， 　， 　(.陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中　73000； .陜西理工學(xué)院 陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中　73000)

引言

氣壓傳動(dòng)是一種以壓縮空氣為工作介質(zhì)的綠色節(jié)能型傳動(dòng)技術(shù)。其主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)工作壓力偏低(一般是0.4～0.8 MPa)，結(jié)構(gòu)體積較大，執(zhí)行元件的工作穩(wěn)定性較差。液壓傳動(dòng)以液壓油為工作介質(zhì)，系統(tǒng)輸出壓力大，結(jié)構(gòu)緊湊，但是液壓油容易泄漏造成環(huán)境污染。由于氣體和液體同為流體，因此將兩者有機(jī)結(jié)合組成氣液復(fù)合傳動(dòng)，則能很好地對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行處理，以便它們更好地發(fā)揮各自的傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)。氣液復(fù)合傳動(dòng)以壓縮空氣為動(dòng)力，將氣體壓力轉(zhuǎn)換后由高壓液體進(jìn)行能量輸出，與單純的液壓傳動(dòng)相比，污染程度相對(duì)較小，不需要配置專用泵站及冷卻系統(tǒng)；與單純的氣壓傳動(dòng)相比，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輸出力大、工作時(shí)噪聲低。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的一般要求是：在空行程階段提供低壓大流量液體, 使執(zhí)行元件快速到達(dá)工作位置；在工作行程階段, 根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)轉(zhuǎn)換為提供高壓小流量液體， 使執(zhí)行元件獲得較大的輸出力[1]。也就是說(shuō)，在實(shí)際工況中需要液壓系統(tǒng)能夠提供雙級(jí)輸出壓力,并且高低壓的切換能夠根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)進(jìn)行。鐘康民、竇云霞[2,3]等設(shè)計(jì)的串聯(lián)式雙作用氣液增壓系統(tǒng)雖然能夠滿足復(fù)合傳動(dòng)的要求，但是氣缸活塞與液壓缸活塞同軸布置，很容易造成氣液兩相混合，加速系統(tǒng)元件的損壞。柏青[4,5]等設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的杠桿式雙作用雙級(jí)液壓增壓裝置雖然能夠避免氣液兩相混合，但是整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且由于杠桿擺角的限制，液壓缸活塞行程不是很大，因此系統(tǒng)輸出流量小，工作效率低；設(shè)計(jì)的并聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置，氣缸活塞一側(cè)受力，很容易產(chǎn)生軸向彎曲，加速活塞密封元件的磨損。

基于以上原因，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、氣缸活塞受力均衡，基本上能避免上述裝置的缺陷。

1　工作原理

雙聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。系統(tǒng)前、后的液壓缸和中間的氣缸為并聯(lián)式平行布局，左、右的液壓缸呈雙向?qū)ΨQ布置(見(jiàn)圖1b)。由于每個(gè)液壓缸活塞均為階梯狀結(jié)構(gòu), 其中大直徑部分為大腔活塞, 小直徑部分為小腔活塞，因此每個(gè)液壓缸均有高、低壓兩級(jí)輸出。氣缸活塞桿通過(guò)一對(duì)鉸桿與液壓缸活塞桿連接，活塞桿的兩端分別與液壓缸的大腔活塞連接。各液壓缸的進(jìn)油口安裝了單向閥1，2，3，4和1′，2′，3′，4′；排油口安裝了單向閥5，6，9，10和5′， 6′， 9′，10′。液壓缸通過(guò)單向閥從油箱吸油，然后排出液壓油至執(zhí)行裝置使其工作， 整個(gè)系統(tǒng)的液壓油為封閉式循環(huán)，從而有效降低了環(huán)境污染。液壓缸大腔排油口與油箱之間安裝有溢流閥7，8和7′，8′，用于高壓下大腔油液的回流。

