小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題目小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)號(hào):20121651系另H：機(jī)電工程系專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)：12級(jí)機(jī)機(jī)制（6）班指導(dǎo)教師：惠振亮年 月曰蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、課程設(shè)計(jì)的目的學(xué)生在完成液壓傳動(dòng)與控制課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用所學(xué)的液壓基本知 識(shí)，根據(jù)液壓元件，各種液壓回路的基本原理，獨(dú)立完成液壓回路設(shè)計(jì)任務(wù)；從 而使學(xué)生在完成液壓回路設(shè)計(jì)的過程中，強(qiáng)化對(duì)液壓元器件性能的掌握，理解不同回路在系統(tǒng)中的各自作用。能夠?qū)W(xué)生起到加深液壓傳動(dòng)理論的掌握和強(qiáng)化實(shí) 際應(yīng)用能力的鍛煉。2、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求

2、、工作要求等）設(shè)計(jì)一臺(tái)小型液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)快速空程下行一一慢速加壓一一保壓快速回程一一停止的工作循環(huán)?？焖偻邓俣葹?m/mi n,加壓速度為40250m葉min,壓制力為200kN,運(yùn)動(dòng)部件總重量為 20kN。3、主要參考文獻(xiàn)1 成大先機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.2 李壯云.中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典M。南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.13 王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.84 雷天覺液壓工程手冊(cè)。北京。機(jī)械工業(yè)出版社。1990液壓機(jī)是一種用靜壓來加工金屬、塑料、橡膠、粉末制品的機(jī)械，在許多 工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)

3、械的設(shè)計(jì)工作中占有 重要的地位。液體傳動(dòng)是以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的一種傳動(dòng)系 統(tǒng)。本文利用液壓傳動(dòng)的基本原理， 擬定出合理的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖， 再經(jīng)過必要 的計(jì)算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格。確保 其實(shí)現(xiàn)快速下行、慢速加壓、保壓、快速回程、停止的工作循環(huán)。關(guān)鍵詞：液壓機(jī)、課程設(shè)計(jì)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘 要 1 任務(wù)分析 01.1 技術(shù)要求 01.2 任務(wù)分析 02 方案的確定 12.1 運(yùn)動(dòng)情況分析 13 工況分析 23.1 工作負(fù)載 23.2 摩擦負(fù)載 2其中液壓缸 3.3 慣性負(fù)載 23.4 自重 23.5 液壓缸在各工作階段的負(fù)載值 24 負(fù)載圖

4、和速度圖 35 液壓缸主要參數(shù)的確定 45.1 液壓缸主要尺寸的確定 45.2 計(jì)算在各工作階段液壓缸所需的流量 56 液壓系統(tǒng)圖 66.1 液壓系統(tǒng)圖分析 66.2 液壓系統(tǒng)原理圖 77 液壓元件的選擇 97.1 液壓泵的選擇 97.2 閥類元件及輔助元件 97.3 油箱的容積計(jì)算 108 液壓系統(tǒng)性能的運(yùn)算 108.1 壓力損失和調(diào)定壓力的確定 108.2 油液溫升的計(jì)算 128.3 散熱量的計(jì)算 13結(jié)論 14參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤! 未定義書簽。1 任務(wù)分析1.1 技術(shù)要求設(shè)計(jì)一臺(tái)小型液壓壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)， 要求實(shí)現(xiàn)快速空程下行慢速加壓 保壓快速回程停止的工作循環(huán)，快速往返速度為V1 =3 m

5、/min ，加壓速度V2 =40-250mm/min, 其往復(fù)運(yùn)動(dòng)和加速（減速）時(shí)間 t=0.02s ，壓制力為 200KN， 運(yùn)動(dòng)部件總重為20KN,工作行程400mm,靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)fd=0.1 油缸垂直安裝，設(shè)計(jì)該壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)傳動(dòng)。1.2 任務(wù)分析根據(jù)滑塊重量為20KN，為了防止滑塊受重力下滑，可用液壓方式平衡滑 塊重量。設(shè)計(jì)液壓缸的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間為 t=0.02s 。液壓機(jī)滑塊上下為直線往 復(fù)運(yùn)動(dòng)，且行程較小 , 故可選單桿液壓缸作執(zhí)行器 , 且液壓缸的機(jī)械效率 cm 0.9 。因?yàn)橐簤簷C(jī)的工作循環(huán)為快速下降、慢速加壓、保壓、快速回程四個(gè) 階段。各個(gè)階段的轉(zhuǎn)換由

