铰珩一体化专用机床液压系统研究

刘永光， 陈春旭， 张斌

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083)

0 引言

大型轴系，如电厂汽轮机轴系，工作在高温、高压、重载等条件下，其铰制螺栓易发生卡死，导致螺栓孔产生不同程度的损伤，检修时需要对其进行再加工处理，更换新的螺栓，以恢复联轴器传递力矩的能力[1]。

目前，大型机械轴系螺栓孔现场再修复作业机械化程度低，劳动强度大，作业效率低。其所用工艺大多仍处于手工珩磨阶段[2]。因此，设计满足现场作业要求的专用机床能够提高大型机械轴系孔修复作业效率，降低停机损失。

1 机床设计要求分析

1.1 技术难点及解决方法

专用机床的研究主要存在2个难点：1）因用于轴系孔现场修复作业，其执行器安装空间小，安装方式受限制；2）铰削、珩磨两种工艺的切削力与切削速度差异很大。

本文经过研究提出利用液压马达驱动刀具旋转运动，采用电动机导轨丝杆机构驱动刀具的进给运动。因液压执行元件可与动力源柔性连接，将除执行元件之外的其他液压元件和控制单元集成为一个液压小车，突破了其安装空间小的局限。液压传动具有功率密度大的特点，液压马达体积小，转速和转矩覆盖范围广。满足两种工艺的大差异需求。

1.2 机床负载分析

分析系统工作过程的具体情况，其主要包括对负载、速度和功率变化规律的分析或者是这些参数最大值的确定，分析负载特性和编制负载图是系统工况分析的重中之重[3]。

在机床液压系统工作循环中，各个阶段的负载是由各种不同性质的负载组成的。在该系统中，液压系统执行元件担负驱动刀具做旋转运动的职责，其受到的负载主要包括切削阻力负载、惯性阻力负载、重力负载、密封阻力负载和背压负载。

1)系统切削阻力负载是指作用在执行元件输出轴上的切削阻力矩。

2)系统惯性阻力负载是指工件在起动加速和制动减速过程中的惯性力。根据牛顿第二定律可得：

式中：J为转动惯量；Δt为起动加速或制动减速时间，一般机床主运动时取0.25～0.50 s；Δn为Δt时间内的转速变化量。

本文估算机床铰削惯性阻力矩Tmj约为4.5 N·m，珩磨惯性阻力矩Tmh约为21.1 N·m。

3)刀具水平放置，故重力负载力矩不计。密封负载阻力矩是指装有密封装置的零件在相对转动中产生的密封摩擦阻力矩，其值与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和液压油的工作压力有关。

4)背压阻力矩负载是指执行元件在回油路上的背压造成的阻力负载力矩。在液压系统及元件未确定时，因不知其具体参数，密封负载阻力矩与背压阻力矩负载无法进行计算，一般将其计入液压执行元件的机械效率中。

该系统一套动作循环主要分为4个工作阶段，分别是启动加速阶段、恒速待机阶段、恒速工进阶段、制动阶段。阶段不同，执行元件的负载计算也不相同。将背压阻力矩负载和密封负载阻力矩计入液压执行元件的机械效率中，设液压系统执行元件的机械效率为ηm，则液压系统执行元件在系统动作循环的各个阶段的总负载为：

1）启动加速阶段。这个阶段液压系统执行元件处于加速状态，其负载力矩为

2）恒速待机阶段。这个阶段液压系统执行元件处于匀速运动，其负载力矩为

3）恒速切削阶段。这个阶段液压系统执行元件匀速做功阶段，其负载力矩为

4）制动阶段。这个阶段液压系统执行元件处于减速运动状态，其负载力矩为

根据上述各个阶段的总负载可绘制如图1所示液压马达负载图。其中图1（a）是铰削时，液压执行元件负载变化规律，图1（b）是珩磨作业时，液压马达的负载变化规律。

负载图中的最大负载值是执行元件选型的主要依据。

1.3 机床液压系统设计

1.3.1 液压系统原理设计

图1 液压系统执行元件负载变化规律

本系统选用双泵液压系统，其正式液压系统原理如图2所示，其双泵控制系统工作原理如下所述：铰削作业时启动铰削泵，为液压马达提供小流量、大压力的油液，液压马达做低转速、大转矩输出，此阶段开关阀处于关闭状态，避免了铰削大压力对磨削泵和安全阀（铰削比磨削安全阀最大承受压力大）的压力冲击问题[6]；珩磨作业时，开关阀打开，铰削泵和磨削泵同时工作，提供大流量、小压力输出，液压马达做高速、小转矩输出。这种双泵控制模式既保证了系统工作的压力流量需求，又在一定程度上避免了系统大流量造成的溢流发热问题，降低了系统能耗。

