卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统设计

液压与气压传动课程

设计说明书

课程设计题目：卧式单面多轴钻孔组合机床液压

系统设计

作者所在系部：机电工程学院

作者所在专业：机械设计制造及其自动化

作者所在班级：

作者姓名：

作者学号：

指导教师姓名：

完成时间：

北华航天工业学院

摘要

液压系统具有广泛的工艺适应性、优良的控制性能、反应快、输出力（或力矩）大等优点。在机床中被广泛的采用。液压传动技术是机械设备中发展最快的技术之一，特别是近年来与微电子、计算机技术的结合，使液压技术进入了一个新的发展阶段，机、电、液、气一体是当今机械设备的发展方向。在数控加工的机械设备中广泛引用液压技术。作为学习该专业的学生应初步学会液压系统的设计，熟悉分析液压系统的工作原理的方法，掌握液压元件的作用与选型及液压系统的维护与修理将是十分必要的。本文主要阐述了液压系统的设计包括系统工况分析，拟定液压系统原理图，液压元件的计算和选择以及液压系统的性能验算等。

关键字：液压系统液压传动液压元件

目录

第一章绪论 (1)

1、液压与气压传动系统综述 (1)

2、液压系统的组成 (1)

第二章液压系统的设计 (2)

1、明确液压系统的设计要求 (2)

2、负载与运动分析 (2)

负载分析 (2)

速度分析 (3)

3、选定液压系统主要参数. (4)

初选液压缸工作力 (4)

计算液压缸结构数 (5)

4、拟定液压系统图 (7)

选择基本回路................................. (7)

回路的合成 .................................. (7)

5、液压元件的选择 (10)

液压泵及驱动电动机功率的确定............. (10)

元件、辅件选择 (11)

6、系统油液升温验算................................ . (11)

致谢 (13)

参考文献 (14)

第一章绪论

1液压与气压传动系统综述

液压系统已经在各个部门得到越来越广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部门就越多。

液压传动是用液体作为来传递能量的，液压传动有以下优点：易于获得较大的力或力矩，功率重量比大，易于实现往复运动，易于实现较大范围的无级变速，传递运动平稳，可实现快速而且无冲击，与机械传动相比易于布局和操纵，易于防止过载事故，自动润滑、元件寿命较长，易于实现标准化、系列化。

液压传动的基本目的就是用液压介质来传递能量，而液压介质的能量是由其所具有的压力及力流量来表现的。而所有的基本回路的作用就是控制液压介质的压力和流量，因此液压基本回路的作用就是三个方面：控制压力、控制流量的大小、控制流动的方向。所以基本回路可以按照这三方面的作用而分成三大类：压力控制回路、流量控制回路、方向控制回路。

2液压系统组成

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质。

动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能。动力元件指液压系统中的液压泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵。

执行元件的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。执行元件有液压缸和液压马达。

控制元件（即各种液压阀）在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。

根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀（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。

辅助元件包括蓄能器、过滤器、冷却器、加热器、油管、管接头、油箱、压力计、流量计、密封装置等,它们起连接、储油、过滤和测量油液压力等辅助作用，

工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。液压系统就是通过其实现运动和动力传递的。

第二章液压系统的设计

1.明确液压系统的设计要求

设计一台卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统，要求完成工件的定位与夹紧，所需夹紧力不得超过6000N。该系统工作循环为：快进——工进——快退——停止。机床快进快退速度约为6 m／min，工进速度可在30～120mm／min范围内无级调速, 快进行程为200mm，工进行程为50mm，最大切削力为25kN，运动部件总重量为15 KN，加速（减速）时间为，采用平导轨，静摩擦系数为，动摩擦系数为。

2.负载分析与速度分析

负载分析

负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。因工作部件是卧式放置，重力的水平分力为零，这样需要考虑的力有：夹紧力，导轨摩擦力，惯性力。

在对液压系统进行工况分析时，本设计实例只考虑组合机床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载和机械摩擦阻力负载，其他负载可忽略。 （1）工作负载F W

工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，对于金属切削机床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载，即

N F t K 25=

（2）阻力负载f F

阻力负载主要是工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静摩擦力为f F ，则 静摩擦阻力 N F fs 3000150002.0=?= 动摩擦阻力 N F fd 1500150001.0=?= （3）惯性负载

最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度，其中最大加速度可通过工作台最大移动速度和加速时间进行计算。已知启动换向时间为，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为6m/min ，因此惯性负载可表示为 N N t v F 04.15291

.060681.915000m m =??=???

