板材液壓折彎試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)與電氣控制的研究

田 齊，郝 健

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153；2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

液壓折彎?rùn)C(jī)是一個(gè)典型的綜合機(jī)械、電氣、液壓、自動(dòng)化等技術(shù)于一體的產(chǎn)品。市場(chǎng)在售的折彎試驗(yàn)機(jī)多數(shù)是基于通用化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)一些板材進(jìn)行折彎試驗(yàn)時(shí)，有些執(zhí)行工況不符合特定要求，有些功能顯得冗余，帶來(lái)了較高的試驗(yàn)成本［1］。鑒于此，本文從液壓折彎?rùn)C(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方面，對(duì)板材液壓折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行研究。

1 液壓折彎?rùn)C(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［2］

1.1 基本參數(shù)與已知條件

本文研究的立式板料折彎試驗(yàn)機(jī)，其滑塊及折彎?rùn)C(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)采用液壓傳動(dòng)，要求通過(guò)電液控制實(shí)現(xiàn)如下工作循環(huán)：快速下降→慢速加壓（折彎）→快速回程（上升）。最大折彎力F＝1.2×105N、滑塊重力G＝200N、快速下降的速度v1＝10 mm／s、慢速加壓（折彎）的速度v2＝2 mm／s、快速上升速度v3＝20 mm／s、快速下降行程L1＝180 mm，慢速加壓（折彎）的行程L2＝20mm、快速上升的行程L3＝200mm、啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間Δt＝0.2s。滑塊及折彎?rùn)C(jī)機(jī)構(gòu)重量的平衡要求用液壓方式，以防自重下滑，滑塊導(dǎo)軌摩擦力可忽略不計(jì)。

1.2 執(zhí)行元件選擇

為方便折彎試驗(yàn)，液壓折彎?rùn)C(jī)采用立式布置，行程相對(duì)較小，且往復(fù)速度不同，所以選擇缸外圍固定的立置的單桿活塞缸作為液壓折彎試驗(yàn)機(jī)的執(zhí)行元件，帶動(dòng)壓塊及折彎?rùn)C(jī)構(gòu)對(duì)板料進(jìn)行折彎試驗(yàn)。

1.3 動(dòng)力學(xué)分析

1.3.1 快速下降階段

根據(jù)基本參數(shù)要求和已知條件，對(duì)液壓缸的外負(fù)載力進(jìn)行計(jì)算。啟動(dòng)加速時(shí)外負(fù)載Fi1為：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Fi1＝1.02N，等速時(shí)外負(fù)載為0。

1.3.2 折彎階段

初壓階段外負(fù)載為：

終壓階段外負(fù)載為：

1.3.3 快速回程階段

快速回程啟動(dòng)階段外負(fù)載Fi2為：

等速階段外負(fù)載為：

制動(dòng)階段外負(fù)載Fi3為：

1.3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

各階段運(yùn)行時(shí)間即為壓塊行程與運(yùn)行速度的比值，設(shè)t1為快速下行時(shí)間，t2為折彎初壓時(shí)間，t3為折彎終壓時(shí)間，t4為快速回程時(shí)間。通過(guò)計(jì)算得出t1＝18s，t2＝7.5s，t3＝2.5s，t4＝10s。

1.4 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.4.1 確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸

按液壓手冊(cè)，預(yù)選液壓缸的設(shè)計(jì)壓力p1＝20 MPa。由于壓塊的自重會(huì)對(duì)液壓缸的運(yùn)動(dòng)有影響，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要對(duì)壓塊的重量予以考慮。無(wú)桿腔的有效面積為：

其中：ηcm 為液壓缸的機(jī)械效率，ηcm ＝0.91。液壓缸的內(nèi)徑（活塞直徑）為：

由式（7）、式（8）計(jì)算得D＝94mm，按GB／T2348－1993，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)值D＝100mm。根據(jù)快速下行與快速上升的速度比確定活塞桿直徑d：

經(jīng)計(jì)算活塞桿直徑d＝70.7mm，取標(biāo)準(zhǔn)直徑d＝70mm，從而可算得液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的實(shí)際有效面積為：

1.4.2 最大功率計(jì)算

最大功率發(fā)生在慢速加壓階段。初壓時(shí)功率P2＝13.19 W；終壓時(shí)，行程只有5 mm，持續(xù)時(shí)間僅t3＝2.5s，壓力和流量變化情況較為復(fù)雜，所以做以下處理：壓力由839 924.4Pa增至16 798 487Pa，其變化規(guī)律可近似用一線(xiàn)性函數(shù)p（t）表示，即：

