郑玉龙

摘 要：论文中介绍了液压平衡系统的技术特点，并以数控机床为例，介绍了在数控机床液压平衡系统的分类、典型液压平衡系统的工作原理及优化液压平衡系统的工作过程。

关键词：数控机床；液压平衡；电磁阀

引言

随着我国机械加工业的快速发展，机械零件加工的质量和效率越来越引起人们的重视，能源要求日益高涨，有效利用能源已成为行业最大目标。在这其中，从机床降低自身消耗的角度进行研究能对提高其性能做出重大贡献。液压系统是数控机床的重要组成部分，许多机床或机电设备的执行机构是沿垂直方向运动的，对于机床来说，如何使用液压平衡垂直运动部件的重量和压力系统的稳定工作一直是个需要认真考虑的问题。

1 机床平衡系统的分类

通常平衡的方法主要有三种：第一种是当垂直运动部件的重量较轻时，可采用直接加粗传动丝杠，加大电机扭矩的方法，但这样将使得传动丝杠始终承担着运动部件的重量，导致单面磨损加重，影响机床精度的保持性。第二种是使用平衡重锤，使用重锤配重不仅增大体积、重量和占地空间，而且在立柱启动、停止和速度转换时，由于重锤的惯性，对主轴的运动速度和位移精度将会有很大的影响。第三种是液压平衡法，它可以避免前面两种方法所出现的问题。液压平衡回路的功能在于使液压执行元件在回油路上始终保持一定的背压力，用来平衡机构重力负载对液压执行元件的作用力，使之不会因自重作用而自行下滑，实现液压系统对机床设备动作的平稳、可靠控制。

对于标准的机床主轴平衡液压系统有着以下的三个要求：（1）为了保证主轴驱动的伺服电机的定位精度，主轴上下运动时的平衡油缸中的平衡力的差值越小越好。（2）机床停机以后主轴在一段时间中需要保持一定的主轴平衡力，这样要求液压系统在停机以后油缸中依然可以保持一定时间的压力。（3）主轴定位夹紧后，机床主轴仍然需要平衡力的保持，为了减少主轴丝杠的磨损，提高丝杠的使用寿命，平衡压力应控制在4bar左右的范围之内。

2 典型液压平衡系统原理分析

机床主轴平衡液压系统有多种配置形式，其中最常用的配置基本上由变量泵、溢流阀、减压阀和压力继电器组成。

在该系统中，主轴上升时变量泵排量为最大，变量泵为平衡油缸供油。主轴下降时变量泵处于泄荷状态，主轴下降依靠平衡阀进行压力平衡。主轴需要在任意位置停止并保持压力，此时的变量泵需要不断的以小排量为系统供油，以保证主轴停止状态依然可以保持有平衡力。如图1所示。主轴的上升与下降所需要的动力能耗，从物体能量守恒的原理看，主轴的重量上升是积蓄势能释放动能的过程，而主轴的下降是释放势能积蓄动能的过程。所以整个过程中能量是不变的。而这一过程中真正能力需要损失的应该是液压的泄漏量——液压的管路损失和机械（如油缸）的摩擦损失。而所有这些损失相对于主轴的上升和下降的需要的保持主轴的平衡力不变的能量是微乎其微的。主轴处于一个相对静止的位置，如果液压可以锁定，本身这一能耗是完全不必要提供的，也就不需要有任何能量的损耗。

3 液压平衡系统和夹紧系统的优化

基于以上的分析，在这套液压系统中不需要太多的能耗，主要的能耗也就是些压力损耗和摩擦，基于以上几点思考，为实现“零”能耗的机床主轴液压平衡系统和夹紧系统的优化，机床主轴液压平衡系统变为了图2显示的结果。

3.1 选用零泄漏截止阀

零泄漏是这个系统中最关键的问题。从原理图中可以看到溢流阀和单向阀都很容易达到零泄漏的。但是这个减压阀是一种常开式的压力阀，如果需要减压就需要将此阀处与开启状态。同时从原理图中也可以看到减压阀是有泄漏油的，不论是内泄还是外泄，总归是存在的，这也是为什么主轴在保持状态依然需要液压动力油的一个主要原因。元件全部选用截止式，溢流阀、换向阀和减压阀皆为截止式结构。特别是截止式减压阀是基于锥面截止原理设计的，具有良好的零泄漏性能。通过该阀可以确保压力油只在蓄能器和平衡油缸中传递，而无任何液压油的损耗。

3.2 选用可以频繁启停的浸油式电机泵站

该泵站基于节能的考虑使用的是变量柱塞泵为油源，在主轴上升时需要大流量供油时变量泵才将摆角置于最大位置，而在下降和主轴保持状态不需要大流量的将泵的排量变小。现在这样的泵站也有使用变频电机的，其目的就是在不需要大能耗的时候将能量减少到最小。从节能的角度上看已经达到了节能的作用，但是如果需要真正达到“零”能耗，最直接的想法就是关掉电机。但小排量的泵，再怎么变频，只要电机处于启动状态就一定会有能量的损耗，只有彻底将这个电机关掉才可以向“零”能耗迈进。关掉电机，在需要的时候再将电机启动，这就需要电机具有良好的启停性能。泵站选用浸油式电机泵站。这里所说的“浸油式”是指不仅是柱塞泵浸于液压油中，而且电机也将浸于液压油中，这样一方面可以减少电机的发热，另一方面可以提高电机的启停性能，减少电机启停时产生的电流冲击。

3.3 选用较大的蓄能器

前面阐述的主轴在上下运动过程中能量理论上是没有变化的，而原液压系统中由于没有能量储存的元件，所以主轴下降时的势能通过溢流阀“泄荷”回油箱了，原系统中的蓄能器由于规格较小只起到了减震的作用，而没有起到蓄能的作用。所以选择一个较大的蓄能器，既满足节能，又保持主轴的上升和下降时的平衡力差值不大。根据机床主轴的重量、运动速度、油缸的缸径大小和油量变化的大小确定蓄能器的大小。越大的蓄能器可以减少主轴上下运动的平衡差值。但太大的蓄能器一方面增加安装空间和麻烦，同时泵站的油箱也需要加大，以增加补充的油的体积。但是对于“零”能耗的极致液压系统中，每一滴液压油的使用都是在此需要考虑的，其实节能的基本方法就是细致计算，而不是粗放型计算。所以既然想节能就需要在每一个细节上周全考虑。在这个方面，此台液压系统的蓄能器选用16L的优质蓄能器就达到了非常良好的效果。液压系统的供油压力，非常接近最高压力，能够充分利用蓄能器的有效输出体积，有利于提高系统的动态性能。

4 结束语

自从帕斯卡提出静压传递原理以来，液压技术已经发展了三百多年。由于武器工业的发展，大大地促进了液压技术的发展，到了现在，随着制造业和材料科学的发展，以及其他行业对大功率应用场合的都切需求，更是极大地刺激和带动了液压行业的长足发展，在原有液压技术基础上将研发出更先进的液压元器件和设计理念。