專用銑床液壓系統設計論文

　　專用銑床液壓系統設計論文【1】

　　【摘 要】通過設計液壓傳動系統，鞏固和深化已學的理論知識，掌握液壓系統系統設計計算的一般步驟和方法;正確合理地確定執行液壓機構，運用基本回路組成滿足基本性能要求的、高效的液壓系統;熟悉并運用有關國家標準、設計手冊和產品樣本等技術資料。

　　【關鍵詞】液壓系統;銑床;設計

　　1 液壓系統使用要求負載分析

　　1.1 使用要求

　　完成快進――工進――快退――停止的工作循環

　　1.2 負載分析

　　在負載分析中，先不考慮回油腔的背壓力，液壓缸的密封裝置產生的摩擦阻力在機械效率中加以考慮。

　　因為工作部件是臥式放置，重力的水平分力為零，這樣要考慮的力有：切削力、導軌摩擦力和慣性力。

　　導軌的正壓力等于動力部件的重力，設導軌的靜摩擦力為Fs，動摩擦力為Fd，則

　　如果忽略切削力引起的顛覆力矩對導軌摩擦力的影響，并設液壓缸的機械效率ηm=0.93，則液壓缸在各工作階段的總機械負載可以算出，如下表：

　　表1 液壓缸各運動階段負載表

　　根據負載計算結果和已知的各階段的速度，可繪出負載圖(F-S)和速度圖(V―L).

　　圖1 負載曲線圖

　　圖2 速度曲線圖

　　圖3 工作循環圖

　　2 液壓系統方案設計

　　2.1 確定液壓泵類型及調速方式

　　參考同類組合機床，選用單作用葉片泵雙泵供油，溢流閥作定壓閥。

　　為防止銑削完畢時滑臺突然失去負載向前沖，回油路上設置背壓閥，初定背壓值Pb=0.7MPa。

　　2.2 選用執行元件

　　因為系統動作循環要求正向快進和工作，反向快退，且快進，快退速度相等，所以選用單活塞桿液壓缸，快進時差動連接，無桿腔面積A1等于有桿腔面積A2的兩倍。

　　2.3 快速運動回路和速度換接回路

　　根據本設計的運動方式和要求，采用差動連接與雙泵供油兩種快速運動回路來實現快速運動。

　　即快進時，由大小泵同時供油，液壓缸實現差動連接。

　　本設計采用電磁閥的速度換接回路，控制工件的快進和工進。

　　與采用行程閥相比，電磁閥可直接安裝在液壓站上，由工作臺的行程開關控制，管路較簡單，行程大小也容易調整，另外采用二位二通電磁換向閥與單向閥來切斷差動油路。

　　因此速度換接回路為行程與壓力聯合控制形式。

　　2.4 換向回路的選擇

　　本系統對換向的平穩性沒有嚴格的要求，所以選用電磁換向閥的換向回路。

　　為便于實現差動連接，選用了三位五通換向閥。

　　為提高換向的位置精度，采用死擋鐵和壓力繼電器的行程終點返程控制。

　　2.5 組成液壓系統繪原理圖(圖4)

　　將上述所選定的液壓回路進行組合，并根據要求作必要的修改補充，即組成如圖4所示的液壓系統圖。

　　為便于觀察調整壓力，在液壓泵的進口處、背壓閥和液壓缸無桿腔進口處設置測壓點，并設置多點壓力表開關。

　　這樣只需一個壓力表即能觀察各點壓力。

　　圖4 液壓系統圖

　　表2 液壓系統中各電磁鐵的動作順序表

　　3 系統的參數計算

　　3.1 壓缸參數計算

　　3.1.1 初選液壓缸的工作壓力

　　參考同類型組合機床，初定液壓缸的工作壓力為P=50×105Pa。

　　3.1.2 確定液壓缸的主要結構尺寸

　　本設計要求動力滑臺的快進、快退速度相等，現采用活塞桿固定的單桿式液壓缸。

　　快進時采用差動連接，并取無桿腔有效面積A1=2A2。

　　為了防止在銑削完畢時滑臺突然前沖，在回油路中裝有背壓閥，初選背壓Pb=0.7MPa。

　　由各階段的負載數據表可知工進階段的負載F=82896.3N。

　　按此計算A1則

　　按GB/T2348-1993將所計算的D與d值分別圓整到相近的標準直徑，以便采用標準的密封裝置。

　　圓整后得

　　按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產品樣本，調速閥最小穩定流量qmin=0.05L/min，因工進速度v=0.1m3/min，則

　　本設計方案的A1=201.06cm2>5cm2，滿足最低要求.

