电动变量柱塞泵在大型龙门磨床液压驱动节能系统中的应用研究.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 1卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUUCS J a n ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 2 6 电动变量柱塞泵在大型龙门磨床液压驱动节能系统中的应用研究 杨道科 ，刘昌民，张亮亮，王伟 威海华东数控股份有限公司，山东威海 2 6 4 2 0 0 摘要分析大型龙门磨床液压驱动系统的性能特点，详细介绍电动变量柱塞泵的结构组成，提出在大型龙门磨床液压 驱动系统中采用电动变量柱塞泵以实现节能 ，探讨这种新型节能液压驱动系统的节能特点及性能。 关键词电动变量柱塞泵 ；龙门磨床；液压驱动系统；节能 中图分类号T H 3 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 7 4 2 App l i c a t i o n o f El e c t r i c Va r i a b l e P i s t o n Pump i n t he Hy dr a u l i c En e r g y - s a v i ng S y s t e m o f t h e Hu g e T y p e Ga n t r y Gr i n d i n g M a c h i n e YA NG D a o k e ，L I U Ch a n g mi n，Z HAN G L i a n g l i a n g ，WANG We i We i h a i H u a d o n g C N C I n c o r p o r a t e d C o m p a n y ，We i h a i S h a n d o n g 2 6 4 2 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m’S p e rf o r ma n c e a n d c h a r a c t e r s o f t h e h u g e t y p e g a n t r y g r i n d i n g ma c h i n e we r e a n a l y z e d ． I t s s t r u c t u r e a n d c o mp o s i t i o n w e r e i n t r o d u c e d ． E l e c t r i c v a r i a b l e p i s t o n p u mp wa s a d o p t e d i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e h u g e t y p e g a n t r y g nn d i n g ma c h i n e t o r e ali z e e n e r g y s a v i n g ． T h e n t h e s a v i n g c h ara c t e r s a n d p e r f o rm a n c e o f t h i s l a t e mo d e l h y d r a u l i c e n e r gy s a v i n g s y s t e m w e r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s E l e c t r i c v a r i a b l e p i s t o n p u mp；Ga n t r y g r i n d i n g ma c h i n e；Hy d r a u l i c s y s t e m； E n e r g y s a v i n g 由于液压传动运动平稳、反应快 ，操作简单，方 便实现无级调速 ，现在磨床的工作台往复运动普 遍采用液压动力驱动系统。大型龙门磨床的能耗主要 在液压动力驱动系统 ，提高液压动力驱动系统的效 率、降低液压动力驱动系统的装载功率，减少无效能 耗，是大型龙门磨床节能的主要研究开发重点。 1 大型龙门磨床液压动力驱动系统的能耗分析 设计工作台驱动力时，需要按工作台负载的最大 重力以及工作台运动的最大速度来计算，但实际工作 中，工作台的负载是变量 ，运行速度也是无级调速并 不需要始终在最高速度下工作 ，这就造成了能量的损 耗。速度越低损耗就越大，所以液压动力驱动系统的 能耗主要表现在液压系统的调速回路上。按控制方式 的不同，调速回路又分为 “ 泵控系统” 和 “ 阀控系 统” 。“ 阀控系统”又称节流调速回路 ，是在总的 流量不变的情况下改变油液流路中节流孔的大小来实 现调速，也称定量系统。在这种系统中，系统始终提 供最大能量，除工作中需要的合理利用外其他的都要 损失掉。由于其溢流或节流损失大，效率低、功耗 大，只适应小功率、小流量的液压系统。 “ 泵控系 统”又称容积调速 回路，它通过改变 回路 中液压泵 或液压马达的排量来实现调速，也称变量系统。在这 种系统中，工作需要多少能量系统就提供多少，没有 过多的能量损失。其主要优点是 功率损失小，没有 溢流和节流损失，且其工作压力随负载变化而变化。 所以效率高、温升低，适应高速、大功率的调速系 统。因此 ，研究 “ 泵控系统”将是实现大型龙门磨 床液压动力驱动系统节能的有效途径。 2 采用电动变量柱塞泵的大型龙门磨床液压驱动 节能 系统 2 ． 1 电动 变量 柱塞 泵的 结构组 成 目前 ，在轴向柱塞泵中，流量的改变与负载无关 的就是手动调整式变量柱塞泵，但手动调整式变量泵 不适合做频繁调整，也不能实现远程控制和 自动控 制，在自动控制系统无法满足工作要求。为了克服手 动调整式变量柱塞泵的不足 ，作者设计了电动变量柱 塞泵。在原有的手动调整 的基础上，改变控制方式。 根据不同的脉冲数，用步进电机经螺杆控制柱塞泵中 的变量活塞，由变量活塞改变液压泵中变量头的偏转 角度 ，从而达到变量的目的。