鐘文輝

(云南鋁業(yè)股份有限公司，云南昆明 650502)

生產(chǎn)流水線液壓系統(tǒng)分組供油的理論與實(shí)踐

鐘文輝

(云南鋁業(yè)股份有限公司，云南昆明 650502)

對(duì)于多執(zhí)行元件的生產(chǎn)流水線液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，分組供油是一種合理的選擇。從分組供油需滿足的基本要求出發(fā)，研究了回路設(shè)計(jì)、油泵選型、排量計(jì)算、系統(tǒng)效率、基本參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算等重要問(wèn)題，據(jù)此提出基于液壓系統(tǒng)效率的分組原則。并介紹了采用分組供油的方法，對(duì)澆鑄生產(chǎn)線液壓系統(tǒng)改造的成功實(shí)例，驗(yàn)證了文中的結(jié)論，為生產(chǎn)線液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造提供參考。

分組供油;節(jié)流調(diào)速;系統(tǒng)效率

我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，以引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的方式，設(shè)計(jì)、投產(chǎn)了大量的各種生產(chǎn)流水線，許多生產(chǎn)線一直應(yīng)用至今。隨著技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)線上廣泛使用的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，或因提高生產(chǎn)率，導(dǎo)致執(zhí)行元件速度不夠，要求增加供應(yīng)流量;或因工裝、工藝改變工作負(fù)載加大，必須提高供油壓力。這就需要對(duì)生產(chǎn)線液壓系統(tǒng)的油源部分進(jìn)行改造或重新設(shè)計(jì)。某公司澆鑄站的特點(diǎn)是所有執(zhí)行元件共用一只油泵供油，執(zhí)行元件多，而且各執(zhí)行元件的啟、停時(shí)間，流量和工作壓力運(yùn)行時(shí)段區(qū)間都不同。這種方式油路簡(jiǎn)單，但油泵的流量必須按照工作循環(huán)內(nèi)所需的最大流量選配。若工作循環(huán)內(nèi)各時(shí)段的流量需求差別很大，就會(huì)出現(xiàn)在某一時(shí)段流量大量富余的情況，不利于充分發(fā)揮油泵的能力，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低、發(fā)熱嚴(yán)重，還可能造成執(zhí)行元件之間的相互干擾，經(jīng)常出現(xiàn)不同的故障。

經(jīng)過(guò)分析，合理的做法是將執(zhí)行元件按工況適當(dāng)分組，根據(jù)不同的要求各組分別配備一臺(tái)油泵供油，這樣將接有助于獲得最佳的傳動(dòng)性能，油路布局也比較合理。

1 分組供油的基本問(wèn)題

1.1 基本要求

分組供油需要考慮的問(wèn)題很多，但需要滿足的基本要求是不變的，主要有以下幾點(diǎn):

(1)保證所有執(zhí)行元件所需的壓力、流量;

(2)同時(shí)動(dòng)作的執(zhí)行元件互不干擾;

(3)充分發(fā)揮油泵的潛能，盡量提高液壓系統(tǒng)的效率。

1.2 液壓回路設(shè)計(jì)

由于是一臺(tái)液壓泵同時(shí)對(duì)多個(gè)執(zhí)行元件供油，各支路與油泵只能采用并聯(lián)的形式。考慮到各支路所需的壓力、流量不可能相同，為了防止同時(shí)動(dòng)作的執(zhí)行元件發(fā)生干擾，只能采用節(jié)流調(diào)速回路。用節(jié)流閥將主油路與各支路隔離，并在主油路上設(shè)置溢流閥，防止超壓。典型油路如圖1所示。

圖1 用1臺(tái)液壓泵供油的典型回路

1.3 油泵選型及調(diào)整

(1)油泵選型

在一般情況下，生產(chǎn)循環(huán)周期內(nèi)各時(shí)段工作所需的流量不相同，甚至差別很大。若采用定量泵供油，泵的流量只能按照所需流量最大的時(shí)段來(lái)選取，必然導(dǎo)致大多數(shù)時(shí)段流量大量富余，系統(tǒng)效率低下，發(fā)熱嚴(yán)重。由此可知若無(wú)特殊要求，采用變量泵供油比較好。通常應(yīng)采用恒壓變量泵供油，其輸出特性曲線如圖2所示。

