曲柄压力机液压操纵离合制动系统.pdf

第 1 页 共 7 页 曲柄压力机液压操纵离合制动系统曲柄压力机液压操纵离合制动系统 作者：殷洪福 摘要摘要 将曲柄压力机上的离合制动系统由传统的气压操纵改为液压操纵，是一个成功的尝试。本文介绍新型系统的工作原理，对主要元件的作用、结构和设计要点作出说明，总结设计、调试方面的经验，提供设计参数，分析存在问题，提出改进设想，在曲柄压力机离合制动系统的设计方面开辟一条新路。将曲柄压力机上的离合制动系统由传统的气压操纵改为液压操纵，是一个成功的尝试GB 公司曾经制造一台四工位长杆螺栓自动冷镦机（公称压力为 1200kN 的曲柄压力机），该机就采用液压操纵离合制动系统。应用结果表明，新型系统无论制动性能还是步进性能都很好，尤其是步进性能更为优秀，步进角（完成一次步进操作，曲轴所转过的角度）小至 5以下。耗能少（小于 0.1kW）、操纵灵活方便也是该系统的优点。压力机起动和停止，用手动滑阀控制；步进（点动）也是手动控制；紧急制动可以手动控制，也可以用电气控制。步进油路中设有能接受反馈信号的伺服阀，因而实现液压随动操纵。本文介绍新型系统的工作原理，对主要元件的作用、结构和设计要点作出说明，总结设计、调试方面的经验，提供设计参数，分析存在问题，提出改进设想。一、工作原理一、工作原理 图 1 是系统的示意图。图的上半部是离合器和制动器。传动轴 1 的动力由轴上左端的离合器传来。并通过与轴键接的齿轮 2 传至冷镦机的曲轴。电动机（未画出）带动飞轮 3。飞轮内有摩擦盘36 和两件摩擦片 4。摩擦盘和摩擦片均用花键与飞轮连接，可在飞轮内沿花键槽作轴向移动，并随飞轮转动，是离合器的主动件。相应地有三件从动的摩擦片 5，它们与传动轴 1 用花键连接。当压力油借助六个油缸 6（图中只画出两个）的柱塞压紧摩擦盘和所有摩擦片时，动力就传到传动轴上。传动轴是空心的，内有可轴向移动的推杆 7。当油缸 6 的柱塞推动摩擦盘 36 时，通过推杆 7，使制动器的所有摩擦片分离。制动器装在传动轴的右端。制动器的壳体紧固在冷镦机的机身上，内有摩擦片 9 和摩擦盘 37，它们用花键与壳体连接，可作轴向移动，是制动器的静摩擦件。相应地有两件动摩擦片 10，它们用花键与传动轴连接。当压力油进入装在壳体上的三个油缸 11（图中只画出一个）时，油缸的柱塞就压贴制动器的所有摩擦片，并通过推杆使离合器的所有摩擦片分离，实现制动。另外，制动器壳体内装有六件压力弹簧 12（图中只画出一件），其作用是：当离合器和制动器的油缸都没有压力时，弹簧力驱使离合器的摩擦片分离、制动器的摩擦片接合，从而使冷镦机处于停机状态（此时飞轮或停或转）。图 1 的下部是系统的液压回路。压力油来自油泵 13，并借助单向阀 14 不至回流，而储存于重力式蓄能器 15 中。为了防止空气混入，在回油路上设置了背压阀 16（背压很小）。离合器和制动器的动作用三位六通换向阀 17 和伺服阀 18 操纵。当换向阀 17 处在图示位置（中位）时，离合器和制动器的油缸都没有压力，在弹簧 12 的作用下冷镦机停机；换向阀右移，液压油进入离合器油缸 6，开机；换向阀左移，液压油进入制动器油缸 11，迅速制动。换向阀 17 可以手动操纵，也可以可以由电气控制实现迅速制动。伺服阀 18 用来作步进操作。图 1 的左下角是伺服阀的示意图。伺服阀的结构见图 2（图 1 和图2 所表示的同一零件或组件的编号相同）。伺服阀由阀套 19、弹簧 20、阀芯 21、齿轮 22、弹性连接器 23、手轮 24、丝杆 25、螺母 26 等零件或组件构成。