陶瓷砖自动液压机充液阀的结构与控制

陶瓷砖自动液压机充液阀的结构与控制

充液阀是陶瓷砖自动液压机压机系统中最重要的阀。其作用有二:一是当活动横梁快速下行时,低压充液箱中的油经该阀快速流入主油缸;二是在活动横梁快速回程时,主油缸活塞腔之油经该阀快速排入低压充液箱。由此可见,充液阀的结构、流道形状、液流速度大小及其液压控制系统,对提高压机空程快速和回程的速度是很重要的,也影响到压砖机的压制次数和生产效率,而这正是当前陶瓷砖自动液压机发展的核心问题之一。本文想就以上提到的充液阀的一些问题,根据国外压机已有的充液阀结构做一些分析,使充液阀的结构、流道形状、流速、控制油路更趋合理,以提高压机的速度和生产率。一、压机主缸栓塞快速下行的方法,其典型的提出在普通的油压机中,其充液箱多为常开式的,即常通大气,预置在压机的上部,活塞与活动横梁依靠本身自重快速下行,称自动式快速下行。但这种方法只适合于行程较长速度较慢的压机,对于行程短速度快的压机则不适用。陶瓷砖压机的行程比较小速度又比较快,如3000吨以下的压机,其行程约在140～160mm,3000吨以上的压机约在160～250mm。而快速行程阶段的行程则更短。压砖机要求动作快,压制次数高,所以应采用强迫主油缸活塞快速下行的方法,目前常用的有以下方法:(1)采用约0.2MPa的闭式低压充液油箱顶置在上横梁之上,依靠低压油作用强迫主油缸活塞快速下行(在Sacmi、Citi、Nassetti压机上采用);(2)与上面的方法上类似,采用在上横梁之上顶置一个约0.6MPa的低压蓄能器方法(在Welko压机上采用);(3)采用在上横梁之上顶置流量放大器的方法(在Welko压机上采用);(4)采用两个辅助小油缸差动快下,带动主油缸柱塞快下,低压充液油箱则向主柱塞缸补充低压油的方法(在Laeis压机上采用)。实践证明,第1种方法是简单,可靠,行之有效的强迫主缸活塞快速下行的方法,第2、第3种方法缺点较多,不可靠,第4种方法也是很好的方法。图1是Nassetti800～2000吨压机上采用的典型的顶置在上横梁之上充液箱之内的主油缸外置式充液阀结构图。该阀属于常闭自吸开启式结构,采用蕈形阀芯单弹簧结构,具有很大的通流面积,充液快,动作灵活可靠。如图1示,这种充液阀在上横梁之上,浸于充液箱之中,阀芯下面直通油缸,当活动横梁下行时,缸内形成负压,在低压油作用下,阀芯克服弹簧力作用而开启,低压油进入主油缸,推动主活塞快速下行。为了使阀芯更快的打开,以缩短充液时间,提高充液速度,在油路设计时采用了强迫打开充液阀的设计。如图1所示电磁阀S10常态位时,控制油缸通压力油,控制活塞将充液阀完全打开,以获得更快的充液满足主油缺活塞快速下行需要。在压机快速下行转减速开始之际,即令S10通电,控制活塞回程,充液阀芯在弹簧力作用下关闭,以便随后进行加压。在压机回程时,S10断电,控制活塞下行,推动充液阀芯开启,但只有当主油缸之高压油通过主缸卸荷阀卸压之后,充液阀芯才能开启,主油缸活塞快速回程,主缸活塞腔之油液被快速排回充液油箱。图2是Laeis600～3000吨压机上采用的主油缸内置式充液阀结构图。该图与图1的结构原理基本相同,但是Laeis压机的充液阀较Nassetti压机充液阀具有更多的优点:(1)该阀有一个称做导流体的零件(同时也是阀芯复位弹位的支座),其外形曲线与上横梁构成的充液导流通道是精心设计的,具有流线型阻力小的特点,使充液阻力更小充液更快;(2)充液阀座和阀芯置于上横梁主油缸孔内,故称内置式。这种结构,作用于阀芯上之高压油压力完全由压机上横梁承受(即机架承受),所以固定阀座之螺钉很小。