毕业设计（论文）车床托料装置液压系统.doc

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1、 引言随着科学技术的迅速发展，工业生产进入以计算机、数控和液压技术为主体的发展阶段，进而迈入以网络和信息技术为核心的经济发展阶段。由于液压技术独特的优越性，使其得到了越来越广泛的应用。液压技术介于机械和电子技术之间，同时又包含了机械和电子的有关内容。所以研究液压系统的应用应有很好的应有价值和广阔的发展前景。液压系统已经在各个工业部门及农、林、牧、渔等许多部门得到越来越广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部分就越多。在造纸、纺织、塑料、橡胶等轻工行业，造纸机、纺织机、注塑机、橡胶压块机等机械设备上都大量使用着液压系统。在矿山、石油、冶金、压力加工等重工业中，由于液压系统能传递很大的能量

2、而设备的重量相对其他传动方式来说又较小，所以有着更广泛的应用。例如矿井支架、石油钻井平台、高炉炉顶设备、钢坯连铸机、压力机、快锻机等设备上液压系统被更广泛地应用。其他在电力、建筑、水利、交通、船舶、航空、汽车等行业，液压系统也是重要的组成部分。至于航天、军工等广泛采用先进技术的部门，液压系统更是得到广泛应用。机床行业是最早使用液压技术的行业之一，目前虽然由于电机传动技术中交流变频技术的发展而使电动机驱动夺回不少液压驱动的应用范围，但在大功率驱动或往复运动的场合，液压系统还是处于不可取代的地位。本文正是从此处入手，对数控机床的中心架和托料装置控制系统进行深入研究，并设计出专门供数控车床中心架和托

3、料装置使用的液压站。在设计的过程当中使用了液压传动的一般规律和设计原则，最后完成设计使其满足系统的设计要求，符合设计宗旨。第一章 概述1.1 液压技术起源 液压技术的发展是与流体力学的理论研究成果和工程材料、液压介质等相关学科的发展紧密相联的。1650年帕斯卡提出了封闭静止液体中压力传播的帕斯卡定律；1686年牛顿揭示了粘性流体的内摩擦定律；到18世纪，流体力学的两个重要方程连续性方程和伯努力能量方程相继建立，这些理论成果为液压技术的发展奠定了理论基础。1795年英国人布拉默发明了世界上第一台水压机，是他首先利用水不仅进行了能量传递，而且传递控制信号，标志现代液压技术工程应用的开始。水压机的发

4、明还与当时铸铁等工程材料及一些新的制造方法的出现密切姓关。1851年阿姆斯特朗发明重锤式蓄能器之后，促使液压传动的应用迅速增加，到19世纪90年代，液压传动已应用于压力机、起重机、卷扬机、包装机、实验机等许多工业部门。 由于水的润滑性差，易产生锈蚀。电力传动的兴起曾一度使水压传动应用减少。知道1905-1908年威廉斯和詹尼两位美国工程师发明了用油作介质的轴向柱塞式液压传动装置以后，液压技术这种停滞不前的情况才有所改观。加之，1910年肖研制出用油做介质的径向柱塞泵，威克斯于1936年又发明了先导式溢流阀，特别是20世纪30年代定睛橡胶等耐油密封材料的出现，使液压传动逐步取代了水压传动，并迅速

5、发展。到了现在，随着液压技术的不断发展和完善，它已经在工农业生产的各个部门占据了主导地位。1.2 液压传动的优缺点1）易于获得较大的力或者力矩液压传动是利用液体的压力来传递力或力矩的。液压泵可以获得较高的压力，目前液压泵可以达到35MPa的压力，因此液压刚可获得很大的力或者力矩。例如一个30cm直径的液压缸，压力为21MPa时，可获得1480kN的推力，因此被广泛应用于需要很大力或者力矩的重型机械上。2） 功率重量大功率重量比是指其输出功率于其重量的比值。功率重量比大的设备即重量和体积较小而输出较大的功率。例如飞机上的液压泵，每1kW功率的重量只有0.209kg，而电动机每kW的重量将达到1.

