液壓成型的模擬控制

1、引 言液壓系統(tǒng)已經(jīng)在各個(gè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用，而且越先進(jìn)的設(shè)備，其應(yīng)用液壓系統(tǒng)的部門就越多。液壓傳動(dòng)是用液體作為來傳遞能量的，液壓傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：易于獲得較大的力或力矩，功率重量比大，易于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)較大范圍的無級(jí)變速，傳遞運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)快速而且無沖擊，與機(jī)械傳動(dòng)相比易于布局和操縱，易于防止過載事故，自動(dòng)潤(rùn)滑、元件壽命較長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。液壓傳動(dòng)的基本目的就是用液壓介質(zhì)來傳遞能量，而液壓介質(zhì)的能量是由其所具有的壓力及力流量來表現(xiàn)的。而所有的基本回路的作用就是控制液壓介質(zhì)的壓力和流量，因此液壓基本回路的作用就是三個(gè)方面：控制壓力、控制流量的大小、控制流動(dòng)的方向。所以基本

2、回路可以按照這三方面的作用而分成三大類：壓力控制回路、流量控制回路、方向控制回路。 第一章 負(fù)載與運(yùn)動(dòng)分析負(fù)載分析中，暫不考慮回油腔的背壓力，液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力在機(jī)械效率中加以考慮。因工作部件是臥式放置，重力的水平分力為零，這樣需要考慮的力有：夾緊力，導(dǎo)軌摩擦力，慣性力。 在對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析時(shí)，本設(shè)計(jì)實(shí)例只考慮組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)所受到的工作負(fù)載、慣性負(fù)載和機(jī)械摩擦阻力負(fù)載，其他負(fù)載可忽略。 （1）工作負(fù)載fw工作負(fù)載是在工作過程中由于機(jī)器特定的工作情況而產(chǎn)生的負(fù)載，對(duì)于金屬切削機(jī)床液壓系統(tǒng)來說，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負(fù)載，即（2）阻力負(fù)載阻力負(fù)載主要是工作臺(tái)的機(jī)械摩擦

3、阻力，分為靜摩擦阻力和動(dòng)摩擦阻力兩部分。導(dǎo)軌的正壓力等于動(dòng)力部件的重力，設(shè)導(dǎo)軌的靜摩擦力為，則 靜摩擦阻力: 動(dòng)摩擦阻力： （3）慣性負(fù)載最大慣性負(fù)載取決于移動(dòng)部件的質(zhì)量和最大加速度，其中最大加速度可通過工作臺(tái)最大移動(dòng)速度和加速時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。已知啟動(dòng)換向時(shí)間為0.05s，工作臺(tái)最大移動(dòng)速度，即快進(jìn)、快退速度為4.5m/min，因此慣性負(fù)載可表示為 如果忽略切削力引起的顛覆力矩對(duì)導(dǎo)軌摩擦力的影響，并設(shè)液壓缸的機(jī)械效率=0.9，根據(jù)上述負(fù)載力計(jì)算結(jié)果，可得出液壓缸在各個(gè)工況下所受到的負(fù)載力和液壓缸所需推力情況，如表1所示。表1 液壓缸總運(yùn)動(dòng)階段負(fù)載表（單位：n）工況負(fù)載組成負(fù)載值f/n推力f/n啟

4、動(dòng)48005333.33加速5819.376465.97快進(jìn)24002666.67工進(jìn)1940021555.56反向啟動(dòng)48005333.33加速3419.373799.3快退24002666.67制動(dòng)1380.631534.03第二章 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)組合機(jī)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和工況分析，所設(shè)計(jì)機(jī)床對(duì)調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性有一定要求，因此速度控制是該機(jī)床要解決的主要問題。速度的換接、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)是該機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。此外，與所有液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求一樣，該組合機(jī)床液壓系統(tǒng)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，節(jié)約能源，工作可靠。2.1選用執(zhí)行元件因系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)循環(huán)要求正向快進(jìn)和工進(jìn)，反向快退，且快進(jìn)，

5、快退速度相等，因此選用單活塞桿液壓缸，快進(jìn)時(shí)差動(dòng)連接，無桿腔面積a1等于有桿腔面積a2的兩倍。2.2速度控制回路的選擇 工況圖表明，所設(shè)計(jì)組合機(jī)床液壓系統(tǒng)在整個(gè)工作循環(huán)過程中所需要的功率較小，系統(tǒng)的效率和發(fā)熱問題并不突出，因此考慮采用節(jié)流調(diào)速回路即可。雖然節(jié)流調(diào)速回路效率低，但適合于小功率場(chǎng)合，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。該機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要求有較好的低速穩(wěn)定性和速度-負(fù)載特性，因此有三種速度控制方案可以選擇，即進(jìn)口節(jié)流調(diào)速、出口節(jié)流調(diào)速、限壓式變量泵加調(diào)速閥的容積節(jié)流調(diào)速。 鉆鏜加工屬于連續(xù)切削加工，加工過程中切削力變化不大，因此鉆削過程中負(fù)載變化不大，采用節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路即可。但由于在鉆頭鉆入

