高速回转液压缸保压性能的动态试验技术.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAU L I CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo I ． 3 8 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 0 1 高速回转液压缸保压性能的动态试验技术 周城 ，杨利奎 ，杨华勇 浙江大学流体传动及控制 国家重点实验室，浙江杭 州 3 1 0 0 2 7 摘要回转液压缸是数控车床的功能部件，它通过拉杆驱动动力卡盘夹紧工件。高速回转液压缸内集成了由两个液控 单向阀组成的液压锁，对液压缸保压。常用的试验装置无法在高速旋转的工况下进行液压锁的保压试验。设计提出高速回 转液压缸保压性能的动态试验装置，在拉杆上布置应变片测量推拉力，利用非接触式的旋转变压耦合器传输电能和信号。 由于供电和信号传输是非接触的、具有无摩擦磨损、干扰小的优点 ，最高转速达到 1 0 0 0 0 r ／ m i n 。最后利用该装置试验高 速回转液压缸的保压性能，试验结果表明，静态时保压性能良好的回转液压缸，旋转时可能保压失败。 关键词 数控车床；回转液压缸 ；动力卡盘；保压 ；推拉力 中图分类号T G 5 0 2 ． 3 2 ；T G 7 5 1 ． 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 l 3一 O 0 1 3 Dy n a mi c Te s t Te c hn o l o g y o f Pr e s s ur e Re t a i n i ng f o r Hi g h S p e e d Ro tar y Cy l i nd e r s ZH0U Ch e n g。 YANG Li k u i ，YANG Hu a y o n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ，H a n g z h o u Z h i a n g 3 1 0 0 2 7，C h i n a Ab s t r a c t I n a CNC l a t h e ， a r o t a r y c y l i n d e r d r i v e s a p o we r c h u c k t o c l a mp a w o r k p i e c e b y a p u l l r o d ． T h e r e i s a h y d r a u l i c l o c k w h i c h i S c o mp o s e d o f t wo p i l o t c o n t r o l l e d c h e c k v a l v e s i n t h e r o t a r y c y l i n d e r t o r e t a i n p r e s s u r e ． I t i s n e c e s s a r y t o t e s t t h e p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c l o c k a t t h e h i g h e s t r o t a r y s p e e d o f t h e r o t a r y c y l i n d e r ． B u t c l a s s i c a l t e s t rig s c a n o n l y w o r k a t 0 r ／ mi n ． A d y n a mi c t e s t d e v i c e wh i c h c a n t e s t t h e p e rf o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c l o c k a t 1 0 0 0 0 r ／ mi n w a s d e s i g n e d ． T h e o u t p u t f o r c e o f t h e r o t a r y c y l i n d e r w a s me a s u r e d b y s t r a i n g a u g e s ． T h e e l e c t ric al e n e r g y an d s i g n a l w