2022年钻镗两用组合机床动力滑台的课程设计 .pdf

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1、湖工大液压与气压传动课程设计I 湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋机械学院（系、部）学年第学期课程名称液压传动指导教师职称教授学生姓名专业班级班级 学号题目钻镗两用组合机床动力滑台的液压系统成绩起止日期年 12 月 21 日 年 12 月 27 日目录清单序号材料 名称资料数量备注1 课程设计图纸共 1 张2 3 4 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计II 5 6 目录绪论.11 钻镗液压机床的基本情况.11.1机床的设计要求.21.2 机床的相关设计参数.22 工况分析及液压缸的选择.32.1分析系统工况.32.1.1工作

2、负载计算 .32.1.2惯性负载计算 .32.1.3阻力负载计算 .32.2负载循环图和速度循环图的绘制.42.3主要参数的确定.52.3.1 液压缸工作压力 .52.3.2 液压缸主要尺寸 .62.3.3 最大流量需求的计算 .73 液压系统原理图的绘制.93.1 速度控制回路的选择.93.2 换向和速度换接回路的选择.103.3 油源的选择和能耗控制.113.4 压力控制回路的选择.124 液压系统性能的验算.154.1系统压力损失.154.1.1判断流动状态 .154.1.2系统压力损失的计算 .154.2系统发热与温升的验算.185 设计总结.196 参考文献.20名师资料总结-精品资

3、料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计1 绪论设计目的为进一步加深学生对所学液压传动理论知识的理解，培养学生运用理论知识独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生对液压系统工作原理图的设计有一完整和系统的概念；同时通过课程设计，培养学生计算，使用技术资料及绘制液压原理图的工程设计能力。设计步骤首先对液压系统进行工况分析，通过分析计算，绘制速度、负载循环图，初步选定液压缸工作压力，并计算加紧液压缸和工作缸尺寸以及各阶段流经液压缸的流量；其次根据液压系统供油方式、调速方式、速度换接方式以及加紧回路的选择拟定液压系统图，并且对系统工作状态分析；最后通过对压力

4、损失和系统升温的验算，对液压系统进行性能分析。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计2 1 钻镗液压机床的基本情况1.1 机床的设计要求设计一台钻镗两用组合机床的液压系统。钻镗系统 要求实现的动作顺序为：快进工进快退原位停止。液压系统的主要参数与性能要求如下：轴向切削力总和F=12000N，移动部件总重量G 20000N；行程长度 200mm（工进和快进行程均为100mm）快进、快退的速度为6m/min，工进速度（201200）mm/min范围内无级调节；往返运动加速减速时间t=0.2s；该动力滑台采用水平放置的平导轨；静摩擦系数

5、fs 0.2；动摩擦系数 fd 0.1。1.2 机床的相关设计参数系统设计参数如表1 所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦系数分别为fs=0.2、fd=0.1。l1=100mm，l2=100mm，l3=200mm其主要设计参数如下表。参数数值切削阻力（N）12000 滑台自重(N)20000 最大行程(mm)200 快进 l1、工进行程l2(mm)100 快退行程 l3（mm）200 快进、快退速度(m/min)6工进速度(mm/min)201200 加速、减速时间t（s）0.2 静摩擦系数fs 0.2 动摩擦系数fd 0.1 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共

6、22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计3 2 工况分析及液压缸的选择2.1 系统工况分析2.1.1工作负载计算钻镗两用组合机床的液压系统中，钻镗的轴向切削力为Ft。则最大切削力为 12000N，有NFt120002.1.2惯性负载计算惯性负载NtvmmaFm10002.060620002.1.3阻力负载计算静摩擦阻力NGfFsfs4000200002.0动摩擦阻力NGfFdfd2000200001.0由此可得出液压缸的在各工作阶段的负载如下表工况负载组成负载值 F 推力m/F启动fsFF4000N 4444N 加速mfdFFF3000N 3333N 快进(匀速)fdFF2000N 2222N

7、 工进（受切削力）tfdFFF14000N 15556N 反向启动fsFF-4000N-4444N 反向加速)(mfdFFF-3000N-3333N 快退（匀速）fdFF-2000N-2222N 注：液压缸的机械效率取9.0m名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计4 2.2 负载循环图和速度循环图的绘制根据上表中计算结果，绘制组合机床动力滑台液压系统的负载循环图如下图所示。（负号表示反向退回）01002003333222215556-4444-2222l/mmF/N4444-3333组合机床负载循环图上图表明，当组合机床动力滑台处

8、于工作进给状态时，负载力最大为14000N。所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进行绘制，已知快进和快退速度V1=V2=6m/min、快进行程 L1=100mm、工进行程L2=100mm、快退行程 L3=200mm，工进速度（0.0201.200）m/min 范围内无级调节。根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统的速度循环图如图2-2 所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计5 0100200l/mmm/min60.210.01-6图 2-2 组合机床液压系统速度循环图2.3 主要参数的确定2.

