（机械制造及其自动化专业论文）钢轨自动化淬火机床总体设计及控制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 钢轨是铁路设施中最为关键的零部件，其重要性勿庸置疑。钢轨质量的 好坏关系到铁路运输的使用性、安全性、可靠性。在钢轨的加工工艺中，对 钢轨表面的中频感应淬火是一道关键工序，淬火处理的质量决定了钢轨的使 用效果和寿命。而在淬火工序中，加热温度和受热均匀是两个重点控制项目。 因此，针对该两项目，研制一台具有较强质量保障能力和较高自动化程 度的淬火机床就极为必要。一台淬火机床结构复杂，主要分为感应线圈和机 床两个部分，需要多人多方面分工合作共同完成。本文的主要目的是完成机 床部分的设计任务。 本文首先介绍了钢轨淬火机床现状及存在的不足，接着根据钢轨淬火的 具体任务要求设计了整体方案；随后根据钢轨淬火变形的情况，分析了用于 工件装夹的液压随动系统的要求及如何设计回路，确定了液压原理图，并且 对液压系统参数进行了详细计算，对系统的各项指标进行合理性验算，确定 液压元件；采用变频调速电机、摆线针轮减速器、锥齿轮传动组成无级调速 的进给驱动系统；采用y 系列三相异步电机、摆线针轮减速器、v 带传动组成 工件传送系统；最后对与之相关的电气部分进行设计，根据工艺流程图定义 了p l c 的外部接口并写出过程控制的编程指令语，完成钢轨淬火机床的整体 控制。在本设计中，对机械部分进行了详细设计，并绘制了总结构图、各部 件结构图和主要零件图。通过本文的设计，基于p l c 的钢轨淬火机床，具有 机、电、液一体化，自动化程度高，生产率、功效利用率高、经济性好等诸 多优点，通过液压随动系统保证了加工过程中钢轨表面与线圈的距离不变； 通过迸给驱动系统控制了工件移动速度，保证了钢轨表面加热均匀；通过工 件传送系统实现了电力传送工件的功能，从而为钢轨生产提供了有力保障。 关键词：钢轨；自动化；淬火机床 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h er a i li si nt h er a i l r o a df a c i l i t yt h em o s te s s e n t i a ls p a r ep a r t ， i t si m p o r t a n c ed o u b t e d t h er a i lq u a l i t yd i r e c t l yr e l a t e st h er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nt h eu s e ，t h es e c u r i t y ，t h e r e1 i a b i l i t y i nt h er a i l p r o c e s s i n gc r a f t ，t ot h er a i ls u r f a c ei n t e rm e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i o n h a r d e n i n g w a st h ee s s e n t i a lw o r k i n gp r o c e d u r e ，t h eq u e n c h i n g p r o c e s s i n gq u a l i t yh a sd e c i d e dt h er a i lu s ee f f e c ta n dt h e1 i f et o g e t h e r b u ti nt h eq u e n c h i n gw o r k i n gp r o c e d u r e ，t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n d b e i n gh e a t e di se v e ni st w ok e yc o n t r o l sp r o j e c t s t h e r e f o r e ，i nv i e wo ft h i s t w op r o j e c t s ，d e v e l o p st oh a v et h e s t r o n g e rq u a l i t ys a f e g u a r da b i l i t y a n dt h eh i g h e ra u t om a t i c i t y q u e n c h i n ge n g i n eb e de x t r e m e l yi se s s e n t i a l o n eq u e n c h i n gm a c h i n et o o l s t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，t w op a r t s ，r e q u i r et h a tm a n yp e o p l es h a r e s o u tt h ew o r ka n dc o o p e r a t e sw i t ho n ea n o t h e ri nm a n yw a y sm a i n l ym a r k f o rt h ei n d u c t o ra n dt h