数控液压辊式板材矫正机结构及原理研究.pdf

2 0 1 1 年 l 0月 第 3 9卷 第 2 O期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS Oc t ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 0 I M I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 0 ． 0 3 0 数控液压辊式板材矫正机 结构及原理研究 王 毅 强 南车株洲电力机车有限公 司，湖南株洲 4 1 2 0 0 1 摘要简要介绍了辊式板材矫正机的矫正原理 ，分析 目前国内普遍使用 的机械式辊式板材矫正机的结构和工艺适应 性 ，在此基础上，介绍国外最新开发的一种数控液压辊式板材矫正机，着重研究其液压矫正装置结构和控制原理。 关键词辊式板材矫正机 ；电液伺服阀；液压原理 中图分类号 T G 3 0 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 O一0 8 1 3 S t ud y o n St r u c t ur e a n d Pr i n c i p l e s o f NC Hy dr a u l i c Ro l l e r Pl a t e S t r a i g ht e n i ng M a c h i ne W ANG Yi qi a n g ‘ c s R Z h u z h o u E l e c t r i c L o c o mo t i v e Co ． ，L t d ．。Z h u z h o u Hu n a n 4 1 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r a i g h t e n i n g p rin c i p l e o f r o l l e r p l a t e s t r a i g h t e n i n g ma c h i n e w a s b ri e fl y i n t r o d u c e d ． T h e s t r u c t u r e a n d p r o c e s s a d a p t a b i l i t y o f t h e me c h a n i c a l r o l l e r p l a t e s t r a i g h t e n i n g ma c h i n e w i d e l y u s e d i n d o me s t i c w e r e a n a l y z e d ．On t h i s b a s i s ，a k i n d o f f o r e i g n l a t e s t d e v e l o p i n g NC h y d r a u l i c r o l l e r p l a t e s t r a i g h t e n i n g ma c h i n e w a s i n t r o d u c e d ．T h e s t r u c t u r e o f h y d r a u l i c c o r r e c t i v e d e v i c e a n d c o n t r o l prin c i p l e we r e e mp ha t i c a l l y s t ud i e d． Ke y wo r d s R o l l e r p l a t e s t r a i g h t e n i n g ma c h i n e；E l e c t ri c h y d r a u l i c s e r v o v a l v e ；Hy d r a u l i c p rin c i p l e 辊式板材矫正机是钣金加工行业普遍使用 的一种 板材矫正设备 ，主要用于各种板材的矫正并消除板材 的内应力。