1、实例二液压专用铣床液压系统设计 The following text is amended on 12 November 2020.实例二液压专用铣床液压系统设计实例二 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，工件的夹紧及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/m
2、in工进速度v2=100600mm/min启动时间t=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=,动摩擦系数fd=，要求工作台能在任意位置上停留一.分析工况及主机工作要求，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
3、导轨静摩擦阻力Ffs=fsG=25000N=5000N 导轨动摩擦阻力Ffd=fdG=25000N=2500N根据已知条件计算出执行元件各工作阶段的负载及速度要求，列入下表：表2工作循环各阶段的负载及速度要求工作循环外负载速度要求夹紧3000Nv=l/t=s工作台启动Fa+Ffs=加速v/t=s2工作台快进Ffd=2500N v=5m/min工作台工进Fw+Ffd=20500Nv=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
4、根据国标，取夹紧缸内径D=80mm，活塞杆直径d=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=,机械效率cm=,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=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及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=,快退时背压取pb=，液压缸回油口到进油口之间的压力损失取p=,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
5、pm(Pa) 所需流量q(L/min) 输入功率P(kW) 夹紧30000pj=F/2A夹1=1050q=2A夹1L/t=9工作台差动快进2500pj=(F+pA2)/(A1A2)=105105q=(A1A2)v1=工进20500pj=(F+pbA2)/A1 =1058105q=A1v2=快退2500pj=(F+pbA2)/A2=1055105q=A2v3=20三.拟订液压系统方案1.确定油源及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.选择换向回路及速度换接方式为实现工件夹紧后工作台自动启动，
6、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d。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
7、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
8、 pp=p1+p式中 p1液压缸最高工作压力，此处为； p液压缸进油路压力损失。因系统较简单，取p=。则 pp=p1+p=+MPa= 为使泵有一定压力储备，取泵的额定压力ps。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20（L/min）。K泄露系数，取K=。则 qmax=K(p)max=20（L/min）=24（L/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
9、30000pj=F/2A夹1=1050q=2A夹1L/t=9工作台差动快进2500pj=(FpA2)/(A1A2)=105105q=(A1A2)v1=工进20500pj=(FpbA2)/A1 =1058105q=A1v2=快退2500pj=(FpbA2)/A2=1055105q=A2v3=20由表3可知，工进时所需流量最小是min，设溢流阀最小溢流量为min，则需泵的最小供油量qmin=K(q+q溢）=+L/min=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
10、。这样，小泵流量可按qp1min选择，大泵流量按 qp2qmax-q1=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=，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=1010-3/60m3/s=10-3m3/s，大泵的流量qp2=1610-3/60m3/s=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
11、缸大腔的压力p1=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=2105Pa，大泵出口到小泵出口的压力失p2=105Pa。于是由计算可得小泵出口压力为pp1=105Pa(小泵的总效率1=，大泵出口压力pp2=105Pa(大泵的总效率2=。故电机功率为 P1=pp1q1/1+pp2q2/2 =10510-3/+10510-3/W=(2)工进时，小泵的出口压力pp1=p1+p1=105Pa，大泵卸载，卸载压力取pp2=2105Pa(小泵的总效率1=，大泵的总效率2=。故电机功率为 P2=pp1q1/1+pp2q2/2 =10510-3/+210510-3/W=(3)快退时
12、，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=105Pa，于是小泵出口压力pp1=105Pa(小泵的总效率1=，大泵出口压力pp2=105Pa(大泵的总效率2=。故电机功率为 P3=pp1q1/1+pp2q2/2 =10510-3/+10510-3/W=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，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及规格。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
13、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108二位四通电磁换向阀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-J6310014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
14、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20105Pa；Cd为短孔流量系数，取。计算得A=d2/4=310-6m2，d=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
15、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=1510-3m,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=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
16、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：pp1105Pa。(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=10-3m3/s,油量为q2=26L/min=10-3m3/s。1)确定油液的流动状态：雷诺数Re=vd/104=d104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(
17、m3/s)。 则工作缸回油路中液流的雷诺数为Re1=10-3104/1510-34902320工作缸进油路中液流的雷诺数为Re2=10-3104/1510-32452320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=410-3/(1510-3)2m/ss则 p1=64lv12/2Re1d=6490024901510-3105Pa进油路上流速 v2s则 p2=64lv22/2Re2d=6490022451510-3105Pa (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
18、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25026/524105105/3105单向调速阀340262105105二位三通换向阀440264105105单向阀114016105105若集成块回油路的压力损失pj1=105Pa，进油路压力损失pj2=105Pa，则回油路和进油路总的压力损失为 p1=p1+p+pj1=+3+105Pa=105Pa p2=p2+p+pj2=+105Pa=105Pa计算工作缸快退时的工作压力： p1=(F+p2A1)/A2=(
19、2500+10510-3)/410-3Pa=105Pa这样，快退时泵的工作压力为 pp=p1+p1=+105Pa=105Pa因此大流量泵卸载阀13的卸载，压力应大于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=工进时液压缸输出功率P2=Fv=2050060W=205W系统总的发热功率=P1-P2=W=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=1510-3kW/(m2)，则油液温升T=/CTA=10-3/1510-3设环境温度T2=25，则热平衡温度为T1=T2+T=(25+=所以油箱的散热效果达到要求。
