ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПОДВИЖНОЙ ТРАВЕРСЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРЕССА

Полезная модель относится к области прессового оборудования, а именно: к управляющим устройствам для гидравлических прессов, - и может быть использована при создании новых и модернизации существующих гидравлических приводов подвижной траверсы, например, ковочных и штамповочных вертикальных прессов.
Известен гидравлический привод подвижной траверсы вертикального пресса, содержащий рабочий и возвратные гидроцилиндры, рабочие полости которых соединены с исполнительными каналами соответствующих гидрораспределителей управления этими гидроцилиндрами, напорную гидролинию, соединенную с насосной установкой и с напорными каналами гидрораспределителей управления рабочим и возвратными гидроцилиндрами, сливную гидролинию, соединенную с баком, находящимся под атмосферным давлением, и сливными каналами гидрораспределителей управления рабочим и возвратными гидроцилиндрами, гидропреобразователь в виде объемного гидромотора и объемного насоса, валы которых связаны посредством соединительной муфты, при этом выходной канал объемного гидромотора соединен со сливной гидролинией, а входной канал объемного насоса соединен с баком
В данном гидравлическом приводе входной канал гидромотора посредством первого двухлинейного двухпозиционного управляемого клапана соединен с рабочими полостями возвратных гидроцилиндров, а выходной канал насоса посредством второго двухлинейного двухпозиционного управляемого клапана - с рабочими полостями рабочих гидроцилиндров. При этом рабочий объем насоса имеет значение, заведомо большее рабочего объема гидромотора.
Благодаря такому исполнению гидропривода при холостом ходе подвижной траверсы пресса вниз рабочая жидкость из рабочих полостей возвратных гидроцилиндров под действием силы тяжести траверсы и движущихся вместе с ней частей пресса (например, плунжера рабочего гидроцилиндра и закрепленной на траверсе штамповой оснастки) вытесняется через открытое проходное сечение первого двухлинейного двухпозиционного управляемого клапана во входной канал гидромотора, вызывая вращение его вала и, как следствие, подачу насосом рабочей жидкости при повышенном расходе через открытое проходное сечение второго двухлинейного двухпозиционного управляемого клапана в рабочую полость рабочего гидроцилиндра. В результате, часть потенциальной энергии поднятой траверсы при ее холостом ходе вниз используется для наполнения полости рабочего гидроцилиндра рабочей жидкостью. Однако, в силу того, что требуемое (из условия исключения нарушения сплошности рабочей жидкости) давление наполнения невелико, указанная используемая часть потенциальной энергии поднятой траверсы является незначительной.
Основная же часть потенциальной энергии поднятой траверсы при ее холостом ходе вниз частично расходуется на совершение работы против сил трения в подвижных парах направляющих траверсы и ее гидроцилиндров привода, а в основном преобразуется в тепловую энергию жидкости, вытесняемой из возвратных гидроцилиндров, и, таким образом, теряется, что является недостатком известного гидропривода.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является принятый в качестве прототипа гидравлический привод подвижной траверсы вертикального пресса, содержащий рабочий и возвратные гидроцилиндры, рабочие полости которых соединены с исполнительными каналами соответствующих гидрораспределителей управления этими гидроцилиндрами, бак наполнения, соединенный посредством наполнительно-сливной гидролинии с наполнительно-сливным каналом гидрораспределителя управления рабочим гидроцилиндром, напорную гидролинию, соединенную с насосно-аккумуляторной станцией и с напорными каналами гидрораспределителей управления рабочим и возвратными гидроцилиндрами, сливную гидролинию, соединенную с баком, находящимся под атмосферным давлением, гидропреобразователь в виде объемного гидромотора и объемного насоса, валы которых связаны посредством соединительной муфты, и систему управления с контроллером, датчиком давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра, датчиком положения регулирующего органа насоса и датчиком угловой скорости вращения валов объемных гидромотора и насоса, при этом входной канал объемного гидромотора посредством первого управляемого двухлинейного двухпозиционного клапана соединен с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра, а выходной канал - со сливной гидролинией, входной канал объемного насоса соединен с баком наполнения, а выходной канал посредством обратного клапана - с напорной гидролинией, объемный насос выполнен регулируемым с электрическим пропорциональным управлением посредством электрического узла управления, соединенного с выходом контроллера, соответствующие входы которого соединены с выходами датчика давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра, датчика положения регулирующего органа насоса и датчика угловой скорости вращения валов объемных гидромотора и насоса, причем гидрораспределитель управления возвратными гидроцилиндрами выполнен с напорным клапаном и со вторым двухлинейным двухпозиционным клапаном [2].
