落地镗主轴箱前吊点液压补偿油缸行程计算方法研究

尤敏志杨明

摘要：落地镗主轴箱前吊点液压补偿是一项落地镗产品用来补偿滑枕伸出低头现象的常用技术，补偿油缸的行程多数凭借经验选定。本文通过力学分析的方法推导出补偿油缸行程的计算方法，并通过实际测量予以验证。

关键词：主轴箱；补偿；油缸行程；力学分析

1 概述

落地镗主轴箱前吊点液压补偿是一项落地镗产品用来补偿滑枕伸出低头现象的常用技术，它能够帮助我们在不使用数控系统补偿的前提下较好的保证滑枕运行(z轴)的直线度。目前我公司落地镗产品普遍使用该项技术，其中补偿油缸行程的选定是非常重要的环节。本文针对落地镗主轴箱前吊点液压补偿油缸行程的计算方法进行研究与总结，。

2主轴箱前吊点液压补偿技术基本原理

落地镗主轴箱通过前后两根钢丝绳（或链条）与平衡锤连接，当滑枕运行伸出时，因重心前移会出现明显低头现象。为了补偿滑枕低头，我们在前吊点设置成一个液压油缸，通过电液比例阀改变油缸压力改变前吊点钢丝绳拉力从而改变主轴箱姿态。在每台机床调试阶段我们通过试验得到一组补偿油缸压力p与滑枕伸出距离z相关的函数p(z)，然后通过预设的补偿程序控制油压按函数p(z)随着滑枕伸出而变化，最终达到补偿滑枕低头的目的，保证滑枕运行的直线度。

3补偿油缸行程计算方法研究[1][2]

为了保证主轴箱前吊点补偿能力足够，补偿油缸必须具备足够的行程。在公司落地镗新产品的设计过程中我发现该补偿油缸行程的选定都是凭以往的经验，并没有一个准确的计算方法。为此我通过力学分析方法推导得出了该油缸行程的计算方法，并在本文分享给大家，以下是全部分析推导过程：

根据钢丝绳(或链条)的力学性能我们知道钢丝绳拉力F随其伸长量增加而增大，设其函数关系为:

；(1)

为钢丝绳未拉伸初始长度；

当Z轴在零点位置时有：

  (2)

(3)

分别为钢丝绳A，B的拉力；分别为钢丝绳A，B的伸长量；G为平衡锤重力大小；A为补偿油缸油压作用面积；

当滑枕伸出距离z时，油缸压力由升至，此时有：

(4)

（5）

∵，∴，结合(2)(4)可得:

根据函数（1）的单调性我们可以得到：,;

即随着滑枕伸出前吊点钢丝绳A的拉力与伸长量逐渐增大，后钢丝绳B的拉力与伸长量逐渐减小。结合机床特性，在滑枕伸出的过程中主轴箱沿Y轴上下位置不变，而滑枕伸出距离z时相对于滑枕在零点位置后钢丝绳B缩短了εB，那么平衡锤必然也随之上升εB，与此同时前钢丝绳A伸长了εA。根据几何关系我们可以得到滑枕伸出距离z时油缸活塞移动的距离s为：

（6）

显然，得到(6)式后，我们计算补偿油缸行程方向就明确了，只需要求出极限情况前后钢丝绳长度的变化量即可，结合(1)(2)(3)(4)(5)式可得：

（7）

故油缸行程为，即油缸行程等于两根钢丝绳承受等同平衡锤重力的拉力时的伸长量之和,我们计算补偿油缸行程时就只需要分别计算出前、后吊点两根钢丝绳在拉力等于主轴箱平衡锤重力时的伸长量即可。

4实测验证

为了验证以上结果的正确性，我针对(6)式在机床上进行了实测验证，分别在滑枕伸出300mm、600mm、900mm、1200mm时测量了活塞的位移s、前钢丝绳伸长量εA以及后钢丝绳缩短量εB，测量数据如下：

	滑枕伸出距离z/mm
	0	300	600	900	1200
活塞位移s/mm	0	6	14.5	18	23
前钢丝绳伸长εA/mm	0	3.3	7.6	9.6	12.1
后钢丝绳缩短εB/mm	0	3	7	8.6	11

由于钢丝绳长度变化使用比照的方法测量，误差稍大，但测量结果基本符合分析结果，验证了其正确性

5.总结

本文通过对落地镗主轴箱前吊点补偿结构进行力学分析，得到了补偿油缸行程的计算方法，并通过实际测量验证了其正确性。不同落地镗产品主轴箱液压补偿结构还存在一些差异，尽管文中的计算不能完全适用于全部种类，但其原理与分析方法却是可以借此举一反三的。希望本文分享的内容能够为读者们进行同类问题计算时提供参考。

参考文献

[1] 苏振超. 理论力学. 华中科技大学出版社，2018．

[2]倪樵. 材料力学(第二版). 华中科技大学出版社，2007

作者信息

尤敏志 武汉重型机床集团有限公司 工程师

杨明   武汉重型机床集团有限公司 工程师