[液压与气动课程设计] 液压与气压传动课程设计

xx学院

程 设

题 目： 四柱万能液压机课程设计 系 、班级：电子信息工程系 姓 名： 指导教师：

二零一二年五月二十二日

计

《液压与气动》课

目录

一、设计题目 ................................................................ 2

1．设计内容 ............................................................. 2 2. 设计要求 ............................................................. 2 二、主要参数确定 ............................................................ 2 三、确定主液压缸、顶出液压缸结构尺寸 ........................................ 3

1. 主液压缸 ............................................................. 3 2. 顶出液压缸 ........................................................... 4 四、液压缸运动中的供油量计算 ................................................ 5

1．主液压缸的进出油量 ................................................... 5 2. 顶出液压缸退回行程的进出油量 ......................................... 5 五、确定快速空程供油方式，液压泵规格，驱动电机功率 .......................... 5

1．液压系统快速空程供油方式： ........................................... 5 2．选定液压泵的流量及规格： ............................................. 6 3．液压泵的驱动功率及电动机的选择： ..................................... 6 六、选取液压系统图 .......................................................... 7

1．液压系统图: .......................................................... 7 2. 电磁铁动作表： ....................................................... 7 3．油箱容积： ........................................................... 8 七、液压系统工作油路分析 .................................................... 8 八、计算和选取液压元件 ..................................................... 10 九、液压系统稳定性论证 ..................................................... 11

（一）主液压缸压力损失的验算 ........................................... 11

1、快速空行程时的压力损失 ........................................... 11 2. 慢速加压行程的压力损失 ........................................... 11 3. 快速退回行程的压力损失 ........................................... 12 （二）顶出液压缸压力损失验算 ........................................... 13

1. 顶出行程的压力损失 ............................................... 13 2. 顶出液压缸退回行程的压力损失 ..................................... 14 （三）液压系统发热和温升验算 ........................................... 15 十、设计小结 ............................................................... 16 十一、参考文献 ............................................................. 16

一、设计题目

1．设计内容

设计一台四柱万能液压机，设该四柱万能液压机下行部件G=1.6吨，下行行程1.2m – 1.5m。 2. 设计要求

（1）确定液压缸的主要结构尺寸D，d

(2 ) 绘制正式液压系统图，动作表、明细表 (3 ) 确定系统的主要参数

(4 ) 进行必要的性能验算（压力损失、热平衡）

二、主要参数确定

液压系统最高工作压力P=30MPa，在本系统中选用P=25MPa； 主液压缸公称吨位3150KN；

主液压缸用于冲压的压制力与回程力之比为8%，塑料制品的压制力与回程力之比为2%，取800KN；

顶出缸公称顶出力取主缸公称吨位的五分之一，取650KN； 顶出缸回程力为主液压缸公称吨位的十五分之一，210KN 行程速度

主液压缸 快速空行程 V=40mm/s 工作行程 V=10mm/s 回程 V=40mm/s 顶出液压缸 顶出行程 V=50mm/s 回程 V=80mm/s

三、确定主液压缸、顶出液压缸结构尺寸

1. 主液压缸

A. 主液压缸内径D：

D主=

=

=0.4006m=400.6mm

根据GB/T2346-1993，取标准值 D主=400mm B. 主液压缸活塞杆径d:

d主=

==0.2536m=253.6mm

根据GB/T2346-1993，取标准值d主=250mm

C. 主液压缸有效面积：（其中A1为无杆腔面积，A2为有杆腔面积） A1=

πD4

2

=

400⨯3.14

4

2

2

=125600mm

2

A2=

π(D

2

-d)4

=

3.14⨯(400

4

2

-250)

