海源90新系列钢丝缠绕大吨位全自动液压压砖机液压系统综合分析*

2011-11-17李良光

陶瓷 2011年11期

关键词：粉料横梁油缸

李良光

(福建海源自动化机械股份有限公司福州 350100)

海源90新系列钢丝缠绕大吨位全自动液压压砖机液压系统综合分析*

李良光

(福建海源自动化机械股份有限公司福州 350100)

对海源90新系列钢丝缠绕大吨位全自动液压压砖机的结构特点作了扼要介绍;对液压系统作了综合分析，包括设计思路和技术特点，并结合陶瓷砖压制工艺详细分析了在各压制动作时液流流经液压阀的作用，阀的启闭关系及液流循环走向。

恒压式变量泵节能液流循环

福建海源公司近年根据市场需求开发出90新系列钢丝缠绕大吨位全自动液压压砖机(以下简称90新系列大吨位压砖机)，该系列压砖机是在吸收国内外先进技术的基础上，融合自有技术完成的创新型压砖机，旨在提高压砖机的先进性、可靠性、生产效率和降低能耗。目前已生产了4种规格，其主要技术参数见表1。有关压砖机的液压系统过去多见国外的分析文章，而国内的尚未见报道。笔者以海源公司最新研制的压砖机液压系统作为分析重点，以此说明国产的压砖机液压系统的设计和综合技术性能已达到国际同类压砖机的先进水平。

表1 90新系列大吨位压砖机主要技术参数

1 90新系列大吨位压砖机主要结构特点

1)机架牢固可靠。机架的结构设计应用有限元技术，进行优化;压砖机的立柱、上横梁、下横梁应用预应力钢丝缠绕技术固结在一起，形成封闭框架。纲丝的缠绕过程是通过计算机连续控制纲丝的预压缩量，使机架获得最佳的预应力加载，达到精确装配。这就大大提高了机架的整体刚性和抗疲劳能力，尤其是压砖机在快速压制循环中，机架的疲劳应力大幅降低，提高了压砖机的稳定性能和使用寿命。

2)采用充液油箱与上横梁一体结构，增加机架的刚性和上横梁的抗弯能力。

3)采用主油缸与活动横梁组合结构。主油缸为无底结构，缸筒直接固定于活动横梁，活塞杆固定于上横梁，这种缸动结构活动横梁的刚性好，可使主机的封闭高度降低，有利于对砖坯均匀施压成形。

4)采用充液阀内置主油缸活塞下部结构，可减小主油缸的有效工作容积，即减小油的压缩容积，有利于提高压砖机的压制次数、降低能耗。

5)采用复合并联同步顶出装置，通过高频响电液伺服比例阀控制，电子定位检测，可实现精确填料控制。

2 90新系列大吨位压砖机液压系统综合分析

90新系列大吨位压砖机液压系统的设计具有先进、稳定、高效和节能的优点。该系统采用由变量泵、大容量蓄能器和增压缸组成的高效节能动力系统。活动横梁升降及加压均采用大流量的高频响电液伺服比例阀控制，再通过压力、位移、时间检测形成闭环控制，保证了活动横梁运动快速、速度转换平稳、位置准确、加压精确和参数易于调整。

下面将结合该系列压砖机的液压原理图进行分析(见图1)。

图1 海源90新系列压砖机液压原理图

2.1 泵站及系统压力控制

主泵1为恒压式变量泵(简称泵)，电磁阀DT1断电时，泵卸荷;通电时，泵输出压力油。泵的恒压变量点压力由直动式溢流阀4调定，当泵输出的压力小于恒压点压力时，泵输出全流量;当压力达到泵恒压点压力时，泵开始变量，在恒压下泵输出流量与负载流量相适应直至为零，系统功率损失小，发热少，效率高。

溢流阀4的压力按要求调定为16～17MPa。先导式溢流阀16－1为系统的安全阀，其调定压力应比溢流阀4的压力高15%～25%。

蓄能器19为高压大容量蓄能器。对于压砖机这种负载流量变化较大的系统采用蓄能器，则泵的流量可按工作循环的平均流量选取，可减小泵的流量，起到节省功率，减少发热的作用。为了保证蓄能器的供油速度和压力稳定，可选择容量较大的蓄能器，例如HP4290型压砖机选用了3个63L的蓄能器。

