上料机液压系统设计

毕业论文任务书

目录

摘要 (1)

第1章绪论 (2)

1.1 背景介绍 (2)

1.2液压技术现状和发展趋势 (2)

1.3研究主要内容 (2)

第2章设计分析 (4)

2.1设计要求 (4)

2.2 负载分析 (4)

2.3 动力负载分析 (5)

2.4负载图和速度图的绘制 (6)

第3章设计方案拟定 (8)

3.1液压系统图的拟定 (8)

3.2液压缸的设计 (9)

3.3液压缸设计需要注意的事项 (10)

3.4液压缸主要零件的材料和技术要求 (10)

第4章主要参数的计算 (12)

4.1初选液压缸的工作压力 (12)

4.2计算液压缸的主要尺寸 (12)

4.3活塞杆稳定性校核 (12)

4.4 计算循环中各工作阶段的液压缸压力、流量和功率 (13)

第5章液压组件的选用 (15)

5.1确定液压泵的型号及电动机功率 (15)

5.2选择阀类组件及辅助组件 (15)

5.3液压系统原理图上部分阀类功能 (17)

第6章液压性能系统的验算 (21)

6.1压力损失及调定压力的确定 (21)

6.2验算系统的发热与温升 (22)

总结 (24)

参考文献 (25)

摘要

现代我们所使用的工程机械一般都是由机械传动、电气传动、液压传动紧密联系的一个结合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传动形式，液压传动的系统设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。液压传动课程设计的目的主要有以下几点：

1、综合运用液压传动课程及其它有关先修课程的理论知识和实际知识，进行液压传动系统的设计实践，是理论知识和生产实践机密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深提高和扩展。

2、在设计实践中学习和掌握通用液压组件，尤其是各类标准组件的选用原则和回路的组合方法，培养设计技能，提高学生分析和实际生产应用能力，为今后的设计工作打下良好的基础。

关键字：液压缸；活塞；活塞杆；液压泵

第1章绪论

1.1 背景介绍

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。

液压传动和控制由于应用了电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展,使液压系统和组件在技术水平上有很大提高.液压传动将向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展. 液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、

冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展。

1.2液压技术现状和发展趋势

液压技术现状我国液压行业是从当年的小作坊、主机厂的车间或分厂发展壮大起来的。经过改革开放三十年的发展，已经成为品种规格齐全、基本可以满足我国各种装备要求、具有一定国际竞争力的产业，成为我国机械工业的重要基础行业。改革开放三十年来，我国液压行业企业从三十年前的小作坊，主机厂的车间走出来，经过技术引进及消化吸收再创造，多次技术改造及工艺流程再造，已经成为装备制造业的重要基石和机械工业的基础产业，为国家大工程和重点项目配套取得显着成就。

近年来，我国液压行业企业为国家重点工程和重大技术装备，提供了大量的液压系统，如三峡工程二、三期工程的升船机、三一重工、宝钢、鞍钢等企业。液压业发展趋势：

（1）节省能耗,充分利用能量,提高效率,如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显着提高。

（2）发展机电一体化组件和系统,电子技术和液压传动技术相结合，使传统的液压传动与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。

（3）发展具有比例阀的耐污染和伺服阀高精度、高频响的直动型电液控制阀。

（4）重视环保，发展零泄漏液压系统和低噪声组件环保型产品将具竞争优势。随着人们环境意识的加强，开发保护型液压产品，将成为今后液压技术的主流。

1.3研究主要内容

1、熟悉零件设计与工程制图、机械原理。

2、熟悉液压组件及液压系统的设计计算。分析的能力；制定设计或实验方案的能力；设计、计算和绘图的能力；写论文和说明书的能力等方面得到综合训练。

本次设计的主要内容包括：

1）液压回路的设计；

2）液压缸的设计；

3）总体结构的设计；

第2章 设计分析

2.1设计要求

题目：设计一台上料机的液压系统，要求驱动它的液压传动系统完成快速上升→慢速上升→停留→快速下降的工作循环。其垂直上升工作的重力为5000N ，滑台的重量为1000N ，快速上升的行程为350mm ，其最小速度为45m s ≥；慢速上升行程为100mm ，其最小速度为8mm s ；快速下降行程为450mm ，速度要求

