大型轴承圈炉外淬火矫形装置液压系统的设计与仿真

!#$年##月第%&卷第!#期机床与液压’()*+,-.//01*234(50+)6,789!#$:7;9%&,79!#!#!#&==?@9ABBC9##D&EE#9!#$9!#9%!收稿日期!!#%D=D!作者简介!杜康&男&硕士研究生&研究方向为机械设计及理论’通信作者!王珍&-DIJA;!bJCXLAJCX##KBACJ9M7I’大型轴承圈炉外淬火矫形装置液压系统的设计与仿真杜康#!王成伟!!王珍##大连大学机械工程学院!辽宁大连##%!大连洁能重工机械有限公司!辽宁大连###摘要!针对大型轴承圈炉外淬火产生的较大变形问题&设计了一种专用于大型轴承圈炉外淬火过程的新型矫形装置’预紧液压系统作为矫形装置的重要组成部分&其性能的好坏不仅关系着大型轴承圈炉外淬火矫形装置的工作效率&更关系着炉外淬火过程中大型轴承圈形变量合格率的高低’通过对炉外淬火矫形装置预期工况分析&确定了主要液压元件型号&设计出预紧液压系统原理图’通过(’-6AI软件仿真分析&结果表明!该系统响应较快&能较好地完成设计要求动作&为液压系统样机设计提供了参考’关键词!矫形装置$预紧液压系统$(’-6AI$系统响应中图分类号!.*#&HRR文献标志码!(RR文章编号!##D&EE#!#$#!#D#H!D%!*1-4’45-)=2’+-:49:(%/5(’=2-7/1+*):9(+3:N*5-7!*?-7*9:(^=*473-4,’(*O*’(-4;-4:=+1-5*Z=(4’7*35FJCX#&S(,V)PZCXYZA!&S(,VWPZC##)7;;ZXZ7\’ZMPJCAMJ;-CXACZZ]ACX&3J;AJC5CA8Z]BA_O&3J;AJC0AJ7CACX##&)PACJ$!3J;AJC);ZJC-CZ]XO*ZJ8O+C^TB_]AJ;)7&0_^&3J;AJC0AJ7CACX##&)PACJ#8.1+(’7+!(CZYbAC^7\BaZMAJ;7]_P7aZ^AM^Z8AMZYJB^ZBAXCZ^‘OJAIZ^J__PZ;J]XZ‘ZJ]ACX]ACX7T_BA^Z_PZ\T]CJMZLTZCMPACXM7]]ZM_A7CBOB_ZI7T_BA^Z\7]_PZ;J]XZ^Z\7]IJ_A7Ca]7‘;ZIB7\;J]XZ‘ZJ]ACX]ACX7T_BA^Z_PZ\T]CJMZLTZCMPACXQ]Z;7J^Z^PO^]JT;AMBOB_ZIJBJCAIa7]_JC_M7Ia7CZC_7\_PZ7]_P7aZ^AM^Z8AMZ&A_BaZ]\7]IJCMZYJBC7_7C;O]Z;J_Z^YA_P_PZY7]bZ\\AMAZCMO7\_PZ7]_P7aZG^AM^Z8AMZB&‘T_J;B7YA_P_PZLTJ;A\AMJ_A7C]J_Z7\;J]XZ‘ZJ]ACX]ACXAC_PZLTZCMPACXa]7MZBB.PZ_OaZ7\_PZPO^]JT;AMM7Ia7CZC_BYJB^Z_Z]IACZ^&JC^_PZa]Z;7J^Z^PO^]JT;AMa]ACMAa;Z^AJX]JIYJB^ZBAXCZ^_P]7TXPJCJ;OgACX_PZY7]bACXM7C^A_A7C7\7]_P7aZ^AM^ZG8AMZBACJ^8JCMZ6AIT;J_A7CJCJ;OBABYJBMJ]]AZ^7T_‘O(’-6AIB7\_YJ]Z.PZ]ZBT;_BP7YB_PJ__PZBOB_ZI]ZBa7CBZAB\JB_Z]&JC^MJCM7Ia;Z_Z_PZ]ZLTA]Z^JM_A7CB‘O^ZBAXCZ8ZC‘Z__Z]&YPAMPa]78A^ZB]Z\Z]ZCMZ\7]_PZ^ZBAXC7\a]ACMAa;Za]7_7_OaZ7\PO^]JT;AMBOB_ZI6*/A:(51!/]_P7aZ^AM^Z8AMZ$Q]Z;7J^Z^PO^]JT;AMBOB_ZI$(’-6AI$6OB_ZI]ZBa7CBZ!