劉永光， 陳春旭， 張斌

(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

大型軸系，如電廠汽輪機(jī)軸系，工作在高溫、高壓、重載等條件下，其鉸制螺栓易發(fā)生卡死，導(dǎo)致螺栓孔產(chǎn)生不同程度的損傷，檢修時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行再加工處理，更換新的螺栓，以恢復(fù)聯(lián)軸器傳遞力矩的能力[1]。

目前，大型機(jī)械軸系螺栓孔現(xiàn)場(chǎng)再修復(fù)作業(yè)機(jī)械化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。其所用工藝大多仍處于手工珩磨階段[2]。因此，設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求的專(zhuān)用機(jī)床能夠提高大型機(jī)械軸系孔修復(fù)作業(yè)效率，降低停機(jī)損失。

1 機(jī)床設(shè)計(jì)要求分析

1.1 技術(shù)難點(diǎn)及解決方法

專(zhuān)用機(jī)床的研究主要存在2個(gè)難點(diǎn)：1）因用于軸系孔現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)作業(yè)，其執(zhí)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(jīng)過(guò)研究提出利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌絲桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因液壓執(zhí)行元件可與動(dòng)力源柔性連接，將除執(zhí)行元件之外的其他液壓元件和控制單元集成為一個(gè)液壓小車(chē)，突破了其安裝空間小的局限。液壓傳動(dòng)具有功率密度大的特點(diǎn)，液壓馬達(dá)體積小，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩覆蓋范圍廣。滿足兩種工藝的大差異需求。

1.2 機(jī)床負(fù)載分析

分析系統(tǒng)工作過(guò)程的具體情況，其主要包括對(duì)負(fù)載、速度和功率變化規(guī)律的分析或者是這些參數(shù)最大值的確定，分析負(fù)載特性和編制負(fù)載圖是系統(tǒng)工況分析的重中之重[3]。

在機(jī)床液壓系統(tǒng)工作循環(huán)中，各個(gè)階段的負(fù)載是由各種不同性質(zhì)的負(fù)載組成的。在該系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件擔(dān)負(fù)驅(qū)動(dòng)刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的職責(zé)，其受到的負(fù)載主要包括切削阻力負(fù)載、慣性阻力負(fù)載、重力負(fù)載、密封阻力負(fù)載和背壓負(fù)載。

1)系統(tǒng)切削阻力負(fù)載是指作用在執(zhí)行元件輸出軸上的切削阻力矩。

2)系統(tǒng)慣性阻力負(fù)載是指工件在起動(dòng)加速和制動(dòng)減速過(guò)程中的慣性力。根據(jù)牛頓第二定律可得：

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Δt為起動(dòng)加速或制動(dòng)減速時(shí)間，一般機(jī)床主運(yùn)動(dòng)時(shí)取0.25～0.50 s；Δn為Δt時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化量。

本文估算機(jī)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(fù)載力矩不計(jì)。密封負(fù)載阻力矩是指裝有密封裝置的零件在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的密封摩擦阻力矩，其值與密封裝置的類(lèi)型和尺寸、液壓缸的制造質(zhì)量和液壓油的工作壓力有關(guān)。

4)背壓阻力矩負(fù)載是指執(zhí)行元件在回油路上的背壓造成的阻力負(fù)載力矩。在液壓系統(tǒng)及元件未確定時(shí)，因不知其具體參數(shù)，密封負(fù)載阻力矩與背壓阻力矩負(fù)載無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，一般將其計(jì)入液壓執(zhí)行元件的機(jī)械效率中。

該系統(tǒng)一套動(dòng)作循環(huán)主要分為4個(gè)工作階段，分別是啟動(dòng)加速階段、恒速待機(jī)階段、恒速工進(jìn)階段、制動(dòng)階段。階段不同，執(zhí)行元件的負(fù)載計(jì)算也不相同。將背壓阻力矩負(fù)載和密封負(fù)載阻力矩計(jì)入液壓執(zhí)行元件的機(jī)械效率中，設(shè)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械效率為ηm，則液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件在系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)的各個(gè)階段的總負(fù)載為：

1）啟動(dòng)加速階段。這個(gè)階段液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件處于加速狀態(tài)，其負(fù)載力矩為

2）恒速待機(jī)階段。這個(gè)階段液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件處于勻速運(yùn)動(dòng)，其負(fù)載力矩為

3）恒速切削階段。這個(gè)階段液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件勻速做功階段，其負(fù)載力矩為

4）制動(dòng)階段。這個(gè)階段液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件處于減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其負(fù)載力矩為

根據(jù)上述各個(gè)階段的總負(fù)載可繪制如圖1所示液壓馬達(dá)負(fù)載圖。其中圖1（a）是鉸削時(shí)，液壓執(zhí)行元件負(fù)載變化規(guī)律，圖1（b）是珩磨作業(yè)時(shí)，液壓馬達(dá)的負(fù)載變化規(guī)律。

