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1、- 臥式鉆床液壓系統(tǒng)設計 摘要 液壓系統(tǒng)是以電機提供動力根底，使用液壓泵將機械能轉化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作。完成各種設備不同的動作需要。液壓系統(tǒng)已經(jīng)在各個工業(yè)部門及農林牧漁等許多部門得到越來越廣泛的應用，而且越先進的設備，其應用液壓系統(tǒng)的局部就越多。本文根據(jù)實際情況進展負載分析，設計一套全自動專用鉆床的液壓回路，對所需液壓元件及電動機等進展分析、計算、選擇和校驗，詳細闡述了怎樣進展液壓系統(tǒng)的設計。 關鍵詞：臥式鉆床；液壓系統(tǒng)；液壓元件；設計 1 引言 在機械制造中，對單件或小批量生產的工件，許多工廠采用通用機

2、床加工。由于通用機床要適應被加工零件形狀和尺寸的要求，故機床構造一般比擬復雜。不僅如此，在實際加工中，由于只能單人單機操作，一道一道工序地完成，所以工人的勞動強度大、生產率低，工件的加工質量也不穩(wěn)定。針對以上的問題，組合機床便出現(xiàn)并逐步開展起來。組合機床是根據(jù)加工需要，以大量通用部件為根底，配以少量專用部件組成一種高效組合機床。組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方法，生產效率比通用機床高幾倍至幾十倍。 組合機床一般用于加工箱體類或特殊形式的零件。加工時，工件一般不旋轉，有刀具的旋轉運動和刀具與工件的相對進給運動來實現(xiàn)各種加工。組合機床的設計，目前根本上有兩種方式：第一

3、，是根據(jù)具體加工對象的特征進展專門設計，這是當前最普遍也是最實用的做法。第二，隨著組合機床在我國機械行業(yè)的廣泛使用，廣闊工人和技術人員總結出生產和使用組合機床的經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)組合機床不僅在其組成部件方面有共性，可設計成通用部件，而且一些行業(yè)在完成一定工藝圍的組合機床是極其相似的，有可能設計成通用部件，這種機床稱為“專用組合機床〞。這種組合機床不需要每次按具體對象進展專門設計和生產，而是設計成通用品種，組織成批量生產，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備。 為了使組合機床能在中小批量生產中得到應用，往往需要應用成組技術，把構造和工藝相似的零件集中在

4、一臺組合機床上加工，以提高機床的利用率。近二十年來，許多工業(yè)部門和技術領域對高響應、高精度、高功率—重量比和大功率的液壓控制系統(tǒng)的需要不斷擴大，促使液壓控制技術迅速開展。特別是反應控制技術在液壓系統(tǒng)只中的應用，電子技術與液壓技術的結合，使這門技術不管在元件和系統(tǒng)方面、理論與應用方而都日趨完善和成熟，并形成為一門學科，成為液壓技術的重要開展方向之一。目前液壓控制技術已經(jīng)企業(yè)和部門得到廣泛應用，諸如冶金、機械等工業(yè)部門，飛機、船舶交通部門，航空航天技術，海洋技術近代科學試驗等。 我國于五十年代開場液壓伺服元件和系統(tǒng)的研究工作，現(xiàn)在已生產幾種系列電液伺服閥產品，液壓控制系統(tǒng)也在越來越多的部門得到了

5、成功的應用。隨著國民經(jīng)濟的開展，液壓控制技術會在我國機械制造行業(yè)的開展中起到更關鍵的作用。 2 運動參數(shù)分析 工作臺液壓缸負載力〔KN〕：FL＝2.0 夾緊液壓缸負載力〔KN〕：Fc ＝4.8 工作臺液壓缸移動件重力〔KN〕：G＝3.5 夾緊液壓缸負移動件重力〔N〕：Gc＝45 工作臺快進、快退速度〔m/min〕：V1=V3＝6.5 夾緊液壓缸行程〔mm〕：Lc＝10 工作臺工進速度〔mm/min〕：V2＝48 夾緊液壓缸運動時間〔S〕：tc＝1 工作臺液壓缸快進展程〔mm〕：L1 ＝450 導軌面靜摩擦系數(shù)：μs=0.2 工作臺液壓缸工進展程〔mm〕：L2 ＝80

