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摘 要
液壓傳動(dòng)是通過流動(dòng)液體的壓力能來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。液壓傳動(dòng)在各個(gè)領(lǐng)域都有著非常廣泛的運(yùn)動(dòng)，尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，而且，越高科技的設(shè)備，運(yùn)用的液壓部分就越多。此次設(shè)計(jì)主要是將自己所學(xué)的知識(shí)結(jié)合輔助材料運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，掌握并深入了解已學(xué)知識(shí)，熟悉液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和方法，合理的選取執(zhí)行機(jī)構(gòu)并選用液壓元件和液壓基本回路，最終設(shè)計(jì)出滿足要求的液壓系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：銑加工、專用機(jī)床、液壓站、 液壓傳動(dòng)
2
Abstract
Hydraulic transmission is realized through the pressure of flowing liquid. Hydraulic transmission in various fields has a very wide range of sports, especially in industrial production, and, the more high-tech equipment, the more the use of hydraulic parts. This design is mainly will be applied to design of auxiliary materials according to the knowledge of their own master and in-depth understanding of knowledge, familiar with the procedures and methods of the hydraulic system design, reasonable selection of actuating mechanism and selection of hydraulic components and hydraulic basic circuit, final design satisfy the request of the hydraulic system.
Key words: Milling; Special purpose machines; Hydraulic pressure station; Hydraulic transmission
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
緒論 1
0.1 課題研究背景 1
0.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
0.3 課題研究的主要內(nèi)容 1
第1章 液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況及應(yīng)用 3
1.1 液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況 3
1.2 液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用 3
第2章 液壓傳動(dòng)的工作原理及組成 5
2.1 液壓傳動(dòng)的工作原理 5
2.2 液壓系統(tǒng)的基本組成 5
第3章 液壓系統(tǒng)的工況分析 6
3.1 確定執(zhí)行元件 6
3.2 動(dòng)力分析 6
3.2.1 液壓缸負(fù)載分析 6
3.2.2 夾緊缸與定位負(fù)載分析 8
3.3 運(yùn)動(dòng)分析 8
3.4 繪制負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖 9
第4章 確定主要技術(shù)參數(shù) 10
4.1 初選液壓缸工作壓力 10
4.2 確定液壓缸主要尺寸 10
4.2.1 進(jìn)給液壓缸的尺寸計(jì)算 10
4.2.2 夾緊液壓缸的尺寸計(jì)算 12
4.2.3 定位液壓缸的尺寸計(jì)算 13
4.3 計(jì)算最大流量 14
4.3.1 進(jìn)給液壓缸的流量計(jì)算 14
4.3.2 夾緊液壓缸的流量計(jì)算 14
4.3.3 定位液壓缸的流量計(jì)算 15
4.4 繪制液壓系統(tǒng)工況圖 15
第5章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 16
5.1 速度控制回路的選擇 16
5.2 換向和速度換接回路的選擇 16
5.3 油源的選擇和能耗控制 16
5.4 壓力控制回路的選擇 17
5.5 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 17
第6章 液壓元件的選擇 18
6.1 液壓泵和電動(dòng)機(jī)規(guī)格的選擇 18
6.1.1 泵的選擇 18
6.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 19
6.2 閥類元件和輔助元件的選擇 20
6.3 油管的選擇 20
6.4 油箱的設(shè)計(jì) 22
第7章 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算 23
7.1 管路系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算 23
7.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升驗(yàn)算 25
第8章 結(jié)論 27
參考文獻(xiàn) 28
致謝 29
緒 論
0.1 課題研究背景
隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高功率、高效率、高精度、高響應(yīng)的工業(yè)領(lǐng)域和技術(shù)領(lǐng)域的追求更大，液壓控制系統(tǒng)的需求量正在逐步礦大，尤其在液壓系統(tǒng)中使用越來(lái)越多的就是反饋控制，它將先進(jìn)的液壓技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合在了一起，這一技術(shù)無(wú)論在元件系統(tǒng)還是在理論運(yùn)用上，都已經(jīng)變得完善和成熟，并使液壓系統(tǒng)在當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)中擁有著重要的位置。
0.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
近幾年來(lái)，由于國(guó)外液壓技術(shù)普遍應(yīng)用了高新技術(shù)成果，使基礎(chǔ)產(chǎn)品在品種、水平及擴(kuò)展應(yīng)用規(guī)模方面都有很大的提高和發(fā)展。
目前我國(guó)的液壓技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到前列，并且科研體系也已經(jīng)基本完善，尤其是近十幾年以來(lái)，我國(guó)大力支持基礎(chǔ)產(chǎn)品工業(yè)，使得生產(chǎn)水平相對(duì)提高，已經(jīng)能夠生產(chǎn)品種齊全的產(chǎn)品，而且也能為各個(gè)領(lǐng)域提供品種基本齊全的產(chǎn)品。并且在產(chǎn)品CAD和CAT方面取得了顯著地成績(jī)，其應(yīng)用也非常的廣泛。而且在海內(nèi)成立了不少獨(dú)資和合資企業(yè)，在提高我國(guó)技術(shù)水平的同時(shí)，也為客戶提供了足以滿足他們需求的高科技產(chǎn)品。
盡管已取得了上述成果，但目前就國(guó)內(nèi)的需求和國(guó)外的先進(jìn)水平相比較還有很大的差距，包含產(chǎn)品趨同化、構(gòu)成不合理、性能較低、可靠性較差、創(chuàng)新和自我開發(fā)能力較弱以及自行設(shè)計(jì)水平較低。為了在目前的市場(chǎng)中能夠站穩(wěn)腳步，這對(duì)設(shè)計(jì)師是一個(gè)足夠大的考驗(yàn)，通過此次設(shè)計(jì)，使我們?cè)跈C(jī)械制圖、液壓設(shè)計(jì)與計(jì)算、工程軟件的應(yīng)用、英文翻譯、獨(dú)立工作能力等方面應(yīng)獲得作為一個(gè)工程師的初步訓(xùn)練，能達(dá)到培養(yǎng)專業(yè)目標(biāo)的要求。
0.3 課題研究的主要內(nèi)容
我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目為立式成型銑加工專用機(jī)床液壓動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是根據(jù)工件的具體加工工況來(lái)實(shí)現(xiàn)工作的。機(jī)床的驅(qū)動(dòng)由液壓系統(tǒng)來(lái)完成，再和一些專用部件構(gòu)成了專用機(jī)床。組合機(jī)床在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)過程中有著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，它是通過液壓驅(qū)動(dòng)力的大小來(lái)進(jìn)行鉆孔的。本設(shè)計(jì)主要是依據(jù)各種文獻(xiàn)材料靈活的設(shè)計(jì)，根據(jù)我在學(xué)校所學(xué)的知識(shí)以及深入學(xué)習(xí)書本知識(shí)，熟悉液壓設(shè)計(jì)的流程以及一些計(jì)算過程，然后選取正確的執(zhí)行元件以及其他液壓元件，并且選取合理的液壓基本回路，用以液壓系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的基本要求。在設(shè)計(jì)過程中，最重要的是圖紙的繪制，這不僅可以清晰的展示出設(shè)計(jì)的內(nèi)容，而且可以看出所掌握的知識(shí)是否準(zhǔn)確。
