滑台液压系统

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摘要

本论文主要阐述了组合机床动力滑台液压系统，能实现的工作循环是：快进→工进→死挡铁停留→快退→原位停止,液压技术是机械设备中发展速度最快的技术之一。特别是近年可与微电子、计算机技术相结合、使液压技术进入了一个新的发展阶段。目前，已广泛应用在工业各领域。由于近年来微电子、计算机技术的发展，液压元器件制造技术的进一步提高，使液压技术不仅在作为一种基本的传统形式上的占有重要地位而且以优良的静态、动态性能成为一种重要的控制手段。面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中占重要地位的制造也领域得以健康快速的发展。制造装备的改进，使得作为制造工业重要设备的各类机加工艺装备也有了许多新的变化，尤其是孔加工，其在今天的液压系统的地位越来越重要。

本液压系统的设计，除了满足主机在动作和性能方面规定的要求外，还必须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维修方便等一些公认的普遍设计原则。液压系统的设计主要是根据已知的条件，来确定液压工作方案、液压流量、压力和液压泵及其他元件的设计。

综上所述，完成整个设计过程需要进行一系列艰巨的工作。设计者首先应树立正确的设计思想，努力掌握先进的科学技术知识和科学的辩证的思想方法。同时，还要坚持理论联系实际，并在实践中不断总结和积累设计经验，向有关领域的科技工作者和从事生产实践的工作者学习，不断发展和创新，才能较好地完成机械设计任务。

前言

液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。液压滑台通过液压传动系统可以方便地进行无极调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序，他的性能直接关系到机床质量的优质。它利用液压传动系统实现滑台向前或向后的运动，由液压缸的左右运动来拖动滑台在滑座上移动，再由电气控制系统控制，由于这种控制线路的触点多，接线复杂，可靠性低，灵活性差，功耗高，而且维修困难，其大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率影响了加工质量，因此越来越满足不了现代化生产过程的复杂多变的控制要求。

作为一种高效的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。本次课程设计将以组合机床的液压滑台系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法的设计步骤，其中包括组合机床液压滑台系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。

组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序或多工位同时加工的方式，完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛的应用，并可用以组成自动生产线。液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无极连续调节等优点，在机床中得到了广泛应用。

液压系统在组合机床上主要是用于实现工作台的直线运动和回转运动，如图1所示，如果动力滑台要实现二次进给，则动力滑台要完成的运动循环通常包括：原位停止→快进→工进→Ⅱ工进→死挡铁停留→快退→原位停止。

液压技术的发展概况

液压技术源于古老的水力学，它的发展与流体力学的研究成果、工程材料、液压介质等相关学科的发展紧密相连。液压技术的迅速发展是在20世纪中叶前后，目前已成为比较成熟的基础学科。

1650年，法国科学家帕斯卡（Pascal）提出了封闭静止液体的压力传递的Pascal原理；1686年牛顿(Newton)提出了描述粘性液体相对运动的内摩擦定律；到18世纪，流体力学的两个重要方程─连续方程（质量守恒方程）金额伯努利(Bernoulli)方程(质量守恒方程)相续建立。这些理论成果为液压技术的发展奠定了理论基础。

1726年，英国人约瑟夫布拉默（Joseph Brama）研制了世界上第一台水压机，用于压紧羊毛、纺织原料和榨油等，是现代液压技术的工程应用的其实标志。水压机的发明与当时的铸铁等工程材料及一些新的制造方法的出去有关。后来，由于电传动的发展，加之当时的技术条件尚不足克服液压传动本身的缺陷，液压技术处于停滞状态。16世纪后半叶，英国人阿姆施特让(W.G.Armstetong)发明了重锤式蓄能器和多种液压机械及液压元件，用于液压机、起重机、卷戳搓机和包装机等工业场合，液压技术迅速发展。1901年前后，液压技术用于水轮机的调速器和大型阀的操纵装置，这是液压技术的又一重大应用。

1905年到1908年，美国工程师威廉斯（H·Wiliams）詹尼（R·Janney）发明了以油液为介质的柱塞式液压机械，客服了水介质的润滑性差、易产生锈蚀等缺陷，使液压技术得到迅速发展。液压油取代水为介质是液压技术走向成熟的重要标志。

