21 数控车床的液压传动解读.docx

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21数控车床的液压传动解读

情境二复杂机械的液压传动

任务1数控车床的液压传动

一、结构与工作情况

1、结构

数控车床是一台现代机械加工设备，主要用于回转型零件的加工。

外形图：

结构图：

二、液压传动系统

1、传动系统图：

图4－3　数控车床液压系统

1－液压泵　2－溢流阀　3、8－二位二通换向阀4－三位五通换向阀　5－液压缸　6、7－调速阀

该系统的需完成的工作循环为：

快速空程运动→慢速工作进给→更慢速工作进给→快退→停止。

2、电磁铁动作表

1YA

2YA

3YA

4YA

快进

＋

－

＋

－

慢进

＋

－

－

＋

更慢进

＋

－

－

－

快退

－

＋

－

－

停止

－

－

－

－

3、系统中的基本回路

（1）换向回路　由三位五通电磁换向阀4等组成的换向回路，使液压缸5能够前进、后退和停止运动。

（2）差动联接回路　由二位二通电磁换向阀3和三位五通电磁换向阀4等组成的差动联接快速回路，阀3通电使液压缸5形成差动联接，以实现刀具的快速运动。

（3）出口节流调速回路　由调速阀6和7等元件组成出口节流调速回路，用于调节液压缸的工作进给速度。

（4）串联调速二次调速进给回路　由调速阀6实现液压缸5的慢速进给，由调速阀7实现液压缸5的更慢速进给。

必须指出，调速阀7的流量应小于调速阀6的的调节流量，否则得不到更慢速进给速度。

（5）速度换接回路　由二位二通阀8等元件组成速度换接回路。

当二位二通阀8通电时，由调速阀6实现慢速进给，当二位二通阀8断电时，由调速阀7实现更慢速进给。

（6）卸荷回路　由三位五通电磁换向阀4的M型中位机能卸荷。

4、实现：

“快进→慢进→更慢进→快退→原位停止”工作循环的油路情况

（1）快进　1YA和3YA通电，液压缸5实现差动联接，因活塞杆固定，液压缸5快速向左运动。

进油路：

泵1→阀4左位→液压缸5左腔。

回油路：

液压缸5右腔→阀4左位→阀3下位→液压缸5左腔。

（2）慢速进给　1YA和4YA通电，因调速阀6在回油路上，所以称为出口节流调速回路。

进油路：

泵1→阀4左位→液压缸5左腔（液压缸5慢速向左运动）。

回油路：

液压缸5右腔→阀4左位→精过滤器→调速阀6→阀8右位→油箱。

（3）更慢速进给：

1YA通电，回油经过调速阀6、7，因而液压缸5获得更慢速进给。

进油路：

泵1→阀4左位→液压缸5左腔（液压缸5更慢速向左运动）。

回油路：

液压缸5右腔→阀4左位→精过滤器→调速阀6→调速阀7→油箱。

（4）快退　2YA通电，阀4换向，液压缸5快速向右退回。

进油路：

泵1→阀4右位→液压缸5右腔（液压缸5快速向右运动）。

回油路：

液压缸5左腔→阀4右位→油箱。

（5）停止　电磁铁均断电，液压缸5停止运动。

其油路情况是：

泵1→阀4中位（M型机能）→油箱。

5、回路特点

