实例二液压专用铣床液压系统设计.doc

实例二 液压专用铣床液压系统设计设计要求：设计一台成型加工的液压专用铣床,要求机床工作台上一次可安装两只工件,并能同时加工.工件的上料、卸料由手工完成,工件的夹紧与工作台进给由液压系统完成.机床的工作循环为：手工上料 工件自动夹紧 工作台快进 铣削进给<工进> 工作台快退 夹具松开 手动卸料.参数要求：运动部件总重力G=25000N切削力Fw=18000N快进行程l1=300mm工进行程l2=80mm快进、快退速度v1=v3=5m/min工进速度v2=100600mm/min启动时间t=0.5s夹紧力Fj=30000N行程lj=15mm夹紧时间tj=1s工作台采用平导轨,导轨间静摩擦系数fs=0.2,动摩擦系数fd=0.1,要求工作台能在任意位置上停留一.分析工况与主机工作要求,拟订液压系统方案1.确定执行元件类型    夹紧工件,由液压缸完成.因要求同时安装、加工两只工件,故设置两个并联的、缸筒固定的单活塞杆液压缸.其动作为：工作台要完成单向进给运动,先采用固定的单活塞杆液压缸.其动作为：2. 确定执行元件的负载、速度变化范围<1>夹紧缸  惯性力和摩擦力可以忽略不计,夹紧力F=300000N. <2>工作缸  工作负载Fw=18000N    运动部件惯性负载    导轨静摩擦阻力Ffs=fsG=0.2×25000N=5000N     导轨动摩擦阻力Ffd=fdG=0.1×25000N=2500N    根据已知条件计算出执行元件各工作阶段的负载与速度要求,列入下表：表2    工作循环各阶段的负载与速度要求工作循环外负载速度要求夹紧3000Nv=l/t=0.015m/s工作台启动Fa+Ffs=5425.2N加速v/t=1.6m/s2工作台快进Ffd=2500N v=5m/min工作台工进Fw+Ffd=20500Nv=0.10.6m/min工作台快退Ffd=2500Nv=5m/min二. 参数设计 1.初定系统压力    根据机器类型和负载大小,参考,初定系统压力p1=3MPa.2.计算液压缸的主要尺寸<1>夹紧缸  按工作要求,夹紧力由两并联的液压缸提供,则    根据国标,取夹紧缸内径D=80mm,活塞杆直径d=0.6D=50mm.<2>工作缸  由表2可知,工作缸的最大负载F=20500N,取液压缸的回油背压p2=0.5MPa,机械效率cm=0.95,则    根据国标,取工作缸内径D=100mm,活塞杆直径d按杆径比d/D=0.7得d=70mm.3.计算液压缸各个工作阶段的工作压力、流量和功率    根据液压缸的负载和速度要求以与液压缸的有效作用面积,可以算出液压缸工作过程中各阶段的压力、流量和功率.在计算过程中,工进时因回油节流调速,背压取pb=0.8MPa,快退时背压取pb=0.5MPa,液压缸回油口到进油口之间的压力损失取p=0.5MPa,见表3.表3 液压缸所需的实际流量、压力和功率工作循环负载F<N>进油压力pj<Pa>回油压力pm<Pa>所需流量q<L/min>输入功率P<kW>夹紧30000pj=F/2A夹1=29.86×1050q=2A夹1L/t=90.448工作台差动快进2500pj=<F+pA2>/<A1A2>  =11.68×10516.68×105q=<A1A2>v1=19.20.374工进20500pj=<F+pb·A2>/A1  =30.19×1058×105q=A1v2=4.710.237快退2500pj=<F+pb·A2>/A2  =16.06×1055×105q=A2v3=200.535三. 拟订液压系统方案1.确定油源与调速方式    铣床液压系统的功率不大,为使系统结构简单,工作可靠,决定采用定量泵供油.考虑到铣床可能受到负值负载,故采用回油路调速阀节流调速方式.2.选择换向回路与速度换接方式    为实现工件夹紧后工作台自动启动,采用夹紧回路上的压力继电器发讯,由电磁换向阀实现工作台的自动启动和换向.要求工作台能在任意位置停止,泵不卸载,故电磁阀必须选择O型机能的三位四通阀.    由于要求工作台快进与快退速度相等,故快进时采用差动连接,且液压缸活塞杆直径d0.7D.