6、 導軌面動摩擦系數(shù)：μd=0.1 工作臺啟動時間〔S〕：Dt=0.5 根據(jù)主機要求畫出動作循環(huán)圖，然后根據(jù)動作循環(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 工進 快退 松開 圖2.1 速度與路程的工況圖 2.1 負載與運動分析 2.1.1工作負載 (1〕夾緊缸 工作負載： 夾緊缸最大夾緊力 夾緊缸最小夾

7、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)的設計計算中把夾緊缸的工作過程簡化為全程的勻速直線運動，所以不考慮夾緊缸的慣性負載等一些其他的因素。 (2)工作臺液壓缸 工作負載極為切削阻力。 2.1.2摩擦負載 摩擦負載即為導軌的摩擦阻力： (1)靜摩擦阻力 ==m (2)動摩擦阻力 2.1.3慣性負載 2.1.4負載圖與速度圖的繪制 快進 工進 快退 因為液壓缸的受力還有密封阻力，所以假設液壓缸機械效率ηcm=0.9，得出液壓缸在各工作階段的負載和推力，如表2.1所示。 表2.1液壓缸在各工作階段的負載和推力 工況

8、 負載組成 液壓缸負載F/N 液壓缸推力 啟動 700 777.8 加速 427.38 474.87 快進 350 388.9 工進 2350 2611.1 反向啟動 700 777.8 加速 427.38 474.87 快退 350 388.9 表2.2液壓缸負載與工作壓力之間的關系 負載/KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表2.3液壓缸徑尺寸系列〔mm〕 8 10 12

9、 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 320 400 500 630 表2.4活塞桿直徑尺寸系列：〔mm〕 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 55 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 136 400 圖二 速度與路程的工況圖 圖三負載與路程的工況

10、圖 3 計算液壓缸尺寸和所需流量 3.1 計算液壓缸尺寸 3.1.1工作壓力確實定 查表2.2，取工作壓力P=1MPa 3.1.2計算液壓缸尺寸 〔1〕液壓缸的有效工作面積A1 A1===2611〔mm2〕 液壓缸徑： D=(4A1/π)1/2=57.7(mm) 查表2.3，取標準值D=63mm 〔2〕活塞桿直徑： 要求快進與快退的速度相等，故用差動連接方式，所以，取d=0.7D=44.1mm,查表四，取標準值d=45mm。 〔3〕缸徑、桿徑取標準值后的有效工作面積： 無桿腔有效工作面積： A1=D2=*632=3116〔

11、mm2〕 活塞桿面積： A3=d2=*452=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 快進流量 快退流量 工進流量 3.3夾緊缸的有效面積、工作壓力和流量確實定 〔1〕確定夾緊缸的工作壓力： 查表2.2，取工作壓力 〔2〕計算夾緊缸有效面積、缸徑、桿徑： 夾緊缸有效面積 夾緊缸直徑 取標準值為 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的工作壓力為： 〔3〕計算夾緊缸的流量 4確定液壓系統(tǒng)方案并擬定液壓系統(tǒng)圖 4.1確

12、定執(zhí)行元件的類型 〔1〕工作缸：根據(jù)本設計的特點要求，選用無桿腔面積等于兩倍有桿腔面積的差動液壓缸[1]。 〔2〕夾緊缸：由于構造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 為了便于工作臺在任意位置停頓，使調整方便，所以采用三位換向閥。為了便于組成差動連接，應采用三位五通換向閥。考慮本設計機器工作位置的調整方便性和采用液壓夾緊的具體情況，采用“Y〞型機能的三位五通換向閥。 圖4.1“Y〞型機能的三位五通換向閥 4.3 調整方式的選擇 在組合機床的液壓系統(tǒng)中，進給速度的控制一般采用節(jié)流閥或調速閥。根據(jù)鉆、鏜類專機工作時對對低速性能和速度負載都有一定要求