Указанное исполнение гидропривода позволяет обеспечить сохранение для последующего использования потенциальной энергии, накопленной вследствие упругих деформаций жидкости и металлоконструкций пресса во время рабочего хода, при ее минимальных потерях и вне зависимости от значения давления в рабочем гидроцилиндре по окончании рабочего хода подвижной траверсы.
Однако в рассматриваемом гидроприводе рабочие полости возвратных гидроцилиндров посредством второго двухлинейного двухпозиционного клапана, входящего в состав гидрораспределителя возвратных гидроцилиндров и выполняющего функции сливного клапана, соединены с баком наполнения. Поэтому при холостом ходе подвижной траверсы вниз основная часть потенциальной энергии траверсы преобразуется в тепловую энергию жидкости, вытесняемой из возвратных гидроцилиндров, и, таким образом, теряется. Это является недостатком известного гидропривода.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является обеспечение рекуперации (сохранения) основной части потенциальной энергии поднятой траверсы вертикального пресса при ее холостом ходе вниз.
Для решения поставленной задачи в известном гидравлическом приводе подвижной траверсы вертикального пресса, содержащем рабочий и возвратные гидроцилиндры, рабочие полости которых соединены с исполнительными каналами соответствующих гидрораспределителей управления этими гидроцилиндрами, бак наполнения, соединенный посредством наполнительно-сливной гидролинии с наполнительно-сливным каналом гидрораспределителя управления рабочим гидроцилиндром, напорную гидролинию, соединенную с насосно-аккумуляторной станцией и с напорными каналами гидрораспределителей управления рабочим и возвратными гидроцилиндрами, сливную гидролинию, соединенную с баком, находящимся под атмосферным давлением, гидропреобразователь в виде объемного гидромотора и объемного насоса, валы которых связаны посредством соединительной муфты, и систему управления с контроллером, датчиком давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра, датчиком положения регулирующего органа насоса и датчиком угловой скорости вращения валов объемных гидромотора и насоса, при этом входной канал объемного гидромотора посредством первого управляемого двухлинейного двухпозиционного клапана соединен с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра, а выходной канал - со сливной гидролинией, входной канал объемного насоса соединен с баком наполнения, а выходной канал посредством обратного клапана - с напорной гидролинией, объемный насос выполнен регулируемым с электрическим пропорциональным управлением посредством электрического узла управления, соединенного с выходом контроллера, соответствующие входы которого соединены с выходами датчика давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра, датчика положения регулирующего органа насоса и датчика угловой скорости вращения валов объемных гидромотора и насоса, причем гидрораспределитель управления возвратными гидроцилиндрами выполнен с напорным клапаном и со вторым двухлинейным двухпозиционным клапаном, согласно полезной модели рабочие полости возвратных гидроцилиндров посредством упомянутого второго двухлинейного двухпозиционного клапана соединены с входным каналом гидромотора, а один из входов контроллера соединен с выходом датчика давления в рабочих полостях возвратных гидроцилиндров.
Совокупность признаков предлагаемого гидравлического привода, состоящая в том, что рабочие полости возвратных гидроцилиндров посредством второго двухлинейного двухпозиционного клапана гидрораспределителя управления возвратными гидроцилиндрами соединены с входным каналом гидромотора гидропреобразователя, а один из входов контроллера соединен с выходом датчика давления в рабочих полостях возвратных гидроцилиндров, позволяет обеспечить сохранение для последующего использования основной части потенциальной энергии поднятой траверсы при ее холостом ходе вниз, благодаря вытеснению рабочей жидкости из возвратных гидроцилиндров через открытое проходное сечение упомянутого второго двухлинейного двухпозиционного клапана во входной канал гидромотора гидропреобразователя, который работает как мультипликатор давления.
гц
гм
н
Для осуществления работы гидропреобразователя в режиме мультипликатора давления при текущем значении давления р в рабочей полости соответствующих гидроцилиндров пресса (возвратных или рабочем) текущее значение М вращающего момента на валу гидромотора должно быть не меньше значения М вращающего момента, который требуется создать на валу насоса в тот же момент времени t с тем, чтобы обеспечить вращение валов обеих указанных гидромашин с определенной угловой скоростью ω, то есть должно выполняться условие:
где
гм
гм
q, η - значения соответственно рабочего объема и гидромеханического коэффициента полезного действия (КПД) гидромотора;
н
н
q, η - текущие значения соответственно рабочего объема и гидромеханического КПД насоса;
пит
p - давление в напорной гидролинии;
б.н
p - давление в баке наполнения;
сл
сл
б.н
p - давление в сливной гидролинии (p<p).