55mm s ≥。滑台采用V 型导轨，其导轨面的夹角为90 ，滑台与导轨的最大间隙为2mm ，启动加速与减速时间均为0.5s ，液压缸的机械效率（考虑密封阻力）为0.91η=。

图2-1上料机的结构示意图

2.2 负载分析

对液压传动系统的工况分析就是明确各执行组件在工作过程中的速度和负载的变化规律，也就是进行运动分析和负载分析。

根据各执行在一个工作循环内各阶段的速度，绘制其循环图，如下图所示：

图2-2速度变化的示意图

快 退

快进

工件 1

滑台 2

2.3 动力负载分析

动力分析就是研究机器在工作中其执行机构的受力情况。 （1）工作负载

()500010006000L G F F N N

==+=

（2）摩擦负载

sin

2f N a F fF =

由于工件为垂直起升，所以垂直作用于导轨的载荷可由其间隙和机构尺寸求得：

120N G F F N H

?

=?

= 取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1则有： 静摩擦负载：

N

N F fs 94.33)45sin /1202.0(=?=

动摩擦负载：

(0.1120sin45)16.97fd F N N =?=

（3）惯性负载

惯性负载为运动部件在起动和制动的过程中可按

G v

F ma g t

?==

? 式中 G ---运动部件的重量()N ；

g ---重力加速度，29.8g m s =；

v ?---速度变化值()m s ；

t ?---起动或制动时间()s 可取0.01~0.5t s ?=，减速时取最小值。

加速

160000.045

55.059.810.5

a G v F N N g t ?=

=?=? 减速

260000.0450.00845.269.810.5

a G v F N N g t ?-=

=?=? 制动

360000.008

9.799.810.5

a G v F N N g t ?=

=?=?

反向加速

460000.055

67.289.810.5

a G v F N N g t ?=

=?=? 反向制动

5467.28a a F F N ==

根据以上的计算，考虑到液压缸垂直安放，其重量较大，为防止因自重而自行下滑，系统中应设置平衡回路。因此在对快速向下运动的负载分析时，就不考虑滑台2的重量。则液压缸各阶段中的负载如表2-1所示(0.91)m η=。

表2-1 液压缸各阶段中的负载

2.4负载图和速度图的绘制

按照前面的负载分析结果及已知的速度要求、行程限制等； 绘制出负载图及速度图如图2-3所示。

图2-3负载与速度的示意图

第3章设计方案拟定

3.1液压系统图的拟定

液压系统图的拟定，主要是考虑以下几个方面的问题：

（1）供油方式从工况图分析可知，该系统在快上和快下时所需的流量较小，因此从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，采用单个定量泵的供油方式显然是不适合的，宜选用双联式定量叶片泵作为油源。

（2）调速回路由工况可知，该系统在慢速时速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度需要调节。因为系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的回油节流调速回路。

（3）速度换接回路由于快上和慢上之间速度需要换接，但对换接到位置要求不高，所以采用由行程开关发讯控制二位二通电磁阀来实现速度的换接。

（4）平衡及锁紧为防止在上端停留时重物下落和在停留期间内保持重物的位置，特在液压缸的下腔(无杆腔)进油路上设置了液控单向阀；另一方面，为了克服滑台自重在快下过程中的影响，设置了一单向背压阀。

（5）本液压系统的换向采用三位四通Y型中位机能的电磁换向阀，下图3-1为拟定的液压系统原理图。

1.滤油器

2.双联叶片泵

3.单向阀

4.外控顺序阀

5.溢流阀

6.三位四通电磁幻想阀

7.液控单向阀

8.单向顺序阀

9.行程阀 10.单向调速阀

图3-1液压系统原理示意图

3.2液压缸的设计

（1）液压缸的分类机组成

液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸、和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸实现往复运动，输出推力和速度。摆动缸则能实现小于360 的往复摆动，输出转矩和角速度。液压缸除单个使用外，还可以几个组合起来和其它机构组合起来，在特殊场合使用，已实现特殊的功能。