2

=76537.5mm

2

D. 主液压缸实际压制力和回程力:

R压制=PA1=25⨯106⨯0.1256=3.14⨯106N E. 主液压缸的工作力: （1）主液压缸的平衡压力 P平衡=

GA2

=

1.6⨯10⨯9.8

0.07654

3

=2.05⨯10Pa

5

（2）主液压缸工进工作压力 P工=

R压制A1

+

P平衡⨯A2

A1

=25.12MPa

（3）液压缸回程压力 P回=

R回程A2

=

800⨯10

3

0.07654

=10.45MPa

2. 顶出液压缸

A. 顶出液压缸内径:

D顶=

=

=0.18199m=181.99mm

根据GB/T2346-1993，取标准值D顶=200mm B. 顶出液压缸活塞杆径

d顶=

==0.1711m=171.1mm

根据GB/T2346-1993，取标准d顶=160mm

C. 顶出液压缸有效面积（其中A3为无杆腔面积，A4为有杆腔面积） A3=

πD4

2

=

3.14⨯200

4

2

2

=31400mm

2

A4=

π(D

2

-d)4

=

3.14⨯(200

4

2

-160)

2

=11304mm

2

D. 顶出液压缸的实际顶出力和回程力

R顶出=PA3=25⨯106⨯0.0314=7.85⨯104N E. 顶出压缸的工作力 P项出=25MPa P顶回=

R顶回A4

=

210⨯100.0113

3

=18.58Mpa

四、液压缸运动中的供油量计算

1．主液压缸的进出油量

A. 主液压缸空程快速下行的进出油量：

q快进=A1υ1=125600⨯40=5024000mm3/s q快回=A2υ1=76537.5⨯40=3061500mm3/s B. 主液压缸工作行程的进出油量：

q工进=A1υ2=125600⨯10=1256000mm3/s q工回=A2υ2=76537.5⨯10=765375mm3/s C. 主液压缸回程进出油量：

q回进=A2υ3=76537.5⨯40=3061500mm3/s q回出=A1υ3=125600⨯40=5024000mm3/s 2. 顶出液压缸退回行程的进出油量

A. 顶出液压缸顶出行程的进出油量：

q顶进=A3υ4=31400⨯50=1570000mm3/s q顶回=A4υ4=11304⨯50=565200mm3/s B. 顶出液压缸退回行程的进出油量：

q退进=A4υ5=11304⨯80=904320mm3/s q退回=A3υ5=31400⨯80=2512000mm3/s

五、确定快速空程供油方式，液压泵规格，驱动电机功率

1．液压系统快速空程供油方式：

q快进=A1υ1=125600⨯40=5024000mm3/s=301.44L/min

由于供油量大，不宜采用由液压泵供油方式，利用主液压缸活塞等自重快速下行，形

成负压空腔，通过吸入阀从油箱吸油，同时使液压系统规格降低档次。 2．选定液压泵的流量及规格：

设计的液压系统最高工作压力P=25MPa，主液压缸工作行程，主液压缸的无杆腔进油量为：

q工进=A1υ2=125600⨯10=1256000mm3/s=75.36L/min 主液压缸的有杆腔进油量为:

q回进=A2υ3=76537.5⨯40=3061500mm3/s=183.69L/min 顶出液压缸顶出行程的无杆腔进油量为：

q顶进=A3υ4=31400⨯50=1570000mm3/s=94.2L/min

设选主液压缸工作行程和顶出液压缸顶出行程工作压力最高（P=25MPa）工件顶出后不需要高压。主液压缸工作行程（即压制）流量为75.36L/min，主液压缸工作回程流量为183.69L/min，选用5ZKB732型斜轴式轴向柱塞变量泵，该泵主要技术性能参数如下：排量 234.3ml/r， 额定压力 16MPa， 最大压力 25MPa， 转速 970r/min， 容积效率 96%。该液压泵基本能满足本液压系统的要求。 3．液压泵的驱动功率及电动机的选择：

主液压缸的压制力与顶出液压缸的顶出工作压力均为P=25MPa，主液压缸回程工作压力为10.45MPa，顶出液压缸退回行程工作压力为18.58MPa，液压系统允许短期过载，回此快速进退选10.45MPa，q=200L/min，工进选P=25MPa，q=75.36L/min，液压泵的容积效率ηv=0.96，机械效率ηm=0.95，两种工况电机驱动功率为：

