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1、江汉大学机电与建筑工程学院1HMC 数控机床液压系统的分析与设计1 课题研究的目的和意义本课题来源于与柳州正菱集团有限公司签订的科研项目，研究的主要对象是 HMC500 型卧式加工中心的交换工作台的液压传动系统。研究该课题，主要是对该交换工作台的机械部分进行必要的分析和计算，归纳出该交换工作台的机械动作过程，并用液压传动装置来实现。与纯机械和液力传动相比，液压传动的主要优点是其调节的便捷性和布局的灵活性，可根据工程机械的形态和工况的需要，把发动机、驱动轮、工作机构等各部件分别布置在合理的部位，发动机在任一调度转速下工作，传动系统都能发挥出较大的牵引力，而且传动系统在很宽的输出转速范围内仍能保持
2、较高的效率，并能方便地获得各种优化的动力传动特性，以适应各种作业的负荷状态。在车速较高的行走机械中所采用的带闭式油路的行走液压驱动装置能无级调速，使车辆柔和起步、迅速变速和无冲击地变换行驶方向。对在作业中需要频繁起动和变速、经常穿梭行驶的车辆来说这一性能十分宝贵。但与开式回路相比，闭式回路的设计、安装调试以及维护都有较高的难度和技术要求。借助电子技术与液压技术的结合，可以很方便地实现对液压系统的各种调节和控制。而计算机控制的引入和各类传感元件的应用，更极大地扩展了液压元件的工作范围。通过传感器监测工程车辆各种状态参数，经过计算机运算输出控制目标指令，使车辆在整个工作范围内实现自动化控制，机器的
3、燃料经济性、动力性、作业生产率均达到最佳值。因此，采用液压传动可使工程机械易于实现智能化、节能化和环保化，而这已成为当前和未来工程机械的发展趋势。2 国内外研究现状2.1 国外研究现状限于可查阅的资料有限，本文主要从液压柱塞泵和液压阀集成两方面阐述国外的技术现状。江汉大学机电与建筑工程学院2液压柱塞泵具有节能、低噪声和先进的控制技术。很多著名企业如力士乐、Parker、ATOS、油研等都积极从事变量柱塞泵的开发和推广应用，变量柱塞泵已成为液压系统的关键元件，它的发展可以使液压系统向高压发展，提高效率，提高功率密度，变量泵的多种变量控制方式可以减少液压系统的控制阀类元件，简化系统，另一方面人们也
4、更关注变量柱塞泵的低噪声和高可靠性。 Rexroth 公司展出了为注塑机配套的 A10VSO-DFEE 电子变量控制泵，该泵的压力、流量由电子控制系统控制，通过位置传感器和压力传感器将信息反馈给高响应频率的比例阀，从而控制变量柱塞泵的输出流量和压力。该泵具有低噪声、高效率、频响高、控制精确、节省能源等特点，用于注塑机上可以节能20%。派克汉尼汾公司展出的 PV 型压力流量控制变量柱塞泵，由先导型比例压力阀和比例流量阀控制，该泵采用配油预压控制，可以显著降低脉动率，另外还对泵体结构进行优化设计，使泵体振动频率降低，采取上述措施后使油泵噪声降低 35dB。油研公司展出的 04 型电液比例负载敏感控
5、制型变量柱塞泵(PQ 泵)，该泵通过比例阀(PQ 阀)对压力和流量进行匹配控制，使压力、流量随负载而变化，从而减少功率消耗。该泵用于注塑机平均可节能 40%50%。 液压阀的发展方向是集成化和机电一体化。在集成化方面：各大公司都展出了各种叠加阀、插装阀、螺纹插装阀、阀块和系统，其特点是：小型化，减少安装空间；简化管路，减少液体流动阻力、泄漏、振动、噪声等接管引起的问题；便于用户检查和维修；工作更可靠。在机电一体化方面：各公司展出了品种齐全的具有先进水平的电液比例阀、电液伺服阀和比例伺服油缸等。 博士公司和 ATOS 公司新开发的比例阀，特点是有伺服阀的高控制精度和高频响 (3040Hz)，又有
6、比例阀的耐污染性。比例放大器包括模拟放大器和数字放大器，接口考虑了总线连接。ATOS 公司还展出了数字伺服执行器，它是一种智能部件，它包括带集成式位置传感器的伺服油缸、比例阀、集成式数字控制器、电子反馈信号、电源和现场总线网络的接线，用户可以通过软件随意设定动作循环和液压功能参数。2.2 国内研究现状我国液压工业已可为工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金、矿山、石油化工、铁路、船舶、轻工机械等提供比较齐全的产品，目前，液压元件产品江汉大学机电与建筑工程学院3约有1000 个品种，近10000 个规格。通过科技攻关和技术引进，产品水平有一定提高，生产出一些具有世界水平的产品，另外，在CAD 和C
7、AT 技术、污染控制、故障诊断、机电一体化、海水及高水基溶液的应用、现代控制技术的应用等方面也取得可喜成果，不少已应用于生产。对于本课题研究的HMC500型数控机床的液压系统，国内很多厂家都开发出了同类产品。如沈阳第一机床厂生产的HMC500高速卧式加工中心，该加工中心交换工作台最大的特点是：双托盘交换结构的应用，极大的减少了工件装卡时间，提高了生产效率。独特的托盘交换器结构，不但保证了托盘交换的快速性和准确性，也极大的降低了客户将来换件维修的费用。快速换刀装置能极大的满足汽车生产线加工节拍的需要。四川长征机床厂生产的HMC500双工作台卧式加工中心，其回转工作台分度定位的最小分割单位为1”
8、，最大承载重量可达800 Kg，工作台交换时间12 sec。台湾乔福机械工业有限公司生产的HMC-500加工中心，其工作台旋转分度为1” ，最大负载可达550 Kg，交换时间为8sec。台湾高峰机床厂生产的HMC500卧式加工中心，采用高精度自动工作台交换系统（A.P.C） ，满足弹性化、自动化的生产规划需求,其高精度旋转式工作台交换系统，适合弹性之自动化生产规划。旋转式交换动作简捷确实，工作台靠Z轴迅速移动，交换工作台时间仅11秒。工作台定位精度：15（CMD方式检验） 。优越之工作台承重能力：800kg。3 设计思路3.1 该机床液压系统原理分析HMC500 型卧式加工中心是集高速、高精度
