机电设备控制技术之液压与气动课程设计任务指导书（适用班级机制08级）一、学分：1分（包含在机电设备控制技术课程总评成绩中）二、课程设计的目的本次课程设计是专业教学计划所规定的一项重要的学习实践环节，是对本学期机电设备控制技术之液压与气动课程学习内容的综合运用，通过实例设计使学生进一步了解设计方法、领会和掌握液压传动系统设计的一般步骤、所要考虑的方面、注意事项和设计计算。在指导教师指导下，学生应当综合运用已掌握的液压传动基础知识独立完成课程设计任务指导书规定的程序和任务。通过本次课程设计活动，使学生在巩固、消化和吸收所学过的课堂基础理论知识的基础上，进一步扩大和加深对液压传动知识掌握和运用的深度和广度，借助课程设计任务指导书、国家有关标准和技术手册等相关参考资料，提高掌握和使用制图和编写设计计算说明书等技能，来正确表达自己的设计思想和设计意图。三、课程设计任务设计一台如图1所示的专用铣床动力滑台的液压传动系统。本次课程设计要求学生独立完成以下任务：1设计所需的液压系统，绘制出系统传动原理图（打印稿和电子版各1份）；2进行液压传动系统所需元件的设计计算和选用；3对所要选用的基本回路进行计算和分析；图1专用铣床加工示意图4设计液压工作缸结构，绘制出液压缸结构简图并加以简述。5编写课程设计计算说明书1份，字数要求25003000。四、设计给定条件专用铣床铣头驱动电动机的功率P=7.5kW，铣刀4直径D=120mm，主轴转速n=350r/min，工作台2的最大重量G=4000N，工件与夹具3的最大重量G1=1500N，工作台行程S=400mm（快进行程S快=300mm，工进行程S工=100mm），快进速度v1=4.5m/min，工进速度v2=601000mm/min，动力滑台往复运动的加速、减速的时间均为t=0.05s，工作台采用平导轨，其静摩擦系数fj=0.2，动摩擦系数fd=0.1。取液压泵的效率B=0.75，液压缸的机械效率m=0.9。五、液压传动系统的一般设计流程1负载分析（1）工作负载工作负载与设备工作性质有关，是液压缸所受负载中最主要的部分。FW=（2）摩擦阻力对机床而言，即导轨的摩擦阻力，有静摩擦力和动摩擦力之分。Ffj=fj (G+G1)Ffd=fd (GG1)（3）惯性负荷是工作部件在启动和制动过程中的惯性力。Fg=已知负载力和液压缸的机械效率，可计算出液压缸在各动作阶段中的负载情况。表1液压缸在各动作阶段中的负载情况工况计算公式液压缸负载F(N)液压缸推力F/m (N)启动F=Ffj加速F=Ffd+Fg快进F=Ffd工进F=Ffd+FW快退F=Ffd2绘制负载图和速度图根据工况负载和已知速度v1和v2及行程S，可绘制出负载图（FS）和速度图。图2负载图和速度图a) 负载图b) 速度图3初步确定液压缸的参数（1）初选液压缸的工作压力按表2各类液压设备常用工作压力初步选取。表2各类液压设备常用工作压力液压设备类型精加工机床半精加工机床粗加工或重型机床农业机械、小型工程机械工作压力(MPa)0.82355101016初选 p1=3MPa（2）计算液压缸的尺寸若选用差动液压缸，无杆腔有效面积A1是有杆腔A2的两倍；回油路上应有背压阀或调速阀，取背压p2=0.8MPa；回油管路压力损失p=0.5MPa。液压缸无杆腔面积为 A1=液压缸筒内径计算D=计算出内径尺寸并圆整后，按表3选取缸的内径尺寸标准值D（括号内为非推荐尺寸）。表3液压缸内径尺寸系列（GB234880）（单位：mm）10121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630活塞杆直径d按A1=2A2几何关系计算，并按表4推荐的尺寸选取。表4活塞杆直径尺寸系列（GB234880）（单位：mm）568101214161820222528323640505663708090100110125由此求得液压缸的实际有效面积：A1=A2=(D2d2)液压缸筒长度的确定缸筒长度由活塞行程加上各种结构需要来确定，行程长度按表5推荐的尺寸选取（括号内为非推荐尺寸）。表5液压缸活塞行程系列（GB234980）（单位：mm）255080100125160200250280320（360）400（450）500（550）630（700）800（900）1000（1100）1250（1400）1600（3）液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的计算计算方法见表6。根据表6可绘制出液压缸的工况图。液压缸工况示意图如图3所示。