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1、华中科技大学机械学院液压系统课程设计专用双行程铣床机制 0803 班目录1、 设计内容 22、 负载分析与计算 23、 液压系统原理图设计分析 41. 液压缸参数计算 52. 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格 83. 液压阀，过滤器，油管及油箱的选择 94. 液压系统的验算 11四、PLC控制系统设计 131. 各电磁铁动作顺序表 132. PLC控制连接图 143. 继电器 -接触器控制梯形图 154. PLC控制梯形图 165. 指令语句表 17六、 感受与收获 18参考资料 18一、设计内容设计一专用双行程铳床。工件安装在工作台上，工作台往复运动由液压系统实现。双向铳削。工件的定位和
2、夹紧由液压实现，铳刀的进给由机械步进装置完成，每一个行程进刀一次。要求机床的工作循环为： 手工上料一一按电钮一一工件自动定位、夹紧一一工作台往复运动铳削工件若干次一一拧紧铳削一一夹具松开一一手工卸料（泵卸载）。工作台往复运动速度（m/min） v01/v02 （ 8） /4）。取快进、快退最快速度为 16m/min。工作台往复运动 的行程（100270） mm最大行程定为 500mm定位缸的负载 200N,行程100mm动作时间 1s；夹紧的缸的负载 2000N,行程15mm动作时间1s。、负载分析与计算取液压缸的机械效率 m为。计算液压缸驱动力F0 = F/ m (N)2-1根据公式2-1,
3、计算液压缸驱动力得定位液压缸的驱动力为l 200F0 =0.92得夹紧液压缸的驱动力为2000F0 =0.92切削负载（F01削02）: 13000/6500N;217N2174N工作台液压缸总负载F = Fm + Ff+Fa2-2Fm为工作负载，Fa为惯性负载，Ff为摩擦阻力负载Fm=13000/6500N , Fa不作考虑，Ff设动摩擦为2500N,静摩擦为5000N。由公式2-1 ,工作台液压缸的工作推力FmF m 14130N /7065N m快进、快退时外负载 F=2500N,启动加速是外负载 F=5000N,工作缸的外负载为F=Fm +2500N=15500N/9000N表1铳床要
4、求的工作参数动力部件快 进，快退摩擦 阻力(N)动力部件切削负载 (N) (i/n)快进速度V1( m /min)(i/n)工进速度 V01/V02(m/min)快退速度v2(m/min)250014130/7065168)/4)16表2液压缸在各工作阶段的负载值工况液压缸负载F (N)液压缸驱动力 F0= F m (N)快进25002717.I工进1550016848n工进90009783快退25002717定位200217夹紧20002174按照要求，作出系统的工作循环图如下:I I图1工作循环图根据上述计算结果各工作阶段所受的外负载，并画出负载循环图。v/(m/min)图2速度循环图F/
5、(N)图3负载循环图三、液压系统原理图设计分析(1) 确定供油方式：根据设计背景要求，供油方式采用限压式变量泵，变量泵选择用带压力反馈的限压式变量叶片泵。(2) 调速方式的选择： 调速阀调速。(3) 速度换接方式的选择采用电磁阀的快慢速换接回路，特点是结构简单、调节行程比较方便，但速度换接的 平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切速的速度换接回路。(4) 夹紧回路的选择用二位四通阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免工作时突然失电而松开，应该用失电夹紧方式。考虑到夹紧时间可调节和当进油路压力瞬间下降时仍能保持夹紧力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在该回路中还装有减压阀，用来调
6、节夹紧力的大小和保持夹 紧力的稳定。fludu图4液压系统原理图1.液压缸参数计算(1)参考GB2348-80,铳床液压系统的工作压力选为5MPa(2)由于要求工作台双向移动速度相等，快进，快退速度相等，故工作液压缸选用单缸双 杆式。夹紧和定位缸均选单缸单杆式。(3)计算工作液压缸内径D和活塞杆直径d,最大负载为16848N,取背压P2为，试取d/D=。将数据代入式3-14F2(P P2)(1 0.72)得D二4 168483.14 (5 106 0.5 106) (1 0.72)9.67 10-2m,根据液压缸内尺寸系列GB2348-80,液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm按d/D=
7、,取d=70mm(4)计算夹紧缸和定位缸内径 D和活塞杆直径do按工作要求的夹紧力由一个夹紧缸提供，考虑到夹紧力的稳定，夹紧缸的工作压力应低于进给液压缸的的工作压力，现取夹紧缸的工作压力为2Mpa回油背压力为，取液压缸的机械效率m为。取d/口二代入下式D=4F/2P2 dPl1 D3-2得D=3.984x10 -2m ,按液压缸内尺寸系列GB2348-80,和活塞杆直径系列 GB2348-80,取夹紧液压缸的D和d分别为40mn# 28mm取定位缸工作压力为 2Mpa,回油背压力为，取液压缸的机械效率m为。取d/D二代入式3-2 ,得D=1.260x10 -2m ,取定位液压缸的 D和d分别为
8、12mmM 8mm(5) 按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度,minqminvmin3-32AA min , qmin是由广品样本查得的最小稳7E流重min。Vmin 0.4m/ min得A1.25cm ,调速阀安装在回油路上，液压缸的有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积,A= - D2 d2 40.035cm2,可见满足要求。 43)计算在各工作阶段液压缸所需要的流量q快进 ：(D2-d2)v快进 42 2.甲快退, (D -d )v快退 43.1443.1442.2、q 工进 Imax (D -d )v 工进 Imax4q工进H max一(D2-d2)v工进H max4(12 0.
