新型大吨位下锤头微动式模锻锤液压系统研究.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 3 0 5 0 0 5 3 0 3 新 型 大 吨 位 下锤 头 微 动 式模 锻锤 液压 系统研 究 庞作 宁 ，雷步芳 2 I李 永堂 ，乔波 1 ． 南 阳汉冶特 钢有 限责 任公 司 模 铸 厂技 术科 ，河南南阳4 7 4 5 0 0 ； 2 ． 太 原 科 技 大 学 材 料 学 院 ， 山西 太 原 0 3 0 0 2 4 摘要 目前液 压锤 大部 分是 液 气联合 驱 动 ， 存 在着 油 气互 窜、 焖模 时间长等 缺点 ， 全 液压 模锻 锤很 好地 弥 补 了这 些不足 ， 是 未来 锻锤 的发 展 方 向。 本 文介 绍 了 4 0 0 k J全液压 下锤 头微 动 式模 锻锤 的设计特 点及 工作 原 理 及 ， 对 其液 压 系统进 行 了动 态特 性分析 。 关键 词 机械 设 计 ； 模锻 锤 ； 全 液压 ； 下锤 头微 动 式 ； 动 态特 性 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 3 文 献 标 识 码 A 0引 言 目前 ， 我 国大 吨位 的液压 锤 是有 砧式 的 ， 这种 有 砧式 锻 锤需 要 有 庞 大 的基 础 ， 同时 振 动 大 、 噪声 大 ， 所 以有必 要 发展对 击 式 的大吨 位锻锤 。传统 的对 击 式锻 锤如 7 0年代 的等 行程 、 等 质量对 击 锤l 1 l ， 采用 蒸 空驱 动 ， 工 作 时上跳 量 大 ， 操 作也 不方 便 。 因此 ， 发 展 新 型 的大 吨位 对击 式液 压锤 ， 有 着很 重要 的意 义 。 本 文研 究 的是 4 0 0 k J下锤 头 微动 式 全液 压模 锻 锤 的液压 系 统 。当前 大部分 企业 生产 的 大 吨位锻 锤 主要 是 以液气 锤 为主 ， 液 气锤 较 以前 的蒸空 锤有 很 大 的改 进 ， 但 仍存 在 油 气 互 窜 、 振 动 大 、 闷模 时 间长 等 缺点 ， 全液 压对 击锤 则有 着高 效 、 节能 、 高 精度 、 振 动小 、 可靠 性 高 、 模 具 寿命好 、 使 用成 本较 低 、 环保 等 优 点 ， 所 以有 着很 大 的发展 前景 。 现有 的大 吨位 全 液压对 击 锤 ，主要 是 以等质 量 等速 对击 为 主 ， 这 种锤 的 主要缺 点是 上跳 量 比较 大 ， 操作 很不 方 便 。本设 计 的 4 0 0 k J大 吨位 下锤 头微 动 式对 击锤 ，在兼具 了上述全 液 压对击 锤 优点 的同时 又很 好地 解决 了下 锤 头上跳 量 大 的问题 ， 目前 国 内 的研 究还 是 空 白 ， 因此 有着很 重 要 的研 究 意义 。 1液 压 锤 的 工 作 原 理 及 特 点 4 0 0 k J全 液 压 模 锻 锤 采 用 全 液 压 动 力 驱 动 、 液 压联 动 ， 下 锤 头 采用 微 动 式 结构 ， 以液 压 联 动 方式 ， 实 现上锤 头 和下锤 头 对击 ， 其结 构如 图 1所 示 ， 液压 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 7 作者简介 庞作宁， 男， 硕士在读， 主攻锻压设备理论及控制 图 1 全液压模锻锤结构 图 1 ．活塞2 ． 下锤头3 ． 立柱4 ． 支撑杆5 ． 柱塞6 ． 联动缸 7 ．柱塞8 ． 联动杆9 ． 上锤头1 0 ．下砧块1 1 ． 上砧块 图 2 液压系统 1 ． 油箱2 ． 滤油 器3 ． 电动 机4 ． 液 压泵5 、 7 ． 9 、 1 0 、 I 1 、 l 1 5 、 1 8 ． 插装 阀6 、 1 4 ． 单 向 阀8 ． 二位二 通 阀1 3 ． 三位 四通 向阀 1 6 ． 二位二通阀 1 7 ． 溢流阀 1 9 ．节流阀2 O ． 液压缸 1 O 9 8 7 系 统 如 图 2所 示 。 