超低速在液压系统中的实现

张强，吴伟，田维

(中国重型机械研究院有限公司，陕西西安710032)

随着我国工业向高层次方向发展，越来越多复杂工艺产品的加工需要其制造设备的液压缸能做超低速度的运动。如何在实践中实现这些液压缸的超低速运动成为装备设计中的当务之急。

1 问题描述

解决低速爬行现象是实现液压缸超低速运动的中心问题。某院在为某单位设计的油挤压机的液压系统中成功实现了其柱塞式主液压缸的超低速运动，从而为解决类似液压缸超低速运动提供了实例。所谓液压爬行，也称黏－滑运动，是液压缸或液压马达在低速下运动时产生的时快时慢的速度不均匀现象。作者设计的油挤压机对速度和工作负载的要求如下: (1)辅助缸带主液压缸高速动作时的速度为200 mm/s;(2)低速挤压时的速度为24 mm/s;(3)超低速挤压时要求最大速度不大于0.4 mm/s，并能提供2×107N的挤压力。

2 在液压系统中实现超低速的方法

满足超低速度无爬行时在其他速度下也应无爬行。针对超低速度时的速度要求和产生液压缸低速爬行的主要原因，可从主液压缸的选择设计和制造、液压系统的控制方式、液压系统的控制压力、液压系统调试中出现的问题4个方面解决主液压缸超低速时爬行的问题。

2.1 主液压缸的选择设计和制造

主液压缸有两种形式可供选择: (1)以柱塞式普通油缸为执行元件，通过消除在超低速时最大速度要求的范围之内的爬行现象，使其具有合适的最低稳定速度，最低稳定速度是液压缸在满负荷运动时没有爬行现象的最低运动速度;(2)采用以液压伺服油缸为执行元件的伺服系统，液压伺服油缸本身具有低摩擦、几乎无爬行、低启动压力、高频响、快速性等优点，从而更容易实现超低速运动，但因为需要选用低摩擦因数的密封件、运动面比普通油缸加工精度高而使整个系统造价非常昂贵。考虑到成本、普通大直径油缸实现超低速要求的可能性，该油挤压机采用直径为φ950 mm、行程为900 mm、工作压力为30 MPa的柱塞式普通油缸作为主液压缸。

主液压缸活塞和活塞杆密封的选取。该挤压机在挤压过程中具有负载高、偏载大、压力变化大、需要保压的特点，因此要采用工作压力在30 MPa 以上以及温度在－20～100 ℃范围内的组合密封，具备良好的密封性能、保压性能好、有导向作用、对振动和偏心负载适应性好且能承受高压及变化的压力等基本要求的首推V形组合密封，其材料采用耐磨性好、接触应力小且摩擦因数稳定、动静摩擦力矩差值较小的PTFE 材质。

液压缸内配合间隙和加工精度的影响。液压缸内部活塞和缸体、活塞杆和导向套之间的滑动配合间隙需合理，太大会引起滑动面受压不均造成两边的摩擦力不均匀，太小则使摩擦力过大，都引起液压缸低速爬行。该主液压缸为柱塞式液压缸，柱塞与导向套间的配合间隙为φ950 mmH8/r7。在液压缸的加工过程中，需严格保证缸筒、活塞等组件的形状精度、位置精度和表面粗糙度，液压缸缸体内壁和活塞杆(柱塞)表面加工精度的高低是影响液压缸低速稳定性的主要因素，尤其是几何精度中的直线度在加工过程中最难保证。为达到要求，缸筒要采用滚压或珩磨工艺，活塞杆要镀硬铬，装配后的液压缸起动压力为0.04～0.06倍额定工作压力，低速运动的液压缸的启动压力应在0.1 MPa 以下。

2.2 采用的主液压缸的控制方式。

如表1所示，VFD 变频驱动式容积调速的控制方式最好，成本也是最高。

表1 各种控制方式的性能比较

在该油挤压机系统中，作者采用变量泵式的容积/节流调速方式，这种控制方式具有以下4个优点:(1)系统效率高，发热少，控制速度尤其是低速时的稳定性好;(2)采用高频响比例阀作为动态可调的节流元件，精确地实现压制速度的闭环控制，为等温控制提供了技术基础;(3)采用比例变量泵，由于在低速时泵已经将输出流量调到很小，经比例阀动态调节后通过溢流阀分流的流量很小，所以功率损耗很小;(4)速度特性非常好，功率特性也比较好。其原理简图如图1所示，故超低速挤压最大速度时所需流量:

q=v×A

式中:v为超低速挤压时主液压缸的最大运动速度;

