李良光

(福建海源自動化機(jī)械股份有限公司 福州 350100)

海源90新系列鋼絲纏繞大噸位全自動液壓壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)綜合分析*

李良光

(福建海源自動化機(jī)械股份有限公司 福州 350100)

對海源90新系列鋼絲纏繞大噸位全自動液壓壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)特點作了扼要介紹;對液壓系統(tǒng)作了綜合分析，包括設(shè)計思路和技術(shù)特點，并結(jié)合陶瓷磚壓制工藝詳細(xì)分析了在各壓制動作時液流流經(jīng)液壓閥的作用，閥的啟閉關(guān)系及液流循環(huán)走向。

恒壓式變量泵 節(jié)能 液流循環(huán)

福建海源公司近年根據(jù)市場需求開發(fā)出90新系列鋼絲纏繞大噸位全自動液壓壓磚機(jī)(以下簡稱90新系列大噸位壓磚機(jī))，該系列壓磚機(jī)是在吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合自有技術(shù)完成的創(chuàng)新型壓磚機(jī)，旨在提高壓磚機(jī)的先進(jìn)性、可靠性、生產(chǎn)效率和降低能耗。目前已生產(chǎn)了4種規(guī)格，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。有關(guān)壓磚機(jī)的液壓系統(tǒng)過去多見國外的分析文章，而國內(nèi)的尚未見報道。筆者以海源公司最新研制的壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)作為分析重點，以此說明國產(chǎn)的壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計和綜合技術(shù)性能已達(dá)到國際同類壓磚機(jī)的先進(jìn)水平。

表1 90新系列大噸位壓磚機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1 90新系列大噸位壓磚機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點

1)機(jī)架牢固可靠。機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用有限元技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)化;壓磚機(jī)的立柱、上橫梁、下橫梁應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)固結(jié)在一起，形成封閉框架。綱絲的纏繞過程是通過計算機(jī)連續(xù)控制綱絲的預(yù)壓縮量，使機(jī)架獲得最佳的預(yù)應(yīng)力加載，達(dá)到精確裝配。這就大大提高了機(jī)架的整體剛性和抗疲勞能力，尤其是壓磚機(jī)在快速壓制循環(huán)中，機(jī)架的疲勞應(yīng)力大幅降低，提高了壓磚機(jī)的穩(wěn)定性能和使用壽命。

2)采用充液油箱與上橫梁一體結(jié)構(gòu)，增加機(jī)架的剛性和上橫梁的抗彎能力。

3)采用主油缸與活動橫梁組合結(jié)構(gòu)。主油缸為無底結(jié)構(gòu)，缸筒直接固定于活動橫梁，活塞桿固定于上橫梁，這種缸動結(jié)構(gòu)活動橫梁的剛性好，可使主機(jī)的封閉高度降低，有利于對磚坯均勻施壓成形。

4)采用充液閥內(nèi)置主油缸活塞下部結(jié)構(gòu)，可減小主油缸的有效工作容積，即減小油的壓縮容積，有利于提高壓磚機(jī)的壓制次數(shù)、降低能耗。

5)采用復(fù)合并聯(lián)同步頂出裝置，通過高頻響電液伺服比例閥控制，電子定位檢測，可實現(xiàn)精確填料控制。

2 90新系列大噸位壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)綜合分析

90新系列大噸位壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計具有先進(jìn)、穩(wěn)定、高效和節(jié)能的優(yōu)點。該系統(tǒng)采用由變量泵、大容量蓄能器和增壓缸組成的高效節(jié)能動力系統(tǒng)?；顒訖M梁升降及加壓均采用大流量的高頻響電液伺服比例閥控制，再通過壓力、位移、時間檢測形成閉環(huán)控制，保證了活動橫梁運動快速、速度轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、位置準(zhǔn)確、加壓精確和參數(shù)易于調(diào)整。

下面將結(jié)合該系列壓磚機(jī)的液壓原理圖進(jìn)行分析(見圖1)。

圖1 海源90新系列壓磚機(jī)液壓原理圖

2.1 泵站及系統(tǒng)壓力控制

主泵1為恒壓式變量泵(簡稱泵)，電磁閥DT1斷電時，泵卸荷;通電時，泵輸出壓力油。泵的恒壓變量點壓力由直動式溢流閥4調(diào)定，當(dāng)泵輸出的壓力小于恒壓點壓力時，泵輸出全流量;當(dāng)壓力達(dá)到泵恒壓點壓力時，泵開始變量，在恒壓下泵輸出流量與負(fù)載流量相適應(yīng)直至為零，系統(tǒng)功率損失小，發(fā)熱少，效率高。

