管端加厚液压机振动分析及消除措施.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 1 1 管端加厚液压机振动分析及消除措施 王秀鑫 ， 刘志奇 ， 张军丽， 丁浩伦 太原科技大学 机械工程学院 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 该文介绍了用于石油钻杆加工的管端加厚液压机。针对该液压机流量大、 压力高和运动惯量大所造成的稳定性能差 、 换向卸 荷振动冲击大等问题， 通过对其系统原理与工作振动现象进行深入的分析， 发现充液阀无法充分卸压和卸压延时不足是其产生振动 冲击 、 造成稳定性能差的主要原因； 最后提出了合理有效的技术方案， 解决了该液压机油缸卸压回程时产生的振动冲击， 提高了其工 作 时稳 定性 能 。 关键词 液压系统； 振动 ； 分析； 管端； 加厚 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 5 1 0 - 0 0 3 7 一 O 3 Vi b r a t i o n Ana l ys i s a n d El i mi n a t i n g M e a s u r e s o f Pi pe En d Th i c k e n i n g Hyd r a u l i c Pr e s s WANG Xi u - x i n， L I U Z h i q i ， Z HANG J u n l i ， DI NG Ha o l u n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e s t h e O 订d r i l l p i p e h y d r a u l i c wh i c h f o r t h e p r o c e s s i n g o f o i l d r i l l p i p e e n d s ． F o r t h i s h y d r a u l i c ma c h i n e wi th t h e p o o r s t a b l e p e r f o r ma n c e ， c o mmu t a t i o n u n l o a d i n g b i g s h o c k a n d v i b r a t i o n p r o b l e m s t h a t c a u s e d b y t h e l a r g e i n e r t i a mo v e me n t ， t h e h i g h p r e s s u r e a n d l arg e fl o w． Th r o u g h i n - d e p t h a n a l y s i s o f i t s s y s t e m wo r k i n g p r i n c i p l e a n d wo r k i n g v i b r a t i o n p h e n o me n a ， f o u n d t h a t the fil l i n g v a l v e n o t f u l l y d i s c h a r g e p r e s s ure and i n a d e q u a t e r e l i e f d e l a y , c a u s i n g t h e ma i n r e a s o n f o r v i b r a t i o n i mp a c t an d p o o r p e r f o r ma n c e s t a b i l i t y ． F i n a l l y , a r e a s o n a b l e a n d e ffe c t i v e t e c h n i c a l s o l u t i o n s t o a d dr e s s t h e i mp a c t o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r v i b r a t i o n g e n e r a t e d wh e n the r e l i e f r e t u r n ， i m p r o v e p e r f o r ma n c e an d s t a b i l i t y o f i t s wo r k ． K e y wo r d s h y dra u l i c s y s t e m ； v i b r a t i o n； a n a l y s i s ； p i p e e n d ； thi c k e n i n g 0 引言 在石油钻采中， 石油钻杆是其大量使用且必不可 少的消耗零件 。