钻床液压传动系统设计

根据上述计算结果，列出各工作阶段所受的外负载（见表 2-1）,并画出如图 2.2 所示的负载循环图
图 2-2 负载循环图
表 2-1 工作循环各阶段的外负载 工作循环 启动、加速 快进 外负载 F N 工作循环 工进 快退 外负载 F N
F F f Fa
F F fa
2340 1000
F Fw Ffa
3.4 加紧回路的选择 用三位四通电磁阀来控制加紧、 松开换向动作时， 为了避免工作时突然失电而松开， 应采用失电加紧方式。 考虑到加紧时间可调节和当进油路压力瞬时下降时仍能保持夹紧 力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在该回路中还装有减压阀，用来调节夹紧力的 大小和保持夹紧力的稳定。
3.4 液压原理图的拟定与设计 （1）送料缸液压回路 送料液压缸液压回路采用了两个可调单向节流阀，其中液压缸左腔油液的开度设置 60%，因为送料要求平稳，故限定油液流量；为了保证送料缸活塞快速返回，所以液压 缸右腔开度设置为 100%。
缸进入工作状态实现夹紧。 （4）钻孔 在夹紧液压缸夹紧工件碰到行程开关后，行程开关直接给电气、液压
控制系统一个信号，控制钻削液压缸实行钻孔，送料液压缸进行复位。
2 液压钻床的系统分析
2.1 工况分析 首先根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图 2-1
图 2-1 速度循环图
然后计算各阶段的外负载并绘制负载图。 液压缸所受外负载 F 包括三种类型，即
表 3-1 液压设备常用的工作压力 机床类型 设备类型 磨床 工作压力 组合机床 龙门刨床 拉床 械 重运输机械 农业机械或 中型工程机 液压机、重 型机械、起
p MPa
0.8～2.0
3～5
2～ 8
8～10
10～16
20～32
Fra Baidu bibliotek
（5）计算液压缸内径 D 活塞杆直径 d 负载图知最大负载 F 为 21000 N ，按表 3-2 可取 p2 为 0.5 MPa ， cm 为 0.95，考虑 到快进、快退速度相等，取 d D 为 0.7。上述数据代入公式
F F fa
21000 1000
3 液压系统的设计
3.1 供油方式 考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低；而在快进、快退时负载较小，速 度较高。从节省能量、减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油。现采用 带压力反馈的限压式变量叶片泵。 3.2 调速方式的选择 调速方案对液压系统的性能起到决定性的作用。调速方案包括节流调速、容积调速 和容积－节流调速三种。选择调速方案时，应根据液压执行元件的负载特性、液压缸活 塞杆的运动情况和调速范围以及经济性能因素，最后选出合适的调速方案。考虑到系统 本身的性能要求和一些使用要求以及负载特性， 参照表 3－2， 本设计决定采用容积－节 流调速。
1 绪论
1.1 液压传动的发展概况 液压传动是一门新的学科，虽然从 17 世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18 世纪 末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史，但直到 20 世纪 30 年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由 于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。第二 次世界大战结束后，液压技术迅速转向名用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自 动生产线。 20 世纪 60 年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速 发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高 压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方面发展。同时，新型液压元件 和液压系统的计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助测试（CAT） 、计算机直接控制（CDC） 、 机电一体化、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。 我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械上。我 国在从国外引进一些液压元件、生产技术的同时，也进行自行研制和设计，液压元件现 已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。 1.2 液压传动的优缺点 液压传动是利用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动而发展起来的一门新兴技术。液压传动具有以下优 点。 （1）易于获得较大的力或者力矩； （2）易于实现往复运动； （3）易于实现较大范围的无级变速； （4）传递运动平稳； （5）可以实现快速而且无冲击的变速和换向； （6）与机械传动相比易于布局和操纵；
图 3-1 送料缸液压回路
（2）夹紧缸液压回路 夹紧缸液压回路采用了一个可调单向节流阀，液压缸左腔油液开度设置为 100%， 为的是在工件被运送到位后活塞杆快速向右运动进行工件的夹紧。
图 3-2 夹紧缸液压回路
（3）加工缸液压回路
加工缸液压回路采用了两个可调单向节流阀，其中液压缸左腔油液开度设置 40%， 因为加工的时候刀具运动较慢，故限定油液流量，保证加工的质量；为了保证加工缸活 塞快速返回，所以液压缸右腔开度设置为 100%。加工缸液压回路见图 3-3。
A—活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D; M—活塞杆密封长度，由密封方式定； C—其他长度。 一般缸筒的长度最好不超过内径的 20 倍。 另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度 H （4）工作压力 p 的确定。 工作压力 p 可根据负载大小及机器的类型来初步确定 FF0C 现参阅表 3-1 取液压缸 工作压力为 3 MPa 。
表 3-2 各种调速方式的性能比较 节流调速 主要 性能 简式节流调速系统 进油节流及 回油节流 负载 特性 调速 范围 功率 特性 成本 速度刚度 承载能力 大 效率 发热 低 旁路 节流 带压力补偿阀的节流调速系 统 调速阀 在进油 路 调速阀在旁油路及 溢流节流调速回路 好 好 大 低 大 较低 较低 较大 容积调速 回路 容积-节流调速回路