（1）液压缸快带前进，采用差动联接回路来实现，可以选用小流量泵，使能量利用更为经济合理。

（2）采用出口节流调速形式，在回路上能够背压，不仅可以提高运动的平稳性，防止负载突然消失，引起民液压缸突进，而且具有承受反向负载的能力。

（3）采用“定量泵－调速阀”式调速回路，速度刚性较好，调速范围也大；但存在溢流损失和节流损失、功率损耗大等缺点。

（4）采用调速阀串联实现更慢速进给。

由于两阀均处于工作状态，速度换接时液压缸不前冲现象，换接平稳性好。

（5）采用电磁换向阀实现两种工作进给速度的换接，工作可靠，便于实现远程控制，但换接平稳性差。

三、换向阀

（一）换向阀的分类及图形符号

换向阀又叫方向阀，其功用是根据控制要求改变换向阀口的通断来达到改变液压油流动的方向。

按阀的操纵方式不同，换向阀可分为手动、机动、电磁动、液动、电液动换向阀，其操纵符号如图4－4所示。

按阀芯位置数不同，换向阀可分为二位、三位、四位和多位换向阀；按阀体上主油路进、出油口数目不同，又可分为二通、三通、四通、五通等。

换向阀位各通的符号、相应的结构原理见表4-1。

表中图形符号所表达的意义为：

箭头表示两油口连通，但不表示流向。

“⊥”表示油口不通流。

在一个方格内，箭头或“⊥”符号与方格的交点数为油口的通路数，即“通”数。

1）方格数即“位”数，三格即三位。

2）控制方式各复位弹簧的符号应画在方格的两端。

3）P表示压力油的入口，T表示与油箱连通的回油口,A和B表示连接其它工作油路的油口。

三位阀的中格及二位阀侧面画有弹簧的那一方格为常态位（即未受控制时的状态）。

在液压原理图中，换向阀与油路的连接应画在常态位上。

二位二通阀有常开型（常态位置两油

口连通）和常闭型（常态位置两油口不连通），应注意区别。

（二）几种常见的换向阀

1、机动换向阀如图4－5所示，称为二位二通机动换向阀。

当安装在运动部件上的挡块或凸轮碰及机动阀阀芯端部的滚轮使阀芯移动，从而使油路换向。

在图示位置，阀芯2在弹簧作用下处于左位，P与A不连通；当有运动部件上的挡块压住滚轮1推动阀芯右移时，使油口P与A连通。

机动换向阀结构简单，常用于控制运动部件的行程和位置，其缺点是它必须安装在运动部件行程上，一般油管较长，调整位置较麻烦。

机动换向阀又称行程阀、位置阀。

2、电磁换向阀电磁换向阀如图4－6所示，它的两端是电磁线圈（电磁铁），中间是阀体。

电磁换向阀是利用电磁线圈通电后电磁铁的吸力推动阀芯移动换位的换向阀。

电磁换向阀有利于提高设备的自动化程度，因而应用最广泛。

电磁铁因其所用电源不同而分为交流电磁铁和直流电磁铁。

交流电磁铁常用电压为220V和380V，不需要特殊电源，电磁吸力大，换向时间短（0.01～0.03s），但换向冲击大、噪声大、发热大、换向频率不能太高，一般为10次/min，不超过30次/min，寿命较低。

直流电磁铁的工作电压一般为24V，其换向平稳，工作可靠，发热小，噪声小，寿命高，允许使用的换向阀可达120次/min，其缺点是起动力小，换向时间较长（0.05～0.08s），且需要专门的直流电源，成本较高。