6、52kg。所以在要求传递大功率而又不允许有较大体积的情况下应采用液压传动。3）易于实现往复运动液压缸对实现往复运动是最方便的，而电动机则须通过齿轮、齿条等机构把旋转运动变成直线往复运动。4） 易于实现较大范围的无级变速液压传动通过调节液体的流量就可以方便地实现无级变速，而且速比范围大。例如用节流阀调节流量时，其流量变化可从0.02变到100速比可达5000，其他传动形式的速比是无法比拟的。5）传递运动平稳由于液压流体的控制可以在非常小的流量时仍然很均匀，所以设备的运动速度可以很平稳，例如机床可以实现1以下的无爬行稳定进给。6） 可以实现快速而且无冲击的变速和换向这是由于液压机构的功率重量比大，

7、所以液压设备的惯性小，因此反应速度就快。例如液压马达的旋转惯量不超过同功率电动机的10%，故启动中等功率电动机要12s，而同功率的液压机械的启动时间不超过0.1s。故在高速换向频繁的机床上（如平面磨床、龙门刨床）采用液压传动可使换向冲击大大减少。7）与机械传动相比易于布局和操纵液压传动部件由管道相连，故在安装位置上有很大的自由度，各部件可以安放在设计人员所希望的位置上。例如把泵源放到不影响机器布局的地方，把操纵机构放在最方便的地方，这是用机械传动很难实现的，而液压传动则没有困难。8） 易于防止过载事故在液压传动中可以方便地用压力阀来控制系统的压力，从而防止过载，避免事故的发生，而且可以通过装在

8、系统中的压力表来了解各处的工作情况和负载大小，而在机械传动中各处的负载大小就不易观察。9） 自动润滑、元件寿命长液压传动中使用的介质大多为矿物油，它对液压部件产生润滑作用，因此液压元件有自动润滑作用，其寿命较长。10）易于实现标准化、系列化各种液压系统都是由液压元件构成，因此对液压元件实现标准化、系列化，可大大提高生产效率，降低成本，提高生产质量。与其他传动形式比较，液压传动有以下缺点：1） 易于出现泄漏；2） 油的黏度随温度变化，引起动作机构运动不稳定；3） 空气渗入液压油后会引起爬行、振动、噪声；4） 用矿物油做液压介质时，有燃烧危险，应注意防火；5） 矿物油与空气接触会发生氧化，使油变质

9、，必须定期换油；6） 液压件的零件加工质量要求较高。1.3 液压系统的发展方向1）提高效率，降低能耗；2）提高控制性能，适应机电一体化主机发展的需要；3）发展集成、复合、小型化、轻量化元件；4）加强以提高安全性和保护环境为目标的研究开发；5）提高液压元件和系统的可靠性；6）标准化和多样化；7）开拓新的应用领域。综上所述，在机床行业，尤其是在中心定位和拖料架等需要往复运动并且频繁换向的机构上，选用液压系统作为其控制系统是最为合理的。在设计的过程中，要尽量发挥液压传动与其他传动形式相比所体现出的长处，把液压系统的缺点限制到最小，还必须符合重量轻、体积小、成本低、效率高等特点，尽量满足顾客的所有要求

10、。第二章 液压系统的设计依据和负载特性分析2.1液压系统的设计依据 本次设计是完成CK3180QZ-4001数控车床上中心架和托料装置液压系统的设计。其具体的设计要求如下：托料装置要实现“托料油缸进料托料油缸卸料托料油缸后退”的行程循环。中心架定位装置要完成“中心架前进中心架中心定位中心架后退”的工作循环。两个装置全部采用滑台装置，其静摩擦系数0.2，动摩擦系数0.1，往复运动的加速、减速时间不希望超过0.12s：运动行程如下表所示：表2-1 托料装置的设计要求Tab.2-1 Design demand of the support material frame工况行程/mm速度/时间/s运动