本設(shè)計(jì)在經(jīng)過對(duì)專用機(jī)床技術(shù)要求的細(xì)心分析下，依據(jù)對(duì)其功能的一些需求后才進(jìn)行的，主要在于介紹該系統(tǒng)的工作原理和它的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選件及其組成部分，數(shù)據(jù)的計(jì)算和校核，保證系統(tǒng)具有良好的性能、穩(wěn)定的工作。同時(shí)，也滿足效率高、體積小、成本低、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作和維修方便等設(shè)計(jì)原則。
第1章 液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況及應(yīng)用
第1章 液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況及應(yīng)用
1.1 液壓傳動(dòng)的發(fā)展概況
在十九世紀(jì)初，石油工業(yè)逐漸發(fā)展壯大，從而推動(dòng)了近代液壓技術(shù)的發(fā)展，然而戰(zhàn)艦上的炮塔轉(zhuǎn)位器是最早應(yīng)用液壓的，隨后又出現(xiàn)了一些簡(jiǎn)單的通用機(jī)床，直到二十世紀(jì)三十年代末，液壓傳動(dòng)技術(shù)才真正走向成熟。二戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，出現(xiàn)了以電液伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)的高科技液壓產(chǎn)品，從而推動(dòng)了液壓技術(shù)的快速發(fā)展。到二十世紀(jì)五十年代，隨著世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)逐漸恢復(fù)，自動(dòng)化水平越來(lái)越高，從而導(dǎo)致液壓技術(shù)運(yùn)用到了民用工業(yè)上，在機(jī)械、航空等眾多領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應(yīng)用。二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，核能、航天技術(shù)得到飛速發(fā)展，以至于液壓技術(shù)有了更廣泛的應(yīng)用，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面有了空前的提高。
1.2 液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用
液壓技術(shù)是關(guān)于液體流動(dòng)和液體壓力規(guī)律的研究?，F(xiàn)如今，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，液壓技術(shù)也得到了空前絕后的快速發(fā)展，涉及的領(lǐng)域幾乎包涵了各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)部門。特別是在機(jī)床行業(yè)中，液壓傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)頻繁換向，所以其應(yīng)用在不斷擴(kuò)大和改進(jìn)。
液壓傳動(dòng)相比于機(jī)械傳動(dòng)有著機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它是靠著液體傳遞動(dòng)力，輕而易舉的可實(shí)現(xiàn)非常大的力和力矩，并且傳動(dòng)的功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，并且可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，操作更簡(jiǎn)單。對(duì)操作者的要求也不高，還具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、維護(hù)保養(yǎng)方便以及元件使用壽命長(zhǎng)等等的優(yōu)點(diǎn)。
通過與其他的傳動(dòng)方式比較，液壓傳動(dòng)有以下優(yōu)缺點(diǎn)：
（1）優(yōu)點(diǎn)
1）、功率密度大。
2）、布局安置靈活方便。
3）、調(diào)速范圍大。
4）、工作平穩(wěn)、快速性好。
5）、操作控制方便，易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。
6）、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制以及機(jī)電液一體化。
7）、易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。
8）、可簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)目。
9）、便于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造、推廣使用和維護(hù)。
（2）缺點(diǎn)
1）、不能保證定比傳動(dòng)。
2）、傳動(dòng)效率偏低。
3）、工作安全性容易受溫度所影響。
4）、造價(jià)及使用維護(hù)要求較高。
5）、故障診斷排除困難。
4
第2章 液壓傳動(dòng)的工作原理及組成
第2章 液壓傳動(dòng)的工作原理及組成
2.1 液壓傳動(dòng)的工作原理
液壓傳動(dòng)是一種以液體（液壓油）作為傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的工作介質(zhì)，經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，先把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能，然后把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外做功，通過密封容積內(nèi)容積的變化來(lái)傳遞能量的。首先電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)，從油箱中吸油，液壓油通過濾油器進(jìn)入液壓泵，隨后油液通過泵輸出進(jìn)入壓力管中，經(jīng)過開停閥、節(jié)流閥、換向閥等元件流進(jìn)液壓缸左腔，從而推動(dòng)活塞右移。此時(shí)，液壓缸右腔的液壓油通過換向閥和回油管流回油箱。若是換向閥換向，則壓力管中的液壓油將通過開停閥、節(jié)流閥和換向閥等元件流進(jìn)液壓缸右腔，從而推動(dòng)活塞左移，并使液壓缸左腔的液壓油通過換向閥和回油管流回油箱。
2.2 液壓系統(tǒng)的基本組成
在擁有液壓傳動(dòng)的機(jī)械裝置中，其液壓系統(tǒng)多數(shù)都選用的是液壓油等作為工作介質(zhì)的。通過液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體壓力能，然后經(jīng)過各種控制閥將液壓油送至執(zhí)行元件中，最終轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)。一般液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，分別為動(dòng)力裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置以及工作介質(zhì)。
5
第3章 液壓系統(tǒng)的工況分析
第3章 液壓系統(tǒng)的工況分析
3.1 確定執(zhí)行元件
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的專用機(jī)床工作循環(huán)是：工件上位-夾具定位夾緊-工作頭垂直快進(jìn)-成型銑刀進(jìn)給加工-工作臺(tái)快退-夾具松開-手工卸料。定位缸推力1000N，行程50mm；夾緊缸夾緊力5000N，行程60mm；定位、夾緊運(yùn)動(dòng)時(shí)間都約為1s。銑削加工進(jìn)給缸負(fù)載4000N，運(yùn)動(dòng)部件總重量約5500N，快進(jìn)、快退速度為5m/min，工進(jìn)速度0.030m/min。快進(jìn)、工進(jìn)、快退行程分別為300mm、10mm、310mm。啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間都為0.5s?；_(tái)均采用平導(dǎo)軌，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為0.1和0.2。
根據(jù)要求可知，夾緊缸只需實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的夾緊和松夾作用。而定位缸同理也只需實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的定位作用，兩缸并無(wú)其他特殊的要求。據(jù)文獻(xiàn)[5]表21-2-9知一般用于工件夾緊或定位的液壓缸為活塞缸或者是柱塞缸，這里選擇為活塞缸。而又因該缸只需在缸一端作用，故選定夾緊缸的類型為單出桿活塞缸。
而進(jìn)給液壓缸需要實(shí)現(xiàn)的工藝運(yùn)動(dòng)循環(huán)為：“快進(jìn)→工進(jìn)→快退”。其對(duì)缸出桿的速度以及出桿的力均有要求。參考文獻(xiàn)[5]表21-2-9與夾緊缸一樣選擇工作缸為單出桿的活塞缸。其特點(diǎn)為：一般連接時(shí)往返速度和出力不同，差動(dòng)連接可以實(shí)現(xiàn)快進(jìn)，其應(yīng)用范圍較廣。
因此確定一下（表3.1）執(zhí)行元件：
表3.1 執(zhí)行元件表
機(jī)構(gòu)名稱
執(zhí)行缸名稱
執(zhí)行元件
夾緊機(jī)構(gòu)
夾緊缸
單桿活塞缸
定位機(jī)構(gòu)
定位缸
單桿活塞缸
加工機(jī)構(gòu)
進(jìn)給液壓缸
單桿活塞缸
3.2 動(dòng)力分析
3.2.1 液壓缸負(fù)載分析
首先進(jìn)給液壓缸各個(gè)階段的負(fù)載需要計(jì)算，具體有如下：?jiǎn)?dòng)、快速、加速、工進(jìn)等階段的負(fù)載。這里取液壓缸的機(jī)械效率為0.9。
