臥式鉆床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、臥式鉆床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要液壓系統(tǒng)是以電機(jī)提供動(dòng)力基礎(chǔ)，使用液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力，推動(dòng)液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動(dòng)液壓缸做出不同行程、不同方向的動(dòng)作。完成各種設(shè)備不同的動(dòng)作需要。液壓系統(tǒng)已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)部門及農(nóng)林牧漁等許多部門得到越來越廣泛的應(yīng)用，而且越先進(jìn)的設(shè)備，其應(yīng)用液壓系統(tǒng)的部分就越多。本文根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行負(fù)載分析，設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)專用鉆床的液壓回路，對所需液壓元件及電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行分析、計(jì)算、選擇和校驗(yàn)，詳細(xì)闡述了怎樣進(jìn)行液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：臥式鉆床；液壓系統(tǒng)；液壓元件；設(shè)計(jì)1 引言在機(jī)械制造中，對單件或小批量生產(chǎn)的工件，許多工廠采用通用機(jī)床加工。由于通用機(jī)床要適應(yīng)

2、被加工零件形狀和尺寸的要求，故機(jī)床結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜。不僅如此，在實(shí)際加工中，由于只能單人單機(jī)操作，一道一道工序地完成，所以工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低，工件的加工質(zhì)量也不穩(wěn)定。針對以上的問題，組合機(jī)床便出現(xiàn)并逐步發(fā)展起來。組合機(jī)床是根據(jù)加工需要，以大量通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件組成一種高效組合機(jī)床。組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方法，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。 組合機(jī)床一般用于加工箱體類或特殊形式的零件。加工時(shí)，工件一般不旋轉(zhuǎn)，有刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具與工件的相對進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各種加工。組合機(jī)床的設(shè)計(jì)，目前基本上有兩種方式：第一，是根據(jù)具體加工對象的特征進(jìn)

3、行專門設(shè)計(jì)，這是當(dāng)前最普遍也是最實(shí)用的做法。第二，隨著組合機(jī)床在我國機(jī)械行業(yè)的廣泛使用，廣大工人和技術(shù)人員總結(jié)出生產(chǎn)和使用組合機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)組合機(jī)床不僅在其組成部件方面有共性，可設(shè)計(jì)成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝范圍內(nèi)的組合機(jī)床是極其相似的，有可能設(shè)計(jì)成通用部件，這種機(jī)床稱為“專用組合機(jī)床”。這種組合機(jī)床不需要每次按具體對象進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，而是設(shè)計(jì)成通用品種，組織成批量生產(chǎn)，然后按被加工零件的具體需要，配以簡單的夾具和刀具，即可組成加工一定對象的高效率設(shè)備。 為了使組合機(jī)床能在中小批量生產(chǎn)中得到應(yīng)用，往往需要應(yīng)用成組技術(shù)，把結(jié)構(gòu)和工藝相似的零件集中在一臺(tái)組合機(jī)床上加工，以提高機(jī)床

4、的利用率。近二十年來，許多工業(yè)部門和技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω唔憫?yīng)、高精度、高功率重量比和大功率的液壓控制系統(tǒng)的需要不斷擴(kuò)大，促使液壓控制技術(shù)迅速發(fā)展。特別是反饋控制技術(shù)在液壓系統(tǒng)只中的應(yīng)用，電子技術(shù)與液壓技術(shù)的結(jié)合，使這門技術(shù)不論在元件和系統(tǒng)方面、理論與應(yīng)用方而都日趨完善和成熟，并形成為一門學(xué)科，成為液壓技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。目前液壓控制技術(shù)已經(jīng)企業(yè)和部門得到廣泛應(yīng)用，諸如冶金、機(jī)械等工業(yè)部門，飛機(jī)、船舶交通部門，航空航天技術(shù)，海洋技術(shù)近代科學(xué)試驗(yàn)等。 我國于五十年代開始液壓伺服元件和系統(tǒng)的研究工作，現(xiàn)在已生產(chǎn)幾種系列電液伺服閥產(chǎn)品，液壓控制系統(tǒng)也在越來越多的部門得到了成功的應(yīng)用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，液

