ГИДРОПРИВОД ПОДВИЖНОЙ ТРАВЕРСЫ ПРЕССА
HYDRAULIC DRIVE OF PRESS MOVING BEAM

Изобретение относится к области прессового оборудования, а именно к управляющим устройствам для гидравлических прессов, и может быть использовано при создании новых и модернизации существующих гидравлических приводов подвижной траверсы, например, ковочных и штамповочных прессов.
Известен гидропривод подвижной траверсы пресса, содержащий рабочий и возвратные гидроцилиндры, гидрораспределители управления этими гидроцилиндрами, бак наполнения, напорную гидролинию, соединенную с насосно-аккумуляторной станцией, сливную гидролинию, соединенную с баком, находящимся под атмосферным давлением, и устройство декомпрессии рабочей жидкости в рабочем гидроцилиндре, состоящее из приемного гидроцилиндра и выходного пневмоцилиндра с установленным между их подвижными звеньями разделительным элементом, при этом рабочая полость приемного гидроцилиндра гидравлически соединена посредством управляемых клапанов с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра и с баком наполнения [1].
расч.н
В данном гидроприводе разделительный элемент устройства декомпрессии выполнен в виде механической передачи с переменным передаточным отношением (например, в виде копира, установленного на подвижном звене приемного гидроцилиндра с возможностью регулирования положения вдоль его оси и имеющего криволинейную рабочую поверхность для взаимодействия с подвижным звеном выходного пневмоцилиндра). При этом меньшее значение передаточного отношения механической передачи, представляющее собой отношение скоростей перемещения подвижных звеньев выходного пневмоцилиндра и приемного гидроцилиндра, соответствует большему значению координаты подвижного звена приемного гидроцилиндра, отсчитываемой от положения этого звена, при котором объем рабочей полости приемного гидроцилиндра минимален. Переменное передаточное отношение выбирается таким образом, чтобы при любом положении подвижного звена приемного гидроцилиндра в процессе декомпрессии (при расчетном начальном значении p давления в рабочем гидроцилиндре пресса по окончании рабочего хода) получить полезное усилие, создаваемое жидкостью на этом звене, превышающее с небольшим запасом усилие, необходимое для перемещения при этом подвижного звена пневмоцилиндра в направлении уменьшения объема рабочей полости последнего. В итоге в процессе разгрузки рабочего гидроцилиндра от давления с использованием устройства декомпрессии в выходном пневмоцилиндре последнего посредством газа происходит аккумулирование энергии в результате преобразования части потенциальной энергии рабочей жидкости и металлоконструкций (в частности, колонн) пресса, запасенной в них к концу рабочего хода пресса вследствие упругих деформаций. Энергия сжатого газа, заключенного в герметично запертой рабочей полости выходного пневмоцилиндра устройства декомпрессии, используется далее для совершения полезной работы при выполнении последующих технологических операций изменения положения подвижной траверсы пресса.
Однако, если рабочий ход пресса заканчивается при давлении в рабочем гидроцилиндре, не достаточном при текущем значении передаточного отношения механической передачи устройства декомпрессии для перемещения подвижного звена приемного гидроцилиндра в направлении, соответствующем увеличению объема рабочей полости этого гидроцилиндра, то в указанной ситуации устройство декомпрессии не работает. В этом случае потенциальная энергия, накопленная вследствие упругих деформациях жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, преобразуется в тепловую энергию (и в конечном итоге теряется, рассеиваясь в окружающую среду) в процессе выпуска жидкости из рабочего гидроцилиндра через наполнительно-сливной клапан. К тому же такая разгрузка рабочего гидроцилиндра от давления может сопровождаться нежелательными переходными процессами (гидравлическим ударом) в наполнительно-сливной гидролинии пресса.
расч.н
факт.н
расч.н,
факт.н
расч.н
При заниженном значении p, принятом при проектировании механической передачи, и фактических значениях p давления в рабочем гидроцилиндре по окончании рабочего хода, превышающих величину pпотенциальная энергия, накопленная во время рабочего хода (вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса), теряется тем в большей степени, чем больше разность (p - p).
Кроме того, с помощью механической передачи устройства декомпрессии преобразование энергии при работе рассматриваемого гидропривода происходит дважды (сначала преобразование потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, в энергию сжатого газа, а затем преобразование энергии сжатого газа в механическую энергию жидкости), что сопровождается дополнительными потерями энергии, снижая энергетическую эффективность гидропривода пресса в целом.