l 啟動(dòng)階段的負(fù)載
=G
式中 —靜摩擦阻力。=0.2。
G—運(yùn)動(dòng)部件的總重。G=5500N。
即：=0.2×5500=1100N
l 加速階段的負(fù)載
=G+
—慣性阻力。牛頓第二定律求出：=ma==≈93N
—?jiǎng)幽Σ磷枇Γ?=0.1；
—已知快進(jìn)的速度為0.083m/s，
—取加速時(shí)間為0.5s；
所以=0.1×5500+93=643N
l 快速階段的負(fù)載
=G
式中—?jiǎng)幽Σ磷枇Α?0.1。
=5500×0.1=550N
l 工進(jìn)階段的負(fù)載
=+
式中 —銑削力4000N；
所以：=+=0.1×5500+4000=4550N
l 快退啟動(dòng)負(fù)載與快進(jìn)啟動(dòng)負(fù)載一樣
l 快退加速負(fù)載與快進(jìn)加速負(fù)載一樣
l 快速階段的負(fù)載與快進(jìn)一樣
l 各工況分析計(jì)算見表3.2
表3.2 執(zhí)行件液壓缸的負(fù)載計(jì)算
工況
計(jì)算公式
負(fù)載/N
液壓缸驅(qū)動(dòng)力/N
快進(jìn)啟動(dòng)
=G
1100
1222
加速
=G+
643
714
快進(jìn)
=G
550
611
工進(jìn)
=G +
4550
5056
快退啟動(dòng)
=G
1100
1222
加速
=G+
643
714
快退
=G
550
611
設(shè)液壓缸的機(jī)械效率=0.9
3.2.2 夾緊缸與定位負(fù)載分析
由于已知，定位缸推力1000N。夾緊缸夾緊力5000N。很容易得知負(fù)載力。
3.3 運(yùn)動(dòng)分析
快進(jìn)
工進(jìn)
快退
L1為快進(jìn)行程；L2為工進(jìn)行程； L3為快退行程； V1為快進(jìn)速度；V2為工進(jìn)速度；V3為快退速度。
3.4 繪制負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果繪制進(jìn)給液壓缸的負(fù)載循環(huán)圖F-L和速度循環(huán)圖v-L，如下3-1圖：
圖3-1 液壓缸負(fù)載循環(huán)圖與速度循環(huán)圖
29
第4章 確定主要技術(shù)參數(shù)
第4章 確定主要技術(shù)參數(shù)
4.1 初選液壓缸工作壓力
由工況分析，負(fù)載力最大為工進(jìn)階段，工作壓力可根據(jù)負(fù)載來(lái)確定。所以根據(jù)表4.1，現(xiàn)取工作壓力P=3 MPa。
表4.1 按負(fù)載確定工作壓力
負(fù)載/KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>=5
4.2 確定液壓缸主要尺寸
4.2.1 進(jìn)給液壓缸的尺寸計(jì)算
根據(jù)進(jìn)給液壓缸的速度循環(huán)可知，液壓缸在快速運(yùn)動(dòng)和快速快退時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度相差不大。考慮到液壓系統(tǒng)的節(jié)能、成本和空間，液壓缸的連接形式我們選用差動(dòng)連接的方式，即液壓缸排出的油回到供油端，可節(jié)省液壓泵對(duì)系統(tǒng)的供油，這樣選取泵的排量時(shí)，可以選的小一點(diǎn)。液壓缸采用差動(dòng)連接時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]30-2-10可知，我們應(yīng)把液壓缸設(shè)計(jì)成速度比為2的結(jié)構(gòu)形式，即無(wú)桿腔的工作面積為有桿腔的面積的2倍，即A1=2A2，這樣的話，d=0.707D （d-活塞桿直徑，D-缸筒直徑）。
在差動(dòng)連接的情況下，盡管液壓缸排出的油與液壓泵的油會(huì)流向液壓缸的無(wú)桿腔。但是，只要有管路的連接，就會(huì)存在著一定的壓降。因此，液壓缸無(wú)桿腔的壓力必須小于有桿腔的壓力。計(jì)算時(shí)取0.6MPa。
表4.3 執(zhí)行元件背壓力
系統(tǒng)類型
背壓力/MPa
簡(jiǎn)單系統(tǒng)
回油路有節(jié)流閥的系統(tǒng)
回油路有背壓閥的系統(tǒng)
補(bǔ)油泵閉式系統(tǒng)
回油路相對(duì)復(fù)雜的工程機(jī)械系統(tǒng)
回油路路短且直接回油
忽略不計(jì)
負(fù)載力F的計(jì)算公式：
，
（液壓缸在工進(jìn)的情況下）
式中：F —負(fù)載力
hm—液壓缸機(jī)械效率
A1—液壓缸無(wú)桿腔的有效面積
A2—液壓缸有桿腔的有效面積
p1—液壓缸無(wú)桿腔壓力
p2—液壓缸有桿腔壓力
所以，有上述數(shù)據(jù)可得。液壓缸無(wú)桿腔的有效作用面積：
液壓缸缸筒直徑為
根據(jù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2348-1993）下表4.4與4.5所示。對(duì)計(jì)算所得的液壓缸缸筒直徑和活塞桿的直徑進(jìn)行取整。取D=50mm。
通過前面所得可知選取液壓缸的連接方式為差動(dòng)連接，活塞桿與缸筒的關(guān)系公式為d=0.707×50=35.35mm，根據(jù)下表4.5取活塞桿直徑為36mm。
表4.4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
表4.5 活塞桿直徑系列
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
4.2.2 夾緊液壓缸的尺寸計(jì)算
液壓缸缸筒直徑為
根據(jù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2348-1993）上表4.4與4.5所示。對(duì)計(jì)算所得的液壓缸缸筒直徑和活塞桿的直徑進(jìn)行取整。取D=50mm。
根據(jù)下表4.6與4.7，缸筒和活塞桿直徑的關(guān)系。選擇速比為1.33，所以缸筒與活塞桿的關(guān)系為：d=0.5×50=25mm，根據(jù)上表4.5取活塞桿直徑為25mm。
表4.6 按工作壓力選取
工作壓力/MPa
表4.7 按速比要求確定
1.15
1.25
1.33
1.46
1.61
2
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
注：V1—有桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度
V2—無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度
4.2.3 定位液壓缸的尺寸計(jì)算
液壓缸缸筒直徑為
根據(jù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T2348-1993）上表4.4與4.5所示。對(duì)計(jì)算所得的液壓缸缸筒直徑和活塞桿的直徑進(jìn)行取整。取D=25mm。
根據(jù)上表4.6與4.7，缸筒和活塞桿直徑的關(guān)系。選擇速比為1.33，所以缸筒與活塞桿的關(guān)系為：d=0.5×25=12.5mm，根據(jù)上表4.5取活塞桿直徑為14mm。
4.3 計(jì)算最大流量
4.3.1 進(jìn)給液壓缸的流量計(jì)算
根據(jù)前面的計(jì)算。下表4.8更詳細(xì)的計(jì)算執(zhí)行件在各個(gè)工況中的壓力流量以及功率的值。如下圖所示：
表4.8各工況下的主要參數(shù)值
工況
推力
回油腔壓力
進(jìn)油腔壓力
輸入流量
輸入功率
計(jì)算公式
快
進(jìn)
啟動(dòng)動(dòng)
1222
0
1.76
—
—
加速
714
1.86
1.26
—
—
恒速
611
1.76
1.16
5.01
0.098
工進(jìn)
5056
0.6
2.86
0.06
0.003
快退
啟動(dòng)
1222
0
2.54
—
—
加速
714
0.6
2.00
—
—
恒速
611
0.6
1.89
4.73
0.149
4.3.2 夾緊液壓缸的流量計(jì)算
按液壓缸流量計(jì)算公式：
Q1=A×V×0.1
式中 V—油缸伸出速度，m/min
A—液壓缸無(wú)桿腔的面積，cm2；
所以Q1=（3.14×52/4）×3.6×0.1=7 L/min
4.3.3 定位液壓缸的流量計(jì)算
按液壓缸流量計(jì)算公式：
Q1=A×V×0.1
式中 V—油缸伸出速度，m/min
A—液壓缸無(wú)桿腔的面積，cm2；
所以Q1=（3.14×2.52/4）×3×0.1=1.5 L/min
4.4 繪制液壓系統(tǒng)工況圖
第5章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
第5章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
5.1 速度控制回路的選擇
液壓油缸的形式明確后，液壓運(yùn)動(dòng)的控制方向與速度的回路是重點(diǎn)要選擇的。在流量不大的場(chǎng)合中，液壓系統(tǒng)大部分采用的是通過常規(guī)的閥與閥之間有效的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)各種工況要求的動(dòng)作。而在流量較大的高壓場(chǎng)合中，為了滿足大流量的工作需求，液壓系統(tǒng)則需要利用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合去實(shí)現(xiàn)。
液壓系統(tǒng)回路中，速度控制的原理是去改變進(jìn)入執(zhí)行器的流量或在密閉的空間內(nèi)改變體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)的控制方法有節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速，或者有時(shí)也使用雙容積節(jié)流調(diào)速的形式。
容積調(diào)速的回路，是去改變動(dòng)力源泵或者馬達(dá)的排量達(dá)到調(diào)速的要求。采用此種調(diào)速回路有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最大特點(diǎn)就是無(wú)溢流和節(jié)流的壓力損失。還有在效率方面，節(jié)流調(diào)速的效率要高。但是為了散熱和補(bǔ)充回路中的泄漏，不得不添加輔助泵。此種調(diào)速的回路，一般經(jīng)常用于功率較大，速度較高的場(chǎng)合，因此設(shè)計(jì)成本也較高。所以本系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速。
