液压设计例

9.2液压系统设计举例【设计任务】设计一台钻、镗两用组合机床的液压系统。要求:液压系统完成快进—工进—死挡铁停留—快退—原位停止的工作循环，并完成工件的定位与夹紧。机床的快进速度为5m/min，快退速度与快进速度相等。工进要求是能在20～100mm/min范围内无级调速。最大行程为500mm，工进行程为300mm。最大切削力为12000N，运动部件自重为20000N。导轨水平放置。工件所需夹紧力不得超过6500N，最小不低于4000N。夹紧缸的行程为50mm，由松开到夹紧的时间Δt1=1s，启动换向时间Δt2=0.2s。9.2.1工况分析1.运动参数分析根据主机要求画出动作循环图，如图9-1所示;然后根据动作循环图和速度要求画出速度v与行程s的工况图，如图9-2（a）所示。图9-1动作循环图图9-2工况图2.动力参数分析（1）计算各阶段的负载①启动和加速阶段的负载Fq从静止到快速的启动时间很短，故以加速过程进行计算，但摩擦阻力仍按静摩擦阻力考虑。Fq=Fj+Fg+Fm式中Fj———静摩擦阻力，计算时，其摩擦系数可取0.16～0.2;Fg———惯性阻力，可按牛顿第二定律求出:N47.8492.081.960/5200002gtgvGmaFFm———密封产生的阻力。按经验可取Fm=0.1Fq，所以Fq=Fj+Fg+Fm=0.16×20000+849.47+0.1Fq故N41.44999.047.8493200qF②快速阶段的负载FkFk=Fdm+Fm式中Fdm———动摩擦阻力，取其摩擦系数为0.1;Fm———密封阻力，取Fm=0.1Fk，所以Fk=Fdm+Fm=0.1×20000+0.1Fk故Fk=2000/0.9≈2222.22N③工进阶段的负载FgjFgj=Fdm+Fqx+Fm式中Fdm———动摩擦阻力，取其摩擦系数为0.1;Fqx———切削力;Fm———密封阻力，取Fm=0.1Fgj，所以Fgj=Fdm+Fqx+Fm=0.1×20000+12000+0.1Fgj故N56.155559.0120002000gjF其余制动负载及快退负载等也可按上面类似的方法计算，这里不再一一计算。（2）绘制工况图根据上述计算得出的负载，可初步绘制出负载F与行程s的工况图，如图9-2（b）所示。9.2.2计算液压缸尺寸和所需流量1.工作压力的确定工作压力可根据负载来确定。现按第4章有关要求，查表表4-1液压缸负载与工作压力之间的关系负载F/kN55～1010～2020～3030～5050工作压力p1/Mpa0.8～11.5～22.5～33～44～5≥5～7表4-2各类液压设备常用的工作压力设备类型磨床组合机床车床铣床镗床拉床龙门刨床农业机械小型工程机械液压机重型机械起重运输机械工作压力p1/MPa0.8～23～52～48～102～810～1620～32取工作压力p=3MPa。2.计算液压缸尺寸（1）液压缸的有效工作面积A1（如图9-3所示）图9-3液压缸工作示意图A1=Fp=15555.56/3×106≈5185.19×10-6m2≈5185mm2液压缸内径为mm27.8114.351854π41AD根据第4章有关要求，查表表4-4液压缸内径尺寸系列mm810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220250320400500630取标准值D=80mm。（2）活塞杆直径要求快进与快退的速度相等，故用差动连接的方式。所以取d=0.7D=56mm，查表，表4-5活塞杆直径尺寸系列mm456810121416182022252832364045505563708090100110125140160180200220250280320136400再取标准值为d=55mm。（3）缸径、杆径取标准值后的有效工作面积无杆腔有效工作面积为2221mm502480414.34πDA活塞杆面积为2223mm237555414.34πdA有杆腔有效工作面积为A2=A1-A3=5024-2375=2649mm23.确定液压缸所需的流量快进流量qkj为qkj=A3vk=2375×10-6×5≈12×10-3m3/min=12L/min快退流量qkt为qkt=A2vk=2649×10-6×5≈13×10-3m3/min=13L/min工进流量qgj为qgj=A1vg=5024×10-6×0.1≈0.5×10-3m3/min=0.5L/min4.夹紧缸的有效面积、工作压力和流量的确定（1）确定夹紧缸的工作压力根据最大夹紧力，参考第4章内容，取工作压力pj=1.8MPa。（2）计算夹紧缸有效面积、缸径、杆径夹紧缸有效面积Aj为Aj=Fjpj=6500/1.8×106≈3611.11×10-6m2≈3611mm2夹紧缸直径Dj为mm82.6714.336114π4jjAD取标准值为Dj=70mm，则夹紧缸有效面积为222jjmm5.384670414.34πDA活塞杆直径dj为dj=0.5Dj=35mm夹紧缸在最小夹紧力时的工作压力为1MPaPa1004.1105.3846400066jjminjAFp（3）计算夹紧缸的流量qj11050105.384610503613jjjjtAvAq≈0.19×10-3m3/s=11.4L/min9.2.3确定液压系统方案，拟定液压系统原理图1.确定执行元件的类型（1）工作缸:根据本设计的特点要求，选用无杆腔面积等于两倍有杆腔面积的差动液压缸。（2）夹紧缸:由于结构上的原因并为了有较大的有效工作面积，采用单杆液压缸。2.换向方式确定为了便于工作台在任意位置停止，使调整方便，所以采用三位换向阀。为了便于组成差动连接，应采用三位五通换向阀。