液壓與氣壓傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)液壓氣動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

寧波理工學(xué)院液壓氣動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析姓名朱賢暉學(xué)號(hào)3100612086專業(yè)班級(jí)機(jī)械電子工程102分院機(jī)電與能源工程學(xué)院完成日期2013年12月19日目錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)書 21.1課程設(shè)計(jì)題目 21.2課程設(shè)計(jì)的目的和要求 22.負(fù)載分析 23.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 43.1確定液壓泵類型 43.2選用執(zhí)行元件 43.3快速運(yùn)動(dòng)回路和速度換接回路 43.4換向回路的選擇 43.5組成液壓系統(tǒng)繪原理圖 44.液壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算 64.1液壓缸參數(shù)計(jì)算 64.1.1初選液壓缸的工作壓力 64.1.2確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 64.1.3計(jì)算液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率 74.2液壓泵的參數(shù)計(jì)算 84.3電動(dòng)機(jī)的選擇 85.液壓元件的選擇 95.1液壓閥及過(guò)濾器的選擇 95.2油管的選擇 105.3油箱容積的確定 106.驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 116.1壓力損失的驗(yàn)算及泵壓力的調(diào)整 116.1.1工進(jìn)時(shí)的壓力損失驗(yàn)算和小流量泵壓力的調(diào)整 116.1.2快退時(shí)的壓力損失驗(yàn)算及大流量泵卸載壓力的調(diào)整 116.2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗(yàn)算 137.閥塊的3D結(jié)構(gòu) 148.總結(jié)及感謝 178.1設(shè)計(jì)小結(jié) 178.2設(shè)計(jì)所得及感謝 179.參考文獻(xiàn) 181.設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一臺(tái)上料機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。1）工作臺(tái)的工作循環(huán)過(guò)程：“快速上升－慢速上升－停留－快速下降”。2）工作參數(shù)：工件的重量為500Kg，滑臺(tái)的重量為100Kg，快速上升要求>=45mm/s,慢速上升要求>=8mm/s，快速下降要求>=55mm/s,滑臺(tái)采用V型導(dǎo)軌，導(dǎo)軌面夾角為90°，滑臺(tái)與導(dǎo)軌的最大間隙為2mm，氣動(dòng)加速與減速時(shí)間均為0.5s，液壓缸的機(jī)械效率為0.91（考慮密封阻力）。1.2課程設(shè)計(jì)的目的和要求通過(guò)設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，使學(xué)生獲得獨(dú)立設(shè)計(jì)能力，分析思考能力，全面了解液壓系統(tǒng)的組成原理。明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；分析工況確定主要參數(shù)；擬訂液壓系統(tǒng)草圖；選擇液壓元件；驗(yàn)算系統(tǒng)性能。2.負(fù)載分析 負(fù)載分析中，暫不考慮回油腔的背壓力，液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力的機(jī)械效率中加以考慮。因工作部件的臥式防止，重力的水平分力為零，這樣需要考慮的力有：切削力，導(dǎo)軌摩擦力和慣性力。