e r e t r a n s f e r e d b y t wo r o t a r y t r a n s f o r me r s w i t h n o n c o n t a c t ma n n e r ． T h e e x p e ri me n t s i l l u s t r a t e t h a t a r o t a r y c y l i n d e r w h i c h r e t a i n s p r e s s u r e w e l l a t 0 r ／ mi n ma y f a i l t o r e t a i n p r e s s u r e w h e n i t i s r o t a ry． Ke y wo r d s C NC l a t h e ； R o t a r y h y d r a u l i c c y l i n d e r ； P o w e r c h u c k ； P r e s s u r e r e t a i n i n g ； P u s h p u l l f o r c e 三爪液压动力卡盘是数控车床、车削中心和数控 铣车 车铣复合加工 中心广泛使用 的功能部件， 它由回转液压缸和三爪动力卡盘组成。回转液压缸和 动力卡盘分别安装在车削主轴的尾端和前端，回转液 压缸的活塞杆通过拉杆驱动动力卡盘夹紧和松开工 件，动力卡盘 、拉杆 、回转液压缸的缸体和活塞杆与 车削主轴同步旋转 。 高速切削、以车代磨是现代车削加工技术发展的 趋势，随着转速的不断提高，机床和功能部件的高速 安全性问题 日益突出。为了提高高速液压动力卡盘的 安全性 ，高转速回转液压缸的缸体上 ，集成了由两个 液控单向阀组成的液压锁 图 1的元件 2 ，当高速 回转 的液压缸 突然遭遇供油 管路爆 裂 、供油压力下降 时，液压锁工作 ，保持回转液压缸高压腔内的油液压 力不变 ，保证 回转液压缸仍然可靠地驱动动力卡盘夹 紧工件 ，防止工件飞出发生安全事故” 。液压锁的保 压性能直接关系到液压动力卡盘的安全度，所以，高 速 回转液压缸在 出厂前必须进行液压锁 的保压试验 。 1 一 回油 罩 含配 流 盘9 一 连接 盘 2 一 液压 锁 1 O 一 应变 片 卜 活 塞杆 l 1 一 应 变 电桥 4 一 缸体 1 2 一 电 导线 5 _ _ 法兰 盘 1 3 - - 连接 套 6 m测力杆 1 7 一旋转应变信号 7 一 机床 或试 验机 的主轴 耦 合 器的 转子 8 一 主轴 轴承 2 6 一 导轨 套 图 1 回转液压缸保压性能的动态试验装置 方案一 常用的保压试验装置由液压泵站、基架、过渡轴 和拉压力传感器组成 ，回转液压缸安装在基架上，过 收稿 日期 2 0 1 0一 o 4一 O 7 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 0 8 7 5 2 3 4 ；国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 6 B A F O 1 B 0 9 - 7 作者简介周城 1 9 8 3 一 ，男，博士研究生，主要研究方向为高速液压动力卡盘。通讯作者杨华勇，Ema i l y h y z j u ． e d u ． a n 。 2 机床与液压 第 3 8卷 渡轴的一端与回转液压缸的活塞杆连接，另一端与拉 压力传感器连接，拉压力传感器的另一端安装在基架 上。当液压泵站给回转液压缸的一腔供高压油，拉压 力传感器测得 回转液压缸输 出的推力或拉力 。再将液 压泵站输 出的油液压力 阶跃 降低 至 0 ，按照测得 的推 力或拉力计算其下降幅度 ，并评价液压锁的保压性 能。 由于拉压力传感器需要通过电导线供电和传输信 号，因此，常用的保压试验装置只能在不旋转时试验 液压锁的保压性能。然而，机床的安全性要求回转液 压缸的液压锁在高速回转的工况下能实现保压。与静 止工况相 比 ，高速 回转 时 ，液压锁的阀芯受离心力和 转子振动 的影响 ，阀芯的受力情况更复杂。因此 ，在 高速回转的工况下，对回转液压缸的保压性能进行试 验，具有重要的工程价值。研究回转液压缸保压性能 的动态试验技术，也将为高转速工况下液控单向阀的 研究和改进提供试验条件 。 1 保压性能的动态试验装置 1 ． 1 回转液压缸输 出推拉力动态测量传感器 回转液压缸输出推拉力动态测量传感器 由测力杆 图2 和旋转应变信号耦合器 图3 组成。