1、1 设计题目 1.1设计题目 设计一台专用铣床,铣头驱动电机的功率为 7.0千瓦,铣刀直径为 120mm , 转速 350转 /分,如工作台质量为 480公斤,工件和夹具的质 量为 150公斤,工 作台的行程为 400mm , 工进行程为 100mm , 快进快退速度为 4.5米 / 分, 工进速度 为 601000 毫米 /分, 其往复运动的加速 (减速 时间为 0.05秒, 工作台用平 导 轨静摩擦系数 0.2s f =,动摩擦系数 0.1d f =,试设计该机床的液压系统 。 2 工况分析 2.1负载分析 根据给定条件,先计算工作台运动中惯性力 m F ,工作台与导轨的动摩擦阻 力 fd
2、 F 和静摩擦阻力 fs F 63000.075963 9.810.05 G m F v F g t = = =(N (2-1 12( 0.1(48001500 6300 fd d G G F f F F =+=+=(N (2-2 12( 0.2(48001500 1260fS s G G F f F F =+=+=(N (2-3 其中 , 11480104800G F m g =(N 22150101500G F m g =(N 12480015006300 G G G F F F =+=+=(N 由铣头的驱动电机功率可以求得铣削最大负载阻力 t F : t P F v = (2-4 其中
3、3503.140.12 2.19860 60 n d m v s = = 所以, 700031852.198 t P F v = = 同时考虑到液压缸密封装置的摩擦阻力(取液压缸的机械效率 0.9m = , 工作台的液压缸在各工况阶段的负载值列于表 2-1中, 负载循环图如图 2-1所示。 表 2-1 各阶段负载值 图 2-1负载 循环图 2.2运动分析 根据给定条件, 快进、 快退速度为 0.075m/s, 其行程分别为 300mm 和 400mm , 工进速度为 601000m/s( 即 0.0010.0167m/s ,工进行程 100mm ,绘出速度循 环图如图 2-2所示。 图 2-2
4、 速度循环图 3 确定液压缸的参数 3.1初选液压缸的工作压力 根据液压缸推力为 4239N (表 2-1 , 按表 11-2( 书的推荐值,初选工作 压力为 51010Pa. 3.2 确定液压缸尺寸 由于铣床工作台快进和快退速度相同,因此选用单杆活塞式液压缸,并使 122A A =, 快进时采用差动连接,因管路中有压力损失,快进时回油路压力损失 取 5510p =Pa , 快退时回油路压力损失亦取 5510p =Pa 。 工进时, 为使运动 平稳, 在液压缸回路油路上须加背压阀, 背压力值一般为 5(510 10 Pa, 选取背 压 52610p =Pa 。 根据 11220p A p A
5、F =+, 可求出液压缸大腔面积 1A 为 2 15 12 4239 0.006( 0.5(100.56 10 F A m p p = = =- (3-1 0.087( D m = = = (3-2 根据 GB2348-80圆整成就近的标准值,得 D=90mm ,液压缸活塞杆直径 63.65d m m =, 根据 GB2348-80就近圆整成标准值 d=63mm, 于是液压缸实 际有效工作面积为 2 22 10.090.0064 4 A D m = = = (3-3 22 2 2 2 2( (0.090.063 0.0034 4 A D d m = -= -= (3-4 3.3液压缸工作循环中
6、各阶段的压力、流量和功率的计算值 (见 表 3-1 3.4绘制液压缸工况图 根据表 3-1 计算结果,分别绘制 P-L 、 Q-L 和 N-L 图,如图 3-1所示 P-L 图 Q-L 图 N-L 图 图 3-1 -L、 Q-L 和 N-L 图 4 拟定液压系统图 4.1选择液压系统图 4.1.1调速回路 由工况图 3-1可知,该铣床液压系统功率小,因此选用节流调速方式,滑 台运动速度低, 工作负载为阻力负载且工作中变化小, 故可选用进口节流调速回 路。 为防止孔钻通时负载突然消失引起运动部件前冲, 在回油路上加背压阀。 由 于系统选用节流调速方式, 系统必然为开式循环系统。 。 考虑到铣削加
7、工中有顺 铣和逆铣两种工况, 宜采用调速阀来保证速度稳定, 并将调速阀装在液压缸回油 路上起阻力作用, 使工作台低速运动时比较平稳, 如图 4-1(a和 4-1(A 所示 , 由于本系统滑台由快进转为工进时, 速度变化不大, 为减少速度换接时的液压冲 击,从节约成本考虑,选用如图 4-1(a所示的调速回路。 (a (A 图 4-1 调速回路 4.1.2 换向回路和卸荷回路 铣床工作台采用单活塞杆液压缸驱动。 由工况图可知, 系统压力和流量都不 大,同时考虑工作台工作一个循环后装夹具时间比较长,为方便工作台的手动, 选用三位四通 U 型电磁换向阀, 并由电气行程开关配合 实现自动换向, 如图 4
8、-2b 所示 4.1.3 快速运动回路 为实现工作台快速进给,选用二位三通电磁换向阀构成液压缸的差动连接。 这种差动连接的快速运动回路,结构简单,也比较经济,如图 4-2a 所示。在图 4-2a-b 中结构复杂不利于控制,所以选择 4-2a 所示的回路 ,一起同 4-2b 组成 的快速、 换向回路, 同样可以实现差动连接。 同时验算回路的压力损失比较简便, 所以不选用图 4-2a-b 所示的回路。 (a (b (a-b 图 4-2 快速和换向回路 4.1.4 压力控制回路 由于液压系统流量很小, 铣床工作台工作进给时, 采用回油路节流调速, 故 选用定量泵供油比较、 经济 , 如图 4-1a
