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液压系统的原理及元件的选择
液压系统的功能：
液压卡盘的夹紧、松开
尾架套筒的顶出、退回
液压刀塔的刀盘抬起、锁紧及转位
各元件的作用：
1、油箱
2、泵用电机
3、过滤器
4、散热器
5、电机泵组
6、单向阀
7、油路块
8、减压阀
9、电磁换向阀
10、减压阀
11、单向节流阀
12、电磁换向阀
13、刀塔油路块
14、单向节流阀
15、压力继电器
16、压力表
17、电磁换向阀
18、液压马达
机床液压系统的工作原理说明
油泵油箱装置
机床液压油箱1安装在床身左端面的底座上，用螺钉相联。
箱内盛40L（HM32）液压油，油箱顶面安装一个油泵电机组5，泵的出口压力为4.0MPa，在出油管路中安装一个压力继电器15，当压力低于2.0MPa时系统报警。
1、夹紧系统装置
液压卡盘的夹紧、松开由三位四通电磁换向阀9、减压阀8来控制，夹紧力的大小由减压阀8来调节，减压阀的压力调节范围为0.15－3.5Mpa，但回转油缸的极限压力为2.5Mpa，所以，卡盘的最高使用压力不应超过2.5Mpa。
一般情况下，建议压力调节在1.0－2.5MPa之间。
2、尾架系统装置
尾架套筒的顶出、退回由三位四通电磁换向阀12、减压阀10来控制，由单向节流阀11控制套筒顶出的速度，顶紧力的大小由减压阀来调节，减压阀的压力调节范围为0.15－3.5Mpa，但顶紧力超过0.8MPa时将会降低主轴轴承的使用寿命。
所以，尾座的最高使用压力不应超过0.8Mpa。
一般情况下，建议压力调节在0.3－0.8MPa之间。
3、液压刀塔系统装置
液压刀塔的刀盘抬起、锁紧由二位四通电磁换向阀17来控制，由单向节流阀14控制刀盘锁紧时的运动速度，刀盘常态是锁紧的，只有换刀时才抬起。
刀盘在换刀抬起后可转位，转位由双向液压马达完成，三位四通电磁换向阀12控制其转向。
4、压力表
机床安装三个7MPa的压力表分别来显示总压力、卡盘压力、尾架压力。
注意：
①卡盘及尾座油压压力不得调的过低，以免工件飞出的危险。
②尾座的油压压力不应超过0.8Mpa，否则将降低主轴轴承的使用寿命。
③卡盘油缸油压压力不应超过2.5Mpa，否则会损坏油缸、卡盘。
完成电磁阀状态表：
（将YV3、YV4、YV5、YV6、YV7、YV8填空）
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
YV6
YV7
YV8
卡盘夹紧
＋
－
卡盘松开
－
＋
尾座前进
尾座后退
刀盘抬起
刀盘锁紧
刀盘正转
刀盘反转
液压元件的选择
液压元件的选择主要依据计算出的元件的工作压力和流量、电机的功率等的结果。
选择的原则是尽量选用标准元件。
①泵和电机的选择
在选择油泵时，应首先根据系统对动力源的要求，确定油泵的额定压力和额定流量，然后根据系统的工作环境、工作条件、系统对油泵精度的要求以及油泵本身的工作性能来选取油泵的类型、型号、规格。
目前工业上常用的油泵类型，主要有齿轮泵、双作用叶片泵、限压式变量叶片泵和轴向柱塞泵。
表3列出了上述几种泵的主要性能及优缺点。
从表中可以看出：
外啮合齿轮泵主要适用于中高压及中低压系统，特别是低压系统。
目前常把它用于精度要求不高的一般机床及工程机械上。
中高压齿轮泵常用于航空及造船等方面。
铸造设备中常把低压齿轮泵作为辅助油泵使用。
叶片泵由于工作平稳，流量脉动小，因此特别适用于中压、中速及精度要求较高的液压系统中。
铸造设备、机床及一般工程机械中应用非常广泛。
柱塞泵具有许多优点，虽然价格昂贵及维修较困难，但是性能比其他液压泵要高。
【6】
表3油泵性能及优缺点对照表
性能及优缺点
外啮合齿轮泵
双作用叶片泵
限压式变量叶片泵
轴向柱塞泵
压力范围
7～20
6.3～21
2.5～6.3
6.3～40
流量范围
0.75～550
4～210
25～63
10～250
流量调节
不能
不能
能
能
容积效率
0.7～0.9
