基于FluidSIM的半自動銑床液壓系統設計及仿真

曾　敏

(山西職業技術學院 機械工程系，山西　太原　030006)

0　引言

液壓系統的設計是機器整體設計的組成部分，應滿足結構簡單、工作可靠、效率高、性價比高、維護方便等原則。本文根據半自動銑床的用途和要求，明確了對液壓系統的設計要求，并在不同工況下進行分析，確定液壓系統部件的主要參數，進而擬定液壓系統原理圖。

1　半自動銑床設計參數

本文設計一臺用成型銑刀在工件上加工出成型面的液壓專用銑床，其設計參數如表1所示。

表1　專用銑床設計參數

專用銑床采用平導軌，其靜摩擦因數fs=0.2,動摩擦因數fd=0.1,進給缸往復運動的加速、減速時間Δt=0.2 s。該系統采用液壓與電氣配合，實現自動工作循環控制。

該銑床的工作循環為：手工上料→按電鈕→自動定位夾緊→工作臺快進→銑削進給→工作臺快退→夾具松開→手工卸料。

2　分析各缸工況并確定主要部件參數

2.1　執行機構的確定

根據本機的工作循環，動作機構均為直線往復運動。各直線運動機構均采用單活塞桿雙作用缸固式液壓缸直接驅動。

2.1.1進給缸工況分析

(1) 確定進給缸的工作壓力。進給缸總負載F進為：

F進=FW1+Ff+Fa+Fg1.

(1)

其中：FW1為進給缸工作負載，FW1=2 000 N；Ff為進給缸摩擦阻力，取Ff=300 N；fa為慣性阻力，取fa=76.5 N；Fg1為進給缸移動件重力,取Fg1=1 500 N。

將數值代入式(1)計算得:F進=3 876.5 N。

根據該液壓缸總負載大小查手冊，初選該液壓缸的工作壓力p進1=1 MPa。

(2) 確定進給缸的主要參數。進給缸無桿腔面積A進1為:

(2)

其中：F工為進給缸工進時液壓缸負載，取F工=2 150 N；p進2為進給缸回油腔壓力，取p進2=0.6 MPa；ηm為液壓缸機械效率，取ηm=0.9。

將數值代入式(2)得：A進1=3 413 mm2。

進給缸活塞直徑D進為:

(3)

將數值代入式(3)計算得：D進=65.9 mm，圓整取標準直徑D進=66 mm。

進給缸活塞桿直徑d進為：

(4)

將數值代入式(4)計算得：d進=47 mm，圓整取標準直徑d進=50 mm。

2.1.2定位缸工況分析

(1) 確定定位缸的工作壓力。定位缸總負載F定為：

F定=FW2+Ff1+Fg2.

(5)

其中：FW2為定位缸工作負載，取FW2=200 N；Ff1為定位缸摩擦阻力，取Ff1=4 N；Fg2為定位缸移動件重力,取Fg2=20 N。

將數值代入式(5)計算得：F定=224 N。

據該液壓缸總負載大小查手冊，初選該液壓缸的工作壓力p定1=0.8 MPa。

(2) 計算定位缸主要結構參數。定位缸無桿腔面積A定1為:

(6)

其中：p定2為定位缸回油腔壓力，取p定2=0.4 MPa。

將數值代入式(6)計算得：A定1=444×10-6m2。

定位缸活塞直徑D定為：

(7)

將數值代入式(7)計算得：D定=23.78 mm，圓整取標準直徑D定=25 mm。

根據該缸的工作壓力p定1及活塞桿受力情況取定位缸活塞桿直徑d定為：

d定=0.5D定.

(8)

將數值代入式(8)得：d定=12.5 mm，圓整取標準直徑d定=15 mm。

2.1.3夾緊缸工況分析

(1) 確定夾緊缸的工作壓力。夾緊缸總負載F夾為：

F夾=FW3+Ff2+Fg3.