目前 国内制造的辊式矫正机，主要结构是 参照前苏联的设计，是一种纯机械式结构，对制造精 度和装配精度都有很高的要求。这种结构，对于屈服 强度比较低的普碳板，有较好的适应性，但对屈服强 度高、回弹大的合金板材，矫正质量及稳定性就很难 保证 ，而且由于没有过载保护，容易造成设备超载使 用 ，致使设备性能急剧下降且难以恢复，只能降低质 量要求使用。而国外开发的一种数控液压伺服控制的 辊式板材矫正机很好地解决了这些问题，并可方便地 实现自动控制。 ． 1 机械式辊式板材矫正机 1 ． 1结构概 述 如 图 1 所示 为机械式辊式板材矫正机结构 图 ，该 设备由机架部分 、辊子部分 上、下工作辊及支承 辊 、活动横梁部分、转角机构、压下机构、主传动 部分、电气控制部分等组成。 架2 一辊 子 部分 上 下 工作 辊及 支承 辊 动横梁部分 4 一压下机构 卜 转角机构 传 动装 置7 一 位 移传 感 器装 置 图 1 机械式辊式板 材矫 正机结构 图 收稿 日期 2 0 1 01 0 2 0 作者简介王毅强 1 9 6 5 一 ，男，本科，机械工程师，从事液压技术方面工作。Em a i l w y q 3 0 7 0 s o h u ． c o n。 8 2 机床与液压 第 3 9卷 机器 的主体采用框架 结构 ，下排工作辊及支承辊 固定 在下机座上 ，上排工 作辊及 支承辊固定于活动横 梁上 ，横梁两侧 固定滑块 座 ，滑块 座上安装有圆弧滑 块 ，通过压下机构 的电机 减速机带 动蜗轮蜗 杆副及 4 个螺旋副 ，并利用滑块两侧的导向面，使活动横梁上 下移动 即上排工作辊作升降运动 ，上排工作辊沿 校平方向倾斜则是靠转角机构通过曲轴使滑块沿弧面 转动一定 角度来实现 的。为了消除压下丝杆丝母 的间 隙，用 4个压缩弹簧平衡 整个横 梁重力。上 、下排工 作辊均设有支承辊。全部工作辊为主动辊，由主电机 通过减速器进入分配箱，通过万向接轴驱动工作辊工 作。位移传感器检测上排工作辊的升降量和倾斜量。 I ． 2 矫 正 原理 简述 矫正过程是通过板材在上下工作辊之间进行反复 弯曲产生弹塑性变形以消除板材原始弯曲及内应力的 原理进行 的，在入 口侧使 板 材进行 适 当的塑性 变形 ， 在 出 口侧板 材进行弹性变形 ，以达到板材 出矫正 机后 平直。根据金属板材弹塑性变形理论 ，第一道弯曲的 曲率 要尽量大一些 ，一般要大于板材原始 曲率 最大处 的曲率 即最大局部曲皱曲率 ，以将板材各处不均 匀的原始曲率通过较大的塑性变形达到较为均匀一 致 ，随后各道弯曲曲率要递减 ，通过转角机构将上排 工作辊与下排工作辊倾斜一定角度可满足此要求。在 每一个轴辊下面，板材都要弯曲一个在前一道轴辊下 所弯成的剩余曲率 即再弯曲曲率 一弹复曲率 ，并 重新向相反方向弯曲一个再弯曲曲率 即前一道弯 曲的剩余曲率 。 1 ． 3设备结构的工艺适应性分析 根据以上矫正原理分析 ，理论上，在合适的工作 辊直径和工作辊数量下 工作辊直径越小 ，工作辊 数量越多 ，矫正效果 越好 ，该 种结构 可获得 很好 的 矫正效果 ，从实际使用上来看，对屈服强度比较低的 普碳板矫正效果还是 不错的 ，但 对屈服强度 比较高 的 合金板矫正效果就要 差一些。原 因有以下几个方 面 1 相比普碳板，合金板材的屈服强度成倍增 加 ，在相 同板厚 和工作 辊径 、辊距 下 ，达到充分塑性 变形 的弯 曲力 也成倍 增加 ，这对机架及其他各部分 的 强度和 刚性要 求更 高。一般 情况下 ，设计上采用增加 工作辊径和辊距来降低弯曲力，但矫正效果就要差一 些 。 2 进 出口辊缝 难 以保 持稳 定 特别 是 在矫 正 屈服强度高 的板 材 时 。