適用于折彎機的專用比例閥

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(伊頓流體動力(上海)有限公司 產(chǎn)品工程部， 上?！?00131)

引言

隨著科技的發(fā)展，特別是機械工業(yè)和液壓技術(shù)的發(fā)展，對液壓元件的性能提出了更高的要求。比例閥作為核心控制元件，其性能優(yōu)劣將直接影響終端機械系統(tǒng)的性能。

圖1　折彎機

折彎機(見圖1)作為電液比例同步定位液壓系統(tǒng)應(yīng)用的一個典型，具有速度快、負(fù)載大、工況多、同步要求高、油缸面積比大等特點。如果僅僅依靠對閥性能及精度的提高上，不僅會增加產(chǎn)品成本，還會增加使用成本和維護成本。

比例閥性能和功能是產(chǎn)品的兩個方面，既相輔相成，又相互影響。結(jié)合折彎機的這些特點，為我們指明了其他方向的可能性。

1　折彎機工況

比例閥的機能常見的有O型，Y型和H型[1，2]，如圖2所示。折彎機的要求較高，一般選用帶位置反饋高性能比例閥或伺服性能比例閥， O型機能和H型機能較為常見。

圖2　O、Y、H型機能符號

以100 t折彎機為例，見圖3，其中典型配置之一，是由2個O型機能比例閥控制2只油缸控制模具同步運行，壓下或壓上。而壓下的過程，又分為快下、工進(jìn)、保壓等,見圖4。工進(jìn)段根據(jù)負(fù)載情況帶載、半載，空載等又分為壓底和不壓底，這過程中，既有力控制又有位置控制,還有同步控制要求。

圖3　折彎機控制部分液壓原理簡圖

1.閥控制信號　2.系統(tǒng)壓力Ⅰ.快下?、?工進(jìn)?、?保壓　Ⅳ.卸壓?、?快上圖4　折彎機工作周期示意圖

2　問題提出及分析

雖然O型的高性能比例閥能基本滿足折彎機的要求，但是在工進(jìn)保壓結(jié)束時，油缸有明顯的反彈，并伴隨一定的噪音。在空載、高壓、位置控制時，尤其是當(dāng)系統(tǒng)壓力變化時，對2個比例閥性能的同步性和對稱性，特別是壓力零漂要求提出了挑戰(zhàn)。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，折彎機是一個典型的利用大面積比油缸的液壓力放大應(yīng)用。仍以100 t折彎機為例，其上模自重約在有桿腔(下腔)產(chǎn)生60 bar壓力，也就說下腔壓力中的60 bar是用來平衡上模自重的，其他的壓力則是平衡油缸上腔壓力。在這個應(yīng)用中，油缸活塞與桿徑比約為13/12，則上下腔面積比為13/1。設(shè)A口壓力為pa，B口壓力為pb，則有

pa-60=pb×13

(1)

設(shè)P口壓力為280 bar，根據(jù)壓力增益特點，為方便計算，這里以簡單線性關(guān)系代表A、B口之間的壓力，

pa+pb=280

(2)

由式(1)、(2)可知，pb=15.7 bar，pa=264.3 bar。在油缸的有桿腔蓄積了超過200 bar能量，由此不難理解，在油缸上腔，快速卸壓時，油缸下腔將快速釋放液壓能，從而導(dǎo)致了油缸一個明顯上彈的失控動作。

一方面，保壓時是一個位置控制，閥工作在零位附近，不需或很少流量輸出。而O型機能的比例閥，由于滑閥的特性，決定了在中位時工作油口A、B的壓力約為P口壓力的1/2，接近于140 bar。這必然導(dǎo)致工作點偏離零位較遠(yuǎn)，更易受溫度等影響。另一方面，由于油缸的放大作用，上腔微小的壓力變化，比如1 bar，需要下腔同向13 bar的壓力變化才不會使油缸因失去平衡而引起位置變化。同時又要保證兩缸同步，是一個需要不斷修正的動態(tài)平衡。圖5為兩缸下腔壓力變化的一個示意：1、2曲線分別表示2只的閥控油缸下腔的壓力變化。

1.閥1　2.閥2　3.P口壓力圖5　油缸下腔壓力示意

3　解決方案與試驗

由式(1)、(2)分析知，在位置控制工況下，油缸上腔壓力越低越好，極限情況是0，則下腔只需平衡上模自重即可。如果可行，則沒有多余的能量積蓄，自然運行更加平穩(wěn)。因為閥在此工況下工作在零位附近，如果在O型機能的基礎(chǔ)上，在B油口和T油口通過閥芯增加一個節(jié)流通路，就可以有效地卸掉油缸上腔不必要的壓力。這相當(dāng)于普通三位換向閥的J型(B通T) 或N型(A通T)機能[3]，見圖6所示。

圖6　J型機能符號

為了驗證不同機能的比例閥在折彎機上的表現(xiàn)，我們在同一臺機器上，用同類的兩對閥，用等同的參數(shù)，對O型機能和J型機能進(jìn)行了了對比，如圖7所示。

1.O型　2.J型　3.系統(tǒng)壓力　4.P口壓力圖7　油缸下腔壓力變化比較

曲線1為普通O型機能閥的油缸下腔壓力，曲線2為推薦專用的J型機能閥油缸下腔壓力。對比兩條曲線，可以發(fā)現(xiàn)曲線1在保壓段，壓力持續(xù)攀升達(dá)到220 bar以上，并在保壓結(jié)束，壓力急速下降。僅能通過合適的壓力降斜坡確保模具運行平穩(wěn)。而曲線2在保壓段，壓力基本保持在模具自重60 bar附近，壓力平穩(wěn)，不需要比例閥口作相應(yīng)的快速滑動。

因此，從試驗結(jié)果不難看出通過改變閥芯的機能符號，消除了原閥芯控制中引入的附帶壓力，巧妙地轉(zhuǎn)化了高性能要求與機能之間的矛盾，使得同等條件下，位置控制的效果更好，同步性更好，魯棒性更好。

4　結(jié)論

比例閥的性能與閥芯機能是一對既矛盾又相互依存的兩方面，根據(jù)系統(tǒng)特點合理利用機能，可以更充分發(fā)揮比例閥的性能，使控制變得事半功倍。

(1) 更小的上腔壓力及下腔壓力，使得運行更平穩(wěn)，同步性好, 使用壽命延長；

(2) 不同系統(tǒng)壓力時，可以獲得更精確的位置控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量；

(3) 低壓力及油缸無桿腔變大的通流能力使系統(tǒng)節(jié)能和減噪，縮短工作循環(huán)周期；

(4) 中位時油缸上腔與T口相通，斷電時更安全。

參考文獻(xiàn)：

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