卧式钻床液压系统设计

卧式钻床液压系统设计摘要液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门和农林牧渔等许多部门得到越来越广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部分就越多。本文根据实际情况进行负载分析，设计一套全自动专用钻床的液压回路，对所需液压元件和电动机等进行分析、计算、选择和校验，详细阐述了怎样进行液压系统的设计。关键词：卧式钻床；液压系统；液压元件；设计1 引言在机械制造中，对单件或小批量生产的工件，许多工厂采用通用机床加工。由于通用机床要适应被加工零件形状和尺寸的要求，故机床结构一般比较复杂。不仅如此，在实际加工中，由于只能单人单机操作，一道一道工序地完成，所以工人的劳动强度大、生产率低，工件的加工质量也不稳定。针对以上的问题，组合机床便出现并逐步发展起来。组合机床是根据加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成一种高效组合机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方法，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。 组合机床一般用于加工箱体类或特殊形式的零件。加工时，工件一般不旋转，有刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动来实现各种加工。组合机床的设计，目前基本上有两种方式：第一，是根据具体加工对象的特征进行专门设计，这是当前最普遍也是最实用的做法。第二，随着组合机床在我国机械行业的广泛使用，广大工人和技术人员总结出生产和使用组合机床的经验，发现组合机床不仅在其组成部件方面有共性，可设计成通用部件，而且一些行业在完成一定工艺范围内的组合机床是极其相似的，有可能设计成通用部件，这种机床称为“专用组合机床”。这种组合机床不需要每次按具体对象进行专门设计和生产，而是设计成通用品种，组织成批量生产，然后按被加工零件的具体需要，配以简单的夹具和刀具，即可组成加工一定对象的高效率设备。 为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。近二十年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率重量比和大功率的液压控制系统的需要不断扩大，促使液压控制技术迅速发展。特别是反馈控制技术在液压系统只中的应用，电子技术与液压技术的结合，使这门技术不论在元件和系统方面、理论与应用方而都日趋完善和成熟，并形成为一门学科，成为液压技术的重要发展方向之一。目前液压控制技术已经企业和部门得到广泛应用，诸如冶金、机械等工业部门，飞机、船舶交通部门，航空航天技术，海洋技术近代科学试验等。 我国于五十年代开始液压伺服元件和系统的研究工作，现在已生产几种系列电液伺服阀产品，液压控制系统也在越来越多的部门得到了成功的应用。随着国民经济的发展，液压控制技术会在我国机械制造行业的发展中起到更关键的作用。2 运动参数分析工作台液压缸负载力（KN）：FL2.0 夹紧液压缸负载力（KN）：Fc 4.8 工作台液压缸移动件重力（KN）：G3.5 夹紧液压缸负移动件重力（N）：Gc45 工作台快进、快退速度（m/min）：V1=V36.5 夹紧液压缸行程（mm）：Lc10 工作台工进速度（mm/min）：V248 夹紧液压缸运动时间（S）：tc1 工作台液压缸快进行程（mm）：L1 450 导轨面静摩擦系数：s=0.2工作台液压缸工进行程（mm）：L2 80 导轨面动摩擦系数：d=0.1工作台启动时间（S）：Dt=0.5 根据主机要求画出动作循环图，然后根据动作循环图和速度要求画出速度与路程的工况图，如图2.1所示。 