钻镗两用组合机床液压系统设计分析

钻镗两用组合机床液压系统设计1技术要求在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计要求及依据。1.1主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。1.2主机对液压系统的性能要求如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。1.3液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。根据加工需要，该系统的工作循环是：快速前进—工作进给—快速退回—原位停止。调查研究及计算结果表明：快进快退速度约为4.5m/min（0.075m/s）；工进速度应能在20~120mm/min(0.003~0.002m/s)范围内无级调速；最大行程为400mm（其中工进行程为180mm）；最大切削力为18kN；运动部件自重为25kN；启动换向时间t=0.05s；采用水平放置的平导轨，静摩擦系数sf=0.2，动摩擦系数df=0.1。22确定执行元件由于液压缸工作直接是往复直线运动，结构简单，与液压马达+齿轮齿构液压马达+螺旋机构相比较经济，参考同类型组合机床选择执行元件为液压缸。运动形态执行元件直线运动液压缸液压马达+齿轮齿条机构液压马达+螺旋机构33液压系统工况分析3.1运动分析3.1.1.位移循环图L—t图3-1为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。3-1位移循环图3.1.2.速度循环图v—t(或v—L)工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图3-2为三种类型液压缸的v—t图，第一种如图中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，3-2速度循环图最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另4一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。v—t图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。3.2动力分析3.2.1.液压缸的负载及负载循环图（1）液压缸的负载力计算。（2）工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：F=Fc+Ff+Fi+FG+Fm+Fb式中：Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。①切削阻力Fc：为液压缸运动方向的工作阻力，对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为正值，两者同向为负值。该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要根据具体情况计算或由实验测定。②摩擦阻力Ff：为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关，其计算方法可查有关的设计手册。图3-3为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：图3-3导轨形式平导轨：Ff=f∑FnV形导轨：Ff=f∑Fn/[sin(α/2)]式中：f为摩擦因数，参阅下表选取；∑Fn为作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；α为V形角，一般为90°。本设计采用水平放置的平导轨。5③惯性阻力Fi。惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可下式计算：iGvFmaNgt摩擦因数f导轨类型导轨材料运动状态摩擦因数(f)滑动导轨铸铁对铸铁启动时低速(v＜0.16m/s)高速(v＞0.16m/s)0.15～0.20～0.05～0.08滚动导轨铸铁对滚柱(珠)淬火钢导轨对滚柱(珠)0.005～0.003～0.006静压导轨铸铁-0.005表3-1式中：m为运动部件的质量(kg)；a为运动部件的加速度(m/s2)；G为运动部件的重量(N)；g为重力加速度，g=9.81(m/s2)；Δv为速度变化值(m/s)；Δt为启动或制动时间(s)，一般机床Δt＝0.1～0.5s，运动部件重量大的取大值。④重力FG：垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移时，负载为正值，下移时为负值。⑤密封阻力Fm：密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初算时，可按缸的机械效率(ηm=0.9)考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。⑥排油阻力Fb：排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。3.2.2液压缸运动循环各阶段的总负载力。液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。①启动加速阶段：这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度，其总负载力包括导6轨的摩擦力、密封装置的摩擦力(按缸的机械效率ηm=0.9计算)、重力和惯性力等项，即：F=Ff+Fi±FG+Fm+Fb②快速阶段：F=Ff±FG+Fm+Fb③工进阶段：F=Ff+Fc±FG+Fm+Fb④减速：F=Ff±FG-Fi+Fm+Fb对简单液压系统，上述计算过程可简化。例如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。