大型立式珩磨机液压控制及冷却系统设计.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 第 4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUUCS No v ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 3 4 大型立式珩磨机液压控制及冷却系统设计 ， 王 野 牧 ，张健 1 ．沈阳工业大学机械工程 学院，辽宁沈 阳 1 1 0 8 7 0； 2 ．沈阳工业大学研 究生学院，辽宁沈阳 1 1 0 8 7 0 摘要设计 了一种新型大型立式珩磨机液压控制系统 ，可以完成珩磨头线速度闭环控制、油石压紧力闭环控制。给出 了设备的液压控制原理图及冷却系统原理图，着重介绍了珩磨机运行过程中的两缸运动控制原理、控制方法及柴油冷却系 统的设计等。 关键词珩磨机；比例调速阀；比例减压阀；冷却系统；涡流泵 中图分类号T G 5 8 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 21 0 72 De s i g n o f Hy dr a u l i c Sy s t e m a n d Co o l i n g S y s t e m f o r t he La r g e Ve r t i c a l Ho n i ng M a c h i n e WANG Ye mu ．Z HAN G J i a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 7 0，C h i n a ； 2 ． G r a d u a t e S c h o o l ， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 7 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f a n e w t y p e o f l a r g e v e r t i c a l h o n i n g ma c h i n e wa s d e s i g n e d ．I t c o u l d b e u s e d t o c o m- p l e t e t h e c l o s e d l o o p c o n t r o l o f h o n i n g h e a d l i n e a r v e l o c i t y a n d o i l s t o n e i mp a c t i o n f o r c e ．T h e h y d r a u l i c c o n t r o l s c h e ma t i c d i a gra m a n d c o o l i n g s y s t e m s c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e d e v i c e w e r e p r o v i d e d ．T h e c y l i n d e r mo t i o n c o n t r o l p r i n c i p l e ，c o n t r o l me t h o d a n d t h e d e s i g n o f t h e d i e s e l c o o l i n g s y s t e m we r e i n t r o d u c e d e mp h a t i c a l l y ． Ke y wo r d s Ho n i n g ma c h i n e ； P r o p o rt i o n a l fl o w c o n t r o l v alu e ； P r o p o rti o n a l p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ； C o o l i n g s y s t e m； E d d y c u r - r e n t p ump 1 珩磨机技术要求 所研制的大型立式珩磨机床主要用于大尺寸工件 内径的珩磨加工，其最大珩磨直径要求达到 1 5 0 0 m m。