500,t管端加厚機(jī)的步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)液壓回路分析以及改進(jìn)措施

劉朝池

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司 天津 300301)

500,t管端加厚機(jī)的步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)液壓回路分析以及改進(jìn)措施

劉朝池

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司 天津 300301)

步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)是管端加厚機(jī)的主要設(shè)備之一，其功能是完成對(duì)管坯的取料和落料，采用液壓傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式。針對(duì)管端加厚機(jī)的步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象，對(duì)其液壓控制回路進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比例換向閥閥口壓力、液壓鎖的開(kāi)鎖壓力等重要參數(shù)的計(jì)算分析，得出500,t管端加厚機(jī)的步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在下降過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊的原因，提出了解決措施，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，改造后的液壓系統(tǒng)完全滿足生產(chǎn)要求，達(dá)到了良好的效果。

步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu) 比例換向閥 液壓鎖 開(kāi)鎖壓力 振動(dòng)

500,t管端加厚機(jī)的步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式采用液壓傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的升、降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)升降液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。升降液壓缸推動(dòng)擺臂二，通過(guò)連桿、擺臂一及滾輪帶動(dòng)滾動(dòng)托架作升降運(yùn)動(dòng)。在升降過(guò)程中，水平運(yùn)動(dòng)的液壓缸被鎖定。滾動(dòng)支架的水平運(yùn)動(dòng)由平移液壓缸驅(qū)動(dòng)，同樣，在平移過(guò)程中，升降運(yùn)動(dòng)液壓缸被鎖定。通過(guò)升降液壓缸和平移液壓缸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)支架對(duì)管坯的“舉起”、“平移”、“落下”，以滿足管端加厚機(jī)對(duì)管坯端部進(jìn)行加厚的工藝要求。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)上升時(shí)，步進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)；而當(dāng)步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)下降時(shí)，升降缸控制液壓回路出現(xiàn)“嗤嗤”的聲音，同時(shí)伴隨著振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象，嚴(yán)重影響步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比例換向閥與液壓鎖組成的液壓回路進(jìn)行分析計(jì)算，得出了引起步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)振動(dòng)和沖擊的原因。

圖1 步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a stepping conveyer

1 雙向液控單向閥開(kāi)鎖壓力計(jì)算

在步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)上升到停止位以后，驅(qū)動(dòng)液壓缸的有桿腔和無(wú)桿腔都需要鎖緊。原理圖如圖2所示。

圖2 液壓控制回路原理圖及液壓鎖結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic control circuit and structure of a piloted check valve

1.1 液壓缸無(wú)桿腔的開(kāi)鎖條件

如圖2(b)所示，當(dāng)比例換向閥處于左位時(shí)，壓力油p2進(jìn)入液壓缸的有桿腔，在無(wú)桿腔沒(méi)有開(kāi)鎖之前閉鎖壓力進(jìn)一步提高，根據(jù)液壓缸活塞的平衡力方程式：

液壓鎖開(kāi)鎖的充分條件：

將(1)式代入(2)式得：

式中：1F——液壓缸無(wú)桿腔面積；F2——液壓缸有桿腔面積；φ——液壓缸的速比，；D——液壓鎖控制活塞有效作用面積；d——液壓鎖錐閥有效作用面積；R——作用在液壓缸上的外載荷；p′——液壓鎖的背壓；K1——無(wú)桿腔彈簧力以及阻力之和；K2——有桿腔彈簧力以及阻力之和。

1.2 液壓缸有桿腔的開(kāi)鎖條件

當(dāng)比例換向閥處于右位時(shí)，壓力油p1進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，在有桿腔沒(méi)有“開(kāi)鎖”之前閉鎖壓力進(jìn)一步提高，根據(jù)液壓缸活塞的平衡力方程式，同式(1)。

液壓鎖開(kāi)鎖的充分條件：

將(1)式代入(4)式得：

2 比例換向閥p3、p4的求取方法

從液壓鎖的開(kāi)鎖條件可知，只要能求出液壓缸在上升以及下降兩種狀態(tài)下比例換向閥p3、p4的壓力，通過(guò)比較p3與式(3)、(5)數(shù)值的大小就能知道液壓鎖是否正常開(kāi)啟。

2.1 液壓缸上升時(shí)比例換向閥p3、p4的求取

該種狀態(tài)下，液壓缸受阻力性負(fù)載(又稱(chēng)阻性負(fù)載)，這種負(fù)載的特點(diǎn)是始終與液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向相反。簡(jiǎn)化回路如圖3(a)所示。

圖3 液壓簡(jiǎn)化回路Fig.3 Simplified hydraulic circuit

由流量公式：

式中：a1、a2分別為進(jìn)、回油閥口開(kāi)啟面積，令：

所以：

由力平衡得：

由公式(6)與公式(7)聯(lián)立可推導(dǎo)出：

2.2 液壓缸下降時(shí)比例換向閥p3、p4的求取

該種狀態(tài)下，液壓缸受助力性負(fù)載(又稱(chēng)負(fù)負(fù)載)。這種負(fù)載的特點(diǎn)是始終與液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向相同。簡(jiǎn)化回路如圖3(b)所示。