Согласно выражениям (1), (2) и (3) в процессе работы гидропреобразователя в вышеуказанном режиме должно поддерживаться следующее соотношение между значениями рабочих объемов гидромотора и насоса путем изменения рабочего объема регулируемого насоса:
гц
т
Поскольку текущее значение p давления в соответствующих гидроцилиндрах пресса контролируется с помощью датчика давления, сигнал с выхода которого поступает на соответствующий вход контроллера, то в контроллере на основании соотношения (4) производится вычисление необходимого в данный момент времени для осуществления работы гидропреобразователя предельного значения рабочего объема насоса (при котором упомянутое соотношение имеет вид равенства) и на основании зависимости рабочего объема насоса от положения (координаты) z его регулирующего органа определяется требуемое значение координаты z.
т
Для того, чтобы регулирующий орган насоса занял положение с координатой z, на электрический узел управления насоса необходимо подать электрический сигнал U вида
т
т
где U - электрический сигнал, необходимый для установки регулирующего органа насоса в положение с координатой zв соответствии с экспериментальными данными в некоторой тес товой ситуации;
ф
z - текущее фактическое значение координаты регулирующего органа насоса, контролируемое с помощью датчика положения регулирующего органа, сигнал с выхода которого поступает на соответствующий вход контроллера;
ос.м
инт.м
k, k - коэффициенты усиления;
t - время.
т
т
гм
н
Однако, установка регулирующего органа насоса в положение с координатой z не гарантирует желаемый ход протекания процесса преобразования (рекуперации) энергии посредством гидропреобразователя, поскольку вычисление значения z производится с использованием соотношения (4) при некоторых среднестатистических значениях КПД η, η, которые в процессе работы гидромотора и насоса, входящих в состав гидроиреобразователя, изменяются в достаточно широких пределах.
упр
з
ф
В связи с этим управляющий электрический сигнал U, подаваемый с выхода контроллера на электрический узел управления насоса, в процессе рекуперации энергии формируется с учетом заданного ω и фактического ω текущих значений угловой скорости ω вращения валов гидромотора и насоса (с использованием отрицательной обратной связи по угловой скорости):
ос
инт
где k, k - коэффициенты усиления.
з
При этом величина ω задается с помощью контроллера, а величина соф контролируется с помощью датчика угловой скорости, сигнал с выхода которого поступает на соответствующий вход контроллера.
В результате, процесс преобразования (рекуперации) энергии посредством гидропреобразователя происходит вне зависимости от значения давления в гидроцилиндрах пресса. Более того, благодаря использованию отрицательной обратной связи по угловой скорости вращения валов гидромотора и насоса, этот процесс протекает при заданной угловой скорости вращения валов указанных гидромашин, что позволяет регулировать расход рабочей жидкости из гидроцилиндров. Потери энергии в данном случае являются минимальными и определяются, главным образом, лишь совершенством используемых стандартных гидромотора и насоса.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная гидравлическая схема гидравлического привода подвижной траверсы вертикального пресса.
Гидравлический привод подвижной траверсы вертикального пресса содержит рабочий гидроцилиндр 1, возвратные гидроцилиндры 2, 3 с соединенными между собой рабочими полостями, 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 гидропреобразователь, состоящий из объемных гидромотора 11 и насоса 12, валы которых связаны между собой посредством соединительной муфты 13.
При этом входной канал гидромотора 11 посредством первого управляемого двухлинейного двухпозиционного клапана 14 соединен с рабочей полостью рабочего гидроцилиндра 1 и посредством второго управляемого двухлинейного двухпозиционного клапана 15, входящего в состав гидрораспределителя 5 управления возвратными гидроцилиндрами 2, 3, - с рабочими полостями возвратных гидроцилиндров 2, 3, а его выходной канал - со сливной гидролинией 9. Входной канал насоса 12 гидравлически соединен с баком наполнения 6, а выходной канал посредством обратного клапана 16 - с напорной гидролинией 7.
Плунжеры гидроцилиндров 1, 2, 3 соединены с подвижной траверсой 17 пресса.
В состав гидрораспределителя 4 входят напорный 18 и наполнительно-сливной 19 клапаны. Рабочая полость гидроцилиндра 1 соединена посредством напорного клапана 18 с напорной гидролинией 7 пресса, а посредством наполнительно-сливного клапана 19 с наполнительно-сливной гидролинией 20 пресса, которая в свою очередь соединена с баком наполнения 6.