国内珩磨机加工工件内径一般不超过 1 0 0 0 m m， 加工孔径在 1 2 0 0 m m以上的大型立式高精度珩磨机， 尚无可靠 的定型产品⋯。因此 ，对大型立式珩磨机的 研究具有较 大的实际意义。 该设备设计要求珩磨工件内径 1 2 0 01 5 0 0 m m， 垂直缸行程 2 0 0 0 m m，提升力 9 0 k N ，垂直运 动速度 0～ 3 0 0 m m ／ s 范围内连续可调，换向平稳、无 冲击； 工作台水平移 动行程 2 0 0 0 m m，移动速度 2 0～3 0 m m ／ s ，最大输出力 3 0 k N；磨头涨紧缸行程 1 0 0 m m， 保证油石压紧到工件内壁上的力大小可以实时监控并 连续 调节。 另外 ，对于冷却 系统，要求 以柴油作为冷却介 质 ；鉴于现运行的小型珩磨机冷却系统存在的问题， 要求尽量延长冷却泵的使用寿命。 2液压控制系统说明 2 ， 1 液压 系统 整体 设计 思路 结合珩磨机项 目实际技术要求 ，垂直液压缸运动 选用差动工作方式，这样使得油缸上行、下行的速度 相同，而且还可以减小泵的排量。为了尽量减小垂直 升降液压系统和油石涨紧液压系统间的相互干扰，实 现精确控制，液压 系统采用两个独立泵作为能源装 置 一个单独用于垂直油缸的运行控制，另一个为变 量泵 ，用于油石涨紧和工作台移动控制。采用比例调 速阀控制垂直液压缸的移动速度；采用比例减压阀实 现对油石与工件 间压力 的控制 。 2 ． 2垂直 油缸运 动及 速度控 制 珩磨线速度是由伺服电机行成的可调转动线速度 与油缸上下运动线速度合成 的。因此 ，只要实现对油 缸垂 直运动 的实时可调控制就可 以实现对切削线速度 的闭环控制 。 通过对典型调速回路的对比分析 ，最终选用效率 较高的比例调速阀旁路节流回路实现对油缸的垂直运 行控制 。采用差动液压缸、电液比例调速阀、速度 传感器 光电编码器及工控机组成闭环控制系统， 达到实时监控 、实时调整 的 目的 ，实现对垂直缸速度 的闭环控制。速度闭环控制方框图如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 31 0 3 1 作者简介王野牧 1 9 6 5 一 ，男，硕士，副教授 ，主要研究方向为液压伺服控制技术、电液比例控制技术、计算机测控技 术等。E m a i l w 1 5 9 0 4 0 5 6 2 1 4 s o h u ． c o m。 1 0 8 机床与液压 第4 2卷 图 1 闭环速度控制系统方框图 速度控制液压原理如图2所示，三位四通电液换 向阀9实现主油缸的上行和下行控制；单向阀8防止 液压缸下行时 差动控制 有杆腔油液通过换向阀 泄漏；插装阀7实现差动控制，充分发挥结构紧凑、 通流能力大、密封性好、流量损失小的特点 ；两个 截止阀 4 、6在珩磨机维修时起到切断油路、防止油 液流出的作用；单向顺序阀3起平衡阀作用；溢流阀 2起安全 阀作用 。 l 一 比例 调速 阀 2 一溢 流 阀 卜 单 向顺序阀 4 、6 - - 截止阔 5 - I 垂直液压缸 7 --插 装 阀 8 一单 向阀 9 “- - “ 电液换向褥 l O 一 电磁溢 流 阀 l l 一液压泵 图2 垂直运动及速度控制液压系统原理图 油缸工作顺序如下 1 主液压 缸下 行 。启 动 电机 后 ，电磁铁 Y V 1 上电，溢流阀 1 0工作，电磁铁 Y V 2和 Y V 4上电，垂 直液压缸活塞杆下行。其中的单向顺序阀 3限定了有 杆腔的压力 ，防止活塞杆因下端载重而失速；单向阀 8防止油液流回油箱；有杆腔油液经插装阀 7流到无 杆腔，这样实现下行的差动工作状态，以减少泵的输 出流量。 2 主液压缸上行。给电磁铁 Y V 3上电，电磁 铁 Y V 4断 电，高压油经过换 向阀 9 、单 向阀 8 、单 向 顺序阀 3 进入有杆腔，无杆腔油液经换向阀9流回油 箱 ，使液压缸上行 。 