0.8～0.94
0.85～0.9
0.95～0.98
总效率
0.6～0.8
0.75～0.85
0.75～0.85
0.85～0.95
输出流量脉冲
很大
很小
一般
1～5%
对油污染敏感度
小
中
中
大
噪声
大
小
较大
大
功率重量比
中
中
小
大
结构
简单
稍复杂
较复杂
复杂
价格
便宜
较贵
较贵
昂贵
维护修理
容易
较难
较难
困难
油液粘度
5～40℃
17～40
31～40
17～29
25～44
40～80℃
63～88
37～54
25～44
40～98
本次设计液压系统属于中低压系统，精度要求较高，综合考虑上述几种泵的优缺点，选取叶片泵。
计算液压泵的工作压力和额定压力
1）液压泵的工作压力
液压泵的工作压力是根据执行元件的工作性质来确定的。
pp≥p1+∑△p1
式中pp——执行元件的最大工作压力；
∑△p1——进油路上的压力损失，系统管路未曾画出以前，按经验资料选取：
一般节流调速系统和管道简单的系统取
∑△p1=2×105～5×105Pa
进油路有调速阀的系统及管道复杂的系统取
∑△p1=5×105～15×105Pa
液压泵的最大工作压力pp=p1+∑△p1
=5.81+0.5
=6.31MPa
2）液压泵的额定压力
系统在工作的过程中常因过渡过程内的压力超调或周期性的压力脉动而存在着动态压力，其值远超过静态压力。
所以液压泵的额定压力应比系统最高压力大25%-60%。
本系统负载变化不大，且无冲击载荷，故取额定压力为：
pn=（1.25-1.6）pp
=6.31×1.25
=7.89MPa
计算液压泵的额定流量
油泵的额定流量应满足液压系统中同时工作的执行元件所需要的最大流量之和。
本系统只有一个执行元件，故其流量为：
Qp≥K（∑Q）max
式中Qp——油泵的额定流量（L/min）；
K——系统泄露系数（约取1.1～1.3）；
（∑Q）max——系统中同时工作的执行元件所需的最大流量之和（L/min）
在本系统，液压缸工作所需的最大流量为45.24L/min，取系统泄露系数K=1.1,则
泵的额定流量Qp为：
Qp≥1.1×45.24L/min
=49.74L/min
根据计算出的额定压力及额定流量，查阅液压手册及产品样本，选定量泵的具体型号规格为YBN型叶片泵（额定压力pp=10MPa，额定流量为75L/min）。
②确定驱动电机的功率
由系统可知，P-L和Q-L曲线变化比较平稳，电机所需功率按下式计算，即：
Pp=ppQP/ηP
式中ηP——液压泵的总效率，查液压手册可以知道，该泵的效率为80%；
pp——液压泵的工作压力（MPa）；
QP——液压泵的额定流量（L/min）。
故所需电机的功率为：
pp=49.74L/min×6.31MPa／0.80
=6.54kw
按电机产品目录，综合考虑选取7.5kw的电动机，其型号为：
Y132S2-2,（P=7.5kw,n=2900r/min）
Y系列三相异步电动机的应用特点是：
效率高，节能，堵转转矩高，噪声低，振动小，运行安全可靠。
作为一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械设备，如金属切削机床，该系列电动机的定额是以连续工作为基准的连续定额。
表4液压泵的总效率
液压泵类型
齿轮泵
叶片泵
柱塞泵
总效率
0.6～0.8
0.7～0.85
0.8～0.9
3.4.2其它元件的选择
①选择控制阀
选择液压阀应尽量选择标准定型产品。
首先根据使用要求包括用途，动作方式，压力损失数值，工作寿命和阀的生产条件确定阀的形式，然后根据流经这个阀的油液的最大工作压力和流量来确定阀的规格。
液压控制阀在液压系统中的功用是通过控制调节液压系统中的油液的流向、压力和流量，使执行器及其驱动的工作机构获得所需的运动方向、推力（转矩）及运动速度（转速）等。
所设计的液压系统，将来能否按照既定要求正常可靠运行，在很大程度上取决于其中所采用的各种液压阀的性能优劣及参数匹配是否合理。