该系统设有低压回油全流量过滤冷却系统，以确保整个系统清洁、运行稳定，减少故障率。

系统采用压力传感器检测主油缸工作压力，如一次、二次、三次加压压力及主油缸最大安全压力等。在相应点还设有压力表、压力继电器等检测元件。

2.2 活动横梁(主油缸)主要动作分析

活动横梁动作，即主油缸油路是压砖机液压系统最重要的组成部分。以下将按照压砖机的主要动作分析各阀的作用，电磁阀通、断电关系和液流的循环关系。

2.2.1 活动横梁快速下行

在自动循环中，当活动横梁处于上限位置时，欲使其快速下行，应使下模芯下落至最低位置，完成墩料动作，给出低位信号，布料车退至后位，给出后位信号。此时，电控系统给出信号，令电磁阀DT11通电，主油缸支承用插装阀40开启，主油缸56小腔油可从此阀排出;同时令比例先导电磁阀DT12处左位工作，液动伺服比例阀39也处左位工作并形成较大开口量，主油缸56小腔油经阀40、阀39回油箱。此时，电磁阀DT17已断电，充液阀控制油缸51已预先将充液阀完全打开，压砖机顶部的低压油箱50与主油缸56大腔接通。这样，主油缸在约0.2 MPa的低压油作用和运动部件自身的质量作用下快速下行，其速度由DT12的电信号决定的阀39开口量大小确定。因此，阀DT12和阀39的作用为主油缸56下降或上升速度控制用阀。速度控制为闭环控制。在主油缸56下降或上升过程中，只要阀DT11断电，阀40立即关闭，停止排油或进油，使主油缸小腔成为封闭油腔，主油缸停止，靠阀40支承。

活动横梁快速下行的行程，由位移传感器控制。

2.2.2 活动横梁制动减速下行

当活动横梁快速下行到设定点时，由位移传感器给出信号，转入制动减速下行，令阀DT12的电信号减弱，阀39的开口量跟着减小，给主油缸56小腔排油造成较大的阻力，使活动横梁快速下行，起到制动减速作用。减速速度为闭环控制。制动减速的距离一般应≥35mm。

设置在主油缸56小腔油路的先导式溢流阀16－2为主油缸小腔安全保护阀，其作用是：

1)当活动横梁快速下行转至减速制动瞬间，主油缸56小腔油路会产生压力冲击，靠阀16－2开启溢流，吸收压力冲击能，减小冲击压力峰值，对主油缸小腔密封等进行保护。

2)防止当主油缸大腔进压力油时，而其小腔未与油箱接通，为封闭状态，此时的主油缸相当于增压缸，防止主油缸小缸的压力骤然增加，致使超限而造成设备损坏。

一般该阀的调定压力应比系统压力高20%～30%。

2.2.3 一次加压

当活动横梁减速下行至上模芯与粉料表面接触时，由位移传感器给出信号，进入一次加压阶段，分惯性加压和低压加压两步进行。而低压加压分别用增压缸或泵完成加压。

2.2.3.1 惯性加压

惯性加压，即利用活动横梁主油缸等在减速下行时具有的动能和作用在主油缸大腔的低压油压力对粉料进行压制。此时，由于粉料比较疏松，其中的空气较易排出，可以用较大的压缩比将粉料中的空气部分排出，这对低压加压粉料能否较好地成形很重要。此阶段主油缸大腔进油状态同前。由于上模芯已接触粉料表面遇到粉料阻力很大，故应该尽量减小主油缸小腔排油阻力，令主油缸小腔排油转换为快速下行排油状态，以利于惯性加压顺利进行。

同时令电磁阀DT17通电，充液阀控制油缸51回程，充液阀关闭。但由于充液阀的行程较长，而惯性加压的行程比较短，故在惯性加压阶段在充液阀关闭过程中低压充液箱中的油仍可向主油缸大腔供油。

