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摘要:在B690型牛头刨床液压系统图形符号工作原理图的基础上,详尽分析了该系统的调速回路、换向回路、释压回路、进给回路和开停回路的工作原理,并指出了该系统的不足之处。
牛头刨床是一种常见的直线往复运动机床,在单件、小批量生产中大范围的使用在加工各种平面、沟槽,甚至直纹曲面。牛头刨床的传动系统有机械式与液压式两种。较大功率的牛头刨床(如B690型牛头刨床)一般都会采用液压传动系统。
牛头刨床的切削运动包括滑枕带动刀具的主运动和工作台带动工件的横或纵向的间歇进给运动。两运动均为直线往复运动。但主运动要提供较大的切削力和较宽的变速范围,其消耗的功率随切削条件的不同而有较大的变化范围。进给运动虽说消耗的功率不大,但其动作与主运动协调整,即在滑枕退至最后时带动工作成进给动作。
B690型牛头刨床是由液压传动系统完成运动和动力传递的。主运动是由一缸体固动的单出杆活塞缸带动滑枕运动完成的,其传动结构较简单。进给运动是由一单出杆活塞缸通过一系列的物理运动机构完成的,其传动链为液压缸—齿轮、齿条机构—超越离合器—齿轮传动—丝杆、螺母传动工作台。
按说明书中的参数,其主运动的切削速度是在3,37m/min范围内无级可调,最大工作推力为28000N;进给运动速度的调节是由物理运动机构完成的,这里不予讨论但进给缸的动作需保证与主运动的协调。
图1所示是根据该机床使用说明书里面提供的半结构式工作原理图绘制出的用液压图形符号表示的工作原理图。现以该图为例进行分析。
1双联叶片泵(11小流量液压泵;12大流量液压泵)2变级阀3换向阀4节流阀5操纵阀6制动阀7调速阀8背压阀9小操纵阀10小换向阀11开停阀12、13溢流阀14进给阀15进给液压缸16滑枕液压缸17滤油器18分油器19压力表开关20压力表
对于执行装置为液压缸的主运动,其要考虑的问题主要是调速方式和换向方式的选择。
该机床由于切削力大,调速范围宽,如何以较低廉的成本,较小的功率损耗完成较大的调速范围是一个主体问题,该机床的调速回路可简化为图2所示的液压回路。
由图可见,它是由双联定量泵配合单出杆活塞缸的有关特性组成的变级回路,再配以旁路节流调速回路完成无级调速功能的。即由一个四位的变级阀2将机床较大的变速范围(3,37m/min)分解为4个级别的速度做调整的。其4个级别的速度为:
Ⅱ级,变级阀左二位工作,由大流量泵1.2供油,小流量泵1.1低压卸荷,工作速度为8,16m/min,回流速度为43m/min。
Ⅲ级:变级阀左三位工作,由液压泵1.1和1.2联合供油,工作速度为16,24m/min,回程速度为65m/min。
Ⅳ级,变级阀右位工作,由液压泵1.1和1.2联合供油,并采用单出杆活塞缸的差动回路工作,工作速度为24,37m/min,回程速度为65m/min。
在每一级速度中,由调速阀7构成的旁路节流调速回路完成了无级变速,联合变级调速回路后即完成了机床3,37m/min的大范围无级调速。此调速回路结构相对比较简单,成本低,输出功率负载变化,功率损耗小。
图2中阀12是一先导式溢流阀,主要在旁路节流调速回路中起安全阀的作用,防止系统过载,其调定工作所承受的压力为5MPa。同时,其远程控制口还用于换向释压时压力控制和停机时系统卸荷。
换向回路也是该机床主运动回路中的一个关键回路。对换向回路的要求是迅速、平稳、准确和可靠。图3是换向回路的原理图。
由于该机床滑枕重量较大,运动速度较高,因此该换向回路设计为由滑枕上的档铁(图中未示出)操纵的机运式换向阀5(说明书里面称操纵阀,故以下也称操纵阀)为先导阀控制液控换向阀4完成换向的,这种换向回路有以下特点。第一,操纵阀5的动作是由档铁操纵的,位置准
确,可靠性好;第二,换向阀的动作略滞后于操纵阀,且换向阀的动作时间可由节流阀4调节,换向平稳性好;第三,操纵阀换向动作时,对液压缸的回油路有节流预制动功能,换向精度高;第四,操纵阀换向动作完成后,而换向阀动作完成前的瞬间由与阀5和阀3联动的小操纵阀10和小换向阀11配合,由远程调压阀13控制溢流阀12二级调压,使系统释压,释压后的换向压力为0.6,0.8Mpa(由溢流阀13调定),释压后换向,可避免滑枕换向时的液压冲击,进一步提升了换向的平稳性。
由进给回路传动链可知,进给系统仅需由液压缸提供往复运动的动力即可,如图1中的送进液压缸15,其动作应与滑枕动作协调。其动作原理为,当滑枕退至最后点时,滑枕上的档块(图中未示出)使操纵阀右位接入系统,提供给阀14左控制腔高压油,由于换向阀3相对于操纵阀有一个滞后(可由节流阀4调节),故换向阀暂时仍处于左位工作,溢流阀12通过小换向阀10右位,小操纵阀9左位由溢流阀13远程释压,释压后溢流阀12的进口压力为换向压力
