扭力軸同步折彎?rùn)C(jī)滑塊爬行原因分析與解決方法

劉民祥，王吉平

（天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司，甘肅天水741020）

扭力軸同步折彎?rùn)C(jī)滑塊爬行原因分析與解決方法

劉民祥，王吉平

（天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司，甘肅天水741020）

介紹了在工程實(shí)踐中出現(xiàn)的扭力軸同步折彎?rùn)C(jī)滑塊工進(jìn)爬行現(xiàn)象，分析了滑塊爬行原因和解決方法，針對(duì)扭力軸折彎?rùn)C(jī)普遍存在的爬行問題，提出了全面系統(tǒng)的綜合預(yù)防措施。

折彎?rùn)C(jī)；扭力軸同步；滑塊爬行；液壓油缸；解決方法

解決折彎?rùn)C(jī)同步的技術(shù)有機(jī)械強(qiáng)制同步（俗稱扭力軸同步）技術(shù)、機(jī)液同步（俗稱旋閥同步）技術(shù)、電液伺服閥同步技術(shù)、電液比例閥同步技術(shù)[1]等。由于扭力軸同步技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、使用可靠等特點(diǎn)，目前依然是小噸位折彎?rùn)C(jī)的主流同步控制方式。

低速運(yùn)動(dòng)的物體，可能產(chǎn)生時(shí)斷時(shí)續(xù)的速度不均勻的運(yùn)行現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為爬行。爬行現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是當(dāng)一物體在滑動(dòng)面上作低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定條件下產(chǎn)生的跳躍與停止交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，是一種連續(xù)的振動(dòng)[2]。扭力軸同步折彎?rùn)C(jī)滑塊在工進(jìn)時(shí)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)、摩擦阻力、潤(rùn)滑狀態(tài)、液壓系統(tǒng)、油缸密封方式、液壓系統(tǒng)溫度、加工公差、安裝精度、保養(yǎng)維護(hù)等方面的原因造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，在工進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

1 爬行問題的提出

在工程實(shí)踐中，有些爬行現(xiàn)象是由單方面原因引起，更多的爬行現(xiàn)象是由多種原因引起的，需要針對(duì)具體的機(jī)械設(shè)備，全面系統(tǒng)地分析原因并尋找有針對(duì)性的解決方法。

有多臺(tái)同型號(hào)、同規(guī)格的扭力軸同步折彎?rùn)C(jī)，其機(jī)械部分如扭力軸、導(dǎo)軌板、滑塊等設(shè)計(jì)、加工、安裝精度均符合設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求。空載連續(xù)試驗(yàn)8小時(shí)系統(tǒng)正常，負(fù)荷加載試驗(yàn)，加載壓力為10MPa，系統(tǒng)背壓8MPa，返程壓力8～9MPa，試驗(yàn)環(huán)境溫度為28℃。負(fù)荷試驗(yàn)前2h內(nèi)工作正常，2h后，在快速向工進(jìn)轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)輕微爬行，繼續(xù)試驗(yàn)到3h后，工進(jìn)全行程均出現(xiàn)爬行，油溫從28℃上升55℃。折彎?rùn)C(jī)滑塊工進(jìn)速度為10mm/s,慢速全行程出現(xiàn)爬行后，如果將折彎?rùn)C(jī)滑塊工進(jìn)速度調(diào)為20mm/s以上，系統(tǒng)爬行消失，但超出了滑塊工進(jìn)速度10～13mm/s的技術(shù)要求。另外，兩個(gè)油缸使用同一個(gè)充液閥時(shí),油溫升高系統(tǒng)出現(xiàn)爬行，如果兩個(gè)油缸分別采用獨(dú)立的充液閥，即使油溫升高，工進(jìn)速度穩(wěn)定在10mm/s，系統(tǒng)爬行消失。

2 爬行原因分析與解決方法

扭力軸折彎?rùn)C(jī)同步系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)-油缸-扭力軸-導(dǎo)軌-滑塊組成的機(jī)液混合系統(tǒng)。爬行主要是液壓系統(tǒng)、油缸、低速運(yùn)行、扭力軸調(diào)整疊加形成的。

2.1 液壓系統(tǒng)引起的爬行

（1）節(jié)流閥對(duì)液壓系統(tǒng)爬行的影響。一般情況下滑塊的工進(jìn)速度采用節(jié)流閥調(diào)速回路完成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)方便，在負(fù)載變化不大或?qū)λ俣确€(wěn)定性要求不高的液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是其溫度效應(yīng)性很差，節(jié)流阻尼效果隨油溫變化而不穩(wěn)定，節(jié)流閥芯通過的流量不穩(wěn)定，阻尼系數(shù)隨溫度變化范圍變小，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。節(jié)流閥沒有壓力及溫度補(bǔ)償裝置，不能自動(dòng)補(bǔ)償負(fù)載及油粘度變化時(shí)所造成的速度不穩(wěn)定[3]。該系統(tǒng)使用節(jié)流閥調(diào)節(jié)工進(jìn)速度，節(jié)流閥的特性決定了油溫對(duì)速度的影響較大，屬于液壓元器件性能引起的爬行，在功能相同的前提下選擇性能好的節(jié)流閥可以解決此類爬行。

