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冷辗环机液压系统设计与控制 郝用兴1、 2 ,华 林2 Design of Hydraulic System for Cold Ring Rolling Machine HAO Yong2xing1 ,2, HUA Lin2 1. 华北水利水电学院 机械系,河南 郑州 450008 ; 2.武汉理工大学 材料学院,湖北 武汉 430070 摘 要冷辗环机的液压系统对环件轧制过程具有重要影响。根据环件轧制的特点和工艺流程,研究了 辗环机液压系统各液压回路,设计了符合辗环工艺要求的控制逻辑。芯辊液压缸控制回路换向平稳性好,圆 度辊缸与测量液压缸两者的差动控制回路,能保证它们被动退回时压力恒定,平稳退回。整个系统运行平稳 可靠,环件轧制质量高,设备成本低。 关键词冷辗环机;液压系统;控制 中图分类号TG333. 91 ; TG502. 32 文献标识码B 文章编号10002485820060820026204 前言 冷辗环机是精密轧制环件的机床,环件精密轧制 工艺过程复杂,它是一个特殊的不对称异步轧制过程, 影响环件轧制质量的因素很多,辗环机液压系统对环 件轧制质量有较大影响。同时液压系统设计好坏,对 设备成本也有重要影响,但国内外对环件轧制的研究 主要集中在轧制设备与工艺方面。液压系统的研究仅 限于进给系统[1～3],对液压系统其他组成部分的研究 未见报道。结合环件轧制工艺特点,研究辗环机液压 系统具有重要意义。 1 辗环机及环件轧制工艺 辗环机工作原理如图1所示,它主要由辗压轮7、 芯 辊9、 圆度辊8、 测量辊4等组成。机器工作时,辗压轮7 以恒定的速度顺时针旋转。自动工作每一工作循环开 始,在液压缸3的带动下,由机械手2将环件毛坯放下, 使环件毛坯与芯辊基本同心;然后,在液压缸1的推动 下,杠杆6摆动,圆度辊8移动至指定位置停止;芯辊液 压缸11推动芯辊9穿入环件毛坯孔中;机械手2退回, 测量液压缸5带动测量辊4前进压向环件毛坯;轧制过 程中,芯辊9在径向进给推动力的作用下,逐渐靠近辗 压轮7 ,环件10在芯辊9与辗压轮7之间的孔型中连续 变形,直径逐步扩大,圆度辊、 测量辊被动退回,环件尺 寸达到一定值时,圆度辊主动退回至终点;环件10尺寸 达到要求时,停止轧制,芯辊9径向远离辗压轮7;芯辊、 测量辊退回原位,进入下一循环。 除轧制进给系统由交流伺服电机驱动外,其他动 作由液压系统实现,液压系统必须满足以上工作要求。 图1 辗环机工作原理图 2 液压系统组成及设计 2. 1 液压系统组成 辗环机液压执行部件主要是机械手缸、 圆度辊缸、 芯辊缸、 测量缸。液压系统由机械手缸、 圆度辊缸、 芯 辊缸、 测量缸4个控制回路组成。如图2所示为液压 系统原理图。 收稿日期2006203220 基金项目国家自然科学基金重点项目50335060 作者简介郝用兴1966 , 男,河南林州人,副教授,硕士, 主要从事机械工程教学与科研工作。 图2 辗环机液压系统原理图 62 液压与气动2006年第8期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2. 2 系统设计 考虑到4个液压缸的实际工作要求,各个回路的 实现方法设计如下。 调速方法节流调速系统结构简单、 造价低廉、 维 护方便、 调速范围大、 微调性能好,而且,辗环机液压系 统需要的功率小,运动速度低,工作负载小。所以,采 用节流调速方式。节流阀调速分为进油节流调速和回 油节流调速。长时间停机,液压缸内的油液会流回油 箱,在回油节流调速方式下,重新向油箱供油时,由于 油路中的节流阀不能马上形成背压,进油路没有节流 阀,故泵的流量会全部流入液压缸,使活塞向前冲。而 进油节流调速回路中,在进油路有节流阀控制流量,故 不会造成活塞向前冲。因此,选择进油节流调速回路, 以保证各个液压缸平稳换向。 调压方式采用溢流阀调压回路,可以使定量泵在 恒压下工作,保持液压系统油压稳定,从而保证圆度 辊、 测量辊以恒定的压力被动退回。 