课程设计（论文）-卧式钻孔组合机床液压系统设计

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No 1

目 录

1 题目 ……………………………………………………………………… 3 2 技术参数和设计要求 …………………………………………………… 3 3 工况分析 ………………………………………………………………… 3 4 拟定液压系统原理图 …………………………………………………… 5 4.1 确定供油方式 ……………………………………………………… 5 4.2 调速方式的选择 …………………………………………………… 5 4.3 速度换接方式的选择 ……………………………………………… 5 5 液压系统的计算和选择液压元件……………………………………… 6

5.1 液压缸主要尺寸的确定 ………………………………………… 6 5.1.1 工作压力P的确定 …………………………………………… 6 5.1.2 计算液压缸内径D和活塞杆直径d ………………………… 6 5.1.3 计算在各工作阶段液压缸所需的流量 ……………………… 7 5.2 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格 …………………… 7 5.2.1 泵的工作压力的确定 ………………………………………… 7 5.2.2 泵的流量确定 ………………………………………………… 8 5.2.3 选择液压泵的规格 …………………………………………… 8 5.2.4 与液压泵匹配的电动机的选定 ……………………………… 8 5.3 液压阀的选择 …………………………………………………… 9 5.4 确定管道尺寸 …………………………………………………… 9 5.5 液压油箱容积的确定 …………………………………………… 9 6 液压系统的验算………………………………………………………… 10

6.1 压力损失的验算 ………………………………………………… 10 6.1.1 工作进给时进油路压力损失 ………………………………… 10 6.1.2 工作进给时回油路的压力损失 ……………………………… 10 6.1.3 变量泵出口处的压力Pp ……………………………………… 11 6.1.4 快进时的压力损失 …………………………………………… 11 6.2 系统温升的验算 ………………………………………………… 12 7 液压缸的设计 …………………………………………………………… 12

7.1 液压缸工作压力的确定 …………………………………………… 12 7.2 液压缸的内径D和活塞杆d前面已经计算 ……………………… 12

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No 2

7.3 液压缸的壁厚和外径的计算 …………………………………… 12 7.4 缸盖厚度的确定 ………………………………………………… 13 7.5 最小导向长度 …………………………………………………… 13 7.6 导向滑动面长度 ………………………………………………… 13 7.7 活塞宽度 ………………………………………………………… 13 7.8 隔套的长度 ……………………………………………………… 13 7.9 缸体长度 ………………………………………………………… 13 8 结束语 ………………………………………………………………… 13 9 参考文献 ……………………………………………………………… 13

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1. 设计题目：卧式钻孔组合机床液压系统设计 2.技术参数和设计要求

No 3

设计一台卧式钻孔组合机床的液压系统，要求完成如下工作循环：快进 →工进 → 快退 → 停止。机床的切削力为2 ×104N，工作部件的重量为7.8×103 N，快进与快退速度均为6 m/min，工进速度为0.05 m/min，快进行程为100 mm，工进行程为50 mm，加速、减速时间要求不大于0.2 s，采用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。设计该组合机床的液压传动系统。 3 工况分析

根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图

速度循环图

液压缸所受外负载F包括三种类型，即

F = Fw+ Ff + Fm 式中：Fw — 工作负载；

Fm — 运动部件速度变化时的惯性负载；

Ff — 导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，

对于平导轨 Ff可由下式求得：

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Ff = f ×G

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G — 运动部件重力； f — 导轨摩擦系数 于是可得：

Ffs = 0.2×7.8×103 =1560N Ffd = 0.1×7.8×103=780N

上式中，Ffs为静摩擦阻力，Ffd为动摩擦阻力。 Fm = GΔv/(g.Δt)

No 4

式中：g — 重力加速度；Δt — 加速或减速时间；Δv —Δt时间内的

进度变化量 在本例中

Fm = 7.8 ×103×6/(9.8×0.2×60) = 398N 根据上述计算结果，列出各工作阶段所受外负载 工作循环 启动、加速 快进

4 拟定液压系统原理图 4.1 确定供油方式

考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低，而在快进、快退时负载较小，速度较高，从节省能量，减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油，现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。

4.2 调速方式的选择

在中小型专业机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据钻孔类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承受负切削力的能力。

4.3 速度换接方式的选择

本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比

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外负载F(N) F=Ffs+Fm F=Ffd 1958 780 工作循环 工进 快退 外负载F(N) F=Ffd+Fw F=Ffd 20780 780

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平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。

No 5

较方便、阀的安装也较简单，但速度换接的平稳性较差。若要提高系统的换接

5 液压系统的计算和选择液压元件

5.1 液压缸主要尺寸的确定

5.1.1 工作压力P的确定

工作压力P可根据负载大小及机器的类型来初步确定，现参阅指导书表2-1取液压缸的工作压力为3-5Mpa，本系统取液压缸的工作压力为5Mpa.

