液压课程设计-设计一台专用铣床.docx
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液压与气压传动
课程设计
院系:
机械与汽车工程学院
课题名称:
设计一台专用铣床
目录
一、设计题目、目的及求.......................................(一1.设计题目....................................
2.设计的目的.....................................
3.设计的要求..............................
二、负载——工况分析.........................
1.工作负载..........................................
2.摩擦阻力...................................
3.惯性负荷.................................
三、绘制负载图和速度图......................
四、初步确定液压缸的参数...................
1.初选液压缸的工作压力。
...................
2.计算液压缸尺寸。
..........................
3.液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值如下表...
4.绘制液压缸的工况图(图3)....................
五、拟定液压系统图...........................
1.选择液压基本回路..........................
2.组成系统图.............................
六、选择液压元件...........................
1.确定液压泵的容量及电动机功率..............
2.控制阀的选择...........................
3.确定油管直径..........................
4.确定油箱容积..............................
七、液压系统的性能验算......................
1.液压系统的效率..........................
2.液压系统的温升........................
参考文献..............................
一、设计题目、目的及求
1.设计题目
设计一台专用铣床,工作台要求完成快进-工作进给-快退-停止的自动工作循环。
铣床工作台重量4000N,工件及夹具重量1500N,铣削阻力最大为9000N,工作台快进、快退速度为4.5m/min,工作进给速度为0.06~1m/min,往复运动加、减速时间为0.05s,工作台采用平导轨,静、动摩擦分别为fs=0.2,fd=0.1,工作台快进行程为0.3m。
工进行程为0.1m,试设计该机床的液压系统。
2.设计目的
液压传动课程设计是本课程的一个综合实践性教学环节,通过该教学环节,要求达到以下目的:
1.巩固和深化已学知识,掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤,培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题能力;
2.正确合理地确定执行机构,选用标准液压元件;能熟练地运用液压基本回路、组合成满足基本性能要求的液压系统;
3.熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。
对学生在计算、制图、运用设计资料以及经验估算、考虑技术决策、CAD技术等方面的基本技能进行一次训练,以提高这些技能的水平。
3.设计的要求
1.设计时必须从实际出发,综合考虑实用性、经济性、先进性及操作维修方便。
如果可以用简单的回路实现系统的要求,就不必过分强调先进性。
并非是越先进越好。
同样,在安全性、方便性要求较高的地方,应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件,不能单独考虑简单、经济;
2.独立完成设计。
设计时可以收集、参考同类机械的资料,但必须深入理解,消化后再借鉴。
不能简单地抄袭;
3.在课程设计的过程中,要随时复习液压元件的工作原理、基本回路及典型系统的组成,积极思考。
不能直接向老师索取答案。
4.液压传动课程设计的题目均为中等复杂程度液压设备的液压传动装置设计。
5.液压传动课程设计一般要求学生完成以下工作:
⑴设计计算说明书一份;
⑵液压传动系统原理图一张(3号图纸,包括工作循环图和电磁铁动作顺序表)。
二、负载——工况分析
1.工作负载
Fw=1000pv=1000pπDn60×1000=60×106pπDn=60×7.5×106π×350×120N=3410.46N
2.摩擦阻力
Ffj=fjG1+G2=0.2×4000+1500N=1100N
Ffd=fdG1+G2=0.1×4000+1500N=550N
3.惯性负荷
Fg=G1+G2gvt=4000+15009.81×4.50.05×60N=840.98N
查液压缸的机械效率ηcm=0.9,可计算出液压缸在各工作阶段的负载情况,如下表表1所示:
表1液压缸各阶段的负载情况
工况
负载计算公式
液压缸负载FN
液压缸推力/N
启动
F=Ffj
1100
1222.22
加速
F=Ffd+Fg
1390.98
1545.53
快进
F=Fd
550
611.11
工进
F=Ffd+Fw
3960.46
4400.51
快退
F=Fd
550
611.11
三、绘制负载图和速度图
根据工况负载和以知速度v1和v2及行程S,可绘制负载图和速度图如下图(图1、图2)所示
四、初步确定液压缸的参数
1.初选液压缸的工作压力
根据液压缸最大推力为12789N(表2-1),以及书本的推荐值,初选工作压力为Pa.
