基于负载敏感多路阀的旋压机液压系统设计.pdf

2 0 1 4年 6月 第 4 3卷 第 6期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 3 N o ． 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 8 基 于负载敏感 多路 阀的旋压 机液压 系统设计 伍毅 ， 朱兴龙 扬州大学 机械工程学院， 江苏 扬州2 2 5 1 2 7 摘要 介绍 了旋压机的工作原理 ， 在对旋压机液压 系统存在 的主要 问题进行分析 的基础上 ， 设计 了新的液压 系统 ， 该 系统采 用变量泵和 负载敏 感多路 阀， 实现 了旋压机 的无级 变速， 减 少了液压 系统的压力损失 ， 降低 了液压元件 的分散程度及 系统油温和噪 声， 使 系统能量得到 了最有效的利 用。 提高了工作效率。 关键词 旋压机 ； 液压 系统 ； 负载敏感 多路 阀； 变量泵 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 0 6 0 0 6 8 0 4 旋压是用于成型薄壁空心 回转体零件 的一种 无切削加工成形技术 ， 它借助旋轮等工具作进给运 动 ， 通过毛坯旋转与旋压切向力联合作用使毛坯或 者金属板料产生连续的局部塑性变形 ， 从而获得所 需的空心回转体零件。 文献 [ 1 ] 阐述 了钣制皮带 轮旋压 机的结构组 成及工作原理 ， 采用液压 P C 自动控制 ， 实现 了钣 制皮带轮旋压机的各项基本功能 ， 但液压系统存在 着调速性能差 、 能量损耗 大等 问题。文献 [ 2 ] 设计 了一种高效新型的双泵 变量泵 定量泵 加差动 连接 回路的组合 液压系统 ， 实现 了设备 的调速功 能 ， 但该系统不同速度转换时会产生很大的液压冲 击力 ， 易导致液压元件损坏 ， 缩短旋压机的使用寿 命。文献[ 3 ] 通过了解煤矿井下钻 机常用液压系 统和普通多路阀的缺陷， 将负载敏感多路阀用于钻 机上 ， 具有调速性 能优 良、 能量损失少及效率高等 优点。文献 [ 4 ] 在负载 敏感控 制系统 中提 出了一 种新的负载敏感阀设计方案， 并对负载敏感 阀进行 了参数计算 、 结构设计和性能分析 ， 通过仿真研究 表明该负载敏感多路阀具有结构设计合理 、 工作可 靠稳定 、 动态响应快等优点。文献 [ 5 ] 对负载敏感 多路阀进行了设计研究 ， 对其主体换向阀的泄漏量 及压力损耗等性能进行 了分析并进行 了优化 ， 设计 出了三重 U型叠加 阀 口和双 圆孔 型结构 型补偿 阀， 提高了负载敏感 多路 阀系统的完全补偿特性。 文献 [ 6 ]通过负载传感技术在 L T L 6 0摊铺机上 的 应用 ， 实现了各执行元件 回路互不影响 ， 节 约了安 装空间和制造成本 ， 流量控制精度得到提高， 减少 了能量损耗 ， 提高了工作效率。 本文通过对 G S C 3 0 1 2 A数控钣制皮 带轮旋压 机液压系统存在 的压力损失大 、 元件分散 、 液压冲 击大 、 管路连接复杂 、 噪声大 、 油温高、 易泄漏等主 要问题进行分析 ， 设计 了一套运用负载敏感多路阀 的控制 系统 ， 满足 了该旋压机旋压的工艺 要求 ， 解 决 了元件分散问题 ， 降低 了系统油温和噪声 ， 能量 损失大大减少 ， 生产效率得以提高。 l 钣制皮带轮旋压机工作原理 1 ． 1 结 构组成 钣制皮带轮旋压机主机架采用三梁四柱式结 构 ， 如图 1 所示 ， 主要 由主传动 系统、 旋轮 、 辅助系 统、 液压系统及 P L C控 制系统 等组成。3个旋 压 轮， 左右各安装 1个 ， 后方安装 1个 。主轴位于下 平台中间， 其中心孔内设置偏心机构 ， 偏心轴端可 安装内支撑轮。在上活动横梁 中间设置上顶轴 ， 它 与主轴通过转动轴和离合器实现 同步 回转 。主轴 旋转采用变频控制 ， 离合器置 于转动轴输入端 ； 上 顶轴通过光栅尺来调节行程 ， 保证合模 夹紧 ； 3个 旋轮同样采用光栅尺来控制行程 ， 提高了系统的控 制精度 。变量泵 向液压系统输入一定流量和压力 的液压油 ， 通过负载敏感多路 阀进行控制 ， 使各执 行元件完成相应的动作要求。根据液压系统控制 的要求设计 电控系统 ， 电控系统采用可编程控制器 P L C 作为 中心控制器件 ， 对P L C 控制 系统进 行 收稿 日期 2 0 1 40 42 3 基金项 目 扬州市扬大“ 市政合作 ” 项 目资助 2 0 l 2 O 3 81 4 ； “ 3 3 3 ” 人才项 目资助 B R A 2 0 1 0 1 3 1 ； 国家 自然科学基金资助项 目 6 0 9 7 7 0 7 1 作者简介 伍毅 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖南衡I t A． ， 扬 州大学硕士研究生 ， 主要研究方 向为机械制造及其 自动化 。 