其中齿轮 22 通过机械传动链与传动轴 1 联系。弹性连接器 23 将齿轮 22 与手轮 24 连接起来，使两者的位置在非操作的情况下在“零位”相对固定（这时 CD 通道的流量为零或接近零），而当手轮被操作时，两者又可以相对转动。丝杆 25是右旋的，导程 24mm。丝杆与手轮之间用导键连接，二者可作相对轴向移动而不能相对转动。阀PDF pdfFactory Pro 第 2 页 共 7 页 芯 21 在阀套 19 内滑动，在弹簧 20 的作用下，有向左滑动的趋势。阀套沉割槽的宽度比阀芯凸肩宽度大，平时（即手轮与齿轮之间的相对位置是“零位”时），阀套的左节流边与阀芯的左节流边之间保持如图 1 所示的间隙（b）。螺母 26 紧固在齿轮 22 的孔内，与丝杆 25 组成一对输出指令信号和接受反馈信号的运动付。54321789106361237曲轴11机械传动带有摩擦连接器 292830E311832BP141513DCO2524232221201917162726停机开机制动DCOAb图1 液压操纵的离合制动系统示意图 当系统处在图示状态时，冷镦机停机，离合器和制动器的油缸都没有压力。假如这时飞轮仍在转动，如果人工将手轮 24 逆时针（从左端看）转动一个小小的角度，由于齿轮 22 未动，那么与手轮相连的丝杆就相对螺母 26 逆时针转动而旋出，阀芯 21 在弹簧 20 的作用下左移，打开 CD 通道，关闭 DO 通道，压力油进入油缸 6，制动器分离，离合器接合，传动轴 1 以及曲轴转动。通过机械传动，齿轮 22 随即作逆时针转动，此时操作者的手仍握着手轮使之不动，形成手轮相对于齿轮22（即螺母 26）顺时针转动，于是丝杆旋入，推动阀芯右移，关闭 CD 通道，打开 DO 通道，PDF pdfFactory Pro 第 3 页 共 7 页 迅速消除油缸 6 的压力，在弹簧 12 的作用下，离合器分离，制动器接合，停机。放开手之后，手轮在弹性连接器 23 作用下恢复到“零位”，完成一次步进操作。22211920233324DCO26253435图2 伺服阀及摩擦连 接器 在整个步进操作过程中，曲轴随着手轮的转动而转动，随着手轮的停止而停止，所以整个步进操作系统是一个随动操作系统。但是，由于离合器和制动器摩擦片之间存在间隙、机器各运动付之间存在摩擦力、机器各运动部件存在惯性力，信号反馈必然滞后。所以这个系统不能实现连续的随动操作，只能实现步进（断续的）操作。二、设计说明二、设计说明 1系统的主要技术参数系统的主要技术参数 蓄能器输出压力 0.81 MPa 蓄能器柱塞直径 70 mm 工作油缸直径 70 mm 伺服阀丝杆导程 24 mm 伺服阀阀芯直径 20 mm 换向阀阀芯直径 25 mm 油泵输油量 25 lmin 步进操作时油缸压力 0.280.3 MPa 离合器最大工作力矩 810 kNm 2伺服阀伺服阀 在系统中，伺服阀（图 1 左下角是示意图，图 2 是结构图）是一个关键元件，其主要参数有：丝杆导程 T、阀芯直径 d、开口间隙（即阀套沉割槽宽度与阀芯凸肩宽度之差）b。这些参数将影响步进性能。本系统所用数值是：T24mm，d20mm，b0.040.06mm。导程 T 对步进性能的影响是这样：增大 T 可以提高对微小操作信号起反应的灵敏度。但是如果增大 T，要获得紧凑的结构在工艺上是困难的。笔者认为，按照下述条件来决定 T 是适当的：手轮每转 1，阀芯移动 0.050.1mm（本系统所用数值是 0.067mm）。