淺析數(shù)控銑床液壓平衡系統(tǒng)的優(yōu)化

鄭玉龍

摘 要：論文中介紹了液壓平衡系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，并以數(shù)控機(jī)床為例，介紹了在數(shù)控機(jī)床液壓平衡系統(tǒng)的分類、典型液壓平衡系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)化液壓平衡系統(tǒng)的工作過程。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；液壓平衡；電磁閥

引言

隨著我國機(jī)械加工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械零件加工的質(zhì)量和效率越來越引起人們的重視，能源要求日益高漲，有效利用能源已成為行業(yè)最大目標(biāo)。在這其中，從機(jī)床降低自身消耗的角度進(jìn)行研究能對(duì)提高其性能做出重大貢獻(xiàn)。液壓系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，許多機(jī)床或機(jī)電設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是沿垂直方向運(yùn)動(dòng)的，對(duì)于機(jī)床來說，如何使用液壓平衡垂直運(yùn)動(dòng)部件的重量和壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定工作一直是個(gè)需要認(rèn)真考慮的問題。

1 機(jī)床平衡系統(tǒng)的分類

通常平衡的方法主要有三種：第一種是當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)部件的重量較輕時(shí)，可采用直接加粗傳動(dòng)絲杠，加大電機(jī)扭矩的方法，但這樣將使得傳動(dòng)絲杠始終承擔(dān)著運(yùn)動(dòng)部件的重量，導(dǎo)致單面磨損加重，影響機(jī)床精度的保持性。第二種是使用平衡重錘，使用重錘配重不僅增大體積、重量和占地空間，而且在立柱啟動(dòng)、停止和速度轉(zhuǎn)換時(shí)，由于重錘的慣性，對(duì)主軸的運(yùn)動(dòng)速度和位移精度將會(huì)有很大的影響。第三種是液壓平衡法，它可以避免前面兩種方法所出現(xiàn)的問題。液壓平衡回路的功能在于使液壓執(zhí)行元件在回油路上始終保持一定的背壓力，用來平衡機(jī)構(gòu)重力負(fù)載對(duì)液壓執(zhí)行元件的作用力，使之不會(huì)因自重作用而自行下滑，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)對(duì)機(jī)床設(shè)備動(dòng)作的平穩(wěn)、可靠控制。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床主軸平衡液壓系統(tǒng)有著以下的三個(gè)要求：（1）為了保證主軸驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)的定位精度，主軸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡油缸中的平衡力的差值越小越好。（2）機(jī)床停機(jī)以后主軸在一段時(shí)間中需要保持一定的主軸平衡力，這樣要求液壓系統(tǒng)在停機(jī)以后油缸中依然可以保持一定時(shí)間的壓力。（3）主軸定位夾緊后，機(jī)床主軸仍然需要平衡力的保持，為了減少主軸絲杠的磨損，提高絲杠的使用壽命，平衡壓力應(yīng)控制在4bar左右的范圍之內(nèi)。

2 典型液壓平衡系統(tǒng)原理分析

機(jī)床主軸平衡液壓系統(tǒng)有多種配置形式，其中最常用的配置基本上由變量泵、溢流閥、減壓閥和壓力繼電器組成。

在該系統(tǒng)中，主軸上升時(shí)變量泵排量為最大，變量泵為平衡油缸供油。主軸下降時(shí)變量泵處于泄荷狀態(tài)，主軸下降依靠平衡閥進(jìn)行壓力平衡。主軸需要在任意位置停止并保持壓力，此時(shí)的變量泵需要不斷的以小排量為系統(tǒng)供油，以保證主軸停止?fàn)顟B(tài)依然可以保持有平衡力。如圖1所示。主軸的上升與下降所需要的動(dòng)力能耗，從物體能量守恒的原理看，主軸的重量上升是積蓄勢能釋放動(dòng)能的過程，而主軸的下降是釋放勢能積蓄動(dòng)能的過程。所以整個(gè)過程中能量是不變的。而這一過程中真正能力需要損失的應(yīng)該是液壓的泄漏量——液壓的管路損失和機(jī)械（如油缸）的摩擦損失。而所有這些損失相對(duì)于主軸的上升和下降的需要的保持主軸的平衡力不變的能量是微乎其微的。主軸處于一個(gè)相對(duì)靜止的位置，如果液壓可以鎖定，本身這一能耗是完全不必要提供的，也就不需要有任何能量的損耗。

3 液壓平衡系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)的優(yōu)化

基于以上的分析，在這套液壓系統(tǒng)中不需要太多的能耗，主要的能耗也就是些壓力損耗和摩擦，基于以上幾點(diǎn)思考，為實(shí)現(xiàn)“零”能耗的機(jī)床主軸液壓平衡系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)的優(yōu)化，機(jī)床主軸液壓平衡系統(tǒng)變?yōu)榱藞D2顯示的結(jié)果。

