液壓差動回路的應(yīng)用分析

鄭慶強 韓 波 韓玉勇

（1.棗莊職業(yè)學院，棗莊 277100；2.棗莊技師學院，棗莊 277100；3.棗莊科技職業(yè)學院，棗莊 277599）

在機械加工中，為了減少加工空行程運行時間，往往在工件定位夾緊工作完成的同時，讓刀具快速靠近工件，以提高勞動生產(chǎn)率，并合理利用機床功率。

1 執(zhí)行元件實現(xiàn)快速運動的方法

1.1 快速運動實現(xiàn)的路徑

液壓缸速度計算公式為：

式中：q 為進入液壓缸的流量；A 為液壓缸有效工作面積；v 為活塞的運動速度?？芍胧箞?zhí)行元件獲得比較高的運行速度，可以通過增大進入液壓缸的流量q（如采用高壓小流量泵和低壓大流量泵組合的雙泵供油快速運動回路）或者減小液壓缸有效工作面積A（液壓缸采用差動連接快速運動回路、增速缸的增速回路）來實現(xiàn)，也可以將兩種方法聯(lián)合 使用。

1.1.1 增大流量

快進動作是指執(zhí)行元件的運行速度比正常工作過程表現(xiàn)的速度高一些。這個快進動作可以通過增加流量來實現(xiàn)。比如，若正常工作過程中，液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作運行速度并不高，但其快速進給時的速度與工作進給速度相差很大，就可以考慮采用高壓小流量泵和低壓大流量泵組合的雙聯(lián)泵作為系統(tǒng)動力源的快速運動回路。在此回路中，高壓小流量泵能夠滿足正常工作壓力和工作進給要求。在執(zhí)行快速運動時，由于系統(tǒng)壓力的降低，一直在進行卸荷動作的低壓大流量泵因卸荷閥關(guān)閉，其供應(yīng)的油液連同高壓小流量泵供應(yīng)的油液會一同進入液壓工作系統(tǒng)，滿足快進動作所需的大流量油液需求。該回路的優(yōu)點是回路簡單。低壓大流量泵的卸荷減少了動力消耗，回路效率較高，在機床中得到了廣泛應(yīng)用。需要注意的是，在兩泵之間需要安裝一個單向閥，且其進油口須確保與低壓大流量泵連接而不能反向連接。

采用蓄能器作為增大流量的補油回路也可實現(xiàn)快速運動。比如，間歇運轉(zhuǎn)的液壓機械只是在某一工作階段需要快速運動，蓄能器將其所儲存的液壓油釋放出來補充到執(zhí)行元件，滿足其快速運動所需的總體油液需求。這樣系統(tǒng)就可選用流量較小的液壓泵和功率較小的電機，節(jié)約能源，并可有效降低油溫。

1.1.2 減小有效工作面積

減小液壓缸有效工作面積也可實現(xiàn)快進動作，如常見的起重機伸縮臂缸、自卸汽車的舉升缸等，往往將其稱為伸縮缸。缸體由兩級或多級活塞缸套裝在一起，且前一級的活塞與后一級的缸筒連為一體。這種結(jié)構(gòu)活塞桿伸出時行程大，收縮后結(jié)構(gòu)尺寸小，能夠?qū)崿F(xiàn)在有限的長度空間內(nèi)滿足更大伸出長度的需求，常用于起重運輸車輛和消防云梯。工作過程中，先伸出的是結(jié)構(gòu)尺寸最大的活塞，再按結(jié)構(gòu)尺寸由大到小的順序依次伸出。此時，每個階段對應(yīng)的有效工作面積逐漸減小，所以其產(chǎn)生的推力也會由大到小，伸出的速度由慢到快。工作結(jié)束時，活塞縮回的先是結(jié)構(gòu)尺寸最小的，后按結(jié)構(gòu)尺寸由小到大的順序依次縮回，縮回速度由快到慢。

1.1.3 增大流量的同時減小有效工作面積

對于一般的立式液壓機而言，液壓機的快速下行動作往往是利用液壓機下行部分機械自身重量來帶動液壓缸活塞實現(xiàn)快速運動。快速運動所需補充的油液一般用充液閥充液的方法。若是一臺液壓缸水平放置的液壓機，快速沖壓動作則可以采用減小有效工作面積技術(shù)的增速液壓缸來實現(xiàn)。而在液壓缸空載快速回程時，可以設(shè)計為由蓄能器補油功能的差動連接快速回路，實現(xiàn)液壓機雙向的快速運動。這是增大流量q的同時減小有效工作面積A 綜合方法的實際應(yīng)用。

1.2 差動回路的工作原理

單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，這種連接稱為差動連接。圖1 的回路就是利用二位三通電磁換向閥5 實現(xiàn)液壓缸差動連接的回路。當換向閥5 處于彈簧位時，液壓泵1 輸出的液壓油同時與單桿液壓缸4的左右兩腔相通，此時兩腔壓力相等。由于液壓缸無桿腔的有效工作面積比有桿腔的有效工作面積大，活塞向右的推力大于向左的作用力，導致活塞向右移動[1]。

