毕业设计---组合机床液压系统的设计

目录

摘要 --------------------------------------------------------------------- 2 Abstract ----------------------------------------------------------------- 3 引言 --------------------------------------------------------------------- 4 1液压系统的原理、组成与结构---------------------------------------------- 6 1.1液压系统的原理------------------------------------------------------ 6 1.2液压系统的组成与结构 ------------------------------------------------------------------------------------------ 6 2液压传动的优缺点与应用-------------------------------------------------- 8 2.1液压系统的优缺点 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 2.2液压传动的应用 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 3设计要求--------------------------------------------------------------- 11 3.1设计任务 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 3.2设计工作点 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 4液压系统分析----------------------------------------------------------- 12 4.1运动分析 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 4.2负载计算 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 4.3负载循环图和速度循环图 ------------------------------------------------------------------------------------ 13 4.4液压系统主要参数的确定 ------------------------------------------------------------------------------------ 13 5拟定液压系统原理图----------------------------------------------------- 15 5.1工作缸 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15 5.2夹紧缸 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15 5.3换向方式确定------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 5.4调速、卸荷的选择 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 15 5.5控制方式的选择 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 5.6夹紧回路的确定 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 5.7液压泵型式的选择--------------------------------------------------- 16 5.8拟定系统原理图 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 17 6液压系统的计算--------------------------------------------------------- 18 6.1 验算系统压力损失 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 18 6.2验算油液温升------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 7液压元件的选择--------------------------------------------------------- 20 7.1液压泵 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20 7.2阀类元件及辅助元件-------------------------------------------------------------------------------------------- 21 7.3油管---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 7.4油箱---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 7.5密封件的选择------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 结论 -------------------------------------------------------------------- 24 致谢 -------------------------------------------------------------------- 25 参考文献 ---------------------------------------------------------------- 26

组合机床液压系统的设计

[摘要] 本文介绍了液压系统的工作原理、组成、优缺点及其应用情况。首先通过工况分析拟定液压系统原理图。其次在初步计算的基础上，确定液压缸结构参数并计算分析选择液压系统供油方式、调速方式、速度换接方式等。再次对流通各元件的流量的计算，合理选择液压元件。最后通过对压力损失和系统升温的验算，以及对液压系统进行性能分析，从而达到课题的设计要求。

[关键字] 工况分析液压系统原理图液压缸结构参数液压系统计算液压元件

The design of hydraulic system of

modular machine tool

[ Abstract ]This paper introduces the working principle of the hydraulic system, composition, advantages and disadvantages and its application. First through the analysis to develop hydraulic system principle diagram. In the second preliminary calculation basis, determine the hydraulic cylinder structure parameters and computational analysis of hydraulic system supply mode, speed, speed switching mode. Again on the circulation of the element flow calculation, a reasonable choice of hydraulic components. Finally, based on the pressure loss and the system temperature checking, the hydraulic system performance analysis, so as to achieve the combination of hydraulic system design requirements.

[ Key words] Operating condition analysis Schematic diagram of hydraulic system Hydraulic cylinder structure parameters Hydraulic system Hydraulic components

引言

组合机床是由通用部件和部分专用部件组成的高效率专用机床。它能完成钻、扩、铰、铣和工件的转位、定位、夹紧、输送等工序，可以用来组成加工自动线。为了缩短加工的辅助时间，满足各工序的进给速度要求，组合机床液压系统必须具有良好的换接性能与调速特性。因此它是一种以速度变换为主的液压系统，它的控制系统大多采用机、液、电气相结合的控制方式。

液压传动相对于机械传动来说，是一门新技术。自1795年制成第一台水压机起，液压技术就进入了工程领域，1906年开始应用于国防战备武器。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要发应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。20世纪60年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成化等方向发展。同时，减小元件的重量和体积、提高元件寿命、研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果。解放前，我国经济落后，液压工业完全是空白。解放后，我国经济获得迅速发展，液压工业也和其它工业一样，发展很快。20世纪50年代就开始生产各种通用液压元件。当前，我国已生产出许多新型和自行设计的系列产品，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液脉冲马达以及其它新型液压元件等。但由于过去基础薄弱，所生产的液压元件，在品种与质量等方面和国外先进水平相比，还存在一定差距，我国液压技术也将获得进一步发展。现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动、机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。

液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。

液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。

在工业生产中广泛应用的组合机床，其传动及控制系统大部份采用的是液压装置。因此对组合机床液压控制系统的设计也将围绕着对液压动力元件、液压执行元件、液压控制元件、液压辅助元件以及液压回路的选择而进行。

