梁鉆元

（陽江技師學(xué)院，廣東 陽江 529500）

1 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)主要由四種元件構(gòu)成：動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及輔助元件，各種元件具體展開，主要包含了液壓泵、液壓缸或者液壓馬達(dá)，各種類型的液壓閥、油箱、油管、管接頭、壓力表、過濾器和蓄能器等部分。其中，壓力閥可以細(xì)分為壓力控制閥、方向控制閥、流量控制閥。壓力控制閥主要包括溢流閥、減壓閥、順序閥；方向控制閥包括單向閥和換向閥；流量控制閥則囊括節(jié)流閥和調(diào)速閥。此外，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)指各種類型的液壓油，因此，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，由液壓泵來主導(dǎo)操作機(jī)器，可以為其提供原始動(dòng)力[1]，從而發(fā)揮原動(dòng)機(jī)的功能，最大程度地將機(jī)械能向液體壓力能的方向轉(zhuǎn)變。在實(shí)際的液壓傳動(dòng)中，操作人員可以利用固定形狀的液體開展力傳遞運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的高效利用。在兩個(gè)不同直徑的液壓缸中放置與內(nèi)壁緊密貼合的活塞，并且在系統(tǒng)內(nèi)部管道和控制閥門的作用下，油液可以再次被傳送至液壓馬達(dá)的元件上，隨后，借助液壓馬達(dá)把液體的壓力能轉(zhuǎn)化為可以快速驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行部分運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能[2]。

2 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)和其他傳統(tǒng)方式相較而言，雖然傳動(dòng)功率相同，但是液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)裝置的重量較輕且結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速的控制目標(biāo)，調(diào)速范圍大。液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)件慣性小，能夠頻繁且迅速地?fù)Q向操作，使得傳動(dòng)工作更加平穩(wěn)，也就意味著液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)可以更容易地實(shí)現(xiàn)緩沖吸振，自動(dòng)避免過載的情況出現(xiàn)。細(xì)節(jié)方面，液壓傳動(dòng)可以與電氣傳動(dòng)有效配合，快速實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作的自動(dòng)化，也可以與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合，完善各種自動(dòng)化控制工作流程。而且其內(nèi)部的原件已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的操作目標(biāo)，不僅對(duì)CAD技術(shù)的應(yīng)用有極大幫助，還可以提高操作人員的工作效率，降低成本[3]。

2.2 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)

第一，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用液體作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，很難避免泄漏，從而引起效率損失。另外，由于油液不是絕對(duì)不可壓縮的，油管也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，所以它不適用于傳動(dòng)比要求很嚴(yán)格的環(huán)境。第二，在運(yùn)行過程中，油液的黏度會(huì)隨著溫度的變化而變化，容易引起工作環(huán)境的不穩(wěn)定，因此在低溫和高溫情況下都不適合采用液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)。第三，控制系統(tǒng)中原材料油液中的污濁物會(huì)影響液壓元件的正常工作，并加速其磨損，降低液壓系統(tǒng)的可靠性，因此需要相關(guān)的工作人員定期更換礦物油。第四，由于采用油管傳遞壓力油耗損較大，不適于遠(yuǎn)距離輸送動(dòng)力，機(jī)械傳動(dòng)也不能像電氣傳動(dòng)那樣對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、記憶和邏輯判斷等數(shù)字運(yùn)算，所以它同樣也不適用于小功率和復(fù)雜的控制系統(tǒng)[4]。

3 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中的具體應(yīng)用

3.1 在機(jī)床中應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)

目前，機(jī)床傳動(dòng)控制系統(tǒng)中有85%都采用了液壓傳動(dòng)與控制，如組合機(jī)床、剪床、壓力機(jī)、拉床、刨床以及磨床等。如今設(shè)計(jì)人員需要考慮的因素是：如何在有限的安裝空間內(nèi)，在機(jī)床中安裝更多的液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的元件。其中創(chuàng)新式的應(yīng)用手段是在變頻液壓站內(nèi)將所有的液壓和電氣元件集成在最小的空間之中，將油箱容量減少至20 L，在縮小設(shè)備尺寸的基礎(chǔ)上確保液壓油的正常排氣，從而延長(zhǎng)油液的使用壽命。在Sytronix的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)床機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，采用一體式的變頻機(jī)器，使其能夠根據(jù)當(dāng)前的需求自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[5]。與恒定動(dòng)力的輸出裝置相比，它可以依據(jù)機(jī)床不同的周期特性，在輸出功率保持不變的情況下，將能源需求降低到30%～80%，滿足機(jī)床行業(yè)日益嚴(yán)格的要求。同時(shí)，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)可以按照機(jī)床的需求速度靈活地控制并相應(yīng)地減少油液的熱量輸入，從而對(duì)油液進(jìn)行冷卻處理。機(jī)床設(shè)計(jì)與制造對(duì)我國(guó)的零件加工以及機(jī)械行業(yè)的發(fā)展都起到了非常重要的推進(jìn)作用，但是在應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)一些故障問題。因此，要切實(shí)提高液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)床中的工作效率就需要做好相關(guān)的維護(hù)監(jiān)管工作，一旦發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)或者是整個(gè)機(jī)床體系存在安全隱患，要及時(shí)檢修。

