板材液压折弯试验机传动与电气控制的研究

田 齐，郝 健

（1.江苏信息职业技术学院，江苏 无锡 214153；2.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122）

0 引言

液压折弯机是一个典型的综合机械、电气、液压、自动化等技术于一体的产品。市场在售的折弯试验机多数是基于通用化的设计理念，对一些板材进行折弯试验时，有些执行工况不符合特定要求，有些功能显得冗余，带来了较高的试验成本［1］。鉴于此，本文从液压折弯机的系统设计和控制方面，对板材液压折弯机进行研究。

1 液压折弯机传动系统的设计［2］

1.1 基本参数与已知条件

本文研究的立式板料折弯试验机，其滑块及折弯机构的上下运动采用液压传动，要求通过电液控制实现如下工作循环：快速下降→慢速加压（折弯）→快速回程（上升）。最大折弯力F＝1.2×105N、滑块重力G＝200N、快速下降的速度v1＝10 mm／s、慢速加压（折弯）的速度v2＝2 mm／s、快速上升速度v3＝20 mm／s、快速下降行程L1＝180 mm，慢速加压（折弯）的行程L2＝20mm、快速上升的行程L3＝200mm、启动和制动时间Δt＝0.2s。滑块及折弯机机构重量的平衡要求用液压方式，以防自重下滑，滑块导轨摩擦力可忽略不计。

1.2 执行元件选择

为方便折弯试验，液压折弯机采用立式布置，行程相对较小，且往复速度不同，所以选择缸外围固定的立置的单杆活塞缸作为液压折弯试验机的执行元件，带动压块及折弯机构对板料进行折弯试验。

1.3 动力学分析

1.3.1 快速下降阶段

根据基本参数要求和已知条件，对液压缸的外负载力进行计算。启动加速时外负载Fi1为：

代入数据计算得Fi1＝1.02N，等速时外负载为0。

1.3.2 折弯阶段

初压阶段外负载为：

终压阶段外负载为：

1.3.3 快速回程阶段

快速回程启动阶段外负载Fi2为：

等速阶段外负载为：

制动阶段外负载Fi3为：

1.3.4 运动学分析

各阶段运行时间即为压块行程与运行速度的比值，设t1为快速下行时间，t2为折弯初压时间，t3为折弯终压时间，t4为快速回程时间。通过计算得出t1＝18s，t2＝7.5s，t3＝2.5s，t4＝10s。

1.4 液压缸的设计计算

1.4.1 确定液压缸的主要结构尺寸

按液压手册，预选液压缸的设计压力p1＝20 MPa。由于压块的自重会对液压缸的运动有影响，在设计计算时要对压块的重量予以考虑。无杆腔的有效面积为：

其中：ηcm 为液压缸的机械效率，ηcm ＝0.91。液压缸的内径（活塞直径）为：

由式（7）、式（8）计算得D＝94mm，按GB／T2348－1993，将液压缸内径圆整为标准值D＝100mm。根据快速下行与快速上升的速度比确定活塞杆直径d：

经计算活塞杆直径d＝70.7mm，取标准直径d＝70mm，从而可算得液压缸无杆腔和有杆腔的实际有效面积为：

1.4.2 最大功率计算

最大功率发生在慢速加压阶段。初压时功率P2＝13.19 W；终压时，行程只有5 mm，持续时间仅t3＝2.5s，压力和流量变化情况较为复杂，所以做以下处理：压力由839 924.4Pa增至16 798 487Pa，其变化规律可近似用一线性函数p（t）表示，即：

流量由0.942L／min减到0，其变化规律可近似用一线性函数q（t）表示，即：

设t为终压阶段持续时间，取值范围为0s～2.5 s。由式（12）、式（13）可得此阶段功率方程：

由式（12）～式（14）可求得当t＝1.18s时，功率有最大值P3＝Pmax＝69.40W，压力p≈8.37MPa，流量q＝0.50L／min。

1.5 拟定液压折弯机液压系统

图1为板料液压折弯试验机原理示意图。当快速下降时，变量泵处于全流量供油状态，当折弯机压块在折弯板材时，泵的流量减小，最后减少至0。当液压缸复位时，泵的流量又会以全量供油的状态运行。液压缸的运动方向选用三位四通M 型中位机能电液动换向阀控制，在没有信号输入的情况下，换向阀处在中位，使得液压泵供的油再回到油箱［3，4］。为防止液压缸所要施力的压块下滑［5］，在管路中设置一个顺序阀，避免不必要的安全事故发生。

2 液压折弯机电气控制系统的设计

图2为液压折弯机电气控制图。运行时，将QS合上，按动SB1按钮，KM1得电，KM1触头与主电路的触头接触，电动机运转，带动变量泵供应液压油，阀处于中位时，泵供的油又会通过旁路回到油箱中。按动按钮SB3则2YA 得电，1YA 失电，此时液压泵向液压缸的无杆腔供油，驱动压块折弯板材，而图2中的元器件10、11与行程开关固定在一起，旋转角度决定折弯成所需角度时，停止工作，锁住液压缸。测试完成，记录数据后，按动SB4按钮，则2YA 失电，1YA 得电，液压泵将会向液压缸有杆腔供油，无杆腔的油便会回到油箱中，回程到原来位置碰到行程开关SQ1便会断开控制电路，电液控制阀失电便会停在中位，锁住压块［6－8］。其中FU1起过载保护的作用，防止电气元件过载损坏电路。

图1 板料液压折弯试验机原理示意图

图2 液压折弯机电气控制图

3 结语

本文根据设计要求，拟定了液压缸的基本设计思路与算式，对各阶段的流量与功率进行了计算；拟定液压系统原理图，配置所需的各元器件，满足折弯试验需求；根据工况以及液压元器件的特点，拟定了电气控制图，以便控制试验机的运行。

［1］ 赵淳.液压技术在折弯机上的应用［J］.液压与气动，2011（11）：43－46.

［2］ 张利平.液压传动系统设计与使用［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［3］ 于良振.折弯机液压系统集成阀组的优化设计［J］.液压气动与密封，2010（4）：57－59.

［4］ 聂松林，孔祥纯，贾国涛.水压伺服阀液压桥路的正交设计与分析［J］.机械工程学报，2009，6（45）：67－72.

［5］ 谈传明，张子东，曹光荣，等.折弯机滑块的有限元分析［J］.锻压装备与制造技术，2011（6）：54－58.

［6］ Nie S L，Huang G H，Li Y P，et al.Research on low cavitation in water hydraulic two－stage throttle poppet valve［J］.Journal of Process Mechanical Engineering，2006，220（3）：167－179.

［7］ Nguyen－Schaefer H，Sprafke P，MittwollenN.Study on the flow in a typical seat valve of mobile hydraulics［J］.SAE Publications，1997（2）：11－22.

［8］ 鲁远栋，冼进.PLC 机电控制系统应用设计技术［M］.北京：电子工业出版社，2011.