6、鑄件表面及孔被鉆通時(shí)的瞬間，存在負(fù)載突變的可能，因此考慮在工作進(jìn)給過程中采用具有壓差補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)口調(diào)速閥的調(diào)速方式，且在回油路上設(shè)置背壓閥。由于選定了節(jié)流調(diào)速方案，所以油路采用開式循環(huán)回路，以提高散熱效率，防止油液溫升過高。從工況圖中可以清楚地看到，在這個(gè)液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi)，液壓要求油源交替地提供低壓大流量和高壓小流量的油液。而快進(jìn)快退所需的時(shí)間和工進(jìn)所需的時(shí)間分別為亦即是=7.7因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量角度來看，如果選用單個(gè)定量泵作為整個(gè)系統(tǒng)的油源，液壓系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于大流量溢流狀態(tài)，從而造成能量的大量損失，這樣的設(shè)計(jì)顯然是不合理的。如果采用一個(gè)大流量定量泵和一個(gè)小流量定量泵雙泵串聯(lián)的供油

7、方式，由雙聯(lián)泵組成的油源在工進(jìn)和快進(jìn)過程中所輸出的流量是不同的，此時(shí)液壓系統(tǒng)在整個(gè)工作循環(huán)過程中所需要消耗的功率估大，除采用雙聯(lián)泵作為油源外，也可選用限壓式變量泵作油源。但限壓式變量泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，且流量突變時(shí)液壓沖擊較大，工作平穩(wěn)性差，最后確定選用雙聯(lián)液壓泵供油方案，有利于降低能耗和生產(chǎn)成本，如圖1所示。圖1 雙泵供油油源2.3選擇快速運(yùn)動(dòng)和換向回路 根據(jù)本設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)方式和要求，采用差動(dòng)連接與雙泵供油兩種快速運(yùn)動(dòng)回路來實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)。即快進(jìn)時(shí)，由大小泵同時(shí)供油，液壓缸實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接。 本設(shè)計(jì)采用二位二通電磁閥的速度換接回路，控制由快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)。與采用行程閥相比，電磁閥可直接安裝在液壓站上，由

8、工作臺(tái)的行程開關(guān)控制，管路較簡(jiǎn)單，行程大小也容易調(diào)整，另外采用液控順序閥與單向閥來切斷差動(dòng)油路。因此速度換接回路為行程與壓力聯(lián)合控制形式。2.4速度換接回路的選擇所設(shè)計(jì)多軸鉆床液壓系統(tǒng)對(duì)換向平穩(wěn)性的要求不高，流量不大，壓力不高，所以選用價(jià)格較低的電磁換向閥控制換向回路即可。為便于實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接，選用三位五通電磁換向閥。為了調(diào)整方便和便于增設(shè)液壓夾緊支路，應(yīng)考慮選用y型中位機(jī)能。由前述計(jì)算可知，當(dāng)工作臺(tái)從快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)時(shí)，進(jìn)入液壓缸的流量由23.07 l/min降0.318 l/min，可選二位二通行程換向閥來進(jìn)行速度換接，以減少速度換接過程中的液壓沖擊，如圖2所示。由于工作壓力較低，控制閥均用普通

9、滑閥式結(jié)構(gòu)即可。由工進(jìn)轉(zhuǎn)為快退時(shí)，在回路上并聯(lián)了一個(gè)單向閥以實(shí)現(xiàn)速度換接。為了控制軸向加工尺寸，提高換向位置精度，采用死擋塊加壓力繼電器的行程終點(diǎn)轉(zhuǎn)換控制。 a.換向回路 b.速度換接回路圖2 換向和速度切換回路的選擇參考同類組合機(jī)床，選用雙作用葉片泵雙泵供油，調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流閥調(diào)速的開式回路，溢流閥做定壓閥。為了換速以及液壓缸快退時(shí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，回油路上設(shè)置背壓閥，初定背壓值pb=0.8mpa。2.5組成液壓系統(tǒng)原理圖選定調(diào)速方案和液壓基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些輔助性油路，如控制油路、潤(rùn)滑油路、測(cè)壓油路等，并對(duì)回路進(jìn)行歸并和整理，就可將液壓回路合成為液壓系統(tǒng)，即組成如圖5所示的