9、所示 . 调压 回路采用先导式溢流阀维持液 压泵出口压力恒定。 当换 装工件时, 工作台停止运动, 液压泵卸荷回路采用小型 二位三通电磁阀控制先导型溢流阀, 实现液压泵的卸荷。 而从提高系统效率、 节 省能量角度来看,选用双联叶片泵油源显然是不合理的,如图 4-3b 所示,其结 构复杂,控制也复杂,所以不适宜选用此方案。 (a (b 图 4-3 压力控制回路 4.2 液压系统合成 根据以上选择的液压基本回路,合成为图 4-2所示的定量泵 -回油路节流 调速液压系统图。 图 4-2 液压系统合成 5 选择液压元件 5.1 选择液压泵和驱动电机 取 液 压 系 统 的 泄 漏 系 数 K=1.1
10、则 液 压 泵 的 最 大 流 量 3 3 3 m ax ( 1.10.225100.24810 /B i Q K Q m s -=,即 B Q =14.88L/min。根据 拟 定的液压系统是采用回油路节流调速, 进油路压力损失选取 5510p Pa =, 故 液压泵工作压力为: 5 5 1(9.845 1014.8410B p p p Pa =+=+=。 (5-1 考 虑 到 系 统 动 态 压 力 因 素 的 影 响 , 液 压 泵 的 额 定 工 作 压 力 为 : 5 5 14.84(125% 1018.8510B p Pa =+=. (5-2 根据 B Q 、 B p 和已选定的单
11、向定量泵型式,查手册书(二选用 116YB -型 定量叶片泵 。该泵 额定排量 为 16mL/r,额 定转速 960r/min,其额 定流量为 3 3 0.25610/m s -,由工况图知,最大功率在快退阶段,如果取液压泵的效率为 为 0.75,驱动液压泵最大输入功率 B N 为: 53 1(15.95 100.25610 7130.75 B B B p Q N -+= = =(W (5-3 查电工手册选取 750W 的 电动机。 5.2 选择控制元件 根据系统最大工作压力和通过控制元件的最大流量, 选用各类阀的规格见表 5- 1. 表 5-1 选用各类阀的规 5.3 选用辅助元件 滤油器:
12、液压泵吸油口需装粗滤油器,选用 XU-16 100J 线隙式 100m 进 口滤油器,流量 Q=16l/min=0.267 3310/m s -. 油箱容量:由下式计算有效容积 V ,取系数 K=6, Q=12L/min,则有 3 3 61272( 7210( V KQ L m -= (5-4 根据书(二标准,可取油箱的容积 V=75L, 油箱见附图 1,管道尺寸由选 定的标准元件连接口尺寸确定。 6 液压系统性能验算 6.1 回路中压力损失 回路压力损失计算应在管道布置图完成后进行,必须知道管道的长度和直 径。 管道直径按选定元件的接口尺寸确定, 即 d=12mm,长度在管道布置图未完成 前
13、暂按进油管、回油管均为 L=2m估算。油液运动粘度取 421.510/m s -=,在 此设计中主要验算工进和快退工况时的压力损失。 6.1.1 工进时压力损失 进油管路压力损失:首先判别进油管液流状态,由于雷 诺数 3 3 4 440.110 70.7200012101.510 e vd Q R d -= = = (6-1 故为层流。 管路沿层压力损失: 4 3 16 4 4 16 5 4.34.31.510 0.110 2 10 12 10 0.62210( L Q L P d Pa -= = (6-2 取管道局部损失 50.10.062210L P P Pa = 油液流经单向阀和三位四通
14、换向阀的压力损失按下面公式计算,有关数据 见表 5-1 2 2 2 550.2560.2561.5102100.4170.417V V Vn Vn Q P P Q =+ 51.3210=(Pa (6-3 工进时进油路总压力损失: 5 210L V p P P P =+=(Pa (6-4 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 5 选择液压元件 工进时回油路压力损失：因回油管路流量 Q2 为 Q2 = Q1 0.1 103 = = 0.05 103 (m3 / s 2 2 (6-5 液流状态经 判断为层流（ Re = 70.7 2000 ，于是沿程 压力损失： 4.3 Q L 4.3 1.5 104 0
15、.05 103 2 1016 = d4 124 1016 = 0.297 105 ( Pa PL = (6-6 局部 压力损失： P = 0.1 PL = 0.0297 105 Pa (6-7 回油路中油液流经二位三通换向阀、调速阀和三位四通换向阀时的压力损 失计算方法同上，即 Q 0.128 5 5 0.128 P = P V = 1 105 V Vn + 5 10 + 2 10 0.417 0.417 QVn 2 2 2 = 5.28 105 ( Pa 工进时回油路总压力损失 (6-8 p“ = PL + P + P = 5.6 105 ( Pa V 失 p = p + p“ A2 0.0
16、03 = 2 105 + 5.6 105 = 4.8 105 ( Pa A1 0.006 (6-9 将回油路中压力损失折算到进油路上，就可求出工进时回路中整个压力损 (6-10 6.1.2 快退时压力损失 快退时进油路和回油路中经检查都是层流，进油路压力损失为： 4.3 Q L 4.3 1.5 104 0.225 103 2 1016 = d4 124 1016 = 1.4 105 ( Pa PL = P = 0.1P = 0.14 10 ( Pa 5 (6-11 进油路中油液流经单向阀、三位四通换向阀、 单向调速阀（反向时）以及 二位三通换向阀时压力损失计算方法同前 Q 0.256 5 0.
