王立杰，陳 飛，王 偉，鄔逵清

(1．南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

(2．江陰長齡液壓機(jī)具廠，江蘇江陰 214422)

玻璃切割機(jī)主要應(yīng)用于光學(xué)儀器生產(chǎn)中，它加工的主要對象是硬度較高的脆性光學(xué)玻璃材料，用于將大塊的光學(xué)玻璃材料鋸切成一定形狀和尺寸的光學(xué)零件毛坯。玻璃切割機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動采用液壓傳動，因?yàn)橐簤簜鲃硬粌H傳動平穩(wěn)，也便于與電氣控制、微機(jī)控制等新技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)玻璃切割機(jī)的自動化［1］。切割機(jī)在使用過程中常發(fā)生系統(tǒng)爬行、運(yùn)動不穩(wěn)定的現(xiàn)象，本文將利用AMESIM軟件對切割機(jī)液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以便優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)能更好地滿足使用要求。

1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

金剛石鋸片上下移動，其完成的動作循環(huán)為快下—慢下—快退;工作臺左右移動，其完成的動作循環(huán)為快進(jìn)—稍退—工進(jìn)—快退。

鋸片直徑為φ300mm，切割玻璃的體積(長×寬×高)為300mm×250mm×150mm，鋸片軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，工作臺最大行程為300mm，鋸片軸最大行程為200mm，設(shè)備的最大負(fù)載為2 500N，鋸片和工作臺快進(jìn)、快退速度為30×10－3m/s，工進(jìn)速度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為5．7～1 800mm/min。

2 液壓傳動系統(tǒng)組成及工作原理

根據(jù)設(shè)計要求擬定的液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，液壓泵3經(jīng)粗濾油器從油箱吸油，液壓油經(jīng)精濾油器6進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)電磁鐵5DT得電，液壓油經(jīng)三位四通電磁換向閥10左位、單向閥13、二位四通電磁換向閥16右位，進(jìn)入工作臺液壓缸17的右腔，活塞桿帶動工作臺快進(jìn)，同時液壓缸左腔的油液經(jīng)換向閥16右位、換向閥10左位、節(jié)流閥5，流回油箱。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

工作臺快進(jìn)結(jié)束時4DT得電，液壓油經(jīng)換向閥8右位、單向閥12、換向閥15左位，進(jìn)入鋸片液壓缸上腔，使鋸片快速下降，同時液壓缸下腔的油液經(jīng)換向閥15左位、換向閥8右位、節(jié)流閥2，流回油箱。

鋸片液壓缸快速下降結(jié)束時，1DT、3DT得電，液壓油經(jīng)換向閥8左位、換向閥15右位，進(jìn)入鋸片液壓缸的上腔;同時液壓缸的下腔的油液經(jīng)換向閥15右位、調(diào)速閥11、換向閥8左位、節(jié)流閥2，流回油箱。由于鋸片液壓缸下腔的回油路上有調(diào)速閥11的節(jié)流作用，使鋸片慢速下降進(jìn)行玻璃切割。

鋸片液壓缸慢速下降結(jié)束時，1DT、3DT失電，換向閥8切換到中間位置，鋸片處于停止?fàn)顟B(tài)。與此同時，2DT、5DT得電，液壓油經(jīng)換向閥10左位、單向閥13、換向閥16左位，進(jìn)入工作臺液壓缸左腔;液壓缸右腔的液壓油經(jīng)換向閥16左位、換向閥10左位、節(jié)流閥5，流回油箱，使工作臺快退讓刀。

讓刀結(jié)束時，6DT、2DT得電，液壓油經(jīng)換向閥10右位、換向閥16左位，進(jìn)入工作臺液壓缸右腔;液壓缸左腔的油液經(jīng)換向閥16左位、調(diào)速閥14、換向閥10右位、節(jié)流閥5，流回油箱。由于回油路上有調(diào)速閥14的節(jié)流作用，工作臺慢速向左運(yùn)動切割玻璃。

當(dāng)工作臺慢速進(jìn)給終止，6DT失電，換向閥10切換至中間位置，工作臺處于停止?fàn)顟B(tài)。1DT、4DT得電，液壓油經(jīng)換向閥8右位、單向閥12、換向閥15右位，進(jìn)入鋸片液壓缸下腔，使鋸片快速上升，鋸片液壓缸上腔油液經(jīng)換向閥15右位、換向閥8右位、節(jié)流閥2，流回油箱。當(dāng)鋸片快速退回終止，1DT、4DT失電，換向閥8處于中間位置，鋸片液壓缸下腔保持一定的油壓，此時鋸片處于最高位置。

電磁鐵2DT、5DT得電，使工作臺快速向右退回。當(dāng)快速退回終止，2DT、5DT失電，至此機(jī)床液壓系統(tǒng)自動完成一個循環(huán)。

3 液壓缸的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)

3．1 液壓缸主要參數(shù)的確定

根據(jù)分析，設(shè)備的最大負(fù)載為2 500N，其中包括切削負(fù)載、摩擦負(fù)載，按機(jī)床類初選液壓缸的工作壓力 P1=2．0MPa［2］，計算活塞直徑:

式中:F為液壓系統(tǒng)的最大負(fù)載;P1為液壓缸工作壓力;P2為液壓缸回油壓力;D為活塞直徑;d為活塞桿直徑。

按工作壓力選取d/D=0．45，由于采用回油節(jié)流調(diào)速，回油腔有背壓，取P2=0．6MPa，則

參照國家標(biāo)準(zhǔn)取活塞直徑D=50mm，活塞桿直徑d=22mm，這里盡管選取的活塞直徑小于計算值，考慮系統(tǒng)壓力本身不高，活塞直徑縮小對壓力影響不大，同時活塞直徑縮小還可以減小液壓缸體積，降低制造成本。根據(jù)選定的活塞直徑、活塞桿直徑，計算得液壓缸最大工作壓力 Pmax=2．179MPa。

3．2 液壓缸結(jié)構(gòu)的確定

鋸片液壓缸與工作臺液壓缸結(jié)構(gòu)相同，均采用雙桿式活塞缸，采用缸體固定式安裝方式?？紤]排氣要求設(shè)置排氣閥13，活塞與活塞桿采用分體式，通過圓錐銷10連接，簡單可靠，避免了螺紋連接所導(dǎo)致的軸向尺寸過大。由于系統(tǒng)壓力較低，活塞與缸體間采用O形密封圈密封。液壓缸的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 液壓系統(tǒng)主要元件選擇

液壓缸在整個工作循環(huán)中最大工作壓力為2．179MPa，由于進(jìn)油路上無調(diào)速閥、管路比較簡單、流速不大，取壓力損失為 0．3MPa［3］，所以液壓泵的工作壓力Pp應(yīng)為2．479MPa。根據(jù)使用要求，快進(jìn)速度設(shè)為30×10－3m/s，故液壓缸快進(jìn)所需流量q1為2．85L/min。為滿足快進(jìn)要求，泵提供的流量［4］qp≥1．1 ×2．85=3．135L/min。

根據(jù)液壓泵的工作壓力和通過各閥的實(shí)際流量選用液壓元件，液壓元件的具體型號及生產(chǎn)廠家見表1。

5 液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)玻璃切割機(jī)液壓傳動系統(tǒng)原理圖，得到液壓傳動系統(tǒng)簡化原理，如圖3所示，據(jù)此建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析研究影響系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的因素。

液壓缸受力平衡方程:

圖2 液壓缸的結(jié)構(gòu)圖

表1 液壓元件選型表

圖3 液壓系統(tǒng)簡化原理圖

式中:p1，p2分別為液壓缸進(jìn)油腔、回油腔壓力;A為活塞的有效面積;F1為工作載荷;m為活塞及運(yùn)動部件質(zhì)量;c為粘性摩擦阻尼系數(shù);v為運(yùn)動速度。

回路的流量方程:

式中:V1為回路高壓腔總?cè)莘e;Ey為液壓油的有效體積彈性系數(shù);λc為液壓缸的泄漏系數(shù);Av為活塞運(yùn)動所需流量。

通過調(diào)速閥的流量:

式中:K為與節(jié)流閥節(jié)流口形狀和液體粘性等有關(guān)的系數(shù);Δp2為節(jié)流閥的進(jìn)出口壓力差;a為節(jié)流閥開口過流面積。

由于 Δp2=p2，所以 Q1=Q2=Ka(p2)1/2。

6 液壓系統(tǒng)性能仿真分析

6．1 液壓系統(tǒng)仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

為了探討系統(tǒng)工作各階段壓力、速度、流量變化，根據(jù)液壓系統(tǒng)原理，在 AMESim草圖模式(Sketch mode)下，運(yùn)用液壓元件設(shè)計庫和機(jī)械庫，構(gòu)建液壓傳動系統(tǒng)的仿真模型［5］，如圖4所示。

以工作臺液壓缸的運(yùn)動為例，不計液壓泵、液壓缸泄漏損失，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)置仿真參數(shù)［6－7］，見表2。

6．2 液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

將系統(tǒng)快進(jìn)、稍退讓刀、無切削負(fù)載工進(jìn)、有切削負(fù)載工進(jìn)、快退時間都設(shè)置為0．5s，液壓系統(tǒng)壓力、速度仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可知，液壓缸快進(jìn)時壓力0．14s后達(dá)到穩(wěn)定，有切削負(fù)載工進(jìn)時壓力0．10s后達(dá)到穩(wěn)定，快退時壓力0．14s后達(dá)到穩(wěn)定。由圖5(b)可知，液壓缸快進(jìn)時速度0．10s后達(dá)到穩(wěn)定，有切削負(fù)載工進(jìn)時速度0．14s后達(dá)到穩(wěn)定，快退時速度0．12s后達(dá)到穩(wěn)定。

圖4 液壓傳動系統(tǒng)的仿真模型

表2 系統(tǒng)主要元件仿真參數(shù)設(shè)置

7 結(jié)束語

本文不僅根據(jù)玻璃切割機(jī)的使用要求，從滿足負(fù)載、速度要求的角度，對液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，而且利用AMESim軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，玻璃切割機(jī)液壓系統(tǒng)工作各階段壓力、速度響應(yīng)迅速，調(diào)整時間短，工進(jìn)開始時速度波動幅度較大，但很快趨于穩(wěn)定，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果吻合，該液壓系統(tǒng)性能滿足使用要求。研究結(jié)果還為玻璃加工設(shè)備的研發(fā)提供了參考。

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果

［1］ 李晨，王莉，羅學(xué)科．?dāng)?shù)控玻璃切割機(jī)原片初始位姿確定方法研究［J］．機(jī)床與液壓，2011，39(1):20 －22．

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