上料机液压系统课程设计.docx

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液压与气压传动
课程设计

姓 名：
廖聪
学 号：
2015143227
层 次：
本科
专 业：
机械电子工程
班 级：
15机电2班
指导教师：
刘方方

2017年12月
目录
任务书 1
一、 明确系统设计的要求，进行工况分析 2
1.1 明确系统设计的要求 2
1.2 分析液压系统工况 2
二、 确定液压缸主要参数 5
2.1 初选液压缸的工作压力 5
2.2 计算液压缸主要参数 5
2.3 各工作阶段的时间计算 5
2.4 计算液压缸流量、压力和功率 6
2.5 绘制液压缸的工况图 7
三、液压系统图的拟定 8
3.1 液压系统的拟定 8
3.2 拟定液压系统原理图 8
四、 计算与选择液压元件 10
4.1 确定液压泵的型号及电动机功率 10
4.2 选择阀类元件及辅助元件 11
五、 验算液压系统的主要性能 12
5.1 压力损失验算 12
5.2 液压系统的发热和温升验算 14
参考文献 15
设计心得 16

精品资料
任务书
设计一台上料机液压系统，要求该系统完成：快速上升——慢速上升（可调速）——快速下降——下位停止的半自动循环。采用90°V型导轨，垂直于导轨的压紧力为60N，启动、制动时间均为0.5s，液压缸的机械效率为0.9。设计原始数据如下表所示。
滑台自重（N）
工件自重（N）
快速上升速度（mm/s）
快速上升行程（mm）
慢速上升速度（mm/s）
慢速上升行程（mm）
快速下降速度（mm/s）
快速下降行程（mm）
800
4500
40
350
≤10
100
45
400
请完成以下工作：
1、进行工况分析，绘制工况图。
2、拟定液压系统原理图（A4）。
3、计算液压系统，选择合适的液压元件。
4、编写液压课程设计说明书。
上料机示意图如下：

图1 上料机示意图
一、 明确系统设计的要求，进行工况分析
1.1 明确系统设计的要求
上料机是由通用部件和部分专用部件组成的高效、专用、自动化程度较高的机器。机器将材料从低的位置运到高的位置，当材料取走后按下按钮，机器从高的位置回到低的位置。实现沿垂直向方向的“快速上升——慢速上升（可调速）——快速下降——下位停止” 的半自动循环。工作循环拟采用液压传动方式来实现。故拟选定液压缸作执行机构。
1.2 分析液压系统工况
1）运动分析
根据各执行在一个工作循环内各阶段的速度，绘制其循环图，如图1.1所示：

图1.1 上料机动作循环图

2）负载分析
a）工作负载：FL=FG=4500+800=5300N
b）摩擦负载：Ff=fFNsin∂2，由于工件为垂直起开，所以垂直作用于导航的载荷可由间隙和结构尺寸，可知FN=60N，取fS=0.2,fd=0.1 , V型角，一般为90°，则
静摩擦负载： Ffs=fsFNsin45°=0.2×60sin45°=16.97N
动摩擦负载： Ffd=fdFNsin45°=0.1×60sin45°=8.49N

c）惯性负载Fa
惯性负载为运动部件在起动和制动的过程中可按F=ma=Gg∆v∆t计算。以下合力只代表大小。
加速Fa1=Gg∆v∆t=53009.8×0.040.5=43.27N
减速Fa2=Gg∆v∆t=53009.8×0.030.5=32.45N
制动Fa3=Gg∆v∆t=53009.8×0.010.5=10.82N
反向加速Fa4=Gg∆v∆t=8009.8×0.0450.5=7.35N
反向制动Fa5=Gg∆v∆t=8009.8×0.0450.5=7.35N
d）各阶段总负载F
计算液压缸各阶段中的总负载F'和液压缸推力F 。考虑密封等阻力，取ηm=0.9，则F=F'η，计算结果见表1.1所示。
表1.1 液压缸各中的负载
工况
计算公式
总负载F’（N）
缸推力F（N）
起动
F=Ffs+FL1
5317.0
5907.7
加速
F=Ffd+Fa1+FL1
5351.8
5946.4
快上
F=Ffd+FL1
5308.5
5898.2
减速
F=FL1+Ffd-Fa2
5276.0
5862.3
慢上
F=FL1+Ffd
5308.5
5898.3
制动
F=FL1+Ffd-Fa3
5297.7
5886.3
反向加速
F=-Ffd-Fa4
784.2
871.3
快下
F=-Ffd+FL2
791.5
879.5
反向制动
F=-Ffd+Fa5+FL2
798.8
887.6