= 如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率w η=，根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如表1所示。

表1 液压缸总运动阶段负载表（单位：N ）

m /m in 631==v v m m /m in 502=v s v L t 2606102003111=?==-s

v L t 606005.010503

222=?==-s

s v l t 5.260

6102503

3

33=?==-定液压

缸主要参数

j F F =

m fd F F F +=

fd F F =

t

fd F F F +=

fd F F =

初选液压缸工作压力

由表2可知，取动力滑台液压缸工作压力p1=4MP ，所需夹紧力不得超过6000N ，取夹紧液压缸工作压力为.

表2按负载选择工作压力

计算液压缸结构参数

为使液压缸快进与快退速度相等，选用单出杆活塞缸差动连接的方式实现，应把液压缸设计成无杆腔工作面积1A 是有杆腔工作面积2A 两倍的形式，即活塞杆直径d 与缸筒直径D 呈d = 的关系。

工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，动力滑台液压缸有可能会发生前冲的现象，因此动力滑台液压缸的回油腔应设置一定的背压(通过设置背压阀的方式)，选取此背压值为p 2=，快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值。夹紧液压缸回油背压3p 取0MPa 。 工进时动力滑台液压缸的推力计算公式为

11221112/(/2)m F A p A p A p A p η=-=-，

因此，根据已知参数，动力滑台液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为

26

2

11m 008179.028

.041029444.442

=-?=-=-p p F

A m

η

夹紧液压缸无杆腔的有效作用面积

262

11m 004444.0102

05.167

.66662

=?-

=

-

=

-p p F

A m

η夹

动力滑台液压缸缸筒直径为 mm A D 1.10241==π

夹紧液压缸缸筒直径为 mm A D 2.7541==π夹夹

由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d = ，因此动力滑台活塞杆直径为d=×=，夹紧缸活塞杆直径为夹d =×=圆整后取D =110mm ，d =80mm 。

=夹D 80mm,夹d =56mm

此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：

2

42110954m D A -?==π

(

)24

2

2210

77.44m d

D A -?=-=π

2

421102.504m D A -?==π夹 (

)24

2

2210

62.254m d

D A -?=-=π夹

工进时采用调速阀调速，其最小稳定流量min /05.0q

min

L =，设计要求最低工进

速度m in /30V min mm =，经验算可知满足v

q

min

min

A ≥

2.计算液压缸在工作循环各阶段的压力、流量和功率

差动时液压缸有杆腔压力大于无杆腔，取两腔间回路及阀上压力损失为，

5.012+=p p 计算结果如表3所示。

表3 各工况下的主要参数值

1

1q p P =

4.拟定液压系统图

选择基本回路

（1）调速回路

因为液压系统功率较小，且只有正值负载，所以选用进油节流调速回路。因为有较好的低速平稳性和速度负载特性，可选用调速阀调速，并在液压缸回路上设置背压。

（2）泵供油回路

由于系统最大流量与最小流量比值为105，且在整个工作循环过程中的绝大部分时间里泵在高压小流量状态下工作，并且夹紧装置需要保压补充缸的泄露，为此采用双联泵，以节省能源提高效率。

