静压造型机液压系统的选型计算与设计

　　摘要：静压造型线具有自动化程度高、成品成型率高以及表面硬度高等优点。通过分析静压造型线的动作特点, 应用高压大流量的液压插装阀技术, 研制出应用于静压造型机的液压驱动系统, 满足静压造型线的生产和技术要求。

　　关键词：静压造型线; 液压驱动系统; 液压插装阀技术;

　　Abstract：Static pressure molding line has a high degree of automation, high rate of finished product molding and high surface hardness, etc. Through analyzing the action characteristics of the static pressure molding line, hydraulic cartridge valve technology with high pressure, high flow was applied to develop the static pressure molding machine hydraulic drive system, to satisfy the requirement of production and technology of static pressure molding line.

　　Keyword：Static pressure molding line; Hydraulic drive system; Hydraulic cartridge valve technology;

　　近年来汽车行业在我国飞速发展, 与汽车零部件密切相关的铸造生产线也得到了迅猛发展。同时由于静压造型工艺、技术的日趋成熟, 静压铸造生产线最具有其代表性, 因此也有许多企业改造其生产线为静压铸造线, 促使静压造型工艺迅速普及。

　　静压造型线因自动化程度高, 成品又有成型率高以及表面硬度高等诸多优点, 渐渐成为各厂的首选。而液压传动装置以其质量轻、体积小、受力好、扭矩大、可实现无间隙传动、运动平稳、所用液压元件发展成熟且使用寿命高、设计制造以及推广相对方便等优点被作为静压造型线的主要驱动方式。文中通过分析静压造型线的动作特点, 研制出应用于静压造型机的液压驱动系统[1-2]。

　　1、静压造型机简介

　　静压造型就是通过气流预紧实作用对型砂进行初步紧实, 然后通过液压压头对型砂进行最终紧实, 其多触头压头由液压提供压力, 压力固定, 压实过程中不加震动, 单纯地压实, 故称之为静压造型。该方法造型可使型砂紧实度高, 适合自动化程度高、工艺复杂的铸件造型。

　　此静压造型机工作要求:

　　(1) 输出流量335×5 L/min;

　　(2) 额定工作压力11 MPa;

　　(3) 系统总功率406.5 k W;

　　(4) 系统最大回油量3 000 L/min;

　　(5) 系统压力波动范围一般不要超过设定压力的±5%;

　　(6) 需要实现的动作有:造型机多触头压实;造型机工作台下降起模;造型机上机架移动;造型机工作台回转;捅箱机捅箱;造型段驱动;上箱机械手提升;造型、冷却、捅箱段缓冲。

　　2、静压造型机液压系统简介

　　根据静压造型机的工作要求, 系统由主泵站、若干阀组组成。下面分别介绍主泵站的组成以及主要阀组上回路的工作原理。

　　(1) 主泵站

　　主泵站是液压系统的动力源部分, 为执行元件提供压力稳定、流量可控、过滤精度高的液压油, 使整个液压系统正常高效运作。主泵站由电机及定量叶片泵、循环电机泵、油箱、电子温度计电器、压力传感器、液位计、10μm和5μm的回油过滤系统、板式热交换器、加热器、蓄能器、氮气瓶、若干阀等组成。图1是各元件简化为1组的原理图。

图1 主液压系统原理图

　　(2) 静压造型机的工作台回路

　　静压造型机的工作台用以承托砂箱和模样, 完成举升等动作, 原理图见图2。

图2 静压造型机工作台液压原理图

　　动作原理:静压造型机工作台升降动作由换向阀切换左右位来控制, 上升速度需要快、反应灵敏, 所以选用响应快的高频响比例换向阀1。采用插装阀2、梭阀3和换向阀4组合以及插装阀上换向阀引来P口压力的作用是:在设备发生故障突然断电的时候, P口的系统压力通过梭阀和换向阀作用在插装阀弹簧腔上, 这样无论插装阀3的B口压力大于还是小于A口压力, 都可以保证插装阀可靠关闭, 防止工作台下降, 起安全保护作用。

