某型平面磨床液压系统的改造.pdf

２０１６ 年 １ 月 第 ４４ 卷 第 ２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０２􀆱 ０３６ 收稿日期 ２０１４－１１－２７ 基金项目 三峡大学 ２０１３ 级硕士研究生论文培优基金资助项目 （２０１５ＰＹ０２７） 作者简介 吴正佳 （１９６４）， 男， 教授， 硕士生导师， 主要从事工业工程及先进制造技术研究。 通信作者 段方立， Ｅ－ｍａｉｌ １９３４１９４２５＠ ｑｑ􀆱 ｃｏｍ。 某型平面磨床液压系统的改造 吴正佳， 段方立， 邓少华 （三峡大学机械与动力学院， 湖北宜昌 ４４３０００） 摘要 针对老旧平面磨床的备件更换困难以及磨床出现的能耗点过多等问题， 采用较为简单的方式对液压系统进行改 造， 减少能耗泄漏和提高备件的可替换性； 同时使用液压系统仿真软件 ＡＭＥｓｉｍ 对改造后的系统进行动态仿真， 模拟液压 系统在工作状态下的压力特性曲线及速度曲线， 发现液压系统运行平稳。 关键词 平面磨床； 液压系统； 改造； 动态仿真 中图分类号 ＴＧ５８１ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ２－１１８－３ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｅｒｔａｉｎ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ＷＵ Ｚｈｅｎｇｊｉａ， ＤＵＡＮ Ｆａｎｇｌｉ， ＤＥＮＧ Ｓｈａｏｈｕａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙｉｃｈａｎｇ Ｈｕｂｅｉ ４４３０００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｏｌｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｒｉｎｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｓｐａｒｅ ｐａｒｔｓ ａｒｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｌｅａｋａｇｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｍａｎｙ， ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｉｍｐｌｅ ｗａｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅａｂｌｉｔｙ ｏｆ ｓｐａｒｅ ｐａｒｔｓ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＭＥＳｉｍ， ｇｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｉｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔａｎｓｆｏｒｍａｔｅｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｕｒｆａｃｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ； Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ； Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 由于设备的更新换代， 同型号的液压元件及相关 备件早已无处采购， 这就对设备的维护造成了一定的 困难， 另外原液压系统也存在一定的设计缺陷， 如能 量的损失等。 势必选用同类型或者具有同等功能的液 压元件来对原液压系统进行同等功能的改造。 但改造 过程不是简单地用新的液压元件对原有液压元件进行 简单替换， 让其满足基本的功能原理， 还必须考虑整 个系统的动态特性。 因此有必要对新改造的液压系统 进行动态特性仿真， 使其具有比较稳定的动态特性， 能够更加有效地运转， 从而实现更好地为企业服务。 １ 某型平面磨床液压系统的工作原理 图 １ 所示为某型平面磨床液压系统的原理图。 