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某型平面磨床液壓系統(tǒng)的改造

2016-8-18 來源：三峽大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院作者：吳正佳段方立鄧少華

摘要：針對老舊平面磨床的備件更換困難以及磨床出現(xiàn)的能耗點過多等問題，采用較為簡單的方式對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，減少能耗泄漏和提高備件的可替換性；同時使用液壓系統(tǒng)仿真軟件ＡＭＥｓｉｍ對改造后的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真，模擬液壓系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的壓力特性曲線及速度曲線，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：平面磨床；液壓系統(tǒng)；改造；動態(tài)仿真

由于設(shè)備的更新?lián)Q代，同型號的液壓元件及相關(guān)備件早已無處采購，這就對設(shè)備的維護(hù)造成了一定的困難，另外原液壓系統(tǒng)也存在一定的設(shè)計缺陷，如能量的損失等。勢必選用同類型或者具有同等功能的液壓元件來對原液壓系統(tǒng)進(jìn)行同等功能的改造。但改造過程不是簡單地用新的液壓元件對原有液壓元件進(jìn)行簡單替換，讓其滿足基本的功能原理，還必須考慮整個系統(tǒng)的動態(tài)特性。因此有必要對新改造的液壓系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性仿真，使其具有比較穩(wěn)定的動態(tài)特性，能夠更加有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)更好地為企業(yè)服務(wù)。

１、某型平面磨床液壓系統(tǒng)的工作原理

圖１所示為某型平面磨床液壓系統(tǒng)的原理圖。該系統(tǒng)由穩(wěn)壓閥、葉片式雙向變量油泵、定量油泵、開停閥、液壓缸、濾油器、定量泵溢流閥、壓力表開關(guān)、先導(dǎo)閥、調(diào)整器、換向閥、潤滑油分油器、操縱閥和電磁閥等１４個主要元件構(gòu)成。磨床的液壓傳動采用基于葉片式雙向變量油泵的閉式液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中的穩(wěn)壓閥由濾油器、單向閥、安全閥３個元件組合；葉片式雙向變量油泵、定量油泵、換向閥合并于同一機(jī)構(gòu)中。

圖１　原液壓系統(tǒng)圖

１.１　工作臺右行

磨床啟動時，開停閥處于左位，工作臺右行，先導(dǎo)閥位于左位。在運(yùn)行過程中系統(tǒng)中的液壓油運(yùn)行情況如下：液壓油在定量油泵的作用下，經(jīng)過過濾器和定量油泵到達(dá)先導(dǎo)閥，進(jìn)而到達(dá)調(diào)整器，此時液壓油會有３種流向，如下：（１）流經(jīng)換向閥右端，推動換向閥閥芯左移，為油液換向做準(zhǔn)備；（２）經(jīng)過換向閥，達(dá)到油缸右腔；（３）油液到達(dá)變量泵上端的變量活塞，推動變量泵活塞改變方向。同時換向閥左端油和變量泵下端活塞出口油經(jīng)過左調(diào)整節(jié)流閥和先導(dǎo)閥回到油池。這時變量泵壓油腔的液壓油經(jīng)開停閥到達(dá)油缸左腔，推動工作臺右行；油缸右腔的液壓油經(jīng)過開停閥回到變量泵的吸入腔，形成閉式回路。

在機(jī)械部分，工作臺上左端的碰撞塊撞擊手柄立柱上的套環(huán)，帶動撥叉機(jī)構(gòu)使先導(dǎo)閥閥芯右移，為工作臺的換向運(yùn)動作準(zhǔn)備。

１.２　工作臺左行

工作臺左行，由于撥叉機(jī)構(gòu)的動作，先導(dǎo)閥在右位。同樣。由定量油泵出來的液壓油經(jīng)過先導(dǎo)閥到達(dá)左調(diào)整器也有３種流向，如下：（１）液壓油經(jīng)過換向閥左端，推動閥芯右移，為液壓油的再次換向作準(zhǔn)備；（２）經(jīng)換向閥到達(dá)油缸左腔；（３）油液到達(dá)變量泵下端的變量活塞，推動變量泵活塞改變流油方向。同時經(jīng)過換向閥右端的液壓油和變量泵上端活塞的液壓油經(jīng)過右調(diào)整節(jié)流閥，再經(jīng)過先導(dǎo)閥回到油池。這時主路的變量泵右腔的液壓油經(jīng)過開停閥回到油缸右腔，推動工作臺左行；同時油缸左腔液壓油經(jīng)過開停閥到達(dá)變量泵吸入腔，形成閉式回路。

１.３　工作臺停車

開停閥處于右位，使得油缸的左右腔、變量泵的左右腔互通，工作臺停止移動，此時可以手動搖動工作臺（當(dāng)工作臺單向運(yùn)動到極限位置時，形成此種狀況）。變量泵壓油腔出來的油液壓力超過安全壓力后，經(jīng)過穩(wěn)壓閥的溢流閥流進(jìn)油箱。

２、能耗與不足分析

通過對原液壓系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，得到原液壓系統(tǒng)存在如下不足之處：