3.2.3液压缸的负载循环图对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统内各液压缸(或液压马达)的速度和负载的变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间(F—t)或负载位移(F—L)图，然后将各液压缸在同一时间t(或位移)的负载力叠加。3-4负载循环图图3-4为一部机器的F—t图，其中：0～t1为启动过程；t1～t2为加速过程；t2～t3为恒速过程；t3～t4为制动过程。它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。3.3液压缸在工作过程各阶段的负载起动加速阶段：msmaftvgGGfFFF1)(1)(7NN98109.01)05.0075.08.925000250002.0(快进或快退阶段：NGfFFmdmf9.0250001.0N2780工进阶段：NGfFFFFmdwmfw9.0250001.018000N22780液压缸在各阶段的速度和负载值工作阶段速度)/(1smv负载NF/工作阶段速度)/(1smv负载NF/起动加速9810工进最小0.0003，最大0.00222780快进、快退0.0752780表3-2快进、工进时间和快退时间表3-2快进：t1=L1/v1=220×10-3/0.075=2.93s工进：t2=L2/v2=180×10-3/(0.0003~0.002)=90s~600s快退：t3=(L1+L2)/v1=400×10-3/0.075=5.3s3-5液压缸F—t与v—t图84确定执行元件的主要参数4.1液压缸的设计计算4.1.1.初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：(1)各类设备的不同特点和使用场合。(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。如表4-1、表4-2所示。按负载选执行文件的工作压力负载/N＜5000500～1000010000～2000020000～3000030000～50000＞50000工作压力/MPa≤0.8～11.5～22.5～33～44～5＞5表4-1按机械类型选执行文件的工作压力机械类型机床农业机械工程机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPaa≤23～5≤88～1010～1620～32表4-2由负载值大小查表3-1，参考同类型组合机床，取液压缸工作压力为3MPa。4.2液压缸主要尺寸的计算液压缸的有效面积和活塞杆直径，可根据缸受力的平衡关系具体计算。4.2.1确定液压缸的主要结构参数由表1看出最大负载为工进阶段的负载F=22780N，则9mmPFD261084.910314.32278044查设计手册，按液压缸内径系列表将以上计算值圆整为标准直径，取D=100mm。为了实现快进速度与快退速度相等，采用差动连接，则d=0.7D，所以d=0.7x100mm=70mm同样，圆整成标准系列活塞杆直径，取d=70mm。由D=100mm，d=70mm算出液压缸无杆腔有效作用面积为215.78cmA，有杆腔有效作用面积221.40cmA。工进采用调速阀调速，查产品样本，调速阀最小稳定流量min/05.0minLqV，因最小工进速度min/20minmmv，则122213minmin2510201005.0AAcmcmvqV故能满足低速稳定性要求。4.3液压缸的流量计算液压缸的最大流量：qmax=A·vmax(m3/s)式中：A为液压缸的有效面积A1或A2(m2)；vmax为液压缸的最大速度(m/s)。液压缸的最小流量：qmin=A·vmin(m3/s)式中：vmin为液压缸的最小速度。液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些，缸的有效工作面积大一些，所需最小流量qmin也大一些，以满足上述要求。流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。4.3.1复算工作压力执行元件背压的估算值系统类型背压abMPP/中低压系统一般轻载节流调速系统0.2~0.5回油路带调速阀的调速系统0.5~0.8回油路带背压阀0.5~1.5带补油泵的闭式回路0.8~1.5中高压系统同上比中低压高50%~100%高压系统如锻压机械等计算时背压可忽略不计表4-310根据表4-3，本系统的背压估计值可在0.5~0.8aMP范围内选取，故暂定：工进时，8.0bPaMP；快速运动时，5.0bPaMP。液压缸在工作循环各阶段的工作压力1P即可按公式计算。差动快进阶段aaabMPPPPAAAAAFP25.110)1.405.78(105.0101.4010)1.405.78(27804644212211工作进给阶段aaabMPPPPAAAFP31.3108.0105.78101.40105.78278064441211快速退回阶段aaabMPPPPAAAFP67.1101.40105.0105.78101.402780464421214.3.2计算液压缸的输入流量因快进、快退速度smv/075.01，最大工进速度smv/002.02，则液压缸各阶段的输入流量需为：快进阶段smvAAqV/075.010)1.405.78()(341211min/3.17L工进阶段smvAqV/002.0105.7834211min/94.0L快退阶段smvAqV/075.0101.4034121min/18L计算液压缸的输入功率快进阶段k工进阶段k快退阶段k液压缸在各工作阶段的压力、流量和功率工作阶段工作压力aMPP/1输入流量)min/(11LqV输入功率kWP/快速前进1.2517.30.36工作进给3.310.940.0511快速退回1.67180.5表4-44-5液压缸工况图125拟定液压系统原理图根据钻镗两