按前面的负载分析及已知的速度要求，行程限制等，绘制出速度—时间和负载—时间图（如图1.2所示）

图1.2 液压缸的速度—时间和负载—时间图

二、 确定液压缸主要参数
2.1 初选液压缸的工作压力
按负载大小根据表2.1选择液压缸工作压力。
表2.1 按负载选择执行元件工作压力表[2]
负载F（kN）
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
压力p（MPa）
<0.8~1.0
1.5~2.0
2.5~3.0
3.0~4.0
4.0~5.0
>5.0~7.0
由液压缸负载计算，按上表初定液压缸工作压力p=1.6MPa。
2.2 计算液压缸主要参数
按最大负载Fmax计算缸筒面积A得
A=Fmaxp=5946.41.5×106=3.716×10-3m2
计算缸筒内径D得
D=4Aπ=4×3.96×10-3π=0.0688m=68.8mm
按计算结果根据表2.2选择缸筒内径标准值。
表2.2 液压缸内径和活塞杆直径标准系列[2]
液压缸内径D
…40、50、63、80、(90)、100、(110)、125、(140)、160 …
活塞杆直径d
…16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56…
按标准取：D=63mm。根据快上和快下的速度比值来确定活塞杆的直径：D2D2-d2=4540，代入数值，解得：d=21mm，按标准取值：d=22mm。
活塞宽度：B=0.8D=50.4mm
导向套：C=0.8d=17.6mm
缸筒长度：L=l+B+C=450+50.4+17.6=518mm
计算液压缸有效作用面积为
无杆腔面积：A1=14πD2=π4×0.0632=0.00311m2
有杆腔面积：A2=14πD2-d2=π4×(0.0632-0.0222)=0.00274m2
2.3 各工作阶段的时间计算
1）快上阶段
a加速=v1∆t=40×10-30.5=0.08ms2
s加速=12a加速∆t2=12×0.08×0.52=0.01m
t1=s1-s加速v1+∆t=0.35-0.010.04+0.5=9s
2）慢上阶段
a减速=v2-v1∆t=10-40×10-30.5=-0.06ms2
s减速=v1∆t+12a减速∆t2=40×10-3×0.5-12×0.06×0.52=0.0125m
t2=s2-s减速v2+∆t=0.1-0.01250.01+0.5=9.25s
3）快退阶段
a反向加速=a反向制动=v3∆t=0.0450.5=0.09ms2
s反向加速=s反向制动=12a反向加速∆t2=12×0.09×0.52=0.0113m
t3=s3-s反向加速-s反向制动v3+2∆t=0.4-0.0113-0.01130.045=9.39s
2.4 计算液压缸流量、压力和功率
1）流量计算
q快上=A1V1=0.00311×0.04=0.000124m3s=7.464Lmin
q慢上=A1V2=0.00311×0.01=0.000031m3s=1.866Lmin
q快上=A1V1=0.00274×0.045=0.000123m3s=7.398Lmin
2）压力计算
p快上=F快上A1=58980.0031=1.896MPa
p慢上=F慢上A1=58980.0031=1.896MPa
p快退=F快退A2=879.50.0027=0.321MPa
3）功率计算
P快上=p快上q快上=1.896×106×124.4×10-6=235.9W
P慢上=p慢上q慢上=1.896×106×31.1×10-6=59.0W
P快退=p快退q快退=0.321×106×123.3×10-6=39.6W
2.5 绘制液压缸的工况图
工作循环中液压缸各阶段压力、流量和功率如表所示。
表2.5液压缸各阶段压力、流量和功率
工况
时间t（s）
压力p（MPa）
流量q（Lmin）
功率P（W）
快上
9
1.896
7.464
235.9
慢上
9.25
1.896
1.866
59.0
快退
9.39
0.321
7.398
39.6
由表2.5绘制液压缸的工况图如图2.5所示。

图2.5 液压缸的工况图

三、液压系统图的拟定
3.1 液压系统的拟定
1)选用执行元件
由系统动作循环图，选定单活塞杆液压缸作为执行元件。
2)确定供油方式
从工况图分析可知，该系统在快上和快下时所需流量较大，且比较接近，且慢上时所需的流量较少，因此选用双联叶片泵为油泵。
3)调速方式选择
从工况图可知，该系统在慢速时速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的回油节流调速。
4)速度换接选择
由于快上和慢上之间速度需要换接，但对缓解的位置要求不高，所以采用由行程开关控制二位二通电磁阀实现速度换接。
5)换向方式选择
采用三位四通电磁阀进行换向，以满足系统对换向的各种要求。选用三位阀的中位机能为Y型。
6)平衡及锁紧
为防止在上端停留时重物下落和停留的时间内保持重物的位置，特在液压缸的下腔（即无杆腔）进油路上设置液控单向阀；另一方面，为了克服滑台自重在快下过程中的影响，设置了一节流阀。
7)其它选择
为便于观察调整压力，在液压泵的出口处设置测压点。
3.2 拟定液压系统原理图
完成以上各项选择后，作出拟定的液压系统原理图和各电磁铁的动作顺序表如图3.8所示。

