劉軍營， 唐敬東， 胡　鑫， 朱艷飛

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

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基于拉削平穩(wěn)性的插裝背壓閥設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉軍營， 唐敬東， 胡鑫， 朱艷飛

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

摘要：為提高拉床拉削過程平穩(wěn)性，根據(jù)拉削負(fù)載特點(diǎn)與高頻響插裝閥特性，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在拉床上的高頻響插裝式背壓閥.以速度信號(hào)作為反饋量，在拉削過程中發(fā)生“突跳”即拉削速度突增時(shí)迅速提高背壓，以改善拉削的平穩(wěn)性，且減少電耗.建立了高頻響插裝式背壓閥仿真模型，采用AMESim軟件仿真分析了先導(dǎo)閥頻響、閥芯錐角、控制腔面積對高頻響插裝式背壓閥與背壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，為其應(yīng)用提供了理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：拉床； 高頻響插裝式背壓閥；AMESim； 動(dòng)態(tài)特性

拉削加工是以拉刀為切削工具，具有高精度、高效率、高復(fù)雜度、可最終成形的機(jī)械加工方法之一[1].由于拉刀自身特點(diǎn)，拉削加工時(shí)易產(chǎn)生“突跳”現(xiàn)象，尤其當(dāng)拉削速度及拉削負(fù)載較大時(shí)更加明顯.傳統(tǒng)液壓拉床解決方案有：1.固定背壓系統(tǒng)；2.液壓平衡回路用自調(diào)背壓系統(tǒng)；3.液壓平衡回路用壓差自調(diào)背壓系統(tǒng)[2-4].其抑制效果依次提高，但傳統(tǒng)背壓閥及平衡閥的使用大大增加了拉床液壓系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，增加電耗、發(fā)熱量大、效率較低[5].現(xiàn)代新型拉床液壓系統(tǒng)采用伺服直驅(qū)，變量液壓泵-液壓缸等容積調(diào)速方式，拉削行程中根據(jù)拉削負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)容積調(diào)速回路的功率-流量，無溢流損失，效率較高[6].針對新型拉床的液壓系統(tǒng)中，傳統(tǒng)抑制“突跳”方式使拉床液壓系統(tǒng)效率降低，提出了一種應(yīng)用高頻響插裝式背壓閥的解決方案，設(shè)計(jì)了一種高頻響插裝式背壓閥，達(dá)到了提高效率、節(jié)約能源、減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的目的.

1拉床用高頻響插裝式背壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1拉床工作負(fù)載分析

如圖1所示為實(shí)測圓拉刀拉削時(shí)拉削負(fù)載波形圖.在拉削過程中同時(shí)工作刀齒數(shù)Z發(fā)生周期性變化，當(dāng)?shù)洱X從Z齒參加拉削突變?yōu)?Z-1)齒工作瞬間，其切削負(fù)載Q也將減少Q(mào)/Z,此時(shí)有桿腔油壓力將發(fā)生突降.油液突然從高壓狀態(tài)轉(zhuǎn)入低壓狀態(tài)的過程中向系統(tǒng)釋放很大的能量，迫使滑枕快速向前移動(dòng)一段距離，拉削速度突然提高，產(chǎn)生“突跳”現(xiàn)象.拉削速度是影響拉削質(zhì)量的關(guān)鍵因素，該現(xiàn)象應(yīng)得到抑制[7].

圖1　圓拉力拉削負(fù)載波形圖

1.2拉床用高頻響插裝式背壓閥設(shè)計(jì)

為滿足穩(wěn)定拉削速度的目的，要求背壓系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)速穩(wěn)定，安全可靠.高頻響的插裝閥在大流量的調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛,在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高的地方有其突出的優(yōu)點(diǎn),如響應(yīng)快(一般可達(dá)到20ms以內(nèi))、過流量大等[8-9]，因此在高頻響插裝閥基礎(chǔ)上根據(jù)拉削負(fù)載特點(diǎn)設(shè)計(jì)所需背壓閥如圖2所示.主閥采用高精度、帶有雙主動(dòng)控制型快速響應(yīng)和關(guān)閉時(shí)零泄漏的大規(guī)格二通插裝閥，主閥閥芯為錐閥，先導(dǎo)級(jí)采用伺服比例閥，以拉削速度作為反饋量與期望速度比較，根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)快速調(diào)節(jié)主閥開口量產(chǎn)生所需背壓.