各种液压控制阀的规格型号，可以系统的最高压力和通过阀的实际流量为依据，并考虑阀的控制特性、稳定性及油口尺寸、外形尺寸与重量、安装连接方式、操纵方式、适应性与维修方便性、货源及产品历史等，从相关设计手册或产品样本中选取。
各液压控制阀的额定压力和额定流量一般应与其使用压力和流量相接近。
对于可靠性要求较高的系统，阀的额定压力应高出其使用压力较多。
如果额定压力和额定流量小于使用压力和流量，则易引起液压卡紧和液动力，并对阀的工作品质产生不良影响；对于系统中的顺序阀和减压阀，其通过流量不应远小于额定流量，否则易产生振动或其他不稳定现象。
对于流量阀，应注意其最小稳定流量。
【6】
根据上述选择阀的原则，选择该系统所需的各个阀的型号及规格如下表5所示
表5液压阀的型号规格
序号
名称
估计通过流量
型号
数量
生产厂家
1
单向节流阀
50
Z2FS16
1
北液
2
减压阀
〈50
Z2S10
2
北液
3
三位四通电磁换向阀
〈50
34DF3Y-16B
6
上海高行
4
分流集流阀
〈50
FJL-B15H
1
北京华德
②滤油器的选择
选过滤器时，主要根据液压系统对滤油器的性能指标的要求以及系统的工作压力大小，从产品样本中选取。
根据过滤器在系统中的安装位置不同，可以分为：
吸油口过滤器、压油口过滤器、回油口过滤器三种安装方式，在此液压系统中选用吸油口过滤器。
在液压泵的吸油口安装过滤器的主要目的是，防止泵在吸油的同时将污物吸进油路，主要防止大颗粒物的进入。
但是必须注意过滤器的压差必须满足泵的吸油特性，过滤器的压差过大容易造成吸油困难，而出现气穴，气穴现象是泵的最大危害之一。
【6】
滤油器的性能指标：
1.工作压力
不同结构形式的滤油器所允许的工作压力不同，在选择时应考虑其最高工作压力。
本系统最高工作压力为14.5MPa。
2.过滤精度
过滤精度是指油液通过滤油器时，滤芯能够滤除的最小机械杂质的颗粒度的公称尺寸，系统的过滤精度一般按下列两因素考虑：
一是污垢颗粒应小于运动零件滑动面的配合间隙或油膜厚度，以免引起划伤和磨损；二是污垢颗粒应小于系统中节流小孔的最小截面积，以免堵塞小孔。
液压系统对过滤精度的要求，随系统压力不同而不同。
系统压力越高，运动零部件的配合间隙越小，过滤精度要求越高，表6给出了各种压力下的液压系统及控制元件对过滤精度的要求。
表6滤油器过滤精度的选择
系统
过滤精度
元件
过滤精度
低压系统
＜100～150
叶片泵（电动机）
≤30
p=7～10MPa
≤50
齿轮泵（电动机）
≤50
P=10～14MPa
≤25
柱塞泵（电动机）
≤20
P≥14MPa
≤10～15
滑阀
1/3最小间隙
电液伺服系统
≤5
流量控制阀
≤25～30
高精度伺服系统
≤2.5
安全阀、溢流阀、节流阀
1/7孔径＜1.8mm
根据上表选取：
滤油器型号为ZU-H160及RAF160。
3.4.3油箱的选择
1.油箱的主要作用：
1）贮存充足的油液，以满足液压系统正常工作的需要；
2）散发热量，保证油温不超过规定值（≤60℃）；
3）使油中污染物沉淀，空气逸出。
2.油箱的计算与选择
油箱的容量主要依据散热的需要来确定,同时还必须保证在液压系统工作的整个过程中,无论流量如何波动,油箱中的油面都能保持一定的高度,使渗入油液中的空气和污染物有足够的时间分离出来.对于一般的开式液压系统,其油箱的有效容量可按下列经验公式确定:
对于低压系统（P＜2.5Ma）
V=（2～4）Q
对于中压系统
V=（5～7）Q
对于高压系统
V=（6～12）Q
式中V——油箱的容积（L）;
Q——泵的额定流量（L/min）。
各式中的系数选择原则是:
不连续工作时取小值,连续工作时取大值;使用变量泵时取小值,使用定量泵时取大值.对于本液压系统,压力P＞8Ma,故油箱的有效容积V为：
V=5Q
=5×49.74
=248.7L
对于本液压系统，由于油箱盖用来作为液压泵、电机、液压阀等元件的安装底版，故要求体积足够大，油箱的有效容积选为400L。
