液压系统设计举例
出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册下》第2518页（4860字）
现设计用于立式组合机床的液压系统。该系统需完成的动作要求是：工件的定位、夹紧；钻削φ13．9mm孔14个、Φ8．5mm孔2个，且要求全自动工作循环。
根据动作要求，先将其具体化。即：工件的定位→工件的夹紧→钻削加工→拔出定位销，松开工件(可同时进行)→工件从工位移开，构成的一个动作循环。对于钻头，应完成快速前进→工作进给→快速退回→原位停止，构成的一个动作循环。其快进行程为200mm；工作进给行程为50mm；快进速度应小于7m／min；钻削力为30000N；工作进给速度50mm／min；钻头部件装有配重，整个部件上下移动时受到的动摩擦力为1000N；快退速度允许略高或略低于快进速度。
然后，根据以上条件确定主要参数。由于该系统的定位夹紧时间很短，故只需分析“钻削头”的工况。因其有配重，等速运动时不承受弹性、惯性和重力负载，因而在快速运动时只需考虑摩擦负载，在工作进给时只需考虑切削负载和摩擦负载。绘制的负载工况和速度工况分别如图7．9－1和7．9－2所示。又因“钻削头”的行程较短，为使其快进速度和快退速度相等，故采用单活塞杆液压缸，快进时缸的进出油路用差动连接，快退时油进入有杆腔，从无杆腔排出，且取D=
(D、d分别为活塞和活塞杆的直径)。根据类似液压钻床的压力，该系统“钻削头”液压缸的工作压力可取4MPa。为了防止孔被钻通时钻头会突然前冲，在系统的回油路需保持一定的背压。参照表7．9－4，该系统取背压为0．8MPa。
图7．9－1 负载工况
图7．9－2 速度工况
表7．9－4 中低压调速系统的背压
为了得到稳定的低速进给，以采用液压缸的无杆腔作为工作进给时的工作腔为宜。故
式中 D为缸内径(活塞外径)；F为负载力；p1为无杆腔的工作压力；p2为有杆腔的背压；ηm为缸的机械效率，取为0．85。
代入：D=
=0．107m
活塞杆直径：d=
=
=0．076m
按GB2348－80，应选用的标准值分别为D=11cm，d=8cm。由此算得液压缸无杆腔和有杆腔的实际工作面积：A1=95cm2、A2=44。8cm2。
“钻削头”快速运动时，系统中也存在一定的背压，设其为0．5MPa。此项背压为综合阻力引起的，实际值虽未必如此之大，但设计时可取值略偏大。
缸的不同工况如图7．9－3所示。快进时缸的进出油路为差动连接，产生综合阻力的当量液阻用R表示(当量液阻R不必在系统油路图画出)，其缸筒的力平衡方程：
图7．9－3 缸的不同工况
a)快进 b)工进 c)快退
p1A1=p2A2+F／ηm (7．9－3)
式中 p1为进油压力；A1为无杆腔的活塞面积；p2为出油口压力；A2为有杆腔活塞的差径面积；F为负载力；ηm为缸的机械效率。将p2=p1+0．5代入，并整理得进口压力
工进时缸筒的力平衡方程：
快进：Q1=(A1－A2)v1=35．2L／min
(7．9－6)
工进：Q1=A1v2=0．5L／min
快退：Q1=A2v3=35．2L／min
上列各式中，v1、v2、v3分别为快进、工进、快退速度，其中v3=8．09m／min(见后文)。
输入功率P计算如下：
快进：P=P1Q1=0．38kW
工进：P=p1Q1=0．032kW
快退：P=p1Q1=0．76kW
以上数据经整理后列于表7．9－5，并绘制如图7．9－4所示钻削头液压缸的工况图。
表7．9－5 钻削头在各工况的压力流量和功率值
图7．9－4 钻削头液压缸工况图
a)压力－时间(p－t) b)流量－时间(Q－t) c)功率－时间(P－t)
根据以上设计要求和工况图中压力、流量和功率的变化情况，初拟系统的整体方案如下：
该系统宜采用开式油路。系统中钻削、定位和夹紧三大部分所选用的回路和组成元件见表7．9－6．表中确定了系统的基本结构，由这些回路组合的系统已基本能满足要求，只是还需增补辅助件。完善的系统如图7．9－5所示。对照表7．9－6和图7．9－5可见，在变量泵进口处增加粗滤油器1；在调速阀7的进口增加精滤油器6；在夹紧油路增加压力继电器15，在拔销油路增加压力继电器16，以便在完成夹紧和拔销动作后，压力继电器发出信号，使系统继续完成快进、卸荷等动作。此外，还增加了压力表转换开关19和压力表18。该系统的动作循环见表7．9－7。
