CK6163数控车床卡紧，尾座顶紧及预紧液压系统

引 言

液压传动相对机械传动来说是一门新兴技术，但却是机械设备中发展速度最快的技术之一。虽然从17世纪中叶帕斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制造出世界上第一台水压机算起，已有几百年历史，但液压传动在工业上被广泛采用和有较大幅度的发展却是20世纪中期以后的事情。

近代液压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是第二次世界大战中应用于舰艇上的炮塔转位器，战后才在民用工业，尤其在机床上得到广泛的应用。20世纪60年代以后，随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料等方面的发展，液压技术发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。至今，由于油缸内的油液具有作用力大，动作的反应速度快、精度高，而且便于自动化操作的特点，使得采用液压传动技术的程度已成为衡量一个国家工业的重要标志之一。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。由此可见，液压传动技术在自动化程度越来越高的今天越来越受人青睐，而且掌握液压传动技术是何等的重要。

本次设计中在充分借鉴前人经验的同时，融入了在大学几年里学习到的液压传动及机械方面的知识，以及本人的一些创新，将工业上应用比较广泛的CK6163数控车床的卡盘卡紧，尾座顶紧，以及中心架夹紧三个动作，由常见的机械装置改装成由液压动力驱动的液压传动装置。其工作原理是：由油缸卡紧，尾座顶紧，及中心架夹紧系统，经吊头连接，通过液压油在油缸上下腔的施压与排放，推动活塞杆在油缸中伸缩，使其对系统实施推力或拉力，完成卡盘卡紧，尾座顶紧，及中心架夹紧三个动作。

这样设计的优点是，一方面，数控机床的液压油为柔性工作介质，比机械传动时产生的振动要少的多，有利于数控机床的平稳运行。另一方面，由于液压系统采用的行程检测装置测量准确，可更加真实地反映数控机床在卡紧，尾座顶紧，及中心架夹紧三个动作完成的具体情况，并通过PLC可编程控制，实现卡紧，尾座顶紧，及中心架夹紧三个动作的自动化控制。

其意义是,将液压系统应用于数控车床CK6163，使其与数控NC技术完美结合，从而实现了先进技术的推广，并且完成了机床动作由手动完成向半自动乃至全自动的推进，大大

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提高了CK6163数控机床的自动化程度，大大提高了劳动生产效率，为解放劳动力发展生产力迈出了重要的一步。

本次设计的目的，毕业设计是对大学生活中从事机械及液压知识学习的一个总结，也是提高我们大学生综合运用所学知识和技能解决问题能力的一个重要环节，更是对大学阶段所学关于机械及液压知识和实际动手能力的一个考察。通过这次考察，不但可以提高我们的综合训练设计能力、科研能力，其中包括实际动手能力、查阅文献能力，撰写论文能力，还是一次十分难得的提高创新能力的机会，并且使我在以下几个方面得到训练： 1、了解液压传动系统设计的基本方法和设计要求，培养学生运用所学理论知识解决具体工程技术问题的能力。

2、掌握液压传动系统的设计步骤，熟悉设计的有关技术文件，规范设计手册及相关元件的国家标准。

3、根据设计任务要求，进行工况分析和确定液压系统的液压元件拟定出液压系统，并对液压系统主要性能作必要的设计计算。

针对大学中所学的机械及液压方面的知识，我选择这个课题来完成我的毕业设计，并进行了大量的实地调研考察，尝试和论证。本次设计中主要以课本和搜集来的各种资料作为依据，基于所学的知识，从简单入手，循序渐进，逐步掌握设计的一般方法和步骤，让我把知识掌握的更加牢固，并把所学的知识融成一个体系，以适应将来实际工作的需要。由于初次设计，所学知识又存在大量局限，实际经验也存在着大量的不足，因此对一些问题可能考虑不周，致使设计中难免会存在有某些缺点和错误，恳请各位老师批评指正。

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第一章 CK6163数控机床液压系统设计的立题依据及方案论证

1.1液压系统设计的立题依据及课题来源

现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位，对于自动化程度要求越来越高的现代机床设计来说更是如此。对于在现代机械加工中应用比较广泛的CK6163数控车床，液压传动系统在提高其自动化程度同样具有相当重要的作用。请看下列一个实例：