2 ． 3 油石压 紧力及工作 台运动控制 由于工作台移动和油石涨紧不同时进行，所以可 以采用一个限压式变量叶片泵作为能源装，这样既可 以简化油路 ，又可以减少能量损失及发热。回路中采 用叠加阀，可以缩小安装空间，减少配管、油漏和管 道振动等引起的故障 』 。 压力控制方法很多 ，常见的有减压阀调压和溢流 阀调压 ，其调压原理不同。相比之下，减压阀起调压 力更小 、调压精度高 、响应快 ，更有利于实现压力连 续、精确的调节控制，所以选用 比例减压阀控制涨紧 缸无杆腔压力，实现对磨石与工件之间的压紧力大小 的间接控制。由比例减压阀、压力传感器和工控机构 成闭环控制系统，实现压力控制。压力闭环控制方框 图如 图 3 所 示。 匝 亘 H 数 翥 D H 裴 契 冀 H 镯 减 H 盖 液 l I 二 ．]一 图3 闭环压力控制系统方框图 压力控制回路如图4所示，当电磁阀 5的电磁铁 Y V 6上电时，通过比例减压阀2 控制涨紧缸无杆腔压 力，实现磨石对工件压紧力的间接控制 ；电磁铁 Y v 5 上电时，涨紧缸活塞杆缩回，使磨石与工件脱离，完 成加工过程。其中液压锁 4能够保证非加工状态时锁 紧回路，防止油缸误动作。 1 一 限压 式 变 量 叶 片泵 2 -- 比例减压 阀 3 、8 _ - 单向调速阀 4 、7 --液压锁 s 、 三 位 四通 电 磁换 向 阀 溢流 阀 1 0 - - -- 工作台移 动液压缸 1 l 一油石涨紧缸 图4 压力及工作台移动液压系统原理图 工作台移动由一个三位 四通电磁换向阀 6控制。 当电磁铁 Y V 8上电时，移动油缸伸出；电磁铁 Y V 7 上电时，移动油缸缩回。其中液压锁 7可以保证工作 台及工件在加工过程中处于准确位置；溢流阀 9 起安 全阀作用。 上述两个回路中的单向调速阀均起到调节油缸运 行速度的作用。 3 柴油冷却系统的设计 3 ． 1 该企业现有珩磨机 已存在问题 目前，该企业所用小型珩磨机采用某型齿轮泵作 为冷却泵，使用寿命短 ，一个月左右便要更换一次。 分析其原因主要有两点 其一是由于柴油黏度低，润 滑特性不佳 ；其二是过滤装置的选用有难度 ，清洁、 维修等存在一定的问题 ，使得切屑和油石颗粒进入泵 中，影响泵的使用寿命。 3 ． 2解决方案 为了解决存在的问题 ，就需要对过滤装置及泵进 行改进，最终选定涡流泵作为冷却液的输送泵。 下转第 l l 5页 第 2 2期 杨帆 等盾构同步注浆试验平台设计的相似性研究 1 1 5 式中n为实物与模型的相似要素数量 ；k为实物系 统的元素个数 ；z 为模型系统的元素个数；卢 ； 为影响 权重；q ／2 , 为相似元 ，可按式 5 计算 q “ l∑ 6 5 专家综合特征权值可按式 6 计算 三 s ，P 【 o J 式 中 s 为评定 的特征 ； P 为第 k 个专家； 八S j ， P 为单个专家评定结果 ，其取值根据判 断两个特征 的重要 性 ，分 别取 1和 0 。 从上式可求出系统相似度，根据其实际意义的阀 值 ，利用模糊综合评判及最大隶属度原则等就可以判 断相似系统的有效性 。其一致性等略。 4 结束语 主要解决盾构同步注浆试验平台的设计及相似度 的判 断方法等问题 。运用相似理论与模型试验方法和 模糊 理论结合 A H P法对 系统相 似程 度进行 判 断 ，为 盾构 同步注浆试验平 台设计的合理性及 可靠性 提供 了 理论依据 。 参考文献 [ 1 ]森 ． 一， 卜下才 、 ， L ， 裹 幻注入招土 切羽泥水压 土扣粘性土地盘 劈裂现象 [ J ] ． 、／_木匕地下， 土木 工学会 ， 1 9 9 1 3 0 3 4 ． [ 2 ]WA N G H u i ， L I D a y o n g ， X I A G u a n g h o n g ． A n a l y s i s o f P r o b - l e ms Ar i s i n g f r o m a n d Me a s ur e s Ta k e n i n t h e Co n s t r u c t i o n o f G r o u t i n g a t t h e T a i l o f t h e S h i e l d M a c h i n e [ J ] ． E n g i n e e r - i n g a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 1 7 1 4 0 4 5 ． [ 3 ]赵强政． 