油箱有效容积大时，有利于散热，油液中的杂质能够充分沉淀，渗入在油液中的空气也可以充分逸出。
3.油箱辅件的设计
1液位计的控制及显示
油箱内液位计的控制可以通过液位发讯器或液位计进行检测。
前者当液位低于要求时会发出报警信号，目前应用的有浮子式液位发信装置。
后者需要人工进行监视，当液位低于要求时进行人工补油。
2油箱内油温控制
为了保证液压系统的正常工作，必须将工作介质的温度控制在一定范围内，油箱的温度控制采用与电接点温度计相配合的温度控制器。
当温度低于要求的最低值时，电接点温度计通过继电器电路通电，加热器开始工作，当温度升到调定值时，加热电路断电，加热器停止工作。
同理，当温度高于要求的最高温度值时，使冷却器电路通电，冷却器开始工作；当油温降至调定值时，冷却器电路断电，冷却器停止工作。
油温控制的范围可以通过电接点温度计进行调节。
③箱体确定
油箱体油箱体由Q235钢板焊接而成,取钢板厚度5~8mm，箱体大者取大值，本粗轧机的油箱板厚度为8mm。
在油箱侧壁上安装油位指示器。
在油箱与隔板垂直的一个壁上常常开清洗孔，以便于清洗油箱。
油箱底部油箱底部采用倾斜的方式，用焊接方法与壁板焊接而成，采用这种结构，便于排油，底部最低处有排油口。
油箱隔板为了使吸油区和压油区分开，便于回油中杂质的沉淀，油箱中设置了隔板。
隔板的安装方式主要有两种，第一种：
回油区的油液按一定方向流动，既有利于回油中的杂质、气泡的分离，又有利于散热。
第二种：
回油经过隔板上方溢流至吸油区，或经过金属网进入吸油区，更有利于杂质和气泡的分离。
在本次设计中，采用隔板的方式，主要为了将沉淀的杂质分开。
隔板的位置在油箱的中间，将吸油区和回油区分开，隔板的高度，最低为油面的1/2。
隔板的厚度等于油箱侧壁厚度。
④空气滤清器
空气滤清器是对空气进行净化的装置，它由壳体和滤芯组成，滤芯布置在壳体内。
大气中有各种异物，例如灰尘、砂粒等，会对液压系统的油液造成污染，它们将加速系统的磨损，从而降低系统的使用寿命。
空气滤清器能防止出现这种情况。
查参考文献[3]，表6-68，选择EF6-80型空气滤清器。
4.减少油箱噪音
防噪音问题是现代机械装备设计中必须考虑的问题之一。
油路系统的噪音源，以泵站为首，因此，进行油箱设计时，从下列几方面减轻噪音：
1）油箱与箱盖间增加防振橡皮垫：
2）用地脚螺栓将油箱牢固固定在基础上；
3）油泵排油口用橡胶软管与阀类元件相连接；
4）回油管管接头振动噪音较大时，改变回油管直径或增设一条回油管，使每个回油管接头的通路减少。
【6】
3.4.4其它辅助元件的型号和规格的选择
其他辅助元件的型号如下表：
表7辅助元件的型号规格
序号
名称
型号
数量
生产厂家
1
液位液温计
YWZ-150T
1
温州黎明
2
滤油器
ZH-H160
1
高行
3
压力表
Y-60
1
沈阳仪表厂
4
油箱
V=400
1
按图制作
5
回油滤油器
RFA160
1
北液
3.4.5确定管道尺寸
确定油管直径d
根据参考书得知，油管的规格尺寸（管道内径和壁厚）可由下面的公式算出后，查阅有关的标准选定。
D≥4.6
式中D——油管内径；
q——管内流量；
v——管中油液的流速。
油液流速参考数据
管路名称
进油管路
压油管路
回油管路
推荐流速v
（0.5-2）m/s
（2.5-6）m/s
（1.5-3）m/s
吸油管：
取流速v=2m/s，则吸油管的直径为：
d≥4.6
=4.6（50L/min÷2m/s）1/2
=23mm
压油管：
取流速v=4m/s，则压油管的直径为：
d≥4.6
=4.6（50L/min÷4m/s）1/2
=16.26mm
回油管：
取流速v=2.m/s，则回油管的直径为：
d≥4.6
=4.6（50L/min÷2m/s）1/2
=23mm
圆整为标准直径后，选取吸油管内径25mm，压油管内径18mm，回油管内径25mm。
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