安全閥閥瓣研磨修復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡的研究

鄧俊秀,朱海清,陸順?lè)?/p>

(江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫 214122)

應(yīng)用技術(shù)

安全閥閥瓣研磨修復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡的研究

鄧俊秀,朱海清,陸順?lè)?/p>

(江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫 214122)

研磨軌跡與工件表面形貌特征密切相關(guān)，為了找出影響工件研磨軌跡的因素，建立磨粒運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,采用Matlab研究磨具中影響研磨軌跡的因素，得出偏心距e、轉(zhuǎn)速比k及起始位置A對(duì)磨粒軌跡的形態(tài)變化具有不同程度的影響，這為工藝參數(shù)優(yōu)選提供一定的理論基礎(chǔ)。

研磨軌跡；形態(tài)變化；工藝參數(shù)

1 前言

安全閥是一種自動(dòng)閥門，不借助任何外力而利用介質(zhì)本身的力來(lái)排出一額定數(shù)量的介質(zhì)，以防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過(guò)預(yù)定的安全值；當(dāng)系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常后，再自行關(guān)閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出[1]；通常安裝在鍋爐、壓力容器、管道等承壓設(shè)備中，作為承壓設(shè)備中主要的安全附件之一，安全閥能否正常運(yùn)行關(guān)系到人員和設(shè)備的安全[2～8]。當(dāng)安全閥閥瓣密封面不能達(dá)到密封要求時(shí)，須對(duì)閥瓣密封面進(jìn)行維修，根據(jù)所修理安全閥數(shù)量、密封面損傷程度等因素，通常選用手工研磨、機(jī)械研磨或手工與機(jī)械相結(jié)合的研磨方式[9]。

研磨軌跡即加工過(guò)程中工件與磨粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。包含磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡和工件相對(duì)于研磨盤的運(yùn)動(dòng)軌跡兩個(gè)方面[10,11]。本文主要研究磨粒相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，它是判斷研磨工藝優(yōu)劣的重要因素之一，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的影響,對(duì)研磨軌跡提出以下技術(shù)要求[12～14]:

(1)工件表面各點(diǎn)的瞬時(shí)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)相同,使工件表面受到均勻切削；

(2)工件運(yùn)動(dòng)遍及整個(gè)研磨盤表面,以保證研磨盤均勻磨損；

(3)研磨方向應(yīng)多變,工件表面的切削條紋橫縱交錯(cuò),逐漸細(xì)化,避免研磨劑在同一個(gè)方向堆積而造成工件塌邊。

研磨軌跡均勻性的提高有利于加工工件平面度的改善，而研磨軌跡取決于加工設(shè)備及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。可采用運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡[15]，評(píng)價(jià)工件研磨均勻性。

2 閥瓣與磨具的研磨作用機(jī)理

2.1 研磨工作原理

研磨盤由電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，以角速度ωp繞主軸旋轉(zhuǎn)，研磨砂紙通過(guò)螺紋固定聯(lián)接在研磨盤邊緣上(研磨盤和砂紙簡(jiǎn)稱磨具)，將工件置于磨具上，對(duì)工件與磨具的接觸面進(jìn)行加工。研磨壓力通過(guò)重塊自身重量來(lái)調(diào)節(jié)，閥瓣壓在磨具上，并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)限制工件只繞壓重塊中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。最終，通過(guò)閥瓣相對(duì)磨具的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)磨具對(duì)閥瓣的維修加工，完成平面研磨。

圖1 研磨加工原理示意

2.2 單顆磨粒受力分析

研磨過(guò)程實(shí)質(zhì)是磨粒的切削刃和工件被加工表面相互磨削作用的過(guò)程。研磨后的工件表面的硬度通常都會(huì)提高,這表明研磨過(guò)后的加工表面將會(huì)產(chǎn)生具有一定厚度的變質(zhì)層,且變質(zhì)層的厚度跟作用于工件表層后的塑性變形有很大關(guān)系。因此,在研磨過(guò)程中,磨粒切削刃在與工件的綜合作用下必然在工件表面發(fā)生一定范圍的塑性變形，如圖2所示。