（2）液壓系統(tǒng)溫度對(duì)爬行的影響。近20多年來(lái)世界范圍內(nèi)的研究調(diào)查顯示，70％～85％的液壓系統(tǒng)故障失效與液壓油有關(guān)[4]。一方面溫度低油液粘度高，系統(tǒng)泄漏小，容積效率高，系統(tǒng)阻尼比變大、抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定。相反，溫度升高油液粘度低，系統(tǒng)泄漏大，容積效率低，系統(tǒng)阻尼比變小，系統(tǒng)抗干擾能力減弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)變差。另一方面，油溫升高油的粘度指數(shù)變低，油膜厚度變薄，油膜更容易破裂，油膜破裂表部失去潤(rùn)滑，結(jié)果摩擦力陡然增大，在厚油膜下均勻的小摩擦力變成了薄油膜下的交變摩擦力，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差產(chǎn)生爬行。因此控制好液壓系統(tǒng)油溫，對(duì)減輕和改善爬行效果明顯。

圖1 扭力軸折彎?rùn)C(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 綜合摩擦力傳遞示意圖

（3）充液閥變化引起的爬行。如圖1、2所示，兩油缸共用一個(gè)充液閥，充液閥關(guān)閉后，Y1和Y2兩油缸由連通油管連接，Y1與Y2油缸連通。Y1油缸下腔綜合摩擦力Σf1,通過活塞將力減小1/N傳遞到Y(jié)1油缸上腔，其值為Σf2。Σf2經(jīng)由連通油管傳遞到Y(jié)2油缸上腔，通過Y2活塞增大N倍加載到Y(jié)2油缸下腔，其值為Σf3，使Y2油缸下行加快。當(dāng)Y2油缸位移量超過扭力軸允許值，扭力軸起作用，Σf3通過扭力軸連接塊，轉(zhuǎn)換為扭力軸的力矩，其值為Σt3。將力矩Σt3通過扭力軸又轉(zhuǎn)換為Y1油缸下腔的力，其值為Σf4，Σf1與Σf4大小相等，方向相反，作用在Y1油缸上，互相抵消。Y1、Y2油缸完成一次動(dòng)態(tài)調(diào)整，達(dá)到力、速度、位置新的同步。扭力軸反復(fù)交替調(diào)整，機(jī)液扭力軸系統(tǒng)調(diào)整幅值與調(diào)整頻率較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，容易形成爬行。

如果Y1、Y2兩油缸分別使用單獨(dú)充液閥系統(tǒng)，兩油缸之間沒有聯(lián)通油管。Y1油缸下腔綜合摩擦力不會(huì)影響到Y(jié)2油缸，機(jī)液扭力軸系統(tǒng)調(diào)整幅值與頻率都低，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，爬行消失。在速度要求較高的情況下，兩油缸分別使用單獨(dú)充液閥系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，但成本較高。

2.2 油缸引起的爬行

油缸的爬行是在滑動(dòng)表面出現(xiàn)周期性粘滑狀態(tài)，在密封件情況下，爬行是發(fā)生在彈性密封件和金屬配合之間的接觸面上，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)引起爬行。

（1）表面粗糙度引起的爬行。機(jī)械導(dǎo)軌與油缸柱塞表面越粗糙，摩擦因數(shù)就越大，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面峰頂間的實(shí)際有效接觸面積就越小，使單位面積上的壓力增大，零件運(yùn)動(dòng)表面磨損加快。隨著接觸面粗糙度的增大，接觸面剛度逐漸減小，阻尼逐漸增大，損失部分能量。當(dāng)粗糙度達(dá)到一定值時(shí)，接觸界面產(chǎn)生振蕩，即高次諧波，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能影響較大[5]，此類影響會(huì)引起油缸爬行。

（2）密封件溝槽尺寸公差引起的爬行。油缸密封圈、導(dǎo)向帶、防塵圈尺寸公差的合理選配，決定著密封性能和油缸內(nèi)摩擦力的大小。如果配合公差太大，密封件壓縮變形小，摩擦阻力小，但密封性能下降，容易引起油缸掛流或內(nèi)泄漏現(xiàn)象。如果配合公差太小，密封件擠壓變形大，密封件壓縮變形大，擠壓力大，一方面柱塞不能形成有效的潤(rùn)滑，另一方面油缸內(nèi)摩擦力增大且不均勻，容易產(chǎn)生爬行。

多臺(tái)設(shè)備中將柱塞尺寸公差在原公差尺寸基礎(chǔ)上減小0.20mm，密封圈溝槽尺寸公差加到0.25mm。結(jié)果液壓系統(tǒng)返程壓力由以前的8～9MPa降到3～4MPa，減少了50％，說(shuō)明由于密封件尺寸公差選配的改變，油缸內(nèi)綜合摩擦力降低了50％。最合理的尺寸公差不是樣本或CAD設(shè)計(jì)軟件選擇的，是實(shí)踐試驗(yàn)得出的。樣本或CAD軟件只推薦了通用公差配合值，針對(duì)不同的機(jī)械設(shè)備，不同的工作情況，油缸密封方案、密封圈、導(dǎo)向帶、防塵圈尺寸公差、形位公差要求是不一樣的。如果公差尺寸合理，密封件在密封槽中的舒展性好，密封件擠壓變形合適，密封圈對(duì)柱塞的摩擦力影響小且均勻。處理好油缸柱塞、密封槽表面粗糙度，油缸柱塞、密封槽尺寸公差，油缸引起的爬行基本可以解決。