对于普通CK6163数控车床，采用手动卡紧的机械卡盘，在加工某一工件时，工人们最常做的动作就是手动卡紧卡盘及松开卡盘。因为数控系统自动加工需要3分钟，而装夹、卡紧工件及卸下工件需要1-2分钟，在这1-2分钟中，将会有一半以上的时间花在手动卡紧卡盘及松开卡盘上，这样算来，手动装夹、卡紧工件——加工工件——打开卡盘取出工件整个过程要花费4-5分钟。而采用液压传动系统代替手动卡紧、松开工件或，可节省0.5-1分钟甚至更多时间，则使上述加工过程花费的时间变为3.5-4分钟，这样算来加工100件，可节省将近100分钟，大约1.5个小时，对于零件加工来说，这是一笔十分可观的时间。这完全实现了提高加工效率，节省劳动时间的要求，而且大大降低了劳动强度。并且采用液压传动系统，由于其夹紧力稳定又可提高加工过程中卡紧的可靠性和稳定性，从而避免了因手动装夹时，卡紧力不足于抵抗切削力，从而导致工件加工精度不高，甚至报废和损坏刀具等设备的情况。而且随着液压传动技术越来越完备，完成上述自动化改装是完全可以的。基于上述诸多情况，本次设计将CK6163数控车床的卡盘卡紧，尾座顶紧，以及中心架夹紧三个动作全部设计成由液压传动系统来完成。

1.2 液压系统方案的制定与论证

1.2.1液压系统方案制定的背景和特点

近年来，由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高。液压传动技术在数控自动化机床上的应用也越来越广泛，而且也为机床工业的自动化程度的提高上起到了重要的力量。尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，

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不断扩大其应用领域以满足未来的要求。 1.2.2多方案的比较和论证

根据对液压传动系统有关知识的学习、调查和了解，并且借鉴前人经验，拟设计如下二个方案以供选择:

（1）系统全部采用常规阀控制，液压缸动作顺序由手动换向阀来控制。其优点是性能可靠，安全性高。可以采用国内均可生产的常规阀，价格较便宜，较易购买。缺点是自动化程度低、不能适应数控高自动化程度的机床，而且移动速度较慢。

（2）系统全部采用电磁铁驱动的电磁控制阀来控制，其优点是移动速度快，系统安全可靠，可连续长时间工作，是近年高自动化液压传动系统控制的发展趋势。但目前国内生产的电磁换向阀的安全性能还达到使用要求的还不多，因此需要进口或采用台湾产品，并且台湾产品价格不是很高，而且基本可以达到国际先进水平，完全可以满足使用要求。 1.2.3最终方案的制定和说明

从自动化的使用要求和安全方面考虑，第二种方案更适合本次设计。因此本次设计的液压系统采用了电磁铁驱动的电磁控制阀。在液压泵站的设计中，采用了独立的液压泵和供油集成块，用一个单向阀保证系统安全性。另外，在各个液压站集成块上，有三个压力继电器，可使系统更加安全可靠的工作。

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第二章 CK6163数控机床液压系统工况分析

CK6163数控机床液压系统的工况分析是指对液压执行元件进行运动分析和负载分析，目的是查明每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力、功率的变化规律，作为拟定液压系统方案，确定系统主要参数（压力和流量）的依据。

2.1液压系统的运动分析

1、液压卡盘的运动分析

根据对普通CK6163数控车床机床卡盘卡紧动作的观察和分析可知，液压卡盘执行元件，即液压缸运动过程可分解为：向前卡紧，保持不动，向后松开。其运动循环图如下：

向前卡紧

保持不动原位停止

2、 液压尾座的运动分析

根据对普通CK6163数控车床机床尾座顶紧动作的观察和分析可知，液压尾座执行元件，即尾座油缸的运动过程可分解为：向前顶紧，保持不动，向后松开。其循环分析图如下：

向前顶紧

3、液压中心架的运动分析

根据对普通CK6163数控车床机床中心架压紧动作的观察和分析可知，液压中心架执行元件，即中心架油缸的运动过程可分解为：向前压紧，保持不动，向后松开。其运动循环图如下：