快进和工进的速度换接用二位三通电磁阀来实现.                            3.选择夹紧回路    用二位四通电磁阀来控制夹紧换向动作.为了避免工作时因突然失电而工件被松开,此处应采用失电夹紧方式,以增加安全可靠性.为了能够调节夹紧力的大小,保持夹紧力的稳定且不受主油路压力的影响,该回路上应该装上减压阀和单向阀.考虑到泵的供油量会超过夹紧速度的需要,故在回路中需串接一个固定节流器<装在换向阀的P口>.最后,将所选择的回路组合起来,即组成图1所示的液压系统原理图.电磁铁动作顺序表见表4.表4    液压专用铣床电磁铁动作顺序表 1Y2Y3Y4Y1K夹紧工件     +工作缸快进+ + +工作缸工进+   +工作缸快退 +  +松开工件   +-图1  专用铣床液压系统原理图1-双联叶片泵；2、4、8-换向阀；3-单向调速阀；5-减压阀；6、11-单向阀；7-节流器；9-压力继电器；10-溢流阀；12-外控顺序阀；13-过滤器；14-压力表开关想一想：    为什么油源选择双泵供油？        因为工进和快退的过程中,所需流量差别较大.若按较大流量选择单泵,则在工进时流量损失过大不可取.选用变量泵成本较高.因此综合考虑选取双泵.四. 选择元件 1.选择液压泵    泵的最大工作压力pp=p1+p式中p1液压缸最高工作压力,此处为3.019MPa；p液压缸进油路压力损失.因系统较简单,取p=0.5MPa.则    pp=p1+p=<3.019+0.5>MPa=3.519MPa为使泵有一定压力储备,取泵的额定压力ps1.25pp4.4MPa.    泵的最大流量qpmax=K<q>max式中：<q>max同时动作的执行元件所需流量之和的最大值.这里夹紧缸和工作缸不同时动作,故取<p>max为工作缸所需最大流量20L/min.K泄露系数,取K=1.2.则    qmax=K<p>max=1.2×20L/min=24L/min.表3 液压缸所需的实际流量、压力和功率工作循环负载F<N>进油压力pj<Pa>回油压力pm<Pa>所需流量q<L/min>输入功率P<kW>夹紧30000pj=F/2A夹1=29.86×1050q=2A夹1L/t=90.448工作台差动快进2500pj=<FpA2>/<A1A2>  =11.68×10516.68×105q=<A1A2>v1=19.20.374工进20500pj=<Fpb·A2>/A1   =30.19×1058×105q=A1v2=4.710.237快退2500pj=<Fpb·A2>/A2  =16.06×1055×105q=A2v3=200.535由表3可知,工进时所需流量最小是4.71L/min,设溢流阀最小溢流量为2.5L/min,则需泵的最小供油量qmin=K<q+q溢=1.2×<4.71+2.5>L/min=8.652L/min.比较工作缸工进和快进、快退工况可看出,液压系统工作循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段组成.显然,采用单个定量泵供油,功率损失大,系统效率低.故选用双泵供油形式比较合理.这样,小泵流量可按qp18.652L/min选择,大泵流量按 qp2qmax-q1=15.35L/min选择.    根据上面计算的压力和流量,查产品样本,选用YB10/16型双联叶片泵.该泵的额定压力ps=6.3MPa,额定转速ns=960r/min.2. 选择液压泵的驱动电机    系统为双泵供油系统,其中小泵的流量qp1=10×10-3/60m3/s=0.167×10-3m3/s,大泵的流量qp2=16×10-3/60m3/s=0.267×10-3m3/s.工作缸差动快进、快退时两个泵同时向系统供油,工进时,小泵向系统供油,大泵卸载.下面分别计算三个阶段所需要的电机功率P.<1>差动快进时,大泵的出口压力油经单向阀11后与小泵汇合,然后经三位四通阀2进入工作缸大腔,工作缸大腔的压力p1=11.68×105Pa.查阀产品样本可知,小泵的出口到工作缸大腔之间的压力损失p1=2×105Pa,大泵出口到小泵出口的压力失p2=1.5×105Pa.