5.1.2 计算液压缸内径D和活塞杆直径d

由负载图知最大负载F为20780N，按指导书表2-2执行元件背压的估算值：可取P2为0.5MPa，ηcm为0.95，考虑到快进、快退速度相等，取d/D为0.7。将上述数据代入公式可得

D ={（4×20780)/[3.14×50×100000×0.95(1-5(1-0.72)/5 0)]}1/2 =0.084 (m) 圆整为标准值100mm.

根据指导书表2-4液压缸内径尺寸系列（GB2348-80），将液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm，活塞杆直径d，按d/D=0.7及指导书表2-5活塞杆

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直径尺寸系列（GB2348-80）活塞杆直径系列取d=70mm。

按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度，可得： A≥Qmin / Vmin =0.05×1000/5=10(cm2)

No 6

式中：Qmin是由产品样本查得GE系列调速阀AQF3-E10B的最小稳定流量为0.05L/min。

A=π×(D2-d2)/4 =π×(102-72)/4 = 40(cm2)

可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。

5.1.3 计算在各工作阶段液压缸所需的流量

Q(快进) = πd2V(快进)/4 =π(0.07)2×6/4 = 23.08(L/min) Q(工进) = πD2V(工进)/4 =π(0.1)2×0.05/4 = 3.93(L/min) Q(快退) = π(D2-d2)V(快退)/4 =π(0.12-0.072)×6/4

= 24.02(L/min)

5.2 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格

5.2.1 泵的工作压力的确定

考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为 Pp = P1 +Σ

Δ

p

式中：Pp — 液压泵最大工作压力；

P1 — 执行元件最大工作压力； Σ

Δp

— 进油管路中的压力损失，初算是简单系统可取0.2~0.5MPa，

复杂系统可取0.5~1.5MPa。本题中取0.5MPa。

因此Pp = P1 +Σ

Δ

p = 5+0.5 = 5.5(MPa)

上述计算所得的Pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力Pa应满足Pa≥(1.25~1.6)Pp。中低压系统取小值，高压系统取大值。在本题中Pa = 1.3Pp，Pp =5.5MPa。

5.2.2 泵的流量确定

液压泵的最大流量应为 Qp ≥ KL(ΣQ)max

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式中：Q — 液压泵的最大流量；

No 7

(ΣQ)max — 各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正

进行工作，尚须加1溢流阀的最小流量2~3 L/min；

KL — 系统泄露系数，一般取1.1~1.3，现取KL = 1.2。

因此Qp = KL(ΣQ)max = 1.2×24.02= 28.82(L/min)

5.2.3 选择液压泵的规格

根据以上算得的Pp和Qp，查阅有关手册，现选用YBX—25限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：每转排量q = 25mL/r，泵的额定压力P0 = 7.3MPa，电动机转速n0 = 1450r/min，容积效率ηv = 0.85，总效率η= 0.72。

5.2.4 与液压泵匹配的电动机的选定

首先分别算出快进与工进两种不同工况时的功率，取两者较大值作为选择电动机规格的依据。由于在慢进时泵输出的流量减小，泵的效率急剧降低，一般当流量在0.2~1L/min范围内时，可取η= 0.03~0.14。同时还应注意到，为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时不致停转，需进行验算，即

Pb = Qp/η≤Pd

式中：Pd — 所选电动机额定功率；

Pb — 限压式变量泵的限定压力； Qp — 压力为Pb时，泵的输出流量。

首先计算快进时的功率，快进时的外负载为780N，进油路的压力损失定为0.3MPa，由公式可得：

Pb = [780/(π0.072/4) ×10-6+0.3] = 0.50MPa 快进时所需电机功率为：

P = PbQp/η= 0.50×23.08/(60×0.72) = 0.267(kW) 工进时：

Pb=[20780/(π0.12/4) ×10-6+0.3] = 2.947(MPa) 工进时所需电机功率为：

P = PbQp/η= 2.947×3.93/(60×0.72) = 0.268(kW)