9、3.1 液压缸工作压力所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为15556N，其它工况时的负载都相对较低，参考表2-2 和表 2-3 按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=2.8MPa。表 2-2 按负载选择工作压力负载/KN 50 工作压力/MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 5 表 2-3 各种机械常用的系统工作压力机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa 0.82 3528 810 1018 2032 0.02 1.20 名师资料总结-精品资料

10、欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计6 2.3.2 液压缸主要尺寸由于工作进给速度与快速运动速度差别较大，且快进、快退速度要求相等。经查资料，一般采用杆定的安装形式，因此确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积A1是有杆腔工作面积 A2两倍的形式。经计算，应将活塞杆直径d 与缸筒直径 D设置成 d=0.707D 的关系。注意到，工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，液压缸有可能会发生前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压(我通过设置背压阀的方式)，经查资料，执行元件的背压力如下表，从表中选取工进

11、背压值为2p=1.0MPa。执行元件背压力系统类型背压力/MPa 简单系统或轻载节流调速系统0.20.5 回油路带调速阀的系统0.40.6 回油路设置有背压阀的系统0.51.5 用补油泵的闭式回路0.81.5 回油路较复杂的工程机械1.23 回油路较短且直接回油可忽略不计快进时液压缸虽然作差动连接，但连接管路中不可避免地存在着压降P，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取P0.5MPa。快退时回油腔中也是有背压的，这时选取背压值2p=0.8MPa。工进时液压缸的推力=11221112/(/2)mFA pA pA pAp，式中：F 负载力（最大 14000N）m液压缸机械效率=0.9 名师资料总

12、结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计7 A1液压缸无杆腔的有效作用面积A2液压缸有杆腔的有效作用面积p1液压缸无杆腔压力=工作压力 2.8MPa p2液压缸有杆腔压力=工进背压 1.0MPa 因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为262110068.0)20.18.2/(1015556)2/(mPPFAm液压缸缸筒直径为mmAD93100068.04461由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d=0.707D，因此活塞杆直径为 d=0.70793=65.8mm，根据 GB/T2348 1993对液压缸缸筒内径尺寸

13、和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，查表2-5 圆整后取液压缸缸筒直径为D=100mm，活塞杆直径为 d=70mm。表 2-5 按工作压力选取d/D工作压力/MPa 5.0 5.07.0 7.0 d/D0.50.55 0.620.70 0.7 2.3.3 最大流量需求的计算工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为q快进=（A1-A2）v1=23.097L/min 工作台在快退过程中所需要的流量为q快退=A2v2=24L/min 工作台在工进过程中所需要的流量为q工进=A1v1=0.191.14 L/min 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 22 页

14、-湖工大液压与气压传动课程设计8 其中最大流量为快退流量为24L/min。根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如下表。各工况下的主要参数值工况推力F/N 回油腔压力P2/MPa 进油腔压力P1/MPa 输入流量q/L.min-1 输入功率P/Kw 计算公式快进启动4444 0 1.154 P1=q=(A1-A2)v1P=p1q p2=p1+p 加速3333 1.116 0.886 恒速2222 1.116 0.578 23.079 0.1334 工进15556 1.0 1.98 0.157 9.42 0.037 0.528 P1=(F+p2A

15、2)/A1q=A1v2P=p1q 快退起动4444 0 1.111 P1=(F+p2A1)/A2q=A2v3P=p1q 加速3333 0.8 0.849 恒速2222 0.8 0.571 24 0.635 把上表中计算结果绘制成工况图，如下图所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计9 0100200l/mmp/MPaq/L?min-1P/kWqpP23.0791000.1330.8661.1540.5781.8650.0379.420.1570.5710.13724.000.8491.111组合机床液压缸工况图3 液压系统原

16、理图的绘制根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析，要实现工进速度（201200）mm/min范围内无级调节，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。并且要求组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。3.1 速度控制回路的选择工况图表明，所设计组合机床液压系统在整个工作循环过程中所需要的功率较小，系统的效率和发热问题并不突出，因此考虑采用节流调速回路。虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合，而且结构简单、成本低。该机床名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计