17、256 P = P V = 1.5 105 V Vn + 2 10 0.417 0.417 QVn 2 2 2 0.256 5 +1 105 = 1.7 10 ( Pa 0.417 2 (6-12 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 5 选择液压元件 快退时进油路总压力损失： p = PL + P + P = 3.24 105 ( Pa V 快退时 回油路中压力损失：由于 Q1 = 2Q2 ,则有 PL = 4.3 Q L 4.3 1.5 10 4 2 0.225 103 2 1016 = d4 124 1016 = 2.8 105 ( Pa (6-13 (6-14 P = 0.1P = 0.28
18、 105 ( Pa Q 2 0.256 5 P = P V = 2 105 V Vn = 2.46 10 ( Pa QVn 0.417 回油路总压力损失： 2 2 p“ = PL + P + P = 554 105 ( Pa V (6-15 将回油路中的压力损失折算到进油路上去，可得到快推时回油路中的整个 压力损失： p = p + p“ 0.003 A2 = 3.24 105 + 5.54 105 = 6 105 ( Pa A1 0.006 (6-16 这个数值比原来估计的数值大，因此系统中元件规格和管道直径不宜再减 小。 6.2 确定液压泵工作压力 工进时，负载压力 pL = F 42.3
19、9 = = 66.24( N / cm 2 = 6.624 105 ( Pa A1 64 (6-17 液压泵 工作压力 pgj pL + p = (6.624 + 4.8 105 = 11.4 105 ( Pa (6-18 快退 时，负载压力： pL = F 700 = = 21.88( N / cm2 = 2.88 105 ( Pa A2 32 (6-19 液压泵 的工作压力： pkt pL + p = (2.88 + 6 105 = 8.88 105 ( Pa (6-20 根据 pgj ，则 溢流阀调整压力取 12 105 Pa 。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 5 选择液压元件 6.3
20、 液压系统的效率 由于在整个工作循环中，工 进占用时间最长，因此，系 统的效率可以用工 进时的情况来计算。工进速度 为 0.001 0.0167 m / s ，则液压缸的输出功率为 N C = FV = 4239 0.001 = 4.239(W N C = FV = 4239 0.0167 = 70.79(W (6-21 液压泵的输出功率： N B = pQ = 12 105 0.256 103 = 307(W (6-22 工进时液压回路效率： C = N C 4.239 = NB 307 70.79 = 0.014 307 0.23 (6-23 液压系统效率 = BYC ,取液压泵效率 B
21、= 0.75 ，液压缸效率取 Y = 0.88 ，于 是 = BYC = 0.75 0.88 (0.014 0.23 = 0.009 0.15 (6-24 6.4 液压系统的发热温升验算 液压系统总发热功率计算 液压泵输入功率： N1 = pQ B = 307 = 409.3(W 0.75 (6-25 (6-26 液压缸有效功率： N 2 = N C = 4.239(W 系统总发热功率： H1 = N1 N 2 = 409.3 4.239 = 405(W 或 H1 = N1 (1 = 409.3(1 0.009 = 405.6(W 油箱散热面积： A1 = 6.66 3 V 2 = 6.66 3 (72 103 2 = 1.15(m 2 (6-27 (6-28 油液温升： T = H1 ，取 CT = 15 ，则 CT A H1 405.6 = = 23.5 （） CT A 15 1.15 T = (6-29 温升没有超出允许范围 25 35 的范围，液压系统中不需要设置冷却器。 至此，该铣床液压系统设计计算宣告全部结束。