石油钻杆的两端 需要加 工出螺 纹 ， 采 用螺纹连接的方式来满足钻采过程 中对钻杆长度 的要 求 。钻杆车有内螺纹的一端需要经过管径增大管壁增 厚工艺的处理 ， 而管端加厚液压机就是这种加工设备 ， 可用于可塑性材料 的钻杆管端增厚 。 在钻杆管端加厚的过程中， 首先将钻杆加厚端进 行感应加热 ， 然后推人模具 中， 通过夹紧缸对加热端压 制与挤推缸对加热端进行挤压 ， 最后完成钻杆管端的 加厚。 山西某石．、 由 钻具制造有限公司中有一台管端加厚 液压机， 在其生产加工过程中， 管端加厚机产生有强烈 的振动与噪声 ， 这对其加工性能造成 了严重 的影响 ， 而 且还具有极大的安全隐患 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 9 基金项目 山西省 自 然科学基金项目 2 0 1 3 0 1 1 0 2 3 4 ； 太原科技大学博 士科研启动项 目 2 0 1 2 2 0 5 1 作者简介 王秀鑫 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山西运城人 ， 硕士研究生， 主要研究方向 为复杂机电液系统半实物仿真技术研究。 1 管端加厚机系统原理分析 液压系统的基本原理见图 1 。 1 启动 接通液压 机电源并启 动电动机 ， 使液压机处 于空 负载运行状态 。 2 夹紧缸快速下行 电磁铁 YA1 、 Y A 2 、 Y A3 、 通 电， 柱塞泵 1 、 2 、 3 、 4经 系统阀1 、 2 、 3 、 4 调定产生压力 ； Y A 6 通电， 高压油液经 过插件 6 及单 向阀进入夹紧缸上腔 ， 同时夹紧缸顶部的 高位油箱通过充液阀向夹紧缸充液， 避免油缸内形成 真空 ； 电磁铁 YA 9 、 YA1 0 通 电， 夹紧缸下腔油液通过 阀 9 流回油箱； 使夹紧缸空载快速下行。 3 夹紧缸慢速下行， 夹紧工件保压 当夹紧缸下行触碰到限位开关 S Q 2 后 ， Y A 9 断电 ， Y A 8 通电 ， 使夹紧缸下腔 油液形成 背压 ， 实现夹紧缸 的 慢速下行 。在夹 紧缸上的模具下行接触到工件后开始 加压， 压力上升到压力继电器S P 1 预设的压力值后发 讯 ， 使电磁铁Y A 6 、 Y A 8 、 Y A 1 0 断电， 夹紧缸处于保压 状态。 4 挤压缸快进 压 力 继 电器 S P 1同 时 发 讯 ， 电磁 铁 Y A1 、 Y A 2 、 3 7 液 压 气 动 与 密 ／2 01 5年 第 1 0期 6 ∽∽ 图 1管端加厚液压机系统原理 Y A 3 、 Y A 4 、 Y A1 2 、 Y A1 4 、 Y A1 5 通电， 电磁铁Y A1 4 、 Y A1 5 通电， 使得挤压缸有杆腔油液流 回油箱 ， 电磁铁 Y A1 2 通 电， 使高压油液进入挤压缸无杆腔并推动挤压缸快速前 进， 同时充液阀为无杆腔充液， 以免内部形成真空。 5 挤压缸慢速前进并挤压工件 当挤 压缸 前 进触 碰 到 限位 开关 S Q 5后 ， 电磁 铁 Y A 1 4 断电， 挤压缸转为慢速前进。当挤压缸上的滑块 接触工件并开始挤压工件。 6 挤压缸卸压 、 延时 挤压缸在挤压工件完成管端加厚工艺之后 ， 压力 在达 到压力继电器 S P 2 预先设定 的压力值 时发讯 ， 电 磁铁 YA 5 、 Y A1 6 、 Y A1 7 开始通 电， Y A 5 通 电 ， 系统为低 压； Y A 1 7 通电， 压力油经电磁阀打开无杆腔处的充液 阀控制 口， 使挤压缸无杆腔高压油卸压； 电磁铁Y A 1 6 通电， 挤压缸无杆腔内部的高压油经卸压插件流回油 箱 ， 同时接通时间继电器 ， 开始卸压延时。 7 挤压缸 回程 卸压延时时间结束后， 时间继电器发讯 ， 电磁铁 Y A 5 断 电， Y A1 、 Y A 2 、 Y A 4 、 Y A1 3 、 Y A 1 6 、 Y A1 7 通 电 ， 使 高压油全部进人挤压缸有杆腔， 使挤压缸快速回程， 挤压 缸快速回程至限位开关 S Q 5 调定位置处时限位开关发 讯 ， 电磁铁YA 1 、 Y A2 断电， 挤压缸慢速 回程， 当挤压缸回 程至限位开关S Q 6 调定位置处时， 挤压缸回程结束。 