節(jié)流調(diào)速通常是在定量回路中調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥口的大小，控制開口度和進(jìn)入液壓缸的流量，通過這樣的方法調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式擁有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及成本低。節(jié)流控制有三種形式：進(jìn)氣節(jié)流閥、回油節(jié)流閥和旁路節(jié)流閥。進(jìn)氣節(jié)流閥的影響較小，而回油節(jié)流閥通常用于負(fù)載軸承，而旁路節(jié)流閥則用于高速。
5.2 換向和速度換接回路的選擇
該設(shè)計(jì)要求快進(jìn)和快退時(shí)速度較大，且保證工作平穩(wěn)以及連接方式為差動(dòng)連接，所以，我們選用三位五通換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)這些要求。
5.3 油源的選擇和能耗控制
在一個(gè)系統(tǒng)工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸要保證系統(tǒng)動(dòng)力部分能夠在快進(jìn)和快退時(shí)提供低壓大流量，并且能夠在工進(jìn)時(shí)提供高壓小流量，所以可以看出高壓小流量要在系統(tǒng)的一個(gè)工作循環(huán)中占用絕大部分時(shí)間。因此要提高系統(tǒng)的工作效率并且降低制造成本，選用單定量葉片泵是不合理的。所以本次設(shè)計(jì)的動(dòng)力源要選用雙聯(lián)葉片泵，或者是限壓式變量泵。限壓式變量泵作為動(dòng)力源時(shí)在工作時(shí)容易造成系統(tǒng)流量的不穩(wěn)定，很容易使機(jī)床工作臺(tái)在運(yùn)行過程中不穩(wěn)，這樣會(huì)影響工件的加工效果。由于雙聯(lián)葉片泵能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)供油，并且能夠加快油缸的運(yùn)動(dòng)速度。綜合考慮，選取雙聯(lián)式葉片泵是最適合本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)。
5.4 壓力控制回路的選擇
本設(shè)計(jì)要求液壓缸在工作時(shí)其工作壓力要在正常范圍內(nèi)。但有時(shí)候需要多級(jí)調(diào)節(jié)，這就要通過溢流閥來(lái)調(diào)低。而在容積調(diào)速系統(tǒng)中，通常是由溢流閥當(dāng)安全閥使用，起到保護(hù)系統(tǒng)安全的作用。一般在定量泵供油的系統(tǒng)中，溢流閥的作用是調(diào)節(jié)工作需要的壓力。
5.5 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
經(jīng)過前面對(duì)系統(tǒng)的分析與選擇回路。綜合考慮分析，去掉多余的元件，保證執(zhí)行件的準(zhǔn)確運(yùn)行，使系統(tǒng)盡量簡(jiǎn)單，盡可能使回路的壓力損失小，發(fā)揮液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，保證工作效率，擬定如下5-1液壓原理圖：
圖5-1 液壓系統(tǒng)原理圖
第6章 液壓元件的選擇
第6章 液壓元件的選擇
6.1 液壓泵和電動(dòng)機(jī)規(guī)格的選擇
6.1.1 泵的選擇
(1) 計(jì)算液壓泵的最大工作壓力
由于小流量泵在系統(tǒng)快進(jìn)和工進(jìn)的時(shí)候會(huì)向液壓缸不斷地提供液壓油，由上面計(jì)算可知，液壓缸工進(jìn)時(shí)的最大工作壓力為 ，假如在進(jìn)油時(shí)進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路總壓力損失選 ，而壓力繼電器運(yùn)作時(shí)需要壓差為，所以小流量泵所要承受的最大工作壓力為：
由原理圖可知，在液壓缸快進(jìn)和快退的時(shí)候，大流量泵要向液壓缸不斷地提供大量的油。通過前面的計(jì)算可知，液壓缸在快退時(shí)最大工作壓力為。通過原理圖可以知道，液壓缸在快退的時(shí)候液壓油是不經(jīng)過調(diào)速閥的，因此壓力損失較小?？蛇x取 ，則大流量泵能夠承受的最大工作壓力大約為：
(2) 計(jì)算液壓泵的流量
由上表可知，在快退時(shí)，液壓缸流進(jìn)的最大流量值為 。如果取回路泄漏系數(shù)K=1.1。則兩個(gè)泵的總流量為：
由文獻(xiàn)可知，在溢流閥工作的最低流量為3L/min，工進(jìn)時(shí)的流量為0.06L/min的情況下，所以小流量泵最低流量為3.1L/min。
(3) 確定液壓泵的規(guī)格
通過以上計(jì)算數(shù)值可知，并查閱相關(guān)資料，可以知道泵的額定壓力一定要比最大工作壓力高20%-60%。所以可以求得：
只要液壓泵的額定流量大于系統(tǒng)計(jì)算的最大流量都是可以的。綜合考慮選取雙聯(lián)定量葉片泵，其型號(hào)為PV2R12-14/6。
額定流量則只須滿足上述最大流量即可。最后確定選取PV2R12-14/6型雙聯(lián)葉片泵，其額定的壓力值為14MPa，小流量泵排量為6mL/r，大流量泵的排量為14mL/r。當(dāng)液壓泵的轉(zhuǎn)速取np=940r/min時(shí)，流量理論值分別為5.6L/min和13L/min。如果液壓泵容積效率取ηv=0.9。則液壓泵的實(shí)際輸出流量為5L/min和11.7L/min。
6.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)的選取首先要計(jì)算好其功率，但應(yīng)當(dāng)注意的是匹配泵的轉(zhuǎn)速一定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速允許范圍內(nèi)。由于輸入功率最大的時(shí)候?yàn)橐簤焊自诳焱说臅r(shí)候。若取液壓泵總效率 。液壓泵的總效率見表6.1所示。
表6.1液壓泵的總效率
液壓泵的類型
齒輪泵
葉片泵
柱塞泵
螺桿泵
總效率
這時(shí)液壓泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為：
根據(jù)數(shù)據(jù)查閱相關(guān)資料可得，我們選用電動(dòng)機(jī)規(guī)格相近的Y90L—6型電動(dòng)機(jī)。其額定功率為1.1KW。額定轉(zhuǎn)速為940r/min。
6.2 閥類元件和輔助元件的選擇
閥類元件和輔助元件見下表6.2所示：
表6.2液壓元件規(guī)格及型號(hào)
序號(hào)
元件名稱
規(guī)格
型號(hào)
額定流量
額定壓力
1
雙聯(lián)葉片泵
11.7/5
14
2
三位五通電液換向閥
63
6.3
3
行程閥
63
6.3
4
調(diào)速閥
6
6.3
5
單向閥
100
6.3
6
單向閥
100
6.3
7
液控順序閥
63
6.3
8
背壓閥
10
6.3
9
溢流閥
10
6.3
10
單向閥
100
6.3
11
濾油器
80
6.3
12
壓力表開關(guān)
—
—
13
單向閥
100
6.3
14
壓力繼電器
—
14
15
減壓閥
30
2.5
6.3 油管的選擇
按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)表6.3，取油管內(nèi)允許流速為：
壓力油：
回油管：
表6.3推薦流量
管道
推薦流速/(m/s)
吸油管道
，一般取1以下
壓油管道
，壓力高，管道短，粘度小取大
回油管道
整個(gè)系統(tǒng)中，壓力油管最大流量為泵出口，由于油缸的速比為2，因此回油量為進(jìn)油量的2倍，因此，回油量為26L/min。
（1）進(jìn)油管內(nèi)徑的確定
可按下式計(jì)算：
d=
（2）回油管內(nèi)徑的確定
（3）按標(biāo)準(zhǔn)選取油管
可按標(biāo)準(zhǔn)選?。?
進(jìn)油管內(nèi)徑,壁厚為2mm的無(wú)縫鋼管；
回油管內(nèi)徑,壁厚為1mm的無(wú)縫鋼管。
6.4 油箱的設(shè)計(jì)
油箱的容量按式估算，現(xiàn)取α=7，得v=117L。根據(jù)下表6.4，我們可以確定該油箱容量為160L。又實(shí)際裝油量為油箱容積的80%，故設(shè)計(jì)油箱的容積約為200L。
表6.4 油箱容量
如果取油箱內(nèi)寬W1，高H1，長(zhǎng)L1比例為1:1.5:2，可得長(zhǎng)L1=825mm,寬W1=454mm,高h(yuǎn)1=596mm，取油箱的壁厚為3mm，油箱的底部厚度為4mm，由于油箱頂部需要安放眾多其他元件，故取油箱頂部厚度為10mm，因?yàn)橛拖湫枰幔曳奖惆嵋?，故取油箱底部到地面的距離為80mm。因此，油箱基底的總長(zhǎng)、總寬以及總高分別為:
長(zhǎng)L=831mm，寬W=460mm，高H=690mm
第7章 液壓系統(tǒng)的性能計(jì)算
第7章 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算
7.1 管路系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算
因?yàn)橄到y(tǒng)管路還沒有選定，所以只能初步確定系統(tǒng)的壓力損失。首先估算時(shí)先要了解液體的壓力損失，并且計(jì)算各種狀態(tài)下總的壓力損失，如果沒有問題，再取進(jìn)油管道長(zhǎng)度和回油管道長(zhǎng)度各為L(zhǎng)=2m以及油液的運(yùn)動(dòng)粘度取和油液的密度取。
(1)判斷流動(dòng)狀態(tài)
通過之前的各種計(jì)算可以知道，在進(jìn)油和回油管路中，以快退時(shí)所通過的回油流量最大，同時(shí)，油液流動(dòng)的雷諾數(shù)也是最大的。所以可以推得各種工況下的進(jìn)油和回油油路中，其流動(dòng)狀態(tài)全為流層。
(2)計(jì)算系統(tǒng)壓力損失
由相關(guān)資料可知層流的流動(dòng)狀態(tài)沿程阻力系數(shù)公式為，以及在管道內(nèi)油液的速度為，然后將這兩個(gè)公式帶入沿程壓力損失公式，并將上述已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)帶入這個(gè)公式后，得