而图1的结构,作用于阀芯上高压油压力完全由固定阀座之螺钉承受,螺钉尺寸大,数量多,法兰盘很大。(3)减小了充液的容积,节省了充液时间,也有利于加压快速进行;(4)导向精度高,有利于阀芯平稳工作。图3是Nassetti2500～5000吨压机和WelkoWK型3500～6200吨压机上采用的无复位弹簧式充液阀结构,其特点是充液阀芯与控制油缸活塞杆固结在一起,省去了阀芯的复位弹簧;控制油缸与充液阀座复合为一体,基本零件只有4件,整体结构极为简单,通流面积大,流程短,液阻小,充液快;充液阀采用全液压控制,内置于主油缸内,作用于充液阀芯上之液压力完全由上横梁承受。图4是Citi公司STAR4200～7200吨采用的另一种无阀芯复位弹簧充液阀结构,其优点与前者相同;其结构特点是充液阀芯与控制油缸活杆为整体结构,阀座是单纯的置于主油缸内。图5是WelkoWK型5200吨压机上采用图3结构的充液阀控制油路。该油路的特点是控制油缸活塞杆腔通压力油,其活塞腔经减压溢流阀VR10、电磁阀EVD也通入压力油。这样,控制活塞在压差的作用下,阀芯处于开启状态。当电磁阀EVD通电时,充液阀芯处于关闭状态。充液阀控制油缸活塞杆腔常通压力油,应使其对阀芯产生的提升力稍大于阀芯、控制活塞自重和充液箱低压油作用于阀芯上的向下之力。此提升力实际上相当于一个液压弹簧力。这种设计,充液阀开启靠差动油压作用打开,开启快;关闭靠液压弹簧力作用,关闭快,阀芯动态响应快。显而易见,阀芯复位靠液压弹簧力作用,故依然保持了当充液阀处于关闭状态时,一旦主油缸出现负压,充液阀可自吸开启,补充低压油,依然具有机械弹簧复位式充液阀的优点。图5中的单向节流阀作用是使充液阀芯快速关闭和平稳打开而设置的,减压阀的作用是调控阀芯的开启压力,以使充液阀芯动作更加平衡,减轻噪声。图6是Sacmi公司PH4600～6200吨压机缸内下置式充液阀及控制油路,其原理与图5是一样的。控制油缸杆腔常通压力油,而其活塞腔则是由电磁阀YV307控制进油或排没,YV307常态位时,压力油进入,在压差作用下充液阀阀芯开启,YV307通电时排油,充液阀阀芯在液压弹簧力作用下关闭。与图5的区别是,充液阀控制油缸杆腔常通的压力没是由一小蓄能器和一减压溢流阀组成的液压弹簧系统,减压阀用于调整充液阀控制活塞上抬力的大小,并使上抬力保持稳定,小蓄能器的作用是使充液阀阀芯开启时平稳,而在阀芯关闭时又具有足够的快速性。油缸活塞杆腔通压力油,其活塞腔经减压溢流阀VR10、电磁阀EVD也通入压力油。这样,控制活塞在压差的作用下,阀芯处于开启状态。当电磁阀EVD通电时,充液阀芯处于关闭状态。充液阀控制油缸活塞杆腔常通压力油,应使其对阀芯产生的提升力稍大于阀芯、控制活塞自重和充液箱低压油作用于阀芯上的向下之力。此提升力实际上相当于一个液压弹簧力。这种设计,充液阀开启靠差动油压作用打开,开启快;关闭靠液压弹簧力作用,关闭快,阀芯动态响应快。显而易见,阀芯复位靠液压弹簧力作用,故依然保持了当充液阀处于关闭状态时,一旦主油缸出现负压,充液阀可自吸开启,补充低压油,依然具有机械弹簧复位式充液阀的优点。图5中的单向节流阀作用是使充液阀芯快速关闭和平稳打开而设置的,减压阀的作用是调控阀芯的开启压力,以使充液阀芯动作更加平衡,减轻噪声。图6是Sacmi公司PH4600～6200吨压机缸内下置式充液阀及控制油路,其原理与图5是一样的。控制油缸杆腔常通压力油,而其活塞腔则是由电磁阀YV307控制进油或排没,YV307常态位时,压力油进入,在压差作用下充液阀阀芯开启,YV307通电时排油,充液阀阀芯在液压弹簧力作用下关闭。