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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(kāi)等自動(dòng)循環(huán)，采用平導(dǎo)軌主要性能參數(shù)見(jiàn)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(guò)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(kāi)。 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(kāi)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(guò)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(kāi)，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(kāi)，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(guò)壓力表開(kāi)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(guò)渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)液壓閥的實(shí)際流量； ——通過(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(méi)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?。簤号c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