半自动卧式车床液压滑台设计.docx
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半自动卧式车床液压滑台设计
摘要
相对于原有的手动车床，车床滑台依靠于电动机通过齿轮和丝杆传动，丝杆带动滑台运动，这种传统的方式存在较大缺陷。
随着使用时间的增长，丝杆磨损严重，传动精度精度下降，更换和维修不方便。
半自动卧式车床动力滑台液压设计，用液压缸代替了丝杆传动，很大程度上解决了这些问题。
本次设计主要集合了液压系统如何设计和设计的具体做法，这些内容囊括了对半自动卧式车床液压系统的工况分析，半自动卧式车床液压系统主要参数的确定，整个系统液压原理图的设计，系统所使用到的液压元件的选型，液压系统性能校核等。
半自动卧式车床，主要用于普通零件加工，动作过程主要由快速进，工速进和快速退，半自动卧式车床的加工效率和加工精度，相对于普通车床来说有明显提高。
此次设计是对大学四年本专业知识最终的检验，在设计这个系统的时候，加入了许多因素的考虑，比如液压系统的安全性和稳定性如何提高等等。
除了液压系统设计，本设计还对电气控制部分进行了简单的设计，以追求系统的完整性。
用液压系统滑台代替传统丝杆滑台，也是工业发展的必然趋势，液压系统的设计和原理设计不难，难点在于确定各液压元件参数，使得各元件按照设计要求安全的、有效的进行预期工作。
液压系统设计出来后，后期的使用保养也是一个重要的方面，本设计还对此液压系统后期使用和保养进行了简单的说明，以便于液压系统的实际使用。
关键词：
半自动卧式车床液压系统设计选型电气控制保养
Abstract
Comparedwiththeoriginalmanuallathe,latheslideontothemotorthroughthegearandscrewdrive,thescrewroddrivesthemovementoftheslide,thistraditionalwayexistslargerdefects.Withtheincreaseoftheuseoftime,thescrewrodwearisserious,thetransmissionaccuracyisdecreased,andthereplacementandmaintenanceisnotconvenient.Semiautomatichorizontallathepowerhydraulicslidedesign,hydrauliccylinderinsteadofthescrewdrive,toalargeextentsolvestheseproblems.Thisdesignmainlyacollectionofhydraulicsystemdesignandhowtodesignthespecificpractices,thesecontentsincludethesemiautomatichorizontallathehydraulicsystemconditionanalysis,semiautomatichorizontallathemainparametersofthehydraulicsystemdeterminedthehydraulicsystemschematicdiagramdesign,selectionsystemofhydrauliccomponents,hydraulicsystemperformancechecking.Semiautomatichorizontallatheismainlyusedforgeneralmachiningcourseofactionismainlycomposedofarapid,industryandtradespeedandrapidretreat,semiautomatichorizontallathemachiningefficiencyandmachiningprecision,relativetotheordinarylathehassignificantlyimproved.ThedesignisthefouryearoftheUniversityoftheprofessionalknowledgeofthefinaltest,inthedesignofthissystem,addinganumberoffactors,suchashydraulicsystemsecurityandstability,howtoimproveandsoon.Inadditiontothehydraulicsystemdesign,thedesignoftheelectricalcontrolpartofasimpledesign,inordertopursuetheintegrityofthesystem.Withahydraulicplatformsysteminsteadofthetraditionalscrewslide,industrialdevelopmentistheinevitabletrend,hydraulicsystemdesignandprincipleofdesignisnotdifficultto,whichisdifficulttodeterminetheparametersofthehydrauliccomponents,makingeachcomponentinaccordancewiththedesignrequirementsforsafetyandeffectiveareexpected.Afterthehydraulicsystemdesign,theuseofmaintenanceisalsoanimportantaspectofthelatter,thedesignofthehydraulicsystemforthelateuseandmaintenanceofasimpledescription,inordertofacilitatethepracticaluseofhydraulicsystem.