em a c h i n et o o lb e i n gc o m p l e t e dc o m m o n l y t h e m a i np u r p o s eo ft h eb o o ki st oa c c o m p l i s ht h em a c h i n et o o lp a r td e s i g n m i s s i o n t h i sa r t i c l ef i r s tb r i e f e dt h er a i lq u e n c h i n ge n g i n eb e dp r e s e n t s i t u a t i o na n d t h ee x i s t e n c ei n s u f f i c i e n c y ；h a v eb e e nb a s e do n d e f o r m a b l er a i lq u e n c h i n gc o n d i t i o ns u b s e q u e n t l y ，h a v ea n a l y s e dt h e c i r c u i tb e i n gu s e df o rw o r kp i e c eh o l d i n gl i n e dh y d r a u l i cp r e s s u r e s e r v os y s t e mr e q u e s tw i t ha n dh o wt od e s i g n i n gt h a t ，h a v ea s c e r t a i n e d h y d r a u i i cp r e s s u r ep r i n c i p l ep i c t u r e ，h a v eb e e ni np r o g r e s sa n dt o h y d r a u l i cp r e s s u r e s y s t e mp a r a m e t e rs e c r e t l ys c h e m i n ga g a i n s t d e t a i l e d l y ，t h ei n d e xc a r r i e so u tr a t i o n a l i t yc h e c k i n gc a l c u l a t i o no n s y s t e m a t i cv a r i o u s ，a s c e r t a i n st h eh y d r a u l i cp r e s s u r ec o m p o n e n t ： m o v i n gf o r w a r da d o p tt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i o n e l e c t r i cm o t o r ，a r r a n g i n gl i n en e e d l ew h e e lr e d u c t i o ng e a r ，c o n eg e a r r u nb e i n gc o m p o s e do fs t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i n gi sd r i v e ns y s t e m ：a d o p t t h eys e r i e st h r e e p h a s ea s y n c h r o n i z a t i o ne l e c t r i cm o t o r ， a r r a n g e s 1 i n en e e d l ew h e e lr e d u c t i o ng e a r ，vt a k i n gd r i v et ob ec o m p o s e do ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 w o r kp i e c et r a n s f e r e n c es y s t e m ；f i n a l l yt op a r t i a l l yc a r r i e so nt h e d e s i g nw i t hi tc o r r e l a t i o ne l e c t r i c i t y ，h a sd e f i n e dt h ep l ce x t e r i o r c o n n e c t i o na c c o r d i n gt ot h ef l o wc h a r ta n dw r i t e st h ep r o c e s sc o n t r o l t h ep r o g r a m m i n gi n s t r u c t i o nl a n g u a g e ，c o m p l e t e st h er a i lq u e n c h i n g e n g i n eb e dt h ew h o l ec o n t r 0 1 i nt h i sd e s i g n ，h a sc a r r i e do nt h e d e t a i l e dd e s i g nt ot h em a c h i