液压传动系统课程设计2014

液压传动控制系统课程设计指导书刘辉等编江西理工大学应用科学学院2液压传动控制系统课程设计步骤一、设计依据及参数的提出1.根据生产或加工对象工作要求选择液压传动机构的结构形式和规格；2.分析机床或设备的工作循环和执行机构的工作范围；3.对生产设备各种部件（电气、机械、液压）的工作顺序、转换方式和互锁要求等要详细说明或了解；4.一些具体特殊要求的动作（如高速、高压、精度等）对液压传动执行机构的特殊要求；5.液压执行机构的运动速度、载荷及变化范围（调节范围）；6.对工作的可靠性、平稳性以及转换精度的要求；7.其它要求（如检测、维修）。二、负载分析2.1负载特性液压执行机构在运动或加工的过程中所承受的负载有工作阻力、摩擦力、惯性力、重力，密封阻力和背压力。但是从负载角度归纳为三种负载，即阻力负载、负值负载、惯性负载。1.阻力负载（或正值负载）——负载方向与进给方向相反，即机床切削力（如：铣、钻、镗等），摩擦力，背压力。切削力+重力+惯性力切削力+惯性力+摩擦力图2-1切削力分析图2.负值负载（或超越负载）——负载方向与执行机构运动方向相同（如：顺铣、重力下降，制动减速等）。3.惯性负载——机构运动转换过程中由惯性所形成的负载（如前冲和后冲，系统的爬行）。2.2执行机构负载分析1.液压缸机械负载计算3（1）液压缸机械负载计算在设计选取功率匹配时，一般主要考虑工进阶段的驱动功率，即负载F为：()ftgmFFFF（2-1）Ff—摩擦力Ft—负载Fg—惯性力m一般取0.9～0.95（2）液压缸的工作循环图负载图(P-t)图2-2执行机构工作负载循环图2.液压马达的负载4tfmMMMM（2-2）注意：液压马达的低速稳定性的问题；即为非常重要的性能参数三、系统主要参数的确定3.1初定液压缸工作压力1.液压缸的工作压力选择因素（1）液压缸的安装布局；分析驱动力的传递形式如压下力，举升力，斜推力(分力关系)等（2）系统效率压力低，效率低压力适中　　　　（3）负载刚度和密封性能（活塞及液压缸径大，负载刚度性能好）切削机床一般选用压力在a10MP以下，小型机械在10-16MPa，大型重型机械在20-30MPa以下。2.液压缸主要结构尺寸（1）活塞杆与缸内径的选取　尺寸大；压力低、流量大　　　　　　　　　　　　　　　尺寸小；压力高、流量小，但对强度、刚度、密封要求高d——活塞杆直径，D——液压缸内径注意：对于活塞杆0.30.50.50.7dDdD压缩时拉伸时（2）液压缸有效工作面积液压缸的工作面积有很大程度上决定了执行机构的抗负载能力和工作的稳定性及平稳性，选取适中的活塞面积是至关重要的，从传统的选取方法为；minminAqv（3-1）minminqv为液压阀或液压泵的最小流量主要为最低工作稳定速度　　　3.2执行元件的工况图5图3-1执行元件工况图四、液压系统原理图的拟定4.1开式回路与闭式回路1.开式回路；结构简单，散热性好，但体积大，空气容易渗入介质中，效率低，用于不受体积限制的中小型功率系统中多为定量泵系统。2.闭式回路；效率高，空气不易渗入系统中，用于功率较大且体积受限制（如行走机械）的液压系统中，多为变量泵系统。4.2定量系统与变量系统1.定量系统；定量泵——节流阀——液压缸或定量马达，制造成本低，体积小，速度控制灵敏度高，但溢流及节流功率消耗大，发热量大，宜用于小功率及要求控制灵敏度高的场合。2.变量系统；变量泵——定量液压马达　定量泵——变量液压马达容积调速变量泵——变量液压马达6调速范围大，效率高，但造价高，结构复杂。4.3执行机构的选取液压缸：直线往复或转换旋转（液压缸与齿条组合）液压马达：旋转运动或转换直线往复（液压马达与丝杆螺母）4.4绘制液压系统原理图1．尽可能减少液压元件（否则会带来压力损失增加，发热，故障环节增多）2．减少液压元件的品种规格（否则会使得安装复杂，处理事故困难增大且备件繁多）3．实现所要求的功能，且操作简单，工作可靠、维修方便4．设置测试点（不宜拐角处，上游5d,下游10d,易观查的地方）五、液压元件选择5.1液压泵选择1．