墻板翻轉(zhuǎn)裝置多缸液壓同步系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

鄭 然，張一琦，丁 瑤，于 宇

(蚌埠凱盛工程技術(shù)有限公司，蚌埠 233010)

裝配式墻板建筑技術(shù)作為一種新型的建筑方式，因其具有施工機(jī)械化程度高、工期短、現(xiàn)場(chǎng)用工少、濕作業(yè)少、受季節(jié)影響小等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)外建筑制造中得到廣泛的應(yīng)用，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型建筑技術(shù)。

墻板翻轉(zhuǎn)裝置作為裝配式垂直墻板生產(chǎn)線上的主要設(shè)備之一，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)。翻轉(zhuǎn)時(shí)支撐工件的框架為整體式鋼框架結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)不同規(guī)格的工件，翻轉(zhuǎn)框架長(zhǎng)度尺寸超過(guò)8 m。由于工作負(fù)載高達(dá)數(shù)噸，若采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要較大功率，而液壓傳動(dòng)可以輸出較大推力及轉(zhuǎn)矩，且力矩慣量比大，調(diào)速范圍寬，更易實(shí)現(xiàn)低速大噸位的運(yùn)動(dòng)，因此墻板翻轉(zhuǎn)裝置采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)框架的翻轉(zhuǎn)。當(dāng)工件輸送到翻轉(zhuǎn)裝置后，均布在翻轉(zhuǎn)框架上的多個(gè)液壓缸帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)框架及其上工件繞轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)，框架最大翻轉(zhuǎn)角度超過(guò)90度。在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中必須保證多個(gè)液壓缸的同步性，否則無(wú)法正常完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，甚至造成設(shè)備變形損壞，無(wú)法正常工作。

1 多缸同步方案分析及驗(yàn)證

1.1 增加翻轉(zhuǎn)框架剛性方案

為了實(shí)現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)過(guò)程的多液壓缸同步性，我們?cè)谠O(shè)備制造時(shí)，首先考慮提高翻轉(zhuǎn)框架的剛性來(lái)保證翻轉(zhuǎn)過(guò)程的同步性——即采用機(jī)械剛性同步法，通過(guò)將被驅(qū)動(dòng)件制造成具有足夠剛度的結(jié)構(gòu)，使其依靠自身較大的剛度來(lái)平衡多個(gè)液壓缸可能產(chǎn)生的不同步。

對(duì)于墻板翻轉(zhuǎn)裝置而言，整體式翻轉(zhuǎn)框架尺寸達(dá)到8 m多，總重量為750 kg左右。若提高翻轉(zhuǎn)框架的剛性，需要增大框架材料厚度或者選擇更大規(guī)格的材料來(lái)制作。在對(duì)框架制作進(jìn)行工藝分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于本設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)，增加材質(zhì)厚度對(duì)框架的整體剛性提升不大，而采用更大規(guī)格材料制作的話，整個(gè)框架剛性增大效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于框架重量的增加成本，這樣不僅增加了框架的加工成本，也需要重新選擇更大承載能力的液壓缸來(lái)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，與設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生偏差，因而對(duì)于墻板翻轉(zhuǎn)設(shè)備而言，不易采用增加框架剛性的方式提高翻轉(zhuǎn)同步性。

1.2 液壓系統(tǒng)同步方案

經(jīng)過(guò)上述分析，筆者確定選擇通過(guò)液壓系統(tǒng)自身來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)液壓缸的同步工作，保證設(shè)備平穩(wěn)安全運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)多缸同步性能，液壓系統(tǒng)回路上主要有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：

方案一：節(jié)流調(diào)速同步

節(jié)流閥調(diào)節(jié)法原理示意圖如圖1所示，使用分流節(jié)流的方式，分別對(duì)各個(gè)液壓缸的進(jìn)出口的流量進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到調(diào)整各液壓缸速度的目的，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步。特點(diǎn)是價(jià)格低廉，安裝調(diào)整方便，流量范圍大，由于管路長(zhǎng)度差異、油缸加工精度差異及負(fù)載一致性等差異，節(jié)流閥調(diào)速同步精度不高，正常同步精度只能達(dá)到5%～10%。

