題目：液壓動力滑臺液壓傳動系統設計

學院：機電工程學院

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液壓動力滑臺液壓傳動系統設計

一、設計要求

1.要求的工作循環：快進接近工件、工進加工、快退返回、原位停止。

2.給定的設計參數：快進、快退速度v1＝0.1m/s；工進速度v2＝0.1×10-3m/s；靜摩擦力Fs＝1960N；動摩擦力Fd＝980N；啟動和制動慣性負載Fi＝500N；工作負載Fe＝32000N；啟動、制動時間t＝0.2s；快進行程L1＝100mm；工進行程：L2＝50mm。

二、工況分析

1．由給定的設計參數，計算各工況負載見表1，其中，取液壓缸機械效率ηcm＝0.9。

表1液壓缸負載的計算

工

況

計算公式

液壓缸負載F/N

液壓缸驅動力F0/N

啟

動

加

速

快

進

工

進

反向啟動

加

速

快

退

F＝Fs

F＝Fd＋Fi

F＝Fd

F＝Fe＋Fd

F＝Fs

F＝Fd＋Fi

F＝Fd

1960

1480

980

32000

1960

1480

980

2178

1645

1089

35556

2178

1645

1089

2．計算快進、工進時間和快退時間。

快進

t1＝L1/v1＝100×10-3/0.1＝1s

工進

t2＝L2/v2＝50×10-3/(0.1×10-3)

＝500s

快退

t3＝(L1＋L2)/v1＝(100＋50)×10-3/0.1＝1.5s

3．根據以上數據繪制液壓缸F-t與v-t圖，如圖1所示。

圖1

F-t與v-t圖

三、確定液壓缸參數

1．初選液壓缸工作壓力。由工況分析可知，工進階段的負載最大，所以液壓缸的工作壓力按此負載計算。查找資料[1]表7-2，選p1=4MPa。為防止工進時突然發生前沖現象，液壓缸回油箱應有背壓，查找資料[1]表7-3，選背壓p2=0.8MPa。為使快進快退速度相等，選用A1=2A2差動油缸。液壓缸快進和快退時油管中壓力損失設為Δp=0.5MPa。

2．計算液壓缸尺寸。

則液壓缸缸筒直徑

查找[2]表42.4-2，取標準直徑

D=110mm

因為A1=A2，所以

則液壓缸有效面積為

3．液壓缸工況計算。液壓缸在工作循環中各階段壓力、流量和功率的計算結果見表2。繪制液壓缸工況圖，如圖2所示。

表2

各工況下的主要參數值

工況

液壓缸推力F0/N

回油腔壓力p2/MPa

進油腔壓力p1/MPa

輸入流量q/L·s-1

輸入功率P/kW

計算公式

快快進

啟動

2178

——

0.88

——

——

p1＝

q＝Av1

P＝p1q

加速

1645

1.27

0.77

——

——

恒速

1089

1.16

0.66

0.5

0.33

工進

35556

0.8

4.12

9.5×10－4

3.9×10－3

p1＝

q＝A1v2

P＝p1q的快退

起動

2178

——

0.88

——

——

p1＝

q＝A2v1

P＝p1q

加速

1645

0.5

1.43

——

——

恒速

1089

0.5

1.30

0.45

0.59

圖2

液壓缸工況圖

四、擬定液壓系統圖

1.調速方式。該液壓系統功率較小，滑臺運動速度低，工作負載為阻力負載且工作中變化小，故可選用進口節流調速回路。為防止負載突變，在回油路上加背壓閥。

2．液壓泵的選擇。從液壓缸工況圖可以看出工作循環主要由快進、快退行程低壓大流量和工進行程的高壓小流量兩個階段組成，qmax/qmin=0.5/(9.5×10-4)=526.3；其相應的時間之比(t1+t3)/t2=(1+1.5)/500=0.005。因此在一個工作循環中的大部分時間都處于高壓小流量工作。從提高系統效率、節省能量角度來看，選用單定量泵油源顯然是不合理的，為此可選用限壓式變量泵或雙聯葉片泵作為油源。考慮到前者系統較簡單，經濟性好，且無溢流損失，系統效率高，溫升較小，故選擇限壓式變量泵。

3．速度換接方式。采用二位二通電磁換向閥，控制由快進轉為工進。與行程閥相比，管路較簡單，行程大小容易調整。當滑臺由工進轉為快退時，回路流量較大，為保證換向平穩，可采用電液換向閥。

