一種雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置

， 　， 　(.陜西理工學院 機械工程學院， 陜西 漢中　73000； .陜西理工學院 陜西省工業自動化重點實驗室， 陜西 漢中　73000)

引言

氣壓傳動是一種以壓縮空氣為工作介質的綠色節能型傳動技術。其主要缺點是系統工作壓力偏低(一般是0.4～0.8 MPa)，結構體積較大，執行元件的工作穩定性較差。液壓傳動以液壓油為工作介質，系統輸出壓力大，結構緊湊，但是液壓油容易泄漏造成環境污染。由于氣體和液體同為流體，因此將兩者有機結合組成氣液復合傳動，則能很好地對上述問題進行處理，以便它們更好地發揮各自的傳動優勢。氣液復合傳動以壓縮空氣為動力，將氣體壓力轉換后由高壓液體進行能量輸出，與單純的液壓傳動相比，污染程度相對較小，不需要配置專用泵站及冷卻系統；與單純的氣壓傳動相比，運動平穩、輸出力大、工作時噪聲低。

在實際工程應用中，對液壓傳動系統的一般要求是：在空行程階段提供低壓大流量液體, 使執行元件快速到達工作位置；在工作行程階段, 根據負載變化自動轉換為提供高壓小流量液體， 使執行元件獲得較大的輸出力[1]。也就是說，在實際工況中需要液壓系統能夠提供雙級輸出壓力,并且高低壓的切換能夠根據負載變化自動進行。鐘康民、竇云霞[2,3]等設計的串聯式雙作用氣液增壓系統雖然能夠滿足復合傳動的要求，但是氣缸活塞與液壓缸活塞同軸布置，很容易造成氣液兩相混合，加速系統元件的損壞。柏青[4,5]等設計的直線電機驅動的杠桿式雙作用雙級液壓增壓裝置雖然能夠避免氣液兩相混合，但是整體結構相對復雜，并且由于杠桿擺角的限制，液壓缸活塞行程不是很大，因此系統輸出流量小，工作效率低；設計的并聯式氣-液復合傳動增壓裝置，氣缸活塞一側受力，很容易產生軸向彎曲，加速活塞密封元件的磨損。

基于以上原因，設計了一種雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置，其結構簡單、工作效率高、氣缸活塞受力均衡，基本上能避免上述裝置的缺陷。

1　工作原理

雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置的結構原理如圖1所示。系統前、后的液壓缸和中間的氣缸為并聯式平行布局，左、右的液壓缸呈雙向對稱布置(見圖1b)。由于每個液壓缸活塞均為階梯狀結構, 其中大直徑部分為大腔活塞, 小直徑部分為小腔活塞，因此每個液壓缸均有高、低壓兩級輸出。氣缸活塞桿通過一對鉸桿與液壓缸活塞桿連接，活塞桿的兩端分別與液壓缸的大腔活塞連接。各液壓缸的進油口安裝了單向閥1，2，3，4和1′，2′，3′，4′；排油口安裝了單向閥5，6，9，10和5′， 6′， 9′，10′。液壓缸通過單向閥從油箱吸油，然后排出液壓油至執行裝置使其工作， 整個系統的液壓油為封閉式循環，從而有效降低了環境污染。液壓缸大腔排油口與油箱之間安裝有溢流閥7，8和7′，8′，用于高壓下大腔油液的回流。

圖1　雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置結構原理圖

具體工作原理為：當電磁換向閥處于左位工作狀態時，壓縮空氣進入氣缸左腔，推動氣缸活塞向右運動，在鉸桿和活塞桿的作用下, 液壓缸活塞向右運動。此時，單向閥1，2和1′，2′吸入液體, 單向閥5，6和5′，6′向外排出低壓大流量液體。系統排出的低壓大流量液體匯合后進入執行裝置，使執行元件快速移動到工作位置。當執行元件遇到負載時，系統壓力迅速升高，當壓力升高到一定值時，單向閥6，6′自動關閉,溢流閥7，7′自動打開，液壓缸大腔低壓液體經溢流閥流回油箱, 實現卸荷。液壓缸小腔高壓小流量液體繼續通過單向閥5，5′輸出至執行裝置，使執行元件獲得所需輸出力，此時，系統完成一次工作循環。當電磁閥換向時，壓縮空氣進入氣缸右腔，氣缸活塞向左運動，系統進入下一次工作循環。因此，可以看出，氣缸活塞完成一次往返運動，液壓缸完成兩次工作循環，并且其工作效率是現有雙作用雙級氣液增壓裝置的兩倍。氣缸活塞的往復循環運動，可以通過在氣缸的左右兩端安裝行程開關，使電磁閥自動換向來實現。