n e p a r t ，a n dh a sd r a w nu pt h es u m m a r y c o m p o s i t i o n ，v a r i o u sp a r t ss t r u c t u r ed r a w i n ga n dt h em a i nd e t a i l d r a w i n g t h r o u g ht h i sa r t i c l ed e s i g n ，b a s e do np l cr a i lq u e n c h i n g e n g i n eb e d ，h a v i n gm a c h i n e ， e l e c t r i c i t y ， f l u i d i n t e g r a t i o n ， a u t o m a t i c i t yh i g h ，t h ep r o d u c t i v i t y ，t h ee f f e c tu s ef a c t o rh i g h ，t h e e f f i c i e n c yi sg o o da n ds oo nm a n ym e r i t s ，h a dg u a r a n t e e dt h r o u g ht h e h y d r a u l i cp r e s s u r es e r v os y s t e mi nt h ep r o c e s s i n gp r o c e s st h er a i l s u r f a c ea n dt h ec o i1d is t a n c ei s i n v a r i a b l e ：t h r o u g he n t e r e df o rt h e s y s t e m sc o n t r o lw o r kp i e c et r a v e l i n gs p e e d ，h a dg u a r a n t e e dt h er a i l w a se v e n ：h a v e g i v e nd r i v es y s t e mu n d e rt h ec o n t r o lo fw o r kp i e c e d i s p l a c e m e n ts p e e db ym o v i n gf o r w a r d ，h a v ee n s u r e dt h a tt h er a i lh e a t s o u t s i d eh o m o g e n e o u s l y ；h a v ep r o v i d e dt h ef o r c e f u lg u a r a n t e eb yt h ef a c t t h a tt h ew o r kp i e c et r a n s f e r e n c es y s t e mh a sr e a l i z e de l e c t r i cp o w e r t r a n s m i t t i n gt h ew o r kp i e c ef u n c t i o n ，h a sp r o d u c e dt h e r e b yf o rt h e r a i 】 k e yw o r d s ：r a i l ：a u t o m a t i o n ；q u e n c h e sm a c h i n et o o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的提出 铁路运输作为中国交通路线网络的大动脉，对经济发展和人民生活以及 国防建设等诸多方面都起着至关重要的作用。中频淬火是钢轨加工中的热处 理工序，通过淬火工序，能够大大改善材料的性能，提高钢轨表面的硬度。 由于钢轨属于细长杆件，在表面受到高温加热时，必然产生较大程度变 形，成为弧形。因而，为保证整个钢轨表面受热均匀，首先要求感应线圈必 须随着工件的变形，调整空间位置，从而与钢轨淬火面之间始终保持适当的 距离；其次要求钢轨表面从感应线圈下经过的时间基本一致。这是钢轨淬火 工序的两个重点控制项目。 由于成都铁路局现有的钢轨淬火机床采用手动操作的方式，生产率十分 低下，工序能力也不够。随着我国高速铁路的兴建，必然对钢轨的性能和数 量提出了更高的要求，这就在客观上要求现有的淬火设备必须改进。 1 2 本课题研究任务 改进后的钢轨淬火机床基于p l c 的整体控制，分为感应线圈和机床两个 部分，感应线圈负责对钢轨表面进行中频感应淬火，而机床部分在电气控制 系统的驱动下负责搭载工件实现进给功能。 针对上述项目，机床必须具备钢轨随动系统装置和进给驱动装置。通过 随动系统，使感应线圈能够根据工件的变形位移，自动调节空问位置；进给 驱动系统通过变频器和p l c 的控制，具有无级调速功能，实现对主轴电动机 的无级调速，从而对进给系统移动的速度在一定范围内可以任意调节。这样， 钢轨就可以以最佳速度，稳定地向感应线圈移动，使淬火过程得到很好的控 制，保证在淬火工序过程中，线圈与工件之间的距离、工件的受热温度始终 保持恒定。与此同时，借助p l c 的自动控制功能实现自动化的工艺过程，提 高了生产率。从而使淬火机具备较强的质量保障能力，更好地为生产服务。 而本文的任务正是完成淬火机床的总体设计内容。 