圖2 恒壓變量泵輸出特性曲線

(2)排量選用

一般情況下，生產(chǎn)線工作周期內(nèi)不同時(shí)段同時(shí)動(dòng)作的執(zhí)行元件數(shù)量不會(huì)相同，故變量泵在各時(shí)段輸出的流量也是不同的。設(shè)在第i時(shí)段共有r個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作，記此時(shí)段變量泵的輸出流量為Qpi，則有:

為保證所有執(zhí)行元件的需要，油泵的流量應(yīng)滿足:

式中:Qp為變量泵的額定最大流量;Qpimax為系統(tǒng)單時(shí)段所需的最大流量。

考慮到泄漏的影響并留有余地，油泵排量按加大10%選用:

式中:n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)壓力設(shè)定

由于在任意時(shí)段油泵都工作在變量段，對(duì)于恒壓變量泵來(lái)說(shuō)，油泵的工作壓力近似為常數(shù)，從圖1可知，對(duì)任意支路來(lái)說(shuō)都有:

式中:pi為第i條支路的實(shí)際工作壓力;Δpi為第i條支路的節(jié)流閥壓力差。

為了減小能量損耗，Δpi越小越好。但為了保證節(jié)流閥的隔離功能，Δpi有一個(gè)最小值，通常取: Δpimin=0.5～1 MPa。

由此可知恒壓泵的工作壓力應(yīng)調(diào)定為:

系統(tǒng)中的溢流閥作為安全閥使用，其調(diào)整壓力為:

1.4 基于系統(tǒng)效率的分組原則

為了降低運(yùn)行成本，必需考慮分組與液壓系統(tǒng)效率的關(guān)系，若分組不當(dāng)，必然導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下、發(fā)熱嚴(yán)重。為了簡(jiǎn)捷地討論分組供油條件下液壓系統(tǒng)的效率，突出分組的影響，以下的討論不計(jì)管路損失與泄漏。

觀察圖1，對(duì)于任意一條支路都有:

支路液壓系統(tǒng)效率:

將式(4)代入有:

從上式看出，最大效率出現(xiàn)在pi取最大值 (或Δpi最小值)的支路上，其值為:

根據(jù)式 (5)，系統(tǒng)的工作壓力由工作壓力最大的支路來(lái)決定，各支路的節(jié)流閥壓力損失不同，各支路工作壓力差別越大，系統(tǒng)的總效率就越低。若把負(fù)載接近的執(zhí)行元件劃分在同一組，盡量降低組內(nèi)的負(fù)載壓力差，就可以使得大多數(shù)的支路效率在等于或接近ηimax的工況運(yùn)行，通過(guò)提高支路效率來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

根據(jù)式 (2)，油泵流量由工作循環(huán)內(nèi)所需流量最大的時(shí)段決定，故分組時(shí)應(yīng)注意同組油缸直徑大小搭配、速度快慢搭配，避免各個(gè)時(shí)段流量大幅度波動(dòng)，尤其應(yīng)避免油泵長(zhǎng)時(shí)間零流量，使得在工作循環(huán)內(nèi)各時(shí)段的油泵流量差別最小。

2 應(yīng)用實(shí)例

某公司組裝車間澆鑄站液壓系統(tǒng)共有7只油缸，工作循環(huán)及動(dòng)作次序如圖3所示。

圖3 某澆鑄站液壓系統(tǒng)7只油缸的工作循環(huán)及動(dòng)作次序

此生產(chǎn)線自1999年投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行狀況良好，后因工藝及生產(chǎn)組織的變化，提高運(yùn)行速度后，出現(xiàn)了多缸動(dòng)作時(shí)速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，初步判斷是油泵供油量不足所致。根據(jù)油缸的速度要求，將油缸相關(guān)液壓參數(shù)計(jì)算如表1所示。

根據(jù)圖3和表1，得到系統(tǒng)工作循環(huán)內(nèi)各時(shí)段的流量變化曲線如圖4所示。

表1 液壓參數(shù)計(jì)算

圖4 上述系統(tǒng)工作循環(huán)內(nèi)各時(shí)段的流量變化曲線

從圖4可知系統(tǒng)所需最大流量出現(xiàn)在t12～t13時(shí)段，Qpimax=260.4 L/min。

原有油泵電機(jī)組參數(shù)為:排量V=130 cm3;電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ns=1 480 r/min;電機(jī)額定功率45 kW;