5、壓控制技術(shù)會(huì)在我國機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展中起到更關(guān)鍵的作用。2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析工作臺(tái)液壓缸負(fù)載力（KN）：FL2.0 夾緊液壓缸負(fù)載力（KN）：Fc 4.8 工作臺(tái)液壓缸移動(dòng)件重力（KN）：G3.5 夾緊液壓缸負(fù)移動(dòng)件重力（N）：Gc45 工作臺(tái)快進(jìn)、快退速度（m/min）：V1=V36.5 夾緊液壓缸行程（mm）：Lc10 工作臺(tái)工進(jìn)速度（mm/min）：V248 夾緊液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間（S）：tc1 工作臺(tái)液壓缸快進(jìn)行程（mm）：L1 450 導(dǎo)軌面靜摩擦系數(shù)：s=0.2工作臺(tái)液壓缸工進(jìn)行程（mm）：L2 80 導(dǎo)軌面動(dòng)摩擦系數(shù)：d=0.1工作臺(tái)啟動(dòng)時(shí)間（S）：Dt=0.5 根據(jù)主機(jī)要求畫出動(dòng)作循環(huán)

6、圖，然后根據(jù)動(dòng)作循環(huán)圖和速度要求畫出速度與路程的工況圖，如圖2.1所示。 夾緊 快進(jìn) 工進(jìn) 快退 松開圖2.1 速度與路程的工況圖2.1 負(fù)載與運(yùn)動(dòng)分析2.1.1工作負(fù)載(1）夾緊缸工作負(fù)載： 夾緊缸最大夾緊力夾緊缸最小夾緊力由于夾緊缸的工作對于系統(tǒng)的整體操作的影響不是很高，所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中把夾緊缸的工作過程簡化為全程的勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以不考慮夾緊缸的慣性負(fù)載等一些其他的因素。(2)工作臺(tái)液壓缸 工作負(fù)載極為切削阻力。2.1.2摩擦負(fù)載   摩擦負(fù)載即為導(dǎo)軌的摩擦阻力：      (1)靜

7、摩擦阻力  =m(2)動(dòng)摩擦阻力2.1.3慣性負(fù)載 2.1.4負(fù)載圖與速度圖的繪制快進(jìn) 工進(jìn) 快退 因?yàn)橐簤焊椎氖芰€有密封阻力，所以假設(shè)液壓缸機(jī)械效率cm=0.9，得出液壓缸在各工作階段的負(fù)載和推力，如表2.1所示。表2.1液壓缸在各工作階段的負(fù)載和推力工況負(fù)載組成液壓缸負(fù)載F/N液壓缸推力啟動(dòng)700777.8加速427.38474.87快進(jìn)350388.9工進(jìn)23502611.1反向啟動(dòng)700777.8加速427.38474.87快退350388.9表2.2 液壓缸負(fù)載與工作壓力之間的關(guān)系負(fù)載/ KN<5510102020303050>50工作壓力/MPa<0.

8、811.522.5334455表2.3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（mm）81012162025324050638090100110125140160180200220250320400500630表2.4 活塞桿直徑尺寸系列：（mm）456810121416182022252832364045505563708090100110125140160180200220250280320136400圖二 速度與路程的工況圖圖三 負(fù)載與路程的工況圖3 計(jì)算液壓缸尺寸和所需流量3.1 計(jì)算液壓缸尺寸3.1.1工作壓力的確定查表2.2，取工作壓力P=1MPa3.1.2計(jì)算液壓缸尺寸（1）液壓缸的有效工作面積A1

