新型節(jié)能兩面頂金剛石液壓機(jī)的研究開發(fā)

董 平

(河南黃河旋風(fēng)股份有限公司,河南長葛461500)

近年來,社會對高品質(zhì)金剛石的需求量不斷擴(kuò)大,而兩面頂金剛石液壓機(jī)生產(chǎn)出的金剛石品質(zhì)較六面頂金剛石液壓機(jī)生產(chǎn)出的金剛石品質(zhì)高,并且兩面頂金剛石液壓機(jī)的操作空間較六面頂金剛石液壓機(jī)大,實現(xiàn)自動化生產(chǎn)加工更加簡單方便,所以兩面頂金剛石液壓機(jī)在國內(nèi)外均得到了長足的發(fā)展,但其也是基于傳統(tǒng)液壓機(jī)的機(jī)型,大多是采用增壓器[1]提高工作液體的壓力達(dá)到降低液壓缸尺寸及液壓機(jī)臺面的目的。由于液壓力較高,所以在長時間保壓的時候,采用蓄能器給液壓缸補油以達(dá)到保壓目的方法已不再實用,通常采用高壓小流量泵補油保壓,而這將產(chǎn)生很大的能源消耗。為了解決以上問題本文研發(fā)了新型節(jié)能兩面頂金剛石液壓機(jī)。

1 工藝分析與技術(shù)可行性分析

金剛石合成腔體的直徑由以前的12 mm發(fā)展到現(xiàn)在的22、25、30、35 mm不等,高度通常在70～90 mm,合成成品高度通常在40～50 mm,壓機(jī)有效做功行程30～80 mm,行程相對較小[1]。在壓制過程中,壓制壓力隨合成塊高度的降低不斷上升,中間伴有間歇性保壓過程,其壓制壓力隨時間變化示意圖如圖1所示。當(dāng)壓機(jī)設(shè)計成液壓缸、桿組組合機(jī)構(gòu)時,液壓力一定,液壓缸的壓力也一定,通過桿組機(jī)構(gòu)輸出的壓制壓力將在桿組機(jī)構(gòu)死點位置達(dá)到最大值,而這個最大值理論上可以達(dá)到無窮大。綜上所述,采用桿組機(jī)構(gòu)和液壓缸組合的形式完全可以滿足壓制壓力和合成塊壓縮量、時間的工藝關(guān)系,采用此方案是完全可行的。

圖1 壓制壓力隨時間變化圖

2 機(jī)構(gòu)分析

結(jié)合四柱液壓機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計如圖2所示的機(jī)構(gòu)簡圖[3],桿組機(jī)構(gòu)關(guān)于液壓缸軸線左右對稱。

機(jī)構(gòu)自由度計算：根據(jù)結(jié)構(gòu)左右對稱特性,可觀察出結(jié)構(gòu)的虛約束個數(shù)為A、F、G、B(復(fù)合鉸鏈)四處,構(gòu)件為活塞桿、a桿、b桿、c桿、EF(d)桿5個,有低副B、C、D、E滑塊、EF導(dǎo)軌、液壓缸活塞導(dǎo)向環(huán)七處,其中D為復(fù)合鉸鏈,引入兩個低副,則可根據(jù)自由度計算公式[4]計算,顯然整個機(jī)構(gòu)為單自由度機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)設(shè)計合理,采用單缸驅(qū)動即可滿足動作要求。

式中：S-機(jī)構(gòu)自由度,n-構(gòu)件數(shù),PL-低副數(shù)量,Ph-高副數(shù)量。

3 液壓缸出力、行程與速度分析

不考慮摩擦力和結(jié)構(gòu)件的重量,根據(jù)理論力學(xué)的知識可推導(dǎo)出液壓缸的輸出力F和合成塊的承壓反力P的關(guān)系[2]：

