軋鋼沖壓生產(chǎn)線模擬裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 杰

（河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

軋鋼沖壓生產(chǎn)線模擬裝置可以模擬完成鋼材的軋制、沖壓等工藝流程，該裝置集機(jī)、電、液、氣技術(shù)于一體，主要服務(wù)于高等院校的機(jī)械類相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，本文主要完成了該裝置的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及元件選擇。

1 軋鋼沖壓生產(chǎn)線模擬裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 工況分析

1.1.1 運(yùn)動(dòng)分析

軋鋼沖壓生產(chǎn)線模擬裝置動(dòng)作要求為：①液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行傳輸；②軋制液壓缸下降進(jìn)行軋制；③當(dāng)被軋制的工件到達(dá)指定位置時(shí)頂料液壓缸伸出，沖壓液壓缸下降沖壓，并保壓；④沖壓及頂料液壓缸完成復(fù)位動(dòng)作；⑤若全部工作完成，則液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

液壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)為：①工件的質(zhì)量為2 kg，運(yùn)動(dòng)部件所受重力為50 N；②軋制液壓缸的上升和下降速度均為0.01 m/s，行程為0.1 m；③頂料液壓缸的上升和下降速度均為0.01 m/s，行程為0.05 m；④沖壓液壓缸的上升和下降速度均為0.05 m/s，行程為0.1 m/s，保壓時(shí)間為2 s。

1.1.2 負(fù)載分析

（1）工件傳輸模塊液壓系統(tǒng)傳輸負(fù)載扭矩：Te=7.2N·m靜摩擦負(fù)載扭矩：

動(dòng)摩擦負(fù)載扭矩：

慣性負(fù)載扭矩：

式中，R為軸半徑，m；此時(shí)，取R=0.01 m；Fn為作用于軸徑的徑向力，N；μs、μd為靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，此處均取0.1；J—旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J=GD2/4 g；ε為旋轉(zhuǎn)部件角加速度。

代入數(shù)據(jù)得馬達(dá)不同工況下的總負(fù)載扭矩，如表1所示。

表1 馬達(dá)不同工況下的總負(fù)載扭矩

（2）軋制模塊液壓系統(tǒng)由于兩個(gè)軋制液壓缸共同完成軋制任務(wù)，這里只計(jì)算單個(gè)液壓缸負(fù)載情況：

計(jì)算出軋制液壓缸各個(gè)階段的負(fù)載，其具體情況如表2所示。

表2 軋制液壓缸不同工況下的負(fù)載

1.2 液壓執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定

1.2.1 液壓馬達(dá)主要參數(shù)的確定

擬定馬達(dá)的工作壓力為4.5 MPa。

液壓馬達(dá)的排量：

式中，Vm為液壓馬達(dá)的排量，m3/r；Δp為液壓馬達(dá)進(jìn)、出口的壓差，Δp=p1-p2，MPa；ηmm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率，此處取0.9；Tmax為液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)矩，N·m，此處是7.2 N·m；

液壓馬達(dá)的選擇：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選用PGM503A-0021B型號(hào)的液壓齒輪馬達(dá)，其排量為2.1 mL/min，轉(zhuǎn)速為500 r/rad。

液壓馬達(dá)的最大流量：

1．2．2 軋制缸主要參數(shù)的確定

擬定液壓缸的工作壓力為5 MPa。

液壓缸的無(wú)桿腔面積：

液壓缸內(nèi)徑為：

按GB/T 2348—2018，可以將內(nèi)徑圓整為20 mm。

式中，F(xiàn)max為軋制缸的最大工作負(fù)載，N；ηcm為液壓缸的機(jī)械效率，此處取0.9；p1為軋制缸無(wú)桿腔壓力，MPa；p2為軋制缸有桿腔壓力，MPa，此處取0.05 MPa；A1為液壓缸無(wú)桿腔面積，m2；A2為液壓缸有桿腔面積，m2。

