双头车床液压系统设计详解

双头车床液压系统设计目录摘要1．设计任务2．液压回路的工况分析3．拟定液压系统原理图4．计算和选择液压件5.液压系统的PLC控制程序6.参考文献摘要本文是关于双头车床液压系统设计过程的阐述。主要包括系统方案的确定、控制系统的设计几个方面的内容。双头车床加工时，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，其加工动作循环方式是：快进→工进→快退→停止，同时要求各个车削头能单独调整。显而易见，采用双头车床能使原需多道工序的产品能一次切削完成，使工序简化，生产效益大大提高。且这种设计所产生的产品对成均匀，精度高。对于双头车床的动力执行部分，本设计采用液压伺服机构。液压伺服机构较其他机构有传动平稳、噪音小、驱动力大等优点，同时也存在漏油、爬行、体积大等缺点。为了尽量避免液压系统的上述缺点，系统设计时用集成块来代替管路，在液压系统采用液压阀集成配置，可以显著减少管路联接和接头，降低系统的复杂性，增强现场添加和更改回路的柔性，具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、振动小、利于实现典型液压系统的集成化和标准化等优点。关键字：差动连接背压调速电磁换向阀快进快退。双头专用车床液压系统设计（1）某厂欲自行设计制造一台专用车床，用于压缩机连杆两端长轴颈的车削加工。根据加工工件尺寸较长的特点，拟采用的加工工艺方案为：工件固定，刀具旋转并进给。车床主要由床身[布有相互平行的V形导轨和平导轨各一条(见图2-1)]和左右两个车削动力头组成，其总体布局如图2-2所示。工件装夹于床身中部。两个独立的动力头，通过机械传动带动主轴及刀具旋转实现车床的主运动；进给运动要求采用液压缸实现，即在床身上安装两个液压缸，使其活塞杆与各动力头下部相连，通过液压缸往复运动驱动动力头实现车床的进给运动。车床加工工件时，车削动力头的进给工作循环为：快进→工进→快退→停止。已知：移动部件重约是G＝12kN；15kN；20kN；各车削动力头的最大切削进给抗力(轴向力)估值为＝12kN，15kN主切削力(切向力)＝30kN；35kN。要求动力头的快速进、退速度相等，=，工进速度无级调整范围为=.导轨的静、动摩擦因数分别为=0.2;=0.1。(2)配置执行元件根据车床的总体布局及技术要求，选择缸筒固定的单杆活塞缸作为驱动车削动力头实现进给运动的液压执行元件。(3)工况分析由于动力头的快速进退及工作进给阶段的速度已给定，不必进行运动分析。故仅对液压缸作动力分析，即通过分析计算，确定液压缸总的最大外负载。液压缸的受力简图如图2-3所示。图2-1车床总体布局示意图图2-3车床液压缸受力分析计算简图1，8一车削动力头；2，7一主轴；3，6一连杆轴颈；4一夹具；5一工件(连杆)；9一导轨；10一床身图2-2车床导轨受力分析简图1．设计任务（1）拟定液压系统原理图；（推荐软件CAXA2011，AUTOCAD机械工程师2010）；（2）运用FLUIDSIM对液压回路进行仿真；（3）选择液压系统的元件和辅件；（4）验算液压系统性能；（5）设计液压阀块和阀组；（6）绘制下列图纸：(建议用UG/PROE/SOLIDWORKS完成)液压系统原理图A41张液压站总装图A31张液压阀组图A41张（7）编写液压系统的PLC控制程序并完成接线图。（8）编写设计说明书2．液压回路的工况分析导轨受力分析：求导轨的摩擦阻力：工进时有图可得：Ffd1=2sin22aGGdzdzFF2sin1.02)3515(1.02)3515(901010336035N图2-2车床导轨受力分析简图加速恒速时的动摩擦阻力：1810N2sin1.02151.02152sin22901010332adGdGFfd空载进退启动时有静摩擦力：2sin2.02152.02152sin2290101033asGsGFfs=3621N惯性力：NtvgGFi1532.002.081.915103车削动力头的切削抗力kNFe12密封摩擦阻力：静密封摩擦阻力：NFFecmms120012)90.01()1(103动密封摩擦阻力：NFFmd36030ms％外负载计算结果工况外负载F/N工况外负载计算公式结果计算公式结果快进启动FFmsfsF4821N快退启动FFmsfsF4821N加速FFFFmdifd22323N加速FFFFmdifd22323N恒速FFmdfdF22170N工进FFFmdfdeF118395N恒速FFmdfdF22170N由上图可知其最大值为Fmax18395N表2.2按负载选择工作压力负载/KN55~1010~2020~3030~5050工作压力/MPa0.8~11.5~22.5~33~44~5≥5表2.3各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.8~23~52~88~1010~1820~32由表2.2及表2.3，预设液压缸的设计压力p1Mpa3鉴于动力滑台快进和快退速度相等，这里的液压缸可选用单活塞杆式差动液压缸（212AA），快进时液压缸差动连接。工进时为防止孔钻通时负载突然消失发生前冲现象，液压缸的回油腔应有背压，背压为MPap3.02。表2.4执行元件背压力系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.2~0.5回油路带调速阀的系统0.4~0.6回油路设置有背压阀的系统0.5~1.5用补油泵的闭式回路0.8~1.5回油路较复杂的工程机械1.2~3回油路较短且直接回油可忽略不计由式：cmFApAp2211得：mppAcmF242111071.71)2(则活塞直径：mmDA9641表2.5按工作压力选取d/D工作压力/MPa≤5.05.0~7.0≥7.0d/D0.5~0.550.62~0.700.7表2.6按速比要求确定d/D2/11.151.251.331.461.611d/D0.30.40.50.550.620.71注：1v—无杆腔进油时活塞运动速度；V2v—有杆腔进油时活塞运动速度。