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設(shè)計(jì)鉆鏜專用機(jī)床液壓系統(tǒng)，其工作循環(huán)定位－夾緊－快進(jìn)－工進(jìn)－死擋鐵停留－快退－停止－拔銷松開等自動(dòng)循環(huán)，采用平導(dǎo)軌主要性能參數(shù)見下表。 液壓缸 負(fù)載力 （N） 工作臺(tái) 重 量 （N） 工作臺(tái)及夾具重量 （N） 行程（mm） 速度 (m/min) 啟動(dòng)時(shí)間(s) 靜摩擦系數(shù)fs 動(dòng)摩擦系數(shù)ft 快進(jìn) 工進(jìn) 快進(jìn) 工進(jìn) 快退 進(jìn)給缸 夾緊缸 25000 1900 1500 600 150 70 3.5 0.2 5 0.3 0.21 0.11 （二）設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 1）液壓傳動(dòng)方案的分析。 2）液壓原理圖的擬定 3）主要液壓元件的設(shè)計(jì)計(jì)算（例油缸）和液壓元件，輔助裝置的選擇。 4）液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算。 5）繪制液壓系統(tǒng)圖（包括電磁鐵動(dòng)作順序表，動(dòng)作循環(huán)表，液壓元件名稱）；繪制集成塊液壓原理圖；繪制集成塊零件圖 6）編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書一分（5000字左右）。 二 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1．進(jìn)行工況分析 液壓缸負(fù)載主要包括：切削阻力，慣性阻力，重力，密封阻力和背壓閥阻力等 （1）切削阻力F切 F切=25000N （2），摩擦阻力F靜，F(xiàn)動(dòng) F靜=F法×f靜=1500×0.21=315N F動(dòng)=F法×f動(dòng)=1500×0.11=165N 式中:F法－運(yùn)動(dòng)部件作用在導(dǎo)軌上的法向力 f靜－靜摩擦系數(shù) f動(dòng)－動(dòng)摩擦系數(shù) （3）慣性阻力 F慣=G·Δv/（g·Δt）=1500×5/（9.8×0.5×60）=25.5N 式中: g－重力加速度 G－運(yùn)動(dòng)部件重力 Δ v－在t時(shí)間內(nèi)變化值 Δt－啟動(dòng)加速度或減速制動(dòng)時(shí)間 （4）重力F： 因運(yùn)動(dòng)部件是水平位置，故重力在水平方向的分力為零。 （5）密封阻力F阻 一般按經(jīng)驗(yàn)取F阻=0.1F總 (F為總負(fù)載）。 （6）背壓阻力 這是液壓缸回油路上的阻力，初算時(shí)，其數(shù)值待系統(tǒng)確定以后才可以定下來(lái)。 根據(jù)以上分析，可以計(jì)算出液壓缸各動(dòng)作中的負(fù)載表如下： 工況 計(jì)算公式 液壓缸的負(fù)載N 啟動(dòng) F啟=F靜＋F密 F啟=315/0.9=350 加速 F加=F動(dòng)＋F貫＋F密 F加=（165+25.5）/0.9=0.9 快進(jìn) F快=F動(dòng)＋F密 F快=165/0.9=183 工進(jìn) F工=F切＋F動(dòng)＋F密 F工=(25000+165)/0.9=27961 快退 F快=F動(dòng)＋F密 F快=165/0.9=183 2．繪制液壓缸的負(fù)載圖和速度圖 根據(jù)上表數(shù)值，繪制出液壓缸的負(fù)載圖和轉(zhuǎn)速圖，這樣便于計(jì)算幾分析液壓系統(tǒng)。 液壓缸的負(fù)載圖及轉(zhuǎn)速圖如下： 三 擬訂液壓系統(tǒng)原理圖 1．