主要影 响 因素 有 转角 机构 蜗杆蜗轮的间隙 图 1中 5处 ；活动横梁中曲轴与 曲轴座 的间隙 图 1中 A处 ；圆弧 滑块与 活动横梁 连接的蝶形弹簧预压缩量 图 1中 B处 ；圆弧滑块 与活动横梁 的圆弧 面接触情况 图 1中 C处 、为消 除压下丝杆丝母 的间隙 ，4个平衡 弹簧预 压缩量 及调 整是否均衡 图 1中 E处 ；机架及 其他各部 分 的刚 性 J B ／ T 3 1 6 4 - 9 4标准为 机架上横梁 中部最大工 作 负荷下变形不大于 0 ． 2 5 m m，活动横梁 中部最大工 作 负荷下变形不 大 于 0 ． 3 m m，下横 梁 中部 最大 工作 负 荷下变形不大 于 0 ． 3 m m等 。 3 矫正装 置部 分 的结 构设 计 比较 复 杂 ，对 制 造和装配调整要求高 。 2数控液压辊式板材矫正机 2 ． 1 结构概 述 ‘ 与传统 的机 械式 相 比，主 传动 方 式 没有 大 的区 别 ，而决定板材矫正质量 的矫正装 置设计 上发生 了根 本性 的改进 见 图 2 。上下 工作 辊 之 间的距 离通 过 布置在矫正单元 4个角点上的位移传感器直接检测， 通过电液伺服阀闭环控制活动横梁上4个油缸 ，确保 在负载下 即使在极高的负载下 ，上下工作辊辊缝 保持不 变 ，控制 精 度达 0 ． 叭 m m。与 机械 式相 比 ， 矫正装置 的结 构非常简单 ，大大减 少了负载下影响上 下工作辊 之间距离变大 的因素 ，各挠度变形通过 电液 伺服控制 自动补偿。矫正装置采用液压伺服控 制设 计 ，容易实现过载保护和自动化控制。 l 一 活动 横 梁 2 一 油缸 3 一 位 移传 感器 4 一下横梁 5 一下 工作 辊 6 一下 支承 辊 7 一上 工 作辊 8 一上 支承 辊 图 2 数控液压辊式板材矫 正机矫 正装置结构 图 2 ． 2液 压及 控制 原理 2 ． 2 ． 1 液压 系统组成 液压 系统 见 图 3 主要 由外 反馈限压式变量 叶 片泵 3 、高 压溢流 阀 1 0 、低 压 溢流 阀 9 、蓄能 器 1 4 、 Y V l Y V 8电磁换 向阀、3个伺服 阀等组成 。 1 为温度 开关 ，有 两个 电接点 ，当液压 油温 达到 设定上 限值 时 ，启动冷却油 泵 5 ，温度降 到设定下 限 值时 ，冷却油泵 5停止 ，油液通过主油泵 电机 自带风 叶冷却 ； 2为带浮子 的油位 开关 ，当油 位 降低到设 定 上 限值时 ，发 出 报警 信 号 ，提示 加 油 ，到达 下 限 值 时，设备停机。7和 8 分别为带堵塞保护的回油和出 油过滤 器 ； 9为低 压溢 流 阀 ，设 定值 为 5 MP a ，仅用 第 2 O期 王毅强数控液压辊式板材矫正机结构及原理研究 8 3 于设备维修调整时，防止压坏设备；1 0为高压溢流 阀，设定值 为 1 6 M P a ，正常 工作 时 ，Y V 7通 电 ，油 路压力 由此 阀调 定 ；1 1和 1 2为截 止 阀，正 常工 作 时 ，1 1 打开 ，1 2关 闭 ，维修 蓄能器 时关 阀 1 1 ，再打 开 1 2 ，将管路高压油释放到油箱 ，1 3为蓄能器安全 阀；1 6为压力开关 ，设定值 为 7 M P a ，正 常工作模式 下 ，油路压力低于此值时 ，设备报警停机 。 l 一温度开关 2 一油位开关 3 一外控限压式变量泵 4 一冷却器 5 一油泵 6 一 冷 却器7 一 带堵 塞保 护 出油过滤 器8 一 带堵塞 保护 回油 过滤器 9 一低 压溢流 阀l O 一 高压溢 流 阀l l 一截 止 阀 l 2 一 截止 阀l 卜 安全 阀 1 4 一蓄能器 l 5 一单向阀 l 6 一压力开关 l 7 一压力传感器 图 3 数控液压辊式板材矫正机液压系统原理图 电液伺服阀安装在靠近液压缸的位置，这样有利 于提高液压缸 一负载环节的固有频率；出油过滤器安 装在 蓄能器 之前 ，以 防止 电液伺 服 阀液 流 快速 变 化 时，带出过滤器中的脏物 ，降低过滤效果 ，同时考虑 对高频流量 的响应 。 