超低速在液压系统中的实现.pdf

2 0 1 3年 1 月 第4 1 卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I C S J a n ． 2 0 1 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 7 超低速在液压系统中的实现 张强，吴伟，田维 中国重型机械研究院有限公司，陕西西安 7 1 0 0 3 2 摘要通过对液压油缸密封的优化选型、严格工程实施的质量要求、采用容 节流调速控制方式等措施 ，实现了对 某油挤压机液压系统的超低速控制要求，为解决目前普通液压油缸在一定低速下的爬行现象提供了依据。 关键词容积／ 节流调速；超低速；爬行现象；液压系统 中图分类号 T B 4 9 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 6 3 I mpl e me nt a t i o n o f Su pe r - l o w Sp e e d i n Hy dr a u l i c Sy s t e m Z HA N G Q i a n g ．WU We i ．T I A N We i C h i n a N a t i o n a 1 He a v y Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ．，L t d ． ，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 3 2。C h i n a A b s t r a c t T h e o p t i mi z a t i o n o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s e a l s e l e c t i o n ，s t r i c t i m p l e m e n t a t i o n o f t h e p r o j e c t ’S q u al i t y r e q u i r e m e n t s ， t h e u s e o f v o l u me／t h r o t t l e c o n t r o l mo d e a n d o t h e r me a s u r e s w e r e u s e d t o a c h i e v e s u p e r l o w s p e e d c o n t r o l r e q u i r e me n t s f o r a n o i l e x t r u s i o n p r e s s h y d r a u l i c s y s t e m． I t p r o v i d e s b a s i s f o r s o l v i n g o r d i n a r y h y d r a u l i c c y l i n d e r l o w s p e e d c r e e p p h e n o me n o n ． Ke y wo r d s Vo l u me ／ t h r o t t l i n g c o n t r o l ；S u p e r l o w s p e e d ；C r e e p p h e n o me n o n；Hy d r a u l i c s y s t e m 随着我国工业向高层次方向发展，越来越多复杂 工艺产品的加工需要其制造设备的液压缸能做超低速 度的运动。如何在实践中实现这些液压缸的超低速运 动成为装备设计中的当务之急。 1 问题描述 解决低速爬行现象是实现液压缸超低速运动的中 心问题。某院在为某单位设计的油挤压机的液压系统 中成功实现了其柱塞式主液压缸的超低速运动，从而 为解决类似液压缸超低速运动提供了实例。所谓液压 爬行 ，也称黏 一 滑运动，是液压缸或液压马达在低速 下运动时产生的时快时慢的速度不均匀现象。作者设 计的油挤压机对速度和工作负载的要求如下 1 辅助缸带 主 液压 缸 高速 动 作 时 的速度 为 2 0 0 m m ／ s ； 2 低速挤压时的速度为 2 4 m m ／ s ； 3 超低速挤 压时要求最大速度不大于 0 ． 4 m m ／ s ，并能提供 2 1 0 N的挤 压力。 2 在液压系统中实现超低速的方法 满足超低速度无爬行时在其他速度下也应无爬 行。针对超低速度时的速度要求和产生液压缸低速爬 行的主要原因，可从主液压缸的选择设计和制造、液 压系统的控制方式、液压系统的控制压力、液压系统 调试中出现的问题4个方面解决主液压缸超低速时爬 行 的问题 。 2 ． 1 主液压缸 的选择设计和制造 主液压缸有两种形式可供选择 1 以柱塞式 普通油缸为执行元件，通过消除在超低速时最大速度 要求的范围之内的爬行现象，使其具有合适的最低稳 定速度 ，最低稳定速度是液压缸在满负荷 运动时没有 爬行现象的最低运动速度； 2 采用以液压伺服油 缸为执行元件的伺服系统 ，液压伺服油缸本身具有低 摩擦、几乎无爬行 、低启动压力、高频响、快速性等 优点，从而更容易实现超低速运动，但因为需要选用 低摩擦因数的密封件 、运动面比普通油缸加工精度高 而使整个系统造价非常昂贵。考虑到成本、普通大直 径油缸实现超低速要求的可能性 ，该油挤压机采用直 径为 5 0 m m、行程为 9 0 0 m m、工作压力为 3 0 MP a 的柱塞式普通油缸作为主液压缸。 主液压缸活塞和活塞杆密封 的选取 。该挤压机在 挤压过程中具有负载高、偏载大 、压力变化大、需要 保压的特点 ，因此要采用工作压力在 3 0 M P a以上以 及温度在 一 2 0～1 0 0℃范围内的组合密封，具备 良好 的密封性能 、保压性能好、有导向作用、对振动和偏 心负载适应性好且能承受高压及变化的压力等基本要 求的首推 V形组合密封，其材料采用耐磨性好、接 触应力小且摩擦因数稳定、动静摩擦力矩差值较小的 F E材质。 液压缸内配合问隙和加工精度的影响。液压缸内 部活塞和缸体 、活塞杆和导向套之间的滑动配合间隙 需合理，太大会引起滑动面受压不均造成两边的摩擦 力不均匀，太小则使摩擦力过大，都引起液压缸低速 工程师，现从事冶金设备上液压系统的研究设计工作。