9、 A1 = =2611.11000000=2611（mm2）液壓缸內(nèi)徑： D=(4A1/)1/2=57.7(mm)查表2.3，取標(biāo)準(zhǔn)值D=63mm（2）活塞桿直徑： 要求快進(jìn)與快退的速度相等，故用差動(dòng)連接方式，所以，取d=0.7D=44.1mm,查表四，取標(biāo)準(zhǔn)值d=45mm。（3）缸徑、桿徑取標(biāo)準(zhǔn)值后的有效工作面積：無桿腔有效工作面積： A1=D2=X632=3116（mm2）活塞桿面積：A3=d2=X452=1590（mm2）有桿腔有效工作面積： A2=A1-A3=3116-1590=1526（mm2）圖2.2 液壓缸尺寸示意圖3.2確定液壓缸所需的流量快進(jìn)流量快退流量工進(jìn)流量3.3夾緊缸的

10、有效面積、工作壓力和流量的確定（1）確定夾緊缸的工作壓力：查表2.2，取工作壓力（2）計(jì)算夾緊缸有效面積、缸徑、桿徑：夾緊缸有效面積夾緊缸直徑取標(biāo)準(zhǔn)值為則夾緊缸的有效面積為:活塞桿直徑夾緊缸在最小夾緊力時(shí)的工作壓力為： （3）計(jì)算夾緊缸的流量4 確定液壓系統(tǒng)方案并擬定液壓系統(tǒng)圖4.1 確定執(zhí)行元件的類型（1）工作缸：根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)要求，選用無桿腔面積等于兩倍有桿腔面積的差動(dòng)液壓缸1。（2）夾緊缸：由于結(jié)構(gòu)上的原因和為了有較大的有效工作面積，采用單桿液壓缸。4.2 換向方式確定為了便于工作臺(tái)在任意位置停止，使調(diào)整方便，所以采用三位換向閥。為了便于組成差動(dòng)連接，應(yīng)采用三位五通換向閥?？紤]本設(shè)計(jì)機(jī)

11、器工作位置的調(diào)整方便性和采用液壓夾緊的具體情況，采用“Y”型機(jī)能的三位五通換向閥。圖4.1 “Y”型機(jī)能的三位五通換向閥4.3 調(diào)整方式的選擇在組合機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或調(diào)速閥。根據(jù)鉆、鏜類專機(jī)工作時(shí)對對低速性能和速度負(fù)載都有一定要求的特點(diǎn)，采用調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速。為了便于實(shí)現(xiàn)壓力控制，采用進(jìn)油節(jié)流調(diào)速。同時(shí)為了考慮低速進(jìn)給時(shí)的平穩(wěn)性，以及避免鉆通孔終了時(shí)出現(xiàn)前沖現(xiàn)象，在回油路上設(shè)有背壓閥。4.4快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)的控制方式的選擇為了保證轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、可靠、精度高，采用行程控制閥。4.5終點(diǎn)轉(zhuǎn)換控制方式的選擇根據(jù)鏜削時(shí)停留和控制軸向尺寸的工藝要求，本機(jī)采用行程開關(guān)和壓力繼電器加死擋鐵

12、控制。4.6實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的供油部分設(shè)計(jì)因?yàn)榭爝M(jìn)、快退和工進(jìn)的速度相差很大，為了減少功率損耗，采用雙聯(lián)泵驅(qū)動(dòng)（也可采用變量泵）。工進(jìn)時(shí)中壓小流量泵供油，并控制液壓卸荷閥，使低壓大流量泵卸荷；快進(jìn)時(shí)兩泵同時(shí)供油。4.7夾緊回路的確定 由于夾緊回路所需壓力低于進(jìn)給系統(tǒng)壓力，所以在供油路上串接一個(gè)尖壓閥。此外為了防止主系統(tǒng)壓力下降時(shí)（如快進(jìn)和快退）影響夾緊系統(tǒng)的壓力，所以在減壓閥后串接一個(gè)單向閥。夾緊缸只有兩種工作狀態(tài)，故采用二位閥控制。這里采用二位五通帶鋼球定位的電磁換向閥。為了實(shí)現(xiàn)夾緊后才能讓滑臺(tái)開始快進(jìn)的順序動(dòng)作，并保證進(jìn)給系統(tǒng)工作時(shí)夾緊系統(tǒng)的壓力始終不低于所需要的最小夾緊力，故在夾緊回路上安裝