　　3.1.3 計算液壓缸各工作階段的工作壓力、流量和功率

　　根據液壓缸的負載圖和速度圖以及液壓缸的有效面積，可計算出液壓缸工作過程各階段的壓力、流量和功率，在計算工進時背壓按Pb=7×105Pa代入，快退時背壓按Pb=5×105Pa代入計算公式和計算結果列于下表中。

　　表3

　　3.2 液壓泵的參數計算

　　由上表可知工進階段液壓缸工作壓力最大，若取進油路總壓力損失∑△P=5×105Pa，壓力繼電器可靠動作需要壓力差為5×105Pa，則液壓泵最高工作壓力Pp≥Pj+∑△P=(44.9+5+5)×105Pa=54.9Pa。

　　因此泵的額定壓力Pr≥1.25×54.9=68.6×105Pa。

　　由上表可知，工進時所需流量最小是2.01×6=12.06L/min，設溢流閥最小溢流量為2.5L/min ，則小流量泵的流量應為Q小≥(1.1×12.06+2.5)=15.77L/min或(1.1×2.01+2.5)=4.7L/min ，快進快退時液壓缸所需的最大流量為qmax=53.02L/min，則泵的總流量為Q總=1.1×53.02=58.3L/min .即大流量泵的流量Q大≥Q總-Q小=58.3-4.7=53.6L/min。

　　根據計算所得泵的最小工作壓力為Pr=68.6×105Pa，最大流量Q總=58.3L/min ，查手冊選雙聯葉片泵的型號為YB-D63/16。

　　該泵的額定壓力為10MPa，額定轉速為1000r/min。

　　3.3 電動機的選擇

　　系統為雙泵供油系統，其中小泵的流量Q小= =0.27×10-3m3/s，大泵的流量Q大= =1.05×10-3m3/s。

　　差動快進、快退時兩個泵同時向系統供油;工進時，小泵向系統供油，大泵卸載。

　　下面分別計算三個階段所需要的電動機功率P。

　　3.3.1 差動快進

　　差動快進時，大泵2的出口壓力油經單向閥2后與小泵匯合，然后經三位五通電磁換向閥3，二位二通電磁換向閥6進入液壓缸大腔，大腔壓力P1=7.05×105Pa，查手冊可知，小泵的出口壓力損失△P小=4.5×105Pa，大泵出口到小泵出口的壓力損失△P2=1.5×105Pa。

　　于是計算得小泵的出口壓力P小=P1+△P小=11.55×105Pa，(總效率η1=0.5);大泵的出口壓力P大=P小+△P2=13.05×105Pa ，(總效率η2=0.5)。

　　電動機的功率

　　3.3.2 工進

　　考慮到調速閥所需最小壓力差△P1=5×105Pa。

　　壓力繼電器可靠動作需要壓力差為△P2=5×105Pa。

　　因此工進時小泵的出口壓力P小=Pj+△P1+△P2=(44.9+5+5)×105Pa。

　　而大泵的卸載壓力取P大=2×105Pa。

　　(小泵的總效率η小=0.565，大泵的總效率η大=0.3)。

　　電動機的功率

　　3.3.3 快退

　　快退的壓力分析與快進相同，分析可知：小泵的出口壓力P小=15.05×105Pa，(小泵的總效率η小=0.5);大泵的出口壓力P大=16.55×105Pa，(大泵的總效率η大=0.51)。

　　電動機的功率

　　綜合比較，快退時所需功率最大。

　　可以查JB/T8680.2-1998 選用Y2-132M2-6三相異步電機，電動機額定功率為5.5kW，額定轉速960r/min。

　　4 液壓元件的選擇

　　4.1 液壓閥及過濾器的選擇

　　根據液壓閥在系統中的最高工作壓力與通過該閥的最大流量，可選出這些元件的型號及規格。

　　本例中所有閥的額定壓力都為63×105Pa，額定流量根據各閥通過的流量，確定為10L/min，25L/min，63L/min三種規格，所有元件的規格型號列于下列表中。