В состав гидрораспределителя 5 входят напорный клапан 21 и второй управляемый двухлинейный двухпозиционный клапан 15. Рабочие полости возвратных гидроцилиндров 2, 3 соединены посредством напорного клапана 21 с напорной гидролинией 7 пресса.
Все вышеперечисленные клапаны имеют индивидуальное электрогидравлическое управление. На чертеже все клапаны показаны в состоянии, когда их проходное сечение закрыто.
Гидромотор 11 выполнен нерегулируемым, а насос 12 - регулируемым с пропорциональным электрическим управлением.
Электрический узел управления насоса 12 соединен с выходом входящего в состав системы управления пресса контроллера 22, входы которого соединены с выходами: датчика давления 23 в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1, датчика давления 24 в рабочих полостях возвратных гидроцилиндров 2, 3, датчика положения 25 регулирующего органа насоса 12 (наклонного блока или наклонного диска в случае использования аксиально-поршневого насоса; подвижного статора в случае использования радиально-поршневого или пластинчатого насоса) и датчика 26 угловой скорости вращения валов гидромотора 11 и насоса 12.
Гидравлический привод подвижной траверсы вертикального пресса работает следующим образом.
В исходном остановленном положении подвижной траверсы 17 пресса проходное сечение наполнительно-сливного клапана 19 открыто, а проходные сечения клапанов 14, 15 и напорных клапанов 18, 21 соответственно гидрораспределителей 4, 5 закрыты. При этом давление в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1 определяется давлением жидкости в баке наполнения 6.
з
Для перемещения подвижной траверсы 17 вниз в направлении заготовки, подлежащей деформации (на чертеже заготовка не показана), производится открытие проходного сечения клапана 15. На электрический узел управления регулируемого насоса 12 с выхода контроллера 22 на основании сигналов с датчиков 24, 25, 26 подается управляющий электрический сигнал, изменяющийся в соответствии с зависимостью (6). При этом значение угловой скорости ω определяется контроллером 22 автоматически в соответствии с заданной скоростью опускания траверсы 17.
Холостой ход траверсы 17 вниз происходит преимущественно под действием силы тяжести непосредственно самой траверсы и движущихся вместе с ней частей и в незначительной степени под действием силы давления, действующей на траверсу со стороны рабочего гидроцилиндра 1. При этом рабочая жидкость в рабочую полость рабочего гидроцилиндра 1 поступает через клапан 19 по наполнительно-сливной гидролинии 20 из бака наполнения 6, а из рабочих полостей возвратных гидроцилиндров 2, 3 вытесняется через клапан 15 во входной канал гидромотора 11 и создает на его валу вращающий момент, под действием которого вал гидромотора 11 вместе с соединенным с ним посредством муфты 13 валом насоса 12 приходит во вращение с заданной угловой скоростью, которое сопровождается подачей насосом 12 рабочей жидкости из бака наполнения 6 через обратный клапан 16 в напорную гидролинию 7 пресса и далее в гидроаккумулятор насосно-аккумуляторной станции 8 (на чертеже гидроаккумулятор не показан). В результате при минимальных потерях происходит преобразование (рекуперация) потенциальной энергии подвижной траверсы 17 и движущихся вместе с ней частей пресса в потенциальную энергию давления рабочей жидкости в гидроаккумуляторе насосно-аккумуляторной станции 8.
При этом скорость опускания траверсы 17 легко регулируется машинным способом путем изменения рабочего объема насоса 12. При прочих равных условиях уменьшение рабочего объема насоса 12 влечет за собой увеличение скорости опускания траверсы 17.
Энергия жидкости высокого давления, поданной насосом 12 в гидроаккумулятор насосно-аккумуляторной станции 8 пресса, используется далее для совершения полезной работы при выполнении последующих технологических операций изменения положения подвижной траверсы 17 пресса.
Для остановки подвижной траверсы 17 при выполнении ею холостого хода достаточно закрыть проходное сечение клапана 15.
После вступления инструмента, закрепленного на подвижной траверсе 17 пресса (на чертеже инструмент не показан), в контакт с заготовкой осуществляется переход к рабочему ходу пресса. Автоматически такой переход осуществляется на основании соответствующего уменьшения сигнала на выходе датчика давления 24, обусловленного снижением давления в рабочих полостях возвратных гидроцилиндров 2, 3 после упора траверсы с инструментом в заготовку.
