立式组合机床动力滑台液压系统设计Word文件下载.docx

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2.8.2系统安装时注意事项-25-

3结论.....................................................................................................-26-

1引言

液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，液压传动系统由液压泵、阀、执行器及辅助件等液压元件组成。

液压传动原理是把液压泵或原动机的机械能转变为液压能，然后通过控制、调节阀和液压执行器，把液压能转变为机械能，以驱动工作机构完成所需求的各种动作。

液压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一，其发展速度仅次于电子技术，特别是近年来液压与微电子、计算机技术相结合，使液压技术的发展进入了一个新的阶段。

从70年代开始，电子学和计算机进入了液压技术领域，并获得了重大的效益。

例如在产品设计、制造和测试方面，通过利用计算机辅助设计进行液压系统和元件的设计计算、性能仿真、自动绘图以及数据的采取和处理，可提高液压产品的质量、降低成本并大大提高交货周期。

总之，液压技术在与微电子技术紧密结合后，在微计算机或微处理器的控制下，可以进一步拓宽它的应用领域，使得液压传动技术发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，使它在国民经济的各方面都得到了应用。

本文研究内容是立式组合机床液压动力滑台液压系统设计，该文的设计过程基本上体现了一个典型的液压传动系统的设计思路。

液压传动在金属切削机床行业中得到了广泛的应用。

如磨床、车床、铣床、钻床以及组合机床等的进给装置多采用液压传动，它可以在较大范围内进行无级调速，有良好的换向性能，并易实现自动工作循环。

组合机床是由具有一定功能的通用部件（动力箱、滑台、支承件、运输部件等）和专用部件（夹具、多轴箱）组成的高效率专用机床。

当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大进展；

在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多新成就，采用液压传动的程度现已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。

随着机械制造行业在国民经济中地位的提高，液压技术的应用范围也越来越广泛，对其性能也提出了更高的要求，决定了它在技术方面的革新已迫在眉睫。

2立式组合机床液压动力滑台液压系统设计

2.1液压系统的设计要求

本组合机床用于钻、扩、铰等孔的加工。

动力滑台为立式布置，动力滑台拟采用液压驱动；

工件采用机械方式夹紧。

课题所设计的液压系统是立式组合机床液压动力滑台液压系统,主要是完成系统原理图和该系统主要零件的结构及有关设计计算。

液压泵及叠加式液压元件的选用，液压缸采用双作用液压缸，液压缸作为液压系统的执行元件安装在机床的床身上，与液压供油装置分开布置，避免两者之间形成振动干涉。

2.1.1液压传动系统的技术要求

动力滑台工作台工作循环为：

快进——工进——快退——停止；

平导轨静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1；

液压缸活塞的行程长度最大为150mm；

液压执行元件为液压缸，其运动速度大小为：

快进退速度：

6m/min；

工作速度：

50mm/min；

加减速时间：

0.05s；

轴向切削负荷为30000N，运动部件重量为132000N。

2.1.2工作环境和工作条件

组合机床的液压系统应使其工作时运行平稳、可靠，满足工况要求，保证组合机床的可靠性和性能要求。

本课题所设计的组合机床在普通车间使用，工作环境要求不高，对环境温度、湿度、尘埃情况没有特殊的要求，液压系统的安装必须稳定，避免对机床产生直接的冲击振动，影响机床加工精度及寿命。