圖2 磨粒切屑刃和工件加工表面的相互作用示意

就單個(gè)磨粒的切削刃而言,其作用力F則是沿著接觸弧面分布的,如圖3所示。

圖3 磨粒與工件間作用力分布

由于接觸面存在摩擦力,故作用力呈不對(duì)稱形式分布在接觸弧面上,且向磨粒切削刃的運(yùn)動(dòng)方向傾斜。作用力F的分布函數(shù)為F(α),在dα區(qū)域內(nèi)的微小單元力為：

dF=F(α)dα

(1)

單元力在法向方向的投影為：

dFn=dFcosα=F(α)cosαdα

(2)

單元力在切向上的投影為:

dFt=dFsinα=F(α)sinαdα

(3)

單個(gè)磨粒的切削刃作用于工件加工表面上的力為:

(4)

(5)

合力F為：

(6)

3 閥瓣與磨具之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析

在研磨平面內(nèi)，各自以磨具與閥瓣的回轉(zhuǎn)中心O和O1為圓心建立如圖4所示直角坐標(biāo)系xOy和x1O1y1,則OO1距離等于偏心距e。設(shè)研磨盤上某一點(diǎn)A，欲求出A點(diǎn)的軌跡S1，即求A點(diǎn)于任一時(shí)刻在閥瓣坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。選定A點(diǎn)，設(shè)OA的距離為rA，OA與x軸的夾角為θ，實(shí)際上，rA與θ是點(diǎn)A在坐標(biāo)系xOy中的極坐標(biāo)。

圖4 閥瓣與磨具間運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)以上分析，點(diǎn)A在xOy中的坐標(biāo)表示為：

(7)

假定閥瓣不動(dòng),經(jīng)過(guò)t時(shí)間研磨后,A點(diǎn)的坐標(biāo)是:

(8)

再考慮工件轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)過(guò)t時(shí)間的研磨后,其轉(zhuǎn)過(guò)的角度為ωwt，即坐標(biāo)系x1O1y1中繞O1軸轉(zhuǎn)過(guò)的角為ωwt,相當(dāng)于工件(坐標(biāo)系x1O1y1)不動(dòng),磨具(坐標(biāo)系xOy繞01軸反向轉(zhuǎn)過(guò)角ωwt,同時(shí)A點(diǎn)繞O軸旋轉(zhuǎn)ωt角,結(jié)合圖4可求解出:t時(shí)A點(diǎn)在坐標(biāo)系O1x1y1中的坐標(biāo)是:

(9)

式(9)表示A點(diǎn)相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)方程,即磨粒相對(duì)于閥瓣的運(yùn)動(dòng)軌跡，其路徑表示為：

(10)

當(dāng)rA=e時(shí)，式(10)可表示為：

(11)

式中rw——閥瓣坐標(biāo)系中A點(diǎn)的向徑k——磨具與閥瓣的轉(zhuǎn)數(shù)比，當(dāng)k取自然數(shù)時(shí)，即是“玫瑰線”方程

4 單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡仿真分析

采用Matlab軟件研究磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的因素。取工件半徑ro=46 mm,研磨壓力F= 20 N,因?yàn)閴毫Σ辉诒疚难芯恳蛩胤懂爟?nèi)，故在給定相同壓力下，探討偏心距e、轉(zhuǎn)速比k及A點(diǎn)起始位置對(duì)研磨磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。

4.1 轉(zhuǎn)速比的影響

對(duì)閥瓣運(yùn)動(dòng)方程(4)進(jìn)行編程，取偏心距e=100 mm,為簡(jiǎn)化分析,選A點(diǎn)的初始位置在OO1的連線上,其坐標(biāo)是(80,0)。當(dāng)輸入不同轉(zhuǎn)速比k=ωp/ωw時(shí),分別研究A點(diǎn)相對(duì)閥瓣中心坐標(biāo)系x1O1y1的運(yùn)動(dòng)軌跡,仿真結(jié)果如圖5所示。

(a) k=1

(b) k=10

(c)k=20

圖5 不同整數(shù)轉(zhuǎn)速比時(shí)磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖5可以看出，閥瓣每旋轉(zhuǎn)一周，A點(diǎn)的磨粒繞閥瓣穿越k次。轉(zhuǎn)速比k決定磨粒的“花瓣”個(gè)數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速比k取值越大時(shí)，其磨粒運(yùn)動(dòng)越密集，均勻覆蓋在整個(gè)研磨盤上。

