液压与气压传动课程设计
设计题目：半自动液压钻镗专用机床液压系统的设计计算说明书
工程学院机械系机制1061班 设 计 者： 聂 浩 锋 学 号： [1**********]2 指导教师： 孙 明 2009 年 3 月 18 日
广东海洋大学
目录
1. 设计课题及设计要求............................................................................................. 1
1.1. 1.2.
设计课题 . ...................................................................................................................... 1 设计要求 . ...................................................................................................................... 1 1.2.1. 机床类型及动作循环要求 . .............................................................................. 1 1.2.2. 机床对液压传动系统的具体参数要求 ........................................................... 1 1.2.3. 机床的制造及技术经济性问题 . ...................................................................... 1
2. 工况分析与方案选择............................................................................................. 2
2.1.
工况分析 . ...................................................................................................................... 2 2.1.1. 分析工况及设计要求 . ...................................................................................... 2 2.1.2. 画速度循环图 . .................................................................................................. 2 2.2. 方案选择及系统原理图 . .............................................................................................. 3
2.2.1. 方案选择 . .......................................................................................................... 3 2.2.2. 液压系统原理图 . .............................................................................................. 4
3. 液压元件的计算与选择......................................................................................... 5
3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6.
确定系统的工作压力 . .................................................................................................. 5 确定液压缸的几何参数 . .............................................................................................. 5 确定液压泵的规格和电动机的功率及型号 . .............................................................. 5 确定各类控制阀 . .......................................................................................................... 6 确定油箱容量与结构 . .................................................................................................. 7 管道尺寸 . ...................................................................................................................... 7 确定液压缸的结构形式 . .............................................................................................. 8 计算液压缸主要零件的强度和刚度 . .......................................................................... 