1900年詹尼（R·Janney）设计出第一台压力为4MPa的轴向柱塞泵；1906年以油液为工作介质的液压传动装置首先用于海军战舰的炮塔俯仰装置；1910年海勒·肖（HeleShwa），1922年汉斯·特马先后研制出油液为工作介质的径向柱塞泵；1930年汉斯·特马研制出平面配流的斜轴式轴向柱塞泵，江泵的工作压力提高了一大步；尤其是20世纪30年代丁腈橡胶等耐油密封材料的出现，使液压技术以迅速发展。

第二次世界大战期间，军事迫切需要反应快捷、动作准确、功率大的液压传动系统及伺服机构用于各种军事装备，因此各种高压元件获得进一步的发展。1950年以后，液压技术在许多领域诸如机床、工程机械、船舶机械、压力机械、冶金和轧钢机械、农业机械和汽车行业都得到了广泛应用，其间液压技术的主要成果有：球面配合的Thoma泵（斜轴式柱塞泵），1950年用于工业生产；琼莫西埃（Jean Mercier）于1950年研制出膈膜式气液蓄能器；20世纪50年代初出现了快速响应的永磁力矩马达；1958年美国麻省理工学院的布莱克本（Blackburn）和李诗颖（lee）研制出喷嘴挡板式电液伺服阀，这是液压技术的又一重要成果。

近20年来，尤其是近10年来，由于人们对环境保护的日益重视，加上材料科学技术的发展，西方十分重视以纯水为介质的液压技术研究，并在中压（14MPa～16MPa）液压系统中成功应用。这是液压技术令人关注的发展动向，中国的浙江大学和华中科技大学也在该方面进行了研究。

液压技术的发展趋势

随着近50年来的发展，液压技术已成为包括传动、控制和检测在内的，对现代机械装备技术进步有重要影响的基础技术和基础科学；随着近20年来的电子技术、计算机技术和信息技术的迅速发展，液压技术不仅是一种传动方式，更多地是作为一种控制手段，作为连接微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中重要的、不可缺少的环节和手段。例如，国外20%的数控加工中心、25%以上的自动线都采用了液压传动技术。因而采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志，世界先进国家都对液压技术的发展给予高度重视。

当前液压技术向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、高可靠性、高集成化方向发展并取得重大进展，同时在完善比例控制、伺服控制、数字控制和机电一体化方向也取得了许多重大成果。新材料和新介质方向的研究也为液压技术的发展和完善提供了新的动力。当前液压技术的发展主要集中在以下几个方面。

（1）发展集成、交合、小型化和轻量化液压原件。随着液压系统复杂化程度的提高，要求液压元件具有高可靠性、减少配管、节省安装空间、易维修等特点。继集成块式、叠加阀式、插装阀式之后，近几年又出现了将控制原件附加在动力元件上的一体化复合液压装置。

（2）发展高性能的液压控制元件，以适应机电一体化主机发展的需要。如开发低控功率阀，研制适应野外条件的电液比例阀，高响应频率的电液伺服阀，低成本比例阀及不需要A/D和D/A的转换、可直接与计算机接口的数字阀。

（3）以环境保护、安全和满足可持续发展为目标的绿色开发研究。如无污染的纯水液压技术及相关新材料、新工艺的开发和应用研究，降低元件和系统噪声、减少泄漏和提高密封性能的应用研究。

（4）提高元件和系统的可靠性。提高可靠性是一项系统工程年，除科学设计、先进的技术及完善的工艺外，还应注意应用和维护可靠性、系统的状况监测、故障诊断、降低元件对污染的敏感性等方面。加强污染与新型工程材料的应用研究，对提高元件及系统的可靠性有重要意义。

（5）以提高效率、降低能耗为目标的系统匹配设计理论、方法和计算机对液压系统进行自动适应控制手段的研究。

（6）技术标准换研究。设计的标准化、产品的规范化不仅方便用户，也是行业发展所必须的。技术标准话的水平是行业技术发展水平的标志，在该方向，还有很多艰巨的工作要做。

中国自20世纪50年代末期开始发展液压工业，80年代-90年代，国家对液压行业进行了重点改造，先后引进许多项国外技术，使我国液压行业的产品水平、产品开发水平和工艺装备水平有了大幅提高，但与国外先进水平相比尚有很大的差距。主要表现在产品技术含量低，品种规格少，标准化程度低，通用性差，产品寿命短，可靠性差，质量不稳定，自我开发能力差，拥有自由产权的技术少；对在一些新的应用领域，如航天航空、水下和海洋工程、微型机械装置及高温明火环境下所急需的一些特殊元件研究甚少，甚至出于空白状态。迅速改变这种落后状况，是中国液压技术界和工程界所面临的一项重要任务。