图2 系统原理图

1.3.2 液压系统三维建模

液压系统的三维建模主要考虑液压系统的总体布局和液压元件的配置形式[7]。

1）液压系统的总体布局。机床液压系统总体布局包括集中式和分散式梁总结构形式。

a.集中式结构是将机床液压系统的油源、控制调节装置、附件等独立于机床之外，单独集成一个液压泵站。这种结构形式具有外接管路少、安装维修方便、油源的振动和发热对机床影响小等优点；其缺点是液压泵站增加了占地面积。

b.分散式结构是将机床液压系统的油源、控制调节装置、附件等分散在机床各处。这种结构形式的优点是结构紧凑、节省占地面积、易于回收泄漏出去的油液；缺点是安装维修较为复杂、油源的振动和发热对机床工件精度产生不利影响、油箱的维护和清理不方便。

2）液压元件的配置形式。在机床液压系统中，液压元件的配置形式主要分为板式配置与集成式配置两种方式。

a.板式配置是把板式液压元件与其底板用螺钉固定在油路板上，油路板上有与液压元件阀口相对应的孔，通过油管将所有液压元件按照液压原理图连接在一起。这种配置方式的优点是改变液压元件间的连接方式比较方便，可根据需要连接成各种形式的液压系统，缺点是液压系统的管路较多、较复杂时，油管的连接工作很不方便。

b.集成式配置是以某种专用或通用的辅助元件把标准元件组合在一起。这种配置方式按其所用辅助件形式的不同又可分成箱体式、集成块式和叠加阀式3种[8-17]。

箱体式集成配置是根据液压系统的需要设计出专用的箱体，将标准元件用螺钉固定在箱体上，元件之间的油路由箱体上的孔道来接通。

集成块式集成配置是根据典型液压系统的各种基本回路做成的通用化的集成块，用它们拼搭出各种液压系统。

叠加阀式集成配置是将标准化的液压阀阀体，通过螺钉叠加在一起形成叠加阀，然后用长螺栓将叠加阀固定在集成块上，组成一个液压系统。叠加阀式集成配置中的液压元件（换向阀外）都是既作为控制阀使用，又作为液压油的通道使用。

集成式配置节省了大量的油管和管接头，结构紧凑，体积小，可根据机床的具体需要配置在最方便的地方。因此，这种形式获得了广泛的使用。

如图3所示，综合各种方式的优缺点，结合本系统现场作业的特点，本系统采用集中式总体布局，将液压系统的油箱、控制单元等集成成一个泵站，只留液压马达在执行器上，液压元件采用集成式配置，这样降低了执行器的质量、体积，并将减小油源振动和发热对切削加工质量的影响。

2 结论

本文针对铰珩多工艺一体化及空间限制的要求，提出电液双驱的大型轴系螺栓孔现场再加工机床并对其液压系统的研究作了阐述。解决大型轴系螺栓孔再加工作业机床的两大设计难点，为同类产品的设计提供参考。

图3 液压站结构示意图

本文提出的双泵液压系统具有以下特点：1）功率密度大，执行元件运动速度和输出力范围广，满足现场作业铰削珩磨工艺路线要求。2）执行元件体积小，液压动力源和控制单元独立，突破大型轴系安装空间的限制。3）按需供给。铰削时，小流量铰削泵单独工作，珩磨时，两个泵同时工作提供大流量。按马达工作流量需要提供流量，减少溢流损失，降低能耗。4）系统可靠性高。如果在现场作业时，出现液压泵或电动机损坏，另一泵源可进行低速切削，完成现场作业。