学专业知识的全面总结。本毕业设计题目为《组合机床液压系统的设计》，我在设计过程中除结合自己所学的专业知识外，还查阅了类似课题案例，并得出自己的基本思路。本课题要求设计出的液压系统速度稳定、换接无冲击、能承受一定量的反向负荷，这是本次设计能否合格的重要技术指标。确保认真进行工况分析计和精确地计算，是实现课题要求的必要条件。

1液压系统的原理、组成与结构

1.1液压系统的原理

在一定的机械、电子系统内，将机械能转换为液压能，借助于液压执行装置把液压能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。

它是由两个大小不同的液压缸组成的，在液压缸里充满水或油（充水的叫水压机，充油的称油压机）。两个液压缸里各有一个可以滑动的活塞，如果在小活塞上加一定值的压力，根据帕斯卡定律，小活塞将这一压力通过液体的压强传递给大活塞，将大活塞顶上去。设小活塞的横截面积是1S ，加在小活塞上的向下的压力是1F 。则，小活塞对液体的压强为11/S F P ，能够大小不变地被液体向各个方向传递。大活塞所受到的压强必然也等于P 。若大活塞的横截面积是2S ，压强P 在大活塞上所产生的向上的压力2F 是小活塞横截面积的倍数。在小活塞上加一较小的力，则在大活塞上会得到很大的力，为此用液压机来压制胶合板、榨油、提取重物、锻压钢材等。

1.2液压系统的组成与结构

1.2.1组成

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力装置、执行装置、控制装置、辅助装置和工作介质。

（1）动力装置：将原动机的机械能转换成液体的液压能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。

（2）执行装置：液压机将液压能转换成机械能，推动负载做功。

（3）控制装置：液压阀控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力或力矩、速度、方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

（4）辅助装置：油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等。通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。

（5）工作介质：液压油，绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。

1.2.2结构

下图1表明液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。

图1 液压系统结构

2液压传动的优缺点与应用

2.1液压系统的优缺点

2.1.1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稳定。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）液压传动能大范围内实现无级调速且调速比可达1:2000，可在液压装置运行的过程中进行调速。

（4）因为液压传动是对液体的压力、流量和流动方向进行控制或调节，操纵很方便容易实现自动化。结合电气控制或气动控制使用，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。

（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便。

2.1.2液压传动的缺点

（1)液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间必然会有不同程度的泄漏。同时，液体吧并不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合使用，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，液压元件的制造精度要求高，液压元件对油液的污染也比较敏感。因此，使用液压传动的成本高。

（5）液压系统故障的诊断比较困难。

（6）随着高压、高速、高效率和大流量化，必然会使液压元件和系统的噪声日益增大，这也是要解决的问题。

2.2液压传动的应用

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

液压传动在工程机械中得到了广泛的应用。几乎所有工程机械装备都能见到液压技术的踪迹，其中不少已成为主要的传动和控制方式。极限负荷调节闭式回路，发动机转速控制的恒压，恒功率组合调节的变量系统开发，给液压传动应用于工程机械行走系提

液压应用实例展示：

图2 液压升降平台

液压升降平台广泛适用于汽车、集装箱、模具制造、木材加工、化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求。同时可配装各类台面形式（如滚珠、滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点。有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。

图3 液压压铸机

液压系统为压铸机的运行提供足够的动力和能量。

图4 液压叉车

液压叉车是一种高起升装卸和短距离运输两用车。由于不产生火花和电磁场，特别适用于汽车装卸及车间、仓库、码头、车站、货场等地的易燃、易爆和禁火物品的装卸运输。该产品具有升降平衡、转动灵活、操作方便等特点。

3设计要求

3.1设计任务

设计一组合机床的液压系统，工作台要求完成：工件夹紧——快进——工进——快退——原位停止、工件松开——液压泵卸荷。动力滑台采用平面导轨，其静摩擦系数为2.0f g =，动摩擦系数为1.0f d =，往复运动的加（减速）的时间.05s 0t =?，系统的参数如下:

滑台的重量为N 4500 快进快退的速度为min /5m 滑台工进速度为s mm /60 快进行程为mm 300 工进行程为mm 100 切削负载为N 10000

液压系统要求电液结合，可实现自动循环，速度稳定、换接无冲击，能承受一定量的反向负荷。

3.2设计工作点

设计过程中需要完成以下工作点： (1）进行工况分析，绘制工况图； (2）拟定液压系统原理图（A3），要求图面布置合理、符合相关标准及有关规定； (3）确定液压缸的结构参数，画出液压缸安装图； (4）计算液压系统，列出电磁铁动作顺序表； (5）选择液压元件型号，列出元件明细表。

4液压系统分析

4.1运动分析

结合对工作台要完成的动作分析，得到如下工况图。

4.2负载计算

（1）工作负载：由已知条件知

切削力 10000N F =

（2）摩擦阻力负载：

已知采用平面导轨，且静摩擦系数为2.0f g =，动摩擦系数为1.0f d = 则：

静摩擦阻力 N N F g 9002.04500=?= 动摩擦阻力 N N F d 4501.04500=?=

(3)惯性负载：

N g G F T V m 72005

.008.0104500=?=???=

参考：机床快进快退速度，取s m V /08.0=?

