3MN液壓剪系統(tǒng)的分析與應(yīng)用
1設(shè)備組成和工作原理
1.1設(shè)備組成
整個(gè)液壓剪主要由機(jī)械部分，液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。機(jī)械部分由機(jī)架體，機(jī)體拖入拖出裝置，剪刃裝置等組成。剪體45°斜向布置，這樣即使液壓油泄漏，也不會(huì)掉在軋件上，保證設(shè)備安全。采用PLC電氣控制系統(tǒng)，可靠性高，編程使用方便，通用性好，網(wǎng)絡(luò)通訊功能強(qiáng)。液壓系統(tǒng)采用二通插裝閥控制回路，主要由泵站，液壓閥臺和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)3大部分構(gòu)成。
1.2工作原理
剪切鋼坯時(shí)，剪切力不是恒定的，剪切力隨相對切入深度變化。當(dāng)剪刃與鋼坯接觸后，剪切力隨切入深度的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最大變形阻力時(shí)，剪切力達(dá)到最大，此時(shí)鋼坯開始發(fā)生剪切滑移，剪切力又隨著剪切斷面的縮小而很快衰減，直至鋼坯斷裂。根據(jù)鋼坯的剪切力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了液壓剪液壓系統(tǒng)原理圖。泵站由4臺泵組成，3用1備，由溢流閥限定系統(tǒng)最高工作壓力，因4臺泵的結(jié)構(gòu)完全一樣，原理圖中只畫出了1臺泵。待機(jī)時(shí)，所有電磁閥斷電，泵通過插裝閥6卸荷。剪切時(shí)，電磁閥YA1和YA2通電，YA3斷電，插裝閥11打開，同時(shí)插裝閥10閉合，液壓油通過插裝閥11進(jìn)入剪切缸的無桿腔，推動(dòng)剪刃上升。當(dāng)剪切力低于順序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13不會(huì)打開，剪切缸有桿腔的油經(jīng)插裝閥12和11回到無桿腔，形成差動(dòng)回路，實(shí)現(xiàn)快速剪切。
當(dāng)剪切力超過順序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13打開，剪切缸有桿腔的油經(jīng)插裝閥13回油箱，此時(shí)開始慢速剪切。當(dāng)剪切力隨著剪切斷面的縮小而減小，低于順序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13又關(guān)閉，系統(tǒng)形成差動(dòng)回路，剪刃將鋼坯快速切下。這種速度變化與鋼坯的剪切力學(xué)特性相適應(yīng)，使剪切過程平穩(wěn)。
當(dāng)剪切完畢后，電磁閥YA3通電，YA2斷電，液壓油經(jīng)插裝閥12進(jìn)入剪切缸有桿腔，無桿腔液壓油通過插裝閥10流回油箱，剪刃退回初始位置，準(zhǔn)備下一步剪切。為了降低剪切過程中產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，采用了帶阻力器的插裝閥，同時(shí)利用溢流閥16來緩沖鋼坯剪斷瞬間所形成的液壓沖擊。
2泵站的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1液壓泵的選擇
首先計(jì)算液壓泵的最高工作壓力pp和流量qvppp≥p1 ∑Δp（1）式中：p1為液壓缸最大的工作壓力；∑Δp為從泵口到液壓缸的壓力損失，按經(jīng)驗(yàn)取約1MPa.
qvp≥K（∑qvmax）（2）式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；qvmax為液壓缸的最大流量。
p1=4FπD2=4×3000000π×0.44×0.44=19.74MPa剪切時(shí)最大速度為v1=st=0.24=0.05m/s=3m/min式中：s為剪切行程；t為剪切時(shí)間，這里取4s.
由此可得出液壓缸最大流量是qvmax=πD2v14=π×0.44×0.44×34=0.456m3/min=456L/min由公式（1）和（2）可以得出pp≥p1 ∑Δp=19.74 1≈21MPaqvp≥K（∑qvmax）=1.3×456≈593L/min根據(jù)以上參數(shù)，液壓泵選用250SCY14-1B變量柱塞泵。該泵可根據(jù)需要手動(dòng)改變排量。液壓泵的工？05？機(jī)床與液壓第38卷作壓力隨剪切力變化，將溢流閥溢流壓力設(shè)定為23MPa，以限制系統(tǒng)的最高工作壓力。
2.2油箱容量的確定
油箱容量可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可按照系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算公式得到，一般按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算然后再用系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算公式進(jìn)行校核。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式V=ζqp（3）式中：V為油箱的有效容積；qp為液壓泵總的額定流量；ζ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與系統(tǒng)的壓力或者應(yīng)用場合相關(guān)，在此系統(tǒng)中選擇ζ=10.
