竹子整形機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湯楊，雷良育，徐云杰

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

竹子整形機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湯楊，雷良育，徐云杰

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

分析并確定了采用液壓系統(tǒng)控制竹子整形機(jī)刀具進(jìn)給部分，介紹了竹材整形機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理以及設(shè)計(jì)思想，采用比例流量閥控制刀具進(jìn)給速度提高了進(jìn)給精度，動(dòng)力源部分采用節(jié)能型泵控回路提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，最終提升了旋切單板的質(zhì)量。

竹子整形;液壓系統(tǒng);比例調(diào)速

目前，竹單板有刨切和旋切兩種主要加工方式。刨切加工工藝過(guò)程較為復(fù)雜，工序繁多，竹材利用率較低，加工效率低。旋切加工效率較高，竹材利用率也較高。早在20世紀(jì)50年代日本就著手研究旋切加工，但到目前為止發(fā)展較慢，工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模較小［1］。竹材旋切盡管大大提高了竹單板生產(chǎn)效率及單一竹段竹材利用率，但是在選材過(guò)程中通常要選取圓整通直的竹段作為加工對(duì)象［2］。而實(shí)際上自然圓直的竹段較少。因此，實(shí)現(xiàn)竹材圓直是提高旋切竹單板竹材利用率最直接有效的辦法。竹材整形機(jī)液壓控制系統(tǒng)正是為了解決竹材整圓控制的問(wèn)題而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

1 整形進(jìn)給控制方式的確定

第1種方案，采用機(jī)械控制結(jié)構(gòu)［3］，用凸輪模擬竹材展開(kāi)的漸開(kāi)線，為了保證進(jìn)給量和旋轉(zhuǎn)的同步需采用差動(dòng)連接裝置，差動(dòng)連接本身需要通過(guò)掛輪減速，無(wú)法同時(shí)提供整形力和旋切力的需要。對(duì)不同徑級(jí)的竹材，旋切時(shí)產(chǎn)生不同曲線，而凸輪的曲線只能取其平均值，進(jìn)給誤差較大，對(duì)同類別同徑級(jí)的竹材較為合適，對(duì)徑級(jí)相差較大的竹材旋切出的單板存在厚薄不均的問(wèn)題，且噪聲較大、壽命低。

第2種方案采用差動(dòng)式電控裝置，通過(guò)控制兩個(gè)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)螺旋進(jìn)給的進(jìn)給量實(shí)現(xiàn)，左右兩側(cè)各放置兩個(gè)螺旋傳動(dòng)裝置并保證同步，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制進(jìn)給量。兩個(gè)電機(jī)需控制3種不同的同步速度，主電機(jī)旋轉(zhuǎn)和整形進(jìn)給同步，主電機(jī)旋轉(zhuǎn)和旋切進(jìn)給同步，整形進(jìn)給和旋切進(jìn)給分離，增加了控制的難度和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

第3種采用液壓控制的方式，通過(guò)控制比例流量閥的流量控制進(jìn)給量。液壓缸可輕易實(shí)現(xiàn)往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)，只需要控制比例調(diào)速閥的開(kāi)口即可以控制進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)速度，液壓屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，容易實(shí)現(xiàn)控制，液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單。此方案提高了無(wú)卡軸旋切機(jī)的壽命，降低了系統(tǒng)的能耗，噪聲小，改善了工人的工作環(huán)境，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

綜合考慮，選擇第3種方案作為控制整形機(jī)刀具進(jìn)給方式。

2 液壓控制系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。系統(tǒng)由兩部分組成，一部分控制刀具的上下位置，另一部分控制刀具的進(jìn)給。

圖1 竹材整形機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理圖

2.1 刀具調(diào)整回路

刀具的調(diào)整運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，在整形機(jī)整形時(shí)刀具退至刀具槽，整形機(jī)旋切時(shí)刀具伸出至旋切位置，刀具距離較長(zhǎng)，為保證受力均衡性，左右兩側(cè)各放置一個(gè)軸耳液壓缸，同時(shí)刀具要保證足夠的直線度。進(jìn)給系統(tǒng)選擇帶補(bǔ)償裝置的串聯(lián)缸同步回路，旋切切削力較大，為避免加工中刀具移動(dòng)選用了液壓鎖緊回路，采用單向節(jié)流閥回路控制液壓缸運(yùn)動(dòng)速度增加系統(tǒng)背壓。

