小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書題目：小型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)號(hào):20121651系別：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：惠振亮年月日蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目小型液壓機(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)的根基上，運(yùn)用所學(xué)的液壓根本知識(shí)，根據(jù)液壓元件，各種液壓回路的根本原理，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(guò)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、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——慢速加壓——保壓——快速回程——停頓的工作循環(huán)?？焖偻邓俣葹?m/min，加壓速度為40～250mm／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(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典[M]。南昌:：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.1[3]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，2004.8[4]雷天覺.液壓工程手冊(cè)。北京。機(jī)械工業(yè)出版社。1990摘要液壓機(jī)是一種用靜壓來(lái)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)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)展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)的根本原理，擬定出合理的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖，再經(jīng)過(guò)必要的計(jì)算來(lái)確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來(lái)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、停頓的工作循環(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22452摘要I305121任務(wù)分析1295801.1技術(shù)要求110811.2任務(wù)分析1159692方案確實(shí)定248802.1運(yùn)動(dòng)情況分析2298243工況分析3140503.1工作負(fù)載3276733.2摩擦負(fù)載31552其中液壓缸3.3慣性負(fù)載3161973.4自重388373.5液壓缸在各工作階段的負(fù)載值380904負(fù)載圖和速度圖4311165液壓缸主要參數(shù)確實(shí)定5263925.1液壓缸主要尺寸確實(shí)定580605.2計(jì)算在各工作階段液壓缸所需的流量6229546液壓系統(tǒng)圖835176.1液壓系統(tǒng)圖分析8254996.2液壓系統(tǒng)原理圖8322387液壓元件的選擇10175697.1液壓泵的選擇10131047.2閥類元件及輔助元件10216267.3油箱的容積計(jì)算11191768液壓系統(tǒng)性能的運(yùn)算11136098.1壓力損失和調(diào)定壓力確實(shí)定11144558.2油液溫升的計(jì)算13103198.3散熱量的計(jì)算1427568結(jié)論1510306參考文獻(xiàn)161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—停頓的工作循環(huán)，快速往返速度為=3m/min，加壓速度=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=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。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(lái)控制?？爝M(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)壓力比擬大，所以此時(shí)進(jìn)油腔的壓力比擬大，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)展監(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(guò)載保護(hù)作用。因?yàn)榛瑝K受自身重力作用，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(guò)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方案確實(shí)定2.1運(yùn)動(dòng)情況分析由液壓機(jī)的工作情況來(lái)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(guò)改變回路中流量控制元件通流面積的大小來(lái)控制流入執(zhí)行元件或自執(zhí)行元件流出的流量來(lái)調(diào)節(jié)其速度。變壓式節(jié)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)展控制。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)停頓運(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)性都比擬差，可使用比例閥、伺服閥等來(lái)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)熱量都比擬小，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(guò)改變回路中變量泵或馬達(dá)的排量來(lái)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)比擬，泵缸開式容積調(diào)速回路和變壓式節(jié)流調(diào)回路相比擬，其速度剛性和承載能力都比擬好，調(diào)速范圍也比擬寬工作效率更高，發(fā)熱卻是最小的?？紤]到最大壓制力為200KN，應(yīng)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：=0.2x20000=4000N動(dòng)摩擦阻力：=0.1X20000=2000N其中液壓缸3.3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。另外取液壓缸的背壓負(fù)載＝20000N。則液壓系統(tǒng)工作循環(huán)各階段的外負(fù)載見表3-1。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=-G+=4000N4444加速F=-G++Fm=7000N7778快進(jìn)F=-G+=2000N2222工進(jìn)F=-G++Fw=202000N224444快退F=G+-=2000N22224負(fù)載圖和速度圖負(fù)載圖和速度圖繪制如圖4-1與4-2所示5液壓缸主要參數(shù)確實(shí)定5.1液壓缸主要尺寸確實(shí)定〔1〕確定液壓泵的最大工作壓力：上式中——液壓泵最大工作壓力；——執(zhí)行元件最大工作壓力。將液壓缸的無(wú)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(wú)桿腔的有效面積，取液壓缸的機(jī)械效率ηcm=0.9?！?〕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=0.7D==0.103m按GB/T2348-1993，取標(biāo)準(zhǔn)值D=110mmd=0.7D=77mm由此求得液壓缸的實(shí)際有效工作面積則：無(wú)桿腔實(shí)際有效面積：==9498有桿腔實(shí)際有效面積：==48445.2計(jì)算在各工作階段液壓缸所需的流量快進(jìn)：Q==28.5L/min工進(jìn)：Q==0.38~2.37L/min快退：Q==14.5L/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102221.076—快進(jìn)22220.23428.5工進(jìn)22444423.63一保壓22444423.63—快退啟動(dòng)44440.917—加速102222.11—恒速22220.45914.52按以上數(shù)據(jù)可繪制液壓缸的工況圖如圖5-1所示。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?！?〕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，最后流量為0?！?〕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(guò)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?！?〕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(guò)程中壓力頭由于自重使下降速度越來(lái)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?！?〕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)，使液壓系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換工作狀態(tài)?！?〕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(lái)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。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(guò)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=0.5MPa。所以泵的最高工作壓力=23.63+0.5=24.13MPa。液壓泵的最大供油量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=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63YCY14—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=2.5~250mL/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=1121W，根據(jù)此數(shù)據(jù)按JB/T8680.1-1998，選取Y2-711-4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(guò)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。表7-1液壓元件的型號(hào)及規(guī)格序號(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308063YCY14—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(zhǎng))計(jì)算按教材式(7-8):，由于液壓機(jī)是高壓系統(tǒng)，。所以油箱的容量：取V＝200L8液壓系統(tǒng)性能的運(yùn)算8.1壓力損失和調(diào)定壓力確實(shí)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(guò)的流量為0.38~2.23L/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=3m/min，此時(shí)油液在進(jìn)油管的速度V=m/s1〕沿程壓力損失：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，室溫為20度時(shí)，所以有<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，假設(shè)取進(jìn)油和回油的管路長(zhǎng)均為4m，油液的密度為=900，則進(jìn)油路上的沿程壓力損失為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(guò)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(guò)液壓閥的局部壓力損失則與通過(guò)閥的流量大小有關(guān)，假設(shè)閥的額定流量和額定壓力損失分別為，則當(dāng)通過(guò)閥的流量為q時(shí)的閥的壓力損失，由算得MPa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：＝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＝14.5L/min，則回油管路中的速度v==0.34m/s，由此可以計(jì)算出=102，油液在管中的流動(dòng)狀態(tài)為層流，則阻力損失系數(shù)＝0.74,所以回油路上的沿程壓力損失為＝0.05MPa。而通過(guò)液壓閥的局部壓力損失：＝0.004MPa則回油路上的壓力總損失為：＝0.057MPa由上面的計(jì)算所得求出總的壓力損失：=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(lái)計(jì)算?！?〕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：＝100W泵的輸出功率為：==131W因此快進(jìn)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為:=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：=100W泵的輸出功率為：==133W快退時(shí)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：=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：W泵的輸出功率=W因此壓制時(shí)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：=W總的發(fā)熱量為:H=31+33+Hi=W則求出油液溫升近似值為：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(lái)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〔〕H—油箱需要的散熱功率〔W〕—油溫〔一般以考慮〕與周圍環(huán)境溫度的溫差