由此可見，沿程壓力損失是與液壓系統(tǒng)中的流量成正比的。
由于管道的結(jié)構(gòu)還沒有定下，因此管道的壓力損失可按公式計(jì)算，
可以根據(jù)公式來(lái)計(jì)算各工況下的閥類元件的局部壓力損失。
各種工況下的壓力損失的計(jì)算如下：
在快進(jìn)的進(jìn)油管路上，壓力損失分別為：
在回油管路上，壓力損失分別為
最后將回油管路上的壓力損失帶入進(jìn)油管路的壓力損失中去，可以得到總的壓力損失為：
在工的進(jìn)油管路上， 若不計(jì)算管路的沿程壓力損失以及局部壓力損失，那么在進(jìn)油管路上總的壓力損失為：
可見該值與之前所預(yù)估的背壓基本相同。
因此液壓缸的工作壓力需要再一次計(jì)算，計(jì)算所得為
由于壓力繼電器的動(dòng)作壓差。所以則小流量泵的工作壓力為
該值也與之前預(yù)估的值基本相同，這可以作為調(diào)整溢流閥壓力的參考。
在快退的進(jìn)油管路上總的壓力損失為：
該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于之前預(yù)估的值，因此電機(jī)的功率符合液壓泵所需要的驅(qū)動(dòng)功率。在回油管路上總的壓力損失為
7.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升驗(yàn)算
由于整個(gè)過程工進(jìn)的時(shí)間是最長(zhǎng)的，所以可以按工進(jìn)時(shí)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升
則壓力損失：
液壓系統(tǒng)的總輸入功率就可知為：
液壓缸的輸出有效功率也可知為：
通過上面的計(jì)算可以得到系統(tǒng)的發(fā)熱功率為：
工進(jìn)時(shí)系統(tǒng)中的油液溫升可以按照公式進(jìn)行計(jì)算，即為：
公式中的傳熱系數(shù)。
設(shè)環(huán)境溫度，則熱平衡溫度為：
故滿足要求。
第8章 結(jié)論
第8章 結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)是對(duì)立式成型銑加工專用機(jī)床液壓動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先我要熟悉液壓系統(tǒng)的有關(guān)知識(shí)，繪出液壓系統(tǒng)原理圖，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，最后選定元件。通過此次課題的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一系列過程，我了解到做一個(gè)系統(tǒng)必須先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作循環(huán)和工況進(jìn)行整體了解，利用學(xué)到的液壓知識(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算液壓系統(tǒng)的各方面的參數(shù)，并為系統(tǒng)選取回路以及元件。本次設(shè)計(jì)可以基本達(dá)到任務(wù)要求的輕質(zhì)量、低成本、小體積、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、高工作效率并經(jīng)常使用及維修方便。
當(dāng)然，在自己現(xiàn)在的知識(shí)水平上，設(shè)計(jì)有可能會(huì)顯得有點(diǎn)單一。雖然本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)和其他相比較具有很多優(yōu)點(diǎn)，也基本符合了此次設(shè)計(jì)的基本要求，但是由于本人是初次設(shè)計(jì)，對(duì)液壓方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還不是很足，設(shè)計(jì)中如有什么不足之處，望各位老師們多多指點(diǎn)，在今后設(shè)計(jì)中我一定會(huì)加以注意。
參考文獻(xiàn)
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［17］許福玲.液壓與氣壓傳動(dòng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007
致謝
致 謝
在這次設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于缺少這方面的設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中有一些考慮不周全的方面以及一些選用的錯(cuò)誤，如果沒有老師的指導(dǎo)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)還有一定的困難。指導(dǎo)老師對(duì)我們進(jìn)行細(xì)心的指導(dǎo)，每個(gè)階段的任務(wù)都督促我們完成，使我們能夠按時(shí)完成畢業(yè)系統(tǒng)里的任務(wù)，幫我指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程中的一些錯(cuò)誤，我對(duì)指導(dǎo)老師表示衷心的感謝！其次感謝大學(xué)四年所有的老師，為我們打下了專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，使畢業(yè)設(shè)計(jì)才能順利地完成。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）外 文 參 考 資 料 及 譯 文
譯文題目： Machine Tool Hydraulic System
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
20xx年 2月 27日
Machine Tool Hydraulic System
Hydraulic transmission There are many outstanding advantages, it is widely used, such as general industrial use of plastics processing machinery, the pressure of machinery, machine tools, etc.; operating machinery engineering machinery, construction machinery, agricultural machinery, automobiles, etc.; iron and steel industry metallurgical machinery, lifting equipment, such as roller adjustment device; civil water projects with flood control and dam gate devices, bed lifts installations, bridges and other manipulation of institutions; speed turbine power plant installations, nuclear power plants, etc.; ship from the deck heavy machinery (winch), the bow doors, bulkhead valve, stern thruster, etc.; special antenna technology giant with control devices, measurement buoys, movements such as rotating stage; military industrial control devices used in artillery, ship devices, aircraft simulation, aircraft retractable landing gear and rudder control devices and other devices.
A complete hydraulic system consists of five parts, namely, power components, the implementation of components, control components, auxiliary components and hydraulic oil.
The role of dynamic components of the original motive fluid is into mechanical energy to the pressure that the hydraulic system of pumps, it is to power the entire hydraulic system. The structure of the form of hydraulic pump is generally pump, vane pump and piston pump.
Implementation of components (such as hydraulic cylinders and hydraulic motors) which is the pressure of the liquid can be converted to mechanical energy to drive the load for a straight line reciprocating movement or rotational movement.
