田 齊，郝 健

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 無錫 214153；2.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

0 引言

液壓折彎機是一個典型的綜合機械、電氣、液壓、自動化等技術(shù)于一體的產(chǎn)品。市場在售的折彎試驗機多數(shù)是基于通用化的設(shè)計理念，對一些板材進行折彎試驗時，有些執(zhí)行工況不符合特定要求，有些功能顯得冗余，帶來了較高的試驗成本［1］。鑒于此，本文從液壓折彎機的系統(tǒng)設(shè)計和控制方面，對板材液壓折彎機進行研究。

1 液壓折彎機傳動系統(tǒng)的設(shè)計［2］

1.1 基本參數(shù)與已知條件

本文研究的立式板料折彎試驗機，其滑塊及折彎機構(gòu)的上下運動采用液壓傳動，要求通過電液控制實現(xiàn)如下工作循環(huán)：快速下降→慢速加壓（折彎）→快速回程（上升）。最大折彎力F＝1.2×105N、滑塊重力G＝200N、快速下降的速度v1＝10 mm／s、慢速加壓（折彎）的速度v2＝2 mm／s、快速上升速度v3＝20 mm／s、快速下降行程L1＝180 mm，慢速加壓（折彎）的行程L2＝20mm、快速上升的行程L3＝200mm、啟動和制動時間Δt＝0.2s。滑塊及折彎機機構(gòu)重量的平衡要求用液壓方式，以防自重下滑，滑塊導軌摩擦力可忽略不計。

1.2 執(zhí)行元件選擇

為方便折彎試驗，液壓折彎機采用立式布置，行程相對較小，且往復(fù)速度不同，所以選擇缸外圍固定的立置的單桿活塞缸作為液壓折彎試驗機的執(zhí)行元件，帶動壓塊及折彎機構(gòu)對板料進行折彎試驗。

1.3 動力學分析

1.3.1 快速下降階段

根據(jù)基本參數(shù)要求和已知條件，對液壓缸的外負載力進行計算。啟動加速時外負載Fi1為：

代入數(shù)據(jù)計算得Fi1＝1.02N，等速時外負載為0。

1.3.2 折彎階段

初壓階段外負載為：

終壓階段外負載為：

1.3.3 快速回程階段

快速回程啟動階段外負載Fi2為：

等速階段外負載為：

制動階段外負載Fi3為：

1.3.4 運動學分析

各階段運行時間即為壓塊行程與運行速度的比值，設(shè)t1為快速下行時間，t2為折彎初壓時間，t3為折彎終壓時間，t4為快速回程時間。通過計算得出t1＝18s，t2＝7.5s，t3＝2.5s，t4＝10s。

1.4 液壓缸的設(shè)計計算

1.4.1 確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸

按液壓手冊，預(yù)選液壓缸的設(shè)計壓力p1＝20 MPa。由于壓塊的自重會對液壓缸的運動有影響，在設(shè)計計算時要對壓塊的重量予以考慮。無桿腔的有效面積為：

其中：ηcm 為液壓缸的機械效率，ηcm ＝0.91。液壓缸的內(nèi)徑（活塞直徑）為：

由式（7）、式（8）計算得D＝94mm，按GB／T2348－1993，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標準值D＝100mm。根據(jù)快速下行與快速上升的速度比確定活塞桿直徑d：

經(jīng)計算活塞桿直徑d＝70.7mm，取標準直徑d＝70mm，從而可算得液壓缸無桿腔和有桿腔的實際有效面積為：

1.4.2 最大功率計算

最大功率發(fā)生在慢速加壓階段。初壓時功率P2＝13.19 W；終壓時，行程只有5 mm，持續(xù)時間僅t3＝2.5s，壓力和流量變化情況較為復(fù)雜，所以做以下處理：壓力由839 924.4Pa增至16 798 487Pa，其變化規(guī)律可近似用一線性函數(shù)p（t）表示，即：

流量由0.942L／min減到0，其變化規(guī)律可近似用一線性函數(shù)q（t）表示，即：

設(shè)t為終壓階段持續(xù)時間，取值范圍為0s～2.5 s。由式（12）、式（13）可得此階段功率方程：

由式（12）～式（14）可求得當t＝1.18s時，功率有最大值P3＝Pmax＝69.40W，壓力p≈8.37MPa，流量q＝0.50L／min。

1.5 擬定液壓折彎機液壓系統(tǒng)

圖1為板料液壓折彎試驗機原理示意圖。當快速下降時，變量泵處于全流量供油狀態(tài)，當折彎機壓塊在折彎板材時，泵的流量減小，最后減少至0。當液壓缸復(fù)位時，泵的流量又會以全量供油的狀態(tài)運行。液壓缸的運動方向選用三位四通M 型中位機能電液動換向閥控制，在沒有信號輸入的情況下，換向閥處在中位，使得液壓泵供的油再回到油箱［3，4］。為防止液壓缸所要施力的壓塊下滑［5］，在管路中設(shè)置一個順序閥，避免不必要的安全事故發(fā)生。

2 液壓折彎機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖2為液壓折彎機電氣控制圖。運行時，將QS合上，按動SB1按鈕，KM1得電，KM1觸頭與主電路的觸頭接觸，電動機運轉(zhuǎn)，帶動變量泵供應(yīng)液壓油，閥處于中位時，泵供的油又會通過旁路回到油箱中。按動按鈕SB3則2YA 得電，1YA 失電，此時液壓泵向液壓缸的無桿腔供油，驅(qū)動壓塊折彎板材，而圖2中的元器件10、11與行程開關(guān)固定在一起，旋轉(zhuǎn)角度決定折彎成所需角度時，停止工作，鎖住液壓缸。測試完成，記錄數(shù)據(jù)后，按動SB4按鈕，則2YA 失電，1YA 得電，液壓泵將會向液壓缸有桿腔供油，無桿腔的油便會回到油箱中，回程到原來位置碰到行程開關(guān)SQ1便會斷開控制電路，電液控制閥失電便會停在中位，鎖住壓塊［6－8］。其中FU1起過載保護的作用，防止電氣元件過載損壞電路。

圖1 板料液壓折彎試驗機原理示意圖

圖2 液壓折彎機電氣控制圖

3 結(jié)語

本文根據(jù)設(shè)計要求，擬定了液壓缸的基本設(shè)計思路與算式，對各階段的流量與功率進行了計算；擬定液壓系統(tǒng)原理圖，配置所需的各元器件，滿足折彎試驗需求；根據(jù)工況以及液壓元器件的特點，擬定了電氣控制圖，以便控制試驗機的運行。

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