《液压与气压传动》
课程设计说明书
题目：专用铣床液压系统的设计
院系：机械设计及其自动化学院 专业：机械设计 班级：11201 姓名：李清波 指导教师：徐巧 日期：2015.05.30
学号：1202281038
1 / 23
前言
本次设计，主要是运用所学的《液压与气压传动》课程有关知识，根据一些具体情况综合运用自己学过的有关基础课、技术基础课和专业课的知识，加深对知识的理解与应用，培养独立工作能力。
液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。基本上目前形成的一个形式是越是先进的系统越离不开液压，而且所用液压设备也越多，液压已经应用于很多领域。
而本次的液压系统设计是指组成一个新的能量传递系统，以完成一项专门的任务。系统功能原理设计是根据主机的工艺目的或用途、工作循环、负载条件和主要技术要求，通过配置执行元件，负载分析、运动分析及编制执行元件的工况图，对同类主机及其传动系统的分析比较，选择设计参数，确定液压系统的工作压力、流量和执行元件主要几何参数等，拟定液压系统方案和传动系统原理图，并对组成系统的各标准液压元件辅件进行选型，最后对液压系统的主要性能（压力损失、发热温升等）进行验算。
2 / 23
目录
第一章 明确设计要求 配置执行元件…………… 1 1.1设计要求………………………………… 1 1.2主机的概况了解 ………………………… 1 1.3主机对液压系统提出的任务和要求… 1 1.4其它要求……………………………… 2 1.5配置执行文件………………………………… 2 第二章 工况分析 ………………………………… 3 2.1 运动分析……………………………………… 3 2.2 负载分析……………………………………… 3 第三章 明确液压系统主要性能参数…………… 7 3.1 预选系统压力………………………………… 7 3.2 计算液压缸主要结构尺寸…………………… 7 1.计算液压缸的内径……………………… 8 2.计算液压缸活塞直径…………………… 8 3.液压缸实际有效面积…………………… 9 3.3 计算工进时的实际工作压力………………… 9 3.4 液压缸各工况所需的流量…………………… 10 3.5 其他工作阶段的压力、流量和功率………… 10 第四章 制定基本方案拟定液压系统图………… 11 4.1 制定基本方案…………………………11 五章 计算和选择液压元件…………………………13
3 / 23
5.1液压泵和驱动电机的选择……………………… 13 5.2 其他液压元件的选择…………………………… 14 六章 验算液压系统的性能……………………… 17 6.1 压力损失的验算………………………………… 17 1.雷诺数Re………………………………… 17
2.沿程压力损失???3.局部压力损失???………………………… 17 ………………………… 18
6.2温升的验算………………………………………18 参考资料……………………………………………… 21
4 / 23
第一章 明确设计要求 配置执行元件
1.1 说明书设计要求
对液压系统的设计要求是设计液压系统的依据，设计前必须将它搞清楚。以及在这说明书中需要做什么，分为以下几点：
1） 绘制工作循环周期图；
2） 负载分析，作执行元件负载、速度图；
3） 确定执行元件主参数：确定系统最大工作压力，液压缸主要结构尺寸，计算各液压缸工作阶段流量，压力和功率，作工况图； 4） 方案分析、拟定液压系统； 5） 选择液压元件； 6） 验算液压系统性能；
7） 绘制液压系统工作原理图，阐述系统工作原理。 1.2主机的概况了解
1）主机的用途、总体布局、主要结构，主机对液压装置的位置和空间尺寸的限制。
2）主机的工艺流程或工作循环、技术参数与性能要求。 3）作业环境与条件等。
1.3明确主机对液压系统提出的任务和要求
- 1 - / 23
1） 主机要求液压系统完成的动作和功能，执行元件的运动方式（转动、移动或摆动）、动作循环及其工作范围。
2） 外界负载大小、性质及变化范围，执行元件运动速度大小及变化范围。
3） 各液压执行元件的动作顺序、转换及互锁要求。 4） 对液压系统的工作性能方面的要求，如运动平稳性、定位和转换精度、停留时间、自动化程度、工作效率、噪声等方面的要求，对于高精度、高生产率的自动化主机，不仅会对液压系统提出静态性能指标，往往还会提出动态性能指标。