Control components (that is, the various hydraulic valves) in the hydraulic system to control and regulate the pressure of liquid, flow rate and direction. According to the different control functions, hydraulic pressure control valve can be divided into valves, flow control valves and directional control valve. Pressure control valves are divided into benefits flow valve (safety valve), pressure relief valve, sequence valve, pressure relays, etc.; flow control valves including throttle, adjusting the valves, flow diversion valve sets, etc.; directional control valve includes a one-way valve , one-way fluid control valve, shuttle valve, valve and so on. Under the control of different ways, it can be divided into the hydraulic valve control switch valve, control valve and set the value of the ratio control valve.
Auxiliary components, including fuel tanks, oil filters, tubing and pipe joints, seals, pressure gauge, oil level, such as oil dollars.
Hydraulic oil in the hydraulic system is the work of the energy transfer medium, there are a variety of mineral oil, emulsion oil hydraulic molding Hop categories.
The role of the hydraulic system is to help humanity work. Mainly by the implementation of components turn pressure into a rotating or reciprocating motion.
Hydraulic principle ：it consists of two cylinders of different sizes and composition of fluid in the fluid full of water or oil. Water is called "hydraulic press"; the said oilfilled "hydraulic machine." Each of the two liquid a sliding piston, if the increase in the small piston on the pressure of a certain value, according to Pascal's law, small piston to the pressure of the pressure through the liquid passed to the large piston, piston top will go a long way to go. Based cross-sectional area of the small piston is S1, plus a small piston in the downward pressure on the F1. Thus, a small piston on the liquid pressure to P = F1/SI, Can be the same size in all directions to the transmission of liquid. "By the large piston is also equivalent to the inevitable pressure P. If the large piston is the cross-sectional area S2, the pressure P on the piston in the upward pressure generated F2 = PxS2 Cross-sectional area is a small multiple of the piston cross-sectional area. From the type known to add in a small piston of a smaller force, the piston will be in great force, for which the hydraulic machine used to suppress plywood, oil, extract heavy objects, such as forging steel.
The present invention relates to a hydraulic system in a machine, particularly suitable for the drive of a member, such as a machine tool cutter, which may be subjected to a suddenly increasing load.
When the load on a hydraulically driven machine tool member, such as a slide or rotating tool, increases, the load on the hydraulic motor which drives the member increases accordingly. With this increased load, the pressure of the hydraulic fluid supplied through a pressure line by a pump to the inlet side of the motor increases, and the fluid undergoes a slight compression. To provide continued operation of the motor without a drop in speed, the pump must not only supply the fluid required to keep the motor operating at the desired speed, but, because of the pressure increase resulting from the increased load, must also supply additional fluid to make up for the compression of fluid in the pressure line.
If the increase of load on the motor is gradual, the compression of fluid in the pressure line is gradual and, under these conditions, the pump can usually supply fluid at a rate to compensate for the gradual compression of fluid in the pressure line while, at the same time, supplying sufficient fluid at the rate required to keep the motor operating without a significant drop in speed. However, a sudden increase of the load on the motor results in a sudden compression of the fluid in the pressure line, and fluid for continued operation of the motor is not available until the pump has had time to supply the additional fluid in the pressure line required because of the compression of the fluid therein.
In some instances, particularly where the pressure line between the pump and the motor is relatively long, the momentary hesitation resulting from the application of a sudden load can have serious consequences. For example, in a large milling machine, where a cutter mounted on a carriage is rotated by a hydraulic motor mounted on the carriage remote from the pump in the base, a sudden increase in the load on the motor due, for example, to full sudden engagement of the cutter with a workpiece, will cause the motor to hesitate until the long pressure line between the pump and the motor can be filled by the pump as the fluid in the line compresses under the increased pressure therein caused by the increased load. However, during the time required for the pump to supply the fluid necessary to compensate for compression in the pressure line fluid, relative feed movement between the carrier and workpiece continues, increasing the load on the motor. This can cause a complete stalling of the cutter and fracture thereof as the feed movement continues.
