立式專(zhuān)用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳傳艷 （湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖北 武漢430070）

1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和工況分析

1.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院校辦工廠(chǎng)的一臺(tái)專(zhuān)用的立式銑床，主要是用于一些平面銑削的工作。該臺(tái)專(zhuān)用銑床的液壓系統(tǒng)主要用于控制其動(dòng)力滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作循環(huán)：快進(jìn)→工進(jìn)→快退→原位停止。銑頭驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為7.5kW，銑刀直徑為120mm，銑刀轉(zhuǎn)速為350r／min，運(yùn)動(dòng)部件總重量為4000N。工作行程為400mm（快進(jìn)300mm，工進(jìn)100mm），快進(jìn)、快退速度為6m／min，工進(jìn)速度為60～1000mm／min，加、減速時(shí)間為0.05s；工作臺(tái)水平放置，導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù)0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)0.1。

1.2 液壓系統(tǒng)的工況分析

1）運(yùn)動(dòng)分析 根據(jù)已規(guī)定的動(dòng)作循環(huán)“快進(jìn)－工進(jìn)－快退”的要求，該銑床的運(yùn)動(dòng)是往復(fù)不對(duì)稱(chēng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，是單桿活塞缸運(yùn)動(dòng)的特征，故選用單桿活塞式液壓缸作為執(zhí)行元件。

2）負(fù)載分析 一般說(shuō)來(lái)，液壓缸承受的動(dòng)力性負(fù)載有工作負(fù)載Fw、慣性負(fù)載Fm等，約束性負(fù)載主要有摩擦阻力Ff（靜摩擦阻力Ffs和動(dòng)摩擦阻力Ffd）。液壓缸的運(yùn)動(dòng)分為啟動(dòng)、加速、恒速、減速制動(dòng)等階段，不同階段的負(fù)載計(jì)算是不同的。液壓缸在各工作階段的負(fù)載如表1所示。

表1 液壓缸在各工作階段的負(fù)載值（ηm為機(jī)械效率）

2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定

2.1 系統(tǒng)工作壓力的確定

根據(jù)液壓缸的負(fù)載循環(huán)圖，可以確定系統(tǒng)的最大載荷點(diǎn)，在充分考慮系統(tǒng)所需流量、系統(tǒng)效率和性能要求等因素后，可查表選擇系統(tǒng)工作壓力。經(jīng)查表可知，專(zhuān)用銑床液壓系統(tǒng)在最大負(fù)載約為5000N時(shí)，從安全及生產(chǎn)實(shí)際需要的角度考慮，取系統(tǒng)工作壓力為3MPa。

2.2 液壓缸主要參數(shù)的確定

初步選定的工作壓力可認(rèn)為是液壓缸的輸入壓力p1，即p1＝3MPa。然后再初步選定液壓缸的回油壓力p2（背壓），這樣就可以確定液壓缸的參數(shù)。鑒于動(dòng)力滑臺(tái)要求快進(jìn)、快退速度相等，一般在快進(jìn)時(shí)作差動(dòng)連接。在這種情況下，液壓缸無(wú)桿腔工作面積A1應(yīng)取為有桿腔工作面積A2的2倍?？爝M(jìn)時(shí)液壓缸雖作差動(dòng)連接，但由于油管中有壓差Δp存在，有桿腔的壓力必須大于無(wú)桿腔，估算時(shí)可取Δp≈0.5MPa?？焱藭r(shí)回油腔中也是有背壓的，這時(shí)p2亦可按0.5MPa估算。系統(tǒng)為增加回路運(yùn)動(dòng)中的平穩(wěn)性，在進(jìn)回油路上擬均加設(shè)節(jié)流閥，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工進(jìn)時(shí)取p2＝0.8MPa。

經(jīng)圓整后，取D＝50mm，d＝32mm。

液壓缸缸筒長(zhǎng)度由活塞最大行程L、活塞長(zhǎng)度B、活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度H 和特殊要求的其它長(zhǎng)度確定（見(jiàn)圖1）。

因液壓缸活塞的最大行程L為400mm，液壓缸的內(nèi)徑D為50mm。所以：

圖1 導(dǎo)向長(zhǎng)度

必要時(shí)可在導(dǎo)向套和活塞之間裝一隔套K，隔套的長(zhǎng)度為：

其中，活塞長(zhǎng)度B介于0.6D ～1.0D；導(dǎo)向套長(zhǎng)度A介于0.6d～1.5d。

為了減少加工難度，一般液壓缸的缸筒長(zhǎng)度不應(yīng)大于（20～30）D，即1250mm。因液壓缸活塞的最大行程L為400mm，則取液壓缸缸筒長(zhǎng)度為500mm。