Keywords：
Semiautomatichorizontallathe；Hydraulicsystem；Design；modelselection；electriccontrol；maintain
1设计参数确定
1.1液压系统要求
半自动卧式车床动力滑台，主要用于车床加工圆周形零件时，使工件与车刀接触和相对运动，达到加工要求，本次设计的具体参数如下：
1、半自动卧式车床在加工零件时，受到的切削阻力为：
F=15KN；
2、整个车床的滑台重量G=22KN；
3、导轨的形式为平面导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦的系数为0.1；
4、加工过程中，要求快进和快退的速度都为5m/min，工进时候的速度为100mm/min；
5、加工过程中，滑台的最大行程为350mm，在整个行程中要求工进的形成为200mm；
6、其他设计要求：
保证启动换向时间0.1秒，液压缸的机械效率需要达到0.9.
整个液压系统要具有安全保护装置，电气控制上要实现快进、工进、快退、停止等动作要求，控制要精确到位，采用PLC控制；液压系统具有一定的安全性和稳定性，漏油等问题要较好解决，液压元件要满足长期使用要求，选型要准确。
1.2液压系统动作循环要求
2工况分析
2.1执行元件的确定
半自动卧式车床主要用于旋转件的加工，加工过程为车刀与滑台工件的相对运动，根据具体滑台的运动为直线进和直线退运动，所以整个液压系统的执行元件我们选择液压缸，液压缸使用简单，能满足精确控制要求，工作过程稳定，无较大脉冲振动，满足设计使用要求。
2.2液压系统工况的分析
在设计整个液压系统的时候，考虑到实际车床滑台的工作情况，它主要受到工作的时候产生的负载，运动过程中惯性带来的负载，还有机械本身引起的负载，还有一些负载如机床振动带来的负载等，事实存在但是对整个车床工作加工的影响可以忽略，所以本设计只从上述的几个负载考虑出发，进行液压系统的设计。
1、确定工作负载
工作负载主要是滑台在工作的过程中，加工零件时产生的负载，加工对象不同，负载会有差异。
对于半自动卧式车床而言，主要是沿着液压缸轴线的这个方向产生的切削力，按照系统设计要求，这个切削力的大小为
。
切削力存在脉动因素，在这里设计时不考虑这个因素影响。
2、确定惯性负载
当整个滑台在工作移动的时候，滑台的质量较大，加速度和速度也是较大，这些因素带来的惯性负载对设计影响很大。
在确定惯性负载的时候，关于最大加速度，可以借助工作台在实际工作的时候的最快的移动的速度和整个加速的时间进行计算得出，根据系统设计要求，知道了启动阀的换向时间按照要求为0.1S，工作台的最快的移动速度，就是快速进给和快速退的时候速度为5m/min，那么可以根据这些已知数据计算出惯性负载为：
3、确定阻力负载
阻力负载是滑台在运行过程中，滑台和导轨间摩擦带来的阻力，主要分成两个部分，第一个部分是静摩擦，第二个部分是动摩擦，根据摩擦因数的不同，分别计算相应的摩擦力即可，计算时按照滑台全重力加载在导轨上即可：
根据上面的负载情况，我们可以得出液压缸在不同的工作情况下承受的负载力和液压缸自身需要产生的压力，在设计的时候，排除颠覆力矩因素的影响，详细数据如下表：
工作情况
承载情况
负载
液压缸推力计算
起动
4400N
4889N
加速
4071N
4523N
快进
2200N
2444N
工进
F=
4071N
19111N
回退起动
4400N
4889N
加速
4071N
4523N
快退
2200N
2444N
2.3速度循环图和负载循环图
根据上表当中各个负载的计算结果和相关要求，可以绘制出液压系统的负载的循环图，循环图如下图表示：