活塞桿的直徑：

活塞桿直徑d2取14 mm。

無(wú)桿腔的有效面積為：

有桿腔的有效面積：

計(jì)算液壓缸的最大流量

1.3 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定

該液壓系統(tǒng)分為工件傳輸液壓系統(tǒng)和軋制、頂料、沖壓液壓系統(tǒng)兩部分。

1.3.1 工件傳輸液壓系統(tǒng)

工件傳輸過程中外負(fù)載很小，考慮系統(tǒng)效率及溫升等因素，擬選用變量泵作為系統(tǒng)的動(dòng)力元件向系統(tǒng)供油。由于該系統(tǒng)的功率小，且外負(fù)載變化不大，可以采用節(jié)流調(diào)速方式對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行元件進(jìn)行速度控制。在進(jìn)行軋制、頂料及沖壓等工序時(shí)工件傳輸停止，為了減少功率損耗及葉片泵的磨損，選用中位可以卸荷的H型機(jī)能的換向閥。

1．3．2 軋制、頂料、沖壓液壓系統(tǒng)

由于軋制、頂料及沖壓過程中系統(tǒng)的負(fù)載很小且系統(tǒng)的壓力需要穩(wěn)定輸出，所以采用齒輪泵3和溢流閥10作為系統(tǒng)的動(dòng)力源。該液壓系統(tǒng)對(duì)液壓缸的速度穩(wěn)定性要求較低并且系統(tǒng)功率很小，故軋制回路、頂料回路和沖壓回路都選用雙單向節(jié)流閥15、16、17回油節(jié)流調(diào)速回路。在沖壓動(dòng)作完成后需要對(duì)工件進(jìn)行保壓，為保證液壓鎖的迅速鎖緊，該沖壓回路采用液壓鎖21和電磁換向閥（Y型中位機(jī)能）實(shí)現(xiàn)。沖壓回路中當(dāng)沖壓頭與工件接觸瞬間會(huì)有很大沖擊力，液壓缸內(nèi)壓力會(huì)瞬時(shí)變得很高，所以選用直動(dòng)式減壓閥11來穩(wěn)定支路壓力。擬定出如圖1所示的液壓系統(tǒng)原理圖。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)元件選擇

2.1 泵、電機(jī)的選擇

2．1．1 工件傳輸液壓系統(tǒng)

液壓馬達(dá)最大工作壓力為4.5 MPa，假設(shè)壓力損失為∑Δp＝1 MPa，則工件傳輸液壓系統(tǒng)的液壓泵的工作壓力為：

取液壓回路泄漏系數(shù)取1.2，液壓泵的總流量為：

所選液壓泵的輸出流量需大于1.2 L/min。

選用VPV1-9-70型變量葉片泵，其額定壓力為7 MPa，容積效率為：ηpv=0.85；總效率為ηp=0.765。

電動(dòng)機(jī)功率：

選用型號(hào)為Y90S-6的電機(jī)，功率為750 W，額定轉(zhuǎn)速為910 r/min。

2.1.2 軋制、頂料和沖壓液壓系統(tǒng)

選用型號(hào)為HQT31-20的內(nèi)嚙合齒輪泵，其額定壓力為6.3 MPa，容積效率為：ηpv=0.85；總效率為ηp=0.765。

電動(dòng)機(jī)功率：

選用電機(jī)型號(hào)為Y90S-6，功率為2.2 kW，額定轉(zhuǎn)速為940 r/min。主要液壓元件選用如表3所示。

表3 軋制、頂料和沖壓模塊液壓元件明細(xì)表

3 結(jié)語(yǔ)

本文完成了軋鋼沖壓生產(chǎn)線模擬裝置液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，包括工件傳輸、軋制及沖壓等工況的運(yùn)動(dòng)分析及外負(fù)載的分析，軋制、沖壓及頂料液壓缸、液壓馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算，完成了液壓系統(tǒng)方案的制定及工件傳輸模塊、軋制、頂料和沖壓模塊主要液壓元件的選擇工作，具有一定的實(shí)際工程參考價(jià)值。