提 锤 时 ， 电 磁 阀 1 3 3 DT 通 电 时 ， 插 装 阀 9 、 插装 阀 1 2打 开 ， 插 装 阀 1 O 、 插 装 阀 1 1关 闭 ， 油 液 由 液 压 泵 经 过 插 装 阀 5、 插 装 阀 1 2进 入 液 压 缸下 腔 ，推动上锤 头 向上运 动 ，液压缸 上腔 的油 液 ， 经插 装 阀 9， 回油 箱 ， 同时 下锤 头 由于 自重 回到 下 限位 置 ； 打击 过 程 中 ， 电磁 阀 1 3 4 DT 通 电 ， 插装 阀 1 0、 插装 阀 1 1打开 ， 插装 阀 9 、 插装 阀 1 2关 闭 ， 此 时 液压 系统形 成一个 差 动 回路 ，一部 分 油液 由液 压 泵 、 插 装 阀 5、 插 装 阀 1 0进 入液 压缸 上 腔 ， 另一 部分 油 液 由液压 缸 下腔 经 插装 阀 1 1 、 插 装 阀 1 0、 进 入 液 压 缸 上 腔 ， 上 锤 头 由活 塞 缸 的 上 下 腔 压 力 之 差 的 推 动 下 ， 向下运 动 ， 同时 上锤头通 过连 杆作 用 于联动 缸 的油 液 ， 使下 锤 头 的上 跳 ， 实 现上 下 锤 头 的对 击 ； 当 电 磁 阀 8 2 DT 通 电 ， 插 装 阀 6和 插 装 阀 1 5打 开 ， 可 以 实 现 模 锻 锤 的 寸 动 ； 当 电 磁 阀 1 6 1 DT 通 电 ， 插 装 阀 1 8打开 ， 系统 卸荷 。 2液压 系统数 学模型 的建 立 为 了验 证设计 的液压 系统能 否满足 液压 模锻 锤 的需 求 ， 可 以建 立数学 模 型 ， 通过 计算机 仿 真获取 该 液压 系统 的动态 性能 ，同时为 以后液压 系 统 的改 进 提供 理论 依 据 。计算 得 液压 缸 活塞 杆 直径 2 0 0 ram， 活 塞 缸 直径 2 8 0 mm， 上 锤 头 行 程 7 5 0 ram， 上 锤 头 质 量 3 8 4 0 0 k g ， 选 用 通径 为 8 0 mm 的二 通 插装 阀 ， 所 选 油液 的体 积弹性 模量 为 7 0 0 MP a 。 建 立 上 述 液 压 系 统 的拓 扑 结 构 图 ， 如 图 3所 示 。 图 3 液压系统拓扑图 由节 点 Ⅳ 、 Ⅳ2 、 Ⅳ5 约 束 条件 及 D 、 S 、 s 、 s 、 。 子 ，可 以得 到上锤 头 回程时 的数学模 型 q o- G 。 p - p 。 一 铷 I G p - p 。 G p - p z G 1 p - p 2 G p 2 - p 4 G1 0 、 二 G 9 p - p 5 G 9 p - p 。 m 1 1 2 一m 1 ∑ 1 式 中 9 一油 泵 的理 论流 量 g 0 0 ． 1 3 4 m3 ／ s ； G 旷 一油 泵 的 液 导 ， Gl 6 ． 6 1 4 x 1 0 2 r Y l P a ／ s ； P 节 点 1 处 的油 压 ； p 0 -一 回油压力 ； 油 泵 出 口处 容 积 ； G广．S 2 处 的 液 导 ， 当 尸 l P r 时 ， G 2 1 ． 1 6 7 x1 0 - g m P a ／ s ； p 广节 点 2处 的油 压 ； 卜油 液体 积弹性模 量 ； G ．S 处 的 液 导 ； p 节 点 4处 的 油 压 ； p 节点 5处 的油压 ； C 1 旷 一s 1 0 的阀 口综 合流 量系 数 ， G 0 2 ． 6 3 1 0 m Pa／ s； p 厂 一 节 点 7处 的 油 压 ； G 一 S 9 处 的 液 导 ； f 一液 压 缸 有 杆 腔 的有 效 面 积 ， A 0 ． 0 3 m ； 上锤 头位 移 ； 厂液 压缸 下 腔 至节 点 5的油 液 体 积 ， V 0． 0 46 m。 ； m 上锤 头 系统质量 ； ∑ 回程 中活 塞 、 锤杆 密 封摩擦 阻力 与上 锤头摩 擦 阻力之 和 ， ∑ 。 0 ． 1 m昏 经变 换后得 到用 状态 变量表 示 的仿真模 型 y1 ， ，2 z 一 m g Y , R 3 [ G。 - p。 一 G 2 y 3 -- p 。 一 G y 3 - p 2 】 告[ G p 2 -- Y 4 - A 2] 式 中， y 、 Y 、 分别表示状态变量 1 、 、 P 、 P 5 。 初始条件为 y 。 ， Y 2 ， ， y 4 ] [ 0 ， 0， P 0 ， P 0 当上锤 头第一 次提 锤 时 ， 可 得 眠 点 处 的液压 压 力 为 ps 0 0， Ⅳ 处 的油 压为 p 0 7 MP a 。 