液壓機械傳動控制系統(tǒng)在機械設計及制造中的應用

梁鉆元

（陽江技師學院，廣東 陽江 529500）

1 液壓機械傳動控制系統(tǒng)的工作原理

液壓機械傳動控制系統(tǒng)主要由四種元件構成：動力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及輔助元件，各種元件具體展開，主要包含了液壓泵、液壓缸或者液壓馬達，各種類型的液壓閥、油箱、油管、管接頭、壓力表、過濾器和蓄能器等部分。其中，壓力閥可以細分為壓力控制閥、方向控制閥、流量控制閥。壓力控制閥主要包括溢流閥、減壓閥、順序閥；方向控制閥包括單向閥和換向閥；流量控制閥則囊括節(jié)流閥和調(diào)速閥。此外，液壓機械傳動控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)指各種類型的液壓油，因此，在實際運行的過程中，由液壓泵來主導操作機器，可以為其提供原始動力[1]，從而發(fā)揮原動機的功能，最大程度地將機械能向液體壓力能的方向轉(zhuǎn)變。在實際的液壓傳動中，操作人員可以利用固定形狀的液體開展力傳遞運動，以此實現(xiàn)對能量的高效利用。在兩個不同直徑的液壓缸中放置與內(nèi)壁緊密貼合的活塞，并且在系統(tǒng)內(nèi)部管道和控制閥門的作用下，油液可以再次被傳送至液壓馬達的元件上，隨后，借助液壓馬達把液體的壓力能轉(zhuǎn)化為可以快速驅(qū)動液壓機械傳動控制系統(tǒng)進行部分運動的機械能[2]。

2 液壓機械傳動控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

2.1 液壓機械傳動控制系統(tǒng)的優(yōu)點

液壓機械傳動控制系統(tǒng)和其他傳統(tǒng)方式相較而言，雖然傳動功率相同，但是液壓機械傳動控制系統(tǒng)裝置的重量較輕且結構緊湊，同時，還可以實現(xiàn)無級變速的控制目標，調(diào)速范圍大。液壓機械傳動控制系統(tǒng)中的運動件慣性小，能夠頻繁且迅速地換向操作，使得傳動工作更加平穩(wěn)，也就意味著液壓機械傳動控制系統(tǒng)可以更容易地實現(xiàn)緩沖吸振，自動避免過載的情況出現(xiàn)。細節(jié)方面，液壓傳動可以與電氣傳動有效配合，快速實現(xiàn)動作和操作的自動化，也可以與微電子技術和計算機有機結合，完善各種自動化控制工作流程。而且其內(nèi)部的原件已經(jīng)全面實現(xiàn)系統(tǒng)化、通用化和標準化的操作目標，不僅對CAD技術的應用有極大幫助，還可以提高操作人員的工作效率，降低成本[3]。

2.2 液壓機械傳動控制系統(tǒng)的缺點

第一，液壓傳動系統(tǒng)采用液體作為傳遞動力的介質(zhì)，很難避免泄漏，從而引起效率損失。另外，由于油液不是絕對不可壓縮的，油管也會產(chǎn)生彈性變形，所以它不適用于傳動比要求很嚴格的環(huán)境。第二，在運行過程中，油液的黏度會隨著溫度的變化而變化，容易引起工作環(huán)境的不穩(wěn)定，因此在低溫和高溫情況下都不適合采用液壓傳動控制系統(tǒng)。第三，控制系統(tǒng)中原材料油液中的污濁物會影響液壓元件的正常工作，并加速其磨損，降低液壓系統(tǒng)的可靠性，因此需要相關的工作人員定期更換礦物油。第四，由于采用油管傳遞壓力油耗損較大，不適于遠距離輸送動力，機械傳動也不能像電氣傳動那樣對信號進行放大、記憶和邏輯判斷等數(shù)字運算，所以它同樣也不適用于小功率和復雜的控制系統(tǒng)[4]。

3 液壓機械傳動控制系統(tǒng)在機械設計及制造中的具體應用

3.1 在機床中應用液壓機械傳動控制系統(tǒng)

目前，機床傳動控制系統(tǒng)中有85%都采用了液壓傳動與控制，如組合機床、剪床、壓力機、拉床、刨床以及磨床等。如今設計人員需要考慮的因素是：如何在有限的安裝空間內(nèi)，在機床中安裝更多的液壓機械傳動控制系統(tǒng)的元件。其中創(chuàng)新式的應用手段是在變頻液壓站內(nèi)將所有的液壓和電氣元件集成在最小的空間之中，將油箱容量減少至20 L，在縮小設備尺寸的基礎上確保液壓油的正常排氣，從而延長油液的使用壽命。在Sytronix的基礎上對機床機械進行設計與制造，采用一體式的變頻機器，使其能夠根據(jù)當前的需求自動控制電機轉(zhuǎn)速[5]。與恒定動力的輸出裝置相比，它可以依據(jù)機床不同的周期特性，在輸出功率保持不變的情況下，將能源需求降低到30%～80%，滿足機床行業(yè)日益嚴格的要求。同時，液壓機械傳動控制系統(tǒng)可以按照機床的需求速度靈活地控制并相應地減少油液的熱量輸入，從而對油液進行冷卻處理。機床設計與制造對我國的零件加工以及機械行業(yè)的發(fā)展都起到了非常重要的推進作用，但是在應用過程中會出現(xiàn)一些故障問題。因此，要切實提高液壓機械傳動控制系統(tǒng)在機床中的工作效率就需要做好相關的維護監(jiān)管工作，一旦發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)或者是整個機床體系存在安全隱患，要及時檢修。