（3）速度换接回路和快速回路

由于快进速度与工进速度相差很大，为了换接平稳，选用行程阀控制的换接回路。快速运动通过差动回路来实现

（4）换向回路

为了换向平稳，选用电液换向阀。为了便于实现液压缸中位停止和差动连接，采用三位四通阀和两位两通阀。为提高换向的位置精度，采用死挡铁和压力继电器的行程终点返程控制。

（5）压力控制回路

系统工作状态时高压小流量泵的工作压力由溢流阀调整，同时用顺序阀来实现低压大流量泵卸荷。

（6）顺序动作回路

由于系统工作状态为先定位夹紧，后钻孔加工，且最大夹紧力不得超过6000N,因此选用压力控制的顺序动作回路，利用压力继电器和顺序阀作为控制元件来控制动作顺序。

（7）保压回路

本系统对夹紧液压缸的保压性能有严格要求，故采用液控单向阀和电接触式压力表的自动补油保压回路，这种回路保压时间长，压力稳定性高。

回路的合成

对选定的基本回路在合成时，有必要进行整理、修改和并归

1）为防止机床停止工作是系统中的油液回油箱，应增设单向阀。

2）要实现差动快进，必须在回油路上设置液控顺序阀12，已阻止油液流回油箱。

3）设置压力表开关及压力表

合并后完整的液压系统如图

大泵，2、小泵，3、滤油器，4、外控顺序阀，5、15、单向阀， 6、溢流阀，，7、电液换向阀，8、单向行程调速阀，，9、压力继电器，10、主液压缸，11、二位三通电磁换向阀，12、背大压阀，13、二位二通换向阀，14、减压阀，16、带定位装置的二位四通电磁换向阀，17、单向顺序阀，18、夹紧液压缸，19、定位液压缸

A、工件夹紧：5YA通电

定位：压力油→减压阀14→单向阀15→电磁阀→定位缸19无杆腔

定位缸19有杆腔→电磁阀→油箱

夹紧:工件定位后，压力油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→夹紧缸18无杆腔→夹紧缸18有杆腔→电磁阀→油

箱,工件夹紧到位，压力油压力升高到压力继电器调定压力，继电器发信，1YA 通电，主系统快进。

B、快进：1YA通电，电液换向阀左位工作,大泵→单向阀5→电液换向阀7→行程阀8→主液压缸无杆腔小泵2→液压缸有杆腔→电磁阀11→电液换向阀7→单向行程调速阀8→主液压缸

C：工进：3YA通电，切断差动油路，

快进行程到位，挡铁压下行程阀8，切断快进油路，3YA通电，切断差动油路，快进转工进，液压系统工作压力升高到溢流阀6调定压力，进油路高压油切断单向阀5供油路,打开外控顺序阀4，大泵卸荷，接通经背压阀12通油箱油路。

大泵→外控顺序阀4（卸荷阀）→油箱（大泵卸荷）

小泵2→→电液换向阀7→单向行程调速阀8→主液压缸无杆腔

主液压缸有杆腔→电磁阀11→电液换向阀7→背压阀12→油箱

D、快退：1YA断电，2Y A、3Y A、4Y A通电

工进结束，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，1YA断电，2Y A、3Y A、4Y A通电

大泵→单向阀5→电液换向阀7→电磁阀11→主液压缸有杆腔

小泵2→↑

主液压缸无杆腔→单向行程调速阀8→电液换向阀7→电磁阀13→油箱

小泵2→↑

主液压缸无杆腔快退到位碰行程开关，行程开关发信，6YA通电，下步工件松夹。

E、工件松夹：6YA通电

压力油→减压阀14→单向阀15→电磁阀16→定位缸19和定位缸18的有杆腔

定位缸19无杆腔→电磁阀→油箱

夹紧缸18无杆腔→单向顺序阀的单向阀→电磁阀→油箱

电磁铁动作表4

5.液压元件的选择

液压泵及驱动电动机功率的确定

本设计所使用液压元件均为标准液压元件，因此只需确定各液压元件的主要参数和规格，然后根据现有的液压元件产品进行选择即可。 （1）液压泵的工作压力

已知液压缸最大工作压力为,取进油路上压力损失为1Mpa ，则小流量泵最高工作压力为，选择泵的额定压力应为MPa MPa p n 6.5%)2548.448.4(=?+=。大流量泵在液压缸快进快退时工作压力较高，取液压缸快进快退时进油路上压力损失为，则大流量泵的最高工作压力为（+）Mpa=，卸荷阀的调整压力应高于此值。 （2）液压泵流量的计算

