基于可編程序控制器的軸承加脂機(jī)的結(jié)構(gòu)研究和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李青虹

三明學(xué)院1.機(jī)電工程學(xué)院，2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，3.綠色鑄鍛及其高端零部件制造福建省2011協(xié)同創(chuàng)新中心，4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，三明,365004

軸承在出廠時(shí)往往需要在軸承中注入一定量的油脂，以保證足夠潤滑和防銹。目前，國內(nèi)軸承加注潤滑脂除少部分引進(jìn)國外自動(dòng)化生產(chǎn)線之外，大部分以手工操作為主。現(xiàn)有的軸承加脂機(jī)自動(dòng)化程度不高，多采用滑坡式結(jié)構(gòu)，靠鋼板拗成料道，加工較困難，換型號時(shí)不易調(diào)節(jié)，且振動(dòng)較大，產(chǎn)生的噪音大；注射精度不高[1]；加工完成后靠人工清料，工作量較大，浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力；注油閥部分多采用外購氣缸，與外購閥體裝配，拼湊感強(qiáng)；外形比較復(fù)雜，體積大，油道長，占用較大空間；油道長，效率較低；有灰塵或其他污染物時(shí)，不容易擦拭；機(jī)架更多采用焊接結(jié)構(gòu)[2]，浪費(fèi)材料；整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗費(fèi)較多的資源，安裝、調(diào)試和后期維護(hù)都較困難。

針對目前加脂機(jī)存在的不足，考慮對原有的加脂機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使用精度高且安全可靠的液壓系統(tǒng)代替原來使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿的方式進(jìn)行加脂，并采用性能強(qiáng)大的PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過各種傳感器和行程開關(guān)對各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以保證加脂的精度和定量要求，并根據(jù)軸承的不同調(diào)節(jié)加脂量，實(shí)現(xiàn)加脂量無級可調(diào)。

1 傳統(tǒng)加脂頭結(jié)構(gòu)和存在的不足

原有加脂機(jī)的加脂頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

原有加脂機(jī)的加脂工作過程分為充脂和加脂兩個(gè)步驟。充脂(圖1)：絲杠螺母(2)左行至行程開關(guān)(S1)處,電磁鐵(Y2)通電,壓力氣源進(jìn)入氣缸(9)上腔,氣缸活塞下行，推動(dòng)貯脂缸(8)活塞向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)調(diào)節(jié)閥(7)打開，調(diào)節(jié)閥(4)關(guān)閉，貯脂缸(8)的油脂便通過打開的調(diào)節(jié)閥(7)進(jìn)入加脂缸(11)的左腔進(jìn)行補(bǔ)脂。當(dāng)加脂缸內(nèi)的油脂被充滿后,加脂缸(11)左腔壓力升高,壓力傳感器(6)將此信號傳送到單片機(jī)控制系統(tǒng)中,控制電磁鐵(Y2)和調(diào)節(jié)閥(7)斷電,步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，充脂過程結(jié)束。加脂時(shí)，調(diào)節(jié)閥(4)打開，當(dāng)工作臺上的軸承到位后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)加脂缸(11)的活塞以一定的速度快速右行,加脂缸左腔內(nèi)的油脂便通過調(diào)節(jié)閥(4)、噴嘴(5)注入軸承，完成加脂過程。

圖1 原加脂機(jī)的加脂頭結(jié)構(gòu)原理圖

這種結(jié)構(gòu)由于采用了電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿作為加脂的主要構(gòu)件，加脂時(shí)的速度和加脂量不好調(diào)節(jié)[3]，影響加脂精度。另外，更換軸承需調(diào)節(jié)加脂量時(shí)，不方便調(diào)節(jié)。

2 基于PLC的軸承加脂機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

針對上述加脂機(jī)存在的不足，對加脂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示。

圖2 基于PLC的軸承加脂機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理圖

如圖2所示,加脂臺共設(shè)有4個(gè)工位,其中C 位為加脂位,B位為準(zhǔn)備位,A 位為上料位,D位為成品位。首先由送料油缸推送軸承到達(dá)A位，位置傳感器發(fā)出信號，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)加脂臺逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，等B位的軸承到達(dá)C位后，旋轉(zhuǎn)行程開關(guān)(8)接通,加脂臺停止旋轉(zhuǎn),同時(shí)換向閥(9)的電磁鐵(3YA)得電，頂料油缸(10)活塞伸出,將軸承托盤(7)和軸承(6)向上頂出。軸承內(nèi)圈壓到加脂頭(5)后,頂升缸下腔壓力升高,由壓力傳感器檢出并發(fā)出信號,PLC控制換向閥(9)的電磁鐵(3YA)斷電，頂料油缸(10)停止運(yùn)行。同時(shí)換向閥(2)的電磁鐵(1YA)得電,加脂缸(3)的活塞下行，推動(dòng)貯脂缸(4)的油脂以一定壓力和速度通過加脂頭(5)向C位軸承加脂, 加脂時(shí)間由PLC控制,以保證加脂量的大小和加脂精度，時(shí)間一到，控制換向閥(2)的電磁鐵(1YA)斷電，加脂缸(3)停止運(yùn)行，同時(shí)換向閥(9)的電磁鐵(4YA)得電，頂料油缸(10)向下運(yùn)行，帶動(dòng)C位軸承和托盤回到原位，位置傳感器發(fā)出信號，加脂臺由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將已加脂的軸承送到D位，同時(shí)推料油缸(12)啟動(dòng)，將成品推出，完成一次加脂過程。