液压缸的结构基本上可分成缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置，以及排气装置五个部分。

（2）液压缸的主要参数设计（后续计算）。

（3）液压缸的结构设计。

1）缸体与缸盖的连接形式 常用的连接方式法兰连接、螺纹连接、外半环连接和内半环连接，其形式与工作压力、缸体材料、工作条件有关。

2）活塞杆与活塞的连接结构 常见的连接形式有：整体式结构和组合式结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。

3）活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘、锁紧装置等。

4）活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处密封圈的选用，应根据密封部位、使用部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。常见的密封圈类型：O 型圈，O 型圈加挡圈，高低唇Y 型圈，Y 型圈，奥米加型等。

5）液压缸的缓冲装置 液压缸带动工作部件运动时，因运动件的质量大，运动速度较高，则在达到行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒端盖产生机械碰撞。为防止此现象的发生，在行程末端设置缓冲装置。常见的缓冲装置有环状间隙节流缓冲装置，三角槽式节流缓冲装置，可调缓冲装置。

6）液压缸排气装置 对于速度稳定性要求的机床液压缸，则需要设置排气装置。

3.3液压缸设计需要注意的事项

（1）尽量使液压缸在不同情况下有不同负载，活塞杆在受拉状态下承受最大负载。

（2）考虑到液压缸有不同行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题，缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应措施。

（3）根据主机的工作要求和结构设计要求，正确确定液压缸的安装、固定方式，但液压缸只能一端定位。

（4）液压缸各部分的结构需根据推荐结构形式和设计标准比较，尽可能做到简单、紧凑、加工、装配和维修方便。

3.4液压缸主要零件的材料和技术要求

（1）缸体

材料---灰铸铁：200HT ，350HT ；铸钢：25ZG ，45ZG 。 粗糙度---液压缸内圆柱表面粗糙度为0.2~0.4a R m μ=。 技术要求：a 内径用8~9H H 的配合；

b 缸体与端盖采用螺纹连接，采用6H 精度。

（2）活塞

材料---灰铸铁：150HT ，200HT 。

粗糙度---活塞外圆柱粗糙度0.8~1.6a R m μ=。

技术要求：活塞外径用橡胶密封即可取7~9f f 的配合，内孔与活塞杆的配合可取8H 。

（3）活塞杆

材料---实心：35钢，45钢；空心：35钢，45钢无缝钢管。 粗糙度---杆外圆柱粗糙度为0.4~0.8a R m μ=。 技术要求：a 调质20~25HRC ；

b 活塞与导向套用87H f 的配合，与活塞的连接可用88H h 。 （4）缸盖

材料---35钢，45钢；作导向时用（耐磨）铸铁。 粗糙度---导向表面粗糙度为0.8~1.6a R m μ=。 技术要求：同轴度不大于0.03m μ。

（5）导向套

材料---青铜，球墨铸铁。

粗糙度---导向表面粗糙度为0.08a R m μ=。

技术要求：a 导向套的长度一般取活塞杆直径的60%~80%；

b 外径D 内孔的同轴度不大于内孔公差之半。

液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑一下因素：

（1）各类设备的不同特点和使用场合。

（2）考虑经济和重量因素，压力选得低，则组件尺寸大，重量重，压力选得高一些，则组件尺寸小，重量轻，但对组件的制造精度，密封性能要求高。

第4章 主要参数的计算

4.1初选液压缸的工作压力

根据分析此设备的负载不大，按类型属机床类，所以初选液压缸的工作压力为2.0MPa 。

4.2计算液压缸的主要尺寸

F A P

=

式中： F---液压缸上的外负载； p---液压缸的有效工作压力；

A---所求液压缸有有效工作面积；

242

5

16672.5533.36102010

F A m m P -==?=??