11、部件自重/N托料负载/N快进5000.07750003000卸料根据使用要求快退5000.086 表2-2中心架装置的设计要求Tab.2-2 Design demand of the center frame工 况行程/mm速度/时间/s运动部件自重/N中心定位卡紧负载/N快 进1000.061.6 20002500定位卡紧后 退1000.081.2 2.2 液压系统的负载特性分析2.2.1 托料油缸的负载计算1）外负载鉴于托料装置是一个自动送料装置，在运动过程中，除了承受物料重载外，在水平方向上没有别的外负载。2） 惯性负载送料过程 （2-1） 400N式中 惯性负载； m物料的质量； 速度

12、变化值； 速度变化所需的时间。返回过程 330N3） 阻力负载送料时，托料架与负载共重800kg对动力滑台的法向力为 （2-2） 80010 8000N静摩擦力为 （2-3） 0.28000 = 1600N动摩擦力为 （2-4） 0.18000 800N返回时 托料架自重为500kg对动力滑台的法向力为 50010 5000N静摩擦力为 0.25000 1000N动摩擦力为 0.15000 500N2.2.2 中心架定位装置负载计算1）外负载 当中心架在定位卡紧时所受到的外负载为已知条件，大小为2500N2）惯性负载 机床中心架的总体质量为200kg，所以惯性负载为 110N3） 阻力负载因为

13、m200kg，对动力滑台的法向力为 20010 2000N静摩擦力为 0.22000 400N动摩擦力为 0.12000 200N由此得到了托料架油缸和中心架油缸在工作的各个阶段所受的负载，见表2-3和表2-4。表2-3 托料油缸的负载分析Tab.2-3 Loads analyze of the support material frame cylinder工况负载组成负载值F/N启动F=1600加速F=1200恒进F=800反向启动F=1000加速F=800恒退F=500表2-4中心架油缸的负载分析Tab.2-4 Loads analyze of the center frame cylin

14、der工况负载组成负载值F/N启动F=400加速F=310恒进F=200中心定位F外负载2500工况负载组成负载值F/N反向启动F=400加速F=310恒退F=200第三章 液压系统主要参数的确定3.1 系统工作压力的确定 根据液压执行元件的负载图可以确定系统的最大负载数，在充分考虑系统所需的流量、性能等因素后，可参照表31或者表32选择系统的工作压力。表3-1 按负载选择工作压力Tab.3-1 Choose actuating pressure according to the loads负载/kN50系统压力/MPa57表3-2 按主机类型选择系统工作压力Tab.3-2 Choose ac

15、tuating pressure according to the types主机类型设计压力/MPa机床精加工机床0.82半精加工机床35龙门刨床28拉床810农用机械、小型工程机械、工程机械辅助机构、1016液压机、大中型挖掘机、中型机械、起重运输机械2032地质机械、冶金机械、地道车辆维护机械，各类液压机具等25100本设计根据主机类型是数控车床，初步选择系统压力为3Mpa。3.2 执行元件主要参数的确定3.2.1 托料油缸参数的确定根据公式（31）计算液压缸的工作面积。 （31） =0.0005式中 A油缸的有效工作面积； F油缸的外负载； 油缸的机械效率，一般取0.90.96； 系统

16、的工作压力； 油缸的速比，可由机械设计手册查得； 系统的背压，本设计取0.5Mpa。又由面积公式（32）和速比公式（33）得 （32） =0.0005 （33）=1.33 D=0.033m d0.017m其中 D液压缸内径； d液压缸内活塞杆的直径。查机械设计手册，根据液压缸的技术参数，将两个参数进行圆整得 D40mm d20mm3.2.2 中心架油缸参数的确定 同样由公式（31）计算得 = =0.0007又由面积公式（32）和速比公式（33）得=0.0007=1.33 D=0.036m d0.018m查机械设计手册，根据液压缸的技术参数，将两个参数进行圆整得 D40mm d20mm根据上述条