導(dǎo)軌的正壓力等于動(dòng)力部件的重力，社導(dǎo)軌的靜摩擦力為，動(dòng)摩擦力為，,則而慣性力如果忽略切削力英氣的顛覆力矩對(duì)導(dǎo)軌摩擦力的影響，并設(shè)液壓缸的機(jī)械效率，則液壓缸在各工作階段的總機(jī)械負(fù)載可以算出，見(jiàn)下表1表1液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載表運(yùn)動(dòng)階段計(jì)算公式總機(jī)械負(fù)載F/N啟動(dòng)1222加速1528快進(jìn)611工進(jìn)10611快退611根據(jù)負(fù)載計(jì)算結(jié)果和已知的各階段的速度，可繪制出負(fù)載圖（F-l)和速度圖（v-l），見(jiàn)圖1a、b。橫坐標(biāo)以上為液壓缸活塞前進(jìn)時(shí)的曲線，以下為液壓缸活塞退回時(shí)的曲線。a）負(fù)載圖b）速度圖圖1負(fù)載速度圖3.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3.1確定液壓泵類型參考同類組合機(jī)床，選用雙作用葉片泵雙泵供油、調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的開(kāi)式回路，溢流閥作定壓閥。為防止鉆孔鉆通時(shí)滑臺(tái)突然失去負(fù)載向前沖，回油路上設(shè)置背壓閥，初定背壓值3.2選用執(zhí)行元件因系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)要求正向快進(jìn)和工作，反向快退，且快進(jìn)、快退速度相等，因此選用單活塞桿液壓缸，快進(jìn)時(shí)差動(dòng)連接，無(wú)桿腔面積等于有桿腔面積的兩倍。3.3快速運(yùn)動(dòng)回路和速度換接回路根據(jù)本例的運(yùn)動(dòng)方式和要求，采用差動(dòng)連接和雙泵供油兩種快速運(yùn)動(dòng)回路來(lái)事先快速運(yùn)動(dòng)。即快進(jìn)時(shí)，由大小泵同時(shí)供油，液壓缸實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接。本例采用二位二通電磁閥的速度換接回路，控制由快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)。與采用行程閥相比，電磁閥可直接安裝在液壓站上，由工作臺(tái)的行程開(kāi)關(guān)控制，管路較簡(jiǎn)單，行程大小也容易調(diào)整，另外采用液控順序閥與單向閥來(lái)切斷差動(dòng)油路。因此速度換接回路為行程與壓力聯(lián)合控制形成。3.4換向回路的選擇本系統(tǒng)對(duì)換向的平穩(wěn)性沒(méi)有嚴(yán)格的要求，所以選用電磁換向閥的換向回路。為便于實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接，選用三位五通換向閥。為提高換向的位置精度，采用死擋鐵和壓力繼電器的行程終點(diǎn)返程控制。3.5組成液壓系統(tǒng)繪原理圖將上述所旋動(dòng)的液壓回路進(jìn)行組合，并根據(jù)要求做必要的修改補(bǔ)充，即組成如下圖2所示的液壓系統(tǒng)圖。為便于觀察調(diào)整壓力，在液壓泵的進(jìn)口處、背壓閥和液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)口處設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)，并設(shè)置多點(diǎn)壓力表考官。這樣只需一個(gè)壓力表即能觀測(cè)個(gè)點(diǎn)壓力。液壓系統(tǒng)中各電磁鐵的動(dòng)作順序如下表2所示。表2電磁鐵動(dòng)作順序表1Y2Y3Y快進(jìn)+--工進(jìn)+-+快退-+-停止圖2液壓系統(tǒng)原理圖4.液壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算4.1液壓缸參數(shù)計(jì)算4.1.1初選液壓缸的工作壓力初定液壓缸的工作壓力為。4.1.2確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸本例要求動(dòng)力滑臺(tái)的快進(jìn)、快退速度相等，現(xiàn)采用活塞桿固定的單桿式液壓缸?？爝M(jìn)時(shí)采用差動(dòng)連接，并取無(wú)桿腔有效面積等于有桿腔面積的兩倍，即。為了防止在鉆孔鉆通時(shí)滑臺(tái)突然前沖，在回油路中轉(zhuǎn)悠背壓閥，按表8-2，初選背壓。由表1可知最大負(fù)載為工進(jìn)階段的負(fù)載，按此計(jì)算則液壓缸直徑由可知活塞桿直徑按GB/T2348-1993將所計(jì)算的D與d值分別圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得按標(biāo)準(zhǔn)直徑算出按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進(jìn)速度，則由式（8-11）本例，滿足最低速度的要求。