汽车液压与气压传动课程设计

汽车液压与气压传动课程设计
中南林业科技大学
交通运输与物流学院
《汽车液压与气压传动》
课程设计
课题名称：专用钻床的液压分析
专业班级：12级交通运输3班
学生姓名：宋宇
学号：20121009
指导教师：周秦源
2014年5月10日
设计任务书
（一）设计课题和原始数据
11、试设计一专用钻床的液压系统，要求完成“快进-工作-快退-停止（卸荷）”的工作循环。

已知：切削阻力为13412N，运动部件自重为5390N，快进行程为300mm，工进行程为100mm，快进，快退运动速度为4.5m/min,工进速度为60-1000mm/min，加速和减速时间为△t=0.2s,机床采用平导轨，摩擦系数为Fs=0.2,Fd=0.1 （二）系统设计要求
1.夹紧后在工作中如突然停电时，要保证安全可靠，当主油路压力瞬时下降时，夹紧缸保持夹紧力；
2.快进转工进时要平稳可靠；
3.钻削是速度平稳，不受外载干扰，孔钻透时不前冲。

（三）最后提交内容（电子稿和打印稿各一份）
1.设计说明书一份
2.液压系统原理图（A3）
3.液压缸结构图（A3）
目录
课程设计任务书 (1)
一、液压与气压传动设计任务
1.1设计题目及要求 (3)
1.2设计目的 (3)
1.3设计步骤和内容 (3)
二、工况分析
2.1动作要求分析 (3)
2.2负载分析 (4)
2.3负载图和速度图的绘制 (4)
2.4液压缸主要参数确定 (5)
三、液压系统方案设计
3.1确定液压泵类型及调速方式 (8)
3.2选用执行元件 (8)
3.3快速运动回路和速度换接回路 (8)
3.4换向回路的选择 (8)
3.5定位夹紧回路的选择 (8)
3.6动作换接的控制方式选择 (8)
3.7液压基本回路的组成 (9)
3.8液压元件的选择 (11)
四、验算性能完成设计 (12)
五、小结 (16)
参考书目 (18)
一、液压与气压传动设计任务
1.1设计题目及要求：
试设计一专用钻床的液压系统，要求完成”快进-工作-快退-停止（卸荷）”的工作循环．已知：切削阻力为13412N，运动部件自重为5390N，快进行程为300mm，工进行程为100mm，快进，快退运动速度为 4.5m/min,工进速度为60-1000mm/min，加速和减速时间为△t=0.2s,机床采用平导轨，摩擦系数为Fs=0.2,Fd=0.1
1.2设计目的
液压系统的设计是整机设计的重要组成部分，主要任务是综合运用前面各章的基础知识，学习液压系统的设计步骤，内容和方法。

通过学习，能根据工作要求确定液压系统的主要参数，系统原理图，能进行重要的设计。

合理的选择和确定液压元件。

对所设计的液压系统性能进行校验算。

为进一步进行液压系统结构设计打下基础。

1.3设计步骤和内容
1.明确设计要求，进行工况分析绘制负载和速度循环图；
2.确定液压系统的主要性能参数；
3.进行方案设计，拟定液压系统原理图；
4.设计和选择液压元件；
5.验算液压系统的性能；
6.液压缸的设计；
7.绘制工作图，编写技术文件，并提出电气控制系统的设计任务书。

二、工况分析
2.1动作要求分析
2.2负载分析
（1）工作负载：
工作负载与设备的工作情况有关，在机床上，与运动件的方向同轴的切削力的分量是工作负载。

=13412N
F
L
（2）摩擦负载：
摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力，它与支承面的形状，放置情况，润滑条件以及运动状态有关。

fsG = (0.2*5390)=1078N
静摩擦负载 F
fs=
=fdG = (0.1*5390)=539N
动摩擦负载 F
fd
（3）惯性负载：
惯性负载是运动部件的速度变化是，由其惯性而产生的负载，可用牛顿第二定律计算。

加速 F
= m*a1=(5390/9.81)*(0.075/0.2)=206.04N
a1
= m*a2=(5390/9.81)*(0.074/0.2)=203.29N
减速 F
a2
2.3负载图和速度图的绘制
根据负载计算结果和已知的各个阶段的速度，由于行程是400mm，设定快进时的行程L1=300mm，工进时的行程L2=100mm。