One solution to this problem would be the installation of a large flywheel on the cutter spindle. With the cutter spindle rotating at the desired speed before the cutter is subjected to a sudden increase in load, the flywheel would define a source of stored kinetic energy which would be instantly available to keep the cutter spindle and cutter rotating while the pump is supplying fluid to the pressure line to compensate for the compression of fluid therein. However, the weight of the flywheel increases wear on the spindle bearings, and the increased inertia of the spindle cutter slows down starting and stopping of the cutter. Moreover, one advantage in using a hydraulic motor on a tool carriage to drive the tool instead of an electric motor lies in its lighter weight, which is more easily supported by the carriage, and the use of a flywheel on the spindle cutter would substantially diminish this advantage. Finally, the use of a flywheel is applicable only with rotary driven members.
Another possible solution would be to increase the capacity of the pump supplying the hydraulic motor, or provide additional pump capacity available to the hydraulic motor, so that the demands of the hydraulic motor can be met at the same time the pump is supplying additional fluid to the pressure line to make up for the compression of the fluid therein when the load on the cutter increases sharply. Despite the fact that only a relatively small amount of fluid is required in the pressure line to compensate for compression of fluid therein, there is, in the case of a cutter being continuously fed into the work, only a very short time available to supply this fluid, and any additional pump capacity provided to meet this infrequent demand would have to be impractically large to be capable of supplying fluid at the high rate needed.
In the present invention there is provided a hydraulic system which, like the flywheel, provides a source of energy instantly available when a sudden load in encountered, but which offers many advantages over the flywheel. With the present invention, fluid can be supplied to the pressure line leading to the inlet side of the motor when needed at a high rate without the expense of large pump capacity. In brief, an auxiliary source of stored fluid under high pressure is provided for the hydraulic motor. This source is normally isolated from the motor, and is connected to the inlet side of the motor only when a sudden increase in load on the motor is encountered. Since only a small amount of fluid is required at a high rate, the auxiliary source of fluid under pressure is connected only briefly to the inlet side of the motor and when disconnected therefrom, is recharged. It is important, in the system of the present invention, that the auxiliary source of fluid under pressure be normally isolated from the pressure line leading to the inlet side of the motor. If such a source were continuously connected to this line, it would take fluid from the line when the pressure in the line was high and deliver fluid to the line when the pressure in the line was low. To prevent stalling of a hydraulic motor encountering a sudden load in accordance with the present invention, however, it is necessary that fluid be supplied at a high rate to the line leading to the inlet side of the motor when the pressure in that line is rising.
In the preferred form of the invention, the auxiliary source of stored hydraulic fluid under pressure comprises a hydraulic pressure accumulator which may be conveniently located in the base of the machine, a blocking valve which is preferably located near the motor, and a line connecting the accumulator to the blocking valve. The discharge line from the motor contains a restriction to establish a back pressure in the discharge line between the motor and the restriction which varies as the speed of the motor varies. The blocking valve has an operating port connected to the discharge line between the motor and the restriction, and has a discharge port connected to the inlet side of the motor. The instant the member, such as a rotary tool, driven by the hydraulic motor encounters a load sufficiently sudden to slow the hydraulic motor significantly, the back pressure drops to operate the blocking valve for the release of a surge of fluid under high pressure from the auxiliary source to the inlet side of the motor. This surge of fluid compensates for compression of the fluid in the line between the pump and the inlet side of the motor so that the motor can instantly resume normal speed despite the increase in load on the motor. As soon as the motor resumes speed, the accumulator is again isolated from the motor.
Unlike the mechanical flywheel, this system does not increase wear of the spindle bearings, does not prolong starting and stopping of the spindle, and can be utilized to overcome sudden large loads applied to a slide as well as those applied to a rotary member.
In a machine tool having a pump in the base, and having a movable carriage with a hydraulic drive motor thereon to drive, for example, a rotary tool mounted on the carriage, the accumulator, which is relatively heavy, is preferably mounted in the base, and the blocking valve is preferably mounted on the carriage.
It is therefore one object of the present invention to provide a hydraulic system operable to prevent stalling of a hydraulic drive motor when subjected to a sudden load.
機(jī)床液壓系統(tǒng)
