鉸珩一體化專用機床液壓系統研究

劉永光， 陳春旭， 張斌

(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100083)

0 引言

大型軸系，如電廠汽輪機軸系，工作在高溫、高壓、重載等條件下，其鉸制螺栓易發生卡死，導致螺栓孔產生不同程度的損傷，檢修時需要對其進行再加工處理，更換新的螺栓，以恢復聯軸器傳遞力矩的能力[1]。

目前，大型機械軸系螺栓孔現場再修復作業機械化程度低，勞動強度大，作業效率低。其所用工藝大多仍處于手工珩磨階段[2]。因此，設計滿足現場作業要求的專用機床能夠提高大型機械軸系孔修復作業效率，降低停機損失。

1 機床設計要求分析

1.1 技術難點及解決方法

專用機床的研究主要存在2個難點：1）因用于軸系孔現場修復作業，其執行器安裝空間小，安裝方式受限制；2）鉸削、珩磨兩種工藝的切削力與切削速度差異很大。

本文經過研究提出利用液壓馬達驅動刀具旋轉運動，采用電動機導軌絲桿機構驅動刀具的進給運動。因液壓執行元件可與動力源柔性連接，將除執行元件之外的其他液壓元件和控制單元集成為一個液壓小車，突破了其安裝空間小的局限。液壓傳動具有功率密度大的特點，液壓馬達體積小，轉速和轉矩覆蓋范圍廣。滿足兩種工藝的大差異需求。

1.2 機床負載分析

分析系統工作過程的具體情況，其主要包括對負載、速度和功率變化規律的分析或者是這些參數最大值的確定，分析負載特性和編制負載圖是系統工況分析的重中之重[3]。

在機床液壓系統工作循環中，各個階段的負載是由各種不同性質的負載組成的。在該系統中，液壓系統執行元件擔負驅動刀具做旋轉運動的職責，其受到的負載主要包括切削阻力負載、慣性阻力負載、重力負載、密封阻力負載和背壓負載。

1)系統切削阻力負載是指作用在執行元件輸出軸上的切削阻力矩。

2)系統慣性阻力負載是指工件在起動加速和制動減速過程中的慣性力。根據牛頓第二定律可得：

式中：J為轉動慣量；Δt為起動加速或制動減速時間，一般機床主運動時取0.25～0.50 s；Δn為Δt時間內的轉速變化量。

本文估算機床鉸削慣性阻力矩Tmj約為4.5 N·m，珩磨慣性阻力矩Tmh約為21.1 N·m。

3)刀具水平放置，故重力負載力矩不計。密封負載阻力矩是指裝有密封裝置的零件在相對轉動中產生的密封摩擦阻力矩，其值與密封裝置的類型和尺寸、液壓缸的制造質量和液壓油的工作壓力有關。

4)背壓阻力矩負載是指執行元件在回油路上的背壓造成的阻力負載力矩。在液壓系統及元件未確定時，因不知其具體參數，密封負載阻力矩與背壓阻力矩負載無法進行計算，一般將其計入液壓執行元件的機械效率中。

該系統一套動作循環主要分為4個工作階段，分別是啟動加速階段、恒速待機階段、恒速工進階段、制動階段。階段不同，執行元件的負載計算也不相同。將背壓阻力矩負載和密封負載阻力矩計入液壓執行元件的機械效率中，設液壓系統執行元件的機械效率為ηm，則液壓系統執行元件在系統動作循環的各個階段的總負載為：

1）啟動加速階段。這個階段液壓系統執行元件處于加速狀態，其負載力矩為

2）恒速待機階段。這個階段液壓系統執行元件處于勻速運動，其負載力矩為

3）恒速切削階段。這個階段液壓系統執行元件勻速做功階段，其負載力矩為

4）制動階段。這個階段液壓系統執行元件處于減速運動狀態，其負載力矩為

根據上述各個階段的總負載可繪制如圖1所示液壓馬達負載圖。其中圖1（a）是鉸削時，液壓執行元件負載變化規律，圖1（b）是珩磨作業時，液壓馬達的負載變化規律。

負載圖中的最大負載值是執行元件選型的主要依據。

1.3 機床液壓系統設計

1.3.1 液壓系統原理設計

圖1 液壓系統執行元件負載變化規律

本系統選用雙泵液壓系統，其正式液壓系統原理如圖2所示，其雙泵控制系統工作原理如下所述：鉸削作業時啟動鉸削泵，為液壓馬達提供小流量、大壓力的油液，液壓馬達做低轉速、大轉矩輸出，此階段開關閥處于關閉狀態，避免了鉸削大壓力對磨削泵和安全閥（鉸削比磨削安全閥最大承受壓力大）的壓力沖擊問題[6]；珩磨作業時，開關閥打開，鉸削泵和磨削泵同時工作，提供大流量、小壓力輸出，液壓馬達做高速、小轉矩輸出。這種雙泵控制模式既保證了系統工作的壓力流量需求，又在一定程度上避免了系統大流量造成的溢流發熱問題，降低了系統能耗。