13、一個(gè)壓力繼電器。當(dāng)壓力繼電器工作時(shí)，滑臺(tái)進(jìn)給；當(dāng)夾緊力降到壓力繼電器復(fù)位時(shí)，換向閥回到中位，進(jìn)給停止。根據(jù)以上分析，繪出液壓系統(tǒng)圖如下圖所示圖4.2 液壓系統(tǒng)圖（詳見圖紙）1-油箱 2-過濾器 3,6,16-單向閥 4-葉片泵(大) 5-液控順序閥 7-順序閥 8-二位五通電磁換向閥 9,12,19-溢流閥 10,18-單桿活塞液壓缸 11,15-壓力繼電器 13-三位四通電磁換向閥14-二位三通電磁換向閥 17-調(diào)速閥表6-1液壓機(jī)工作循環(huán)表及電磁鐵動(dòng)作循環(huán)動(dòng)作名信號(hào)來源電磁鐵動(dòng)作狀態(tài)1DT2DT3DT4DT5DT液壓缸夾緊4DT通電+快進(jìn)2DT通電+工進(jìn)壓力繼電器動(dòng)作，行程閥15動(dòng)作+快退

14、壓力繼電器動(dòng)作，1DT,5DT得電2DT斷電+-+松開1DT斷電，3DT得電。+注：“+”表示電磁鐵得電和行程閥壓下，“-”表示電磁鐵失電和行程閥原位。4.8液壓系統(tǒng)原理圖工作原理分析夾緊：4DT得電，電磁換向閥右位工作，夾緊缸左移，夾緊工件。進(jìn)油路：泵4單向閥6順序閥7電磁換向閥閥8（右位）液壓缸無桿腔?；赜吐罚阂簤焊子袟U腔電磁換向閥8(左位）油箱。快進(jìn)：2DT得電，電磁換向閥右位工作，差動(dòng)連接。進(jìn)油路：泵4單向閥3電磁換向閥13（右位）行程閥15（右位）液壓缸18無桿腔 。 回油路：液壓缸18有桿腔電磁換向閥14(左位）行程閥15（右位）液壓缸18無桿腔。工進(jìn)：快進(jìn)行程到位，擋鐵壓下，行程

15、閥15左位工作，切斷差動(dòng)回路，液壓系統(tǒng)工作壓力升高，液控順序閥12打開，大泵卸荷，只有小泵向系統(tǒng)供油，回油路上接背壓閥防止。進(jìn)油路：小泵4電磁換向閥13（右位）調(diào)速閥17液壓缸18無桿腔?；赜吐罚阂簤焊?8有桿腔電磁換向閥14（右位）電磁換向閥13（右位）背壓閥12油箱。快退：壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，2DT斷電，1DT,5DT得電。進(jìn)油路：泵4單向閥3電磁換向閥13（左位）電磁換向閥14（右位）液壓缸18有桿腔?；赜吐罚阂簤焊?8無桿腔單向閥16電磁換向閥13（左位）背壓閥12油箱。松開：快退結(jié)束后，擋塊壓下行程開關(guān)，1DT斷電，電磁換向閥13處于中位，液壓缸失去動(dòng)力源，停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)3DT得電，

16、夾緊缸松開。進(jìn)油路：泵4單向閥6電磁換向閥8（左位）液壓缸10有桿腔；回油路：液壓缸10無桿腔電磁換向閥8（左位）油箱。5 選擇液壓元件和確定輔助裝置5.1選擇液壓泵（1）泵的工作壓力的確定：初算時(shí)可取P=0.5MPa-1.2MPa,考慮背壓，現(xiàn)取P=1MPa。它的工作壓力初定為。式中P為液壓缸的工作壓力；P為系統(tǒng)的壓力損失。表5.1 執(zhí)行元件背壓力估計(jì)值 系統(tǒng)類型背壓力/MPa中低壓系統(tǒng)0-8MPa簡單系統(tǒng)和一般輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.20.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)0.50.8回油路帶背壓閥0.51.5采用帶補(bǔ)液泵的閉式回路0.81.5（2）泵的流量的確定：1.快速進(jìn)退時(shí)泵的流量：由于液壓缸采用差

