摘要：為了提高師生們的創新能力及設（shè）計水平，本文針對專業培養（yǎng）目標的規定，緊密結合企業生（shēng）產實際，提出了專用銑床的液壓（yā）係統設計研究，通過對現（xiàn）有舊專用銑床的工作要求提出設計依據，進行了工況分析，確定了液壓係統的主要參數，擬（nǐ）定了液壓係統原（yuán）理圖，選擇了液壓元件，並驗算液壓係統性能。該設計為校企間建立產學合作教育紐帶提供參考。
 
       關鍵詞（cí）：銑床（chuáng） 液壓傳動係統 設計（jì）
 
       引言
   
       液壓傳（chuán）動（dòng）是一種能量（liàng）傳遞方式，它具有功（gōng）率大、在（zài）大範圍內能方（fāng）便地實現無級調速、工作平穩、響應（yīng）快、體（tǐ）積小又易於實現（xiàn）自動化、使用安全可靠等優點（diǎn），目前已成為重要的傳動方式之一。它廣泛應用（yòng）於機械製造、工程建築、石油化工、交（jiāo）通運輸、軍事器械、礦山冶金、航空航海、農業機械、輕工、農機、漁業、林業等各個方（fāng）麵。
 
      《液壓傳（chuán）動》這門課是機械類專業學生必修的、實踐性很強（qiáng）的專業核心課。為了提（tí）高教學質量，改善教學（xué）效果，達到（dào）教學目標，筆者（zhě）作為任課教師，針對專業培養（yǎng）目標及課程目標的規定，緊密結合企業生產實際，借助校企（qǐ）合作的有利時機，有選擇性地提（tí）出了（le）這個項目- 專用銑床的液壓係統設（shè）計研究。研究的目的一是希望通過此項目的研（yán）究，讓師生及企業共同參入項目的建設，將課程所學的零（líng）散的知識點（diǎn）有機地結合起來（lái），運用於生產實踐（jiàn）之中，解決生產實際問題，學以致用，真正體現學習本課程的意義及價值。並以此提高學生的學習興趣及求知欲，提高他（tā）們的創新能力及（jí）設（shè）計水平，為以後上崗就（jiù）業打下牢固的基礎（chǔ），為以後（hòu）加強實踐教學環節，提（tí）高（gāo）技能型人才培養質量打基礎。二是以此為契機，在這門課程的教學上，試圖與生產實際相結合，找到一種項目引導式（shì）的教學（xué）方法，改進以前的教學（xué）方法，讓師生共同（tóng）參入（rù）項目的建設，來完成課程的教學（xué）工作，改善教學效（xiào）果。三是通過項目建（jiàn）設，老師經常向豐富（fù）實踐經驗（yàn）的能工巧匠和工程技術人員請教，這樣可以不斷地提高自己推廣、應用新技術和進行科研開發的能力，並加強學校（xiào）與（yǔ）企業的經常性溝通與聯係，建立產學合作教育紐帶。
 
       1 、液壓係統的設計依據和工況分析
   
      （1）設計依據。本銑床是我（wǒ）院校辦工廠的一台專用立式（shì）銑床，主要是用於一些平麵（miàn）銑削的工作。該立式銑床的設計依據如下：
 
      該台專用銑床的液壓係統，用於控製其（qí）動力滑台實現動作循環：快進→工進→快退→原位停止。銑頭驅動電（diàn）動機功率為7.5KW， 銑刀直徑（jìng）為120mm， 銑刀轉速為（wéi）350r/min，運動部（bù）件（jiàn）總重量為（wéi）4000N。工作行程為400mm（快進300mm,工進100mm），快進、快退速（sù）度為6m/min，工進速度為60~1000mm/min，加、減速時間為0.05s；工作台水平放置，導軌靜摩擦係數0.2，動摩擦係數0.1。
 
      （2）工況分析。工況分析的目的（de）是明確在工作循環中執行元件的負載和運動的變化規律，它包括運動分析和負載分析。
 
       運動分（fèn）析，就是研究工作機（jī）構根據工藝要求應以什麽樣的（de）運動規律完成（chéng）工作循環，運（yùn）動（dòng）速度的大小、加（jiā）速（sù）度是恒定的還是變化的、行程大（dà）小及循環時間長短等。為（wéi）此（cǐ）必（bì）須確定執（zhí）行元件的類型，並繪製位移一（yī）時間循環圖或速（sù）度一時間循環圖。
 
      根據已規定的動作循環“快進- 工進- 快退”的要求（qiú），銑床的（de）運動顯然是往複不對稱（chēng）直線運（yùn）動，是單杆活塞缸運動的（de）特征（zhēng），故（gù）選用單杆（gǎn）活塞式液（yè）壓缸作執行元件（jiàn）。一般說來，液（yè）壓缸承受的動力性負載有工作負載Fw、慣性負載Fm、重（chóng）力負載Fg，約束性負載有摩擦阻力Ff、背壓負載Fb、液壓缸（gāng）自身的（de）密封阻力Fsf。經計算得，液壓缸的運動分為啟動、加速、恒速、減（jiǎn）速製動等階段，不同階段的負載計算是不同的，液壓（yā）缸在各工作階段的負載如表1所示。
    