本课题设计的液压系统对重量、外形尺寸、经济性没有特殊的要求，但必须符合一般的普遍设计原则：

重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用维护方便。

根据设计任务书要求选择叠加阀系列液压元件。

2.2液压系统工况分析，确定主要参数

在明确了液压系统的设计要求后，针对设计系统在性能和动作方面的特性，确定设计系统的工作压力，以及计算液压缸的最大行程，工作速度，回程速度等等一些具体的系统主参数

2.2.1分析液压系统工况

工况分析是确定液压系统主要参数的基本依据，包括液压执行元件的动力分析和运动分析。

静摩擦力：

=132000×

0.2=26400N

动摩擦力：

0.1=13200N

惯性负载：

Fm=

=

=26400N

式中：

Fm---惯性力；

G---运动部件重力；

g---重力加速度，取10

---快进速度；

---快进时间。

启动加速阶段：

取液压系统的机械效率

为0.9

F=（Ff+Fm）

=（fs*G+

）

=（0.2×

132000+

）×

=58667N

快进或快退阶段：

F=Ff*

=（0.1×

132000）×

=14667N

工进阶段：

F=（Ff+Fw）

=（0.2×

132000+30000）×

=62667N

式中Fw为切削负荷

表1液压缸在个阶段速度和负载值

工作阶段

速度

负载

启动加速

58667

工进

62667

快进、快退

0.1

14667

2.2.2确定液压缸的主要参数

1）初选液压缸的工作压力

有负载值大小查表9-3，参考同类型组合机床，取液压缸工作压力为5Mpa。

2）计算液压缸的主要结构参数

最大负载为工进阶段负载F=62667N，求得：

活塞腔工作时D=

式中F----液压缸的最大工作负载（N）。

----作用在活塞上的有效压力（Pa），

即D=

=0.13m

根据液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值，查表取D=130㎜。

为了实现快进速度与快退素的相等，采用差动连接，则d=0.7D,所以

d=0.7×

130=91㎜

同样，圆整成标准系列活塞杆直径，取d=91㎜。

由D=130mm，d=91mm算出液压缸无干腔有效作用面积

=132.6cm

有杆腔有效作用面积为

cm

3）确定活塞杆的最大行程

本设计课题给定了活塞杆最大行程为100+50=150mm。

4）计算液压缸的工作压力、流量和功率

查表9-5，本系统的被压估计值可在0.5～0.8Mpa范围内选取，顾暂定：

工进时，

；

快速运动时，

。

液压缸在工作循环各阶段的工作压力

为

差动快进阶段：

工作进给阶段：

快速退回阶段：

计算液压缸的输入流量

因快进、快退速度

，工进速度

，则液压缸各阶段的输入流量需为：

快进阶段

工进阶段

快退阶段

所以泵的最大流量

=40.6L/min.

计算液压缸的输入功率

表2液压缸在各工作阶段的压力、流量和功率

工作压力

输入流量

输入功率

快速前进

2.78

39

1.807

工作进给

5.13

0.66

0.056

快速退回

3.15

40.6

2.129

2.3液压传动系统原理图的拟定

液压传动系统的草图是从液压系统的工作原理和结构组成上来具体体现设计任务所提出的各项要求，它包括三项内容：

确定液压传动系统的类型、选择液压回路和组成液压系统。

2.3.1确定液压传动系统的类型

液压传动系统的类型究竟采用开式还是采用闭式，主要取决于它的调速方式和散热要求。

一般的设计，凡具备较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统，要求尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积---节流调速的系统，都宜采用开式。

在开式回路中，液压泵从油箱吸油，把压力油输送给执行元件，执行元件排出的油则直接流回油箱。

开式回路结构简单，油液能得到较好的冷却，但油箱的尺寸大，空气和赃物易进入回路；

凡容许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统，对工作稳定和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统都宜采用闭式。

在闭式回路中，液压泵的排油管直接与执行元件的进油管相连，执行元件的回油管直接与液压泵的吸油管相连，两者形成封闭的环状回路。

闭式回路的特点是双向液压泵直接控制液压缸的换向，不需要换向阀及其控制回路，液压元件显著减少，液压系统简单，用油不多而且动作迅速，但闭式回路也有其缺点，就是回路的散热条件较差，并且所用的双向液压泵比较复杂而且系统要增设补、排油装置，成本较高，故应用还不普遍。

本课题设计的液压传动系统类型采用开式液压系统，系统的结构简单。

2.3.2液压回路的选择

液压机械的液压系统虽然越来越复杂，但是一个复杂的液压系统往往是由一些基本回路组成的。

液压基本回路就是由有关液压元件组成，能够完成某一特定功能的基本回路。

在本设计中选择五种回路，分别为调压回路、调速回路、平衡回路、换向回路和卸荷回路。

1）调压回路

调压回路的功用在于调定或限制液压源的最高工作压力，也就是说能够控制系统的工作压力，使它不超过某一预先调定好的数值，或使工作机构在运动过程中的各个阶段具有不同的工作压力。

