立式旋壓機(jī)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)液壓配重設(shè)計(jì)

鄭宏偉，王大力，郭亞明，黃 濤，盧 博，李亦楠

(長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012)

液壓配重廣泛地應(yīng)用于機(jī)床的配重系統(tǒng)。非標(biāo)機(jī)床自身工作工況不同，對(duì)于配重系統(tǒng)的技術(shù)要求也有所不同。旋壓機(jī)按主軸軸線位置分類[1]，可分為立式和臥式2種。立式旋壓機(jī)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向垂直于水平面，縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)上固定有縱向滑體，工作時(shí)，縱向進(jìn)給力是一個(gè)恒定值，重力會(huì)參與做功，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[2]；因此，設(shè)計(jì)一種液壓配重裝置，抵消掉縱向滑體的重力是非常必要的。

1 立式旋壓機(jī)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)

本文以立式旋壓機(jī)為研究對(duì)象，立式旋壓機(jī)縱向進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要包括縱向滑體、雙絲杠、雙絲母、2個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、2個(gè)柱塞油缸和基座[3]。

圖1 立式旋壓機(jī)縱向滑體柱塞缸側(cè)剖視圖

圖2 立式旋壓機(jī)縱向滑體滾珠絲杠側(cè)剖視圖

從圖1可以看到，2個(gè)柱塞油缸立式安裝，以主軸為中心成180°對(duì)稱布置在縱向滑體兩側(cè)，柱塞桿固定在基座上，柱塞缸體固定在縱向滑體上。從圖2可以看到，雙絲杠立式安裝，一端通過軸承固定在基座上，另一端軸承固定，直接連到伺服電動(dòng)機(jī)上，絲母通過法蘭與縱向滑體連接，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲母上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給。工作時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是主動(dòng)進(jìn)給，柱塞油缸配重縱向滑體運(yùn)動(dòng)為被動(dòng)跟隨，要求柱塞油缸配重首先應(yīng)保證配重力穩(wěn)定，其次進(jìn)給速度應(yīng)跟得上縱向進(jìn)給的速度要求，這是衡量液壓配重性能好壞的關(guān)鍵。

縱向進(jìn)給工作工況有快速進(jìn)給、工作進(jìn)給和停在任一位置。對(duì)液壓配重系統(tǒng)的要求如下：在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上快速進(jìn)給時(shí)，配重油缸隨著滑體運(yùn)動(dòng)伸出，同時(shí)保證柱塞油缸輸出力略小于縱向滑體的重力，保證縱向絲杠輸出力做正功；在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下快速進(jìn)給時(shí)，配重油缸隨著滑體運(yùn)動(dòng)縮回，同時(shí)保證柱塞油缸輸出力略大于縱向滑體的重力，保證了縱向絲杠輸出力做正功[4]；縱向滑體停在任一位置工況時(shí)，由于滾珠絲杠沒有自鎖的功能，配重油缸保壓抵消掉縱向滑體的重力，保證縱向滑體不會(huì)掉下來。

立式旋壓機(jī)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)參數(shù)如下：快進(jìn)速度為1 500 mm/min；快退速度為1 500 mm/min；縱向滑體質(zhì)量為25 000 kg；柱塞缸徑為160 mm。

2 液壓配重系統(tǒng)

液壓配重系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 液壓配重系統(tǒng)原理圖

圖3中，液壓系統(tǒng)動(dòng)力源采用1臺(tái)恒壓變量柱塞，執(zhí)行元件采用2個(gè)柱塞油缸，控制元件采用減壓閥、順序閥、兩位四通換向閥和兩位兩通換向閥。其中，減壓閥用來調(diào)整縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上進(jìn)給時(shí)配重油缸的配重壓力；順序閥用來調(diào)整縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下進(jìn)給時(shí)配重油缸的配重壓力；兩位四通換向閥用來調(diào)節(jié)配重油缸的進(jìn)、退換向功能；兩位兩通換向閥是在縱向停止運(yùn)動(dòng)時(shí)或停機(jī)時(shí)給配重油缸保壓。當(dāng)縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上進(jìn)給時(shí)，縱向油缸輸出壓力由減壓閥調(diào)節(jié)；當(dāng)縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下進(jìn)給時(shí)，縱向油缸輸出力由順序閥調(diào)節(jié)。控制閥安裝在油路塊上，壓力調(diào)節(jié)方便，所選柱塞泵流量滿足柱塞油缸最大進(jìn)給速度要求。

