一，液壓（淺談液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計）馬達制動回路的基本要求

　　1.限壓的需要

　　這里液壓馬達用于雙向回轉(zhuǎn)，當三位四通換向閥左側(cè)電磁鐵得電時，壓力油經(jīng)P口通至A口，同時B口通T口回油，從而驅(qū)動液壓馬達正向旋轉(zhuǎn)；反之，當三位四通換向閥右側(cè)電磁鐵得電時，P通B同時A通T回油驅(qū)動液壓馬達反向旋轉(zhuǎn)。

　　鑒于液壓馬達的性能要求，驅(qū)動液壓馬達的液壓油工作壓力必須限制在所使用的液壓馬達的額定壓力范圍內(nèi)，同時由于對液壓馬達運行平穩(wěn)性的要求，A，B兩個油路中都必須設(shè)置限壓閥或恒壓閥。

　　2.減緩液壓沖擊和補油的需要

　　液壓馬達從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為停止狀態(tài)時，即三位四通換向閥從任一得電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為失電狀態(tài)時，液壓馬達不會立即停止，依然會由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此過程中液壓馬達即轉(zhuǎn)換為油泵將驅(qū)動側(cè)的油液排至回油側(cè)，此時三位四通換向閥閥芯已快速回至中間位置，令A(yù)，B，P，T油路互不相通，導(dǎo)致驅(qū)動側(cè)壓力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樨搲海舨挥杓磿r補油可能會損壞液壓馬達；同時回油側(cè)壓力迅速升高產(chǎn)生液壓沖擊，該液壓沖擊若不予以減緩限制也會損壞液壓馬達。故A，B兩個油路中都必須設(shè)置限壓閥和補油閥。

　　3.液壓馬達液壓制動回路的基本需要通過以上分析可知，雙向液壓馬達液壓制動回路的基本組成必須包括限壓補油組件。限壓補油組件可以由多種方式實現(xiàn)，在此涉及的限壓補油組件構(gòu)成是由帶有單向閥的先導(dǎo)式順序閥和由先導(dǎo)式溢流閥與單向閥組成的溢流橋兩種方式。

　　二，鉗桿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)原理及存在的設(shè)計缺陷

　　1.先導(dǎo)式順序閥結(jié)構(gòu)及工作原理

　　先導(dǎo)式順序閥結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，先導(dǎo)式順序閥的主閥和先導(dǎo)閥均為滑閥式結(jié)構(gòu)，壓力油進入先導(dǎo)式順序閥作用在主閥芯下端，同時壓力油一路經(jīng)管道進入先導(dǎo)閥左端，作用在滑閥的左端面上，一路經(jīng)阻尼孔進入主閥芯上端，并進入先導(dǎo)閥的中間環(huán)形部分。當進油口p1壓力低于先導(dǎo)閥的調(diào)整壓力時，主閥芯關(guān)閉，先導(dǎo)式順序閥出油口p2無油流出。一旦進油口p1壓力超過先導(dǎo)閥的調(diào)整壓力時，進入先導(dǎo)閥左端的壓力就克服調(diào)整彈簧壓力將滑閥推向右邊，此時先導(dǎo)閥的中間環(huán)形部分與先導(dǎo)式順序閥出油口p2溝通，壓力油經(jīng)阻尼孔，主閥

　　芯上腔，先導(dǎo)閥流向出口。由于液阻的存在，主閥芯上腔壓力低于進油口p1壓力，主閥芯移動，使先導(dǎo)式順序閥進出油口p1和p2溝通。

　　2.鉗桿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　該100kN/250kN？m有軌鍛造操作機鉗桿旋轉(zhuǎn)由低速大轉(zhuǎn)矩徑向液壓馬達后置驅(qū)動，減速器輸出軸小齒輪與位于空心軸上的大齒圈嚙合，將旋轉(zhuǎn)動力傳遞到空心軸上，空心軸與鉗桿螺栓連接為一體，從而帶動鉗桿旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)鉗桿繞軸線做正，反方向360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，液壓控制采用三位四通比例換向閥控制。