6 8 2 0 1 4年第 6期 伍毅 基于负载敏感多路阀的旋压机液压系统设计 设计 ， 采用变频电机调速解决液压散热问题 。 达到 0 ． 0 1 mm。 l 一夹紧缸 ； 2 一 上横梁 ； 3 一立柱 ； 4 一活动横梁 ； 5 一上顶轴 ； 6 一旋 压轮 ； 7 一 主轴 ； 8 一光栅尺 ； 9 一下平 台； l 0 一 电控柜 图 1 钣制皮 带轮旋压机 1 ． 2工作 原理 将需要加工 的金属钣坯装入旋压机主轴 7上 的旋压模的芯模上 ， 通过夹紧缸 1无杆腔进油 、 有 杆腔 回油 ， 推动上顶轴 5快进 ， 工进合模定位锁紧 毛坯 ， 然后启动马达， 使工件坯料和芯模一起 随主 轴 7和上顶轴 5高速 同步旋转。第一旋压轮在液 压缸驱动下实现快进 、 工进 、 延时和快退 ， 其工作循 环图如图2所示。旋压轮 6的旋转依靠液压缸加 载的压力作用在毛坯上产生的摩擦力矩 ， 实现相同 线速度 自转 ， 此时旋压轮按照工艺要求进行工进 ， 达到光栅尺 8所设定的位移值时停止进给， 然后延 时 2 s ， 旋压轮退 回原位 。第 二旋压轮和第三旋压 轮按照类似第一旋压轮的工作循环图工作 ， 直至完 成零件的成型。 图2旋压轮加 工工艺流程 图 延 时 在旋压过程 中， 主轴旋转采用变频控制 ， 旋转 速度和转动方向可以根据工艺需要 自行设定 ； 毛坯 在旋轮扭矩和切向旋压力的协调作用下 ， 最终旋制 出所需要的产品。上顶轴和 3个旋轮的进 给均采 用闭环控制 ， 位置检测采用位移光栅尺， 分辨率可 2 旋压机液压 系统设计 2 ． 1 钣制皮带轮旋压的循环动作 钣制皮带轮旋压的循环动作为 将毛坯送入模 具一夹紧缸快进合模一夹紧缸工进合模并增压 定位锁紧毛坯一 马达启动 ， 主轴带动坯料旋转一工 作缸 1 快进一工作缸 1工进一工作缸 1延时一工 作缸 1 快退 ； 同时工作缸 2快进一工作缸 2工进一 工作缸 2延时一工作 缸 2快退 ； 同时工作 缸 3快 进一工作缸 3工进一工作缸 3延时 工作缸 3快 退一马达停止 ， 主轴和上顶轴停止旋转一夹紧缸快 退一夹紧缸减速一夹 紧缸 回位同时顶 出缸快进一 顶出缸快退 ， 加工件顶出。 根据生产所使用的钣制皮带轮 ， 确定旋压机各 液压缸的基本参数见表 1 。 表 1 液压缸基本 参数 2 ． 2 钣 制 皮带轮 旋压 机液 压 系统设 计 依据表 1的液压缸基本参数 ， 由 qA v “ IT D 1 叶 式中 q为液压缸的供油流量 ， L ／ m i n ； D为油缸内 径 ， mm； 为最大运动速度 ， mm ／ m i n 。 F 4F r 、、 P 一 A L z J 式中 P为最大压力 ， MP a ； F为最大工作载荷 ， k N。 可得夹紧缸 、 工作缸和顶出缸 的最大压力 、 最大流 量和最小流量 ， 因此可确定旋压机液压系统 中各液 压缸的主要技术参数 ， 见表 2 。 表2 液压缸主要技术参数 根据液压缸主要技术参数 ， 确定了负载敏感 比 例多路阀在 出厂前每个阀E l 的最大流量 ， 通过改变 阀芯位移来控制各液压缸流量的大小， 这样当负载 6 9 2 0 1 4年第 6期 伍毅 基于负载敏感多路阀的旋压机液压系统设计 紧缸工进 ；当夹 紧缸行程至光栅尺设定位 f ，时， 电磁铁 Y A1 失电，同时电磁铁 Y A1 6得电，二位 二通电磁单向阀 4自保 ；延时 2 s 可选 后 ，电 磁铁 Y A 2得电 ，同时 Y A1 5和 Y A1 6失 电，实现 夹紧缸快退 快 ；当夹 紧缸快 退至光栅尺设定 位 Z 时 ，电磁 铁 Y A1 5得 电，实现 夹 紧缸 快退 慢 ，直至 回到原位。电磁铁 Y A 1 1和 Y A 1 3得 电，旋转马达正转 ；电磁铁 Y A1 2和 Y A 1 3得 电， 旋转马达反转 。若 Y A1 3失 电，则系统卸荷 ；若 Y A1 3和 Y A1 4得 电，则旋压 马达 出 口加 载 了背 压。其 电磁铁得失电动作情况见表 3 。 表 3电磁铁动作顺序表 电磁铁 工作 YAl YA2 YAl 5 YA1 6 YAl 1 YAl 2 YA1 3 YA1 4 决进 工进 夹 延时 紧 缸 快退 快 快退 慢 正转 旋 转 反转 马 卸荷 达 背压 注 “” 表示对应的电磁铁得电， “一 ” 表7 ] 对应的电磁铁断电。 系统由 1台变量泵供油， 该泵的流量调节器能 从 L S口获得负载反馈 ， 进而 自动调节输出流量 ， 使 之与负载所需流量匹配 ， 减少系统流量损失和达到 节能的效果； 安装在供油通路上的减压阀向负载敏 感多路阀提供内部控制油， 用来控制多路阀主阀芯 的位置。每组负载敏感多路阀都集成一个定差减 压阀和一个梭阀 ， 定差减压阀控制多路阀进出油 口 压差并使其保持恒定 ； 梭阀位于各个 L s通路和主 I 5通路之间的连接处 ， 负载敏感多路 阀进 口压力 由梭阀汇集到主 L s通路 ， 将最高压力信号反馈给 泵的流量调节器 ， 来调节变量泵输出流量 。