组合机床的液压系统设计.docx

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1、组合机床的液压系统设计 课题名称组合机床的液压系统设计 摘要 液压系统通常都是由液压元件（包括能源元件、执行元件、控制元件、辅助元件）和工作介质两大部分组成。而本文对液压系统设计中进行了系统的分析、系统图的拟定、元件的选择以及系统的性能验算等一系列的设计。利用CAD软件绘出了液压缸简图及运动循环图，在负载分析中进行了液压缸的外部负载计算计算。确定了液压系统的主要参数以及液压元件的选择，还进行了性能验算。而本文着重在液压系统图，先画出了各液压回图，然后合成液压系统图，在合成液压系统时有相应的比较，选择更符合的液压系统图。液压系统是按照这样的工作循环工作的：定位夹紧快进工进止挡块停留快退原位停止松

2、开拔销。 关键字：液压系统；CAD；负载；液压回路 目录 1 液压系统的背景及发展 (1) 1.1液压系统的背景 (1) 1.2液压系统的发展 (1) 1.2.1 国外液压系统的发展 (1) 2 液压系统设计的概述 (1) 2.1液压系统的组成与表示 (1) 2.1.1 液压系统的组成 (1) 2.1.2 液压系统的表示 (2) 2.2液压系统的原理及分类 (2) 2.2.1 液压系统的原理 (2) 2.2.2 液压系统的分类 (2) 2.3液压传动的优缺点 (3) 2.3.1 液压传动的优点 (3) 2.3.2 液压传动的缺点 (4) 3 液压系统的工况分析 (4) 3.1负载分析的计算 (

3、5) 3.1.1 液压缸的外部负载计算 (5) 3.2运动分析 (7) 4 确定液压系统的主要参数 (7) 4.1确定液压缸的工作压力 (7) 4.2确定缸筒内径D，活塞杆直径D (7) 4.3液压缸实际有效面积 (8) 5 液压系统图的拟定 (8) 5.1制定液压回路方案 (8) 5.2拟定液压系统图 (11) 5.2.1 液压系统图的比较 (11) 5.2.2 钻孔的组合机床液压系统图 (13) 6 元件选择 (16) 6.1选择液压泵 (17) 6.1.1 液压泵的最高工作压力 (17) 6.1.2 液压泵的最大流量 (17) 6.2选择电机 (18) 6.3液压控制阀的选择 (19)

4、7 液压系统性能验算 (19) 7.1液压系统压力损失验算 (20) 7.2估算液压系统的效率、发热和温升 (21) 结论 (23) 致谢 (24) 参考文献 (25) 1 液压系统的背景及发展 1.1 液压系统的背景 液压技术作为实现现代传动与控制的关键基础技术之一，已成为工业机械、工程建设机械及国际尖端产品不可缺少的重要技术基础，是它们向自动化、高精度、高效率、高速度、小型化、轻量化方向发展的关键技术。世界工业发达国家都将液压工业列为竞争发展的行业，其发展速度远高于机械工业的发展速度。液压元件及其控制已发展成为综合的液压工程技术。 液压技术的应用也在不断地向其他领域拓展，几乎囊括了国民经济

5、的各个部门：从机械加工及装配线到材料压延和塑性成型设备；从材料及构件试验机到电液仿真试验台；从建筑机械及工程机械到农业环境保护设备；从电力、煤炭等能源机械到石油天然气的探采及各类化工设备。液压传动与控制已成为现代机械工程的基本要素和工程控制的关键技术之一。 1.2 液压系统的发展 1.2.1 国外液压系统的发展 在流体产品领域内，目前世界上最大的流体产品(主要是液压件、密封件及液压附件等)制造企业，美国的派克(Parket)公司，成立于1918年，也有近100年历史，可以提供品种齐全的、高技术水平的液压件、密封件及所有的液压附件。目前世界上最大的用于静液压系统的变量液压元件制造企业，德国的博士

6、力士乐公司，已有200多年的历史，从1953年开始全面制造液压元件，也有50年以上历史。其最具特色的产品是用于静液压传动的变量系统液压元件，无论是斜盘式或斜轴式，闭式(泵控)或开式(阀控)系统液压元件品种都非常齐全，能为各种需要静液压系统元件的工程机械整个系统成套配套。还有世界上最大的传动部件制造企业，德国的ZF公司，成立于1915年，也有近100年历史，能为各种工程机械提供品种齐全的传动部件。 2 液压系统设计的概述 2.1 液压系统的组成与表示 2.1.1 液压系统的组成12 液压系统通常都是由液压元件（包括能源元件、执行元件、控制元件、辅助 元件）和工作介质两大部分组成，各部分的功用如表