电磁铁按衔铁工作腔是否有油液，又可分为“干式”和“湿式”。

干式电磁铁不允许油液流入电磁铁内部，因此必须在滑阀和电磁铁之间设置密封装置，而在推杆移动时产生较大的摩擦阻力，也易造成油的泄漏。

湿式电磁铁的衔铁和推杆均浸在油液中，运动阻力小，且油还能起到冷却和吸振作用，从而提高了换向的可靠性及使用寿命。

图4－6a所示为二位三通干式交流电磁换向阀。

其左边为一交流电磁铁，右边为滑阀。

当电磁铁不通电时（图示位置），其油口P与A连通；当电磁铁通电时，衔铁1右移，通过推杆2使阀芯3推压弹簧4并向右移至端部，其油口P与B连通，而P与A断开。

图4－6c所示为三位四通直流湿式电磁换向阀，图4－6d为它的符号。

阀的两端各有一个电磁铁和一个对中弹簧。

当右端电磁铁通电时，右衔铁1通过推杆2将阀芯3推到左端，阀右位工作，其油口P通A，B通T；当左端电磁铁通电时，阀左位工作，其阀芯移至右端，油口P通B，A接通T。

三位四通电磁换向阀换向时要经过中间状态，但时间很短，此时受控的设备在中间状态下失控，当速度高和运动部件质量大时应考虑到这一因素，采取相应的措施。

油浸式电磁铁，其衔铁和电磁线圈均浸在油液中工作，发热很小，寿命很长，但造价较高。

3、液动换向阀电磁换向阀易实现程序控制，换向速度快，但受电磁铁尺寸限制，难以用于切换大流量油路。

当阀的通径大于10mm时常用压力油操纵阀芯换位。

这种利用控制油路的压力油推动阀芯改变位置的阀，称为液动换向阀。

图4－7为三位四通液动换向阀。

当其两端控制油K

和K2均不通入压力油时，阀芯在两端弹簧的作用下处于中位；当K

进压力油，K

接油箱时，阀芯移至右端，其通油状态为P通A，B通T；反之，K

进压力油，K1接油箱时，阀芯移至左端，其通油状态为P通B，A与T接通。

液动换向阀经常与机动换向阀或电磁换向阀组合成机液换向阀或电液换向阀，实现自动换向或大流量主油路换向。

4、电液换向阀电液换向阀是由电磁换向阀和液动换向阀组成的复合阀。

电磁换向阀为先导阀，它用以改变控制油路的方向；液动换向阀为主阀，它用以改变主油路的方向。

这种阀的优点是可用反应灵敏的小规格电磁阀方便地控制大流量的液动阀换向。

图4－8a、b、c为三位四通电液换向阀的结构简图、图形符号各简化符号。

当电磁换向阀的两电磁铁线圈均不通电时（图示位置），电磁阀芯在两端弹簧力作用下处于中位。

这时液动换向阀芯两端的油腔经两节流阀及电磁换向阀的通路与油箱（T）连通，液动阀芯处于中位，A、B、P、T油口均不相通。

当左端电磁铁通电时，电磁阀芯右移，使由P口进入的压力油经电磁阀油路及左端单向阀进入液动换向阀的左端油腔，而液动换向阀右端的油则经右节流阀及电磁阀上的通道与油箱连通，液动换向阀芯即在左端液压油推力的作用下移至右端，使P通A，B通T；反之，当右端电磁铁通电时，电磁阀芯移至左端时，溢动换向阀右端进压力油，左端经左节流阀通油箱，阀芯移至左端，即液动换向阀右位工作，改变油路的通断状态为P通B，A通T。

液动换向阀的换向时间可由两端节流阀调整，因而可使换向平稳，冲击小。

5、多路换向阀将多个换向阀按一定方式组合，就成为多路换向阀，如下图4-9所示，常用于工程机械等要求集中操纵多个执行元件的设备中。

按组合方式不同，它有并联式、串联式和顺序单动式三种，其图形符号如图4－9a、b、c所示。

在并联式多路换向阀的油路中，泵可同时向各执行元件供油（这时负载小的执行元件先动作；若负载相同，则执行元件的流量之和等于泵的流量），也可只对其中一个或两个执行元件供油。

串联式多路换向阀的油路中，泵只能依次向各执行元件供油，在各执行元件同时动作的情况下，多个负载压力之和不应超过泵的工作压力，但每个执行元件都可以获得高的运动速度。

顺序单动式多路换向阀的油路中，泵只能顺序向各执行元件分别供油。

操作前一个阀时就切断了后面阀的油路，从而可避免各执行元件动作间的干扰，并防止其误动作。

除了上述各种阀外，还有很多类型的阀，如转阀之类，它们适用于一些特殊的需要。

但工作原理都类同。

有关具体的结构手册中都有介绍。

（三）三位换向阀的中位机能

三位换向阀中位时，各油口间可以有不同的连通方式，可以实现不同的功能，这种连通方式称为它的中位机能。

中位机能不同的同规格阀，其阀体通用，但阀

芯台肩的结构尺寸不同，内部通油情况也不同。

不同的中位机能，可以满足液压系统的不同要求，在选用时可根据表6-2中说明选用。

表4-2中列出了五种常用中位机能三位换向阀的结构简图和中位符号。

按其结构不同分为四通阀、五通阀。

三位阀中位机能不同，中位时对系统的控制性能也不相同。

在分析和选用时，通常要考虑执行元件的换向精度和平稳性

要求；是否需要保压或卸荷；是否需要“浮动”或在任意位置停止等因素来选用。

四、流量控制阀及节流调速回路

流量控制阀的功用是通过调节控制流量，达到调节液压执行元件速度的阀类。

流量控制阀主要有节流阀、调速阀和同步阀等。

1、节流阀

图4－10所示为普通节流阀，从图中可看出，它的阀芯端加工有三角槽，通过旋转手轮可使阀芯轴向位移，从而改变进出油口的通流面积，也就改变了流量，达到调速的目的。

节流阀输出流量的平稳性与节流口的结构形式有关。

节流口除轴向三角槽式之外，还有偏心式、针阀式、周向缝隙式、轴向缝隙式等。

节流阀的流量特性可用小孔流量通用公式

来描述，从公式可看出，当负载常发生变化，节流阀前后的压差△P也变化，流量q也随之变化，其节流阀流量q随其压差而变化的关系见图4－11中曲线1。

节流阀结构简单，制造容易，体积小，使用方便，造价低。

但负载的变化（即ΔP变化）和温度的变化对流量稳定性的影响较大，因此只适用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求不高的液压系统。