4.快速回路與工進轉快退控制方式的選擇。為使快進快退速度相等，選用差動回路作快速回路，換向閥選用三位五通閥。

5.綜上所述，擬定液壓系統圖，如圖3所示。

圖3

液壓系統圖

1-限壓式變量葉片泵；2-三位五通電液換向閥；3-二位二通電磁閥；4-調速閥；5、7、10-單向閥；6-壓力繼電器；8-液控順序閥；9-背壓閥；11-溢流閥；12-過濾器

其中，部分元件的作用如下：

壓力繼電器6：便于系統自動發出快速退回信號。

單向閥7：將工進時的進油路、回油路隔斷，防止其相互接通，無法建立壓力；

液控順序閥8：防止滑臺快進時回油路接通油箱，無法實現液壓缸差動連接，阻止液壓油在快進階段返回油箱；

單向閥10：防止機床停止工作時系統中的液壓油流回油箱，導致空氣進入系統，影響滑臺運動平穩性；

液壓系統工作原理：三位五通電液換向閥處于左位，二位二通電磁閥處于右位時，液壓缸實現快進；當二位二通電磁閥處于左位時，油液從調速閥4通過，液壓缸實現工進；到達終點時，三位五通電液換向閥處于右位，二位二通電磁閥處于右位，液壓缸快退。三位五通電液換向閥處于中位時，液壓缸停止運動。

五、選擇液壓元、輔件

1．選擇液壓泵

由表2可知，工進階段液壓缸壓力最大，取進油路總壓力損失為0.8MPa，則液壓泵最高工作壓力

故泵的額定壓力

由表2可知，工進時所需流量最小，為9.5×10－4L/s，則變量泵的最小流量為

快進時所需流量最大，為0.5L/s，則變量泵的最大流量為

根據以上計算，查資料[2]表42.3-68，選用YBX-25型限壓式變量葉片泵，該泵技術規格如下：

表3

液壓泵參數

型號

排量調節范圍

mL/r

額定壓力

MPa

壓力調節范圍MPa

額定轉速

r/min

YBX-25

0～25

6.3

2.0～6.3

600～1500

2．選擇電動機

由表2可知，最大功率出現在快退工況。快退時，取進油路壓力損失為0.4MPa,則

取泵的最大流量為q＝35L/min＝5.8×10－4m3/s，查找資料[2]表42.3-68取泵的總效率ηP＝0.72，則

根據以上計算結果，查找資料[3]表16-2，選用與上述功率和液壓泵轉速相適應的Y90L－4三相異步電動機，額定功率為1.5kW，滿載轉速為1400r/min。

3．選擇其他元、輔件

根據系統的工作壓力以及通過閥的實際流量，查找液壓技術手冊[2]和[4]，選擇其他液壓元件和輔件，其型號和參數見下表：

表4

其他元、輔件的選擇

序號

元件名稱

通過閥的最大流量

規格

額定流量

額定壓力

MPa

型號

三位五通電液換向閥

6.3

35D-100B

二位二通電磁閥

610

6.3

22D-100BH

調速閥

<1

6.3

Q-6B

單向閥

6.3

I-100B

壓力繼電器

——

——

0.6~6.3

DP-63B

單向閥

6.3

I-63B

液控順序閥

<1

6.3

XY-25B

背壓閥

<1

6.3

B-10B

單向閥

6.3

I-63B

溢流閥

YF3-E10B

過濾器

6.3

XU-100×100

4．選擇油管

管道尺寸根據選定的液壓閥的連接油口尺寸確定。液壓缸的進出油管按輸入、排出的最大流量計算。快進時流量最大，其實際流量為泵的最大供應量的兩倍，達到66L/min，則進出油管可選用內徑為15mm，外徑為18mm的無縫鋼管。

5．確定油箱容量

按經驗公式計算油箱容量

V＝(5~7)qp＝6×1500r/min×25mL/r＝225L

參考資料

[1]官忠范主編.液壓傳動系統.北京:機械工業出版社，2004

[2]中國機械工程協會主編.中國機械設計大典.南昌:江西科學技術出版社，2002

[3]程志紅，唐大方編著.機械設計課程上機與設計.南京:東南大學出版社，2006

[4]魏喜新主編.液壓技術手冊.上海:上海科學技術出版社,2013