80MN胶囊硫化机液压系统设计.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０１２ 收稿日期 ２０１５－０３－１８ 作者简介 邹炳燕 （１９６５）， 男， 工程硕士， 高级工程师， 主要从事液压与气动技术教学与科研工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｚｂｙ６５０９０１ ＠ ｓｉｎａ􀆱 ｃｏｍ。 ８０ ＭＮ 胶囊硫化机液压系统设计 邹炳燕， 杨健， 李颖， 朱如华， 王程胜， 曹贝贝 （天津中德应用技术大学航空航天与汽车学院， 天津 ３００３５０） 摘要 对于长行程大直径多缸液压系统， 选择恒压变量泵与定量泵组合作为系统动力源， 兼顾经济型和节能特性。 主 缸上升采用差动连接， 减小了装机容量。 选用先导式比例方向阀控制上芯模液压缸、 下芯模液压缸及主缸， 既满足长行程 液压缸快速运动要求， 又达到各液压缸精确定位、 防止机械撞击的目的。 关键词 节能型液压动力源； 长行程大直径液压缸控制； 硫化机 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０３４－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ８０ ＭＮ Ｂｌａｄｄｅｒ Ｖｕｌｃａｎｉｚｅｒ ＺＯＵ Ｂｉｎｇｙａｎ， ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ， ＬＩ Ｙｉｎｇ， ＺＨＵ Ｒｕｈｕａ， ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｓｈｅｎｇ， ＣＡＯ Ｂｅｉｂｅｉ （Ａｖｉａｔｉｏｎ， Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｓｉｎｏ⁃Ｇｅｒｍａｎｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３５０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｌｏｎｇ ｓｔｒｏｋｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ， ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｕｍｐ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｗｅｒ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ⁃ｓａｖｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ． Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｗａｓ ｒｉｓｅｄ， ｓｏ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｐｉｌｏｔ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｐ ｃｏｒｅ ｍｏｕｌｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ， ｄｏｗｎ ｃｏｒｅ ｍｏｕｌｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ． Ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｓｔｒｏｋｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎ⁃ ｄｅｒ ｆａｓｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｍｅｔ， ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅｓ ｏｆ ａｃｃｕｒａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ｅａｃｈ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｍｐａｃｔ ａｒｅ ａ⁃ ｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｅｎｅｒｇｙ⁃ｓａｖｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ； Ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｌｏｎｇ ｓｔｒｏｋｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ； Ｂｌａｄｄｅｒ ｖｕｌｃａｎｉｚｅｒ 随着大型工程机械的不断发展， 巨型工程轮胎得 到广 泛 应 用。 巨 型 工 程 轮 胎 是 指 钢 圈 直 径 大 于 １２４􀆱 ４６ ｃｍ （４９ ｉｎ） 的轮胎， 主要配备在大型工程用 车上。 钢圈直径越大， 其生产时需要的胶囊硫化机合 模力也越大。 ８０ ＭＮ 胶囊硫化机用于制造巨型工程轮 胎定型硫化机使用的胶囊， 整机包括下横梁、 活动 梁、 上横梁、 主油缸、 上芯模驱动机构和下芯模驱动 机构等部件， 最大合模力 ８０ ＭＮ。 液压式硫化机与传统的机械式硫化机比较， 具有 如下特点 机体结构紧凑， 刚性好。 开合模时， 上模 部分仅作垂直上下运动， 可保持很高的对中精度和重 复精度； 各动作快速平稳 ， 大大减少了硫化机辅助 时间； 上下合模力均匀， 不受工作温度影响； 整机质 量减轻， 仅为机械式硫化机的 １／３。 １ ８０ ＭＮ 胶囊硫化机工艺参数及流程 液压硫化机工作时， 工作流程如下 初始位置。 上芯模油缸带动上芯模沿导向柱上 升， 下芯模油缸带动下芯模处于上端位置， 活动梁在 主缸控制下处于下端位置； 这时在机架内形成空腔， 开始装料。 快速合模。 上芯模油缸带动上芯模沿导向柱下 降， 下芯模油缸带动下芯模下降， 主缸带动活动梁快 速上升， 实现快速合模。 慢速合模。 为防止机械撞击， 提高合模精度， 在 合模前主缸减速。 高压紧模。 胎胚定型后合模到位， 在模座下面的 ５ 个油缸作用下， 产生要求的合模力。 胶囊硫化。 系统保压约 ８ ｈ （视具体产品而定）。 预泄压。 胶囊硫化结束后， 加力油缸预卸压， 防 止启模时液压系统产生震动和噪声。 启模。 上芯模油缸带动上模下降， 下芯模油缸带 动下芯模下降， 主缸带动活动梁下降。 ８０ ＭＮ 胶囊硫化机硫化胎圈直径为 １２７ ｃｍ （５０ ｉｎ） 以上， 最大合模力为 ８０ ＭＮ。 合模力的大小取决 于液压系统工作压力和液压缸直径及数量。 上芯模和 下芯模控制需考虑模具质量和行程， 活动梁控制准备 采用快速、 长行程的一个双作用油缸控制开合模。 合 模后， 用高压、 多个单作用油缸使上下模达到高压紧 模合模力要求。 由于负载和速度变化较大， 要求相应 的液压系统能提供变化范围较大的压力和流量。 考虑液压系统工作的可靠性、 安全性及经济实用 性， 采用多个柱塞泵作为主动力源（１） 柱塞泵工 作压力较高， 达到 ８０ ＭＮ 合模力要求， 油缸数量、 油缸直径合适；（２） 多个柱塞泵组合供油能够满足 流量范围变化大的要求；（３） 柱塞泵具有液压冲击 小、 压力平稳、 噪声小、 工作可靠性好的优点。 初选 液压系统工作压力为 ２５ ＭＰａ。 综合考虑主液压缸制造成本、 可靠性、 活动梁行 程、 合模力大小和硫化机实际安装位置要求， 初选双 作用主缸直径 １ ０００ ｍｍ， 额定工作压力下可输出约 １９􀆱 ６３ ＭＮ 力， 来满足活动梁升降要求。 胶囊硫化机 活动梁实际质量约 ８０ ｔ， 即使考虑摩擦阻力、 上下芯 模运动影响等， 双作用主缸输出力仍有较大余量， 高 压紧模时， 双作用主缸同时加压。 初选 ４ 只直径 １ ０００ ｍｍ 单作用液压缸， 作为高压紧模时加力缸， 与双作用主缸一起工作， 达到 ８０ ＭＮ 合模力要求。 这样将来高压紧模时系统压力约为 ２０􀆱 ４ ＭＰａ。 