可绘出负载图（F-l）和速度图（v-l），见图1-2a、b。

横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸退回时的曲线。

2.4液压缸主要参数确定
（1）初选液压缸的工作压力
按负载大小根据表2选择液压缸工作压力
表2 按负载选择执行元件工作压力
根据最大负载F=19412N, 初选液压缸的工作压力为3MPa （2）计算液压缸尺寸
按最大负载Fmax 计算缸筒面积A 得
计算缸筒内径D 得
2
46
max 1071.5410394.16412A m p F -⨯=⨯==
mm m A
83083.014159
.31071.5444D 4
==⨯⨯==
-π
按计算结果根据表3选择缸筒内径标准值。

表3 液压缸内径和活塞杆直径标准系列（GB/T2348—1993） mm
按标准取D = 90mm(壁厚5mm ，单重11.17kg/m)
根据快进和快退速度相等要求，拟定液压系统在快进时采用差动连接。

设活塞杆直径为d ，于是有
D 2/(D 2-d 2) =1.3 d=43.23mm 按标准取 d = 45mm
则液压缸的有效作用面积为：
无杆腔的面积 A 1=1/4 *π*D 2 = 1/4*π*92=63.59cm 2
有杆腔的面积 A 2=1/4 *π*(D 2-d 2) = 1/4*π*(92-4.52) =47.69cm 2
（3）活塞杆稳定性校核
活塞杆的总行程为400 mm , 而活塞杆的直径为45mm , l/d
=400/45=8.89<10 ∴不用稳定性校核
（4） 计算液压缸流量、压力和功率 1．流量计算
2.压力计算
)
d D (q
4d q 4222
-π=πmin
/4.21/m 105.360
5
.41059.47v A q min
/1.3/m 103.5605
.01059.63v A q min
/155.7/m 1019.1 60
5
.410)69.4759.63(v )A (q 3443235421344121L s L s L s A =⨯=⨯⨯===⨯=⨯⨯===⨯=⨯
⨯-=-=------快退工进快进MPa F MPa
a A F 58.2Pa 1058.294.16412p 4.0P 1040.0 10)69.4759.63(12
.634A p 6
64
21=⨯====⨯=⨯-=
-=--工进快进
快进
3．功率计算
4．绘制工况图
工作循环中液压缸各阶段压力、流量和功率如表4所示。

由表绘制液压缸的工况图如图3所示。

W
W
W
4.4660
104.211013.0q p P 3.13360
10
1.31058.2q p P 7.4760
10
155.7104.0q p P 36
3
63
6=⨯⨯⨯===⨯⨯⨯===⨯⨯⨯==---快退
快退快退工进工进工进快进快进
快进图3 液压缸
t(s
t(s
t(s
三、液压系统方案设计
3.1确定液压泵类型及调速方式
参考同类组合机床，由于快进、快退和工进速度相差比较大，为了减少功率损耗，采用限压式变量叶片泵供油、调速阀进油节流调速的开式回路，溢流阀作定压阀。

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，=0.8Mpa。

初定背压值P
b
3.2选用执行元件
因系统动作循环要求正向快进和工作，反向快退，且快进、快退速度相等，因此选用单活塞杆液压缸，快进时差动连接，无杆腔面积A1等于有杆腔面积A2的两倍。

由于结构上的原因和为了有较大的有效工作面积，定位缸和夹紧缸也采用单杆活塞液压缸。

3.3快速运动回路和速度换接回路
根据运动方式和要求，采用差动连接快速运动回路来实现快速运动。

根据设计要求，速度换接要平稳可靠，另外是专业设备，所以可采用行程阀的速度换接回路。

若采用电磁阀的速度换接回路，调节行程比较方便，阀的安装也比较容易，但速度换接的平稳性较差。

3.4换向回路的选择
由速度图可知，快进时流量不大，运动部件的重量也较小，在换向方面无特殊要求，所以可选择电磁阀控制的换向回路。

为方便连接，选择三位五通电磁换向阀。

3.5定位夹紧回路的选择
按先定位后夹紧的要求，可选择单向顺序阀的顺序动作回路。

通常夹紧缸的工作压力低于进给缸的工作压力，并由同一液压泵供油，所以在夹紧回路中设减压阀减压，同时还需满足；夹紧时间可调，在进给回路压力下降时能保持夹紧力，所以要接入节流阀调速和单向阀保压。