17、件经计算得到液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率，如表33所示。表3-3 托料油缸工作循环各阶段的压力、流量和功率Tab.3-3 The pressure, rate of flow and power of the support material frame at different stage工作阶段 计算公式 负载 回油腔压力 工作腔压力 输入流量 输入功率/N /MPa /MPa Q/ /w快 启动 1600 2.5 加速 Q= 1200 0.5 2.0 进 恒速 N= 800 0.5 1.5 3.4 71反向 快 启动 1000 1.23 加速 Q= 800 0.5 1.0 退

18、 恒退 N= 500 0.5 0.8 6.3 86上表中 油缸的工作腔面积； 油缸回油腔面积； 液压缸机械效率； F外负载。表3-4 中心架油缸工作循环各个阶段的压力、流量和功率Tab.3-4 The pressure, rate of flow and power of the center frame at different stage工作阶段 计算公式 负载 回油腔压力 工作腔压力 输入流量 输入功率/N /MPa /MPa Q/ /w快 启动 400 1.1 加速 Q= 310 0.5 1.0 进 恒速 N= 200 0.5 0.89 3.4 42中 心定 位 2500 0.5 3.

19、5 3.5 163反向 快 启动 400 1.1 加速 Q= 310 0.5 1.0 退 恒退 N= 200 0.5 0.89 6.3 893.3执行元件流量的确定 液压缸所需最大流量按其实际有效工作面积和所要求的最大速度来计算，即 （34） 6.3L 其中 执行元件的容积效率，取0.93； A液压缸有效工作面积； 液压缸的最大速度。 同理，液压缸所需最小流量按其实际有效工作面积和所要求的最小速度来计算，即 3.4L其中 执行元件的容积效率，取0.93； A液压缸有效工作面积； 液压缸的最大速度。第四章 液压系统的方案选择和原理图的拟定4.1 基本方案的拟定液压系统方案设计是根据主机的工作情况

20、、主机对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及成本、经济性、供货情况等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟订出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统的方案。其内容包括：1）油路循环方式的分析与选择；2）调速方案的分析和选择；3）油源形式的分析与选择；4）液压回路的分析、选择与合成；5）液压系统原理图的拟订与设计。4.1.1 油路循环方式的分析和选择 液压系统油路循环方式分为开式和闭式两种，他们各自的特点及相互比较见下表表4-1 开式系统和闭式系统的比较Tab.4-1 Compare of Hold dyadic system and Shut dyadic system油液循环

21、方式开式闭式散热 条件较方便，但是油箱较大较复杂，需要用辅泵来换油冷却抗污 染性较差，但可采用压力油箱或者油箱呼吸器来改善较好，但是油液过滤要求较高系统 效率管路压力损失较大，用节流调速时效率低 管路腰里损失较小，容积调速时效率较高限速制动 形式用平衡阀进行能耗限速，用制动阀进行能耗制动，引起油液发热 液压泵由电动机拖动时，限速及制动过程 中拖动电机能向电网输电，回收部分能量，即是再生限速和再生制动其他对泵的自吸性能要求高对主泵的自吸性能要求低 油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。一般来说，凡是有较大空间可以存放油箱而且不需要另设散热装置的系统，要求结构尽可能简单的系统，

22、采用节流调速或者容积节流调速的系统，均宜采用开式系统。在本设计中，油泵向两个液压执行元件供油而且功率较小，整个系统的结构也比较简单，所以本设计采用开式系统。4.1.2 调速方案的分析和选择 调速方案对主机的性能起到决定性的作用。调速方案包括节流调速、容积调速和容积节流调速三种。选择调速方案时，应根据液压执行元件的负载特性和调速范围以及经济性能因素，最后选出合适的调速方案。考虑到系统本身的性能要求和一些使用要求以及负载特性，参照表42 本设计决定采用容积节流调速表4-2 各种调速方式的性能比较Tab.4-2 various forms of Speed Performance Compariso