例如，在機床液壓傳動系統(tǒng)的設計過程中，首先要明確液壓機械傳動控制系統(tǒng)進行能量轉(zhuǎn)換的傳動方式。因為液壓傳動組合機床以油液為主要介質(zhì)進行能量傳遞，如液力耦合器和液力變矩器，所以在實際運行過程中，機床液壓傳動系統(tǒng)需要依靠中心設施，也就是液壓泵的作用來推動工作流程順利運轉(zhuǎn)，同時借助原動機的功能，使得機械能可以順利地向液體壓力能的方向轉(zhuǎn)變，進而實現(xiàn)能量的高效傳遞。此外，考慮到系統(tǒng)內(nèi)部管道控制閥門的作用，操作人員可以借助操作臺，利用馬達液壓缸等元件再次完成油液壓力能向機械能的轉(zhuǎn)變，由此帶動整個系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)直線運動或者往復直線運動。但在實際操作過程中應該最大程度地簡化機器的結構和質(zhì)量，這樣才能在減少對油液的消耗的同時，提高液壓機械控制系統(tǒng)的工作效率以及安全度。

3.2 在機械行動驅(qū)動中應用液壓機械傳動控制系統(tǒng)

在機械行動驅(qū)動中采用閉環(huán)式的液壓機械傳動控制系統(tǒng)裝置可以充分發(fā)揮其無級調(diào)速的優(yōu)點，使得機械行動驅(qū)動裝置在起步、變速和無沖擊的行駛方向中能夠自由切換。但是與開放式的回路相比，閉環(huán)式的液壓驅(qū)動方式主要運用于輸出力較大的環(huán)境，實現(xiàn)在低壓驅(qū)動條件下比氣壓驅(qū)動速度低的操作目標?？紤]到液壓機械傳動控制系統(tǒng)在機械行動驅(qū)動中具體應用的時候，輸出率和功率都比較大，能構成完善的伺服機構。所以用電磁閥控制機械行動驅(qū)動裝置的往復直線運動液壓缸是最簡單也是最經(jīng)濟的液壓驅(qū)動裝置，也就是上述提及的開放式的回路設計。這種方式可以操作直線液壓缸通過受控節(jié)流口元件調(diào)節(jié)油液流量，在裝備到達終點的時候?qū)崿F(xiàn)減速，可以有效控制停止過程。但是大直徑液壓缸由于體積和原材料等原因，需要投入較多的資金，還需要配備昂貴的液油伺服閥，才能充分發(fā)揮它的主要功能。此外，液壓機械行動驅(qū)動主要由液壓缸和液壓閥組成，液壓缸是中心執(zhí)行元件，可以將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后做直線往復運動或者擺動運動。同時，使用液壓缸實現(xiàn)液壓行動驅(qū)動往復運動時可以免去減速裝置，并且中間沒有傳動間隙[6]。

例如，大多數(shù)的實際應用中，液壓機械行動驅(qū)動可以分兩種驅(qū)動形式：一種是泵直接驅(qū)動，另一種是泵—蓄能器驅(qū)動。泵直接驅(qū)動是由中心泵向內(nèi)部的液壓缸提供高壓工作油液，然后配合油液來改變既定的流向，同時配流閥用來調(diào)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)中的最大限定壓強指數(shù)，從而保障溢流的安全。這種液壓機械行動驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點是：利用簡單的結構和較低的壓強就能夠獲取既定的工作力，不僅可以實現(xiàn)靈活增減的操作目標，還可以有效減少電力的消耗。但是液壓機械行動驅(qū)動機器中的電機容量主要是由液壓機的最大工作能力和最高運轉(zhuǎn)速度來決定的，因此，這種驅(qū)動形式多用于中小型液壓機械行動驅(qū)動機器中。泵—蓄能器驅(qū)動則需要利用一組蓄能器，當泵將油液提供給中心元件時，可以借助蓄能器將其進行儲存，同樣，當供給無法滿足實際需求的時候，蓄能器也可以將內(nèi)部儲存的高壓工作液及時補充到中心元件內(nèi)部。這種系統(tǒng)可以最大程度地平均油液用量，以此擴充電動機的容量。但是在實際操作過程中，這種驅(qū)動形式的電能消耗量較大，同時系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，操作結構比較復雜，因此，主要用于大型的液壓機械中[7]。