                                 表1 液壓缸在各工作階段的負載（zǎi）值

      負載圖和速度圖（tú）的繪製
   
      已知快（kuài）進行程l1=300ｍｍ、工進（jìn）行程l2=100ｍｍ、快退行程l3=l1+l2=400mm。負載圖按上麵計算的數值繪製，如（rú）圖1（a）所示。速度（dù）圖則按已（yǐ）知（zhī）數值v1=v3=6ｍ/min 和工進速度（dù）v2 為（wéi）60~1000mm/min（取中間（jiān）值（zhí）530 mm/min）等繪製，減速時（shí）間為0.05s，如圖1（b）所示。
 

     
                                圖（tú）1 液（yè）壓缸的負載圖和速度圖
     
      2 、液壓（yā）係統主要參數的確定（dìng）
   
      執行元件的工（gōng）作壓力和流量是液壓係統最主要的兩個參（cān）數。這兩個參數是計（jì）算和選擇元件、輔件和原動機的（de）規格（gé）型號的（de）依據。要確定液壓係統的壓力和流量，首先必須根據各（gè）液壓執行元件的負載（zǎi）循環圖，選定係統工（gōng）作（zuò）壓力；再根據係統壓力，確定液壓缸（gāng）有效工作麵積A。最後，根據位移一時間循環（huán）圖（或速度一時（shí）間循環圖）確定其流量。
 
      根據液壓缸的（de）負載循環圖，可以確定係統的最大載荷點（diǎn），在充分考慮係統所需流（liú）量、係統效率和性能要（yào）求等（děng）因（yīn）素後，可（kě）查表選擇係統工作壓力（lì）。專用銑床液壓係（xì）統在最大負載約為5000N 時，從安全及生產實際需要的角度考慮，取係統工作壓力為3Mpa。
 
      前麵初步選定的工作壓力可（kě）以認為就是（shì）液壓缸的（de）輸入（rù）壓力P1，即P1=3Mpa。然後再初步（bù）選定液壓缸的回油壓力P2 （背壓），這樣就可以確定液壓缸的參數。
 
      鑒於動力滑台要求快進、快退速度相等，在快進時作差動連接。在這種情（qíng）況下（xià），液壓缸無杆腔工作麵積Ａ1 應取為有杆腔工作麵積Ａ2 的兩倍。
 
      快進時液壓缸雖作差動連接，但由於油管中有壓差ΔP 存在，有杆腔的壓力必須（xū）大於無杆腔（qiāng），估算（suàn）時可取ΔP≈0.5MPa。快退時回油腔中也（yě）是有背壓的，這時P2 亦可按0.5MPa 估算。因本（běn）係統為增加回路運動中的（de）平穩性，所以在液壓缸的進回（huí）油路上擬均加設節流閥，根據經驗，工進時取P2=0.8Mpa。由（yóu）工進時的推力計算液壓缸麵積：
  
      

     經圓整後，D＝50mm，d＝32mm。
 
    由此可估算液壓缸在各個工作階段中的壓力、流量和功率，如表2 所示。
 
    圖2 所示（shì）為專用銑床液壓缸的工況圖。工況圖是選擇液壓泵、液壓控製閥和計算電機功率等的依據。
 
     3 、液壓（yā）係統圖（tú）的擬（nǐ）定
     
                       表2 液壓缸在不同工作（zuò）階（jiē）段的壓力、流量和功率值
  
     

      
                圖2 專用銑床液壓缸的工（gōng）況圖
 
 
 
     首先選擇調（diào）速回路。由圖2 中的工況圖可知，這台機床液壓係統的功率小，動力滑台工（gōng）進速度低，工作負載變化小，可采用進口節流（liú）的調速形式。為了解決（jué）進口（kǒu）節流（liú）調速回路在銑（xǐ）削完時的滑台突然前衝現象（xiàng），回油路上要設置背壓閥。
 
     由於液壓係統選用了進口節流調速的方式，係統中油液的循環必然是開式（shì）的（de）。
 
     從工況圖中可以（yǐ）清（qīng）楚地看到，在這個液壓係統的（de）工作循環內，液壓缸（gāng）交替（tì）地要（yào）求油源提供低壓大（dà）流量和高壓小流量的油液，最大流量與最小（xiǎo）流量（liàng）之比約為4。因此采用單個定量泵作為油源較為合理。為防止機床工作的過程中，工廠突然停電，泵無法轉動，液壓係統無法繼續工作，故係統中另專設一備用的手動液（yè）壓泵，作應（yīng）急時用。其次選擇快速運動和換接回路。本係統是用於專用（yòng）銑床上的液壓係統，因此調速和速度換接回路是主要回路。
 