10、液壓系統(tǒng)圖。為便于觀察調(diào)整壓力，在液壓泵的進(jìn)口處，背壓閥和液壓腔進(jìn)口處設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)，并設(shè)置多點(diǎn)壓力表開關(guān)，這樣只需一個(gè)壓力表即能觀察各壓力。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)作，即要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作順序?yàn)椋簡(jiǎn)?dòng)加速快進(jìn)減速工進(jìn)快退停止。則可得出液壓系統(tǒng)中各電磁鐵的動(dòng)作順序如表2所示。表中“+”號(hào)表示電磁鐵通電或行程閥壓下；“”號(hào)表示電磁鐵斷電或行程閥復(fù)位。表2 電磁鐵的動(dòng)作順序表圖 3 液壓系統(tǒng)圖2.6系統(tǒng)圖的原理1 快進(jìn) 快進(jìn)如圖所示，按下啟動(dòng)按鈕，電磁鐵1ya通電，由泵輸出地壓力油經(jīng)2三位五通換向閥的左側(cè)，這時(shí)的主油路為： 進(jìn)油路：泵 向閥10三位五通換向閥2（1ya得電）行程閥3液壓缸左腔。 回油路：液壓缸右腔三

11、位五通換向閥2（1ya得電）單向閥6行程閥3液壓缸左腔。由此形成液壓缸兩腔連通，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)快進(jìn)，由于快進(jìn)負(fù)載壓力小，系統(tǒng)壓力低，變量泵輸出最大流量。2 減速當(dāng)滑臺(tái)快到預(yù)定位置時(shí)，此時(shí)要減速。擋塊壓下行程閥3，切斷了該通路，電磁閥繼續(xù)通電，這時(shí)，壓力油只能經(jīng)過調(diào)速閥4，電磁換向閥16進(jìn)入液壓缸的左腔。由于減速時(shí)系統(tǒng)壓力升高，變量泵的輸出油量便自動(dòng)減小，且與調(diào)速閥4開口向適應(yīng)，此時(shí)液控順序7打開，單向閥6關(guān)閉，切斷了液壓缸的差動(dòng)連接油路，液壓缸右腔的回油經(jīng)背壓閥8流回油箱，這樣經(jīng)過調(diào)速閥就實(shí)現(xiàn)了液壓油的速度下降，從而實(shí)現(xiàn)減速，其主油路為： 進(jìn)油路：泵 向閥10三位五通換向閥2（1ya得電）調(diào)速閥4電

12、磁換向閥16液壓缸左腔。回油路：液壓缸右腔三位五通換向閥2背壓閥8液控順序閥7油箱。3 工進(jìn) 減速終了時(shí)，擋塊還是壓下，行程開關(guān)使3ya通電，二位二通換向閥將通路切斷，這時(shí)油必須經(jīng)調(diào)速閥4和15才能進(jìn)入液壓缸左腔，回油路和減速回油完全相同，此時(shí)變量泵輸出地流量自動(dòng)與工進(jìn)調(diào)速閥15的開口相適應(yīng)，故進(jìn)給量大小由調(diào)速閥15調(diào)節(jié)，其主油路為：進(jìn)油路：泵 向閥10三位五通換向閥2（1ya得電）調(diào)速閥4調(diào)速閥15液壓缸左腔?；赜吐罚阂簤焊子仪蝗晃逋〒Q向閥2背壓閥8液控順序閥7油箱。4 死擋鐵停留 當(dāng)滑臺(tái)完成工進(jìn)進(jìn)給碰到死鐵時(shí)，滑臺(tái)即停留在死擋鐵處，此時(shí)液壓缸左腔的壓力升高，使壓力繼電器14發(fā)出信號(hào)給時(shí)間

13、繼電器，滑臺(tái)停留時(shí)間由時(shí)間繼電器調(diào)定。5 快退滑臺(tái)停留時(shí)間結(jié)束后，時(shí)間繼電器發(fā)出信號(hào)，使電磁鐵1ya、3ya斷電，2ya通電，這時(shí)三位五通換向閥2接通右位，因滑臺(tái)返回時(shí)的負(fù)載小，系統(tǒng)壓力下降，變量泵輸出流量又自動(dòng)恢復(fù)到最大，滑快速退回，其主油路為：進(jìn)油路：泵 向閥10三位五通換向閥2（2ya得電）液壓缸右腔?；赜吐罚阂簤焊鬃笄粏蜗蜷y5三位五通換向閥2（右位）油箱。6 原位停止 當(dāng)滑臺(tái)退回到原位時(shí)，擋塊壓下原位行程開關(guān)，發(fā)出信號(hào)，使2ya斷電，換向閥處于中位，液壓兩腔油路封閉，滑臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。這時(shí)液壓泵輸出的油液經(jīng)換向2直接回油箱，泵在低壓下卸荷。系統(tǒng)圖的動(dòng)作順序表如表3所示。第三章 梯形圖和流程