调压控制回路包括连续调压回路、多级调压回路、恒压控制回路等。

液压源工作压力级的多少，压力在调节、控制或切换方式上的差异，是这种回路出现多种结构方案的原因，也是对它进行评比、选择时要考虑的因素。

该设计选择溢流阀单级调压回路，溢流阀开启压力可通过调压弹簧调定，如果调定溢流阀调压弹簧的顶压缩量，便可设定供油压力的最高值。

系统的实际工作压力有负载决定，当外负载压力小于溢流阀调定压力时，溢流阀处无溢流流量，此时溢流阀起安全阀作用。

2）调速回路

调速阀调速回路由调速阀、溢流阀、液压泵和执行元件等组成。

它通过改变调速阀的通流面积来控制和调节进入或流出执行元件的流量，从而达到调速的目的。

这种调速回路具有结构简单、工作可靠、成本低、使用维护方便、调速范围大等优点。

用流量控制阀实现速度控制的回路有三种基本方式，节流调速回路分为进口节流调速回路、出口节流调速回路、旁通节流调速回路等。

本设计选用单向进油节流调速回路。

用溢流阀和串联在执行元件进油路上的调速阀调节流入执行元件的油液流量，从而控制执行元件的速度。

3）换向回路

往复直线运动换向回路的功用是使液压缸和与之相连的主机运动部件在其行程终端处迅速、平稳、准确地变换运动方向。

简单的换向回路只须采用标准的普通换向阀。

4）卸荷回路

卸荷回路的功用是在液压泵驱动电机不须频繁启闭的情况下，使液压泵在零压或很低压力下运转，以减少功率损失，降低系统发热，延长液压泵和电机的使用寿命。

2.3.3拟定液压传动系统原理图

一个液压传动系统都是由许多的回路组合而成，所以将上面的几个液压回路组合在一起.并对液压系统传动原理图进行必要的修改和整理，拟定出完整的符合要求的液压系统原理图。

液压系统原理图

1--双联叶片泵2—换向阀3--4—调速阀5、6、10、13—单向阀7—外控顺序阀

8--背压阀9--电磁溢流阀11—过滤器14--压力继电器

快进：

2ya通电油路经过油泵12到换向阀2进入有杆腔，再由无杆腔到3行程阀再过2换向阀到13单向阀进入油箱。

工进：

2ya通电油路经过油泵12到换向阀2进入有杆腔，再由无杆腔到（行程阀断电），到5单向阀再过13单向阀进入油箱。

快退：

1ya通电过2换向阀4行程阀不得电，形成通路进入油箱，再由有杆腔到换向阀再到电磁溢流阀到安全阀进入油箱。

2.4液压元件的选择

2.4.1确定液压油泵

液压泵是系统的能源装置，它给系统提供压力油，在液压系统中起心脏作用，液压泵的选择是否恰当，直接影响系统的工作性能。

1）确定液压泵的最大工作压力PP.

PP≥P1+∑△P=（5.13+0.5）=5.63

P1―――液压缸的最大工作压力

∑△P―――进油路上总的压力损失。

简单系统，流速不大的取∑△P=（0.2~0.5）

管路复杂，进口有调速阀的取∑△P=（0.5~1.5

）；

结合系统图选取∑△P=0.5MPa，

因此，泵的额定压力可取（5.63+5.63

）=7.03

2）确定液压泵的流量

快进、快退时泵的流量为

≥k

=1.1

工进时泵的流量为

式中：

k―――系统泄漏系数,一般取k=1.1~1.3;