1.4明确其它要求
1） 明确液压系统的工作条件和环境条件，如环境的温度、湿度、污染和振动冲击情况。有无腐蚀性和易燃性物质存在，这牵涉到液压元件和工作介质的选用，也牵涉到所需采用的防护措施等。
2）对液压系统的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。
1.5 配置执行文件
根据车床的总体布局及技术要求，选择缸筒固定的单杆活塞液压缸作为驱动车削动力头实现经给运动的液压执行元件。
- 2 - / 23
第二章 工况分析
要求：在分析机器的工作情况(工况)的基础上，确定液动机(液压缸和液压马达)的负载、速度、调速范围、功率大小、动作循环、自动化程度等并绘制出工况图。 2.1 运动分析
运动分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求的运动速度进行分析，速度图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。速度图一般用速度—时间（v—t）或速度—位移（v—l）曲线表示。图1（a）为一机床进给油缸的动作循环图例，及图1（b）是其相应的速度图例
- 3 - / 23
2.2 负载分析
水平安放的平导轨：G=2500N+1000N=3500N
静摩擦阻力：Ffs??s(G?Fn)?0.15?(3500?0)?525N
动摩擦阻力：Ffd??d(G?Fn)?0.12?(3500?0)?420N 上述各式中 G——运动部件重力，N;
Fn——工作负载在导轨上的垂直分力，N；
D=110mm n=150r/min P=4.5KW
P?2?nTD T?Fe?22?PP4.5?1032?nFe????5211ND?nD3.14?150?0.1160
?cm?0.80Fms?(1??cm)Fe?(1?0.80)?5211N?1042.2N
Fmd?30%Fms?0.3?1042.2?312.66N恒速时的动密封摩擦阻力估取为静密封摩擦阻力的30%
- 4 - / 23
表2-1 车削动力头液压缸为负载计算结果
工 况 快进 启动 加速 恒速 工进 快退 启动 加速 恒速
外负载F/N 计算公式 F?Ffs?Fms 结果 1567.2 824.7 732.7 5943.7 1567.2 824.7 732.7 F?Ffd2?GVv??Fmd gVtF?Ffd2?Fmd F?Fe?Ffd?Fmd F?Ffs?Fms F?Ffd2?GVv??Fmd gVtF?Ffd2?Fmd 表2-2 液压系统中背压力的经验数据
系统类型 中、低压系统 （0~8MPa） 中、高压系统（8~16MPa） 高压系统（16~32MPa） 简单系统和一般轻载的节流调速系统 回油路带调速阀的节流调速系统 回油路带背压阀 采用带补油泵的闭式回路 同上 如锻压机械系统 背压/MPa 0.2 ~ 0.5 0.5 ~ 0.8 0.5 ~1.5 0.8~1.5 比中、低压系统高（50~100）% 初算时背压可忽略不计 - 5 - / 23
- 6 - / 23
第三章 明确液压系统主要性能参数
3.1 预选系统压力
由表2-1可看出，最大负载出现在工进阶段，其最大值为：
Fmax?5943.7N
本车床属于精加工机床，负载最大时为慢速工进阶段，其他工况时负荷都不大，参考表3-1，预选液压缸的设计压力P1=1MPa
表3-1 按负载选择设计压力
负载/Kn设计压力/Mpa<5<0.8~15~101.5~210~202.5~320~303~430~504~550>5
3.2 计算液压缸主要结构尺寸
为了满足动力头快速进退速度相等的要求并减少液压泵的流
量，将缸的无杆腔作为主工作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积A1与A2应满足A1?2A2,即活塞杆直径d和液压缸内径D间应满足d=0.71D。
- 7 - / 23
3.2.1 计算液压缸的内径
为了提高动力机头的工作平稳性，给液压缸设置一定回油背压。
参考4暂取背压0.2MPa,上已取液压缸机械效率?cm?0.8，则可算得液压缸无油腔的有效面积
A1?F?cm(p1?p2)2?5943.7?82.55?10?4m2
0.20.8?(1?)?1062从而得液压缸内径
D?
