组合机床动力滑台液压系统设计

哈尔滨工业大学液压传动大作业设计说明书设计题目卧式组合机床液压动力滑台机电工程学院班设计者2010年4月10日流体控制及自动化系哈尔滨工业大学-1-液压传动大作业任务书学生姓名班号设计题目钻镗两用卧式组合机床液压动力滑台1.液压系统用途（包括工作环境和工作条件）及主要参数：卧式组合机床液压动力滑台。切削阻力F=15kN，滑台自重G=22kN，平面导轨，静摩擦系数0.2，动摩擦系数0.1，快进/退速度5m/min，工进速度100mm/min，最大行程350mm，其中工进行程200mm，启动换向时间0.1s，液压缸机械效率0.9。2.执行元件类型：液压缸3.液压系统名称：钻镗两用卧式组合机床液压动力滑台。设计内容1.拟订液压系统原理图；2.选择系统所选用的液压元件及辅件；3.设计液压缸；4.验算液压系统性能；5.编写上述1、2、3和4的计算说明书。指导教师签字教研室主任签字年月日签发（董谚良老师，手机，13206689966，办公电话，86402748）-2-目录1序言···································································-1-2设计的技术要求和设计参数·········································-1-3工况分析·····························································-2-3.1确定执行元件······················································-2-3.2分析系统工况······················································-2-3.3负载循环图和速度循环图的绘制··································-4-3.4确定系统主要参数·················································-5-3.4.1初选液压缸工作压力······················································-5-3.4.2确定液压缸主要尺寸······················································-5-3.4.3计算最大流量需求·························································-7-3.5拟定液压系统原理图···············································-8-3.5.1速度控制回路的选择······················································-8-3.5.2换向和速度换接回路的选择·············································-9-3.5.3油源的选择和能耗控制·················································-10-3.5.4压力控制回路的选择····················································-11-3.6液压元件的选择··················································-12-3.6.1确定液压泵和电机规格·················································-13-3.6.2阀类元件和辅助元件的选择···········································-14-3.6.3油管的选择································································-16-3.6.4油箱的设计································································-18-3.7液压系统性能的验算·············································-19-3.7.1回路压力损失验算·······················································-19-3.7.2油液温升验算·····························································-20--1-1序言作为一种高效率的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。本次课程设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设计步骤，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。液压系统在组合机床上主要是用于实现工作台的直线运动和回转运动，如图1所示，如果动力滑台要实现二次进给，则动力滑台要完成的动作循环通常包括：原位停止快进I工进II工进死挡铁停留快退原位停止。图1组合机床动力滑台工作循环2设计的技术要求和设计参数工作循环：快进工进快退停止；系统设计参数如表1所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦-2-系数分别为fs=0.2、fd=0.1。表1设计参数参数数值切削阻力（N）15000滑台自重(N)22000快进、快退速度(m/min)5工进速度(mm/min)100最大行程(mm)350工进行程(mm)200启动换向时间（s）0.1液压缸机械效率0.93工况分析3.1确定执行元件金属切削机床的工作特点要求液压系统完成的主要是直线运动，因此液压系统的执行元件确定为液压缸。3.2分析系统工况在对液压系统进行工况分析时，本设计实例只考虑组合机床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载和机械摩擦阻力负载，其他负载可忽略。（1）工作负载FW工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，对于金属切削机床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载，即FW=15000N（2）惯性负载最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度，其中最大加速-3-度可通过工作台最大移动速度和加速时间进行计算。已知启动换向时间为0.1s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为5m/min，因此惯性负载可表示为22000518719.8600.1mvFmNNt（3）阻力负载阻力负载主要是工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。静摩擦阻力Ffj=fj×N=0.2220004400fsFN动摩擦阻力Ffd=fd×N=0.1220002200fdFN根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如表2所示。表2液压缸在各工作阶段的负载（单位：N）注：此处未考虑滑台上的颠覆力矩的影响。工况负载组成负载值F液压缸推力'F=F/m起动F=fsF4400N4889N加速F=fdF+mF4071N4523N快进F=fdF2200N2444N工进F=fdF+tF17200N19111N反向起动F=fsF4400N4889N加速F=fdF+mF4071N4523N快退F=fdF2200N2444N-4-3.3负载循环图和速度循环图的绘制根据表2中计算结果，绘制组合机床动力滑台液压系统的负载循环图如图2所示。图2组合机床动力滑台液压系统负载循环图图2表明，当组合机床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为19111N，其他工况下负载力相对较小。所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进行绘制，已知快进和快退速度135m/min、快进行程1350200150lmm、工进行程2200lmm、快退行程3350lmm，工进速度2100mm/min。根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统的速度循环图如图3所示。-5-图3组合机床液压系统速度循环图3.4确定系统主要参数3.4.1初选液压缸工作压力所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为19111N，其它工况时的负载都相对较低，参考第2章表3和表4按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=2.5MPa。3.4.2确定液压缸主要尺寸由于工作进给速度与快速运动速度差别较大，且快进、快退速度要求相等，从降低总流量需求考虑，应确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。通常利用差动液压缸活塞杆较粗、可以在活塞杆中设置通油孔的有利条件，最好采用活塞杆固定，而液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积1A是有杆腔工作面积2A两倍的形式，即活塞杆直径d与缸筒直径D呈d=0.707D的关系。-6-工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，液压缸有可能会发生前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压(通过设置背压阀的方式)，选取此背压值为p2=0.8MPa。快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），但连接管路中不可避免地存在着压降p，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取p0.5MPa。快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值2p=0.6MPa。工进时液压缸的推力计算公式为11221112/(/2)mFApApApAp，式中：F——负载力m——液压缸机械效率A1——液压缸无杆腔的有效作用面积A2——液压缸有杆腔的有效作用面积p1——液压缸无杆腔压力p2——液压有无杆腔压力因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为211619111()/()0.00910.822.5102mFpApm2液压缸缸筒直径为61(4)(40.009110)107.6DAmm由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d=0.707D，因此活塞杆直径为d=0.707×107.6=76.1mm，根据GB/T2348—1993对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，圆整后取液压缸缸筒直径为D=110mm，活塞杆直径为d=80mm。此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：231/49.510ADm22232()/44.4810ADdm2-7-3.4.3计算最大流量需求工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为q快进=（A1-A2）×v1=25.1L/min工作台在快退过程中所需要的流量为q快退=A2×v2=22.4/min工作台在工进过程中所需要的流量为q工进=A1×v1’=0.95L/min其中最大流量为快进流量为25.2L/min。根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如表3所示。表3各工况下的主要参数值工况推力F’/N回油腔压力P2/MPa进油腔压力P1/MPa输入流量q/L.min-1输入功率P/Kw计算公式快进启动488901.42————P1=q=(A1-A2)