1_2535082_[doc格式]单叶片摆动液压缸的参数设计及应用要点

1、单叶片摆动液压缸的参数设计及应用FunOUnils功能郜件单叶片摆动液压缸的参数设计及应用黄桂英杨锦斌（青海一机数控机床有限责任公司，青海西宁810018）摘要:通过对旋转式托盘交换机构结构设计，工作原理分析提出了单叶片摆动液压缸在托盘交换机构中应用的方案，并进行了单叶片摆动液压缸的原始数据确定及参数设计（包括工作载荷，工作扭矩，总效率，许用扭矩，额定压力，流量，油腔体积及通油口直径）对单叶片摆动 液压缸设计应注意的问题进行了分析并提出了处理措施对发挥数控机床潜能实现高效jp-r有 现实意义.关键词:旋转式托盘交换机构参数设计应用ParametersDesig nofSin gleLami n

2、aHydrocyli ndera ndltsApplicatio nHUANGGuiyi ng. YANGJi nbin（Qin ghaiNo.1CNCMachi neToolCo.,Xi nin g810018,CHN）在加工中心的一个切削循环中，换刀时间及交换托盘时间往往占有较大部分的比重.在传统的加工中心上，换刀时间（切削到切削）达1420s左右，而交换托盘时间则需4050S甚至更长达到100s之外， 无疑这对于大批量，快节奏生产要求的企业来说是很 不适应的而高速加工中心则在这两方面设计付出了 很大的努力，得到的回报也是比较可观的，换刀时间 （切削到切削）达到了 3.5S左右，交换托盘时

3、问也减 少到了 10s以内换刀时间的缩短取决于刀库制造 厂家，而交换托盘时间的缩短取决于机床主机生产企 业由此看来，托盘交换机构的设计成为机床设计师 考虑的关键问题为了提高生产率，在选购卧式加工 中心时带有交换工作台的加工中心越来越多地受到顾 客的青睐而卧式加工中心托盘交换机构的设计至关 重要，它直接影响着机床的托盘交换精度及交换时间 高速旋转式托盘交换机构较以前国内外普遍采用的臂 式拉伸托盘交换机构能大幅度缩短托盘交换时间，因 此也被国内外机床制造厂家所采纳本文从结构设 计,参数计算及注意事项等方面叙述单叶片摆动液压 缸在卧式加工中心托盘交换机构中的应用.1旋转式托盘交换机构的结构设计摆动液

4、压缸在液压系统中的作用是将液压能转变 成回转运动机械能，使机械机构实现小于360.或小于 180的往复摆动运动，所以摆动液压缸俗称为摆动油 马达单叶片摆动液压缸能做小于360.的往复摆动 运动，而双叶片摆动液压缸只能做小于180 的往复摆 动运动基于卧式加工中心托盘交换需完成 180. ±.等uul耳帚0朋范围内的往复摆动运动，高速旋转式托盘交换机构采用了单叶片摆动液压缸作为旋转驱动机构，见图1所示单叶片摆动液压缸由缸盖，缸体,缸座，转动叶片，固定叶片及回转支承轴承等件组成.I 一缸盖；2,6 滚锌轴承;3 一缸体;4 一转动叶片;5 一缸座;7 一销轴;8 一推力球轴承;9 一移动

5、缸体;10-下缸盖；II 一托盘交换支座；i2 一固定叶片;13 一法兰盘；14 一托盘变承座;15 一活塞.图1单叶片摆动液压缸旋转式托盘交换机构示意图叶片摆动液压缸旋转式托盘交换机构的工作原理也等同于齿条油缸驱动回转运动的托盘交换机构，只 是单叶片摆动液压缸替代了齿条油缸驱动油缸其工 作原理如下：当工作区域内托盘上工件加工完成后，托 盘接到交换指令，双作用液压缸上油腔开始蓄压力油， 托盘支承座在移动缸体9的作用下将托盘抬起，当双?123?功能部件作用液压缸上油腔蓄油达到设计位置时，销轴7进入 到缸座的导向孔中，将托盘支承座14与单叶片摆动液 压缸的缸体缸盖组件中的缸座 5联接在一起,单叶片