8 夹紧缸卸压 在挤压缸回程至限位开关S Q 6 调定的位置处时限 位开关发讯， 电磁铁Y A 4 、 Y A 1 3 、 Y A 1 6 、 Y A 1 7 断电， 同 时电磁铁Y A 5 、 Y A 1 1 通电； 电磁铁Y A 5 通电， 系统为低 压 ； 电磁铁Y A 1 1 通电， 系统油液经电磁阀进入夹紧缸 顶部的充液阀控制口， 并打开充液阀的主阀芯， 使夹紧 缸上腔高压油 卸压 ； 同时接通 时间继 电器 ， 开始卸 压 延 时 。 9 夹紧缸 回程 当卸压延时时间结束后， 时间继电器开始发讯 ， 电 磁铁 Y A 5 断 电， 电磁铁 Y A1 、 Y A 4 、 Y A 7 、 Y A1 1 通 电； 此 时 ， 系统油全部进人夹紧缸有杆腔， 使夹紧缸快速回 程， 当夹紧缸回程至限位开关S Q 2 调定位置处时发讯， 电磁铁Y A 1 断电， 夹紧缸由快速回程转为慢速回程， 当 夹紧缸 回程至限位开关 S Q1 处时 ， 夹紧缸回程结束。 至此， 管端加厚液压机的一个工作循环结束。 2 管端加厚液压机振动原因分析与解决 方案 2 ． 1振动原因分析 1 振动现象 该管端加厚液压机共有两块插装 阀块 ， 其 中泵与 夹紧缸的控制阀块集成有柱塞泵 出口处的单 向阀及调 压阀和夹紧缸进油管路与回油管路上的控制阀； 挤压 缸控制阀块集成有挤压缸的进 、 回油路上 的控制阀。 通过对 管端加厚液压机 的观察 ， 在其 工作 的过程 中， 夹紧缸在 回程过程 中该液压机有剧烈的振动 ， 且夹 紧缸上部油箱有油液飞溅的现象。柱塞泵与控制阀块 相连接 的管路和挤压缸 与阀块相连 的管路均工作正 常， 并且管路都没有焊接的痕迹， 但是夹紧缸无杆腔的 进油管路在与控制阀块连接处有明显的补焊痕迹。 2 振动原因分析 对管端加厚液压机加工过程深入的观察和分析 ， 管端加厚液压机 系统 的最大压 力为 2 5 MP a ， 夹紧缸上 腔 最 大 夹 紧 压 力 为 1 5 MP a ， 下 腔 回 程 工 作 压 力 为 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 01 5 5 MP a 。液压机的剧烈振动主要发生在夹紧缸卸压回程 阶段 ， 现分析得出造成振动的原因如下 夹紧缸 回程过 程中 ， 上腔处于卸压过程 中， 充液 阀不仅要卸掉上腔 的 高压油 ， 而且 还要 卸掉液压机机架变形 引起 的弹性势 能 ， 大量 的高压油液需要瞬间从充液阀 口卸荷 ， 在机架 弹性势能和上腔压力还没有完全卸掉时 ， 夹 紧缸开始 回程， 高压油充人夹紧缸下腔， 使得上腔高压油液对管 路 、 充液 阀及夹紧缸的冲击增大 ， 导致管端加厚机 的夹 紧缸在 回程时的振动加剧 。 2 I 2 提出的解决方案 导致夹紧缸 回程振动加剧 问题 ， 主要 原 因是充液 阀无法充分卸压和泄压时间不够 ， 针对此问题采取以 下措施 1 尽管充液 阀选用 的是带有卸荷功能 的先导式 充液 阀， 但是其卸压效果并不理想 ， 因此为夹紧缸增设 必要的卸压回路， 然后通过卸压回路和充液阀使夹紧 缸上腔充分卸压 ， 增设的卸压回路如图2 。 - - 一 - - 上接第 9 页 夹 紧 缸 图2增设的卸压回路 卸 压 回 路 2 调节夹紧缸下腔进油管路上溢流 阀预设 的压 力 ， 降低预设的压力。 3 在控制方面 ， 改变 P L C控制 器的时间设定 ， 延 长夹紧缸上腔卸压延时的时间。 采 用上述 的措施 之后 ， 液 压机 工作 时振动情况有 明显 的改善 ， 夹紧缸 回程平稳且高位油箱无油液飞溅 现象 。 3 结束语 通过对管端加厚液压机振动原因的分析与解决 ， 可 以看 出液压 系统 的优劣 不仅与 系统本身 的设 计相 关， 还与P L C电控系统和液压系统的匹配相关 ， 这些都 要在产品的设计生产中引起足够的重视。 参考文献 [ 1 】 郭立珍． 钻杆管端加厚工艺[ J ] ． 西部探矿工程， 2 0 1 1 ， 6 1 0 6 1 0 9 ． [ 2 ] 刘同义． 钢管管端增厚机液压管路开裂现象的原因与措施 [ J 】 | 液压与气动， 2 0 1 2 ， 7 1 0 5 1 0 7 ． 【 3 ] 郝兴安． 管端加厚机液压冲击 的分析与处理[ J ] ． 液压与气 动 ， 2 0 1 4 ， 2 1 2 1 - 1 2 4 ． [ 4 ] 邵春曙． D Y 0 1 4 油压机充液阀故障诊断与分析【 J ] ．设备管理 与维修， 2 0 1 4 ， 1 2 5 2 6 ． [ 5 】 赵小楼． 