17、動(dòng)連接方式，而有桿腔有效面積A2小于活塞桿面積A3，故在速度相等的情況下，快退所需的流量小于快進(jìn)的流量2，故按快進(jìn)考慮?？爝M(jìn)時(shí)缸所需的流量為：快進(jìn)時(shí)泵應(yīng)供油量為：式中K為系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般K=1.1-1.3，此處取K=1.1。2.工進(jìn)時(shí)泵的流量：工進(jìn)時(shí)缸所需的流量為：工進(jìn)時(shí)泵應(yīng)供流量為：考慮到節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中溢流閥的性能特點(diǎn)，需加上溢流閥的最小溢流量（一般取3L/min）,所以根據(jù)組合機(jī)床的具體情況從產(chǎn)品樣本中選用YB-4/6型雙聯(lián)葉片泵，此泵在快速進(jìn)退時(shí)（低壓狀態(tài)下雙泵供油）提供流量為：在工進(jìn)時(shí)（高壓狀態(tài)下小流量的泵供油）提供的流量為故所選泵符合系統(tǒng)要求。（3）驗(yàn)算快進(jìn)、快退的實(shí)際速度：5.

18、2選擇閥類元件各類閥可按通過該閥的最大流量和實(shí)際工作壓力選取，閥的調(diào)整壓力值，必須在確定了管路的壓力損失和閥的壓力損失后才能確定。5.3確定油管尺寸（1） 油管內(nèi)徑的確定：可按下式計(jì)算：泵的最大流量為10L/min,但在系統(tǒng)快進(jìn)時(shí)，部分油管流量可達(dá)20L/min。按20L/min計(jì)算，取V為 4m/s,則(2) (3)按標(biāo)準(zhǔn)選取油管：可按標(biāo)準(zhǔn)選取內(nèi)徑d=10mm，壁厚為1mm的紫銅管，安裝方便處可選用內(nèi)徑d=10mm，外徑D=16mm的無縫鋼管。5.4 確定油箱容量本設(shè)計(jì)為中壓系統(tǒng)，油箱有效容量可按泵每分鐘內(nèi)公稱流量的5-7倍來確定。5.5工進(jìn)時(shí)所需的功率根據(jù)，工進(jìn)時(shí)油路的流量僅為0.15L/

19、min，因此流速很小，所以沿程壓力損失和局部壓力損失都非常小，可以忽略不計(jì)。這時(shí)進(jìn)油路上只考慮調(diào)速閥的損失0.6MPa，回油路上只有被壓閥損失，還有夾緊缸的壓力2MPa，小流量泵的調(diào)整壓力p=p1+2+0.6+0.8=4.3MPa工進(jìn)時(shí)泵1的調(diào)整壓力為4.3MPa流量為4L/min.泵2卸荷時(shí)，其卸荷壓力可視為零取其效率=0.75 所以工進(jìn)時(shí)所需電機(jī)功率為液壓泵的最大公最壓力（Pa）液壓泵的輸出流量（m3/s）5.6 快進(jìn)快退時(shí)所需的功率表5.1液壓元件規(guī)格表序號(hào)名稱通過流量（L/min）型號(hào)及規(guī)格1.2雙聯(lián)葉片泵10YB-4/63三位五通電磁閥9.934EF3Y-E10B4減壓閥1.87Y-10B5.安全閥3.375YF3-10B6背壓閥1B-10B7順序閥11.57AXF3-10B8.9.10.12.15單向閥11.57YAF3-Ea10B11行程閥-k-6B13調(diào)速閥<1QF3-E6aB14二位五通電磁換向閥1.8723D-10B16.17壓力繼電器-PF-D8L6 確定電機(jī)功率由于快速運(yùn)動(dòng)所需電機(jī)功率大于工作進(jìn)給所需電機(jī)功率，故可按快速所需的功率來選取電機(jī)，現(xiàn)按標(biāo)準(zhǔn)選取電機(jī)功率為1.1KW。具體型號(hào)可參考相關(guān)手冊。7 液壓