對(duì)于墻板翻轉(zhuǎn)設(shè)備，工件規(guī)格尺寸繁多，不同規(guī)格工件放置位置也不一樣，工作負(fù)載偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，若使用節(jié)流調(diào)節(jié)同步，在每一種規(guī)格時(shí)都需要重新對(duì)液壓缸出入口處節(jié)流閥進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，無(wú)法滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求。

方案二：液壓伺服同步

假軸車輛一般是指在車輛原軸型的基礎(chǔ)上自行加裝車軸(一般為1組)的車輛。通常假軸車輛在行駛到收費(fèi)站時(shí)，司機(jī)會(huì)將事先安裝好的帶有液壓裝置的假軸放下，以增加車輛的軸數(shù)和提高限載質(zhì)量上限，從而通過(guò)稱重設(shè)備的檢測(cè)。這種行為會(huì)對(duì)高速公路的路基造成嚴(yán)重?fù)p害，增加高速公路運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)成本,且甄別難度很大，采用人工的方式甄別不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)甄別。因此，對(duì)假軸車輛進(jìn)行自動(dòng)判別是收費(fèi)稽查工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

液壓伺服同步調(diào)節(jié)原理示意圖如圖2所示，采用伺服閥及位移傳感器組成一個(gè)閉合回路，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，采用電腦程序控制，高速響應(yīng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整，抗偏載能力強(qiáng)。通常同步精度可以控制在0.01%～0.5%。

此液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配調(diào)試?yán)щy，需要電氣工程師配合，如果在調(diào)試過(guò)程中增添及更換元件，操作難度大，生產(chǎn)使用中維護(hù)保養(yǎng)困難。并且關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口，價(jià)格極高，周期久，對(duì)于墻板翻轉(zhuǎn)裝置而言，設(shè)備翻轉(zhuǎn)同步精度要求不是特別嚴(yán)苛，使用伺服同步系統(tǒng)過(guò)大地增加了產(chǎn)品成本。

方案三：液壓同步馬達(dá)

液壓同步馬達(dá)同步原理如圖3所示，同步馬達(dá)又叫分流馬達(dá)或者液壓同步器，主要分為齒輪式同步馬達(dá)和柱塞式同步馬達(dá)，其中齒輪式可以達(dá)到5%以下的同步精度，柱塞式的同步精度可達(dá)到0.5%。液壓馬達(dá)同步性能好，抗偏載能力強(qiáng)，抗污染能力強(qiáng)，適用于中低壓情況，但是體積大，價(jià)格相對(duì)較高，尤其是柱塞式同步馬達(dá)，成本極高。

液壓同步馬達(dá)結(jié)構(gòu)如圖4所示，在液壓同步馬達(dá)內(nèi)部的每一條油路上，都有一個(gè)液壓溢流閥3.1 與單向閥3.2組成的閥組，當(dāng)由于液壓缸加工精度、負(fù)載均勻度、液壓管路布置等因素造成各個(gè)液壓缸出現(xiàn)不同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，溢流閥與單向閥組成的閥組將對(duì)各個(gè)出口進(jìn)行流量調(diào)控，消除積累誤差，保證各路流量的均等，同步液壓馬達(dá)就是通過(guò)強(qiáng)制性的向各個(gè)出口分配相等的流量，保證液壓缸得到的進(jìn)油相等，從而達(dá)到同步效果。

綜合考慮以上3種方案：

1)在生產(chǎn)制造成本方面伺服同步系統(tǒng)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余兩種方式。

2)生產(chǎn)使用同步精度要求方面，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)對(duì)同步性能的要求并非十分苛刻，只要滿足翻轉(zhuǎn)功能即可，若使用伺服同步系統(tǒng)，同步精度過(guò)高，比較浪費(fèi)。而節(jié)流調(diào)速同步無(wú)法滿足多規(guī)格工件翻轉(zhuǎn)使用要求。