当稳定 后 P5 5 ． 5 M Pa 。 3液 压 系统 动 态 仿 真 结 果 用 Ma fl a b对 该 4 0 0 k J液 压 系统 进 行 动 态 仿 真 时 ， 采 用 的算 法 为 四 阶龙 格 一库 塔 法 ， 液 压 泵 的 流 量 取 0 ． 0 3 9 m s ， 通 过计 算 机 仿 真 ， 我 们 可 以得 出提 锤 时上 锤 头位 移 、 速 度 ， 液压 缸 下 腔压 力 ， 泵 出 口压 力 随 时 间变 化 的规 律 。 其仿 真 结果 如 图 4 、 5 、 6、 7所 示 。 O． 8 O ．7 0 ． 6 g 0． 5 0 ．4 0． 3 O - 2 O． 1 0 1 -4 1 ．2 l 0．8 0．6 0．4 0．2 O ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ O O．2 0． 4 0 ． 6 O ， 8 l 1 ． 2 1 ． 4 时间／ s 图 4 回程过程上锤头 的位移变化 曲线 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 0 O ． 2 0 ．4 0 ． 6 0 ． 8 1 1 -2 1 ． 4 时间／ s 图 5 回程过程上锤头 的速度变化 曲线 I O 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 1 ．2 1 ． 4 时间， s 图 6 液压缸下腔 的压力变化 曲线 4结 论 通 过 对 锤 头 回程 过 程 的 动 态 响 应 分 析 ， 可 以得 出 以 下 结 论 1 2 1 0 8 要 6 奋 4 2 O 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 l 1 ． 2 1 ． 4 时间／ s 图 7 泵出 口处的压力变化 曲线 1 该 液 压 系统 结 构 简 单 、 方 便 、 快 速 ， 工 作 平 稳 ，能 够满 足该 4 0 0 k J下 锤 头微 动式 全液 压模 锻锤 的要 求 ，另外 利用 流量 ／ b的方 向控 制 阀就 可 以实 现 大 吨位锻 锤 的各种 动作 ，而且 具有 快捷 、灵 敏 的优 点 。 2 从 图 6可 以看 出 ， 液压 缸下 腔 的工作 压 力在 0 ． 0 2 s达 到 了最 大值 ，并在 0 ． I s 后 压力 趋于 平稳 ， 选 择 的二 通 插装 阀能 够 符合 全 液 压模 锻 锤 的 高压 、 大 流量 的需 求 ， 使液 压 锤 的的运 行 更 加稳 定 、 快 速 、 平 稳 ，通过 上 面的分 析还 可 以为 以后 改进 液压 系统提 供依 据 。 【 参 考 文献 】 [ 1 ] 李永堂， 付建华， 等． 锻压设备理论与控制 第二版 [ M ] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 2 0 0 9 3 9 4 0 ． [ 2 ] 李永堂， 雷步芳 ， 等． 液压系统建模与仿真 第一版 【 M ] ． 北京 冶 金工业 出版社 ， 2 0 0 3 3 0 0 3 1 4 ． [ 3 ] 王积伟， 张宏甲．液压与气压传动 第二版 [ M ] 一 E 京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 8 1 8 4 1 8 9 ． 【 4 J 于晓红．我国锻压行业近况及前景分析f J ] ． 锻压装备与制造技术， 2 0 1 1 ， 4 6 5 ． [ 5 】 李响． 液压垫多缸液压 系统的设计分析 [ J 1 ．锻压装备 与制造技 术 ， 2 0 1 2 ， 4 7 6 ． St ud y o n ne w hy dr a ul i c s y s t e m o f di e f o r g i ng h a mme r i n l a r g e t o n na g e wi t h mi c r o -d i s pl a c e me nt l o we r ha mme r he a d 一 ， 【I I 一 、