考虑节流调速系统中溢流阀的性能特点，尚需加上溢流阀稳定工作的最小溢流量，

一般取

，所以小流量泵的流量为

查样本，选用小泵排量为

的YB1型双联叶片泵，额定转速

n=960

，则大泵的额定流量为

因此，大流量泵的流量为

3）选择液压阀门

根据液压系统的工作压力和通过阀类元件和辅助元件的实际流量，结合本课题设计要求，选出液压元件的具体型号和规格，

序号

名称

通过流量

型号

规格

1

溢流阀

3.726L/min

YF-B10

2

单向行程

调速阀

LF-B10C

3

压力继电器

4K-F10D-1

20Mpa

4

电磁换向阀

34BO-10B

16Mpa

5

单向顺序阀

XA-Fa10D-B

6

单向阀

7

双联叶片泵

8

过滤器

2.4.2管件的选择及计算

1）管路、管接头的选择

管件包括管道和管接头。

液压系统中元件与元件之间的连接，液压能量的输送是借助于硬管、软管、油路块及连接板中的流道来实现的。

本设计系统中采用精密无缝钢管（GB/T3639-1983），因其能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好；

卡套式管接头适用于油、气及一般腐蚀性介质的管路系统。

这种管接头结构简单、性能良好、重量轻、体积小、使用方便、不用焊接，是液压系统中较为理想的管路连接件。

因此钢管的接头采用卡套式锥螺纹直通管接头按（GB/T3734.1-1983）选取，这些钢管均要求在退火状态下使用，管道连接采用55º

非密封管螺纹，液压元件及其连接板油口主要使用米制螺纹中的普通细牙螺纹（M）和米制锥螺纹（ZM）。

细牙螺纹的密封性好，常用于高压系统，但需采用组合垫圈或O型密封圈进行端面密封。

2）确定油管的内径

油管的管径不宜选得过大，以免使液压装置的结构庞大；

但也不能选得过小，以免是管内液体流速加大，系统压力损失加大或产生振动和噪音，影响正常工作。

在强度保证的情况下，管壁可尽量选的薄些。

薄璧易于弯曲，规格较多，装接较易，采用它可减少管系接头数目，有利于解决系统的泄漏问题。

液压系统中的泄漏问题大部分出现在管系中的接头上，为此对接头形式的确定，管系的设计及管道的安装应具体考虑。

管道的内径

d=

Q---通过管道的流量；

m3/s

V---管内允许流速；

m/s

允许流速的推荐值

液体流经的管道

推荐速度m/s

液压泵吸油管道

0.5---1.5，一般常取1m/s

液压系统压油管道

3---6，压力高，管道短，粘性小，取最大值

液压系统回油管道

1.5---2.6

所以：

液压泵吸油管道：

d1=

m

液压系统压油管道：

d2=

=m

液压系统回油管道：

d3=

2.5液压缸的设计

液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。

液压缸在液压系统中的作用是将液压能转变成机械能，使机械实现直线往复运动或小于360o的往复摆动运动。

液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。

2.5.1液压缸常用类型

随着液压技术的飞速发展和普遍应用，液压缸的类型也逐渐繁多。

液压缸可分为推力液压缸和摆动液压缸，推力液压缸又可以分为活塞缸、柱塞缸两类，活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度。

本设计课题为组合机床液压机，专门传递推力，属于中压缸。

柱塞缸只能实现一个方向的运动，反向运动要靠外力。

通常成对反向布置使用，这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，不但结构复杂，而且动作不够灵敏，不能满足本设计的要求；

双作用单活塞杆液压缸结构简单，制造便宜，容易操作，安装面积小，可以满足力和运动的要求。

综上所述，液压缸选用单作用活塞缸。

双作用单活塞杆液压缸的活塞、活塞杆和导向套上都装有密封圈，因而液压缸被分隔为两个互不相通的油管，当活塞腔通入高压油而活塞杆腔回油时可实现工作进程，当从反方向进油和回油时可实现快速回程。

2.5.2液压缸主要零部件设计

通用液压缸用途广泛，适用于机床、车辆、重型机械、自动控制等机械的液压传动。

已有国标和国际标准规定其安装尺寸。

液压缸的结构基本上可以分为缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封装置、导向装置和缓冲装置等。

在设计过程中，根据要求结合实际设计要求设计出结构合理，并能实现工作要求的液压缸。

1）缸筒的设计

a.缸筒结构和材料

通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素。

缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。

该设计液压缸筒采用45号钢，缸筒和缸盖之间连接用螺栓连接，虽然外形尺寸较大，重量大，但结构通用性好，缸体加工容易，装卸方便，能充分满足设计要求。

b.对缸筒的要求：

缸筒要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形；

缸筒要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲；

缸筒内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，尺寸公差等级和形位公差等级足以满足活塞密封件的密封性；

需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形。

c.液压缸缸筒长度

活塞宽度B=（0.6～1.0）D=

导向套长度C=（0.6～1.0）D=0.6×

130=78

.

