大型立式珩磨機液壓控制及冷卻系統設計

王野牧，張健

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽110870;2.沈陽工業大學研究生學院，遼寧沈陽110870)

1 珩磨機技術要求

所研制的大型立式珩磨機床主要用于大尺寸工件內徑的珩磨加工，其最大珩磨直徑要求達到1 500 mm。國內珩磨機加工工件內徑一般不超過1 000 mm，加工孔徑在1 200 mm 以上的大型立式高精度珩磨機，尚無可靠的定型產品［1］。因此，對大型立式珩磨機的研究具有較大的實際意義。

該設備設計要求珩磨工件內徑1 200～1 500 mm，垂直缸行程2 000 mm，提升力90 kN，垂直運動速度0～300 mm/s 范圍內連續可調，換向平穩、無沖擊;工作臺水平移動行程2 000 mm，移動速度20～30 mm/s，最大輸出力30 kN;磨頭漲緊缸行程100 mm，保證油石壓緊到工件內壁上的力大小可以實時監控并連續調節。

另外，對于冷卻系統，要求以柴油作為冷卻介質;鑒于現運行的小型珩磨機冷卻系統存在的問題，要求盡量延長冷卻泵的使用壽命。

2 液壓控制系統說明

2.1 液壓系統整體設計思路

結合珩磨機項目實際技術要求，垂直液壓缸運動選用差動工作方式，這樣使得油缸上行、下行的速度相同，而且還可以減小泵的排量。為了盡量減小垂直升降液壓系統和油石漲緊液壓系統間的相互干擾，實現精確控制，液壓系統采用兩個獨立泵作為能源裝置:一個單獨用于垂直油缸的運行控制，另一個為變量泵，用于油石漲緊和工作臺移動控制。采用比例調速閥控制垂直液壓缸的移動速度;采用比例減壓閥實現對油石與工件間壓力的控制。

2.2 垂直油缸運動及速度控制

珩磨線速度是由伺服電機行成的可調轉動線速度與油缸上下運動線速度合成的。因此，只要實現對油缸垂直運動的實時可調控制就可以實現對切削線速度的閉環控制。

通過對典型調速回路的對比分析，最終選用效率較高的比例調速閥旁路節流回路實現對油缸的垂直運行控制［2］。采用差動液壓缸、電液比例調速閥、速度傳感器(光電編碼器)及工控機組成閉環控制系統，達到實時監控、實時調整的目的，實現對垂直缸速度的閉環控制。速度閉環控制方框圖如圖1所示。

圖1 閉環速度控制系統方框圖

速度控制液壓原理如圖2所示，三位四通電液換向閥9 實現主油缸的上行和下行控制;單向閥8 防止液壓缸下行時(差動控制)有桿腔油液通過換向閥泄漏;插裝閥7 實現差動控制，充分發揮結構緊湊、通流能力大、密封性好、流量損失小的特點［3］;兩個截止閥4、6 在珩磨機維修時起到切斷油路、防止油液流出的作用;單向順序閥3 起平衡閥作用;溢流閥2 起安全閥作用。

圖2 垂直運動及速度控制液壓系統原理圖

油缸工作順序如下:

(1)主液壓缸下行。啟動電機后，電磁鐵YV1上電，溢流閥10 工作，電磁鐵YV2 和YV4 上電，垂直液壓缸活塞桿下行。其中的單向順序閥3 限定了有桿腔的壓力，防止活塞桿因下端載重而失速;單向閥8 防止油液流回油箱;有桿腔油液經插裝閥7 流到無桿腔，這樣實現下行的差動工作狀態，以減少泵的輸出流量。

(2)主液壓缸上行。給電磁鐵YV3 上電，電磁鐵YV4 斷電，高壓油經過換向閥9、單向閥8、單向順序閥3 進入有桿腔，無桿腔油液經換向閥9 流回油箱，使液壓缸上行。

2.3 油石壓緊力及工作臺運動控制

由于工作臺移動和油石漲緊不同時進行，所以可以采用一個限壓式變量葉片泵作為能源裝，這樣既可以簡化油路，又可以減少能量損失及發熱。回路中采用疊加閥，可以縮小安裝空間，減少配管、油漏和管道振動等引起的故障［4］。

