擠壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)

董曉娟，權(quán)曉惠，張立波

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710032)

0 前言

泵直接傳動(dòng)擠壓機(jī)壓力調(diào)整方便、速度易于精確控制，應(yīng)用越來越廣泛。泵直接傳動(dòng)擠壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)主要由泵站、控制閥站、充液系統(tǒng)、冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)、油箱及管道部分組成。

1 泵站

泵站通常由主系統(tǒng)泵站和輔助系統(tǒng)泵站組成。主系統(tǒng)泵站通常用于向擠壓機(jī)主側(cè)缸、穿孔缸、擠壓筒移動(dòng)缸、壓余剪和移動(dòng)模架供液。輔助系統(tǒng)泵站主要用于向熱錠輸送機(jī)械手、模具(或擠壓墊)循環(huán)裝置、快速換模裝置、充液閥控制缸、壓余分離、泵 (閥)外控等供液。

主系統(tǒng)泵站通常由油泵電機(jī)組、泵頭閥和隔離閥等組成，原理如圖1所示。

高壓泵總流量的計(jì)算通常按最大擠壓速度時(shí)所需流量來計(jì)算，即:

式中，Q－高壓泵總的流量，m3/s;K－系統(tǒng)容積效率系數(shù)，K=1.04～1.08;vmax－最大擠壓速度，m/s;F1－擠壓機(jī)主柱塞面積，m2;F2－擠壓機(jī)兩側(cè)缸活塞面積之和，m2;F3－擠壓機(jī)穿孔缸活塞桿腔面積，m2;單動(dòng)擠壓機(jī)或不采用固定針擠壓時(shí)，則不考慮F3。

在高壓泵的總流量確定后，泵的臺(tái)數(shù)及每臺(tái)泵的流量應(yīng)根據(jù)擠壓速度控制精度的要求及擠壓桿、擠壓筒、穿孔針及壓余剪等同時(shí)動(dòng)作時(shí)的速度要求來確定。另有些擠壓工藝要求，在擠壓過程中需保持?jǐn)D壓筒對模具的壓緊力，還需增設(shè)一臺(tái)小流量高壓泵。

變量泵約占高壓泵總臺(tái)數(shù)的30%～50%，采用這種方式不僅可對擠壓速度進(jìn)行有效控制，以滿足工藝要求，而且可實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作的快速、平穩(wěn)及準(zhǔn)確定位。

在泵之間設(shè)置隔離閥可實(shí)現(xiàn)壓機(jī)擠壓桿、擠壓筒、穿孔針及壓余剪同時(shí)動(dòng)作時(shí)互不影響，有效減少非擠壓時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

圖1 主系統(tǒng)泵站原理圖Fig.1 Schematic diagram for pump station of primary system

輔助系統(tǒng)泵站由油泵電機(jī)組、泵頭閥和蓄勢器等組成，原理如圖2所示。

圖2 輔助系統(tǒng)泵站原理圖Fig.2 Schematic diagram for pump station of accessory system

擠壓機(jī)機(jī)械化部分執(zhí)行油缸較多，油缸直徑相對較小，同時(shí)多臺(tái)油缸同時(shí)工作，為保證壓機(jī)動(dòng)作的快速性，提高生產(chǎn)效率，輔助系統(tǒng)多采用泵－蓄勢器聯(lián)合方式供油，這種方式既滿足了快速的工藝要求，又減少了泵的臺(tái)數(shù)及裝機(jī)功率，降低了能耗。

在確定泵的流量和蓄勢器的容積時(shí)，首先應(yīng)按執(zhí)行部件的工藝動(dòng)作要求計(jì)算出在一個(gè)擠壓周期內(nèi)各階段所需流量及平均流量Qa，通常油泵的流量應(yīng)大于平均流量。

