多軸鉆孔機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和插裝閥的應(yīng)用研究

徐建方

(常州工學(xué)院 教學(xué)指導(dǎo)評估中心，江蘇 常州市 213002)

目前在中小型機(jī)床液壓系統(tǒng)中采用的多是以滑閥式結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)液壓控制閥，該種閥存在通流能力小、密封性和工作可靠性差等缺陷，是液壓系統(tǒng)諸多故障的源泉。在大流量系統(tǒng)中使用，會(huì)顯著增加液阻和壓力損失，降低效率，且難以實(shí)現(xiàn)集成化配置。因插裝閥具有通流能力大、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、密封性要好、動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、易于集成等突出優(yōu)點(diǎn)，用其取代傳統(tǒng)液壓閥，組成機(jī)床液壓系統(tǒng)，必將對液壓系統(tǒng)性能的改善和機(jī)床加工精度的提高起到重要作用。此外，采用插裝閥設(shè)計(jì)機(jī)床液壓系統(tǒng)，也符合流體傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。為降低使用成本，消除環(huán)境污染，流體傳動(dòng)技術(shù)正向著使用純水介質(zhì)方向發(fā)展。由于水的粘度低，要求閥的密封性要好，以提高系統(tǒng)的效率。插裝閥采用錐面密封，具有優(yōu)良的密封性能，更適用于用水介質(zhì)中工作。

隨著人們對插裝閥結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)點(diǎn)認(rèn)識(shí)的深化，它必將受到日益重視，得到越來越廣泛的應(yīng)用，也應(yīng)引起機(jī)床設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注，易為機(jī)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打開一條新的設(shè)計(jì)道路。

1 基于插裝閥的多軸鉆孔液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用插裝閥設(shè)計(jì)的多軸鉆孔機(jī)床液壓系統(tǒng)，如圖 1所示。

該系統(tǒng)主要由動(dòng)力滑臺(tái)進(jìn)給缸、定位和夾緊缸回路組成，采用差動(dòng)控制回路，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給缸的快進(jìn);采用限壓式變量葉片泵和調(diào)速閥組成的容積—節(jié)流調(diào)速回路調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，二位二通行程閥在快進(jìn)時(shí)直通，調(diào)速閥用于調(diào)節(jié)工進(jìn)速度，單向閥在快退時(shí)起旁通作用，泵輸出的油液經(jīng)減壓閥 19減壓后提供給定位缸和夾緊缸;單向閥 18用于保證在進(jìn)給缸快進(jìn)時(shí)，定位和夾緊缸的壓力不受影響;進(jìn)給缸的運(yùn)動(dòng)方向由插裝式方向閥 10控制;定位缸和夾緊缸的運(yùn)動(dòng)方向由插裝式方向閥 17控制;系統(tǒng)的最高工作壓力由安全閥 4限定;快進(jìn)和工進(jìn)的轉(zhuǎn)換由方向閥 10和單向行程調(diào)速閥 5控制;單向節(jié)流閥 15用于調(diào)節(jié)夾緊缸的運(yùn)動(dòng)速度(夾緊時(shí)間);單向順序閥 16用于控制夾緊缸和定位缸的動(dòng)作順序;壓力繼電器 14用于夾緊力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，發(fā)出信號(hào)使進(jìn)給缸動(dòng)作?，F(xiàn)對該系統(tǒng)的工作原理分析如下。

圖1 多軸鉆孔機(jī)床液壓系統(tǒng)圖

1.1 工件的定位與夾緊

工件的定位與夾緊，其功能分別由定位和夾緊油缸來實(shí)現(xiàn)，兩缸并聯(lián)，在順序閥 16的控制下實(shí)現(xiàn)先后動(dòng)作。油泵 3起動(dòng)后，其輸出的壓力油經(jīng)減壓閥 19減壓后，經(jīng)單向閥 18到達(dá)方向閥 17的進(jìn)油口 P，此時(shí)方向閥 17中的二位四通先導(dǎo)閥電磁鐵 3YA斷電，處于圖示左位，二通插裝閥 h、j的上腔通控制壓力油，閥口關(guān)閉，二通插裝閥 g、i的上腔通油箱，閥口開啟，泵提供的壓力油經(jīng)二通插裝閥 i的閥口進(jìn)入定位缸 12的無桿腔，該缸的有桿腔經(jīng)二通插裝閥 g的閥口通油箱，定位缸活塞桿伸出，推動(dòng)工件，待工件到位后，壓力上升到順序閥 16的設(shè)定壓力時(shí)，順序閥 16開啟，壓力油經(jīng)單向節(jié)流閥 15中的節(jié)流閥進(jìn)入夾緊缸 13的無桿腔，其有桿腔經(jīng)二通插裝閥 g的閥口通油箱，活塞桿伸出，將工件夾緊(為斷電夾緊，夾緊時(shí)間由節(jié)流閥調(diào)整)，達(dá)到預(yù)定夾緊力后，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)使進(jìn)給缸開始動(dòng)作。