加脂缸安裝在加脂頭的上方,消除了油脂的“爬行”現(xiàn)象[4]。同時(shí)，為了提高加脂效果,對加脂頭也進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì), 加脂頭的結(jié)構(gòu)與軸承的保持架相吻合，以保證注射油脂的均勻性。更換不同口徑的加脂頭,可對不同型號的軸承進(jìn)行加脂，大大提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和通用性。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)加脂原理和上述過程分析，設(shè)計(jì)滿足所需條件的液壓系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 加脂機(jī)液壓系統(tǒng)圖

由于加脂機(jī)對壓力的要求不高，所以采用低壓變量泵，以方便流量調(diào)節(jié)，從而控制加脂速度。根據(jù)加脂的工作需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)油缸，分別為送料油缸、推料油缸、頂料油缸和加脂缸。系統(tǒng)中所有閥均采用插裝閥，結(jié)構(gòu)簡單，制作容易[5]，工作可靠并易于集成；設(shè)置多個(gè)節(jié)流閥，便于根據(jù)用不同的軸承加脂時(shí)調(diào)節(jié)加脂量和加脂速度；使用電液換向閥，以便于PLC進(jìn)行自動(dòng)控制；通過對泵和節(jié)流閥的流量調(diào)節(jié)，可控制注脂量和注脂速度；加脂油缸和頂料油缸的回路均使用順序閥，以保證加脂過程中油缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，從而保證加脂精度。

4 加脂機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)作過程分析

加脂機(jī)主要工作流程：送料缸送料→送料缸退回，加脂臺旋轉(zhuǎn)→頂料缸頂料→加脂機(jī)加脂→加脂缸停止加脂，頂料缸下降退回→加脂臺旋轉(zhuǎn)推料缸推料→推料缸退回。一次加脂循環(huán)過程完成。

4.1 循環(huán)動(dòng)作開始前的約束條件

1)加脂缸處于上極限位置，水平送料缸(25)處于右極限位置，推料缸(6)處于左極限位置，頂料缸(21)處于下極限位置。

2)電液換向閥(彈簧對中式)處于中間位置。

4.2 循環(huán)動(dòng)作過程分析

根據(jù)加脂過程分析，各動(dòng)作過程中電磁鐵通電情況如表1所示。

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表

4.2.1 啟 動(dòng)

1)電動(dòng)機(jī)(4)啟動(dòng)，通過聯(lián)軸器(3)帶動(dòng)泵(2)旋轉(zhuǎn)，泵向油路供油。

2)水平送料缸送料，此時(shí)6YA通電，水平送料缸開始送料，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：油箱→過濾器(1)→單向閥(26)→ 換向閥(24)右位→ 推料油缸(25)右腔。

回油路：推料油缸(25)左腔→油箱。

4.2.2 水平送料缸退回

此時(shí)6YA斷電，5YA得電，水平送料缸退回原位，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：油箱→過濾器(1)→單向閥(26)→ 換向閥(24)左位→推料油缸(25)左腔。

回油路：推料油缸(25)右腔→油箱。

4.2.3 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)加脂工作臺旋轉(zhuǎn)90°

4.2.4 頂料缸頂料

此時(shí)7YA通電，頂料缸頂料，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：油箱→過濾器(1)→順序閥(23)→換向閥(22)左位→頂料油缸(21)下腔。

回油路：頂料油缸(21)上腔→換向閥(22)左位→油箱。

4.2.5 加脂缸下行加脂

此時(shí)7YA斷電，頂料缸停止運(yùn)行，保持在上升的位置；同時(shí)3YA通電，加脂缸向下加脂，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：油箱→過濾器(1)→單向閥(9) →換向閥(12)右位→節(jié)流閥(13)→單向閥(15)→加脂油缸(20)上腔。

回油路：加脂油缸(20)上腔→外控順序閥(17)→節(jié)流閥(16)→油箱。

4.2.6 頂料缸退回

此時(shí)3YA斷電，加脂缸停止加脂， 同時(shí)8YA通電，頂料缸退回，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：

油箱→過濾器(1)→順序閥(23)→換向閥(22)右位→頂料油缸(21)上腔。

回油路：頂料油缸(21)下腔→換向閥(22)右位→油箱。

4.2.7 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)加脂工作臺旋轉(zhuǎn)90°

4.2.8 水平推料缸推料

此時(shí)1YA通電，推料缸向右推料，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：油箱→過濾器(1)→換向閥(8)左位→平衡閥(7)→推料油缸(6)左腔。

回油路：推料油缸(6)右腔→換向閥(8)左位→油箱。

4.2.9 水平推料缸推料

此時(shí)1YA斷電、2YA通電，推料缸退回原位，具體工作過程如下。

進(jìn)油路：油箱→過濾器(1)→換向閥(8)右位→平衡閥(7)→推料油缸(6)右腔。

回油路：推料油缸(6)左腔→換向閥(8)右位→油箱。

至此一次加脂過程完成，準(zhǔn)備下次工作循環(huán)。

5 結(jié)束語

本加脂機(jī)以液壓為動(dòng)力，以PLC為控制核心，具有操作方便，控制更準(zhǔn)確，自動(dòng)化程度更高，注脂均勻，定量精確，注脂量無級可調(diào)，軸承外觀無油脂污染等特點(diǎn)。液壓系統(tǒng)采用插裝閥作為元件，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠并易于集成；換向閥均采用電磁閥，易于PLC進(jìn)行精確控制。實(shí)驗(yàn)研究表明：通過對泵和節(jié)流閥的流量調(diào)節(jié)，可方便控制注脂量和注脂速度，實(shí)現(xiàn)注脂量無級可調(diào)；通過更換注脂頭和對系統(tǒng)各閥的調(diào)節(jié)，可對不同型號軸承進(jìn)行加脂，大大提高了加脂機(jī)的通用性和柔性。

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