液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中的應(yīng)用

熊家亮

（畢節(jié)市財(cái)貿(mào)學(xué)校，畢節(jié) 551700）

1 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的控制組件分為軟件和硬件兩大核心部分[1]。硬件部分由輸出模塊、編輯器和儲(chǔ)存器等關(guān)鍵部件組成，這些部件通過(guò)總線技術(shù)互聯(lián)。軟件部分則由系統(tǒng)程序和用戶程序構(gòu)成，其中系統(tǒng)程序是軟件部分的核心，負(fù)責(zé)控制可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），不僅具有靈活、多功能的優(yōu)點(diǎn)，還能高效管理儲(chǔ)存器和執(zhí)行程序編輯，滿足各種控制需求。用戶程序則用于根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整程序編譯和適應(yīng)性。液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)組成

PLC 在液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用，它的靈活性和廣泛適用性使得控制系統(tǒng)可以滿足不同的控制需求。通過(guò)調(diào)整程序，PLC 能有效優(yōu)化和升級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種目標(biāo)的遠(yuǎn)程操控[2]。它不僅功能全面、高度可靠，還具有用戶友好的操作界面和低維護(hù)成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抵抗干擾能力。

2 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理

液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要依靠液體的流動(dòng)性和壓力特性，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和機(jī)械動(dòng)作的控制。系統(tǒng)的高效性依賴于對(duì)液體特性的深入理解和精確控制，其中液體的流動(dòng)性和壓力承載能力是關(guān)鍵特性。

系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換和控制的效率極為重要，尤其是通過(guò)調(diào)節(jié)液壓元件進(jìn)行的控制。液壓系統(tǒng)的核心部分包括動(dòng)力元件、執(zhí)行元件以及輔助元件。動(dòng)力元件，如齒輪泵，是系統(tǒng)的能量來(lái)源，為液壓機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要的動(dòng)力。這些元件使液體在系統(tǒng)中以適當(dāng)?shù)膲毫土髁苛鲃?dòng)，確保連續(xù)和穩(wěn)定的能量供應(yīng)。執(zhí)行元件，如液壓缸、馬達(dá)，負(fù)責(zé)將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)具體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或作用力。它們對(duì)系統(tǒng)指令的快速響應(yīng)，使得精確控制機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)成為可能。輔助元件負(fù)責(zé)連接和協(xié)調(diào)動(dòng)力和執(zhí)行元件之間的交互，包括控制閥、管路和過(guò)濾器等，確保系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)性和高效運(yùn)作。在實(shí)際應(yīng)用中，這3 種元件各自發(fā)揮著特定功能，共同組成一個(gè)高效、協(xié)調(diào)的液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 在機(jī)床中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)床中扮演著重要的角色。該系統(tǒng)通過(guò)精密控制液壓油的流量和壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床動(dòng)作的高度精確調(diào)控。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)通常包含液壓泵、液壓缸、控制閥等核心組件。其中：液壓泵負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的壓力源；液壓缸將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件；控制閥負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)液體的流向和流量，從而精確控制機(jī)床的速度和力度。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于高效的動(dòng)力傳輸、出色的負(fù)載適應(yīng)性和優(yōu)異的控制精度，使得機(jī)床在進(jìn)行復(fù)雜加工時(shí)保持穩(wěn)定和精準(zhǔn)。此外，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的防震性能，能夠提升機(jī)床的加工質(zhì)量。這些特點(diǎn)使得液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)床中廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代機(jī)械制造過(guò)程中不可或缺的一部分[3]。

數(shù)控車床的自動(dòng)換刀裝置是一個(gè)典型的液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，展示出現(xiàn)代機(jī)械工程和自動(dòng)化技術(shù)的融合。在數(shù)控車床中，自動(dòng)換刀裝置的主要功能是快速、準(zhǔn)確地更換不同的刀具，從而提高加工效率和精度。換刀裝置通常包括1 個(gè)刀庫(kù)和1 個(gè)換刀機(jī)構(gòu)。其中，刀庫(kù)用于存儲(chǔ)多種刀具，而換刀機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)從刀庫(kù)中選取適當(dāng)?shù)牡毒甙惭b到主軸上。液壓缸在換刀操作中起到推動(dòng)作用。當(dāng)需要更換刀具時(shí)，液壓缸接收數(shù)控系統(tǒng)的指令，通過(guò)液壓油的壓力來(lái)推動(dòng)活塞，活塞再推動(dòng)刀盤軸和刀盤進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。刀盤軸是連接在液壓缸活塞上的部件，負(fù)責(zé)承載和旋轉(zhuǎn)刀盤。當(dāng)液壓缸推動(dòng)活塞時(shí)，刀盤軸隨之移動(dòng)，使得刀盤上的刀具被準(zhǔn)確定位到加工位置。為避免換刀時(shí)齒盤嚙合定位刀盤過(guò)程中出現(xiàn)移位現(xiàn)象，采用一體化結(jié)構(gòu)的液壓刀塔，并提高整個(gè)換刀過(guò)程的精確度和可靠性。綜上所述，數(shù)控車床中液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的精細(xì)設(shè)計(jì)和高效應(yīng)用，在提高加工精度、加工速度、設(shè)備可靠性及維護(hù)便捷性方面起著至關(guān)重要的作用。