9、及高可靠性等特点于一体，并具有双托盘交换功能。机床总体布局采用国际流行的“T”型结构，刚性足、精度保持性好、加工空间大、结构紧凑、节省空间。该系列机床可一次装夹完成多个面的铣、钻、扩、镗、绞、攻丝等多道工序，是箱体、壳体、阀体等零部件加工的理想设备，尤其适合汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等零件的成套加工生产线，广泛适用于汽车、摩托车、仪表、液压件等行业。本课题研究的 HMC500 型机床的交换工作台的动作过程概述如下：解开工作台卡锁工作台上升、松开托盘上升托盘旋转、交换位置托盘下降工作台下降、夹紧工作台卡紧。当工件在加工过程中，需要进行多工位加工时，江汉大学机电与建筑工程学院4可使用分度盘来
10、实现，其动作过程概述如下：解开工作台卡锁分度盘上升分度盘分度分度盘下降工作台卡紧。要实现上述动作过程，可以使用顺序动作回路来实现工作台、托盘的顺序动作，使用速度控制回路来实现托盘、分度盘的旋转速度控制，使用液压马达来实现托盘的旋转动作。整机的液压系统原理图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段需装设必要的检测元件(如压力表、温度计等)。顺序动作回路的功用是使液压系统中多个执行器严格地按规定的顺序动作。按控制方式不同可分为压力控制和行程控制两类。压力控制顺序动作回路是用油路中压力的差别自动控制多个执行元件先后动作的回路，如图 2。行程控制顺序动作回路是
11、在液压缸移动一段规定行程后，由机械机构或电气元件作用，改变液流方向，使另一液压缸移动的回路，如图 3。图 2 压力控制顺序动作回路江汉大学机电与建筑工程学院5图 3 行程控制顺序动作回路3.2 液压元件的选择与专用件设计3.2.1 液压泵的选择（1）确定液压泵的最大工作压力 pPpP p1 p式中 p1液压缸或液压马达最大工作压力； p从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。 p 的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取 p(0.20.5)MPa；管路复杂，进口有调速阀的，取 p(0.51.5) MPa。回油背压应折算到进油路。
12、 （2）确定液压泵的流量 qP多个液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为qPK( qmax)式中 K系统泄漏系数，一般取 K1.11.3； qmax同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从( qt)图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般 取 0.5104 m3s。系统使用蓄能器作辅助动力源时zitPTKVq1江汉大学机电与建筑工程学院6式中 K系统泄漏系数，一般取 K1.2；Tt液压设备工作周期(s)；Vi每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量(m 3)；Z液压缸或液压马达的个数。（3）选择液压泵的规格 根据以上求得的 pP和 qP值，
13、按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大 2560。（4）确定液压泵的驱动功率在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即( p t)、( q t)图变化较平缓，则P式中 pP液压泵的最大工作压力(Pa)； qP液压泵的流量(m 3/s)； P液压泵的总效率，参考表 41 选择。限压式变量叶片泵的驱动功率，可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。一般情况下，可取 pP0.8 pPmax， qP qn，则nmax8.0式中 pPmax液压泵的最大工作压力(Pa)； qn液压泵的额定流量(m 3/s)。
14、在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即( p t)、( q t)曲线起伏变化较大，则须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率nPCttP 212式中 t1、 t2、 tn个循环中每一动作阶段内所需的时间(s)；Pl、 P2、 Pn一个循环中每一动作阶段内所需的功率(W)。按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。电动机允许的短时间超载量一般为 25。3.2.2 液压阀的选择（1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定江汉大学机电与建筑工程学院7型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀
15、时，要考虑其最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有 20以内的短时间过流量。（2）阀的型式，按安装和操作方式选择。3.2.3 管道尺寸的确定（1）管道内径计算vqd4式中 q通过管道内的流量(m 3/s)； v管内允许流速(m/s)，见表 42。计算出内径 d 后，按标准系列选取相应的管子。（2）管道壁厚 的计算2pd式中 p管道内最高工作压力(Pa)； d管道内径(m)； 管道材料的许用应力(Pa)， b/n b管道材料的抗拉强度(Pa)；n安全系数，对钢管来说， p7MPa 时，取 n=8；p17.5MPa，取n6；p17
16、.5MPa 时，取 n4。3.2.4 油箱容量的确定初设计时，先按下式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。油箱容量的经验公式为V aqV式中， qV液压泵每分钟排出压力油的容积(m 3)； a经验系数，见表 43。在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。3.3 液压装置设计3.3.1 液压装置总体布局液压系统总体布局有集中式、分散式。本设计拟采用集成式。集中式结构江汉大学机电与建筑工程学院8是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或安装在地下，组成液压站。3.3.2 液压阀的配