换向阀可连接成断电夹击方式，也可以采用带定位的电磁换向阀，以免工作时突然断电松开。

3.6动作换接的控制方式选择
为了确保夹紧后才能进行切削，夹紧与进给的顺序动作应采用压力继电器控制。

当工作进给结束转为快退时，由于加工零件是通孔，位置精度不高，转
换控制方式可采用行程开关控制。

3.7液压基本回路的组成
将已选择的液压回路，组成符合设计要求的液压系统并绘制液压系统原理图。

此原理图除应用了回路原有的原件外，又增加了液控顺序阀6和单向阀等，其目的是防止回路间干扰及连锁反映。

从原理图中进行简要分析：
（1）工件定位夹紧：
1.先定位
压力油→减压阀8→单向阀9→电磁换向阀10→定位缸18无杆腔
定位缸18有杆腔→电磁换向阀10→油箱
2．再夹紧工件定位后，压力油压力升高到单向顺序阀开启的压力，单向顺序阀开启。

压力油→单向顺序阀11→单向调速阀12→夹紧缸17无杆腔
夹紧缸17有杆腔→电磁换向阀10→油箱
（2）快进：2YA通电，电磁换向阀3左位工作，由于系统压力低，液控顺序阀6关闭，液压缸有杆腔的回油只能经换向阀3、单向阀5和泵流量合流经单向行程调速阀4中的行程阀进入无杆腔而实现差动快进，显然不增加阀6，那么液压缸回油通过阀7回油箱而不能实现差动。

叶片泵1→单向阀2→电磁换向阀3→单向行程调速阀4→主液压缸19（差动连接）
（3）工进：4YA通电，切断差动油路。

快进行程到位，挡铁压下行程开关，切断快进油路，4YA通电，切断差动油路，快进转工进，系统压力升高，液控顺序阀6被打开，回油腔油液经液控顺序阀6和背压阀7流回油箱，此时，单向阀5关闭，将进、回油路隔开，使液压缸实现工进。

叶片泵1→单向阀2→电磁换向阀3→单向行程调速阀4→主液压缸19无杆腔
主液压缸19有杆腔→电磁换向阀3→液控顺序阀6→背压阀7→油箱
（4）快退：3YA通电，工进结束后，液压缸碰上死挡铁，压力升高到压力继电器调定压力，压力继电器发出信息，2YA断电，3YA、4YA通电。

叶片泵→单向阀4→电磁换向阀3→主液压缸有杆腔主液压缸无杆腔→单
向行程阀4→电磁换向阀3→油箱
主液压缸无杆腔快退到位碰行程开关，行程开关发信息，下步工件拔销松夹。

（5）拔销松夹：1YA通电
液压油→减压阀8单向阀9→电磁阀10→定位缸18和夹紧缸17的有杆腔定位缸18无杆腔→电磁阀10→油箱
夹紧缸16无杆腔→单向调速阀12的单向阀→单向顺序阀11的单向阀→电磁阀10→油箱工件松夹后发出信息，操作人员取出工件。

（6）系统组成后，应合理安排几个测压点，这些测压点通过压力表开关与压力表相接，可分别观察各点的压力，用于检查和调试液压系统。

系统原理图如下
表2-1 电磁铁动作顺序表
3.8液压元件的选择
（1）确定液压泵的型号及电动机功率
1．计算液压泵压力
估算压力损失经验数据：
一般节流调速和管路简单的系统取∑△pl=0.2~0.5MPa，有调速阀和管路较复杂的系统取∑△pl=0.5~1.5MPa。

液压缸在整个工作循环中最大工作压力为2.58MPa，由于系统有调速阀，但管路简单，所以取压力损失∑△pl=0.5MPa，计算液压泵的工作压力为
pp=p+∑△pl=2.58+0.5=2.63MPa
2．计算所需液压泵流量
考虑泄漏的修正系数K：K=1.1~1.3。

液压缸在整个工作循环中最大流量为21.4L/min。

取回路泄漏修正系数K=1.1，计算得所需两个液压泵的总流量为
qp=1.1×21.4=23.54L/min
由于溢流阀最小稳定流量为3L/min，工进时液压缸所需流量为0.4L/min，所以高压泵的流量不得少于3.4L/min。