3.2 在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)展現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在閉環(huán)式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中展現(xiàn)出卓越的調(diào)速能力。這種無(wú)級(jí)調(diào)速特性使機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備在啟動(dòng)、變速及平穩(wěn)行駛過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，體現(xiàn)出系統(tǒng)在效率上的優(yōu)勢(shì)，以及在靈活性和控制方面的能力。這種閉環(huán)式系統(tǒng)通常應(yīng)用于要求較高輸出力的設(shè)備，如重型機(jī)械，能在低壓條件下保持穩(wěn)定的操作速度，而開(kāi)放式回路設(shè)計(jì)主要用于簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的直線運(yùn)動(dòng)液壓缸控制。

在實(shí)際應(yīng)用中，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)以其高輸出率和大功率成為構(gòu)建伺服機(jī)構(gòu)的理想選擇。例如，電磁閥控制的直線液壓缸，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油流量實(shí)現(xiàn)精確的速度和位置控制，在設(shè)備接近終點(diǎn)時(shí)能高效減速并準(zhǔn)確停止。但是，使用較大直徑的液壓缸會(huì)導(dǎo)致體積增大和材料成本上升，進(jìn)而需要更高的開(kāi)發(fā)成本。為充分發(fā)揮這種系統(tǒng)的性能，需配備高性能的液油伺服閥。在液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，液壓缸與液壓閥構(gòu)成了系統(tǒng)的核心。作為主要執(zhí)行單元，液壓缸負(fù)責(zé)將液壓能高效轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，允許省略傳統(tǒng)的減速裝置，減少傳動(dòng)過(guò)程中的間隙。這樣的配置使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高度精確的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

在各種應(yīng)用場(chǎng)景下，液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)主要分為兩類，泵直接驅(qū)動(dòng)和泵-蓄能器組合驅(qū)動(dòng)。泵直接驅(qū)動(dòng)的核心泵組件的主要作用是向液壓缸輸送高壓油液，同時(shí)利用配流閥來(lái)調(diào)控系統(tǒng)的最大壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高效和安全的驅(qū)動(dòng)控制，適用于中小型機(jī)械。泵-蓄能器組合驅(qū)動(dòng)則結(jié)合蓄能器平衡油液需求，適用于大型機(jī)械，但這種方式電能消耗較高、操作復(fù)雜性較大。此外，液壓機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還可分為串聯(lián)和并聯(lián)2 種方式。串聯(lián)方式通過(guò)液壓馬達(dá)和變速器實(shí)現(xiàn)機(jī)械式變速，廣泛應(yīng)用于特種車輛等。而并聯(lián)方式則將液壓機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雙重功率的合成，直接調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速。總體而言，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)中表現(xiàn)出技術(shù)上的多樣性和適應(yīng)性，有效提高了操作效率和設(shè)備的可靠性。

3.3 在變速器中的應(yīng)用

液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)在變速器中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。液壓系統(tǒng)作為變速器的關(guān)鍵組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)比控制、壓力調(diào)節(jié)、潤(rùn)滑與冷卻、壓力生成與分配以及故障保護(hù)等功能，不僅提供了高效的動(dòng)力傳輸，還確保了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行的高效性[4]。在這種系統(tǒng)中，運(yùn)行的穩(wěn)定性主要取決于定量馬達(dá)和變量泵，兩者相互協(xié)作能保證動(dòng)力傳輸?shù)倪B續(xù)性和效率。在變速器運(yùn)行期間，系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)各自獨(dú)立工作。這些獨(dú)立的動(dòng)力源通過(guò)離合器傳送至液壓系統(tǒng)，并由液壓系統(tǒng)進(jìn)一步導(dǎo)向太陽(yáng)輪。此外，差動(dòng)輪系的有效應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力整合的關(guān)鍵，它允許變速器在不同速度間平滑過(guò)渡，提高了整體傳動(dòng)效率。為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)整合了動(dòng)態(tài)調(diào)整控制功能，用以精確操控馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。以礦山裝載機(jī)中的液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)為例，其開(kāi)式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的回路圖如圖2 所示。

圖2 開(kāi)式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)回路

該系統(tǒng)不僅能控制變速器的運(yùn)行，還能調(diào)節(jié)斜盤角度，從而精準(zhǔn)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)，核心組件包括離合器、變量泵以及液壓馬達(dá)[5]。在這種開(kāi)式液壓傳動(dòng)回路中，液壓馬達(dá)作為主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)差動(dòng)輪系合成機(jī)械和液壓動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋和變速功能，有效提高傳動(dòng)效率并降低能耗。因此，在礦山機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)能顯著提高燃料經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化整體機(jī)械性能。

4 結(jié)語(yǔ)

文章分析了液壓系統(tǒng)的基本組成，包括動(dòng)力源、控制閥、執(zhí)行器等關(guān)鍵部件，論述了這些部件如何通過(guò)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)力量和運(yùn)動(dòng)的控制。此外，探究了液壓系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)械行動(dòng)驅(qū)動(dòng)等不同設(shè)備中的具體應(yīng)用，闡述了液壓系統(tǒng)在這些設(shè)備中如何提升機(jī)械性能和工作效率。本研究旨在提升液壓系統(tǒng)的效率、精度和適應(yīng)性，從而推動(dòng)機(jī)械行業(yè)朝著更高效、智能化的方向發(fā)展。