1 。3 钢轨淬火机床的现状 成都铁路局现有的钢轨淬火机床在对钢轨的淬火工序处理上，仍然采取 人工调整线圈位置和移动工件的方法。在工件处理过程中，由操作工人凭肉 眼观察工件的变形，判断变形量、变形速度，再操作电机来移动感应圈，以 适应工件的位移。这种人工操作很难保证工艺要求，感应线圈与工件淬火面 之间的距离无法稳定，对工件的加温不均匀，从而使淬火层硬度和深度超差， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 严重影响钢轨的质量；钢轨的进给运动是由工人拉动来实现的，由于淬火要 求钢轨淬火面和线圈之间要保持适当并基本稳定的相对进给速度，而这个进 给速度也是操作工人人为来控制的。由于人工操作、控制的不准确性，严重 影响了钢轨淬火面的质量。该淬火机床结构如图1 一l 所示。 图1 1 原钢轨淬火机床结构示意图 该机床没有采取自动化控制，这很难满足生产要求，不仅生产率低，工 人的操作难度也大，最关键问题是其质量保障能力很难满足淬火工序要求， 不容易保证产品质量，这严重影响到铁路系统的安全运行问题。由于这些问 题的存在，一台自动化钢轨淬火机床被急需。 1 4 本课题应用前景 根据在厂家实地调研的情况，确定采用液压装置来实现随动功能，采用 变频调速电机来实现进给系统的无级调速功能。因此，研制一套基于计算机 整体控制的钢轨自动淬火机床是本课题的目标。 在该淬火处理的全过程中，用压力继电器检测工件的空间位置动态变化， 反馈给控制阀门，从而驱动液压油缸带动工件，使工件始终按照工艺参数要 求，与感应线圈保持稳定距离；而进给系统能够实现对工件的进给速度进行 无级调速控制，使钢轨在感应线圈的热处理下速度均匀，对钢轨的淬火效果 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 产生积极作用；另外，通过电机带动输送滚轮来实现工件的电力传送，提高 效率。 本文正是希望在详细调查及收集钢轨生产的各种实际资料的基础上，结 合计算机控制进行深入细致的分析，以期能够设计出自动化程度高，生产率、 功效利用率高，经济实用的钢轨淬火处理机，为产品生产提供了有力的质量 保障。争取能够对提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率起到一定的 作用。由于铁路对国家经济、人民生活的至关重要性，国家大力推广铁路项 目，扩展铁路覆盖面积。j i u 2 0 2 0 年，我国铁路营业里程达1 0 0 0 0 0 公里。其中： 客运专线1 2 0 0 0 公里、复线( 双线) 5 0 0 0 0 公里、电气化5 0 0 0 0 公里。在这样的 形式下，钢轨作为基础项目，需求量以及保证其质量是头等大事。由于目前 国内市场上对这一种型号机床的资源比较匮乏，技术上也较薄弱，所以本文 研究内容大大满足了上述要求，自动化钢轨淬火机床能够加工出质量较好的 钢轨，而且在高效率的情况下生产，大大缩短了加工周期，提高了经济性， 为国家铁路事业作出贡献。集以上方面，此项目的研究是非常有意义的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章自动淬火机床整体设计 2 1 机床总体方案设计 钢轨淬火机床需要处理的工件有两种，一为普通钢轨，一为尖轨。普通 平轨长度为2 5 m ，重量约为1 5 t ，尖轨长度为1 2 m ，重量小于1 5 t 。但是 由于尖轨的使用要求，使得其在结构方面与普通平轨有所不同，尖轨用于连 接两段轨道，故其侧面被削除了，在俯视图上呈现出倾斜的状态。故在设计 此淬火机床时需要设计上端随动部分使感应线圈与其包络，使钢轨得到充分 的淬火，机床整体尺寸不宜过小，也不宜过大。 总体设计方面我们参考了龙门铣床，刨床等的结构，并且参考了其它钢 轨淬火机床的外形特点进行比较和设计。这样，借鉴了以往经验的基础上更 新，设计新的自动化钢轨淬火机床，其总体结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 自动化钢轨淬火机床总结构示意图 从结构示意图中可以看到，机床的总体结构分为感应线圈机架和工件进 给系统两个部分，本文完成了机床的机械结构、液压随动系统、无级调速驱 动装置、工件传送装置以及电气控制系统几个部分的设计，各部分之间的设 计息息相关，要求保证各个部分在机床上安装可靠，不发生干涉。 整个机床通过基于p l c 的电气控制系统来实现整体的各个部分协调动作 和自动化控制。本文还需要完成与各系统相关的主电路图、控制电路、p l c 接线图，并编写相应的程序代码。 2 1 1 结构设计 1 进给系统总体尺寸确定及移动方式的确定 由于普通钢轨长度为2 5 m ，尖轨长度为1 2 m ，所以为了满足两者均能加 工的要求，并保有一定宽余尺寸，初步确定进给部分长度为3 0 m 。由于整个 淬火过程要求，考虑丝杆传动，可实现通过电机来传递移动，但距离过长， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 很难生产如此长的丝杆，此方法难以实施，另外齿轮齿条传动也是同样的困 难，由于工作行程很长，故一般的传动形式难以满足如此长距离的移动传输。 经讨论，最后一致认为采用在铁轨上用车轮进行传动。 根据经验，进给轨道可采用普通的6 0 轨，而车轮则应比普通火车车轮小， 直径确定为2 0 0 m m 。