理論最大流量為:

由于:Qpmax≤Qpimax，流量明顯不夠。

若改為大排量的油泵供油，需要油泵的排量為:

系統(tǒng)最大有效工作壓力10 MPa，取節(jié)流閥最小壓差Δpimin=1 MPa，則油泵工作壓力為11 MPa，由此可得配用油泵電機(jī)功率為:

新購(gòu)這樣規(guī)格的油泵及電機(jī)，本身就價(jià)格不菲，原有的油泵電機(jī)組還得報(bào)廢，成本太高。經(jīng)研究，決定增加一臺(tái)小排量的油泵，采用分組供油的方案，為了充分發(fā)揮原有油泵電機(jī)組的效能，將分組方案定為:

Ⅰ組:油缸1、2、3、4、5;

Ⅱ組:油缸6、7。

分組后，工作循環(huán)內(nèi)各時(shí)段的組內(nèi)流量變化曲線如圖5、圖6所示。

圖6 Ⅱ組流量循環(huán)

考察兩組的流量要求，Ⅰ組的最大流量為120 L/min，Ⅱ組的最大流量為180 L/min，Ⅱ組剛好可以用原來(lái)的油泵供油，只需為Ⅰ組配備新的較小規(guī)格泵就可以了，計(jì)算如下:

根據(jù)產(chǎn)品樣本可選型號(hào)A7V55DR1LPF的斜軸式恒壓變量泵，其排量V=107 cm3(若工作速度允許略微降低，可選80 cm3標(biāo)準(zhǔn)排量的油泵)。

改造后液壓系統(tǒng)油源部分的液壓原理圖如圖7所示，有如下特點(diǎn):

(1)兩臺(tái)油泵的出口設(shè)有3只高壓球閥，正常狀態(tài)球閥1、3開(kāi)啟，球閥2關(guān)閉，形成泵1、泵2對(duì)Ⅰ組、Ⅱ組的分組供油。

(2)由于球閥1、2、3的存在，兩臺(tái)泵中的任意一臺(tái)泵發(fā)生故障，另外一臺(tái)可作為備用泵使用。例如泵1發(fā)生故障，只需關(guān)閉球閥1，開(kāi)啟球閥2，就可以在短期內(nèi)由泵2同時(shí)向Ⅰ組、Ⅱ組供油，反之亦然。這種設(shè)置，可在不停產(chǎn)的狀態(tài)下贏得維修時(shí)間，系統(tǒng)應(yīng)急性能好。

(3)設(shè)有回油過(guò)濾器，所有回油經(jīng)過(guò)濾后才進(jìn)入油箱，可以長(zhǎng)時(shí)間保持油箱內(nèi)液壓油的清潔，防止因污染造成的液壓系統(tǒng)故障。

圖7 改造后液壓系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)改造完成后至今使用已兩年多，效果良好，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)目標(biāo)。

【1】楊尚平，楊曉玉，朱炎周，等.基于負(fù)載匹配的節(jié)流調(diào)速回路最大效率及計(jì)算模型［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010 (3):303－307.

【2】余國(guó)城.節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)最佳工作壓力的確定［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2000(11):12－13.

【3】秦小寶，谷峰，張振考，等.恒壓變量泵液壓系統(tǒng)溫升過(guò)高的原因及解決措施［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(18): 114－115.

Theory and Practice on Grouping Oil Supply of Hydraulic System in Production Line

ZHONG Wenhui
(Yunnan Aluminium Co.，Ltd.，Kunming Yunnan 650502，China)

Grouping oil supply is a reasonable selection to hydraulic power actuating system in multi-component production line.Considering the basic requirements of grouping oil supply，loop design，oil pump selection，displacement calculation，system efficiency，design calculation of basic parameters and so on were researched.On these grounds，group forming criterion was come up with based on hydraulic system efficiency.Using the method of grouping oil supply，a successful example of hydraulic system reformation in casting production line was introduced，and the conclusion was validated.It can be used for reference in the design and reformation of hydraulic system in production line.

Grouping oil supply;Throttle governor;System efficiency

TH137

B

1001－3881(2014)8－077－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.026

2012－12－26

鐘文輝 (1970—)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。E－mail:zwh6263.com@163.com。