8 完成液压缸的结构设计和部分零件图 . ...................................................................... 8 选择装配方案 . .............................................................................................................. 9 绘制部件装配图 . .......................................................................................................... 9 结构设计的强度校核 . .................................................................................................. 9
4. 主要部件的结构特点分析与强度校核计算......................................................... 8
5. 液压系统验算....................................................................................................... 10
6. 本次课程设计的简单思想小结........................................................................... 12
1. 设计课题及设计要求 1.1. 设计课题
某厂设计一台钻镗专用机床，要求孔的加工精度为IT6级，要求该机床液压系统要完成的工作循环是：工件定位、夹紧→动力头快进→工进→终点停留→动力头快退→工件松开、拔销。该机床运动部件的重量为30000N ，快进、快退速度为6m/min，工进的速度为20～120mm/min可无级调速，工作台的最大行程为400mm ，其中工进的总行程为150mm ，工进时的最大轴向切削力为20000N ，工作台的导轨采用平导轨支撑方式；夹紧缸和拔销缸的行程都为25mm ，夹紧力要12000N ～8000N 之间可调，夹紧时间不大于1秒钟。 1.2. 设计要求
设计一半自动液压钻镗专用机床液压系统，设计内容及要求如下： 1.2.1. 机床类型及动作循环要求
设计一台用成型钻镗刀在工件上加工出成型面的液压钻镗专用机床。要求工作台上一次安装一个工件并完成加工。
机床的工作循环为：手工上料按电钮→自动定位夹紧→工作台快进→钻、镗进给→工作台停留→工作台快退→夹具松开拔销→手工卸料。 1.2.2. 机床对液压传动系统的具体参数要求
1.2.3. 机床的制造及技术经济性问题
该机床为一般技术改造中自制的专用设备，所以力求结构简单，投产快，工作可靠，主要零部件能适应中小型机械制造工厂的加工能力，配合电气控制可以实现单机半自动化工作要求。
2. 工况分析与方案选择 2.1. 工况分析
2.1.1. 分析工况及设计要求
机床工况由题可知为：
2.1.2. 画速度循环图
2.1.3. 计算液压缸的外负载并画负载图 1) 定位液压缸：
设定为 F=200N（忽略惯性力与摩擦力） 2) 夹紧液压缸：
已知负载力F=8000N～12000N ，可调（忽略惯性力与摩擦力） 3) 工作液压缸：
有效负载力F w =20000N（已知）；
6
-0
a ∆v 30000惯性力F =m a =∙=⨯=6122N
g ∆t 9. 80. 05
本设计中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，则
F fs =0. 2⨯30000N =6000N F fa =0. 1⨯30000N =3000N
液压缸的密封阻力Ff ′, 密封阻力按有效作用力的5%算
'
F f =20000⨯5%=1000N
4)
5)
2.2. 方案选择及系统原理图 2.2.1. 方案选择 1) 确定供油方式
考虑到该机床在工作时负载较大，速度较低。而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能源、减少发热考虑，泵源系统选限压式变量叶片泵。 2) 调速方式的选择
在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据该类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承受负切削力的能力。
a) 速度换接方式的选择
本系统采用电磁阀在快慢速换接回路，它在特点是结构简单是、调节行程比较方便，阀的安装也较容易，但速度热换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。
b) 夹紧回路的选择
用二位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免工作时突然失电而松开，应失电夹紧方式。在该该回路中还装有装有减压阀，用来调节夹紧力的
大小和保持夹紧力的稳定。
c) 进给液压缸的供油方式
进给液压缸在快进时采用差动连接，回路流量损失较小，系统脉动小，稳定性高，从而提高快进的效率。 2.2.2. 液压系统原理图
3. 液压元件的计算与选择 3.1. 确定系统的工作压力
工作压力p 可根据负载的大小及机器的类型来初步确定，现参阅《液压系统设计简明手册》（下面简称《手册》）取液压缸工作压力为3.5MPa 。 3.2. 确定液压缸的几何参数
计算液压缸内径D 和活塞杆直径d 。由负载图知最大负载力为24000N ，按《手册》可取p 2为0.5MPa ，ηcm 为0.95，考虑到快进、快退速度相等，取d/D为0.7。将上述数据代入《手册》可得
D =
4⨯23000
m =99. 79mm 66