(9)

其中：FW3為夾緊缸工作負載,取FW3=4 000 N；Ff2為夾緊缸摩擦阻力，取Ff2=8 N；Fg3為夾緊缸移動件重力，取Fg3=40 N。

將數值代入公式(9)得：F夾=4 048 N。

根據該液壓缸總負載大小查手冊，初選該液壓缸的工作壓力p夾1=1 MPa。

(2) 計算夾緊缸主要結構參數。夾緊缸無桿腔面積A夾1為：

(10)

其中：p夾2為夾緊缸回油腔壓力，取p夾2=0.4 MPa。

將數值代入式(10)得：A夾1=6 349.2×10-6mm2。

夾緊缸活塞直徑D夾為：

(11)

將數值代入式(11)得：D夾=89.9 mm，圓整取標準直徑D=90 mm。

根據該缸的工作壓力p夾1及活塞桿受力情況取夾緊缸活塞桿直徑d夾為：

d夾=0.5D夾.

(12)

將數值代入式(12)得：d夾=45 mm。

2.2　液壓泵的選擇

(1) 液壓泵工作壓力pp確定：

pp≥pL+∑Δp.

(13)

其中：pL為液壓執行元件的最高工作壓力，此處取進給缸的工作壓力，pL=1 MPa；∑Δp為液壓泵到執行元件間總的管路損失,此處取∑Δp=0.8 MPa。

將數值代入式(13)得:pp=1.8 MPa。

(2) 液壓泵流量qp的確定：

qp≥k∑qmax.

(14)

其中：k為考慮系統中存在泄漏等因素的修正系數，本系統取k=1.2；∑qmax為同時工作的執行元件流量之和的最大值,由工況看出，系統最大流量發生在進給缸快進的時侯，∑qmax=173.4×10-6m3/s。

將數值代入式(14)得:qp=12.48 L/min。

由該系統的工況可以看出，系統循環主要由低壓大流量和高壓小流量兩個階段順序進行，故本系統選用限壓式變量葉片泵。

3　擬定液壓系統回路

根據三缸及泵的主要參數，利用FluidSIM軟件進行半自動銑床液壓系統回路的設計。設計時主要考慮三缸順序動作回路的設計及進給缸快進與工進速度換接回路的設計。

(1) 三缸順序動作回路的設計。 夾緊缸、定位缸的動作采用單向順序閥控制的順序動作回路。進給缸與定位缸、夾緊缸的動作采用壓力繼電器控制的順序動作回路。

(2) 進給缸快進與工進速度換接回路的設計。采用液壓缸差動連接，實現快進與快退速度相等。在快進轉工進時，系統流量變化較大，選用接近開關控制二位三通電磁換向閥通電，從而通過節流閥控制工進速度，使其速度換接平穩。從工進轉快退時，回路中通過的流量很大，為了保證換向平穩，選用三位四通O型中位電磁換向閥實現換向。擬定的液壓系統如圖1所示。

圖1　擬定的液壓系統

4　系統電路設計

從擬定的液壓系統中可以看出，該液壓系統中包括4個電磁鐵(YA1～YA4)，兩個壓力繼電器(SB1、SB2)，2個接近開關(SQ1、SQ2)，這些元件都需要采用電路控制。利用FluidSIM軟件中的電路設計功能，經過不斷的調試與仿真，最終設計出了滿足工作要求的電路圖。

該電路主要是利用壓力繼電器SB1控制繼電器KM1從而控制電磁鐵YA1通電使進給缸快進，利用接近開關SQ1控制繼電器KM2從而控制電磁鐵YA3通電使進給缸工進，利用接近開關SQ2控制繼電器KM3從而控制電磁鐵YA2通電使進給缸快退，利用壓力繼電器SB2控制繼電器KM4從而控制電磁鐵YA4通電使定位缸、夾緊缸快退。為了保證各缸的動作順序，防止誤動作發生，在電路設計時采用了互鎖電路，如圖2所示。

圖2　系統電路設計圖

5　系統運動仿真

FluidSIM軟件可以在設計完回路后，驗證設計的正確性，并演示回路的動作過程。通過電氣-液壓(氣壓)回路的仿真，可以提高電氣-液壓(氣壓)回路的認識和實際應用能力。半自動銑床電氣-液壓回路動作過程仿真如圖3所示。

6　結束語

利用FluidSIM軟件，我們可以清楚地看到擬定的半自動銑床電氣-液壓回路的動作過程，并對各元件的參數進行了驗證，優化了回路的結構，使整個電氣-液壓回路的設計更加合理，可操作性更強，運行更加平穩。

圖3　半自動銑床電氣-液壓回路動作過程仿真

參考文獻：

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