7、2-1所列。 表2-1 液压系统的组成部分和功用 组成部分功用 液压元件 能源元件液压泵及其驱动原动机将原动机产生的机械能转变为液体的 压力能 执行元件液压缸、液压马达和摆动 液压马达 将液体的压力能转变为机械能，用以驱 动工作机构的负载做功控制元件压力、流量、方向控制阀 及其他控制元件 控制调节液压系统中从泵到执行器的 油液压力、流量和方向辅助元件油箱、管件、过滤器等用来存放、提供和回收液压介质，实现 液压元件之间的连接及传输能液压介 质 工作介质液压油或其他合成液体作为系统的载能介质，在传递能量的同 时并起润滑冷却的作用 由于液压元件多数已实现了通用化、系列化和标准化，从而为液压系统的设计

8、、制造和使用维护以及缩短机器设备的设计制造周期、降低制造成本提供了有利条件。 2.1.2 液压系统的表示 液压系统的组成、工作原理、功能、工作循环及控制方式等，通常是利用标准图形符号绘制成的液压系统原理在图进行表示。在此种表示法中，图形符号仅表示组成系统的各液压元件的功能、操作（控制）方法及外部连接口，并不表示液压元件的具体结构、性能参数、连接口的实际位置及元件的安装位置。 2.2 液压系统的原理及分类 2.2.1 液压系统的原理 电动机驱动液压泵经滤油器从油箱中吸油，油液被加压后,从泵的输出口输入管路。油液经开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸，推动活塞而使工作台左右移动。液压缸里的油液经换向阀

9、和回油管排回油箱。 2.2.2 液压系统的分类 液压系统是以压力液体作为工作介质，将动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件按照主机的功能要求，进行组合而形成的能够完成一定动作和运动要求的系统。 按常规的分类方法，液压系统有以下几种类型 （1）开式循环系统和闭式循环系统 在开式循环系统中，执行元件的开、停和换向是由换向阀操纵来实现的。开式循环系统的优点是结构简单，散热条件好，维护方便；缺点是油液与空气接触机会多，容易受到污染。 在闭式循环系统中，要设置辅助泵或补油油箱用来补偿的泄漏，对系统进行热交换和排出系统运行中产生的杂质。闭式循环系统一般用在容积调速中，它的优点是结构紧凑，效率高，传动平稳性

10、好，油液不易受到污染，但散热和沉淀杂质条件差，因此系统必须增加冷却或过滤装置。 （2）单泵系统和多泵系统 单泵系统指由一个液压泵向一个或一组执行元件供油的液压系统。单泵系统的特点是结构简单、成本低，但由于各个执行元件要求的压力和流量不同，原动机的功率难以得到充分的利用。 多泵系统指采用两台以上的液压系统供油，各泵可以单独驱动一个执行机构，也可以多泵合流驱动一个执行机构，以提高执行机构的速度，还可以实现复合动作。多泵系统比单泵系统功率利用率高，缺点是造价高。 采用变量元件的液压系统成为变量系统。如恒功率变量系统能使原动机的功率利用充分，可以得到较为理想的特性。 2.3 液压传动的优缺点 2.3.

11、1 液压传动的优点 （1）在相同的体积下，液压执行装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等功率的情况下，液压执行装置的体积小、重量轻、结构紧凑。液压马达的体积重量只有同等功率电动机的12%左右。 （2）液压执行装置的工作比较平稳。由于液压执行装置重量轻、惯性小、反应快，所以易于实现快速起动、制动和频繁地换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达到每分钟500次，实现往复直线运动时可达每分钟1000次。 （3）液压传动可在大范围内实现无级调速（调速比可达1：2000），并可在液压装置运行的过程中进行调速。 （4）液压传动容易实现自动化，因为它是对液体的压力、流量和流动方向进 行控制或调节

12、，操纵很方便。当液压控制和电气控制或气动控制结合使用时，能实现较复杂的顺序动作和远程控制。 （5）液压装置易于实现过载保护且液压件能自行润滑，因此使用寿命长。2.3.2 液压传动的缺点 （1）液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地要有泄漏，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用，例如螺纹和齿轮加工机床的内传动链系统。 （2）液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动。 （3）液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性。因此，在低温和高温条件下，采用液压传动有一定的困难。 （4）为了减少泄露，液压元件

13、的制造精度要求高，因此，液压元件的制造成本高，而且对油液的污染比较敏感。 （5）液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出了更高的要求，既要系统地掌握液压传动的理论知识，又要有一定的实践经验。 总而言之，液压传动的优点是突出的，随着科学技术的进步，液压传动的缺点将得到克服，液压传动将日益完善，液压技术与电子技术及其它传动方式的结合更是前途无量。 3 液压系统的工况分析123 负载分析和运动分析统称为液压系统的工程分析，它是确定液压系统主要参数的基本依据。工程分析就是分析每个液压执行元件在各自工作循环中的负载和速度随时间的变化规律，并用负载循环图和运动循环图加以表示，以便了解运动过程的本质。