增大 d 同样可以提高灵敏度；但是这样会同时加剧泄漏，造成 CD 通道封闭不良，而为了使 CD 通道封闭良好，必须将阀芯“零位”时的位置向更右的方向调整，以至出现更大的正封闭长度PDF pdfFactory Pro 第 4 页 共 7 页 （正封闭长度对于一定的压力差，当节流口的流量为零或接近零时，阀套内圆柱面包含着阀芯凸肩外圆柱面的轴向长度），于是反过来降低灵敏度。如果能够实现较高的加工精度，对于大型压力机，增大 d 可能是有利的。不过笔者认为，为了容易制造，并考虑到 C、D 间压力差较大（最大达到 0.7MPa）不宜增大 d。减小 b 的数值，对提高灵敏度有利。笔者曾试用 b0.10.15mm，结果小信号输入（即手轮转动角度小，比如小于 3）时，机器不起反应或反应迟缓。后来采用 b0.040.06mm，才得到现在比较满意的结果。假如取更小的 b 值，将会过分灵敏，难以稳定地获得小步进角。必须指出，开口间隙 b 是一个结构参数。实际上，阀芯从“零位”向左移动直至良好地封闭 DO 通道，阀芯所走过的行程 b不等于 b，而是等于 b 加上 CD 和 DO 两个通道的正封闭长度。这个行程与节流通道前后压力差、油的粘度、阀套与阀芯之间径向间隙有关，是难以从计算上确定的，最终要通过调整螺钉 33 来取得。调整时（这时系统处在停机状态，飞轮也停止转动），握紧手轮 24，旋动螺钉 33，观察蓄能器 15 的重锤，当重锤不下降或缓慢下降，说明 CD 通道已良好封闭（无须完全封闭），即可锁紧螺钉 33。然后逆时针缓慢转动手轮 24，再观察蓄能器 15 的重锤，当重锤不下降或缓慢下降，说明 DO 通道亦已良好封闭，记下手轮转过的角度（手轮上有刻度）。最后根据手轮转过的角度计算。在本系统中，b0.130.16mm。这个数值与 b0.040.06mm 相比，显然太大了，原因是伺服阀制造精度不够理想，尤其是阀套与阀芯之间径向间隙过大。如果制造精度进一步提高，本系统的性能定会更优秀。有一个问题需要交代：“零位”调整时“良好封闭”是怎样的概念？这里没有数量上的限定，要靠操作者多次调整的经验来判断。事实上，要实现完全封闭是不可能的，也没有必要，甚至是有害的，因为这样做徒然增大正封闭长度，降低步进操作灵敏度。3反馈传动链反馈传动链 反馈传动链由传动轴 1 开始，直到螺母 26，当中有齿轮传动和链轮传动，总的传动比为 i1.7，即传动轴 1 的转速等于齿轮 22 的转速的 1.7 倍。反馈传动比对步进性能的影响较大。减小这个数值，提高反馈讯号的传输效果，可获得较小的步进角。应用表明，1.7 太大了，如果将此数改为 1，可能得到更令人满意的结果。4摩擦连接器摩擦连接器 在反馈传动链上设置了摩擦连接器 35（见图 2）。在伺服阀的设计中，为了避免弹性连接器的弹簧过分压缩，手轮 24 与螺母 26 之间的相对转动被限制在30范围内，但是对手轮的操纵角度和反馈角度往往超出这个范围，所以要求传动链中有补偿环节。摩擦连接器就以其可以打滑的特性来实现这个要求：当操纵角度和反馈角度超出被限定的范围时，摩擦连接器打滑。因而可以随意操作。5溢流阀溢流阀 31 溢流阀 31 用来调节步进工作时离合器油缸的压力。离合器的步进工作是在冷镦机空载情况下进行的，这时油缸 6 的压力可以低些，以仅能启动为宜；如果压力太大，则启动迅速，骤然增大机器运动部件的对制动不利的动能，无法获得小步进角。