4.1.3計(jì)算液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率根據(jù)液壓缸的負(fù)載圖和速度圖以及液壓缸的有效面積，可以算出液壓缸工作過(guò)程各階段的壓力、流量和功率，在計(jì)算工進(jìn)時(shí)背壓按代入，快退時(shí)背壓按代入計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果列入表3中。表3液壓缸所需的實(shí)際流量、壓力和功率工作循環(huán)計(jì)算公式負(fù)載F進(jìn)油壓力回油壓力所需流量輸入功率PNPaPaL/minkW差動(dòng)快進(jìn)6117.1550.136工進(jìn)106110.320.021快退61112.90.281注：1.差動(dòng)連接時(shí)，液壓缸的回油口到進(jìn)油口之間的壓力損失,而。2.快退時(shí)，液壓缸有桿腔進(jìn)油，壓力為，無(wú)桿腔回油，壓力為。4.2液壓泵的參數(shù)計(jì)算由表3可知工進(jìn)階段液壓缸工作壓力最大，若取進(jìn)油路總壓力損失，壓力繼電器可靠動(dòng)作壓力差為，則液壓泵工作最高壓力可按式（8-5）算出因此泵的額定壓力可取由表8-5可知，工進(jìn)時(shí)所需流量最小是，設(shè)溢流閥最小溢流量為2.5L/min,則小流量泵的流量按式應(yīng)為快進(jìn)快退時(shí)液壓缸所需的最大流量是6.885L/min,則泵的總流量為即大流量泵的流量根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本，選用YB-4/12型的雙聯(lián)葉片泵，該泵額定壓力6.3MPa,額定轉(zhuǎn)速960r/min。4.3電動(dòng)機(jī)的選擇系統(tǒng)為雙泵供油系統(tǒng)其中小泵1的流量大泵流量。差動(dòng)快進(jìn)快退時(shí)兩個(gè)泵同時(shí)向系統(tǒng)供油；工進(jìn)時(shí)，小泵向系統(tǒng)供油，大泵卸載。下面分別計(jì)算三個(gè)階段所需要的電動(dòng)機(jī)功率p。1.差動(dòng)快進(jìn)差動(dòng)快進(jìn)時(shí)，大泵2的出口壓力由經(jīng)單向閥11后與小泵1匯合，然后經(jīng)單向閥2，三位五通閥3，二位二通閥4進(jìn)入液壓缸大腔，大腔的壓力，查樣本可知，小泵的出口壓力損失大泵出口到小泵出口的壓力損失。于是計(jì)算可得小泵的出口壓力（總效率），大泵出口壓力（總效率）。電動(dòng)機(jī)功率2.工進(jìn)考慮到調(diào)速閥所需最小壓力差。壓力續(xù)電器可靠動(dòng)作需要壓力差。因此工進(jìn)時(shí)小泵的出口壓力。而大泵的卸載壓力取。（小泵的總效率，大泵的總效率）。電動(dòng)機(jī)功率3.快退類似差動(dòng)快進(jìn)分析知：小泵的出口壓力（總效率）；大泵出口壓力（總效率）。電動(dòng)機(jī)功率綜合比較，快退時(shí)所需功率最大。據(jù)此查樣本選用Y90L-6異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率1.1KW。額定轉(zhuǎn)速910r/min。5.液壓元件的選擇5.1液壓閥及過(guò)濾器的選擇根據(jù)液壓閥在系統(tǒng)工作中的最高中作壓力與通過(guò)該閥的最大流量，可選出這些元件的型號(hào)及規(guī)格。本例中所有閥的額定壓力都為，額定流量根據(jù)各閥通過(guò)的流量，確定為10L/min,25L/min和63L/min三種規(guī)格，所有元件的規(guī)格型號(hào)列于表8-6中。過(guò)濾器按液壓泵額定流量的兩倍選取吸油用線隙式過(guò)濾器。表中序號(hào)與系統(tǒng)原理圖中的序號(hào)一致。表4液壓元件明細(xì)表序號(hào)元件名稱最大通過(guò)流量/型號(hào)1雙聯(lián)葉片泵16YB-4/122單向閥16I-25B3三位五通電磁閥324二位二通電磁閥325調(diào)速閥0.32Q-10B6壓力繼電器7單向閥16I-25B8液控順序閥0.16XY-25B9背壓閥0.16B-10B10液控順序閥（卸載用）12XY-25B11單向閥12I-25B12溢流閥4Y-10B13過(guò)濾器32XU-B32x10014壓力表開(kāi)關(guān)K-6B5.2油管的選擇根據(jù)選定的液壓閥的連接油口尺寸確定管道尺寸。