可以得到油箱的容積為V=ζqp=10×250×3=7500L2.3系統(tǒng)發(fā)熱溫升估算
系統(tǒng)的發(fā)熱主要是由于液壓系統(tǒng)的壓力，容積和機(jī)械損失構(gòu)成的能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。過高的溫度將使系統(tǒng)不穩(wěn)定，會(huì)使液壓油的黏度降低造成系統(tǒng)泄漏，效率降低，同時(shí)造成密封元件的老化，對泵的壽命影響十分顯著。因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程必須對系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱和溫升計(jì)算，并進(jìn)行控制。系統(tǒng)的總發(fā)熱量H可以按下式進(jìn)行估算H=Npi-NMo（4）式中：Npi為液壓泵的輸入功率，NMo為執(zhí)行器的輸出功率。
由2.1節(jié)可以得出：Npi=pp×qvp=21×106×593×10-3/60=2.0755×105WNMo=p1qvmax=19.74×106×456×10-3/60=1.50024×105WH=5.7526×104W系統(tǒng)在產(chǎn)生熱量的過程中，同時(shí)也通過系統(tǒng)的元件散發(fā)熱量至空氣，其中油箱為主要散熱表面，其他如管道等因散熱面較小，可以忽略不計(jì)。油箱的散熱H0可以通過以下公式計(jì)算得到：H0=KAΔT（5）式中：K為散熱系數(shù)，單位W/（m2℃），計(jì)算時(shí)在通風(fēng)良好的條件下K取14～20；A為油箱的散熱面積，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)散熱面積的計(jì)算公式A=0.0653V？
2計(jì)算，其中V為油箱的有效容積（L）；ΔT為系統(tǒng)的溫升，即系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的時(shí)候和環(huán)境的溫度之差（℃），在工作機(jī)械中一般取ΔT≤35℃。
因此油箱散發(fā)的熱量為H0=KAΔT=17×0.06537500？
2×35=1.4818×104W可以看出，通過油箱表面積散熱無法達(dá)到熱平衡。因此需要通過加設(shè)冷卻器來達(dá)到系統(tǒng)所需的冷卻效果。
3閥臺的設(shè)計(jì)由于二通插裝閥是閥座式結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)部泄漏少，通流阻力小，通流能力大，壓力損失小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓大流量的液壓傳動(dòng)控制領(lǐng)域。作者采用二通插裝閥控制系統(tǒng)。
集成塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)要求：（1）功能上必須滿足原理圖的控制要求；（2）結(jié)構(gòu)上必須滿足良好的工藝性和易加工性。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員有著良好的空間想象能力，但隨著集成塊孔系復(fù)雜程度的提高，二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)越來越難以完成任務(wù)。三維設(shè)計(jì)軟件的普及使得集成塊的設(shè)計(jì)有了更高的效率，但一些三維軟件工程圖表達(dá)的弱性成為用三維軟件設(shè)計(jì)集成塊的瓶頸，而專用集成塊設(shè)計(jì)軟件如SecoMAN由于較高的價(jià)格很難為中小企所接受。
Autodesk公司在AutoCAD的基礎(chǔ)上開發(fā)的三維軟件Inventor比較好地解決了這個(gè)問題。Inventor不僅具有三維軟件所具有的功能，而且在工程圖的繪制方面達(dá)到二維軟件所具有的優(yōu)勢。
采用Inventor設(shè)計(jì)二通插裝閥集成塊時(shí)，首先要確定元件的布局方案。由于元件相互連接通過內(nèi)部孔道，而閥塊內(nèi)部的孔系十分復(fù)雜，一個(gè)元件的變動(dòng)經(jīng)常造成整體的變動(dòng)，因此需根據(jù)原理圖對元件進(jìn)行合理的布局。首先大致確定主要油口的方向位置，然后安排好通徑大和主油路關(guān)系密切的閥，就近擺放方便控制油路的閥，計(jì)算出閥塊的大致尺寸。第二步，進(jìn)行內(nèi)部孔道的連通。首先配置較大的孔，大孔的長度盡可能短些，避免長孔以免造成加工的困難，避免采用斜孔和孔道之間的干涉，同時(shí)對于高壓孔道需要有一定的壁厚確保承受壓力，工藝孔的數(shù)目盡可能的少。第三步，檢查設(shè)計(jì)結(jié)果，生成工程圖。
液壓集成閥塊的設(shè)計(jì)一直是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題，合理利用三維軟件可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，提高閥塊的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，改善閥塊的可靠性和精度。
4結(jié)束語
