液壓差動回路的應(yīng)用分析

鄭慶強(qiáng) 韓 波 韓玉勇

（1.棗莊職業(yè)學(xué)院，棗莊 277100；2.棗莊技師學(xué)院，棗莊 277100；3.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，棗莊 277599）

在機(jī)械加工中，為了減少加工空行程運(yùn)行時間，往往在工件定位夾緊工作完成的同時，讓刀具快速靠近工件，以提高勞動生產(chǎn)率，并合理利用機(jī)床功率。

1 執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動的方法

1.1 快速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的路徑

液壓缸速度計算公式為：

式中：q 為進(jìn)入液壓缸的流量；A 為液壓缸有效工作面積；v 為活塞的運(yùn)動速度。可知，要想使執(zhí)行元件獲得比較高的運(yùn)行速度，可以通過增大進(jìn)入液壓缸的流量q（如采用高壓小流量泵和低壓大流量泵組合的雙泵供油快速運(yùn)動回路）或者減小液壓缸有效工作面積A（液壓缸采用差動連接快速運(yùn)動回路、增速缸的增速回路）來實(shí)現(xiàn)，也可以將兩種方法聯(lián)合 使用。

1.1.1 增大流量

快進(jìn)動作是指執(zhí)行元件的運(yùn)行速度比正常工作過程表現(xiàn)的速度高一些。這個快進(jìn)動作可以通過增加流量來實(shí)現(xiàn)。比如，若正常工作過程中，液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作運(yùn)行速度并不高，但其快速進(jìn)給時的速度與工作進(jìn)給速度相差很大，就可以考慮采用高壓小流量泵和低壓大流量泵組合的雙聯(lián)泵作為系統(tǒng)動力源的快速運(yùn)動回路。在此回路中，高壓小流量泵能夠滿足正常工作壓力和工作進(jìn)給要求。在執(zhí)行快速運(yùn)動時，由于系統(tǒng)壓力的降低，一直在進(jìn)行卸荷動作的低壓大流量泵因卸荷閥關(guān)閉，其供應(yīng)的油液連同高壓小流量泵供應(yīng)的油液會一同進(jìn)入液壓工作系統(tǒng)，滿足快進(jìn)動作所需的大流量油液需求。該回路的優(yōu)點(diǎn)是回路簡單。低壓大流量泵的卸荷減少了動力消耗，回路效率較高，在機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。需要注意的是，在兩泵之間需要安裝一個單向閥，且其進(jìn)油口須確保與低壓大流量泵連接而不能反向連接。

采用蓄能器作為增大流量的補(bǔ)油回路也可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動。比如，間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓機(jī)械只是在某一工作階段需要快速運(yùn)動，蓄能器將其所儲存的液壓油釋放出來補(bǔ)充到執(zhí)行元件，滿足其快速運(yùn)動所需的總體油液需求。這樣系統(tǒng)就可選用流量較小的液壓泵和功率較小的電機(jī)，節(jié)約能源，并可有效降低油溫。

1.1.2 減小有效工作面積

減小液壓缸有效工作面積也可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)動作，如常見的起重機(jī)伸縮臂缸、自卸汽車的舉升缸等，往往將其稱為伸縮缸。缸體由兩級或多級活塞缸套裝在一起，且前一級的活塞與后一級的缸筒連為一體。這種結(jié)構(gòu)活塞桿伸出時行程大，收縮后結(jié)構(gòu)尺寸小，能夠?qū)崿F(xiàn)在有限的長度空間內(nèi)滿足更大伸出長度的需求，常用于起重運(yùn)輸車輛和消防云梯。工作過程中，先伸出的是結(jié)構(gòu)尺寸最大的活塞，再按結(jié)構(gòu)尺寸由大到小的順序依次伸出。此時，每個階段對應(yīng)的有效工作面積逐漸減小，所以其產(chǎn)生的推力也會由大到小，伸出的速度由慢到快。工作結(jié)束時，活塞縮回的先是結(jié)構(gòu)尺寸最小的，后按結(jié)構(gòu)尺寸由小到大的順序依次縮回，縮回速度由快到慢。

1.1.3 增大流量的同時減小有效工作面積

對于一般的立式液壓機(jī)而言，液壓機(jī)的快速下行動作往往是利用液壓機(jī)下行部分機(jī)械自身重量來帶動液壓缸活塞實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動。快速運(yùn)動所需補(bǔ)充的油液一般用充液閥充液的方法。若是一臺液壓缸水平放置的液壓機(jī)，快速沖壓動作則可以采用減小有效工作面積技術(shù)的增速液壓缸來實(shí)現(xiàn)。而在液壓缸空載快速回程時，可以設(shè)計為由蓄能器補(bǔ)油功能的差動連接快速回路，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)雙向的快速運(yùn)動。這是增大流量q的同時減小有效工作面積A 綜合方法的實(shí)際應(yīng)用。

1.2 差動回路的工作原理

單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，這種連接稱為差動連接。圖1 的回路就是利用二位三通電磁換向閥5 實(shí)現(xiàn)液壓缸差動連接的回路。當(dāng)換向閥5 處于彈簧位時，液壓泵1 輸出的液壓油同時與單桿液壓缸4的左右兩腔相通，此時兩腔壓力相等。由于液壓缸無桿腔的有效工作面積比有桿腔的有效工作面積大，活塞向右的推力大于向左的作用力，導(dǎo)致活塞向右移動[1]。