该 系统由稳压阀、 叶片式双向变量油泵、 定量油泵、 开 停阀、 液压缸、 滤油器、 定量泵溢流阀、 压力表开 关、 先导阀、 调整器、 换向阀、 润滑油分油器、 操纵 阀和电磁阀等 １４ 个主要元件构成。 磨床的液压传动 采用基于叶片式双向变量油泵的闭式液压系统， 系统 中的稳压阀由滤油器、 单向阀、 安全阀 ３ 个元件组 合； 叶片式双向变量油泵、 定量油泵、 换向阀合并于 同一机构中。 图 １ 原液压系统图 １􀆱 １ 工作台右行 磨床启动时， 开停阀处于左位， 工作台右行， 先 导阀位于左位。 在运行过程中系统中的液压油运行情 况如下 液压油在定量油泵的作用下， 经过过滤器和 定量油泵到达先导阀， 进而到达调整器， 此时液压油 会有 ３ 种流向， 如下（１） 流经换向阀右端， 推动 换向阀阀芯左移， 为油液换向做准备；（２） 经过换 向阀， 达到油缸右腔；（３） 油液到达变量泵上端的 变量活塞， 推动变量泵活塞改变方向。 同时换向阀左 端油和变量泵下端活塞出口油经过左调整节流阀和先 导阀回到油池。 这时变量泵压油腔的液压油经开停阀 到达油缸左腔， 推动工作台右行； 油缸右腔的液压油 经过开停阀回到变量泵的吸入腔， 形成闭式回路。 在机械部分， 工作台上左端的碰撞块撞击手柄立 柱上的套环， 带动拨叉机构使先导阀阀芯右移， 为工 作台的换向运动作准备。 １􀆱 ２ 工作台左行 工作台左行， 由于拨叉机构的动作， 先导阀在右 位。 同样。 由定量油泵出来的液压油经过先导阀到达 左调整器也有 ３ 种流向， 如下（１） 液压油经过换 向阀左端， 推动阀芯右移， 为液压油的再次换向作准 备； （２） 经换向阀到达油缸左腔； （３） 油液到达变 量泵下端的变量活塞， 推动变量泵活塞改变流油方 向。 同时经过换向阀右端的液压油和变量泵上端活塞 的液压油经过右调整节流阀， 再经过先导阀回到油 池。 这时主路的变量泵右腔的液压油经过开停阀回到 油缸右腔， 推动工作台左行； 同时油缸左腔液压油经 过开停阀到达变量泵吸入腔， 形成闭式回路。 １􀆱 ３ 工作台停车 开停阀处于右位， 使得油缸的左右腔、 变量泵的 左右腔互通， 工作台停止移动， 此时可以手动摇动工 作台 （当工作台单向运动到极限位置时， 形成此种 状况）。 变量泵压油腔出来的油液压力超过安全压力 后， 经过稳压阀的溢流阀流进油箱。 ２ 能耗与不足分析 通过对原液压系统的原理进行分析， 得到原液压 系统存在如下不足之处 （１） 为确保变量泵和换向阀可靠地换向， 定量 泵的油压必须调至 ０􀆱 ３～０􀆱 ５ ＭＰａ， 工作过程中， 定量 泵的油除补充系统外， 其余的经溢流阀流回油池。 （２） 由于定量泵和变量泵同轴联动， 只要油泵 不停止转动， 定量泵的负载则为溢流阀的调整压力。 （３） 回油过程中稳压阀组件中溢流阀的压力较 高， 引起能量损失。 （４） 由于采用闭式回路的液压系统， 系统散热 性较差， 影响系统的传动性能。 ３ 主要参数及泵的选择 ３􀆱 １ 主要参数 为确保改造后液压系统的性能， 尽量保留原来的 参数设计。 工作台的运行速度 ２􀆱 ５～２０ ｍ／ ｍｉｎ， 变量泵的流 量 ６５ Ｌ／ ｍｉｎ， 压 力 １􀆱 ５ ＭＰａ， 定 量 泵 的 流 量 １０ Ｌ／ ｍｉｎ， 压力 ０􀆱 ２～０􀆱 ５ ＭＰａ， 电机功率 ２􀆱 ２ ｋＷ， 转速 １ ０００ ｒ／ ｍｉｎ。 ３􀆱 ２ 泵的选择 对比原闭式液压系统， 新的液压系统采用开式液 压系统设计， 故流量及压力在设计上选用的参考系数 较大。 根据液压设计手册， 齿轮泵的额定压力为系统 安全阀开启压力的 １􀆱 １～ １􀆱 ５ 倍。 参照原液压系统的 主要设计参数， 根据公式得到新的电机功率 Ｑ＝Ｃｐｑ 式中 Ｑ 为电机功率； ｐ 为泵的输出压力； ｑ 为泵的 输出流量； Ｃ 为选择可靠系数 （Ｃ＝１􀆱 １～１􀆱 ５）。 根据新计算结果， 选择外啮合齿轮泵 ＣＢ⁃Ｂ， 其 额定压力 ２􀆱 ５ ＭＰａ， 排量 ７５ Ｌ／ ｍｉｎ， 额定转速 １ ４５０ ｒ／ ｍｉｎ。 根据原液压系统的设计， 新液压系统的主要 参数参照原系统。 ４ 液压系统的改造 通过对原液压系统的分析， 为尽最大可能避免原 液压系统出现的能量损失和最小改变原系统的液压元 件， 新的液压系统保留了先导阀， 同时对原电磁阀和 液动换向阀做了改造， 新添了制动阀和调速阀， 工作 台的换向冲击及行程精度采用单向节流阀控制。 新设 计的开式液压系统的原理图如图 ２ 所示。 