　　(3) 静压造型机的回转台回路

　　静压造型机的回转台完成砂箱和模样翻转等动作, 原理图见图3。

图3 静压造型机回转台液压原理图

　　动作原理:静压造型机工作台回转动作主要由电磁换向阀1切换左、右位来控制完成。为满足回转台的特殊运动要求, 在油缸杆伸出回路, 在无杆腔一侧添加单向阀3为其补油, 在无杆腔添加减压阀2, 用以控制油缸杆伸出来捕捉终点信号, 在有杆腔侧添加溢流阀4、5保证安全性。

　　YV3a带电, 电磁换向阀切换左位, 回转油缸杆缩回, 当它缩回到达回转台位置1的时候JK01发出信号, 此时换向阀断电回到中位, 油缸则依然靠惯性继续缩回;当油缸杆缩到最终点后, 油缸杆靠惯性伸出, 此过程油缸杆实际已经伸出了, 但是电磁阀还没有带电换向, 这个时候为避免造成吸空, 单向阀3开始起作用, 为油缸无杆腔补油, 当回转台到达位置2时, JK01发出信号, 电磁阀YV3b带电, 换向阀切换右位, 油缸杆正常伸出, 到达终点后, 发出讯号电磁阀YV3a带电。

　　(4) 静压造型机的缓冲类回路

　　缓冲回路用来克服砂箱的惯性冲击、防止撞击缸盖和定位元件等。缓冲类回路原理图见图4。

图4 静压造型机缓冲类液压原理图

　　动作原理:静压造型机的缓冲类回路主要动作由换向阀1切换左、右位来控制完成。根据实际工况, 油缸杆快速伸出之后顶住最后一节砂箱, 经历两级背压, 调整好砂箱间距后, 油缸杆缩回, 主动退回。在实现过程中, 差动连接保证油缸快速伸出;另外在意外断电时, 希望油缸保持原状态不动, 故利用插装单向阀2的阀芯面积比产生背压来锁住油缸不退回;最终通过两次缓冲来实现将砂箱定位的目的。注意, 在主动退回的时候, 必须保证P口压力大于2倍二级背压压力。

　　换向阀1的YV4b带电, 此时形成差动回路, 油缸杆快速伸出, 前个工段的推送油缸启动推送砂箱的同时JK04发讯, 接到信号后换向阀1断电, 回到中位机能, 背压电磁换向阀4带电, 此时有杆腔侧产生一级背压压力4 MPa, 缓冲缸顶住砂箱惯性后退, 到位JK05发讯, 使背压电磁换向阀4失电;有杆腔产生二级背压压力5 MPa, 缓冲缸顶住最后一节砂箱, 其余砂箱继续惯性向一起靠拢, 到位JK06发讯, YV4a、YV5带电, 缓冲油缸退回终点JK07发讯。

　　3、静压造型机液压系统的选型计算

　　3.1、液压泵的选型与计算

　　液压泵是液压系统中的动力元件, 它从油箱中吸油后通过内部结构, 将机械能转化为液压油的压力能, 压力油通过不同功能组合的阀, 实现方向、压力、流量的调节, 然后通过管路传送到执行元件 (油缸或马达) 中, 从而完成了做功。叶片泵流量均匀、运转平稳、噪声小、压力和容积效率比齿轮泵高, 定量泵流动速度相对稳定, 此系统采用定量叶片泵。工况决定每个泵的流量需要大于330 L/min, 故选用排量为227 cm3/r的丹尼逊定量泵, 型号为T7ES-072-1 R 02-A 1 M0, 该泵的最高压力为30 MPa, 满足此项目液压系统压力的要求。选用四极电机, 理论上泵最大输出流量为227×1.48=335 L/min, 可满足要求。

　　3.2、电机选型计算

　　此系统工作压力需要11 MPa, 需要5台电机泵为其提供动力, 每台最大流量需求为335 L/min, 算上泵的效率, 那么每台电机的功率至少69 k W。按产品样本选取电机, 选75 k W的电机YE2-280S-4-B35。

　　3.3、液压控制阀选型计算

　　按产品样本或手册选取合理压力流量的标准元件。此系统涉及流量范围广, 又不希望电机频繁启动, 所以选择卸荷阀, 不卸荷时设定系统 (油泵) 主压力当系统压力, 当卸荷状态时压力油直接返回油箱, 油泵压力下降至近似为0, 以实现一些回路控制和提高油泵寿命、减少功耗。根据流量、压力等因素, 选择液压阀的通径。