蓄勢器的工作容積應(yīng)按系統(tǒng)最大負(fù)荷時(shí)各執(zhí)行元件耗油量之和來計(jì)算。

式中:K－漏損系數(shù)，K=1.1～1.25;∑Vi－系統(tǒng)最大負(fù)荷時(shí)各執(zhí)行元件耗油量之和;Qp－泵的供油量;t－系統(tǒng)最大負(fù)荷時(shí)泵的工作時(shí)間。

由于輔助系統(tǒng)相對所需流量較小，通?？蛇x用多個(gè)皮囊式蓄勢器并聯(lián)使用，蓄勢器的壓力波動(dòng)值取為15%～20%;據(jù)此可計(jì)算出所需蓄勢器的總?cè)莘e (充入氮?dú)夂蟮目側(cè)莘e)。

式中，P0－蓄勢器的充氣壓力，P0= (0.8～0.9)P1;P1－系統(tǒng)最低工作壓力;P2－系統(tǒng)最高工作壓力，與泵的最高工作壓力相同;

根據(jù)以上計(jì)算及蓄勢器的性能參數(shù)，可確定蓄勢器的數(shù)量及規(guī)格。

2 充液系統(tǒng)

充液系統(tǒng)由大通徑閘閥、充液閥及其接力缸組成。大通徑閘閥主要用于主缸及充液閥維護(hù)檢修時(shí)切斷高位油箱的油源。充液閥用于壓機(jī)主柱塞快速前進(jìn)或后退時(shí)主缸的進(jìn)排液，接力缸用于控制充液閥的開啟及關(guān)閉，在擠壓時(shí)使充液閥保持關(guān)閉，主柱塞快速前進(jìn)或后退時(shí)使充液閥保持開啟。充液閥的公稱直徑應(yīng)根據(jù)主柱塞快速前進(jìn)或后退時(shí)中的最大速度計(jì)算。

式中，DN－充液閥公程通徑，m;D1－主柱塞直徑，m;vk－主柱塞空程最大速度，m/s;

對于超大型擠壓機(jī) (90 MN以上)，若采用一個(gè)充液閥，其公稱直徑太大，給制造及安裝帶來很多困難，通常采用兩個(gè)甚至三個(gè)充液閥來滿足壓機(jī)主缸快速進(jìn)排液的要求。

3 冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)

冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)主要由低壓泵組、冷卻器及加熱器、過濾器等組成。原理如圖3所示。

圖3 冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of cooling cycling filtering system

冷卻器的作用是壓機(jī)連續(xù)工作時(shí)，將液壓油的溫度控制在適宜的溫度范圍30～50℃內(nèi)，以防止油液過熱變質(zhì)，造成潤滑性能下降而使元件壽命降低，造成泄漏。

冷卻器的冷卻面積

式中，A－冷卻器的冷卻面積，m2;H－液壓系統(tǒng)的總發(fā)熱量，J/S;H1－液壓系統(tǒng)的總散熱量J/S;Kh－冷卻器的傳熱系數(shù)，J/m2·s·℃;Δτm－油與水之間的平均溫差，℃;

系統(tǒng)的發(fā)熱主要有四個(gè)方面引起:①泵、馬達(dá)及閥的泄漏損失，轉(zhuǎn)化為熱能;②節(jié)流閥對油液節(jié)流及控制時(shí)，消耗的大部分功率轉(zhuǎn)化為熱能，典型的為溢流閥;③油液通過管道、濾油器及各種元件時(shí)產(chǎn)生壓力損失，轉(zhuǎn)化為熱能;④系統(tǒng)中的密封摩擦、機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)化為熱能。液壓系統(tǒng)的總發(fā)熱量為:

式中，Ni－油泵的輸入功率，kW;ηi－油泵的效率;Qi－通過各溢流閥的流量，m3/s;pi－各溢流閥的調(diào)定壓力，Pa;

擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)的散熱計(jì)算時(shí)主要考慮油箱的散熱效果。