参考表2.5及表2.6，计算液压缸主要结构尺寸为了满足动力头快速进退速度相等的要求并减小液压泵的流量，将缸的无杆腔作为主公作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积A1与A2应满足AA221,即活塞杆直径d和液压缸内径D间应满足d=0.71D。圆整后取标准数值得D=100mm，d=70mm。由此求得液压缸两腔的实际有效面积为：mDA242110784mdDA242221040)(4AAA21m241038液压缸实际工作压力为：AApPcmF1221Mpa62.2实际选取工作压力为Mpa62.2，它是系统的最高压力。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，还必须按最低进给速度验算油缸尺寸。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，在此取流量阀最小稳定流量为min/50ml。minv——活塞最低进给速度，本题给定为min/20mm。根据上面确定的液压缸直径，油缸有效工作面积为：mDA242110784234minmin105.210250mvq验算说明活塞面积能满足最小稳定速度要求。差动连接快进时，液压缸有杆腔压力p2必须大于无杆腔压力p1，其差值估取MPappp5.012，并注意到启动瞬间液压缸尚未移动，此时0p；另外，取快退时的回油压力损失为0.5MPa。快退时，单个液压缸需求的最大流量vAqmax2max124L/min根据计算出的液压缸的尺寸，可估算出液压缸在工作循环中各阶段的压力、流量和功率，如表2.7所列。表2.7液压缸在各阶段的压力、流量和功率值工况推力F0/N回油腔压力p2/MPa进油腔压力p1/MPa输入流量qL/s输入功率P/kW计算公式快进启动53560——21201AAPAFp121)(vAAqqpP11加速2581ppp121.66——恒速2411ppp121.160.380.44工进204390.32.620.1560.4112201AApFp21vAqqpP11快退启动5356———21201AApFp32vAq,qpP11加速25810.51.62——恒速24110.51.580.40.63注：1.Δp为液压缸差动连接时，回油口到进油口之间的压力损失，取Δp=0.5MPa。2．快退时，液压缸有杆腔进油，压力为p1，无杆腔回油，压力为p2。3.cmFF0制定方案，拟定液压系统图①制定液压回路方案a．调速方式与油源方案。考虑到切削进给传动功率不是很大，低速时稳定性要求较高；加工期间负载变化较大，故采用限压式变量阀供油和调速阀联合的容积节流调速方案，且快进时液压缸差动链接，以满足系统高压小流量和低压大流量的工况特点，从而提高系统效率，实现节能，调速阀设置在进油路上，通过调节通流面积实现液压缸及其拖动的车削动力头的车削进给调速度大小；通过分别调整两个调速阀可使两个车削动力头获得较高同步精度。b．方向控制方案。由于系统流量不是太大，故选用三位五通“O”形中位机能的电磁换向阀作主换向阀；本机床加工的轴颈长度尺寸无特殊精度要求，故采用行程控制即活动挡块压下电器行程开关，控制换向阀电磁铁的通断电来实现自动换向和速度换接。通过两个电磁铁换向阀的通断组合，可实现两个车削动力头的独立调节。在调整一个时，另一个应停止。c．速度换接方案。快进和和工进的速度换接由二位二通行程阀和远控顺序阀实现，以简化油路，提高换接精度。工进时进右路和回油路的隔离采用单向阀实现。d．背压与安全保护。为了提高液压缸及其驱动的车削动力头的运动平稳性，在液压缸工进时的回油路上设置一溢流阀，以使液压缸在一定的背压下运行。为了保证整个系统的安全，在泵出口并联一溢流阀，用于防止过载。e．辅助回路方案。在液压泵入口设置吸油过滤器，以保证油液的清洁度；在液压泵出口设置压力表及多点压力表开关以便于个压力阀调压时的压力观测。②合成液压系统图③将上述各液压回路方案进行综合即可组成专用车床的液压系统原理图，图中附表是电磁铁及行程阀的状态表。以左侧动力头及液压缸21为例说明其工作原理。a．快进按下启动按钮，电磁铁1YA通电使换向阀13切换至左位。由于快进时负荷较小，系统压力不高，故顺序阀9关闭，变量泵2输出最大流量。此时，液压缸21为差动连接，动力头快进。西戎的油液流动路线如下。进油路：变量泵2→换向阀13（左位）→行程阀19（下位）→液压缸21无杆腔。回油路：液压缸21有杆腔→换向阀13（左位）→单向阀11→行程阀19（下位）→液压缸21无杆腔。b．工进当动力头快速前进到预定位置时，动力头侧面的活动挡块压下行程阀19，动力头开始车削工件。此时系统压力升高，在顺序阀9打开的同时，限压式变量泵2自动减小其输出流量，以便与调速阀17的开口相适应。系统中油液流动路线如下。进油路：变量泵2→换向阀13（左位）→调速阀17→液压缸21无杆腔。回油路：液压缸21有杆腔→换向阀13（右位）→顺序阀9→溢流阀（背压阀）→油箱。c．快退在动力头工作进给到预定位置触动行程开关SQ1时，给出动力头快退信号，电磁铁1YA断电，2YA通电，换向阀13切换至右位，此时系统压力下降；变量泵2的流量又自动增大，动力头实现快退。系统中油液的流动路线如下。进油路：变量泵2→换向阀13（右位）→液压缸21有杆腔。回油路：变量缸21无杆腔→单向阀15→换向阀13（右位）→油箱。d．动力头原位停止当动力头快退回到原位时，活动挡块压下终点行程开关SQ3，是电磁铁1YA和2YA均断电，此时换向阀13操至中位，液压缸21两腔封闭，动力头停止运动，变量泵2实现高压小流量卸荷。待卸下加工好的工件，