液壓缸的進(jìn)出油管按輸入、排出的最大流量來(lái)計(jì)算。由于本系統(tǒng)液壓缸差動(dòng)連接快進(jìn)快退時(shí)，油管內(nèi)通油量最大，其實(shí)際流量為泵的額定流量的兩倍達(dá)32L/min，則液壓缸進(jìn)、出油管直徑d按產(chǎn)品樣本，選用內(nèi)徑為15mm，外徑為19mm的10號(hào)冷拔鋼管。5.3油箱容積的確定中壓系統(tǒng)的油箱容積一般取液壓泵額定流量的5~7倍，本題取7倍，故油箱容積為V=(7x16)L=112L6.驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能6.1壓力損失的驗(yàn)算及泵壓力的調(diào)整6.1.1工進(jìn)時(shí)的壓力損失驗(yàn)算和小流量泵壓力的調(diào)整工進(jìn)時(shí)管路中的流量?jī)H為0.187L/min,因此流速很小，所以沿程壓力損失和局部壓力損失都非常小，可以忽略不計(jì)。這時(shí)進(jìn)油路上僅考慮調(diào)速閥的壓力損失，回油路上只有背壓閥的壓力損失，小流量泵的調(diào)整壓力因等于工進(jìn)時(shí)液壓缸的工作壓力加上進(jìn)油路壓差，并考慮壓力繼電器動(dòng)作需要，則即小流量泵的溢流閥12應(yīng)按此壓力調(diào)整。6.1.2快退時(shí)的壓力損失驗(yàn)算及大流量泵卸載壓力的調(diào)整因快退時(shí)，液壓缸無(wú)桿腔的回油量是進(jìn)油量的兩倍，其壓力損失比快進(jìn)時(shí)要大，因此必須計(jì)算快退時(shí)的進(jìn)油路與回油路的壓力損失，以便確定大流量泵的卸載壓力。已知：快退時(shí)進(jìn)油管和回油管長(zhǎng)度均為l=1.8m,油管直徑，通過(guò)的流量為進(jìn)油路，回油路。液壓系統(tǒng)選用N32號(hào)液壓油，考慮最低工作溫度為,由手冊(cè)查出此時(shí)油的運(yùn)動(dòng)粘度，油的密度，液壓系統(tǒng)元件采用集成塊式的配置形式。確定油流的流動(dòng)狀態(tài)按式（1-30）經(jīng)單位換算為式中v-平均流速（m/s）;d-油管內(nèi)徑（m）;-油的運(yùn)動(dòng)粘度（）；q-通過(guò)的流量（）。則進(jìn)油路中液流的雷諾數(shù)為回油路中液流的雷諾數(shù)為由上可知，進(jìn)回油路中的流動(dòng)都是層流。（2）沿程壓力損失由式（1-37）可算出進(jìn)油路和回油路的壓力損失。在進(jìn)油路上，流速則壓力損失為在回油路上，流速為進(jìn)油路流速的兩倍即v=3.02m/s，則壓力損失為局部壓力損失由于采用集成塊式的液壓裝置，所以只考慮閥類元件和集成塊內(nèi)油路的壓力損失。通過(guò)各閥的局部壓力損失按式（1-39）計(jì)算，結(jié)果列于表5中。表5閥類元件局部壓力損失元件名稱額定流量實(shí)際通過(guò)的流量額定壓力損失實(shí)際壓力損失單向閥2251620.82三位五通電磁閥36316/3240.26/1.03二位二通電磁閥4633241.03單向閥11251220.46注：快退時(shí)經(jīng)過(guò)三位五通閥的兩油道流量不同，壓力損失也不同。若取集成塊進(jìn)油路的壓力損失,回油路壓力損失為，則進(jìn)油路和回油路總的壓力損失為查表3可算出快退時(shí)泵的工作壓力為按式（8-5）可算出快退時(shí)泵的工作壓力為因此，大流量泵卸載閥10德?tīng)栒{(diào)整壓力應(yīng)大于。從以上驗(yàn)算結(jié)果可以看出，各種工況下的實(shí)際壓力損失都小于初選的壓力損失值，而且比較接近，說(shuō)明液壓系統(tǒng)的油路結(jié)構(gòu)、元件的參數(shù)是合理的，滿足要求。6.2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗(yàn)算在整個(gè)工作循環(huán)中，工進(jìn)階段所占用的時(shí)間最長(zhǎng)，所以系統(tǒng)的發(fā)熱主要是工進(jìn)階段造成的，故按工進(jìn)工況驗(yàn)算系統(tǒng)溫升。工進(jìn)時(shí)液壓泵的輸入功率如前面計(jì)算工進(jìn)時(shí)液壓缸的輸出功率系統(tǒng)總的發(fā)熱功率為：已知油箱容積，則按式（8-12）油箱近似散熱面積A為假定通風(fēng)良好，取油箱散熱系數(shù)，則利用式（8-11）可得油液溫升為設(shè)環(huán)境溫度，則熱平衡溫度為所以溫升超出允許范圍，油箱散熱不能達(dá)到要求，液壓系統(tǒng)中需要設(shè)置冷卻器。7.閥塊的3D結(jié)構(gòu)7.1調(diào)