于是由计算可得小泵出口压力为pp1=13.68×105Pa<小泵的总效率1=0.5>,大泵出口压力pp2=15.18×105Pa<大泵的总效率2=0.5>.故电机功率为P1=pp1q1/1+pp2q2/2=<13.68×105×0.167×10-3/0.5+15.18×105×0.267×10-3/0.5>W=1267.5W<2>工进时,小泵的出口压力pp1=p1+p1=32.19×105Pa,大泵卸载,卸载压力取pp2=2×105Pa<小泵的总效率1=0.5,大泵的总效率2=0.3>.故电机功率为P2=pp1q1/1+pp2q2/2=<32.19×105×0.167×10-3/0.5+2×105×0.267×10-3/0.3>W=1253.15W<3>快退时,大、小泵出口油液要往二位三通阀4进入工作缸的小腔,即从泵的出口到小腔之间的压力损失p=5.5×105Pa,于是小泵出口压力pp1=21.56×105Pa<小泵的总效率1=0.5>,大泵出口压力pp2=23.06×105Pa<大泵的总效率2=0.5>.故电机功率为P3=pp1q1/1+pp2q2/2     =<21.56×105×0.167×10-3/0.5+23.06×105×0.267×10-3/0.5>W=1951.5W    综合比较,快退时所需功率最大.据此查产品样本选用Y112M-6型异步电机.电机功率为2.2KW,额定转速为940r/min.3.选择液压阀     根据液压阀在系统中的最高工作压力与通过该阀的最大流量,可选出这些元件的型号与规格.选定的元件列于表5中.表5液压元件明细表序号元件名称通过的最大流量<L/min>型号1双联叶片泵26YB10/162三位四通电磁换向阀5234E-63BO3单向调速阀26QI-63B4二位三通电磁换向阀2623EF3O-E6B5减压阀10JF-B10G6单向阀10AF3-Ea10B7固定节流器10 8二位四通电磁换向阀1024EF3I3-E6B9压力继电器 DP1-63B10溢流阀10YF-B10B11单向阀16AF3-Ea10B12外控顺序阀卸载用16X4F-B10E13过滤器52XU-J63×10014压力表开关 K-6B    说明：<1>工作缸的换向阀3,在快进时通过双泵的供油量之和为26L/min,在快退时通过工作缸大腔排出的流量为A1/A2·<q1+q2>52L/min,所以选择阀3的额定流量为60L/min.<2>夹紧缸在动作过程中,由于固定节流器8的阻尼作用,大泵2卸载,仅由小泵1供油,故选择夹紧回路中的液压阀的额定流量为25L/min.<3>过滤器按液压泵额定流量的两倍选取吸油用线隙式过滤器.<4>固定节流器的尺寸计算.取固定节流器的长径比l/d=4.由短孔的流量公式得.这里q为泵1的额定流量L/min；p为夹紧缸启动时节流器前后的压力差,此时应为泵2的卸载压力,初定为20×105Pa；Cd为短孔流量系数,取0.82.计算得A=d2/4=3×10-6m2,d=1.95×10-3m.4.选择油管     根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸.液压缸的进、出油管按输入、输出、排出的最大流量来计算.由于本系统工作缸差动快进和快退时,油管内通油量大,其实际流量为泵的额定流量的两倍52<L/min>,则工作缸进、出油管按设计手册选用内径为15mm、外径为19mm的10号冷拔钢管.夹紧缸进、出油管则选用内径为8mm、外径为10mm的10号冷拔钢管.5.确定油箱容积    中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的57倍.本例取6倍,选用容量为312L的油箱.五.液压系统性能验算已知：工作缸进、回油管长度均为l=18m,油管直径d=15×10-3m,选用L-HL32型液压油,油的最低工作温度为15,由设计手册查出此时油的运动粘度=1.5cm2/s,油的密度=900kg/m3,液压系统元件采用集成块式配置形成.1.压力损失的验算<1>工进时的压力损失    工进时管路中的流量较小,流速较低,沿程压力损失和局部压力损失可以忽略不计.