夹紧 快进 工进 快退 松开图2.1 速度与路程的工况图2.1 负载与运动分析2.1.1工作负载(1）夹紧缸工作负载： 夹紧缸最大夹紧力夹紧缸最小夹紧力由于夹紧缸的工作对于系统的整体操作的影响不是很高，所以在系统的设计计算中把夹紧缸的工作过程简化为全程的匀速直线运动，所以不考虑夹紧缸的惯性负载等一些其他的因素。(2)工作台液压缸工作负载极为切削阻力。2.1.2摩擦负载摩擦负载即为导轨的摩擦阻力：(1)静摩擦阻力 =m(2)动摩擦阻力2.1.3惯性负载 2.1.4负载图与速度图的绘制快进 工进 快退 因为液压缸的受力还有密封阻力，所以假设液压缸机械效率cm=0.9，得出液压缸在各工作阶段的负载和推力，如表2.1所示。表2.1液压缸在各工作阶段的负载和推力工况负载组成液压缸负载F/N液压缸推力启动700777.8加速427.38474.87快进350388.9工进23502611.1反向启动700777.8加速427.38474.87快退350388.9表2.2 液压缸负载与工作压力之间的关系负载/ KN50工作压力/MPa0.811.522.5334455表2.3 液压缸内径尺寸系列（mm）81012162025324050638090100110125140160180200220250320400500630表2.4 活塞杆直径尺寸系列：（mm）456810121416182022252832364045505563708090100110125140160180200220250280320136400图二 速度与路程的工况图图三 负载与路程的工况图3 计算液压缸尺寸和所需流量3.1 计算液压缸尺寸3.1.1工作压力的确定查表2.2，取工作压力P=1MPa3.1.2计算液压缸尺寸（1）液压缸的有效工作面积A1 A1 = =2611（mm2）液压缸内径： D=(4A1/)1/2=57.7(mm)查表2.3，取标准值D=63mm（2）活塞杆直径： 要求快进与快退的速度相等，故用差动连接方式，所以，取d=0.7D=44.1mm,查表四，取标准值d=45mm。（3）缸径、杆径取标准值后的有效工作面积：无杆腔有效工作面积： A1=D2=X632=3116（mm2）活塞杆面积：A3=d2=X452=1590（mm2）有杆腔有效工作面积： A2=A1-A3=3116-1590=1526（mm2）图2.2 液压缸尺寸示意图3.2确定液压缸所需的流量快进流量快退流量工进流量3.3夹紧缸的有效面积、工作压力和流量的确定（1）确定夹紧缸的工作压力：查表2.2，取工作压力（2）计算夹紧缸有效面积、缸径、杆径：夹紧缸有效面积夹紧缸直径取标准值为则夹紧缸的有效面积为:活塞杆直径夹紧缸在最小夹紧力时的工作压力为： （3）计算夹紧缸的流量4 确定液压系统方案并拟定液压系统图4.1 确定执行元件的类型（1）工作缸：根据本设计的特点要求，选用无杆腔面积等于两倍有杆腔面积的差动液压缸1。（2）夹紧缸：由于结构上的原因和为了有较大的有效工作面积，采用单杆液压缸。4.2 换向方式确定为了便于工作台在任意位置停止，使调整方便，所以采用三位换向阀。为了便于组成差动连接，应采用三位五通换向阀。考虑本设计机器工作位置的调整方便性和采用液压夹紧的具体情况，采用“Y”型机能的三位五通换向阀。图4.1 “Y”型机能的三位五通换向阀4.3 调整方式的选择在组合机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据钻、镗类专机工作时对对低速性能和速度负载都有一定要求的特点，采用调速阀进行调速。为了便于实现压力控制，采用进油节流调速。同时为了考虑低速进给时的平稳性，以和避免钻通孔终了时出现前冲现象，在回油路上设有背压阀。4.4快进转工进的控制方式的选择为了保证转换平稳、可靠、精度高，采用行程控制阀。4.5终点转换控制方式的选择根据镗削时停留和控制轴向尺寸的工艺要求，本机采用行程开关和压力继电器加死挡铁控制。