大型軸承圈爐外淬火矯形裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

杜康，王成偉，王珍

(1.大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116600;2.大連潔能重工機(jī)械有限公司，遼寧大連 116600)

大型軸承圈爐外淬火矯形裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

杜康1，王成偉2，王珍1

(1.大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116600;2.大連潔能重工機(jī)械有限公司，遼寧大連 116600)

針對(duì)大型軸承圈爐外淬火產(chǎn)生的較大變形問題，設(shè)計(jì)了一種專用于大型軸承圈爐外淬火過程的新型矯形裝置。預(yù)緊液壓系統(tǒng)作為矯形裝置的重要組成部分，其性能的好壞不僅關(guān)系著大型軸承圈爐外淬火矯形裝置的工作效率，更關(guān)系著爐外淬火過程中大型軸承圈形變量合格率的高低。通過對(duì)爐外淬火矯形裝置預(yù)期工況分析，確定了主要液壓元件型號(hào)，設(shè)計(jì)出預(yù)緊液壓系統(tǒng)原理圖。通過AMESim軟件仿真分析，結(jié)果表明:該系統(tǒng)響應(yīng)較快，能較好地完成設(shè)計(jì)要求動(dòng)作，為液壓系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。

矯形裝置;預(yù)緊液壓系統(tǒng);AMESim;系統(tǒng)響應(yīng)

0 前言

船舶、風(fēng)電電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組等設(shè)備中都會(huì)用到大型軸承，而大型軸承圈的機(jī)械性能是影響軸承壽命的主要因素。為提高大型軸承圈的機(jī)械性能而對(duì)其進(jìn)行爐外淬火［1］的過程中，大型軸承圈存在著變形，因此大型軸承圈爐外淬火矯形裝置的設(shè)計(jì)是軸承圈生產(chǎn)品質(zhì)的重要保障。目前大型軸承圈爐外淬火矯形裝置在瑞典的SKF、德國的FAG等國外知名軸承企業(yè)進(jìn)行相關(guān)的研究，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展尚不成熟。

基于正在某公司進(jìn)行的大型軸承圈爐外淬火矯形系統(tǒng)國產(chǎn)化聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)新型大型軸承圈爐外淬火矯形系統(tǒng)總裝圖如圖1所示。矯形系統(tǒng)包括隨行夾具、預(yù)緊液壓系統(tǒng)、油槽、淬火油循環(huán)系統(tǒng)、淬火油換熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

圖1 大型軸承圈爐外淬火矯形系統(tǒng)總裝

文中重點(diǎn)對(duì)其預(yù)緊液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在對(duì)大型軸承圈爐外淬火過程中不同工況進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上確定液壓系統(tǒng)的工作壓力，通過計(jì)算確定各個(gè)液壓元件的重要參數(shù)，初步設(shè)計(jì)出滿足工況要求的預(yù)緊液壓系統(tǒng)原理圖［2］，通過AMESim仿真研究論證所設(shè)計(jì)預(yù)緊液壓系統(tǒng)的性能［3］。為大型軸承圈爐外淬火矯形裝置預(yù)緊液壓系統(tǒng)樣機(jī)的研制提供重要的參考依據(jù)。

1 預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成及技術(shù)要求

預(yù)緊機(jī)構(gòu)是大型軸承圈爐外淬火矯形裝置的重要組成部分，其擔(dān)負(fù)著隨行夾具出油時(shí)的推力以及大型軸承圈淬火冷縮時(shí)的收縮力。預(yù)緊機(jī)構(gòu)主要包括進(jìn)出油驅(qū)動(dòng)裝置、隨行夾具、夾緊驅(qū)動(dòng)裝置、支承臺(tái)架等，如圖2、3所示。

圖2 預(yù)緊裝置三維圖

圖3 預(yù)緊裝置示意圖

矯形裝置預(yù)緊系統(tǒng)首先通過隨行夾具驅(qū)動(dòng)裝置作用使隨行夾具夾緊大型軸承圈，然后進(jìn)臺(tái)架驅(qū)動(dòng)裝置作用使上支撐臺(tái)架下降至淬火油面以下，待淬火過程結(jié)束，臺(tái)架驅(qū)動(dòng)裝置再次作用驅(qū)動(dòng)上支承臺(tái)架升出淬火油面，等到大型軸承圈冷卻至室溫，隨行夾具驅(qū)動(dòng)裝置松開軸承圈，至此預(yù)緊系統(tǒng)完成整個(gè)工作循環(huán)。