13、的特點，采用調速閥進展調速。為了便于實現(xiàn)壓力控制，采用進油節(jié)流調速。同時為了考慮低速進給時的平穩(wěn)性，以及防止鉆通孔終了時出現(xiàn)前沖現(xiàn)象，在回油路上設有背壓閥。 4.4快進轉工進的控制方式的選擇 為了保證轉換平穩(wěn)、可靠、精度高，采用行程控制閥。 4.5終點轉換控制方式的選擇 根據(jù)鏜削時停留和控制軸向尺寸的工藝要求，本機采用行程開關和壓力繼電器加死擋鐵控制。 4.6實現(xiàn)快速運動的供油局部設計 因為快進、快退和工進的速度相差很大，為了減少功率損耗，采用雙聯(lián)泵驅動〔也可采用變量泵〕。工進時中壓小流量泵供油，并控制液壓卸荷閥，使低壓大流量泵卸荷；快進時兩泵同時供油。 4.7夾緊回路確實定

14、 由于夾緊回路所需壓力低于進給系統(tǒng)壓力，所以在供油路上串接一個尖壓閥。此外為了防止主系統(tǒng)壓力下降時〔如快進和快退〕影響夾緊系統(tǒng)的壓力，所以在減壓閥后串接一個單向閥。 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。 為了實現(xiàn)夾緊后才能讓滑臺開場快進的順序動作，并保證進給系統(tǒng)工作時夾緊系統(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一個壓力繼電器。當壓力繼電器工作時，滑臺進給；當夾緊力降到壓力繼電器復位時，換向閥回到中位，進給停頓。 根據(jù)以上分析，繪出液壓系統(tǒng)圖如下列圖所示 圖4.2液壓系統(tǒng)圖〔詳見圖紙〕 1-油箱 2-過濾器 3,6

15、,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-調速閥 表6-1液壓機工作循環(huán)表及電磁鐵動作循環(huán) 動作名 信號來源 電磁鐵動作狀態(tài) 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 液 壓 缸 夾緊 4DT通電 + 快進 2DT通電 + + 工進 壓力繼電器動作，行程閥15動作 + + 快退

16、 壓力繼電器動作，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。 回油路：液壓缸有桿腔→電磁換向閥8(左位〕→油箱。 快進：2DT得電，電磁換向閥右位工作，差動連接。 進油路：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 。

17、 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：快進展程到位，擋鐵壓下，行程閥15左位工作，切斷差動回路，液壓系統(tǒng)工作壓力升高，液控順序閥12翻開，大泵卸荷，只有小泵向系統(tǒng)供油，回油路上接背壓閥防止。 進油路：小泵4→電磁換向閥13〔右位〕→調速閥17→液壓缸18無桿腔。 回油路：液壓缸18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，2DT斷電，1DT,5DT得電。 進油路：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。 回油路：液壓缸1

18、8無桿腔→單向閥16→電磁換向閥13〔左位〕→背壓閥12→油箱。 松開：快退完畢后，擋塊壓下行程開關，1DT斷電，電磁換向閥13處于中位，液壓缸失去動力源，停頓運動，同時3DT得電，夾緊缸松開。 進油路：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〕泵的工作壓力確實定： 初算時可取∑△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)行元件背壓力估計值

19、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)流調速系統(tǒng) 0.2~0.5 回油路帶調速閥的系統(tǒng) 0.5~0.8 回油路帶背壓閥 0.5~1.5 采用帶補液泵的閉式回路 0.8~1.5 〔2〕泵的流量確實定： 1.快速進退時泵的流量： 由于液壓缸采用差動連接方式，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的流量[2]，故按快進考慮。 快進時缸所需的流量為： 快進時泵應供油量為： 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.工進時泵的流量： 工進時缸所需的流量為： 工

20、進時泵應供流量為： 考慮到節(jié)流調速系統(tǒng)中溢流閥的性能特點，需加上溢流閥的最小溢流量〔一般取3L/min〕,所以 根據(jù)組合機床的具體情況從產品樣本中選用YB-4/6型雙聯(lián)葉片泵，此泵在快速進退時〔低壓狀態(tài)下雙泵供油〕提供流量為： 在工進時〔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〕驗算快進、快退的實際速度： 5.2選擇閥類元件 各類閥可按通過該閥的最大流量和實際工作壓力選取，閥的調整壓力值，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） 油管徑確實定： 可按下式計算： 泵的最大流量為10L/min,但在系統(tǒng)快進時

