现代液压机发展趋势
液压机是一种利用液体静压力来加工各种材料的机械,它常用于压制工艺和压制成形工艺,如锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、翻边、薄板拉深、粉末冶金、压装等等。从1795年第一台水压机发明到现在,液压机经历了200多年的改进和创新,由于其具有加工工艺“万能性”,使得液压机广泛应用在国民生产的各行各业。随着现代制造技术的不断发展,制造行业产品竞争越来越激烈,为了提高液压机的市场竞争力,传统液压机必须克服油液泄漏、油温升高、传动精度低、能耗大等缺点,提高液压机的控制精度和效率,实现绿色液压机的设计和制造。
液压机的系统和整机结构经过近几十年的发展已经较为成熟,国内外液压机的研究重点主要集中在在伺服控制技术、绿色节能技术、集成化技术、机液混合驱动技术、多工位液压机技术以及其他辅助技术等方面。
1伺服控制技术
伺服控制是近几十年发展起来的一种精密驱动技术,其核心技术是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值的任意变化。伺服液压机就是将伺服控制技术与液压系统相结合的一种新型压力机,它指的是主传动油泵采用伺服电机驱动,减少控制阀回路,调节主油泵完成对滑块精确控制。
图1为伺服液压机圆体,液压机的主油缸上腔安装有压力传感器,在液压机滑块处安装位移传感器。控制器根据压力反馈信号、位置反馈信号、压力给定信号、位置给定信号、速度给定信号等计算出伺服电机的转速,从而控制液压泵的输出,以进行压力、速度、位置控制。伺服驱动液压机依靠调节伺服电机的转速,来控制液压机的压力、速度、位置等参数,取消了液压控制回路中的压力控制阀、流量控制阀等元件,简化了液压控制回路。伺服驱动液压机在滑块快降、滑块静止在上限位进行上下料时,伺服电机转速为零;滑块加压和回程时伺服电机的转速由设定速度确定;滑块在保压时伺服电机的转速仅弥补泵和系统的泄漏。传统液压机在整个工作过程中电机始终处于恒定转速。图2为在整个工作过程中,传统液压机与伺服控制液压
机电机转速的区别,图中①为滑块快降阶段,②为滑块加压工作阶段,③为保压阶段,④为滑块回程阶段,⑤为滑块静止时的上下料阶段。
图1伺服控制液压机原理图2 在工作过程中的转速区别
与传统液压机相比,伺服控制技术应用在液压机上主要有以下优点:
1.1 精度高
伺服电机主要靠脉冲来定位,每接受1个脉冲就会旋转1个脉冲对应的角度,单单考虑伺服电机其控制精度可以达到1/1024圈,结合相应的传感器,可以实现对滑块任意位置
的精确控制。伺服液压机相较传统液压机运动曲线可以优化,适当的滑块曲线可以抑制板材压制过程回弹,提高之间精度。
1.2 柔性高
滑块运动曲线可根据不同生产工业和模具进行优化设置,可设计特殊的工作特性曲线,进行高难度高精度加工,实现坏块“自由移动”。滑块运动方式可以是往复式、在下死点停留等复杂运动方式,如图3所示日本学者采用往复式运动曲线压制薄板制件,能有效的抑制变形曲率较大处褶皱现象。
a 往复式运动曲线
b 冲压件质量对比
图3冲头往复式冲压
1.3 效率高
可以在较大范围内设定滑块行程次数,滑块速度和行程调节方便,能根据成形工艺,滑块可在最小行程工作,借助自动送料技术,大大提高生产效率。
1.4 节能
伺服液压机和机械压力机相比省去飞轮、离合器,采用直接传动,传动环节大大减少,润滑量减少,可维护性强。没有离合器结合能耗,滑块停止后,电机停转,也没有了电机、皮带轮空转,能耗显著降低。在普通机械压力机中,飞轮空转耗能约占总能耗的6% ~30% ,离合器(主要指摩擦离合器耗能约占总能量的20% ,伺服液压机没有飞轮和离合器,这部分能量得以节省。日本某公司曾进行过3000 kN 液压机连续工作功耗对比试验,结果证明伺服液压机节能32%~42%。
尽管伺服控制技术在液压机上展现了强大的生命力,目前仍然有很多关键技术需要完善:
A.研制具有自主知识产权的大功率伺服电机和驱动控制单元;
B.开发采用伺服电机直接驱动的液压机主油泵;
C.研究能量回收系统;
D.开发专用控制系统;
E.开发智能化成形工艺库。
目前日本网野、德国力士乐、穆格、威格士等国际著名液压元件制造公司都已开发了交流伺服液压机,并已经形成系列产品,国内合肥合锻机床股份有限公司于2010年研发出SHPH27-200型伺服液压机用于试验研究,并于2012年将伺服液压机推向市场。目前已经开发了1000~10000kN的各类伺服液压机。
2绿色节能技术
尽管液压机有能量密度高、工艺万能性、成本低等优点,但是能耗大、能量利用率低、噪声大、液压油泄漏对环境污染大等问题,一直阻碍其发展。绿色节能技术是提高液压机的能量利用率,并降低液压泄漏,该技术也成为衡量液压机的一项重要指标,绿色节能技术将会会成为未来液压机的一个重要发展方向。
液压传动中系统的能量传递过程为:电能、化学能-机械能-液压能-机械能,如图4所示。液压系统的能量损失可分为三类:(1能量转换元件的转换损失。包括液压泵和液压马达中的机械摩擦损失、压力损失和容积损失,这些能耗主要形成温升转化为热量,而热能不可逆,
不能加以回收利用。能量损耗的多少不仅与能量转换元件类型有关,还与工况、运行工作点以及磨损情况等因数有关。(2液压回路传输损失。过剩流量和过剩压力是产生液压回路能量损失的根本原因。液压传动系统中,节流控制是实现各种控制功能的基本方法,但液阻不可避免的会产压降,这种压降必然是一种能量损耗,这部分能量主要以热能的形式传递到环境中,不可回收,这些能耗主要与液压回路有关。(3液压源与负载不适应而产生的匹配损失。液压机的吨位在设计之初已经固定,在不同工件加工过程往往会出现大马拉小车的现象,这必然造成液压源供给系统的能量大于需求,而造成能量浪费,此外一般液压机的有效工作行程仅为总行程的
1/3甚至更小,空行程阶段主缸充满高压油液,造成能量浪费,这也是油温升高的另一个重要原因。
图4 液压系统中的能量损失
根据分析可知,要实现液压机的节能可以从下面两个方面考虑:一是选择合适高效的液压元件,改善和提高元件的能量转换效率;二是选择设计合理的液压系统,改善和提高液压系统回路的效率。目前国内外对液压机绿色节能的研究重点主要集中在以下几个方面:
2.1 节能型液压元件
