聶世明,張 敏,井智民
(河海大學(xué)常州校區(qū) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 常州213022)
近十幾年來,在容積控制系統(tǒng)和交流伺服電機(jī)得到廣泛應(yīng)用的背景下,出現(xiàn)了永磁交流同步伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)雙向定量泵容積控制的電液伺服系統(tǒng),也稱DDVC[2](Direct Drive Volume Control)系統(tǒng)或無閥電液伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向、調(diào)速、調(diào)壓三大功能全由交流伺服電機(jī)直接控制,所以叫“直接驅(qū)動(dòng)”,油泵的出油流量的改變也是由電機(jī)直接控制,具有高效節(jié)能、小型集成化、操作與控制簡單、成本低等優(yōu)勢(shì)[3],因此其發(fā)展非常迅速。
油壓機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)零配件加工,多種行業(yè)產(chǎn)品定型、沖邊、校正,制鞋、手袋、模具、軸套類零件的壓裝、壓印成型,板材零件的彎曲、壓印、套形拉伸等工藝。但是,由于其開式回路存在補(bǔ)油問題,所以一般采用加裝副油箱或動(dòng)力補(bǔ)油,即用液壓泵單獨(dú)作為補(bǔ)油泵使用。從而增加了系統(tǒng)的體積與重量,并產(chǎn)生諸如發(fā)熱等問題[4]。為解決該問題,本文采用了一種無動(dòng)力補(bǔ)油閥的結(jié)構(gòu)方案,通過設(shè)計(jì)密閉壓力油罐的壓力較好地解決了非對(duì)稱液壓缸補(bǔ)油排油問題。
現(xiàn)有油壓機(jī)液壓系統(tǒng)幾乎都是開式回路。液壓系統(tǒng)中通過控制閥控制和調(diào)節(jié)液壓介質(zhì)的流向、壓力和流量,從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向、輸出的力或力矩、運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)作順序,以及限制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作壓力,防止過載等(如單向閥、換向閥、溢流閥、減壓閥、順序閥等),如圖1 所示。
本文主要對(duì)比開式與閉式系統(tǒng)補(bǔ)油、排油情況。開式回路:液壓泵3→順序閥8→上缸換向閥9(左位)→單向閥I3→液壓缸I2無桿腔。即油泵從油箱吸入油,當(dāng)桿件快速下行時(shí)由副油箱13 的油流經(jīng)液控單向閥I1流入到液壓缸無桿腔進(jìn)行快速補(bǔ)油,當(dāng)桿件接觸工件后無桿腔壓力升高,液控單向閥I1關(guān)閉,運(yùn)行速度由液壓泵流量決定,同樣,當(dāng)排油時(shí)I1打開,多余的油液流回副油箱。
圖1 開式回路油壓機(jī)液壓系統(tǒng)圖
油壓機(jī)液壓系統(tǒng)中采用開式油箱,在使用過程中常常發(fā)現(xiàn)爬行現(xiàn)象并伴有較大的噪聲,這均為系統(tǒng)中產(chǎn)生吸空或氣穴(即補(bǔ)油系統(tǒng)短暫失效)的緣故,通常情況下,當(dāng)系統(tǒng)中某處油液的絕對(duì)壓力小于此時(shí)的空氣分離壓Pg[5],油液中溶解的空氣就會(huì)分離出來,形成一些氣泡,從而造成液壓泵的吸油能力下降,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生爬行和噪聲。開式油箱或密閉油箱均易導(dǎo)致該問題的發(fā)生。
開式系統(tǒng)補(bǔ)油、排油存在的問題:
(1)系統(tǒng)補(bǔ)油、排油中系統(tǒng)組件復(fù)雜,各種控制閥的控制增加了系統(tǒng)壓力損失。
(2)開式油箱外加副油箱容積大,導(dǎo)致增加了系統(tǒng)體積、質(zhì)量。
(3)在驅(qū)動(dòng)上都是使用恒轉(zhuǎn)速感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)(鼠籠機(jī))。在工作時(shí)電動(dòng)機(jī)始終處于高速恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行,耗能較大。
(4)采用開式油箱,系統(tǒng)在工作過程中勢(shì)必產(chǎn)生氣穴,造成系統(tǒng)爬行、噪聲增大。
(5)油液質(zhì)量要求高,廢油多,處理困難。
另外,泵直接傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓泵均按油壓機(jī)的最大工作速度和工作壓力選定,而油壓機(jī)在充液行程、回程、輔助工序和所需工作壓力較小時(shí),液壓泵都得不到充分利用,尤其是大噸位的油壓機(jī),其利用系數(shù)很低。
如圖2 所示為油壓機(jī)直驅(qū)式容積控制伺服系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)采用閉式回路,主要組成部分為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、泵控動(dòng)力機(jī)構(gòu)和傳感器。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),利用給定輸入信號(hào)和反饋信號(hào),通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴?,給出系統(tǒng)控制信號(hào),經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸入伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,生成控制指令。伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)輸入指令,改變轉(zhuǎn)速、運(yùn)動(dòng)方向,直接驅(qū)動(dòng)雙向液壓定量泵,產(chǎn)生一定流量和壓強(qiáng)的液壓動(dòng)力,推動(dòng)液壓缸,帶動(dòng)負(fù)載。傳感器將需要控制的物理量反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的伺服控制。