9、72) 160 64.056L/ min2_2(12 0.72) 260 64.056L/min3 1422一(12 0.72) 80 32.028L/min43 1499 (12 0.72) 40 16.014L/min, 4q夹紧 :D2v夹紧4q定位二D 2v定位4314431442 0.15 600.4 =1.130L/min ,12 1 600.122 =0.678L/min。1表3液压缸在各工作阶段的压力，流量和功率工况计算公式F(N)回油腔压力p2 (MPa)进油腔压力pi (MPa)输入流里Q( L / min)功率P(KW)快进P2PPi F；A P2Q Av,P PiQ27
10、i7I工进P2 备Pi F；A P2Q Av,P P1Qi6848n工进P2 备Pi FA P2Q Av,P PiQ9783快退P2PPi F：A P2Q Av,P PiQ27i764. 06液压缸的进油腔压力，输入流量和功率用图示分别表示如下：(其中各工作阶段的运动时间为：快进ti ,工进一 t2 ,工进二t3，快退t4。)图5进油腔压力图图6输入流量图图7功率图2.确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格1)泵的工作压力的确定。由于油管有一定的压降，所以泵的工作压力为Pp PiP3-4p取为，故Pp=o Pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考
11、虑到一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力 Pn (1.251.6)Pp。选取 pp=。2)泵的流量确定。液压泵的最大流量应为 qp KL q , KL为泄漏系数，一般取为, Pmax现取为K L =。qP =。3)选择液压泵的规格。根据以上计算的pp和qp查阅机械设计手册，按照需求选用 YBX-D50(V3)限压式变量叶片泵， 该泵的基本参数为：每转排量50ml/min泵的额定压力为 10Mpa电动机额定转速 1450r/min ,流量为 min,驱动功率10kW(总效率1 0.72。4)与液压泵匹配的电动机的选定。泵的机械效率为1 0.72,电机的工况条件下，取机械效率为20
12、.75 。电机所需功率为P1PrQ1 (R Rp2)Q13-5快退和快进时，进油腔压力为，其中p1=是进油路压力损失,p2 =是压力继电器可靠3333动作需要的压力差，Q 64.06 10 /60m /s 1.07 10 m/s,推出，P4320W ;I工进时，电机所需功率，根据公式3-5,其中p1=是调速阀所需最小压力,p2 二是一 . 一 -、._3_3_ 3压力继电器可靠动作需要的压力差，Q2 32.03 10 3 /60m3/s 0.534 10 3P2 5647W ；由以上计算可知，最大功率出现在I工进阶段,Pmak5647四则电动机的功率应为N5912W 据此查样本选用 Y2-13
13、2M-4三相异步电动机，电动机额定功率为，额定转速为1440r / min 。3 .液压阀，过滤器，油管及油箱的选择1)液压阀及过滤器的选择可选出这些根据液压系统的最高工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的最大流量, 元件的型号及规格，列表如下：编P元件名称估计通过流量 (L/min)元件型号规格1XU线隙式滤油器70XU-B200 1002油箱一一500L3冷却器一一一4三相异步电动机一Y2-132M-45变量叶片油泵70YBX- D50 (V3)10MPa6溢流阀20YF-L20B570MPa7指针式压力#一Y-10010MPa8减压阀20JF-L10G7MPa9单向阀I-1010L/mi
14、n10背压阀40B-63B11三位四通换向阀9034D-63B7MPa12三位四通换向阀9034D-63B7MPa13蓄能器一HXQ-C16DHXQ-C16D14单向顺序阀X2F-L10E3MPa15单向顺序阀X2F-L10E3MPa16液压缸20x1820x1417液压缸50x2850x3618调速阀Q-H2032MPa19调速阀Q-H2032MPa20两位二通换向阀9022D-63B7MPa21三位四通换向阀P9034D-63B7MPa22液压缸100x70100x7023指针式压力#一Y-10010MPa24指针式压力#一Y-10010MPa25指针式压力#一Y-10010MPa26指针