溢流閥4的壓力按要求調(diào)定為16～17MPa。先導(dǎo)式溢流閥16－1為系統(tǒng)的安全閥，其調(diào)定壓力應(yīng)比溢流閥4的壓力高15%～25%。

蓄能器19為高壓大容量蓄能器。對于壓磚機(jī)這種負(fù)載流量變化較大的系統(tǒng)采用蓄能器，則泵的流量可按工作循環(huán)的平均流量選取，可減小泵的流量，起到節(jié)省功率，減少發(fā)熱的作用。為了保證蓄能器的供油速度和壓力穩(wěn)定，可選擇容量較大的蓄能器，例如HP4290型壓磚機(jī)選用了3個63L的蓄能器。

該系統(tǒng)設(shè)有低壓回油全流量過濾冷卻系統(tǒng)，以確保整個系統(tǒng)清潔、運行穩(wěn)定，減少故障率。

系統(tǒng)采用壓力傳感器檢測主油缸工作壓力，如一次、二次、三次加壓壓力及主油缸最大安全壓力等。在相應(yīng)點還設(shè)有壓力表、壓力繼電器等檢測元件。

2.2 活動橫梁(主油缸)主要動作分析

活動橫梁動作，即主油缸油路是壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)最重要的組成部分。以下將按照壓磚機(jī)的主要動作分析各閥的作用，電磁閥通、斷電關(guān)系和液流的循環(huán)關(guān)系。

2.2.1 活動橫梁快速下行

在自動循環(huán)中，當(dāng)活動橫梁處于上限位置時，欲使其快速下行，應(yīng)使下模芯下落至最低位置，完成墩料動作，給出低位信號，布料車退至后位，給出后位信號。此時，電控系統(tǒng)給出信號，令電磁閥DT11通電，主油缸支承用插裝閥40開啟，主油缸56小腔油可從此閥排出;同時令比例先導(dǎo)電磁閥DT12處左位工作，液動伺服比例閥39也處左位工作并形成較大開口量，主油缸56小腔油經(jīng)閥40、閥39回油箱。此時，電磁閥DT17已斷電，充液閥控制油缸51已預(yù)先將充液閥完全打開，壓磚機(jī)頂部的低壓油箱50與主油缸56大腔接通。這樣，主油缸在約0.2 MPa的低壓油作用和運動部件自身的質(zhì)量作用下快速下行，其速度由DT12的電信號決定的閥39開口量大小確定。因此，閥DT12和閥39的作用為主油缸56下降或上升速度控制用閥。速度控制為閉環(huán)控制。在主油缸56下降或上升過程中，只要閥DT11斷電，閥40立即關(guān)閉，停止排油或進(jìn)油，使主油缸小腔成為封閉油腔，主油缸停止，靠閥40支承。

活動橫梁快速下行的行程，由位移傳感器控制。

2.2.2 活動橫梁制動減速下行

當(dāng)活動橫梁快速下行到設(shè)定點時，由位移傳感器給出信號，轉(zhuǎn)入制動減速下行，令閥DT12的電信號減弱，閥39的開口量跟著減小，給主油缸56小腔排油造成較大的阻力，使活動橫梁快速下行，起到制動減速作用。減速速度為閉環(huán)控制。制動減速的距離一般應(yīng)≥35mm。

設(shè)置在主油缸56小腔油路的先導(dǎo)式溢流閥16－2為主油缸小腔安全保護(hù)閥，其作用是：

1)當(dāng)活動橫梁快速下行轉(zhuǎn)至減速制動瞬間，主油缸56小腔油路會產(chǎn)生壓力沖擊，靠閥16－2開啟溢流，吸收壓力沖擊能，減小沖擊壓力峰值，對主油缸小腔密封等進(jìn)行保護(hù)。

2)防止當(dāng)主油缸大腔進(jìn)壓力油時，而其小腔未與油箱接通，為封閉狀態(tài)，此時的主油缸相當(dāng)于增壓缸，防止主油缸小缸的壓力驟然增加，致使超限而造成設(shè)備損壞。

一般該閥的調(diào)定壓力應(yīng)比系統(tǒng)壓力高20%～30%。

2.2.3 一次加壓

當(dāng)活動橫梁減速下行至上模芯與粉料表面接觸時，由位移傳感器給出信號，進(jìn)入一次加壓階段，分慣性加壓和低壓加壓兩步進(jìn)行。而低壓加壓分別用增壓缸或泵完成加壓。