調(diào)速回路的選擇 根據(jù)液壓系統(tǒng)要求是進(jìn)給速度平穩(wěn)，孔鉆透時(shí)不前沖，可選用調(diào)速閥的進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路，出口加背壓。 2．快速回路的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求v快進(jìn)=3.55m/min,v快退=5m/min,而盡量采用較小規(guī)格的液壓泵，可以選擇差動(dòng)連接回路。 3．速度換接回路的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，速度換接要平穩(wěn)可靠，另外是專業(yè)設(shè)備，所以可采用行程閥的速度換接回路。若采用電磁閥的速度換接回路，調(diào)節(jié)行程比較方便，閥的安裝也較容易，但速度換接的平穩(wěn)性較差。 4．換向回路的選擇 由速度圖可知，快進(jìn)時(shí)流量不大，運(yùn)動(dòng)部件的重量也較小，在換向方面又無(wú)特殊要求，所以可選擇電磁閥控制的換向回路。為方便連接，選擇三位五通電磁換向閥。 5．油源方式的選擇 由設(shè)計(jì)要求可知，工進(jìn)時(shí)負(fù)載大速度較低，而快進(jìn)、快退時(shí)負(fù)載較小，速度較高。為節(jié)約能源減少發(fā)熱。油源宜采用雙泵供油或變量泵供油。選用雙泵供油方式，在快進(jìn)、快退時(shí)，雙泵同時(shí)向系統(tǒng)供油，當(dāng)轉(zhuǎn)為共進(jìn)時(shí)，大流量泵通過順序閥卸荷，小流量泵單獨(dú)向系統(tǒng)供油，小泵的供油壓力由溢流閥來(lái)調(diào)定。若采用限壓變量泵葉片泵油源，此油源無(wú)溢流損失，一般可不裝溢流閥，但有時(shí)為了保證液壓安全，仍可在泵的出口處并聯(lián)一個(gè)溢流閥起安全作用。 6．定位夾緊回路的選擇 按先定位后夾緊的要求，可選擇單向順序閥的順序動(dòng)作回路。通常夾緊缸的工作壓力低于進(jìn)給缸的工作，并由同一液壓泵供油，所以在夾緊回路中應(yīng)設(shè)減壓閥減壓，同時(shí)還需滿足：夾緊時(shí)間可調(diào)，在進(jìn)給回路壓力下降時(shí)能保持夾緊力，所以要接入節(jié)流閥調(diào)速和單向閥保壓。換向閥可連接成斷電夾緊方式，也可以采用帶定位的電磁換向閥，以免工作時(shí)突然斷電而松開。 7．動(dòng)作轉(zhuǎn)換的控制方式選擇 為了確保夾緊后才進(jìn)行切削，夾緊與進(jìn)給的順序動(dòng)作應(yīng)采用壓力繼電器控制。當(dāng)工作進(jìn)給結(jié)束轉(zhuǎn)為快退時(shí)，，由于加工零件是通孔，位置精度不高，轉(zhuǎn)換控制方式可采用行程開關(guān)控制。 8．液壓基本回路的組成 將已選擇的液壓回路，組成符合設(shè)計(jì)要求的液壓系統(tǒng)并繪制液壓系統(tǒng)原理圖。此原理圖除應(yīng)用了回路原有的元件外，又增加了液壓順序閥5和單向閥等，其目的是防止回路間干擾及連鎖反應(yīng)。從原理圖中進(jìn)行簡(jiǎn)要分析： 1) 快進(jìn)時(shí)，閥2左位工作，由于系統(tǒng)壓力低，液控順序閥5關(guān)閉，液壓缸有桿腔的回油只能經(jīng)換向閥2、單向閥4和泵流量合流經(jīng)單向行程調(diào)速閥3中的行程閥進(jìn)入無(wú)桿腔而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)快進(jìn)，顯然不增加閥5，那么液壓缸回油通過閥6回油箱而不能實(shí)現(xiàn)差動(dòng)。 