基于AMESim的組合鉆床動力滑臺液壓系統的設計

孫勝偉

（濱州學院 機電工程系，濱州 256603）

0 引言

隨著科學技術的發展，機械零部件一體化程度不斷提高，因為加工的形狀日益復雜，導致機械加工的要求越來越高，使得復合、多功能、多軸化控制裝備的前景逐漸被看好，而組合鉆床作為液壓機床中最具有代表性的一種鉆床設備，其具有廣泛的應用性，可對零件進行鉆孔、擴孔、鉸孔、惚平面和攻螺紋等加工。此外，在鉆床上配有工藝裝備時，還可以進行鑊孔，在鉆床上配萬能工作臺還能進行鉆孔、擴孔、鉸孔，這使得組合鉆床得到了較快的發展[1,2]。

但就目前來看，組合鉆床在設計上還存在著一定的不足，如在供液回路上，其多采用限壓式變量葉片泵，這就導致當遇到流量劇變時，定子反應滯后，液壓沖擊極大；當存在不平衡的內部徑向力時，便產生較大的壓力波動和噪音，造成工作平衡性差等問題。此外，在反應速度上，不能達到組合機床快進快退的要求，假如加大了流量從而提高速度，就會造成換向時的沖擊，對機床造成極大的損壞，降低了其使用壽命，并且影響機械零部件的正常生產。

因此，需要設計一種，可以實現快進快退以及慢速工進等動作，具有靈敏度高、換向沖擊小、能耗低、液壓系統結構簡單等特點的液壓系統，從而有效提高了液壓機床的工作效率，確保機械工件的穩定生產。

1 液壓系統的工作原理及組成

根據以上分析可知，組合鉆床的液壓系統需要實現快進快退以及慢速工進等動作，并具有液壓沖擊小、靈敏度高等特點，因此，將使用雙聯液壓泵作為液壓源為系統供油，在換向回路上使用電液換向閥，能夠使執行元件的進液回路及出油回路形成差動回路，提高執行元件的速度，在調速回路上，采用行程閥與調速閥并聯的方式，確保快進快退及慢速工進動作的實現。液壓系統原理圖如圖1所示。

圖1 組合鉆床動力滑臺液壓系統

在完成快進、快退、慢速工進以及停止原位等動作時，由以上各個液壓元件相互配合來完成。

雙聯液壓泵是由大排量泵和小排量泵組成，當完成快進快退動作時，由大排量泵工作為系統供油；當完成慢速工進動作時，有小排量泵為系統供油，避免了油液的浪費，從提高液壓系統的工作效率。

電液換向閥能夠通過液壓系統中的工作壓力來控制換向閥的換向，工作平穩可靠，有效避免了液壓沖擊，同時，通過構成差動回路，增大了快進快退時的進液流量。

2 關鍵技術的具體實現

2.1 參數計算

在設計液壓系統的過程中，各個關鍵元件的參數計算是至關重要的，直接關系到液壓系統是否能夠有效的運行。其中，液壓系統、液壓泵以及執行元件的壓力、流量等參數是最為重要的，因此，在計算液壓系統的關鍵參數時，主要對以上參數進行計算。

本文使用的是半精加工機床，這種機床設計壓力一般為3MPa～5MPa，因此可取此組合鉆床的系統額定工作壓力為3.9MPa。

而執行元件的工作壓力，則需要根據外負載等參數來進行計算，在快進和快退過程中，外負載只是執行元件在運動過程中的摩擦力，而慢速工進過程中，執行元件所受到的外負載不僅有運動的摩擦力，還存在加工機械零件時阻力，需要注意。同時，因為執行元件的換向回路為差動連接，則在計算工作壓力時，可根據以下公式計算：

式中：Pi為快進、快退及工進時的工作壓力，MPa；

Fi為快進、快退及工進時的外負載，N；

Ai為有桿腔和無桿腔的工作面積，mm2；

基于煙草企業的實際情況，應該首先實現系統的關鍵功能，包括生產計劃、質量管理、庫存管理和原料管理，以及對關鍵的工序或者工段的生產管理。所以，系統的設計主要針對這些內容。