1.2 進(jìn)給

進(jìn)給功能由進(jìn)給缸實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、工進(jìn)和快退的動(dòng)作循環(huán)，速度的轉(zhuǎn)換由單向行程調(diào)速閥(該閥為專用閥，為使速度切換平穩(wěn)、準(zhǔn)確和可靠，仍采用原來的形式)5和方向閥 10共同完成。

(1)快進(jìn) 工件定位、夾緊后，壓力繼電器 14發(fā)出信號(hào)，使方向閥 10中的先導(dǎo)閥電磁鐵 1YA和 2YA通電(3YA斷電)，兩先導(dǎo)閥均切換到右位，方向控制閥 10中 4個(gè)二通插裝閥中的 a和 d的上腔通壓力油，處于關(guān)閉狀態(tài)，b和 c的上腔通油箱，處于開啟狀態(tài)，泵提供的壓力油經(jīng)二通插裝閥 b的閥口和單向行程調(diào)速閥中二位二通插裝閥的右位進(jìn)入液壓缸 6的無桿腔，液壓缸有桿腔的油液經(jīng)二通插裝閥 c的閥口，同泵提供的壓力油合流后，也經(jīng)此油路進(jìn)入無桿腔。液壓缸差動(dòng)連接，活塞桿快速伸出，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)(此時(shí)壓力低，泵輸出流量大)。

(2)工進(jìn) 當(dāng)液壓缸快進(jìn)到位后，壓下單向行程調(diào)速閥 5和行程開關(guān) K1，使單向行程調(diào)速閥中的二位二通閥切換到左位，使油流經(jīng)調(diào)速閥進(jìn)入缸的無桿腔，同時(shí) K1所發(fā)出的信號(hào)使電磁鐵 2YA斷電，所控制的二位四通先導(dǎo)閥切換至左位，二通插裝閥 b和 d的上腔通油箱，閥口開啟，a和 c的上腔通壓力油，閥口關(guān)閉，液壓缸有桿腔所排出的油液經(jīng)二通插裝閥 d的閥口通油箱。液壓缸實(shí)現(xiàn)工進(jìn)，速度大小由單向行程調(diào)速閥中的節(jié)流閥調(diào)整。

1.3 快退

液壓缸工進(jìn)到位后，壓下行程開關(guān) K2，發(fā)出信號(hào)，使方向閥 10中的電磁鐵 1YA斷電，2YA通電，所控制的二位四通先導(dǎo)閥分別切換至左位和右位;二通插裝閥 a和 c的上腔通油箱，閥口開啟，二通插裝閥 b和 d的上腔通壓力油，閥口關(guān)閉，泵供應(yīng)的壓力油經(jīng)二通插裝閥 c的閥口進(jìn)入液壓缸的有桿腔，液壓缸無桿腔中的油液經(jīng)單向行程調(diào)速閥中的單向閥和二通插裝閥 a的閥口流回油箱。由于在油路上液阻很小，工作壓力低，泵輸出流量大，液壓缸實(shí)現(xiàn)快速退回。

1.4 原位停止

液壓缸快退到位后，壓下行程開關(guān) K0，發(fā)出信號(hào)，使方向閥 10中的先導(dǎo)閥的電磁鐵 1YA和 2YA斷電，所控制的二位四通先導(dǎo)閥均切換到左位，使二通插裝閥 b、c的上腔均通控制壓力油，閥口均被關(guān)閉，a和 d的上腔通油箱，進(jìn)給缸的兩腔均和油箱相通，處于浮動(dòng)狀態(tài)，等待新的命令，準(zhǔn)備開始新的動(dòng)作。此時(shí)，變量葉片泵的出油口被封閉，實(shí)現(xiàn)流量卸荷。

1.5 工件拆卸

加工完畢后，按下電鈕使方向閥 17中的先導(dǎo)閥電磁鐵 3YA通電，所控制的二位四通先導(dǎo)閥切換至右位，二通插裝閥 g、i的上腔通控制壓力油，閥口關(guān)閉，二通插裝閥 h、j的上腔通油箱，閥口開啟，壓力油經(jīng)二通插裝閥 h的閥口進(jìn)入定位和夾緊缸的有桿腔，定位缸 13的左腔經(jīng)二通插裝閥 j的閥口回油箱，夾緊缸 12的左腔經(jīng)單向節(jié)流閥 15、單向順序閥 16和二通插裝閥 j的閥口回油箱，定位和夾緊缸均松開，可進(jìn)行工件拆卸。以上動(dòng)作，各電磁鐵的通、斷電情況如表1所示。