这样不仅可实现远程 自 动控制 ，而且可频繁改变液压泵的流量 ，而流量的变 化与负载无关，也不受其影响和干扰。可实现远程 自 动控制，控制方便、可靠、精度高，为自动化控制提 供了可靠的衔接方式。 如图 1 所示，电动变量柱塞泵的变量机构主要采 用了可正反转的步进电机 ，通过步进电机的正反转 ， 收稿 日期 2 0 1 11 2一l 5 作者简介杨道科 1 9 8 O 一 ，男，助理工程师，从事液压系统的设计与开发工作。E m a i l y q q 1 2 2 4 1 6 3 ． c o m。 第 2 期 杨道科 等电动变量柱塞泵在大型龙门磨床液压驱动节能系统中的应用研究 7 5 带动下端的螺杆旋转，螺杆的旋转又带动螺母的上下 移动。而螺母和拉杆又连接在一起。换言之，步进电 机的旋转带动了拉杆的上下移动，拉杆的移动改变了 变量头的倾角，使泵的流量发生了变化㈣。这样就能 通过控制步进电机的旋转来控制变量泵的流量。 平键 螺母 电机座 拉杆 伺服 活塞 销轴 刻度盘 变量活塞 变量壳体 单向阀 a 结构原理图 Q 拉杆 行 程 上 b 液压原理 图 c 流量与拉杆行程关系 曲线 图 1 电动变量柱塞泵 2 ． 2 大型龙 门磨床液压驱动节能 系统 大型龙门磨床工作台液压驱动系统必须能实现工 作台的无级调速 ，同时应能确保工作台在各种速度 中 能平稳实现换向运动 ，并无冲击现象。而龙门磨床高 速、重载及宽调速的切削特性，又要求其液压系统为 大流量并调速范围宽。为了解决以前采用比例调速阀 的 “ 阀控系统”所带来 的系统发热高、功耗大的问 题，作者开发了采用电动变量柱塞泵的大型龙门磨床 液压驱动节能系统，即 “ 泵控系统” 。 液压驱动系统原理 图如图 2 所示 。 该液压系统具有以下特点 1 采 用多泵 系统 大型龙门磨床液压驱动系统工作所需的流量大， 按高低速所需从几十升每分钟到近千升每分钟，一般 由多个液压驱动泵源系统组成。速度低时由单泵工作 供给，速度高时启动多泵满足系统需要，达到节能的 目的。 2 采用插装阀技术，减少压力损失 由于插装阀具有抗污染能力强、响应快、通油能 力强、零泄漏和组合灵活性强的优点，为了减少管路 及液压阀压力损失 ，系统采用 了二通插装阀控制技 术 。使用一小型变量叶片泵作为插装阀的先导控 制油源 。 3 为提高工作 台运动的平稳性，采用 的其他 措施 图 2 液压驱动系统原理图 下转第7 8页 7 8 机床与液压 第 4 l 卷 减少动、静摩擦力的差值。 3 验证计算 确定柱塞式主液压缸 、伺服阀和控制泵的主要参 数后，需对整个设计系统进行验算。 1 对系统进行最小稳定速度的验算。需保证 液压缸节流腔的有效工作面积 A大于保证最小稳定 速度 的最小有效面积 A i ，即 A A 。 A i Q i ／ ⋯ 式中q 为流量阀的最小稳定流量 ，一般从选定流 量 阀的产 品样本 中查得 ； Umi n为液压缸的最低速度，即最小稳定速度， 由设计要求给定。 如果液压缸节流腔的有效工作面积 A≤ 则 说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须重新设 计各部分主要参数，以满足速度稳定的要求。 2 液压缸出现爬行时的速度验算。液压缸相 邻两次爬行运动间隔的停顿时间的计算公式 t 0 A F P b X A L ／ C o AE 0 式中△ F为动摩擦力与静摩擦力之间的差值； P 为液压缸回油腔的背压； A为液压缸工作面积； 为液压缸工作腔的长度； C为 比例系数 ； ％ 为液压 缸活塞 的运动速度 ； E为所用工作介质的体积弹性模量。 当 t 趋 向于零 时 ，爬 行 消失 。 由于 △ F一 定 大 于P A，要想在 较小 的情况下 t 。 趋 向于零，在 选择设计液压缸时，缸径应 比理论值略大一些，缸 的行程要尽可能地小 ，动 、静摩擦力之间的差值要 尽可 能减 小 。 4结论 通过以上这4个方面的工作，该油压机的主液压 缸 已经实现 了所有速度要求 ，超低速挤压时最小稳定 速度可 以达到 0 ． 0 3 m m ／ s ，获得 了用 户 的一 致好 评 ， 很快就为用户赢回了前期因为设备施工耽误的生产时 间。该油挤压机超低速液压系统的实现 ，解决了大直 径普通油缸超低速时的爬行现象 ，为以后 同类型 的设 计提供了技术支持及实践依据。 参考文献 【 1 】 燕相松． 液压缸爬行现象分析及消除措施[ J ] ． 铜业工 程 ， 2 0 0 4 2 4 2 4 3 ． 【 2 】 崔学红． 液压系统爬行现象故障分析及改进措施 [ J ] ． 昆明冶金高等专科学校学报， 2 0 0 4 ， 2 0 1 1 21 3 ． 【 3 】王洪飞， 徐建忠． 液压缸低速稳定性分析及合理背压值 选取[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 8 8 89 0 ． 【 4 】 杨国来 ， 杨长安． 节流阀小开度下流场仿真和最小稳定 流量研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 9 1 0 91 1 1 ． 【 5 】黄长征， 谭建平． 液压机压制速度控制技术的现状与发 展趋势[ J ] ． 轻合金加工技术， 2 0 0 7 2 4 3 4 8 ． 【 6 】 王宣银， 岳继光， 刘庆和． 高精度伺服油缸的设计及组合 密封圈总摩擦阻力计算[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技 术， 1 9 9 5 4 2 6 ． 【 7 】 林伊． 液压油缸密封选型设计 [ J ] ． 采矿技术， 2 0 0 7 ， 7 3 4 5 4 6 ． 【 8 】 宋亚林． 使用双向液压锁后液压缸平稳性的改善方法 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 1 3 1 1 3 2 ． 【 9 】 方宏明． 机械设计 、 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