23、n主要性能节流调速容积调速回路容积-节流调速回路简式节流调速系统带压力补偿阀的节流调速系统变量泵 定量马达流量适应功率适应进油节流及回油节流旁路节流调速阀在进油路调速阀在旁油路及溢流节流调速回路负载特性速度刚度差很差好较好好承载能力好较差好较好好调速范围大小大较大大功率特性效率低较低低较低最高较高高发热大较大大较大最小较小小成本低较低高最高适用范围小功率 轻载或者低速的中 低压系统及工程机械非经常性调速的场合大功率高速中高压系统负载变化小，速度刚度要大中小功率，中压系统负载变化大速度刚度较大的中高压系统 液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，

24、在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。 为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境

25、及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。本设计采用容积节流调速，所以使用变量泵供油。4.1.3 液压回路的分析、选择与合成 1）选择系统一般都必须设置的基本回路，包括调压回路、向回路、卸荷回路及安全回路等。 2）根据系统的负载特性和特殊要求选择基本回路，在本系统中考虑到安全的要求，设置了背压回路，同时由于是两个执行元件先后动作，且没有顺序联动关系，所以设置了互不干扰回路。 3）合成系统 选定液压基本回路之后，配以辅助性回路，如控制油路，润滑油路、测压油路等，可以组成一个完整的液压系统。 在合成液压系统时要注意以下几点：防止油路间可能存在的相互干扰；系统应力求简单，并将作用相同或者相近的回路合

26、并，避免存在多余回路；系统要安全可靠，力求控制油路可靠；组成系统的元件要尽量少，并应尽量采用标准元件；组成系统时还要考虑节省能源，提高效率减少发热，防止液压冲击；测压点分布合理等。4.1.4 液压原理图的拟定与设计 根据上述分析，可以拟定整个液压系统的原理图如下：1油箱 2液压泵 3空气滤清器 4液位计5液压泵6电机 7单向阀 8压力继电器9叠加式节流阀10叠加式减压阀 11叠加式单向阀 12电磁换向阀图4-1 液压系统的原理图Fig.4-1 Hydraulic system diagram电磁铁的动作顺序见表43表4-3电磁铁动作顺序表Tab.4-3 Action sequence tabl

27、e of the solenoid valve动 作电磁铁工作状态名 称YV1YV2YV3YV4托料油缸进料+-托料油缸退料-+-中心架定位-+-中心架松开-+第五章 液压元件的基本参数计算和选型液压元件的计算是指计算元件在工作中承受的压力和流量，以便选择零件的规格和型号，此外还要计算原动机的功率和油箱的容量。选择元件时应尽量选择标准件。5.1 液压泵的选择5.1.1 液压泵的类型选择液压泵站按照泵组的布置方式可以分为上置式、柜式和非上置式。液压泵组置于油箱之上的上置式液压泵站，分为立式和卧式两种，上置式液压泵站结构紧凑，占地小，被广泛应用于中、小功率液压系统中。考虑到整个安装空间的布置，本设

28、计选择上置式的卧式安装。5.1.2 液压泵站组件的选择 液压泵站一般由液压泵组、油箱组件、过滤器组件和蓄能器组件等组成。根据系统的实际需要，本设计选择液压泵组、油箱组件、过滤器组件。液压泵组由液压泵，原动机，连轴器及管路附件等组成。油箱组件由油箱面板，空气滤清器，液位显示计等组成。过滤器组将是保持工作介质清洁度必备的组将，可根据系统对介质清洁度的不同要求设置不同等级的粗过滤器，精过滤器等。5.1.3 液压泵的计算与选择液压泵的最大工作压力根据公式（51）进行计算。= （51）其中 液压执行元件最大工作压力；液压泵出口大执行元件入口之间所有的沿程压力损失和局部压力损失之和。初算时按经验数据选取：

29、管路简单，管中流速不大时，取0.2MPa0.5MPa;管路复杂而且管中流速较大或者有调速元件时，取0.5MPa1.5MPa。由上述选取0.5MPa，然后带入公式（51）计算得=3.5+0.54MPa在选择泵的额定压力时应考虑到动态过程和制造质量等因素，要使液压泵有一定的压力储备。一般泵的额定工作压力应比上述最大工作压力高2060，所有最后算得的液压泵的额定压力应为4（1+0.2）4.8MPa 液压泵的流量按下式计算 K （52） 式中 K考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，一般取K1.11.3； 同时工作的执行元件的最大总流量。 本设计取泄漏系数为1.1，所以1.16.37.0L/min