液压泵最大工作压力pp1（5-1）p1——执行元件最高工作压力1p——含油路沿程、局部损失等简单系统p1取（0.2～0.5aMp）复杂系统p1取（0.5～1.5aMp）2．液压泵最大工作流量pqmaxpqKq（5-2）maxq——同时作用的液压缸或马达的最大工作流量注：在最大工作流量溢流时（定量系统）要求溢流量占系统供油总量的15％K——油泵泄漏系数，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值。3．液压泵的规格选择除流量、压力要满足系统要求外，还需要考虑液压泵的其它机械性能如（1）容积效率（2）抗污染能力（3）性价比4.电机功率Npp()612ppqNKw（5-3）75.2液压阀的选择（1）额定流量大于工作流量，但实际工作流量不应小于20％额定流量（2）调速阀、节流阀的最小稳定流量要满足系统最小稳定速度5.3辅助元件的选择1.过滤器；精度适中，通过流量须大于泵额定流量，pq的2~2.5倍2.蓄能器；注意用途如作为消除脉动、缓冲、瞬时油源等3.管道和管接头选择与布局a.压力油流速确定b.少弯头4.油箱容积V低压2.5aMpV取（2～4）pq中压2.5～6.3aMpV取（5～7）pq高压6.3~31.5aMpV取（6～12）pq六、控制形式的选择6.1控制关联分析1.动作顺序关系,,ab先夹紧加工件后切削先停止切削加工后松开夹紧装置2.机构动作互锁ab夹具压紧防止误操作3.局部与整体)关键机构独立循环失电控制(装夹机构6.2控制方式1.触点控制（1）手动控制（启动液压泵）（2）分开控制与集中控制（3）发动机构与电器动作与延时,铣床动作转换平面磨床的两端点延时(中间为两次磨削两端为一次磨削)2.程序控制（计算机控制）（1）设计控制程序须考虑机构动作及发讯装置的工作状态状态，位置时间（2）控制程序与敏感元件的物理量与数字量的转换（3）控制逻辑关系；顺序动作，互锁要求等七、液压系统压力损失，发热及温升的验算（阅书）8八绘制工作图，编制技术文件（阅书）九液压系统设计计算举例9.1设计目的及参数的提出9.1.1设计内容设计一台双面钻孔卧式组合机床液压系统。9.1.2设计要求及参数(1)设计要求要求机床的工作循环为:①左，右动力部件同时快进——左，右动力部件同时工进——左，右动力部件同时快退——左，右动力部件原位停止，系统卸载；②左动力部件快进——Ⅰ工进——Ⅱ工进——右动力部件快进——Ⅰ工进——Ⅱ工进——左，右动力部件同时快退，原位停止，系统卸载。(2)各循环工步的选择要求各循环工步的运动长度选择要求：快进205mm，Ⅰ工进35mm，Ⅱ工进10mm，快退250mm。(3)钻床工作参数及要求钻床要求用变量泵供油，加调速阀调速，用非差动连接。表9-1钻床要求的工作参数动力部件快进，快退摩擦阻力（Ｎ）动力部件切削负载（Ｎ）（Ⅰ／Ⅱ）快进速度1v（m／min）（Ⅰ／Ⅱ）工进速度23vv（m／min）快退速度4v（m／min）9008000／25005.80.1～0.5／0.05～0.110.4其中：切削负载含摩擦阻力。9.2液压系统的设计及计算9.2.1负载分析与计算负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压腔的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因工作部件是卧式放置，忽略惯性力，则主要考虑摩擦阻力和切削负载即可。如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并取液压缸的机械效率m为0.90，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，列表如下：表9-2液压缸在各工作阶段的负载值工况液压缸负载F（N）液压缸驱动力0mF=F（N）快进9001000Ⅰ工进80008889Ⅱ工进25002778快退9001000按照要求，作出系统的工作循环图如下：系统的总机械负载图如下：各工作循环中各工步的速度图如下：v/(m/min)图9-1工作循环图图9-2总机械负载图图9-3负载速度图109.2.2液压缸参数计算从表9-2中可以读出，钻床液压系统在Ⅰ工进时有最大负载约为8000N，则根据表22.4-2（参考文献4，P65），选择液压缸的工作压力为1.5MPa。