圖2　高頻響插裝式背壓閥原理圖

如圖2所示1,2分別為主閥上下控制腔.拉床拉削時(shí)油液從拉削缸無桿腔流出，從主閥A口流入，T口流出，通過錐閥節(jié)流作用產(chǎn)生背壓，起平衡作用，如平衡拉削機(jī)構(gòu)自重.主閥芯開通孔使主閥芯上下壓力平衡，即主閥芯位移只由先導(dǎo)閥決定.X、Y分別是先導(dǎo)閥的進(jìn)油口和回油口.當(dāng)拉削負(fù)載突然減少時(shí)，拉削速度突變大于設(shè)定期望速度，先導(dǎo)伺服比例閥上端接入回路，控制油液經(jīng)X口流入先導(dǎo)閥后從a口流出進(jìn)入主閥上控制腔1，控制腔2油液經(jīng)b口流回油箱.主閥芯在控制油作用下向下移動(dòng)，減小閥口開度，提高背壓抑制速度突變.同理當(dāng)拉削速度小于期望速度，主閥芯在先導(dǎo)閥作用下向上移動(dòng)，增大開口減小背壓，當(dāng)拉削速度穩(wěn)定時(shí)只輸出較小背壓，達(dá)到節(jié)約能源減輕拉床液壓系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的目的.

2 AMESim仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

2.1仿真模型建立

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方案使用效果，分析和研究高頻響插裝式背壓閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)對閥本身及背壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響，采用AMESim仿真平臺(tái)建立了高頻響插裝式背壓閥機(jī)電液仿真模型.

如圖3所示為在AMESim仿真平臺(tái)下建立的高頻響插裝式背壓閥仿真模型.

1.電磁換向閥 2.拉削缸 3.速度傳感器 4.主閥閥口 5.主閥控制腔6.先導(dǎo)閥 7.主泵 8.控制油泵 9、11.溢流閥 10、12.電機(jī)圖3　高頻響插裝式背壓閥AMESim仿真模型

通過 AMESim中的機(jī)械、控制、液壓應(yīng)用庫、HCD庫中的液壓元件模型塊作為構(gòu)建的基礎(chǔ)，建立了帶有高頻響插裝式節(jié)流閥的拉床液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型，在不影響仿真結(jié)果前提下簡化了拉床液壓系統(tǒng)模型.由于所設(shè)計(jì)研究的高頻響插裝式背壓閥應(yīng)用在新式拉床液壓系統(tǒng)中即系統(tǒng)通過容積調(diào)速方式使拉削速度基本恒定，故在仿真模型中忽略主油泵容積效率隨負(fù)載壓力的變化，將其簡化為排量不變的理想定量泵.

2.2主要參數(shù)設(shè)定

仿真模型中的主要參數(shù)參考L6120拉床設(shè)置如下:油液密度 890kg / m3，油液運(yùn)動(dòng)粘度 40mm2/ s，油液體積彈性模量1 000MPa;液壓缸活塞直徑 200mm、液壓缸活塞桿直徑75mm、液壓缸行程 1.25m、活塞桿初始位移為 1.2m;主油泵排量 200mL/r，控制油油泵排量10mL/r、溢流閥11開啟壓力10MPa，溢流閥9開啟壓力15MPa、電動(dòng)機(jī)12轉(zhuǎn)速1 500r/min、電動(dòng)機(jī)10轉(zhuǎn)速1 000r/min、背壓閥閥芯直徑40mm、閥芯質(zhì)量0.63kg、設(shè)計(jì)拉削速度11m/min.先導(dǎo)伺服閥額定流量10L/min、無阻尼自然頻率80Hz、阻尼比0.6.仿真模型中包含背壓閥閥內(nèi)部及與之相連的各液容模塊，液容參數(shù)由背壓閥結(jié)構(gòu)及連接管道尺寸計(jì)算確定，與背壓閥連接的管道的動(dòng)態(tài)效應(yīng)予以忽略.