同时令电磁阀DT5通电，动态插装阀42－2开启，为下面进行的低压加压，将增压器47大腔油排入主油缸大腔作好通道准备。令电磁阀DT6通电，动态插装阀44关闭，切断主油缸大腔的回油箱通道，使主油缸大腔构成封闭油腔，以待完成低加压动作。惯性加压过程的长短由时间控制。

2.2.3.2 利用增压油缸完成低压加压

惯性加压结束后，令先导比例电磁阀DT3处左位工作，使加压速度控制用液动比例节流阀41形成开口，系统压力油进入增压油缸47小腔，推动增压油缸活塞运动将增压油缸大腔的油经阀42－2压入主油缸大腔，主油缸的运动将完全受控于增压活塞的运动。根据力平衡和液流连续原理，设增压活塞大腔和小腔的有效面积比为K，从增压油缸大腔排出油的压力将为系统油压力的1/K倍，而排出的流量将为系统流量的K倍，此时增压油缸起流量放大作用。即主油缸大腔获得一个低压大流量的油源作用，主油缸以较低的压力和较快的速度对粉料压制，以利于比较疏松的粉料排气成形。

通过改变先导比例电磁阀DT3电信号的大小，控制阀41的开口量、进入增压缸小腔的流量和增压油缸活塞的运动速度，也就控制了主油缸的低压加压速度。加压速度为闭环控制。

在此阶段，主油缸小腔排油与快速下行排油状态相同。低压加压过程的长短，可采用压力或时间控制。

对于一些难成形的粉料宜选用增压油缸完成粉料的低压加压成形，但有时也可以使用泵直接加压完成。

2.2.3.3 直接用泵压力完成低压加压

在前述电磁阀的通断电基础上，令电磁阀DT5断电，插装阀42关闭，切断增压油缸47大腔油排入主油缸56大腔的通路，增压油缸大腔为封闭油腔，此时增压油缸小腔虽有来自阀41压力油的作用，但增压活塞不会动;令电磁阀DT8通电，主油缸大缸进油用动态插装阀42－4开启，系统的压力油经阀41、阀42－4进入主油缸大腔对粉料实施压制。压制速度为闭环控制。根据压力取决于负载的大小，此时由于粉料呈疏松状态，所以压制力不高。此过程的长短，可以用时间或压力控制。

2.2.4 一次排气

粉料在惯性加压、低压加压成形之后，应短时间释放压力，使坯体受压的空气逸出，称一次排气。为此应将上模芯抬起，悬空停止，再下落至坯体表面。

在2.2.3.2小节的电磁阀通断电基础上，令先导比例阀DT3处右位工作，液动比例节流阀41关闭，增压油缸47小腔停止进油，令电磁阀DT5断电，增压油缸47大腔排油阀42－2关闭，增压油缸47大腔停止排油;令电磁阀DT6断电，主油缸大腔回油阀44开启，主油缸大腔油经此阀流回油箱。同时令先导比例阀DT12处右位工作，液动伺服比例阀39换向至右位工作形成节流口，系统压力油经阀39、阀40进入主油缸小腔，活动横梁按设定的速度抬起，上模芯离开坯体表面，坯体中被压缩的空气便从模具间隙中逸出。

活动横梁抬起的高度由时间控制。令电磁阀DT11断电，阀40关闭，主油缸小腔成封闭油腔，活动横梁被悬空在抬起的位置。停留时间的长短，采用时间控制。

活动横梁悬空停留时，令电磁阀DT11通电，阀40开启，先导比例电磁阀DT12处左位工作，液动伺服比例阀39处左位工作形成节流开口，主油缸小腔油经阀40、阀39流回油箱，活动横梁下落，上模芯至坯体表面停止。同时令电磁阀DT7通电，增压缸大腔回油阀42－3开启，增压缸大腔油回油箱，电磁阀DT8通电，主油缸大腔进油阀42－4开启，这就为二次加压系统压力油进入主油缸大腔做好通路准备。