3. 14⨯3. 5⨯10⨯0. 95-0. 5⨯10⨯1-0. 49据表标准值，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm；活塞杆直径d ，按d/D=0.7,得d=70mm。
按工作要求夹紧力由单个夹紧缸提供，考虑到夹紧力的稳定，夹紧缸的工作压力应低于进给缸的工作压力，现取夹紧缸的工作压力为3MPa ，回油背压力为0，
ηcm 为0.95，则
D=
4⨯12000-2
⨯10m=7.3m 5
3. 14⨯30⨯10⨯0. 95
按液压缸和活塞杆的尺系列，取夹紧缸的D 和d 分别为80mm 及56mm 。 定位缸的工作压力取1MPa ，ηcm 也为0.95，同理得定位缸直径D=1.6⨯10-2，选取D=20mm，d=14mm。
按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度，可得
q min 0. 05⨯103
cm 2=25㎝2 A>=
2v min
式中q min 是由产品样本查得GE 系列调速阀AQF3-E10的最小稳定流量为0.05L/min。
本设计中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即
π2π22222A=(D -d )=⨯(10-7)cm =40cm
44
可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。 3.3. 确定液压泵的规格和电动机的功率及型号 3.3.1. 计算各阶段液压缸所需的流量
ππ25mm 2
定位:q =D 2v =⨯(20mm )⨯=0. 471L /min
441s ππ25mm 2
夹紧:q =D 2v =⨯(80mm )⨯=7. 536L /min
441s ππ2
快进:q =d 2v =⨯(70mm )⨯(6m /min )=23. 079L /min
44
工进:q =快退:q =
π
4
D 2v =
2
π
4
⨯(100mm )⨯(120mm /min )=0. 942L /min
2
π
4
3.3.2. 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格
考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为
(D 4
-d 2v =
)
π
⨯(100mm )-(70mm )⨯(6m /min )=24. 021L /min
2
2
[]
p p =p 1+∑∆p
本设计取∑∆p 为0.5MPa ， 则
p p =(3. 5+0. 5) MPa =4MPa
上述计算所得的p p 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。另外考虑到一定的压力贮备量，并保证泵的寿命，因此选泵的额定压力p n =1. 25p p =5MPa 。
液压泵的最大流量应为
q p ≥K （L /min =28. 83L /min L ∑q ）max =1. 2⨯24. 021
根据以上算得的p p 和q p 再查阅相关手册，现选用YBX-25限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：
每转排量q 0=25m L /r , 泵的额定压力p n =6. 3MPa , 电动机转速n H =1450r /min, 容积效率ηv =0. 85, 总效率η=0. 7。
首先计算快进时的功率，快进时的外负载为3000N ，进油路的压力损失定为
0.3Mpa ，可得
3000
p p ={⨯10-6+0. 3}MPa =0. 95MPa 2
4⨯0. 07
快进时所需电动机功率为
P =
p p q p
η
=
0. 95⨯24. 021
kW =0. 54kW
60⨯0. 7
工进时所需电动机功率P 为 4⨯0. 942⨯1. 2
kW =0. 11kW P =
60⨯0. 7
查阅电动机产品样本，选用Y90S-4型电动机，其额定功率为1.1kW ，额定转速为1400r/min。 3.4. 确定各类控制阀
本系统采用GE 系列的阀，根据所拟定的液压系统图，按通过各元件的最大流量来选择液压元件的规格。
下表为系统原理图中对应的液压元件名称和型号：
3.5. 本设计为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的5～7倍确定，现选用容量为160L 的油箱。 3.6. 管道尺寸
油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统主油路流量为差动时流量q=47.1L/min,压油管的允许流速取v=4m/s,则内径d 为
d =4. 6⨯q /v =15. 78mm
若系统主油路按快退时取q=24.021/min,则可算得油路内径d=11.27mm。 综合诸因素，现取油管的内径d 为12mm 。吸油管同样可按上式计算（q=28.83L/min,v=2m/s）, 现参照YBX-25变量泵吸油口连接尺寸，取吸油管内径d 为25mm 。为便于安装，可采用紫铜管，扩口接头安装方式。
4. 主要部件的结构特点分析与强度校核计算 4.1. 确定液压缸的结构形式
定位与夹紧液压缸均采用单出杠、缸体固定形式；为减少缸体与活塞体积、简化结构，采O 型密封；由于行程较短，运动部件质量较小，速度也并不大，不必考虑缓冲结构；排气螺塞也可以由管接头来代替。
工作台液压缸采用装配活塞、单出杠、缸体固定形式。单出杠可在快进时构成差动连接，结构较优，使工作效率提高，稳定性好；活塞上采用两个Ｙ型密封圈；缸盖上因为压力适中，杆径中等，所以采用一个Ｕ型橡胶密封圈。
由于机床工作台作直线运动，在运动方向上没有严格在定位要求，不必采用缓冲结构。快退时可以电磁行程开关预先发讯，使三位四通换向阀切换至中位，工作台停住，设专门的放气螺塞。
4.2. 计算液压缸主要零件的强度和刚度
定位、夹紧油缸的内径和长度较小，一般可以按厚壁筒长度计算公式来估计必需的壁厚。
D [σ]+0. 4p y