17、10 的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度-负载特性，因此有三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。钻镗加工属于连续切削加工，加工过程中切削力变化不大，因此钻削过程中负载变化不大，采用节流阀的节流调速回路即可。但由于在钻头钻入铸件表面及孔被钻通时的瞬间，存在负载突变的可能，因此考虑在工作进给过程中采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。3.2 换向和速度换接回路的选择所设计多轴钻床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。为便于实现差动连接，选用三位五通电磁换向

18、阀。由前述计算可知，当工作台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由23.079 L/min降为 0.191.14 L/min，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少速度换接过程中的液压冲击，如下图所示。由于工作压力较低，控制阀均用普通滑阀式结构即可。由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。a.换向回路 b.速度换接回路换向和速度切换回路的选择名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计11 3.3 油源的选择和能耗控制本设计多轴钻床

19、液压系统的供油工况主要为快进、快退时的低压大流量供油和工进时的高压小流量供油两种工况，若采用单个定量泵供油，显然系统的功率损失大、效率低。在液压系统的流量、方向和压力等关键参数确定后，还要考虑能耗控制，用尽量少的能量来完成系统的动作要求，以达到节能和降低生产成本的目的。在工况图的一个工作循环内，液压缸在快进和快退行程中要求油源以低压大流量供油，工进行程中油源以高压小流量供油。其中最大流量与最小流量之比/=23.097/0.157=147，在一个工作循环中，液压油源在大部分时间都处于高压小流量供油状态，只有小部分时间工作在低压大流量供油状态。从提高系统效率、节省能量角度来看，如果选用单个定量泵作

20、为整个系统的油源，液压系统会长时间处于大流量溢流状态，从而造成能量的大量损失，这样的设计显然是不合理的。如果采用单个定量泵供油方式，液压泵所输出的流量假设为液压缸所需要的最大流量 25.1L/min，假设忽略油路中的所有压力和流量损失，液压系统在整个工作循环过程中所需要消耗的功率估算为快进时 P=0.57823.079=13.34Kw 工进时 P=p qmax=1.98 23.079=45.696Kw 快退时 P=0.57123.079=13.178Kw 如果采用一个大流量定量泵和一个小流量定量泵双泵串联的供油方式，由双联泵组成的油源在工进和快进过程中所输出的流量是不同的，此时液压系统在整个工

21、作循环过程中所需要消耗的功率估算为：快进时 P=0.57823.079=13.34Kw 工进时，大泵卸荷，大泵出口供油压力几近于零，因此P=p qmax=1.98 23.079=45.696Kw 快退时 P=0.57123.079=13.178Kw 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计12 确定选用双联液压泵供油方案，有利于降低能耗和生产成本，如图所示。图 3-2 双泵供油油源3.4 压力控制回路的选择由于采用双泵供油回路，故采用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。将上述所选定的液压回路进行整理

22、归并，并根据需要作必要的修改和调整，最后画出液压系统原理图如A3图所示。为了解决滑台快进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀7，以阻止油液在快进阶段返回油箱。同时阀 8 起背压阀的作用。为了避免机床停止工作时回路中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动的平稳性，图中添置了一个单向阀13。考虑到这台机床用于钻孔（通孔与不通孔）加工，对位置定位精度要求较高，图中增设了一个压力继电器14。当滑台碰上死挡块后，系统压力升高，压力继电器发出快退信号，操纵电液换向阀换向。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 22 页 -湖工大液

23、压与气压传动课程设计13 动 作名 称工 进快 退快 进停 止信 号 来 源电磁铁工作状态液压元件工作状态1YA2YA溢流阀9换向阀2行程阀3挡板压下行程阀3起 动 按 纽压力继电器 14发出信号挡块压下终点开关+-+-关 闭打 开关 闭关 闭左 位左 位上 位下 位右 位下 位下 位中 位快 进工 进快 退电磁铁和阀的动作表名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计14 1491210871113654211YA2YA3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

24、9 溢流阀 11 过滤器12压力开关 14 压力继电器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计15 4 液压系统性能的验算4.1 系统压力损失因为不知道油管布局，所以只能估算系统压力损失。首先确定管道内液体的流动状态，然后计算各种工况下总的压力损失。现取进、回油管道长为l=2m，油液的运动粘度取=1 x 10-4m2/s，油液的密度取=0.9174 x 103kg/m3。4.1.1判断流动状态在快进、工进和快退三种工况下，进、回油管路中所通过的流量以快进时回油流量 q1=23.079L/min 为最大，此时，油液流动的雷诺数334