2 ． 2 ． 2 液 压系统的工作 原理 如 图 3 ，当主油泵 3工作 时 ，输 出的油经 管道和 阀进入 4个 主油缸 和 蓄能 器 ，多余 的油 从溢 流 阀 1 0 排 回油箱 ，油路压力 由溢流 阀 1 O调 定 。矫 直过 程 中 带负载或空载 ，进入 4个主油缸的油液极少，带 负载矫直时，仅仅为了补偿挠度变形需要很少高压油 液 ，油泵 3输出的高压 油绝 大部分 通过 溢流 阀 l 0排 回油箱。为了降低这种无功功率，设计上采用外反馈 限压式变量 叶 片泵加 蓄能 器 的方式 蓄 能器 是为 了 提高快速响应能力 ，压力越高，油泵 3输出的流量 越小 。矫直单元4个角点的上下工作辊辊缝的调定和 保持恒定是通过电液伺服阀来实现的，这时，Y v 1 一 Y V 8的所有 电磁 换 向 阀均得 电，油 缸 中的 油通 过 电 液伺服阀进入。当设备出现过载 包括压力过载和 主传动电机扭矩过载，压力过载由压力传感器 l 7检 测及其他异常时，Y V 1 一Y V 8的所有电磁换向阀均 失电，蓄能器 1 4中的高压油液通过 Y v 4 一Y v 6的进 油 口进 入 油 缸 上腔 ，油 缸 下腔 油 液 通 过 Y v 4 一Y v 6 的回油 口回油箱 ，实现活 动横梁 的快 速抬升 ，Y V 1 一 Y V 3失电的同时，其单向阀防止活动横梁下落。 3结 语 与传统的机械式相 比 ，液压式具有无 可 比拟 的优 越性 ，是 目前及今 后较 长时 间 的理 想机 型。表现 在 矫正质量无懈可击 ，校平精度可稳定达到 0 ． 5 m m ／ m 以下 ，而机械式 校平精 度 只能达到 1 ． 0 m m ／ m 2以下 ； 同样 的辊 径 和辊数 下 ，可 校板材 厚度 范 围要 宽很 多 ； 具有完善可靠的过载保护，确保设备能长期稳定工作； 可方便实现与输送辊道、上下料装置等的联动控制。 上接 第 8 0页 ’ 打开，缸内的部分油液流出，缸内压力降低 ，平衡阀 又复位。在受到冲击前后，当冲击为系统负载 3 倍多 的时候 ，缸内压力却只升高原来的 3 0 ％左右。完全 满足系统的实际需要 ，从而达到保护工作人员和自身 液压 系统 的 目的。实 际工况 中的冲击要 比现在设 置的 小得多 。通过动态分析 ，完全可 以得 到液压 提升回路 的各个过程动态特性 。 4结 论 ‘ 液压提升回路要求安全系数 比较高，其应用场合 比较复杂 ，如果提升 回路发生故 障 ，突然 降落就会 砸 坏机器 的其他 元件 ，甚 至会 对工 作人 员 造成 人 身 事 故。为了降低故障提高生产效率 ，很有必要掌握提升 回路的动态特性。文 中通 过提 升液压 回路 理论研 究 ， 进 行动态特性分析 ，全面 认识 了提升 回路 中换 向阀 、 平衡 阀和油缸的位移等参数的相互影响 ，也为工程实 际应用 和新 机型的设计提供理论基础。 参考文献 【 1 】李春英 ， 樊运平． 一种新型短壁开采设备 T Y 9 F B型梭 车[ J ] ． 机械工程与自动化 ， 2 0 0 5 1 5 l 一 5 6 ． 【 2 】孙俊 ， 寇子明． 矿用安全型梭车的研究[ J ] ． 机械管理开 发 ， 2 0 0 9 6 4 9 5 5 ． 【 3 】 符永正 ， 周传辉． s P 型平衡阀流量特性的实验研究[ J ] ． 阀门， 2 0 0 1 3 1 31 8 ． 【 4 】 潘权 ， 颜荣庆． 新型液压平衡阀动态特性研究[ J ] ． 长沙 交通学 院学 报 ， 2 0 0 3 ， 1 9 3 1 92 3 ． 【 5 】李锋， 马长林． 平衡 阀动态特性仿真与参数优化设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 4 3 2 3 6 ．