2) 工進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)壓力升高，液控順序閥5被打開，回油腔油液經(jīng)液控順序閥5和背壓閥6流回油箱，此時(shí)，單向閥4關(guān)閉，將進(jìn)、回油路隔開，使液壓缸實(shí)現(xiàn)工進(jìn)。 3) 系統(tǒng)組合后，應(yīng)合理安排幾個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，這些測(cè)壓點(diǎn)通過壓力表開關(guān)與壓力表相接，可分別觀察各點(diǎn)的壓力，用于檢查和調(diào)試液壓系統(tǒng)。 液壓系統(tǒng)原理圖如下： 四 確定執(zhí)行元件主要參數(shù) 1．工作壓力的確定 ，工作壓力可根據(jù)負(fù)載大小及設(shè)備類型來(lái)初步確定，現(xiàn)參閱表2－1，根據(jù)F工=27961N,選P工=4MPa。 2．確定液壓缸的內(nèi)徑D和活塞竿直徑d 按P2=0，油缸的機(jī)械效率η=1，將數(shù)據(jù)代入下式： D=（4F工/πP工）1/2 = （4×27961/(π×106））1/2 =0.094m 根據(jù)液壓缸尺寸系列表2－5，將直徑圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑D=100mm 根據(jù)液壓缸快進(jìn)快退速度相近，取d/D=0.7，則活塞桿直徑d=0.7×100mm=70mm。按活塞桿系列表2－6，取d=70mm。 根據(jù)已取缸徑和活塞竿內(nèi)徑，計(jì)算出液壓缸實(shí)際有效工作面積，無(wú)竿腔面積A1和有竿腔面積A2分別為 A1=πD2/4=3.14×0.12/4=78.5×10-4㎡ A2= π（D2-d2）/4=3.14×（0.12-0.72）/4=40×10-4㎡ 則液壓缸的實(shí)際計(jì)算工作壓力為： P=4F/ πD=4×27961/（π×0.12）=3.6MPa 則實(shí)際選取的工作壓力P=4MP滿足要求 按最低工作速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度。若驗(yàn)算后不能獲得最小的穩(wěn)定速度是，還需要響應(yīng)加大液壓缸的直徑，直至滿足穩(wěn)定速度為止。 q/v=（50/5）×10-4=10×10-4㎡ 由于A>q/v,所以能滿足最小穩(wěn)定速度的要求。 3.確定夾緊缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑 根據(jù)夾緊缸的夾緊力=1900N，選夾緊缸工作壓力=1.0MPa可以認(rèn)為回油壓力為零，夾緊缸的機(jī)械效率η=1，按式2－1可得： D=（4F夾/πP夾）1/2 = （4×1900/(π×106））1/2 =0.049m 根據(jù)表2－5取D=50mm 根據(jù)活塞桿工作受壓，活塞桿直徑適當(dāng)取大時(shí)，活塞桿直徑d為： D=0.5D=0.5×50=25mm 根據(jù)表2－6取D=25mm 4. 計(jì)算液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段的壓力，流量和功率 根據(jù)上述所確定的液壓缸的內(nèi)徑D和活塞竿直徑d，以及差動(dòng)快進(jìn)時(shí)的壓力損失時(shí)ΔP=0.5MPa，工進(jìn)時(shí)的背壓力P=0.8MPa，快進(jìn)快退時(shí)是P=0.5MPa，則可以計(jì)算出液壓缸各工作階段的壓力，流量和功率。 