这样可以在实践中节约成本，减少投资，并保证有足够 的强度。在负责进给的车轮上用电机驱动车轮运转。另外，考虑到进给部分 的长度为3 0 m ，应采用6 组车轮来支撑，较为合适；而设计的进给轨道长度 应该使得钢轨得到充分淬火，选择为7 0 m 长，可满足使用要求。 2 进给系统具体结构的确定 进给系统采用2 0 号工字钢作为支撑架，上面用焊接的形式焊上钢板。 安装在进给系统上的液压随动系统采用6 个液压缸支撑住工件钢轨，并 且随着钢轨淬火的变形随动。由于尖轨和普通轨尺寸、形状不同，所以液压 缸分布应该前密后疏，其中为了使尖轨能够水平放置，左端第4 个液压缸的 支撑高度应该比其它5 个液压缸要矮一点，这是尖轨的结构所决定的。液压 站集成块的部件可布置于工字钢下。 考虑到在车间里采用吊车的方式将钢轨放置于进给系统上的方式，在车 间空间布置上有较大难度，所以采用在进给系统上安装工件传送系统来实现 钢轨的传送到位。为此，我们设计了一套滚轮输送装置，在进给系统上分布 有1 1 个支起的滚轮，其中两个有电力拖动，当铁轨被放入进给部时通过滚轮 滚动将钢轨传送到进给部另一边。 3 进给系统调速方式的确定 对于系统的调速要求，需要比较各种方案，一般的调速系统有如下三种： 1 1 机械有级调速系统 在机械有级调速系统中，电动机采用不调速的鼠笼异步电动机，而速度 调节是通过改变齿轮箱的变速比来实现的。由于机械有级调速系统不能连续 可调，因而常常得不到最合理的速度，也就不能保证机床的最高效率。此外， 为了获得比较多的速度，不得不采用很多的机械传动机构，使机械系统变得 复杂，影响了机床的加工精度。在这种系统中，负载转矩是经过机械传动机 构传到电动机轴上的，电动机轴上的转矩只等于负载转矩的传动比倒数倍， 因此在降速系统中可以选择转矩较小的电动机，所以这种机械有级调速只适 合于应用在普通车床、钻床、铣床和小镗床中。 2 ) 电气一机械有级调速系统 在机械有级调速系统中，有多速鼠笼式异步电动机代替不能调速的鼠笼 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 式异步电动机，就可以简化机械传动机构，这样的系统就是电气一机械有级 调速系统。多速电动机一般采用双速电动机，少数采用三速，四速电动机， 这种调速系统用于中小型镗床的主拖动系统。 3 1 电气无级调速系统 通过直接改变电动机的转速来实现机床工作机构转速的无级调节的进给 系统即为电气无级调速系统。这种调速系统具有调速范围宽，可以实现平滑 调速，调速精度高，控制灵活等优点，还可以大大简化机床的传动机构，因 此适合应用于机床的主拖动和进给拖动系统中。 由于本淬火机床要求钢轨在工进时的速度可以随意调节，使钢轨得到最 佳的淬火效果，因此就要考虑调速系统的选用，同时也要考虑到机床的进给 系统机构尺寸的限制等问题。综合起来考虑，我们选用电气无级调速控制， 为了实现这一功能，选用变频调速电动机，并使用p l c 来控制变频器。 2 1 2 机床工作原理阐述 需要热处理的钢轨，由外界输送装置传送到进给系统上。其进入进给系 统上后，带动力的滚轮通过电力拖动，滚动中将钢轨由进给系统一边传送到 另一边，以便加工。当输送到固定位置后，滚轮停止滚动。此时，液压缸活 塞杆迅速升出支撑起钢轨，当钢轨由于淬火变形而向上弯曲时，液压随动系 统控制液压缸随动始终支撑钢轨，保持其稳定。而无级调速驱动装置通过控 制电机的转速，来控制车轮转速，从而控制系统进给的移动速度，从而控制 钢轨表面淬火时间，来保证均匀的热处理质量。同时在机架上也有一个液压 随动系统来控制线圈与钢轨淬火表面距离，当钢轨弯曲而位置上升时，线圈 位置也上升，保证表面淬火质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 机床整体操作方法简述 l 1l 行程开关动 系统停止 i l 卸f 件i 上 系统快退同原点 图2 2 机床整体操作流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章液压随动系统部分设计 3 1 液压系统要素分析 3 1 1 液压系统组成及特点 1 首先液压传动与液压伺服控制技术的基本特点如下： 采用液体作为传动介质； 必须在封闭的容器内进行； 以液体静压能为主( 静压能大大超过液体动能) ； 代表液压传动性能的主要参数是压力p 和流量q 。 2 液压系统的组成及元件分类 任何液压传动系统或液压伺服控制系统均由以下几部分组成： 1 1 执行部分它是把油液的压力能转换成机械能的装置，它是做直线运 动的液压缸，也可以是旋转式液压马达。 控制部分它们是控制液压系统中油液压力、流量和流动方向的装 置，其中包括：控制液流方向的元件( 单向阀，液控单向阀，电磁阀等) ，控 制压力的元件( 安全阀等) ，控制流量的元件( 节流阀，调速阀等) 。这些元 件是保证系统正常工作必不可少的组成部分。 3 1 能源部分它是把机械能转换成油液压能的装置，一般最常见的形式 就是液压泵，它给液压系统提供压力油，使整个系统能够动作起来，即供压 部分( 泵和蓄能器等) 。 钔辅助装置它是除上述三项以外的其他装置，即油箱，导管，滤油器 等，他们对保证液压系统可靠，稳定，持久地工作，有重大作用。 5 1 传动介质即工作液体。 由此可知，除传动介质外，液压传动装置或液压伺服机构均由各种不同 的元件组成。 