按GB/T 2348—1993，将液压缸内径圆整为D=100mm=10cm
3.2.2 计算液压缸活塞直径
因A1?2A2，故将活塞杆直径为
4A14?82.55?10?4??0.103m?103mm ?3.14d?0.71D?0.71?100?71mm
按GB/T 2348—1993，将活塞杆直径圆整为d=70mm=7cm
- 8 - / 23
3.2.3 液压缸实际有效面积
A1??D2???100?78.5cm2443.14?(102?72)?22A2?(D?d)??40.04cm2 44A3?A1?A2?78.5?40.04?38.46cm2
将调速阀的最小稳定流量qmin?40mL/min和活塞最小进给速度
vmin?0.04m/min?4cm/min，算的
qmin40??10cm2=A1 vmin4结果表明活塞面积可满足最低稳定速度的要求。
3.3 计算工进时的实际工作压力
差动连接快进时，液压缸有杆腔压力P2必须大于无杆腔压力P1，其差值估取为Vp?p2?p1?0.2MPa，并注意到启动瞬间液压缸尚未移动，此时Vp?0；另外，取快退时的回油压力损失为0.6MPa。
从而算的液压缸在工作阶段的实际工作压力
Fp1??cm?p2A2A15943.7?0.2?106?40.04?10?4?0.80?1.05?106Pa?1.05MPa?478.50?10 它正是系统工作循环中的最高压力
- 9 - / 23
3.4 液压缸各工况所需的流量
液压缸最大流量发生在快退的阶段，算的液压缸最大流量q1为
q1max?A2?max?40.04?4?102?16.02l/min
3.5 其他工作阶段的压力、流量和功率
表3-2 液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率
回油腔工作腔输入流量 负载功负载 计算公式 压力 压力 q1/(L/min) 率 P2/MPa P1/MPa P1/W 工作阶段 快启动 进 加速 恒速 工进 F/N Fp1??cm?A2VPA31567.2 — 0.386 — — 19.23 6.28 — — — 84.152 824.7 1.215 0.715 732.7 1.188 0.688 q?A3?1Fp1??cm?A2P2A15943.7 0.2 1.05 q?A1?2快启动 退 加速 恒速
p1?F?cm?A1P2A21567.2 — 0.371 0.775 0.749 — — 20.02 — — — 824.7 0.3 732.7 0.3 q?A2?1- 10 - / 23
第四章 制定基本方案拟定液压系统图
4.1 制定基本方案
1、确定油源、执行元件类型和回路形式。
2、方向控制回路：三位五通“O”型。 3、调速回路：泵+流量阀——进油口节流调速。 4、速度换接：用二位二通行程阀。 5、压力控制回路：用直动式溢流阀。
6、辅助回路：1）、泵的入口加装吸油过滤器；2）、泵的出口设压力表和压力表开关。
第五章 计算和选择液压元件
5.1 液压泵和驱动电机的选择
- 11 - / 23
由表3-2 可以查得液压缸的最高工作压力出现在工进阶段，即
p1?1.05MPa，此时缸的输入流量较小，泵至缸间的进油路压力损失
估取为Vp?0.5MPa，则泵的最高工作压力Pp为
P1?1.05?0.5?1.55MPa
车削头快退时，需要的流量为
q1max?16.02L/min 取泄漏系数为k?1.2,则液压泵的流量为
qp?kqmax?1.2?16.02?19.224L/min
根据系统所需流量，拟初选限压式变量液压泵的转速为n=1200r/min，泵的容积效率?v?0.75，可算得泵的排量参考值为
Vg?1000qv1000?16.02??17.8mL/r n?v1200?0.75根据以上计算结果查手册，选用规格相近的YBX-B30M型限压式变量叶片泵，其额定压力为6.3MPa,排量为V=30mL/r,泵的额定转速为n=1200r/min，取容积效率?v?0.75，倒推算得泵的额定流量为
qp?Vn?v?30?1200?0.75?10?3?27L/min
相比较，与系统所需要的流量符合
由上述数据，可知系统在工进阶段以最高进给速度工作时，负载达到最大，其值为P1max?84.152W，故按此阶段的液压泵所需驱动功率选择电机。此时，泵的工作压力为P1=1.05MPa,qp?q1?27L/min。已知泵的总效率为?v?0.70，所以液压泵在工进阶段时所需的驱动功
- 12 - / 23
率为
Pp?pPqP?P1.404?106?6.28?10?3??0.18369KW 30.80?60?10查设计手册，选用Y系列（IP44）中规格相近的Y801-4型立式三相异步电动机，其额定功率为0.55KW,转速为1390r/min，用此转速驱动液压泵时，变量泵的实际输出流量为35.445L/min，仍然能满足系统的各个工况对系统所需的流量。
5.2 其他液压元件的选择
油箱容量计算，本系统属于低压系统，故取经验系数??3，得油箱容量为