2.3負(fù)載力設(shè)定

負(fù)載力施加情況如圖4所示，根據(jù)拉削負(fù)載力特點(diǎn)，由階躍信號(hào)模擬產(chǎn)生“突跳”時(shí)負(fù)載力變化情況.其中最大同時(shí)工作刀齒數(shù)為4，最大負(fù)載200kN.1s時(shí)同時(shí)工作刀齒數(shù)變?yōu)?，拉削負(fù)載突變?yōu)?50kN.

圖4　負(fù)載力設(shè)定曲線

3模型仿真及結(jié)果分析

3.1AMESim模型仿真

以承載拉削工況為對象，對高頻響插裝式背壓閥動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析.仿真時(shí)間2s，采樣頻率0.01s.圖5為高頻響插裝式背壓閥主閥芯位移曲線，圖6為拉床液壓系統(tǒng)背壓變化曲線.當(dāng)?shù)竭_(dá)1s時(shí)拉削負(fù)載突然降低，主閥芯在先導(dǎo)閥控制下迅速下降減小主閥開度，迅速提高背壓抑制速度突變.1～1.19s內(nèi)，主閥芯平穩(wěn)回復(fù)，系統(tǒng)背壓逐漸回到初始值以節(jié)約能源.可以看出所設(shè)計(jì)高頻響插裝式背壓閥能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)功能.

圖5　主閥芯位移曲線

圖6　系統(tǒng)背壓曲線

查閱資料知高頻響插裝閥動(dòng)態(tài)特性主要取決于先導(dǎo)通流能力與頻響、閥芯半錐角、控制腔面積等因素,此外還受摩擦力、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力、瞬態(tài)液動(dòng)力等因素的影響.為進(jìn)一步分析高頻響插裝式背壓閥動(dòng)態(tài)特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，下面對影響其動(dòng)態(tài)特性最顯著的三種因素：先導(dǎo)閥頻響、閥芯半錐角、控制腔面積對抑制拉削速度波動(dòng)的影響分別進(jìn)行仿真分析.

3.2先導(dǎo)閥頻響的影響

圖7為先導(dǎo)閥頻響對拉削速度影響局部放大圖，其中先導(dǎo)伺服比例閥頻響分別取80HZ、120HZ、150HZ.可以看出當(dāng)先導(dǎo)閥頻響較低時(shí)拉削峰值速度較大，增大頻響，雖然速度峰值降低，但速度穩(wěn)定所需時(shí)間大大延長，出現(xiàn)速度震蕩，影響穩(wěn)定性.故對先導(dǎo)閥響應(yīng)頻率要適當(dāng)選取，當(dāng)取120HZ時(shí)，峰值速度適中，速度恢復(fù)快速平穩(wěn)，效果較好.