前言船舶*风电电机组*水力发电机组等设备中都会用到大型轴承&而大型轴承圈的机械性能是影响轴承寿命的主要因素’为提高大型轴承圈的机械性能而对其进行炉外淬火(#)的过程中&大型轴承圈存在着变形&因此大型轴承圈炉外淬火矫形装置的设计是轴承圈生产品质的重要保障’目前大型轴承圈炉外淬火矫形装置在瑞典的6Fc*德国的c(V等国外知名轴承企业进行相关的研究&国内相关技术发展尚不成熟’基于正在某公司进行的大型轴承圈炉外淬火矫形系统国产化联合研发项目&设计新型大型轴承圈炉外淬火矫形系统总装图如图#所示’矫形系统包括随行夹具*预紧液压系统*油槽*淬火油循环系统*淬火油换热系统*控制系统等’图#R大型轴承圈炉外淬火矫形系统总装文中重点对其预紧液压系统进行设计&在对大型轴承圈炉外淬火过程中不同工况进行综合分析的基础上确定液压系统的工作压力&通过计算确定各个液压元件的重要参数&初步设计出满足工况要求的预紧液压系统原理图(!)&通过(’-6AI仿真研究论证所设计预紧液压系统的性能(&)’为大型轴承圈炉外淬火矫形装置预紧液压系统样机的研制提供重要的参考依据’#预紧机构组成及技术要求预紧机构是大型轴承圈炉外淬火矫形装置的重要组成部分&其担负着随行夹具出油时的推力以及大型轴承圈淬火冷缩时的收缩力’预紧机构主要包括进出油驱动装置*随行夹具*夹紧驱动装置*支承台架等&如图!*&所示’图!R预紧装置三维图图&R预紧装置示意图矫形装置预紧系统首先通过随行夹具驱动装置作用使随行夹具夹紧大型轴承圈&然后进台架驱动装置作用使上支撑台架下降至淬火油面以下&待淬火过程结束&台架驱动装置再次作用驱动上支承台架升出淬火油面&等到大型轴承圈冷却至室温&随行夹具驱动装置松开轴承圈&至此预紧系统完成整个工作循环’$预紧液压系统参数确定!9#R液压系统设计要求通过预紧液压系统工况分析及相关设计要求确定预紧液压系统的设计参数如表#所示’表#R设计参数随行夹具驱动缸行程?II随行夹具驱动缸快进速度?I+BD##9#随行夹具驱动缸慢进速度?I+BD##9!$随行夹具驱动缸推进阻力?b,!随行夹具驱动缸锁死受力?b,!随行夹具驱动缸快退速度?I+BD##9#$随行夹具驱动缸快退阻力?b,&台架驱动装缸行程?II!台架驱动缸推进速度?I+BD##9%台架驱动缸锁死受力?b,$台架驱动缸回缩速度?I+BD##9$台架驱动缸伸缩阻力?b,!!9!R主要液压元件计算分析!9!9#R系统工作压力选定分析整个预紧液压系统受力情况&随行夹具驱动缸锁死时负载最大&此时由蓄能器补充驱动缸泄漏从而进行保压&依照1液压工程师技术手册2初选系统工作压力为#$’QJ’!9!9!R液压缸参数确定该系统液压缸均采用双作用单活塞缸’##确定随行夹具驱动缸活塞及活塞杆直径’随行夹具驱动缸锁死时受最大负载!b,&此时活塞杆受压’液压缸直径!%#f%@!*#D*!7#槡f%i!&9#%i#$槡f#&II式中!@为随行夹具驱动缸最大负载,#$*#为蓄能器保压后随行夹具驱动缸进油口压力’QJ#$*!为液压缸背压’QJ#&液压缸锁死状态下&回油量极少&故*!8$7为杆径比&根据设计要求及液压工程师手册选为9$$’活塞杆直径!(#f%#i7f9$$i#&fH#9$II&取HII’预紧液压驱动缸无杆腔有效作用面积!$#f!%!#%f#&&MI!&有杆腔有效作用面积!$#f!%!#D(!##%f=%MI!!#确定台架驱动缸活塞及活塞杆直径’随行夹具驱动缸锁死时受最大负载$b,&此时活塞杆受压&驱动缸进油口压力*#f#$’QJ&背压*!8&杆径比7f9%’液压缸直径!+CGL+第!#期杜康等!大型轴承圈炉外淬火矫形装置液压系统的设计与仿真RRR%#f%@!*#D*!7#槡f$II根据常用液压缸选型表取&II’活塞杆直径!(!f%!i7f9%i&f!$II台架驱动缸无杆腔有效作用面积!$#f!%!#%f&#MI!&有杆腔有效作用面积!