根据上面图我们可以看出来，在液压滑台在工作进给的时候，它承受的负载力是最大的，高达19111N，和其他负载比较起来，其他负载不是特别大。
根据设计要求要求的速度要求，我们知道快进和快退的时候的速度是5米每分，快速进给的时候的行程为
工进的时候的行程为200毫米，快速退回的行程为350毫米，工进时候的速度为100毫米每分钟，根据这些已知的内容，我们可以作出液压系统的速度循环图如下图：
2.4系统参数的确定
1、液压缸工作时候压力的确定
液压缸在工作的时候承受的压力经过上述分析我们已知，滑台在工作的时候承受的最大的压力是19111N，相对于其他工作的时候的负载，其他工作负载是比较小的，参照《机械设计手册》液压设计部分，按照液压系统要求和使用的工作场合，选择液压缸的工作压力为
。
2、液压缸大小的确定
通过设计要求可以看出来，液压缸在工作时候的速度和快速运动的时候，速度相差会比较大，而且快进速度和快退的速度要一样，为了降低液压系统的总的流量，考虑采用的单杠双作用的液压缸，练剑的方式是差动方式连接。
正如我们知道的，差动液压缸的活塞缸直径大，可以在活塞杆里面钻通油的孔，为了实现此要求，滑台液压设计中把活塞杆固定，液压缸与滑台固定连接，当在这个状态下工作的时候，液压缸的无杆腔面积A1是有杆腔面积A2的两倍，区分在直径上的关系就是活塞杆的直径d和缸筒D的直径是d=0.707D。
在整个液压系统中，由于设计了活塞杆被钻孔，当在工作的时候，会发生负载没有的情况下，液压缸会有前冲，造成不安全因素，为了解决这个问题，回油腔需要有一定的背压来防止前冲，这里去背压值为
.当滑台在快进速度工作的时候，由于差动连接的存在，油管里面会存在一个压力下降，此时有杆腔的压力需要比无杆腔的压力要大，取这个大了的压力
.同理，快速退回来的时候回油腔里面也是有压力的，可以取
。
在工进的时候液压缸的推力就是：
-
上述公式里面，F表示负载力，
表示液压缸本身的机械效率，A1表示的是液压缸的无杆腔的有效的作用面积，A2表示的是液压缸有杆腔的有效作用面积，p1表示液压缸无杆腔的压力，p2表示液压缸的有杆腔的压力。
根据上面知道的数据和信息，可以计算出来液压缸的无杆腔具有的有效的作用面积是：
由此可以判断出来液压缸缸体的直径是：
=107.6mm
根据前面描述的可以知道，由于差动液压缸的关系，液压缸缸体和活塞杆之间有一定的关系，即是d=0.707D，根据这个关系，于是可以得出d=0.707*107.6=76.1mm，根据GB/T2348-1993系列规定，关于液压缸的内径和液压缸外径的关系要求，我们可以取液压缸缸体的直径为110mm，活塞杆的直径是80mm，这样取之后完全满足液压缸本身要求。
根据上述的直径，可以算出，液压缸两边的的面积是多少：
2.5计算最大流量
根据花台在工作当中的情况，考虑到使用了差动连接，考虑这些因素，系统的必须具有的流量为：
滑台在工作中，快速退回的时候，需要的流量是：
=22.4
滑台在工作中，工进时候所需要的流量是：
根据上面的计算结果，可以判断出，需要的最大流量就是快进时候的流量是25.2L/min。
根据以上这些信息，液压缸直径和流量计算的结论，可以得出液压缸各个阶段的的压力、流量和功率等等内容，如下变所示：
工况
压力
回油压
进油压
进入流量
进入功率
快进
启动
4889
0
1.42
无
无
加速
4523
1.85
1.35
无
无
恒速
2444
1.43
0.93
25.1
0.39
工进
19111
0.8
2.39
0.95
0.038
快退
启动
4889
0
1.09
无
无
加速
4523
0.6
2.28
无
无
恒速
2444
0.6
1.82
22.4
0.679
上表里面牵涉的计算公式有：
P=p1q，
，
.