Через механическую передачу устройства декомпрессии в процессе его работы передается значительное усилие, что (для обеспечения требуемых надежности и долговечности указанной передачи с переменным передаточным отношением) предопределяет высокие требования к ее конструкции и исполнению, повышая стоимость устройства декомпрессии.
В рассматриваемом гидроприводе выходной пневмоцилиндр устройства декомпрессии фактически является пневматическим аккумулятором и представляет собой устройство повышенной опасности для обслуживающего персонала. Необходимость в применении в составе устройства декомпрессии такого пневматического аккумулятора не является безусловной, если учесть, что питание гидропривода пресса рабочей жидкостью высокого давления производится от насосно-аккумуляторной станции, в состав которой входит пневмогидравлический аккумулятор.
Таким образом, конструкция известного гидропривода подвижной траверсы пресса обладает рядом недостатков, основным из которых является то, что в ряде ситуаций она не обеспечивает аккумулирование потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, для последующего совершения за счет упомянутой энергии полезной работы или позволяет это делать недостаточно эффективно.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является принятый в качестве прототипа гидропривод подвижной траверсы пресса, содержащий рабочий и возвратные гидроцилиндры, гидрораспределители управления этими гидроцилиндрами, бак наполнения, напорную гидролинию, соединенную с насосно-аккумуляторной станцией, сливную гидролинию, соединенную с баком, находящимся под атмосферным давлением, и устройство декомпрессии рабочей жидкости в рабочем гидроцилиндре, состоящее из приемного и выходного гидроцилиндров с установленным между их подвижными звеньями разделительным элементом, при этом рабочая полость приемного гидроцилиндра гидравлически соединена посредством управляемых клапанов с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра и со сливной гидролинией, а рабочая полость выходного гидроцилиндра устройства декомпрессии посредством обратного клапана соединена с напорной гидролинией и посредством другого обратного клапана с баком наполнения [2].
В указанном гидроприводе разделительный элемент устройства декомпрессии выполнен в виде клиношарнирного механизма с переменным передаточным отношением, выбираемым таким образом, чтобы в ходе разгрузки рабочего гидроцилиндра от давления (в процессе декомпрессии) полезное усилие, создаваемое жидкостью на подвижном звене приемного гидроцилиндра, превышало с небольшим запасом усилие, необходимое для перемещения при этом подвижного звена выходного гидроцилиндра в направлении уменьшения объема рабочей полости последнего и вытеснения рабочей жидкости из выходного гидроцилиндра через соответствующий обратный клапан в напорную гидролинию пресса (и далее в аккумулятор насосно-аккумуляторной станции).
расч.н
факт.н
факт.н
расч.н
факт.н
расчм
Однако такой выбор передаточного отношения возможен лишь для случая определенного расчетного начального значения p давления рабочей жидкости в рабочем гидроцилиндре пресса по окончании рабочего хода подвижной траверсы. Если фактическое значение p указанного давления будет больше расчетного, то потенциальная энергия, накопленная во время рабочего хода (вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса), теряется тем в большей степени, чем больше разность (p - p). Если же, наоборот, в процессе работы пресса p оказывается меньше р, то устройство декомпрессии не работает из-за недостаточности силы давления жидкости для перемещения подвижного звена приемного гидроцилиндра. В последнем случае потенциальная энергия, накопленная вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, преобразуется в тепловую энергию (и в конечном итоге теряется, рассеиваясь в окружающую среду) в процессе выпуска жидкости из рабочего гидроцилиндра через наполнительно-сливной клапан. К тому же такой выпуск сжатой жидкости из рабочего гидроцилиндра может сопровождаться нежелательными переходными процессами (гидравлическим ударом) в наполнительно-сливной гидролинии пресса.
Полная потеря в ряде ситуаций потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, или недостаточно полное аккумулирование (сохранение) указанной энергии для последующего совершения за счет ее полезной работы являются основными недостатками известного гидропривода.
Еще одним недостатком рассматриваемого гидропривода является наличие механической передачи (в виде клиношарнирного механизма) с переменным передаточным отношением в конструкции устройства декомпрессии рабочего гидроцилиндра. Во-первых, через эту передачу в процессе разгрузки рабочего гидроцилиндра от высокого давления передается значительное усилие, что делает ее элементом ненадежности, а во-вторых, преобразование потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, с использованием устройства декомпрессии сопровождается дополнительными потерями энергии в механической передаче, что снижает энергетическую эффективность гидропривода пресса в целом.
Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение энергетической эффективности (коэффициента полезного действия) гидропривода пресса путем увеличения степени сохранения для последующего использования потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, вне зависимости от значения давления в рабочем гидроцилиндре по окончании рабочего хода подвижной траверсы.
Для решения поставленной задачи в известном гидроприводе подвижной траверсы пресса, содержащем рабочий и возвратные гидроцилиндры, гидрораспределители управления этими гидроцилиндрами, бак наполнения, напорную гидролинию, соединенную с насосно-аккумуляторной станцией, сливную гидролинию, соединенную с баком, находящимся под атмосферным давлением, и устройство декомпрессии рабочей жидкости в рабочем гидроцилиндре, состоящее из приемного и выходного гидроцилиндров с установленным между их подвижными звеньями разделительным элементом, при этом рабочая полость приемного гидроцилиндра гидравлически соединена посредством управляемых клапанов с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра и со сливной гидролинией, а рабочая полость выходного гидроцилиндра устройства декомпрессии посредством обратного клапана соединена с напорной гидролинией и посредством клапана с баком наполнения, согласно изобретению устройство декомпрессии выполнено с количеством идентичных выходных гидроцилиндров, не меньшим, по крайней мере, двух, суммарная эффективная площадь подвижных звеньев выходных гидроцилиндров меньше эффективной площади подвижного звена приемного гидроцилиндра, оси параллельны оси приемного гидроцилиндра и расположены симметрично относительно ее, разделительный элемент устройства декомпрессии выполнен в виде плиты, жестко закрепленной с одной стороны на подвижном звене приемного гидроцилиндра и контактирующей своей плоской поверхностью с противоположной стороны с подвижными звеньями выходных гидроцилиндров, оси которых ортогональны к этой поверхности, рабочая полость каждого из выходных гидроцилиндров соединена с напорной гидролинией посредством индивидуального обратного клапана и с баком наполнения посредством индивидуального гидравлически управляемого двухлинейного клапана, первая из полостей управления которого, обеспечивающая силу на открытие проходного сечения клапана, соединена с напорной гидролинией, вторая, обеспечивающая силу на закрытие проходного сечения клапана, с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра, а входная полость, обеспечивающая силу на закрытие проходного сечения клапана, с рабочей полостью соответствующего выходного гидроцилиндра, при этом эффективная площадь запорного элемента гидравлически управляемого двухлинейного клапана со стороны входной полости меньше эффективной площади запорного элемента со стороны первой полости управления, а отношение разности эффективных площадей запорного элемента со стороны первой полости управления и входной полости к эффективной площади запорного элемента со стороны второй полости управления меньше единицы и больше нуля и для разных двухлинейных клапанов имеет разные значения, распределенные в указанном диапазоне, и связано с количеством выходных гидроцилиндров и соотношением эффективных площадей подвижных звеньев выходного и приемного гидроцилиндров зависимостью:
где
j - номер двухлинейного клапана в порядке открытия его проходного сечения по мере снижения давления в рабочем гидроцилиндре пресса в процессе декомпрессии (j=1, …, n);
n - количество выходных гидроцилиндров (и соответствующих им двухлинейных клапанов) в составе устройства декомпрессии;
j
p - давление в рабочем гидроцилиндре, при котором должно происходить открытие проходного сечения j-го двухлинейного клапана;
б.н
p - давление в баке наполнения;
пит
p - давление в напорной гидролинии;
тр1
тр1
k - поправочный коэффициент, учитывающий трение в подвижных парах двухлинейного клапана при открытии его проходного сечения (k>1);
зап
зап
k - коэффициент запаса по давлению (k>1).
п.ц
A - эффективная площадь подвижного звена приемного гидроцилиндра;
в.ц
в.ц
п.ц
A - эффективная площадь подвижного звена выходного гидроцилиндра (nA<A);
тр2
тр2
k - поправочный коэффициент, учитывающий трение в подвижных парах приемного и выходного гидроцилиндров, в процессе декомпрессии (k>1).
Здесь и далее под эффективной площадью объекта, взаимодействующего с жидкостью, понимается площадь, при умножении которой на значение давления жидкости получается сила давления, действующая на объект в направлении его возможного перемещения.
