竹子整形机液压系统的设计.pdf

2 0 1 4年 5月 第4 2卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 4 0 竹子整形机液压 系统 的设计 汤杨，雷良育，徐云杰 浙江农林 大学工程学院，浙江临安 3 1 1 3 0 0 摘要分析并确定了采用液压系统控制竹子整形机刀具进给部分 ，介绍了竹材整形机液压系统的工作原理以及设计思 想，采用比例流量阀控制刀具进给速度提高了进给精度 ，动力源部分采用节能型泵控回路提高了整个系统的工作效率，最 终提升了旋切单板的质量。 关键词 竹子整形 ；液压系统；比例调速 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 01 3 1 3 De s i g n o f Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Ba mbo o Re s h a pi ng M a c h i n e T A N G Y a n g ，L E I L i a n g y u ，X U Y u n j i e C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n g A g ri c u l t u r a l F o r e s t r y U n i v e r s i t y ， L i n ’ a n Z h e j i a n g 3 1 1 3 0 0。C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s y s t e m c o n t r o l l i n g t o o l f e e d d e v i c e o f b a mb o o r e s h a p i n g ma c h i n e ， w a s a n a l y z e d a n d d e t e r mi n e d ． T h e w o r k - i n g p r i n c i p l e a n d t h e d e s i g n i d e a o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e b a mb o o r e s h a p i n g ma c h i n e w e r e i n t r o d u c e d ． P r o p o r t i o n al fl o w v a l v e wa s u s e d t o c o n t r o l t o o l f e e d s p e e d ，S O f e e d a c c u r a c y w a s i n c r e a s e d ．F o r p o we r s o u r c e ，e n e r g y s a v i n g p u mp c o n t r o l l o o p W8 8 a d o p t e d t o i mp mv e t h e e ff i c i e n c y o f t h e w h o l e s y s t e m． T h e q u a l i t y o f r o t a t i o n c u t t i n g o f b a mb o o t i mb e r wa s i mp r o v e d ． Ke y wo r d s Ba mb o o r e s h a p i n g ；Hy d r a u l i c s y s t e m；P r o p o rti o n al c o n t r o l 目前 ，竹单板 有刨切和旋切两 种主要加工方 式 。刨切 加工工 艺过 程较 为 复杂 ，工序 繁多 ，竹 材 利用率较低，加工效率低。旋切加工效率较高 ，竹 材利用率也较高。早在 2 0世纪 5 0年代 E t 本就着手 研究旋切加工，但到 目前为止发展较慢 ，工业化生 产规模较小 。竹材旋切尽管大大提高了竹单板生 产效率及单一竹段竹材利用率 ，但是在选材过程中 通常要选 取 圆整通 直 的竹 段作 为加 工 对象 。而 实 际上 自然圆直的竹段较少。因此 ，实现竹材圆直是 提高旋切竹单板竹材利用率最直接有效的办法。竹 材整形机液压控制系统正是为了解决竹材整圆控制 的 问题 而进行设 计的 。 1 整形进给控制方式的确定 第 1 种方案 ，采用机械控制结构 ，用凸轮模拟 竹材展开的渐开线 ，为了保证进给量和旋转的同步需 采用差动连接装置，差动连接本身需要通过挂轮减 速，无法同时提供整形力和旋切力的需要 。