負(fù)載圖中的最大負(fù)載值是執(zhí)行元件選型的主要依據(jù)。

1.3 機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

圖1 液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件負(fù)載變化規(guī)律

本系統(tǒng)選用雙泵液壓系統(tǒng)，其正式液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，其雙泵控制系統(tǒng)工作原理如下所述：鉸削作業(yè)時(shí)啟動(dòng)鉸削泵，為液壓馬達(dá)提供小流量、大壓力的油液，液壓馬達(dá)做低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩輸出，此階段開(kāi)關(guān)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，避免了鉸削大壓力對(duì)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(wèn)題[6]；珩磨作業(yè)時(shí)，開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)，鉸削泵和磨削泵同時(shí)工作，提供大流量、小壓力輸出，液壓馬達(dá)做高速、小轉(zhuǎn)矩輸出。這種雙泵控制模式既保證了系統(tǒng)工作的壓力流量需求，又在一定程度上避免了系統(tǒng)大流量造成的溢流發(fā)熱問(wèn)題，降低了系統(tǒng)能耗。

圖2 系統(tǒng)原理圖

1.3.2 液壓系統(tǒng)三維建模

液壓系統(tǒng)的三維建模主要考慮液壓系統(tǒng)的總體布局和液壓元件的配置形式[7]。

1）液壓系統(tǒng)的總體布局。機(jī)床液壓系統(tǒng)總體布局包括集中式和分散式梁總結(jié)構(gòu)形式。

a.集中式結(jié)構(gòu)是將機(jī)床液壓系統(tǒng)的油源、控制調(diào)節(jié)裝置、附件等獨(dú)立于機(jī)床之外，單獨(dú)集成一個(gè)液壓泵站。這種結(jié)構(gòu)形式具有外接管路少、安裝維修方便、油源的振動(dòng)和發(fā)熱對(duì)機(jī)床影響小等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是液壓泵站增加了占地面積。

b.分散式結(jié)構(gòu)是將機(jī)床液壓系統(tǒng)的油源、控制調(diào)節(jié)裝置、附件等分散在機(jī)床各處。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省占地面積、易于回收泄漏出去的油液；缺點(diǎn)是安裝維修較為復(fù)雜、油源的振動(dòng)和發(fā)熱對(duì)機(jī)床工件精度產(chǎn)生不利影響、油箱的維護(hù)和清理不方便。

2）液壓元件的配置形式。在機(jī)床液壓系統(tǒng)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(duì)應(yīng)的孔，通過(guò)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(yōu)點(diǎn)是改變液壓元件間的連接方式比較方便，可根據(jù)需要連接成各種形式的液壓系統(tǒng)，缺點(diǎn)是液壓系統(tǒng)的管路較多、較復(fù)雜時(shí)，油管的連接工作很不方便。

b.集成式配置是以某種專(zhuān)用或通用的輔助元件把標(biāo)準(zhǔn)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(jù)液壓系統(tǒng)的需要設(shè)計(jì)出專(zhuān)用的箱體，將標(biāo)準(zhǔn)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(lái)接通。

集成塊式集成配置是根據(jù)典型液壓系統(tǒng)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(tǒng)。

疊加閥式集成配置是將標(biāo)準(zhǔn)化的液壓閥閥體，通過(guò)螺釘疊加在一起形成疊加閥，然后用長(zhǎng)螺栓將疊加閥固定在集成塊上，組成一個(gè)液壓系統(tǒng)。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(jié)省了大量的油管和管接頭，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可根據(jù)機(jī)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(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用集中式總體布局，將液壓系統(tǒng)的油箱、控制單元等集成成一個(gè)泵站，只留液壓馬達(dá)在執(zhí)行器上，液壓元件采用集成式配置，這樣降低了執(zhí)行器的質(zhì)量、體積，并將減小油源振動(dòng)和發(fā)熱對(duì)切削加工質(zhì)量的影響。

2 結(jié)論

本文針對(duì)鉸珩多工藝一體化及空間限制的要求，提出電液雙驅(qū)的大型軸系螺栓孔現(xiàn)場(chǎng)再加工機(jī)床并對(duì)其液壓系統(tǒng)的研究作了闡述。解決大型軸系螺栓孔再加工作業(yè)機(jī)床的兩大設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。

圖3 液壓站結(jié)構(gòu)示意圖

本文提出的雙泵液壓系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）功率密度大，執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度和輸出力范圍廣，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)鉸削珩磨工藝路線要求。2）執(zhí)行元件體積小，液壓動(dòng)力源和控制單元獨(dú)立，突破大型軸系安裝空間的限制。3）按需供給。鉸削時(shí)，小流量鉸削泵單獨(dú)工作，珩磨時(shí)，兩個(gè)泵同時(shí)工作提供大流量。按馬達(dá)工作流量需要提供流量，減少溢流損失，降低能耗。4）系統(tǒng)可靠性高。如果在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)液壓泵或電動(dòng)機(jī)損壞，另一泵源可進(jìn)行低速切削，完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。