3 1 2 液压传动的优缺点 1 液压传动的主要优点为： 1 1 动作迅速，换向快( 时间常数很小) 。根据统计，液压传动与伺服装 置的时间常数与电力拖动装置的时间常数有一定的关系。液压传动装置能在 运动过程中进行无级调速，调速方便且调速的范围比较大，达1 0 0 ：1 至2 0 0 0 ： 1 。 2 1 在同等功率的情况下，液压传动装置的体积小，重量轻，尺寸小，根 据统计，同等功率的液压泵和液压马达的重量，通常只有电机的0 5 o 2 倍且 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 能传递较大的力或转矩。 3 1 液压传动装置工作运动比较平稳，反应快、冲击小、能高速启动、制 动和换向。不易受外界负载影响，即机械特性好。通过比较液压马达和电动 机特性知，在低速时液压马达的转速平稳性超过电动机许多倍。液压传动装 置的换向频率，回转运动每分钟可达5 0 0 次，往复直线运动每分钟可达 4 0 0 - 1 0 0 0 次。 4 1 液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力、易于实 现自动化。当与电器控制配合使用时，更能实现复杂的顺序动作和远程控制。 5 1 液压传动装置易于实现过载保护。由于采用油液作为工作介质，液压 传动装置能自行润滑，故使用寿命较长。 6 ) 液压传动装置由于其元件实现了系列化、标准化、通用化、故易于设 计，制造和推广使用。 7 ) 液压传动装置能简易地实现直线运动和回转运动，液压元件的排列和 布置也具有很大的灵活性。 8 1 在液压传动装置中，由于功率损失等原因所产生的热量可以由流动着 的油液带走，因此，可以避免在系统某些局部位置产生过热的现象。 2 液压传动的主要缺点为： 1 1 液压传动装置以液体为工作介质，无法避免泄露。液体的泄露和液体 的可压缩性使液压传动无法保证严格的传动比。 液压传动装置由于在能量转换及传递过程中存在着机械摩擦损失，压 力损失和泄露损失，因而总效率降低，不宜作远距离传动。 3 1 液压传动装置对油温和负载的变化都比较敏感，不宣在低温及高温条 件下工作。液压传动装置对油液的污染亦比较敏感，要求有良好的过滤设施。 4 ) 液压传动装置要求有单独的能源( 例如，液压泵站) ，液压能不能象 电能那样从远处送来，液压元件制造精度要求高，造价贵，需组织专业生产。 5 1 液压传动装置出现故障时不容易追查原因，不易迅速排除。 总的来说，液压传动的优点较多，其缺点则随着生产技术的发展正在逐 步加以克服，因此液压传动在现代化的生产中有着广泛的发展前途。 3 1 3 液压元件简述 构成一个液压系统的元件主要有以下几种： 1 液压缸 液压缸是液压传动系统中的又一类执行元件，它是把液压能转换成机械 能的能量转换装置。与液压马达不同，液压缸实现的则是往复运动。液压缸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的结构形式有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三大类，活塞缸和柱塞缸实现往复直 线运动，输出速度和推力。摆动缸实现往复摆动，输出角速度( 转速) 和转 距。液压缸除了单个地使用外，还可以两个或多个地组合起来或和其他机构 组合起来使用，完成特殊任务，液压缸结构简单，工作可靠，在机床的液压 系统中得到了广泛的应用。 液压缸的结构基本上可以分为缸筒组件、活塞组件、密封装置、缓冲装 置和排气装置几个部分。 2 换向阀 机床液压系统中使用的换向阀，种类很多。按阀的结构形式分，有转阀 和滑阀两种。 1 ) 转阀 转阀结构简单，紧凑，但密封性差，设计得不好时所需的操纵转矩很大， 为此它一般只用在中低压，小流量场合，作为先导阀和小型换向阀使用。 2 ) 滑阀 机床上使用的换向阀绝大多数都是滑阀，其结构包括主体部分以及操纵 定位装置。 在分析和选择阀的中位机能时，通常须考虑以下几点： 系统保压问题 系统卸荷问题 换向平稳性和换向精度问题 启动平稳性问题 液压缸的任意位置处的停止和浮动问题 3 溢流阀 机床液压系统中常用的溢流阀有直动式和先导式两种，前者用于低压， 后者用于中高压。 直动式溢流阀和先导式溢流阀二者在结构上的主要区别即为后者使用了 先导阀。 直动式溢流阀在通过流量或压力高的液流时，阀芯直径及滑阀底部的液 压作用力都将增大，需要很大很强的弹簧来和它匹配，这使阀结构庞大，此 外，通过溢流阀的流量变化时，其压力波动也将加大，因此，在中高压、大 流量的情况下使用直动式溢流阀是不合适的，要采用先导式溢流阀。 先导式溢流阀和直动式溢流阀一样，进口处压力在达到平衡状态之前也 必须经历一段过渡过程。另外，先导式溢流阀的导阀部分结构尺寸一般都较 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 小，调压弹簧不必很强，因此调整起压力来比较轻便。但是先导式溢流阀要 导阀和主阀都动作后才能起作用，因此反应不如直动式溢流阀快。 溢流阀是机床液压系统中最为常用的元件，常见的用途有以下几种： 保持系统压力基本恒定 防止系统过载 造成背压 使系统卸荷 4 液控单向阀 一个液控单向阀是由一个普通单向阀和一个微型控制液压缸组成。当控 制通口处无压力油通入时，液控单向阀就象普通单向阀一样工作，主油路上 的压力油只能从一个通口流向另一个通口，不能反向倒流。