2.确定液压缸尺寸
由于铣床工作台快进和快退速度相同,因此选用单杆活塞式液压缸,并使A1=2A2,快进时采用差动连接,因管路中有压力损失,快进时回油路压力损失取∆p=5×105Pa,快退时回油路压力损失亦取∆p=5×105Pa。
工进时,为使运动平稳,在液压缸回路油路上须加背压阀,背压力值一般为Pa,选取背压P2=8×105Pa。
快退时回油腔中是背压的,这是p2可以按0.6
根据p1+A1=p2A2+F0,可求出液压缸大腔面积A1为
A1=F0p1-0.5p2=12789(30-0.5×8)×105=0.0049m2D=4A1π=4×0.00493.14=0.079m=79mm
根据GB2348-80圆整成就近的标准值,得D=80mm,液压缸活塞杆直径d=D2=56.56mm,根据GB2348-80就近圆整成标准值d=63mm,于是液压缸实际有效工作面积为
A1=π4D2=π4×0.082=0.005m2
A2=π4D2-d2=π40.082-0.0632=0.002m2
3.液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算值
表4-1各阶段的压力、流量和功率的计算值
工况
推力
F0/N
回油腔压力
p2/MPa
进油腔压力
p1/MPa
输入流量
输入功率
P/KW
计算公式
快进
起动
1222
0
0.711
——
——
p1=F0+A2∆pA1-A2
q=(A1-A2)v1
P=p1q
加速
1056
p1+∆p
∆p=0.5MPa
0.64
——
——
恒速
611
0.52
16.56
0.135
工进
12789
0.8
2.88
3.51
0.168
p1=F0+p2A2A1
q=A1v1
P=p1q
快退
启动
1133
0
2.07
——
——
p1=F0+p2A1A2
q=A2v3
P=p1q
加速
920
0.6
1.96
——
——
恒速
567
1.78
11.04
0.328
4.绘制液压缸工况图
根据表4-1计算结果,绘制液压缸的工况图,如图4-2所示
F(N)
2.88
16.56
0.135
3.51
0.711
0.52
0.168
500 800 S(mm)
1.78
1.96
11.04 2.07
0.328
P P/MPa
q q/L/mln
p p/km
图4-2工况图
五、拟定液压系统图
1.选择液压基本回路
①调速回路
由工况图4-2可知,该铣床液压系统功率小,因此选用节流调速方式,滑台运动速度低,工作负载为阻力负载且工作中变化小,故可选用进口节流调速回路。
为防止铣削时负载突然消失引起运动部件前冲,在回油路上加背压阀。
由于系统选用节流调速方式,系统必然为开式循环系统。
考虑到铣削加工中有顺铣和逆铣两种工况,宜采用调速阀来保证速度稳定,并将调速阀装在液压缸回油路上起阻力作用,使工作台低速运动时比较平稳,如图5-1(a)和5-1(A)所示,由于本系统滑台由快进转为工进时,速度变化不大,为减少速度换接时的液压冲击,从节约成本考虑,而从提高系统效率、节省能量角度来看,选用双联叶片泵油源显然是不合理的,如图5-3b所示,其结构复杂,控制也复杂,所以不适宜选用此方案。
②换向回路和卸荷回路
铣床工作台采用单活塞杆液压缸驱动。
由工况图可知,系统压力和流量都不大,同时考虑工作台工作一个循环后装夹时间比较长,为方便工作台的手动,选用三位四通U型电磁换向阀,并由电气行程开关配合实现自动换向,如图5-2b所示
③快速运动回路
为实现工作台快速进给,选用二位三通电磁换向阀构成液压缸的差动连接。
这种差动连接的快速运动回路,结构简单,也比较经济,如图5-2a所示。
在图5-2a-b中结构复杂不利于控制,所以选择5-2a所示的回路,一起同5-2b组成的快速、换向回路,同样可以实现差动连接。
同时验算回路的压力损失比较简便,所以不选用图5-2a-b所示的回路。
④压力控制回路
由于液压系统流量很小,铣床工作台工作进给时,采用回油路节流调速,故选用定量泵供油比较、经济,如图5-1a所示.调压回路采用先导式溢流阀维持液压泵出口压力恒定。