根据上面的计算结果，可以制作工况图，工况图如下图：
2.6液压系统原理图
半自动卧式车床，液压滑台，根据上面的设计和分析，为满足具体的工作要求，机床对于调节速度的范围和低速性能等都有要求，所以对于整个半自动卧室车床液压系统来说，控制好速度和稳定性是关键。
液压系统必须具有速度调换的稳定性，速度变换具有稳定性。
系统要实现快进、工进、快退，除了基本的执行元件、动力元件之外，用过加入限流阀和不加入限流阀实现快进工进转换，同时在设计的时候，注意对液压回路保护的使用，整个液压系统除了满足要求的控制外，还必须考虑能耗、效率等等因素。
1、换向和速度变换回路
半自动卧室车床，用于加工零件时，要求滑台具有一定的换向平稳性，但是对于整个换向过程而言，稳定性相对来说要求不高，流量的供应也不太大，压力方面也无高压，所以在设计的时候选择电磁换向阀即可满足使用要求，由于设计采用了差动设计，所以选择三位五通电磁换向阀，考虑到整个液压系统的工作性能，选用Y型中位机能。
根据前面要求和计算可以知道，工作台从快速进给到工进的时候，流量大小从25.1L/min变化到0.95L/min，对于这个流量的变化，可以采用两位两通的电磁换向阀进行满足，同时，液压冲击方面也会得到减小。
整体液压系统的工作压力不高，其他阀使用普通的滑阀就可以满足要求了。
当工进完了，需要快速退回的时候，可以采用单向阀来满足要求，为了安全和限位保护，在两端加入挡块和压力继电器。
换向回路速度换接回路
2、速度控制
速度控制是整个液压系统的关键，按照上述的关于整个工作过程的需要功率来说，对整个系统要求的效率和发热都并不是特别高，所以决定采用调速的回路即可解决问题。
调速的回路有很多，比如进油节流调速回路，回油节流调速的回路和旁路节流调速回路。
考虑到半自动卧室车床的液压滑台工作负载性能，速度要求以及发热等等，采用进油节流调速回路即可解决。
为了系统的稳定性，压力供应的充足，所以实际工作中加入压差补偿，同时在回油上面加入背压阀。
考虑到整个液压系统的散热，油路为开式循环回路，散热效率会达到很大提高。
3、其他选择和控制
半自动卧式车床的工作情况主要是快速进给、工进和快速退回，所有过程中，快速进给和快速退回需要的流量大，工进的时候需要的流量小，如果使用一个定量的泵提供动力，那么整个液压系统的效率会大大降低，损耗大大提高，根据液压系统的方向、流量和压力等等因素，考虑散热和能源消耗，降低成本等等因素都要考虑。
在一个工作循环中，液压缸在快速进给和快速退回的时候，流量最大，工进的时候流量最小，那么最大流量和最小流量的比例达到了26.4左右，那么快速进给和快速退回所需要的时间t1和工进时候需要的时间t2分别是：
根据计算结果，在系统工作的循环里面，液压油大部分都处在较高压力和较小流量的情况下，低压大流量工作的情况很少，为了提高系统效率，节省液压系统能耗，不能选用单个定量泵来作为液压系统的动力。
如果采用单个定量泵，液压泵输出来的流量最大的时候是25.2L/min，把油路的损失和流量的泄露等等不考虑进去，那么整个半自动卧式车床在工作中需要的功率如下：
快速进给时候：
P=0.93*25.2=0.39Kw
工进时候：
P=p*qmax=2.39*25.1=1Kw
快速退回时：
P=1.82*25.1=0.76Kw
由上面的计算可以看出，采用一个大流量的定量泵和一个小流量的定量泵串联起来提供动力油，可以满足其使用要求，当不同的工作状态下，根据流量不同，有着不同的工作。
那么这个状态下系统的工作循环需要的功率大概在：
快速进给时候：
P=0.93*25.2=0.39Kw
工进时候，大的定量泵不工作，小的泵工作：
P=p*qmax=2.39*0.95=0.038Kw
快速退回时：
P=1.82*25.1=0.76Kw
除了使用一大一小泵来提供动力外，可以选择限定压力的变量泵来提供动力，但是限定压力的泵较为复杂，使用和维修都不是很方便，考虑综合因素等等，选用此方案较为可行。
4、压力控制
根据上面设计，采用一大一小泵供油，那么，为了满足要求，采用液控顺序阀来满足大泵的卸荷，用溢流阀来改变适应小的泵工作，为了更好地调节和压力控制，在泵的出油口、背压阀地方和无杆腔的地方安防传感器进行检测。
根据上面的设计就可以绘制出液压原理图了。