如下表： 工況 負(fù)載 F（N） 回油腔壓力 P2 (MPa) 進(jìn)油腔壓力 P1 (MPa) 輸入流量 q×10-4 (m3/s) 輸出流量 p(Kw) 計(jì)算公式 快進(jìn)啟動(dòng) 350 — 0.61 — — P1=(F＋A2△P)/（A1-A2） q=（A1-A2）v快 P=p1q 快進(jìn)加速 212 1.07 0.57 變化值 變化值 快進(jìn)恒速 183 1.067 0.567 2.25 0.128 工 進(jìn) 27961 0.8 4.0 0.26 0.104 p1=(F＋A2P2)/ A1；；q=A1vI；p=p1q 快退啟動(dòng) 350 — 0.088 — — p1=（F＋A1P2）/ A2 q=A2v快 P=P1q 快退加速 212 0.5 1.034 變化值 變化值 快退恒速 183 0.5 1.027 2.3 0.24 根據(jù)上表可以用坐標(biāo)法繪制出“液壓工況圖”，此圖可以直觀看出液壓缸各運(yùn)動(dòng)階段的主要參數(shù)變化情況。 液壓工況圖如下： 液壓缸結(jié)構(gòu)如下： 5.計(jì)算夾緊缸的壓力 進(jìn)油腔壓力p1為 =F夾/ A1=1900/0.00785Pa =0.24MPa 五 確定液壓泵的規(guī)格和電動(dòng)機(jī)功率及型號(hào) 1．計(jì)算液壓泵的壓力 液壓泵的工作壓力應(yīng)當(dāng)考慮液壓缸最高有效工作壓力和管路系統(tǒng)的壓力損失。所以泵的工作壓力為： P泵=P1+ΣΔP 式中：P泵----液壓泵最大工作壓力 P1----液壓缸最大有效工作壓力 ΣΔP ----管路系統(tǒng)的壓力損失，由于進(jìn)口節(jié)流，出口加背壓閥的調(diào)速方式，取ΣΔP=1MPa。 P泵= P1+ΣΔP= F1/ A1+1MPa =27961N/0.00785m2+1MPa =4.6MPa。 上述計(jì)算所得的P泵是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力，另外考慮到一定的壓力儲(chǔ)蓄量，提高泵的壽命，所以選泵的額定壓力應(yīng)滿足P額=1.25～1.6P泵。本系統(tǒng)為中低壓系統(tǒng)應(yīng)去小值，故取P額=1.25 P泵=5.75MPa 2．計(jì)算液壓泵的流量 液壓泵的最大流量q泵應(yīng)為 q泵>K(∑q)max 式中：(∑q)max----同時(shí)動(dòng)作各液壓缸所需流量之和的最大值 K----系統(tǒng)的泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，現(xiàn)取K=1.2。 q泵=K(∑q)max=1.2×2.3=2.8×10-4m3/s 3．選用液壓泵規(guī)格和型號(hào) 根據(jù)P額、P泵值查閱有關(guān)手冊(cè)，選用YB-16型單級(jí)葉片泵。該泵的基本參數(shù)為：排量16L/min,額定壓力P額=6.3MPa,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速960r/min,容積效率ηc=0.9,總效率η=0.7 單泵分塊圖如下： 4．確定電動(dòng)機(jī)功率及型號(hào) 由工況圖可知，液壓缸最大輸入功率在快退階段，可按此階段估算電動(dòng)機(jī)功率，由于工況圖中壓力值不包括由泵到液壓缸這段管路的壓力損失，在快退時(shí)這段管路的壓力損失若取△P=0.2MPa,液壓泵總效率η=0.7，則電機(jī)功率P電為： P電= P泵q泵/η=2.4×106×2.8×10-4/0.7=2.3KW 查閱電動(dòng)機(jī)樣本，選用Y132S-40電動(dòng)機(jī)，其額定功率為3.0KW，額定轉(zhuǎn)速為960r/min. 5.液壓元件及輔助元件的選擇 （1）液壓元件的選擇 根據(jù)所擬訂的液壓原理圖，進(jìn)行計(jì)算和分析通過各液壓元件的最大流量和最高工作壓力選擇液壓元件規(guī)格。 （2）油管的計(jì)算和選擇 油管內(nèi)徑尺寸一般可參照選用的液壓元件接口尺寸而定，也可以按管路允許流速進(jìn)行計(jì)算，流量q=30l/min，壓油管的允許流速取v=4m/s 則壓油管內(nèi)徑d為： d=(4q/πv) 1/2 =(4×0.0005/3.14×4) 1/2 =1.2cm 可選內(nèi)徑為d=11mm的油管。 流量q=12 l/min，吸油管的允許流速取v=1.5m/s 則吸油管內(nèi)徑d為： d=(4q/πv) 1/2 =(4×12/3.14×1.5) 1/2 =1.02cm 可選內(nèi)徑為d=12mm的油管。 關(guān)于定位夾緊油路的管徑，可按元件接口尺寸選擇。 6．油箱容量的確定 該方案為中壓系統(tǒng)，液壓油箱的有效容量按泵的流量5～7倍來(lái)確定，油箱的容量V為: V=(5～7) q泵=(5～7) ×16.8=(84～120)L 按GB2876-81規(guī)定，且考慮散熱因素，取靠近的標(biāo)準(zhǔn)值V=250L。 六 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 1．回路壓力損失驗(yàn)算 主要驗(yàn)算液壓缸在各運(yùn)動(dòng)階段中的壓力損失。若驗(yàn)算后與原估算值相差較大，就要進(jìn)行修改。壓力算出后，可以確定液壓泵各運(yùn)動(dòng)階段的輸出壓力機(jī)某些元件調(diào)整壓力的參考值。 具體計(jì)算可將液壓系統(tǒng)按工作階段進(jìn)行，例如快進(jìn)，工進(jìn)，快退等，按這些階段，將管路劃分成各條油流進(jìn)液壓缸，而后液壓油從液壓缸流回油箱的路線的管路，則每條管路的壓力損失可由下式計(jì)算： 式中： ——某工作階段總的壓力損失； ——液壓油沿等徑直管進(jìn)入液壓缸沿程壓力損失值之和； ——液壓油沿等徑直管從液壓缸流回油箱的沿程壓力損失值之和； ——液壓油進(jìn)入液壓缸所經(jīng)過液壓閥以外的各局部的壓力損失值之總和，例如液壓油流進(jìn)彎頭，變徑等； ——液壓油從液壓缸流回油箱所經(jīng)過的除液壓閥之外的各個(gè)局部壓力損失之總和； ——液壓油進(jìn)入液壓缸時(shí)所經(jīng)過各閥類元件的局部壓力損失總和； ——液壓油從液壓缸流回油箱所經(jīng)過各閥類元件局部壓力損失總和； ——液壓油進(jìn)入液壓缸時(shí)液壓缸的面積； ——液壓油流回油箱時(shí)液壓缸的面積。 和的計(jì)算方法是先用雷諾數(shù)判別流態(tài)，然后用相應(yīng)的壓力損失公式來(lái)計(jì)算，計(jì)算時(shí)必須事先知道管長(zhǎng)L及管內(nèi)徑d，由于管長(zhǎng)要在液壓配管設(shè)計(jì)好后才能確定。所以下面只能假設(shè)一個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。 和是指管路彎管、變徑接頭等，局部壓力損失可按下式： 式中——局部阻力系數(shù)（可由有關(guān)液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得）； ——液壓油的密度 ——液壓油的平均速度 此項(xiàng)計(jì)算也要在配管裝置設(shè)計(jì)好后才能進(jìn)行。 及是各閥的局部壓力損失，可按下列公式： 式中——液壓閥產(chǎn)品樣本上列出的額定流量時(shí)局部壓力損失； q ——通過液壓閥的實(shí)際流量； ——通過液壓閥的額定流量。 另外若用差動(dòng)連接快進(jìn)時(shí)，管路總的壓力損失應(yīng)按下式計(jì)算： 式中——AB段總的壓力損失，它包括沿程、局部及控制閥的壓力損失； ——BC段總的壓力損失，它包括沿程、局部及控制閥的壓力損失； ——BD段總的壓力損失，它包括沿程、局部及控制閥的壓力損失； ——大腔液壓缸面積； ——小腔液壓缸面積。 