2、调速阀

从节流阀的流量公式

可知，只要使节流阀的进出口压差基本保持不变，它的流量也就基本保持不变。

调速阀就是利用这一原理工作的，它由定差减压阀与节流阀串联而成的组合阀。

节流阀用来调节通过的流量，定差减压阀则自动补偿负载变化的影响，使节流阀前后的压差为定值，消除了负载变化对流量的影响。

图4－12a、b、c所示为调速阀的工作原理图、图形符号和简化符号。

图中定差减压阀1与节流阀2串联。

若减压阀进口压力为P1，出口压力为P2，节流阀出口压力为P3，则减压阀a腔、b腔油压为P2，c腔油压力为P3。

若减压阀a、b、c腔有效工作面积分别为A1、A2、A，则A=A1+A2。

节流阀出口的压力P3由液压缸的负载决定。

当减压阀阀芯在其弹簧力Fs、油液压力P2和P3的作用下处于某一平衡位置时，则有

P2A1+P2A2=P3A+Fs

即

由于弹簧刚度较低，且工作过程中减压阀阀芯位移很小，可以认为Fs基本不变。

故节流阀两端的压差△P＝P2-P3也基本保持不变。

因此，当节流阀2通流面积

不变时，通过它的流量q（

）为定值。

也就是说，无论负载如何变化，只要节流阀通流面积不变，液压缸的速度亦会基本保持恒定值。

当调速阀的出口堵住时，其节流阀两端压力相等，减压阀芯在弹簧力的作用下移至最左端，阀开口最大。

因此，当将调速阀出口迅速打开时，因减压阀口来不及关小，不起减压作用，会使瞬间流量增加，使液压缸产生前冲现象。

为此有的调速阀在减压阀上装有能调节减压阀芯行程的限位器，以限制和减少这种启动时的冲击。

调速阀的流量特性如图4－11中的曲线2所示。

由图可见，当其前后压差大于最小值Pmin以后，其流量稳定不变（特性曲线为—水平直线）。

当其压差小于Pmin时，由于减压阀未起作用，故其特性曲线与节流阀特性曲线重合。

所以在设计液压系统时，分配给调速阀的压差应略大于Pmin。

调速阀的最小压差为1Mpa（中低压阀为0.5Mpa）。

3、节流调速回路

在液压系统中，对它的执行元件采用节流阀供油便可获得不同的速度，这种调速方法称节流调速。

节流调速结构简单，成本低，使用维护方便。

但流量损失较大，发热多，效率低，故仅适用于小功率液压系统。

节流调速回路按节流阀的位置不同可分为进油路节流调速、回油路节流调速和旁油路节流调速回路三种。

（一）进、回油路节流调速回路

如图4－13所示，在执行元件的进油路上串联一个节流阀，即构成进油路节流调速回路。

如图4－14所示，在执行元件的回油路上串联一个节流阀，即构成回油路节流调速回路。

在这两种回路中，定量泵的供油压力均由溢流阀调定。

液压缸的速度由调节节流阀开口的大小来控制，泵多余的流量由溢流阀溢流回油箱。

图4－15是上述两种节流调速回路的速度—负载特性曲线。

它反映了这两种回路执行元件的速度随其负载而变化的关系。

图中，第1、2、3条曲线分别为节流阀过流面积为

、

、

（

>

>

）时的速度—负载特性曲线。

曲线越陡，说明负载变化对速度的影响越大，速度特性越差；曲线越平缓，速度特性越好。

分析上述特性曲线可知：

当节流阀开口

一定时，缸的运动速度

随负载F的增加而降低，且负载较小的区段曲线比较平缓，速度刚性好；负载较大的区段曲线较陡，速度刚性较差。

当负载相同下工作时，节流阀开口较小缸的速度

小时，曲线较平缓，速度刚性好；节流阀开口较大，缸的速度

较高时，曲线较陡，速度刚性较差。

节流阀开口不同的各特性曲线都相交于负载轴上的一点。

说明其能承受的最大负载相同（它等到于溢流阀的调定压力与液压缸有效工作面积的乘积）。

所以这种调速属于恒推力调速。

Fmax的数值由溢流阀调定。

由上分析可知，进、回油路节流调速回路适用于低速、轻载、且负载变化较小的液压系统，能使执行元件获得平稳的运动速度。