圖1　雙聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置結(jié)構(gòu)原理圖

具體工作原理為：當(dāng)電磁換向閥處于左位工作狀態(tài)時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸左腔，推動(dòng)氣缸活塞向右運(yùn)動(dòng)，在鉸桿和活塞桿的作用下, 液壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，單向閥1，2和1′，2′吸入液體, 單向閥5，6和5′，6′向外排出低壓大流量液體。系統(tǒng)排出的低壓大流量液體匯合后進(jìn)入執(zhí)行裝置，使執(zhí)行元件快速移動(dòng)到工作位置。當(dāng)執(zhí)行元件遇到負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)壓力迅速升高，當(dāng)壓力升高到一定值時(shí)，單向閥6，6′自動(dòng)關(guān)閉,溢流閥7，7′自動(dòng)打開(kāi)，液壓缸大腔低壓液體經(jīng)溢流閥流回油箱, 實(shí)現(xiàn)卸荷。液壓缸小腔高壓小流量液體繼續(xù)通過(guò)單向閥5，5′輸出至執(zhí)行裝置，使執(zhí)行元件獲得所需輸出力，此時(shí)，系統(tǒng)完成一次工作循環(huán)。當(dāng)電磁閥換向時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸右腔，氣缸活塞向左運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入下一次工作循環(huán)。因此，可以看出，氣缸活塞完成一次往返運(yùn)動(dòng)，液壓缸完成兩次工作循環(huán)，并且其工作效率是現(xiàn)有雙作用雙級(jí)氣液增壓裝置的兩倍。氣缸活塞的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)在氣缸的左右兩端安裝行程開(kāi)關(guān)，使電磁閥自動(dòng)換向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，需要說(shuō)明的是，整個(gè)系統(tǒng)的元器件(包括液壓缸、單向閥、溢流閥、管道線路及油箱)都采取了對(duì)稱性結(jié)構(gòu)布局，以使整個(gè)系統(tǒng)裝置更加和諧、緊湊。

2　相關(guān)計(jì)算

2.1　輸出流量計(jì)算

在氣缸活塞的一次往返工作行程中，系統(tǒng)輸出的低壓大流量油液的流量qL和高壓小流量油液的流量qH分別為：

(1)

(2)

式中：d1—— 液壓缸大腔活塞直徑,mm

d2—— 液壓缸小腔活塞直徑,mm

l—— 液壓缸活塞有效工作行程,mm

ηv—— 液壓缸容積效率

2.2　輸出壓力計(jì)算

系統(tǒng)低壓排油時(shí)輸出壓力pL和高壓排油時(shí)輸出壓力pH分別為：

(3)

(4)

式中：D—— 氣缸活塞直徑,mm

pA—— 氣缸工作壓力,MPa

β—— 氣缸負(fù)載率

η1—— 液壓缸機(jī)械效率

3　應(yīng)用算例及應(yīng)用場(chǎng)合

3.1　應(yīng)用算例

設(shè)雙聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置中，氣缸工作壓力pA=0.6 MPa，氣缸活塞直徑D=200 mm，液壓缸大腔活塞直徑d1=100 mm，液壓缸小腔活塞直徑d2=40 mm， 氣缸負(fù)載率β=0.65，液壓缸機(jī)械效率η1=0.97，將其帶入公式(3)、式(4)可得pL=6.05 MPa，pH=37.83 MPa。增壓結(jié)果如表1所示。

表1　雙聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置增壓結(jié)果

3.2　應(yīng)用場(chǎng)合

該氣液增壓裝置具有氣壓傳動(dòng)反應(yīng)迅速、操作方便的特點(diǎn)和液壓傳動(dòng)平穩(wěn)可靠、輸出力大的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速低載、高載低速的工況下，如機(jī)床夾具、組合機(jī)床滑臺(tái)、沖壓設(shè)備、襯套壓入機(jī)、升降裝置以及不具備液壓站的各種室外作業(yè)液壓機(jī)具等[6,7]。相比純液壓系統(tǒng)，能夠有效降低環(huán)境污染和噪聲污染，符合綠色制造的理念。

4　結(jié)論

(1) 雙聯(lián)式氣-液復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置利用電氣液一體化技術(shù)將氣缸、增壓油缸和控制閥有機(jī)結(jié)合，無(wú)液壓站和高速泵，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、能耗低、污染小，是一種綠色、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的增壓系統(tǒng)；

(2) 系統(tǒng)回路中的增壓油缸，可根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)完成高、低壓油的切換；溢流閥可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出壓力的自動(dòng)調(diào)整，因而能夠適應(yīng)多種工作狀態(tài)；

(3) 整個(gè)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單方便，利用常規(guī)的氣源就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的大流量、高壓液體輸出，工作效率高、成本低。

參考文獻(xiàn)：

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[7]郭楠.氣液增壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析與優(yōu)化研究[D].北京：北京印刷學(xué)院,2013.