4.6实现快速运动的供油部分设计因为快进、快退和工进的速度相差很大，为了减少功率损耗，采用双联泵驱动（也可采用变量泵）。工进时中压小流量泵供油，并控制液压卸荷阀，使低压大流量泵卸荷；快进时两泵同时供油。4.7夹紧回路的确定 由于夹紧回路所需压力低于进给系统压力，所以在供油路上串接一个尖压阀。此外为了防止主系统压力下降时（如快进和快退）影响夹紧系统的压力，所以在减压阀后串接一个单向阀。夹紧缸只有两种工作状态，故采用二位阀控制。这里采用二位五通带钢球定位的电磁换向阀。为了实现夹紧后才能让滑台开始快进的顺序动作，并保证进给系统工作时夹紧系统的压力始终不低于所需要的最小夹紧力，故在夹紧回路上安装一个压力继电器。当压力继电器工作时，滑台进给；当夹紧力降到压力继电器复位时，换向阀回到中位，进给停止。根据以上分析，绘出液压系统图如下图所示图4.2 液压系统图（详见图纸）1-油箱 2-过滤器 3,6,16-单向阀 4-叶片泵(大) 5-液控顺序阀 7-顺序阀 8-二位五通电磁换向阀 9,12,19-溢流阀 10,18-单杆活塞液压缸 11,15-压力继电器 13-三位四通电磁换向阀14-二位三通电磁换向阀 17-调速阀表6-1液压机工作循环表和电磁铁动作循环动作名信号来源电磁铁动作状态1DT2DT3DT4DT5DT液压缸夹紧4DT通电+快进2DT通电+工进压力继电器动作，行程阀15动作+快退压力继电器动作，1DT,5DT得电2DT断电+-+松开1DT断电，3DT得电。+注：“+”表示电磁铁得电和行程阀压下，“-”表示电磁铁失电和行程阀原位。4.8液压系统原理图工作原理分析夹紧：4DT得电，电磁换向阀右位工作，夹紧缸左移，夹紧工件。进油路：泵4单向阀6顺序阀7电磁换向阀阀8（右位）液压缸无杆腔。回油路：液压缸有杆腔电磁换向阀8(左位）油箱。快进：2DT得电，电磁换向阀右位工作，差动连接。进油路：泵4单向阀3电磁换向阀13（右位）行程阀15（右位）液压缸18无杆腔 。 回油路：液压缸18有杆腔电磁换向阀14(左位）行程阀15（右位）液压缸18无杆腔。工进：快进行程到位，挡铁压下，行程阀15左位工作，切断差动回路，液压系统工作压力升高，液控顺序阀12打开，大泵卸荷，只有小泵向系统供油，回油路上接背压阀防止。进油路：小泵4电磁换向阀13（右位）调速阀17液压缸18无杆腔。回油路：液压缸18有杆腔电磁换向阀14（右位）电磁换向阀13（右位）背压阀12油箱。快退：压力继电器发出信号，2DT断电，1DT,5DT得电。进油路：泵4单向阀3电磁换向阀13（左位）电磁换向阀14（右位）液压缸18有杆腔。回油路：液压缸18无杆腔单向阀16电磁换向阀13（左位）背压阀12油箱。松开：快退结束后，挡块压下行程开关，1DT断电，电磁换向阀13处于中位，液压缸失去动力源，停止运动，同时3DT得电，夹紧缸松开。进油路：泵4单向阀6电磁换向阀8（左位）液压缸10有杆腔；回油路：液压缸10无杆腔电磁换向阀8（左位）油箱。5 选择液压元件和确定辅助装置5.1选择液压泵（1）泵的工作压力的确定：初算时可取P=0.5MPa-1.2MPa,考虑背压，现取P=1MPa。它的工作压力初定为。式中P为液压缸的工作压力；P为系统的压力损失。表5.1 执行元件背压力估计值 系统类型背压力/MPa中低压系统0-8MPa简单系统和一般轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.50.8回油路带背压阀0.51.5采用带补液泵的闭式回路0.81.5（2）泵的流量的确定：1.快速进退时泵的流量：由于液压缸采用差动连接方式，而有杆腔有效面积A2小于活塞杆面积A3，故在速度相等的情况下，快退所需的流量小于快进的流量2，故按快进考虑。快进时缸所需的流量为：快进时泵应供油量为：式中K为系统的泄漏系数，一般K=1.1-1.3，此处取K=1.1。