双头车床液压系统设计[1]

某厂要设计制造一台双头车床，加工压缩机拖车上一根长轴两端的轴颈。由于零件较长，拟采用零件固定，刀具旋转和进给的加工方式。其加工动作循环是快进(FastFeed)一工进(WorkingFeed)—快退(FastReturn)—停止(Stop)。同时要求各个车削头能单独调整。其最大切削力在导轨中心线方向估计为12kN，所要移动的总重量估计为15kN，工作进给要求能在0.020～1.2m/min范围内进行无级调速，快速进、退速度一致，为4m/min，试设计该液压传动系统。图10.1为该机床的外形示意图。图10.1双头车床外形示意图10.2.1确定对液压系统的工作要求DefinetheWorkRequirementoftheHydraulicSystem根据加工要求，刀具旋转由机械传动来实现；主轴头沿导轨中心线方向的“快进(FastFeed)一工进(WorkingFeed)—快退(FastReturn)—停止(Stop)”工作循环拟采用液压传动方式来实现。故拟选定液压缸作执行机构。考虑到车削进给系统传动功率不大，且要求低速稳定性好，粗加工时负载有较大变化，故拟选用调速阀、变量泵组成的容积节流调速方式。为了自动实现上述工作循环，并保证零件一定的加工长度（该长度并无过高的精度要求），拟采用行程开关及电磁换向阀实现顺序动作。10.2.2拟定液压系统工作原理图DrawuptheWorkSchematicCircuitofHydraulicSystem该系统同时驱动两个车削头，且动作循环完全相同。为了保证快速进、退速度相等，并减小液压泵的流量规格，拟选用差动连接回路。在行程控制中，由快进转工进时，采用机动滑阀。使速度转换平稳，且工作安全可靠。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点，压下电器行程开关，运动停止。快进转工进后，因系统压力升高，遥控顺序阀打开，回油经背压阀回油箱，系统不再为差动连接。此处放置背压阀使工进时运动平稳，且因系统压力升高，变量泵自动减少输出流量。两个车削头可分别进行调节。要调整一个时，另一个应停止，三位五通阀处中位即可。分别调节两个调速阀，可得到不同进给速度；同时，可使两车削头有较高的同步精度。由此拟定的液压系统原理图如图10.2所示。图10.2双头车床液压系统工作原理图10.2.3计算和选择液压元件CalculateandSelectHydraulicComponents10.2.3.1液压缸的计算CalculateHydraulicCylinder（1）工作负载及惯性负载计算计算液压缸的总机械载荷，根据机构的工作情况，液压缸受力如图10.3所示，其在不同阶段的总机械载荷可参照式(10.4)-(10.7)计算。图10.3液压缸受力图根据题意，工作负载：12000wFN油缸所要移动负载总重量：15000GN根据题意选取工进时速度的最大变化量：02.0vm/s，根据具体情况选取：2.0ts(其范围通常在0.01-0.5s)，则惯性力(InertialForce)为：1532.002.081.915000tvgGFa（N）（2）密封阻力(TheSealingResistance)的计算液压缸的密封阻力通常折算为克服密封阻力所需的等效压力乘以液压缸的进油腔的有效作用面积。若选取中压液压缸，且密封结构为Y型密封，根据资料推荐，等效压力取2.0eqpMPa，液压缸的进油腔的有效作用面积初估值为801Amm，则密封力为：启动时：1600008.010251ApFeqs（N）运动时：800%50008.0102251ApFeqs（N）（3）导轨摩擦阻力的计算CalculateFrictionalResistanceofGuideWay若该机床材料选用铸铁对铸铁，其结构受力情况如图10.4，根据机床切削原理，一般情况下，3.0:4.0:1::zyxFFF，由题意知，12000wxFFN，则由于切削力所产生的与重力方向相一致的分力400003.012000zFN，选取摩擦系数1.0f，V型导轨的夹角90，则导轨的摩擦力为：NfFGfFGFzzf664045sin1.0)24000015000(1.0)24000015000(2sin)2()2(图10.4导轨结构受力示意图（4）回油背压造成的阻力计算CalculatetheResistanceCausedbyBackPressureinReturnLine回油背压，一般为0.3-0.5MPa，取回油背压3.0bpMPa，考虑两边差动比为2，且已知液压缸进油腔的活塞面积801Amm，取有杆腔活塞面积402Amm，将上述值代入公式得：1200004.0103.062ApFbb（N）分析液压缸各工作阶段中受力情况，得知在工进阶段受力最大，作用在活塞上的总载荷207931200664080015312000bfsawFFFFFF（N）（5）确定液压缸的结构尺寸和工作压力DefinetheStructureSizeandtheWorkPressureofHydraulicCylinder根据经验确定系统工作压力，选取p=3MPa，则工作腔的有效工作面积和活塞直径分别为：261m00693.010320793pFAm094.000693.0441AD因为液压缸的差动比为2，所以活塞杆直径为m066.0094.07.02Dd根据液压技术行业标准，选取标准直径mm90m09.0Dmm63m063.0d则液压缸实际计算工作压力为Pa1027.309.02079344622DFp实际选取的工作压力为Pa103.36p由于左右两个切削头工作时需做低速进给运动，在确定油缸活塞面积1A之后，还必须按最低进绘速度验算油缸尺寸。