测力 杆是测量推拉力的敏感元件 ，它 中部的外表 面上贴有 应变片 1 0 ，应变片连接成惠斯登应变电桥 1 1 。 图 2 测力杆 6 一测 力杆 l o _ _ 应变 片 1 l 一应 变 电桥 1 2 一 电导 线 l 4 一 滚 动轴 承 l 5 a 、1 6 a -- 旋转变 压耦 合器 内圈 1 5 b 、l 6 h 一旋转变压耦合器外圈 1 7 _转 子 2 卜 接线 盒 2 4 一 定子 2 6 一 导 轨套 图3 旋转应变信号耦合器 旋转应变信号耦合器由转子 1 7 、定子 2 4 、电源 与信号预处理电路、两组旋转变压耦合器 1 5和 1 6和 电源及信号后处理电路的接线盒 2 3组成。旋转变压 耦合器的内圈 1 5 a和 1 6 a安装在转子 1 7上，旋转变 压耦合器的外圈 1 5 b和 1 6 b安装在定子 2 4上。旋转 变压耦合器的初级与次级线圈之间有 0 ． 3～1 m m的 圆环间隙，该圆环间隙实现转子和定子之间的非接 触 。 电源经能源输入旋转变压耦合器 1 5和电源滤波 稳压电路向应变电桥 1 1 供电，应变电桥的输出信号 经信号处理电路和信号输出旋转变压耦合器 l 6输出。 旋转应变信号耦合器 的转子 1 7的两端 分别装 有滚动 轴承 1 4 ，定子 2 4的两端为方形端盖，方形端盖可以 在导轨套 2 6的方形导轨上滑动。 1 ． 2 动 态试验装置 方案一 如图 1 所示 ，回转液压缸4经法兰盘5安装在主 轴7的尾端，测力杆 6的两端分别有螺距相同的螺 纹，测力杆 6 穿过主轴 7的通孔与回转液压缸的活塞 杆 3连接 ，连接盘 9安装 在主轴 7的前端 ，它的中心 螺纹孑 L 与测力杆6螺纹连接。旋转应变信号耦合器安 装在主轴 7的前端 ，测力杆 6经连接套 1 3与旋转应 变信号耦合器的转子 l 7连接。导轨套 2 6固定在与车 床床身或液压动力卡盘试验台与基座相连的基架上。 测试回转液压缸的保压性能时，液压泵站经 B 口向回转液压缸 4的右腔供高压油，油 口A与油箱 相通 ，回转液压缸4输出的拉力传递给测力杆 6 测量 后经旋转应变信号耦合器输出。主轴7旋转时，回转 液压缸 4 、测力杆 6和旋转应变信号耦合器的转子 l 7 同步旋转 ，当主轴7的转速升高至试验转速后，控制 液压泵站使其供给油口B的油液压力突降为0 ，如果 测力杆 6测得 的拉力 的下 降幅度在 5 m i n内小于 1 0 ％ ，说明回转液压缸 4的液压锁 2的第一液控单向 阀的保压性能合格。切换液压泵站的电磁换向阀，使 液压泵站经油口A向回转液压缸 4的左腔供高压油， 油口B与油箱相通，试验第二个液控单向阀的保压 性能。试验完毕后，将主轴 7的转速降为 0 。 拆卸回转液压缸4时，由于测力杆 6的两端螺纹 的螺距相同，只需要旋转测力杆 6 ，就可使其与回转 液压缸的活塞杆 3的连接脱开，在此过程中，旋转应 变信号耦合器沿导轨套 2 6的方形导轨滑动。然后拆 卸回转液压缸 4 ，并安装下一个待试验的回转液压 缸，并旋转测力杆 6 ，使其与回转液压缸的活塞杆 3 连接。批量保压试验过程中，无需拆卸推拉力动态测 量传感器 ，试验的工作量小 。 旋转应变信号耦合器的转子和定子之间由于采用 了滚动轴承定位，旋转变压耦合器的初级线圈和次级 线圈的相对位置固定不变，初级线圈与次级线圈之间 具有稳定可靠的圆环间隙，在回转液压缸 4拆装后， 无需重新设置初级线圈和次级线圈的位置和圆环间隙 大小 ，使用方便，可靠性高。 1 ． 3 动 态试验 装置 方案 二 如图4所示 ，旋转应变信号耦合器安装在回转液 压缸的尾端。回转液压缸的活塞杆 3的尾端通常都预 留了安装行程开关的螺纹，在保压性能试验中，旋转 应变信号耦合器的转子 1 7经连接套 1 3与活塞杆 3的 尾端螺纹连接。旋转应变信号耦合器的导轨套 2 6既 可以固定在车床床身或液压动力卡盘试验台的基座 上 ，也可 以固定在回油罩 1 上。连接盘 9安装在主轴 ～ 第 1 3期 周城 等高速回转液压缸保压性能的动态试验技术 3 7的前端 ，测力 杆 6的两 端分 别有 螺距 相 同的螺 纹 ， 测力杆穿过主轴 7的通孔 ，一端 与回转液压缸 的活塞 杆 3连接 ，另一端 与连接盘 9中心的螺纹连接 。测力 杆经圆插头与旋转应变信号耦合器的转子接线端连 接 。 