圖2 系統原理圖

1.3.2 液壓系統三維建模

液壓系統的三維建模主要考慮液壓系統的總體布局和液壓元件的配置形式[7]。

1）液壓系統的總體布局。機床液壓系統總體布局包括集中式和分散式梁總結構形式。

a.集中式結構是將機床液壓系統的油源、控制調節裝置、附件等獨立于機床之外，單獨集成一個液壓泵站。這種結構形式具有外接管路少、安裝維修方便、油源的振動和發熱對機床影響小等優點；其缺點是液壓泵站增加了占地面積。

b.分散式結構是將機床液壓系統的油源、控制調節裝置、附件等分散在機床各處。這種結構形式的優點是結構緊湊、節省占地面積、易于回收泄漏出去的油液；缺點是安裝維修較為復雜、油源的振動和發熱對機床工件精度產生不利影響、油箱的維護和清理不方便。

2）液壓元件的配置形式。在機床液壓系統中，液壓元件的配置形式主要分為板式配置與集成式配置兩種方式。

a.板式配置是把板式液壓元件與其底板用螺釘固定在油路板上，油路板上有與液壓元件閥口相對應的孔，通過油管將所有液壓元件按照液壓原理圖連接在一起。這種配置方式的優點是改變液壓元件間的連接方式比較方便，可根據需要連接成各種形式的液壓系統，缺點是液壓系統的管路較多、較復雜時，油管的連接工作很不方便。

b.集成式配置是以某種專用或通用的輔助元件把標準元件組合在一起。這種配置方式按其所用輔助件形式的不同又可分成箱體式、集成塊式和疊加閥式3種[8-17]。

箱體式集成配置是根據液壓系統的需要設計出專用的箱體，將標準元件用螺釘固定在箱體上，元件之間的油路由箱體上的孔道來接通。

集成塊式集成配置是根據典型液壓系統的各種基本回路做成的通用化的集成塊，用它們拼搭出各種液壓系統。

疊加閥式集成配置是將標準化的液壓閥閥體，通過螺釘疊加在一起形成疊加閥，然后用長螺栓將疊加閥固定在集成塊上，組成一個液壓系統。疊加閥式集成配置中的液壓元件（換向閥外）都是既作為控制閥使用，又作為液壓油的通道使用。

集成式配置節省了大量的油管和管接頭，結構緊湊，體積小，可根據機床的具體需要配置在最方便的地方。因此，這種形式獲得了廣泛的使用。

如圖3所示，綜合各種方式的優缺點，結合本系統現場作業的特點，本系統采用集中式總體布局，將液壓系統的油箱、控制單元等集成成一個泵站，只留液壓馬達在執行器上，液壓元件采用集成式配置，這樣降低了執行器的質量、體積，并將減小油源振動和發熱對切削加工質量的影響。

2 結論

本文針對鉸珩多工藝一體化及空間限制的要求，提出電液雙驅的大型軸系螺栓孔現場再加工機床并對其液壓系統的研究作了闡述。解決大型軸系螺栓孔再加工作業機床的兩大設計難點，為同類產品的設計提供參考。

圖3 液壓站結構示意圖

本文提出的雙泵液壓系統具有以下特點：1）功率密度大，執行元件運動速度和輸出力范圍廣，滿足現場作業鉸削珩磨工藝路線要求。2）執行元件體積小，液壓動力源和控制單元獨立，突破大型軸系安裝空間的限制。3）按需供給。鉸削時，小流量鉸削泵單獨工作，珩磨時，兩個泵同時工作提供大流量。按馬達工作流量需要提供流量，減少溢流損失，降低能耗。4）系統可靠性高。如果在現場作業時，出現液壓泵或電動機損壞，另一泵源可進行低速切削，完成現場作業。