　　過濾器按液壓泵額定流量的兩倍選取吸油用隙式過濾器，表中序號與系統原理圖中的序號一致。

　　表4 液壓元件明細表

　　4.2 油管的選擇

　　根據選定的液壓閥的連接口尺寸選擇管道尺寸，液壓缸的進、出油管按輸入、輸出的最大流量來計算。

　　由于本系統液壓缸差動連接快進快退時，油管內流量最大，實際流量為泵的額定流量的兩倍為116L/min，則液壓缸的進、出油管直徑d按產品樣本，選用內徑為28外徑為34的10號冷拔鋼管。

　　4.3 油箱容積的確定

　　中低壓系統的油箱容積一般取液壓泵的額定流量的5～7倍，本設計取7倍，故油箱容積為

　　V=(7×58.3)=410L

　　【參考文獻】

　　[1]許福玲.夜壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2001，08.

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　　[9]液壓傳動系統及設計[M].北京：化學工業出版社，2005，08.

　　數控銑床液壓平衡系統的優化【2】

　　摘 要：論文中介紹了液壓平衡系統的技術特點，并以數控機床為例，介紹了在數控機床液壓平衡系統的分類、典型液壓平衡系統的工作原理及優化液壓平衡系統的工作過程。

　　關鍵詞：數控機床;液壓平衡;電磁閥

　　引言

　　隨著我國機械加工業的快速發展，機械零件加工的質量和效率越來越引起人們的重視，能源要求日益高漲，有效利用能源已成為行業最大目標。

　　在這其中，從機床降低自身消耗的角度進行研究能對提高其性能做出重大貢獻。

　　液壓系統是數控機床的重要組成部分，許多機床或機電設備的執行機構是沿垂直方向運動的，對于機床來說，如何使用液壓平衡垂直運動部件的重量和壓力系統的穩定工作一直是個需要認真考慮的問題。

　　1 機床平衡系統的分類

　　通常平衡的方法主要有三種：第一種是當垂直運動部件的重量較輕時，可采用直接加粗傳動絲杠，加大電機扭矩的方法，但這樣將使得傳動絲杠始終承擔著運動部件的重量，導致單面磨損加重，影響機床精度的保持性。

　　第二種是使用平衡重錘，使用重錘配重不僅增大體積、重量和占地空間，而且在立柱啟動、停止和速度轉換時，由于重錘的慣性，對主軸的運動速度和位移精度將會有很大的影響。

　　第三種是液壓平衡法，它可以避免前面兩種方法所出現的問題。

　　液壓平衡回路的功能在于使液壓執行元件在回油路上始終保持一定的背壓力，用來平衡機構重力負載對液壓執行元件的作用力，使之不會因自重作用而自行下滑，實現液壓系統對機床設備動作的平穩、可靠控制。

　　對于標準的機床主軸平衡液壓系統有著以下的三個要求：(1)為了保證主軸驅動的伺服電機的定位精度，主軸上下運動時的平衡油缸中的平衡力的差值越小越好。

　　(2)機床停機以后主軸在一段時間中需要保持一定的主軸平衡力，這樣要求液壓系統在停機以后油缸中依然可以保持一定時間的壓力。

　　(3)主軸定位夾緊后，機床主軸仍然需要平衡力的保持，為了減少主軸絲杠的磨損，提高絲杠的使用壽命，平衡壓力應控制在4bar左右的范圍之內。

　　2 典型液壓平衡系統原理分析

　　機床主軸平衡液壓系統有多種配置形式，其中最常用的配置基本上由變量泵、溢流閥、減壓閥和壓力繼電器組成。

　　在該系統中，主軸上升時變量泵排量為最大，變量泵為平衡油缸供油。

　　主軸下降時變量泵處于泄荷狀態，主軸下降依靠平衡閥進行壓力平衡。

　　主軸需要在任意位置停止并保持壓力，此時的變量泵需要不斷的以小排量為系統供油，以保證主軸停止狀態依然可以保持有平衡力。

　　如圖1所示。

　　主軸的上升與下降所需要的動力能耗，從物體能量守恒的原理看，主軸的重量上升是積蓄勢能釋放動能的過程，而主軸的下降是釋放勢能積蓄動能的過程。

　　所以整個過程中能量是不變的。

　　而這一過程中真正能力需要損失的應該是液壓的泄漏量――液壓的管路損失和機械(如油缸)的摩擦損失。

　　而所有這些損失相對于主軸的上升和下降的需要的保持主軸的平衡力不變的能量是微乎其微的。

　　主軸處于一個相對靜止的位置，如果液壓可以鎖定，本身這一能耗是完全不必要提供的，也就不需要有任何能量的損耗。

　　3 液壓平衡系統和夾緊系統的優化

　　基于以上的分析，在這套液壓系統中不需要太多的能耗，主要的能耗也就是些壓力損耗和摩擦，基于以上幾點思考，為實現“零”能耗的機床主軸液壓平衡系統和夾緊系統的優化，機床主軸液壓平衡系統變為了圖2顯示的結果。