考虑本设计机器工作位置的调整方便性和采用液压夹紧的具体情况，采用Y型机能的三位五通换向阀。3.调速方式的选择在组合机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据钻、镗类专机工作时对低速性能和速度负载都有一定要求的特点，采用调速阀进行调速。为了便于实现压力控制，采用进油节流调速。同时为了保证低速进给时的平稳性并避免钻通孔终了时出现前冲现象，在回油路上设有背压阀。4.快进转工进的控制方式的选择为了保证转换平稳、可靠、精度高，采用行程控制阀。5.终点转换控制方式的选择根据镗削时停留和控制轴向尺寸的工艺要求，本机采用行程开关和压力继电器加死挡铁控制。6.实现快速运动的供油部分设计因为快进、快退和工进的速度相差很大，为了减少功率损耗，采用双联泵驱动（也可采用变量泵）。工进时中压小流量泵供油，并控制液控卸荷阀，使低压大流量泵卸荷;快进时两泵同时供油。7.夹紧回路的确定由于夹紧回路所需压力低于进给系统压力，所以在供油路上串接一个减压阀。此外为了防止主系统压力下降时（如快进和快退）影响夹紧系统的压力，所以在减压阀后串接一个单向阀。夹紧缸只有两种工作状态，故采用二位阀控制。这里采用二位五通带钢球定位的电磁换向阀。为了实现夹紧后才能让滑台开始快进的顺序动作，并保证进给系统工作时夹紧系统的压力始终不低于所需的最小夹紧压力，故在夹紧回路上安装一个压力继电器。当压力继电器动作时，滑台进给;当夹紧压力降到压力继电器复位值时，换向阀回到中位，进给停止。根据以上分析，绘出液压系统原理图如图9-4所示。9.2.4选择液压元件和确定辅助装置1.选择液压泵（1）泵的工作压力的确定泵的工作压力可按缸的工作压力加上管路和元件的压力损失来确定，所以要等到求出系统压力损失后，才能最后确定。采用调速阀调速，初算时可取∑Δp=0.5～1.2MPa。考虑背压，现取∑Δp=1MPa。泵的工作压力pb初定为pb=p+∑Δp=3+1=4MPa式中p———液压缸的工作压力;∑Δp———系统的压力损失。（2）泵的流量的确定①快速进退时泵的流量由于液压缸采用差动连接方式，而有杆腔有效面积A2大于活塞杆面积A3，故在速度相同的情况下，快退所需的流量大于快进的流量，故按快退考虑。快退时缸所需的流量qkt=13L/min，故快退时泵应供油量为qktb=Kqkt=1.1×13=14.3L/min式中，K为系统的泄漏系数，一般取K=1.1～1.3，此处取1.1。图9-4组合机床的液压系统原理图②工进时泵的流量工进时缸所需的流量qgj=0.5L/min，故工进时泵应供流量为qgjb=Kqgj=1.1×0.5=0.55L/min考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，需加上溢流阀的最小溢流量（一般取3L/min），所以qgjb=0.55+3=3.55L/min根据组合机床的具体情况，从产品样本中选用YB—4/10型双联叶片泵。此泵在快速进退时（低压状态下双泵供油）提供的流量为qmax=4+10=14L/min≈qktb在工进时（高压状态下小流量的泵供油）提供的流量为qmin=4L/minqgjb故所选泵符合系统要求。（3）验算快进、快退的实际速度当泵的流量规格确定后，应验算快进、快退的实际速度，与设计要求相差太大则要重新计算。min/m9.51023751014633maxkjAqvmin/m3.51026491014632maxktAqv2.选择阀类元件各类阀可按通过该阀的最大流量和实际工作压力选取。阀的调整压力值必须在确定了管路的压力损失和阀的压力损失后才能确定，阀的具体选取可参考各种产品样本手册。限于篇幅，此处略。3.确定油管尺寸（1）油管内径的确定可按下式计算:vqdπ4泵的最大流量为14L/min，但在系统快进时，部分油管的流量可达28L/min，故按28L/min计算。取v为4m/s，则mm12m102.160414.31028423d（2）按标准选取油管可按标准选取内径d=12mm、壁厚为1mm的紫铜管。安装方便处也可选用内径d=12mm、外径D=18mm的无缝钢管。4.确定油箱容量本设计为中压系统，油箱有效容量可按泵每分钟内公称流量的5～7倍来确定。油箱有效容量为V=5×qb=5×14=70L9.2.5计算压力损失和压力阀的调整值按第2章中有关计算公式计算压力损失。此处略。按压力损失和工作需要可确定各压力阀的调整值。此处略。9.2.6计算液压泵需要的电动机功率1.工进时所需的功率工进时泵1的调整压力为4.3MPa，流量为4L/min，泵2卸荷时，其卸荷压力可视为零。对于叶片泵，取其效率η=0.75，所以工进时所需电动机功率为kW0.38W1038.06075.0104103.4336b1b1qpP2.快进、快退时所需的功率由于快进、快退时流量相同，而快进时的工作压力大于快退时的工作压力，故功率可按快进时计算。系统的压力为3MPa（液控顺序阀的调整压力），流量为14L/min，其功率为kW0.93W1093.06075.01014103336bbqpP3.确定电动机功率由于快速运动所需电动机功率大于工作进给所需电动机功率，故可按快速运动所需的功率来选取电动机。现按标准选用电动机功率为1.1kW，具体型号可参考相关手册。思考题与习题9-1试设计一台专用铣床的液压系统。已知最大切削阻力为9×103N，切削过程要求实现“快进—工进—快退—原位停止”的自动循环。采用液压缸驱动，工作台的快进速度为4.5m/min，进给速度范围为60～1000mm/min，要求无级调速，最大有效行程为400mm，工作台往复运动的加速、减速时间为0.05s，工作台自重为3×103N，工件及夹具最大重量为103N，采用平导轨，工作行程为200mm。