基于負(fù)載敏感多路閥的旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍 毅，朱興龍

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

旋壓是用于成型薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的一種無切削加工成形技術(shù)，它借助旋輪等工具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過毛坯旋轉(zhuǎn)與旋壓切向力聯(lián)合作用使毛坯或者金屬板料產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，從而獲得所需的空心回轉(zhuǎn)體零件。

文獻(xiàn)［1］闡述了鈑制皮帶輪旋壓機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，采用液壓PC自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了鈑制皮帶輪旋壓機(jī)的各項(xiàng)基本功能，但液壓系統(tǒng)存在著調(diào)速性能差、能量損耗大等問題。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一種高效新型的雙泵(變量泵+定量泵)加差動(dòng)連接回路的組合液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的調(diào)速功能，但該系統(tǒng)不同速度轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的液壓沖擊力，易導(dǎo)致液壓元件損壞，縮短旋壓機(jī)的使用壽命。文獻(xiàn)［3］通過了解煤礦井下鉆機(jī)常用液壓系統(tǒng)和普通多路閥的缺陷，將負(fù)載敏感多路閥用于鉆機(jī)上，具有調(diào)速性能優(yōu)良、能量損失少及效率高等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［4］在負(fù)載敏感控制系統(tǒng)中提出了一種新的負(fù)載敏感閥設(shè)計(jì)方案，并對(duì)負(fù)載敏感閥進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析，通過仿真研究表明該負(fù)載敏感多路閥具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、工作可靠穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］對(duì)負(fù)載敏感多路閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，對(duì)其主體換向閥的泄漏量及壓力損耗等性能進(jìn)行了分析并進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了三重U型疊加閥口和雙圓孔型結(jié)構(gòu)型補(bǔ)償閥，提高了負(fù)載敏感多路閥系統(tǒng)的完全補(bǔ)償特性。文獻(xiàn)［6］通過負(fù)載傳感技術(shù)在LTL60攤鋪機(jī)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了各執(zhí)行元件回路互不影響，節(jié)約了安裝空間和制造成本，流量控制精度得到提高，減少了能量損耗，提高了工作效率。

本文通過對(duì)GSC3012A數(shù)控鈑制皮帶輪旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)存在的壓力損失大、元件分散、液壓沖擊大、管路連接復(fù)雜、噪聲大、油溫高、易泄漏等主要問題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套運(yùn)用負(fù)載敏感多路閥的控制系統(tǒng)，滿足了該旋壓機(jī)旋壓的工藝要求，解決了元件分散問題，降低了系統(tǒng)油溫和噪聲，能量損失大大減少，生產(chǎn)效率得以提高。

1 鈑制皮帶輪旋壓機(jī)工作原理

1．1 結(jié)構(gòu)組成

鈑制皮帶輪旋壓機(jī)主機(jī)架采用三梁四柱式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由主傳動(dòng)系統(tǒng)、旋輪、輔助系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)等組成。3個(gè)旋壓輪，左右各安裝1個(gè)，后方安裝1個(gè)。主軸位于下平臺(tái)中間，其中心孔內(nèi)設(shè)置偏心機(jī)構(gòu)，偏心軸端可安裝內(nèi)支撐輪。在上活動(dòng)橫梁中間設(shè)置上頂軸，它與主軸通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸和離合器實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)。主軸旋轉(zhuǎn)采用變頻控制，離合器置于轉(zhuǎn)動(dòng)軸輸入端;上頂軸通過光柵尺來調(diào)節(jié)行程，保證合模夾緊;3個(gè)旋輪同樣采用光柵尺來控制行程，提高了系統(tǒng)的控制精度。變量泵向液壓系統(tǒng)輸入一定流量和壓力的液壓油，通過負(fù)載敏感多路閥進(jìn)行控制，使各執(zhí)行元件完成相應(yīng)的動(dòng)作要求。根據(jù)液壓系統(tǒng)控制的要求設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)作為中心控制器件，對(duì)PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用變頻電機(jī)調(diào)速解決液壓散熱問題。

圖1 鈑制皮帶輪旋壓機(jī)