2.2.3.1 慣性加壓

慣性加壓，即利用活動橫梁主油缸等在減速下行時具有的動能和作用在主油缸大腔的低壓油壓力對粉料進(jìn)行壓制。此時，由于粉料比較疏松，其中的空氣較易排出，可以用較大的壓縮比將粉料中的空氣部分排出，這對低壓加壓粉料能否較好地成形很重要。此階段主油缸大腔進(jìn)油狀態(tài)同前。由于上模芯已接觸粉料表面遇到粉料阻力很大，故應(yīng)該盡量減小主油缸小腔排油阻力，令主油缸小腔排油轉(zhuǎn)換為快速下行排油狀態(tài)，以利于慣性加壓順利進(jìn)行。

同時令電磁閥DT17通電，充液閥控制油缸51回程，充液閥關(guān)閉。但由于充液閥的行程較長，而慣性加壓的行程比較短，故在慣性加壓階段在充液閥關(guān)閉過程中低壓充液箱中的油仍可向主油缸大腔供油。

同時令電磁閥DT5通電，動態(tài)插裝閥42－2開啟，為下面進(jìn)行的低壓加壓，將增壓器47大腔油排入主油缸大腔作好通道準(zhǔn)備。令電磁閥DT6通電，動態(tài)插裝閥44關(guān)閉，切斷主油缸大腔的回油箱通道，使主油缸大腔構(gòu)成封閉油腔，以待完成低加壓動作。慣性加壓過程的長短由時間控制。

2.2.3.2 利用增壓油缸完成低壓加壓

慣性加壓結(jié)束后，令先導(dǎo)比例電磁閥DT3處左位工作，使加壓速度控制用液動比例節(jié)流閥41形成開口，系統(tǒng)壓力油進(jìn)入增壓油缸47小腔，推動增壓油缸活塞運動將增壓油缸大腔的油經(jīng)閥42－2壓入主油缸大腔，主油缸的運動將完全受控于增壓活塞的運動。根據(jù)力平衡和液流連續(xù)原理，設(shè)增壓活塞大腔和小腔的有效面積比為K，從增壓油缸大腔排出油的壓力將為系統(tǒng)油壓力的1/K倍，而排出的流量將為系統(tǒng)流量的K倍，此時增壓油缸起流量放大作用。即主油缸大腔獲得一個低壓大流量的油源作用，主油缸以較低的壓力和較快的速度對粉料壓制，以利于比較疏松的粉料排氣成形。

通過改變先導(dǎo)比例電磁閥DT3電信號的大小，控制閥41的開口量、進(jìn)入增壓缸小腔的流量和增壓油缸活塞的運動速度，也就控制了主油缸的低壓加壓速度。加壓速度為閉環(huán)控制。

在此階段，主油缸小腔排油與快速下行排油狀態(tài)相同。低壓加壓過程的長短，可采用壓力或時間控制。

對于一些難成形的粉料宜選用增壓油缸完成粉料的低壓加壓成形，但有時也可以使用泵直接加壓完成。

2.2.3.3 直接用泵壓力完成低壓加壓

在前述電磁閥的通斷電基礎(chǔ)上，令電磁閥DT5斷電，插裝閥42關(guān)閉，切斷增壓油缸47大腔油排入主油缸56大腔的通路，增壓油缸大腔為封閉油腔，此時增壓油缸小腔雖有來自閥41壓力油的作用，但增壓活塞不會動;令電磁閥DT8通電，主油缸大缸進(jìn)油用動態(tài)插裝閥42－4開啟，系統(tǒng)的壓力油經(jīng)閥41、閥42－4進(jìn)入主油缸大腔對粉料實施壓制。壓制速度為閉環(huán)控制。根據(jù)壓力取決于負(fù)載的大小，此時由于粉料呈疏松狀態(tài)，所以壓制力不高。此過程的長短，可以用時間或壓力控制。

2.2.4 一次排氣

粉料在慣性加壓、低壓加壓成形之后，應(yīng)短時間釋放壓力，使坯體受壓的空氣逸出，稱一次排氣。為此應(yīng)將上模芯抬起，懸空停止，再下落至坯體表面。

在2.2.3.2小節(jié)的電磁閥通斷電基礎(chǔ)上，令先導(dǎo)比例閥DT3處右位工作，液動比例節(jié)流閥41關(guān)閉，增壓油缸47小腔停止進(jìn)油，令電磁閥DT5斷電，增壓油缸47大腔排油閥42－2關(guān)閉，增壓油缸47大腔停止排油;令電磁閥DT6斷電，主油缸大腔回油閥44開啟，主油缸大腔油經(jīng)此閥流回油箱。同時令先導(dǎo)比例閥DT12處右位工作，液動伺服比例閥39換向至右位工作形成節(jié)流口，系統(tǒng)壓力油經(jīng)閥39、閥40進(jìn)入主油缸小腔，活動橫梁按設(shè)定的速度抬起，上模芯離開坯體表面，坯體中被壓縮的空氣便從模具間隙中逸出。