$#f!%!#D(!##%f!MI!!9!9&R液压泵参数确定矫形装置预紧液压系统工作压力!**$*e(#*f#$9$’QJ式中!*为驱动缸最高工作压力&即蓄能器保压时压力为#$’QJ$(#*为预紧液压系统管路总的压力损失&取9$’QJ’分析预紧液压系统工况&!个预紧驱动缸和&个台架驱动缸分别单独作用&计算得出具体流量参数如表!所示’表!R液压缸流量参数名称工况流量?0+IACD##预紧驱动缸快进H9=E慢进#9=E快退E9%台架驱动缸上升H9%%下降H9ERR液压泵流量!BMIJNfC(BMIJNf#9!i%iH9Ef&H9%%0?IAC式中!C为预紧液压系统泄漏系数&取#9!$(BMIJN为同时作用的驱动缸最大流量’计算可知!台预紧驱动缸需液压泵供油量最大为!BMIJN#f#=9#0?IAC&台台架驱动缸需液压泵供油量最大为!BMIJN!f&H9%%0?IAC!9&R液压元件选型该预紧液压系统选用!台液压缸完成随行夹具的行进夹紧动作&选用%台液压缸完成台架的升降动作&液压缸具体参数如表&所示’表&R液压缸参数缸内径?II活塞杆外径?II最大行程?II预紧液压缸双作用单杆缸##&H台架液压缸双作用单杆缸#&!$!RR根据计算及系统工况设计分析&该系统选用4:!4#!G&&?叶片双联泵作为动力源装置&具体参数如表%所示’表%R液压泵参数型号额定压力?’QJ大泵排量?I0+]D##小泵排量?I0+]D##额定转速?]+IACD##Q:!4#!!#&&#RR液压阀型号如表$所示’表$R液压阀型号名称规格名称规格过滤器W5G*%i!压力继电器*-3#F可调节流阀’VEV#9!三位四通电磁换向阀%S--G$?)V!%,W$0溢流阀cdVG&G#!$G#三位四通电磁换向阀%S-UG$?)V!%,W$0单向阀4:QG两位四通电磁换向阀%S-3G$?)V!%,W$0液控单向阀)Q.G&G$蓄能器,[o(G#9?!G0%液压系统原理图根据以上分析计算确定预紧液压系统原理图(%)如图%所示’首先叶片双联泵大小泵同时向预紧驱动缸无杆腔供油&预紧驱动缸驱动随行夹具完成快进行程&然后大泵卸荷&小泵单独供油实现预紧驱动缸带动随行夹具的慢进行程’蓄能器配合使用液控单向阀实现预紧液压缸的预紧动作&此时随行夹具涨紧大型轴承圈’配合使用系统换向阀&叶片双联泵向台架驱动缸无杆腔供油&台架驱动缸驱动台架下降到淬火油液面以下进行大型轴承圈的炉外淬火’待淬火完成台架驱动缸带动台架上升至油面上方&预紧驱动缸作用带动随行夹具完成快退动作&至此预紧液压系统完成整个工作循环’图%R预紧液压系统原理图+DGL+机床与液压第%&卷&(’-6AI仿真分析及原理样机验证利用(’-6AI建立预紧液压系统的仿真模型($D)如图$所示’图$R预紧液压系统仿真模型##驱动液压缸受力由输入信号模拟力模型’!#电磁换向阀动作由放大增益模块F放大后的信号进行控制完成特定的换向动作&为使电磁换向阀动作迅速且又不至使系统产生较大震荡&预紧驱动回路C#取#&C!取E’&#压力传感器检测驱动缸活塞杆处受力@#&与比较器设定恒力值@!比较&其输出值与信号模拟值进行叠加反馈给换向电磁阀从而对其进行控制&模拟压力继电器的作用过程’大型轴承圈炉外淬火矫形装置预紧机构的工况比较复杂&为了便于仿真分析&假设仿真开始前&大型轴承圈已平置于随行夹具托盘上&预紧驱动缸活塞杆处于初始位置&台架驱动缸活塞杆位于!II处&缩短炉外淬火时间为!B’根据设计要求计算分配各个驱动回路的仿真时间&设置仿真时间为&B&采样频率为9#B&仿真结果如图%=所示’图R电磁换向阀控制信号图HR液压缸缸活塞杆位移图ER预紧液压缸油口压力图=R台架液压缸油口压力图给出了预紧驱动回路和台架驱动回路电磁换向阀控制信号随时间的变化过程’图H为预紧驱动缸及台架驱动缸活塞杆在一个工作循环中的位移曲线&仿真结果比较好的达到了预期设计要求’图E*图=分别为预紧驱动刚和台架驱动缸进出油口处压