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向后松开

图1 卡盘液压缸运动循环图

保持不动向后松开

图2 座液压缸运动循环图

原位停止

向前压紧

保持不动原位停止2.2液压系统的负载分析

1、液压卡盘的负载分析

根据对液压卡盘的运动分析，液压卡盘液压缸的负载可分为惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。但主要的负载有：（1）启动时的静摩擦负载；（2）向前卡紧工进时的工作负载；（3）后退时的动摩擦负载。这些负载都是单向负载，是与运动方向相反的正值负载，近似为恒定的负载，并且负载力的方向与液压缸活塞轴线重合。

液压卡盘的主要作用是在加工工件时限制工件两个自由度，以卡紧工件，保证加工的顺利完成。

2、液压尾座的负载分析

液压尾座的负载类同于液压卡盘，在此不必再分析。

液压尾座的主要作用是在加工时顶紧工件，以保证加工精度。 3、液压中心架的负载分析

液压中心架的负载类型与液压卡盘的类同，在次不必分析。

液压中心架的主要作用是在加工长轴类工件时，在卡盘和尾座中间支撑工件，以保证工件的刚度，提高加工精度。

向后松开

图3 中心架液压缸运动循环图

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第三章 CK6163数控机床液压系统设计计算

3.1 CK6163数控机床液压系统的设计要求

1、液压系统的设计要求是进行每项程序设计的依据。在制定基本方案并进行进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。

（1）机床的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等； （2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此关系如何； （3）液压驱动机构的运动形式，运动速度； （4）各动作机构的载荷大小及其性质；

（5）对调整范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； （6）自动化程度、操作控制方式的要求；

（7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求； （8）对效率、成本等方面的要求。 2、各个液压传动装置的设计要求为：

（1）液压卡盘夹持工件的范围为Φ0～Φ630；最高压力为4.5MPa；液压卡盘夹紧时间：t=2.2s。

（2）液压尾座设计要求:最高压力4.5 MPa，换挡时间t=6s，尾座活塞杆最大行程L=280mm。

（3）液压中心架设计要求：最高压力为4.5MPa，换挡时间t=1s，中心架液压缸最大行程L=80mm。

（4）液压系统压力（0.2～4.5MPa），预计液压系统使用流量：23L/min。

液压系统作为CK6163数控机床的传动装置， 应采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离传递大能量；能承受较大的载荷；没有复杂的传动机构；在室内的空气里能保证安全，动作迅速；操作、调节简单；过载保护简单可靠。

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3.2 CK6163机床液压系统选型

1、液压回路的选择

根据液压系统的设计要求，本液压系统采用开式回路，即执行元件（即液压缸）的排油回油箱，工作介质油液经过冷却、沉淀后再进入液压泵的进口，再进行循环工作。 2、液压油液的选择

由于本次设计的液压系统为普通液压系统，因此选用矿油型液压油作为工作介质。又根据室内的工作状况，及北方冬夏工作温度变化较大的特点，冬季选用N32#液压油,夏季选用N46#液压油，通过液位计YWZ-80T可观察油位和油温。液压油需半年更换一次,并清理油箱。

3、执行元件的选择

根据液压系统的运动分析，本设计中要实现的运动均为直线运动，故可采用活塞液压缸或柱塞液压缸。又因为只要求一个方向工作，反向退回，故采用单活塞杆液压缸，并且由于负载力与活塞杆轴线重合，故不必采用柱塞缸。 4、液压泵的选择

根据液压系统的设计要求，该系统最高压力p=4.5Mpa，故可以采用双作用叶片泵或齿轮泵。

3.3执行元件的工作参数的确定

3.3.1确定液压缸的参数计算与结构设计

1、CK6163液压传动系统中采用的液压缸及其参数为：

（1）液压卡盘液压缸：外作用力R=800kg，最大工作压力p=4MPa; （2）液压尾座液压缸：外作用力R=800kg，最大工作压力p=4MPa; （3）液压中心架液压缸：外作用力R=200kg，最大工作压力p=4MPa; 2、液压缸参数计算

（1）卡盘液压缸参数计算

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液压卡盘一般选用德川MS105-MS200，查阅资料可知流量为20L/min压力为4MPa由此可选出VPVC-F40中低压力叶片泵。根据其压力、流量特性曲线可知所需电动机功率最大可为1.5kw。根据流量和压力可选出液压阀规格和型号.我们选用直径为φ6通用液压阀,流量为40L/min,压力为20MPa。

