2種冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)的分析對比

李思奇，馮文成，姚萬貴

(北京機電研究所，北京 100083)

冷擺動輾壓是一種先進的連續(xù)局部成形的塑性加工工藝，具有加工變形力小、加工精度高、零件力學(xué)性能好等特點，在復(fù)雜盤類件和異形件的生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用前景[1－3]。

冷擺輾工藝需要使用冷擺輾機來完成。目前只有波蘭、瑞士、日本等能夠生產(chǎn)滿足正常使用的冷擺輾機，其中以瑞士Schmid公司生產(chǎn)的T系列冷擺輾機應(yīng)用最為廣泛[4－5]。我國從20世紀(jì)80年代開始試制冷擺輾機，至今未成功制造出可以實際生產(chǎn)的設(shè)備。進口冷擺輾設(shè)備售價過高，而國內(nèi)沒有可以替代的國產(chǎn)機型，這種現(xiàn)狀大大制約了我國冷擺輾工藝的推廣使用和技術(shù)發(fā)展[6－7]。鑒于這種情況，北京機電研究所著手研究國外冷擺輾機的性能特點并進行分析對比，為進一步開發(fā)國產(chǎn)冷擺輾機做準(zhǔn)備。

冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)的作用是為設(shè)備提供進給運動和進給力，是冷擺輾機的重要組成部分。由于現(xiàn)代鍛壓設(shè)備不僅要滿足速度、壓力等要求，更要在機電液一體化、數(shù)控智能化、系統(tǒng)集成化等方面滿足現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)需要[8－10]，因此在冷擺輾機的開發(fā)中，其液壓系統(tǒng)的設(shè)計顯得非常重要。文中選擇了在國內(nèi)應(yīng)用較多的波蘭PXW2000型和瑞士T200型冷擺輾機液壓系統(tǒng)，簡要分析了二者的工作原理，并在液壓閥、泵的選擇以及工作臺上升階段流量補充方式等方面對2種系統(tǒng)進行對比。

1 波蘭PXW200型冷擺輾機液壓系統(tǒng)分析

冷擺輾機工作過程中，要求在擺頭未接觸到工件之前，工作臺帶著工件快速上升，到達(dá)指定位置后變?yōu)槁偕仙⑻峁[輾過程所需要的變形力，上下模具接觸后還需要一段時間的保壓。保壓過程結(jié)束后，工作臺快速下降，到達(dá)指定位置后改為慢速下降并停止。

1.1 工作臺液壓系統(tǒng)概述

PXW200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，可以看出，系統(tǒng)由變量柱塞泵1輸出高壓油液，保證在擺輾過程中能夠提供足夠大的變形力，由變量葉片泵12輸出足夠大流量保證工作臺的回程速度。電磁溢流閥2和14的作用是在不需泵工作的階段卸荷，節(jié)省能源并減小液壓油溫升。單向節(jié)流閥10用作工作臺向下運動時的液阻，起到對液壓缸基座末端的緩沖作用，保護活塞和下缸。蓄能器15的作用是使控制油路的壓力穩(wěn)定，保證充液閥7的工作可靠性[11]。

圖1 PXW200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram lower table hydraulic system of PXW200 cold orbital forming machine

1.2 工作臺液壓系統(tǒng)工作循環(huán)簡介

工作循環(huán)開始時，泵12卸荷，泵1輸出油液經(jīng)單向閥3、換向閥6、單向節(jié)流閥10至工作臺A腔，使工作臺上升，同時由于B腔出現(xiàn)負(fù)壓，油箱中油液經(jīng)液控單向閥7進入B腔，工作臺實現(xiàn)快速上升。當(dāng)工作臺上升到一定高度時，閥5a端得電，泵1輸出油液經(jīng)換向閥5，6至工作臺缸A腔和B腔。由于B腔壓力升高，因此充液閥7不再打開，工作臺實現(xiàn)慢速上升和保壓。在設(shè)定的保壓時間結(jié)束后，泵1卸荷，泵12輸出油液經(jīng)單向閥13送至工作臺缸C腔。同時，由于換向閥4和換向閥6b端通電，B腔油液經(jīng)充液閥7回油箱，A腔油液經(jīng)換向閥6回油箱，工作臺實現(xiàn)快速下行。下降到一定高度后，換向閥4回中位，A，B腔油液同時經(jīng)換向閥6回油箱，此時由于換向閥6通徑較小，起到節(jié)流作用，工作臺實現(xiàn)慢速下行。到達(dá)指定位置后，泵1、泵12同時卸荷，各閥回中位，工作循環(huán)結(jié)束。PXW200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)時序見表1。

表1 PXW200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)時序Table1 Sequential chart of lower table hydraulic system of PXW200 cold orbital forming machine