作者介紹的3MN液壓熱剪二通插裝閥控制回路，采用差動(dòng)回路和順序閥來控制剪切速度，符合鋼坯剪切工藝，剪切過程動(dòng)作平穩(wěn)，效率較高。使用Inventor三維軟件設(shè)計(jì)集成閥塊，讓設(shè)計(jì)任務(wù)更加輕松。
1.1設(shè)備組成
整個(gè)液壓剪主要由機(jī)械部分，液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。機(jī)械部分由機(jī)架體，機(jī)體拖入拖出裝置，剪刃裝置等組成。剪體45°斜向布置，這樣即使液壓油泄漏，也不會(huì)掉在軋件上，保證設(shè)備安全。采用PLC電氣控制系統(tǒng)，可靠性高，編程使用方便，通用性好，網(wǎng)絡(luò)通訊功能強(qiáng)。液壓系統(tǒng)采用二通插裝閥控制回路，主要由泵站，液壓閥臺和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)3大部分構(gòu)成。
1.2工作原理
剪切鋼坯時(shí)，剪切力不是恒定的，剪切力隨相對切入深度變化。當(dāng)剪刃與鋼坯接觸后，剪切力隨切入深度的增加而增大，當(dāng)達(dá)到最大變形阻力時(shí)，剪切力達(dá)到最大，此時(shí)鋼坯開始發(fā)生剪切滑移，剪切力又隨著剪切斷面的縮小而很快衰減，直至鋼坯斷裂。根據(jù)鋼坯的剪切力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了液壓剪液壓系統(tǒng)原理圖。泵站由4臺泵組成，3用1備，由溢流閥限定系統(tǒng)最高工作壓力，因4臺泵的結(jié)構(gòu)完全一樣，原理圖中只畫出了1臺泵。待機(jī)時(shí)，所有電磁閥斷電，泵通過插裝閥6卸荷。剪切時(shí)，電磁閥YA1和YA2通電，YA3斷電，插裝閥11打開，同時(shí)插裝閥10閉合，液壓油通過插裝閥11進(jìn)入剪切缸的無桿腔，推動(dòng)剪刃上升。當(dāng)剪切力低于順序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13不會(huì)打開，剪切缸有桿腔的油經(jīng)插裝閥12和11回到無桿腔，形成差動(dòng)回路，實(shí)現(xiàn)快速剪切。
當(dāng)剪切力超過順序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13打開，剪切缸有桿腔的油經(jīng)插裝閥13回油箱，此時(shí)開始慢速剪切。當(dāng)剪切力隨著剪切斷面的縮小而減小，低于順序閥17的設(shè)定壓力時(shí)，插裝閥13又關(guān)閉，系統(tǒng)形成差動(dòng)回路，剪刃將鋼坯快速切下。這種速度變化與鋼坯的剪切力學(xué)特性相適應(yīng)，使剪切過程平穩(wěn)。
當(dāng)剪切完畢后，電磁閥YA3通電，YA2斷電，液壓油經(jīng)插裝閥12進(jìn)入剪切缸有桿腔，無桿腔液壓油通過插裝閥10流回油箱，剪刃退回初始位置，準(zhǔn)備下一步剪切。為了降低剪切過程中產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，采用了帶阻力器的插裝閥，同時(shí)利用溢流閥16來緩沖鋼坯剪斷瞬間所形成的液壓沖擊。
2泵站的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1液壓泵的選擇
首先計(jì)算液壓泵的最高工作壓力pp和流量qvppp≥p1 ∑Δp（1）式中：p1為液壓缸最大的工作壓力；∑Δp為從泵口到液壓缸的壓力損失，按經(jīng)驗(yàn)取約1MPa.
qvp≥K（∑qvmax）（2）式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；qvmax為液壓缸的最大流量。
p1=4FπD2=4×3000000π×0.44×0.44=19.74MPa剪切時(shí)最大速度為v1=st=0.24=0.05m/s=3m/min式中：s為剪切行程；t為剪切時(shí)間，這里取4s.
由此可得出液壓缸最大流量是qvmax=πD2v14=π×0.44×0.44×34=0.456m3/min=456L/min由公式（1）和（2）可以得出pp≥p1 ∑Δp=19.74 1≈21MPaqvp≥K（∑qvmax）=1.3×456≈593L/min根據(jù)以上參數(shù)，液壓泵選用250SCY14-1B變量柱塞泵。該泵可根據(jù)需要手動(dòng)改變排量。液壓泵的工？05？機(jī)床與液壓第38卷作壓力隨剪切力變化，將溢流閥溢流壓力設(shè)定為23MPa，以限制系統(tǒng)的最高工作壓力。
2.2油箱容量的確定
油箱容量可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可按照系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算公式得到，一般按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算然后再用系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算公式進(jìn)行校核。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式V=ζqp（3）式中：V為油箱的有效容積；qp為液壓泵總的額定流量；ζ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與系統(tǒng)的壓力或者應(yīng)用場合相關(guān)，在此系統(tǒng)中選擇ζ=10.
