基于AMESim的组合钻床动力滑台液压系统的设计

孙胜伟

（滨州学院 机电工程系，滨州 256603）

0 引言

随着科学技术的发展，机械零部件一体化程度不断提高，因为加工的形状日益复杂，导致机械加工的要求越来越高，使得复合、多功能、多轴化控制装备的前景逐渐被看好，而组合钻床作为液压机床中最具有代表性的一种钻床设备，其具有广泛的应用性，可对零件进行钻孔、扩孔、铰孔、惚平面和攻螺纹等加工。此外，在钻床上配有工艺装备时，还可以进行镬孔，在钻床上配万能工作台还能进行钻孔、扩孔、铰孔，这使得组合钻床得到了较快的发展[1,2]。

但就目前来看，组合钻床在设计上还存在着一定的不足，如在供液回路上，其多采用限压式变量叶片泵，这就导致当遇到流量剧变时，定子反应滞后，液压冲击极大；当存在不平衡的内部径向力时，便产生较大的压力波动和噪音，造成工作平衡性差等问题。此外，在反应速度上，不能达到组合机床快进快退的要求，假如加大了流量从而提高速度，就会造成换向时的冲击，对机床造成极大的损坏，降低了其使用寿命，并且影响机械零部件的正常生产。

因此，需要设计一种，可以实现快进快退以及慢速工进等动作，具有灵敏度高、换向冲击小、能耗低、液压系统结构简单等特点的液压系统，从而有效提高了液压机床的工作效率，确保机械工件的稳定生产。

1 液压系统的工作原理及组成

根据以上分析可知，组合钻床的液压系统需要实现快进快退以及慢速工进等动作，并具有液压冲击小、灵敏度高等特点，因此，将使用双联液压泵作为液压源为系统供油，在换向回路上使用电液换向阀，能够使执行元件的进液回路及出油回路形成差动回路，提高执行元件的速度，在调速回路上，采用行程阀与调速阀并联的方式，确保快进快退及慢速工进动作的实现。液压系统原理图如图1所示。

图1 组合钻床动力滑台液压系统

在完成快进、快退、慢速工进以及停止原位等动作时，由以上各个液压元件相互配合来完成。

双联液压泵是由大排量泵和小排量泵组成，当完成快进快退动作时，由大排量泵工作为系统供油；当完成慢速工进动作时，有小排量泵为系统供油，避免了油液的浪费，从提高液压系统的工作效率。

电液换向阀能够通过液压系统中的工作压力来控制换向阀的换向，工作平稳可靠，有效避免了液压冲击，同时，通过构成差动回路，增大了快进快退时的进液流量。

2 关键技术的具体实现

2.1 参数计算

在设计液压系统的过程中，各个关键元件的参数计算是至关重要的，直接关系到液压系统是否能够有效的运行。其中，液压系统、液压泵以及执行元件的压力、流量等参数是最为重要的，因此，在计算液压系统的关键参数时，主要对以上参数进行计算。

本文使用的是半精加工机床，这种机床设计压力一般为3MPa～5MPa，因此可取此组合钻床的系统额定工作压力为3.9MPa。

而执行元件的工作压力，则需要根据外负载等参数来进行计算，在快进和快退过程中，外负载只是执行元件在运动过程中的摩擦力，而慢速工进过程中，执行元件所受到的外负载不仅有运动的摩擦力，还存在加工机械零件时阻力，需要注意。同时，因为执行元件的换向回路为差动连接，则在计算工作压力时，可根据以下公式计算：

式中：Pi为快进、快退及工进时的工作压力，MPa；

Fi为快进、快退及工进时的外负载，N；

Ai为有杆腔和无杆腔的工作面积，mm2；

基于烟草企业的实际情况，应该首先实现系统的关键功能，包括生产计划、质量管理、库存管理和原料管理，以及对关键的工序或者工段的生产管理。所以，系统的设计主要针对这些内容。

Pj为快进、快退及工进时Pi反向的工作压力，MPa。

执行元件的所需流量则应根据其运动速度的要求来确定，在快进、快退的过程中，则需要的流量大，在工进的时候则需要的流量小，根据以下公式进行计算：

式中：Qi为快进、快退及工进时需要的流量，L/min；

Ai为有杆腔和无杆腔的工作面积，mm2；

vi为快进、快退及工进时的速度，m/s。

液压泵的额定流量则根据执行元件的流量来确定，即其额定流量要大于执行元件的最大流量，如下式：

式中：Qbeng为泵的流量，L/min；

Qmax为执行元件的最大流量，L/min。

2.2 系统建模与仿真

AMESim软件具体包括草图模式、子模型模式、参数模式和仿真模式四种工作模式，用户可以按顺序搭建模型、选择子模型、设置子模型参数、设置仿真参数并进行仿真及后处理。

根据以上内容可知，液压系统是由双联叶片泵、换向回路以及调速回路等部分组成，以实现快进、快退以及工进等动作。因此，对液压系统建模就是要将各个关键部分分别建模，以实现相应功能，从而进行组合。为提高仿真的有效性，避免使用HCD等库对相关部件进行建模，仅使用AMESim中现有模型，这样可避免因参数过多，结果不准确的问题。在搭建液压系统的仿真模型中，主要根据液压系统的物理结构以及相互关系建立模型，液压系统仿真模型如图2所示。

2.3 仿真结果分析

由上可知，液压系统的仿真模型已经建立，接下来可通过通过子模型模式、参数模式以及仿真运行模式对液压系统进行仿真，主要是对执行元件在快进、快退以及工进的过程中，验证压力、流量的准确性及合理性[5]。

图2 组合钻床液压系统仿真模型

图3 液压系统工作压力变化仿真曲线

图4 液压系统流量变化仿真曲线

图3～图4为液压系统仿真结果，具体分析如下：

当组合机床处于启动和快进阶段时，此时由大排量液压泵供油，在高压油液的作用下，液压缸工作压力及流量瞬间升高，使得速度瞬间增大；

当组合机床处于工进阶段，在外部负载的作用下，液压缸的工作压力迅速提升，并为满足工进高压小流量的要求，由小排量液压泵为液压缸供油，流量减小，使执行元件速度降低，满足了工进速度的要求，同时，在换向阀换向的时候，压力未发生较大波动，并且在短时间内回归到平稳值，完全满足动作要求；

当组合机床处于快退阶段，此时为了能够实现快速退回的动作要求，有大排量液压泵供油，流量迅速提高，速度升至要求值。

综上所述，本文设计的液压系统能够满足组合机床快进、快退、工进以及原位停止的动作要求，且通过仿真结果表明，各项设计参数均满足设计要求，数据准确，能够实现平稳换向，满足了设计要求，平稳可靠。

3 结论

本文设计了一种组合机床用液压系统，此液压系统通过使用双联液压泵、差动回路以及电液换向阀等液压元件，可以实现快进快退以及慢速工进等动作，具有灵敏度高、换向冲击小、能耗低、液压系统结构简单等特点，通过计算液压系统中各主要关键元件的性能参数，应用AMESim建立组合钻床液压系统的仿真模型，并对其进行仿真分析，验证了本文设计的液压系统合理可靠，为今后组合钻床液压系统的设计提供了一定的理论依据与参考，同时，通过此液压系统的设计，有效提高了液压机床的工作效率，确保机械工件的稳定生产。

[1]朱育权.立式回转工作台式组合机床液压系统设计[J].液压与气动,2005,(10)：51-55.

[2]徐振法,吴芳,陈中虎.组合机床液压系统设计[J].机械工程师,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,龚国芳,胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用.液压气动与密封.2005,(3)：28-31.