立式專用銑床液壓系統設計

陳傳艷 （湖北水利水電職業技術學院機電工程系，湖北 武漢430070）

1 液壓系統的設計依據和工況分析

1.1 液壓系統參數

湖北水利水電職業技術學院校辦工廠的一臺專用的立式銑床，主要是用于一些平面銑削的工作。該臺專用銑床的液壓系統主要用于控制其動力滑臺實現動作循環：快進→工進→快退→原位停止。銑頭驅動電動機功率為7.5kW，銑刀直徑為120mm，銑刀轉速為350r／min，運動部件總重量為4000N。工作行程為400mm（快進300mm，工進100mm），快進、快退速度為6m／min，工進速度為60～1000mm／min，加、減速時間為0.05s；工作臺水平放置，導軌靜摩擦系數0.2，動摩擦系數0.1。

1.2 液壓系統的工況分析

1）運動分析 根據已規定的動作循環“快進－工進－快退”的要求，該銑床的運動是往復不對稱直線運動，是單桿活塞缸運動的特征，故選用單桿活塞式液壓缸作為執行元件。

2）負載分析 一般說來，液壓缸承受的動力性負載有工作負載Fw、慣性負載Fm等，約束性負載主要有摩擦阻力Ff（靜摩擦阻力Ffs和動摩擦阻力Ffd）。液壓缸的運動分為啟動、加速、恒速、減速制動等階段，不同階段的負載計算是不同的。液壓缸在各工作階段的負載如表1所示。

表1 液壓缸在各工作階段的負載值（ηm為機械效率）

2 液壓系統主要參數的確定

2.1 系統工作壓力的確定

根據液壓缸的負載循環圖，可以確定系統的最大載荷點，在充分考慮系統所需流量、系統效率和性能要求等因素后，可查表選擇系統工作壓力。經查表可知，專用銑床液壓系統在最大負載約為5000N時，從安全及生產實際需要的角度考慮，取系統工作壓力為3MPa。

2.2 液壓缸主要參數的確定

初步選定的工作壓力可認為是液壓缸的輸入壓力p1，即p1＝3MPa。然后再初步選定液壓缸的回油壓力p2（背壓），這樣就可以確定液壓缸的參數。鑒于動力滑臺要求快進、快退速度相等，一般在快進時作差動連接。在這種情況下，液壓缸無桿腔工作面積A1應取為有桿腔工作面積A2的2倍。快進時液壓缸雖作差動連接，但由于油管中有壓差Δp存在，有桿腔的壓力必須大于無桿腔，估算時可取Δp≈0.5MPa。快退時回油腔中也是有背壓的，這時p2亦可按0.5MPa估算。系統為增加回路運動中的平穩性，在進回油路上擬均加設節流閥，根據經驗，工進時取p2＝0.8MPa。

經圓整后，取D＝50mm，d＝32mm。

液壓缸缸筒長度由活塞最大行程L、活塞長度B、活塞桿導向長度H 和特殊要求的其它長度確定（見圖1）。

因液壓缸活塞的最大行程L為400mm，液壓缸的內徑D為50mm。所以：

圖1 導向長度

必要時可在導向套和活塞之間裝一隔套K，隔套的長度為：

其中，活塞長度B介于0.6D ～1.0D；導向套長度A介于0.6d～1.5d。

為了減少加工難度，一般液壓缸的缸筒長度不應大于（20～30）D，即1250mm。因液壓缸活塞的最大行程L為400mm，則取液壓缸缸筒長度為500mm。

2.3 液壓缸壁厚的確定

由于所設計的專用銑床工作壓力為3MPa，屬中、低壓系統，液壓缸壁厚δ可根據結構和工藝上的需要確定，一般不進行計算。取δ＝5mm。

2.4 液壓缸的校核

1）缸筒壁厚δ的校核 液壓缸擬采用鑄造缸筒，這時應按厚壁圓筒公式驗算壁厚。因δ／D＝5／50＝0.1，可用公式驗算壁厚。

查表選定液壓缸材料，液壓缸材料對應的許用應力為392MPa。試驗壓力pmax比缸最高工作壓力大20%～30%，pmax＝0.3×3＋3＝3.9MPa，所以：

經驗算，液壓缸筒壁厚符合要求。

2）液壓缸活塞桿穩定性驗算 利用安全系數法進行校核。鋼的穩定性系數介于1.8～3.0，而活塞桿穩定性系數：

故活塞桿受壓時穩定性良好。經驗算，活塞桿的強度和穩定性均符合要求。

3）液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核 鑒于所設計的液壓系統屬中、低壓系統，故不需對螺釘強度進行校核。根據上述數值，可估算液壓缸在各個工作階段中的壓力、流量和功率，如表2所示。

表2 液壓缸在不同工作階段的壓力、流量和功率值

3 液壓系統圖的擬定

3.1 選擇系統的類型

首先選擇調速回路。該機床液壓系統的功率小，動力滑臺工進速度低，工作負載變化小，可采用進口節流的調速形式。為了解決進口節流調速回路在銑削完時的滑臺突然前沖現象，回油路上要設置背壓閥。由于液壓系統選用了進口節流調速的方式，系統中油液的循環必然是開式的。在這個液壓系統的工作循環內，液壓缸交替地要求油源提供低壓大流量和高壓小流量的油液，最大流量與最小流量之比約為4。因此采用單個定量泵作為油源較為合理。為防止機床工作的過程中，工廠突然停電，泵無法轉動，液壓系統無法繼續工作，故系統中另專設一備用的手動液壓泵，作應急時用。

3.2 選擇液壓基本回路

首先選擇調速回路，其次選擇快速運動和換接回路。本系統是用于專用銑床上的液壓系統，因此調速和速度換接回路是主要回路。無論是快進還是工進，流量都不是很大，因此不需用單桿液壓缸作差動連接，實現快速運動，只需讓進油液全部經過換向閥即可，可用電磁換向閥實現液壓缸的換向。為使液壓缸在退和進的過程中速度可以調節，且較平穩，在缸的進油路及回油路中均設有單向節流閥。為使缸快慢速轉換平穩，以減少液壓沖擊，可用行程閥的速度換接回路。最后再考慮壓力控制回路。系統的調壓問題已在油源中解決，定量泵的出口的溢流閥起調壓溢流作用，系統的工作壓力可通過調節溢流閥的彈簧來實現。卸荷問題可采用中位機能為M型的三位換向閥來實現，就不須再設置專用的元件或油路。

圖2 系統原理圖

3.3 液壓系統回路的合成

把上面選擇的各種回路組合在一起，經過修改、整理可以得到圖2所示的系統原理圖。

4 液壓裝置的結構設計

液壓系統原理圖確定之后，可根據所選擇的液壓元件、輔助元件進行液壓裝置的設計。系統的液壓裝置采用集中式結構，主要采用集成塊式，但某些局部位置采用疊加閥，如雙單向節流閥、行程調速閥等，總裝圖模型如圖3所示。

圖3 液壓站的總裝圖模型

5 結語

該立式專用銑床液壓系統的設計，是湖北水利水電職業技術學院與武漢博達高科有限責任公司共同完成的一項校企合作項目。截止目前，所設計的液壓系統已在該立式專用銑床上投入使用，性能穩定，工作安全可靠。

［1］ 容一鳴，陳傳艷 .液壓傳動 ［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［2］ 梁建和，廖君 .液壓與氣動技術 ［M］.北京：黃河水利出版社，2010.

［3］ 李芝 .液壓傳動 ［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［4］ 于榮賢 .工程力學 ［M］.北京：機械工業出版社，2007.