2.2.5 二次加压

一次排气结束，进入二次加压过程，通常称为中压加压，即利用泵的压力加压。

在前述电磁阀通、断电的基础上，令先导比例电磁阀DT3处左位工作，液动比例节流阀41形成节流口，系统压力油经阀41进入增压缸小腔，增压缸大腔回油阀42－3已开启，增压活塞回程，为增压、加压作好准备;系统压力油同时经阀42－4进入主油缸大腔，主油缸小腔已呈回油状态，活动横梁下降，上模芯对粉料进行二次压制。压制速度为闭环控制。二次加压过程，可采用压力控制或时间控制。

2.2.6 二次排气

为了减少砖坯出现夹层缺陷，在二次加压之后，应再次对坯体进行压力释放，使坯体中的压缩空气逸出。二次排气过程，与一次排气过程相同。

2.2.7 三次加压与保压

最终应对坯体施以较大的压制力，可提高砖坯的强度和密实度，降低制品的烧成收缩率和吸水率，以得到高品质的砖。

在二次排气之后，主油缸大腔仍通充液油箱，压力约为0.2MPa。为了减少油的压缩性，缩短增压行程，节约增压时间，提高工作效率，应先将主油缸大腔的压力提高到系统压力，然后再用增压缸加压。将主油缸大腔压力提高到系统的最大压力，实际上是使砖坯又受到一次压制，此过程与二次加压过程一样，采用压力控制或时间控制。

当主油缸大腔达到系统最大压力时，由压力传感器给出信号，令电磁阀DT4通电，增压油缸大腔进油阀43开启，系统压力油经阀43进入增压油缸大腔，增压油缸活塞运动，把小腔的油经阀42－4压入主油缸大腔。根据增压油缸面积比和液流连续原理，设增压油缸的面积比为K，从增压油缸小腔排出的油，压力将增大为系统压力的K倍，而流量减小为系统流量的1/K倍。这时增压油缸起压力放大作用，即增压作用;同时主油缸大腔获得一个高压小流量的油源作用，主油缸以较高压力和较低的速度对坯体实施终压压制。增压压制的过程采用压力控制。

当主油缸大腔达到设定压力时，给出结束增压压制信号，进入保压阶段。保压即主油缸大腔停止进油，靠主油缸的密封性，使主油缸大腔仍保持增压压力，砖坯在终压压制力下维持一段时间，使砖坯内部的应力扩散，降低压力的不均匀性，以减少坯体烧成时的变形。此阶段仅电磁阀DT4断电，阀43关闭，切断增压油缸大腔进油路，增压缸小腔油仍经阀42－4与主油缸大腔相通，增压活塞保持在增压位置，主油缸大腔仍维持在增压时的压力，保压过程采用时间控制。

2.2.8 能量回收与卸压

在增压完成以后，主油缸大腔油压力大大高于系统压力，主油缸大腔的容积较大，蓄积的液体压缩能也较高，因而可回收一部分能量到蓄能器。这时只要令阀DT3处左位工作，阀41形成开口，主油缸大腔蓄积的压力能经阀42－4、阀41向蓄能器19释放，就可以进行液压能回收。当主油缸的压力降至高于系统压力3～4 MPa时，由压力传感器给出信号，停止能量回收过程。

主油缸大腔能量回收过程就是主油缸大腔的卸压过程，但没有完全把压力卸掉，因而当液压能回收结束时，主油缸大腔应转入完全卸压阶段。此时，令电磁阀DT6断电，主缸大腔回油阀44开启，同时电磁阀DT17断电，充液阀开启，主油缸大腔与充液箱连通，将压力降至0.2 MPa。

采用分段卸压，是为了减小主缸卸压过快造成的液压系统的压力冲击和振动。在主油缸回程之前将主油缸大腔压力卸掉，有利于活动横梁平稳回程开模。

卸压过程采用时间控制。在卸压阶段，令先导比例电磁阀DT12处右位工作，液动伺服比例阀39处右位工作，形成较小的开口量，为后续的慢速开模系统压力油进入主油缸小腔做好通道准备。

在卸压开始的同时，令顶出装置用电液伺服比例阀DT13处右位工作，顶出油缸34大腔进压力油，小腔排油，但因活动横梁尚未回程，上模芯仍压在坯体上面，实际顶出缸并不能动作，只是为上模顶出砖坯作好准备。