根據(jù)幾何方程可得滑塊行程和液壓缸行程(B點位移)的關(guān)系式(β=90°時,滑塊位于最低點為零點)：

式中：c＞a＞b＞0,d=2a,0°＜β＜90°,0°＜α＜90°,0°＜θ＜90°,F-液壓缸輸出力,P-工作壓力,L-滑塊行程,V-滑塊速度。

圖2 機(jī)構(gòu)簡圖

4 各桿長度及壓力的確定方法

在給定了a、b、c、d各桿的長度后,可采用作圖法或解析法確定液壓缸最大行程和最大出力,進(jìn)而確定使用的液壓力和液壓泵流量。

在這里給出確定各桿長度的方法,根據(jù)合成模具的外徑確定a桿的長度,在此暫取合成模具外徑為D,壓制壓力的PT,由此計算出立柱直徑d,可令,b值可取略小于a值,但要大于有效壓制行程的2～3倍,根據(jù)一般兩面頂金剛石液壓機(jī)有效壓制行程30～80 mm的特點,取b=350 mm,c桿長度取a、b兩桿長度和的接近值,暫取c=680 mm,并根據(jù)出力與行程的關(guān)系以及最終壓機(jī)空間位置結(jié)構(gòu)最終確定a、b、c的大小。

以上數(shù)據(jù)確定以后,根據(jù)滑塊處于初始加壓位置時所需的壓力確定液壓缸的直徑和液體的工作壓力,由此即可對各連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計。

5 功率分析

根據(jù)能量守恒原則,在金剛石合成過程中,金剛石生產(chǎn)所需的能量是恒定的,因此無論是采用何種結(jié)構(gòu),在原則上是不省功的,但是考慮到實際生產(chǎn)時需要保壓保溫工藝,而且這個時間通常是長時間的,在保壓保溫時的功率損失就顯得特別重要。在泵最小穩(wěn)定流量一定的情況下,可得功率關(guān)系式[5]：

式中：V-溢流功率損失,K-滑塊輸出力放大系數(shù),P-液壓力,A-液壓缸活塞面積,q-液壓泵最小穩(wěn)定流量。

在直接采用液壓缸保壓時,滑塊輸出力等于液壓缸出力K=1,當(dāng)增加桿組機(jī)構(gòu)以后,滑塊輸出力增益K＞1,在此合理設(shè)計桿組機(jī)構(gòu)可使K≥5,如按K=5計算,液壓力P將降低至1/K,即20%,按照液壓泵最小穩(wěn)定流量不變的情況下,即q一定,則整機(jī)的保壓功率損失將降低至1/K,即為直接采用液壓缸保壓功率的20%,直接節(jié)省80%的功率損耗,即每塊合成塊在變成金剛石成品時將比原有結(jié)構(gòu)減少近80%的能量損耗,顯著降低生產(chǎn)成本。

6 制造成本分析比較

通過比較生產(chǎn)成本和機(jī)械制造成本,采用此結(jié)構(gòu)后,除工作臺和原來等同以外,滑塊和上橫梁的受力形式均得到了改善,其重量下降,尤其是液壓缸將顯著降低制造成本,并且液壓系統(tǒng)壓力和流量得到降低,液壓泵額定液壓力降低,不必再采用增壓器,整個液壓站的制造成本也將顯著降低。雖然增加了a、b、c三連桿的制造成本,但此成本并未有過多增加,因此采用此新型結(jié)構(gòu)以后,液壓機(jī)的制造成本仍小于直接采用液壓缸加壓的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。

7 結(jié)論

通過比較分析可以發(fā)現(xiàn),采用新結(jié)構(gòu)以后,不但可以充分滿足使用功能的要求,而且液壓機(jī)的制造成本降低,尤其是使用和維修費用顯著降低,主要表現(xiàn)在能源消耗上,其次整個液壓系統(tǒng)使用壓力降低,使得整個液壓系統(tǒng)得到簡化,降低了液壓系統(tǒng)的維修難度。

[1] 袁公昱.人造金剛石合成與金剛石工具制造[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社,1992.

[2] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2009.

[3] 孫開元.常見機(jī)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用圖例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[4] 申永勝.機(jī)械原理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,1999.

[5] 劉延俊.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社,2007.

[6] 俞新陸.現(xiàn)代液壓機(jī)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.