6、 摆动液压缸的左油腔开始蓄压力油（见图2所示），托 盘支承座在单叶片摆动液压缸的作用下作顺时针旋转 运动，当叶片摆动液压缸左油腔的蓄油达到设计要求 时,托盘支承座在单叶片摆动液压缸的作用下完成旋 转180.,转动叶片从油缸起始位运动至油缸终止位， 将非工作区域内托盘移至正确位置后，双作用液压缸 下油腔开始进入系统压力油，在移动缸体9和托盘支 承座的拖动下将托盘落下，当双作用液压缸下油腔蓄 油达到设计位置时，完成托盘交换任务.通过托盘定 位机构定位后，锁紧机构锁死托盘，工作区域内托盘上 工件即可进入加工状态.再者，双作用液压缸上油腔 开始蓄压力油，托盘支承座在移动缸体9的作用下将 托盘抬起，销轴

7、7进入到缸座的导向孔中，将托盘支承 座14与单叶片摆动液压缸的缸体缸盖组件中的缸座 5联接在一起,单叶片摆动液压缸的右油腔开始蓄压 力油（见图2所示），托盘支承座在单叶片摆动液压缸 的作用下作逆时针旋转运动，托盘支承座在单叶片摆 动液压缸的作用下完成旋转180.;转动叶片从油缸终 止位运动至油缸起始位，即单叶片摆动液压缸完成了个完整回转周期.转动叶片起始位转动叶片停止位特制密封固定叶片固定销轴限位调整块图2单叶片摆动液压缸驱动工作原理2单叶片摆动液压缸的参数设计单叶片摆动液压缸的参数设计包括以下两方面： 原始数据的确定和单叶片摆动液压缸的参数设计. 2.1原始数据的确定单叶片摆动液压缸的原始数

8、据包括机床的额定工 作压力，托盘重量和最大载重，机床的额定工作压力取 决于机床液压系统的系统压力，托盘重量与托盘大小 结构有关,最大载重与机床的结构有关.如我厂某型 卧式加工中心液压系统的系统压力为7MPa托盘重量为2000N最大载重为5000N,托盘交换机构的托 盘支承采用了传动球座滚动支承的形式.2.2单叶片摆动液压缸的参数设计(1) 工作载荷的计算因托盘交换机构的托盘支承采用了轴承滚动支承的形式，即摩擦系数厂为0.0020.004取f:0.003, 故单叶片摆动液压缸的工作载荷为F=(2000+5000)X).003=21(N).(2) 工作扭矩的计算旋转式托盘交换机构在执行托盘交换任务

9、时，托盘支承座在单叶片摆动液压缸的作用下作旋转运动,而托盘支承在两条弧形轴承滚动导轨上(见图3所 示)，可见托盘交换机构的旋转力臂R,=(R R:)/2+ R2又如 R1=650mm,R2=350mm即 R3=500mm. 托盘交换机构的工作扭矩 M=(FxR)/1000,又 R=500mm,F=21N,即 M=10.5(N?m).图3托盘交换机构弧形滚动导轨示意图(3) 摆动液压缸的总效率计算单叶片摆动液压缸的总效率由以下效率组成： 机械效率由转动叶片与固定叶片，缸盖及缸座密 封处的摩擦阻力所造成的摩擦损失，因单叶片摆动液 压缸密封处较多，且间隙较小，所以单叶片摆动液压缸 的机械效率较活塞式