通過(guò)上述分析，最終確認(rèn)采用方案三的液壓同步馬達(dá)同步方案，價(jià)格適中并且同步精度可以達(dá)到設(shè)備生產(chǎn)使用性能要求。

按照最終確認(rèn)的液壓同步馬達(dá)同步方案進(jìn)行了液壓系統(tǒng)設(shè)備制造，并在墻板翻轉(zhuǎn)設(shè)備裝配后對(duì)設(shè)備進(jìn)行了多缸同步性能的分步驗(yàn)證。

1)在設(shè)備裝配后，不連接翻轉(zhuǎn)框架，對(duì)各油缸進(jìn)行了伸出及收回尺寸測(cè)試。

表1 不連接翻轉(zhuǎn)框架下對(duì)油缸的伸出及收回尺寸測(cè)試

2)將各液壓缸與翻轉(zhuǎn)框架連接，在不帶工件的情況下，對(duì)各油缸進(jìn)行了伸出及收回尺寸測(cè)試。

表2 不帶工件的情況下對(duì)油缸進(jìn)行伸出及收回尺寸測(cè)試

3)對(duì)翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行帶載測(cè)試(使用350 kg工件，居中放置)，對(duì)各油缸進(jìn)行了伸出及收回尺寸測(cè)試。

表3 對(duì)翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行帶載測(cè)試(使用350 kg工件，居中放置)

4)對(duì)翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行帶載測(cè)試(使用700 kg工件，偏載放置)，對(duì)各油缸進(jìn)行了伸出及收回尺寸測(cè)試。

表4 對(duì)翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行帶載測(cè)試(使用700 kg工件，偏載放置)

由上述調(diào)試記錄可以看出，在不同負(fù)載工況下，使用液壓同步馬達(dá)同步系統(tǒng)保持了較好的同步性能，同步精度均在3%以下，完全滿足墻板翻轉(zhuǎn)裝置使用性能要求。

2 翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析及改進(jìn)

為確?？蚣芊D(zhuǎn)后的穩(wěn)定性，液壓缸均配有液壓鎖實(shí)現(xiàn)保壓，但在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到90度左右時(shí)，翻轉(zhuǎn)框架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象，整個(gè)框架有抖動(dòng)與沖擊現(xiàn)象產(chǎn)生，并產(chǎn)生較大噪音。反復(fù)測(cè)試后，均無(wú)法避免該現(xiàn)象，若長(zhǎng)此以往必將對(duì)設(shè)備造成損傷。

經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)框架經(jīng)過(guò)重心平衡點(diǎn)時(shí)，翻轉(zhuǎn)液壓缸推力拉力變化，液壓鎖的一側(cè)產(chǎn)生真空，液壓鎖的單向閥門關(guān)閉，活塞桿停止運(yùn)動(dòng)，在繼續(xù)供油后，工作腔壓力上升后再打開(kāi)單向閥門，如此反復(fù)，使得液壓系統(tǒng)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。

筆者考慮使用液壓雙向平衡閥來(lái)替換系統(tǒng)中的液壓鎖，平衡閥是根據(jù)負(fù)載的大小(壓力)來(lái)決定開(kāi)口的大小(開(kāi)口流量)，平衡閥會(huì)在工作回路中建立一定的背壓，當(dāng)產(chǎn)生負(fù)扭矩情況時(shí)，使得液壓缸或者液壓馬達(dá)不會(huì)在自重下滑的過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)壓，因此不會(huì)發(fā)生液壓鎖那樣的沖擊與振動(dòng)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

3 結(jié) 論

墻板翻轉(zhuǎn)裝置是墻板生產(chǎn)線的主要設(shè)備之一，通過(guò)對(duì)其液壓同步系統(tǒng)分析驗(yàn)證，及后續(xù)調(diào)試對(duì)其穩(wěn)定性能的改進(jìn)，有效地提升了設(shè)備穩(wěn)定性及可靠性。