　　3.1 選用零泄漏截止閥

　　零泄漏是這個系統中最關鍵的問題。

　　從原理圖中可以看到溢流閥和單向閥都很容易達到零泄漏的。

　　但是這個減壓閥是一種常開式的壓力閥，如果需要減壓就需要將此閥處與開啟狀態。

　　同時從原理圖中也可以看到減壓閥是有泄漏油的，不論是內泄還是外泄，總歸是存在的，這也是為什么主軸在保持狀態依然需要液壓動力油的一個主要原因。

　　元件全部選用截止式，溢流閥、換向閥和減壓閥皆為截止式結構。

　　特別是截止式減壓閥是基于錐面截止原理設計的，具有良好的零泄漏性能。

　　通過該閥可以確保壓力油只在蓄能器和平衡油缸中傳遞，而無任何液壓油的損耗。

　　3.2 選用可以頻繁啟停的浸油式電機泵站

　　該泵站基于節能的考慮使用的是變量柱塞泵為油源，在主軸上升時需要大流量供油時變量泵才將擺角置于最大位置，而在下降和主軸保持狀態不需要大流量的將泵的排量變小。

　　現在這樣的泵站也有使用變頻電機的，其目的就是在不需要大能耗的時候將能量減少到最小。

　　從節能的角度上看已經達到了節能的作用，但是如果需要真正達到“零”能耗，最直接的想法就是關掉電機。

　　但小排量的泵，再怎么變頻，只要電機處于啟動狀態就一定會有能量的損耗，只有徹底將這個電機關掉才可以向“零”能耗邁進。

　　關掉電機，在需要的時候再將電機啟動，這就需要電機具有良好的啟停性能。

　　泵站選用浸油式電機泵站。

　　這里所說的“浸油式”是指不僅是柱塞泵浸于液壓油中，而且電機也將浸于液壓油中，這樣一方面可以減少電機的發熱，另一方面可以提高電機的啟停性能，減少電機啟停時產生的電流沖擊。

　　3.3 選用較大的蓄能器

　　前面闡述的主軸在上下運動過程中能量理論上是沒有變化的，而原液壓系統中由于沒有能量儲存的元件，所以主軸下降時的勢能通過溢流閥“泄荷”回油箱了，原系統中的蓄能器由于規格較小只起到了減震的作用，而沒有起到蓄能的作用。

　　所以選擇一個較大的蓄能器，既滿足節能，又保持主軸的上升和下降時的平衡力差值不大。

　　根據機床主軸的重量、運動速度、油缸的缸徑大小和油量變化的大小確定蓄能器的大小。

　　越大的蓄能器可以減少主軸上下運動的平衡差值。

　　但太大的蓄能器一方面增加安裝空間和麻煩，同時泵站的油箱也需要加大，以增加補充的油的體積。

　　但是對于“零”能耗的極致液壓系統中，每一滴液壓油的使用都是在此需要考慮的，其實節能的基本方法就是細致計算，而不是粗放型計算。

　　所以既然想節能就需要在每一個細節上周全考慮。

　　在這個方面，此臺液壓系統的蓄能器選用16L的優質蓄能器就達到了非常良好的效果。

　　液壓系統的供油壓力，非常接近最高壓力，能夠充分利用蓄能器的有效輸出體積，有利于提高系統的動態性能。

　　4 結束語

　　自從帕斯卡提出靜壓傳遞原理以來，液壓技術已經發展了三百多年。

　　由于武器工業的發展，大大地促進了液壓技術的發展，到了現在，隨著制造業和材料科學的發展，以及其他行業對大功率應用場合的都切需求，更是極大地刺激和帶動了液壓行業的長足發展，在原有液壓技術基礎上將研發出更先進的液壓元器件和設計理念。

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