一種新型伺服液壓墊系統(tǒng)及其熱分析

鄭建華1，楊 帆，何永杰，費(fèi)紀(jì)龍1，彭黃湖，祝守新

(1.湖州機(jī)床廠(chǎng)有限公司，浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，浙江 湖州 313000)

引言

重型壓力機(jī)是生產(chǎn)大型汽車(chē)覆蓋件必不可少的沖壓設(shè)備，其液壓墊壓邊力是板料拉伸成型過(guò)程中最重要的一個(gè)參數(shù)[1-3]。目前液壓墊壓力控制主要采用背壓閥[4]，但由于存在溢流、泄漏等流體摩擦發(fā)熱，將產(chǎn)生大量熱能，進(jìn)入液壓系統(tǒng)中[5-6]。工程上受到結(jié)構(gòu)、重量等因素的限制，液壓墊油箱無(wú)法做得過(guò)大，若散熱條件較差，就會(huì)出現(xiàn)油液過(guò)熱，泄漏量進(jìn)一步上升，特別是在炎熱的夏季，該情況更為嚴(yán)重。液壓墊系統(tǒng)油溫過(guò)高還易造成停機(jī)冷卻次數(shù)上升，油液黏度發(fā)生變化從而速度、壓力不穩(wěn)定，設(shè)備不穩(wěn)定和次品率增加等情況，也會(huì)使液壓元件壽命降低。例如，某型重型壓力機(jī)液壓油工作條件為30～50 ℃，最高不超過(guò)60 ℃。但在實(shí)際使用過(guò)程，雖然有冷卻系統(tǒng)，也經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)熱停機(jī)的現(xiàn)象，特別是在夏季，機(jī)器開(kāi)機(jī)后2 h左右便需要停機(jī)散熱，嚴(yán)重影響企業(yè)效益。因此，液壓系統(tǒng)溫度問(wèn)題一直是液壓界技術(shù)人員所關(guān)注的熱點(diǎn)[7-10]。

為了解決液壓墊系統(tǒng)背壓閥溢流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“普通液壓墊系統(tǒng)”)發(fā)熱導(dǎo)致油溫過(guò)高的問(wèn)題，提出一種伺服液壓墊系統(tǒng)。通過(guò)定性對(duì)比普通液壓墊系統(tǒng)和伺服液壓墊系統(tǒng)壓邊工況下液壓系統(tǒng)的工作原理及能量傳遞路徑，以說(shuō)明伺服液壓墊系統(tǒng)能夠降低油液的發(fā)熱原因；在相同的工況下，通過(guò)對(duì)普通液壓墊系統(tǒng)和伺服液壓墊系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)建模及求解，從理論上實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種系統(tǒng)油液溫升定量比較；最后搭建試驗(yàn)臺(tái)，用實(shí)測(cè)油液溫升數(shù)據(jù)證明理論對(duì)比分析的正確性，以證明伺服液壓墊系統(tǒng)能夠有效的降低油液的溫升。

1 液壓墊系統(tǒng)組成

液壓墊是壓力機(jī)的重要組成部分，如圖1所示。壓力機(jī)開(kāi)始拉伸時(shí)，凸模固定不動(dòng)，壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)凹模運(yùn)動(dòng)至板坯上表面，然后給壓邊圈作用力，該力由經(jīng)壓力銷(xiāo)、液壓墊板和液壓墊缸活塞桿傳遞至液壓墊油路中產(chǎn)生壓力，油液壓力同時(shí)給活塞桿一反作用力，此力便是壓邊力。一旦液壓油壓力大于背壓元件的設(shè)定力，液壓油經(jīng)背壓閥流回油箱。液壓墊系統(tǒng)主要完成拉深過(guò)程中夾持料片、拉伸、零件頂出、回程等動(dòng)作，液壓墊系統(tǒng)組成如圖2所示[11-12]。

1.凹模 2.板坯 3.壓邊圈 4.凸模 5.壓力銷(xiāo)6.液壓墊板 7.液壓墊缸 8.閥塊圖1 壓力機(jī)結(jié)構(gòu)

普通液壓墊系統(tǒng)采用背壓閥作為液壓墊工作壓力的控制元件[13-14]。壓邊狀態(tài)油路簡(jiǎn)圖如圖3所示。在普通液壓墊提供壓邊力時(shí)，其液壓系統(tǒng)存在多種能量損失，包括液壓缸的機(jī)械損失和容積損失、閥類(lèi)元件和管路的壓力損失和液壓油的黏性摩擦損失等等。這些損失幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量除一部分散發(fā)到周?chē)臻g外，大部分使系統(tǒng)油溫升高。普通液壓墊系統(tǒng)能量傳遞過(guò)程和能量損失如圖4所示，在液壓油熱能來(lái)源中，以液壓油流經(jīng)背壓閥節(jié)流口，油液壓力由最高25 MPa下降為大氣壓壓力所產(chǎn)生的熱量占比最大。