4.2 偏心距的影響

取磨具轉(zhuǎn)速ωp=30 r/min,A點(diǎn)的初始位置仍為(80,0)，當(dāng)輸入不同偏心距時(shí),分別研究點(diǎn)A相對(duì)于閥瓣中心坐標(biāo)系x1O1y1的運(yùn)動(dòng)軌跡,仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，偏心距e在0～80 mm內(nèi)，隨著e的增大，軌跡的“花心”變小，當(dāng)e等于80 mm 時(shí)，“花心”消失，當(dāng)e超過(guò)80 mm時(shí)，隨著偏心距e的繼續(xù)增大，磨粒軌跡分布逐漸變得不均勻。

(a)e=20mm (b)e=80mm (c)e=120mm

圖6 不同偏心距下磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡

4.3A點(diǎn)初始位置的影響

從式(10)可以看出,,研磨軌跡向徑在坐標(biāo)系x0y內(nèi)的最大值與最小值分別為:

rw max=rA+e

(12)

rw min=|rA-e|

(13)

由式(12)可知,隨著rA增大,研磨軌跡向徑最大值也增大,由式(13)可以看出，磨粒研磨軌跡的最小向徑與偏心距e有關(guān)。

取磨具轉(zhuǎn)速ωp=30 r/min,偏心距e=100 mm，A點(diǎn)的初始位置不同時(shí),分別研究點(diǎn)A相對(duì)于閥瓣中心坐標(biāo)系x1O1y1的運(yùn)動(dòng)軌跡,仿真結(jié)果如圖7所示。

(a) rA=10mm

(b) rA=100mm

(c)rA=150mm

圖7 不同rA值時(shí)磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖7可以看出,初始時(shí)刻點(diǎn)A距離O1點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，“花心”較大，當(dāng)A距離閥瓣中心點(diǎn)O1越近時(shí),研磨軌跡的“花心”就會(huì)越小,研磨軌跡分布較均勻；當(dāng)rA為100mm時(shí)，“花心”消失。

5 結(jié)論

(1)閥瓣每旋轉(zhuǎn)一周，A點(diǎn)的磨粒繞閥瓣穿越k次。轉(zhuǎn)速比k決定磨粒研磨“花瓣”的個(gè)數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速比k取值越大時(shí)，其磨粒運(yùn)動(dòng)越密集，均勻覆蓋在整個(gè)研磨盤上，有利于提高閥瓣接觸面精度。

(2)在0～r范圍內(nèi)，隨著偏心距e的增大，軌跡的“花心”越小，當(dāng)e=r時(shí)，“花心”消失，當(dāng)e超過(guò)r時(shí)，隨著e繼續(xù)增大，磨粒軌跡分布逐漸變得不均勻。因此，適當(dāng)增大偏心距可提高加工表面質(zhì)量。

(3)初始時(shí)刻點(diǎn)A遠(yuǎn)離O1時(shí)，“花心”較大，即研磨軌跡分布不均勻；當(dāng)A距離閥瓣中心點(diǎn)O1越近時(shí),研磨軌跡的“花心”就會(huì)越小,研磨軌跡分布較均勻；初始位置等于偏心距e時(shí)，“花心”消失。

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Study on the Grinding Process of Safe Valve Disc Trajectory

DENG Jun-xiu,ZHU Hai-qing,LU Shun-feng

(Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The grinding track of abrasive tool is directly related to appearance characteristics.In order to find out the factors of influencing workpiece grinding trajectory,establishingthe mathematical model of abrasive particle motion,using Matlab software to research the factorsof affecting particle trajectories,it is concluded that eccentricity e,speed ratio K and the starting position Ahave influence of different levelto a morphological changes,whichprovides process parametersoptimization with certain theoretical basis.

grinding trajectory;morphological changes;process parameters

1005-0329(2017)03-0038-04

2016-07-04

2016-10-10

TH137；TG58

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.008

鄧俊秀( 1990-) ，女，碩士研究生,主要從事安全閥研磨設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究，E-mail:djxdream@163.com。

朱海清(1965-)，男，碩士，副教授，主要從事承壓類設(shè)備安全閥維修與校驗(yàn)的研究，通訊地址：214122 江蘇無(wú)錫市蠡湖大道1800號(hào)江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。