表1 電磁鐵得電動(dòng)作順序

2 二通插裝閥的應(yīng)用

2.1 二通插裝閥的結(jié)構(gòu)原理

二通插裝閥通常由插入元件、閥蓋和先導(dǎo)元件組成。如圖 2所示。

圖2 插裝閥結(jié)構(gòu)原理圖

插入元件的形狀與單向閥相似，由閥芯、閥套、彈簧及密封圈組成，它有兩個(gè)工作腔 A和 B，一個(gè)控制腔C。閥芯在閥套中滑動(dòng)，其配合間隙很小以保證 B腔與 C腔之間的泄漏最小，閥芯頭部的錐面與閥套形成可靠的線密封，A腔與B腔之間沒有泄漏，閥套上的密封圈防止了 A、B、C三腔之間沿閥套外緣的泄漏。閥蓋的底面安裝在閥體上，頂面作為先導(dǎo)閥的安裝面，內(nèi)部鉆有各種通道或插裝各種先導(dǎo)閥元件。先導(dǎo)元件通常是電磁換向閥和一些先導(dǎo)閥元件組成。

如果忽略閥芯的重量和阻尼力的影響，則作用在閥芯上的力的平衡關(guān)系為：

Ft+Fy+PC? AC-PA? AA-PB? AB=0

式中：PA、PB、PC分別為 A、B、C腔的壓力;AA、AB、AC分別為作用在閥芯上的軸向投影面積。

由上式可知，閥的工作狀態(tài)不僅取決于控制腔 C的壓力，而且還取決于工作腔 A、B的壓力以及作用在閥芯上的彈簧力 Ft和軸向穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力 Fy。

2.2 二通插裝閥的功能

(1)當(dāng)控制腔 C接油箱卸荷時(shí)，閥芯下部的液壓力克服上部的彈簧力將閥芯頂開，液流方向視 A、B腔液壓力的大小而定。當(dāng) PA?AA＞PB?AB時(shí)，液流方向A→B;當(dāng) PA?AA、＜PB?AB時(shí)，液流方向 B→A。當(dāng)控制腔 C接系統(tǒng)油壓時(shí)，閥芯在下端壓力差和彈簧作用下關(guān)閉，油口 A和 B不通，因此插人元件實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)液控二位二通閥，可以實(shí)現(xiàn)方向控制。如圖1中的 10和 17。如果 C腔通過閥蓋上的 X口與A或 B口相連，便構(gòu)成了一個(gè)單向閥，如液壓系統(tǒng)圖 1中的 18。

(2)如果設(shè)定了控制腔的壓力，則當(dāng)工作腔壓力超過一定值后，閥芯便會(huì)開啟，實(shí)現(xiàn)了壓力控制的功能。如液壓系統(tǒng)圖 1中的 4、11、16和 19。

(3)如果在控制腔采取相應(yīng)的行程調(diào)節(jié)措施來限制閥芯的開啟高度，即開口的大小，則可作為一個(gè)節(jié)流元件實(shí)現(xiàn)流量控制的功能。在閥芯上開阻尼孔是為了減小液壓沖擊。

可見插裝閥包含了方向、壓力、流量的復(fù)合控制機(jī)能，這就是其多機(jī)能的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

用插裝閥設(shè)計(jì)機(jī)床液壓系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用維修幾個(gè)方面都有優(yōu)點(diǎn)：

(1)從功能上，現(xiàn)代機(jī)床液壓系統(tǒng)中所使用的各種閥件的功能均可用相應(yīng)的插裝閥實(shí)現(xiàn)，所以，可用插裝閥設(shè)計(jì)出所有類型和型號(hào)的機(jī)床液壓系統(tǒng)，用其組成的機(jī)床液壓系統(tǒng)完全能滿足使用要求，并可改善液壓系統(tǒng)的性能，且有典型集成塊可供選用，給設(shè)計(jì)工作帶來了極大的方便。

(2)插裝閥的結(jié)構(gòu)簡單、集成塊體的制造精度要求低，利于組織大批量生產(chǎn)，降低制造和生產(chǎn)成本。

(3)插裝閥的突出優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)集成化配置，不受流量的限制，解決了大流量系統(tǒng)難以集成的難題，管路布置靈活，并可減少配管，使液壓泵和油箱的布置也具有更大的靈活性，使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，整臺(tái)機(jī)床的占地面積減小，布置更合理、更美觀。

(4)插裝閥的抗污染能力強(qiáng)，可延長介質(zhì)的使用時(shí)間，耐磨性好，工作壽命長，二次維修之間的間隔長，發(fā)生故障后易判斷，維修時(shí)間短，便于使用和維護(hù)。

所以，用插裝閥設(shè)計(jì)和裝配機(jī)床液壓系統(tǒng)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行。所以在設(shè)計(jì)高壓大流量、執(zhí)行元件較多、系統(tǒng)較復(fù)雜的大型機(jī)床液壓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選用插裝閥作為其液壓系統(tǒng)的控制元件;在設(shè)計(jì)中、小型機(jī)床液壓系統(tǒng)時(shí)，可考慮采用插裝閥系統(tǒng)或由插裝閥和傳統(tǒng)液壓閥組成的混合系統(tǒng)。分析表明，用插裝閥設(shè)計(jì)的機(jī)床液壓系統(tǒng)能滿足工作要求，基于同樣的原理，可用插裝閥設(shè)計(jì)出所有類型和型號(hào)的機(jī)床液壓系統(tǒng)。

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