往复运动的加减速时间，取s T 05.0=?

4.3负载循环图和速度循环图

4.4液压系统主要参数的确定

4.4.1选择系统工作压力

根据表1、表2可知，当组合机床在最大负载约为10450N 时，取液压系统工作压力a MP P 31

图6

鉴于要求动力滑台快进、快退速度相等，液压缸可选用双作用单活塞杆式，并在快进时作差动连接。在此情况下，通常液压缸无杆腔的工作面积1A 为有杆腔工作面积2A 的两倍。

4.4.2选取d/D

注：1V —无杆腔进油时活塞运动速度，

2V —有杆腔进油时活塞运动速度。

5拟定液压系统原理图

5.1工作缸

根据组合机床特点和要求退快V V ，所以选用无杆腔面积等于两倍的有杆腔面积的差动液压缸。

5.2夹紧缸

由于结构上的原因和为了有较大的有效工作面积，采用单杆活塞液压缸。

5.3换向方式确定

为了便于工作台在任意位置停止，使其调整方便，所以采用三位换向阀。为了便于组成差动连接，应采用三位五通电液换向阀。阀的中位机能的选择对保证系统工作性能有很大作用，为了满足工作位置调整的方便性和液压夹紧的具体情况，决定采用“Y ”型中位机能。

5.4调速、卸荷的选择

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。根据铣削类专机工作时对低速性能和速度负载特性都有一定的要求，因此采用调速阀进行调整。为了便于实现压力控制，采用进油节流调速，同时为了满足低速进给时平稳性，以及避免出现前冲现象，在回路上设有背压阀。

图7

5.5控制方式的选择

为了保证转换平稳、可靠、精度高，采用行程阀控制快进转工进的控制和用压力开关控制一工进和二工进的转换。为了安全和机器平稳的工作，采用行程开关和加死挡块控制。

5.6夹紧回路的确定

由于夹紧回路的压力大于进给系统压力，为了防止夹紧系统的主压力下降，在夹紧系统串接个单向阀和蓄能器。

夹紧缸不用中间停留，故采用二位阀控制即可，这里采用二位五通电磁换向阀。为了实现夹紧后能让工作台快进的顺序动作和保证进给系统工作时夹紧系统压力始终不低于最小夹紧压力，所以在夹紧回路上安装个压力继电器实现顺序控制。当压力继电器动作时，工作台进给。

5.7液压泵型式的选择

由工况图可知，系统循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段组成，而且是顺序进行的。从提高系统效率考虑，选用限压式变量叶片或双联叶片泵教适宜。将两者进行比较如下表5。

综上比较，采用双联叶片泵较好。

5.8拟定系统原理图

综上分析后，拟定如下原理图：

图8 液压系统原理图

1—双联叶片泵 2—三位五通电液阀 3—行程阀 4—调速阀 5、6、10、13—单向阀 7—顺序阀 8—背压阀 9—溢流阀 11—过滤器 12—压力表 14—压力继电器

6液压系统的计算

6.1 验算系统压力损失

由于系统的管路布置尚未确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故只能先估算阀类元件的压力损失，对压力损失的验算按一个工作循环中不同阶段分别进行。

6.1.1快进时

滑台快进时，液压缸差动连接，由表10和表11可知，进油路上油液通过单向阀10的流量是22L/min 、通过电液换向阀2的流量是27.1L/min ，然后与液压缸有杆腔的回油汇合，以流量42.34L/min 通过行程阀3并进入无杆腔。因此进油路上的总压降为：

222

2227.142.340.20.50.30.22638063V p MPa ??????

∑?=?+?+?= ? ? ???????

回油路上，液压缸有杆腔中的油液通过电液换向阀2和单向阀6的流量都是 15.242L/min ，然后与液压泵的供油合并，经行程阀3流入无杆腔。由此可算出快进时有杆腔压力2p 与无杆腔压力1p 之差：

222

2115.24215.24242.340.50.20.30.165806363p p p MPa ??????

?=-=?+?+?= ? ? ???????

此值小于设计估计值0.3MPa ，符合要求。

6.1.2工进时

工进时，油液在进油路上通过电液换向阀2的流量为0.392L/min ，在调速阀4处的压力损失为0.5MPa ，油液在回路上通过换向阀2的流量是0.14L/min ，在背压阀8处的压力损失为0.6MPa ，通过顺序阀7的流量为L/min 14.22L/min 2214.0=+）（，折算到进油路上因阀类元件造成的总压力损失为：

222

0.3920.1422.1428.260.50.50.50.60.30.7380806378.5V p MPa ??????????