对不同径 级的竹材，旋切时产生不同曲线，而凸轮的曲线只能 取其平均值 ，进给误差较大，对同类别同径级的竹材 较为合适，对径级相差较大的竹材旋切出的单板存在 厚薄不均的问题，且噪声较大、寿命低。 第 2种方案采用差动式电控装置，通过控制两个 进给电动机螺旋进给的进给量实现 ，左右两侧各放置 两个螺旋传动装置并保证同步，通过控制电动机的转 速控制进给量。两个 电机需控制 3种不 同的同步速 度 ，主电机旋转和整形进给同步，主电机旋转和旋切 进给同步，整形进给和旋切进给分离，增加了控制的 难度和机械结构设计的难度 。 第3种采用液压控制的方式，通过控制 比例流 量阀的流量控制进给量。液压缸可轻易实现往复式 直线运动 ，只需要控制比例调速阀的开 口即可以控 制进给的运动速度 ，液压属于无级调速 ，容易实现 控制，液压系统的结构也较为简单 。此方案提高 了 无卡轴旋切 机 的寿命 ，降低 了系统 的能耗 ，噪声 小 ，改善 了工 人 的工作 环境 ，便 于 实现 系 统 的 自动 化控制 。 综合考虑 ，选择第 3种方案作为控制整形机刀具 进给方式。 2 液压控制系统工作原理 液压系统的工作原理图如图 1 所示。系统由两部 分组成 ，一部分控制刀具的上下位置，另一部分控制 刀具的进给。 收稿 日期 2 0 1 3一 o 4 2 3 基金项目浙江省木材加工产业科技创新团队资助项 目 作者简介汤杨，女，硕士研究生，主要研究方向为农业机械人技术。通信作者雷良玉 ，Em a i l x 9 0 0 0 1 6 3 ． c o rn。 1 3 2 机床与液压 第 4 2卷 l 一泵2 一比例调速 阀3 、4 恒压阀5 一溢流阀6 一节流阀 7 一单向阀8 、l 6 一三位四通 电磁换 向阀 9 、1 4 、1 7 、l 8 一液控单向阀 l O 一单 向节流阀l l 、l 2 、2 0 、2 l ～单杆双作用液压缸 l 3 、l 5 一两位三通换向阀l 9 一分流集流阀2 2 一 单向节流 阀 图 1 竹材整形机液压系统的工作原理图 2 ． 1 刀具调 整 回路 刀具的调整运动较为简单，在整形机整形时刀具 退至刀具槽，整形机旋切时刀具伸出至旋切位置 ，刀 具距离较长，为保证受力均衡性 ，左右两侧各放置一 个轴耳液压缸 ，同时刀具要保证足够的直线度 。进给 系统选择带补偿装置的串联缸同步回路，旋切切削力 较大，为避免加工中刀具移动选用了液压锁紧回路， 采用单向节流阀回路控制液压缸运动速度增加系统背 压 。 刀具调整液压 系统 的工作原 理 液压 油经泵 1 流 出，经比例调速阀2 、单向阀7流至三位 四通 Y型机 能电磁换向阀8 ，阀8右侧带电，压力油经右侧液控 单向阀9流至单杆双作用液压缸 1 2的无杆腔，同时 液控单向阀9左侧 阀口打开 ，缸 1 2的有杆腔油液流 至单杆双作用液压缸 1 1的无杆腔，有杆腔油液经单 向节流阀 1 0中的节流阀、液控单向阀9左侧阀门和 电磁换向阀8流回油箱。缸 1 2的有杆腔的有效面积 与缸 1 1 的无杆腔的面积相等。当三位四通阀 8右位 工作时，两缸下行 ，若缸 1 2活塞先到底，将触动行 程开关 s 1 使得两位三通换向阀 1 3得电，压力油经阀 1 3和液控单向阀 1 4向缸 1 1的无杆腔补油 ，使活塞 继续下降到底。若缸 l 1活塞先到底 ，将触动行程开 关 S 2 使得两位三通换向阀 1 5得电，控制压力油经阀 l 5打开液控单向阀 1 4，缸 1 2的有杆腔油液经液控单 向阀 1 4和两位三通换 向阀 1 3流 回油箱 ，使活塞继 续 下降到底。 反之 ，液压油经泵 1流出，经比例调速阀 2 、单 向阀 7流至三位 四通 Y型机能 电磁换 向阀 8 ，阀 8左 侧带电，压力油经左侧液控单向阀9 、单向节流阀 1 O 中的单 向阀流至单杆 双作用 液压 缸 1 1的有 杆 腔 ，同 时液控单向阀9右侧阀 口打开，缸 1 1的无杆腔油液 流至单杆双作用液压缸 l 2的有杆腔 ，液压缸 1 2的无 杆腔油液经液控单向阀 9右侧阀门和电磁换向阀 8流 回油箱。 2 ． 2刀具 进 给 回路 刀具进给运动较为复杂 ，刀具和刀具槽 固联在旋 切及整 圆机构上 ，旋切及整 圆进 给机构运 动刀具 也一 同运动 ，在整形机整 形时 刀具在 刀具槽 中不 起作 用 ， 当整形结束后 ，刀具伸出，与此同时开始进给运动， 机构的进给运动并非匀速运动，随着被旋切竹材直径 逐渐减小，竹材的转速越来越快，要求机构的运动速 度必须随之发生变化 ，否则将不能保证竹单板旋切的 厚度。在该设备中，液压缸与刀具所在的机架固联， 所 以液压缸前进 的速度就是刀具前进的速度 ，因此通 过电磁 比例流量阀控制液压缸前进 的速度便可 以控制 刀具进给 的速度 。 