本系统步进工作所用的压力是 0.280.3MPa。6节流阀节流阀 30 设置节流阀 30，是基于如下两个考虑：第一，步进油路需要较低的压力；第二，伺服阀的参数T、d、b 都会影响步进性能，而且它们的作用也不是孤立的，而是综合性的，要作定量分析是困难的，设计时只能作定性分析，粗略地确定一组较为合适的数值，这样就需要一个可调的环节来协调各参数之间的关系。7蓄能器蓄能器 15 系统所需的瞬间最大流量大约 100Lmin；但是即使在频繁操作时平均需要只不过是 1520Lmin；而在机器正常工作时仅需微小的油量以补偿泄漏。因此在系统中采用蓄能器是合理的。至于蓄能器的形式，应以重力式为最佳，因为可以由此获得稳定的压力，避免压力波动给综合调试带来PDF pdfFactory Pro 第 5 页 共 7 页 困难。8节流阀节流阀 28 和和 29 启动和制动过程如果过分迅速，将会产生冲击，引起传动齿轮的撞击声。因此设置了节流阀 28和 29，控制流量、缓和冲击。对于启动性能来说，节流阀 28 的作用是十分明显的。这是因为冷镦机的工作性质不要求急速启动，所以可以将启动油路的流量调小些，实现平稳启动。对于制动性能，节流阀 29 也有调节作用。虽然由于冷镦机的工作性质要求急速制动，不允许将制动油路的流量调得太小，撞击声不可避免，但是可以利用节流阀 29 将撞击声控制在允许的范围内。9离合器和制动器离合器和制动器 离合器和制动器都是片式的。为了减小发热，设计时有意增加摩擦片的数量，意图降低摩擦片的接合力。结果是令人满意的。笔者做过远远超出正常使用条件的试验：在室温 25C 时，以每分钟 2030 次的频率连续步进操作 20 分钟，或以每分钟 7080 次的频率连续步进操作 8 分钟，结果摩擦片的温度不超过 90C，可见在正常使用条件下是不会发生过热现象的。关于摩擦材料，设计时选用石棉塑料，后来由于采购不便，改用软性的铜丝石棉。后者有几个严重的缺点：一是吸油后膨胀，据测定摩擦块吸油后厚度增加 5%；二是吸油后对与之接触的球墨铸铁摩擦片有粘着力，不易分离；三是发热后膨胀，使调整好的间隙发生变化。为了克服这些缺点，不得不调大摩擦片之间的间隙（总间隙 33.5mm），这样就减低了系统的灵敏度。看来必须选用无上述缺点的摩擦材料。三、优点三、优点 本系统与传统的气控系统比较，具有下列明显的优点：1步进性能优秀，操纵灵活方便。这一点，在机器调整时尤其重要，因为操作者可以借助小步进来观察机器的运动情况。2节省电能。本系统所用油泵电机功率是 1.5kW，实际使用是 0.60.8kW，而在正常工作情况下，开动率仅为 510%，也就是说平均消耗功率不超过 0.1kW，而同规格的气控系统平均消耗功率达到 2kW 以上，原因是气控系统将大量的能量消耗在空气压缩过程中发热以及气路泄漏上，而且，气缸每次排气都将潜藏于压缩空气中的能量白白排掉。3可以比较经济地实现单机配套。气控系统虽然也可以单机配套，但购置空气压缩机在经济上是不合算的。所以本系统对那些无空气压缩站的工厂特别有意义。4 容易实现系列化和规格化。笔者体会到，本系统所用的元件及其设计参数具有广泛的适应性，即对更大或更小规格的同类机器，这些元件和参数都可适应。四、存在问题和改进措施四、存在问题和改进措施 本系统的设计基本是成功的，只是在下面几个问题上有待改进。第一个问题是小信号的步进操作不够灵敏。当手轮转过的角度小于 2时（这时伺服阀阀芯向左移动小于 0.13mm），机器不起反应（不启动）；当手轮转过的角度为 23时（阀芯向左移动0.130.2mm），反应迟缓；也就是说手轮转过角度必须超过 3。