10、液压缸低，一般取7=0.88 0.90(活塞式液压缸的机械效率一般取叼=0.9 0.95);容积效率叼，由各密封件的泄漏所造成，缸 盖和缸座的密封一般较好，但转动叶片和固定叶片的 密封较困难，也是摆动液压缸设计的关键，尽管费了很 多心思，转动叶片和固定叶片密封处的泄漏不可忽视 基于以上考虑摆动液压缸的容积效率叼也比活塞式 液压缸低,一般取7/,=0.85(活塞式液压缸的容积效率般取'=1):作用力效率叼，由摆动液压缸的节,< =u耳舅0卅f流缓冲机构上的背压反作用力所造成的，一般取吼二0.95.摆动液压缸的总效率r/=叩却卩刈,又叼取0.80,町,取 0.85,r/d 取 0.9

11、5,即卩 7/=0.80x0.850.95二0.646.(4) 摆动液压缸的许用扭矩计算单叶片摆动液压缸的油腔蓄压力油，托盘支承座， 缸体，缸盖及缸座组件在油腔压力油的作用下作旋转 运动,可见单叶片摆动液压缸的旋转力臂r=(r 一 r:)/2+r2，又女口 r1=180mm,r2=40mm,即 r3=110mm,见图4所示.图4单叶片摆动液压缸节流槽及作用力臂示意图摆动液压缸的许用扭矩M2=(Fxr)/1000,又M2X 叼二M1,F 为工作推力.即(F1xr3)77/1000=10.5N?ITI,可得单叶片摆动液压缸的工作推力F=(10.5xl000)/(1lOxO.646)147.76(N

12、).(5) 摆动液压缸的额定压力计算单叶片摆动液压缸的额定压力 P=1O00F./A又A=(r. 一 r2)6，叶片高 6=180mm,即 P:(1000 X 147.76)/(18040)x180,可得 P 一 5.86MPa&lt;机床 系统压力，满足机床液压系统的系统压力为 5 7MPa.若摆动液压缸的额定压力大于机床系统压力， 则可调整摆动液压缸的r,r及6值，使其满足机床液 压系统的系统压力.(6) 摆动液压缸的流量及油腔体积计算单叶片摆动液压缸的流量指的是在单位时间内压 力油通过油腔有效截面的体积，即流量9=Wt,V为单 叶片摆动液压缸的有效油腔空间,t为单叶片摆动液 压缸

13、的行程时间(指的是叶片在缸体内完成全部行程 所需要的时问).单叶片摆动液压缸的有效油腔空间也就是液压缸的扇形油腔体积，可有下式计算：V=bTr(r 1” 2)X180./360.即= 180x3.14(180 40)xO.5mlTI二0.87x10ITIm=8.7L.假定单叶片摆动液压缸的行程时问为10S,可见单叶片摆动液压缸的流量Q=V/t=8.7L/s=52.2L/mln.等;zu平弗O删FuncljonUnjls 功能部件(7) 摆动液压缸的通油口直径计算根据油孔中行程时间内通过压力油的体积等于在行程时间内进入摆动液压缸的压力油体积，即:V=IOCA/VP其中:C=0.70.8,C为流量

14、系数，取值C=0.7;卸（为油孔前，后腔压力差）=7 5.86=1.14MPa:1.14x10Pa,P密度）:0.85g/cm:0.85 10kg/m.又：=8.7L:8.7x10 一 III.I,可得:A=2.4x10m10C|P而 A 盯 r,得 r=/A/仃 一 0.00277in=2.77ITIm,即通油孔直径为d=5.54mm,圆整为d:6mm.若想进一步缩短摆动液压缸的行程时间，可通过加大通油孔直径至8mm,提高通油孔中压力油的流 量,在较短的时间内摆动液压缸的压力油体积达到设 计要求，叶片更快完成全部行程旋转运动，从而达到缩 短行程时间的目的（行程时问可缩短至5S以内）.3摆动液