2 瑞士T200型冷擺輾機液壓系統(tǒng)分析

2.1 工作臺液壓系統(tǒng)概述

T200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，在此系統(tǒng)中，變量柱塞泵1為系統(tǒng)提供高壓油液，雙聯(lián)齒輪泵7為工作臺提供足夠的流量并控制油路的油液。系統(tǒng)通過換向閥3，12和二通插裝閥3A，12A，12B來控制油液的方向。方向閥13用來給控制油路卸荷，壓力關(guān)斷閥8用來保護蓄能器，蓄能器9的作用是保證控制油路壓力，確保二通插裝閥的動作。電磁比例溢流閥用來調(diào)整泵1的出口壓力，電磁溢流閥14用來給泵7卸荷，溢流閥4用作安全閥，單向閥15的作用是產(chǎn)生背壓，使系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

圖2 T200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of lower table hydraulic system of T200 cold orbital forming machine

2.2 工作臺液壓系統(tǒng)工作循環(huán)簡介

工作循環(huán)開始時，泵1輸出油液經(jīng)二通插裝閥3A至工作臺缸下腔，泵7輸出油液經(jīng)二通插裝閥12A至工作臺缸下腔，同時，工作臺缸上腔油液經(jīng)12A至下腔，工作臺實現(xiàn)快速上升，此時比例溢流閥2溢流壓力為3 MPa。當(dāng)工作臺上升到一定高度時，閥12回中位，泵7卸荷，上腔油液經(jīng)電磁溢流閥14回油箱，工作臺實現(xiàn)慢速上升，此時比例溢流閥2溢流壓力為32 MPa。保壓時間結(jié)束后，泵1卸荷，泵7輸出油液至工作臺缸上腔，由于閥12b通電，下腔油液經(jīng)二通插裝閥12B回油箱，工作臺實現(xiàn)快速下行。下降到一定高度后，閥12回中位，閥5通電，下腔油液經(jīng)換向閥5回油箱，此時由于換向閥5通徑較小，起節(jié)流作用，工作臺實現(xiàn)慢速下行。T200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)時序見表2。

表2 T200型冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)時序Table2 Sequential chart of lower table hydraulic system of T200 cold orbital forming machine

3 2種冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)的比較

雖然2種冷擺輾機工作臺所完成的基本動作是一致的，但二者結(jié)構(gòu)有很大不同。波蘭PXW200型冷擺輾機設(shè)計年代較早，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，其控制系統(tǒng)也相對簡單，不易實現(xiàn)全自動化無人生產(chǎn)，系統(tǒng)升級空間有限。瑞士T系列冷擺輾機是在波蘭PXW系列冷擺輾機的基礎(chǔ)上，對其液壓系統(tǒng)進行了改進，改進后不僅更易于控制和實現(xiàn)全自動化無人生產(chǎn)，還具有生產(chǎn)監(jiān)控和自動診斷功能，大大提高了設(shè)備連續(xù)運行的能力。T系列冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，技術(shù)難度大，不適合我國當(dāng)前國情。以下從3方面對比這2種冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)。

3.1 液壓控制閥選用的對比

液壓控制閥的作用是控制液壓油的流向、壓力和流量，進而控制整個液壓系統(tǒng)的工作，因此，液壓控制閥的選擇影響著整個液壓系統(tǒng)的性能[12]。PXW200型冷擺輾機液壓系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的滑閥式液動電磁換向閥直接控制油液流向，使用普通先導(dǎo)溢流閥控制系統(tǒng)壓力。T200型的液壓系統(tǒng)則使用電磁閥做為先導(dǎo)閥控制二通插裝閥，以此實現(xiàn)油路控制，使用比例溢流閥控制系統(tǒng)壓力。

在方向控制閥的使用上，傳統(tǒng)的滑閥由于其結(jié)構(gòu)所限，可以集成化的換向閥的通流能力只有200 L/min，而且由于其閥芯尺寸大，行程大，導(dǎo)致響應(yīng)慢，換向時間長，因此不適合用于大流量系統(tǒng)[5]。目前冷擺輾機的公稱壓力已達(dá)到10000 kN，其工作臺所需要的流量已遠(yuǎn)超過滑閥的最大通流能力，因此用滑閥直接控制油液流向的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是不能滿足更大噸位冷擺輾機的系統(tǒng)要求的。相比之下，二通插裝閥使用小通徑電磁閥做先導(dǎo)閥，控制座閥開合的結(jié)構(gòu)，其通流能力大大增強，而且密封性好、內(nèi)阻小，特別適合高壓大流量液壓系統(tǒng)[13－15]，近些年來在鍛壓機械上也已得到廣泛使用[16]。另外，二通插裝閥與傳統(tǒng)滑閥相比響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，集成化程度高[17]，可大大減少漏油、振動、噪聲等故障，不僅使系統(tǒng)便于控制，同時提高了系統(tǒng)壽命。