圖7　先導(dǎo)閥頻響對拉削速度影響局部放大圖

3.3閥芯半錐角的影響

圖8為主閥閥芯半錐角對拉削速度影響局部放大圖，圖9為相應(yīng)半錐角下產(chǎn)生背壓大小，其中主閥芯半錐角分別取20°、40°、60°.由圖8、圖9可以看出，當(dāng)閥芯錐角減小時(shí)，峰值速度逐漸降低，但相應(yīng)所產(chǎn)生的背壓逐漸提高.對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)半錐角由60°減小到40°時(shí)，拉削峰值速度由0.295m/s降低到0.278m/s，降低5.8%，相應(yīng)系統(tǒng)背壓從2bar增加到2.8bar，增加了40%.半錐角繼續(xù)減小到20°時(shí)，峰值速度由0.278m/s降低到0.25m/s，降低了10%，系統(tǒng)背壓從2.5bar增加到6bar，增加了140%.由數(shù)據(jù)分析可以看出當(dāng)閥芯錐角減小時(shí)，對速度突變的抑制能力逐漸提高，但相應(yīng)所造成的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)卻大大增加.因此在選取閥芯錐角時(shí)不能太小，主閥芯半錐角取40°時(shí)比較適宜.

圖8　閥芯半錐角對拉削速度影響局部放大圖

3.4控制腔面積的影響

圖10為控制腔面積對拉削速度的影響局部放大圖.其中控制腔面積分別取2.356×10-4m2、1.765×10-4m2、1.485×10-4m2.可以看出拉削速度對控制腔面積變化非常敏感.很小的控制腔面積變化就能產(chǎn)生較大的影響.適當(dāng)減小控制腔面積能夠提高背壓閥抑制速度突變的能力，但當(dāng)控制腔面積減小到一定程度時(shí)會(huì)引起較大的速度震蕩，影響拉床性能.選取控制腔面積為1.765×10-4m2較為合適.

3.5優(yōu)化結(jié)果

通過對圖7～圖10的分析，最終確定先導(dǎo)伺服比例閥頻響120HZ，主閥芯半錐角40°，控制腔面積1.765×10-4m2.在AMESim平臺(tái)下進(jìn)行仿真并與傳統(tǒng)背壓方式進(jìn)行對比，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)高頻響插裝式背壓閥抑制拉刀“突跳”的效果.

圖11為高頻響插裝式背壓閥抑制拉刀“突跳”效果對比局部放大圖.與傳統(tǒng)固定背壓系統(tǒng)相比，速度波動(dòng)幅值由0.45m/s降低為0.08m/s，速度震蕩時(shí)間由0.25s縮短到0.02s左右.因此證明所設(shè)計(jì)高頻響插裝式背壓閥能很好的抑制隨拉削負(fù)載突變引起的拉削速度突變，達(dá)到很好的緩沖和背壓效果.

4結(jié)束語

通過對所設(shè)計(jì)高頻響插裝式背壓閥工作原理進(jìn)行分析，并在AMESim環(huán)境下建立仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證實(shí)了所設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到根據(jù)拉刀速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)背壓，抑制因負(fù)載突變引起的拉削速度波動(dòng)的目的，且較傳統(tǒng)背壓方式能夠取得更好的抑制效果，為拉床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中背壓的控制提供了一種有效的解決方案。

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(編輯：劉寶江)

Research on design and application of high frequency response

cartridge counterbalance valve on the broaching machine

LIU Jun-ying， TANG Jing-dong， HU Xin， ZHU Yan-fei

(School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049,China)

Abstract:In order to improve the stationarityof broaching process, we design one typeof high frequency response cartridge counterbalance valve applied in broaching machine according to the characteristic of broaching load and high frequency response cartridge valve. Firstly,we use speed signal as the feedback, and improve the backpressure quicklyonly when the broaching speed abnormality increase to improve the stationarityof broaching processand save energy. Secondly,we build a simulation model of high frequency response cartridge counterbalance valve with AMESim software, and validate its performance by simulation. Lastly,we analyze the influence of the pilot valve frequency response, valve core angle,and control cavity area to dynamic property of high frequency response cartridge counterbalance valve, and provide an experimental and theoretical basis for its application.

Key words:broaching machine; cartridge back pressure valve; AMESim software; the dynamic characteristics

中圖分類號(hào)：TH137.7；TG502.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2015)03-0037-04

作者簡介：劉軍營，男，ljy58@163.com

收稿日期：2014-10-05