3.选用液压泵
单泵Single pump
双泵：Double Pump
由[3]第5卷P158选用YB1—10/16型的双联叶片泵。

液压泵额定压力为6.3MPa，排量分别为10mL/r和16mL/r，取容积效率ηpV=0.85，总效率η=0.8，额定转速分别为1450r/min和960r/min.
4.选用电动机
拟选Y 系列三相异步电动机，满载转速960r/min ，按此计算液压泵实际输出流 qp=（10+16）×10﹣3 ×960 ×0.85=21.22L/min
计算所需电动机功率为
由[3]第4卷P569选用Y132S-6电动机。

电动机额定功率为3KW ，满载转速为960r/min 。

（2）选择阀类元件及辅助元件 1．标准件
根据系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的流量，由产品目录确定这些元件的型号及规格如表5 所示。

2．非标件
a ）油管
油管尺寸根据实际流量类比确定，采用内径为16mm ，外径为20mm 的紫铜管。

b ）油箱
油箱容积计算如下
V=（5~7）qp=（5~7）×21.22=106.1~148.54L 取V=150L 。

四、验算性能完成设计 4.1液压系统的性能验算 （1）压力损失验算
按液压泵的实际输出流量估算压力损失。

1．油液在油管中的流速
进油管流速v'
回油管流速v"'
W
q p P p
p p p 33
6
1016.18
.06010
22.211063.2⨯=⨯⨯⨯⨯=
=
-ηs
/m 52.510
166041022.21A
q v '6
23
p =⨯⨯⨯⨯=
=
--s /m 81.252.554
.7806
.40'v A A v "12=⨯==
2．沿程压力损失△Pf
设系统采用L-HM32液压油，室温为20℃时粘度为
ν=1.0×10﹣4 m2/s
a ）进油沿程压力损失△Pf1层流状态： λ1=75/Re1=75/552=0.14
取油液的密度为ρ=890kg/m3，进、回油管长度均为2m ，得进油沿程压力损失为
b ）回油沿程压力损失
层流状态： λ2=75/Re2=75/281=0.27 3.总沿程压力损失
4．局部压力损失△Pr
局部压力损失包括液压阀的压力损失及管道和管接头的压力损失。

液压阀的损失很小，可以忽略不计。

管道和管接头压力损失一般取沿程压力损失的10%计算，于是
△pr=10% △pf=0.1×0.48=0.05MPa 5．总压力损失∑△p
∑△p=∑△pf+ ∑△pr=0.48+0.05=0.53MPa 原设∑△p=0.5MPa ，与计算结果非常接近。

（2）调定压力的确定
双联泵系统中卸荷阀的调定值为
230055210
0.1101052.5'Re 4
3
1<=⨯⨯⨯==--νd
v M Pa
38.0Pa 108.3 252.58901010214.02'v d l p 523
21f1=⨯=⨯⨯⨯⨯=ρλ=∆-MPa Pa v d l 19.0109.1 281.28901010227.02"p 5
2
3
22f2=⨯=⨯⨯
⨯⨯==∆-ρλMPa Pa p A F 64.31064.31053.010
59.6394.16412p 6
641p =⨯=⨯+⨯=∆+=
-∑230028110
0.1101081.2"Re 4
3
2<=⨯⨯⨯==--νd
v
取 p 卸=4.1MPa
溢流阀的调定值应大于卸荷阀调定压力0.3~0.5MPa 。

取 p 溢=4.5MPa 顺序阀的调定值应为
p 顺=0.29+∑△p=0.29+0.95=1.24MPa 背压阀的调定值取为 p 背=0.3MPa
（3）系统温升验算
工进时间在整个工作循环中所占的时间比例达87%，所以系统温升可按工进计算。