Совокупность признаков предлагаемого гидропривода, состоящая в том, что устройство декомпрессии выполнено с количеством идентичных выходных гидроцилиндров, не меньшим, по крайней мере, двух, суммарная эффективная площадь подвижных звеньев выходных гидроцилиндров меньше эффективной площади подвижного звена приемного гидроцилиндра, оси параллельны оси приемного гидроцилиндра и расположены симметрично относительно ее, разделительный элемент устройства декомпрессии выполнен в виде плиты, жестко закрепленной с одной стороны на подвижном звене приемного гидроцилиндра и контактирующей своей плоской поверхностью с противоположной стороны с подвижными звеньями выходных гидроцилиндров, оси которых ортогональны к этой поверхности, рабочая полость каждого из выходных гидроцилиндров соединена с напорной гидролинией посредством индивидуального обратного клапана и с баком наполнения посредством индивидуального гидравлически управляемого двухлинейного клапана, первая из полостей управления которого, обеспечивающая силу на открытие проходного сечения клапана, соединена с напорной гидролинией, вторая, обеспечивающая силу на закрытие проходного сечения клапана, с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра, а входная полость, обеспечивающая силу на закрытие проходного сечения клапана, с рабочей полостью соответствующего выходного гидроцилиндра, при этом эффективная площадь запорного элемента гидравлически управляемого двухлинейного клапана со стороны входной полости меньше эффективной площади запорного элемента со стороны первой полости управления, а отношение разности эффективных площадей запорного элемента со стороны первой полости управления и входной полости к эффективной площади запорного элемента со стороны второй полости управления меньше единицы и больше нуля и для разных двухлинейных клапанов имеет разные значения, распределенные в указанном диапазоне, и связано с количеством выходных гидроцилиндров и соотношением эффективных площадей подвижных звеньев выходного и приемного гидроцилиндров зависимостью (1), позволяет при минимальных потерях обеспечить сохранение для последующего использования потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, вне зависимости от значения давления в рабочем гидроцилиндре по окончании рабочего хода подвижной траверсы.
р.ц
j
Зависимость (1) представляет собой преобразованное уравнение баланса сил, действующих на запорный элемент j-го двухлинейного клапана в момент потери силового контакта между запорным элементом и его седлом. При незначительном уменьшении давления p в рабочем гидроцилиндре пресса ниже значения p входная полость клапана, соединенная с рабочей полостью соответствующего j-го выходного гидроцилиндра, через открывающееся при этом проходное сечение, сообщается с выходной полостью клапана, соединенной с баком наполнения. При этом давление во входной полости j-го клапана и, соответственно, сила, действующая на его запорный элемент в направлении закрытия проходного сечения клапана, уменьшаются. В итоге результирующая сила на запорный элемент клапана в направлении его открытия увеличивается, что, в конечном итоге, влечет за собой лавинообразный процесс открытия проходного сечения клапана, через которое его входная полость сообщается с выходной полостью, на максимальную величину. Поскольку через открывшееся проходное сечение j-го клапана рабочая полость j-го выходного гидроцилиндра соединяется с баком наполнения, то сила сопротивления на подвижном звене приемного гидроцилиндра устройства декомпрессии снижается, благодаря чему процесс его движения за счет потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, сопровождаемый вытеснением жидкости через соответствующие обратные клапаны в напорную гидролинию пресса из отсоединенных от бака наполнения (n-j) выходных гидроцилиндров, продолжается.
Для того чтобы процесс декомпрессии после открытия проходного сечения (j-1)-го двухлинейного клапана продолжался, необходимо выполнение условия:
р.ц
р.ц j
P>P,
р.ц j
где P - предельное давление в рабочем гидроцилиндре пресса, достаточное для создания жидкостью на подвижном звене приемного гидроцилиндра устройства декомпрессии усилия, необходимого для перемещения при этом подвижных звеньев выходных гидроцилиндров в направлении уменьшения объема рабочей полости последних и вытеснения рабочей жидкости через соответствующие обратные клапаны в напорную гидролинию пресса (и далее в аккумулятор насосно-аккумуляторной станции) из (n+1-j) выходных гидроцилиндров, а из (j-1) выходных гидроцилиндров через двухлинейные клапаны, проходные сечения которых уже открылись, в бак наполнения.