　　3.4、冷却器、加热器选型计算

　　液压系统工作过程不可避免地存在压力损失, 导致系统产生热量, 产生一系列的不良后果。比如液压油温度升高了, 油液的黏度、油液的使用寿命、油泵的容积效率、系统的工作效率都会降低, 油液泄漏量会增大。而如果油温过低, 油的黏度会增大, 流动性也会减小, 同样不利于设备启动。综上所述, 油液温度过高或过低, 都会严重影响系统, 使系统不能正常工作。因此, 液压系统的油温一般控制在48~52℃。

　　考虑到此静压造型机生产线系统工作环境复杂, 故选择对环境要求不高且稳定可控的水冷方式。经计算并查阅相关手册后, 选择散热面积为20 m2的板式热交换器, 型号为FKE03-1.0/100-20-N1, 板式冷却器的冷却介质为水, 进口水温在30℃以下。加热器和冷却器串接, 加热器选择3个SRY4-220/8, 系统可分级自动控制3组加热管工作与否, 并且安装在油箱上面采用动态加热, 可以让油液受热更均匀。油箱安装电子温度继电器ETS3885-150-000+ZBE03+TFP100+S.S来检测油温, 并且电磁水阀的开关也由油箱上的温控器控制。

　　3.5、滤油器的选型

　　此系统采用较多比例阀, 对油质比较敏感, 因此必须控制液压油的洁净度。系统选用带发讯器的过滤器对油液进行过滤, 并且一旦发讯器发出信号, 系统操作人员应立即清洗或更换滤芯, 确保系统安全运行。

　　此系统最大回油量有3 000 L/min, 故在泵站上总回油处设置了4个过滤精度为10μm的回油过滤器RFA-1000*10F+Y;在循环冷却系统也采用过滤精度5μm的回油过滤器RFA-1000*5F+Y, 使得循环到泵吸油区的油液清洁度更高;在造型机工作台原理中, 因使用的高精度高频响方向阀对油质的特殊要求NAS 1638等级7级, 故在先导油路中, 设置了过滤精度5μm的压力过滤器DFB-H110*5C。

　　3.6、蓄能器的分析选型与计算

　　此系统采用5组定量泵串联卸荷阀的方式来组合控制供给液压系统的输出, 要求压力保持稳定, 在±5%范围内波动, 流量输出稳定。蓄能器因其构造具有储存压力、补充泄漏和保持恒压、吸收液压冲击、吸收脉动、降低噪声的作用, 不仅可以有效地控制由于温度变化或内外泄漏引起的压力的上下波动, 还可用于系统流量需求大时压力油的补给输出, 使系统稳定工作。

　　此系统使用蓄能器为囊式蓄能器, 灵敏度高, 噪声低, 容量大, 油气由气囊隔开, 不会混合。根据原理需求, 按产品样本选合适容量的蓄能器, 选用16个40 L的囊式蓄能器NXQAB-40/20-L (皮囊可从上面更换) 。一般情况下, 蓄能器充气压力为系统平均工作压力的70%~75%最为适宜。此系统充氮压力为8.5 MPa[3-4]。

　　4、结束语

　　某单位研制的97号、102号静压造型机液压系统生产线已交付使用, 能够满足客户的生产要求, 其功能齐全、操作方便。此系统的研制成功对于以后更好地理解其原理、设计、制造具有积极的意义。

　　参考文献
　　[1]李来升, 文明, 董韶宜, 等.静压造型线的发展及应用概述[J].农业科技与装备, 2012 (9) :18-20.LI L S, WEN M, DONG S Y, et al.Development and Applications of Static Pressure Moulding Line[J].Agricultural Science&Technology and Equipment, 2012 (9) :18-20.
　　[2]赵林栋, 李来升, 文明, 等.静压造型线液压系统的组成及控制[J].中国铸造装备与技术, 2012 (5) :4-7.ZHAO L D, LI L S, WEN M, et al.The Composing and Control of Hydraulic System of Static Pressure Molding Line[J].China Foundry Machinery&Technology, 2012 (5) :4-7.
　　[3]王积伟, 章宏甲.液压传动[M].北京:机械工业出版社, 2007.
　　[4]黎启柏.液压元件设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.