工进时液压缸的有效功率为 工进时液压缸的有效功率为工进时大流量泵卸荷，卸荷压力为0.3MPa ，，小流量泵在高压3.64MPa 下供油，两个泵的总输出功率为
由此得液压系统单位时间的发热量为
设油箱的三个边长在1：1：1~1：2：3范围内，计算散热面积为
按通风良好取散热系数h=15×10﹣3kW/（m2℃），计算油液温升为
M Pa
48.019.054
.7806
.4038.0p A A p p f212f1f =⨯+=∆+∆=∆W 37.2060
05
.044.24444Fv q p p 222o =⨯
===W
824 60
8.010*********.31096016103.0 q p q p p 6
666p1
p1p1p1i =⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=
+=
--η
W
63.80337.20824p p H o i =-=-=C 20.29835
.110151063.803hA H t 3
3
︒=⨯⨯⨯==∆--2
3232835.1150065.0065.0A m V ===
设室温t1=20℃，得油液温度t2为
热平衡计算在允许范围内。

C C
t
t︒
<
︒
=
+
=
∆
+
=65
49.20
20
.
29
20
t
1
2
五、小结
通过这段时间的设计，我认识到自己很多的不足，自己认识的很多盲点和漏洞，知识和实践的差距，所以说通过这次设计我深刻认识到理论联系实际的能力还需要提高，液压是一门机械专业十分重要的专业基础课。

同时液压在实际生产的应用上也发挥了契机巨大的作用。

在工业生产的各个部门应用液压传动技术。

工程机械，矿上机械，压力机械和航天工业中，常常采用液压传动，因为其结构简单，体积小，重量轻，输出力大；机床上采用液压传动是取其能在工作过程中方便的实现无级调速，易于实现频繁的换向，易于实现自动化；在电子工业，包装机械，印染机械，食品机械等方面应用气压传动主要是取其操作方便，无油，无污染。

由此可见，液压的应用很广泛，发挥的作用也十分巨大。

液压课程设计是是对液压课程所学理论知识的一次具体的应用和实践，增强学生所学知识以及具体方法的实际应用有很大的帮助。

通过这次课程设计，使我对于液压系统设计有了一个更加形象和直观的认识与掌握。

这个过程中锻炼了我分析解决问题，应用和查阅相关机械资料进行设计的能力。

由于这次课程设计是在教学的过程中进行的，刚刚学过的理论知识印象还很深刻，但要在在短短的几周时间做好液压课程是不是一件容易的事，做课程设计又需要很多的相关的知识，这次课程设计又相当于让自己再次温固了一遍课程。

真正做到理论与实践的相统一。

做好一个设计首要的是理清思路，把具体要做的工作细分，循序渐进，走一步再走一步，这也有助于使自己不会遇到大的任务，繁杂的事情而手慌脚忙，不知所措。

查找资料是在整个设计过程中也是一项至关重要的事情，因为我们都没有经验，要想在短短的时间里完成一套设计，有用的资料是必不可少的。

设计实例可以快速给我们设计思路，设计过程中要包括哪几个方面的内容也一目了然，于是大概是怎么样的一个过程就有了；液压设计工程手册提供了我们需要选取的元件，这些都是标准件，比如电磁换向阀，液压泵等等
有了充足的资料之后就要开始做自己的设计了。

设计分为几个模块：设计计算及元件选择，验算，图纸（溢流阀零件图、三位四通换向阀、集成块零件图等等）设计并不是照搬照抄书上原有的东西，而是要根据前人的经验和一些经
典回路，再加入自己所需的一些功能，最终设计完成的。

设计的过程我们小组遇到了不少问题和疑点，通过和同学的讨论交流，最终使问题得以解决。

自己也在这个过程中学到了很多实战知识。

通过小组队员的一起努力，终于完成了液压课程设计。

整个课程设计过程是在教学的同时进行的，理论与实践相结合的效果特别好。

自己也收获了不少的东西。

全盘规划，具体分析，付诸实施，合理调整，以及团队协作等等科学的做事方法都得到了很好的体现。

我会以这次课程设计为契机，更好的学习专研机械知识。

在今后学校的学习生活中更加严格的要求自己，我会继续努力，朝着二工大“知识型”“高技能”“创新型”人才的培养标准而不断奋斗。

参考书目
1.《液压与气压传动》教材
2.《机械零件设计手册》（液压与气动部分）冶金出版社
3.《组合机床设计》（液压传动部分）机械出版社
4.《液压工程手册》机械工业出版社
5.《液压系统设计简明手册》杨培元主编，机械工业出版社
6.《液压元件手册》黎启柏主编，冶金/机械工业出版社
7. 机械设计手册《液压传动》PDF版化学工业出版社
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