(0.6,0.8MPa),故进给阀14右腔接低压油路,进给阀14换向,左位接入系统,送进缸15产生进给运动,进给缸的工作所承受的压力由背压阀8调定(0.6,0.8Mpa),背压阀同时还具有使滑枕液压缸运动平稳的作用。操纵阀动作后的一段时间后换向阀完成换向,右位接入系统,溢流阀12恢复调定的工作所承受的压力5MPa,进给阀左、右腔压力相等,不动作,滑枕换向后转为向前作切
削运动,当运动至最前点时,使操纵阀5左位接入系统,进给阀14左控制腔通过操纵阀5接油箱,压力近似为零,此时换向阀由于滞后仍暂时右位接入系统,溢流阀12由远程溢流阀13释压,但为保证进给阀14动作,未完成释压,仍保留有0.6,0.8MPa的换向压力,故进给阀右控制接有0.6,0.8MPa的换向压力,进给阀右位接入系统,进给缸退回,为下次进给准备好,一段时间后,换向阀换向,左位接入系统,滑枕转为后退,系统恢复工作所承受的压力,进给阀仍维持右位工作。
滑枕的开动与停止可由开停阀11和制动阀6配合完成。当开停阀左位接入系统,溢流阀12卸荷,系统压力下降,制动阀6在弹簧作用下右位接入系统,滑枕停止运动,此时系统处于卸荷状态。当开停阀右位接入系统,系统工作所承受的压力恢复,制动阀左位接入系统,滑枕16开始运动。由此可见,开停阀能使滑枕液压缸在任意位置“开”与“停”,且停止运动时,系统处于卸荷状态,减少了能量消耗。
从溢流阀12的进油口处引出一条油路,经滤油器17、分油器18分为两路提供给滑枕导轨润滑。分油器内设有两个可调节流阀,可分别调整润滑油流量。
测压回路通过压力表开关控制,可分时测定液压系统的工作所承受的压力p1 (溢流阀12的调定压力,按第Ⅰ级速度调整,为5MPa) 、系统背压p2 (溢流阀8调定,为0.6,0.8MPa)和换向压力p3 (溢流阀13调定,为0.6,0.8MPa) 。正常工作时压力表是接油箱的。
系统的工作所承受的压力p1指的是由溢流阀12的调定压力,它是按第Ⅰ级速度工作时确定的,为5 M Pa。此压力调整时,应拆去滑枕上的后档铁,使其缓慢的前进,直至活塞顶住油缸前缸盖而停止,此时操纵阀不动作,系统压力便处于一个稳定值,此条件下扳动压力表开关至测压p1处,调整溢流阀12,使表显示的压力值为5MPa。
此压力的调整应在工作台往复运动途中调整,一般在保证工作台均匀送刀的前提下取其偏低值,一般在0.6,0. 8 M Pa。
换向压力是换向瞬间的释压压力,出现时间较短,故系统正常工作时不便调整。要调整换向压力,应先将节流阀4关闭,切断换向阀控制油路使操纵阀5移动而换向阀3仍处于原位不动,系统始终处于“换向状态”,此条件下可稳定的测得换向压力p3 (一般在0.6,0.8MPa) 。
B690型牛头刨床的液压系统的设计,应该说确实考虑周密,具有独到之处,其优点主要体现在:
1)系统未用大流量单定量泵节流调整回路或价格昂贵的变压油泵容积调速回路,而是采
用了双联定量泵组合变级调速配以调速阀旁路节流无级调速实现大范围变速功能。该调速方式可看作是节流调速和容积调速的综合,故系统具有结构相对比较简单,成本低廉,输出功率随负载变化而变化,功率损耗小。
3)开停阀设在溢流阀远程控制口上,配以制动阀6,使系统的开停与系统卸荷有机结合在一起,滑枕能在任意位置开停,且停机时系统自然转入卸荷状态。
1)系统发热严重,按参考资料[2]介绍,该机床持续工作3小时温升在36℃左右。因此在炎热的夏天,油温可达70℃左右,产生的原因经分析主要有,机床液压系统与机床本体整体结构设计,油箱容积小,散热条件差;,液压泵浸在油液中,泵运转时的热量直接传给了油液;,泵输出的所有油液均须经背压阀8回油箱,压力损失产生了热量。有关发热问题的解决措施可参阅参考资料[2] [3] 。
2)溢流阀12的实际作用是旁路节流调速回路中的安全阀,防止系统过载的。但该系统模块设计时未照顾到各级速度的需要,而是按第Ⅰ级速度时满负荷工作确定的(5MPa) ,当在第Ⅱ,Ⅳ级速度运行时,由于电机功率的限制,工作所承受的压力不能也不允许达到5 M Pa,按说明书介绍,第Ⅱ级为3MPa,第Ⅲ、Ⅳ级为2.5MPa,因此,由图1可见在Ⅱ,Ⅳ级时溢流阀12不能起到安全限压的作用,换句话说,在第Ⅱ,Ⅳ级速度运行时,当切削负荷增加超载时,系统有过载现象,其结果是电机超载,电机转速下降,滑枕运动速度下降,经常工作在此状态下对液压系统不利,这一点在使用中应引起注意。
[2]张叔久等B690牛头刨床液压系统模块设计浅评及修改完善意见机床与液压( 1987)2。
[3]官忠范等液压系统模块设计调节失误实例分析,北京:机械工业出版社( 1995) 11。