查阅电动机产品样本，选用Y90S—4型电动机，其额定功率为1.1kW，额定转速为1400r/min。

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根据产品样本可查得YBX—25的流量压力特性曲线。再由已知的快进时流量为23.08L/min，工进时的流量为3.93L/min，压力为4.5MPa，作出泵的实际工作时的流量压力特性曲线，如图3-1所示，查得该曲线拐点处的流量为30L/min，压力为3MPa，该工作点对应的功率为 P = 3×30/（60×0.7）= 2.14（kW）

所选电动机功率满足要求，拐点处能正常工作。

图3-1 YBX—25液压泵特性曲线

1—额定压力下的特性曲线；2—实际工作时的特性曲线

5.3 液压阀的选择

该液压系统可采用力士乐系列阀或GE系列阀。本题均选用GE系列阀。根据所拟定的液压系统图，按通过各元件的最大流量来选择液压元件的规格。选定的液压元件如下表：

序号 1 2 元件名称 滤油器 液压泵 代码 XU—C32×100 YBX—25 额定流量(L/min) 32 30 沈阳理工大学

3 4 5 6 7 沈阳理工大学课程设计专用纸

压力表开关 三位四通换向阀 单向调速阀 溢流阀 二位四通换向阀 KF3—EA10B 34EF3P—E10B QF3—E10B YF3—10B 24EF3M—E10B 60 50 63 60 No 9 5.4 确定管道尺寸

油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统油路流量为差动时流量Q = 55L/min，压油路的允许流速取V = 4m/s，则内径d = 4.6(Q / V)1/2 = 4.6(55 / 4)1/2 = 17.06(mm)

若系统主油路流量按快退时取Q = 24.02L/min，则可算得油路内径d = 12.28mm。

综合诸因素，现取油管的内径d为15mm。吸油管同样可按上式计算，现参照YBX—25变量泵吸油口连接尺寸，出吸油管内径d为25mm。

5.5 液压油箱容积的确定

本题为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的5~7倍来确定，现选用容量为160L的油箱。

6 液压系统的验算

已知该液压系统的进、回油管的内径均为15mm，各段管道的长度分别为：AB = 0.3m，AC = 1.7m，AD = 1.7m，DE = 2m。选用L—HL32液压油，考虑到油的最低温度为15℃，查得15℃时该液压油的运动粘度为

υ= 150cst = 1.5cm2/s 油的密度 ρ= 920kg/m3

6.1 压力损失的验算

6.1.1 工作进给时进油路压力损失

运动部件工作进给时的速度为0.05m/min，进给时的最大流量为3.93L/min，则液压油在管内流速v1为：

v1=Q/(πd2/4)=4×3.93×1000/(3.14×1.52) =2225(cm/min)=37.08(cm/s)

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管道流动雷诺数Re1为

Re1 = v1d/υ=37.08×1.5/1.5 = 37.08 < 2300

可见油液在管道中流态为层流，其沿程阻力系数λ1=75，Re1=0.68. 进油管道的沿程压力损失Δp1-1为

Δp1-1=λ(l/d）/(ρv2/2)

=0.68×(1.7+0.3)/(0.015×920×0.37082/2) =1.43MPa

查得换向阀34EF3P—E10B的压力损失Δp1-2= 0.5MPa。

忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路的总压力损失 Δp1=Δp1-1+Δp1-2 = 1.43 + 0.5 = 1.93(MPa)

6.1.2 工作进给时回油路的压力损失

No 10

由于选用单活塞杆液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积是无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管道的二分之一，则

v2 = v1/2 = 37.08/2 = 18.54(cm/s)

Re2 = v2d/υ= 18.54×1.5/1.5 = 18.54 < 2300 λ2 = 75/Re2 = 75/18.54 = 4.05 回油管道的沿程压力损失Δp2-1为

Δp2-1=λ2(l/d) /( ρv2/2)

=4.05(1.7+0.3)/(0.015×920×0.18542/2) =3.41Mpa

查产品样本知换向阀24EF3M—E10B的压力损失为Δp2-2=0.025MPa，调速阀QF3—E10B的压力损失Δp2-3=0.5MPa。 回油路总压力损失Δp2为

Δp2=Δp2-1+Δp2-2 +Δp2-3 =3.41+0.025+0.5 = 3.935(MPa)

6.1.3 变量泵出口处的压力Pp

Pp = (F/η

cm+A2Δ

p2)/A1+Δp1

=(20780/0.95+40.05×0.6×100)/0.007854+1.96 =3.38(MPa)