1 ～回油罩 含配流盘9 一连接盘 2 ～ 液压 锁 1 O 一应变 片 3 一活塞杆 1 1 一应变电桥 4 _ _ 缸体 I 2 一 电 导线 5 ～ 法兰 盘 1 3 一 连接 套 6 ～测力杆 1 7 一旋转应变信号 7 ～ 机床 或试 验 机的 主轴 耦合 器 的转 子 8 _ 主轴 轴承 2 6 - _ 导轨 套 图4 回转液压缸保压性能的动态试验装置 方案二 试验方法与方案一相同。回转液压缸的活塞运动 时，旋转应变信号耦合器在导轨套内轴向滑动。方案 二弥补了方案一在一些特殊场合旋转应变信号耦合器 不方便布置在主轴 7前端的不足。但拆装回转液压缸 时，需要拆装旋转应变信号耦合器 ，没有方案一方 便 。 2 动态试验装置样机 按照方案二研制的回转液压缸保压性能的动态试 验装置样机如图 5 所示，旋转应变信号耦合器的导轨 套 2 6固定在 回油罩上 。图 6为保 压性 能动 态试验 装 置安装在卡盘试验专用数控车床上。 图 5 回转液压缸保压性能的动态试验装置样机 连 接 盘 主 轴箱 回 转液 压缸 图6 安装在液压卡盘试验专用数控车床上的试验装置 3实验及讨论 试验对象是 图 5 、6中所示 的 回转 液压 缸。两个 压力传感器分别测量两个进出油 口 A和 B的压力 ， 测力杆测量回转液压缸的输出推拉力。 转速为0时，如图 7所示 ，供油压力降为 0后 ， 拉杆 的推力 和拉力下 降幅度均小 于 2 ％ ，回转 液压缸 拉力 和推力两个方 向的静态保 压性 能 良好 。 转速 1 0 0 0 r ／ ra i n 时 ，如图 8所示 ，B口通高压 ， 活塞杆输出拉力，B口压力降为 0后，1 5 ra i n内拉力 下降幅度小于 2 ％，拉力的动态保压性能良好。A口 通高压，活 塞杆 输 出推力 ，A 口压 力 降 为 0后， 1 5 m i n内推力下降 5 0 ％ ，推力的动态保压性能不合 格。试验结果表明，旋转时的保压性能明显降低。 2 2． 要 - ． 1． 星0 0． 0 l 0 2 0 30 4 0 时 问／ mi n 1 0 0 罢 --s } l ．0 呈。 斗 8 【 ．．．．．．．．．L ． ． ． ． ． c ． ． J ． ． ． ． ． ． ．． J ． a 回转 液压 缸进 出油 口B 的压 力 b 回 转液 压缸 进 出油 口 A的压 力 c 回转液压缸输出推拉力 0 1 0 2 0 3 0 4 0 时 间／ mi n a 回转 液压 缸进 出油 口B 的压 力 z l 1 。 5 5 薹 ．0 ． - ， 1 力和输出推拉力 0 r ／ rai n 矗 是 R 出 口 时 间／ mi n b 回 转液 压缸 进 出油 口A的压 力 U l U Z U J o 40 时 间／ rai n c 回转 液压 缸输 出推拉 力 图8 回转液压缸的供油压力和输 出推拉力 1 0 0 0 r ／ m i n 4结论 1 静态时保压性能良好 的回转液压缸，旋转 时可能保压失败。 2 高速旋转时，试验回转液压缸液压锁的保压 下转第9页 第 l 3期 任燕 等新型电液振动台振动参数的分析 9 一 15C x rrK L ] 第四段 表达式 乓 t 一 T rr d t [ p s K L ] d y 9 y [ N ／ -K LY b 百C x v“trrK L 一 t n t2 225265 『 10 由振动位移波形推导出振动幅值 A Ap ／ 2 4 1 。 ＼ 1 5 2 C 5 x6 v以 r r r KL ／J I 2 ] 2 ≤ ， 1 1m g x ， ＼ 当A A n p ／ K L 时，得到最大阀口轴向位移临界值 2 5 6 n A _／ 1 5 C ar r K 1 2 3 振动台振动试验 在新型电液振动台上进行疲劳试验，其工作原理 图如图 1 所示，液压缸推力与机架变形之间基本为线 性关 系，机架处于弹性变形范 围，机架变形对液压缸 活塞的作用力可认为是弹性力负载。2 D阀阀口轴向 位移与振动幅值关系如图 3所示，实线为解析解 ，黑 点为实验数据。当阀芯轴向位移小于临界值时，随着 阀芯轴 向开 IS l 的增大 ，振幅也随之增大 ，基本 为线性 态 ，但 是 没有 油 液 流 过 阀 图3 2 D阀阀口轴向位 口，无法继续推动活塞杆 。 移与振幅关系图 2 D阀阀芯转速与振动幅值关系如图4所示 ，随 着阀芯转速的提高，活塞杆振动幅值减小。虽然 2 D 阀的双 自由度设计实现了振动振幅和工作频率的独立 控制，但是工作频率的提高依然对振动幅值产生影 响。 O i 0 耄 0 0 n ／ r a d s 。 。 