6、一個(gè)三位四通的換向閥和一個(gè)二位二通的換向閥控制。 當(dāng)三位四通換向閥工作在左位時(shí)實(shí)現(xiàn)快速回程。 中位時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓泵的卸荷， 亦即 液壓機(jī)保壓。 工作在右位時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓泵的快進(jìn)和工進(jìn)。 其工進(jìn)速度由一個(gè)調(diào)速閥 來控制。 快進(jìn)和工進(jìn)之間的轉(zhuǎn)換由二位二通換向閥控制。 液壓機(jī)快速下降時(shí)， 要 求其速度較快，減少空行程時(shí)間，液壓泵采用全壓式供油，且采用差動(dòng)連接。由 于液壓機(jī)壓力比較大， 所以此時(shí)進(jìn)油腔的壓力比較大， 所以在由保壓到快速回程 階段須要一個(gè)節(jié)流閥， 以防在高壓沖擊液壓元件， 并可使油路卸荷平穩(wěn)。 為了對(duì) 油路壓力進(jìn)行監(jiān)控， 在液壓泵出口安裝一個(gè)溢流閥， 同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)起過載保護(hù)作 用。因?yàn)榛瑝K受自身

7、重力作用， 滑塊要產(chǎn)生下滑運(yùn)動(dòng)。 所以油路要設(shè)計(jì)一個(gè)單向 閥，以構(gòu)成一個(gè)平衡回路，產(chǎn)生一定大小的背壓力，同時(shí)也使工進(jìn)過程平穩(wěn)。在 液壓力泵的出油口設(shè)計(jì)一個(gè)單向閥， 可防止油壓對(duì)液壓泵的沖擊， 對(duì)泵起到保護(hù) 作用。2 方案的確定2.1 運(yùn)動(dòng)情況分析由液壓機(jī)的工作情況來看， 其外負(fù)載和工作速度隨著時(shí)間是不斷變化的。 所以設(shè) 計(jì)液壓回路時(shí)必須滿足隨負(fù)載和執(zhí)行元件的速度不斷變化的要求。 因此可以選用 變壓式節(jié)流調(diào)速回路和容積式調(diào)速回路兩種方式。2.1.1 變壓式節(jié)流調(diào)速回路節(jié)流調(diào)速的工作原理， 是通過改變回路中流量控制元件通流面積的大小來控制流 入執(zhí)行元件或自執(zhí)行元件流出的流量來調(diào)節(jié)其速度。 變壓式節(jié)

8、流調(diào)速的工作壓力 隨負(fù)載而變，節(jié)流閥調(diào)節(jié)排回油箱的流量， 從而對(duì)流入液壓缸的的流量進(jìn)行控制。 其缺點(diǎn)： 液壓泵的損失對(duì)液壓缸的工作速度有很大的影響。 其機(jī)械特性較軟， 當(dāng) 負(fù)載增大到某值時(shí)候，活塞會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，低速時(shí)泵承載能力很差， 變載下的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性都比較差， 可使用比例閥、 伺服閥 等來調(diào)節(jié)其性能，但裝置復(fù)雜、價(jià)格較貴。優(yōu)點(diǎn)：在主油箱內(nèi)，節(jié)流損失和發(fā)熱 量都比較小，且效率較高。宜在速度高、負(fù)載較大，負(fù)載變化不大、對(duì)平穩(wěn)性要 求不高的場(chǎng)合。2.1.2 容積調(diào)速回路容積調(diào)速回路的工作原理是通過改變回路中變量泵或馬達(dá)的排量來改變執(zhí)行元 件的運(yùn)動(dòng)速度。優(yōu)點(diǎn)：在此回路中，液壓泵輸出的油液直接進(jìn)入執(zhí)行元