由流量公式：

式(8)、式(9)、式(10)、式(11)是工程上簡(jiǎn)便實(shí)用的計(jì)算公式，當(dāng)采用比例換向閥與內(nèi)控液壓鎖組合的液壓回路時(shí)，必須計(jì)算出p3、p4的大小，并與上面計(jì)算的液壓鎖開(kāi)鎖壓力進(jìn)行比較。

3 加厚線液壓步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)液壓回路的實(shí)例分析

現(xiàn)場(chǎng)比例換向閥4WRZ16W6-150-7X/，查樣本，可知閥口面積比；液壓鎖液壓鎖控制活塞有效作用面積為706.5,mm2，F(xiàn)4液壓鎖錐閥有效作用面積為254.3,mm2，面積比＝2.8；液壓缸φ160/φ90-300，液壓缸的速比φ＝1.46，液壓缸無(wú)桿腔面積1F＝20,096,mm2，液壓缸有桿腔面積F2＝13,737.5,mm2；系統(tǒng)供油壓力pP為9,MPa；負(fù)載范圍R＝31,800～77,480,N，計(jì)算時(shí)代入最大值。

3.1 比例換向閥p3、p4壓力計(jì)算

3.1.1 當(dāng)液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)

將上述已知參數(shù)代入式(8)、(9)得：

液壓缸無(wú)桿腔壓力p3=5.1,MPa；

液壓缸有桿腔壓力p4=1.82,MPa。

3.1.2 當(dāng)液壓缸有桿腔進(jìn)油時(shí)

將上述已知參數(shù)代入式(10)、(11)，得：

3.2 液壓鎖開(kāi)鎖壓力計(jì)算

3.2.1 當(dāng)液壓缸有桿腔進(jìn)油時(shí)

3.2.2 當(dāng)液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)

液壓缸有桿腔所需的開(kāi)鎖壓力p1＞1.07 MPa。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，液壓缸在上升與下降時(shí)，液壓缸有桿腔與無(wú)桿桿腔的壓力，與上述計(jì)算結(jié)果幾乎吻合。

3.3 計(jì)算結(jié)果比較

3.3.1 當(dāng)液壓缸有桿腔進(jìn)油時(shí)

3.3.2 當(dāng)液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)

由于液壓缸無(wú)桿腔壓力p3=5.1,MPa大于液壓缸有桿腔所需的開(kāi)鎖壓力p1=1.07,MPa，所以液壓缸在上升過(guò)程中，液壓缸有桿腔一直處于打開(kāi)狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)沖擊和振動(dòng)現(xiàn)象。

4 改進(jìn)措施

① 提高系統(tǒng)供油壓力pP，當(dāng)系統(tǒng)供油壓力提高到17.9,MPa時(shí)，MPa，振動(dòng)現(xiàn)象消失。

② 重新設(shè)計(jì)液壓控制回路，原理圖見(jiàn)圖4。采用兩個(gè)液控單向閥(帶泄油口)組成鎖緊回路，液控單向閥的開(kāi)啟由電磁換向閥直接控制，避免了p4對(duì)液控單向閥的影響，大大降低系統(tǒng)供油壓力。

圖4 改造后的液壓控制回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control circuit after transforming

5 結(jié) 語(yǔ)

從上面計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

① 采用比例方向閥與內(nèi)控液壓鎖組成無(wú)泄漏閉鎖方案，一定要進(jìn)行工程驗(yàn)算，以確保步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)在升、降過(guò)程中液壓鎖能正常開(kāi)啟。

② 從上面驗(yàn)算可知，改變液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)、限制負(fù)載值及提高系統(tǒng)壓力，可以解決步進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的振動(dòng)、沖擊現(xiàn)象。

③ 采用兩個(gè)液控單向閥組成鎖緊回路，可使系統(tǒng)供油壓力大大降低，缺點(diǎn)是造價(jià)較液壓鎖回路高很多?！?/p>

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Analysis on Hydraulic Circuit of the Stepping Conveyer for 500,t Tube-end Upsetting Machine and Its Improvement Measures

LIU Chaochi
(Tianjin Pipe(group)Corporation，Tianjin 300301，China)

Stepping conveyer is one of the main facilities of a tube-end upsetting machine．Driven by hydraulic system and linkage devices，it is used to kick billets in and out．To understand the phenomena of vibration and impact of a working stepping conveyer of the tube-end upsetting machine，its hydraulic control circuit was analyzed．After calculating and analyzing parameters of the inlet pressure of proportion directional valve and the unlock pressure of the piloted check valve，the paper presents the cause of the phenomena which take place while stepping conveyer is moving down．In addition，relevant solutions were presented．As practical production indicated，the transformed hydraulic system can completely meet production requirements.

stepping conveyer；proportional directional valve；piloted check valve；unlock pressure；vibration

TH137

A

1006-8945(2016)06-0063-04

2016-05-10