25、4451.2410388.5602810110edqRd也为最大。因为最大的雷诺数小于临界雷诺数（2000），故可推出：各工况下的进、回油路中的油液的流动状态全为层流。4.1.2系统压力损失的计算将层流流动状态沿程阻力系数75754edRq和油液在管道内流速24qd同时代入沿程压力损失计算公式212lpd，并将已知数据代入后，得234714344754750.9174101 1021.42310222(2810)lpqqqdd可见，沿程压力损失的大小与流量成正比，这是由层流流动所决定的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计16

26、 在管道结构尚未确定的情况下，管道的局部压力损失?p常按下式作经验计算滑台在快进、工进和快退工况下的压力损失计算如下：1快进滑台快进时，液压缸通过电液换向阀差动连接。由表8 和表 9 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51.24L/min 通过行程阀3 并进入无杆腔。由此进油路上的总压降为：2222227.151.440.2()0.5()0.3()638063(0.0240.0570.198)0.279VpMPaMPaMPa此值不大，不会使压力阀开启，帮能确保两个泵的流量全部进入液压缸。

27、在回油路上，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 24.14L/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。2122224.1424.1451.240.5()0.2()0.2()806363(0.0460.0290.198)0.273pppMPaMPaMPa此值小于原估计值0.5MPa，所以是安全的。2工进滑台工进时，在进油路上，油液通过电液换向阀2、调速阀 4 进入液压缸无杆腔，在调速阀4 处的压力损失为 0.5MPa。在回油路上，油液通过电液换向阀 2、背压阀 8 和大流量泵的卸荷油液一起经液控顺序阀

28、7 返回油箱，在背压阀 8 处的压力损失为 0.5MPa。通过顺序阀 7 的流量为（0.25+22）=22.25L/min，因此这时液压缸回油腔的压力2p为：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计17 2220.2522.250.5()0.50.3()80630.537pMPaMPa考虑到压力继电器的可靠动作要求压差，故溢流阀 9 的调压1p Ap应为：21110.52.580.5()0.50.5803.58p ApppMPaMPa3快退滑台快退时，在进油路上，油液通过单向阀10 为 22L/min 电液换向阀 2 为27.1L

29、/min 进入液压缸有杆腔。在回油路上，油液通过单向阀5、电液换向阀 2和单向阀 13 返回油箱，流量都为57.52L/min 在进油路上总的压降为2212227.10.2()0.5()0.0826380VpMPaMPa此值远小于估计值，因此液压泵的驱动电动机的功率是足够的。在回油路上总的压降为222257.5357.5257.520.2()0.5()0.2()6380630.592VpMPaMPa4.2 系统发热与温升的验算系统的发热与温升按工进工况来估算：液压系统的总输入功率=液压泵的输入功率:名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动

30、课程设计18 112262363322225.10.310()103.5810106360600.75100.424ppppiPpqpqpKWKw系统的发热功率为(0.424(0.0076 0.0456)0.378 0.416iioHppKWKW按式计算工进时系统中的油液温升：323(0.378 0.416)10)/(250)(9.52 10.48)TCC经检验油温在允许范围内。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计19 5 设计总结课程设计做到这终于是结束了啊！它让我深深的知道了设计工作的艰辛和自己知识、经验的不足。以前总以为

31、只要设计个原理图就好了，没想到设计过程中我们要对数据不断的计算，对计算结果不断的修改。有时候稍稍算错一点，下面的就全算错了，就得重新再算。所以，我深感细心、耐心、周全的思考是多么的重要。其实，做一次液压与气动的设计让我几乎复习了一遍液压与气动的课本知识。而且我很难过地发觉自己的基础知识的相当的不牢固，碰到一些问题完全不知道怎么下手。幸好有同学的帮助，我们才在讨论后解决了这些棘手的问题。另外，还要感激有图书馆和网络可以给我查资料求帮助，不然，有些地方真是毫无头绪。最后，就是又重学了一遍CAD 啊！真的很惨呐，不过画的图并不算复杂，有时候真想交一份手写算了。总而言之，做一次设计真的学到了很多，知识并不只是局限于书本的原理，还有许多真正应用起来的难题在等待我们去解决。我们不可以小看机械学科啊，真正要做出一份合理的，正确的设计，需要的可不只是一点半点的精力与时间。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 22 页 -湖工大液压与气压传动课程设计20 7 参考文献1 刘忠伟.液压与气压传动.第 2 版.北京:高等教育出版社,2011 2 机械设计手册第五分册.北京:化学出版社出版，2008 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 22 页 -