軋鋼沖壓生產線模擬裝置液壓系統設計

王 杰

（河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，唐山學院，河北 唐山 063000）

0 引言

軋鋼沖壓生產線模擬裝置可以模擬完成鋼材的軋制、沖壓等工藝流程，該裝置集機、電、液、氣技術于一體，主要服務于高等院校的機械類相關專業的實踐教學，本文主要完成了該裝置的液壓驅動系統的方案設計及元件選擇。

1 軋鋼沖壓生產線模擬裝置液壓系統的設計與計算

1.1 工況分析

1.1.1 運動分析

軋鋼沖壓生產線模擬裝置動作要求為：①液壓馬達轉動驅動鏈傳動裝置運動對工件進行傳輸；②軋制液壓缸下降進行軋制；③當被軋制的工件到達指定位置時頂料液壓缸伸出，沖壓液壓缸下降沖壓，并保壓；④沖壓及頂料液壓缸完成復位動作；⑤若全部工作完成，則液壓馬達停止轉動。

液壓系統的技術參數為：①工件的質量為2 kg，運動部件所受重力為50 N；②軋制液壓缸的上升和下降速度均為0.01 m/s，行程為0.1 m；③頂料液壓缸的上升和下降速度均為0.01 m/s，行程為0.05 m；④沖壓液壓缸的上升和下降速度均為0.05 m/s，行程為0.1 m/s，保壓時間為2 s。

1.1.2 負載分析

（1）工件傳輸模塊液壓系統傳輸負載扭矩：Te=7.2N·m靜摩擦負載扭矩：

動摩擦負載扭矩：

慣性負載扭矩：

式中，R為軸半徑，m；此時，取R=0.01 m；Fn為作用于軸徑的徑向力，N；μs、μd為靜、動摩擦系數，此處均取0.1；J—旋轉部件轉動慣量，J=GD2/4 g；ε為旋轉部件角加速度。

代入數據得馬達不同工況下的總負載扭矩，如表1所示。

表1 馬達不同工況下的總負載扭矩

（2）軋制模塊液壓系統由于兩個軋制液壓缸共同完成軋制任務，這里只計算單個液壓缸負載情況：

計算出軋制液壓缸各個階段的負載，其具體情況如表2所示。

表2 軋制液壓缸不同工況下的負載

1.2 液壓執行元件主要參數的確定

1.2.1 液壓馬達主要參數的確定

擬定馬達的工作壓力為4.5 MPa。

液壓馬達的排量：

式中，Vm為液壓馬達的排量，m3/r；Δp為液壓馬達進、出口的壓差，Δp=p1-p2，MPa；ηmm為液壓馬達機械效率，此處取0.9；Tmax為液壓馬達的最大轉矩，N·m，此處是7.2 N·m；

液壓馬達的選擇：

根據以上計算結果選用PGM503A-0021B型號的液壓齒輪馬達，其排量為2.1 mL/min，轉速為500 r/rad。

液壓馬達的最大流量：

1．2．2 軋制缸主要參數的確定

擬定液壓缸的工作壓力為5 MPa。

液壓缸的無桿腔面積：

液壓缸內徑為：

按GB/T 2348—2018，可以將內徑圓整為20 mm。

式中，Fmax為軋制缸的最大工作負載，N；ηcm為液壓缸的機械效率，此處取0.9；p1為軋制缸無桿腔壓力，MPa；p2為軋制缸有桿腔壓力，MPa，此處取0.05 MPa；A1為液壓缸無桿腔面積，m2；A2為液壓缸有桿腔面積，m2。

活塞桿的直徑：

活塞桿直徑d2取14 mm。

無桿腔的有效面積為：

有桿腔的有效面積：

計算液壓缸的最大流量

1.3 液壓系統原理圖的擬定

該液壓系統分為工件傳輸液壓系統和軋制、頂料、沖壓液壓系統兩部分。

1.3.1 工件傳輸液壓系統

工件傳輸過程中外負載很小，考慮系統效率及溫升等因素，擬選用變量泵作為系統的動力元件向系統供油。由于該系統的功率小，且外負載變化不大，可以采用節流調速方式對系統執行元件進行速度控制。在進行軋制、頂料及沖壓等工序時工件傳輸停止，為了減少功率損耗及葉片泵的磨損，選用中位可以卸荷的H型機能的換向閥。

1．3．2 軋制、頂料、沖壓液壓系統

由于軋制、頂料及沖壓過程中系統的負載很小且系統的壓力需要穩定輸出，所以采用齒輪泵3和溢流閥10作為系統的動力源。該液壓系統對液壓缸的速度穩定性要求較低并且系統功率很小，故軋制回路、頂料回路和沖壓回路都選用雙單向節流閥15、16、17回油節流調速回路。在沖壓動作完成后需要對工件進行保壓，為保證液壓鎖的迅速鎖緊，該沖壓回路采用液壓鎖21和電磁換向閥（Y型中位機能）實現。沖壓回路中當沖壓頭與工件接觸瞬間會有很大沖擊力，液壓缸內壓力會瞬時變得很高，所以選用直動式減壓閥11來穩定支路壓力。擬定出如圖1所示的液壓系統原理圖。

圖1 液壓系統原理圖

2 液壓系統元件選擇

2.1 泵、電機的選擇

2．1．1 工件傳輸液壓系統

液壓馬達最大工作壓力為4.5 MPa，假設壓力損失為∑Δp＝1 MPa，則工件傳輸液壓系統的液壓泵的工作壓力為：

取液壓回路泄漏系數取1.2，液壓泵的總流量為：

所選液壓泵的輸出流量需大于1.2 L/min。

選用VPV1-9-70型變量葉片泵，其額定壓力為7 MPa，容積效率為：ηpv=0.85；總效率為ηp=0.765。

電動機功率：

選用型號為Y90S-6的電機，功率為750 W，額定轉速為910 r/min。

2.1.2 軋制、頂料和沖壓液壓系統

選用型號為HQT31-20的內嚙合齒輪泵，其額定壓力為6.3 MPa，容積效率為：ηpv=0.85；總效率為ηp=0.765。

電動機功率：

選用電機型號為Y90S-6，功率為2.2 kW，額定轉速為940 r/min。主要液壓元件選用如表3所示。

表3 軋制、頂料和沖壓模塊液壓元件明細表

3 結語

本文完成了軋鋼沖壓生產線模擬裝置液壓系統相關參數的計算，包括工件傳輸、軋制及沖壓等工況的運動分析及外負載的分析，軋制、沖壓及頂料液壓缸、液壓馬達的參數計算，完成了液壓系統方案的制定及工件傳輸模塊、軋制、頂料和沖壓模塊主要液壓元件的選擇工作，具有一定的實際工程參考價值。