14、 液压动力滑台是利用液压缸将泵站所提供的液压能转变成滑台动力所需的机械能。它对液压系统性能的主要要求是速度换接平稳，进给速度稳定，功率利用合理，效率高，发热少。 技术要求：自动线上的一台多轴钻孔组合机床的动力滑台为卧式布置（导轨 =0.1，为水平导轨，）假设运动部件重力G=9000N，其静、动摩擦因数= s0.2，d 0.88?10-3m/s。拟采用液压缸驱动，要求的工作循环时：定位1=0.1m/s，= 2 夹紧快进工进止挡块停留快退原位停止松开拔销。 3.1 负载分析的计算 液压执行元件的外负载包括工作负载、摩擦负载和惯性负载三类。其中工作负载有阻力负载和超越负载；摩擦负载是指液压执行元件驱

15、动工作机构时所要克服的机械摩擦阻力负载，它又有静摩擦负载和动摩擦负载两种；惯性负载是由于速度变化产生的负载。执行元件的负载大小可由主机规格确定，也可用实验方法或理论分析计算得到。 一般的组合机床液压系统图中液压缸有水平（X轴和Y轴）和垂直的放置，但本课题的研究的是多轴钻孔组合机床的动力滑台卧式布置，因为是卧式的所以只研究水平的，而因为液压缸在水平方向时，X轴和Y轴的分析情况一样，所以下面就研究液压缸为X轴方向的情况。 3.1.1 液压缸的外部负载计算 图3-1所示为液压缸计算简图，有关参数标注在图中。其中F为作用于活塞杆上的外部负载，Fm为液压缸密封处的内部密封阻力，Fn工作负载在导轨上的 垂

16、直分力，A 1是液压缸无杆腔有效面积，A 2 是液压缸有杆腔的有效面积，P 1 是液 压缸无杆腔压力，P 2 是液压腔有杆腔压力。 图3-1 液压缸计算简图 （1）工作负载Fe 液压缸的常见工作负载有重力、切削力、挤压力等。阻力负载为正，超越负载为负,已知工作负载。（已知Fe=30000N) （2）机械摩擦负载Ff 对于机床而言，即导轨的摩擦阻力。 此处分析采用平导轨，平导轨的摩擦阻力因导轨的安放形式不同而异。 水平安放的平导轨见图3-2 图3-2 水平 静摩擦阻力 )(Fn G s Ffs +=0.2?（9000+0）=1800N 动摩擦阻力 )(Fn G d Ffd +=0.1?(9000

17、+0)=900N （3）惯性负载Fi 惯性负载是运动部件在启动和制动过程中的惯性力.动力滑台起动加速，反向起动加速和快退减速制动的加速度的绝对值相等，既u=0.1m/s ，t=0.2s ，故惯性阻力为： t g G Fi ?=.201.89.109000?=459N 利用上述分析计算结果，即可列出表3-1。 表3-1 动力滑台液压缸外负载计算结果 工况 外负载F/N 计算公式 结果 快进 启动 Ffs F = 1800 加速 t g G Ffd F ?+= 1359 恒速 Ffd F = 900 工进 Ffd Fe F += 30900 快退 启动 Ffs F = 1800 加速 t g G

18、Ffd F ?+= 1359 恒速Ffd F=900 3.2 运动分析 运动循环图即速度循图，反映了执行机构在一个工作循环中的运动规律。绘制速度循环图是为了计算执行元件的惯性负载及绘制负载循环图，故绘制速度循环图通常与负载循环图同时进行。而在日常中典型工作循环图是关于组合机床的图，下图是钻孔动力滑台的工作循环图，工作循环为：定位夹紧快进工进止挡块停留快退原位停止松开拔销，见图3-3，其中一些动作略。 图3-3 动力滑台的工作循环图 4 确定液压系统的主要参数 4.1 确定液压缸的工作压力 参考课本资料,初选液压缸工作压力p 1 =4106 Pa。 4.2 确定缸筒内径D，活塞杆直径d 为了满足工作台快速进退相等，并减小液压泵的流量，将液压缸的无杆腔作 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A 1 与 A 2 应满足A 1 =2A 2 （即活塞杆直径d和液压缸内径D间应满足d=0.71D)。 为防止工进结束时发生前冲，液压缸需保持一定回油背压。已知背压p 2 为0.6?1060Pa，并知液压缸机械效率cm =0.9，则可算得液压缸无杆腔的有效面积 A1= ) 2 2 1 ( p p cm F - = ） （ 2 .6 4 .9 30900 - ? /106 =0.0092m2