15、压缸设计中应注意的主要问题摆动液压缸在设计过程中需要注意的事项很多， 包括轮廓尺寸，变形，环境变化，缓冲机构，排气装置以 及密封等问题.轮廓尺寸,变形,环境变化对机构设计 的影响不是太明显，但缓冲机构，排气装置以及密封问 题是设计人员必须考虑并给予足够重视的.(1) 缓冲装置摆动液压缸旋转运动速度较快，所带动的部件质量又很大，这样当叶片运动至设计位置时惯量很大. 为此在缸座的进出油口必须设置节流机构，借此产生 制动力，使叶片缓缓运动至设计位置一般采取缝隙 节流式和小孔节流式的节流缓冲装置，而上述机构中 采取了变截面节流槽式的缓冲机构(见图4中局部放 大图)，叶片在旋转运动临近终止位时，随着终止

16、位的 逼近而通油孔逐渐变小，从而造成背压，迫使叶片降速 制动，实现缓冲.(2) 叶片密封摆动液压缸的叶片密封是设计摆动液压缸的关键 要素缸盖和缸座的密封一般较好处理，一般采用0 型密封圈即可解决问题固定叶片与缸盖，缸座销轴 联接，缸盖，缸座与缸体螺钉紧固，固定叶片，缸盖和缸 座作为一体组件围绕转动叶片作旋转运动，显然转动 叶片和固定叶片的密封较为困难，事实也是如此转 动叶片和固定叶片的密圭寸采用了叶片外缘镶嵌框形密?125-功能都件 FunctionUnits封件的密封方法，在其结构细节上费了很多心思，总体 来说基本上满足机构设计要求，但密封尖点，交接等处 的密封还是存在一定的泄漏现象，不可忽

17、视，是摆动液 压缸设计人员值得关注的细节.(3) 排气装置液压系统在装配过程中或长时间未工作之后会进 入空气，再者液压油中也混有空气，由于空气具有很大 的可压缩性，导致液压缸在工作时会产生爬行，发热以 及噪声等现象因此设计摆动液压缸，特别是设计要 求具有较高运动平稳性的液压缸时必须考虑排气装 置,以便能及时排除积留在缸腔内的空气一般采取 在最高处设置专门的排气阀机构来解决排气问题.4结语单叶片摆动液压缸旋转式托盘交换机构，因交换 时间短，效率高等特点虽被国内外机床制造商经常采 用，但也存有不足之处其缺点是存在质量，安全隐 患，机床在工作过程中难免会出现系统压力油泄漏，故 障报警及断电等非正常因

18、素停机现象虽然已采取了 阀体组合保压，压力补偿等手段的可靠性设计，但是因 压力损失或断电后再次启动压力系统，很容易引起双 作用液压缸在承受载荷的作用下导致托盘支承座下 移,必然对机床带来损害，对企业造成不必要的损失， 更重要的是对操作者的人生安全带来威胁对此缺陷 我们提出了改进方案，只需对双作用液压缸的上油腔改造成碟形弹簧施加锁紧力的机械机构，再加上正确计算碟形弹簧的锁紧力并在装配过程中控制锁紧装置锁紧力的正确性即可达到合理，稳定，可靠地抬起托盘支承座的目的，完全改善了因系统压力油内泄漏，断电等因素引起的压力损失可能导致托盘支承座下移的不利现象.在交换托盘卧式加工中心中，托盘交换机构是交换托盘

19、工作过程中的一个重要环节它的稳定及可靠性直接影响着加工中心的使用效率，严重影响用户厂家生产加工的效率和节拍，有必要且必须给予足够的重视.（编辑蔡云生）（收稿日期：20081113）文章编号：9839如果您想发表对本文的看法.请将交章编号填入读者意见调查表审的 相应位鼍.（上接第118页）标提供依据从客户需求质量屋可以清楚地看出，客户对玻璃堆垛机械的需求重要程度和满足客户需求所需要的技术要求.技术特征模可承运振自块重动动机机化构载动械构成原寿装 动结设能节噪化原尺太机命配客户需求构计力拍吉程理寸度搬运不同规格玻璃0.245 O功能适合不同场域的需要0.0820承载能力大O.127o速度快0.12700性能振动噪声小O.05OOI8操作简单0.022空间利用高0O880