液压滚切剪液压系统压力冲击研究.pdf

2 0 1 4年 1月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 1 液压滚切剪液压系统压力冲击研究 王君 ，黄庆学，韩贺永 太原科技 大学重型机械教育部工程研究中心，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要液压冲击会直接影响液压系统的稳定和控制精度，从而影响液压滚切剪剪切钢板的质量，因此有必要对液压滚 切剪液压系统中的压力冲击进行研究。通过理论分析得到缩短液压泵与液压阀之间的管道长度可以减小液压冲击的结论， 并通过 A ME S i m仿真软件对不同长度液压管道内的液压冲击进行了仿真，验证了此结论的正确性。 关键词 液压滚切剪；液压冲击 ；管道长度 中图分类号T G 3 3 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 3 7 3 Re s e a r c h o n Hy dr a u l i c I mp a c t o f Hy dr a u l i c Ro l l i n g S he a r WA N G J u n ， HU A N G Q i n g x u e ， HA N He y o n g T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c i mp a c t c a n d e s c e n d t h e s y s t e m s t a b i l i t y a n d c o n t r o l p r e c i s i o n，t h e n t h e q u a l i t y o f s h e a r e d p l a t e s w i l l b e p o o r ．S o i t i s n e c e s s a r y t o r e s e a r c h i t ．A c o n c l u s i o n wa s g o t t e n t h a t s h o r t e n i n g t h e l e n h o f p i p e s b e t we e n p u mp s a n d s e n ro v alv e s c o u l d ．r e d u c e t h e h y d r a u l i c i mp a c t b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ．An d i t s c o r r e c t n e s s wa s c o n f ir me d b y s i mu l a t i o n w i t h AMES i m s o f t w a r e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c r o l l i n g s h e a r ；Hy d r a u l i c i mp a c t ；L e n h o f p i p e s 液压滚切剪是近年来新研发的钢板剪切机。通常 布置在矫直机之后，主要完成钢板的切头、切尾、切 定尺、取样，是保证进入成品库产品剪切质量合格的 重要在线设备。近几年，随着经济的高速发展 ，各行 业对钢板的质量要求也不断提高 ，基本要求钢板切口 断面毛刺不大于0 ． 5 I n m，断面垂直度9 0 。 1 。 ，并且 要求断面无掉肉、重皮、刀瘤等缺陷⋯，因此液压滚 切剪液压系统的稳定性和控制精度都需要相应地提高 才能满足市场的需求 ，剪出符合要求的钢板。液压滚 切剪液压系统具有流量大、位置控制精度高、响应速 度快的特点 ，因此系统压力波动很大 ，这将导致伺服 阀不能精确控制两液压缸的运动轨迹，不能完成滚动 剪切钢板的动作。 现在有很多减小液压冲击的办法，例如 伺服阀 用 O型中位机能，并且采用带阻尼的电液换向阀 或者使用蓄能器来吸收系统脉动 。但是在液压滚切 剪上采取这些办法后 ，液压冲击依然存在 ，并且影响 钢板剪切的质量 ，因此，文中根据动量定理计算出液 压系统中压力冲击的大小 ，并由此分析得出延长伺服 阀关闭时间和缩短压力波动的传播距离可以减小压力 冲击的结论 ，从而使液压系统更加稳定 ，提高系统的 控制精度。通过 A ME S i m对液压管路进行仿真以验证 理 论分析 的正确性 。 1 压力冲击产生的原因 在液压系统中由于某种原因，当管路一端的流速 或压 力发生剧变时 ，管 内油液 中会产生急剧交 替的压 力升降阻尼波动的过程即液压冲击现象 。液压冲击 压力波的峰值往往是正常工作压力的很多倍 ，造成强 烈振动和巨大噪声，进而使系统升温、液压元件损坏 或引起某些液压元件误动作而造成设备损坏或更加严 重的事故。对系统而言 ，液压冲击是仅次于污染的第 二杀手 ，因此分析液压冲击现象，寻求减小液压冲 击影 响的有效措施具有重要意义 。 