液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機(jī)械、壓力機(jī)械、機(jī)床等；行走機(jī)械中的工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機(jī)械、提升裝置、軋輥調(diào)整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機(jī)構(gòu)等；發(fā)電廠渦輪機(jī)調(diào)速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機(jī)械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進(jìn)器等；特殊技術(shù)用的巨型天線控制裝置、測(cè)量浮標(biāo)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機(jī)起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。
一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。
動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。
執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為溢流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫計(jì)等。
液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。
液壓系統(tǒng)的作用就是幫助人類做工。主要是由執(zhí)行元件把壓力變成轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
液壓的原理則是由兩個(gè)大小不同的液壓缸組成的，在液壓缸里充滿水或油。充水的叫“水壓機(jī)”；充油的稱“油壓機(jī)”。兩個(gè)液缸里各有一個(gè)可以滑動(dòng)的活塞，如果在小活塞上加一定值的壓力，根據(jù)帕斯卡定律，小活塞將這一壓力通過液體的壓強(qiáng)傳遞給大活塞，將大活塞頂上去。設(shè)小活塞的橫截面積是S1，加在小活塞上的向下的壓力是F1。于是，小活塞對(duì)液體的壓強(qiáng)為P=F1/SI, 能夠大小不變地被液體向各個(gè)方向傳遞”。大活塞所受到的壓強(qiáng)必然也等于P。若大活塞的橫截面積是S2，壓強(qiáng)P在大活塞上所產(chǎn)生的向上的壓力F2=PxS2截面積是小活塞橫截面積的倍數(shù)。從上式知，在小活塞上加一較小的力，則在大活塞上會(huì)得到很大的力，為此用液壓機(jī)來(lái)壓制膠合板、榨油、提取重物、鍛壓鋼材等。
而本發(fā)明則涉及了一種在機(jī)器中的液壓系統(tǒng)，這種液壓系統(tǒng)特別適合于一種部件的驅(qū)動(dòng)，如機(jī)床刀具的切割，很可能會(huì)受到突然增加的負(fù)載所影響。
當(dāng)負(fù)載在液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件中，如滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)工件中增加時(shí)，構(gòu)件的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載也相應(yīng)的增加。隨著負(fù)荷的增加，由液壓泵到液壓泵入口處的液壓油的壓力也會(huì)隨之增加，并且液壓油還會(huì)被輕微的壓縮。為了保證運(yùn)行的電機(jī)在速度方面不會(huì)下降，該液壓泵不僅必須要供應(yīng)所需的液壓油以保持電動(dòng)機(jī)操作所需的速度，而且，由于壓力增加而產(chǎn)生的負(fù)載增加，還必須提供額外的液壓油來(lái)彌補(bǔ)之前在高壓回路中被壓縮的液壓油。
如果電機(jī)上負(fù)載的增加是漸進(jìn)的，在高壓回路中液壓油被壓縮的速率也是漸進(jìn)的，在這種情況下，該液壓泵通常可以以一定的速率提供液壓油，用來(lái)補(bǔ)償在高壓回路中逐漸被壓縮的液壓油，同時(shí)，按這個(gè)速率提供足夠的液壓油，以保持液壓泵運(yùn)行所需的速度沒有顯著下降。然而，液壓泵負(fù)載的突然增加會(huì)導(dǎo)致在高壓回路中液壓油被突然壓縮，并且直到該液壓泵有時(shí)間來(lái)提供在高壓回路中所需的額外的液壓油，否則的話，由于被壓縮的液壓油，那么為保持電機(jī)持續(xù)運(yùn)動(dòng)所提供的液壓油是不可用的。
在某些情況下，特別是在泵和電機(jī)之間的高壓回路是比較長(zhǎng)的情況下，由于負(fù)載的突然出現(xiàn)而引起的短暫的停頓很有可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。例如，在一個(gè)大型銑床內(nèi)，被安裝在箱體上的刀具是通過一個(gè)被安裝在由遠(yuǎn)離液壓泵底座上的箱體上的液壓馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，由于電機(jī)負(fù)載突然增加，當(dāng)工件與刀具突然完全接觸時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)暫時(shí)停止工作，直到泵和電機(jī)之間的長(zhǎng)期高壓回路能夠被液壓泵管道內(nèi)由增加負(fù)載所導(dǎo)致的增加壓力下的流體壓縮完全覆蓋。但是，在所需時(shí)間內(nèi)為液壓泵提供所需要的液壓油，用來(lái)補(bǔ)償在高壓回路中被壓縮的液壓油，相對(duì)地在載體和工件之間的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍然會(huì)繼續(xù)增加電機(jī)上的負(fù)載。這可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)完整的失速刀斷裂，但進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)仍在繼續(xù)。
解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法就是在刀軸上安裝一個(gè)大飛輪。按刀具主軸旋轉(zhuǎn)所需要的速度，在刀具受力突然增加之前，飛輪將定義一個(gè)存儲(chǔ)動(dòng)能的來(lái)源，這將會(huì)立即也用以保持刀盤和刀具旋轉(zhuǎn)，而該液壓泵提供液壓油到高壓回路中，則可以用來(lái)彌補(bǔ)被壓縮的液壓油。然而，飛輪的重量增加了主軸軸承的磨損，并且主軸慣性的增加減緩了刀具啟動(dòng)和停止的速度。此外，使用刀架上的液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)工具，而不是使用電動(dòng)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于液壓馬達(dá)重量輕，更容易支持運(yùn)輸，并且主軸上飛輪刀具的使用將會(huì)大大減少這種優(yōu)勢(shì)。最后，飛輪的使用只適合于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的部件。
另一個(gè)可能解決的辦法是增加靠液壓馬達(dá)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)的液壓泵的可用容量，或提供一個(gè)額外的靠液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)的泵的可用容量，從而使液壓馬達(dá)的需求可以同時(shí)滿足的附加的液壓油來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)?shù)毒呱县?fù)載急劇增加時(shí)其中被壓縮的液壓油。事實(shí)上盡管只有相對(duì)少量的液壓油被需要在高壓回路中用來(lái)彌補(bǔ)其中被壓縮的液壓油，但還是有在刀具被連續(xù)地輸送到工作的情況下，僅僅只有很短的時(shí)間能夠提供這種液壓油，并且為滿足這一罕見的需求而提供的任何額外的液壓泵的容量都是不可能被用來(lái)提供用以在高速情況下所需要的液壓油的。
在本發(fā)明中，提供了一種如飛輪的液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)在遇到突然的負(fù)載時(shí)能夠提供了一個(gè)立即可用的能量來(lái)源，并且在飛輪上還提供了許多優(yōu)點(diǎn)。有了本發(fā)明，當(dāng)需要在一個(gè)高速率，而不犧牲大容量液壓泵的前提下，液壓油就可以提供給液壓泵入口處的高壓回路。簡(jiǎn)而言之，輔助回路的液壓油在高壓的作用下能夠?yàn)橐簤厚R達(dá)提供動(dòng)力。此液壓油通常是從液壓泵中被分離出來(lái)，并被連接到液壓泵的入口處，只有當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，才有可能在液壓泵中被利用。由于只有少量的液壓油才需要在高速率的情況下被利用，所以在壓力作用下輔助回路的液壓油只能簡(jiǎn)單的流到液壓泵的入口處并且在斷開的時(shí)候才會(huì)被補(bǔ)給。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，輔助回路中的液壓油在壓力作用下與通向液壓泵入口的高壓回路分離開。如果這樣的油路一直連接到這條油路，當(dāng)這條油路的壓力高時(shí)，它會(huì)從該油路獲得液壓油；當(dāng)這條油路的壓力低時(shí)，它又會(huì)向這條油路補(bǔ)充液壓油。本發(fā)明為了防止失速的液壓馬達(dá)突然遇到負(fù)荷，然而，當(dāng)這條油路的壓力正在上升時(shí)，液壓油快速進(jìn)入液壓泵又是必要的。
在本發(fā)明的首選裝置中，液壓蓄能器能夠儲(chǔ)存在高壓下輔助回路中的液壓油，并且這種蓄能器也能很方便的被安裝在機(jī)器的底座部位，斷流閥則被很好的安放在了靠近電機(jī)的地方，通過回路來(lái)連接蓄能器和斷流閥。從電機(jī)開始的那段節(jié)流回路中，節(jié)流閥被安放在其中用以控制系統(tǒng)的回壓，而電機(jī)到節(jié)流閥的那段節(jié)流回路則可以控制電機(jī)速度的變化。而斷流閥有一個(gè)操作端口可以連接到電機(jī)和節(jié)流閥之間的那段節(jié)流回路，并且通過一個(gè)節(jié)流口連接到電機(jī)的入口處。比如在某個(gè)時(shí)刻，由液壓馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)工具突然遇到一個(gè)負(fù)載，那么就會(huì)減慢液壓馬達(dá)的速度，斷流閥就會(huì)工作，讓高壓下的液壓油通過回壓回到從輔助回路到電機(jī)入口處的那段回路中。盡管電機(jī)中的負(fù)載一直在增加，但通過這種液壓油的激增卻補(bǔ)償了在液壓泵和電機(jī)入口處之間的回路中被壓縮的液壓油，使得電機(jī)能夠恢復(fù)到正常的速度。一旦電機(jī)恢復(fù)正常的速度，那么蓄能器就會(huì)立即和電機(jī)分離開。
與機(jī)械飛輪不同，該系統(tǒng)不會(huì)增加主軸軸承的磨損，也不會(huì)延長(zhǎng)主軸起動(dòng)和停止的時(shí)間，并且還能夠克服在滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中突然變化的大載荷。
在機(jī)床底座上有一個(gè)液壓泵，在其上還有一個(gè)可移動(dòng)的液壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)可供驅(qū)動(dòng)，譬如，旋轉(zhuǎn)刀具則被安裝在箱體上，蓄能器由于相對(duì)較重，則被安裝在底座上，并且斷流閥也被優(yōu)先安裝在箱體上。
因此，本發(fā)明提供了一種當(dāng)液壓系統(tǒng)突然受到負(fù)載影響時(shí)能夠防止液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)失速的方法。