（2）尾座液压缸参数计算

液压缸负载F，其受力分析如图4，查文献[2]表20-2-15中公式

F=

R? （1）

式中 R——液压缸外作用力

?——液压缸总效率

查参考文献[2]表20-6-3及参考文献[1]中的经验公式，在额定压力下的液压缸，总效率为η=0.9-0.95 ，取η=0.93，变档阶段液压缸所受外作用力F=800kg，代入公式（1）得： F=

R? =

8000.93=860kg

计算油缸面积A=

FP=

860kg4MPa=0.002107m2=2107mm2

计算液压缸直径D=d=0.5D=40mm。 计算所需流量Q

4A??4?21073.14 =51.8mm,可圆整为D=80mm,活塞杆直径油缸无杆腔充满油液时油缸容积 V=

?DL42

=

3.14?80?28042mm3 图4 液压缸受力分析图 F-负载力 Ffs-摩擦力 v-速度 D-液压缸直径 =50.24?28cm3

d-活塞杆直径 P1-液压油进口 P2-液压油出口 =1.407dm3

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因为顶紧时间为300/50=6秒,也就是油缸的无杆腔充满油液需要6秒,因此计算流量Q Q=V×60/6 =1.407×60/6dm3 =14.07L/min

根据压力和流量可选择流量为23L/min,压力调整范围为0.8～5Mpa的液压泵即可满足要求。

（3）中心架液压缸参数计算

液压缸负载F，其液压缸受力分析同图4，查文献[2]表20-2-15中公式

F=

R? （2）

式中 R——液压缸外作用力

?——液压缸总效率

查参考文献[2]表20-6-3及参考文献[1]中的经验公式，在额定压力下的液压缸，总效率为η=0.9-0.95 ，取η=0.93，中心架液压缸所受外作用力R=200kg，代入公式（2）得： F=

R?F =

2000.93=215kg

计算油缸面积A=

P=

215kg4MPa=0.00052675m2=526.75mm2

计算液压缸直径:D=d=0.5D=20mm。

4A?=

4?526.753.14=25.9mm，可圆整为D=40mm,活塞杆直径

计算所需流量Q，油缸无杆腔充满油液时油缸容积

V=

?DL42

=3.14?402?80/4mm3=100.5cm3=0.1005dm3

因为换档时间为1秒,也就是油缸无杆腔充满油液需要1秒,因此计算流量Q

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Q=V×60=0.1005×60dm3=6.23L/min

根据压力和流量可选择流量为8L/min，压力调整范围为0.8～5MPa的液压泵，即可满足要求。

3、 液压缸的壁厚

（1）液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，查参考文献[16]表4-17，其壁厚按薄壁圆筒公式有为：

δ?PVD2[σ] （3）

式中 δ——液压缸壁厚，m； D ——液压缸内径，m；

Pv——试验压力，一般取最大工作压力的1．25—1．5倍，低压系统取1.5倍； [σ]——缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢：[σ]＝110-120 MPa; 无缝钢管[σ]＝100-110 MPa。