液压缸选用单杆式，并在快进时选用非差动连接。不考虑液压缸的背压，由Ⅰ工进时的负载初步计算1A，即1FAp，推出，216888959.261.510Acm。在钻孔加工时，液压缸回油路上必须具有背压2p，以防止孔被钻通时滑台突然前冲，可取20.8bppMpa，快进时由于油管中有压降p存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时可取0.5pMPa。快退时回油腔是有背压的，此时2p可按0.5MPa估算。由表9-2可知，Ⅰ工进时的液压缸驱动力是最大的，可据此计算液压缸有杆腔的面积：1122mFApAp，选择11.9pMPa，已知2159.26Acm，20.8pMpa，得2229.63Acm，14AD8.69mc，124(-A)d6.14Acm。根据GB/T2348-1993（参考文献4，P18）将这些直径圆整成标准值，得：9,6.30Dcmdcm。由此求得液压缸两腔的实际有效面积为：22163.64DAcm，2222()32.44DdAcm。9.2.3液压缸各工作阶段的压力，流量和功率根据2.计算得到的D与d值，可估算液压缸在各工作阶段中的压力，流量和功率，如下表所示：（其中Ⅰ工进和Ⅱ工进的速度分别取120.1min,0.05minvmvm。）表9-3液压缸在各工作阶段的压力，流量和功率工况计算公式负载()FN回油腔压力2p（MPa)进油腔压力1p(MPa)输入流量Q(4310ms)功率P(W)快进21221()pppFApA111,QAvPpQ10000.50.416.15253.4Ⅰ工进21221()bpppFApA121,QAvPpQ88890.81.810.11（0.55）19.18（95.9）Ⅱ工进21221()bpppFApA131,QAvPpQ27780.80.850.053（0.11）4.48（8.96）快退21122()pppFApA241,QAvPpQ10000.51.295.62725.111按照最低工进速度验算液压缸尺寸：422min1min0.0531063.663.60.0560QAcmcmv，即液压缸尺寸满足要求。液压缸的进油腔压力，输入流量和功率用图示分别表示如下：（其中各工作阶段的运动时间为：12.12ts，221ts，312ts，41.44ts。）Q/(图9-4进油腔压力图图9-5输入流量图12P9.2.4液压系统图的拟定(1)确定液压泵类型及调速方式由功率图，速度图以及负载图可知，这台钻床液压系统的功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，可采用进口节流的调速方式。为防止钻孔钻通时滑台突然失去负载向前冲，回油路上设置背压阀，初定背压值为0.8bpMPa。由于液压系统选用了节流调速的方式，系统中油液的循环必然是开式的。从流量图可知，最大流量与最小流量的比值约为116，而快进快退所需的时间比工进所需时间少的多，因此从提高系统效率，节省能量的角度上来看，采用单个定量泵作为油源显然是不合适的，宜采用双泵供油系统，或者采用限压式变量泵加调速阀组成容积节流调速系统。综上，选用双作用变量叶片泵供油，调速阀进油节流调速的开式回路，溢流阀做定压阀和安全阀，并在回油路上设置背压阀。(2)选用执行元件因系统动作要求正向快进和工作，反向快退，且快进快退速度较高，因此选用单活塞杆液压缸，非差动连接，无杆腔面积1A与有杆腔面积2A的比值根据Ⅰ工进时的压力与阻力的关系初算1A，再结合背压计算2A。详见2.2。(3)快速运动回路和速度切换回路的选择根据设计要求的运动方式，采用非差动连接与双作用变量叶片泵供油，调速阀调速来实现快速运动。本设计采用两位两通电磁阀的速度换接