Гидравлические системы уравновешивания (ГСУ), в зависимости от принципа действия, используют либо потенциальную энергию, запасаемую в гидроаккумуляторах, либо энергию внешнего источника питания, либо то и другое. Исполнительным элементом ГСУ, как правило, является гидроцилиндр, создающий уравновешивающее усилие, передаваемое на узел непосредственно или через подвеску.
По сравнению с противовесами гидросистемы уравновешивания имеют меньшую массу, габариты, допускают регулировку и управление усилием, позволяют вводить дополнительные средства защиты от падения узла, не создают динамических ограничений для повышения производительности. Их применение в станках не вызывает трудностей еще и потому, что эти станки имеют, как правило, значительное количество других гидрофицированных узлов. Обеспечение заданной точности уравновешивания достигается правильным выбором схемы и параметров гидравлического уравновешивания. По виду используемого источника энергии гидравлические системы уравновешивания можно разделить на 4 группы:
- системы аккумуляторные, с постоянной или периодической подпиткой от насоса;
- системы с одним или несколькими периодически подключаемыми нерегулируемыми насосами;
- системы с регулируемыми насосами;
- системы с регулируемыми обратимыми гидромашинами.
Принципиальные схемы гидросистем уравновешивания всех групп в упрощенном виде показаны на рис. 1.
Точность аккумуляторных гидравлических систем с постоянной подпиткой (рис. 1, а) определяется, в основном, отношением изменяемого объема гидроцилиндра к объему аккумулятора. Обычно это отношение выбирается не более, чем 1:20. Поэтому для станков с массами вертикально-подвижных узлов более 4-6 т и ходами более 1000-1500 мм размеры и количество аккумуляторов, необходимых для обеспечения требуемой точности, настолько велики, что делают эти системы неприемлемыми. При применении периодической подпитки достигается экономия потребляемой мощности, но точность поддержания усилия уравновешивания дополнительно снижается на величину разности давлений, при которых подключается и отключается подпитывающий насос. Потребляемая мощность аккумуляторных гидросистем уравновешивания определяется мощностью и режимом работы небольшого насоса подпитки; быстродействие при управлении давлением весьма мало из-за наличия большеобъемных аккумуляторов.
Рис. 1. Принципиальные схемы гидравлических систем уравновешивания
Аналогично аккумуляторной гидросистеме уравновешивания действует пневматическая система уравновешивания, где функции аккумулятора выполняет ресивер, подпитываемый от компрессора.
В системе с двумя нерегулируемыми насосами (рис. 1, б) производительность меньшего насоса определяется максимальной рабочей подачей при подъеме уравновешиваемого узла, а суммарная производительность насосов - скоростью установочных перемещений узла, обычно в несколько раз превышающей максимальную рабочую подачу. Больший насос подключается к гидроцилиндру уравновешивания только при ускоренных подъемах узла, в остальных режимах он разгружен. Точность системы определяется, в основном, характеристикой предохранительного клапана. Средняя потребляемая мощность и тепловыделение выше, а масса и габариты меньше, чем в аккумуляторных гидравлических системах уравновешивания. Мощность приводного электродвигателя насосов системы определяется мощностью, развиваемой при ускоренном подъеме узла. Быстродействие системы достаточно велико.
По мере расширения диапазона рабочих подач за счет увеличения максимальных подач экономичность такой гидросистемы уравновешивания снижается, поэтому ее не часто устанавливают на обрабатывающие центры с ЧПУ и станки.
Системы с регулируемыми насосами и редукционно-предохранительными клапанами (рис. 1, в) находят широкое применение в станках с ЧПУ, многооперационных станках, несмотря на то, что их средняя потребляемая мощность незначительно ниже, чем y гидросистем с двумя нерегулируемыми насосами. Это объясняется возможностью подключения к мощному регулируемому насосу, снабженному регулятором давления, других гидросистем станка, особенно таких, где требуется давление, превышающее давление в гидроцилиндре уравновешивания. Точность такой гидравлической системы уравновешивания определяется характеристикой редукционно-предохранительного клапана, через который масло при подъеме узла подается от насоса в гидроцилиндр, а при опускании - вытесняется из гидроцилиндра на слив и производительность насоса равна нулю. Для снижения динамической ошибки к гидролиниям, соединяющим насос с клапаном и клапан с гидроцилиндром подключают через дроссели небольшие гидроаккумуляторы; параметры дросселя и аккумулятора определяются на основании динамического расчета гидросистемы уравновешивания.
Гидравлическая система уравновешивания с регулируемым насосом компактна, имеет небольшую массу, высокое быстродействие. Однако, управление давлением гидроцилиндре в широком диапазоне затруднено, т. к. по соображениям экономичности и ограничения тепловыделений требуется одновременно управлять двумя элементами - клапаном и регулятором насоса. При этом разность давления на выходе насоса и в гидроцилиндре поддерживается минимально достаточной для работы клапана, обычно около 1,0...1,5 МПа.