9、件中，沒 有溢流損失和節(jié)流損失， 而且工作壓力隨負(fù)載的變化而變化， 因此效率高、 發(fā)熱 量小。當(dāng)加大液壓缸的有效工作面積， 減小泵的泄露， 都可以提高回路的速度剛 性。綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較， 泵缸開式容積調(diào)速回路和變壓式節(jié)流調(diào)回 路相比較，其速度剛性和承載能力都比較好，調(diào)速范圍也比較寬工作效率更高， 發(fā)熱卻是最小的?？紤]到最大壓制力為 200KN故選泵缸開式容積調(diào)速回路。3 工況分析3.1 工作負(fù)載工件的壓制抗力即為工作負(fù)載： Fw=200000N3.2 摩擦負(fù)載靜摩擦阻力： Ffs =0.2x20000=4000N動(dòng)摩擦阻力： Ffd =0.1X20000=2000N其中液壓缸 3.

10、3 慣性負(fù)載Fm=ma=20000/10X3/(0.02X60)=5000N3.4 自重G=mg=20000N3.5 液壓缸在各工作階段的負(fù)載值采用V型密封圈，其機(jī)械效率 cm 0.9。另外取液壓缸的背壓負(fù)載 Fb =20000N則液壓系統(tǒng)工作循環(huán)各階段的外負(fù)載見表 3-1 o表 3-1 工作循環(huán)各階段的外負(fù)載工況負(fù)載值推力啟動(dòng)F= Fb-G+Ffs=4000N4444加速F= Fb -G+ F fd +Fm=7000N7778快進(jìn)F=Fb-G+Ffd=2000N2222工進(jìn)F=Fb -G+Ffd +Fw=202000N224444快退F=G+=fd - Fb =2000N22224 負(fù)載圖和

11、速度圖負(fù)載圖和速度圖繪制如圖4-1與4-2所示F/N2244447778s/mm/44442222圖一負(fù)載圖-2222v/(m/mi n)50s/mm圖二速度圖液壓缸主要參數(shù)的確定5.1液壓缸主要尺寸的確定(1) 確定液壓泵的最大工作壓力 Pp:Pp Pi S P上式中Pp液壓泵最大工作壓力；P 執(zhí)行元件最大工作壓力。將液壓缸的無桿腔作為主工作腔，考慮到缸下行時(shí)，滑塊自重采用液壓方式平衡，則 可計(jì)算出液壓缸無桿腔的有效面積，取液壓缸的機(jī)械效率ncm=0.9。(2) 計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d由負(fù)載圖知最大負(fù)載F為224444N取d/D=0.7224444A60.008330 100.9D=

12、、0.01057 =0.103m按 GB/T2348-1993,取標(biāo)準(zhǔn)值 D=110mm d=0.7D=77mm由此求得液壓缸的實(shí)際有效工作面積則：無桿腔實(shí)際有效面積：A =D2=9498mm24有桿腔實(shí)際有效面積：A2 = D2 d2 =4844 mm245.2計(jì)算在各工作階段液壓缸所需的流量快進(jìn)：Q=AM =28.5L/min工進(jìn)：Q= A1V2 =0.382.37L/min快退：Q= A2V1 =14.5 L/min液壓缸在工作循環(huán)中各階段的壓力和流量計(jì)算見表5-1表5-1液壓缸工作循環(huán)各階段的壓力、流量工作階段負(fù)載F工作腔壓力MPa輸入流量L/min快進(jìn)啟動(dòng)44440.468加速102

13、221.076快進(jìn)22220.23428.5工進(jìn)22444423.63一一一保壓22444423.63快退啟動(dòng)44440.917加速102222.11恒速22220.45914.52P Q P|23.6328.5Q(l/mi n)P(w) 0.819AP(MPa)0.4680.2340.38 s/mm0 '，0.46814.50.917V1.61圖二工況圖6液壓系統(tǒng)圖6.1液壓系統(tǒng)圖分析（1）考慮到液壓機(jī)工作時(shí)所需功率較大，固采用變量泵的容積調(diào)速方式。（2）為了滿足速度的有極變化，采用壓力補(bǔ)償變量液壓泵供油，即在快速下降 的時(shí)候，液壓泵以全流量供油。當(dāng)轉(zhuǎn)化成慢速加壓壓制時(shí)，泵的流量減小