2.工进时泵的流量：工进时缸所需的流量为：工进时泵应供流量为：考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，需加上溢流阀的最小溢流量（一般取3L/min）,所以根据组合机床的具体情况从产品样本中选用YB-4/6型双联叶片泵，此泵在快速进退时（低压状态下双泵供油）提供流量为：在工进时（高压状态下小流量的泵供油）提供的流量为故所选泵符合系统要求。（3）验算快进、快退的实际速度：5.2选择阀类元件各类阀可按通过该阀的最大流量和实际工作压力选取，阀的调整压力值，必须在确定了管路的压力损失和阀的压力损失后才能确定。5.3确定油管尺寸（1） 油管内径的确定：可按下式计算：泵的最大流量为10L/min,但在系统快进时，部分油管流量可达20L/min。按20L/min计算，取V为 4m/s,则(2) (3)按标准选取油管：可按标准选取内径d=10mm，壁厚为1mm的紫铜管，安装方便处可选用内径d=10mm，外径D=16mm的无缝钢管。5.4 确定油箱容量本设计为中压系统，油箱有效容量可按泵每分钟内公称流量的5-7倍来确定。5.5工进时所需的功率根据，工进时油路的流量仅为0.15L/min，因此流速很小，所以沿程压力损失和局部压力损失都非常小，可以忽略不计。这时进油路上只考虑调速阀的损失0.6MPa，回油路上只有被压阀损失，还有夹紧缸的压力2MPa，小流量泵的调整压力p=p1+2+0.6+0.8=4.3MPa工进时泵1的调整压力为4.3MPa流量为4L/min.泵2卸荷时，其卸荷压力可视为零取其效率=0.75 所以工进时所需电机功率为液压泵的最大公最压力（Pa）液压泵的输出流量（）5.6 快进快退时所需的功率表5.1液压元件规格表序号名称通过流量（L/min）型号和规格1.2双联叶片泵10YB-4/63三位五通电磁阀9.934EF3Y-E10B4减压阀1.87Y-10B5.安全阀3.375YF3-10B6背压阀1B-10B7顺序阀11.57AXF3-10B8.9.10.12.15单向阀11.57YAF3-Ea10B11行程阀-k-6B13调速阀1QF3-E6aB14二位五通电磁换向阀1.8723D-10B16.17压力继电器-PF-D8L6 确定电机功率由于快速运动所需电机功率大于工作进给所需电机功率，故可按快速所需的功率来选取电机，现按标准选取电机功率为1.1KW。具体型号可参考相关手册。7 液压系统的性能验算7.1油液温升验算工作在整个工作循环过程中所占的时间比例达92%，所以系统发热和油液升温可按工进时的工况来计算。工进时液压缸的有效功率为P=pq=Fv=2611.10.04860=2.1W这时大流量液压泵经过溢流阀卸荷，小流量泵在高压下供油，所以两个泵的总输出功率为P1=(4.30.00317)/(0.7560)=302.9 W由此求得液压系统的发热量为,当油箱的高、宽、长比例在1：1：1到1：2：3范围内，且油面高度为油箱高度的80时，油箱散热面积近似为：式中 V为油箱有效容积（）；A为散热面积。取油箱有效容积，散热系数，按计算，所以油液的温升为： 查得液压与气压传动章宏甲主编P338表8-19可知，此温升值没有超过允许范围3，所以该液压系统不必设置冷却器。7.2 验算系统压力损失由于系统的具体管道布置尚未具体确定,整个系统的压力损失无法全面估算。所以只能估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布置图后，加上管路的沿程损失和局部损失即可。本设计镗床液压系统为小型液压系统，管路的压力损失很小，可以不考虑。参考文献1 于英华. 组合机床设计. 机械出版社,2012,9(4):41- 44.2 雷天觉编. 液压工程手册. 机械工业出版社,1990,(01):59- 64.3 章宏甲编.液压与气压传动M.北京：机械工业出版社，2005：337-339.