-1), 由公式 δ＝2[σ]-1. 3p y
当额定压力p n
p y =p n ⨯150%=3. 5⨯1. 5=5. 25MPa ,
将[σ]钢，p y 的值及定位、夹紧液压缸的直径D 代入计算公式，可得：
20115+0. 4⨯5. 25 δ定≥-1) ＝0. 4mm ,
2115-1. 3⨯5. 25 δ夹≥
80⎛+0. 4⨯5. 25⎫ -1⎪=1. 6m m 。 ⎪2⎝115-1. 3⨯5. 25⎭
工作台液压缸壁厚用薄壁筒计算公式来求：
δ工≥
p y D 2[σ]
=
5. 25⨯100
=2. 28mm 。
2⨯115
从以上计算可以看出，对于中小型低压(D＜150mm,p n ＜6.3MPa) 液压缸，按强度计算出来的缸壁厚尺寸是比较小的。从所以一般先不计算而直接按机械结构尺寸的需要直接绘图，然后再进行强度校核，一般情况下，均可满足强度要求。
对于缸盖、活塞杆、连接件，鉴于与上相同的原因，强度计算一般亦可以放在结构设计后的强度校核中专进行。
4.3. 完成液压缸的结构设计和部分零件图
液压缸在活塞宽度一般可取b ≥0. 4D ，同时应该考虑到密封圈安装时的必要几何尺寸。缸盖应该考虑到进油及加工工艺的要求，缸盖连接处应考虑必要的导向与支承结构尺寸。
小型定位、夹紧液压缸与传动液压缸在结构与安装方法上也不尽相同。总之要使结构设计达到结构简单，工艺性好，安装方便，取材便利，强度足够等要求，
输出力、位移和功率也要能达到设计要求。
4.4. 选择装配方案
本设计采用集成块组合方案，用集成块的设计原理与方法自行设计与制造。
4.5. 绘制部件装配图
现选取阀组合部件，采用阀板式装配方式，根据上述液压缸的结构特点及内径、杆径、行程要求，完成该部件的装配图，进给液压缸的结构设计见《部件装配图》。主要零件图见《部件零件图之活塞杆》、《部件零件图缸体》和《部件零件图之前端盖》。
4.6. 结构设计的强度校核
对于中低压系统，结构的强度一般都不成问题。强度校核主要是针对以下几个重要部位工零件进行的：
（1） 液压缸的缸体、缸盖及缸体与机体之间连接处的螺栓，活塞与活塞杆
连接处以及活塞杆各连接处；
（2） 油管与管接头；
（3） 阀板组合螺钉。
以上提到的各部位或零件中的主要部分已进行强度校核，其余部件或零件因其强度一般都满足，所以不必校核。
5. 液压系统验算
已知该液压系统中进、回油管的内径均为12mm ，各段管道的长度分别为：AB=0.3m，AC=1.7m，AD=1.7m，DE=2m。选用L-HL32液压油，考虑到油的最低温度为15︒C ，查得该温度时液压油的运动粘度v=150cst=1.5cm 2/s,油的密度
ρ=920kg /m 3。
（1） 压力损失的验算
由于定位、夹紧回路在夹紧后的流量几乎为零，所以管路系统的压力损失主要应在工作台液压缸回路中时行估算，为可靠起见，按快进时最大流量来估算压力损失。
总压力损失∑∆p =∑∆p 沿+∑∆p 局
其中，∑△p 沿—管路中沿程阻力损失之和；
∑△p 局—管路中的局部阻力损失与各阀类元件的阻力损失之和。
一般，在简单的低压金属机床液压系统中∑△p 值可按经验取为（0.1～0.3）p n ,(pn 为系统调整压力) 。
（2） 系统温升的验算
在整个工作循环中，工进阶段占的时间比较长，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进速度大时发热量较大，由于限压式变量泵在流量不同时，效率相差极大，所以分别计算最大最小的发热量，然后加以比较取大值。
当v=2cm/min时
ππL /m i n q =D 2v =⨯0. 12⨯0. 02m 3/m i n =0. 157 44
此时泵的效率为0.1，泵的出口压力为3.5MPa ，则有
3. 5⨯0. 157kW =0. 1kW P 输入=60⨯0. 1
20 P 输出=Fv =24000⨯⨯10-3⨯10-3kW =0. 008kW 60
此时的功率损失为
∆p = P 输入-P 输出=0.092kW
当v=12cm/min时，q=0.942L/min,总效率η=0. 7
3. 5⨯0. 942kW =0. 0785kW 60⨯0. 7
120⨯10-3⨯10-3kW =0. 048kW P 输出=Fv =24000⨯60
此时的功率损失为 P 输入=
∆p = P 输入-P 输出=0.0305kW
可见，在工进速度低时，功率损失为0.092kW ，发热量最大。
假定系统在散热状况一般，取K ＝10⨯10-3kW /(cm 2∙︒C ), 油箱在散热面积A 为
A =0. 2=0. 2m 2=1. 92m 2
系统的温升为
∆t =∆P 0. 092=︒C =4. 8︒C KA 10⨯10-3⨯1. 92
验算表明系统在温升在许可范围内。
6. 本次课程设计的简单思想小结
本系统是工厂自制专用设备，因此考虑的主要因素是简单、实用、成本低、上马快。因为功率不大，所以系统效率不是主要矛盾，因而可采用限压式变量泵非卸荷简单的供油系统。装配方式采用阀板式也是鉴于上述原因。定位夹紧系统采用蓄能器与顺序阀，目的是为了简化电气系统，增加夹紧的可靠性。采用分立标准油箱是为了便于液压系统的安装、调试与维修。在床身结构允许的条件下，采用内部油箱可以进一步缩小机床的占地面积，但势必增加床身的复杂性，单件制造的成本亦会提高。因为工作滑台进给力较为大，且为快进时实现差动连接，故采用单出杆的液压缸结构也是合理和方便的，提高整体的效能。
液压与气压传动课程设计
设计题目：半自动液压钻镗专用机床液压系统的设计计算说明书
工程学院机械系机制1061班 设 计 者： 聂 浩 锋 学 号： [1**********]2 指导教师： 孙 明 2009 年 3 月 18 日
广东海洋大学
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1. 设计课题及设计要求............................................................................................. 1
1.1. 1.2.
