专用热处理设备新型施压模式的液压系统优化设计.pdf

2 0 1 2年 5月 第 4 0卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ma v 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 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 2 ． 1 0 ． 0 2 2 专用热处理设备新型施压模式的液压系统优化设计 张剑慈， 黄云峰 ， 谢慧萍 衢州学院工程实训 中心 ，浙江衢州 I 3 2 4 0 0 0 摘要一般的淬火设备都是施压与淬火共用一套液压系统，难以满足工作要求，为了保证提高液压淬火系统的工作可 靠性，保证产品质量，对表面淬火专用热处理设备的液压系统进行了优化设计。阐述了优化设计后两套独立的液压系统的 工作原理，二种施压模式。实践证明采用该设备对带有中心孔的叶轮、齿轮及盘类零件进行表面淬火，其淬火性能良 好 。 关键词淬火；热处理；液压系统 ； 施压模式；优化设计 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 2 1 0 0 6 92 Op t i mum De s i g n t o Hy dr a ul i c Pr e s s u r e S y s t e m o f Ne w Ty pe Pr e s s ur e M o d e s o f S pe c i a l He a t Tr e a t me n t Eq u i p me nt s Z HANG J i a n e i ，HUANG Yu n f e n g ，XI E Hu i p i n g E n g i n e e r i n g T r a i n i n g C e n t e r ， Q u z h o u U n i v e r s i t y ， Q u z h o u Z h e j i a n g 3 2 4 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e g e n e r i c q u e n c h i n g e q u i p me n t wa s u s u a l l y u s i n g a s a me h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m w h e n p r e s s i n g a n d q u e n c h i n g ． I t w a s d i ffi c u l t t o r e a c h w o r k i n g r e q u i r e me n t ．I n o r d e r t o ma k e s u r e t o i mp r o v e t h e w o r k i n g r e l i a b i l i t y o f h y d r a u l i c p r e s s u r e q u e n c h i n g s y s t e m，a n d t o a s s u r e t h e q u ali t y o f t h e p r o d u c t s ，t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m o f S p e c i al He a t T r e a t me n t E q u i p me n t s w i t h S u rf a c e Q u e n c h i n g w a s d e s i g n e d i n o p t i m u m． T h e o p e r a t i n g p ri n c i p l e a n d t h e t w o s e t s o f p r e s s u r e m o d e s o f t h e t w o h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m a f t e r o p t i mu m d e s i g n e d w e r e e x p a t i a t e d ． I t h a s b e e n p r o v e d b y p r a c t i c e t h a t b y a d o p t i n g t h i s e qu i p me n t ，w e l l p e rf o r man c e h a s b e e n p r o v i d e d w i t h w e l l p e rfo rm a n c e w h e n s u rfa c e q u e n c h i n g t o i mp e l l e r s ，g e a r s a n d d i s c p a r t s wi t h c e n t r al h o l e s ． Ke y w o r d s Q u e n c h i n g ；H e a t t r e a t m e n t ；H y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m；P r e s s u r e m o d e ； O p t i m u m d e s i g n 一 般的淬火设备都是施压与淬火共用一套液压系 统，这种设备在工作时，铁皮等污物容易浸入液压系 统 ，工作可靠性较差 ，难以满足工作要求。