与图5的区别是,充液阀控制油缸杆腔常通的压力没是由一小蓄能器和一减压溢流阀组成的液压弹簧系统,减压阀用于调整充液阀控制活塞上抬力的大小,并使上抬力保持稳定,小蓄能器的作用是使充液阀阀芯开启时平稳,而在阀芯关闭时又具有足够的快速性。根据上面的分析,单独采用滑阀结构作为充液阀使用的尚未见到。但是,Sacmi公司在HP680～3590型压机中,利用陶瓷砖压机的工作特点,巧秒地将增速油缸和增压油缸复合在一起实现具有增压、增速和充液功能的专用复合油缸,俗称三合一放大器或多功能放大器。其中的充液功有就是采用滑阀结构实现的。图7是Sacmi公司压机采用的多功能放大器结构简图。如图7所示,中间的快速小活塞是固定的,其外面的增压大活塞则是其缸筒,是可动的,同时又可将该缸筒视为滑阀的阀芯,将导向套视为滑阀的阀体。在图示位置时,当主油缸活塞快速下行时,则低压充液箱之油经导向套上的充液窗口进入主油缸,实现快速下行充液。当压力油进入快速小活塞活塞腔时,推动其缸筒增压大活塞快速下行,当其杆部移过导向套上的充窗口后,充液窗口即被封闭,主油缸活塞进入一次加压阶段。由于增压活塞杆的直径大于快速小活塞的直径,两者的面积比称为流量放大系数,即相当于系统的流量被放大了流入主缸,故此时放大器流量放大的作用。此阶段,由于增压活塞快速下移,其上腔形式负压,补油单向阀开启,充液箱之油经补油阀向上补油。当增压缸活塞腔与快速缸活塞腔同时进入压力油时,补油单向阀关闭,增压活塞下移,主油缸活塞进入增压加压阶段。由于增压活塞的直径大于增压活塞杆部的直径,两者的面积比称为压力放大系数,即相当于系统的压力油压力被放大了流入主缸,故此时放大器起压力放大作用。这种多功能放大器,结构相当紧凑,使油路布局大为简化,但也存在一些缺点:结构较复杂,制造精度要求高,由于充液阀为滑阀结构,存在高压泄漏。当快速小活塞杆腔进压力油时,增压活塞虽然可以较快的速度回程,但因其行程较长,要走过增压行程、增速行程和充液窗口长度的总和,充液窗口才能完全打开,没有锥阀阀口充液阀动作灵敏,锥阀充液阀行程小,阀芯开启的快,关闭的也快。二、充液阀阀芯复位弹簧的压力和压力关于充液阀通流面积的计算。主阀芯结构一般采取蕈形单向阀形式,主阀芯完全打开时,应满足主油缸活塞快速下行时所需要的最大流量通过阀芯开口通流面积的要求。根据液体流动连续方程式,充液阀的通流面积可表示为:α=Av[v]cm2α=Av[v]cm2式中α:充液阀的通流面积A:被充液油缸的有效工作面积cm2ν:充液行程时活动横梁的最大移动速度m/s[ν]:通过充液阀口允许的液体流速m/s对于开式流液箱,即在大气压力下,水[ν]≤7m/s;液压油[ν]为1.5～2.5m/s。对于闭式油箱,充液油箱的相对压力为2个大气压力时,液压油[ν]为4.5～7.5m/s。当油缸直径较大或行程较大时,液流允许流速可取较大的数值。当通流面积确定之后,再根据主油缸及相关的尺寸就可定出充液阀阀芯的直径和开口量的尺寸。图8是在各种尺寸确定之后,阀口完全打开时,其最小通流面积即为图中所示的abcd截头锥体的侧面积,该面积应大于或等于前面根据液流连续方程式计算出来的充液阀的通流面积。根据几何学截头锥abcd的侧面积可以表示为:α=πl(R+r)式中∶l=ab=hsinαR=12ad=12Dr=12bc=12D-hsinαcosα则α=πhsinα(D-hsinαcosα)如果把该式中的α值代入前面计算出来的充液阀要求的通流面积,阀的开口量h按结构尺寸确定,锥角α一般为60度或确定为相应的角度,则根据该式可求出充液阀口的最小直径;D=απhsinα+hsinαcosα关于充液阀阀芯复位弹