　　液壓馬達型號INM4-800，額定壓力25MPa.按常規(guī)生產(chǎn)鍛件規(guī)格需要，兩個先導(dǎo)式順序閥壓力均調(diào)整為16MPa.液壓系統(tǒng)如圖3所示，液壓馬達由兩個帶單向閥的先導(dǎo)式順序閥（將順序閥的出油口接至油箱）實現(xiàn)雙向制動：當三位四通比例換向閥回中位時，液壓馬達在慣性力作用下，使一側(cè)壓力升高，此時由該側(cè)的先導(dǎo)式順序閥限壓減緩液壓沖擊。液壓馬達制動過程中另一側(cè)呈負壓狀態(tài)，由先導(dǎo)式順序閥附帶的單向閥從油箱吸油補充，從而實現(xiàn)液壓馬達制動。

　　3.原設(shè)計的缺陷分析

原設(shè)計將先導(dǎo)式順序閥的出油口p2接至油箱，當進油口壓力高于先導(dǎo)閥的調(diào)整壓力時，利用先導(dǎo)式順序閥的工作原理使進油口p1壓力通過出油口p2卸油回油箱降低并穩(wěn)定進油口p1的壓力。從而使先導(dǎo)式順序閥實現(xiàn)溢流恒壓和**限壓防止過載的功能，理論上可以實現(xiàn)液壓馬達液壓制動回路限壓，恒壓和補油功能，但在實際應(yīng)用中其缺陷卻不容小視。

    先導(dǎo)式順序閥的先導(dǎo)閥采用的是滑閥結(jié)構(gòu)，在順序閥中，滑閥結(jié)構(gòu)的閥芯理論上只要克服閥芯與閥體的摩擦力以及先導(dǎo)閥調(diào)整彈簧的彈力就可以移動，然而在實際應(yīng)用中，由于閥芯幾何形狀的偏差以及閥芯與閥體的不同軸，在中，高壓控制油路中，當閥芯停止一段時間后或換向時，閥芯在液壓操縱力作用下不移動，或液壓操縱力消除后，先導(dǎo)閥調(diào)整彈簧不能使閥芯復(fù)位，這種現(xiàn)象稱為液壓卡緊現(xiàn)象。閥芯的卡緊現(xiàn)象是由于閥芯所受徑向力不平衡所造成，它會使閥芯移動困難，液壓動作失靈。因為幾何形狀以及裝配精度不可能達到理想狀態(tài)，所以徑向力不平衡問題就是普遍存在的現(xiàn)象，只能設(shè)法減小而不能完全消除，與小直徑滑閥閥芯相比大直徑滑閥閥芯更容易出現(xiàn)問題。

　　100kN/250kN？m全液壓有軌鍛造操作機，原設(shè)計由帶有單向閥的先導(dǎo)式順序閥組成的液壓馬達液壓制動回路，控制鉗桿旋轉(zhuǎn)液壓馬達運行，投產(chǎn)后頻繁出現(xiàn)鉗桿旋轉(zhuǎn)液壓馬達油缸爆裂故障，導(dǎo)致液壓馬達內(nèi)部元件嚴重損毀，影響設(shè)備運行。經(jīng)細致檢查分析，確定液壓馬達質(zhì)量及選型不存在問題，原因在于，帶有單向閥的先導(dǎo)式順序閥作為鉗桿旋轉(zhuǎn)液壓馬達限壓補油組件的設(shè)計存在先天性缺陷。

　　　　從以上分析可知，由于先導(dǎo)式順序閥主閥芯和先導(dǎo)閥閥芯均采用的是滑閥結(jié)構(gòu)，而且主閥芯的直徑遠大于先導(dǎo)閥閥芯的直徑，因此先導(dǎo)式順序閥*易出現(xiàn)的故障現(xiàn)象是先導(dǎo)閥閥芯卡滯，由于先導(dǎo)閥閥芯卡滯導(dǎo)致順序閥超壓時不能及時卸壓，產(chǎn)生的液壓沖擊壓力遠遠超出液壓馬達所能承受的額定壓力值，出現(xiàn)液壓馬達損壞現(xiàn)象。