如果采用调速阀的进、出油口节流调速回路，它的速度—负载特性曲线平缓（见图4－15），可用于速度较高，负载较大，且负载变化较大的液压系统。

但是这种回路的效率比用节流阀时更低些。

回油路节流调速回路其节流阀能使液压缸的回油腔形成背压，因而液压缸（或活塞）运动平稳，这一点优于进油路节流调速回路。

（二）旁油路节流调速回路

将流量阀与执行元件并联通油箱，即构成了旁油路节流调速回路，如图4－16a所示。

该回路采用定量泵供油，节流阀出口接油箱。

因此开大节流阀开口，它的分流（溢流到油箱的油）就大，液压缸的速度就变小，反之就变大。

这种回路不需要溢流阀“常开”溢流，因此其溢流阀为安全阀，它在常态时关闭，过载时才打开，其调定压力为液压缸最大工作压力的1.1～1.2倍。

液压泵出口的压力就是液压缸的工作压力，其压力直接随负载的变化而改变。

节流阀进、出口油的压差也等于液压缸进油腔的压力（节流阀出口压力可视为零）。

图4－16b为旁油路节流调速回路的速度—负载特性，分析特性曲线可知，该回路有以下特点：

1）如果节流阀开口一定时，活塞运动的速度随负载的增大而减小，而且其速度刚性比进、回油路节流调速回路更软。

这是由于负载增大，节流阀的进出口压差也增大，根据公式

，它的流量也增大（即分流就大），从而导至活塞运动的速度随负载的增大而减小。

2）在相同负载下工作时，节流阀开口较小，活塞运动速度较高时曲线较平缓，速度刚性好；开口较大，速度较低时，曲线较陡，速度刚性较差。

3）节流阀开口不同的各特性曲线，在负载坐标轴上不相交。

这说明它们的最大承载能力不同。

速度高时承载能力较大，速度较低时其承载能力较小。

根据以上分析可知，采用节流阀的旁油路节流调速回路宜用于负载大一些，速度高一些，且速度的平稳性要求不高的中等功率的液压系统。

例如，牛头刨床的主传动系统等。

若采用调速阀代替节流阀，旁油路节流调速回路的速度刚性会有明显的提高，见图4－16b中所示的特性曲线。

旁油路节流调速回路有节流损失，但无溢流损失，发热较少，其效率比进、出油路节流调速回路高一些。

五、液压冲击和空穴现象

1、液压冲击

在液压系统中，如果阀门关闭过快而使液流速度突变或换向而使液流方向突然改变，会引起系统中油液压力的突然升高而产生液压冲击。

液压冲击会引起振动和噪声，导致密封装置和管路等液压元件的损坏，有时还会使某些元件如压力继电器、顺序阀产生误动作，影响系统的正常工作。

因此，必须采取有效措施来减轻或防止液压冲击。

减轻或防止液压冲击的基本措施是尽量避免速度发生急剧变化，延缓速度变化的时间。

其具体办法是：

尽量限制管路中液流的速度；缓慢开关阀门；必须在系统中设置蓄能器和安全阀；在液压元件中设置缓冲装置（如节流孔）。

2、空穴现象

当系统压力迅速下降至低于空气分离压时，溶于油液中的空气就会游离出来形成气泡，这些气泡夹杂在油液中形成气穴，这种现象称为空穴现象。

当液压系统中出现气穴现象时，由于空气的可压缩性大，会破坏液体流动的连续性，造成流量和压力脉动，当气泡随油流进入高压区时又急剧破灭，引起局部液压冲击，使系统产生强烈的噪声和振动。

当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压作用，以及油液中逸出的气体的氧化作用，会使金属表面剥蚀或出现海绵状的小洞穴。

这种因空穴造成的腐蚀作用称为气蚀，导致元件寿命的缩短。

气穴多发生在阀口和液压泵的进口处，由于阀口的通道狭窄，流速增大，压力大幅度下降，以致产生气穴。

当泵的安装高度过高或油面不足，吸油管直径太小，吸油阻力大，滤油器阻塞，造成进口处真空度过大，亦会产生空穴。

为减少空穴和气蚀的危害，适当加大吸油管内径，降低吸油高度，限制吸油管的流速，及时清洗滤油器，对高压泵可采用辅助泵供油，防止空气进入系统，管路保持良好密封性。

这些都是很好的措施。