表7．9－6 立式钻孔组合机床液压系统的组成部分和特点
图7．9－5 立式钻孔组合机床液压系统
表7．9－7 立式钻孔组合机床液压系统动作循环表
液压泵的确定：由图7．9－4表明，钻削头液压缸的最大工作压力出现在工进阶段，其对应的流量很小，仅为0．5L／min，压力损失也可忽略不计。为此，泵的工作压力取值为3．8iMPa。因为定位和夹紧先于钻削头动作，钻削时定位缸和夹紧缸已不需流量，故取钻削头液压缸所需的流量35．2L／min作为选择泵流量的主要依据。考虑到存在难于预计的泄漏因素，将上述流量值增大5%，即37L／min，以作为泵的最大流量。据此，初选YBN－40N型限压式变量叶片泵。其参数为：调压范围为2～7MPa；电动机转速n=1000r／min时的流量为25L／min，n=1450r／min时的流量为36．25L／min；容许的转速范围n=600～1800r／min；驱动功率为2．86kW。将计算值和标定值进行比较，计算压力为3．81MPa，远小于7MPa，且泵不在最大压力下长期工作，因而可用；计算流量为37L／min，大于36．25L／min。但因计算时多增了5%，以及考虑到泵的转速范围在1800r／min时的流量可大于37L／min，所以流量也能够用；而泵的标定转速为1450r／min，略小于计算值，致使实际的快进速度会略小于要求的7m／s，但仍可使用。
确定阀和各辅助元件时，应先计算出缸的进出油口的流量。快进(差动连接油路)时，泵给液压缸无杆腔的流量见式(7．9－6)，得Q1=35．2L／min。从有杆腔排出的流量为：
Q2=vA2=7m／min×44．8cm2=31。36L／min
流经无杆腔进油口的流量Q(忽略流经调速阀7的流量)：
Q=Q1+Q2=35．2L／min+31．36L／min
=66．56L／min
工进时，进入液压缸无杆腔的流量Q1=0．5L／min。从有杆腔排出的流量为：Q2=A2v2=44．8cm2×5cm／min=0．224L／min
快退时，进入液压缸有杆腔的流量Q1，由于为满足式(7．9－6)的要求，将泵的流量调定为35．2L／min，故也为35．2L／min。其快退时缸的运动速度为：
快退时从无杆腔排出的流量为：
Q3=v3A2=8．09m／min×95cm2=76．86L／min
将上列数据列于表7．9－8，以便选定阀和各辅助元件。对图7．9－5中各种阀和其它辅助元件的选定为：三位五通电磁阀3选为35E－63B型板式三位五通直流电磁阀，其许用压力为6．3MPa，许用的流量为63L／min。但在快退时通过该阀的流量为76．86L／min，超过了许用值。在一般情况下，可不必改选，因为快退时允许该阀的压降有所增加。二位二通电磁阀5选为22E1－25B型，其许用压力为6．3MPa，许用流量为25L／min。而通过该阀的流量为31．36L／min，在使用时形成的压力降将略大于额定流量25L／min时规定的0．2MPa，但影响不大，一般也可不必改选。系统中其它各元件的选定见表7．9－9。
表7．9－8 钻削头液压缸两腔的进出流量L／min
表7．9－9 系统中所用的阀和辅件
系统中油管的直径，可根据阀的油口确定。63L／min换向阀的油口尺寸为20mm。外径取24mm，油管可承压8．0MPa，许用流量为100L／min。一般不必进行油管的强度和流速验算。系统中的油箱可选大些，其有效容积可选为(3～4)倍泵每分钟的排油体积。这里取油箱有效容积V=145L。
最后，应对系统进行有关的技术性能验算，其中主要是算压力损失和温升的核算。该系统的进油路，由阀类元件形成的总压力损失为0．52MPa。工进和快退时，由阀类元件形成的总压力损失为0．24MPa和1．4MPa。管路的损失，则需在管路安装后补算。一般的简单系统，不必计算压力损失。若出现执行机构进口处压力偏低，可将溢流阀略调高些即可。对于温升，一般的简单系统也不必计算。若温升偏高，可考虑加设冷却器。