例如，在機(jī)床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先要明確液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)方式。因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)組合機(jī)床以油液為主要介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞，如液力耦合器和液力變矩器，所以在實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)需要依靠中心設(shè)施，也就是液壓泵的作用來推動(dòng)工作流程順利運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)借助原動(dòng)機(jī)的功能，使得機(jī)械能可以順利地向液體壓力能的方向轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的高效傳遞。此外，考慮到系統(tǒng)內(nèi)部管道控制閥門的作用，操作人員可以借助操作臺(tái)，利用馬達(dá)液壓缸等元件再次完成油液壓力能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，由此帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)或者往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。但在實(shí)際操作過程中應(yīng)該最大程度地簡(jiǎn)化機(jī)器的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，這樣才能在減少對(duì)油液的消耗的同時(shí)，提高液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的工作效率以及安全度。

3.2 在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)

在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中采用閉環(huán)式的液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)裝置可以充分發(fā)揮其無級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在起步、變速和無沖擊的行駛方向中能夠自由切換。但是與開放式的回路相比，閉環(huán)式的液壓驅(qū)動(dòng)方式主要運(yùn)用于輸出力較大的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在低壓驅(qū)動(dòng)條件下比氣壓驅(qū)動(dòng)速度低的操作目標(biāo)?？紤]到液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中具體應(yīng)用的時(shí)候，輸出率和功率都比較大，能構(gòu)成完善的伺服機(jī)構(gòu)。所以用電磁閥控制機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)液壓缸是最簡(jiǎn)單也是最經(jīng)濟(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，也就是上述提及的開放式的回路設(shè)計(jì)。這種方式可以操作直線液壓缸通過受控節(jié)流口元件調(diào)節(jié)油液流量，在裝備到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)減速，可以有效控制停止過程。但是大直徑液壓缸由于體積和原材料等原因，需要投入較多的資金，還需要配備昂貴的液油伺服閥，才能充分發(fā)揮它的主要功能。此外，液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)主要由液壓缸和液壓閥組成，液壓缸是中心執(zhí)行元件，可以將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，使用液壓缸實(shí)現(xiàn)液壓行動(dòng)驅(qū)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以免去減速裝置，并且中間沒有傳動(dòng)間隙[6]。

例如，大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)可以分兩種驅(qū)動(dòng)形式：一種是泵直接驅(qū)動(dòng)，另一種是泵—蓄能器驅(qū)動(dòng)。泵直接驅(qū)動(dòng)是由中心泵向內(nèi)部的液壓缸提供高壓工作油液，然后配合油液來改變既定的流向，同時(shí)配流閥用來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的最大限定壓強(qiáng)指數(shù)，從而保障溢流的安全。這種液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較低的壓強(qiáng)就能夠獲取既定的工作力，不僅可以實(shí)現(xiàn)靈活增減的操作目標(biāo)，還可以有效減少電力的消耗。但是液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器中的電機(jī)容量主要是由液壓機(jī)的最大工作能力和最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度來決定的，因此，這種驅(qū)動(dòng)形式多用于中小型液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器中。泵—蓄能器驅(qū)動(dòng)則需要利用一組蓄能器，當(dāng)泵將油液提供給中心元件時(shí)，可以借助蓄能器將其進(jìn)行儲(chǔ)存，同樣，當(dāng)供給無法滿足實(shí)際需求的時(shí)候，蓄能器也可以將內(nèi)部?jī)?chǔ)存的高壓工作液及時(shí)補(bǔ)充到中心元件內(nèi)部。這種系統(tǒng)可以最大程度地平均油液用量，以此擴(kuò)充電動(dòng)機(jī)的容量。但是在實(shí)際操作過程中，這種驅(qū)動(dòng)形式的電能消耗量較大，同時(shí)系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，操作結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，主要用于大型的液壓機(jī)械中[7]。

