一種新型伺服液壓墊系統及其熱分析

鄭建華1，楊 帆，何永杰，費紀龍1，彭黃湖，祝守新

(1.湖州機床廠有限公司，浙江 湖州 313000； 2.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000)

引言

重型壓力機是生產大型汽車覆蓋件必不可少的沖壓設備，其液壓墊壓邊力是板料拉伸成型過程中最重要的一個參數[1-3]。目前液壓墊壓力控制主要采用背壓閥[4]，但由于存在溢流、泄漏等流體摩擦發熱，將產生大量熱能，進入液壓系統中[5-6]。工程上受到結構、重量等因素的限制，液壓墊油箱無法做得過大，若散熱條件較差，就會出現油液過熱，泄漏量進一步上升，特別是在炎熱的夏季，該情況更為嚴重。液壓墊系統油溫過高還易造成停機冷卻次數上升，油液黏度發生變化從而速度、壓力不穩定，設備不穩定和次品率增加等情況，也會使液壓元件壽命降低。例如，某型重型壓力機液壓油工作條件為30～50 ℃，最高不超過60 ℃。但在實際使用過程，雖然有冷卻系統，也經常出現過熱停機的現象，特別是在夏季，機器開機后2 h左右便需要停機散熱，嚴重影響企業效益。因此，液壓系統溫度問題一直是液壓界技術人員所關注的熱點[7-10]。

為了解決液壓墊系統背壓閥溢流(以下簡稱“普通液壓墊系統”)發熱導致油溫過高的問題，提出一種伺服液壓墊系統。通過定性對比普通液壓墊系統和伺服液壓墊系統壓邊工況下液壓系統的工作原理及能量傳遞路徑，以說明伺服液壓墊系統能夠降低油液的發熱原因；在相同的工況下，通過對普通液壓墊系統和伺服液壓墊系統進行熱力學建模及求解，從理論上實現對兩種系統油液溫升定量比較；最后搭建試驗臺，用實測油液溫升數據證明理論對比分析的正確性，以證明伺服液壓墊系統能夠有效的降低油液的溫升。

1 液壓墊系統組成

液壓墊是壓力機的重要組成部分，如圖1所示。壓力機開始拉伸時，凸模固定不動，壓力機滑塊帶動凹模運動至板坯上表面，然后給壓邊圈作用力，該力由經壓力銷、液壓墊板和液壓墊缸活塞桿傳遞至液壓墊油路中產生壓力，油液壓力同時給活塞桿一反作用力，此力便是壓邊力。一旦液壓油壓力大于背壓元件的設定力，液壓油經背壓閥流回油箱。液壓墊系統主要完成拉深過程中夾持料片、拉伸、零件頂出、回程等動作，液壓墊系統組成如圖2所示[11-12]。

1.凹模 2.板坯 3.壓邊圈 4.凸模 5.壓力銷6.液壓墊板 7.液壓墊缸 8.閥塊圖1 壓力機結構

普通液壓墊系統采用背壓閥作為液壓墊工作壓力的控制元件[13-14]。壓邊狀態油路簡圖如圖3所示。在普通液壓墊提供壓邊力時，其液壓系統存在多種能量損失，包括液壓缸的機械損失和容積損失、閥類元件和管路的壓力損失和液壓油的黏性摩擦損失等等。這些損失幾乎全部轉化為熱量，這些熱量除一部分散發到周圍空間外，大部分使系統油溫升高。普通液壓墊系統能量傳遞過程和能量損失如圖4所示，在液壓油熱能來源中，以液壓油流經背壓閥節流口，油液壓力由最高25 MPa下降為大氣壓壓力所產生的熱量占比最大。

圖2 普通液壓墊系統

1.液壓墊板 2.液壓墊缸 3.背壓閥 4.油箱圖3 普通液壓墊壓邊工況下液壓系統的油路原理圖

圖4 普通液壓墊能量損失和能量傳遞過程

若液壓墊液壓系統一直處于較高油溫狀態下工作，將對系統造成危害：

(1) 油液黏度降低，同時密封元件受熱老化后密封性能下降，以至于泄漏量增加會使系統工作效率下降，壓邊力不穩定；

(2) 運動元件受熱膨脹使得配合間隙發生較大的變化，潤滑油膜變薄甚至消失，造成液壓缸和閥門運動件的卡死或者磨損；

(3) 油液高溫下容易形成氣穴、氧化變質，降低油液及元件的使用壽命。

綜上，為了提供壓邊力，需要在調壓油路上形成一定的阻力，為此普通的液壓墊系統安裝有背壓閥，而研究表明背壓閥的能量損失產生熱量占總熱量的比重最高[15]。如果可以棄用背壓閥改換其他非閥類背壓元件則可大大地減少系統的發熱量。為此，提出了采用扭矩控制模式下的伺服電機來控制液壓馬達作為背壓元件[16]，其同樣可提供排油背壓。采用此種方式，可大大減少油液的發熱量，延長系統的使用壽命，提高設備利用率及生產效率。另外，由于采用伺服電機做扭矩控制，伺服液壓墊具有響應時間短、壓力控制準確等優點[17-20]。伺服液壓墊系統如圖5所示，其壓邊工況下系統的油路原理圖如圖6所示。

圖5 伺服液壓墊系統

1.液壓墊板 2.油缸 3.伺服電機4.液壓馬達 5.油箱圖6 伺服液壓墊壓邊工況下液壓系統的油路原理圖

與普通液壓墊工作原理類似，伺服液壓墊在調壓油路上采用了液壓馬達，并以伺服電機作為液壓馬達的負載，從而產生排油背壓。

在伺服液壓墊提供壓邊力時，液壓系統中無背壓閥。如圖7所示，液壓馬達的能量損失只有少部分的容積效率損失轉化為油液的熱能，大部分能量損失傳遞至伺服電機的制動電阻上，可大幅降低油液的溫升。