現(xiàn)已知該液壓系統(tǒng)的進(jìn)、回油管長(zhǎng)度均為1m，吸油管內(nèi)徑為，壓油管內(nèi)徑為，局部壓力損失按進(jìn)行估算，選用L-HL32液壓油，其油溫為時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度，油的密度。按上述計(jì)算方法，得出各工作階段壓力損失數(shù)值經(jīng)計(jì)算后見表3。 快進(jìn)時(shí)(MPa) 工進(jìn)時(shí)(MPa) 快退時(shí)(MPa) 沿程損失 忽略不計(jì) 閥件局部損失 三位四通電磁閥 0.07 忽略不計(jì) 0.25 單向行程調(diào)速閥（行程閥） 0.56 單向行程調(diào)速閥（調(diào)速閥） 0.5 單向行程調(diào)速閥（單向閥） 0.44 單向閥 0.74 背壓閥 0.41 總損失 1.6 0.91 1.46 隨后計(jì)算出液壓泵各運(yùn)動(dòng)階段的輸出壓力，計(jì)算公式及計(jì)算數(shù)值見表4所示9.1。 計(jì)算公式 液壓泵輸出壓力（Pa） 快進(jìn)時(shí) P快進(jìn)=350/（0.00785-0.004）+1.6×106 =1.69×106 工進(jìn)時(shí) P工進(jìn)=27961/0.00785+0.91×106 =4.47×106 快退時(shí) P快退=183/0.004+1.46×106 =1.51×106 表4 液壓泵在各階段的輸出壓力，是限壓變量葉片泵和順序閥調(diào)壓時(shí)的參考數(shù)據(jù)，在調(diào)壓時(shí)應(yīng)當(dāng)符合下面要求： 其中——限定壓力 ——快進(jìn)時(shí)泵的壓力 ——順序閥調(diào)定壓力 ——工進(jìn)時(shí)泵的壓力 從上述驗(yàn)算表明，無(wú)須修改原設(shè)計(jì)。 （1）液壓回路的效率 在各工作階段中，工進(jìn)所占的時(shí)間較長(zhǎng)。所以液壓回路的效率按工進(jìn)時(shí)為計(jì)算。 η回=p缸q缸/p泵q泵 =3.56×106×0.26/(4.47×106×0.26) =0.8 2．液壓系統(tǒng)的溫升驗(yàn)算 在整個(gè)循環(huán)中，由于工進(jìn)階段所占時(shí)間最長(zhǎng)，所以考慮工進(jìn)時(shí)的溫升。另外，變量葉片泵隨著壓力的增加，泄漏也增加，功率損失出增加，效率也很低。此時(shí)泵的效率 p缸=4.47×106Pa 則有： P泵入= P泵出/η回= p泵q泵/η回 =4.47×106×0.26/0.031 =0.375KW H發(fā)熱= P泵入（1-η系統(tǒng)）= P泵入（1-η泵η回η缸） =3.75×（1-0.031×0.80×0.9） =0.367 KW 式中 P泵入—泵的輸入功率 P泵出—泵的輸出功率 H發(fā)熱—單位時(shí)間進(jìn)入液壓系統(tǒng)的熱量 （KW） 本系統(tǒng)取油箱容積V=180L ,油箱三邊尺寸比例在 1:1:1～1:2:3之間，則油液溫升ΔT為： ΔT= H發(fā)熱×103/V2/3 =0.25×103/1802/3 =11.5.C 通常液壓機(jī)床取ΔT=25.C～30.C ，可以看出，此溫升沒有超出允許范圍，故該液壓系統(tǒng)不必設(shè)置冷卻裝置。 七 參考書目 文獻(xiàn)[1]　劉延俊．液壓與氣壓傳動(dòng). 機(jī)械工業(yè)出版社 文獻(xiàn)[2]　機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)，冶金工業(yè)出版社