1．2 工作原理

將需要加工的金屬鈑坯裝入旋壓機(jī)主軸7上的旋壓模的芯模上，通過夾緊缸1無桿腔進(jìn)油、有桿腔回油，推動(dòng)上頂軸5快進(jìn)，工進(jìn)合模定位鎖緊毛坯，然后啟動(dòng)馬達(dá)，使工件坯料和芯模一起隨主軸7和上頂軸5高速同步旋轉(zhuǎn)。第一旋壓輪在液壓缸驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、工進(jìn)、延時(shí)和快退，其工作循環(huán)圖如圖2所示。旋壓輪6的旋轉(zhuǎn)依靠液壓缸加載的壓力作用在毛坯上產(chǎn)生的摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)相同線速度自轉(zhuǎn)，此時(shí)旋壓輪按照工藝要求進(jìn)行工進(jìn)，達(dá)到光柵尺8所設(shè)定的位移值時(shí)停止進(jìn)給，然后延時(shí)2s，旋壓輪退回原位。第二旋壓輪和第三旋壓輪按照類似第一旋壓輪的工作循環(huán)圖工作，直至完成零件的成型。

圖2 旋壓輪加工工藝流程圖

在旋壓過程中，主軸旋轉(zhuǎn)采用變頻控制，旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以根據(jù)工藝需要自行設(shè)定;毛坯在旋輪扭矩和切向旋壓力的協(xié)調(diào)作用下，最終旋制出所需要的產(chǎn)品。上頂軸和3個(gè)旋輪的進(jìn)給均采用閉環(huán)控制，位置檢測(cè)采用位移光柵尺，分辨率可達(dá)到0．01mm。

2 旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 鈑制皮帶輪旋壓的循環(huán)動(dòng)作

鈑制皮帶輪旋壓的循環(huán)動(dòng)作為:將毛坯送入模具→夾緊缸快進(jìn)合模→夾緊缸工進(jìn)合模并增壓→定位鎖緊毛坯→馬達(dá)啟動(dòng)，主軸帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)→工作缸1快進(jìn)→工作缸1工進(jìn)→工作缸1延時(shí)→工作缸1快退;同時(shí)工作缸2快進(jìn)→工作缸2工進(jìn)→工作缸2延時(shí)→工作缸2快退;同時(shí)工作缸3快進(jìn)→工作缸3工進(jìn)→工作缸3延時(shí)→工作缸3快退→馬達(dá)停止，主軸和上頂軸停止旋轉(zhuǎn)→夾緊缸快退→夾緊缸減速→夾緊缸回位同時(shí)頂出缸快進(jìn)→頂出缸快退，加工件頂出。

根據(jù)生產(chǎn)所使用的鈑制皮帶輪，確定旋壓機(jī)各液壓缸的基本參數(shù)見表1。

表1 液壓缸基本參數(shù)

2．2 鈑制皮帶輪旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)表1的液壓缸基本參數(shù)，由

式中:q為液壓缸的供油流量，L/min;D為油缸內(nèi)徑，mm;v為最大運(yùn)動(dòng)速度，mm/min。

式中:p為最大壓力，MPa;F為最大工作載荷，kN?？傻脢A緊缸、工作缸和頂出缸的最大壓力、最大流量和最小流量，因此可確定旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)中各液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)，見表2。

表2 液壓缸主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)液壓缸主要技術(shù)參數(shù)，確定了負(fù)載敏感比例多路閥在出廠前每個(gè)閥口的最大流量，通過改變閥芯位移來控制各液壓缸流量的大小，這樣當(dāng)負(fù)載敏感多路閥在流量未飽和時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)夾緊缸、頂出缸及3個(gè)工作缸以不同的壓力、速度獨(dú)立工作，并且各回路互不影響。

為實(shí)現(xiàn)本文油缸換向沖擊小、速度可調(diào)的目的，解決液壓系統(tǒng)明顯存在的上述主要問題，采用德國(guó)哈威公司生產(chǎn)的PSV型負(fù)載敏感比例多路換向閥將各基本回路有機(jī)地組合起來，并且根據(jù)旋壓工藝流程，確定旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。圖3中，Ⅰ為夾緊缸回路;Ⅱ?yàn)轫敵龈谆芈?Ⅲ為第一旋壓輪回路;Ⅳ為第二旋壓輪回路;Ⅴ為第三旋壓輪回路。

圖3 旋壓機(jī)液壓原理圖

旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)中夾緊缸回路、頂出缸回路、第一旋壓輪回路、第二旋壓輪回路、第三旋壓輪回路均采用負(fù)載敏感多路閥，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)回路使用獨(dú)立單元回路。為了更好地說明旋壓機(jī)液壓原理圖，現(xiàn)以夾緊缸回路為例進(jìn)行說明(其他回路原理與夾緊缸回路類似)。夾緊缸回路液壓原理圖如圖4所示。