21、，局部油管流量可達20L/min。按20L/min計算，取V為 4m/s,則 (2) (3)按標準選取油管： 可按標準選取徑d=10mm，壁厚為1mm的紫銅管，安裝方便處可選用徑d=10mm，外徑D=16mm的無縫鋼管。 5.4 確定油箱容量 本設計為中壓系統(tǒng)，油箱有效容量可按泵每分鐘公稱流量的5-7倍來確定。 5.5工進時所需的功率 根據(jù)，工進時油路的流量僅為0.15L/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。這時進油路上只考慮調速閥的損失0.6MPa，回油路上只有被壓閥損失，還有夾緊缸的壓力2MPa，小流量泵的調整壓力p=p1+2+0.6+

22、0.8=4.3MPa 工進時泵1的調整壓力為4.3MPa流量為4L/min.泵2卸荷時，其卸荷壓力可視為零取其效率η=0.75 所以工進時所需電機功率為 液壓泵的最大公最壓力〔Pa〕 液壓泵的輸出流量〔〕 5.6 快進快退時所需的功率 表5.1液壓元件規(guī)格表 序號 名稱 通過流量〔L/min〕 型號及規(guī)格 1.2 雙聯(lián)葉片泵 10 YB-4/6 3 三位五通電磁閥 9.9 34EF3Y-E10B 4 減壓閥 1.87 Y-10B 5. 平安閥 3.375 YF3-10B 6 背壓閥 ＜1 B-10B 7 順序閥 11.57

23、A*F3-10B 單向閥 11.57 YAF3-Ea10B 11 行程閥 -- k-6B 13 調速閥 <1 QF3-E6aB 14 二位五通電磁換向閥 1.87 23D-10B 16.17 壓力繼電器 -- PF-D8L 6確定電機功率 由于快速運動所需電機功率大于工作進給所需電機功率，故可按快速所需的功率來選取電機，現(xiàn)按標準選取電機功率為1.1KW。具體型號可參考相關手冊。 7液壓系統(tǒng)的性能驗算 7.1油液溫升驗算 工作在整個工作循環(huán)過程中所占的時間比例達92%，所以系統(tǒng)發(fā)熱和油液升溫可按工進時的工況來計算。 工進時液壓缸的

24、有效功率為 P=pq=Fv=2611.1×0.048÷60=2.1W 這時大流量液壓泵經(jīng)過溢流閥卸荷，小流量泵在高壓下供油，所以兩個泵的總輸出功率為 P1==(4.3××0.00317)/(0.75×60)=302.9 W 由此求得液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為 , 當油箱的高、寬、長比例在1：1：1到1：2：3圍，且油面高度為油箱高度的80％時，油箱散熱面積近似為： 式中 V為油箱有效容積〔〕；A為散熱面積。取油箱有效容積，散熱系數(shù)，按計算，所以油液的溫升為： 查得?液壓與氣壓傳動?章宏甲主編P338表8-19可知，此溫升值沒有超過允許圍[3]，所以該液壓系統(tǒng)不必設置冷卻器。 7.2

25、 驗算系統(tǒng)壓力損失 由于系統(tǒng)的具體管道布置尚未具體確定,整個系統(tǒng)的壓力損失無法全面估算。所以只能估算閥類元件的壓力損失，待設計好管路布置圖后，加上管路的沿程損失和局部損失即可。本設計鏜床液壓系統(tǒng)為小型液壓系統(tǒng)，管路的壓力損失很小，可以不考慮。 參考文獻 [1] 于英華. 組合機床設計. 機械,2021,9(4):41- 44. [2] 雷天覺編. 液壓工程手冊. 機械工業(yè),1990,(01):59- 64. [3] 章宏甲編.液壓與氣壓傳動[M].：機械工業(yè)，2005：337-339. . z