（7）易于防止过载事故。 与其他传动形式比较，液压传动有以下缺点： （1） 易于出现泄漏； （2） 油的黏度随温度变化，引起动作机构运动不稳定； （3） 空气渗入液压油后会引起爬行、振动、噪声； （4） 用矿物油做液压介质时，有燃烧危险，应注意防火； （5） 矿物油与空气接触会发生氧化，使油变质，必须定期换油； （6） 液压件的零件加工质量要求较高。 1.3 自动加工钻床工作原理 自动钻床是应用液压技术较广泛的领域之一。采用液压传动技术与控制的机床，可 在较宽范围内进行无级调速， 具有良好的换向及速度换接性能， 易于实现自动工作循环， 对提高生产效率，改进产品质量和改善劳动条件，都起着十分重要的作用。作为专用自 动钻床床来说， 送料、 装夹、 加工部分采用液压传动与控制仍然是它自动化的重要途径， 本论文针对专用自动钻床车床的液压系统进行设计。自动加工钻床具有五个工作阶段， 各个阶段运动情况分析如下。 （1）送料 （2）装夹 （3）夹紧 液压油出来经过油管进入送料缸推动活塞杆，从而实现送料。 当送料过程中遇到行程开关时，阻碍工件继续前行，使工件定位。 在定位的同时，行程开关给电气液压联合控制系统一个信号，使夹紧
F Fw F f Fa
式中
(2-1)
Fw —工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力，
在本设计中 Fw 为 20000 N ；
Fa —运动部件速度变化时的惯性负载；
F f —导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，对于平导轨 F f 可由下式得：
Ff f (G Frn )
F fs —静摩擦阻力； F fa —动摩擦阻力。
Fa G v g t
(2-3)
式中
g —重力加速度；
t —加速或减速时间，一般 t 0.01 0.5s ； v —速度差， t —时间差。
在本设计中
Fa 10000 4 ( N ) 340 ( N ) 9.8 0.2 60
图 3-3 加工缸液压回路
3.7 绘制液压系统图 整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互组合时要去 掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。 要尽量减少能量损失环节。提高系统的工作效率。为便于液压系统的维护和监测，在系 统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等） 。大型设备的关键部位， 要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要连续工作。各液压元件尽量 采用标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。对于自行 设计的非标准元件可用结构原理图绘制。系统图中应注明各液压执行元件的名称和动 作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀。
注：“+”表示得电，“—”表示失电。
4 液压系统的计算和选择液压元件 4.1 液压缸的选择 4.1.1 液压缸主要尺寸的确定 计算液压缸的结构尺寸液压缸的结构尺寸主要有三个：缸筒内径 D、活塞杆外径 d 和缸筒长度 L。 （1）缸筒内径 D 液压缸的缸筒内径 D 是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液 压缸的有效工作面积， 从而得到缸筒内径 D， 再从 GB2348—80 标准中选取最近的标准值 作为所设计的缸筒内径。 根据负载和工作压力的大小确定 D： D=
D
4F p 1 1 cm p 1 p 2 d 2 1 D
可得
D
4 21000 0.1013 m 5 5 3.14 30 10 0.95 1 1 0.7 2 30
变量泵、 定量马达
流量 适应
功率适应
差 很差 好 较差 小 低 较低 大 较大
较好 较好 较大 最高 最小 高 较高 较小 小
好 好 大 高 小 最高
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统 一般用定量泵供油， 在无其他辅助油源的情况下， 液压泵的供油量要大于系统的需油量， 多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系 统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。
油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统 的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤，为防止系统中杂质流回 油箱。本设计采用容积节流调速，所以使用变量泵供油。 3.3 速度换接方式的选择 本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便， 阀的安装也比较容易，但速度换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改 用行程阀切换的速度换接回路。
图 3-4 液压系统原理图 1—油箱 2—过滤器 3—变量液压泵 4—压力表 5—溢流减压阀 6—二位二通电磁换向阀 7—三位四通电磁换向阀 8—可调单向节流阀 9—双作用液压缸 表 3-3 电磁铁动作顺序表 1Y1 送料阶段 夹紧阶段 加工阶段 停止卸荷 ＋ － － － 1Y2 － ＋ ＋ － 2Y1 － ＋ ＋ － 2Y2 － － － － 3Y1 － － ＋ － 3Y2 － － － －
4 Fmax P1 cm
(3-1)
式中：p 1 —缸工作腔的工作压力，可根据机床类型或负载的大小来确定； Fmax—最大作用负载。 （2）活塞杆外径 d 活塞杆外径 d 通常先从满足速度或速度比的要求来选择，然后再校核其结构强度和 稳定性。也可根据活塞杆受力状况来确定，一般为受拉力作用时，d=0.3～0.5D。 受压力作用时： p 1 ＜5MPa 5MPa＜p 1 ＜7MPa p 1 ＞7MPa （3）缸筒长度 L 缸筒长度 L 由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即： L=l+B+A+M+C 式中 l—活塞的最大工作行程； B—活塞宽度，一般为(0.6-1)D; (3-2) d=0.5～0.55D d=0.6～0.7D d=0.7D
式中
G —运动部件重力；
(2-2)
Frn —垂直于导轨的工作负载，本设计中为零；
f —导轨摩擦系数，在本设计中取静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1。
则求得：
Ffs 0.2 10000 ( N ) 2000 (N) Ffa 0.110000 ( N ) 1000 (N)
式中