但是还存在一些问题，滑台在快进过程中回路要接通邮箱，可能就无法实现差动连接设计的效果，那么久需要在回油路上面安装一个液控顺序阀，可以阻挡液压油返回邮箱，利用另一个阀来达到背压阀要求。
当滑台不工作的时候，会存在回路里面的液压油回到邮箱，此时空气会进入到油路，当下次工作的时候，气体的存在会影响系统工作的稳定性等等，所以再加入一个单向阀用以解决这个问题。
半自动卧室车床在加工的时候，需要比较高的加工精度，为了达到对零件的加工要求，设计时候加入压力继电器和挡块。
其他控制采用行程开关来控制过程即可。
3液压元件
系统中用到的液压元件采用标准的液压元件，第一是为了方便使用，第二是方便后期更换和维修，现在对主要液压元件进行选型和确定，然后根须需要的参数选择液压元件即可。
3.1泵的选择和泵电机
根据上面设计，采用一大一小泵供油方式，大流量泵只需要在快进和快退的时候才工作，但是大流量泵的工作压力不是很大。
小流量泵在快速进给和工进的时候工作，对于液压缸来说，液压缸工进的时候承受的压力是最大的，所以选择泵和电机的时候要区分开来算。
选择液压泵的原则是按照最大工作压力来计算，液压泵的最大工作压力可以按照液压缸的最大压力和液压泵到液压缸之间的损失的总和来算。
设计里采用了调速回路，进油上面的压力损失大约为
除此之外，还要考虑到压力继电器工作的时候会产生压差大约在0.5MPa，最小的泵的工作压力大约为：
大的泵在快速进给和快退的时候才工作，根据上述内容知道快退的时候液压缸的工作压力是最大的，这时候还取进油路压力损失0.5MPa，那么大的泵的最大的工作压力就是：
计算总流量：
根据上述计算和结果，在液压系统循环工作的过程中，液压油在快进的时候流量是最大的，达到25.2L/min，按照设计的经验值，取泄露为总流量的百分之十，那么液压油所需要的总流量是：
L/min
在工作过程中，液压缸需要的流量是0.95L/min，考虑溢流阀的稳定的溢流量为3L/min，那么可以估算出小流量泵提供的供油量需要达到3.95L/min。
按照上面的计算的最大工作压力和流量可以判断，选择江苏常德液压公司生产的CB2T型叶片泵即可满足使用要求，这种泵为双联叶片泵，大的泵提供的流量是33ML/R，小的泵提供的流量是6mL/r，选择液压泵的容积效率是
，泵的转动速度在
r/min，这个时候小的泵的输出流量就是：
这个流量完全可以满足液压缸的工进时候要求。
同时，大泵的输出流量是：
这个流量完全满足大泵的工作需要。
两个泵在实际工作的时候，出油口的流量是：
泵电机选择：
根据前面计算知道，液压缸在快速退回的时候的功率是最大的，这个状态下液压泵的工作压力达到2.78MPa，流量达到32.9L/min。
按照经验设计，取泵的总效率为
这个情况下驱动电机必须达到的功率为：
=
按照此计算，选择广州中锋电机有限公司生产的Y321M-4型三相异步电机，额定功率为2.2KW，额定转速为940r/min。
3.2阀类等元件选择
设计中使用到的阀包括单向阀、换向阀和调速阀等等，还用到了滤油器等等。
1、阀的选择
根据上述内容，按照液压原理图的设计，对各阀进行选型，调速阀在选择的时候要注意调速阀的最小稳定流量必须比液压缸工进的时候的流量小。
单向阀的规格是不一样的，这一点要注意。
溢流阀、背压阀和顺序阀的选型根据设定的压力和通过阀的额定流量来决定，溢流阀作用是调节液压系统工作时液压泵的供油压力，所以采用先导型溢流阀，安放在大流量泵出油口，采用外路控制方式。
背压阀采用内路控制的顺序阀，所有阀的选择如下：
阀
需要流量
额定流量
额定压力
型号
三位五通电磁阀
66/82
100
6.3
42D-100B
行程阀
49.5/61.5
63
6.3
22C-63BH
调速阀
<1
6
6.3
Q-6B
单向阀
66/82
100
6.3
I-100B
单向阀
16.5/20.5
25
6.3
I-25B
背压阀
0.475/0.6
10
6.3
B-10B
溢流阀
4.13/5
10
6.3
Y-10B
单向阀
66/82
100
6.3
I-100B
单向阀
27.92/34.7
63
6.3
I-63B
单向阀
5.1/5.1
10
6.3
I-10B
顺序阀
24.4/35.2
63
6.3
XY-63B
2、过滤原件选择
根据设计要求，过滤器的流量必须是液压泵
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