充液阀常见故障分析[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 4 ， 4 68 7 0． [ 6 】 王春行． 液压控制系统【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 7 】 李壮云． 液压元件与系统[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 径沿着试验件 。盖板与试验装置螺接。通过试验测量 沿密封件的压差 、 通过密封件的流量以及到达通风腔 的人口空气温度， 计算得到密封泄漏率与沿着密封件 的压差和施加在密封条上的压力的函数关系， 评价密 封设计 。 6 结束语 随着高超音速飞行器的发展， 对高温密封技术的 深人研究更加迫切 ， 高温密封材料 及结构的选 型都离 不开试 验研究 ， N A S A G R C在密 封试验技术方 面的研 究值得借鉴和参考。 参考文献 【 1 ] 白延隆， 白云． X 一 5 1 A飞行器飞行试验 的故障分析【 J ] ． 飞航 导弹， 2 0 1 2 ， 3 2 7 - 3 0． [ 2 ] 张宇玮， 姜艳青， 石刚， 陈永来． 高温基线密封研究进展[ J ] ． 宇 航材料工艺， 2 0 1 1 , 2 2 1 - 2 5 ． 【 3 】P a t ri c k H． D u n l a p ， B r u c e M． S t e i n e t z ． A C o mp a ri s o n o f C a n d i d a t e S e a l D e s i g n s f o r F u t u r e D o c k i n g S y s t e m s [ R ] ．A t l a n t a AI AA． 2 0 1 2 ． 【 4 】 B r u c e M． S t e i n e t z ． O v e r v i e w of N A S A G l e n n S e a l P r o j e c t [ R ] ． Ho u s t o n NAS A， 2 0 0 9 一 [ 5 ] J e ff r e y J D e Ma n g e ， P a t ri c k H ． D u n l a p ， B ruc e M． S t e i n e t z ．A n Ev alu a t i o n s o f Hi g h Te mp e r a t u r e Ai rfr a me S e als for Ad v a n c e d H y p e r s o n i c V e h i c l e s [ R ] ． C i n c i n n a t i A I A A ， 2 0 0 7 ． 【 6 ]6 P a t ri c k H ． D u n l a p ， B r u c e M． S t e i n e t z ． F u l l S c al e S y s t e m for Q u a n t i f y i n g L o a d s a n d L e a k R a t e s o f S e a l s f o r S p a c e A p p l i c a t i o n s [ R 1 ． Na s h v i l l e A I A A ， 2 0 1 0 ． [ 7 ]7 J e ff r e y J ． D e Ma n g e ．I n v e s t i g a t i o n of t h e Me c h ani c al P e r f o r m ane t o f C o m p l i a n t T h e r m al B a r r i e rs[ R ] ． S a n F r a n c i s c o A I A A ， 2 0 1 1 ． 【 8 】 G a r a fo l o ，N ． G ． a n d D a n i e l s ，C ． C ． A n E x p e ri m e n t al I n v c s t i g a - t i o n o f L e a k Ra t e P e r f o r ma n c e of a S u b s c ale C a n d i d a t e El a s t o m e t D o c k i n g S p a c e S e a l [ R ] ． N a s h v i l l e AI A A， 2 0 1 0 ．