1 图4 2 D阀阀芯转速 与振幅关系 图 图 5 2 D阀阀芯转速与 轴 向位移关 系图 2 D阀阀芯转速与临界轴向位移关系如图 5所示， 随着阀芯转速的提高 ，临界轴向位移增大 ，几乎为线 性关系 ，这样随着电液振动台频率的提高，由于 2 D 阀机械设计以及加工固定，轴向位移小于临界值，所 以频率较高时，振动波形不易出现饱和现象。 4结 论 1 通过对 2 D高频激振阀阀口结构的分析，采 用阀芯的旋转速度构造阀口面积波形，得到其面积波 形为三角波，分四段进行积分得到振动波形解析解 ， 推导出振幅以及临界阀芯轴 向位移表达式 。 2 疲劳试验的加载模式在 以弹性负载为主的条 件下，振动幅值的大小与 2 D高频激振阀阀芯的旋转 速度成反 比，与阀芯的轴向位移呈正比，但是当阀芯 位移达到临界值时，振幅由于压力饱和而不再继续增 大。同时随着工作频率越大，阀芯轴向位移临界值越 大，考虑到实际机械设计及加工 ，振动波形越不容易 出现饱和现象。 参考文献 【 1 】 王济 ， 胡晓． M A T L A B 在振动信号处理中的应用[ M] ． 北 京 中国水利水电出版社 ， 1 9 8 0 ． 【 2 】R U A N J ， B U R T O N R T ． A n e l e c t r o h y d r a u l i c v i b r a t i o n e x c i t e r u s i n g a t w o - d i m e n s i o n a l v a l v e [ J ] ． P r o c e e d i n g o f t h e i n s t i t u t i o n o f me c h a n i c a l e n g i n e e r s p a r t 1 - J o u rna l o f s y s t e ms a n d c o n t r o l e n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9， 2 2 3 1 2 1 3 51 4 7 ． 【 3 】 魏燕定． 超低频标准振动 台波形失真度近似解析解 [ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 0 ， 1 9 3 4 9 5 1 ． 【 4 】 李宪奎， 吴晓明， 方一鸣 ， 等． 构造结晶器非正弦振动波 形函数的方法 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 1 6 7 7 0． 【 5 】R E N Y， R U A N J ， L I S ． T h e e x c i t e d w a v e f o r m a n a l y s i s o f t h e e l e c t r o h y d r a u l i c v i b r a t i o n e x c i t e r u n d e r s i n u s o i d a l a n d t ri a n g u l a r w a v e f o r m i n p u t [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e s e v e n t h i n t e r n a t i o n al c o n f e r e n c e o n fl u i d p o we r t r a n s mi s s i o n a n d c o ntr o 1 ． 2 00 9 1 8 91 9 2． 【 6 】 任燕 ， 阮健． 典型波形作用下电液激振器输出波形研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 9， 2 0 2 4 2 9 6 3 2 9 6 8 ． 上接 第 3页 性能，技术上切实可行。测力杆的供电和信号传输是 非接触 ，无摩擦磨损 ，干扰小 ，性能可靠 。 3 虽然 文 中的试 验转速 是 1 0 0 0 r ／ m i n ，保 压 性能动态试验装置样机采用了高速滚动轴承 ，最高转 速可达到 1 0 0 0 0 r ／ m i n 。 参考文献 【 l 】杨华勇， 周城． 自 定心液压动力卡盘的研究综述[ J ] ． 中 国机械工程 ， 2 0 0 7 ， 1 8 2 2 4 4 2 5 1 ． 0 O 0 O 位 为 液 等 向 幅 时 好 轴 振 此 正 芯 ，于 差 阀 时 由 力 当 值 是 压 是 界 这 的 但 临，腔 ， 于 值 两 系 大 定 缸 关 移 恒 压