图 ２ 改造后的液压系统图 说明 新的液压系统采用的开停阀可以采用电磁 阀手动控制， 制动阀也可以使用标准的二位四通电磁 阀改造而成。 ５ 新液压系统动态仿真分析 根据新设计的液压系统的工作原理， 忽略次要的 影响因素， 最大可能地建立与实际系统等效的动态仿 真模型， 模型图如图 ３ 所示。 ９１１第 ２ 期吴正佳 等 某型平面磨床液压系统的改造 图 ３ 液压仿真系统简图 针对新的液压系统的动态仿真， 本着简化原模 型、 最大限度地获取系统的仿真动态特性的目的， 在 仿真模型的基础下， 省去了开停阀， 同时将液压系统 的传动型号改变为电信号， 如先导阀和制动阀的位置 转换信号改为模拟电信号； 同时忽略了管路刚性和柔 性的影响等。 液压系统的主要仿真参数见表 １。 表 １ 液压系统仿真的主要参数表 活塞缸直径／ ｍｍ６０ 油缸活塞杆直径／ ｍｍ２５ 油缸活塞质量／ ｋｇ５ 油缸活塞运动行程／ ｍ１􀆱 １ 齿轮泵输齿轮泵输出流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）７５ 溢流阀调整压力／ ＭＰａ２ 减压阀调整压力／ ＭＰａ０􀆱 ３～０􀆱 ５ 最大允许负载／ Ｎ１ ０００ 通过对仿真系统的参数进行如上设置， 得到油缸 活塞从启动到平稳运行过程中的压力特性曲线图 ４ 和 速度曲线图 ５。 仿真过程中的工作平台以最小运行速 度来进行仿真， 见图 ５。 图 ４ 液压缸有杆腔压力曲线 图 ５ 活塞的运动速度图 对改造后的系统用 ＡＭＥＳｉｍ 做仿真分析， 液压系 统动态仿真的效果显示 液压系统的运行过程中， 受 力基本平稳。 ６ 结束语 该系统采用节流调速， 缺点是速度越低， 能耗越 大， 但考虑到液压系统的实际工作情况 磨床一般处 于中、 高速运行， 功率小， 因此能耗不是很大； 同时 新改造的系统中使用的元件都较为简单， 或者间接改 造， 较为容易； 新改造的液压系统使用液动换向阀换 向， 能够减少冲击。 综上所述 采用调速阀、 液动换 向阀工作能够满足系统实际情况的需求。 参考文献 ［１］ 屈武斌，佟庆雨．某新型液压系统的故障分析［Ｊ］．液压 与气动，２０１３（１１）１１０－１１２． ［２］ 丁少文，卫林叶．Ｍ６４２ 型滚刀磨床液压操纵系统的改进 ［Ｊ］．液压与气动，２０１３（９）１１５－１１６． ［３］ 杨晓红．ＭＭ７１３２ 型平面磨床液压系统的改造［Ｊ］．设备 管理与维修，１９９６（６）２０－２１． ［４］ 吴桃．磨床液压系统的改造［Ｊ］．考试周刊，２０１２（８２） １２５． ［５］ 许贤良，王传礼．液压传动［Ｍ］．北京国防工业出版社， ２００６． ［６］ 张利平，液压控制系统设计与使用［Ｍ］．北京化学工业 出版社，２０１３． ［７］ 丁右青，周小鹏，液压传动与控制［Ｍ］．重庆重庆大学 出版社，２０１０． ［８］ 李远慧，陈新元，朱学彪．矿料小车的液压系统改进［Ｊ］． 机床与液压，２０１３，４１（７）１３２－１３３． ［９］ 冯宪琴，崔培学．机床液压系统的优化设计与现代化改 装解决方案探索［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（７）１５０－ １５１． ［１０］ 张盺，杨志东．铣床节能液压系统设计［Ｊ］．机床与液 压，２０１３，４１（７）５１－５３． （上接第 ８３ 页） 系统， 主要由液压泵、 阀控组件、 高速变量马达及管 路等组成。 利用特种马达做泵用， 解决了大功率风轮 转速低的问题。 （３） 通过安装辅助设备和集流阀等， 解决了液 压回路的高效合流和特种马达本身自吸能力差等问 题， 发电效率明显提高。 （４） 实验结果显示 通过闭环控制， 该套模拟 发电系统能使交流发电机的频率始终维持在 （５０ ０􀆱 ２） Ｈｚ 范围内， 满足并网发电要求。 参考文献 ［１］ 杜志杰，马丽娜．风力发电［Ｍ］．北京化学工业出版社， ２００９． ［２］ 张立军，孙明刚．新型垂直轴风力发电机的关键技术探 讨［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（８）１－２． ［３］ 王存堂，杨明泽，卢岳宏．基于内曲线液压马达的分离式 柔性增速装置２０１２１０１４１０６２􀆱 ５［Ｐ］．２０１３－０３－１３． ［４］ 上海麟风风能科技有限公司．３ ｋＷ 风力发电机技术参 数［ＯＬ］．ｈｔｔｐ／ ／ ｗｗｗ􀆱 ｓａｗｔ􀆱 ｃｏｍ􀆱 ｃｎ／ ｉｎｄｅｘ＿ｃｈ􀆱 ｈｔｍｌ． ０２１机床与液压第 ４４ 卷