某型平面磨床液壓系統的改造
2016-8-18 來源：三峽大學機械與動力學院 作者：吳正佳 段方立 鄧少華
摘要： 針對老舊平面磨床的備件更換困難以及磨床出現的能耗點過多等問題， 采用較為簡單的方式對液壓系統進行改造， 減少能耗泄漏和提高備件的可替換性； 同時使用液壓系統仿真軟件ＡＭＥｓｉｍ 對改造后的系統進行動態仿真， 模擬液壓系統在工作狀態下的壓力特性曲線及速度曲線， 發現液壓系統運行平穩。
關鍵詞： 平面磨床； 液壓系統； 改造； 動態仿真
由于設備的更新換代， 同型號的液壓元件及相關備件早已無處采購， 這就對設備的維護造成了一定的困難， 另外原液壓系統也存在一定的設計缺陷， 如能量的損失等。勢必選用同類型或者具有同等功能的液壓元件來對原液壓系統進行同等功能的改造。但改造過程不是簡單地用新的液壓元件對原有液壓元件進行簡單替換， 讓其滿足基本的功能原理， 還必須考慮整個系統的動態特性。因此有必要對新改造的液壓系統進行動態特性仿真， 使其具有比較穩定的動態特性，能夠更加有效地運轉， 從而實現更好地為企業服務。
１、某型平面磨床液壓系統的工作原理
圖１ 所示為某型平面磨床液壓系統的原理圖。該系統由穩壓閥、葉片式雙向變量油泵、定量油泵、開停閥、液壓缸、濾油器、定量泵溢流閥、壓力表開關、先導閥、調整器、換向閥、潤滑油分油器、操縱閥和電磁閥等１４ 個主要元件構成。磨床的液壓傳動采用基于葉片式雙向變量油泵的閉式液壓系統， 系統中的穩壓閥由濾油器、單向閥、安全閥３ 個元件組合； 葉片式雙向變量油泵、定量油泵、換向閥合并于同一機構中。
圖１ 原液壓系統圖
１.１ 工作臺右行
磨床啟動時， 開停閥處于左位， 工作臺右行， 先導閥位于左位。在運行過程中系統中的液壓油運行情況如下： 液壓油在定量油泵的作用下， 經過過濾器和定量油泵到達先導閥， 進而到達調整器， 此時液壓油會有３ 種流向， 如下： （１） 流經換向閥右端， 推動換向閥閥芯左移， 為油液換向做準備； （２） 經過換向閥， 達到油缸右腔； （３） 油液到達變量泵上端的變量活塞， 推動變量泵活塞改變方向。同時換向閥左端油和變量泵下端活塞出口油經過左調整節流閥和先導閥回到油池。這時變量泵壓油腔的液壓油經開停閥到達油缸左腔， 推動工作臺右行； 油缸右腔的液壓油經過開停閥回到變量泵的吸入腔， 形成閉式回路。
在機械部分， 工作臺上左端的碰撞塊撞擊手柄立柱上的套環， 帶動撥叉機構使先導閥閥芯右移， 為工作臺的換向運動作準備。
１.２ 工作臺左行
工作臺左行， 由于撥叉機構的動作， 先導閥在右位。同樣。由定量油泵出來的液壓油經過先導閥到達左調整器也有３ 種流向， 如下： （１） 液壓油經過換向閥左端， 推動閥芯右移， 為液壓油的再次換向作準備； （２） 經換向閥到達油缸左腔； （３） 油液到達變量泵下端的變量活塞， 推動變量泵活塞改變流油方向。同時經過換向閥右端的液壓油和變量泵上端活塞的液壓油經過右調整節流閥， 再經過先導閥回到油池。這時主路的變量泵右腔的液壓油經過開停閥回到油缸右腔， 推動工作臺左行； 同時油缸左腔液壓油經過開停閥到達變量泵吸入腔， 形成閉式回路。
１.３ 工作臺停車
開停閥處于右位， 使得油缸的左右腔、變量泵的左右腔互通， 工作臺停止移動， 此時可以手動搖動工作臺（當工作臺單向運動到極限位置時， 形成此種狀況）。變量泵壓油腔出來的油液壓力超過安全壓力后， 經過穩壓閥的溢流閥流進油箱。
２、能耗與不足分析
通過對原液壓系統的原理進行分析， 得到原液壓系統存在如下不足之處：