表6液压缸所需的实际流量、压力和功率工况负载/推力F(N)回油腔压力p2(MPa)进油腔压力p1(MPa)输入流量Q(L/min)输入功率P(kW)计算公式快进启动p1=(F+A2p)/(A1-A2)Q=(A1-A2)v1P=p1Q加速p2=p1+p恒速p =0.5工进p2=0.8p1=(F+p2A2)/A1Q=A1v2 P=p1q快退启动p1=(F+p2A1)/A2Q=A2v3P=p1Q加速p =0.5恒速p =0.54拟定液压系统图（1）选择液压基本回路通过对工况图的分析，确定供油源的形式。对于流量和压力都较小的液压系统，可选用定量泵和溢流阀组成的供油源。进一步分析机床设备工作状况，确定基本回路和控制方式。图4推荐了4种液压基本回路片断。（2）组成系统图液压系统设计时要考虑到铣床在工进和快速移动时的速度和工作压力的不同，在进、出油路上选用不同的调速方式（参见图5液压系统设计举例）。图4基本回路片断图3液压缸工况图5选择液压元件（1）确定液压泵容量及电动机功率1）液压泵的工作压力与流量计算已知进油路的压力损失p=3105Pa，回路泄漏系数K=1.1，则液压泵的最高工作压力和流量为：pB=p1+pQB=KQmax根据上述计算查阅液压泵的产品目录，选用适合系统所需要的液压泵。2）确定驱动电动机的功率根据工况图中最大功率可能出现的工作阶段，取液压泵的效率为B=0.75，则电动机功率为：P=根据计算结果，查阅产品目录，选取电动机。（2）控制阀的选择根据液压泵的工作压力和各阀图5液压系统设计举例的实际流量，选取相关元件规格。（3）确定油管直径当选用差动液压缸连接时，进液压缸无杆腔的流量，在差动工况时为2Q，所以管道流量应该按所选用液压泵流量的两倍计算。油管内径为：D=上式中Q为通过油管的流量（m3/s）。v为通过油管的流速（m/s）。吸油管取v0.61.5m/s，流量大时取大值；压油管取v2.55m/s，当压力高，管道短，油液粘度小时，可取大值，反之取小值；回油管道取v1.52.5m/s。计算出来的油管内径应被圆整成为标准值。确定油管尺寸应与选定的液压元件接口处的尺寸一致。表7各相关液压元件的规格序号元件名称最大通流量(L/min)型号规格1定量叶片泵2溢流阀3三位四通电磁阀4单向调速阀5二位三通电磁阀6单向阀7过滤器（4）确定油箱容量粗略计算油箱容量时，对于低压系统，油箱的有效容积为液压泵流量的24倍；对于中高压系统取为57倍。油箱总容积一般为有效容积的1.25倍左右。对计算的油箱容积尺寸进行圆整，按GB287681规定，取最靠近的标准值。6液压系统的性能估算（1）压力损失通过对工况图的分析可知，计算液压系统的压力损失时，只需计算工进和快退工况时的压力损失。在液压装置未设计好之前，管道长度不能断定，鉴于所设计的液压系统是用于固定的机床设备，管道长度按2米估算。油液的运动粘度取=1.5cm2/s。1）工进时进油路的压力损失沿程损失计算公式如下：p沿=式中沿程损失系数与油液的流动状态有关，对光滑金属管内层流液体，取=75/Re。雷诺数Re=vd/=4Q/ (d)（提示：雷诺数的计算结果2320，所以，管路中流动的是层流液体）进油管路的局部损失估计：p局=0.1p沿进油路上各种阀类的压力损失为各阀压力损失之和，参见表8。表8几种类型液压阀的额定压力损失元件名称三位四通电磁阀二位三通电磁阀调速阀滤油器单向阀额定压力损失0.25MPa0.1MPa0.6MPa0.02MPa0.2MPa工进时进油路的总压力损失为：p1=p沿+p局+p采用差动连接方式时，由活塞缸内无杆腔与有杆腔的有效面积之比为A1/A2=2，可知回油流量为进油流量的一半，所以，回油管路中流动的也是层流液体，其沿程压力损失和局部损失分别为：p回沿=p回局=0.1p回沿工进时回油路的总压力损失为：p2=p回沿+p回局+p将回油路上的压力损失折算到进油路上，就可求出工进时回路上的整个压力损失为：p1=p1+p22）快退时进油路的压力损失计算雷诺数Re，确定油液在管路中的流动状态，若为层流液体，则其压力损失为：p沿=p局=0.1p沿进油路上由于各阀的存在造成系统总的阀类局部损失为各阀局部压力损失之和。快退时进油路的总压力损失计算参见工进时进油路的总压力损失计算。快退时回油路的总压力损失计算参见工进时回油路的总压力损失计算。因为液压缸内无杆腔与有杆腔的有效面积之比为A1/A2=2，故回油流量为进油流量的两倍。计算雷诺数Re，确定油液在管路中的流动状态，求出油液在管路中流动的沿程和局部损失，计算阀类造成的系统总的阀类局部损失，将三项压力损失求和，得出快退时回油路上总压力损失。将快退时回油路上的压力损失折算到进油路上，可求出快退时回路上的整个压力损失。（2）液压泵的工作压力pB+p1计算出在工进和快退两个时间段中较大的那个工作压力，以确定系统溢流阀的调整压力py值，满足系统安全工作的需要。（3）液压系统的效率取液压泵的效率B=0.75，液压缸的机械效率m=0.9，回路的效率为：C=式中p1=+p1计算不同工进速度工况条件下的回路效率C1和C2，计算液压系统的效率