P快=

Pq60ηvηm

=

10.45⨯10⨯200⨯10

60⨯0.96⨯0.9525⨯10⨯75.36⨯10

60⨯0.96⨯0.95

6

-3

6

-3

=38.19KW

P工=

Pq60ηvηm

=

=34.43KW

由以上数据，查机械设计手册，选取Y280S-6三相异步电动机驱动液压泵，该电动机主要性能参数如下：额定功率 45KW， 满载转速 980r/min。

六、选取液压系统图

1．液压系统图

:

2. 电磁铁动作表：

3．油箱容积：

上油箱容积：

V上=3⨯227=671L

根据GB2876-81标准，取其标准值630L。 下油箱容积：

V下=7⨯227=1589L 根据GB2876-81标准，取其标准值1600L。

七、液压系统工作油路分析

A．启动：电磁铁全断电，主泵卸荷。

主泵（恒功率输出）--→ 电液换向阀7的M型中位--→ 电液换向阀17的K型中位--→ 油箱

B．液压缸15活塞快速下行：

1YA，5YA通电，电液换向阀7右位工作，控制油路经电磁换向阀12打开液控单向阀13，接通液压缸15下腔与液控单向阀13的通道。

进油路：主泵（恒功率输出）--→ 电液换向阀7--→单向阀8--→ 液压缸15上腔 回油路：液压缸15下腔--→ 单向阀13--→ 电液换向阀7--→ 电液换向阀17的K型中位--→油箱

液压缸活塞依靠重力快速下行形成负压空腔：大气压油--→ 吸入阀11--→ 液压缸15上腔

C．液压缸15活塞接触工件，慢速下行（增压行程）：

液压缸活塞碰行程开关2XK使5YA断电，切断液压缸15下腔经液控单向阀13快速回油通路，上腔压力升高，同时切断（大气压油--→ 吸入阀11--→ 上液压缸15上腔）吸油路。

进油路：主泵（恒功率输出）--→ 电液换向阀7--→ 单向阀8--→ 液压缸15上腔

回油路：液压缸15下腔--→ 顺序阀14--→ 电液换向阀7--→ 电液换向阀17的K型中位--→ 油箱

D. 保压：

液压缸15上腔压力升高达到预调压力，电接触压力表9发出信息，1YA断电，液压缸15进口油路切断，（单向阀8和吸入阀11的高密封性能确保液压缸15活塞对工件保

压，利用液压缸15上腔压力很高，打开外控顺序阀10的目的是防止控制油路使吸入阀11误动而造成液压缸15上腔卸荷）当液压缸15上腔压力降低到低于电接触压力表9调定压力，电接触压力表9又会使1YA通电，动力系统又会再次向液压缸15上腔供应压力油……。

主泵（恒功率输出）--→ 电液换向阀7的M型中位--→ 电液换向阀17的K型中位--→ 油箱，主泵卸荷。

E．保压结束，液压缸15上腔卸荷后：

保压时间到位，时间继电器电出信息，2YA通电（1YA断电），液压缸15上腔压力很高，打开外控顺序阀10，大部分油液经外控顺序阀10流回油箱，压力不足以立即打开吸入阀11通油箱的通道，只能先打开吸入11的卸荷阀，实现液压缸15上腔先卸荷，后通油箱的顺序动作，此时：

主泵1大部分油液--→ 电液换向阀7--→ 外控顺序阀10--→ 油箱 F．液压缸15活塞快速上行：

液压缸15上腔卸压达到吸入阀11开启的压力值时，外控顺序阀10关闭。 进油路：主泵1--→ 电液换向阀7--→ 液控单向阀13--→ 液压缸15下腔 回油路：液压缸15上腔--→ 吸入阀11--→ 油箱 G．顶出工件