1--滤油器；2—双联叶片泵；3—溢流阀；4—单向阀；5—节流阀；
6—三位四通电磁换向阀；7—调速阀；8—二位二通电磁换向阀；
9—液控单向阀；10—单向顺序阀；11—压力表；12—压力表开关；
13—油箱；15—行程开关
图3.8 液压系统的原理图

四、 计算与选择液压元件
4.1 确定液压泵的型号及电动机功率
1）计算液压泵压力
估算压力损失经验数据：一般节流调速和管路简单的系统取∆pl=0.2~0.5MPa，有调速阀和管路较复杂的系统取△pl=0.5~1.5MPa。液压缸在整个工作循环中最大工作压力为1.896MPa，由于系统有调速阀，但管路简单，所以取压力损失△pl=0.5MPa，计算液压泵的工作压力为
pp=p+△pl=1.896+0.5=2.396MPa
2）计算所需液压泵流量
考虑泄漏的修正系数K：K=1.1~1.3。液压缸在整个工作循环中最大流量为7.464L/min。取回路泄漏修正系数K=1.1，计算得所需两个液压泵的总流量为
qp=1.1×7.464=8.2104Lmin，由于溢流阀最小稳定流量为3L/min，工进时液压缸所需流量为1.866L/min，所以高压泵的流量不得少于4.896L/min。
3）选用液压泵
选用YB1—6.3/6.3型的双联叶片泵。液压泵额定压力为6.3MPa，排量分别为6.3mL/r和6.3mL/r，取容积效率ηpV=0.9，总效率η=0.85，额定转速分别为1450r/min和1450r/min。
4）选用电动机
拟选Y系列三相异步电动机，满载转速2830r/min，按此计算液压泵实际输出流量为
qp=6.3+6.3×10-3×2830×0.85=30.309lmin
计算所需电动机功率为
Pp=ppqpηp=2.396×106×30.309×10-360×0.85=1.424kW
选用YE2-90S-2电动机。电动机额定功率为1.5KW，满载转速为2830r/min。