     從圖4 工況圖可知，在本係統中，無論是快（kuài）進還是工進（jìn），流量都不是（shì）很大，因此不需用單杆液壓缸作差動連接，實現快（kuài）速運（yùn）動，隻需讓進油液全部經過換向閥即（jí）可；可用（yòng）電
磁換向閥實（shí）現液壓缸的換向；為使液壓缸在退和進的過程中速度可以調節，且較平（píng）穩，在缸（gāng）的進（jìn）油路及回油路中均設有（yǒu）單向（xiàng）節流閥。
 
     為使缸快慢速轉換平穩，以減少液（yè）壓衝擊，可（kě）用行（háng）程閥的速（sù）度換接回路。

    最後再（zài）考慮壓力控製（zhì）回（huí）路（lù）。係統的調壓（yā）問題已在油源中解決，定量泵的出口的（de）溢流閥起調壓溢（yì）流作用，係統的工作壓力可通過調節溢流（liú）閥（fá）的彈簧來（lái）實現。卸荷問題可采用中位機能為M 型的三位換向閥來（lái）實現，就（jiù）不須再（zài）設置專用的元件或油路。
 
     選定液（yè）壓基本回路後（hòu），配以（yǐ）輔助性（xìng）回路，如鎖緊回路、平衡回路、緩（huǎn）衝（chōng）回路、控製油路、潤（rùn）滑油路、測壓油路等，就（jiù）可以組成一個完整的液壓（yā）係（xì）統。
 
     把上麵選擇的各種回路組合畫在一起，得到如圖3 所示的係統原理（lǐ）圖（tú）。
 

     
  
  
     1.油箱；2.過濾（lǜ）器；3 齒輪泵；4.手動液壓泵（bèng）；5.溢流（liú）閥；6.單向閥；7.三位四通電磁換向閥；8.行程調速閥；9.壓力繼電器；10.壓力（lì）表；11.空氣濾清器；12.液位液溫計；13.雙單向（xiàng）節流閥（fá）
 
     圖3 液壓回路的綜合和整理圖
   
     4 、液（yè）壓元件的選擇
   
     根據液壓（yā）係統（tǒng）的工作壓力和通過各個（gè）閥類元件和輔助元件（jiàn）的實際流量，可選出這（zhè）些元件的型號及規格（見表3）。
 
     5 、液壓係統性能驗算
  
      液壓係統設計完成後，需要對它的技術性能進行驗算，以便判斷設計質量。
 
      液（yè）壓係統性能的驗（yàn）算主要（yào）是計算係統壓力損失、調整壓力、泄漏量、係統效率、係（xì）統溫（wēn）升、運動平穩性（xìng）等。這裏隻進行係統壓力損失和溫升的驗（yàn）算，其它驗算，如濾油
器、蓄能器和冷卻器（qì）的選擇可參閱液壓設計手冊。
 
      5.1 液壓係統壓力損失驗算
   
     選定了液壓元件的規格及管道、濾油器等（děng）輔（fǔ）件，確定（dìng）了安（ān）裝方式，繪製出管（guǎn）路安裝圖之後，就可以對管路係統的總壓力（lì）損失進行驗算。總壓（yā）力損失包（bāo）括管道（dào）的（de）沿程壓力損（sǔn）失、局部壓力損失和各種液壓控製閥的局部壓（yā）力損失。
 
     各種閥類元件的局部壓力損失可（kě）從產品樣本中查出。由於係統的（de）具體管路（lù）布置尚未確定，整（zhěng）個回路（lù）的壓力損失無法估算（suàn）。
 
                                   表3

    
  
     5.2 液壓係統發熱和溫升驗算
   
    （1）液壓係統的發熱功率。液（yè）壓係統發熱的原因，主要是液壓泵（bèng）和執行元件的功率損失、管道的壓力損失及溢流閥的溢流損失（shī）。管道的發熱較少，與它自身的散（sàn）熱基本平衡，可以忽略不計。
 
     由於係統的具體（tǐ）管路布置尚未確定，整個回路的壓力損失無法估算，僅隻閥類元件對工（gōng）進時液壓缸的有效（xiào）功率為
  
     
  
     （2）求油液溫升近似值。液壓係統中產生的熱量由係統中的各散熱麵散發（fā）到空氣中去，其中油（yóu）箱是最主（zhǔ）要的散熱麵。當隻考慮油箱（xiāng）的散熱時，則液壓係統的散熱功率 為
  
    
  
     按上式計算出的溫升，不應超過（guò）允許的溫升值（zhí）。一般（bān）機床液壓係統取≤25℃～30℃。一般低、中壓係統正常工（gōng）作油溫為（wéi）30℃～55℃左右，最高不允許超過70℃；高壓係統正常工作油溫為50℃～80℃左右，最高不允（yǔn）許超過90℃，可取≤35℃～40℃。
 
     36.8 在35℃～40℃之間，溫升沒有超出允許範（fàn）圍，液（yè）壓係統中不需要設置冷卻器。