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6.1.4 快进时的压力损失

No 11

快进时液压缸为差动连接，自汇流点A至液压缸进油口C之间的管路AC中，流量为液压泵出口流量的两倍，即72.5L/min，AC段管路的沿程压力损失Δp1-1为：

v1=Q/(πd2/4)=4×72.5×1000/(3.14×1.52×60)=1069(cm/s) Re1 = v1d/υ = 1069×1.5/1.5 = 1069 λ1 = 75/Re1 = 75/1069 = 0.07

Δp1-1=λ1(l/d) /( ρv1/2)=0.07×(1.7/0.015)/(920×10.692/2) =0.154(MPa)

同样可求管道AB段和AD段的沿程压力损失Δp1-2和Δp1-3为：

Δp1-2=0.024MPa、Δp1-3=0.13MPa 查产品样本知，流经各阀的局部压力损失为：

换向阀24EF3M—E10BΔp2-1 = 0.15MPa 调速阀QF3—E10BΔp2-2 = 0.15MPa 故差动连接时，泵的出口压力Pp为：

Pp = 2Δp1-1+Δp1-2+Δp1-3+Δp2-1+Δp2-2+F/(A2η

cm) = 2.63(MPa)

快退时压力损失验算从略，上述验算表明，无需修改原设计。

6.2 系统温升的验算

在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进速度大时发热量较大，计算如下：

v=0.05m/min：

流量Q=v(πd2/4)= π×0.12×0.05/4=0.393(L/min) 此时泵的效率为0.1，泵的出口压力为3.38Mpa 则有：

P(输入) = 3.38×0.393/(60×0.1) = 0.221(kW) P(输入)= Fv = 20780×10/60×102×103 = 0.0346(kW) 此时的压力损失为：

ΔP = P(输入) - P(输入) = 0.221K-0.0346KW=0.1864KW

假定系统的散热状况一般，取K=10×10-3 =kW/(cm2℃)，油箱的散热面积A为1.92cm2，则系统的温升为：

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ΔT =ΔP/KA = 0.1864/(10×10-3 ×1.92) = 9.708(℃) 验算表明系统的温升在许可范围内。 7 液压缸的设计

7.1 液压缸工作压力的确定 选择5MP

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液压缸工作压力主要根据液压设备类型确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力也不同。

7.2 液压缸的内径D=100mm 7.3 液压缸的壁厚和外径的计算

液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算

液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度，从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异，一般计算时可分为薄壁圆筒，起重运输机械和工程机械的液压缸一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算

ζ≥PD/2[δ]

公式中：ζ为液压缸壁厚（m） D为液压缸内径（m）

P试验压力，一般取最大工作压力的（1.25-1.5倍）（Mpa）

[δ]缸筒材料的许用应力：锻钢110-120，铸钢100-110，无缝钢管100-110

高强度铸铁60，灰铸铁25， 单位（Mpa）

ζ≥PD/2[δ]=5×1.5×0.10/（2×110）=3.41mm

故取ζ=5mm

液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径D1为

D1≥D+2ζ=100+2×5=110mm 取D1=110

7.4 缸盖厚度的确定

一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两个公式进行近似计算

无孔时：t≥0.433D（P／【ζ】）

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式中，

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有孔时：t≥0.433D{PD／【ζ】（D－d）}

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t----------缸盖有效厚度 D---------缸盖止口内直径 d----------缸盖孔的直径

7.5 最小寻向长度的确定

H≥L/20+D/2=150/20+100/2=57.5mm（L为液压缸的最大行程150mm，D为液压缸的内径100mm） 7.6 导向滑动面长度

A=(0.6～1.0)×d==(0.6～1.0)x70=（42～70）mm，取A=45mm 7.8 隔套的长度

C=H－(A+B)/2=57.5-(45+60)/2=57.5-52.5=5mm 7.9缸体长度

L﹤(20～30)D=（2000～3000）mm

8．结束语

一周的液压课程设计结束了，在本次课程设计是关于卧式钻孔组合机床液压系统设计。本次课程设计从最原始的条件推出零件图，经过确定液压系统工况分析确定液压缸主要尺寸，然后进行尺寸校核，最终确定最后尺寸。这次课程设计让我把以前遗忘的知识又拾了起来，本次设计提高了我的动手能力，查资料能力，对液压循环图流程，液压泵内部结构有了更深的理解，可以说收获很多。 9 参考文献

左健民. 《液压与气动传动》. 北京, 机械工业出版社, 2005

宋锦春, 苏东海, 张志伟. 《液压与气动传动》. 北京, 科学出版社, 2006

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