30、由维乐样本查的VP12FA2低压变量叶片泵满足上述估算得到的压力和流量要求：该泵的额定压力为5.5MPa，公称排量V6.67 mL/r，额定转速为1800r/min。现取泵的容积效率0.83，当选用转速n1450 r/min的驱动电机时，泵的流量为 Vn （53） 6.670.831450 8.0L/min式中 V泵的公称排量； n电机转速； 泵的容积效率。由前面的计算可知泵的最大功率出现在定位卡紧阶段，现根据表51取泵的总效率为0.75则 根据公式（54）得 （54） 622W选用电动机型号：由于内轴式电动机可以与相对应的泵直接连接，无需用连轴器，从而减少安装空间，装配方便。所以由维乐样本查

31、的CT011HP4P3JV式电动机满足上述要求，其转速为1450r/min，额定功率为0.735KW。表5-1 液压泵的总效率Tab.5-1 The total efficiency of hydraulic pumps液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.750.800.85根据所选择的液压泵规格及系统工作情况，可计算出液压缸在各个阶段的实际进出流量，运动速度和持续时间，从而为其他液压元件的选择及系统的性能计算奠定了基础。计算结果如下表所示：表5-2托料架油缸的实际工况Tab.5-2 The actual working conditions of

32、the support material frame工 作 无杆腔 有杆腔 速度 时间阶 段 / / / /s恒 = = = 进 = =8 = = =10.6 =0.1 =5s 恒 = = = 退 = = = = =10.6 =8 =0.14 =3.6s上表中油缸的工作腔面积； 油缸回油腔面积； 进油缸流量； 出油缸流量； 油缸的运动速度； 油缸的运动时间。表5-3中心架油缸的实际工况Tab.5-3 The actual working conditions of the center frame工 作 无杆腔 有杆腔 速度 时间阶 段 / / / /s恒 = = = 进 = = 8 = =

33、=10.6 =0.1 =1s恒 = = = 退 = = = = =10.6 =8 =0.14 =0.7s5.2 液压控制阀的选择根据本系统的设计要求，本系统需要有管式单向阀，叠加式单向节流阀，减压阀，叠加式单向阀，电磁换向阀。阀类元件的规格应按阀所在回路的最大工作压力和通过该阀的最大流量从产品样本上选定。选用阀类元件时应考虑其结构形式、特性、压力等级，等等。选择压力控制阀时，应考虑压力控制阀的压力调节范围、流量变化范围、所要求的压力灵敏度和平稳性等.选择流量控制阀时，应考虑流量阀的流量调节范围，流量压力特性，最小稳定流量，压力补偿要求或者温度补偿要求，对滤油器过滤精度的要求，阀进出口压差的大小

34、以及阀内泄漏的大小等。选择方向控制阀时，应考虑方向阀的换向频率，响应时间，阀口的压力损失以及阀的内泄漏的大小等。通过各类阀的实际流量最多不应超过其额定流量的120。根据以上要求，现选定此中心架和托料装置液压系统的液压元件型号如表54所示：表5-4 各种液压元件的类型选择Tab.5-4 Various types of hydraulic components of choice序号名称通过流量/L额定流量/额定压力/MPa额定压降/MPa型号规格1过滤器8MF-02A2单向阀840250.1CIT-02-A13压力继电器6PS-02-ML4压力表W-21/2-70-A35叠加式节流阀840250.1TVCW-02-LX6叠加式减压阀840250.1BRVP-02-LB7叠加式单向阀840250.1CVP-02-B8三位四通换向阀10.66331.50.2D5-02-3C2-D19空气滤清器HS-116210液位计LS-3”5.3 液压附件的参数计算和选择5.3.1管件的尺寸的确定由表52和53 得知液压缸有杆腔和无杆腔油管的实际最大流量分别为10.6L/min和8L/min，按照表55的推荐值取油管内油液的允