式中，K1－油箱的散熱系數(shù)，K1=8～13 J/m2s·℃;通風(fēng)差時(shí)取小值，好時(shí)取大值;A1－油箱的散熱面積，m2;Δτ－油液與周圍空氣的平均溫差，℃;

過濾器的作用是將油液中的機(jī)械雜質(zhì)從油中分離出來，使液壓油保持潔凈，以提高系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性和元件的使用壽命。由于擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)流量大，泵多布置在壓機(jī)油箱后的地坑中或直接插入油箱吸油，為防止吸油不暢，通常不采用吸油過濾。而且由于控制閥塊較多回油難以集中，也不采用回油過濾。通常采用旁路冷卻過濾循環(huán)系統(tǒng)，從油箱回油區(qū)通過低壓泵輸送經(jīng)過濾器和冷卻器再回到油箱吸油區(qū)。

旁路冷卻過濾循環(huán)時(shí)低壓油泵的流量應(yīng)按系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)中的油液流動(dòng)量計(jì)算。

式中，QL－循環(huán)泵流量，m3/s;Qj－1個(gè)擠壓周期里第j個(gè)執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)所需的流量，m3/s;ti－1個(gè)擠壓周期里第j個(gè)執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)所需的時(shí)間，s;T－1個(gè)擠壓周期所需時(shí)間，s;

過濾精度達(dá)到30 μm一般即可滿足使用要求。對個(gè)別電液伺服閥、比例閥及先導(dǎo)控制油路可增設(shè)15 μm的高壓過濾器，以滿足使用要求。

過濾器的有效過濾面積計(jì)算如下。

式中，AL－有效過濾面積，cm2;QL為過濾的油量，m3/s;μ為油的動(dòng)力粘度，P;α為濾芯的通油能力，m/s;Δp為壓力差，Pa;

4 油箱及管道

油箱用來儲(chǔ)存和向系統(tǒng)供給工作油液，分離出回油中的雜質(zhì)和空氣，并具有一定的散熱作用。

擠壓機(jī)油箱基本都采用開式油箱，臥式擠壓機(jī)的油箱大多安裝在后梁后上方，以便于主缸快速充液和排液。

由于擠壓機(jī)工作時(shí)流量大、壓力高、發(fā)熱多，靠油箱自身散熱難以滿足生產(chǎn)要求，通常需要外加強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，油箱的有效容量應(yīng)按油泵流量的總和計(jì)算。

式中，V－油箱的有效容量;K－系數(shù)，K一般取3～5;∑Qi－各油泵每分鐘流量之和;∑Vi－各油缸最大儲(chǔ)油量之和;Va－蓄勢器的總?cè)莘e。

油箱的總?cè)莘e通常為有效容量的1.2～1.25倍。油箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置隔板將回油區(qū)和吸油區(qū)隔開，以有效降低油液的循環(huán)速度，有利于油液中的雜質(zhì)沉淀和氣泡溢出。

管道用來傳輸油液，在設(shè)計(jì)中應(yīng)選取合理的通徑及壁厚，保證流速合理，以減少壓力損失及沖擊。通常流速選取應(yīng)在合適范圍。高壓管道流速:6～10 m/s;回油管道流速:3～5 m/s;吸油管道流速:0.5～1.5 m/s。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代擠壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)多采用以液壓油為介質(zhì)的泵直接傳動(dòng)方式。本文計(jì)算了泵直接傳動(dòng)擠壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)泵站、充液系統(tǒng)、冷卻循環(huán)過濾系統(tǒng)、油箱及管道的主要參數(shù)，對液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。本計(jì)算方法在16 MN反向擠壓機(jī)及40 MN雙動(dòng)擠壓機(jī)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了很好的效果。

［1］ 俞新路．液壓機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用 ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 徐毅，李文峰．液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù) ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2007．

［3］ 楊寶光．鍛壓機(jī)械液壓傳動(dòng) ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．