因此 ，需 要对其液压系统进行了优化设计。作者以一台用于带 有中心孔的叶轮、齿轮及盘类零件进行表面淬火的专 用热处理设备为对象，对该设备的液压系统进行了优 化设计。优化设计后该热处理设备由主机 、两套独立 的液 压系统及水冷 系统等部分组 成。并设计 了定值施 压与脉动施 压二种施压模 式 ，以防止工件在淬火过程 中出现变形，从而满足了不同工件的技术要求。该优 化后 的设备不仅克 服 了上述 缺点 ，扩大 了使用 范 围， 也保证 了产 品的质量 。 1 热处理设备液压 系统的工作原理 该设备由主机 、两套独立的液压系统及水冷系统 等部分组成。其主机由空心底座 1 3和横梁 2 0等部件 组成 。双活塞 杆套 装 的复 合式 液 压缸 9固定 于横 梁 2 0上 ，带有 封油 圈 1 7的动模 1 8套 装在 芯轴 l 6上 ， 底座上平面装有可放置加热好的待淬火工件 1 5的定 模 1 4 。其工艺过程为 把加热到规定温度的工件放 人定模后，液压缸的芯轴活塞杆 1 6和压模活塞杆 1 9 以互不相同的速度下行，当芯轴活塞杆将芯轴插人工 件的中心孔完成定位并使动模下平面与工件接触后， 压模活塞杆的下端面通过动模给工件 1 5施压，以防 淬火过程中工件变形；与此同时，淬火液压系统通过 定模内分布的喷油孔向工件喷油 ，开始淬火过程；当 达到规定 的淬火 时间时 ，芯轴活 塞杆首先带动 动模上 移完成开模拔销 ，并 由压模液压缸下端面的台肩限 位 ，此时，压模活塞杆便的芯轴活塞杆一起上行 ，直 至到达规定位置 。卸下淬火完毕 的工件后 ，一个工作 循环结束。根据工件的不同要求 ，淬火时有定值施压 和脉动施压两种施压模式 。 施压液压系统的主要功能是为了防止工件在淬火 过程中出现变形 ，而工件以定压和脉动两种方式之一 加载。图1 是施 压液 压系统原理图。双活塞 杆套装 的 液压缸 9中，直径较小的芯轴活塞杆套装在直径较大 的空心 的压模活塞杆 内 ，该缸有 A、B 、C 、D 4个油 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 2 7 基金项 目浙江省公益技术项 目 2 O l 1 C 3 1 S A 9 0 0 0 0 6 0 作者简介张剑慈 1 9 6 4 一 ，女，教授 ，主要研究方向为流体传动与控制。Em a i l z h j c i t o m ． c o m。 7 0 机床与液压 第 4 0卷 口，其 中油 口B旁通油箱。系统采用定量液压泵 1 供 油 ，其压力 由溢流 阀 1 2设定 ，两组并联 的单 向节流 阀 8和 1 0对复合缸进行回油节流调速；H型中位机 能的三位 四通 电磁换 向 阀 2控制 复合缸 的运动 方 向； 液控单 向阀 7用于闭锁复合缸与 c 、D油 口相 通的 回 油腔 ，以防止复合缸在等待期间因活塞杆及其拖 动的 工作机构 自失重而 自行下落 。 l 一液压泵 2 、3 、5 一电磁换向阀 4 一 小孔阻尼器具 6 一压力继 电器具 7 一液控单 向阀 8 、l O 一单 向节流阀 9 一液压缸 l 1 一压力表 l 2 一 溢流阀 1 3 -- 空心底座 1 4 一 定模 l 5 一 工件 l 6 一 芯轴活塞杆 l 7 一 封油圈 l 8 一 动模 l 9 一 压模活塞杆 2 o _ _ 横粱 图 1 液压原理 图 2施压液压系统的工作原理 2 ． 1 定值 施 压模 式 当加热到规定温度的工件放入定模后 ，电磁铁 1 Y A通 电使换 向阀 2切换至左位 ，液压泵 1 通过油 口 A向复合缸上腔供油，同时导通液控单 向阀7 ，使复 合缸的c、D油口与油箱相通。所以芯轴活塞杆与压 模活塞杆分别 以不 同速度开始下移 ，两者的下行 速度 分别 由单 向节流 阀 1 0和 8中 的节 流 阀的开 度决 定 ， 当芯轴活塞杆带动动模快速将芯轴插入工件中心孑 L 并 合模后 ，淬火液压系统通过定模 内部开设 的油孔 向工 件喷油 ，随之压模活塞杆下行到其下端面的台肩与动 模 的上端面接触 ，并 通过动模 向工件施压 ，施压最大 负载取决于溢流 阀 1 2的设定 值 。到达 规定淬 火时 间 后 ，电磁铁 1 Y A断 电 ，2 Y A通 电，换 向阀 2切 换 到 右位 ，液压泵通过油 口C、D向复合缸 的两个 下腔供 油 ，芯轴活塞杆和压模活塞杆同时上行 ，动模 与芯轴 活塞杆 下端 面台肩 限位 ，当压模活塞杆上移至旁通油 口 B打开时 ，油 口 C和 B连通 ，液 压泵输 出 的油液 经 c和 B直接 回油 箱 ，压模 活塞杆 停位 。