机电液综合课程设计
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1 机电液综合课程设计 指导书（机制方向） ——张家港校区 2 设计目的 本课程是机械设计制造及其自动化专业的设计实践课，是在完成《液压与气压传动》、《机电传动及控制》等课程理论教学以后所进行的重要实践教学环节。本课程的学习目的在于使学生综合运用理论知识及生产实际知识，进行机电液工程项目的综合设计实践，使理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展。通过设计实际训练，为后续专业课的学习、毕业设计及解决工程问题打下良好的基础。 设计要求
(1) 机电液压综合设计项目是一项全面设计训练，它不仅可以巩固所学的理论知识，也可以为以后的设计工作打好基础。在设计过程中必须严肃认真，刻苦钻研，一丝不苟，精益求精。 (2) 机电液压综合设计项目应在教师指导下独立完成。教师的指导作用是指明设计思路，启发学生独立思考，解答疑难问题，按设计进度进行阶段审查，学生必须发挥主观能动性，积极思考问题，而不应被动地依赖教师查资料、给数据、定方案。 (3) 设计中要正确处理参考已有资料与创新的关系。任何设计都不能凭空想象出来，利用已有资料可以避免许多重复工作，加快设计进程，同时也是提高设计质量的保证。另外任何新的设计任务又总有其特定的设计要求和具体工作条件，因而不能盲目地抄袭资料，必须具体分析，创造性地设计。 (4) 学生应按设计进程要求保质保量的完成设计任务。 设计内容及应提交文件
设计内容以各类机电设备液压传动系统的方案分析、验证、设计计算以及元件的选用为主，兼顾部分零部件结构设计。一般包括以下内容： (1) 明确设计要求进行工况分析； (2) 确定液压系统主要参数； (3) 拟定液压系统原理图及验证设计方案； (4) 计算和选择液压件； (5) 验算液压系统性能； (6) 结构设计及绘制零部件工作图； (7) 编制技术文件。 学生应完成的工作： (1) 绘制液压缸装配图（CAD及手绘各一份）； (2)、绘制油箱及附属装置装配图（CAD图一份）； (3) 设计计算说明书1份（含液压系统原理图）。 机电液综合设计的时间一般为2周。 3
设计安排 阶段 主要内容 时间安排 1．设计准备 (1) 阅读、研究设计任务书，明确设计内容和要求，了解原始数据和工作条件； (2) 收集有关资料并进一步熟悉课题。 10％
2．液压系统设计计算 (1) 明确设计要求进行工况分析； (2) 确定液压系统主要参数； (3) 拟定液压系统原理图及验证设计方案； (4) 计算和选择液压件； (5) 验算液压系统性能； 30％
3．绘制工作图 (1) 绘制液压缸装配图（CAD及手绘各一份）； (2) 绘制油箱及附属装置装配图（CAD图一份）。 30％ 4．编制技术文件 编写设计计算说明书； 20％ 5．答辩 整理资料，答辩 10％
设计步骤： 液压系统的设计步骤大致如下： (1)明确设计要求，进行工况分析； (2)确定液压系统的主要性能参数； (3)拟订液压系统原理图； (4)计算和选择液压元件； (5)验算液压系统的性能； (6)液压缸设计； (7)绘制工作图，编写技术文件，并提出电气控制系统的设计任务书。 以上步骤中各项工作内容有时是互相穿插、交叉进行的。对某些复杂的问题，需要进行多次反复才能最后确定。在设计某些较简单的液压系统时，有些步骤可合并和简化处理。
1 明确设计要求，进行工况分析 1.1 明确设计要求 4
对液压系统的设计要求是设计液压系统的依据，设计前必须将它搞清楚。明确设计要求往往从以下几个方面考虑： 1.1.1主机的概况了解 一般液压系统是为主机配套的，因此明确设计要求一般应从了解主机开始。了解主机概况一般从以下几方面着手： 1）主机的用途、总体布局、主要结构，主机对液压装置的位置和空间尺寸的限制。 2）主机的工艺流程或工作循环、技术参数与性能要求。 3）作业环境与条件等。 1.1.2明确主机对液压系统提出的任务和要求 1）主机要求液压系统完成的动作和功能，执行元件的运动方式（转动、移动或摆动）、动作循环及其工作范围。 2）外界负载大小、性质及变化范围，执行元件运动速度大小及变化范围。 3）各液压执行元件的动作顺序、转换及互锁要求。 4）对液压系统的工作性能方面的要求，如运动平稳性、定位和转换精度、停留时间、自动化程度、工作效率、噪声等方面的要求，对于高精度、高生产率的自动化主机，不仅会对液压系统提出静态性能指标，往往还会提出动态性能指标。 1.1.3明确其它要求 1）明确液压系统的工作条件和环境条件，如环境的温度、湿度、污染和振动冲击情况。有无腐蚀性和易燃性物质存在，这牵涉到液压元件和工作介质的选用，也牵涉到所需采用的防护措施等。 2）对液压系统的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。