A为主液压缸柱塞的有效工作面积。

图1 原理简图

由于超低速挤压时要求最大速度不大于0.4 mm/s，主液压油缸规格为φ950 mm×900 mm，所需要的流量为17.01 L/min，因为实践中选取泵时要留一定余量，故恒压变量泵的额定工作流量为18 L/min。选择工作压力为30 MPa、流量为17.01 L/min时处于最佳功率点附近的伺服阀。

2.3 提高系统阻尼比

提高系统阻尼比将使临界速度降低同时能改善低速爬行。影响阻尼比的因素很多，提高系统阻尼比的方法主要有: (1)提高系统总的流量压力系数可使系统阻尼比增大，但同时会增大油缸的泄漏量。该油压机液压系统采用了较大的流量压力系数;(2)提高工作介质的有效体积弹性模量、减少工作介质中的空气含量都能有效地提高阻尼比。

2.4 调试阶段

在调试阶段有两个方面需要注意: (1)液压缸有杆腔和无杆腔存有气体也会产生低速爬行。由于气体混在液压油中，在压力的作用下，气体体积变化，在高压作用下甚至会发生气体瞬间爆炸，从而导致液压缸的速度不稳定。因此在通高压油正式动作之前，需先通入5～8 MPa的低压油进行单机动作，反复动作的同时从油缸排气口可以排出多余的气体。(2)减小动、静摩擦力矩的差值。主液压缸与两个附缸相连的活动横梁是放在导轨上的，主液压缸带着活动横梁动作时活动横梁与导轨之间有一定的摩擦力，其与油缸内部密封部分的摩擦力方向相同，动作之前需在导轨上涂抹润滑油并反复动作使润滑油均匀润滑，此时活动横梁和导轨之间处于润滑状态下的相对运动可减少动、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Amin，即A ＞Amin。

Amin=Qmin/vmin

式中:Qmin为流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得;

vmin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≤Amin，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=(ΔF－pb×A)×L/(C×v0×A×E0)

式中:ΔF为动摩擦力与静摩擦力之间的差值;

pb为液压缸回油腔的背压;

A为液压缸工作面积;

L为液压缸工作腔的长度;

C为比例系数;

v0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t0趋向于零时，爬行消失。由于ΔF 一定大于pb×A，要想在v0较小的情况下t0趋向于零，在选择设计液压缸时，缸径应比理论值略大一些，缸的行程要尽可能地小，动、静摩擦力之间的差值要尽可能减小。

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，获得了用户的一致好评，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。

【1】燕相松.液压缸爬行现象分析及消除措施[J].铜业工程，2004(2):42－43.

【2】崔学红.液压系统爬行现象故障分析及改进措施[J].昆明冶金高等专科学校学报，2004，20(1):12－13.

【3】王洪飞，徐建忠.液压缸低速稳定性分析及合理背压值选取[J].机床与液压，2009，37(8):88－90.

【4】杨国来，杨长安.节流阀小开度下流场仿真和最小稳定流量研究[J].机床与液压，2009，37(9):109－111.

【5】黄长征，谭建平.液压机压制速度控制技术的现状与发展趋势[J].轻合金加工技术，2007(2):43－48.

【6】王宣银，岳继光，刘庆和.高精度伺服油缸的设计及组合密封圈总摩擦阻力计算[J].组合机床与自动化加工技术，1995(4):2－6.

【7】林伊.液压油缸密封选型设计[J].采矿技术，2007，7(3):45－46.

【8】宋亚林.使用双向液压锁后液压缸平稳性的改善方法[J].机床与液压，2011，39(4):131－132.

【9】方宏明.机械设计、制造常用数据及标准规范实用手册[M].北京:当代中国音像出版社，2004:539－541.