液控单向阀在机 床液压系统中的应用很普通。 5 其它装置 1 ) 滤油器保持液压油清洁是液压系统正常工作的必要条件。当液压 油中存在杂质时，液压泵，液压马达，液压缸或液压阀等元件内的相对运动 表面会被划伤或加快磨损，使这些元件的使用寿命降低，系统中的小孔，缝 隙和节流阀等处则会被堵塞，伺服阀会因阀芯和阀套间摩擦力的加大而作用 滞迟，甚至造成故障。总之，随着油液的不断被污染，系统的工作稳定性逐 渐下降。故在系统中使用滤油器是十分必要的。 2 ) 油箱油箱的作用是保证供给系统以充分的工作油液，同时也具有 储存油液，使渗入油液中的空气逸出，沉淀油液中的污物和散热等作用。机 床液压系统中的油箱有总体式和分离式两种。 总体式油箱利用机床身内腔作为油箱，这种油箱结构紧凑，各处漏油易 于回收，但增加了床身结构的复杂性，维修不便，散热性能不好，会使邻近 的构件产生热变形；分离式油箱是设置一个的单独油箱，它可以减少温升和 液压泵驱动电机振动对机床工作精度的影响，精密机床一般都采用这种形式。 3 ) 密封装置液压装置的内、外泄漏直接影响系统的性能和效率，甚 至会使系统压力提不高，严重时可使整个系统无法工作：泄露还使工作环境 受到污染，浪费油料，因此，液压系统中的密封装置必须引起高度重视。 4 ) 管系元件油管管道是连接液压元件，输送液压油的装置。管系元 件选择恰当与否，对液压系统的工作可靠性，安装合理性和维修方便性等都 有影响。机床液压系统中使用的油管，有钢管、尼龙管、塑料管、橡胶管等 多种，它们应根据液压元件的安装位置、使用环境和工作压力来进行选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 而管接头是油管与油管，油管与液压元件间的可拆式连接件，它应该满 足装拆方便，连结牢固，密封可靠，外形尺寸小，通油能力大，压降小，工 艺性好等要求。机床液压系统中的油管管径不大，它和机体自】的连接一般都 采用螺纹连接，中、低压系统中采用英制锥管接头，螺纹拧入机床时一般都 必须加添填料防漏，高压系统则推荐采用公制细牙螺纹加端面垫圈来与机体 联接。 3 2 液压随动系统的分析与设计 1 液压系统设计的必要性： 在钢轨整个淬火的过程中，由于淬火面受热，钢轨不断产生弯曲变形。 如果单是将其放在进给系统上，可能钢轨会不稳定甚至造成翻转，极其影响 加工过程、淬火质量以及生产安全，为保证钢轨在加工过程中稳固，需要设 计一套液压随动系统来实现这一工作要求。 2 液压系统设计要求分析： 由于本机床的加工工件有普通平轨和尖轨两种，由查阅基本参数可知： 一根普通平轨约1 5 t ，长度为2 5 m ，一根尖轨长约1 2 m ，重量小于1 5 t 。为 了满足最大工作量度的要求，重量取最大，为1 5 t 。由于前面结构分析已确 定为用6 个相同液压缸来同时顶起工件，故每个液压缸承受的力为 n 。堡。0 2 5 t ，f 2 5 0 1 0 2 5 0 0 n 。 6 液压随动系统工作顺序为： 动作一：液压缸活塞杆将工件支撑到预定高度。一动作二：液压系统处 于随动状态，活塞杆随钢轨变形而动作。一动作三：活塞杆退回原处，系统 卸荷。 其工序过程如图3 1 所示。 快进 卸 荷 图3 1 液压系统工序图 3 2 1 工作原理分析 根据该机床设计要求，分析对液压系统的要求，如随动性、安全性、可 靠性、可行性等，设计可以满足的液压原理图如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图3 2 液压原理图 1 原理图特点 1 ) 该淬火机床中，进给系统液压部分是要支撑工件，并且液压缸随时根 据工件加工中的变形而伸缩。由于这样工况下，速度较低，故采用单杆活塞 式液压缸。 机床在工作时要求速度稳定性可靠，采用调速阀调速，工作中采用压 力继电器，提供控制信号，以实现液压缸随动。三个过程的进、回路切换采 用三位四通换向阀实现，滑阀中位机能为0 型。 3 ) 在与液压泵和油缸相并联的回路中均设置溢流阀，以起到安全保护的 作用。 2 液压原理分析 1 ) 组成：该液压系统同样由驱动系统和工作执行系统两部分组成的。其 中驱动系统包括( 8 二位三通电磁换向阀、9 溢流阀、1 0 液压泵) ；i 作执行 系统包括( 1 液压缸，2 液控单向阀、3 溢流阀、4 二位四通电磁换向阈、 1 1 压力继电器，5 二位二通换向阀、6 调速阀、7 三位四通换向阀) 。 2 ) 液压回路的各种动作分析 动作一：当液压泵电动机起动运行正常后，液压油经过滤油器过滤后进 入液压泵l o ，在经过二级过滤后进入二位三通换向阀8 中，此时y v i o 得电， 换向阀8 的右腔接入回路。如图，油液进入三位四通换向阀7 ，y v 8 得电， 其左腔接入回路。( 此时w 7 处于失电状态，二位二通阀5 断开) 油液经过 各个支路的液控单向阀2 ，进入液压缸1 下腔，液压缸上腔的油液经过电磁换 向阀7 回到油箱，活塞杆支撑着钢轨向上移动达到要求项起的高度时，动作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 一完成。 动作二：当液压缸活塞杆达到预定高度，停止运动时，y v 8 失电，三位 四通阀7 回到中位，而w 7 得电，二位二通阀5 的下腔接入回路，此时，液 压系统处于随动状态。这个状态中，如果各支路中的任一液压缸1 中油液失 去压力，即钢轨由于加热变形而弯曲升起，没有压在液压杆活塞杆上。