缸筒的强度校验

在前一节中我们已经确定了缸筒的外径和内径，分别为143mm和130mm，现在我们来校验它的强度。

额定工作压力

应低于一定极限值，以保证工作安全即：

≤0.35

---液压缸额定压力

D1-----缸外径

D------缸内径

δs-----材料的极限应力δs=340MPa

所以

≤0.35×

×

340

=21Mpa

本设计课题给定的

为5.13Mpa，所以缸筒工作安全。

d.缸筒制造加工要求

热处理：

调质，硬度为HB≥241～285。

缸体内表面镀铬，厚度为30-40

镀后需进行研磨。

缸筒内径D的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差值应该按照8级精度选取。

缸筒端面对内径的垂直度公差值可按照7级精度选取。

2）缸盖的设计

缸盖分为左缸盖和右缸盖。

缸盖的材料为铸铁

a.缸盖的尺寸的确定

缸盖的尺寸是由导向套、缸筒、活塞杆及固定装置的尺寸来确定。

其法兰的尺寸由安装条件确定。

缸盖与缸筒的内壁的接触面为其定位基准。

缸盖与缸体的内壁接触处采用了O型密封圈进行密封。

为了保证缸盖与缸筒两者轴线的同轴度，其装配面要经过磨削加工，且要保证柱面轴线与法兰面的加工表面有一定的垂直度要求。

左缸盖的进油口安置在上方，而右缸盖的出油口安排在侧面，为了防止漏油，采用直角油管接出，详见下面的图。

b.缸盖的技术要求

缸盖的内孔和外圆的圆柱度公差值，应该按照9、10或者11级精度选取。

缸盖的零件图具体如下：

图2-8左端盖

图2-9右端盖

3）活塞的设计

由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。

配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；

配合过大，会引起液压缸内部泄漏，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。

a.活塞结构型式与材料

根据密封装置型式来选用活塞结构型式。

液压缸的内径和其受力大小来决定。

活塞材料用耐磨铸铁，活塞与缸筒之间的密封圈用0型密封圈，0型密封圈耐高压，耐磨性好，低温性能好。

b.活塞尺寸及加工公差

活塞的宽度一般为活塞外径的0.6～1.0倍。

活塞的外径应略小于缸筒的内径，活塞与缸筒之间是用密封圈来连接的，因为缸筒的内径为130㎜，则取活塞的外径为130㎜，其内孔的大小是根据与之相配合的活塞杆的直径来确定的。

活塞的零件图如图2-10所示：

图2-10活塞

4）活塞杆的设计

a.活塞杆的结构与材料

活塞杆的材料选用45号钢，实心结构同时对活塞杆进行淬火，淬火深度为0.5～1mm。

其两个端部均采用螺纹连接，当活塞杆的端部为螺纹连接时，其尺寸可依据GB2350-80液压缸、气缸活塞杆螺纹尺寸系列查表求得。

b.活塞杆尺寸的确定

前面已经求得活塞杆的最大直径为105mm，根据类比可知符合稳定性要求，活塞杆的总长要根据油缸的行程来确定，本课题的油缸行程为150㎜，再综合其它方面的要求，我选取活塞杆的总长为435㎜。

c.活塞杆的技术要求:

活塞杆的热处理：

粗加工后调质到硬度为229-285HB，必要时，再经高频淬火，硬度达到HRC45-55。

活塞杆上的螺纹，一般应该按照6级精度加工，如载荷较小，机械振动也较小时，允许按照7级或者8级精度制造。

活塞杆的外圆粗糙度Ra值一般为0.1～0.3

太光滑了，表面形成不了油膜，反而不利于润滑，因此该设计选取为0.