　　三，液壓制動回路改進及比較分析

　　1.改進措施

　　液壓元件檢查的結(jié)果證實了上述結(jié)論，因而采取了改進鉗桿旋轉(zhuǎn)液壓馬達液壓制動限壓補油組件的措施。在液壓馬達和三位四通比例換向閥等液壓元件不做改動的前提下，將鉗桿旋轉(zhuǎn)液壓馬達液壓制動回路改為溢流橋式液壓制動回路，如圖4所示。由四個單向閥和一個先導(dǎo)式溢流閥構(gòu)成的溢流橋組成了液壓制動限壓補油組件，當三位四通比例換向閥回中位時，液壓馬達在慣性作用下有繼續(xù)轉(zhuǎn)動的趨勢，它此時所排出的高壓油經(jīng)單向閥由溢流閥限壓，另一側(cè)靠單向閥從油箱吸油。該回路中的溢流閥既限制了換向閥回中位時引起的液壓沖擊，又能夠使液壓馬達平穩(wěn)制動。而且溢流橋出入口的四個單向閥，除構(gòu)成制動回路外，同時起到了液壓馬達的自吸補油作用。

　　2.先導(dǎo)式溢流閥的結(jié)構(gòu)工作原理

　　先導(dǎo)式溢流閥由主閥芯，主閥彈簧，閥體和先導(dǎo)閥等組成（圖5），壓力油進入先導(dǎo)式溢流閥直接作用在主閥芯上，同時經(jīng)阻尼孔及控制管道作用在主閥芯上端面和先導(dǎo)閥的先導(dǎo)錐閥上。當系統(tǒng)的壓力低于彈簧所調(diào)定的壓力值時，錐閥關(guān)閉，主閥芯兩端所受液壓力相等，主閥芯在彈簧的作用下壓向閥座，使P口與O口不相

　　通。當系統(tǒng)壓力超過彈簧的調(diào)定值時，先導(dǎo)錐閥打開，壓力油通過阻尼孔，管道，先導(dǎo)錐閥，回油管道流回油箱，此時由于液流通過阻尼孔的流動，造成主閥芯兩端的液壓力的不平衡，這個壓差超過彈簧的作用力而使閥芯移動，從而打開P和O的通道，實現(xiàn)溢流。理想狀態(tài)下無論溢流量的多少，先導(dǎo)式溢流閥P口的壓力始終保持調(diào)壓彈簧所調(diào)定的壓力值。

　　先導(dǎo)式溢流閥的主閥彈簧比較軟，剛度小，在很小的外力作用下即可被壓縮，主閥芯的位移量大小，對系統(tǒng)的壓力影響較小。先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)尺寸較小，其錐閥的承壓面積亦較小，調(diào)壓彈簧不必選用剛度較強的彈簧，因而使調(diào)節(jié)壓力比較輕便。阻尼孔起到增加主閥芯上下移動的阻尼，可以起到穩(wěn)定主閥芯的作用。

　　3.溢流橋式液壓制動回路與先導(dǎo)式順序閥液壓制動回路的比較

　　兩閥的外形相似；主閥芯結(jié)構(gòu)相同，均為滑閥結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)與工作原理相似；出現(xiàn)故障的幾率相差不大。

　　先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)閥芯為錐閥結(jié)構(gòu)，而先導(dǎo)式順序閥的先導(dǎo)閥是滑閥結(jié)構(gòu)，相比之下錐閥結(jié)構(gòu)在超壓打開和復(fù)位的靈敏性能上明顯優(yōu)于滑閥結(jié)構(gòu)。先導(dǎo)式順序閥常見的故障為滑閥閥芯卡滯引起不卸壓或卸壓慢，嚴重降低系統(tǒng)超壓或瞬間超壓造成液壓沖擊時保護液壓馬達的功能，而先導(dǎo)式溢流閥常見的故障是由于先導(dǎo)閥封閉不嚴使系統(tǒng)不上壓，很少出現(xiàn)系統(tǒng)超壓和瞬間超壓造成液壓沖擊時損壞液壓馬達的情況。溢流橋式液壓制動回路常見故障為先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)閥封閉不嚴出現(xiàn)系統(tǒng)不上壓或壓力低，液壓馬達正反兩個方向均出現(xiàn)相同的故障現(xiàn)象―――不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)矩低，此故障出現(xiàn)時不會損害液壓馬達，而先導(dǎo)式順序閥液壓制動回路常見故障現(xiàn)象為，由于任一側(cè)先導(dǎo)式順序閥的先導(dǎo)閥閥芯卡滯造成液壓馬達工作壓力過高或不能緩沖液壓沖擊，進而損壞液壓馬達。