圖2 油壓機(jī)直驅(qū)式容積控制系統(tǒng)原理圖
為了解決開式油箱補(bǔ)油存在的問題,設(shè)計(jì)了密閉壓力油罐,如圖3 所示。其中,油罐體為鋼結(jié)構(gòu)。氣囊的采用,是為了將空氣與油液隔絕開來,同時(shí)它又是可壓縮的氣體彈性元件,可防止發(fā)生吸空或氣穴的可能性。該結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的蓄能器,但是,氣囊的尺寸應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)而設(shè)計(jì),充氣壓力不能太高,從而保證系統(tǒng)的可靠性與安全性[1]。此類油罐需專門定制,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本增加。其工作原理與蓄能器相近,由于密閉壓力油罐(油箱),在油罐中有氣囊,在充氣后使油泵吸油口始終保持正壓,從而提高液壓泵的自吸能力[6]。氣囊式壓力容器避免了空氣與油液的直接接觸,減少了油液中的空氣含量。
圖3 密閉壓力油罐結(jié)構(gòu)圖
改進(jìn)后的油壓機(jī)采用密閉壓力油罐補(bǔ)油、排油。由于油缸為單出桿缸,即油缸兩腔的容積是不等的,分別進(jìn)行伸出與回縮時(shí)流量分析。如圖2 所示。
(1)活塞桿前進(jìn)(伸出)時(shí):活塞桿油腔(小腔)排出的油量小于活塞腔(大腔)所需的油量,此時(shí)油泵的入口處除接受油缸小腔排出的油量外,桿在未接觸工件前無桿腔壓力較低,此時(shí)系統(tǒng)中密閉壓力油罐5 通過單向閥3 向系統(tǒng)快速補(bǔ)油,滿足流量需求,在桿接觸工件后系統(tǒng)壓力升高,系統(tǒng)流量減小,通過正常吸排油就能滿足系統(tǒng)油量的需求。
(2)活塞桿后退(縮回)時(shí):電機(jī)反轉(zhuǎn),改變主回路中的高壓與低壓。油缸大腔排出的油量大于油缸小腔所需要的油量,電機(jī)換向電磁換向閥7 接(右位),接通液控單向閥9,此時(shí)在滿足油泵吸油口所需的油量后,多余的油液經(jīng)液控單向閥流回密閉壓力油罐。在本系統(tǒng)中,由管道接無桿液壓腔將多余油液引回密閉壓力油罐,必須保證回油壓力大于密閉壓力油罐的壓力,由于密閉壓力油罐壓力不是很大,當(dāng)無桿腔回油時(shí)回油腔壓力會(huì)大于罐的壓力,會(huì)將多余的油液排到油罐中。
其優(yōu)點(diǎn)主要有:油箱容積小,控制精度高,控制閥減少,液壓回路短,減少了壓力損失,節(jié)約電能,噪聲小,油液質(zhì)量要求不高,很少產(chǎn)生廢油,等。
直驅(qū)式控制系統(tǒng)存在著以下不足:①一般情況下,開式回路適用于具有多個(gè)執(zhí)行器的系統(tǒng),即多用戶系統(tǒng)。但這時(shí)系統(tǒng)中要使用方向控制閥。閉式回路的特點(diǎn)是適合單用戶系統(tǒng),即只有一個(gè)執(zhí)行件的系統(tǒng),這是閉式回路的局限性[7]。②在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的快速性,即響應(yīng)特性方面不如傳統(tǒng)系統(tǒng)。③由于系統(tǒng)中控制精度的增加,使其制造價(jià)格要高出普通油壓機(jī)很多。
綜上所述,油壓機(jī)直驅(qū)式控制系統(tǒng)中采用密閉壓力油罐進(jìn)行無動(dòng)力補(bǔ)油,由于油罐始終保持一定的壓力,從而補(bǔ)償了系統(tǒng)中的閥、管道等的壓力損失,消除了補(bǔ)油不足及其產(chǎn)生的噪聲及爬行問題。在間隙短時(shí)操作或液壓泵頻繁啟動(dòng)的系統(tǒng)中,壓力油罐可以作為輔助能源使用,進(jìn)而減少液壓泵的功率,節(jié)約動(dòng)力,減少投資,提高電機(jī)和液壓泵的壽命。
[1]李閣強(qiáng),王漢杰,許宏光,等.密閉壓力油罐補(bǔ)油性能的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,(9):137-139.
[2]劉慶和.直接驅(qū)動(dòng)容積控制液壓傳動(dòng)原理(DDVC系統(tǒng))[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007:12-18.
[3]姜繼海,蘇文海,劉慶和.直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2009,(9):43-48.
[4]許宏光,桂文浩,劉慶和.液壓閉式回路無動(dòng)力補(bǔ)油的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)床與液壓,2006,34(2):121-124.
[5]雷天覺,等.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.
[6]蘇文海,姜繼海,鄧 攀.直驅(qū)式電液伺服閉式回路的噪聲分析[J].機(jī)床與液壓,2010,38(10).
[7]劉慶和.直驅(qū)式液壓傳動(dòng)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2011,(7):9-12.