2.3 液壓缸壁厚的確定

由于所設(shè)計(jì)的專(zhuān)用銑床工作壓力為3MPa，屬中、低壓系統(tǒng)，液壓缸壁厚δ可根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝上的需要確定，一般不進(jìn)行計(jì)算。取δ＝5mm。

2.4 液壓缸的校核

1）缸筒壁厚δ的校核 液壓缸擬采用鑄造缸筒，這時(shí)應(yīng)按厚壁圓筒公式驗(yàn)算壁厚。因δ／D＝5／50＝0.1，可用公式驗(yàn)算壁厚。

查表選定液壓缸材料，液壓缸材料對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力為392MPa。試驗(yàn)壓力pmax比缸最高工作壓力大20%～30%，pmax＝0.3×3＋3＝3.9MPa，所以：

經(jīng)驗(yàn)算，液壓缸筒壁厚符合要求。

2）液壓缸活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 利用安全系數(shù)法進(jìn)行校核。鋼的穩(wěn)定性系數(shù)介于1.8～3.0，而活塞桿穩(wěn)定性系數(shù)：

故活塞桿受壓時(shí)穩(wěn)定性良好。經(jīng)驗(yàn)算，活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合要求。

3）液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核 鑒于所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)屬中、低壓系統(tǒng)，故不需對(duì)螺釘強(qiáng)度進(jìn)行校核。根據(jù)上述數(shù)值，可估算液壓缸在各個(gè)工作階段中的壓力、流量和功率，如表2所示。

表2 液壓缸在不同工作階段的壓力、流量和功率值

3 液壓系統(tǒng)圖的擬定

3.1 選擇系統(tǒng)的類(lèi)型

首先選擇調(diào)速回路。該機(jī)床液壓系統(tǒng)的功率小，動(dòng)力滑臺(tái)工進(jìn)速度低，工作負(fù)載變化小，可采用進(jìn)口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路在銑削完時(shí)的滑臺(tái)突然前沖現(xiàn)象，回油路上要設(shè)置背壓閥。由于液壓系統(tǒng)選用了進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的方式，系統(tǒng)中油液的循環(huán)必然是開(kāi)式的。在這個(gè)液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸交替地要求油源提供低壓大流量和高壓小流量的油液，最大流量與最小流量之比約為4。因此采用單個(gè)定量泵作為油源較為合理。為防止機(jī)床工作的過(guò)程中，工廠(chǎng)突然停電，泵無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)工作，故系統(tǒng)中另專(zhuān)設(shè)一備用的手動(dòng)液壓泵，作應(yīng)急時(shí)用。

3.2 選擇液壓基本回路

首先選擇調(diào)速回路，其次選擇快速運(yùn)動(dòng)和換接回路。本系統(tǒng)是用于專(zhuān)用銑床上的液壓系統(tǒng)，因此調(diào)速和速度換接回路是主要回路。無(wú)論是快進(jìn)還是工進(jìn)，流量都不是很大，因此不需用單桿液壓缸作差動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，只需讓進(jìn)油液全部經(jīng)過(guò)換向閥即可，可用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)液壓缸的換向。為使液壓缸在退和進(jìn)的過(guò)程中速度可以調(diào)節(jié)，且較平穩(wěn)，在缸的進(jìn)油路及回油路中均設(shè)有單向節(jié)流閥。為使缸快慢速轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，以減少液壓沖擊，可用行程閥的速度換接回路。最后再考慮壓力控制回路。系統(tǒng)的調(diào)壓?jiǎn)栴}已在油源中解決，定量泵的出口的溢流閥起調(diào)壓溢流作用，系統(tǒng)的工作壓力可通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥的彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。卸荷問(wèn)題可采用中位機(jī)能為M型的三位換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，就不須再設(shè)置專(zhuān)用的元件或油路。

圖2 系統(tǒng)原理圖

3.3 液壓系統(tǒng)回路的合成

把上面選擇的各種回路組合在一起，經(jīng)過(guò)修改、整理可以得到圖2所示的系統(tǒng)原理圖。

4 液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理圖確定之后，可根據(jù)所選擇的液壓元件、輔助元件進(jìn)行液壓裝置的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的液壓裝置采用集中式結(jié)構(gòu)，主要采用集成塊式，但某些局部位置采用疊加閥，如雙單向節(jié)流閥、行程調(diào)速閥等，總裝圖模型如圖3所示。

圖3 液壓站的總裝圖模型

5 結(jié)語(yǔ)

該立式專(zhuān)用銑床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院與武漢博達(dá)高科有限責(zé)任公司共同完成的一項(xiàng)校企合作項(xiàng)目。截止目前，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)已在該立式專(zhuān)用銑床上投入使用，性能穩(wěn)定，工作安全可靠。

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