可以得到油箱的容積為V=ζqp=10×250×3=7500L2.3系統(tǒng)發(fā)熱溫升估算
系統(tǒng)的發(fā)熱主要是由于液壓系統(tǒng)的壓力，容積和機(jī)械損失構(gòu)成的能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。過高的溫度將使系統(tǒng)不穩(wěn)定，會(huì)使液壓油的黏度降低造成系統(tǒng)泄漏，效率降低，同時(shí)造成密封元件的老化，對泵的壽命影響十分顯著。因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程必須對系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱和溫升計(jì)算，并進(jìn)行控制。系統(tǒng)的總發(fā)熱量H可以按下式進(jìn)行估算H=Npi-NMo（4）式中：Npi為液壓泵的輸入功率，NMo為執(zhí)行器的輸出功率。
由2.1節(jié)可以得出：Npi=pp×qvp=21×106×593×10-3/60=2.0755×105WNMo=p1qvmax=19.74×106×456×10-3/60=1.50024×105WH=5.7526×104W系統(tǒng)在產(chǎn)生熱量的過程中，同時(shí)也通過系統(tǒng)的元件散發(fā)熱量至空氣，其中油箱為主要散熱表面，其他如管道等因散熱面較小，可以忽略不計(jì)。油箱的散熱H0可以通過以下公式計(jì)算得到：H0=KAΔT（5）式中：K為散熱系數(shù)，單位W/（m2℃），計(jì)算時(shí)在通風(fēng)良好的條件下K取14～20；A為油箱的散熱面積，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)散熱面積的計(jì)算公式A=0.0653V？
2計(jì)算，其中V為油箱的有效容積（L）；ΔT為系統(tǒng)的溫升，即系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的時(shí)候和環(huán)境的溫度之差（℃），在工作機(jī)械中一般取ΔT≤35℃。
因此油箱散發(fā)的熱量為H0=KAΔT=17×0.06537500？
2×35=1.4818×104W可以看出，通過油箱表面積散熱無法達(dá)到熱平衡。因此需要通過加設(shè)冷卻器來達(dá)到系統(tǒng)所需的冷卻效果。
3閥臺的設(shè)計(jì)由于二通插裝閥是閥座式結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)部泄漏少，通流阻力小，通流能力大，壓力損失小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓大流量的液壓傳動(dòng)控制領(lǐng)域。作者采用二通插裝閥控制系統(tǒng)。
集成塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)要求：（1）功能上必須滿足原理圖的控制要求；（2）結(jié)構(gòu)上必須滿足良好的工藝性和易加工性。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員有著良好的空間想象能力，但隨著集成塊孔系復(fù)雜程度的提高，二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)越來越難以完成任務(wù)。三維設(shè)計(jì)軟件的普及使得集成塊的設(shè)計(jì)有了更高的效率，但一些三維軟件工程圖表達(dá)的弱性成為用三維軟件設(shè)計(jì)集成塊的瓶頸，而專用集成塊設(shè)計(jì)軟件如SecoMAN由于較高的價(jià)格很難為中小企所接受。
Autodesk公司在AutoCAD的基礎(chǔ)上開發(fā)的三維軟件Inventor比較好地解決了這個(gè)問題。Inventor不僅具有三維軟件所具有的功能，而且在工程圖的繪制方面達(dá)到二維軟件所具有的優(yōu)勢。
采用Inventor設(shè)計(jì)二通插裝閥集成塊時(shí)，首先要確定元件的布局方案。由于元件相互連接通過內(nèi)部孔道，而閥塊內(nèi)部的孔系十分復(fù)雜，一個(gè)元件的變動(dòng)經(jīng)常造成整體的變動(dòng)，因此需根據(jù)原理圖對元件進(jìn)行合理的布局。首先大致確定主要油口的方向位置，然后安排好通徑大和主油路關(guān)系密切的閥，就近擺放方便控制油路的閥，計(jì)算出閥塊的大致尺寸。第二步，進(jìn)行內(nèi)部孔道的連通。首先配置較大的孔，大孔的長度盡可能短些，避免長孔以免造成加工的困難，避免采用斜孔和孔道之間的干涉，同時(shí)對于高壓孔道需要有一定的壁厚確保承受壓力，工藝孔的數(shù)目盡可能的少。第三步，檢查設(shè)計(jì)結(jié)果，生成工程圖。
液壓集成閥塊的設(shè)計(jì)一直是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題，合理利用三維軟件可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，提高閥塊的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，改善閥塊的可靠性和精度。
4結(jié)束語
作者介紹的3MN液壓熱剪二通插裝閥控制回路，采用差動(dòng)回路和順序閥來控制剪切速度，符合鋼坯剪切工藝，剪切過程動(dòng)作平穩(wěn)，效率較高。使用Inventor三維軟件設(shè)計(jì)集成閥塊，讓設(shè)計(jì)任務(wù)更加輕松。