设计课题 . ...................................................................................................................... 1 设计要求 . ...................................................................................................................... 1 1.2.1. 机床类型及动作循环要求 . .............................................................................. 1 1.2.2. 机床对液压传动系统的具体参数要求 ........................................................... 1 1.2.3. 机床的制造及技术经济性问题 . ...................................................................... 1
2. 工况分析与方案选择............................................................................................. 2
2.1.
工况分析 . ...................................................................................................................... 2 2.1.1. 分析工况及设计要求 . ...................................................................................... 2 2.1.2. 画速度循环图 . .................................................................................................. 2 2.2. 方案选择及系统原理图 . .............................................................................................. 3
2.2.1. 方案选择 . .......................................................................................................... 3 2.2.2. 液压系统原理图 . .............................................................................................. 4
3. 液压元件的计算与选择......................................................................................... 5
3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6.
确定系统的工作压力 . .................................................................................................. 5 确定液压缸的几何参数 . .............................................................................................. 5 确定液压泵的规格和电动机的功率及型号 . .............................................................. 5 确定各类控制阀 . .......................................................................................................... 6 确定油箱容量与结构 . .................................................................................................. 7 管道尺寸 . ...................................................................................................................... 7 确定液压缸的结构形式 . .............................................................................................. 8 计算液压缸主要零件的强度和刚度 . .......................................................................... 8 完成液压缸的结构设计和部分零件图 . ...................................................................... 