活動橫梁抬起的高度由時間控制。令電磁閥DT11斷電，閥40關(guān)閉，主油缸小腔成封閉油腔，活動橫梁被懸空在抬起的位置。停留時間的長短，采用時間控制。

活動橫梁懸空停留時，令電磁閥DT11通電，閥40開啟，先導(dǎo)比例電磁閥DT12處左位工作，液動伺服比例閥39處左位工作形成節(jié)流開口，主油缸小腔油經(jīng)閥40、閥39流回油箱，活動橫梁下落，上模芯至坯體表面停止。同時令電磁閥DT7通電，增壓缸大腔回油閥42－3開啟，增壓缸大腔油回油箱，電磁閥DT8通電，主油缸大腔進(jìn)油閥42－4開啟，這就為二次加壓系統(tǒng)壓力油進(jìn)入主油缸大腔做好通路準(zhǔn)備。

2.2.5 二次加壓

一次排氣結(jié)束，進(jìn)入二次加壓過程，通常稱為中壓加壓，即利用泵的壓力加壓。

在前述電磁閥通、斷電的基礎(chǔ)上，令先導(dǎo)比例電磁閥DT3處左位工作，液動比例節(jié)流閥41形成節(jié)流口，系統(tǒng)壓力油經(jīng)閥41進(jìn)入增壓缸小腔，增壓缸大腔回油閥42－3已開啟，增壓活塞回程，為增壓、加壓作好準(zhǔn)備;系統(tǒng)壓力油同時經(jīng)閥42－4進(jìn)入主油缸大腔，主油缸小腔已呈回油狀態(tài)，活動橫梁下降，上模芯對粉料進(jìn)行二次壓制。壓制速度為閉環(huán)控制。二次加壓過程，可采用壓力控制或時間控制。

2.2.6 二次排氣

為了減少磚坯出現(xiàn)夾層缺陷，在二次加壓之后，應(yīng)再次對坯體進(jìn)行壓力釋放，使坯體中的壓縮空氣逸出。二次排氣過程，與一次排氣過程相同。

2.2.7 三次加壓與保壓

最終應(yīng)對坯體施以較大的壓制力，可提高磚坯的強(qiáng)度和密實度，降低制品的燒成收縮率和吸水率，以得到高品質(zhì)的磚。

在二次排氣之后，主油缸大腔仍通充液油箱，壓力約為0.2MPa。為了減少油的壓縮性，縮短增壓行程，節(jié)約增壓時間，提高工作效率，應(yīng)先將主油缸大腔的壓力提高到系統(tǒng)壓力，然后再用增壓缸加壓。將主油缸大腔壓力提高到系統(tǒng)的最大壓力，實際上是使磚坯又受到一次壓制，此過程與二次加壓過程一樣，采用壓力控制或時間控制。

當(dāng)主油缸大腔達(dá)到系統(tǒng)最大壓力時，由壓力傳感器給出信號，令電磁閥DT4通電，增壓油缸大腔進(jìn)油閥43開啟，系統(tǒng)壓力油經(jīng)閥43進(jìn)入增壓油缸大腔，增壓油缸活塞運動，把小腔的油經(jīng)閥42－4壓入主油缸大腔。根據(jù)增壓油缸面積比和液流連續(xù)原理，設(shè)增壓油缸的面積比為K，從增壓油缸小腔排出的油，壓力將增大為系統(tǒng)壓力的K倍，而流量減小為系統(tǒng)流量的1/K倍。這時增壓油缸起壓力放大作用，即增壓作用;同時主油缸大腔獲得一個高壓小流量的油源作用，主油缸以較高壓力和較低的速度對坯體實施終壓壓制。增壓壓制的過程采用壓力控制。

當(dāng)主油缸大腔達(dá)到設(shè)定壓力時，給出結(jié)束增壓壓制信號，進(jìn)入保壓階段。保壓即主油缸大腔停止進(jìn)油，靠主油缸的密封性，使主油缸大腔仍保持增壓壓力，磚坯在終壓壓制力下維持一段時間，使磚坯內(nèi)部的應(yīng)力擴(kuò)散，降低壓力的不均勻性，以減少坯體燒成時的變形。此階段僅電磁閥DT4斷電，閥43關(guān)閉，切斷增壓油缸大腔進(jìn)油路，增壓缸小腔油仍經(jīng)閥42－4與主油缸大腔相通，增壓活塞保持在增壓位置，主油缸大腔仍維持在增壓時的壓力，保壓過程采用時間控制。