人工 装卸 工件过程 中 ，电磁铁 1 Y A 和 2 Y A均 断 电，换 向阀 2 复至中位 ，系统卸荷 ，以达到节能 目的。 2 ． 2脉 动施 压模 式 复合缸 的上下行动作与定压施压模式时相同 ，只 是施压过程不同，其原理是复合缸下行时，电磁铁 4 Y A通 电使换 向阀 5切换至右位 ，当动模活塞 杆的台 肩 与定模接触 时 ，复合缸上腔压力开始增高 ，当压力 达到规定 值时 ，压力 继 电器 6发信 ，电磁铁 3 Y A在 时间继 电器规定 的频率下交替通断 电，换向阀 3交替 通断，从而使复合缸内获得脉动压力。脉动压力最大 值 由溢 流阀 1 2 设定 。压力最小值基 于下述原理获得 设 出 口压 力 为 零 ，则 由小 孔 流量 压 力 方 程 1 得 到 P 4 盯q 号 1 式中 P为小孔入 口压力 ； Q为小孔流量 ； d为小孔直径 ； c 为小孔 流量 系数 ； P为油液密度 。 由式 1 可知 ，改 变 d即可 获得不 同的 P值 。 为此 ，在 系统 中设置 了小孔 阻尼器 4 ，在 系统调试 时 通过改变其直径以获取不同的脉动压力最小值。系统 的电磁铁动作顺 序见 表 1 。 表 1 电磁铁动作顺序表 O t O t a 定压施压模式 b 脉冲施压模式 图2 两种施压模式的压力 P 一时间 t 曲线图 两种施压 模式 的压 力 P 一时 间 t 曲线如 图 2 所示 。 3 淬火液压 系统及其工作原理 淬火液压系统原理如图 3所示 ，其功能是通过定 模 内分布 的喷油孔 向工件喷油 ，对工件进行淬火 。该 系统 的油源为单 向定量液压泵 1 ，系统压力 由先导 式 下转第 7 4页 7 4 机床与液压 第4 0卷 l ， Kq _ K [ S _ 1 ] F L 3 1 s s 一 式 中∞ 为液压 固有频率 ，r a d ／ s ； 为液压阻尼 比； 为液压弹簧 刚度与 阻尼 系数 度 之 比，r a d ／ s 。 1 ， ＼ K ee |8 e l Jm L B e L 1 一 2 L A √ A 。 2 低 频速度 刚 3 2 3 3 t O 1 3 4 K 传递 函数式 3 1 对 于 阀控缸 系统具有普适性 ， 当n1 时即对应了经典的对称阀控制对称缸系统 的传 递 函数 。式 3 1 中的参 数结 构和 物理解 释 与 传统的对称阀控制对称缸系统的参数结构和物理解释 一 致对应 ，这就为分析 和综合非对称阀控制非对称缸 系统奠定了理论基础。 4结论 1 根据 阀控非对称缸系统的非对称特性，定 义 了修正 的系统负载 、负 载压力和负载流量。 2 给出 了匹配非对称 阀控制 非对称 缸系统 的 最佳负载 匹配准则 。 3 研究 了以 1 一n P A ／ 2为负 载 中心 且系统 在最小液压 刚度 时的匹配非对称阀控制非对称液压缸 系统 的动力机构 特性 。 4 匹配非对称阀控制非对称缸传递函数的参 数结构和物理解释与传统理论相吻合，为分析和综合 非对称 阀控制非对称缸 系统奠定 了坚实的理论基 础。 参考文献 【 1 】 V I E R S M A T A C O J ． A n a l y s i s ， S y n t h e s i s a n d D e s i g n o f H y d r a u l i c S e r v o s y s t e ms a n d P i p e l i n e s [ M] ． O x f o r d E l s e v i e r S c i e n t i f i c P u b l i s h i n g C o mp a n y ， 1 9 8 0 5 55 9 ． 【 2 】 M E R R I T r H E ． H y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m[ M] ． N e w Y o r k J o h n Wi l e y S o n s ， I n c ， 1 9 6 7 8 38 7， 1 4 9 ． 【 3 】 李洪人 ， 王栋梁， 李春萍． 非对称缸电液伺服系统的静态 特性研究[ J ] ． 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，从而减小了整个机床 的占地面积。 参考文献 【 1 】俞新陆． 液压机的设计与应用[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】姜佩东． 液压与气动技术[ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 00 6． 【 3 】 贾铭新． 液压传动与控制[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 20 06． 【 4 】骆简文． 液压传动与控制[ M] ． 重庆 重庆大学出版社 ， 20 03