液壓缸4 無桿腔排出的油液與液壓泵1 輸出的油液共同流入無桿腔，即在不增加液壓泵流量的情況下增加了供給無桿腔的油液量q，相應(yīng)提高了活塞向右伸出的運(yùn)動速度v。

2 液壓差動回路設(shè)計需要注意的問題

實(shí)際應(yīng)用中，液壓系統(tǒng)的設(shè)計好壞需要看其是否能合理避免各種故障來作為判斷。

2.1 要全面考慮液壓元件的設(shè)計影響因子

注意液壓元件的設(shè)計要綜合考慮變化因子的影響。比如，圖1 采用的差動連接回路中，泵的流量和有桿腔排出的流量合在一起流過的閥和管路應(yīng)按合成流量選擇設(shè)計，因?yàn)榱髁康脑龃蟊厝粫斐梢簤合到y(tǒng)阻力增大，而壓力損失也會隨之增大。若設(shè)計時疏忽流量改變因素造成的影響，往往無法得到正常需要的液壓缸運(yùn)行速度[2]。

2.2 液壓缸的快進(jìn)推力要足夠

當(dāng)液壓缸快進(jìn)工作時，一般不需要產(chǎn)生推力。但是，當(dāng)有推力存在的時候，有效工作面積僅為活塞桿的截面面積，在壓力一定的情況下所產(chǎn)生的推力較小。要滿足相應(yīng)推力的需求，必須在充分滿足機(jī)械要求功率的條件下選擇液壓缸尺寸及工作壓力，而不是一味提高液壓泵1 的供油壓力，否則將導(dǎo)致泵的部分壓力油從溢流閥溢回油箱而引起供油量達(dá)不到差動快進(jìn)的目的。

2.3 注意油液發(fā)熱問題

差動回路中的液壓油由于工作時油液不能排回油箱冷卻，只能長時間在液壓缸兩個工作腔之間來回流動，導(dǎo)致油液會因工作循環(huán)次數(shù)高及回路阻力的存在造成油溫升高發(fā)熱，引起液壓系統(tǒng)工作效率下降、運(yùn)動部件磨損加劇等危害[3]。

3 差動連接的應(yīng)用實(shí)例

圖1 的液壓缸差動連接回路在設(shè)計原理上是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)的工作循環(huán)為“快進(jìn)→工進(jìn)→快退→停止”。系統(tǒng)中電磁鐵和液壓閥的工作情況見表1。

表1 液壓回路電磁鐵和液壓閥的工作情況

液壓缸快進(jìn)工作動作油液的進(jìn)油流動路線，如圖2 所示。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在液壓缸快退停止動作時，液壓缸會出現(xiàn)反向前沖現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，液壓缸快退結(jié)束進(jìn)行停止工作時，需要將二位三通電磁換向閥5 由通電狀態(tài)調(diào)整為斷電狀態(tài)，此時不可避免電磁閥將連通液壓缸的兩個工作腔，從而造成液壓缸在兩腔壓差的作用下產(chǎn)生一個反向運(yùn)動造成液壓缸 前沖。

為了解決該故障，在油路改進(jìn)設(shè)計時可以調(diào)整二位三通電磁換向閥5 的工作狀態(tài)，即將油路的快進(jìn)狀態(tài)設(shè)計為如圖3 所示的電磁換向閥5 的通電狀態(tài)。調(diào)整后液壓系統(tǒng)中電磁鐵和液壓閥的工作情況如表2 所示，避免了快退停止時液壓缸前沖現(xiàn)象，同時電磁閥5 只是快進(jìn)動作時處于通電狀態(tài)，延長了使用壽命[4]。

表2 調(diào)整后液壓回路電磁鐵和液壓閥的工作情況

4 差動液壓回路的優(yōu)點(diǎn)

圖2 調(diào)整后液壓缸差動連接回路，當(dāng)三位四通電磁換向閥3 和二位三通電磁換向閥5 左位接入時，液壓缸差動連接作快進(jìn)運(yùn)動。當(dāng)電磁換向閥5 電磁鐵斷電，差動連接即被切斷，液壓缸回油經(jīng)過單向調(diào)速閥6，實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給。三位四通電磁換向閥3 右位接入后，液壓缸實(shí)現(xiàn)快退動作。

該液壓系統(tǒng)采用由單向定量泵1 和單向調(diào)速閥6組成的回油路節(jié)流調(diào)速回路。這種回路裝置簡單，可以獲得比較大的調(diào)速范圍。單向調(diào)速閥6 在工作進(jìn)給過程中起到背壓作用，使液壓缸工作趨于平穩(wěn)。液壓系統(tǒng)采用溢流閥2 與單向定量泵1 控制的調(diào)壓溢流回路，控制了液壓缸所能產(chǎn)生的最大工作壓力。液壓系統(tǒng)采用中位機(jī)能為M 形的三位四通電磁換向閥3 的卸荷功能，換向閥中位時可節(jié)省能量消耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長液壓泵和電動機(jī)的壽命[5]。

5 結(jié)語

差動回路是一種節(jié)能型回路，但需要利用設(shè)計原理和技巧，最大限度發(fā)揮回路的優(yōu)勢。