对于液压滚切剪，液压伺服系统中的比例伺服阀 在工作 时处 于频繁 的开关状态 ，这种状态将使管路流 速突然变化 ，引起管路的压力突然升高或降低。油液 速度变化越快则瞬时的压力升降越大，就会产生很大 的压力冲击，造成强烈的振动，损坏管路和液压元 件，使生产无法正常进行。压力冲击和管路中的流体 质量、流速大小有关 ，流体质量越大、流速越快 ，在 阀关闭时产生的冲击压强越大。压力冲击分为直接冲 击和间接冲击两 。 伺服阀阀芯关闭时间如果小于水击相长 冲击 波从阀门出发沿管道往返一次所需的时间 ，产生的 压力冲击为直接冲击。设液流传播距离为 △ s ，液层 的速度 由 变为 0 ，压强 P升高 △ p 。不考虑流体与 管道壁面 的剪切应力 ，根据 动量 守恒定 律得 收稿 日期 2 0 1 21 2 2 9 基金项目太原科技大学博士科研启动基金资助项目 2 0 1 2 2 0 4 7 ；太原市科技创新项目 1 2 0 1 6 4 0 4 2 作者简介王君 1 9 8 7 一 ，女，硕士研究生，研究方向为液压伺服系统控制。Em a i l b e s t _ w a n g j 1 2 6 ． c o m。 3 8 机床与液压 第4 2卷 p A一 pA p A 1 其中 A为管道横截面积 ； P为容腔中的初始压强 ； △ p为液压冲击； V 为液流的原速度。 所 以得 到在额定压力下 的冲击压强 △ p为 △ pP A sP c 2 其中 P为油液密度 9 0 0 k g ／ m ； 为管路中的油液流速 m ／ s ； c 是冲击波的传播速度 m ／ s 。 当管道产生冲击时，冲击波在液体中的传播速度为 3 L 一一 、 ， √ K d 其中 为流体的体积弹性模量； E为管路材料的弹性模量 ； d为管路 内径 ； 6为管路壁厚 。 一 般情况下，为了计算简便快捷 ，取压力波在矿 物油中的传播速度为其平均值 C 1 ． 3 21 0 c m ／ s 。 但是文中考虑实际的流体中含有 2 ％左右的空气、高 压下管路的弹性变形、油液的黏性等因素的影响，压 力波的传播速度将明显降低。在液压伺服系统中，冲 击波的传播速度取经验值为 C 9 0 0 m ／ s 。 为了避免直接冲击压力，通常采用阀门缓慢关闭 的方法。当阀门的关闭时间 t 大于水击相长 t 时， 就会产生所谓的间接冲击。这时的冲击压强估算值 为 △ p 卸 等 其中 型为水击相长 ； 波动 ，而泵摆角的波动会使泵的排量波动，将导致泵 的输出流量波动和压力波动。 3 压力波动大会使系统的振动和噪声加大 ， 会使管路连接接头松动 ，增加系统的泄漏。 因此分析液压剪液压系统 的液压 冲击十分有必 要 ，是保证系统安全运行的前提，是提高系统控制精 度的必要措施 。 根据该液压系统的流量算出液压剪油液速度约为 5 m ／ s ，将 c 9 0 0 m ／ s 代入公式 1 中得到直接 冲击 压强为 卸 p v c 9 0 0 5 9 0 0 4 MP a 。 为了避免直接冲击压力，延长阀的换向时间，使 换向时间大于水击相长，参照力士乐样本取伺服阀关 闭时间t 8 0 m s ，将 z 3 5 m、t 7 7 m s 代人公式 4 可得间接冲击压强 △ p 一卸 。由此看出目前的现 场布置 设置蓄能器，延长伺服阀换向时间并不 能有效减小压力冲击。为了进一步减小压力冲击 ，还 可以减小管路长度即水击压强传播的距离，减小 f 则 水击相长 t 减小 ，从而减小水击压强 ，这样有利于将 直接压力冲击变为间接压力冲击。因此将压力管路长 度减小为 2 0 m，改后油液冲击的水击相长为 t 4 4 m s ，小于阀门关 闭时间，改后 间接压力 冲击最大值 卸 △ p 孚 2 M P a 。 在考虑到蓄能器能够吸收压力冲击 的 2 0 ％条件 时，系统的实际瞬时压力冲击为 1 ． 6 MP a 左右。这时 该液压系统基本上在动态允许的冲击压强范围内，能 够满足系统要求。 3仿真研究 用 A M E S i m建立液压管路系统如图 1 所示 。 t 。 为伺服阀门关闭时间； z 为中间管路长度。 2 液压剪液压系统压力冲击的分析 液压剪的液压系统要求比例伺服阀的油源压力恒 定，静态允许的压力波动为额定压力值的 1 ％ ～ 2 ％， 动态允许的瞬时压力为额定压 力值 的 5 ％左右 ，其 主 要原 因有 1 压力波动大会导致 比例伺服阀的流量增益 系数 、流量压力系数产生较大的波动，这两个系数波 动较大时不仅影响系统的控制精度 ，而且会导致系统 不稳定 。 2 压力 波动 大会 导致 恒压 变 量泵变 量 摆角 的 图 1 液压管路系统的 A M E S i m模型 系统选 用 伺 服 阀，选 用 管 道类 型 为 “ S i m p l e f ． d ． ￡w a v e e q u a t i o n h y d r a u l i c p i p e ／ h o s e ” 女 口 图 2所 示 ，按照现场实际情况设置管道通径为 2 5 m m，壁 厚 6 mm。