流量由0.942L／min減到0，其變化規(guī)律可近似用一線(xiàn)性函數(shù)q（t）表示，即：

設(shè)t為終壓階段持續(xù)時(shí)間，取值范圍為0s～2.5 s。由式（12）、式（13）可得此階段功率方程：

由式（12）～式（14）可求得當(dāng)t＝1.18s時(shí)，功率有最大值P3＝Pmax＝69.40W，壓力p≈8.37MPa，流量q＝0.50L／min。

1.5 擬定液壓折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)

圖1為板料液壓折彎試驗(yàn)機(jī)原理示意圖。當(dāng)快速下降時(shí)，變量泵處于全流量供油狀態(tài)，當(dāng)折彎?rùn)C(jī)壓塊在折彎板材時(shí)，泵的流量減小，最后減少至0。當(dāng)液壓缸復(fù)位時(shí)，泵的流量又會(huì)以全量供油的狀態(tài)運(yùn)行。液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向選用三位四通M 型中位機(jī)能電液動(dòng)換向閥控制，在沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下，換向閥處在中位，使得液壓泵供的油再回到油箱［3，4］。為防止液壓缸所要施力的壓塊下滑［5］，在管路中設(shè)置一個(gè)順序閥，避免不必要的安全事故發(fā)生。

2 液壓折彎?rùn)C(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖2為液壓折彎?rùn)C(jī)電氣控制圖。運(yùn)行時(shí)，將QS合上，按動(dòng)SB1按鈕，KM1得電，KM1觸頭與主電路的觸頭接觸，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)變量泵供應(yīng)液壓油，閥處于中位時(shí)，泵供的油又會(huì)通過(guò)旁路回到油箱中。按動(dòng)按鈕SB3則2YA 得電，1YA 失電，此時(shí)液壓泵向液壓缸的無(wú)桿腔供油，驅(qū)動(dòng)壓塊折彎板材，而圖2中的元器件10、11與行程開(kāi)關(guān)固定在一起，旋轉(zhuǎn)角度決定折彎成所需角度時(shí)，停止工作，鎖住液壓缸。測(cè)試完成，記錄數(shù)據(jù)后，按動(dòng)SB4按鈕，則2YA 失電，1YA 得電，液壓泵將會(huì)向液壓缸有桿腔供油，無(wú)桿腔的油便會(huì)回到油箱中，回程到原來(lái)位置碰到行程開(kāi)關(guān)SQ1便會(huì)斷開(kāi)控制電路，電液控制閥失電便會(huì)停在中位，鎖住壓塊［6－8］。其中FU1起過(guò)載保護(hù)的作用，防止電氣元件過(guò)載損壞電路。

圖1 板料液壓折彎試驗(yàn)機(jī)原理示意圖

圖2 液壓折彎?rùn)C(jī)電氣控制圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擬定了液壓缸的基本設(shè)計(jì)思路與算式，對(duì)各階段的流量與功率進(jìn)行了計(jì)算；擬定液壓系統(tǒng)原理圖，配置所需的各元器件，滿(mǎn)足折彎試驗(yàn)需求；根據(jù)工況以及液壓元器件的特點(diǎn)，擬定了電氣控制圖，以便控制試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行。

［1］ 趙淳.液壓技術(shù)在折彎?rùn)C(jī)上的應(yīng)用［J］.液壓與氣動(dòng)，2011（11）：43－46.

［2］ 張利平.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］ 于良振.折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)集成閥組的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2010（4）：57－59.

［4］ 聶松林，孔祥純，賈國(guó)濤.水壓伺服閥液壓橋路的正交設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，6（45）：67－72.

［5］ 談傳明，張子?xùn)|，曹光榮，等.折彎?rùn)C(jī)滑塊的有限元分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011（6）：54－58.

［6］ Nie S L，Huang G H，Li Y P，et al.Research on low cavitation in water hydraulic two－stage throttle poppet valve［J］.Journal of Process Mechanical Engineering，2006，220（3）：167－179.

［7］ Nguyen－Schaefer H，Sprafke P，MittwollenN.Study on the flow in a typical seat valve of mobile hydraulics［J］.SAE Publications，1997（2）：11－22.

［8］ 魯遠(yuǎn)棟，冼進(jìn).PLC 機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.