Согласно уравнению баланса сил, действующих на подвижные звенья приемного и выходных гидроцилиндров устройства декомпрессии, при выполнении разделительного элемента в виде плиты:
j
зап
р.ц j
Из сопоставления выражений (2) и (3) видно, что: p=kp.
j
j
р.ц j
зап
факт.н
р.ц
Таким образом, если отношение i выбрано в соответствии с результатами расчета по формуле (1), то давление p в рабочем гидроцилиндре, при котором происходит открытие проходного сечения j-го двухлинейного клапана, больше давления P, достаточного для работы устройства декомпрессии при закрытом проходном сечении указанного клапана (так как коэффициент запаса k больше единицы). В связи с этим процесс декомпрессии в рабочем гидроцилиндре при работе предлагаемого гидропривода может осуществляться вне зависимости от значения давления в рабочем гидроцилиндре по окончании рабочего хода подвижной траверсы, так как при любом начальном значении p давления в рабочем гидроцилиндре (благодаря тому что суммарная эффективная площадь подвижных звеньев выходных гидроцилиндров меньше эффективной площади подвижного звена приемного гидроцилиндра и по мере снижения давления p происходит автоматическое открытие проходного сечения двухлинейных клапанов) движущая сила, создаваемая на подвижном звене приемного гидроцилиндра, превышает силу сопротивления, создаваемую выходными гидроцилиндрами.
п.ц
Значение площади A и величина хода подвижного звена приемного гидроцилиндра устройства декомпрессии выбираются из конструктивных соображений с учетом максимального объема жидкости, которая в процессе декомпрессии будет поступать в приемный гидроцилиндр.
в.ц
1
1
пит
n
n
б.н
Если значение количества n выходных гидроцилиндров или эффективной площади A их подвижного звена назначается проектировщиком, то вторая из указанных величин определяется при заданном значении p(p<p) или p(p≥p) с использованием одного из следующих соотношений, базирующихся на выражении (2):
1
n
в.ц
Если заданы оба значения p и p, то необходимые значения n и A определяются в результате решения системы уравнений (4), (5).
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная гидравлическая схема гидропривода подвижной траверсы пресса.
Гидропривод подвижной траверсы пресса содержит рабочий гидроцилиндр 1, возвратные гидроцилиндры 2, 3, гидрораспределители 4, 5 управления соответственно рабочим 1 и возвратными 2, 3 гидроцилиндрами, бак наполнения 6, напорную гидролинию 7, соединенную с насосно-аккумуляторной станцией 8, сливную гидролинию 9, соединенную с баком 10, находящимся под атмосферным давлением, и устройство декомпрессии 11.
Плунжеры гидроцилиндров 1, 2, 3 соединены с подвижной траверсой 12 пресса.
В состав гидрораспределителя 4 входят напорный 13 и наполнительно-сливной 14 клапаны. Рабочая полость гидроцилиндра 1 соединена посредством напорного клапана 13 с напорной гидролинией 7 пресса, а посредством наполнительно-сливного клапана 14 с наполнительно-сливной гидролинией 15 пресса, которая в свою очередь соединена с баком наполнения 6.
В состав гидрораспределителя 5 входят напорный 16 и сливной 17 клапаны. Рабочие полости возвратных гидроцилиндров 2, 3 соединены между собой и посредством напорного клапана 16 с напорной гидролинией 7 пресса, а посредством сливного клапана 17 с наполнительно-сливной гидролинией 15.
Все вышеперечисленные клапаны имеют индивидуальное электрогидравлическое управление. На чертеже все клапаны показаны в состоянии, когда их проходное сечение закрыто.
Для контроля давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1 к ней присоединен датчик давления 18.
в.ц
п.ц
Устройство декомпрессии 11 состоит из приемного гидроцилиндра 19 и выходных гидроцилиндров 20, 21, 22, суммарная эффективная площадь подвижных звеньев которых меньше эффективной площади подвижного звена приемного гидроцилиндра 19 (nA<A), а оси параллельны оси приемного гидроцилиндра 19 и расположены симметрично относительно ее. На чертеже в качестве примера показаны три выходных гидроцилиндра 20, 21, 22. В общем случае количество выходных гидроцилиндров может быть больше; причем, чем больше количество выходных гидроцилиндров, тем выше степень сохранения потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода подвижной траверсы.
На чертеже гидроцилиндры 19, 20, 21, 22 показаны как плунжерные, и их подвижными звеньями являются плунжеры. Приемный и выходные гидроцилиндры могут быть также поршневыми. При этом выходные гидроцилиндры устройства декомпрессии могут иметь общий корпус, выполненный в виде блока цилиндров.