Системы с обратимыми гидромашинами, снабженными регуляторами давления (рис. 1, г), имеют точность, массу, габариты, быстродействие практически те же, что и у гидросистемы уравновешивания с регулируемыми насосами, однако они значительно экономичнее и удобнее при управлении давлением. При подъеме узла гидромашина работает в режиме насоса и питает гидроцилиндр. При опускании узла масло вытесняется из гидроцилиндра на слив через гидромашину, переходящую в режим гидромотора. В этом случае тормозной момент на валу гидромашины создает приводной электродвигатель, переходящий в генераторный режим и отдающий часть энергии в сеть. Средняя потребляемая мощность системы определяется, в основном, потерями в гидромашине и составляет, обычно, 10...15% максимальной мощности, потребляемой при ускорении подъема узла. Точность поддержания давления в гидроцилиндре определяется характеристикой регулятора гидромашины, управление давлением может быть как ручным, так и дистанционным в зависимости выбранного типа регулятора. Возможно подключение к выходу гидромашины и других гидросистем станка, давление в которых не превышает давления в гидроцилиндре уравновешивания.
Гидравлические системы управления на базе обратимых гидромашин особенно эффективны, когда давление в гидроцилиндрах уравновешивания необходимо изменять в широком диапазоне. Примером может служить двухканальная гидросистема уравновешивания станка с массивным ползуном, горизонтально перемещаемым относительно поперечины, имеющей вертикальный ход (рис. 2, а).
Два гидроцилиндра уравновешивания, установленные в передней и задней частях поперечины, соединены гидролиниями с регуляторами гидромашины. Давления в гидроцилиндрах изменяются в зависимости от горизонтальной координаты ползуна по сигналу от системы ЧПУ, подаваемого на регуляторы гидромашины, и поддерживаются постоянными при вертикальных перемещениях поперечины (рис. 2, б). Возможна подача дополнительной команды при установке на ползун навесной головки, а также реализация других, более сложных алгоритмов управления усилиями гидросистемы уравновешивания.
Рис. 2. Принципиальная схема двухканальной гидросистемы уравновешивания: 1 - поперечина вертикального перемещения; 2 - ползун с горизонтальным перемещением; 3 - привод вертикальной подачи; 4 и 5 - гидроцилиндры; 6 - датчик координаты X; 7 - устройство ЧПУ; 8 - усилитель; 9 и 10 - гидроаккумуляторы; 11 и 12 - дроссели; 13 и 14 - датчики давления; 15 и 16 - обратимые гидромашины; 17 и 18 - регуляторы давления; 19 - тормозная муфта; 20 - гидроклапан управления тормозной муфтой; 21 - гидрозамки
Удобство управления, компактность, высокое быстродействие и экономичность делают гидравлические системы уравновешивания с обратимыми гидромашинами весьма перспективными для тяжелых станков с ЧПУ.
В гидравлических системах уравновешивания обычно используют плунжерные гидроцилиндры, имеющие наиболее простую и технологичную конструкцию. Однако, при значительных вертикальных перемещениях размещение гидроцилиндра с ходом, равным ходу уравновешиваемого узла, затруднительно, а иногда невозможно. В таких случаях применяют телескопический гидроцилиндр специальной конструкции (рис. 3), обеспечивающий одновременное выдвижение всех ступеней. Тем самым достигается постоянство усилия и скорости плунжера гидроцилиндра при постоянном подводимом давлении и расходе рабочей жидкости. При равенстве всех ступеней площади F1 и F2, F3 и F4 выполняются попарно равными, суммарный ход равен сумме ходов ступеней, а наименьшая длина гидроцилиндра лишь незначительно превышает длину одной ступени. Недостатком такого гидроцилиндра является то, что его диаметр значительно превышает диаметр плунжера, определяющий эффективную площадь и развиваемое усилие.
Рис. 3. Конструкция телескопического гидроцилиндра
Особенностью всех гидросистем уравновешивания является исчезновение уравновешивающего усилия при выключении гидросистемы. Усилие уравновешивания может исчезнуть или снизиться и при аварии, например, при обрыве подводящей гидролинии. Для защиты от падения узла обычно применяют тормозную муфту (см. рис. 1, а, Механические системы уравновешивания), стопорящую ходовой винт привода вертикальной подачи за счет усилия пружины. Отжим муфты происходит за счет подачи в ее гидроцилиндр масла при давлении, соответствующем давлению в гидроцилиндре уравновешивания. Это давление, определяемое настройкой пружины муфты, должно превышать максимальную величину, при которой возможно самопроизвольное опускание узла под действием силы тяжести. В то же время давление, при котором начинается зажим муфты, должно быть меньше минимального рабочего давления в гидроцилиндре уравновешивания. Выполнение этих двух условий особенно сложно или даже невыполнимо в гидросистемах уравновешивания с переменными массами уравновешиваемых узлов и усилиями уравновешивания, а также в двухканальных гирдосистемах уравновешивания. В таких системах для управления тормозной муфтой применяют специальные гидравлические клапаны, один из которых показан на рис. 3, а. Настройкой пружины клапана обеспечивается подключение гидроцилиндра тормозной муфты (отжим узла), если сумма давлений в гидроцилиндрах уравновешивания превышает величину, достаточную для исключения падения узла, и обеспечивает опорожнение гидроцилиндра муфты на слив (зажим узла) при недопустимом уменьшении суммы давлений или выключении гидросистемы.
Дополнительным средством, предохраняющим от опускания уравновешиваемый узел, являются гидрозамки (см. рис. 3, а), устанавливаемые, по возможности, непосредственно перед гидроцилиндром уравновешивания.