（１）為確保變量泵和換向閥可靠地?fù)Q向，定量泵的油壓必須調(diào)至０.３～０.５ＭＰａ，工作過程中，定量泵的油除補(bǔ)充系統(tǒng)外，其余的經(jīng)溢流閥流回油池。

（２）由于定量泵和變量泵同軸聯(lián)動，只要油泵不停止轉(zhuǎn)動，定量泵的負(fù)載則為溢流閥的調(diào)整壓力。

（３）回油過程中穩(wěn)壓閥組件中溢流閥的壓力較高，引起能量損失。

（４）由于采用閉式回路的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)散熱性較差，影響系統(tǒng)的傳動性能。

３、主要參數(shù)及泵的選擇

３.１　主要參數(shù)

為確保改造后液壓系統(tǒng)的性能，盡量保留原來的參數(shù)設(shè)計。

工作臺的運(yùn)行速度２.５～２０ｍ／ｍｉｎ，變量泵的流量６５Ｌ／ｍｉｎ，壓力１.５ＭＰａ，定量泵的流量１０Ｌ／ｍｉｎ，壓力０.２～０.５ＭＰａ，電機(jī)功率２.２ｋＷ，轉(zhuǎn)速１０００ｒ／ｍｉｎ。

３.２　泵的選擇

對比原閉式液壓系統(tǒng)，新的液壓系統(tǒng)采用開式液壓系統(tǒng)設(shè)計，故流量及壓力在設(shè)計上選用的參考系數(shù)較大。根據(jù)液壓設(shè)計手冊，齒輪泵的額定壓力為系統(tǒng)安全閥開啟壓力的.１～１.５倍。參照原液壓系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)，根據(jù)公式得到新的電機(jī)功率：

Ｑ＝Ｃ·ｐ·ｑ

式中：Ｑ為電機(jī)功率；ｐ為泵的輸出壓力；ｑ為泵的輸出流量；Ｃ為選擇可靠系數(shù)（Ｃ＝１.１～１.５）。

根據(jù)新計算結(jié)果，選擇外嚙合齒輪泵ＣＢ.Ｂ，其額定壓力２.５ＭＰａ，排量７５Ｌ／ｍｉｎ，額定轉(zhuǎn)速１４５０ｒ／ｍｉｎ。根據(jù)原液壓系統(tǒng)的設(shè)計，新液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)參照原系統(tǒng)。

４、液壓系統(tǒng)的改造

通過對原液壓系統(tǒng)的分析，為盡最大可能避免原液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的能量損失和最小改變原系統(tǒng)的液壓元件，新的液壓系統(tǒng)保留了先導(dǎo)閥，同時對原電磁閥和液動換向閥做了改造，新添了制動閥和調(diào)速閥，工作臺的換向沖擊及行程精度采用單向節(jié)流閥控制。新設(shè)計的開式液壓系統(tǒng)的原理圖如圖２所示。

圖２　改造后的液壓系統(tǒng)圖

說明：新的液壓系統(tǒng)采用的開停閥可以采用電磁閥手動控制，制動閥也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的二位四通電磁閥改造而成。

５、新液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真分析

根據(jù)新設(shè)計的液壓系統(tǒng)的工作原理，忽略次要的影響因素，最大可能地建立與實際系統(tǒng)等效的動態(tài)仿真模型，模型圖如圖３所示。

圖３　液壓仿真系統(tǒng)簡圖

針對新的液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真，本著簡化原模型、最大限度地獲取系統(tǒng)的仿真動態(tài)特性的目的，在仿真模型的基礎(chǔ)下，省去了開停閥，同時將液壓系統(tǒng)的傳動型號改變?yōu)殡娦盘枺?如先導(dǎo)閥和制動閥的位置轉(zhuǎn)換信號改為模擬電信號；同時忽略了管路剛性和柔性的影響等。液壓系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)見表１。

表１　液壓系統(tǒng)仿真的主要參數(shù)表

通過對仿真系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行如上設(shè)置，得到油缸活塞從啟動到平穩(wěn)運(yùn)行過程中的壓力特性曲線圖４和速度曲線圖５。仿真過程中的工作平臺以最小運(yùn)行速度來進(jìn)行仿真，見圖５。

圖４　液壓缸有桿腔壓力曲線　圖５　活塞的運(yùn)動速度圖

對改造后的系統(tǒng)用ＡＭＥＳｉｍ做仿真分析，液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真的效果顯示：液壓系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，受力基本平穩(wěn)。

６、結(jié)束語

該系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速，缺點是速度越低，能耗越大，但考慮到液壓系統(tǒng)的實際工作情況：磨床一般處于中、高速運(yùn)行，功率小，因此能耗不是很大；同時新改造的系統(tǒng)中使用的元件都較為簡單，或者間接改造，較為容易；新改造的液壓系統(tǒng)使用液動換向閥換向，能夠減少沖擊。綜上所述：采用調(diào)速閥、液動換向閥工作能夠滿足系統(tǒng)實際情況的需求。

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