Между подвижными звеньями (в рассматриваемом случае плунжерами) приемного 19 и выходных 20, 21, 22 гидроцилиндров установлен разделительный элемент 23. Разделительный элемент 23 выполнен в виде плиты, жестко закрепленной с одной стороны на плунжере приемного гидроцилиндра 19 и контактирующей своей плоской поверхностью с противоположной стороны с подвижными звеньями (плунжерами) выходных гидроцилиндров 20, 21, 22, оси которых ортогональны к этой поверхности.
Рабочая полость приемного гидроцилиндра 19 гидравлически соединена посредством управляемых клапанов 24, 25 соответственно с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра 1 и со сливной гидролинией 9.
Рабочая полость каждого из выходных гидроцилиндров 20, 21, 22 соединена с напорной гидролинией 7 посредством индивидуального обратного клапана соответственно 26, 27, 28 и с входной полостью соответствующего из индивидуальных гидравлически управляемых двухлинейных клапанов 29, 30, 31, выходные полости которых соединены с баком наполнения 6.
вхj
1j
j
1j
вхj
2j
Каждый из двухлинейных клапанов 29, 30, 31 имеет две полости управления, первая из которых, обеспечивающая силу на открытие проходного сечения клапана, соединена с напорной гидролинией 7, а вторая, обеспечивающая силу на закрытие проходного сечения клапана, соединена с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра 1. Входная полость каждого из клапанов 29, 30, 31 обеспечивает силу на закрытие проходного сечения соответствующего клапана. При этом эффективная площадь A запорного элемента j-го гидравлически управляемого двухлинейного клапана со стороны входной полости меньше эффективной площади A запорного элемента со стороны первой полости управления, а отношение i разности эффективных площадей запорного элемента со стороны первой полости управления и входной полости (A-A) к эффективной площади A запорного элемента со стороны второй полости управления:
j
1j
вхj
2j
i=(A-A)/A -
в.ц
п.ц
меньше единицы и больше нуля и для разных двухлинейных клапанов имеет разные значения, распределенные в указанном диапазоне, и связано с количеством n выходных гидроцилиндров и соотношением A/A эффективных площадей подвижных звеньев выходного и приемного гидроцилиндров зависимостью (1).
вхj
cj
шт j
cj
шт j
В данном случае эффективная площадь A запорного элемента j-го гидравлически управляемого двухлинейного клапана представляет собой площадь кольца с наружным диаметром d, равным наружному диаметру поверхности контакта запорного элемента с его седлом, и внутренним диаметром d, равным диаметру штока запорного элемента (d>d):
вх j
с j
шт j
2
2
A=π(d -d )/4.
Далее для определенности будем считать, что давление в рабочем гидроцилиндре 1 пресса, при котором происходит открытие проходного сечения двухлинейного клапана 30, меньше давления, при котором происходит открытие проходного сечения клапана 29, но больше давления, при котором происходит открытие проходного сечения клапана 31.
Гидропривод подвижной траверсы пресса работает следующим образом.
В исходном остановленном положении подвижной траверсы 12 пресса проходное сечение наполнительно-сливного клапана 14 открыто, а проходные сечения напорных клапанов 13, 16 и сливного клапана 17 гидрораспределителей 4, 5 закрыты; проходное сечение клапана 24 устройства декомпрессии 11 закрыто, а проходное сечение клапана 25 открыто. При этом давление в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1 и, соответственно, в соединенной с ней второй полости управления каждого из двухлинейных клапанов 29, 30, 31 определяется давлением жидкости в баке наполнения 6, а давление в рабочей полости приемного гидроцилиндра 19 определяется давлением в сливной гидролинии 9, которое равно атмосферному давлению или незначительно отличается от него.
Поскольку со стороны первой полости управления каждого из двухлинейных клапанов 29, 30, 31 на их запорный элемент действует жидкость под давлением в напорной гидролинии 7 пресса, то проходные сечения клапанов 29, 30, 31 открыты на максимальную величину, и через них рабочие полости выходных гидроцилиндров 20, 21, 22 сообщаются с наполнительно-сливной гидролинией 15 и, в конечном итоге, с баком наполнения 6.
В данном случае плунжеры приемного 19 и выходных 20, 21, 22 гидроцилиндров устройства декомпрессии занимают свое исходное положение, при котором объем рабочей полости приемного гидроцилиндра 19 минимален, а объем рабочих полостей выходных гидроцилиндров 20, 21, 22 максимален. При этом плунжеры выходных гидроцилиндров жидкостью, находящейся в их рабочих полостях, прижаты своими внешними торцами к плоской поверхности разделительного элемента 23.