（１） 為確保變量泵和換向閥可靠地換向， 定量泵的油壓必須調至０.３～０.５ ＭＰａ， 工作過程中， 定量泵的油除補充系統外， 其余的經溢流閥流回油池。
（２） 由于定量泵和變量泵同軸聯動， 只要油泵不停止轉動， 定量泵的負載則為溢流閥的調整壓力。
（３） 回油過程中穩壓閥組件中溢流閥的壓力較高， 引起能量損失。
（４） 由于采用閉式回路的液壓系統， 系統散熱性較差， 影響系統的傳動性能。
３、主要參數及泵的選擇
３.１ 主要參數
為確保改造后液壓系統的性能， 盡量保留原來的參數設計。
工作臺的運行速度２.５～２０ ｍ／ ｍｉｎ， 變量泵的流量６５ Ｌ／ ｍｉｎ， 壓力１.５ ＭＰａ， 定量泵的流量１０Ｌ／ ｍｉｎ， 壓力０.２～０.５ ＭＰａ， 電機功率２.２ ｋＷ， 轉速１ ０００ ｒ／ ｍｉｎ。
３.２ 泵的選擇
對比原閉式液壓系統， 新的液壓系統采用開式液壓系統設計， 故流量及壓力在設計上選用的參考系數較大。根據液壓設計手冊， 齒輪泵的額定壓力為系統安全閥開啟壓力的.１～ １.５ 倍。參照原液壓系統的主要設計參數， 根據公式得到新的電機功率：
Ｑ ＝Ｃ·ｐ·ｑ
式中： Ｑ 為電機功率； ｐ 為泵的輸出壓力； ｑ 為泵的輸出流量； Ｃ 為選擇可靠系數（Ｃ ＝１.１～１.５）。
根據新計算結果， 選擇外嚙合齒輪泵ＣＢ.Ｂ， 其額定壓力２.５ ＭＰａ， 排量７５ Ｌ／ ｍｉｎ， 額定轉速１ ４５０ｒ／ ｍｉｎ。根據原液壓系統的設計， 新液壓系統的主要參數參照原系統。
４、液壓系統的改造
通過對原液壓系統的分析， 為盡最大可能避免原液壓系統出現的能量損失和最小改變原系統的液壓元件， 新的液壓系統保留了先導閥， 同時對原電磁閥和液動換向閥做了改造， 新添了制動閥和調速閥， 工作臺的換向沖擊及行程精度采用單向節流閥控制。新設計的開式液壓系統的原理圖如圖２ 所示。
圖２ 改造后的液壓系統圖
說明： 新的液壓系統采用的開停閥可以采用電磁閥手動控制， 制動閥也可以使用標準的二位四通電磁閥改造而成。
５、新液壓系統動態仿真分析
根據新設計的液壓系統的工作原理， 忽略次要的影響因素， 最大可能地建立與實際系統等效的動態仿真模型， 模型圖如圖３ 所示。
圖３ 液壓仿真系統簡圖
針對新的液壓系統的動態仿真， 本著簡化原模型、最大限度地獲取系統的仿真動態特性的目的， 在仿真模型的基礎下， 省去了開停閥， 同時將液壓系統的傳動型號改變為電信號， 如先導閥和制動閥的位置轉換信號改為模擬電信號； 同時忽略了管路剛性和柔性的影響等。液壓系統的主要仿真參數見表１。
表１ 液壓系統仿真的主要參數表
通過對仿真系統的參數進行如上設置， 得到油缸活塞從啟動到平穩運行過程中的壓力特性曲線圖４ 和速度曲線圖５。仿真過程中的工作平臺以最小運行速度來進行仿真， 見圖５。
圖４ 液壓缸有桿腔壓力曲線 圖５ 活塞的運動速度圖
對改造后的系統用ＡＭＥＳｉｍ 做仿真分析， 液壓系統動態仿真的效果顯示： 液壓系統的運行過程中， 受力基本平穩。
６、結束語
該系統采用節流調速， 缺點是速度越低， 能耗越大， 但考慮到液壓系統的實際工作情況： 磨床一般處于中、高速運行， 功率小， 因此能耗不是很大； 同時新改造的系統中使用的元件都較為簡單， 或者間接改造， 較為容易； 新改造的液壓系統使用液動換向閥換向， 能夠減少沖擊。綜上所述： 采用調速閥、液動換向閥工作能夠滿足系統實際情況的需求。
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