在壓力控制閥的使用上，相比傳統(tǒng)的先導(dǎo)式溢流閥，比例溢流閥能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)壓力的連續(xù)控制，使系統(tǒng)更加集成化，并減小由于油液方向突然變化對系統(tǒng)的沖擊，使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。

由于二通插裝閥和比例溢流閥的優(yōu)勢明顯，應(yīng)用技術(shù)難度不大，成本適中，因此北京機電研究所設(shè)計的冷擺輾機工作臺液壓系統(tǒng)的液壓控制閥選用了二通插裝閥和比例溢流閥。

3.2 液壓泵選用對比

液壓泵是液壓系統(tǒng)中的核心元件，它將電動機的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，為系統(tǒng)提供壓力和流量。冷擺輾過程中的變形能量是由系統(tǒng)的高壓泵，即PXW200系統(tǒng)中的變量柱塞泵1和T200系統(tǒng)中的變量柱塞泵1提供的。

某著名液壓元件廠商生產(chǎn)的變量柱塞泵不同控制方式的壓力與流量關(guān)系示意如圖3所示。PXW200的液壓系統(tǒng)使用的變量柱塞泵是恒壓控制方式，其壓力與流量關(guān)系如圖3a所示，在系統(tǒng)壓力未達(dá)到調(diào)定壓力之前，泵向系統(tǒng)提供最大流量;當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到調(diào)定值時，保持泵的輸出油液壓力不變[18]。T200液壓系統(tǒng)則使用恒功率控制方式，通過功率限制器使泵的輸出功率保持近似恒定，隨著負(fù)載壓力的升高，輸出油液流量減小。另外，該種控制方式還可調(diào)整輸出壓力和流量的極限值，以滿足不同系統(tǒng)的需要，其壓力與流量關(guān)系如圖3b所示。2種控制方式的變量柱塞泵都適用于大流量下快進，而要求在很小流量下保壓的調(diào)壓系統(tǒng)[19]。恒功率控制變量泵的優(yōu)點是可以很容易地復(fù)合進壓力、流量控制等功能，還能通過附加閥控制系統(tǒng)進行控制，以此得到多種壓力-流量的輸出，滿足不同工藝的需求，但是這種控制方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價較高。相比之下，由于恒壓控制變量泵的生產(chǎn)應(yīng)用較廣，其成本較低，PXW200冷擺輾機系統(tǒng)中所使用的恒壓控制泵的成本已基本接近同等壓力排量的定量泵[20]。由此，北京機電研究所研制的冷擺輾機選用恒壓控制變量柱塞泵作為系統(tǒng)的高壓泵，既可滿足使用要求，又能降低研制成本。

圖3 壓力與流量的關(guān)系Fig.3 Pressure-flow schematic diagram

3.3 快速上升階段流量補充方式的對比

在工作臺快速上升階段，由于所需流量較大，出于控制成本考慮，上述2種變量柱塞泵所能輸出的最大流量均不能滿足要求，為此，二者選擇了不同的方式解決流量不足的問題。

PXW200液壓系統(tǒng)使用充液閥直接將油箱中油液補足至B腔，而T200液壓系統(tǒng)則使用附加低壓葉片泵和差動連接增速的方式補充柱塞泵流量的不足。前者結(jié)構(gòu)簡單實用，成本低，后者則充分利用了系統(tǒng)流量[21]，減小了油箱容積，使系統(tǒng)緊湊。在冷擺輾機實際使用中，油溫過高的問題一直存在，使用差動連接會進一步增大系統(tǒng)發(fā)熱量，需采用強制風(fēng)冷散熱方式，成本較高。綜合2種流量補充方法，北京機電研究所設(shè)計的冷擺輾機使用附加低壓大流量泵增大流量的方式補充不足流量，但不使用差動連接，以免系統(tǒng)過熱引起泄漏增加、密封老化等問題。

4 結(jié)語

PWX200型冷擺輾機液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，系統(tǒng)故障率高，液壓閥需經(jīng)常維護，不易實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的自動化，且換向閥的通流能力差，系統(tǒng)不適用于更大噸位的設(shè)備。T200型冷擺輾機液壓系統(tǒng)集成度高，抗污染能力強，容易實現(xiàn)連線自動化生產(chǎn)，但成本高昂，技術(shù)難度較大。由于采用差動連接補充流量，因此系統(tǒng)溫升較大，發(fā)熱嚴(yán)重。

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