14、，最后 流量為0。（3）當(dāng)液壓缸反向回程時(shí)，泵的流量恢復(fù)為全流量供油。液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向采用三位四通M型電磁換向閥和二位二通電磁換向閥控制。 停機(jī)時(shí)三位四通換向閥 處于中位，使液壓泵卸荷。（4）為了防止壓力頭在工作過程中因自重而出現(xiàn)自動(dòng)下降的現(xiàn)象，在液壓缸有 桿腔回路上設(shè)置一個(gè)單向閥。（5）為了實(shí)現(xiàn)快速空程下行和慢速加壓，此液壓機(jī)液壓系統(tǒng)采用差動(dòng)連接的調(diào) 速回路。（ 6）為了使液壓缸下降過程中壓力頭由于自重使下降速度越來越快，在三位四 通換向閥處于左位時(shí)， 回油路口應(yīng)設(shè)置一個(gè)順序閥作背壓閥使回油路有壓力而不 至于使速度失控。（7）為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在液壓缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)方向上安裝了三個(gè)接近開關(guān)，

15、使液壓系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換工作狀態(tài)。（8）為了使系統(tǒng)工作時(shí)壓力恒定，在泵的出口設(shè)置一個(gè)溢流閥，來調(diào)定系統(tǒng)壓 力。6.2 液壓系統(tǒng)原理圖綜上分析可得小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理如圖 6-1 所示卜.IZH 'f jn-)K3CI-0y4I圖6-1液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖1-變量泵2-溢流閥3-油箱4-單向閥5-三位四通電磁換向閥6-單向順序閥7-液壓缸8-過濾器9-調(diào)速閥10-二位二通電磁換向閥7液壓元件的選擇7.1液壓泵的選擇由液壓缸的工況圖，可以看出液壓缸的最高工作壓力出現(xiàn)在加壓壓制階段時(shí)P=23.63MPa，此時(shí)液壓缸的輸入流量極小，且進(jìn)油路元件較少故泵到液壓缸的進(jìn) 油壓力損失估計(jì)取為 P =0

16、.5MPa 。所以泵的最高工作壓力Pp=23.63+0.5=24.13MPa。液壓泵的最大供油量qp按液壓缸最大輸入流量(28.5L/min )計(jì)算，取泄漏系數(shù) K=1.1,則 qp=31L/min。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用63YCY1 1B壓力補(bǔ)償變量型軸 向柱塞泵，其額定壓力 P=30MPa排量為 V=2.5250mL/r,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min 。由于液壓缸在工進(jìn)時(shí)輸入功率最大，這時(shí)液壓缸的工作壓力為24.13MPa,流量為2.37L/min ,取泵的總效率=0.85，則液壓泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)所要的功率 P=1121vy根據(jù)此數(shù)據(jù)按JB/T8680.1-1998，選取丫2-7

17、11-4型電動(dòng)機(jī)，其額定功率P=550W,額定轉(zhuǎn)速n=1500r/min,按所選電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和液壓泵的排量，液壓泵最大理論 流量qt nV =120L/min，大于計(jì)算所需的流量108L/min，滿足使用要求。7.2閥類元件及輔助元件根據(jù)閥類元件及輔助元件所在油路的最大工作壓力和通過該元件的最大實(shí)際流 量可選出這些液壓元件的型號(hào)及規(guī)格，結(jié)果見表7-1。序號(hào)元件名稱額定壓力/Pa排量ml/r型號(hào)及規(guī)格1變量泵308063YCY1 1B2溢流閥調(diào)壓3012C1753三位四通換向閥32160WEH10G4順序閥最大工作壓力32MPa160HCT06L15調(diào)速閥32160FBG-3-125-106單向

18、閥開啟0.15MPa最大200S20A2207二位二通換向閥321602WE10D107.3油箱的容積計(jì)算容量V （單位為L）計(jì)算按教材式（7-8） : V qp，由于液壓機(jī)是高壓系統(tǒng)，7所以油箱的容量：V 7 28.5 199.5取 V= 200L液壓系統(tǒng)性能的運(yùn)算8.1壓力損失和調(diào)定壓力的確定（1）進(jìn)油管中的壓力損失由上述計(jì)算可知，工進(jìn)時(shí)油液流動(dòng)速度較小，通過的流量為0.382.23L/min.主要壓力損失為閥件兩端的壓降可以省略不計(jì)?？爝M(jìn)時(shí)液壓桿的速度y =3m/min，此時(shí)油液在進(jìn)油管的速度3q28.5 10V=261.25 m/sA 0.25222 10 6 601)沿程壓力損失:為