Для осуществления рабочего хода производится закрытие проходного сечения наполнительно-сливного клапана 19 рабочего гидроцилиндра 1 и затем открытие проходного сечения его напорного клапана 18 на величину, необходимую для осуществления деформации заготовки с заданной скоростью движения траверсы 17. Во время рабочего хода в рабочую полость рабочего гидроцилиндра 1 жидкость поступает через клапан 18 из напорной гидролинии 7. При переходе к рабочему ходу рабочий объем насоса 12 уменьшается до нуля, благодаря чему рабочая жидкость вытесняется из рабочих полостей возвратных гидроцилиндров 2, 3 в бак 10 через открытое проходное сечение клапана 15 и гидромотор 11 при минимальных потерях давления.
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 18 закрывается, а также закрывается проходное сечение клапана 15. С учетом текущего значения давления в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1, которое контролируется посредством датчика давления 23, производится изменение положения регулирующего органа насоса 12 в результате подачи на его электрический узел управления от контроллера 22 управляющего электрического сигнала в соответствии с зависимостью (5). Благодаря этому регулирующий орган насоса 12 занимает положение, близкое к оптимальному (с точки зрения рекуперации энергии) для начала снижения давления (декомпрессии) в рабочей полости рабочего гидроцилиндра 1.
Далее открывается проходное сечение клапана 14. На электрический узел управления регулируемого насоса 12 с выхода контроллера 22 на основании сигналов с датчиков 23, 25, 26 подается управляющий электрический сигнал, изменяющийся в соответствии с зависимостью (6).
При этом жидкость из полости рабочего гидроцилиндра 1, вследствие своего расширения и уменьшения напряжений в металлических частях пресса, поступает во входной канал гидромотора 11 и создает на его валу вращающий момент, под действием которого вал гидромотора вместе с соединенным с ним посредством муфты 13 валом насоса 12 приходит во вращение с заданной угловой скоростью, которое сопровождается подачей насосом 12 рабочей жидкости из бака наполнения 6 через обратный клапан 16 в напорную гидролинию 7 пресса (и далее в гидроаккумулятор насосно-аккумуляторной станции 8).
Но мере перетекания жидкости из рабочего гидроцилиндра 1 через гидромотор 11 в бак 10 давление жидкости в рабочем гидроцилиндре 1 снижается, что сопровождается уменьшением рабочего объема насоса 12 (и соответственно момента сопротивления на его валу), благодаря чему, несмотря на понижение давления в рабочем гидроцилиндре 1, процесс декомпрессии продолжается при обеспечении заданной скорости вращения валов гидромотора 11 и насоса 12.
Энергия жидкости высокого давления, поданной при этом насосом 12 в гидроаккумулятор насосно-аккумуляторной станции 8 пресса, используется далее для совершения полезной работы при выполнении последующих технологических операций по изменению положения подвижной траверсы 17 пресса.
После снижения давления в рабочем гидроцилиндре 1 до установленного минимального значения (это давление близко к давлению в баке наполнения 6) на основании сигнала датчика давления 23 открывается проходное сечение наполнительно-сливного клапана 19 и закрывается проходное сечение клапана 14. В результате рабочая полость рабочего гидроцилиндра 1 соединяется с баком наполнения 6.
Для осуществления обратного хода (подъема) подвижной траверсы 17 пресса производится открытие проходного сечения напорного клапана 21 возвратных гидроцилиндров 2, 3. Во время обратного хода жидкость в рабочие полости возвратных гидроцилиндров 2, 3 поступает через открытое проходное сечение клапана 21 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 19 и наполнительно-сливную гидролинию 20.
Для остановки подвижной траверсы 17 при выполнении ею обратного хода (подъема) достаточно закрыть проходное сечение напорного клапана 21 возвратных гидроцилиндров.
Как следует из вышеприведенного описания устройства и работы, предлагаемый гидравлический привод подвижной траверсы вертикального пресса обеспечивает сохранение (рекуперацию) для последующего использования потенциальной энергии поднятой траверсы, что повышает энергетическую эффективность (коэффициент полезного действия) гидропривода пресса в целом и способствует улучшению температурного режима работы гидропривода.
Литературные источники
1. Гидропривод подвижной траверсы пресса: Патент на изобретение RU №2598410. МПК В30В 15/16, В30В 1/34. Заявлено 03.06.2015. Опубликовано 27.09.2016.
2. Гидравлический привод подвижной траверсы пресса: Патент на изобретение RU №2515779. МПК В30В 15/24, В30В 1/34. Заявлено 13.02.2013. Опубликовано 20.05.2014.