液压传动的基本原理及组成

3.1 液压传动

以密闭在管路中的受压流体为工作介质进行能量转换、传递、控制和分配的传递方式称流体传动。如果工作介质为液体（通常为液压油）则称液压传动；如果工作介质为气体则称气压传动。不加特别说明，默认流体为液体。

研究流体管路中液体能量转换、传递、控制和分配的学科称为流体传动与控制技术（液压传动与控制技术）。它是利用液体的静雅能工作的，又称容积式静压传动，或静压传动。

3.2 液压传动的工作原理

液压传动工作原理可用如图所示的液压千斤顶工作原理来说明。图中缸体6和A₂组成提升液压缸；杠杆柱塞A₂、缸体1和单向阀2、3组成手摇动力缸；5为截止阀(或控制阀)；4为油箱。当手摇动力缸柱塞A₁向上运动时，A₁油腔密度容积变大，压力降低，形成局部真空，油箱4中的油液在大气压力作用下，顶开单向阀3，经吸油管道进入A₁空腔。当手摇动力缸柱塞A₁向下运动时，腔内油液受挤压，压力升高，迫使单向阀3关闭，单向阀2被打开向缸体6空腔输送压力油，推动柱塞A₂上移，使负载的位置升高。手摇动力缸柱塞A₁动作快，重物升高就快。如果杠杆停止动作，A₂腔油液压力迫使单向阀2关闭，重物停在在新的位置上。如果打开控制阀5，则A₂腔中油液经阀5流回油箱4，重物在重力作用下下降。阀5开度大，重物下降就快。

3.3 液压传动系统的组成

右图为机床工作台液压系统的图形符号图

工作台要求实现慢速向右进给，然后向左快速退回的动作要求。

图中液压缸活塞通过活塞杆与工作台固定在一起，液压缸缸体固定在机床身上。图示电磁换向阀4处于通电状态，液压泵8排出的液体输入液压缸2的左腔，使其容量不断扩大，推动活塞3和工作台1向右做进给运动。这时，液压缸右腔的容积缩小回液，它排出的液体经管道及截流阀5返回油箱10.调节截流阀5的阀口通流面积，便可控制液压缸右腔的回液流量，达到控制进给速度的目的。

如果令电磁阀断电，则阀心便在弹簧力的作用下左移，是电磁换向阀4处于右位工作。这时液压泵排出的液体经过单向阀输入液压缸右腔，推动活塞杆和工作台向左返回。而其左腔容积不断缩小回液，回液经电磁换向阀4直接流回油箱。在此过程中，液体不受截流阀的控制，工作台快速返回。

溢流阀7与液压泵的排液口并联。当活塞进给速度较慢时，系统中积累多余的液体将使其压力升高。压力上升到足以克服溢流阀阀心的弹簧力作用时，就将阀心推开，使多余的液体直接返回油箱，防止系统过载。

由液压千斤顶和机床的液压传动系统的图形符号图可以看出，一个完整的液压传动系统包括以下几个基本组成部分。

3.3.1 液压动力元件

将原动机（通常的有人力机构、电动机和内燃机等）所提供的机械能转化为工作液体的液压能的机械装置，通常称为液压泵或油泵。

3.3.2 液压执行元件

将液压泵所提供的工作液体的液压能转变为机械能的装置。做直线往复运动的执行元件称为液压缸或油缸；做连续旋转运动的执行元件称为液压马达或油马达。

3.3.3 液压控制元件

对液压系统中工作液体的压力、流量和流动方向进行调节控制的机械装置，通常简称为液压控制阀或液压阀，如压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等。

3.3.4 液压辅助元件

上诉三个组成部件以外的其他元件，如油箱、管道、管接头、密封元件、滤油器、蓄能器、冷却器、加热器以及各种液体参数的检测仪表等。它们的功能是多方面的，各不相同。

3.3.5 工作液体