2.2.8 能量回收與卸壓

在增壓完成以后，主油缸大腔油壓力大大高于系統(tǒng)壓力，主油缸大腔的容積較大，蓄積的液體壓縮能也較高，因而可回收一部分能量到蓄能器。這時只要令閥DT3處左位工作，閥41形成開口，主油缸大腔蓄積的壓力能經(jīng)閥42－4、閥41向蓄能器19釋放，就可以進(jìn)行液壓能回收。當(dāng)主油缸的壓力降至高于系統(tǒng)壓力3～4 MPa時，由壓力傳感器給出信號，停止能量回收過程。

主油缸大腔能量回收過程就是主油缸大腔的卸壓過程，但沒有完全把壓力卸掉，因而當(dāng)液壓能回收結(jié)束時，主油缸大腔應(yīng)轉(zhuǎn)入完全卸壓階段。此時，令電磁閥DT6斷電，主缸大腔回油閥44開啟，同時電磁閥DT17斷電，充液閥開啟，主油缸大腔與充液箱連通，將壓力降至0.2 MPa。

采用分段卸壓，是為了減小主缸卸壓過快造成的液壓系統(tǒng)的壓力沖擊和振動。在主油缸回程之前將主油缸大腔壓力卸掉，有利于活動橫梁平穩(wěn)回程開模。

卸壓過程采用時間控制。在卸壓階段，令先導(dǎo)比例電磁閥DT12處右位工作，液動伺服比例閥39處右位工作，形成較小的開口量，為后續(xù)的慢速開模系統(tǒng)壓力油進(jìn)入主油缸小腔做好通道準(zhǔn)備。

在卸壓開始的同時，令頂出裝置用電液伺服比例閥DT13處右位工作，頂出油缸34大腔進(jìn)壓力油，小腔排油，但因活動橫梁尚未回程，上模芯仍壓在坯體上面，實際頂出缸并不能動作，只是為上模頂出磚坯作好準(zhǔn)備。

2.2.9 活動橫梁回程與磚坯頂出

活動橫梁回程，先慢速回程，以防止磚坯脫模太快，使磚坯過快膨脹，造成較大的內(nèi)應(yīng)力，形成膨脹裂紋。然后，活動橫梁按快速回程，末端減速停止過程進(jìn)行。

2.2.9.1 慢開模與磚坯頂出

當(dāng)卸壓完成后，給出信號令電磁閥DT11通電，閥40開啟，系統(tǒng)壓力油經(jīng)閥39、閥40進(jìn)入主油缸小腔，主油缸大腔已呈回油狀態(tài)，主油缸以較慢的速度回程，即慢開模過程。

由上述可知，隨著上模芯升起，頂出裝置的頂出磚坯動作跟著進(jìn)行，磚坯被上、下模芯夾持著脫離模腔。頂出到規(guī)定位置，由位移傳感器給出信號，令DT13斷電，閥33處中位，頂出動作停止，同時令活動橫梁轉(zhuǎn)入快速回程。

2.2.9.2 快開模與末端減速停止

快開模與末端減速停止都是靠改變先導(dǎo)比例電磁閥DT12的電信號大小，以控制液動伺服比例閥39開口量大小和進(jìn)入主油缸小腔的流量而實現(xiàn)的。其過程均采用位移控制。

當(dāng)達(dá)到自動循環(huán)設(shè)定的高位時給出信號，令電磁閥DT11斷電，閥40關(guān)閉，主油缸小腔形成封閉油腔，主油缸即活動橫梁平穩(wěn)停止運動被閥40支承在上極限位置。在給出磚坯被頂出信號時，活動橫梁達(dá)到上限位信號以后，料車開始向前運動推出磚坯，開始進(jìn)行下一個自動循環(huán)過程。

1 馮長印，等.薩克米PH3590型全自動液壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)綜合分析.全國性建材核心期刊——《陶瓷》，2004(5)：4～44

2 馮長印.SACMI新型伊莫拉大噸位后機(jī)的結(jié)構(gòu)、液壓、電控系統(tǒng)和模具排氣節(jié)能系統(tǒng)分析.佛山陶瓷，2010(1)：9～12

3 馮長印，等.海源90系列全新陶瓷磚全自動液壓機(jī)技術(shù)特點綜合分析.全國性建材核心期刊——《陶瓷》，2009(10)：44～45

TQ174.5

A

1002－2872(2011)11－0026－04

李良光(1962－)，工商管理碩士，高級工程師;主要從事液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及穩(wěn)定性能的研究。E－mail：fcy1213@163.com