比如当 夹紧缸回路负载变大时 ， 梭 阀L s将堵住其他回路 ， 这样顶出缸 回路和旋压轮 回路将得不到压力补偿 ， 而只有夹紧缸 回路得到压力 补偿 ， 从 而实现夹紧 缸、 顶 出缸及 3个工作缸 以不 同的压力 、 速度独立 工作 ， 并且各 回路互不影响。溢流阀在系统中作安 全阀用， 在系统正常工作时， 溢流阀处于关闭状态 ， 只有在泵出口压力大于或者等于减压阀调定压力 时才开启溢流 ， 对系统起过载保护作用。 3 结束语 本文对旋压机 的具体特点 以及要解决的主要 问题进行了分析， 设计 了一种基于负载敏感多路阀 的液压系统， 实现了设备 的无级变速， 满足了皮带 轮旋压机旋压 的工艺要求 ， 解决 了元 件分散等 问 题 ， 减少了局部能量损耗 ， 降低了系统噪声和油温 ， 提高 了工作效率和可靠性 。 参考文献 [ 1 ] 徐守 昌， 刘士钊 ， 王继珍 ， 等． 钣制皮带轮旋压机 的液压 P c控 制 [ J ] ．机床与液压 ， 1 9 9 8 3 2 9 3 0 ． [ 2 ] 王镇 江． 高速 旋压 机 液压 系统设 计 [ J ] ． 机床 与液 压 ， 2 0 1 0 1 0 6 97 0 ． [ 3] 陈松林 ． 负载敏感多路阀在远距离控制钻机上 的应用 [ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 1 0， 3 1 o 4 1 9 1 1 9 3 ． [ 4] 刘榛 ， 卢垄 ， 陆初觉． 负载敏感 变量泵 中负载敏感 阀的设计与 分析 [ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 5 ， 3 6 5 55 8 ． [ 5] 孙伟 ． 负 载敏感 多路 阀设计 及仿 真研 究 [ D] ． 湘 潭 湘 潭大 学 。 2 0 1 3 ． [ 6] 郝 向东 ． 负载传感技 术在 L T I 0摊铺 机上 的应 用 [ J ] ．建筑 机械 ， 2 0 0 8 ， 9 1 7 8 9 9 0 ． Th e Hy d r a ul i c S y s t e m De s i g n o f Sp i nn i n g M a c hi ne Ba s e d o n Lo a d S e ns i ng M ul t i wa y Va l v e W U Yi ．ZHU Xi n g l o n g Y a n g z h o u U n i v e r s i t y ， J i a n g s u Y a n g z h o u ， 2 2 5 1 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e wo r k i n g p rin c i p l e o f s p i n n i n g ma c h i n e a n d a n a l y s i s f o r h y d r a ul i c s y s t e rn o f s p i n n i n g ma c h i n e ，i t d e s i g n s a k i n d o f h y d r a u l i c s y s t e m o f s p i n n i n g ma c h i n e wi t h v a r i a b l e p u mp a n d l o a d s e n s i t i v e mu l t i w a y v a l v e，r e a l i z e s t h e i n f i n i t e l y v a r i a b l e s p e e d o f t h e p u l l e y s p i n n i n g ma c h i n e ，d e c r e a s e s t h e p r e s s u r e l o s s o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e d i s p e r s i o n o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ．T h i s h y d r a u l i c s y s t e m r e d u c e s t h e p r e s s u r e o f o i l a n d n o i s e，i mp r o v e s t he u s e o f s y s t e m e n e r g y i n a mo r e e f f e c t i v e wa y a n d wo r k i n g e f f i c i e n c y ． Ke y wor ds S p i n ni n g Ma c h i n e；Hy d r a u l i c S y s t e m ；L o a d S e n s i t i v e Mu l t iwa y Va l v e；Va ria b l e Pu mp 7l