采用无缝钢管，取[σ]＝110 MPa，试验压力PV=1.5×4=6 MPa。代入公式（3）得： 尾座液压缸壁厚：δpVD2[σ]pVD2[σ]?=

6?0.082?110=0.0022m=2.2mm，故取其壁厚为7.5mm。

中心架液压缸壁厚：δ?=

6?0.042?110=0.0011m=1.1mm，故取其壁厚为5mm。

（2）缸筒壁厚的验算

液压缸的额定压力Pn值应低于一定的极限值,保证工作安全。

σ P?0.35n?D2?D2??s??1?D12 （4）

为避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力Pn值应与塑性变形压力有一定的比

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例范围。

（5） Pn?(0.135~0.42)PPL

PPL?2.3σslogD1D （6）

式中 D--------缸筒内径（m）；

D1---------缸筒外径 (m) ,D1=D+2δ； Pn ---------液压缸的额定压力 (MPa)；

PPL--------- 缸筒发生完全塑性变形时的压力 (MPa)； σs -------缸筒材料的屈服点 (MPa)；

查参考文献[4]表15-1，缸筒材料的屈服强度σs=285MPa，将σs代入公式（4）得：

285?0.24?0.2022Pn?0.35??0.242=30.48MPa

将ss代入公式（6）得：

PPL?2.3?285?log0.240.20=51.90MPa

取Pn?0.42PPL=0.42×51.90=21.80 MPa

液压缸的额定压力Pn=4MPa，所以缸筒厚度合格。

（3）缸底厚度计算

设计缸筒底部为平面，其厚度可以按照四周的圆盘强度公式近似计算。查参考文献[2]表20-6-8，由公式：

??0.433D0Pn? （7）

p式中 ? -------- 缸筒底部厚度（m）；

； D0 -------- 缸筒底部内径（m）

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pn --------液压缸的额定压力 (MPa)；

?P--------缸筒底部材料的许用应力 (MPa)，?P??Sn，取n=2，σs=285 MPa，

算得σp=142.5 MPa；代入公式（7）得： 所以，尾座液压缸缸底的壁厚?≥0.433×0.08×4142.5=0.0058m，取6mm。

4中心架液压缸缸底的壁厚?≥0.433×0.04×=0.0029m，取3mm。

142.54、活塞杆的强度计算

活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力的作用，其受力如图4所示：

查参考文献[2]，只受轴向推力的作用时，则可以近似地用直杆承受的简单强度计算公式进行计算：

F?10?6 ???4（8） ??P

d2式中 F——活塞杆的作用力，N；

d——活塞杆直径，m；

σp——材料的许用应力，无缝钢管σp=100-110MPa； 液压缸受轴向推力的作用，F，d带入公式（8），计算得： 卡盘液压缸已选用成品件，不需要校核； 尾座液压缸F=800kg，d=40mm，所以σ=

7.84?10?3?4 =6.24MPa＜σp。

2?0.04中心架液压缸F=200kg，d=20mm，所以σ=

1.96?10?3?4 =24.97 MPa＜σp。

2?0.02所以活塞杆强度满足要求。 5、液压缸的结构设计

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液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。

（1）缸体与缸盖的连接形式

缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。常见的有法兰连接、螺纹连接、外半环连接、内半环连接。通过参考文献[1] P14表2-7选择螺纹连接，其优点是：a 外形尺寸小 b较轻。缺点是：端部工艺要求较高，装卸时要用专用工具。

（2）活塞杆与活塞的连接结构

以中心架液压缸活塞杆与活塞为例分析其的连接结构，通过参考文献[3]，确定液压缸采用整体式结构，这种连接结构简单，适用于缸径较小的液压缸，如图5和图6。

图5 整体式结构（剖视图） 图6 整体式结构（外形图） 图7 螺纹连接结构 后来考虑到这种结构，活塞的直径为40mm，活塞杆直径为20mm，加工中，先车削出活塞外径，再车削出活塞杆直径20mm，会造成很大的材料浪费，采用螺纹连接结构，结构简单，便于活塞、活塞杆的加工。如图7。

（3）活塞杆导向部分的结构

活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向变的位置可安装在密封圈的内侧，也可以在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧，防止在高压下工作时，密封固有足够的油压将唇边张开，这样提高了

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密封性能。

其特点是：a 端部与活塞杆直接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个端盖。

b 盖与杆的密封常用O型、Y型密封圈。 c 防尘圈选用无骨架的防尘圈。

（4）密封圈选用

密封的分类：可分为静密封和动密封两种。

a 静密封 在正常工作的时候，无相对运动的零件的配合表面之间的密封叫静密封。 b 动密封 在正常工作的时候，具有相对运动的零件配合表面之间的密封叫动密封。 静密封和动密封都可以达到完全密封，但某些动密封部位有一定的泄漏量，可以起到润滑作用，减小摩擦和磨损。

活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈，通过参考文献[3] P17，选用O型圈加挡圈的形式。

3.3.2拟定系统原理图 1、 注意事项

在拟定液压系统时，注意了以下几方面向题： （1）防止回路间可能存在的相互干扰。

（2）确保系统安全可靠 液压系统运行中的不安全因素是多种多样的。例如异常的负载、停电，外部环境条件的急剧变化，操作人员的误操作等，都必须有相应的安全回路或措施，确保人身及设备安全。例如，为了防止工作部件的漂移、下滑、超速等，应有锁紧、平衡、限速等回路；为了防止由于操作者的误操作，或由于液压元件失灵而产生误动作，应有误动作防止回路等。

2、将各个回路图合成，整个设计的液压系统图就初步绘制了，再检查并加以补充完善，便可以绘制出正式的液压系统原理图。如图8：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2bb2.html