壓力控制方法很多，常見的有減壓閥調壓和溢流閥調壓，其調壓原理不同。相比之下，減壓閥起調壓力更小、調壓精度高、響應快，更有利于實現壓力連續、精確的調節控制，所以選用比例減壓閥控制漲緊缸無桿腔壓力，實現對磨石與工件之間的壓緊力大小的間接控制。由比例減壓閥、壓力傳感器和工控機構成閉環控制系統，實現壓力控制。壓力閉環控制方框圖如圖3所示。

圖3 閉環壓力控制系統方框圖

壓力控制回路如圖4所示，當電磁閥5 的電磁鐵YV6 上電時，通過比例減壓閥2 控制漲緊缸無桿腔壓力，實現磨石對工件壓緊力的間接控制;電磁鐵YV5上電時，漲緊缸活塞桿縮回，使磨石與工件脫離，完成加工過程。其中液壓鎖4 能夠保證非加工狀態時鎖緊回路，防止油缸誤動作。

圖4 壓力及工作臺移動液壓系統原理圖

工作臺移動由一個三位四通電磁換向閥6 控制。當電磁鐵YV8 上電時，移動油缸伸出;電磁鐵YV7上電時，移動油缸縮回。其中液壓鎖7 可以保證工作臺及工件在加工過程中處于準確位置;溢流閥9 起安全閥作用。

上述兩個回路中的單向調速閥均起到調節油缸運行速度的作用。

3 柴油冷卻系統的設計

3.1 該企業現有珩磨機已存在問題

目前，該企業所用小型珩磨機采用某型齒輪泵作為冷卻泵，使用壽命短，一個月左右便要更換一次。分析其原因主要有兩點:其一是由于柴油黏度低，潤滑特性不佳;其二是過濾裝置的選用有難度，清潔、維修等存在一定的問題，使得切屑和油石顆粒進入泵中，影響泵的使用壽命。

3.2 解決方案

為了解決存在的問題，就需要對過濾裝置及泵進行改進，最終選定渦流泵作為冷卻液的輸送泵。

冷卻系統采用多級過濾方式分別對不同大小的切屑進行過濾。首先，在工作臺下端采用初過濾器5，然后經過過濾器6 流回油箱(冷卻系統獨立油箱)。在油箱內設置吸油口過濾器1，減少雜質進入循環泵2，盡量降低對泵內部的磨損。在泵的出口加裝出口過濾器3，盡量過濾掉冷卻液中的細小切屑，減小對加工工件的影響。冷卻系統的液壓原理如圖5所示。

圖5 冷卻系統原理圖

渦流泵工作時，自吸管進入泵殼的液體產生強烈的軸向旋渦，使進口造成真空，出口產生揚程。由于葉輪偏離泵殼中心，退居在泵殼的軸側凹壁內，這就為漿液中包含的固體顆粒的輸送提供了良好的流動通道，使顆粒與葉片間的磨損以及雜質在泵殼中的堵塞可能性大大減小［5］。

與離心泵相比較，渦流泵對運行環境的要求低，用于過濾用途使用時性能穩定。與齒輪泵相比較，渦流泵更適合這種低黏度液體。它不僅具有較強的自吸能力，并且因為泵內沒有機械性接觸和金屬摩擦，即使移送含有微細異物的液體也具有很強的耐久性。而齒輪泵基本上不適用于低黏度液體，經常會出異常音、性能衰退、卡住異物等故障，有雜質時更易磨損失效。

經過試驗，將小型珩磨機的冷卻泵換為渦流泵，使用一年多仍在正常工作，沒有出現齒輪泵那樣因為磨損而造成的失效問題，有效延長了冷卻泵的使用壽命。

4 結束語

大型立式珩磨機液壓系統的設計解決了大流量、高精度控制、冷卻泵選用等難題，為大型立式珩磨機的研究和發展提供了一定技術基礎。該系統能夠滿足大型工件珩磨運動控制要求，性能可靠，結構合理，控制精度較高，自動化程度較高，不僅能夠解決現實的大直徑零件的加工問題，而且對企業提高工作效率和經濟效益起到較大作用。

［1］鮑興鵬.珩磨機床的應用與發展［J］.世界制造技術與裝備市場，2012(5):64-68.

［2］宋錦春，蘇東海，張志偉.液壓與氣壓傳動［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］侯波，王志明.插裝閥在機床液壓系統中的應用研究［J］.液壓與氣動，2005(8):40-42.

［4］徐長壽，魯春艷.疊加閥的新技術在組合機床上的應用［J］.機床與液壓，2010，38(24):67-68.

［5］陳文龍.渦流泵的性能與設計探討［J］.交通環保，1981(2):2-7.