天然生长 的竹 子切 割 成竹 段 后两 端 会 出现 大 小 头，在整形的过程中两个液压缸不能完全同时进退， 否则将压裂竹段达不到整形效果 ，因此系统选用了分 流集流阀的同步控制 回路，分流集流阀分流误差为 1 ％ ～ 3 ％，对不要求完全同步的系统较为合适 ；整形 过程 中为了保证竹材变形时间，需要保压一段时间使 竹材完全变形，系统采用了双液压锁回路 ；采用双单 向节流阀回路控制液压缸运动速度增加系统背压。 刀具进 给液压 系统的工作原理 液压油经泵 1 流 出，经比例调速阀2 、单向阀 7流至三位四通 Y型机 能电磁换向阀 1 6 ，阀 1 6左侧带电，压力油经左侧液 控单向阀 1 7 、液控单向阀 1 8中的单向阀至分流集流 阀 1 9 ，经过分流集流阀 1 9分流成等流量的两部分分 别流至单杆双作用液压缸 2 0和 2 1的无杆腔，同时液 控单向阀 l 7右侧阀口打开，单杆双作用液压缸 2 0和 2 1的有杆腔油液同时回油，经单向节流阀 2 2中的节 流阀、液控单向阀 1 7右侧阀门和电磁换向阀 1 6流回 油箱 。 反之 ，液压油经泵 1流出，经 比例调速阀2 、单 向阀7流至三位四通 Y型机能电磁换向阀 8 ，阀 8右 侧带电，压力油经右侧液控单 向阀 1 7 、单 向节流阀 2 2中的单向阀流至单杆双作用液压缸 2 0和 2 1的有 杆腔，同时液控单向阀 1 7左侧阀口打开，液压缸 2 O 和 2 1的无杆腔油液经分流集流阀 1 9集流，再经过单 向节流阀 1 8中的节流阀、液控单向阀 1 7左侧阀门和 第 l 0期 汤杨 等竹子整形机液压系统的设计 1 3 3 电磁换 向阀 1 6流 回油箱 。 由于刀具 调整和 刀具 进给 是两 个 完全 分离 的 动 作过程 ，在刀具调整时刀具进给机构不动作，在刀 具进给时刀具调整回路不动作 ，因此采用 电磁比例 流量阀控制系统控制液压缸前进 的速度不会发生相 互干扰 。 2 ． 3节 能型泵控 回路 节能型高效泵控系统 由两个回路分别控制系统 的压力 和流 量 。前 置 式 节流 器 6 、先 导式 溢 流 阀 5与恒压 阀 4构成 压 力控 制 回路 ，控 制 泵 1压 力 的 输出；比例节流阀 2和恒压流量 阀3构成流量控制 回路，控制泵 1的流量输出。图 1中所示的恒压阀 3和恒 压阀 4的位 置是 系 统还 未设 定 压 力 时所处 的 位 置 。在 负载发生 变化 时 ，恒压 阀 4两端 的压 差 发 生变化 ，从 而推 动恒压 阀 3向左 或 者 向右移 动 ，泵 的排量相应地发生变化 ，最终使泵的流量保持一个 相对稳定的值。此时泵的输出压力仅 比负载压力高 出一个恒压阀4的压差 。在保压 阶段 ，当系统压力 达到先导 式溢 流 阀 5设 定 的最 高压 力 时 ，恒 压 阀 4 向左移 动 ，泵 的排 量迅 速减 小 到接 近 于零 ，继 而 变 成 高压小 流量 的工况 。 节能型高效泵控系统在流量控制阶段使泵的输出 压力与负载相协调 ；在压 力控制 阶段使输 出流量接 近 于零，仅消耗极小的功率 ，因此它的效率极高。 3结束语 ’ 在当前竹单板加工技术中，对单板的厚度和加工 效率提出了很高的要求 ，在控制竹单板旋切厚度时， 不但要求有稳定的压力，而且要求对压力和流量进行 比例控制。文中论述的整形机液压控制系统对刀具进 给可进行变量控制，对不同径级的竹子有较强的自我 调整能力 ，同步缸控制系统能够满足大小头竹子的需 求，两套回路具有防止压力干扰特点。为提高系统的 效率，采用了节能型泵控回路，提高了系统的工作稳 定性同时延长 了使用寿命 ，大大节省了能耗 ，减 少了 系统发热 。 参考文献 [ 1 ]郑瑞钰． 竹材旋切新技术及其制品的研发 [ J ] ． 世界竹 藤通讯 ， 2 0 1 0 ， 8 5 2 8 3 0 ． [ 2 ]蒋身学， 程瑞香，张齐生． 旋切竹单板生产工艺简介 [ J ] ． 人造板通讯， 2 0 0 4 5 1 9 2 0 ． [ 3 ]赵明， 吴季陵． 摆动进给竹材旋切的试验研究[ J ] ． 南京 林业大学学报 ， 1 9 9 4 5 3 0 3 5 ． [ 4 ]杨曙东， 何存兴． 液压传动与气压传动[ M] ． 武汉 华 中 科技大学出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ]徐云杰 ， 袁伟明． 造纸机压榨部液压系统的设计[ J ] ． 液 压与气动 ， 2 0 0 9 7 1 71 9 ． [ 6 ]徐云杰． 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