　　溢流橋式液壓制動回路組件由四個單向閥和一個先導(dǎo)式溢流閥組成，表面上看共五個故障點，但因為單向閥不易出現(xiàn)故障，故實際使用中僅有一個故障點，而先導(dǎo)式順序閥液壓制動回路由兩個帶單向閥的先導(dǎo)式順序閥組成，共有兩個故障點。

　　　　兩種液壓制動回路出現(xiàn)的故障雖然都會影響到設(shè)備的正常運行，但先導(dǎo)式順序閥出現(xiàn)故障后多數(shù)會損壞液壓馬達；而先導(dǎo)式溢流閥僅經(jīng)過清洗或更換新閥即可排除故障，所以溢流橋式液壓制動回路常見故障造成的損失，停機修復(fù)時間及修理成本相對小得多。

　　實踐表明，改進后的溢流橋式液壓制動回路從元件工作原理，**性，可靠性及實際應(yīng)用效果等方面，明顯優(yōu)于原設(shè)計的先導(dǎo)式順序閥液壓制動回路，設(shè)備運行狀況顯著改善，再未出現(xiàn)過液壓馬達油缸爆裂的現(xiàn)象。W10.04-22

　　已知ne=780r/min，neNum=16384，i=48.5，PLC從6RA70讀取電機轉(zhuǎn)速信號值，轉(zhuǎn)換成曲軸輸出轉(zhuǎn)速，STEP7編程見圖7.（2）對曲軸轉(zhuǎn)速積分。PLC和6RA70通信速率為1.5Mbps，因此通過PROFIBUS-DP讀取的電機速度近似為即時速度。根據(jù)前面得出的角度計算定積分公式，系統(tǒng)通過OB37以20ms周期調(diào)用積分功能塊，每隔20ms讀取一次PLC從6RA70采集的曲軸轉(zhuǎn)速信號并累加，再乘以360°，即得出曲軸旋轉(zhuǎn)角度=20ms×（360°/6000ms）×Σn（t）（°/ms），PLC程序。

　　4.利用角度值控制剪切主電機

　　定尺剪曲軸角度和剪刃高度對應(yīng)，曲軸旋轉(zhuǎn)1周剪刃上下剪切一次，PLC根據(jù)曲軸旋轉(zhuǎn)角度控制剪機。剪機啟動后，當曲軸角度旋轉(zhuǎn)至225°，剪切電機開始減速，當曲軸角度旋轉(zhuǎn)至350°，系統(tǒng)發(fā)出零速命令，剪切過程停止。

　　三，控制效果

　　傳動系統(tǒng)已經(jīng)配置測速編碼器，不需要增加旋轉(zhuǎn)編碼器，高速計數(shù)器等測量設(shè)備，只需在PLC編制對速度信號進行積分運算的程序即可完成控制?？刂葡到y(tǒng)使用PROFIBUS-DP2通信，所有設(shè)備均在室內(nèi)工作，環(huán)境好，故障率低。利用積分運算得出的曲軸角度值，速度采樣周期只有20ms，誤差較小，和使用增量編碼器直接測量的角度值精度相當，運行兩年多，誤差始終≤1°。

　　四，結(jié)語

　　在實踐中，基于西門子PLC通過PROFIBUS-DP控制的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，均可借助積分運算的方法求出拖動電機旋轉(zhuǎn)的實際角度，這是一種比較經(jīng)濟可靠的控制方法。利用角度值不僅能實現(xiàn)上述介紹的電機速度控制，還可將角度值轉(zhuǎn)化為直線位移值，對物體運動極限進行控制。W10.04-25