2 預(yù)緊液壓系統(tǒng)參數(shù)確定

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

通過預(yù)緊液壓系統(tǒng)工況分析及相關(guān)設(shè)計(jì)要求確定預(yù)緊液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 主要液壓元件計(jì)算分析

2.2.1 系統(tǒng)工作壓力選定

分析整個(gè)預(yù)緊液壓系統(tǒng)受力情況，隨行夾具驅(qū)動(dòng)缸鎖死時(shí)負(fù)載最大，此時(shí)由蓄能器補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)缸泄漏從而進(jìn)行保壓，依照《液壓工程師技術(shù)手冊(cè)》初選系統(tǒng)工作壓力為15 MPa。

2.2.2 液壓缸參數(shù)確定

該系統(tǒng)液壓缸均采用雙作用單活塞缸。

(1)確定隨行夾具驅(qū)動(dòng)缸活塞及活塞桿直徑。隨行夾具驅(qū)動(dòng)缸鎖死時(shí)受最大負(fù)載200 kN，此時(shí)活塞桿受壓。

式中:F為隨行夾具驅(qū)動(dòng)缸最大負(fù)載(N);p1為蓄能器保壓后隨行夾具驅(qū)動(dòng)缸進(jìn)油口壓力(MPa);p2為液壓缸背壓(MPa)，液壓缸鎖死狀態(tài)下，回油量極少，故p2≈ 0;φ為桿徑比，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及液壓工程師手冊(cè)選為0.55。

(2)確定臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸活塞及活塞桿直徑。隨行夾具驅(qū)動(dòng)缸鎖死時(shí)受最大負(fù)載50 kN，此時(shí)活塞桿受壓，驅(qū)動(dòng)缸進(jìn)油口壓力p1=15 MPa，背壓p2≈0，桿徑比φ=0.4。

液壓缸直徑:

2.2.3 液壓泵參數(shù)確定

矯形裝置預(yù)緊液壓系統(tǒng)工作壓力:

式中:p為驅(qū)動(dòng)缸最高工作壓力，即蓄能器保壓時(shí)壓力為15 MPa;∑Δp為預(yù)緊液壓系統(tǒng)管路總的壓力損失，取0.5 MPa。

分析預(yù)緊液壓系統(tǒng)工況，2個(gè)預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸和3個(gè)臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸分別單獨(dú)作用，計(jì)算得出具體流量參數(shù)如表2所示。

表2 液壓缸流量參數(shù)

2.3 液壓元件選型

該預(yù)緊液壓系統(tǒng)選用2臺(tái)液壓缸完成隨行夾具的行進(jìn)夾緊動(dòng)作，選用4臺(tái)液壓缸完成臺(tái)架的升降動(dòng)作，液壓缸具體參數(shù)如表3所示。

表3 液壓缸參數(shù)

根據(jù)計(jì)算及系統(tǒng)工況設(shè)計(jì)分析，該系統(tǒng)選用RV2R12-33/6葉片雙聯(lián)泵作為動(dòng)力源裝置，具體參數(shù)如表4所示。

表4 液壓泵參數(shù)

液壓閥型號(hào)如表5所示。

表5 液壓閥型號(hào)

3 液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)以上分析計(jì)算確定預(yù)緊液壓系統(tǒng)原理圖［4］如圖4所示。首先葉片雙聯(lián)泵大小泵同時(shí)向預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸無桿腔供油，預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)隨行夾具完成快進(jìn)行程，然后大泵卸荷，小泵單獨(dú)供油實(shí)現(xiàn)預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸帶動(dòng)隨行夾具的慢進(jìn)行程。蓄能器配合使用液控單向閥實(shí)現(xiàn)預(yù)緊液壓缸的預(yù)緊動(dòng)作，此時(shí)隨行夾具漲緊大型軸承圈。配合使用系統(tǒng)換向閥，葉片雙聯(lián)泵向臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸無桿腔供油，臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)臺(tái)架下降到淬火油液面以下進(jìn)行大型軸承圈的爐外淬火。待淬火完成臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸帶動(dòng)臺(tái)架上升至油面上方，預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸作用帶動(dòng)隨行夾具完成快退動(dòng)作，至此預(yù)緊液壓系統(tǒng)完成整個(gè)工作循環(huán)。

圖4 預(yù)緊液壓系統(tǒng)原理圖

4 AMESim仿真分析及原理樣機(jī)驗(yàn)證

利用AMESim建立預(yù)緊液壓系統(tǒng)的仿真模型［5－6］如圖5所示。

圖5 預(yù)緊液壓系統(tǒng)仿真模型

(1)驅(qū)動(dòng)液壓缸受力由輸入信號(hào)模擬力模型。

(2)電磁換向閥動(dòng)作由放大增益模塊K放大后的信號(hào)進(jìn)行控制完成特定的換向動(dòng)作，為使電磁換向閥動(dòng)作迅速且又不至使系統(tǒng)產(chǎn)生較大震蕩，預(yù)緊驅(qū)動(dòng)回路K1取100，K2取80。