26.5210D m -=

==? 按标准取：

根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：

22260

50D D d =-

26.62d =

按标准取25d mm =，63D mm =；

则液压缸的有效作用面积为： 无杆腔面积

222211 6.331.1744

A D cm cm π

π==?=

有杆腔面积

22222221()(6.3 2.5)26.6244

A D d cm cm π

π=-=-=

4.3活塞杆稳定性校核

因为活塞杆总行程为450mm ，而活塞杆直径为25mm ，450251810l d ==>,需进行稳定性校核，由材料力学中的有关公式，根据该液压缸一端支承一端铰接取末端系数22ψ=，活塞杆材料用普通碳钢则：材料强度实验值84.910f Pa =?，系数1a =，柔性系数185ψ=，

6.254k d

r =

==

因为

72120k

l

r ψ=<=≈ 所以有其临界载荷K F

826

22

2 4.91025104

197413.1514501()1()25000 6.25

K k

fA

F N N a l r π

ψ-??

??=

=

=++?

取其安全系数4k n =时；

197413.1549353.296672.554

k k F N N N n ==> 所以，满足稳定性条件。

4.4 计算循环中各工作阶段的液压缸压力、流量和功率

（1）求液压缸的最大流量

43363

131.17105010155.85109.35min q Av m m L ---==???=?=快上快上

43363131.171091028.0510 1.68min q Av m s m s L ---==???=?=慢上慢上

433

63

226.26106010157.56109.45m i n

q A v m s m s L ---==???=

?=

快下快下

（2）绘制工况图

工作循环中各个工作阶段的液压缸压力、流量和功率如表4-1所示。

表中数据计算公式p A =

60

P FV == 由表4-1可绘制出液压缸的工况图，如图4-1所示：

图4-1液压缸的工况示意图

第5章 液压组件的选用

5.1确定液压泵的型号及电动机功率

液压缸在整个工作循环中最大工作压力为1.93MPa ，由于该系统比较简单，所以取其压力损失0.4p MPa ∑?=，所以液压泵的工作压力为：

(1.930.4) 2.33p P P p MPa MPa =+∑?=+=

两个液压泵同时向系统供油时，若回路中泄漏按10%计算，则两个泵的总流量应为 1.19.45min 10.40min p q L L =?=，由于溢流阀最小稳定流量为3min L ，而工进时液压缸所需流量为1.5min L 。所以，高压泵的输出流量不得少于

4.5min L 。

根据以上压力和流量的数值查产品目录，选用1 6.36.3YB -型的双联叶片泵，其额定压力为6.3MPa ，容积效率0.85pv η=，总效率0.75p η=，所以驱动该泵的电动机的功率可由泵的工作压力(2.33)MPa 和输出流量（当电动机转速为910min r ）

： 32 6.39100.8510min 9.75min p q L L -=????=

求出

63

2.33109.7510504.83600.75

P p

P P q P W W η

-???=

==?

查电动机产品目录，拟定选用电动机的型号为906Y S -,功率为750W ，额定转速为910min r 。

5.2选择阀类组件及辅助组件

根据系统的工作压力和通过各个阀类组件和辅助组件的流量，可选出这些组件的型号及规格如下：

表5-1 阀类组件和规格

油管：油管内径一般可参照所接组件接口尺寸确定，也可按管路中允许流速计算。在本题中采用内径为8mm ，外径为10mm 的紫铜管。

油箱：油箱容积根据液压泵的流量计算，取其体积 (5~9)p V

q =,即70V L =。 3.单向阀 10I B -

4. 外控顺序阀 10XY B B -

技术规格：

7.向顺序阀 10XI B B - 25P

8.控单向阀 25IY B - 153P

9.位二通电磁换向阀 12210D B - 67P

10.向调速阀 10QI B - 52P 11.力表 100Y T -

Y 弹簧压力表 100压力表直径mm T 径向有边。

12.力表开关 3K

B -。 1.溢流阀结构原理及应用

（1）结构原理：设计中选定的溢流阀是DBD 型直动式溢流阀，其进油口的压力油通过阻尼活塞作用在其底部，形成了一个与弹簧力相抗衡的液压力。当此