当换装工件时,工作台停止运动,液压泵卸荷回路采用小型二位三通电磁阀控制先导型溢流阀,实现液压泵的卸荷。
而从提高系统效率、节省能量角度来看,选用如图5-3b所示。
2.液压系统图
根据以上选择的液压基本回路,合成为图5-2所示的定量泵-回油路节流调速液压系统图。
六、选择液压元件
1.选择液压泵容量和驱动电机功率
取液压系统的泄漏系数K=1.1则液压泵的最大流量qB≥K(qi)max=1.1×16.56=18.216L/min,根据拟定的液压系统是采用回油路节流调速,进油路压力损失选取∆p=8×105Pa,压力续电器压力高出系统最大工作压力之比为0.5MPa故液压泵工作压力为:
pB=p1+∆p=2.88+0.5×106=3.35×106Pa
根据QB、pB和已选定的单向定量泵型式,查手册书选用型定量叶片泵。
该泵额定排量为14.4mL/rev,额定转速1500r/min,由工况图知,最大功率在快退阶段,如果取液压泵的效率为为0.75,驱动液压泵最大输入功率NB为:
NB=p1QBηB=3.35×106×18.2160.75×60×1000=1.36KW
查手册选取Y2-100L-6的三相异步电动机
2.选择控制元件
根据系统最大工作压力和通过控制元件的最大流量,选用各类阀的规格见表6-1.
表6-1选择各种阀件的规格
序号
元件名称
最大通流量/(L/min)
型号规格
1
定量叶片泵
21
2
溢流阀
21
Y—10B
3
三位四通电磁阀
21
34D—10B
4
单向调速阀
21
QI—10B
5
二位三通电磁阀
21
23D—10B
6
单向阀
21
I—10B
7
过滤器
21
XU—B
3.选用辅助元件
油管:
各元件连接管道的规格按元件接口处尺寸决定,液压缸进,出油管则按输入排量的最大流量计算,由于液压泵具体选定之后,液压缸在实际快进、工进和快退运动阶段的运动速度、时间以及进入和流出液压缸的流量,与原定数值不同,重新计算的结果如表6-2所列
表6-2各液压缸的进、出流量和运动速度
流量、速度
快进
工进
快退
输入流量/
q1=qBA1A1-A2=18.216×0.0050.005-0.02=30.36
q1=3.51
q1=18.216
排出流量/
q2=A2q1A1=12.14
q2=A2q2A1=1.4
q2=A1q1A2
运动速度/
v1=qBA1-A2=6.072
v2=q1A1=0.07
v3=q1A2=9.108
表3中数据说明液压缸快进快退速度与设计要求相近,这表明所选液压泵型号,规格是适合的。
根据表3数值,当油液在压力管中速度取=3m/s,由式d=qπv计算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为
d=qπv=2×(30.36×106)(3×3.14×103×60)mm=18.9mm
d=qπv=2×(18.216×106)(3×3.14×103×60)mm=14.55mm
为了统一规格,按产品样本(GB/T8163)选取所有管子均为内径Φ15mm、外径Φ18mm的无缝钢管。
滤油器:
液压泵吸油口需装粗滤油器,选用XU-16100J线隙式100进口滤油器,进出液压缸无杆腔的流量,在快退和差动工况时为,所以管道流量按计算。
油箱容量:
由下式计算有效容积V,取系数K=5,Q=21L/min,则有
V=kq=5×21=105L=105×10-3m3
根据书中标准,可取油箱的容积V=150L,油箱见附图1,管道尺寸由选定的标准元件连接口尺寸确定。
七、液压系统性能验算
1.回路中压力损失
回路压力损失计算应在管道布置图完成后进行,必须知道管道的长度和直径。
管道直径按选定元件的接口尺寸确定,即d=15mm,长度在管道布置图未完成前暂按进油管、回油管均为L==2m估算。
油液运动粘度取v=1.5×10-4m2s,在此设计中主要验算工进和快退工况时的压力损失。
2.工进时压力损失
进油管路压力损失:
首先判别进油管液流状态,由于雷诺数
Rε=vdV=4QπdV=4×0.1×10-3π×15×10-3×1.5×10-4=56.58<2000故为层流。
管路沿层压力损失:
∆PL=4.3×V×Q×Ld4×1016=4.3×1.5×10-4×0.1×10-3×2154×1016=1.01×105Pa
取管道局部损失∆Pξ=0.1×∆PL=0.11×105Pa
油液流经单向阀和三位四通换向阀的压力损失按下面公式计算,有关数据见表6-1
∆PV=∆PVnQVQVn2=1.5×105(0.2560.417)2+2×105(0.2560.417)2=1.32×105Pa
工进时进油路总压力损失:
∆p=∆PL+∆Pζ+ΔPV=2.75×105Pa
工进时回油路压力损失:
因回油管路流量为
q2=q22=3.51×10-32×60=0.0293×10-3m3s
液流状态经判断为层流Re=84.84<2000,于是沿程压力损失:
∆PL=4.3×V×q×Ld4×1016=4.3×1.5×10-4×0.0293×10-3×2104×1016=0.157×105Pa
局部压力损失:
∆Pζ=0.1×∆PL=0.0157×105Pa
回油路中油液流经二位三通换向阀、调速阀和三位四通换向阀时的压力损失计算方法同上,即
∆PV=∆PVn(QVQVn)2=1×105(0.1280.417)2+5×105+2×105(0.1280.417)2=5.28×105Pa
工进时回油路总压力损失
∆p''=∆PL+∆PV=5.45×105Pa
将回油路中压力损失折算到进油路上,就可求出工进时回路中整个压力损失∆p=∆p'+∆p''A2A1=2×105+5.45×105×0.0020.005=4.18×105Pa
3.快退时压力损失
快退时进油路和回油路中经检查都是层流,回油路压力损失为:
∆PL=4.3×V×Q×Ld4×1016=4.3×1.5×10-4×0.225×10-3×2154×1016=1.34×105Pa
∆Pζ=0.1∆P=1.34×105
进油路中油液流经单向阀、三位四通换向阀、单向调速阀(反向时)以及二位三通换向阀时压力损失计算方法同前
∆PV=∆PVn(QVQVn)2=1.5×105(0.2560.417)2+2×105(0.2560.417)2+1×105(0.2560.417)2=1.7×105Pa
快退时进油路总压力损失:
∆p'=∆PL+∆Pζ+ΔPV=2.394×105Pa
快退时回油路中压力损失:
由于,则有
∆PL=4.3×V×Q×Ld4×106=4.3×1.5×10-4×2×0.225×10-3×2104×1016=2.95×105Pa
∆Pζ=0.1∆P=0.295×105Pa
∆PV=∆PVn(QVQVn)2=2×105(2×0.2560.417)2=2.46×105Pa
回油路总压力损失:
∆p''=∆PL+∆Pζ+∆PV=5.765×105Pa
将回油路中的压力损失折算到进油路上去,可得到快推时回油路中的整个压力损失:
∆p=∆p'+∆p''+A2A1=3.24×105+5.765×105×0.0020.005=7.12×105Pa
这个数值比原来估计的数值大,因此系统中元件规格和管道直径不宜再减小。
4.确定液压泵工作压力
工进时,负载压力pL=FA1=127890.005=64.125Ncm2=2.56×106Pa
液压泵工作压力pgj≥pL+∆p=(25.6+4.8)×105Pa
快退时,负载压力:
pL'=FA2=9200.002=4.6×105Pa
液压泵的工作压力:
pkt≥pL+∆p=(4.6+6)×105Pa
根据pgj,则溢流阀调整压力取。
5.液压系统的效率
由于在整个工作循环中,工进占用时间最长,因此,系统的效率可以用工进时的情况来计算。
工进速度为,则液压缸的输出功率为Nc=FV=12789×0.007=89.5W
液压泵的输出功率:
NB=pq=32×105×0.0585×10-3=187.2W
工进时液压回路效率:
ηC=NCNB=0.48
液压系统效率η=ηBηYηC,取液压泵效率ηB=0.75,液压缸效率取ηY=0.88,于是η=ηBηYηC=0.75×0.88×0.48=0.314
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