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1、Z3040 专用摇臂钻床液压传动系统设计摘要液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、 塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度应用和发展，而且发展成为 包括传动和检测在内的一门完整的自动化技术。液压传动是用液体作为工作介 质，利用液体的压力能来实现运动和力的传递的一种的传动方式。现今，采用液 压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压技术在实现高 压、高速、大功率、高效率、低噪声以及液压元件和系统的经久耐用，高度集成 化等方面取得了重大进展。将液压传动技术应用到钻床中，使它具有成本低、效 率高、机构简单、工作可靠、使用和维修方便等特点。在现代的
2、钻床中液压系统已经被普遍所应用，然而液压传动系统也占有不可 或缺的作用。本论文中主要针对专用钻床的液压传动系统的控制方案、液压元件 的选择、系统原理、工况分析、电气回路图、液压仿真等进行设计。关键词：专用钻床，液压传动系统，电气回路，液压仿真目录1 绪论11.1 液压传动的发展概况 11.2 液压传动的优缺点 11.3 自动加工钻床工作原理 22 钻床的液压系统分析33 液压系统的设计53.1 供油方式 53.2 调速方式的选择 53.3 速度换接方式的选择 63.4 夹紧回路的选择 63.5 液压原理图的拟定与设计 63.5.1 送料缸液压回路 63.5.2 夹紧缸液压回路 73.5.3 加
3、工缸液压回路 73.6 绘制液压系统图 83.6.1 绘图要求 83.6.2 液压系统原理图 84 液压系统的计算和液压元件的选择104.1 液压缸的选择 104.1.1 液压缸主要尺寸的确定 104.1.2 稳定速度的验算 134.2 液压泵的选择 144.2.1 液压泵的压力 144.2.2 液压泵的流量 154.2.3 液压泵规格的选择 154.3 电动机的选择 154.4 压马达的选择 174.4.1 液压马达的负载计算 174.4.2 马达规格的选择 184.5 液压阀的选择 184.5.1 方向控制阀的选择 184.5.2 压力控制阀的选择 194.6 液压缸的选择 194.7 液
4、压油管的设计 224.7.1 油管类型的选择 224.7.2 油管尺寸的确定 224.8 油箱容量的选择 235 液压系统性能验算246 电气控制原理图的设计266.1 电气动控制功能介绍 266.2 控制回路的画图介绍 276.2.1 串联电路 276.2.2 并联电路 276.2.3 自锁电路 286.3 控制阀的设计 286.4 电气原理图设计中应注意的问题 296.5 电气控制原理图的拟定 296.6 液压系统的工作过程 307 液压系统的仿真与运行317.1 液压仿真软件的介绍 317.2 液压系统的仿真 327.2.1 送料时液压系统仿真 327.2.2 夹紧时液压系统仿真 327
5、.2.3 加工时液压系统仿真 327.2.4 退刀时液压系统仿真 328 结论33参考文献34致谢35附录361 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
6、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
7、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 具有以下优点和缺点。( 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；( 7 )易于防止过载事故；（8）易于出现泄漏；（9）油的黏度随温度变化，引起动作机构运动不稳定；（10）空气渗入液压油后会引起爬行、振动、噪声；（10）用矿物油做液压介质时，有燃烧危险，应注意防火；（11）矿物油与空气接触会发生氧化，使油变质，必须定期
8、换油；（12）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 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。（2）装夹 当送料过程中遇到行程开关时，阻碍工
9、件继续前行，使工件定 位。（3）夹紧 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 钻床的液压系统分析首先根据 Z3040 摇臂钻床的参数，绘制运动部件的速度循环图，如图 2-1 所示。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：F 二 F + F + F(2-1)wfa其中，F -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 w力，在本设计中 F 为 20000 N ；w
10、F -运动部件速度变化时的惯性负载；aF -导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，对于平导轨 F 可由 ff下式得：F 二 f (G + F )(2-2)frn其中， G -运动部件重力；F -垂直于导轨的工作负载，本设计中为零；rnf -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：F “ = 0.2 x 1000 = 2000NFfa = X10000 = 1000N其中， Ffs -静摩擦阻力Ffa -动摩擦阻力2-3)外负载F N工作循环图2-2负载循环图表2-1工作循环各阶段的外负载其中， g -重力加速度；At-加速或减速时间，一般At二0.01 -0
11、.5s ；Av -速度差,At -时间差。在本设计中10000 4= x=340N9.80.2 x 60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。启动、加速F = F + Ffa2340工进F 二 F + Fwfa21000快进F = Ffa1000快退F = Ffa1000外负载FN工作循环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
12、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。需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 3-1 所示。表 3-1 各种调速方式的性能比较主要 性能节流调速容积 调速回路容积-节流 调速回路简式节流调速系统带压力补偿阀的节流调速系统变量泵、 定量马达流量 适应功率 适应进油节流及 回油节流旁路 节流调速阀在 进油路调速阀在旁油路 及溢流节流调速 回路负载速度 刚度差很差好较好好特性承载 能力好较差好较好好调速 范围大小大
13、较大大功率效率低较低低较低最高较咼高特性发热大较大大较大最小较小小成本低较低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
14、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。3.4 夹紧回路的选择 用三位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免工作时突然失电 而松开，应采用失电夹紧方式。考虑到夹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 入一个可调单向节流阀。在该回路中还装有保压阀，用来调节夹紧力的大小和保 持夹紧力的稳定。3.5 液压原理图的拟定与设计3.5.1 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，速度不宜过快，故限定油液的流量。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%。选取了三位四通换向阀，满足换向要求。具体送料缸液压回路见图 3-1所示。巾！下=卩宜 i： ：i i： ：i 日3.5.2 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。采用了一个保压阀，使夹紧缸才工作过程中始终保持恒定的可调夹紧力，保证了工件的夹紧。夹紧缸液压回路见