(3)壓力傳感器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)缸活塞桿處受力F1，與比較器設(shè)定恒力值F2比較，其輸出值與信號(hào)模擬值進(jìn)行疊加反饋給換向電磁閥從而對(duì)其進(jìn)行控制，模擬壓力繼電器的作用過程。

大型軸承圈爐外淬火矯形裝置預(yù)緊機(jī)構(gòu)的工況比較復(fù)雜，為了便于仿真分析，假設(shè)仿真開始前，大型軸承圈已平置于隨行夾具托盤上，預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸活塞桿處于初始位置，臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸活塞桿位于200 mm處，縮短爐外淬火時(shí)間為2 s。根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算分配各個(gè)驅(qū)動(dòng)回路的仿真時(shí)間，設(shè)置仿真時(shí)間為30 s，采樣頻率為0.1 s，仿真結(jié)果如圖6—9所示。

圖6 電磁換向閥控制信號(hào)

圖7 液壓缸缸活塞桿位移

圖8 預(yù)緊液壓缸油口壓力

圖9 臺(tái)架液壓缸油口壓力

圖6給出了預(yù)緊驅(qū)動(dòng)回路和臺(tái)架驅(qū)動(dòng)回路電磁換向閥控制信號(hào)隨時(shí)間的變化過程。圖7為預(yù)緊驅(qū)動(dòng)缸及臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸活塞桿在一個(gè)工作循環(huán)中的位移曲線，仿真結(jié)果比較好的達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。圖8、圖9分別為預(yù)緊驅(qū)動(dòng)剛和臺(tái)架驅(qū)動(dòng)缸進(jìn)出油口處壓力，圖中壓力曲線出現(xiàn)的波動(dòng)由電磁換向閥換向動(dòng)作引起，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)缸油口處液控單向閥的開啟壓力可以在一定程度上減輕壓力曲線的波動(dòng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真分析數(shù)據(jù)搭建預(yù)緊液壓系統(tǒng)原理樣機(jī)如圖10所示。

圖10 預(yù)緊液壓系統(tǒng)原理樣機(jī)

綜上所述，經(jīng)過試驗(yàn)仿真及原理樣機(jī)初步測(cè)試，表明此預(yù)緊液壓系統(tǒng)能比較好的滿足新型矯形裝置預(yù)緊系統(tǒng)復(fù)雜工況的要求。

5 結(jié)論

文中的研究基于大型軸承圈爐外淬火矯形裝置國產(chǎn)化研發(fā)項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種預(yù)緊液壓系統(tǒng)，通過實(shí)際工況分析及設(shè)計(jì)計(jì)算確定液壓缸相關(guān)參數(shù)，完成液壓元件的選型。經(jīng)過AMESim軟件仿真及原理樣機(jī)初步測(cè)試表明，在大型軸承圈爐外淬火矯形裝置復(fù)雜的工況下，此液壓系統(tǒng)能長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，為預(yù)緊液壓系統(tǒng)工程樣機(jī)的研制提供了重要的參考依據(jù)。

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Design and Simulation for Hydraulic System of Orthopedic Device for Quenching Large Bearing Ring outside Furnace

DU Kang1，WANG Chengwei2，WANG Zhen1
(1.College of Mechanical Engineering，Dalian University，Dalian Liaoning 116600，China;2.Dalian Clean Energy Heavy Industrial Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116600，China)

A new kind of special orthopedic devicewas designed by aimed at the large bearing ring outside the furnace quenching correction system outside for the large deformation problems of large bearing ring outside the furnace quenching.Preloaded hydraulic system as an important componentof the orthopedic device，its performancewas notonly related with thework efficiency of the orthopedic devices，but also with the qualification rate of large bearing ring in the quenching process.The type of the hydraulic components was determined，and the preloaded hydraulic principle diagram was designed through analyzing the working condition of orthopedic devices in advance.Simulation analysiswas carried out by AMESim software.The result shows that the system response is faster，and can complete the required actions by design even better，which provides reference for the design of principle prototype of hydraulic system.

Orthopedic device;Preloaded hydraulic system;AMESim;System response

TH137

A

1001－3881(2015)21－172－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.042

2014－09－02

杜康，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

王珍，E－mail:kangqiang110@sina.com。