4.2 选择阀类元件及辅助元件
1）标准件
根据系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的流量，由产品目录确定这些元件的型号及规格如表4.3所示。
2）非标件
a）油管：根据实际流量类比确定，采用内径为8mm，外径为10mm的紫铜管。
b)油箱：低压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的2-4倍，为了更好的散热，取油箱容积为150L。
表4.2 液压元件型号规格及主要参数[2]
序 号
名 称
型号规格
主要参数
1
滤油器
WV-40×180
流量40L/min
2
双联叶片泵
YB1-6.3/6.3
排量6.3ml/r；压力6.3MPa
3
溢流阀
YF-B10B
流量10 L/min；
调压范围0.5~7MPa
4
单向阀
AF3-Ea10B
流量10 L/min；
开启压力0.45MPa
5
节流阀
CS-1002
流量12 L/min；压力6.3MPa
6
三位四通电磁换向阀
DSG-03-3C40
流量60；压力3.15MPa
7
调速阀
Q-25B
最小流量0.07 L/min；
压力0.5~6.3MPa
8
二位二通电磁换向阀
22D-25B
流量24.57 L/min；
压力6.3MPa
9
液控单向阀
AQF3-EI0B
流量50 L/min；压力6.3MPa
10
单向顺序阀
SV/SCV*03-*
流量50 L/min；压力6.3MPa
11
压力表
Y-100T
量程0~5MPa
12
压力表开关
QF3-EI0B
——
13
油箱
755×500×405
容积150L
14
电机
YE2-90S-2
转速2840r/min；功率1.5kW
15
行程开关
LXJM1-8108
——
五、 验算液压系统的主要性能
5.1 压力损失验算
现在元件、管道、安装形式均已基本确定，所以需要验算一下系统各部分的压力损失，看其是否在前述假设的范围内，借此可较准确的确定泵和系统各处的工作压力，以较准确的调节变量泵、溢流阀和各种压力阀。保证系统的正常工作，并达到所要求的工作性能，当系统执行元件为液压缸时，液压泵的最大工作压力应满足
pp≥FmaxA1+A2A1∆p2+∆p1
(1)慢上时的压力损失。慢上时管路中的流量较小，流速较低，沿程压力损失和局部压力损失可忽略不计。
(2)快退时的压力损失。快退时，缸的无杆腔的回油量是进油量的两倍，其压力损失比快进时要大，因此必须计算快退时的进油路与回油路的压力损失，以便确定大流量泵的卸载压力。
快退时工作缸的进油量为q1=0.123×10-3m3s，回油量为q2=0.14×10-3m3s。
1)确定油液的流动状态
雷诺数 Re=vdv=4qπdv
则工作缸进油路中液流的雷诺数为
Re1=4×0.123×10-3π×8×10-3×1.5×10-4=130.5<2320
工作缸进油路中液流的雷诺数为
Re2=4×0.14×10-3π×8×10-3×1.5×10-4=148.5<2320
因此，工作缸进、回油路中的流动都是层流。
2)计算沿程压力损失∆pλ
进油路上，流速v1=4qπd2=4×0.123×10-3π×(8×10-3)2≈2.45ms，有
∆pλ1=75Re1ldρv22=75130.5×1.80.008×900×2.7922=3.5×105Pa
回油路上，流速v2=4qπd2=4×0.14×10-3π×(8×10-3)2≈2.79ms，有
∆pλ2=75Re2ldρv22=75148.5×1.80.008×900×2.7922=3.98×105Pa
(3)计算局部压力损失
由于采用集成块式的液压装置，因此只考虑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∆pξ=∆psqqs2计算，结果列于表5.1中。
表5.1 阀类元件局部压力损失
元件名称
额定流量/(L/min)
实际通过流量/(L/min)
额定压力损失/Pa
实际压力损失/Pa
三位四通换向阀
60
18.27/20. 74
4×105
1.218×105/
1.38×105
调速阀
16
1.866
2×105
0.233×105
单向阀
10
1.866
1.8×105
0.336×105
顺序阀
50
7.398
2×105
0.3×105
若取集成进油路的压力损失∆pj=0.3×105Pa，回油路压力损失∆pj=0.5×105Pa，则进油路和回油路总的压力损失分别为
∆p1=∆pλ1+∆pξ1+∆pj1=3.5+1.218+0.233+0.336+0.3×105Pa=5.587×105Pa
∆p2=∆pλ2+∆pξ2+∆pj2=3.98+1.38+0.3+0.5×105Pa=6.16×105Pa
工作缸快退时的工作压力为
p1=F+∆p2A1A2=879.5+5.47×105×3.11×10-32.74×10-3=9.985×105Pa
这样，快退时泵的工作压力为
pp=p1+∆p1=9.985+5.58×105=15.572×105Pa≈1.56MPa<2.396MPa
根据计算结果可知，该液压泵的最大工作压力满足要求。
从以上验算结果可以看出，说明该系统的油路结构、元件的参数比较合理，压力和流量满足要求[3]。
5.2 液压系统的发热和温升验算
该系统采用双泵供油方式，在工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理，同时油箱容量可以取较大值，系统发热温升不大，故省略了系统温升验算[3]。

参考文献
[1] 徐灏主编. 机械设计手册（M）.机械工业出版社，1991.9
[2] 黎启柏主编. 液压元件手册（M）.机械工业出版社，2008.1
[3] 于治明主编. 液压传动（M）.航空工业出版社，2015.8

设计心得
为期一周的液压实训已经结束，在这个过程中，我们学到了很多。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
在本次设计中，我们了解到了设计一套完整的液压系统需要经过哪些步骤，要做哪些计算。在设计的过程中我们还需要大量的以前没有学到过的知识，因此我们需要大量的因此我们需要大量的查阅资料，在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。一周的时间并不是很长，要完成一套液压系统的设计并不是轻松的事情，所以需要团队中要协调分工，体现出了团队合作的重要性。
在设计过程中，总是遇到考虑不周、计算出错等问题，而每次发现一个问题的时候，我们就需要做大量的工作，花大量的时间才能解决，为此，我也变得更加耐心和细心，为以后的工作积累了宝贵的经验。

课程设计指导教师成绩评定表

题目名称
上料机液压系统设计
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
28%
01
学习态度
10

准时出勤，遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
8

通过查阅文献、网络资源等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
10

充分参与团队合作，按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
成果
质量
72%
04
设计图纸质量
16

能够熟练使用CAD等绘图软件完成设计图纸的绘制与打印，符合相关规范或规定要求。
05
设计说明书质量
30

设计过程分析、计算过程科学、准确，设计结果正确，论述充分，结论严谨合理。
06
答辩质量
20

具有较好的阐述能力，将设计成果完成、准确的展示出来，并能够回答老师提出的问题。
07
创新
6

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩

指导教师评语

指导教师签名： 年　 月　 日

附图1 上料机液压系统原理图

附表1 液压元件清单表

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