换向方式机械手快进、 快退的速度都比较大,不 需要在中间位置停留,采用二位四通Y型电磁换向阀 来实现运动换向;辗扩过程中芯辊在前位,辗扩结束时 芯辊缸退回,为了便于调节,在中位时需要液压缸两腔 连通,并与油箱连通,液压缸处于 “浮动” 状态,实现浮 动连接。因此,采用三位四通电磁换向阀来实现运动 换向;形位辊和测量辊在被动回退时,需要施加一个恒 定的力,采用三位四通电磁换向阀,中位时实现差动连 接。 形位辊和测量辊差动连接回路中,在进油路中添 加1个单向阀,单向阀安装在溢流阀的前面,防止负载 过大时损坏液压元件。当换向阀中位工作时,差动连 接,用单向阀27保压,负载过大时,通过溢流阀卸载, 溢流阀设定液压缸被动回退时的压力。 在每个回路上串联一个溢流阀,这样可以根据对 每个部件的工作不同要求,对每条支路的油压进行单 独调节。为测量、 指示压力变化,油路的每条支路都装 上压力表。 液压泵在这个液压系统的工作循环内,液压缸有 低压大流量、 高压小流量2种工况。机械手快进、 快 退,芯辊快进、 快退都需要低压大流量。圆度辊快进、 测量缸快进需要低压大流量,而圆度辊、 测量缸被动回 退工作阶段需要高压小流量油液。而低压大流量所需 时间比高压小流量全部工作时间短得多。因此,从提 高效率,节省能源的角度考虑,采用2个双联叶片泵 12 L/ min 8 L/ min ,分别用于机械手缸与圆度辊油 缸、 芯辊缸与测量缸。 3 控制逻辑设计 自动循环由主滑块快进、 机械手与圆度辊进、 芯辊 进、 机械手退、 测量缸进、 毛坯合格检查、 主滑块快进、 主滑块工进、 末工进、 圆度辊主动退、 零工进、 主滑块快 退、 芯辊退、 测量缸退等19个阶段组成。循环过程的 控制条件为按钮、 行程开关、 主滑块位置信号、 测量滑 块位置信号,执行动作有对机械手缸、 圆度辊缸、 芯辊 缸、 测量缸电磁阀的控制,还有对进给交流伺服电机速 度、 辅助控制作用的定时器T1～T3的控制。 主滑块、 测量滑块位置与环件厚度、 环件直径有 关。工进速度值主要由环件厚度决定,与6个不同的 环件厚度对应,有6个不同的工进速度阶段。在轧制 的最后阶段,测量滑块位置达到末工进设定值时,以末 工进速度进给;测量滑块位置达到零工进设定值时,主 滑块停止,进给停止。仅依靠机械系统的弹性回复使 环件直径继续扩大;测量滑块位置达到环件直径尺寸 控制需要的设定值时,主滑块快速退回。 延时T1的作用在于保证芯辊插入前,环件毛坯 处于稳定状态。延时T2的作用在于保证环件处于稳 定状态后,开始检查毛坯是否合格。T3的作用在于工 进接近结束时,使圆度辊主动退回至确定位置,以便准 确测量环件直径。 循环开始的初始条件是主滑块处于后位、 机械手 处于上位、 芯辊处于后位。正常工作循环中,主滑块只 要退回至上料位即可,不必退回至主滑块后位。 冷辗环机自动循环控制逻辑表,如表1所示。 4 控制系统设计 控制系统主要由FX2N2128MR 64点输入/ 64点 继电器输出基本单元1台,A970GOT2SBA人机界面1 台,MDDA203A1A交流伺服电机驱动器1台,光栅及 信号转换电路2套等组成。 PLC是控制系统的核心。PLC接受来自人机界 面、 控制按钮、 行程开关、 壁厚光栅、 外径光栅以及交流 伺服电机驱动器信号,按照适当的控制逻辑,控制液压 电磁阀动作,通过交流伺服电机驱动器控制交流伺服 电机运转实现径向进给。人机界面完成模具、 机器控 制等参数设定,完成有关参数显示、 机器工作状态显 示、 壁厚显示、 外径显示、 故障显示等。操作者通过控 制按钮给控制系统发信号完成自动、 空循环等控制。 环件轧制过程中壁厚光栅、 外径光栅传递环件壁厚与 外径信号,反馈给PLC实现径向进给过程的闭环控 制、 圆度辊动作控制、 以及最终尺寸控制见图 3 。 72 2006年第8期液压与气动 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 82 液压与气动2006年第8期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 辗环机控制系统组成原理图 5 结束语 冷辗环机液压系统,芯辊缸控制回路换向平稳性 好,圆度辊缸与测量缸两者的差动控制回路,能保证它 们被动退回时压力恒定,平稳退回。