液壓缸4 無桿腔排出的油液與液壓泵1 輸出的油液共同流入無桿腔，即在不增加液壓泵流量的情況下增加了供給無桿腔的油液量q，相應(yīng)提高了活塞向右伸出的運動速度v。

2 液壓差動回路設(shè)計需要注意的問題

實際應(yīng)用中，液壓系統(tǒng)的設(shè)計好壞需要看其是否能合理避免各種故障來作為判斷。

2.1 要全面考慮液壓元件的設(shè)計影響因子

注意液壓元件的設(shè)計要綜合考慮變化因子的影響。比如，圖1 采用的差動連接回路中，泵的流量和有桿腔排出的流量合在一起流過的閥和管路應(yīng)按合成流量選擇設(shè)計，因為流量的增大必然會造成液壓系統(tǒng)阻力增大，而壓力損失也會隨之增大。若設(shè)計時疏忽流量改變因素造成的影響，往往無法得到正常需要的液壓缸運行速度[2]。

2.2 液壓缸的快進推力要足夠

當液壓缸快進工作時，一般不需要產(chǎn)生推力。但是，當有推力存在的時候，有效工作面積僅為活塞桿的截面面積，在壓力一定的情況下所產(chǎn)生的推力較小。要滿足相應(yīng)推力的需求，必須在充分滿足機械要求功率的條件下選擇液壓缸尺寸及工作壓力，而不是一味提高液壓泵1 的供油壓力，否則將導致泵的部分壓力油從溢流閥溢回油箱而引起供油量達不到差動快進的目的。

2.3 注意油液發(fā)熱問題

差動回路中的液壓油由于工作時油液不能排回油箱冷卻，只能長時間在液壓缸兩個工作腔之間來回流動，導致油液會因工作循環(huán)次數(shù)高及回路阻力的存在造成油溫升高發(fā)熱，引起液壓系統(tǒng)工作效率下降、運動部件磨損加劇等危害[3]。

3 差動連接的應(yīng)用實例

圖1 的液壓缸差動連接回路在設(shè)計原理上是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)的工作循環(huán)為“快進→工進→快退→停止”。系統(tǒng)中電磁鐵和液壓閥的工作情況見表1。

表1 液壓回路電磁鐵和液壓閥的工作情況

液壓缸快進工作動作油液的進油流動路線，如圖2 所示。實際運行中發(fā)現(xiàn)，在液壓缸快退停止動作時，液壓缸會出現(xiàn)反向前沖現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，液壓缸快退結(jié)束進行停止工作時，需要將二位三通電磁換向閥5 由通電狀態(tài)調(diào)整為斷電狀態(tài)，此時不可避免電磁閥將連通液壓缸的兩個工作腔，從而造成液壓缸在兩腔壓差的作用下產(chǎn)生一個反向運動造成液壓缸 前沖。

為了解決該故障，在油路改進設(shè)計時可以調(diào)整二位三通電磁換向閥5 的工作狀態(tài)，即將油路的快進狀態(tài)設(shè)計為如圖3 所示的電磁換向閥5 的通電狀態(tài)。調(diào)整后液壓系統(tǒng)中電磁鐵和液壓閥的工作情況如表2 所示，避免了快退停止時液壓缸前沖現(xiàn)象，同時電磁閥5 只是快進動作時處于通電狀態(tài)，延長了使用壽命[4]。

表2 調(diào)整后液壓回路電磁鐵和液壓閥的工作情況

4 差動液壓回路的優(yōu)點

圖2 調(diào)整后液壓缸差動連接回路，當三位四通電磁換向閥3 和二位三通電磁換向閥5 左位接入時，液壓缸差動連接作快進運動。當電磁換向閥5 電磁鐵斷電，差動連接即被切斷，液壓缸回油經(jīng)過單向調(diào)速閥6，實現(xiàn)工作進給。三位四通電磁換向閥3 右位接入后，液壓缸實現(xiàn)快退動作。

該液壓系統(tǒng)采用由單向定量泵1 和單向調(diào)速閥6組成的回油路節(jié)流調(diào)速回路。這種回路裝置簡單，可以獲得比較大的調(diào)速范圍。單向調(diào)速閥6 在工作進給過程中起到背壓作用，使液壓缸工作趨于平穩(wěn)。液壓系統(tǒng)采用溢流閥2 與單向定量泵1 控制的調(diào)壓溢流回路，控制了液壓缸所能產(chǎn)生的最大工作壓力。液壓系統(tǒng)采用中位機能為M 形的三位四通電磁換向閥3 的卸荷功能，換向閥中位時可節(jié)省能量消耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長液壓泵和電動機的壽命[5]。

5 結(jié)語

差動回路是一種節(jié)能型回路，但需要利用設(shè)計原理和技巧，最大限度發(fā)揮回路的優(yōu)勢。