Для перемещения подвижной траверсы 12 в направлении заготовки, подлежащей деформации (на чертеже заготовка не показана), производится открытие проходного сечения сливного клапана 17 возвратных гидроцилиндров 2, 3. До начала деформации заготовки движение траверсы 12 (холостой ход) происходит под действием силы давления, действующей на траверсу со стороны рабочего гидроцилиндра 1, в случае горизонтальных прессов и дополнительно силы тяжести подвижной траверсы 12 и движущихся вместе с ней частей в случае вертикальных прессов. При этом рабочая жидкость в рабочую полость рабочего гидроцилиндра 1 поступает через клапан 14 по наполнительно-сливной гидролинии 15 из бака наполнения 6, а из рабочих полостей возвратных гидроцилиндров 2, 3 вытесняется через сливной клапан 17 в наполнительно-сливную гидролинию 15.
Для остановки подвижной траверсы 12 при выполнении ею холостого хода достаточно закрыть проходное сечение сливного клапана 17 гидрораспределителя 5 возвратных гидроцилиндров 2, 3.
После вступления инструмента, закрепленного на подвижной траверсе 12 пресса (на чертеже инструмент не показан), в контакт с заготовкой и начала деформации последней осуществляется переход к рабочему ходу пресса.
Для осуществления рабочего хода производится закрытие проходного сечения наполнительно-сливного клапана 14 рабочего гидроцилиндра 1 и затем открытие проходного сечения его напорного клапана 13 на величину, необходимую для осуществления деформации заготовки с заданной скоростью движения траверсы 12. Во время рабочего хода в рабочую полость рабочего гидроцилиндра 1 жидкость поступает через клапан 13 из напорной гидролинии 7. После начала рабочего хода проходное сечение клапана 25 устройства декомпрессии 11 закрывается.
В процессе рабочего хода по мере увеличения давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1 практически синхронно увеличивается давление в соединенной с ней второй полости управления каждого из двухлинейных клапанов 29, 30, 31 и, когда этого давление превышает давление закрытия проходного сечения клапана, запорный элемент последнего перемещается до упора в свое седло, разобщая входную и выходную полости клапана, тем самым перекрывая путь рабочей жидкости из рабочей полости соответствующего из выходных гидроцилиндров 20, 21, 22 в бак наполнения 6. В рассматриваемом случае (в соответствии с ранее принятым для определенности предположением) по мере роста давления сначала закрывается проходное сечение клапана 31, затем клапана 30 и, наконец, клапана 29. Если во время рабочего хода давление в рабочем гидроцилиндре не достигло значения, при котором происходит закрытие проходного сечения того или иного клапана, то проходное сечение данного клапана по завершении рабочего хода остается открытым.
По окончании рабочего хода жидкость в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1 обладает большой потенциальной энергией за счет упругой деформации собственно жидкости и металлических частей пресса.
После окончания рабочего хода проходное сечение напорного клапана 13 закрывается, закрывается проходное сечение сливного клапана 17 и затем открывается проходное сечение клапана 24 устройства декомпрессии, в результате чего рабочая полость рабочего гидроцилиндра 1 соединяется с рабочей полостью приемного гидроцилиндра 19. При этом жидкость из полости рабочего гидроцилиндра 1 вследствие своего расширения и уменьшения напряжений в металлических частях пресса поступает в полость приемного гидроцилиндра 19 и создает на его плунжере движущее усилие, под действием которого указанный плунжер вместе с жестко закрепленным на нем разделительным элементом 23 в виде плиты и плунжерами выходных гидроцилиндров 20, 21, 22 приходит в движение, которое сопровождается вытеснением жидкости из рабочих полостей выходных гидроцилиндров 20, 21, 22. Если, например, проходные сечения всех двухлинейных клапанов 29, 30, 31 закрыты, то рабочая жидкость из гидроцилиндров 20, 21, 22 через обратные клапаны 26, 27, 28 вытесняется в напорную гидролинию 7 пресса (и далее в аккумулятор насосно-аккумуляторной станции 8). Если проходное сечение какого-либо двухлинейного клапана, например, 29 открыто, то из соответствующего выходного гидроцилиндра 20 жидкость вытесняется в бак наполнения 6.