由于灵敏度不高，就无法将步进角控制的更小。产生这个问题的原因是阀套和阀芯的配合精度不高。因此，手轮转过角度必须超过 3才能使伺服阀回油通道 DO 良好封闭；当手轮转过角度小于 3，从进油通道 CD 进入的油就会有部分甚至全部经回油通道 DO 流回油箱，油缸 6 的压力不能升高。那么，能不能调大节流阀 31 的开口，增加 CD 通道的进油量，弥补 DO 通道的回油呢？不行，因为这样一来就会使下面第二个不良问题变得更加严重。要解决这个问题，唯有提高制造精度，使阀套内圆柱面与阀芯外圆柱面之间的径向间隙（两者PDF pdfFactory Pro 第 6 页 共 7 页 半径之差）小于 0.0025mm，并避免阀套和阀芯的节流边出现圆角。第二个问题是步进操作稳定性不佳，步进角大小不易控制。产生这个问题的原因是由节流阀 30 和溢流阀 31（直动式溢流阀）组成的调压回路压力特性太差。D 点的压力 PD与时间的关系如图 3 所示。在大流量的条件下，发生压力冲击，D 点的压力瞬间超过已调压力 Pt。在这样的情况下，系统的稳定性不佳，手轮转过角度的微小变化就会引起步进角度的很大变化，难以实现稳定的操作。那么，能不能调小节流阀 31 的开口，减小 CD 通道的进油量，缓解压力冲击呢？不行，因为这样一来就会使上面第一个不良问题变得更加严重。问题的结症在于溢流阀 31：一方面，溢流通道导通之前，D 点的压力 PD必定超过已调压力 Pt，并且超调量随着 CD 通道进油量的增大而增大；另一方面，溢流通道导通之后，由于回油路上有阻力，再加上背压阀 16 的作用，在溢流阀的出油口处产生冲击性的背压，也会导致 D 点压力的超调量增大。解决这个问题办法就是取消并联的溢流阀 31，代之以串联的单向减压阀 36（见图 4），但仍保留节流阀 30。这样既保持原来可节流、减压的优点，又克服原来徒有溢流的缺点，因而可获得更高的灵敏度和稳定性。第三个问题是制动过分急速，主传动齿轮仍有撞击声；为了降低撞击声，就调小节流阀 29 的开口，可是这样一来就无法减小制动角。现在撞击声只控制在容许的程度：不超过 95dB。解决这个问题的办法是：与节流阀 29 并联一个液控的、动作压力可调的截止阀 37（见图 4），让油液在较低的压力下迅速充满油缸，而在较高的压力下则通过节流阀 29 平稳加压。DPAOC制动开机停机BE36图4 液压回路改进设想D37至离合器油缸至制动器油缸 五、结语五、结语 本文未涉及理论分析，只是笔者的经验总结，目的在于探讨将曲柄压力机离合制动系统由传统的气压操纵该为液压操纵的可能性，以求在曲柄压力机离合制动系统的设计方面开辟一条新路。新型系统具有明显的优点，突出表现在步进性能优秀和节省能量，这是气控系统所不及的。必PDF pdfFactory Pro 第 7 页 共 7 页 须指出，本系统还是试验型的，性能有待改进，设计理论有待探讨，具有发展前途。顺便说几句：GB 公司对这项技术的研究早在一九六九年就开始了，第一台采用液压操纵离合制动系统的螺栓冷镦机在一九七年投产。这台机液压系统的设计虽然是粗糟的，但使用效果表明，在冷镦机上采用液压操纵系统是可能的。第二台采用液压操纵离合制动系统的螺栓冷镦机在一九七八年投产。这台机的系统对第一台的系统作出了重大的改进，主要是增加了随动操纵的步进回路，性能大大提高，为本文介绍的新型系统的设计打下了基础。PDF pdfFactory Pro