根据 上芯模和下芯模运动行程和负载初选上芯模液压缸和 下芯模液压缸。 各液压缸参数和数量见表 １。 表 １ 液压缸主要参数 液压缸 名称 直径 Ｄ／ ｄ／ ｍｍ 行程／ ｍｍ 额定输出 力／ Ｎ 数量／ 只 上芯模液压缸 １７２２０／１４０１ ５００７７１ ６７０２ 下芯模液压缸 １８２５０／１４０１ ９００９９６ ４７０１ 双作用主缸 ３３１ ０００／６５０４ ２００１６ ＭＮ１ 单作用主缸 ３２１ ０００４ ２００１６ ＭＮ４ ２ 液压控制系统设计 泵源部分设计思路 对于 ８０ ＭＮ 胶囊硫化机， 为满足合模力 ８０ ＭＮ 要求， 主缸缸径达到 １ ０００ ｍｍ， 行程 ４ ２００ ｍｍ； 要提高工作效率， 就要使快速合模 速度和开模速度尽量快； 设备装机功率很大， 尽量提 高系统效率， 减少系统发热。 合理设计液压动力系 统， 成为液压系统关键。 初步设计液压原理图如图 １ 所示。 液压泵主要参 数如表 ２ 所示。 图 １ 液压原理图 表 ２ 液压泵主要参数 液压泵型号额定压力／ ＭＰａ 排量／ （ｍＬｒ －１ ） 转速／ （ｒｍｉｎ －１ ） 流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ） 电机功率／ ｋＷ数量 变量泵 ３Ａ２Ｆ１０７３１．５１０７１ ５００１４５７５３ 定量泵 ４Ａ１０ＶＳＯ１８０ＤＲ２８１８０１ ０００１６５７５１ 变量泵 ６Ａ１０ＶＳＯ７１ＤＲ２８７１１ ５００１００５５１ 定量泵 ９ＣＢＤ⁃Ｆ２０２．１１０２．１１ ５００３０．７５１ 初选 ３ 个定量柱塞泵 ４， Ｃ 型轴伸； 一个 １８０ ｍＬ／ ｒ 排量恒压变量泵 ３； 一个 ７１ ｍＬ／ ｒ 排量恒压变量 泵 ６。 上述 ５ 个泵同时工作时， 输出最大流量为 ７００ Ｌ／ ｍｉｎ。 双作用主缸带动活动梁上升时最快速度约 为 ２􀆱 １ ｍ／ ｍｉｎ， 这时液控单向阀 ３１ 开启， 双作用主 缸差动， 快速伸出； 活动梁下降时最快速度约为 １􀆱 ５ ｍ／ ｍｉｎ。 选择 ２ 模数齿轮泵 ９ 作为控制油动力源。 如图 １ 所示， 恒压变量泵 ３ 同时用于驱动上芯模 液压缸和下芯模液压缸。 单独工作时， ２ 只上芯模液 压缸最高上升速度可达 ２􀆱 １６ ｍ／ ｍｉｎ， 上芯模最高下 降速度可达 ３􀆱 ６ ｍ／ ｍｉｎ。 单独工作时， 下芯模液压缸 最高上升速度可达 ３􀆱 ３ ｍ／ ｍｉｎ， 上芯模最高下降速度 可达 ４􀆱 ８ ｍ／ ｍｉｎ。 因为速度很快， 所以选择 ２ 只先导 式比例方向阀 １４ 分别来控制上芯模液压缸和下芯模 液压缸； 利用比例方向阀的斜坡时间设置实现长行程 ５３第 ８ 期邹炳燕 等 ８０ ＭＮ 胶囊硫化机液压系统设计 液压缸的平稳启动、 快速移动及精确位置停止。 当主缸 ３３ 带动活动梁快速上升时， 恒压变量泵 ３ 通过先导式比例方向阀 １９ 供油， ３ 个定量柱塞泵 ４ 通过先导式比例方向阀 ２１ 供油， 恒压变量泵 ６ 通过 电磁方向阀 ２２ 供油， ３ 路合流后通过 ２ 只液控单向 阀 ２０ 给双作用主缸 ３３ 无杆腔供油， 有杆腔油液经液 控单向阀 ３１、 单向阀 ３０ 进入双作用主缸 ３３ 无杆腔， 主缸差动伸出。 下面估算活动梁差动上升时的加速度 和加速距离。 根据 Ｆ差＝ｐＡ（１） Ｆ差－ｍｇ＝ｍａ（２） 式中 Ｆ差为主缸 ３３ 差动时输出力， ｐ 为系统工作压 力 ２０􀆱 ３ ＭＰａ， Ａ 为主缸无杆腔面积 ７ ８５４ ｃｍ２， ｍ 为 活动梁总质量 ８０ ０００ ｋｇ， ａ 为活动梁差动上升时加速 度。 由式 （１） 和 （２） 可知， 活动梁的加速度很大， 即活动梁加速距离很短就能达到匀速运动， 节约辅助 时间。 为了减小装机容量， 其他 ４ 只单作用液压缸 ３２ 被活动梁带着被动上升， 工作腔利用两通插装阀 ２４， 通过顶置油箱冲液。 按活动梁最快上升速度 ２􀆱 １ ｍ／ ｍｉｎ估算， 两通插装阀 ２４ 实际流量为 ６ ６００ Ｌ／ ｍｉｎ。 高压紧模和胶囊硫化 （保压）。 