刀具調(diào)整液壓系統(tǒng)的工作原理:液壓油經(jīng)泵1流出，經(jīng)比例調(diào)速閥2、單向閥7流至三位四通Y型機(jī)能電磁換向閥8，閥8右側(cè)帶電，壓力油經(jīng)右側(cè)液控單向閥9流至單桿雙作用液壓缸12的無(wú)桿腔，同時(shí)液控單向閥9左側(cè)閥口打開(kāi)，缸12的有桿腔油液流至單桿雙作用液壓缸11的無(wú)桿腔，有桿腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥10中的節(jié)流閥、液控單向閥9左側(cè)閥門(mén)和電磁換向閥8流回油箱。缸12的有桿腔的有效面積與缸11的無(wú)桿腔的面積相等。當(dāng)三位四通閥8右位工作時(shí)，兩缸下行，若缸12活塞先到底，將觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)S1使得兩位三通換向閥13得電，壓力油經(jīng)閥13和液控單向閥14向缸11的無(wú)桿腔補(bǔ)油，使活塞繼續(xù)下降到底。若缸11活塞先到底，將觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)S2使得兩位三通換向閥15得電，控制壓力油經(jīng)閥15打開(kāi)液控單向閥14，缸12的有桿腔油液經(jīng)液控單向閥14和兩位三通換向閥13流回油箱，使活塞繼續(xù)下降到底。

反之，液壓油經(jīng)泵1流出，經(jīng)比例調(diào)速閥2、單向閥7流至三位四通Y型機(jī)能電磁換向閥8，閥8左側(cè)帶電，壓力油經(jīng)左側(cè)液控單向閥9、單向節(jié)流閥10中的單向閥流至單桿雙作用液壓缸11的有桿腔，同時(shí)液控單向閥9右側(cè)閥口打開(kāi)，缸11的無(wú)桿腔油液流至單桿雙作用液壓缸12的有桿腔，液壓缸12的無(wú)桿腔油液經(jīng)液控單向閥9右側(cè)閥門(mén)和電磁換向閥8流回油箱。

2.2 刀具進(jìn)給回路

刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，刀具和刀具槽固聯(lián)在旋切及整圓機(jī)構(gòu)上，旋切及整圓進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)刀具也一同運(yùn)動(dòng)，在整形機(jī)整形時(shí)刀具在刀具槽中不起作用，當(dāng)整形結(jié)束后，刀具伸出，與此同時(shí)開(kāi)始進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)并非勻速運(yùn)動(dòng)，隨著被旋切竹材直徑逐漸減小，竹材的轉(zhuǎn)速越來(lái)越快，要求機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度必須隨之發(fā)生變化，否則將不能保證竹單板旋切的厚度。在該設(shè)備中，液壓缸與刀具所在的機(jī)架固聯(lián)，所以液壓缸前進(jìn)的速度就是刀具前進(jìn)的速度，因此通過(guò)電磁比例流量閥控制液壓缸前進(jìn)的速度便可以控制刀具進(jìn)給的速度。

天然生長(zhǎng)的竹子切割成竹段后兩端會(huì)出現(xiàn)大小頭，在整形的過(guò)程中兩個(gè)液壓缸不能完全同時(shí)進(jìn)退，否則將壓裂竹段達(dá)不到整形效果，因此系統(tǒng)選用了分流集流閥的同步控制回路，分流集流閥分流誤差為1%～3%，對(duì)不要求完全同步的系統(tǒng)較為合適;整形過(guò)程中為了保證竹材變形時(shí)間，需要保壓一段時(shí)間使竹材完全變形，系統(tǒng)采用了雙液壓鎖回路;采用雙單向節(jié)流閥回路控制液壓缸運(yùn)動(dòng)速度增加系統(tǒng)背壓。

刀具進(jìn)給液壓系統(tǒng)的工作原理:液壓油經(jīng)泵1流出，經(jīng)比例調(diào)速閥2、單向閥7流至三位四通Y型機(jī)能電磁換向閥16，閥16左側(cè)帶電，壓力油經(jīng)左側(cè)液控單向閥17、液控單向閥18中的單向閥至分流集流閥19，經(jīng)過(guò)分流集流閥19分流成等流量的兩部分分別流至單桿雙作用液壓缸20和21的無(wú)桿腔，同時(shí)液控單向閥17右側(cè)閥口打開(kāi)，單桿雙作用液壓缸20和21的有桿腔油液同時(shí)回油，經(jīng)單向節(jié)流閥22中的節(jié)流閥、液控單向閥17右側(cè)閥門(mén)和電磁換向閥16流回油箱。