圖2 普通液壓墊系統(tǒng)

1.液壓墊板 2.液壓墊缸 3.背壓閥 4.油箱圖3 普通液壓墊壓邊工況下液壓系統(tǒng)的油路原理圖

圖4 普通液壓墊能量損失和能量傳遞過(guò)程

若液壓墊液壓系統(tǒng)一直處于較高油溫狀態(tài)下工作，將對(duì)系統(tǒng)造成危害：

(1) 油液黏度降低，同時(shí)密封元件受熱老化后密封性能下降，以至于泄漏量增加會(huì)使系統(tǒng)工作效率下降，壓邊力不穩(wěn)定；

(2) 運(yùn)動(dòng)元件受熱膨脹使得配合間隙發(fā)生較大的變化，潤(rùn)滑油膜變薄甚至消失，造成液壓缸和閥門(mén)運(yùn)動(dòng)件的卡死或者磨損；

(3) 油液高溫下容易形成氣穴、氧化變質(zhì)，降低油液及元件的使用壽命。

綜上，為了提供壓邊力，需要在調(diào)壓油路上形成一定的阻力，為此普通的液壓墊系統(tǒng)安裝有背壓閥，而研究表明背壓閥的能量損失產(chǎn)生熱量占總熱量的比重最高[15]。如果可以棄用背壓閥改換其他非閥類(lèi)背壓元件則可大大地減少系統(tǒng)的發(fā)熱量。為此，提出了采用扭矩控制模式下的伺服電機(jī)來(lái)控制液壓馬達(dá)作為背壓元件[16]，其同樣可提供排油背壓。采用此種方式，可大大減少油液的發(fā)熱量，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，提高設(shè)備利用率及生產(chǎn)效率。另外，由于采用伺服電機(jī)做扭矩控制，伺服液壓墊具有響應(yīng)時(shí)間短、壓力控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[17-20]。伺服液壓墊系統(tǒng)如圖5所示，其壓邊工況下系統(tǒng)的油路原理圖如圖6所示。

圖5 伺服液壓墊系統(tǒng)

1.液壓墊板 2.油缸 3.伺服電機(jī)4.液壓馬達(dá) 5.油箱圖6 伺服液壓墊壓邊工況下液壓系統(tǒng)的油路原理圖

與普通液壓墊工作原理類(lèi)似，伺服液壓墊在調(diào)壓油路上采用了液壓馬達(dá)，并以伺服電機(jī)作為液壓馬達(dá)的負(fù)載，從而產(chǎn)生排油背壓。

在伺服液壓墊提供壓邊力時(shí)，液壓系統(tǒng)中無(wú)背壓閥。如圖7所示，液壓馬達(dá)的能量損失只有少部分的容積效率損失轉(zhuǎn)化為油液的熱能，大部分能量損失傳遞至伺服電機(jī)的制動(dòng)電阻上，可大幅降低油液的溫升。

圖7 伺服液壓墊液壓系統(tǒng)能量損失和能量傳遞過(guò)程

2 液壓墊系統(tǒng)關(guān)鍵元件溫度模型

2.1 泵或馬達(dá)出口溫度模型

泵或馬達(dá)出口溫度微分方程為[21]：

(1)

式中，t—— 時(shí)間

v—— 比容

we—— 液體進(jìn)入控制體積的質(zhì)量流量

V—— 控制體積

cp—— 比熱容

β—— 液體的體積膨脹系數(shù)

T—— 液體的溫度

η0—— 元件的效率

pe—— 流體進(jìn)入元件的壓力

p1—— 流體流出元件的壓力

Te—— 流體進(jìn)入元件的溫度

T1—— 流體流出元件的溫度

2.2 溢流閥出口溫度模型

溢流閥出口溫度計(jì)算公式為[21]：

(2)

式中，qh為傳熱速率。

2.3 油管溫度模型

油管的出口溫度計(jì)算公式為[21]：

(3)

式中，Bm—— 等溫體積彈性模量

ρ—— 流體密度

w1—— 液體離開(kāi)控制體積的質(zhì)量流量

2.4 油箱溫度模型

油箱的出口溫度計(jì)算公式為[21]：

(4)

3 液壓墊系統(tǒng)熱力學(xué)建模

為了能夠定量說(shuō)明伺服液壓墊油液溫升小這一優(yōu)點(diǎn)，需分別對(duì)伺服液壓墊及普通液壓墊的液壓系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)建模。在建模過(guò)程中為了對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，需做以下假設(shè)：