圖4 夾緊缸回路液壓原理圖

通過夾緊缸1實(shí)現(xiàn)工件夾緊;進(jìn)油口P設(shè)置二位二通電磁單向閥4，達(dá)到相應(yīng)的行程設(shè)定值時(shí)可實(shí)現(xiàn)保壓;出油口T通過調(diào)速閥2和二位二通電磁閥3的配合，實(shí)現(xiàn)旋壓機(jī)夾緊缸1快進(jìn)、工進(jìn)和快退(快或慢)，滿足了液壓系統(tǒng)自動(dòng)工作循環(huán)的要求，提高了速度換接的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，效率高。

旋壓機(jī)液壓系統(tǒng)中夾緊缸、頂出缸和3個(gè)工作缸均為單活塞雙作用液壓缸，其工作狀態(tài)由YA1～YA22V 22個(gè)電磁鐵來控制。本文以夾緊缸回路 (其他回路電磁鐵得失電情況與夾緊缸回路類似)與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)回路為例進(jìn)行說明。按下啟動(dòng)按鈕SB1，電磁鐵YA1得電，變量泵輸出的液壓油經(jīng)多路閥左位和二位二通單向閥進(jìn)入夾緊缸無桿腔，有桿腔油流回油箱，實(shí)現(xiàn)夾緊缸快進(jìn);當(dāng)夾緊缸行程至光柵尺設(shè)定位l1時(shí)，電磁鐵YA15得電，無桿腔油只通過調(diào)速閥流回油箱，實(shí)現(xiàn)夾緊缸工進(jìn);當(dāng)夾緊缸行程至光柵尺設(shè)定位l2時(shí)，電磁鐵YA1失電，同時(shí)電磁鐵YA16得電，二位二通電磁單向閥4自保;延時(shí)2s(可選)后，電磁鐵YA2得電，同時(shí)YA15和YA16失電，實(shí)現(xiàn)夾緊缸快退 (快);當(dāng)夾緊缸快退至光柵尺設(shè)定位l3時(shí)，電磁鐵YA15得電，實(shí)現(xiàn)夾緊缸快退(慢)，直至回到原位。電磁鐵YA11和YA13得電，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)正轉(zhuǎn);電磁鐵YA12和YA13得電，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)反轉(zhuǎn)。若YA13失電，則系統(tǒng)卸荷;若YA13和YA14得電，則旋壓馬達(dá)出口加載了背壓。其電磁鐵得失電動(dòng)作情況見表3。

表3 電磁鐵動(dòng)作順序表

系統(tǒng)由1臺(tái)變量泵供油，該泵的流量調(diào)節(jié)器能從LS口獲得負(fù)載反饋，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量，使之與負(fù)載所需流量匹配，減少系統(tǒng)流量損失和達(dá)到節(jié)能的效果;安裝在供油通路上的減壓閥向負(fù)載敏感多路閥提供內(nèi)部控制油，用來控制多路閥主閥芯的位置。每組負(fù)載敏感多路閥都集成一個(gè)定差減壓閥和一個(gè)梭閥，定差減壓閥控制多路閥進(jìn)出油口壓差并使其保持恒定;梭閥位于各個(gè)LS通路和主LS通路之間的連接處，負(fù)載敏感多路閥進(jìn)口壓力由梭閥匯集到主LS通路，將最高壓力信號(hào)反饋給泵的流量調(diào)節(jié)器，來調(diào)節(jié)變量泵輸出流量。比如當(dāng)夾緊缸回路負(fù)載變大時(shí)，梭閥LS將堵住其他回路，這樣頂出缸回路和旋壓輪回路將得不到壓力補(bǔ)償，而只有夾緊缸回路得到壓力補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)夾緊缸、頂出缸及3個(gè)工作缸以不同的壓力、速度獨(dú)立工作，并且各回路互不影響。溢流閥在系統(tǒng)中作安全閥用，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，溢流閥處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在泵出口壓力大于或者等于減壓閥調(diào)定壓力時(shí)才開啟溢流，對(duì)系統(tǒng)起過載保護(hù)作用。

3 結(jié)束語

本文對(duì)旋壓機(jī)的具體特點(diǎn)以及要解決的主要問題進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載敏感多路閥的液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無級(jí)變速，滿足了皮帶輪旋壓機(jī)旋壓的工藝要求，解決了元件分散等問題，減少了局部能量損耗，降低了系統(tǒng)噪聲和油溫，提高了工作效率和可靠性。

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