14、圖3.1 梯形圖圖4 梯形圖 213.2 流程圖圖5 流程圖3.3程序3.4外部接線圖第四章 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 4.1驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失并確定壓力閥的調(diào)整值由于系統(tǒng)的管路布置尚未具體確定，整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失無法全面估算，故只能先按課本式（3-46）估算閥類元件的壓力損失，待設(shè)計(jì)好管路布局圖后，加上管路的沿程損失和局部損失即可。但對(duì)于中小型液壓系統(tǒng)，管路的壓力損失甚微，可以不予考慮。壓力損失的驗(yàn)算應(yīng)按一個(gè)工作循環(huán)中不同階段分別進(jìn)行。 快進(jìn)滑臺(tái)快進(jìn)時(shí)，液壓缸差動(dòng)連接，由表3和表4可知，進(jìn)油路上油液通過單向閥10的流量是22l/min，通過電液換向閥2的流量是27.1l/min，然后與液壓缸有桿腔的回

15、油匯合，以流量55.3l/min通過行程閥3并進(jìn)入無桿腔。因此進(jìn)油路上的總壓降為此值不大，不會(huì)使壓力閥開啟，故能確保兩個(gè)泵的流量全部進(jìn)入液壓缸?；赜吐飞希簤焊子袟U腔中的油液通過電液換向閥2和單向閥6的流量都是28.2l/min，然后與液壓泵的供油合并，經(jīng)行程閥3流入無桿腔。由此可算出快進(jìn)時(shí)有桿腔壓力p2與無桿腔壓力p1之差。此值小于原估計(jì)值0.5mpa（見表2），所以是偏安全的。 工進(jìn)工進(jìn)時(shí)，油液在進(jìn)油路上通過電液換向閥2的流量為0.318l/min，在調(diào)速閥4處的壓力損失為0.5mpa；油液在回油路上通過換向閥2的流量是0.0162l/min，在背壓閥8處的壓力損失為0.5mpa，通過順序

16、閥7的流量為（0162+22）l/min=22.162l/min，因此這時(shí)液壓缸回油腔的壓力為p2為 可見此值小于原估計(jì)值0.8mpa。故可按表2中公式重新計(jì)算工進(jìn)時(shí)液壓缸進(jìn)油腔壓力p1，即 此值與表3中數(shù)值2.976mpa相近?？紤]到壓力繼電器可靠動(dòng)作需要壓差pe=0.5mpa，故溢流閥9的調(diào)壓pp1a應(yīng)為 快退快退時(shí)，油液在進(jìn)油路上通過單向閥10的流量為22l/min，通過換向閥2的流量為27.1l/min；油液在回油路上通過單向閥5、換向閥2和單向閥13的流量都是53.13l/min。因此進(jìn)油路上總壓降為 此值較小，所以液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率是足夠的。回油路上總壓降為 此值與表3的估計(jì)值

17、相近，故不必重算。所以，快退時(shí)液壓泵的最大工作壓力pp應(yīng)為 因此大流量液壓泵卸荷的順序閥7的調(diào)壓應(yīng)大于2.492mpa。4.2油液溫升驗(yàn)算液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在工作時(shí)，有壓力損失、容積損失和機(jī)械損失，這些損失所消耗的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高，導(dǎo)致油的粘度下降、油液變質(zhì)、機(jī)器零件變形等，影響正常工作。為此，必須控制溫升t在允許的范圍內(nèi)，如一般機(jī)床d= 25 30 ；數(shù)控機(jī)床d 25 ；粗加工機(jī)械、工程機(jī)械和機(jī)車車輛d= 35 40 。 液壓系統(tǒng)的功率損失使系統(tǒng)發(fā)熱，單位時(shí)間的發(fā)熱量f（kw）可表示為式中 系統(tǒng)的輸入功率（即泵的輸入功率）（kw）； 系統(tǒng)的輸出功率（即液壓缸的輸出功率）（kw）。 若在一個(gè)工作循環(huán)中有幾個(gè)工作階段，則可根據(jù)各階段的發(fā)熱量求出系統(tǒng)的平均發(fā)熱量對(duì)于本次設(shè)計(jì)的組合機(jī)床液壓系統(tǒng)，其工進(jìn)過程在整個(gè)工作循環(huán)中所占時(shí)間比例達(dá)95%因此系統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升可用工進(jìn)時(shí)的發(fā)熱情況來計(jì)算。 工進(jìn)時(shí)液壓缸的有效功率（即系統(tǒng)輸出功率）為這時(shí)大流量泵通過順序閥10卸荷，小流量泵在高壓下供油，所以兩泵的總輸出功率（即系統(tǒng)輸入功率）為：由此得液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為即可得油液溫升近似值：溫升小于普通機(jī)床允許的溫升范圍，因此液壓系統(tǒng)中不需設(shè)置冷卻器。第六章