即应保证油缸有效工作面积1A为：minmin1vqA式中：minq—流量阀最小稳定流量，在此取调速阀最小稳定流量为50ml/min；minv—活塞最低进绘速度，本题给定为20mm/min；根据上面确定的液压缸直径，油缸有效工作面积为：23221m1036.609.044DA234minminm105.210250vq验算说明活塞面积能满足最小稳定速度要求。10.2.3.2油泵的计算CalculatePump（1）确定油泵的实际工作压力，选择油泵对于调速阀进油节流调速系统，管路的局部压力损失一般取Pa10)15~5(5，在系统的结构布局未定之前，可用局部损失代替总的压力损失，现选取总的压力损失Pa10105lp，则液压泵的实际计算工作压力)Pa(104310101033555lpppp当液压缸左右两个切削头快进时，所需的最大流量之和为min)/l(254063.042422max2maxvdq按照常规选取液压系统的泄露系数(TheCoefficientoftheLeakage)1.1lk，则液压泵的流量为：min)/l(5.27251.1maxqkqlp根据求得的液压泵的流量和压力，又要求泵变量，选取YBN-40M型叶片泵。（2）确定液压泵电机的功率DecidethePowerofElectromotor因该系统选用变量泵，所以应算出空载快速、最大工进时所需的功率，按两者的最大值选取电机的功率。最大工进：此时所需的最大流量为min)/l(6.7129.0442max2maxwwvDq选取液压泵的总效率为：=0.8，则工进时所需的液压泵的最大功率为：)kW(36.1108.0606.710432265maxwpwqpP快速空载：此时，液压缸承受以下载荷惯性力：)N(5102.060/481.915000tvgGFa密封阻力：)N(155063.041022142252dpFeqs导轨摩擦力：)N(180045sin1.02150001.02150002sin22fGfGFf空载条件下的总负载：)N(24651800155510fsaeFFFF选取空载快速条件下的系统压力损失Pa105.06elp，则空载快速条件下液压泵的输出压力为：)Pa(1029.1105.0063.02465446622eleeppdFp空载快速时液压泵所需的最大功率为：)kW(74.0108.0605.271029.166ppeqpP故应按最大工进时所需功率选取电机。10.2.3.3选择控制元件SelecttheControlComponents控制元件的规格应根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取。方向阀(DirectionalControlValve)：按Pa103.46p，min/l5.12q选35D—25B（滑阀机能O型）；单向阀(CheckValve)：按Pa103.36p，min/l25q选I－25B；调速阀(SpeedControlValve)：按工进最大流量min/l6.7q，工作压力Pa103.36p选Q－10B背压阀(BackPressureValve)：调至Pa103.36p，流量为min/l6.7q选B－10；顺序阀(SequenceValve)：调至大于Pa103.36p，保证快进时不打开。min/l6.7q选X－B10B行程阀(Camvalve)：按Pa1029.16p，min/l5.12q选22C－25B；10.2.3.3油管及其它辅助装置的选择SelectOilPipeandOtherAccessories查GB/T2351-93和JB827－66，确定钢管公称通经、外径、壁厚、连接螺纹及推荐流量。在液压泵的出口，按流量27.5l/min，查表取管路通径为10(mm)；在液压泵的入口，选择较粗的管道，选取管径为12(mm)；其余油管按流量12.51/min，查表取8(mm)。对于一般低压系统，油箱的容量一般取泵流量的3～5倍，本题取4倍，其有效容积：)l(1105.2744ptqV在绘制液压系统装配管路图后，可进行压力损失验算。由于该液压系统较简单，该项验算从略。由于本系统的功率小，又采用限压式变量泵，效率高，发热少，所取油箱容量又较大，故不必进行系统温升的验算。