这时， 此支路中的压力继电器1 1 ( s p i 6 ) 发出信号，二位四通电磁阀4 ( y v i 6 ) 得电接通，油液流经它和液控单向阀2 后进入液压缸下腔，上腔油液在经过 二位四通电磁阀4 回到油箱，使液压缸1 的活塞杆继续向上运动。当液压缸1 活塞杆将工件重新支撑住，此时油液中又有了一定压力，压力继电器1 l 不发 出信号，而二位四通电磁阀4 处于关闭状态，液压缸中没有油液流过而保持 原支撑状态。当钢轨再次变形升起时，重复上述动作。整个动作二过程中， 三位四通换向阀7 始终处于中路，二位二通阀5 一直接通，液压油经过换向 阀5 ，进入到各个液压缸分支回路中。 动作三：在工件淬火结束后，y v 9 通电，三位四通阀7 的右腔接入回路。 而w 7 断电，换向阀5 处于断开状态。这时，液压油经过换向阀7 直接通往 液压缸1 的上腔，压力达到时，液控单向阀2 打开，液压缸下腔油液流回油 箱，活塞杆收缩回，整个动作结束。 3 2 2 液压系统主要参数计算 1 液压缸有效面积，流量计算，泵和油管的选用，以下计算公式引自文 献1 4 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 1 1 。 1 1 支撑压力的确定： 根据钢轨重量和工作过程，确定每个液压缸的负荷支撑力确定为4 0 0 k g ， 按照机床液压系统的一般状况，选取系统压力为2 5 m p a ，即& = 2 5 培c m 2 计算无杆腔的直径，可知： 无杆腔的直径： 攻一蓑一筹4 m 硎 圆整取玖一5 0 m m 3 ) 计算有杆腔，无杆腔的有效面积4 ： 无杆腔的有效面积4 ： a 一石d 2 4 = 3 1 4 x 5 0 2 4 = 1 9 6 c m 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 夏 毒轷整瓣蠢效囊援连： 活塞杆的有效面积4 ： 4 3 1 4 i x 2 2 6 z 。4 c m ： 有杆腔的有效面积4 ：4 = 4 a 3 = 1 9 6 - 4 = 1 5 6 c m 2 4 ) 计算系统的工作流量并选择液聪泵： 工终嚣最大速度力o 0 3 m s ，掰戮俊逡懿滚量力嫉； - 4 2 1 9 6 x 1 0 4x 0 3 x 6 0 = 3 。5 3 l r a i n 因为系统中六个液压缸并联，同时动作，故： q 总一6 q 缸= 3 5 3 x 6 = 2 1 1 8 l r a i n 考虑灌潺投灸，菝q 一爱芝瑰诗舞，k 失1 1 1 3 ，取k = i 1 ，霉抉进王臻 辩流量g 为： q l = i i 2 1 1 8 = 2 3 3 l m i n 工进流量q 2 ： 设定工进对最犬速度为0 0 1 m s ，所以工进豹流量为姥： 璐耦2 化= 1 1 8 l 5 r a i n 同样考虑泄辫损失： q 2 - 1 1 x 6 x = 7 7 9 l r a i n 瘊凑，裙多确定选瘸y b l 2 5 鍪跨冀泵供蘧，箕额定浚鲞为2 4 l r a i n ， 其公称压力为6 3 m p a 。 5 、选用油管 计算流速： 其快迸速度按备支路妥，孕棚i n 计算 一鲁一篇等= 2 0 4 1 c m 城娃 进油管的流墩为： q 一4 l r a i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 按实际所需流量： 璐- 譬1 3 8 8 l m i n 计算 其液压缸速度为： 一黜x 1 0 - 2 = 0 0 3 孙 计算管内径： 根据经验推荐值，取珞一1 3 m s ， 川6 蝠 引自文献【6 】 若按q = 3 8 8 l m i n 计算，得： d “6 1 塑。7 9 6 4 m 坍 v1 3 以最大流量通过管路时的情况计算出d 苫8 0 8 6 m m 考虑油路的压力损失较大，故取d = 1 2 m m 适宜。 2 计算系统中的压力损失及实际压力的确定 1 1 进油路中的压力损失： 本设计中为保证普通轨和尖轨加工中随动油缸起到随动支撑的作用，故 需以长度较长的普通轨长度2 5 m 来布最油缸位置，确定都可以起到随动支撑 的作用，由于液压站布置在中间位置，故取进油管长度为1 2 m ，选用液压油 为普通3 2 号液压油，考虑最低工作温度为1 5 0 c ，查粘度一温度性能图= 1 5 0 厘斯，则雷诺数： 弭。墼 3 1 4 d ：4 x l o 3 x l 1 - 8 。1 0 4 3 7 8 6 c m m i n ；1 7 4 c m j r e = 等 引自文献【6 】 ：1 2 x 1 7 4 ：1 3 9 2 0 0 0所以为层流。 1 - 5 则进油路工作时的压力损失为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 蝇- a 砉西v 2 r 啪文献【7 】 了凹。3 8 5 里旦竺0 9 0 。0 5 4 1 0 5p a 厶 1 22 9 8 屿一k 蝇 k 取值范围为0 0 5 - 0 1 5 ，取为k = 0 i 弓- 0 1 必蝎一0 1 0 5 4 l o = 0 0 5 4 x l o p a 由于进油路与回油路长度相等，所以： 鸟p 总一4 ( 0 5 4 + 0 0 5 4 ) 2 2 3 8 x 1 0 5p a 2 ) 进油路阀类元件的压力损失 溢