在機械行動驅(qū)動中應用液壓機械傳動控制系統(tǒng)的方式主要有兩種：一是串聯(lián)方式，二是并聯(lián)方式。串聯(lián)方式是當前發(fā)展階段中較為簡單和常見的一種傳動方式，主要是在輸出端和輸入驅(qū)動端之間融入液壓馬達和液壓變速器，構建完善的機械式變速裝置，在原有速度的基礎上進一步擴充機械行動驅(qū)動的速度閾值，以此在無級變速應用裝置中增加其使用范圍，如裝載機、聯(lián)合收獲機或者一些特種車輛等。而并聯(lián)方式可以理解為將液壓機和機械行動驅(qū)動裝置進行并聯(lián)，使得兩股功率進行匯合，直接調(diào)節(jié)液壓機械行動驅(qū)動裝置的輸出轉(zhuǎn)速。

3.3 在數(shù)控車床中應用液壓機械傳動控制系統(tǒng)

在數(shù)控車床中應用液壓機械傳動控制系統(tǒng)主要表現(xiàn)在加工各種軸類、盤類零件，以及車削各種螺紋、圓弧、圓錐及回轉(zhuǎn)體等方面[8]。采用液壓傳動控制系統(tǒng)涉及的原理包括主軸箱液壓系統(tǒng)和尾臺液壓系統(tǒng)兩種形式，主軸箱液壓系統(tǒng)同時充當了變速箱的換擋及潤滑的角色，以便在不通電時保持尾座液壓缸處于夾緊狀態(tài)，使尾臺在工作時更加安全可靠。根據(jù)數(shù)控車床的特點，分設為主軸箱和尾臺兩個獨立的液壓系統(tǒng)來選用不同的液壓泵及換向閥等元件，使其可以充分滿足數(shù)控車床不同部件的動作要求，提高其合理性、經(jīng)濟性和實用性。

例如，在數(shù)控車床的自動換刀裝置中，液壓刀塔需要包括殼體，殼體內(nèi)要有圓柱形腔體，并且殼體前端的腔體口要有軸線與腔體軸線在同一直線上的圓環(huán)形固定端齒盤，固定端尺盤與腔體之間要有圓環(huán)形液壓缸，腔體內(nèi)要有軸線與腔體軸線在同一直線上的刀盤軸。所以在換刀的時候，先用立式液壓刀塔的環(huán)形液壓缸推動刀盤軸上的環(huán)形活塞，使其沿軸向向前運動，帶動刀盤軸和刀盤沿軸向向前運動，使刀盤上的活動端齒盤脫離與固定端齒盤的嚙合；然后用刀盤軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置驅(qū)動刀盤軸旋轉(zhuǎn)，讓下一加工步驟所用的新刀較為準確地轉(zhuǎn)到工作位置；再用環(huán)形液壓缸推動刀盤軸上的環(huán)形活塞沿軸向向后運動，讓刀盤上的活動端齒盤與固定端齒盤恢復嚙合，壓迫端齒盤，使刀盤精準地定位從而實現(xiàn)換刀[9]。但通過活動端齒盤與固定端齒盤嚙合使刀盤定位時容易產(chǎn)生移動的現(xiàn)象。針對這種情況，可以采用一體化結構形式來有效延長液壓刀塔的使用壽命。

3.4 在其他方面應用液壓機械傳動控制系統(tǒng)

近年來，隨著信息技術的發(fā)展，液壓機械傳動控制系統(tǒng)與高新技術相結合，在機械設計與制造過程中占據(jù)著重要的比例，最為典型的是在高端工程機械中采用較多的高品質(zhì)液壓元件、先進液壓系統(tǒng)。所謂的“高端工程機械”，是根據(jù)機器和工具的發(fā)展特點，在延長電子傳感器和控制硬件功能的前提下，契合電子技術的液壓控制和液壓傳動控制系統(tǒng)[10]。由此可見，液壓機械傳動控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工程機械設計與制造中的重要核心技術，同時，工程機械的發(fā)展趨勢也逐漸趨于自動化和智能化，并且在液壓機械傳動系統(tǒng)的支持下，可以有效提高機械設備的運轉(zhuǎn)效率。

4 結論

在多元化的大背景下，液壓機械傳動控制系統(tǒng)在機械設計與制造中的廣泛運用得益于多種技術的相互契合。他山之石可以攻玉，通過這些技術融合，液壓機械傳動技術在機床、機械行動驅(qū)動以及數(shù)控車床等方面都取得了特別明顯的進步。尤其是電子信息技術與液壓機械傳動控制系統(tǒng)的結合，為機械設計與制造業(yè)的發(fā)展注入了全新的生產(chǎn)理念。