Pj為快進、快退及工進時Pi反向的工作壓力，MPa。

執行元件的所需流量則應根據其運動速度的要求來確定，在快進、快退的過程中，則需要的流量大，在工進的時候則需要的流量小，根據以下公式進行計算：

式中：Qi為快進、快退及工進時需要的流量，L/min；

Ai為有桿腔和無桿腔的工作面積，mm2；

vi為快進、快退及工進時的速度，m/s。

液壓泵的額定流量則根據執行元件的流量來確定，即其額定流量要大于執行元件的最大流量，如下式：

式中：Qbeng為泵的流量，L/min；

Qmax為執行元件的最大流量，L/min。

2.2 系統建模與仿真

AMESim軟件具體包括草圖模式、子模型模式、參數模式和仿真模式四種工作模式，用戶可以按順序搭建模型、選擇子模型、設置子模型參數、設置仿真參數并進行仿真及后處理。

根據以上內容可知，液壓系統是由雙聯葉片泵、換向回路以及調速回路等部分組成，以實現快進、快退以及工進等動作。因此，對液壓系統建模就是要將各個關鍵部分分別建模，以實現相應功能，從而進行組合。為提高仿真的有效性，避免使用HCD等庫對相關部件進行建模，僅使用AMESim中現有模型，這樣可避免因參數過多，結果不準確的問題。在搭建液壓系統的仿真模型中，主要根據液壓系統的物理結構以及相互關系建立模型，液壓系統仿真模型如圖2所示。

2.3 仿真結果分析

由上可知，液壓系統的仿真模型已經建立，接下來可通過通過子模型模式、參數模式以及仿真運行模式對液壓系統進行仿真，主要是對執行元件在快進、快退以及工進的過程中，驗證壓力、流量的準確性及合理性[5]。

圖2 組合鉆床液壓系統仿真模型

圖3 液壓系統工作壓力變化仿真曲線

圖4 液壓系統流量變化仿真曲線

圖3～圖4為液壓系統仿真結果，具體分析如下：

當組合機床處于啟動和快進階段時，此時由大排量液壓泵供油，在高壓油液的作用下，液壓缸工作壓力及流量瞬間升高，使得速度瞬間增大；

當組合機床處于工進階段，在外部負載的作用下，液壓缸的工作壓力迅速提升，并為滿足工進高壓小流量的要求，由小排量液壓泵為液壓缸供油，流量減小，使執行元件速度降低，滿足了工進速度的要求，同時，在換向閥換向的時候，壓力未發生較大波動，并且在短時間內回歸到平穩值，完全滿足動作要求；

當組合機床處于快退階段，此時為了能夠實現快速退回的動作要求，有大排量液壓泵供油，流量迅速提高，速度升至要求值。

綜上所述，本文設計的液壓系統能夠滿足組合機床快進、快退、工進以及原位停止的動作要求，且通過仿真結果表明，各項設計參數均滿足設計要求，數據準確，能夠實現平穩換向，滿足了設計要求，平穩可靠。

3 結論

本文設計了一種組合機床用液壓系統，此液壓系統通過使用雙聯液壓泵、差動回路以及電液換向閥等液壓元件，可以實現快進快退以及慢速工進等動作，具有靈敏度高、換向沖擊小、能耗低、液壓系統結構簡單等特點，通過計算液壓系統中各主要關鍵元件的性能參數，應用AMESim建立組合鉆床液壓系統的仿真模型，并對其進行仿真分析，驗證了本文設計的液壓系統合理可靠，為今后組合鉆床液壓系統的設計提供了一定的理論依據與參考，同時，通過此液壓系統的設計，有效提高了液壓機床的工作效率，確保機械工件的穩定生產。

[1]朱育權.立式回轉工作臺式組合機床液壓系統設計[J].液壓與氣動,2005,(10)：51-55.

[2]徐振法,吳芳,陳中虎.組合機床液壓系統設計[J].機械工程師,2009(5)：44-45.

[3]Wilfrid Marquis-Favre,Eric Bideaux,Serge Scavarda.A planar mechanical library in the AMESim simulation software.Part II：Library composition and illustrative example.Simulation Modeling Practice and Theory .17 March 2005.

[4]IMAGINE.AMESim 4.2 User Manual.IMAGINE S.A.,2004.

[5]余佑官,龔國芳,胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用.液壓氣動與密封.2005,(3)：28-31.