设备控制逻辑考 虑了环件轧制的过程特点,整个系统机、 电、 液一体化, 自动化程度高,运行平稳可靠,环件轧制精度高、 质量 好,设备成本低。 参考文献 [1] 华林,黄兴高,朱春东.环件轧制理论和技术[M].北京 机械工业出版社,2001. [2] HUA Lin , ZHAO Zhongzhi. The extremum parameters in ring rolling[J ]. Journal of Materials Processing Technology , 1997 ,67 1 - 3 273 - 276. [3] Z. J. Szabo , E. Dittrich. Manufacturing systems for the production of seamless2rolled rings[J ]. Journal of Materials Processing Technology ,199660 67 - 72. [4] 郝用兴,张猛.辗环理论进给规程研究[J ].锻压技术, 19931 36 - 41. [5] Kalmyko , V. B. Ring2rolling mills and lines for production of ring workpieces [J ].Tyazheloe Mashinostroenie , 2001 5 25 - 29. [6] 华林.轧环机工作参数理论设计[J ].锻压机械,2000 2 8 - 10. [7] 李斌.国内外冷辗环机特点分析[J ].锻压机械,1997 2 8 - 9. [8] 郝用兴.辗环机进给系统模型的建立[J ].华北水利水电 学院学报,19954 61 - 66、82. 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Advanced Technology of Plasticity , 198411 1322 - 1327. 三相磨料水射流试验工作台的研制 汪庆华1 ,2,李福援1 Development of 32phase Efflux Abrasive Water Test Worktable WANG Qing2hua1 ,2, LI Fu2yuan1 1. 西安工业学院,陕西 西安 710032 ;2.西安交通大学,陕西 西安 710049 摘 要基于磨料水射流应用中存在磨料浆液分离困难导致浆液不能循环使用的问题,该文提出了三相 射流技术,文中介绍了三相射流试验工作台的系统组成及其工作原理,通过分析三相射流加工的工作机理设 计了喷射系统的结构及关键参数。试验表明,通过调整工艺参数,该磨料水射流试验工作台可对材料实现表 面抛光、 去毛刺、 清洗、 剥层、 切割等加工和实验。 关键词三相射流;喷射系统;结构设计;试验工作台 中图分类号TH137 文献标识码B 文章编号10002485820060820029203 前言 磨料水射流加工技术已经在各行各业得到了越来 越广泛的应用,尤其在机械制造业,因其加工时不改变 材料的力学、 物理、 化学性能等特点而日益成为一种先 进的加工技术。然而,采用磨料水射流加工方式也存 在很多不完善的地方,例如由于磨料的价格昂贵,需使 磨料在加工中可以循环使用,但由于磨料微粒很细,其 分离措施很难。另外还有喷头耐磨损、 循环过滤等一 系列问题。为此我们设计了气压引射式磨料射流的喷 头,并对该装置进行了初步试验。气压引射式磨料射 流是用压缩空气作为动力源,使磨粒加速工作,利用这 种方式循环使用磨料,就避免了让人困扰的分离过程。 收稿日期2005212227 作者简介汪庆华1978 , 女,湖北钟祥人,助教,在读博士 生,主要从事精密加工、 射流技术、 故障诊断等方面的研究工作。 92 2006年第8期液压与气动 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.