8 选择装配方案 . .............................................................................................................. 9 绘制部件装配图 . .......................................................................................................... 9 结构设计的强度校核 . .................................................................................................. 9
4. 主要部件的结构特点分析与强度校核计算......................................................... 8
5. 液压系统验算....................................................................................................... 10
6. 本次课程设计的简单思想小结........................................................................... 12
1. 设计课题及设计要求 1.1. 设计课题
某厂设计一台钻镗专用机床，要求孔的加工精度为IT6级，要求该机床液压系统要完成的工作循环是：工件定位、夹紧→动力头快进→工进→终点停留→动力头快退→工件松开、拔销。该机床运动部件的重量为30000N ，快进、快退速度为6m/min，工进的速度为20～120mm/min可无级调速，工作台的最大行程为400mm ，其中工进的总行程为150mm ，工进时的最大轴向切削力为20000N ，工作台的导轨采用平导轨支撑方式；夹紧缸和拔销缸的行程都为25mm ，夹紧力要12000N ～8000N 之间可调，夹紧时间不大于1秒钟。 1.2. 设计要求
设计一半自动液压钻镗专用机床液压系统，设计内容及要求如下： 1.2.1. 机床类型及动作循环要求
设计一台用成型钻镗刀在工件上加工出成型面的液压钻镗专用机床。要求工作台上一次安装一个工件并完成加工。
机床的工作循环为：手工上料按电钮→自动定位夹紧→工作台快进→钻、镗进给→工作台停留→工作台快退→夹具松开拔销→手工卸料。 1.2.2. 机床对液压传动系统的具体参数要求
1.2.3. 机床的制造及技术经济性问题
该机床为一般技术改造中自制的专用设备，所以力求结构简单，投产快，工作可靠，主要零部件能适应中小型机械制造工厂的加工能力，配合电气控制可以实现单机半自动化工作要求。
2. 工况分析与方案选择 2.1. 工况分析
2.1.1. 分析工况及设计要求
机床工况由题可知为：
2.1.2. 画速度循环图
2.1.3. 计算液压缸的外负载并画负载图 1) 定位液压缸：
设定为 F=200N（忽略惯性力与摩擦力） 2) 夹紧液压缸：
已知负载力F=8000N～12000N ，可调（忽略惯性力与摩擦力） 3) 工作液压缸：
有效负载力F w =20000N（已知）；
6
-0
a ∆v 30000惯性力F =m a =∙=⨯=6122N
g ∆t 9. 80. 05
本设计中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，则
F fs =0. 2⨯30000N =6000N F fa =0. 1⨯30000N =3000N
液压缸的密封阻力Ff ′, 密封阻力按有效作用力的5%算
'
F f =20000⨯5%=1000N
4)
5)
2.2. 方案选择及系统原理图 2.2.1. 方案选择 1) 确定供油方式
考虑到该机床在工作时负载较大，速度较低。而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能源、减少发热考虑，泵源系统选限压式变量叶片泵。 2) 调速方式的选择
在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据该类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承受负切削力的能力。
a) 速度换接方式的选择
本系统采用电磁阀在快慢速换接回路，它在特点是结构简单是、调节行程比较方便，阀的安装也较容易，但速度热换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。
b) 夹紧回路的选择
用二位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免工作时突然失电而松开，应失电夹紧方式。在该该回路中还装有装有减压阀，用来调节夹紧力的
大小和保持夹紧力的稳定。
c) 进给液压缸的供油方式
进给液压缸在快进时采用差动连接，回路流量损失较小，系统脉动小，稳定性高，从而提高快进的效率。 2.2.2. 液压系统原理图
3. 液压元件的计算与选择 3.1. 确定系统的工作压力
工作压力p 可根据负载的大小及机器的类型来初步确定，现参阅《液压系统设计简明手册》（下面简称《手册》）取液压缸工作压力为3.5MPa 。 3.2. 确定液压缸的几何参数
计算液压缸内径D 和活塞杆直径d 。由负载图知最大负载力为24000N ，按《手册》可取p 2为0.5MPa ，ηcm 为0.95，考虑到快进、快退速度相等，取d/D为0.7。将上述数据代入《手册》可得