圖7 伺服液壓墊液壓系統能量損失和能量傳遞過程

2 液壓墊系統關鍵元件溫度模型

2.1 泵或馬達出口溫度模型

泵或馬達出口溫度微分方程為[21]：

(1)

式中，t—— 時間

v—— 比容

we—— 液體進入控制體積的質量流量

V—— 控制體積

cp—— 比熱容

β—— 液體的體積膨脹系數

T—— 液體的溫度

η0—— 元件的效率

pe—— 流體進入元件的壓力

p1—— 流體流出元件的壓力

Te—— 流體進入元件的溫度

T1—— 流體流出元件的溫度

2.2 溢流閥出口溫度模型

溢流閥出口溫度計算公式為[21]：

(2)

式中，qh為傳熱速率。

2.3 油管溫度模型

油管的出口溫度計算公式為[21]：

(3)

式中，Bm—— 等溫體積彈性模量

ρ—— 流體密度

w1—— 液體離開控制體積的質量流量

2.4 油箱溫度模型

油箱的出口溫度計算公式為[21]：

(4)

3 液壓墊系統熱力學建模

為了能夠定量說明伺服液壓墊油液溫升小這一優點，需分別對伺服液壓墊及普通液壓墊的液壓系統進行熱力學建模。在建模過程中為了對液壓系統進行簡化，需做以下假設：

(1) 假設系統所處環境無風，環境溫度為25 ℃；

(2) 重點考慮液壓泵、液壓馬達和背壓閥的產熱量以及油管的散熱量，忽略其他元件的產熱和散熱過程；

(3) 為了確保仿真的工程實用性，不對元件內部結構進行建模。

3.1 液壓墊系統熱力學模型

在AMESim中建立伺服液壓墊及普通液壓墊系統的熱力學計算模型，如圖8所示，并根據元件產品樣本上的參數合理設置模型參數。建立帶伺服電機的液壓系統如圖8a)如圖所示，泵送油入液壓缸活塞上行，活塞下行泵成為馬達；采用熱工溢流閥代替背壓閥建立帶背壓閥的液壓墊系統如圖8b)所示。

圖8 AMESim中液壓墊油路熱力學模型

3.2 油路熱力學模型介紹及參數設置

采用系統默認的定量熱工液壓泵和具有線性特性的熱工溢流閥，在回路中對內泄量和熱量進行補償。回路液壓油采用模型庫中的標準46號液壓油，并設置為無氣蝕和氣穴。主要參數如表1所示，其余未聲明的參數設置為系統默認。

表1 主要參數設置

4 計算結果

對兩種液壓墊液壓系統在壓邊工況下進行7200 s的熱力學動態仿真，取值間隔為一個拉伸周期，伺服液壓墊與普通液壓墊調壓管路溫度與時間的關系如圖9所示。

圖9 伺服液壓墊及普通液壓墊系統調壓管油液溫度仿真值

仿真達到7200 s時，伺服液壓墊調壓管路油液的溫度由25 ℃上升至42.22 ℃，增加了68.88%，呈現趨近平穩狀態；普通液壓墊調壓管路油液的溫度由25 ℃ 上升至61.88 ℃，增加了147.52%，并有繼續上升的趨勢；與普通液壓墊相比，伺服液壓墊調壓管油液溫度降低了31.77%。

5 實驗驗證

5.1 實驗內容

為比較伺服型和普通型兩種液壓系統對液壓墊性能、油液溫升影響而作了相應的比較試驗，實際實驗中采用伺服電機-內嚙合齒輪泵機組作為伺服液壓墊壓力主控元件，采用比例壓力閥作為液壓墊壓力主控元件，實驗參數如表2所示。

表2 實驗參數表

5.2 實驗結果

兩套液壓墊系統在上述試驗參數下運行7200 s，如圖10所示，伺服液壓墊的內嚙合齒輪馬達調壓側油溫從25 ℃上升至40～45 ℃，實驗結果與仿真值吻合；同樣的工況和時間，普通液壓墊的壓力閥調壓管溫度從25 ℃上升至55～62 ℃，同樣實驗結果與仿真值吻合。

6 結論

提出了一種新型伺服液壓墊系統，系統采用扭矩控制模式下的伺服電機來控制液壓馬達作為背壓元件，極大的減輕了液壓系統油液發熱。利用AMESim軟件對伺服液壓墊及普通液壓墊系統進行了熱力學對比分析，并采用實驗進行了驗證。結果表明：在壓力機連續運行2 h后，伺服液壓墊調壓管路的油液溫度的理論計算值比與普通液壓墊的低31.77%，實際實驗結果也與理論計算結果相近，因此，可證明所提出的伺服液壓墊液壓系統達到熱平衡時的油液溫升更小，更能夠滿足實際的使用需求。

圖10 調壓管油液溫度實測值與仿真值的對比

在實際實驗中，壓力機連續運行時，伺服液壓墊的制動電阻溫度明顯上升，但后期上升速率開始降低，通過有效散熱能將電阻溫度控制在可控范圍內。從能量回收的角度考慮，需將這部分能量回收利用起來。因此，伺服液壓墊液壓缸在壓邊工況下，伺服電機處回饋制動狀態，大量能量轉化為制動電阻熱能，可通過一些功率模塊實現能量的雙向流動，將這部分能量反饋的電網，以達到節能減排的目的。