此外，需要說明的是，整個系統的元器件(包括液壓缸、單向閥、溢流閥、管道線路及油箱)都采取了對稱性結構布局，以使整個系統裝置更加和諧、緊湊。

2　相關計算

2.1　輸出流量計算

在氣缸活塞的一次往返工作行程中，系統輸出的低壓大流量油液的流量qL和高壓小流量油液的流量qH分別為：

(1)

(2)

式中：d1—— 液壓缸大腔活塞直徑,mm

d2—— 液壓缸小腔活塞直徑,mm

l—— 液壓缸活塞有效工作行程,mm

ηv—— 液壓缸容積效率

2.2　輸出壓力計算

系統低壓排油時輸出壓力pL和高壓排油時輸出壓力pH分別為：

(3)

(4)

式中：D—— 氣缸活塞直徑,mm

pA—— 氣缸工作壓力,MPa

β—— 氣缸負載率

η1—— 液壓缸機械效率

3　應用算例及應用場合

3.1　應用算例

設雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置中，氣缸工作壓力pA=0.6 MPa，氣缸活塞直徑D=200 mm，液壓缸大腔活塞直徑d1=100 mm，液壓缸小腔活塞直徑d2=40 mm， 氣缸負載率β=0.65，液壓缸機械效率η1=0.97，將其帶入公式(3)、式(4)可得pL=6.05 MPa，pH=37.83 MPa。增壓結果如表1所示。

表1　雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置增壓結果

3.2　應用場合

該氣液增壓裝置具有氣壓傳動反應迅速、操作方便的特點和液壓傳動平穩可靠、輸出力大的特點，廣泛應用于高速低載、高載低速的工況下，如機床夾具、組合機床滑臺、沖壓設備、襯套壓入機、升降裝置以及不具備液壓站的各種室外作業液壓機具等[6,7]。相比純液壓系統，能夠有效降低環境污染和噪聲污染，符合綠色制造的理念。

4　結論

(1) 雙聯式氣-液復合傳動增壓裝置利用電氣液一體化技術將氣缸、增壓油缸和控制閥有機結合，無液壓站和高速泵，系統整體結構簡單緊湊、能耗低、污染小，是一種綠色、節能、經濟的增壓系統；

(2) 系統回路中的增壓油缸，可根據負載的變化自動完成高、低壓油的切換；溢流閥可實現系統輸出壓力的自動調整，因而能夠適應多種工作狀態；

(3) 整個系統控制簡單方便，利用常規的氣源就可以實現連續的大流量、高壓液體輸出，工作效率高、成本低。

參考文獻：

[1]吳國銀,孫承峰,鐘康民,等.回轉伺服電動機驅動的雙級雙作用液壓泵的設計[J].機床與液壓,2012,40(7):84-85.

[2]鐘康民,竇云霞.氣液增壓雙工位高效夾具設計[J].機床與液壓,2011,39(22):143.

[3]竇云霞,鐘康民.無液壓泵式氣液增壓雙工位液壓拉深機[J].制造技術與機床,2010,(11):58-59.

[4]柏青,鐘康民.直線電機驅動的杠桿式雙作用雙級液壓增壓裝置[J].輕工機械,2008,26(3):79-81.

[5]柏青,鐘康民.一種新型的并聯式氣-液復合傳動增壓裝置[J].機床與液壓,2007,35(5):148-149.

[6]臧貽娟.新型雙作用氣液增壓系統設計與分析[J].液壓氣動與密封,2013,(9):57-58.

[7]郭楠.氣液增壓系統的動態性能分析與優化研究[D].北京：北京印刷學院,2013.