小流量泵的压力应按工作缸工进时的工作压力p1调整：pp130.19×105Pa.<2>快退时的压力损失    快退时,缸的无杆腔的回油量是进油量的两倍,其压力损失比快进时要大,因此必须计算快退时的进油路与回油路压力损失,以便确定大流量泵的卸载压力.快退时工作缸的进,回油量为q1=52L/min=0.867×10-3m3/s,油量为q2=26L/min=0.433×10-3m3/s.1>确定油液的流动状态：    雷诺数            Re=vd/×104=1.2732q/d×104    式中：v平均流速<m/s>；          d油管内径<m>；          油的运动粘度<cm2/s>；          q通过的流量<m3/s>.则工作缸回油路中液流的雷诺数为Re1=1.2732×0.867×10-3×104/15×10-3×1.5490<2320工作缸进油路中液流的雷诺数为Re2=1.2732×0.433×10-3×104/15×10-3×1.5245<2320因此,工作缸进、回油路中的流动都是层流.2>计算沿程压力损失p：    回油路上流速v1=4q1/d2=4×0.867×10-3/3.14×<15×10-3>2m/s4.91m/s    则   p1=64lv12/2Re1d=64×1.8×900×4.912/2×490×15×10-31.7×105Pa    进油路上流速v22.45m/s    则   p2=64lv22/2 Re2d=64×1.8×900×2.452/2×245×15×10-30.35×105Pa<3>计算局部压力损失p：     由于采用集成块式的液压装置,因此只考虑阀类元件和集成块内油路的压力损失.通过各阀的局部压力损失按p=ps<q/qs>2计算,结果列于表6中.表6    阀类元件局部压力损失元件名称额定流量<L/min>实际通过流量<L/min>额定压力损失<Pa>实际压力损失<Pa>三位四通换向阀25026/524×1050.75×105/3×105单向调速阀340262×1050.85×105二位三通换向阀440264×1051.69×105单向阀1140161.8×1050.3×105    若集成块回油路的压力损失pj1=0.5×105Pa,进油路压力损失pj2=0.3×105Pa,则回油路和进油路总的压力损失为p1=p1+p+pj1=<1.7+3+0.5>×105Pa=5.2×105Pap2=p2+p+pj2=<0.35+0.75+0.85+1.69+0.3>×105Pa=3.94×105Pa    计算工作缸快退时的工作压力：p1=<F+p2A1>/A2=<2500+5.2×105×7.85×10-3>/4×10-3Pa=16.45×105Pa    这样,快退时泵的工作压力为pp=p1+ p1=<16.45+3.94> ×105Pa=20.39×105Pa    因此大流量泵卸载阀13的卸载,压力应大于20.39×105Pa<与固定节流器尺寸计算时的初定值基本相符>.    从以上验算结果可以看出,各种工况下的实际压力损失都小于初选的压力损失值,而且比较接近,这说明液压系统的油路结构、元件参数是合理的,满足要求.2.液压系统的发热和温升验算     在整个工作循环中,工作阶段工进阶段所占用的时间最长,所以系统的发热主要是工进阶段造成的,故按工进工况验算系统的温升.    工进时液压泵的输入功率如前面计算P1=1253.15W    工进时液压缸输出功率P2=Fv=20500×0.6/60W=205W    系统总的发热功率=P1- P2=<1253.15-205>W=1048.15W已知油箱容积V=312L,油箱散热面积按<m2><假设油箱三个边长的比例在111到123范围内,且油面高度为油箱高度的80%>计算.    假定通风良好,取油箱散热系数CT=15×10-3kW/<m2·>,则油液温升T=/CTA=1048.15×10-3/15×10-3×2.9923.37    设环境温度T2=25,则热平衡温度为T1=T2+T=<25+23.37>=48.37    所以油箱的散热效果达到要求.45 / 8