液压缸15活塞快速上行到位，碰行程开关1XK，2YA断电，电液换向阀7复位，3YA通电，电液换向阀17右位工作。

进油路：主泵1--→ 电液换向阀7的M型中位--→ 电液换向阀17--→ 液压缸16下腔

回油路：液压缸16上腔--→ 电液换向阀17--→ 油箱 H. 顶出活塞退回：4YA通电，3YA断电，电液换向阀17左位工作

进油路：主泵1--→ 电液换向阀7的M型中位--→ 电液换向阀17--→ 液压缸16有杆腔

回油路：液压缸16无杆腔--→ 电液换向阀17--→ 油箱 I. 压边浮动拉伸：

薄板拉伸时，要求顶出液压缸16无杆腔保持一定的压力，以便液压缸16活塞能随液压缸15活塞驱动一同下行对薄板进行拉伸，3YA通电，电液换向阀17右位工作，6YA通电，电磁阀19工作，溢流阀21调节液压缸16无杆腔油垫工作压力。

进油路：主泵1--→ 电液换向阀7的M型中位--→ 电液换向阀17--→ 液压缸16无杆腔

吸油路: 大气压油--→ 电液换向阀17--→ 填补液压缸16有杆腔的负压空腔

八、计算和选取液压元件

根据上面计算数据，查液压设计手册选取液压元件如下：

九、液压系统稳定性论证

（一）主液压缸压力损失的验算 1、快速空行程时的压力损失

快速空行程时，由于液压缸进油从吸入阀11吸油，油路很短，因此不考虑进油路

上的压力损失，在回油路上，已知油管长度l=2m，油管直径d=30×10-3m，通过的流量q=3.06×10-3m3/s。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度15℃，由手册查出此时油的运动粘度v=1.5cm2/s，油的密度ρ=900kg/m3，液压系统元件采用集成块式的配置形式。

(1) 确定油流的流动状态，回油路中液流的雷诺数为 Re=

1.2732⨯3.06⨯10

30⨯10

-3

-3

⨯1.5

⨯10

4

=865.78

由上可知，回油路中的流动是层流。 （2）沿程压力损失ΕΔpλ 在回油路上，流速υ=

4q

=

4⨯3.06⨯10

2

-3-6

πd

2

3.14⨯30⨯10

2

=4.33m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red

=

64⨯2⨯900⨯4.332⨯865.78⨯30⨯10

2-3

≈41578Pa

（3）局部压力损失 由于采用集成块式的液压装置，所以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列于下表中:

力损失为

∑∆p=41578+168986+675943+50000=936507Pa 2. 慢速加压行程的压力损失

在慢速加压行程中，已知油管长度l=2m，油管直径d=30×10-3m，通过的流量进油

路q1=1.26×10m/s，回油路q2=0.77×10m/s。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度15℃，由手册查出此时油的运动粘度v=1.5cm2/s，油的密度ρ=900kg/m3，液压系统元件采用集成块式的配置形式。

-3

3

-3

3

若取集成块进油路压力损失为30000Pa，回油路压力损失为50000Pa，则回油路总的压

（1）确定油流的流动状态

进油路中液流的雷诺数为 Re1=

1.2732⨯1.26⨯10

30⨯10

-3

-3

⨯1.5

-3

⨯10

4

=356

回油路中液流的雷诺数为 Re2=

1.2732⨯0.77⨯10

30⨯10

-3

⨯1.5

⨯10

4

=218

由上可知，进回油路中的流动是层流。

（2）沿程压力损失ΕΔpλ 在进油路上，流速υ=

4q

=

4⨯1.26⨯10

2

-3-6

πd

2

3.14⨯30⨯10

2

=1.78m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red4q

=

64⨯2⨯900⨯1.782⨯356⨯30⨯10

-3-6

-3

2

=17088Pa

在回油路上，流速υ=

πd

2

=

4⨯0.77⨯10

2

3.14⨯30⨯10

2

=1.09m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red

=

64⨯2⨯900⨯1.092⨯218⨯30⨯10

-3

2

=10464Pa

（3）局部压力损失 由于采用集成块式的液压装置，所以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列于下表中:

力损失为

∑∆p1=17088+182883+337973+30000=567944Pa 回油路总的压力损失为

∑∆p2=10464+337973+337973+256133+50000=992543Pa 3. 快速退回行程的压力损失

在快速退回行程中，主液压缸从顺序阀10卸荷，油路很短，压力损失忽略不计，

已知油管长度l=2m，油管直径d=30×10m，通过的流量进油路q1=3.06×10m/s。液

-3

-3

3

若取集成块进油路压力损失为30000Pa，回油路压力损失为50000Pa，则进油路总的压

压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度15℃，由手册查出此时油的运动粘度v=1.5cm2/s，油的密度ρ=900kg/m3，液压系统元件采用集成块式的配置形式。 （1）确定油流的流动状态

进油路中液流的雷诺数为 Re1=

1.2732⨯3.06⨯10

30⨯10

-3

-3

⨯1.5

⨯10

4

=865.78

由上可知，进油路中的流动是层流。

（2）沿程压力损失ΕΔpλ 在进油路上，流速υ=

4q

=

4⨯3.06⨯10

2

-3-6

πd

2

3.14⨯30⨯10

2

=4.33m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red

=

64⨯2⨯900⨯4.332⨯865.78⨯30⨯10

2-3

≈41579Pa

（3）局部压力损失 由于采用集成块式的液压装置，所以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列于下表中:

力损失为

∑∆p1=41579+168986+337973+30000=578538Pa （二）顶出液压缸压力损失验算 1. 顶出行程的压力损失

在顶出液压缸顶出行程中，已知油管长度l=2m，油管直径d=30×10-3m，通过的流

量进油路q1=1.57×10-3m3/s，回油路q2=0.57×10-3m3/s。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度15℃，由手册查出此时油的运动粘度v=1.5cm2/s，油的密度ρ=900kg/m3，液压系统元件采用集成块式的配置形式。 （1）确定油流的流动状态

进油路中液流的雷诺数为 Re1=

1.2732⨯1.57⨯10

30⨯10

-3

-3

若取集成块进油路压力损失为30000Pa，回油路压力损失为50000Pa，则进油路总的压

⨯1.5

-3

⨯10

4

≈444

回油路中液流的雷诺数为 Re2=

1.2732⨯0.57⨯10

30⨯10

-3

⨯1.5

⨯10

4

≈161

由上可知，进回油路中的流动是层流。

（2）沿程压力损失ΕΔpλ 在进油路上，流速υ=

4q

=

4⨯1.57⨯10

2

-3-6

πd

2

3.14⨯30⨯10

2

≈2.22m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red4q

=

64⨯2⨯900⨯2.222⨯444⨯30⨯10

-3-6

-3

2

=21312Pa

在回油路上，流速υ=

πd

2

=

4⨯0.57⨯10

2

3.14⨯30⨯10

2

=0.81m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red

=

64⨯2⨯900⨯0.812⨯161⨯30⨯10

-3

2

≈7824Pa

（3）局部压力损失 由于采用集成块式的液压装置，所以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列于下表中:

力损失为

∑∆p1=21312+56791+56791+30000=164894Pa 回油路总的压力损失为 ∑∆p2=7824+7486+50000=65310Pa 2. 顶出液压缸退回行程的压力损失

在慢速加压行程中，已知油管长度l=2m，油管直径d=30×10-3m，通过的流量进油

路q1=0.9×10m/s，回油路q2=2.51×10m/s。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度15℃，由手册查出此时油的运动粘度v=1.5cm2/s，油的密度ρ=900kg/m3，液压系统元件采用集成块式的配置形式。 （1）确定油流的流动状态