∑?=?++?++??=?? ? ? ? ????????????

?

液压缸回油腔的压力2p 为：

22

20.1422.140.50.60.30.6378063p MPa ????=?++?= ? ?????

此值略大于原估计值。

重新计算工进时液压缸进油腔压力1p ，即：

6422146

123485.1210.6371028.26100.69 3.9278.51010

am F

p A p MPa A η--++???===?? 考虑到压力继电器可靠动作需要压差0.5e p MPa ?=，故工进时溢流阀9的调压值y

p 应为：

2

110.3923.920.50.50.5 4.9280y e p p p p MPa ??

>+∑?+?=+?++= ???

6.1.3快退时

快退时，油液在进油路上通过单向阀10的流量为22L/min 、通过换向阀2的流量为27.1L/min ,油液在回油路上通过单向阀5、换向阀2和单向阀13的流量都是75.28 L/min 。

因此进油路上总压降为：

22

12227.10.20.50.0826380V p MPa ????

∑?=?+?= ? ?????

此值小于原估计值，所以液压泵驱动电动机的功率是足够的。 回油路上总压降为：

2

2

2

275.2875.2875.280.20.50.20.1014638063V p MPa ??????

∑?=?+?+?= ? ? ???????

所以，快退时液压泵的工作压力p p 应为：

1120.4340.0820.10140.6174p V V p p p p MPa =+∑?+∑?=++=

因此大流量液压泵卸荷时顺序阀7的调定压力应大于0.6174MPa 。

6.2验算油液温升

工进在整个工作循环过程中所占的时间比例达95﹪,所以系统发热和油液温升应按工进时的工况来计算。

工进时液压缸的有效功率为：

2

23485.1210.0499

0.0260

e P Fv kW ?=== 这时大流量液压泵经顺序阀7卸荷，小流量泵在高压下供油 。大流量液压泵通过顺序阀7的流量为222/min q L =，故此阀在工进时:

2

2

2220.30.03763n n q p p MPa q ????

?=?=?= ? ?????

小液压泵工进时的工作压力1 4.92p p MPa =，流量1 5.1/min q L =，所以两个液压泵的总输入功率为：

6363112

5.1224.9210100.0371********.57570.75

p p p

p q pq P kW η--???+???+?=

=

=

液压系统的发热功率为：

0.57570.020.5557p e P P P kW ?=-=-=

为使温升不超过允许的()030T T C ??=值，可按下式计算油箱的最小有效容积：

2

min 10

100.074V m --==

油箱总容积：

21.25 1.250.0740.092592.5189.7a V V m L L ==?==<

所以该系统不必设置冷却器。

7液压元件的选择

7.1液压泵

在整个工作循环中液压缸的最大工作压力为3.687MPa 。假设进油路上的压力损失为0.8MPa ，为使压力继电器能可靠地工作，取其调整压力高出系统最大工作压力0.5MPa ，则小流量液压泵的最大工作压力应为：

1 3.6870.80.5 4.987p p MPa

=++=

大流量液压泵在快进、快速运动时才向液压缸输油，由工况图可知，快退时液压缸的工作压力比快进时大，假设油路上的压力损失为0.5MPa （因此时进油不经调速阀，故压力损失减少），则大流量液压泵的最高工作压力为：

20.4340.50.934p p MPa

=+=

由工况图可知，两液压泵应向液压缸提供的最大流量为25.14L/min ，因该系统较简单，则两个液压泵的实际流量应为：(取泄漏系数为1.05)

1.0525.1426.397/min

p q L =?=

若溢流阀的最小稳定溢流量为3L/min ，而工进时输入液压缸的流量为0.392L/min ，则由小流量泵单独供油时，其流量规格最少应为3.392L/min 。

根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取PV2R12-6/26型双联叶片液压泵，其小泵和大泵的排量分别为6r mL /和26r mL /。当液压泵的转速r/min 940n p =时该液压泵的理论流量为30.08L/min ，若，则液压泵的实际输出流量为：

(626)9400.9/1000 5.12227.1/min 26.397/min

p q L L =+??=+=>

取液压泵的容积效率9.0v =n

即所选液压泵的实际流量满足设计要求。

且由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为0.934MPa 、流量为27.1L/min 。则液压泵驱动电动机所需的功率为：（取液压泵的总效率为0.75）

0.93427.10.6600.75

p p p p q P kW

η?==≈?

根据此数值查阅电动机产品样本选取Y100L －6型电动机，其额定功KW 5.1P n =，额定转速r/m in 940n n =。