3.1 選用零泄漏截止閥

零泄漏是這個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的問題。從原理圖中可以看到溢流閥和單向閥都很容易達(dá)到零泄漏的。但是這個(gè)減壓閥是一種常開式的壓力閥，如果需要減壓就需要將此閥處與開啟狀態(tài)。同時(shí)從原理圖中也可以看到減壓閥是有泄漏油的，不論是內(nèi)泄還是外泄，總歸是存在的，這也是為什么主軸在保持狀態(tài)依然需要液壓動(dòng)力油的一個(gè)主要原因。元件全部選用截止式，溢流閥、換向閥和減壓閥皆為截止式結(jié)構(gòu)。特別是截止式減壓閥是基于錐面截止原理設(shè)計(jì)的，具有良好的零泄漏性能。通過該閥可以確保壓力油只在蓄能器和平衡油缸中傳遞，而無任何液壓油的損耗。

3.2 選用可以頻繁啟停的浸油式電機(jī)泵站

該泵站基于節(jié)能的考慮使用的是變量柱塞泵為油源，在主軸上升時(shí)需要大流量供油時(shí)變量泵才將擺角置于最大位置，而在下降和主軸保持狀態(tài)不需要大流量的將泵的排量變小。現(xiàn)在這樣的泵站也有使用變頻電機(jī)的，其目的就是在不需要大能耗的時(shí)候?qū)⒛芰繙p少到最小。從節(jié)能的角度上看已經(jīng)達(dá)到了節(jié)能的作用，但是如果需要真正達(dá)到“零”能耗，最直接的想法就是關(guān)掉電機(jī)。但小排量的泵，再怎么變頻，只要電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)就一定會(huì)有能量的損耗，只有徹底將這個(gè)電機(jī)關(guān)掉才可以向“零”能耗邁進(jìn)。關(guān)掉電機(jī)，在需要的時(shí)候再將電機(jī)啟動(dòng)，這就需要電機(jī)具有良好的啟停性能。泵站選用浸油式電機(jī)泵站。這里所說的“浸油式”是指不僅是柱塞泵浸于液壓油中，而且電機(jī)也將浸于液壓油中，這樣一方面可以減少電機(jī)的發(fā)熱，另一方面可以提高電機(jī)的啟停性能，減少電機(jī)啟停時(shí)產(chǎn)生的電流沖擊。

3.3 選用較大的蓄能器

前面闡述的主軸在上下運(yùn)動(dòng)過程中能量理論上是沒有變化的，而原液壓系統(tǒng)中由于沒有能量儲(chǔ)存的元件，所以主軸下降時(shí)的勢能通過溢流閥“泄荷”回油箱了，原系統(tǒng)中的蓄能器由于規(guī)格較小只起到了減震的作用，而沒有起到蓄能的作用。所以選擇一個(gè)較大的蓄能器，既滿足節(jié)能，又保持主軸的上升和下降時(shí)的平衡力差值不大。根據(jù)機(jī)床主軸的重量、運(yùn)動(dòng)速度、油缸的缸徑大小和油量變化的大小確定蓄能器的大小。越大的蓄能器可以減少主軸上下運(yùn)動(dòng)的平衡差值。但太大的蓄能器一方面增加安裝空間和麻煩，同時(shí)泵站的油箱也需要加大，以增加補(bǔ)充的油的體積。但是對(duì)于“零”能耗的極致液壓系統(tǒng)中，每一滴液壓油的使用都是在此需要考慮的，其實(shí)節(jié)能的基本方法就是細(xì)致計(jì)算，而不是粗放型計(jì)算。所以既然想節(jié)能就需要在每一個(gè)細(xì)節(jié)上周全考慮。在這個(gè)方面，此臺(tái)液壓系統(tǒng)的蓄能器選用16L的優(yōu)質(zhì)蓄能器就達(dá)到了非常良好的效果。液壓系統(tǒng)的供油壓力，非常接近最高壓力，能夠充分利用蓄能器的有效輸出體積，有利于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)束語

自從帕斯卡提出靜壓傳遞原理以來，液壓技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了三百多年。由于武器工業(yè)的發(fā)展，大大地促進(jìn)了液壓技術(shù)的發(fā)展，到了現(xiàn)在，隨著制造業(yè)和材料科學(xué)的發(fā)展，以及其他行業(yè)對(duì)大功率應(yīng)用場合的都切需求，更是極大地刺激和帶動(dòng)了液壓行業(yè)的長足發(fā)展，在原有液壓技術(shù)基礎(chǔ)上將研發(fā)出更先進(jìn)的液壓元器件和設(shè)計(jì)理念。