立式旋压机纵向进给机构液压配重设计

郑宏伟，王大力，郭亚明，黄 涛，卢 博，李亦楠

(长春设备工艺研究所，吉林 长春 130012)

液压配重广泛地应用于机床的配重系统。非标机床自身工作工况不同，对于配重系统的技术要求也有所不同。旋压机按主轴轴线位置分类[1]，可分为立式和卧式2种。立式旋压机纵向进给机构的运动方向垂直于水平面，纵向进给机构上固定有纵向滑体，工作时，纵向进给力是一个恒定值，重力会参与做功，从而导致系统不稳定[2]；因此，设计一种液压配重装置，抵消掉纵向滑体的重力是非常必要的。

1 立式旋压机纵向进给机构

本文以立式旋压机为研究对象，立式旋压机纵向进给系统结构如图1和图2所示，主要包括纵向滑体、双丝杠、双丝母、2个伺服电动机、2个柱塞油缸和基座[3]。

图1 立式旋压机纵向滑体柱塞缸侧剖视图

图2 立式旋压机纵向滑体滚珠丝杠侧剖视图

从图1可以看到，2个柱塞油缸立式安装，以主轴为中心成180°对称布置在纵向滑体两侧，柱塞杆固定在基座上，柱塞缸体固定在纵向滑体上。从图2可以看到，双丝杠立式安装，一端通过轴承固定在基座上，另一端轴承固定，直接连到伺服电动机上，丝母通过法兰与纵向滑体连接，伺服电动机驱动丝杠旋转，带动丝母上下移动，实现纵向进给。工作时，伺服电动机驱动是主动进给，柱塞油缸配重纵向滑体运动为被动跟随，要求柱塞油缸配重首先应保证配重力稳定，其次进给速度应跟得上纵向进给的速度要求，这是衡量液压配重性能好坏的关键。

纵向进给工作工况有快速进给、工作进给和停在任一位置。对液压配重系统的要求如下：在纵向滑体运动方向向上快速进给时，配重油缸随着滑体运动伸出，同时保证柱塞油缸输出力略小于纵向滑体的重力，保证纵向丝杠输出力做正功；在纵向滑体运动方向向下快速进给时，配重油缸随着滑体运动缩回，同时保证柱塞油缸输出力略大于纵向滑体的重力，保证了纵向丝杠输出力做正功[4]；纵向滑体停在任一位置工况时，由于滚珠丝杠没有自锁的功能，配重油缸保压抵消掉纵向滑体的重力，保证纵向滑体不会掉下来。

立式旋压机纵向进给机构参数如下：快进速度为1 500 mm/min；快退速度为1 500 mm/min；纵向滑体质量为25 000 kg；柱塞缸径为160 mm。

2 液压配重系统

液压配重系统的原理图如图3所示。

图3 液压配重系统原理图

图3中，液压系统动力源采用1台恒压变量柱塞，执行元件采用2个柱塞油缸，控制元件采用减压阀、顺序阀、两位四通换向阀和两位两通换向阀。其中，减压阀用来调整纵向滑体运动方向向上进给时配重油缸的配重压力；顺序阀用来调整纵向滑体运动方向向下进给时配重油缸的配重压力；两位四通换向阀用来调节配重油缸的进、退换向功能；两位两通换向阀是在纵向停止运动时或停机时给配重油缸保压。当纵向滑体运动方向向上进给时，纵向油缸输出压力由减压阀调节；当纵向滑体运动方向向下进给时，纵向油缸输出力由顺序阀调节。控制阀安装在油路块上，压力调节方便，所选柱塞泵流量满足柱塞油缸最大进给速度要求。

3 仿真分析

3.1 建立AMESim仿真模型

根据液压原理图建立仿真模型。AMESim软件仿真要经历4个步骤[5-7]：1)建立草图，形成仿真模型；2)设置子模型；3)原件参数设置；4)设置仿真参数，运行仿真[8]。前2个步骤的运行结果(仿真模型)如图4所示。

图4 液压配重系统AMESim仿真模型

3.2 设置仿真参数

设纵向滑体运动方向向上和向下的参数如下：进给速度从0增加到1 500 mm/min，持续时间5 s；保持速度1 500 mm/min，持续时间5 s；从1 500 mm/min降低到0，持续时间5 s。

3.3 结果分析

3.3.1 纵向滑体运动方向向上进给

图5 向上进给柱塞位移随时间变化曲线

运行仿真，得到向上进给柱塞位移随时间变化曲线如图5所示。从图5可以看出，该工况为纵向滑体运动方向向上加速进给、匀速进给到最后减速进给和停止阶段，与设置一致。在这个工况下，柱塞油缸流量随时间变化曲线如图6所示。从图6可以

图6 向上进给柱塞油缸流量随时间变化曲线

看出，在纵向滑体运动方向向上加速进给时，柱塞油缸流量逐渐增加，在前2 s内稍有波动，在3～5 s时流量达到稳定增加；在纵向滑体运动方向向上匀速进给(5～10 s)时，流量基本保持稳定不变；在纵向滑体运动方向向上减速进给(10～15 s)时，流量曲线匀速下降；在纵向滑体进给停止(15～20 s)时，仿真曲线流量为0。

上述分析说明，在纵向滑体运动方向向上加速、匀速、减速进给和停止时，液压配重系统柱塞油缸配重动作满足要求，可以实现稳定配重。

3.3.2 纵向滑体运动方向向下进给

运行仿真，得到向下柱塞位移随时间变化曲线如图7所示。从图7可以看出，该工况为纵向滑体运动方向向下加速进给、匀速进给到最后减速进给和停止阶段，与设置一致。在这个工况下，柱塞油缸流量随时间变化曲线如图8所示。从图8可以看出，在纵向滑体运动方向向下加速进给时，柱塞油缸流量逐渐减少，在前0.5 s内稍有滞后，在0.5～5 s流量达到稳定减少；在纵向滑体运动方向向下匀速进给(5～10 s)时，流量基本保持稳定不变；在纵向滑体运动方向向下减速进给(10～15 s)时，流量曲线匀速下降；在纵向滑体运动进给停止(15～20 s)时，仿真曲线流量为0。

图7 向下进给柱塞位移随时间变化曲线

图8 向下进给柱塞油缸流量随时间变化曲线

上述分析说明，在纵向滑体运动方向向下加速、匀速、减速进给和停止时，液压配重系统柱塞油缸配重动作满足要求，可以实现稳定配重。

4 结语

设计了立式旋压机纵向进给系统液压配重的方案，根据技术要求设计液压原理和元器件选型。应用AMESim软件搭建仿真模型，合理输入仿真参数，分别在纵向滑体运动方向向上、向下进给时得到柱塞油缸位移和流量的仿真曲线，通过分析仿真曲线说明液压配重系统设计能够满足配重要求，元器件选型合理。同时，应用本液压配重系统，配重压力可以方便地在额定范围内调节，操作方便，实用性强。

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