取系统的泄漏系数K=，则泵的最小供油量p q 为 min /36/105.02.133max 1L s m Kq q P =??==-

由于工进时所需的最大流量是s m /109.135-?，溢流阀最小稳定流量为

s m /1005.033-?，小流量泵最小流量为

min /4.41005.0311L Kq q p =?+=- 大流量泵最小流量为

min /6.3112L q q q p p p =-=

（3）确定液压泵规格

对照产品样本可选用3.6/401-YB 双联叶片泵，额定转速960r/min ，容积效率为，大小泵的额定流量分别为min 和min ，满足以上要求。 （4）确定液压泵驱动功率

液压泵在快退阶段功率最大，取液压缸进油路上压力损失为，则液压泵输出压力为。液压泵的总效率8.0=p η

液压泵流量40L/min ，则液压泵驱动快退所需功率P 为

W W q p P p p p 3.1791)8.060/(10401015.2/36=????==-η

据此选用Y112M-6B5立式电动机，其额定功率为，转速为940r/min ，液压泵输出流量为min 、min ，任能满足系统要求。

元件、辅件选择

根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，查阅产品样本，选出的阀类元件和辅件规格如表5所列。

表5 液压元件规格及型号

6.系统液油升温验算

系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段，所以可按工作状态来计算温升、 设小流量泵工作状态压力为，流量为min ，经计算其输入功率为497W 。大流量泵经外控顺序阀卸荷，其工作压力等于阀上的局部压力损失数值v p ?。阀额定流量为63L/min ，额定压力损失为，大流量泵流量为min ，则v p ?为 Pa Pa p v 62

6101.0)63

95/33.577.4484.33(

103.0?=?+??=?

大流量泵的输入功率经计算为 系统单位时间的最小有效功率为

W W Fv P o 2060

1030)1500025000(3

=??+==-

系统单位时间内的发热量为

W W P P H o i i 5.547)205.70497(=-+=-=

当油箱的高、宽、长比例在1：1：1到1：2：3范围内，且油面高度为油箱高度的80%时，油箱散热面积近似为

3

266.6V A =

取油箱有效容积V 为3m ，散热系数K 为

)/(152C m W ?，得

C

C KA H t i

8.1325.066.6155.54732

=?==

即在温升许可范围内

结论

经过长达两周的液压课程设计，我对液压在实际生产生活中的作用有了更深刻的认识，同时，对所学的知识我也有了更深刻的理解。

在设计过程中，我和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了理解，在合作中学习，我受益良多。

课程设计是学习过程中不可或缺的，它不仅巩固了所学的书本知识，同时将所学的知识运用到实际的生产生活中，是对知识的一种检验。通过这个过程，我们不仅可以巩固书本上学到的知识，同时也学到了书本上所没有的知识。

这次的课程设计主要是设计卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统，由于没有实际的真正了解过卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统的工作原理和方式，我们小组在网上搜索了大量的资料来弥补这一不足。在和同组的同学做了深入的讨论，通过在网上和图书馆查资料，以及老师的帮助下，我们较好的完成了卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统，基本达到了预定的设计要求。

经过此次课程设计，我可以熟练的设计卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统。从资料搜集、阅读相关文献到讨论思考再到设计任务的完成，我养成了独立

思考和与其他小组成员合作交流的习惯，但在这次课程设计中也暴露了我学习上的不足，有些知识点还是没有很牢固的掌握，经过这次补救，我对液压的知识有了更加全面的掌握。

总体来说，这次的课程设计非常成功，通过和小组成员的交流合作以及自己的独立思考，我们小组顺利完成了这次液压课程设计，在这次交流合作中，我们的思维得到了碰撞，我们可以了解到每个人的想法和设计，从而从中选出最优秀的那种方案，意识到合作交流的重要性。同时也在老师的督促帮助下，我们的方案有了进一步的完善。这次的课程设计是一次成功的经历。

参考文献

[1]刘延俊.液压与气压传动.第3版.北京：机械工业出版社，2012.

[2]沈兴全.液压传动与控制.第2版.北京：国防工业出版社，2005.

[3]张利平. 液压传动设计指南. 北京：化学工业出版社，2009.

[4]王守城.液压元件及选用 .北京：化学工业出版社，2000.