D =
4⨯23000
m =99. 79mm 66
3. 14⨯3. 5⨯10⨯0. 95-0. 5⨯10⨯1-0. 49据表标准值，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=100mm；活塞杆直径d ，按d/D=0.7,得d=70mm。
按工作要求夹紧力由单个夹紧缸提供，考虑到夹紧力的稳定，夹紧缸的工作压力应低于进给缸的工作压力，现取夹紧缸的工作压力为3MPa ，回油背压力为0，
ηcm 为0.95，则
D=
4⨯12000-2
⨯10m=7.3m 5
3. 14⨯30⨯10⨯0. 95
按液压缸和活塞杆的尺系列，取夹紧缸的D 和d 分别为80mm 及56mm 。 定位缸的工作压力取1MPa ，ηcm 也为0.95，同理得定位缸直径D=1.6⨯10-2，选取D=20mm，d=14mm。
按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度，可得
q min 0. 05⨯103
cm 2=25㎝2 A>=
2v min
式中q min 是由产品样本查得GE 系列调速阀AQF3-E10的最小稳定流量为0.05L/min。
本设计中调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积，即
π2π22222A=(D -d )=⨯(10-7)cm =40cm
44
可见上述不等式能满足，液压缸能达到所需低速。 3.3. 确定液压泵的规格和电动机的功率及型号 3.3.1. 计算各阶段液压缸所需的流量
ππ25mm 2
定位:q =D 2v =⨯(20mm )⨯=0. 471L /min
441s ππ25mm 2
夹紧:q =D 2v =⨯(80mm )⨯=7. 536L /min
441s ππ2
快进:q =d 2v =⨯(70mm )⨯(6m /min )=23. 079L /min
44
工进:q =快退:q =
π
4
D 2v =
2
π
4
⨯(100mm )⨯(120mm /min )=0. 942L /min
2
π
4
3.3.2. 确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格
考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为
(D 4
-d 2v =
)
π
⨯(100mm )-(70mm )⨯(6m /min )=24. 021L /min
2
2
[]
p p =p 1+∑∆p
本设计取∑∆p 为0.5MPa ， 则
p p =(3. 5+0. 5) MPa =4MPa
上述计算所得的p p 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。另外考虑到一定的压力贮备量，并保证泵的寿命，因此选泵的额定压力p n =1. 25p p =5MPa 。
液压泵的最大流量应为
q p ≥K （L /min =28. 83L /min L ∑q ）max =1. 2⨯24. 021
根据以上算得的p p 和q p 再查阅相关手册，现选用YBX-25限压式变量叶片泵，该泵的基本参数为：
每转排量q 0=25m L /r , 泵的额定压力p n =6. 3MPa , 电动机转速n H =1450r /min, 容积效率ηv =0. 85, 总效率η=0. 7。
首先计算快进时的功率，快进时的外负载为3000N ，进油路的压力损失定为
0.3Mpa ，可得
3000
p p ={⨯10-6+0. 3}MPa =0. 95MPa 2
4⨯0. 07
快进时所需电动机功率为
P =
p p q p
η
=
0. 95⨯24. 021
kW =0. 54kW
60⨯0. 7
工进时所需电动机功率P 为 4⨯0. 942⨯1. 2
kW =0. 11kW P =
60⨯0. 7
查阅电动机产品样本，选用Y90S-4型电动机，其额定功率为1.1kW ，额定转速为1400r/min。 3.4. 确定各类控制阀
本系统采用GE 系列的阀，根据所拟定的液压系统图，按通过各元件的最大流量来选择液压元件的规格。
下表为系统原理图中对应的液压元件名称和型号：
3.5. 本设计为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的5～7倍确定，现选用容量为160L 的油箱。 3.6. 管道尺寸
油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统主油路流量为差动时流量q=47.1L/min,压油管的允许流速取v=4m/s,则内径d 为
d =4. 6⨯q /v =15. 78mm
若系统主油路按快退时取q=24.021/min,则可算得油路内径d=11.27mm。 综合诸因素，现取油管的内径d 为12mm 。吸油管同样可按上式计算（q=28.83L/min,v=2m/s）, 现参照YBX-25变量泵吸油口连接尺寸，取吸油管内径d 为25mm 。为便于安装，可采用紫铜管，扩口接头安装方式。
4. 主要部件的结构特点分析与强度校核计算 4.1. 确定液压缸的结构形式
定位与夹紧液压缸均采用单出杠、缸体固定形式；为减少缸体与活塞体积、简化结构，采O 型密封；由于行程较短，运动部件质量较小，速度也并不大，不必考虑缓冲结构；排气螺塞也可以由管接头来代替。
工作台液压缸采用装配活塞、单出杠、缸体固定形式。单出杠可在快进时构成差动连接，结构较优，使工作效率提高，稳定性好；活塞上采用两个Ｙ型密封圈；缸盖上因为压力适中，杆径中等，所以采用一个Ｕ型橡胶密封圈。