反之，液壓油經(jīng)泵1流出，經(jīng)比例調(diào)速閥2、單向閥7流至三位四通Y型機(jī)能電磁換向閥8，閥8右側(cè)帶電，壓力油經(jīng)右側(cè)液控單向閥17、單向節(jié)流閥22中的單向閥流至單桿雙作用液壓缸20和21的有桿腔，同時(shí)液控單向閥17左側(cè)閥口打開(kāi)，液壓缸20和21的無(wú)桿腔油液經(jīng)分流集流閥19集流，再經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥18中的節(jié)流閥、液控單向閥17左側(cè)閥門(mén)和電磁換向閥16流回油箱。

由于刀具調(diào)整和刀具進(jìn)給是兩個(gè)完全分離的動(dòng)作過(guò)程，在刀具調(diào)整時(shí)刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，在刀具進(jìn)給時(shí)刀具調(diào)整回路不動(dòng)作，因此采用電磁比例流量閥控制系統(tǒng)控制液壓缸前進(jìn)的速度不會(huì)發(fā)生相互干擾。

2.3 節(jié)能型泵控回路

節(jié)能型高效泵控系統(tǒng)由兩個(gè)回路分別控制系統(tǒng)的壓力和流量［4］。前置式節(jié)流器6、先導(dǎo)式溢流閥5與恒壓閥4構(gòu)成壓力控制回路，控制泵1壓力的輸出;比例節(jié)流閥2和恒壓流量閥3構(gòu)成流量控制回路，控制泵1的流量輸出。圖1中所示的恒壓閥3和恒壓閥4的位置是系統(tǒng)還未設(shè)定壓力時(shí)所處的位置。在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，恒壓閥4兩端的壓差發(fā)生變化，從而推動(dòng)恒壓閥3向左或者向右移動(dòng)，泵的排量相應(yīng)地發(fā)生變化，最終使泵的流量保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。此時(shí)泵的輸出壓力僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)恒壓閥4的壓差。在保壓階段，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到先導(dǎo)式溢流閥5設(shè)定的最高壓力時(shí)，恒壓閥4向左移動(dòng)，泵的排量迅速減小到接近于零，繼而變成高壓小流量的工況。

節(jié)能型高效泵控系統(tǒng)在流量控制階段使泵的輸出壓力與負(fù)載相協(xié)調(diào);在壓力控制階段使輸出流量接近于零，僅消耗極小的功率，因此它的效率極高。

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前竹單板加工技術(shù)中，對(duì)單板的厚度和加工效率提出了很高的要求，在控制竹單板旋切厚度時(shí)，不但要求有穩(wěn)定的壓力，而且要求對(duì)壓力和流量進(jìn)行比例控制。文中論述的整形機(jī)液壓控制系統(tǒng)對(duì)刀具進(jìn)給可進(jìn)行變量控制，對(duì)不同徑級(jí)的竹子有較強(qiáng)的自我調(diào)整能力，同步缸控制系統(tǒng)能夠滿足大小頭竹子的需求，兩套回路具有防止壓力干擾特點(diǎn)。為提高系統(tǒng)的效率，采用了節(jié)能型泵控回路，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性同時(shí)延長(zhǎng)了使用壽命，大大節(jié)省了能耗，減少了系統(tǒng)發(fā)熱。

［1］鄭瑞鈺.竹材旋切新技術(shù)及其制品的研發(fā)［J］.世界竹藤通訊，2010，8(5):28 －30.

［2］蔣身學(xué)，程瑞香，張齊生.旋切竹單板生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介［J］.人造板通訊，2004(5):19 －20.

［3］趙明，吳季陵.擺動(dòng)進(jìn)給竹材旋切的試驗(yàn)研究［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(5):30－35.

［4］楊曙東，何存興.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2010.

［5］徐云杰，袁偉明.造紙機(jī)壓榨部液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2009(7):17－19.

［6］徐云杰.造紙機(jī)伏輥和蒸汽箱液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(2):62－64.

Design of Hydraulic System for Bamboo Reshaping Machine

TANG Yang，LEILiangyu，XU Yunjie
(College of Mechanical Engineering，Zhejiang Agricultural＆ Forestry University，Lin'an Zhejiang 311300，China)

Hydraulic system controlling tool feed device of bamboo reshapingmachine，was analyzed and determined.Theworking principle and the design idea of the hydraulic system of the bamboo reshapingmachinewere introduced.Proportional flow valvewas used to control tool feed speed，so feed accuracy was increased.For power source，energy-saving pump control loop was adopted to improve the efficiency of the whole system.The quality of rotation cutting of bamboo timber was improved.

Bamboo reshaping;Hydraulic system;Proportional control

TH137

B

1001－3881(2014)10－131－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.040

2013－04－23

浙江省木材加工產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

湯楊，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械人技術(shù)。通信作者:雷良玉，E－mail:xyj9000@163.com。