2.3 低速引起的爬行

當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，往往來(lái)不及停止，因而其起動(dòng)后不會(huì)出現(xiàn)靜摩擦力而只有動(dòng)摩擦力。這樣，就不會(huì)出現(xiàn)從動(dòng)摩擦力突然降低到靜摩擦力的情況。另外，速度較大，物體不容易處于摩擦力負(fù)阻尼區(qū)段運(yùn)行，因而也就不大會(huì)產(chǎn)生摩擦力下降情況，也就不會(huì)出現(xiàn)低速導(dǎo)致爬行[6]。低速爬行是機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，液壓油缸低速運(yùn)行常見現(xiàn)象，如果速度要求更高，需要先進(jìn)的控制技術(shù)，比如電液比例控制系統(tǒng)等。

2.4 機(jī)械扭力軸工作引起的爬行

液壓系統(tǒng)-油缸-扭力軸－導(dǎo)軌-滑塊組成的機(jī)液混合系統(tǒng)，其工作調(diào)整過程就是產(chǎn)生微小爬行的過程，如果機(jī)械間隙或安裝精度超出公差范圍，其調(diào)整的幅值與頻率超出合理范圍產(chǎn)生爬行，其工作原理在本文2.1（3）中已論述。處理好機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)剛度、安裝、調(diào)整、間隙配合、潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)解決爬行效果理想。

3 爬行的綜合預(yù)防

爬行原因分析清楚后，解決方法相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于扭力軸折彎?rùn)C(jī)存在的普遍性爬行問題，需要系統(tǒng)的綜合預(yù)防。從液壓系統(tǒng)、油缸設(shè)計(jì)、工藝編制、加工方法、零件檢驗(yàn)、油缸裝配等全過程著手。

（1）在設(shè)計(jì)方面制定折彎?rùn)C(jī)專用油缸設(shè)計(jì)規(guī)范，詳細(xì)到密封方案、粗糙度、倒角、形位公差、尺寸公差、技術(shù)要求等方面。同時(shí)突破標(biāo)準(zhǔn)和樣本的推薦值束縛，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)標(biāo)注尺寸和相關(guān)技術(shù)要求。

（2）在工藝方面制定油缸專項(xiàng)加工工藝路線和詳細(xì)的工序、工步，并結(jié)合加工設(shè)備情況確定加工設(shè)備參數(shù)。

（3）檢查部門制定詳細(xì)的油缸檢驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書，確定關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)，嚴(yán)格質(zhì)量過程控制。

（4）部裝和組裝制定詳細(xì)的裝配、試驗(yàn)工藝規(guī)范,由專人進(jìn)行油缸的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)和裝配。

（5）保證外購(gòu)密封圈、導(dǎo)向帶、防塵圈的采購(gòu)質(zhì)量，選擇名牌產(chǎn)品，嚴(yán)控進(jìn)貨渠道。

[1]王東明，等.基于T-CPU的多缸電液比例同步控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012，（6）.

[2]官忠范，主編.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013-01月.

[3]雷天覺，主編.液壓工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[4]美孚工業(yè)潤(rùn)滑油公司.保持“最佳粘度”，激發(fā)液壓能效[J].現(xiàn)代制造，2015.

[5]鄭淑麗.粗糙度對(duì)接觸界面動(dòng)態(tài)特性的影響研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用.2014，（4）.

[6]官忠范，主編.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[7]鄒炳燕，等.液壓管路故障分析及解決措施[J].液壓氣動(dòng)與密封，2015，（9）.

Reason analysis and solution ofslide craw l for torsion shaft synchronous press brake

LIU Minxiang,WANG Jiping
（Key Lab of Automation and Information Technology of Pipe Making Equipment of GANSU Province, Tianshui Metalforming Machine Tool Co.,Ltd.,741020,Gansu China）

The phenomenon of slide crawl on torsion shaft synchronous press brake during working process in engineering practice has been introduced in the test.Several kinds of reasons of the slide crawl and the specific solution have been analyzed.Aiming at the common slide crawl issue existing in the torsion shaft synchronous press brake,the comprehensive precaution has been put forward.

Torsion shaft synchronous press brake;Slide crawl;Hydraulic oil cylinder

TG315.5+4

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.011

1672-0121（2016）05-0037-03

2016-03-07；

2016-05-13

劉民祥（1967-），男，高級(jí)工程師，甘肅省領(lǐng)軍人才，從事剪折機(jī)床及JCOE焊管裝備液壓技術(shù)研究與應(yīng)用。E-mail：qa-wdm@163.com