15、式压力#一Y-10010MPa27指针式压力#一Y-10010MPa28指针式压力#一Y-10010MPa2)油管的选择根据选定的液压阀的连接油口尺寸确定管道尺寸。由于系统在液压缸工进速度最快时，流量最大，实际最大流量约为：Qmax 64L/min ,则泵的流量为额定流量L/min ,连接液压缸的进出油路油管的直径选择公称通径为20mm所以，按产品样本标准JB827-66,JB/Z95-67 ,选用公称通径为 20mm的管件。3)油箱容积的选择中压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的57倍，这里取6倍，即V 6Qr,其中Qr为液压泵每分钟排出压力油的体积。得，V=400L。4 .液压系统的验算
16、(1 )系统压力损失验算由于系统的具体管路布置尚未清楚，整个回路的压力损失无法估算，仅只有阀类元件对压力损失所造成的影响可以看得出来，供调定压力值时参考。由于快进时的油液流量比快退时的流量大，所以其压力损失也就比快退时的大。因此必须计算快进时进油路与回油路的压力损失。假定液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度为15C,由手册查出此时油的运动粘度1.5st 1.5cm2/s油的密度900 Kg/m3 ,液压元件采用集成块式的配置形式，Q 取 L/min,即 Q 0.00107m7s。判定雷诺数Re：Re Vd 1041.2732Q 104 d3-6止匕处d取20mm即d0.020m,代入数
17、据，得 Re 454 2300 ,则进油回路中的流动为层流。沿程压力损失p ：选取进油管长度为l 1.5m ,则进油路上的流体速度为:3.41m/s3-7压力损失为210704.8Pa 0.1Mpa3-864J_v2Re d V局部压力损失：由于采用集成块式配置的液压装置，所以只考虑进油路上的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式pPs()23-9qs计算，结果列表如下：表5各阀局部压力损失编 号元件名称额定流量qs(L/min )实际流量q(L/min)额定压力损失Ps (MPa实际压力损失p (MPa11三位四通换向阀1006412三位四通换向阀10020两位两通换向
18、阀1001621三位四通换向阀10021若集成块进油路的压力损失pj 0.03MPa ,由于油路一次最多经过三个换向阀，故进油路的总压力损失为：p p p pj (0.1 0.41 0.03)Mpa 0.54Mpa3-10也就是说，初选的进油管压力损失略大于实际油路压力损失。这说明液压系统的油路结构以及元件的参数选择是基本合理的，满足要求。(2) 系统发热及温升验算在整个工作循环中，工进阶段用的时间都较长，而快进快退时系统的功率较大，所以系统的发热量大小无法判断，故计算如下：快 进 时 液 压 泵 的 输 入 功 率P (1.18 0.1 0.256*20.1)*106*64 /1000 /6
19、0 2018W ,而快进时液压缸的输出功率:P F1vl 2500 16/60W 667W3.11系统的总发热功率：发热量I 工 进Q1热时 液F2(4.71 0.1 0.256*2i R P 1351W3-12加 1351 1.875J 2533J3-14压 泵 的 输 入 功0.1)*10 6*64 /1000 /605783W ,而I工进时液压缸的输出功率：F2 F2v2 13000 8/60W 1733W ,系统的总发热功率2 F2 F2 4050W ,发热量 Q2热2t2 4050 2.05J 8302.5J 综合以上可知，发热量最大的阶段是工进阶段，即取 max 8302.5W。假
20、设油箱三个边长的比例在1: 1: 1到1: 2： 3范围内，且油面高度为油箱高度的80%, A 3.28m2 ,假定通风良好，取油箱散热系数Ct 15 10 3Kw/(m2 C),则利用式T3-15可得油液温升为：T 175.2 Co设环境温度为丁2 20 C ,则热平衡温度为：T1 T2T 188.75 C3-16T1 55 70 C。所以油箱散热需要加装专用冷却器。再验算，取Ct 110 10 3Kw/(m2 C),则利用式3-15,可得油液温升为：T 23 C。设环境温度为T2 20 C ,则热平衡温度为：T1 T2T 43 C。T1 T1 55 70 C。所以加装冷却器后油箱工作温度没