1.2工况分析 工况分析就是要分析执行元件在整个工作过程中速度和负载的变化规律，求出工作循环中各动作阶段的速度和负载的大小，画出速度图和负载图（简单系统可不画）。从这两张图中可以方便地看出系统对液压执行元件作用的负载和速度的要求及它们的变化范围，还可方便地确定最大负载值、最大速度值，以及它们所在的工作阶段，这是确定液压系统方案、确定液压系统性能参数和执行元件结构参数的主要依据。 1.2.1速度分析速度图 速度分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求的速度进行分析，速度图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。速度图一般用速度—时间（v—t）或速度—位移（v—l）曲线表示。图1（a）为一机床进给油缸的动作循环图例，及图1（b）是其相应的速度图例。 5
1.2.2负载分析与负载图 负载分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求克服的负载大小及其性质进行分析，负载图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。负载图一般用负载—时间（F—t）或负载—位移（F—l）曲线表示。 1）液压缸的负载分析 液压缸在做直线往复运动时，要克服以下负载：工作负载、摩擦负载阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压力。前四种属于外负载，后两种属于内负载。在不同的动作阶段，负载的类型和大小是不同的。下面分别予以讨论。 （1） 启动阶段 启动阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件处于要动而未动状态，其负载F由以下2项组成
式中 Ffs——静摩擦力；
Fn——作用在摩擦面（如导轨面或支承面）上的正压力；
fs——摩擦面的静摩擦系数，其数值与润滑条件、导轨的种类和材料有关（见表1）；
FG——垂直或倾斜放置的运动工作部件重量在油缸运动方向的分量，工作部件向上运动时
为正负载，向下运动时为负负载。若工作部件是水平放置时，则FG=0。 (2) 加速阶段 加速阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件从速度为零到恒速（一般为非工作阶段的快速运动）阶段，这时的负载F由下式计算
式中 Ffd——动摩擦力; 6
fd——动摩擦系数(见表1)；
Fm——惯性阻力,这是液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件在加速（或制动减速）
过程中得到惯性阻力, 其值可按牛顿第二定律求出，加速时阻力为正，制动减速时为负； △v——速度的改变量，即恒速值； △t——启动或制动时间，机床一般取△t =0.01~0.5s，轻载低速运动部件取小值，重载高速运动部件取大值。行走机械可取△v / △t =0.5~1.5m/s2； G——运动部件的重量； g——重力加速度。 表1 导轨摩擦系数
导轨种类 导轨材料 工作状态 摩擦系数
滑动导轨 铸铁对铸铁 启动 0.16~0.2
低速运动（v<10m/min） 0.1~0.12
高速运动（v>10m/min） 0.05~0.08
自润滑尼龙 低速中载(也可润滑) 0.12
金属兼复合材料 0.042~0.15
滚动导轨 铸铁导轨+滚珠(柱) 0．005~0.02 淬火钢导轨+滚珠(柱) 0.003~0.006
静压导轨 铸铁 0.005
气浮导轨 铸铁、钢或大理石 0.001
（3）恒速阶段 该阶段负载由下式决定
式中 FL——工作负载，如切削力等。其方向与液压缸运动方向相反时取正值，相同时取负值。在非工作行程(如快进)时取FL =0. （4） 制动阶段 该阶段负载由下式决定
因制动时是减速，因此惯性力Fm为负值。 上述四个动作阶段，在液压缸的反向运动中，也都存在，只是在快退过程中不存在工作行程，因此整个快退恒速阶段取FL =0。 以上计算均是计算液压缸的外负载，要计算液压缸的总负载力，还应计算液压缸的内负载力，即密封阻力和运动的背压阻力。前者是指密封装置零件在相对运动中产生的密封摩擦力, 其值与密封装置的结构类型、液压缸的制造质量和工作压力有关，具体计算比较繁琐，一般在初步计算中都将其考虑在液压缸的机械效率（ηm）中。后者是指液压缸回油腔的背压阻力，它是由回油管