V??qP?5?16.02?80.1L
查（JB/T7938-1999）取油箱公称容量为100L。
管件尺寸由选定的标准油口尺寸确定。所选的过滤器、压力表及压力表开关的型号规格见表。
序号 名称 通过流量 额定流量 额定压工作压/（L/min） /（L/min） 力 力 /MPa /MPa 型号 1 2 油箱 过滤器 — 35.7 — 40 — ?0.02 — — — XU?40?80J - 13 - / 23
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 电动机 变量泵 压力表开关 — 35.7 — — 35.7 20.02 20.02 20.02 20.02 20.02 15.46 — — 38.25 — 6.3 10 25 25 63 10 100 — — 6.3 6.3 0~40 6.3 2.5 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 — — Y801-4 1.404 YBX-B30M 3.9 3.9 6.3 0.2 1.404 1.404 6.3 0.804 K-6B Y-40 YF3-10B P-B10B 35D-25B I-25B I-63B Q-10B 压力表 溢流阀 溢流阀 三位五通电磁换向阀 单向阀 单向阀 调速阀 二位二通行程阀 0.804 22C-25BH — — 液压缸 通油孔道的直径确定
与阀的油口相同的直径，应与液压阀的油口直径相同。 与管头相连接的孔道，其直径一般应根据通过的流量和允许流速，用下式计算确定，但孔口必须按管头螺纹小径并攻螺纹
d?4q ?v
式中 d—孔道内径 q—油管最大流量 v—管中允许流速（见表）
- 14 - / 23
油管中的允许流速
油液流经油管 允许流速/(m/s) 短管及局部收缩处 吸油管 0.5~1.5 高压管 2.5~5 回油管 1.5~2.5 5~7
取吸油管V=1m/s，回油管V=2m/s
4?22.022?10?3?160=21.6mmd吸=3.14?1
4?22.022?10?3?160=15.29mmd回=3.14?2查（GB/T 2351-1993）取相近规格吸油管的外径d=25mm,取回油管的外径d=20mm。
第六章 验算液压系统的性能
6.1 压力损失的验算
- 15 - / 23
6.1.1雷诺数Re
u?32mm2/s （参考资料【1】P31表2-18）
vd1?21.6?103Re???675
?32式中 v—平均流速，m/s d—与其管径相同，m u—液体的运动粘度，mm2/s
根据参考资料【1】P153表6-5
Re<2300为层流，取??75 Re
6.1.2 沿程压力损失Vp?
沿程压力损失Vp?的计算公式
?l?v2752?1030.9?103?12Vp???????4630Pa ?3d267521.6?102式中 l—管道长度，m p—油液的密度，Kg/m3
6.1.3 局部压力损失Vp?
局部压力损失Vp?的计算公式
- 16 - / 23
2?v Vp???2式中 ?—局部阻力系数，其具体数值与局部阻力装置的类型和雷诺数有关，通常，Re?105时，?与Re无关。
本设计采用Vp??0.1Vp??0.1?4630?463Pa
6.2 温升的验算
油液温升Vt
Vt?式中
Ph540.11??16.77oC ktA23?1.4kt?传热系数
取kt=23w/m2goCVt?常温=16.77oC?26oC?42.77oC?65oC
系统能正常工作。
参考资料
【1】 张利平. 液压与传动设计指南 化学工业出版社 【2】 孙淑梅，蔡 群. 液压与气压传动 北京理工大学
出版社
【3】 雷秀. 液压与气压传动 机械工业出版社
【4】 官忠范. 液压传动系统（第3版） 机械工业出版社
- 17 - / 23
【5】 张力平. 液压传动技术适用问答 机械工业出版社 【6】 丁树模，姚如一. 液压传动 机械工业出版社 【7】 路甬祥. 液压气动技术手册 华中科技大学出版
社，2000
【8】 俞启荣. 机械液压传动 机械工业出版社 【9】 袁承训. 液压与气压传动 机械工业出版社 【10】 张群生. 液压与气压传动 机械工业出版社 【11】 左健民. 液压传动 北京理工大学出版社
【12】 成大先. 机械设计手册 单本行.液压控制 化学
工业出版社
【13】 雷天觉. 新编液压工程手册 北京理工大学出版社 【14】 刘新德. 袖珍液压气动手册 机械工业出版社 【15】 张利平. 液压气动系统原理图CAD软件HP-CAD的开
发研究. 河北科技大学学报
【16】 成大先. 机械设计图册 化学工业出版社
- 18 - / 23
《液压与气压传动》
课程设计说明书
题目：专用铣床液压系统的设计
院系：机械设计及其自动化学院 专业：机械设计 班级：11201 姓名：单路宝 指导教师：徐巧 日期：2015.05.30
学号：1202281005
- 19 - / 23
液压与气压传动课程设计说明书