进油路中液流的雷诺数为 Re1=

1.2732⨯0.9⨯1030⨯10

-3

-3

若取集成块进油路压力损失为30000Pa，回油路压力损失为50000Pa，则进油路总的压

-33-33

⨯1.5

-3

⨯10

4

≈255

回油路中液流的雷诺数为 Re2=

1.2732⨯2.51⨯10

30⨯10

-3

⨯1.5

⨯10

4

=710

由上可知，进回油路中的流动是层流。

（2）沿程压力损失ΕΔpλ

在进油路上，流速υ=

4q

πd

2

=

4⨯0.9⨯10

2

-3-6

3.14⨯30⨯10

2

=1.27m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red4q

=

64⨯2⨯900⨯1.272⨯255⨯30⨯10

-3-6

-3

2

=12144Pa

在回油路上，流速υ=

πd

2

=

4⨯2.51⨯10

2

3.14⨯30⨯10

2

=3.55m/s

则压力损失为 ∑∆pλ=

64lρυ2Red

=

64⨯2⨯900⨯3.552⨯710⨯30⨯10

-3

2

=34080Pa

（3）局部压力损失 由于采用集成块式的液压装置，所以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列于下表中:

力损失为

∑∆p1=12144+18662+18662+30000=79468Pa

回油路总的压力损失为 ∑∆p2=34080+145154+50000=229234Pa

从以上验算结果可以看出，各种工况下的实际压力损失都能满足要求，说明液压系统的油路结构、元件的参数是合理的，满足要求。 （三）液压系统发热和温升验算

在整个工作循环中，工进阶段所占用的时间最长，所以系统的发热主要是工进阶段造成的，帮按工进工况验算系统温升。 系统总的发热功率Φ为

Φ=38.65-34.5=4.15KW=4150W

已知油箱容积V=1600L=1.6m，则油箱的近似散热面积A为 A==8.892m3

假定通风条件良好，取油箱散热系数Cr=15×10KW/(m·℃)，则可得油液温升为 ∆T=

Φ

-3

2

3

若取集成块进油路压力损失为30000Pa

，回油路压力损失为50000Pa，则进油路总的压

CrA

=

4150⨯1015⨯10

-3

-3

⨯8.892

=31.14℃

设环境温度T=25℃，则热平均温度为56.14℃，油箱散热基本可达到要求。

十、设计总结

经过这近三个星期的液压系统课程设计，这也是我第一次较全的运用液压系统的知识运用到设计。在设计的过程中，虽然遇到了许多问题，但是幸好都能很快的有所改正或有所改良。在设计过程中培养了我的综合运用液压与气压传动课程及其他课程理论知识和利用生产时间知识来解决实际问题的能力，真正做到了学以致用。在此期间我我们同学之间互相帮助，共同面对课程设计当中遇到的困难，培养了我们的团队精神。在这些过程当中我充分的认识到自己在知识理解和接受应用方面的不足，特别是自己的系统的自我学习能力的欠缺，将来要进一步加强，今后的学习还要更加的努力。本次课程设计不仅仅是对自己所学的知识的一次系统总结与应用，还是锻炼我的耐力和意志力的过程。 另外，通过每天都过得很充实的课程设计，从中得到的收获还是非常多的。次较全面的液压知识的综合运用，通过这次练习，使得我们对液压基础知识有了一个较为系统全面的认识，加深了对所学知识的理解和运用，将原来看来比较抽象的内容实现了具体化，初步掊养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用相关课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固、加深了有关液压系统设计方面知识的了解。

通过设计方案，合理选择各液压零件类型，正确计算零件的工作能力，以及针对课程设计中出现的问题查阅相关资料，扩展了我们的知识面，培养了我们在本学科方面的兴趣及实际动手能力，对将来我们在此方面的发展起了一个重要的作用。本次课程设计是我们对所学知识运用，是我们在液压知识学习方面的有意义的实践。

十一、参考文献

1.《液压传动与气压传动》第2版，刘延俊主编，机械工业出版社。 2.《液压系统设计简明手册》，杨培元、朱福元主编，机械工业出版社。 3、《液压与气压传动学习及实验指导》，刘延俊、苏杭主编，机械工业出版社。