随着快速合模完 成， 主缸 ３３ 无杆腔压力上升， 单向顺序阀 ２６ 接通， 两通插装阀 ２４、 液控单向阀 ２７、 单向阀 ３０ 关闭， ５ 只直径 １ ０００ ｍｍ 液压缸无杆腔同时加压， 这时系统 需要的流量较小， 只保留一个恒压变量泵 ６ 继续工 作， 当系统工作压力达到 ２０􀆱 ４ ＭＰａ 时， 锁模力达到 ８０ ＭＮ。 因为保压时间很长， 所以在液压泵 ６ 出口设 置容积为 １０ Ｌ 蓄能器 ３４， 防止液压泵频繁启动。 预泄压。 达到硫化时间要求后， 电磁换向阀 ２３ 左位， 液控单向阀 ２７ 打开， 通过节流阀 ２８ 使 ５ 个主 液压缸无杆腔接通油箱； 节流阀 ２８ 通径只有 １２， 这 时保压腔实现预泄压， 泄压时间可通过节流阀 ２８ 调 节。 预泄压可防止保压腔在启模瞬间与低压腔接通， 产生巨大震动和噪声。 启模。 主缸下降 当主缸 ３３ 带动活动梁快速下 降时， 恒压变量泵 ３ 通过先导式比例方向阀 １９ 供油， 恒压变量泵 ６ 通过电磁方向阀 ２２ 供油， 上述两路油 液与 ３ 个定量柱塞泵 ４ 所供油液 ３ 路合流给主缸 ３３ 有杆腔供油； 无杆腔油液经 ２ 只液控单向阀 ２０ 回油 箱， 主缸返回。 电磁换向阀 ２３ 右位， ４ 只单作用主 缸 ３２ 工作腔油液通过两通插装阀 ２４ 回油箱。 先导式溢流阀 １１ 作为恒压变量泵 ３ 供油路的安 全阀， 其调整压力应该比恒压变量泵 ３ 的设定压力高 ２ ＭＰａ， 以保证恒压变量泵３ 始终以变量泵形式工作， 达到节能、 减少发热的目的。 同样的道理， 溢流阀 ７ 作为恒压变量泵 ６ 的供油路安全阀， 其调整压力应该 比恒压变量泵 ６ 的设定压力高 ２ ＭＰａ。 先导式电磁溢流阀 １２ 作为 ３ 个定量斜轴式轴向 柱塞泵 ４ 供油路的溢流阀， 使 ３ 个定量泵空载启动、 空载停车， 只在 ３ 个定量泵同时工作即快速合模时实 现回路保压。 主要控制元件选型见表 ３。 表 ３ 主要控制元件选型 原理图 中序号 型号 额定流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ） 额定压 力／ ＭＰａ １４４ＷＲＺ１６Ｅ１１５０１５０３５ １９４ＷＲＺ１６Ｅ１１５０１５０３５ ２１４ＷＲＺ３２Ｅ１５２０５２０３５ ２２４ＷＥＨ１０Ｈ４０１２０２８ ２０ＳＶ３０Ｐ１５５０３１．５ ２４ＲＣＦ２００Ｂ１６ ６５０３１．５ ２６ＤＺ３０⁃２⁃５０／２００Ｙ６００３１．５ ２８ＤＲＶＰ１２８０３５ １１ＤＢ１０⁃１⁃５０２５０３５ １２ＤＢＷ３０Ｂ⁃１⁃３０／３１５ＵＧ２４６５０３５ ３ 结束语 ８０ ＭＮ 胶囊硫化机装机是一个长行程大直径多缸 液压系统， 选择恒压变量泵与定量泵组合作为系统动 力源， 兼顾了经济型和很好的节能特性。 主缸上升采 用了差动连接， 减小了装机容量。 选用了先导式比例 方向阀控制上芯模液压缸、 下芯模液压缸及主缸， 既 满足长行程液压缸快速运动要求， 又达到了各液压缸 精确定位、 防止机械撞击的目的。 硫化机经调试已顺 利投产。 参考文献 ［１］ 李荣照，曾友平．ＬＬＡ⁃１５０００ 四柱式胶囊硫化机项目的 创新设计［Ｊ］．橡塑技术与装备，２０１２，３８（７）３４－３７． ［２］ 刘才生．巨型工程轮胎硫化机底座有限元分析与优化设 计［Ｊ］．橡塑技术与装备，２０１３，３９（７）６０－６２． ［３］ 胡春林．１１４０ 液压硫化机液压原理的设计［Ｊ］．橡塑技术 与装备，２００２，２８（７）４１－４４． ［４］ 董怡文，赵翼翔，陈新度．基于 Ｍｏｄｅｌｉｃａ 的硫化机液压传 动系统仿真［Ｊ］．机床与液压，２０１０，３８（１７）１１４－１１７． ［５］ 韩青，叶选林，任杉，等．液压轮胎定型硫化机液压系统 设计与仿真［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（１）１１６－１１９． ［６］ 雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京北京理工大学出 版社，１９９８． ［７］ 史俊青．强力水雾排烟消防车液压系统设计［Ｊ］．液压与 气动，２０１３（９）２３－２６． ［８］ 刘增辉，杜长龙．连续式液压装载机闭式回路液压系统 设计［Ｊ］．液压与气动，２０１２（５）１６－１９． ６３机床与液压第 ４４ 卷