轧钢冲压生产线模拟装置液压系统设计

2022-02-16王杰

科技视界 2022年1期

关键词：马达液压缸冲压

王杰

（河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，唐山学院，河北唐山 063000）

0 引言

轧钢冲压生产线模拟装置可以模拟完成钢材的轧制、冲压等工艺流程，该装置集机、电、液、气技术于一体，主要服务于高等院校的机械类相关专业的实践教学，本文主要完成了该装置的液压驱动系统的方案设计及元件选择。

1 轧钢冲压生产线模拟装置液压系统的设计与计算

1.1 工况分析

1.1.1 运动分析

轧钢冲压生产线模拟装置动作要求为：①液压马达转动驱动链传动装置运动对工件进行传输；②轧制液压缸下降进行轧制；③当被轧制的工件到达指定位置时顶料液压缸伸出，冲压液压缸下降冲压，并保压；④冲压及顶料液压缸完成复位动作；⑤若全部工作完成，则液压马达停止转动。

液压系统的技术参数为：①工件的质量为2 kg，运动部件所受重力为50 N；②轧制液压缸的上升和下降速度均为0.01 m/s，行程为0.1 m；③顶料液压缸的上升和下降速度均为0.01 m/s，行程为0.05 m；④冲压液压缸的上升和下降速度均为0.05 m/s，行程为0.1 m/s，保压时间为2 s。

1.1.2 负载分析

（1）工件传输模块液压系统传输负载扭矩：Te=7.2N·m静摩擦负载扭矩：

动摩擦负载扭矩：

惯性负载扭矩：

式中，R为轴半径，m；此时，取R=0.01 m；Fn为作用于轴径的径向力，N；μs、μd为静、动摩擦系数，此处均取0.1；J—旋转部件转动惯量，J=GD2/4 g；ε为旋转部件角加速度。

代入数据得马达不同工况下的总负载扭矩，如表1所示。

表1 马达不同工况下的总负载扭矩

（2）轧制模块液压系统由于两个轧制液压缸共同完成轧制任务，这里只计算单个液压缸负载情况：

计算出轧制液压缸各个阶段的负载，其具体情况如表2所示。

表2 轧制液压缸不同工况下的负载

1.2 液压执行元件主要参数的确定

1.2.1 液压马达主要参数的确定

拟定马达的工作压力为4.5 MPa。

液压马达的排量：

式中，Vm为液压马达的排量，m3/r；Δp为液压马达进、出口的压差，Δp=p1-p2，MPa；ηmm为液压马达机械效率，此处取0.9；Tmax为液压马达的最大转矩，N·m，此处是7.2 N·m；

液压马达的选择：

根据以上计算结果选用PGM503A-0021B型号的液压齿轮马达，其排量为2.1 mL/min，转速为500 r/rad。

液压马达的最大流量：

1．2．2 轧制缸主要参数的确定

拟定液压缸的工作压力为5 MPa。

液压缸的无杆腔面积：

液压缸内径为：

按GB/T 2348—2018，可以将内径圆整为20 mm。

式中，Fmax为轧制缸的最大工作负载，N；ηcm为液压缸的机械效率，此处取0.9；p1为轧制缸无杆腔压力，MPa；p2为轧制缸有杆腔压力，MPa，此处取0.05 MPa；A1为液压缸无杆腔面积，m2；A2为液压缸有杆腔面积，m2。

活塞杆的直径：

活塞杆直径d2取14 mm。

无杆腔的有效面积为：

有杆腔的有效面积：

计算液压缸的最大流量

1.3 液压系统原理图的拟定

该液压系统分为工件传输液压系统和轧制、顶料、冲压液压系统两部分。

1.3.1 工件传输液压系统

工件传输过程中外负载很小，考虑系统效率及温升等因素，拟选用变量泵作为系统的动力元件向系统供油。由于该系统的功率小，且外负载变化不大，可以采用节流调速方式对系统执行元件进行速度控制。在进行轧制、顶料及冲压等工序时工件传输停止，为了减少功率损耗及叶片泵的磨损，选用中位可以卸荷的H型机能的换向阀。

1．3．2 轧制、顶料、冲压液压系统

由于轧制、顶料及冲压过程中系统的负载很小且系统的压力需要稳定输出，所以采用齿轮泵3和溢流阀10作为系统的动力源。该液压系统对液压缸的速度稳定性要求较低并且系统功率很小，故轧制回路、顶料回路和冲压回路都选用双单向节流阀15、16、17回油节流调速回路。在冲压动作完成后需要对工件进行保压，为保证液压锁的迅速锁紧，该冲压回路采用液压锁21和电磁换向阀（Y型中位机能）实现。冲压回路中当冲压头与工件接触瞬间会有很大冲击力，液压缸内压力会瞬时变得很高，所以选用直动式减压阀11来稳定支路压力。拟定出如图1所示的液压系统原理图。