由于机床工作台作直线运动，在运动方向上没有严格在定位要求，不必采用缓冲结构。快退时可以电磁行程开关预先发讯，使三位四通换向阀切换至中位，工作台停住，设专门的放气螺塞。
4.2. 计算液压缸主要零件的强度和刚度
定位、夹紧油缸的内径和长度较小，一般可以按厚壁筒长度计算公式来估计必需的壁厚。
D [σ]+0. 4p y
-1), 由公式 δ＝2[σ]-1. 3p y
当额定压力p n
p y =p n ⨯150%=3. 5⨯1. 5=5. 25MPa ,
将[σ]钢，p y 的值及定位、夹紧液压缸的直径D 代入计算公式，可得：
20115+0. 4⨯5. 25 δ定≥-1) ＝0. 4mm ,
2115-1. 3⨯5. 25 δ夹≥
80⎛+0. 4⨯5. 25⎫ -1⎪=1. 6m m 。 ⎪2⎝115-1. 3⨯5. 25⎭
工作台液压缸壁厚用薄壁筒计算公式来求：
δ工≥
p y D 2[σ]
=
5. 25⨯100
=2. 28mm 。
2⨯115
从以上计算可以看出，对于中小型低压(D＜150mm,p n ＜6.3MPa) 液压缸，按强度计算出来的缸壁厚尺寸是比较小的。从所以一般先不计算而直接按机械结构尺寸的需要直接绘图，然后再进行强度校核，一般情况下，均可满足强度要求。
对于缸盖、活塞杆、连接件，鉴于与上相同的原因，强度计算一般亦可以放在结构设计后的强度校核中专进行。
4.3. 完成液压缸的结构设计和部分零件图
液压缸在活塞宽度一般可取b ≥0. 4D ，同时应该考虑到密封圈安装时的必要几何尺寸。缸盖应该考虑到进油及加工工艺的要求，缸盖连接处应考虑必要的导向与支承结构尺寸。
小型定位、夹紧液压缸与传动液压缸在结构与安装方法上也不尽相同。总之要使结构设计达到结构简单，工艺性好，安装方便，取材便利，强度足够等要求，
输出力、位移和功率也要能达到设计要求。
4.4. 选择装配方案
本设计采用集成块组合方案，用集成块的设计原理与方法自行设计与制造。
4.5. 绘制部件装配图
现选取阀组合部件，采用阀板式装配方式，根据上述液压缸的结构特点及内径、杆径、行程要求，完成该部件的装配图，进给液压缸的结构设计见《部件装配图》。主要零件图见《部件零件图之活塞杆》、《部件零件图缸体》和《部件零件图之前端盖》。
4.6. 结构设计的强度校核
对于中低压系统，结构的强度一般都不成问题。强度校核主要是针对以下几个重要部位工零件进行的：
（1） 液压缸的缸体、缸盖及缸体与机体之间连接处的螺栓，活塞与活塞杆
连接处以及活塞杆各连接处；
（2） 油管与管接头；
（3） 阀板组合螺钉。
以上提到的各部位或零件中的主要部分已进行强度校核，其余部件或零件因其强度一般都满足，所以不必校核。
5. 液压系统验算
已知该液压系统中进、回油管的内径均为12mm ，各段管道的长度分别为：AB=0.3m，AC=1.7m，AD=1.7m，DE=2m。选用L-HL32液压油，考虑到油的最低温度为15︒C ，查得该温度时液压油的运动粘度v=150cst=1.5cm 2/s,油的密度
ρ=920kg /m 3。
（1） 压力损失的验算
由于定位、夹紧回路在夹紧后的流量几乎为零，所以管路系统的压力损失主要应在工作台液压缸回路中时行估算，为可靠起见，按快进时最大流量来估算压力损失。
总压力损失∑∆p =∑∆p 沿+∑∆p 局
其中，∑△p 沿—管路中沿程阻力损失之和；
∑△p 局—管路中的局部阻力损失与各阀类元件的阻力损失之和。
一般，在简单的低压金属机床液压系统中∑△p 值可按经验取为（0.1～0.3）p n ,(pn 为系统调整压力) 。
（2） 系统温升的验算
在整个工作循环中，工进阶段占的时间比较长，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进速度大时发热量较大，由于限压式变量泵在流量不同时，效率相差极大，所以分别计算最大最小的发热量，然后加以比较取大值。
当v=2cm/min时
ππL /m i n q =D 2v =⨯0. 12⨯0. 02m 3/m i n =0. 157 44
此时泵的效率为0.1，泵的出口压力为3.5MPa ，则有
3. 5⨯0. 157kW =0. 1kW P 输入=60⨯0. 1
20 P 输出=Fv =24000⨯⨯10-3⨯10-3kW =0. 008kW 60
此时的功率损失为
∆p = P 输入-P 输出=0.092kW
当v=12cm/min时，q=0.942L/min,总效率η=0. 7
3. 5⨯0. 942kW =0. 0785kW 60⨯0. 7
120⨯10-3⨯10-3kW =0. 048kW P 输出=Fv =24000⨯60
此时的功率损失为 P 输入=
∆p = P 输入-P 输出=0.0305kW
可见，在工进速度低时，功率损失为0.092kW ，发热量最大。
假定系统在散热状况一般，取K ＝10⨯10-3kW /(cm 2∙︒C ), 油箱在散热面积A 为
A =0. 2=0. 2m 2=1. 92m 2
系统的温升为
∆t =∆P 0. 092=︒C =4. 8︒C KA 10⨯10-3⨯1. 92
验算表明系统在温升在许可范围内。
6. 本次课程设计的简单思想小结
本系统是工厂自制专用设备，因此考虑的主要因素是简单、实用、成本低、上马快。因为功率不大，所以系统效率不是主要矛盾，因而可采用限压式变量泵非卸荷简单的供油系统。装配方式采用阀板式也是鉴于上述原因。定位夹紧系统采用蓄能器与顺序阀，目的是为了简化电气系统，增加夹紧的可靠性。采用分立标准油箱是为了便于液压系统的安装、调试与维修。在床身结构允许的条件下，采用内部油箱可以进一步缩小机床的占地面积，但势必增加床身的复杂性，单件制造的成本亦会提高。因为工作滑台进给力较为大，且为快进时实现差动连接，故采用单出杆的液压缸结构也是合理和方便的，提高整体的效能。