Em a i l z h a n g q i a n g 7 1 2 - 2 0 母 R 一7 ‰ ∞ Ⅲ 2 S 期 介 日 简 稿 者 收 作 第 2期 张强 等超低速在液压系统中的实现 7 7 爬行 。该 主液 压缸 为 柱塞 式 液压 缸 ，柱 塞 与 导 向套 间的配合间隙为 5 0 m m H 8 ／ r 7 。在液压缸的加工过 程中，需严格保证缸筒、活塞等组件的形状精度、位 置精度 和表 面粗糙度 ，液压缸缸 体 内壁 和活塞杆 柱塞表面加工精度的高低是影响液压缸低速稳定 性的主要因素，尤其是几何精度中的直线度在加工过 程中最难保证。为达到要求 ，缸筒要采用滚压或珩磨 工艺 ，活塞杆要镀硬铬 ，装配后 的液压 缸起 动压力 为 0 ． 0 4～ 0 ． 0 6倍额定工作压力，低速运动的液压缸的 启动压力应在 0 ． 1 M P a以下。 2 ． 2 采用的主液压缸的控制方式。 如表 1 所示 ，V F D变频驱动式容积调速 的控制 方式最好 ，成本也是最高。 表 1 各种控制方式的性能 比较 在该油挤压机系统中，作者采用变量泵式的容积 ／ 节 流调速方 式 ，这 种控 制 方 式具 有 以下 4个优 点 1 系统效率高，发热少，控制速度尤其是低速时 的稳定性好 ； 2 采用高频响比例阀作为动态可调 的节流元件，精确地实现压制速度的闭环控制 ，为等 温控制提供了技术基础 ； 3 采用 比例变量泵，由 于在低速时泵已经将输出流量调到很小，经比例阀动 态调节后通过溢流阀分流的流量很小，所以功率损耗 很小 ； 4 速度特性非常好，功率特性也比较好。 其原理简图如图 1 所示 ，故超低速挤压最大速度时所 需流量 q A 式 中 为超低速挤压时主液压缸 的最大运动速度 ； A为主液压缸柱塞的有效工作面积。 A3 l 一 恒 压变 量泵 2 一 伺 服 阀 3 一 辅 助缸 4 _ _ 柱塞式主液压缸 A 1 一 控 制超 低 速挤 压 A 2 -- 控 制低 速挤 压 A 3 、B 3 一控制辅助缸带主液 压缸的高速动作 图 1 原理简图 由于超低 速挤 压时要 求最 大速 度不 大于 0 ． 4 m m ／ s ，主液压油缸规格 为 5 0 m m 9 0 0 m m，所需 要的流量为 1 7 ． 0 1 L ／ m i n ，因为 实践 中选取 泵时要 留 一 定余 量，故恒 压 变 量泵 的额 定 工作 流 量 为 1 8 L ／ m i n 。选择 工 作 压 力 为 3 0 M P a 、流 量 为 1 7 ． 0 l L ／ m i n 时处于最佳功率点附近的伺服阀。 2 ． 3 提 高系统 阻尼 比 提高系统阻尼比将使临界速度降低同时能改善低 速爬行。影响阻尼 比的因素很多，提高系统阻尼比的 方法主要有 1 提高系统总的流量压力系数可使 系统阻尼比增大，但同时会增大油缸的泄漏量。该油 压机液压系统采用了较大的流量压力系数； 2 提 高工作介质的有效体积弹性模量 、减少工作介质中的 空气含量都能有效地提高阻尼比。 2 ． 4调 试 阶段 在调试阶段有两个方面需要注意 1 液压缸 有杆腔和无杆腔存有气体也会产生低速爬行。由于气 体混在液压油中，在压力的作用下，气体体积变化， 在高压作用下甚至会发生气体瞬间爆炸 ，从而导致液 压缸的速度不稳定。因此在通高压油正式动作之前， 需先通人 5～ 8 M P a的低压油进行单机动作，反复动 作的同时从油缸排气 口可以排 出多余的气体。 2 减小动、静摩擦力矩的差值。主液压缸与两个附缸相 连的活动横梁是放在导轨上的，主液压缸带着活动横 梁动作时活动横梁与导轨之间有一定的摩擦力，其与 油缸内部密封部分的摩擦力方向相同，动作之前需在 导轨上涂抹润滑油并反复动作使润滑油均匀润滑，此 时活动横梁和导轨之间处于润滑状态下的相对运动可 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 、 制造常用数据及标准规范实用手册 [ M] ． 北京 当代中国音像出版社 ， 2 0 0 4 5 3 9 5 4 1 ． 上接 第 7 5页 为了减小工作台导轨的摩擦 ，提高工作台运行速 度的平稳性，在机床结构设计上还采用了卸荷式静压 导轨润滑系统。为了减少换向冲击 ，提高换向速度的 平稳 ，还设计了缓冲回路。 投产三年的实践证明使用电动变量柱塞泵的大 型龙门磨床液压驱动系统与 “ 阀控系统”相比较，生 产成本降低3 0 ％，动力节能4 0 ％，热量损失减少6 0 ％。 3结论 1 电动变量柱塞泵应用于大型龙门磨床液压 驱动系统是正确可行的。 2 “ 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。 3 插装 阀控制技术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。 4 卸荷式静压导轨润滑系统是提高大型龙 门 磨床液压动力驱动系统运行精度的有利方法。 参考文献 【 1 】 姜佩东， 张雅琴 ， 李军． 液压与气动技术[ M ] ． 北京 高等 教育 出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 2 】 卢光贤． 机床液压传动与控制[ M] ． 西安 西北工业大学 出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 3 】张利平． 液压站设计 与使用 [ M] ． 北京 海洋 出版社， 2 00 4． 【 4 】张利平． 液压传动系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 颜荣庆， 李自光， 贺尚红． 现代工程机械液压与液力系统 基本原理故障分析与排除[ M] ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 1 ． 【 6 】陆望龙． 液压系统使用与维修手册[ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 8 ． 【 7 】王庆国， 苏东海． 二通插装阀控制技术[ M] ． 北京 机械 工业出版社， 2 0 0 1 ． 【 8 】 路甬祥． 液压气动技术手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 ．