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

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Application of Electric Variable Piston Pump in the Hydraulic Energy-savingSystem of the Huge Type Gantry Grinding M achineYANG Daoke，LIU Changmin，ZHANG Liangliang，corporated Company，Weihai Shandong 264200，China)Abstract：The hydraulic systemS performance and characters of the huge type gantry grinding machine were analyzed. Its struc·ture and composition were introduced. Electric variable piston pump was adopted in the hydraulic system of the huge type gantry gnnd-ing machine to realize energy-saving. Then the saving characters and perform ance of this late-model hydraulic energy-saving systemwere discussed。

Keywords：Electric variable piston pump；Gantry grinding machine；Hydraulic system；Energy-saving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∩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 ：2011-12-l5作者简介：杨道科 (198O-)，男，助理工程师，从事液压系统的设计与开发工作。E-mail：yqq1224###163.com。

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 ·75·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-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”。

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，-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-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78页)· 78· 机床与液压 第 4l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，-般从选定流量阀的产品样本中查得；Umin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：t0(AF-Pb XA)×L/(C× o×A×E0)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-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-些，缸的行程要旧能地小，动、静摩擦力之间的差值要旧能减校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 0.03 mm/s，获得了用户的-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。