(1) 假設(shè)系統(tǒng)所處環(huán)境無(wú)風(fēng)，環(huán)境溫度為25 ℃；

(2) 重點(diǎn)考慮液壓泵、液壓馬達(dá)和背壓閥的產(chǎn)熱量以及油管的散熱量，忽略其他元件的產(chǎn)熱和散熱過(guò)程；

(3) 為了確保仿真的工程實(shí)用性，不對(duì)元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

3.1 液壓墊系統(tǒng)熱力學(xué)模型

在AMESim中建立伺服液壓墊及普通液壓墊系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算模型，如圖8所示，并根據(jù)元件產(chǎn)品樣本上的參數(shù)合理設(shè)置模型參數(shù)。建立帶伺服電機(jī)的液壓系統(tǒng)如圖8a)如圖所示，泵送油入液壓缸活塞上行，活塞下行泵成為馬達(dá)；采用熱工溢流閥代替背壓閥建立帶背壓閥的液壓墊系統(tǒng)如圖8b)所示。

圖8 AMESim中液壓墊油路熱力學(xué)模型

3.2 油路熱力學(xué)模型介紹及參數(shù)設(shè)置

采用系統(tǒng)默認(rèn)的定量熱工液壓泵和具有線(xiàn)性特性的熱工溢流閥，在回路中對(duì)內(nèi)泄量和熱量進(jìn)行補(bǔ)償?；芈芬簤河筒捎媚Ｐ蛶?kù)中的標(biāo)準(zhǔn)46號(hào)液壓油，并設(shè)置為無(wú)氣蝕和氣穴。主要參數(shù)如表1所示，其余未聲明的參數(shù)設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果

對(duì)兩種液壓墊液壓系統(tǒng)在壓邊工況下進(jìn)行7200 s的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真，取值間隔為一個(gè)拉伸周期，伺服液壓墊與普通液壓墊調(diào)壓管路溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 伺服液壓墊及普通液壓墊系統(tǒng)調(diào)壓管油液溫度仿真值

仿真達(dá)到7200 s時(shí)，伺服液壓墊調(diào)壓管路油液的溫度由25 ℃上升至42.22 ℃，增加了68.88%，呈現(xiàn)趨近平穩(wěn)狀態(tài)；普通液壓墊調(diào)壓管路油液的溫度由25 ℃ 上升至61.88 ℃，增加了147.52%，并有繼續(xù)上升的趨勢(shì)；與普通液壓墊相比，伺服液壓墊調(diào)壓管油液溫度降低了31.77%。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為比較伺服型和普通型兩種液壓系統(tǒng)對(duì)液壓墊性能、油液溫升影響而作了相應(yīng)的比較試驗(yàn)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中采用伺服電機(jī)-內(nèi)嚙合齒輪泵機(jī)組作為伺服液壓墊壓力主控元件，采用比例壓力閥作為液壓墊壓力主控元件，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩套液壓墊系統(tǒng)在上述試驗(yàn)參數(shù)下運(yùn)行7200 s，如圖10所示，伺服液壓墊的內(nèi)嚙合齒輪馬達(dá)調(diào)壓側(cè)油溫從25 ℃上升至40～45 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真值吻合；同樣的工況和時(shí)間，普通液壓墊的壓力閥調(diào)壓管溫度從25 ℃上升至55～62 ℃，同樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真值吻合。

6 結(jié)論

提出了一種新型伺服液壓墊系統(tǒng)，系統(tǒng)采用扭矩控制模式下的伺服電機(jī)來(lái)控制液壓馬達(dá)作為背壓元件，極大的減輕了液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱。利用AMESim軟件對(duì)伺服液壓墊及普通液壓墊系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)對(duì)比分析，并采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：在壓力機(jī)連續(xù)運(yùn)行2 h后，伺服液壓墊調(diào)壓管路的油液溫度的理論計(jì)算值比與普通液壓墊的低31.77%，實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與理論計(jì)算結(jié)果相近，因此，可證明所提出的伺服液壓墊液壓系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)的油液溫升更小，更能夠滿(mǎn)足實(shí)際的使用需求。

圖10 調(diào)壓管油液溫度實(shí)測(cè)值與仿真值的對(duì)比

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，壓力機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，伺服液壓墊的制動(dòng)電阻溫度明顯上升，但后期上升速率開(kāi)始降低，通過(guò)有效散熱能將電阻溫度控制在可控范圍內(nèi)。從能量回收的角度考慮，需將這部分能量回收利用起來(lái)。因此，伺服液壓墊液壓缸在壓邊工況下，伺服電機(jī)處回饋制動(dòng)狀態(tài)，大量能量轉(zhuǎn)化為制動(dòng)電阻熱能，可通過(guò)一些功率模塊實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，將這部分能量反饋的電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。