，其沿程阻力系数为

?1?7575??0.27 Re1277.86进油管道BC的沿程压力

?2?0.5??920?1.39?0.5?106Pa l?v?p1-1???0.27??2d221.2?10查得换向阀34E1—25B的压力值是?P1?2?0.25?10Pa

忽略油液通过管接头：油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失

?P1??P1?1??P1?2?(0.5?10?0.55?10)?0.75?10Pa

6666222）工作进给时回油路的压力损失。由于选用单活塞杆液压缸，切液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的1/2，则回油管道的流量为进油管道

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V1?173.66cm/s 2vd173.66?1.2?138.93 Re2=2?v1.5的1/2，则V2??2?7575??0.54 Re238.93回油管道的沿程压力损

920?1.73l?v36?p2-1???0.27???0.09?Pa 10?2d221.2?1022查产品样本知换向阀24E1—25B的压力损失?P2?2?0.045?10Pa，换向阀34E1—25B的压力损失?P2?3?0.045?10Pa，调速阀LCA6-10的压力损失

?P2?4?0.9?10Pa。

666回油路总压力损失：

?P2??P2?1??P2?2??P2?3??P2?4?(0.09?0.045?0.045?0.9)?10?0.27?10Pa

663）变量泵出口处的压力PP?F/?CM?A2?P26??P?3?110Pa A14）快进时的压力损失。快进时液压缸为差动连接，自汇流点A至液压缸进油口C之间的管路AC中，流量为液压泵出口流量的2倍，即45L/min，

1?1为 AC段管路的沿程压力损失?Pv1?q?4d2?4?45?10233.14?1.2?60?663cm/s

Re1=

v1d663?1.2??530 v1.57575?1???0.142

Re1530920?6.63l?v26?p1-1???0.142???0.46?Pa 10?2d221.2?101?2和?P为 同样可求管道AB段及AD段的沿程压力损失?P1?32223

v2?q?4d2?4?22.5?10233.14?1.2?60?332cm/s

Re2=

v2d332?1.2??256 v1.57575?2???0.29

Re2256?P1?2920?3.3226?0.29???0.018?Pa 10?221.2?100.52920?3.3226?P?0.29???0.245?Pa 1?310?221.2?10查产品样本知，流经个阀的局部压力损失为：

634E1—25B的压力损失?P2?1?0.17?10Pa 624E1—25B的压力损失?P2?2?0.17?10Pa

据分析在差动连接中，泵的厨楼压力

PP?2?P1?1??P1?2??P1?3??P2?1??P2?2?FA2?CM?1.76?10Pa

6快退时压力损失验算从略。上述验算表明。无需修改原设计。

5.2系统温升的验算

在整个工作循环中，工进时的发热量最大，工进速度V=150cm/min时， q=23.55L/min，总效率??0.7，则

3?23.55?1.60KW

60?0.7300?2?3Psc?Fv?15000??10?10?0.32KW

0.841Psr?功率损失为：?P?Psr-Psc?1.60-0.32?1.28KW

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假定系统的散热状况一般，取K=10?10?3KW/（cm2*℃），油箱的散热面积为

A?0.0633V2?0.0633250x250?2.5m2

系统的温升为?t??P1.28??51.2℃ KA10?10?3?2.5验算表明系统的温升在许可范围内。

六.液压缸装配图

6.1液压缸装配图

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6.2液压缸系数

元件 参数 液压缸 D（缸内径） 100 d（活塞直径） 70 L（缸体长） 650 t1（前缸t2（后缸l(活塞行程) 600 ?（缸体壁厚） 6 盖壁厚） 盖壁厚） 18 10

七、总结及感想

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，

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又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。 在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这

方

面

的

能

力

便

会

使

我

们

受

益

非

浅

。

在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。

通过一周的课程设计让我知道了设计液压系统的整个过程，收获很多，同时在这个过程中也发现很多问题，通过查书和同组同学讨论解决了一些问题，同时发现自己知识的欠缺，也知道了团队合作的重要性。

一周的课程设计收获很多，对课本知识有了进一步的巩固，并把知识运用到实际的设计。设计回路虽然简单，但其过程让我学到了许多课本上所没有的知识，让我对液压的设计有了一定的了解，对实际液压系统钻床的工作原理及过程有了更深的认识，从而对理论知识运用到实际操作。经过同组成员之间的讨论及努力最终任务完成。

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八、参考文献

[1] 刘忠，杨国平主编. 工程机械液压传动原理、故障诊断与排除[M]. 机械工业出版社，2005.01.

[2] 左健民主编. 液压与气压传动. 第4版. 北京：机械工业出版社，2007. [3] 张岚，张海霞，刘宇辉主编. 实用液压技术手册[M]. 上海：人民邮电出版社，2008.01.

[4] 王守城,段俊勇主编. 液压元件及选用. 北京：化学工业出版社，2007. [5] 张利平主编. 液压气动技术速查手册[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[6] 阎祥安，焦秀稳主编. 液压传动与控制[M]. 天津：天津大学出版社，2001.

[7] 许福玲，陈尧明主编. 液压与气压传动[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[8] 田勇,高长银主编. 液压与气压传动技术及应用. 北京：电子工业出版社，2011.

[9] 杨培元，朱福元主编.液压系统设计简明手册.机械工业出版社,1999. [10] 许福玲.液压与气压传动.北京:机械工业出版社,2001.08. [11] 张利平,液压气动系统设计手册.北京:机械工业出版社,1997.09. [12] 陈奎生.液压与气压传动.武汉:武汉理工大学出版社,2001.08.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d35g.html