19、20度時(shí)1.0 10 4m2/s，所以有沿程壓力損失首先要判斷管中的流動(dòng)狀態(tài)，此系統(tǒng)采用N32號(hào)液壓油，室溫vd1.25 22 1031.0 10275 <2320油液在管中的流動(dòng)狀態(tài)為層流，則阻力損失系數(shù) =0.27，若取進(jìn)油和回油的管路長均為 4m,油液的密度為=900Kg /m3，Re則進(jìn)油路上的沿程壓力損失為24900 1.250.27322 10 20.345 MPa.2)局部壓力損失：局部壓力損失包括管道安裝和管接頭的壓力損失和通過液壓閥的局部壓力損失，由于管道安裝和管接頭的壓力損失一般取沿程壓力損失的10%而通過液壓閥的局部壓力損失則與通過閥的流量大小有關(guān)，若閥的額定流量和

20、額定壓力損失分別為qr和qr，則當(dāng)通過閥的流量為q時(shí)的閥的壓力損失，由Pr ()2 算得 P 0.5qr228.51600.016MPS小于原估算值0.5MPa,所以是安全的則進(jìn)油路上的壓力總損失為:P = 0.345+0.0345+0.19 = 0.396MPa(2)回油管路上的壓力損失:快進(jìn)時(shí)回油路上的流量q2盼=145L/min，則回油管路中的速度v=qA14.5 100.25302 10 6=0.34m/s，60由此可以計(jì)算出R vd O.34 30 1°3=102,1.0 10 4油液在管中的流動(dòng)狀態(tài)為層流，則阻力損失系數(shù)75 = 0.74,Re所以回油路上的沿程壓力損失為

21、2pv20.74900 0.34230 10=0.05MP&而通過液壓閥的局部壓力損失:0.5214 5=0.004MPa160則回油路上的壓力總損失為:P2=0.057MPa由上面的計(jì)算所得求出總的壓力損失:P AAiP2 =0.396+0.03=0.426MPa這與估算值相符。8.2油液溫升的計(jì)算在整個(gè)工作循環(huán)中，工進(jìn)和快進(jìn)快退所占的時(shí)間相差不大， 所以，系統(tǒng)的發(fā) 熱和油液溫升可用一個(gè)循環(huán)的情況來計(jì)算0.85 60(1)快進(jìn)時(shí)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量快進(jìn)時(shí)液壓缸的有效功率為：F0 Fv22226： °9 = 100W泵的輸出功率為:Ppq 0.234 10 6 28.5 10 3

22、=131W因此快進(jìn)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為Hi P Po=31W(2)快退時(shí)液壓缸的發(fā)熱量快退時(shí)液壓缸的有效功率為：F。 Fv =100W泵的輸出功率為：Pi -pq = 0.468106 仏51°3=133W0.85 60快退時(shí)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：H iPiPo =33W（3）壓制時(shí)液壓缸的發(fā)熱量壓制時(shí)液壓缸的有效功率為：F。Fv13.5 844 W泵的輸出功率R 凹=1761098W因此壓制時(shí)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：Hi R Po=41254W總的發(fā)熱量為：H=31+33+Hi=105318W則求出油液溫升近似值為：HT 1.9 5.8 oC3 4002溫升沒有超出允許范圍，液壓系統(tǒng)中不需要設(shè)置冷卻器8.3散熱量的計(jì)算當(dāng)忽略系統(tǒng)中其他地方的散熱，只考慮油箱散熱時(shí)，顯然系統(tǒng)的總發(fā)熱功率H全部由油箱來考慮。這時(shí)油箱散熱面積 A的計(jì)算公式為式中A 油箱的散熱面積（m2）H油箱需要的散熱功率（Wt 油溫（一般以55 C考慮）與周圍環(huán)境溫度的溫差K 散熱系數(shù)。與油箱周圍通風(fēng)