По мере перетекания жидкости из рабочего гидроцилиндра 1 в приемный гидроцилиндр 19 давление жидкости в рабочем гидроцилиндре уменьшается, что при снижении этого давления до определенного уровня влечет за собой открытие проходного сечения очередного из двухлинейных клапанов 29, 30, 31. При этом сила сопротивления на плунжере приемного гидроцилиндра 19 снижается, благодаря чему, несмотря на понижение давления в рабочем гидроцилиндре 1, процесс выдвижения его плунжера и вытеснения жидкости из рабочих полостей выходных гидроцилиндров (в том числе и в напорную гидролинию 7 пресса) продолжается.
Энергия жидкости высокого давления, вытесненной из полостей выходных гидроцилиндров устройства декомпрессии в напорную гидролинию пресса, используется далее для совершения полезной работы при выполнении последующих технологических операций изменения положения подвижной траверсы пресса.
Благодаря тому что оси выходных гидроцилиндров устройства декомпрессии параллельны оси приемного гидроцилиндра, расположены симметрично относительно ее, ортогональны плоской поверхности разделительного элемента, выполненного в виде плиты, жестко закрепленной на подвижном звене (плунжере) приемного гидроцилиндра, и просто контактируют с ней (без дополнительных геометрических связей), в процессе работы устройства декомпрессии поперечные нагрузки на подвижных звеньях приемного и выходных гидроцилиндров практически отсутствуют, что снижает силы трения в подвижных парах гидроцилиндров и сводит к минимуму потери энергии при передаче ее от жидкости, поступающей в приемный гидроцилиндр, к жидкости, вытесняемой из выходных гидроцилиндров. Причем при передаче энергии собственно через разделительный элемент, выполненный в виде плиты, потери энергии практически отсутствуют.
После снижения давления в рабочем гидроцилиндре 1 до установленного минимального значения, при котором происходит открытие проходного сечения последнего из двухлинейных клапанов 29, 30, 31 устройства декомпрессии 11 (это давление близко к давлению в баке наполнения), на основании сигнала датчика давления 18 закрывается проходное сечение клапана 24 и затем открываются проходные сечения наполнительно-сливного клапана 14 и клапана 25. В результате рабочая полость рабочего гидроцилиндра 1 соединяется с баком наполнения 6, а рабочая полость приемного гидроцилиндра 19 - со сливной гидролинией 9. Поскольку в этой ситуации проходные сечения всех двухлинейных клапанов 29, 30, 31 являются открытыми, то в рабочих полостях выходных гидроцилиндров давление определяется давлением в баке наполнения 6. Под действием силы давления жидкости происходит выдвижение плунжеров выходных гидроцилиндров 20, 21, 22, сопровождающееся соответствующим перемещением разделительного элемента (плиты) 23, в который упираются указанные плунжеры, и жестко связанного с разделительным элементом плунжера приемного гидроцилиндра 19, жидкость из рабочей полости которого вытесняется в сливную гидролинию 9 и далее в бак 10. В конечном итоге плунжеры приемного 19 и выходных 20, 21, 22 гидроцилиндров устройства декомпрессии 11 занимают свое исходное положение, при котором объем рабочей полости приемного гидроцилиндра 19 минимален, а объем рабочих полостей выходных гидроцилиндров 20, 21, 22 максимален.
Для осуществления обратного хода подвижной траверсы пресса производится открытие проходного сечения напорного клапана 16 возвратных гидроцилиндров 2, 3. Во время обратного хода жидкость в рабочие полости возвратных гидроцилиндров 2, 3 поступает через открытое проходное сечение клапана 16 из напорной гидролинии 7. При этом из рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1 жидкость вытесняется в бак наполнения 6 через открытое проходное сечение наполнительно-сливного клапана 14 и наполнительно-сливную гидролинию 15.
Для остановки подвижной траверсы 12 при выполнении ею обратного хода достаточно закрыть проходное сечение напорного клапана 16 возвратных гидроцилиндров.
Как следует из вышеприведенного описания устройства и работы, предлагаемый гидропривод подвижной траверсы пресса характеризуется высокой степенью сохранения потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, вне зависимости от значения давления в рабочем гидроцилиндре по окончании рабочего хода подвижной траверсы.
Литературные источники
1. Гидравлический привод пресса. Патент на изобретение RU №2078640, МПК B21J 9/12, B30B 15/16. Заявлено 08.08.1995. Опубликовано 10.05.1997.
2. Гидропресс с возвратом упругой энергии в систему питания. Патент на полезную модель UA №10297, МПК B30B 15/16, B30B 1/00. Заявлено 11.04.2005. Опубликовано 15.11.2005.