3 仿真分析

3.1 建立AMESim仿真模型

根據(jù)液壓原理圖建立仿真模型。AMESim軟件仿真要經(jīng)歷4個(gè)步驟[5-7]：1)建立草圖，形成仿真模型；2)設(shè)置子模型；3)原件參數(shù)設(shè)置；4)設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真[8]。前2個(gè)步驟的運(yùn)行結(jié)果(仿真模型)如圖4所示。

圖4 液壓配重系統(tǒng)AMESim仿真模型

3.2 設(shè)置仿真參數(shù)

設(shè)縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上和向下的參數(shù)如下：進(jìn)給速度從0增加到1 500 mm/min，持續(xù)時(shí)間5 s；保持速度1 500 mm/min，持續(xù)時(shí)間5 s；從1 500 mm/min降低到0，持續(xù)時(shí)間5 s。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上進(jìn)給

圖5 向上進(jìn)給柱塞位移隨時(shí)間變化曲線

運(yùn)行仿真，得到向上進(jìn)給柱塞位移隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，該工況為縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上加速進(jìn)給、勻速進(jìn)給到最后減速進(jìn)給和停止階段，與設(shè)置一致。在這個(gè)工況下，柱塞油缸流量隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。從圖6可以

圖6 向上進(jìn)給柱塞油缸流量隨時(shí)間變化曲線

看出，在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上加速進(jìn)給時(shí)，柱塞油缸流量逐漸增加，在前2 s內(nèi)稍有波動(dòng)，在3～5 s時(shí)流量達(dá)到穩(wěn)定增加；在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上勻速進(jìn)給(5～10 s)時(shí)，流量基本保持穩(wěn)定不變；在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上減速進(jìn)給(10～15 s)時(shí)，流量曲線勻速下降；在縱向滑體進(jìn)給停止(15～20 s)時(shí)，仿真曲線流量為0。

上述分析說明，在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上加速、勻速、減速進(jìn)給和停止時(shí)，液壓配重系統(tǒng)柱塞油缸配重動(dòng)作滿足要求，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定配重。

3.3.2 縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下進(jìn)給

運(yùn)行仿真，得到向下柱塞位移隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，該工況為縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下加速進(jìn)給、勻速進(jìn)給到最后減速進(jìn)給和停止階段，與設(shè)置一致。在這個(gè)工況下，柱塞油缸流量隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下加速進(jìn)給時(shí)，柱塞油缸流量逐漸減少，在前0.5 s內(nèi)稍有滯后，在0.5～5 s流量達(dá)到穩(wěn)定減少；在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下勻速進(jìn)給(5～10 s)時(shí)，流量基本保持穩(wěn)定不變；在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下減速進(jìn)給(10～15 s)時(shí)，流量曲線勻速下降；在縱向滑體運(yùn)動(dòng)進(jìn)給停止(15～20 s)時(shí)，仿真曲線流量為0。

圖7 向下進(jìn)給柱塞位移隨時(shí)間變化曲線

圖8 向下進(jìn)給柱塞油缸流量隨時(shí)間變化曲線

上述分析說明，在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向下加速、勻速、減速進(jìn)給和停止時(shí)，液壓配重系統(tǒng)柱塞油缸配重動(dòng)作滿足要求，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定配重。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了立式旋壓機(jī)縱向進(jìn)給系統(tǒng)液壓配重的方案，根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)液壓原理和元器件選型。應(yīng)用AMESim軟件搭建仿真模型，合理輸入仿真參數(shù)，分別在縱向滑體運(yùn)動(dòng)方向向上、向下進(jìn)給時(shí)得到柱塞油缸位移和流量的仿真曲線，通過分析仿真曲線說明液壓配重系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足配重要求，元器件選型合理。同時(shí)，應(yīng)用本液壓配重系統(tǒng)，配重壓力可以方便地在額定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。

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