5 2 0 m m土压平衡式模型盾构机研制及试验性 掘进控制模拟模型[ M] ． 北京 机械工程出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]李毕华， 吕建中． 大型下沉式盾构掘进机综合模拟试验 平台总体设计 [ J ] ． 城市道桥与防洪， 2 0 0 9 1 0 1 2 7 1 2 8， 1 3 1 ． [ 5 ] 晁兆辉， 张得煊， 罗春泳． 检测盾构施工中注浆效果的模 型试验[ J ] ． 地下空间与工程学报， 2 0 0 8 1 6 2 6 5 ． [ 6 ]郭巍 ， 李云芝， 姜振东． 用相似理论讨论仿真的可信度 [ J ] ． 系统仿真学报， 1 9 9 9 2 1 1 31 1 5 ． 上接 第 1 0 8页 冷却系统采用多级过滤方式分别对不同大小的切 屑进行过滤 。首先 ，在 工作 台下 端采用 初 过滤 器 5 ， 然后经过过滤器 6流回油箱 冷却系统独立油箱 。 在油箱 内设置吸油 口过滤器 1 ，减少杂质进 入循 环泵 2 ，尽量降低对泵内部的磨损。在泵的出口加装出口 过滤器 3 ，尽量过滤掉冷却液 中 的细小 切屑 ，减 小对 加工工件 的影响 。冷却系统 的液压原理如 图 5所示 。 l 一 吸 油 口过滤 器 2 一 涡 流泵 卜出口过 滤器 4 -- 溢 流 阀 5 一初 过滤 器 6 _ - 回油过滤器 图 5 冷却系统原理 图 涡流泵工作时，自吸管进入泵壳的液体产生强烈 的轴向旋涡 ，使进 口造成真空，出口产生扬程。由于 叶轮偏离泵壳中心，退居在泵壳的轴侧凹壁内，这就 为浆液中包含的固体颗粒的输送提供了良好的流动通 道 ，使颗粒与叶片间的磨损以及杂质在泵壳中的堵塞 可能性大大减小 。 与离心泵相比较，涡流泵对运行环境的要求低 ， 用 于过滤用途使用 时性 能稳 定。与齿 轮泵相 比较 ，涡 流泵更适合这种低黏度液体。它不仅具有较强的自吸 能力 ，并且 因为泵 内没有机械性接触和金属摩擦 ，即 使移送含有微细异物的液体也具有很强的耐久性。而 齿轮泵基本上不适用于低黏度液体，经常会出异常 音 、性能衰退、卡住异物等故障，有杂质时更易磨损 失效 。 经过试验 ，将小型珩磨机的冷却泵换为涡流泵， 使用一年多仍在正常工作 ，没有出现齿轮泵那样因为 磨损而造成的失效问题 ，有效延长 了冷却泵 的使用寿 命 。 4 结束语 大型立式珩磨机液压系统的设计解决了大流量、 高精度控制、冷却泵选用等难题 ，为大型立式珩磨机 的研究 和发展提供了一定技 术基 础。该 系统能够满足 大型工件珩磨运动控制要求，性能可靠，结构合理 ， 控制精度较高，自动化程度较高，不仅能够解决现实 的大直径零件的加工问题，而且对企业提高工作效率 和经济效益起到较大作用。 参考文献 [ 1 ]鲍兴鹏． 珩磨机床的应用与发展 [ J ] ． 世界制造技术与 装备市场， 2 0 1 2 5 6 4 6 8 ． [ 2 ]宋锦春， 苏东海 ， 张志伟． 液压与气压传动[ M] ． 北京 科 学出版社， 2 0 0 7 ． [ 3 ]侯波， 王志明． 插装阀在机床液压系统 中的应用研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 8 4 0 4 2 ． [ 4 ]徐长寿， 鲁春艳． 叠加阀的新技术在组合机床上的应用 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 4 6 7 6 8 ． [ 5 ]陈文龙． 涡流泵的性能与设计探讨[ J ] ． 交通环保， 1 9 8 1 2 2 7 ．