在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的方式主要有兩種：一是串聯(lián)方式，二是并聯(lián)方式。串聯(lián)方式是當(dāng)前發(fā)展階段中較為簡(jiǎn)單和常見的一種傳動(dòng)方式，主要是在輸出端和輸入驅(qū)動(dòng)端之間融入液壓馬達(dá)和液壓變速器，構(gòu)建完善的機(jī)械式變速裝置，在原有速度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)充機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)的速度閾值，以此在無級(jí)變速應(yīng)用裝置中增加其使用范圍，如裝載機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)或者一些特種車輛等。而并聯(lián)方式可以理解為將液壓機(jī)和機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行并聯(lián)，使得兩股功率進(jìn)行匯合，直接調(diào)節(jié)液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)速。

3.3 在數(shù)控車床中應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)

在數(shù)控車床中應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)主要表現(xiàn)在加工各種軸類、盤類零件，以及車削各種螺紋、圓弧、圓錐及回轉(zhuǎn)體等方面[8]。采用液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)涉及的原理包括主軸箱液壓系統(tǒng)和尾臺(tái)液壓系統(tǒng)兩種形式，主軸箱液壓系統(tǒng)同時(shí)充當(dāng)了變速箱的換擋及潤(rùn)滑的角色，以便在不通電時(shí)保持尾座液壓缸處于夾緊狀態(tài)，使尾臺(tái)在工作時(shí)更加安全可靠。根據(jù)數(shù)控車床的特點(diǎn)，分設(shè)為主軸箱和尾臺(tái)兩個(gè)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)來選用不同的液壓泵及換向閥等元件，使其可以充分滿足數(shù)控車床不同部件的動(dòng)作要求，提高其合理性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

例如，在數(shù)控車床的自動(dòng)換刀裝置中，液壓刀塔需要包括殼體，殼體內(nèi)要有圓柱形腔體，并且殼體前端的腔體口要有軸線與腔體軸線在同一直線上的圓環(huán)形固定端齒盤，固定端尺盤與腔體之間要有圓環(huán)形液壓缸，腔體內(nèi)要有軸線與腔體軸線在同一直線上的刀盤軸。所以在換刀的時(shí)候，先用立式液壓刀塔的環(huán)形液壓缸推動(dòng)刀盤軸上的環(huán)形活塞，使其沿軸向向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)刀盤軸和刀盤沿軸向向前運(yùn)動(dòng)，使刀盤上的活動(dòng)端齒盤脫離與固定端齒盤的嚙合；然后用刀盤軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)刀盤軸旋轉(zhuǎn)，讓下一加工步驟所用的新刀較為準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)到工作位置；再用環(huán)形液壓缸推動(dòng)刀盤軸上的環(huán)形活塞沿軸向向后運(yùn)動(dòng)，讓刀盤上的活動(dòng)端齒盤與固定端齒盤恢復(fù)嚙合，壓迫端齒盤，使刀盤精準(zhǔn)地定位從而實(shí)現(xiàn)換刀[9]。但通過活動(dòng)端齒盤與固定端齒盤嚙合使刀盤定位時(shí)容易產(chǎn)生移動(dòng)的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，可以采用一體化結(jié)構(gòu)形式來有效延長(zhǎng)液壓刀塔的使用壽命。

3.4 在其他方面應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)與高新技術(shù)相結(jié)合，在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中占據(jù)著重要的比例，最為典型的是在高端工程機(jī)械中采用較多的高品質(zhì)液壓元件、先進(jìn)液壓系統(tǒng)。所謂的“高端工程機(jī)械”，是根據(jù)機(jī)器和工具的發(fā)展特點(diǎn)，在延長(zhǎng)電子傳感器和控制硬件功能的前提下，契合電子技術(shù)的液壓控制和液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)[10]。由此可見，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工程機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的重要核心技術(shù)，同時(shí)，工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)也逐漸趨于自動(dòng)化和智能化，并且在液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的支持下，可以有效提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

4 結(jié)論

在多元化的大背景下，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的廣泛運(yùn)用得益于多種技術(shù)的相互契合。他山之石可以攻玉，通過這些技術(shù)融合，液壓機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)在機(jī)床、機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及數(shù)控車床等方面都取得了特別明顯的進(jìn)步。尤其是電子信息技術(shù)與液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造業(yè)的發(fā)展注入了全新的生產(chǎn)理念。