21、有超过最高允许油温，散热可以满足要求。四、电控系统的设计(采用 PLC控制方式)(1)各电磁铁动作顺序表其中表中的符号含义：ON :电磁铁动作OFF:电磁铁不动作表6各电磁铁动作顺序表工作阶段1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA定位、夹紧OFFOFFOFFON：OFFOFFOFF快进OFFONOFFONOFFOFFOFFI工进往OFFOFFOFFONOFFOFFONI工进复OFFOFFOFFONOFFONOFF往复4次H工进往OFFOFFOFFonONOFFONH工进复OFFOFFOFFONONONOFF往复4次快退ONOFFOFFON；OFFOFFOFF松开夹具OFFOFFONOFFO
22、FFOFFOFF(2)PLC控制连接图图中各符号的含义:2SB3SB1x3x1SB:启动/复位按钮KM :中间继电器:急停按钮 1Y7Y:各电磁阀:快进、工进:位置开关图8 PLC外部接线控制电路(3) 继电器-接触器控制梯形图F J1FR,T定L,天臬1:-|1,蚂.邱：1词目i针试蜚2工i嘛林邛?二皿希哥姓鹿口锌图9继电器-接触器控制梯形图PLC控制梯形图45I一T 1OUTI77P?Ytrv.,iT卜S3I 1Y402v 1 3511 7 . rI卜”YLQ?.I-.2Y30M7-L珏Y-32Y&盯二 453Yi36匚 + *VA33卜F I小iTl&6Y401 *Y402 IF 421
23、JF7D7鬲定配到t狂二正柱跄二周回精环施料2工选桂.西2工解第M圾腱好”、痔(5)指令语句表表7指令语句表1LDI 404急停41LD 402II工进往2LD 400启动42OR 4373OR 43043ANI 4034ANI FR44ANI 4615OUT 43045OUT 4376OUT 7146LD 4037LD 430定位夹紧47OUT 4518ANI 40148K 59OUT 43449LD 451II工进复10LD 434快进50OR 43611AND 40551ANI 40212OR 43252OUT 43613ANI 40253LD 7114OUT 43254RST 4601
24、5CJP 70155LD 40316LD 402I工进往56OUT 46017OR 43757K 4记数往复4次18ANI 40358LD 40319ANI 46059ANI 46120OUT 43760CJP 70221LD 40361LD 402:快退22OUT 45062OR 43123K 563ANI 40124LD 450工进复64OUT 43125OR 43664LD 401夹具松开卸荷26ANI 40265OUT 43327OUT 43666END28LD 71记数往复4次29RST 46030LD 40331OUT 46032K 433LD 43034ANI 46035CJP
25、70136LD 40237OR 43538ANI 40139OUT 43540EJP 702五、液压课程设计感想：通过这次液压系统的课程设计， 让我对液压系统的设计有了更深的了解。 课堂上学的知识都是理论上的， 具体设计、 工作起来要考虑到哪些问题自己还不是很了解。 一开始做课程设计的时候， 都是参考着书上的内容、 步骤一步一步的做下去的， 发现自己以前学的知识很多都遗忘了， 需要看书把以前的知识重新掌握， 这样做起来心里面才有底。 一开始进度确实比较慢， 但后来通过不断地复习和回忆， 课程设计就越做越顺利， 第一个星期结束后基本上就把理论的计算做完了。 液压系统的原理图一开始自己还是不懂得如
26、何去设计， 因为以前也重来没没有这方面的经验， 只懂得把书上的基本回路拼凑起来， 到初步设计基本结束后， 发现还是存在很多的问题。 后来经过和班上同学讨论， 我对液压系统的设计有了新的认识， 也意识到自己以前没有考虑到的问题。 后来我把液压系统的原理图重新设计了， 把存在的问题基本上解决了。 PLC 的设计控制也需要把机电传动控制上的内容复习过来才能顺利做好。这次课程设计主要是把以前学的课本知识运用在实际上，巩固熟悉了液压知识，复习了PLC，对以后工作有很大帮助。5. 参考文献1 液压传动与气压传动，何存兴 张铁华，华中科技大学出版社， 2003 ；2 液压与气压传动，徐福玲 陈尧明，机械工业出版社， 2006 ；3 液压传动设计手册，社会科学技术出版社， 1983；4 机械设计课程设计，唐增宝常建娥，华中科技大学出版社， 2006 ；5 机电传动控制，邓星钟，华中科技大学出版社， 2005 ；6 冯天麟老师的课程设计任务书，指导书以及参考；7 液压系统设计简明手册，杨培元，朱福元，机械工业出版社， 1994。