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液压模锻锤的结构及工作原理分析

文/ 发布于2017-09-28 浏览次数:85

  模型锻造是金属在外力作用下产生塑性变形并充满模膛而获得锻件的方法。模锻件尺寸精度高,机械加工余量小,锻件的纤维组织分布更为合理,可进一步提高零件的使用寿命。模锻生产率高,操作简单,容易实现机械化和自动化。液压模锻锤作为蒸―空模锻锤的升级换代产品,具有能量利用率高,节约能源,节约投资,便于实现自动化等优点,是目前应用较多的一种模锻设备。

  但是液压模锻锤也存在故障率较高,可靠性较差,噪声严重等问题,其原因主要是打击能量不可控制。当工件变形所吸收的能量小于锤头打击能量时,锤头的多余能量造成了上下锤头的对击,引起锤体剧烈振动,造成连接部位松动,引发疲劳断裂。所以建立全液压模锻锤液压缸的数学模型,实现打击能量的精确控制,可提高液压模锻锤的可靠性和能量有效利用,具有十分重要的实际意义。

  液压模锻锤自动化程度高,打击不同的工件时,只需稍微改变设置即可实现。模锻锤液压缸上腔为无杆腔,下腔为有杆腔,是上下腔双作用的单活塞杆液压缸,通过控制上腔压强来实现锤头的运动。

  2.1、模锻锤液压系统结构

  液压模锻锤液压系统一般是由动力元件,执行元件,控制元件,工作介质和辅助装置组成的,系统各部分组成一个有机联系的整体。液压系统动力元件为液压泵,工作介质为油;执行元件为单杆双作用液压缸,其上下腔均采用油压驱动,油压由油泵和蓄能器及差动回路联合控制,液压缸下腔始终连通蓄能器,控制系统只对液压缸上腔控制;控制元件为液压阀;辅助装置包括蓄能器,滤油器,油箱,热交换器,油管,管接头,压力表等。

  打击时,打击阀使上下腔连通,靠液压缸有杆下腔和无杆上腔面积差实现锤头快速运动。通过对打击阀的控制实现锤头的提锤,悬锤,打击,放锤等机械动作。

  溢流阀4是一种液体压力控制阀,在模锻锤液压系统中主要起定压溢流作用和安全保护作用;节流阀5是通过改变节流截面或节流长度以控制液压油流量,在对模时此阀可以实现锤头微动;蓄能器6是液压系统中的一种能量储蓄装置,与液压缸下腔相通,它上腔充高压氮气,下腔充液压油。在锤头向下快速打击时,液压系统瞬时压力增大,蓄能器可以吸收这部分的能量,转变为气体压缩能储存起来,当提锤和打击阀开启,上腔进油时,又将气体压缩能转变为油压能,实现系统能量的暂时储存及释放,保证整个系统压力正常。打击阀7采用二位三通一进一出常开式换向电磁阀,通电时油路开启向油缸上腔进油,准备打击,断电时出油用以卸荷,迅速提锤,通过控制其进油路开启时间来实现打击能量的精确控制。

  2.2、液压模锻锤的工作原理

  液压模锻锤根据锻件生产工艺随时调整打击次数和打击能量,控制系统通过控制电磁阀的通断,可以实现提锤,打击,悬锤等各种动作循环,也可以实现重打和轻打,单打和连打。

  液压模锻锤工作过程主要包括以下几方面:

  按启动按钮,电机带动油泵启动,溢流阀进入工作状态,主油路升压,液压油进入油缸下腔和蓄能器下腔,准备提锤。

  打击阀通电,进油路开启,来自油泵,蓄能器以及通过差动回路引来的下腔油的高压油进入上腔,实现锤头的快速下行。

  打击阀断电,上腔接通油箱回油,上腔卸压,锤头立即快速回程。

  锤头升至一定位置即可进行打击或放锤,锤头升至最上位置,将触动限位开关,停止提锤。

  打击工序完毕,装入下一工件时,打击阀不通电,靠下腔油和蓄能器平衡油压实现悬锤。同时锤头设有安全销,以防事故和意外打击的发生。

  3液压缸模型的试验分析打击能量对于液压模锻锤来说是最重要的参数之一,不仅是机械设计要实现的主要性能参数,而且是数据控制的关键所在。所以建立正确的液压模锻锤打击能量的数学模型,对于该设备进行打击能量及打击次数的程序控制具有重要意义。

  3.1、液压缸的模型建立

  液压模锻锤液压缸是单杆双作用活塞缸,上下两腔的有效工作面积不相等。考虑模锻锤的实际工作环境,由能量守恒定律对活塞进行受力分析。液压缸活塞的总受力由液压缸上腔对活塞的力f1,下腔对活塞的力f2,油液对活塞的阻力f以及活塞杆上外加负载fg组成。它们的计算式如下:

  f合=f1-f2-f-fg

  由动量定理得液压缸活塞的运动方程:

  f合t=mvp=mxw

  利用matlab/simulink仿真软件,根据式建立了液压缸运动时的非线性模型,实现了图形化交互方式下锤头打击及回程仿真的参数化设计。

  本文设定液压模锻锤上腔活塞面积100cm2,下腔活塞面积a1=80cm2。活塞杆上外加负载fg=100n.

  活塞粘性摩擦系数dx=2ns/m.液压缸活塞,活塞杆及锤头质量m=300kg.采用ode45法进行200s的仿真,通过添加示波器可以方便的观察上下腔压强以及液压缸活塞位置和速度输出随时间的变化的情况。输入信号为一系列阶跃信号。液压缸下腔压强p下始终为10mpa.设定锤头向下运动的位移和速度为正方向。

  参见试验结果,可以作如下分析:

  从0到20时刻上腔压强为9mpa,下腔压强为10mpa,p上a2-fg=p下a1,这时活塞受力平衡,锤头速度为0,处于静止状态。可以看出此段时刻锤头的动能为0.

  从20到70时刻上腔压强变为3mpa,活塞受的合外力方向向上,锤头由平衡状态位置开始向上提锤,速度由0变为-4m/s,锤头向上移动了200mm.可看出此段时刻锤头的动能为2400j.

  90到120时刻上腔压强升为19mpa,活塞受的合外力方向向下,活塞加速向下运动,锤头速度由0变为6.7m/s,锤头向下移动了200mm,回到初始位置。可以看出此段时刻锤头的动能为6600j.

  在140到190时刻上油腔压强为3mpa,活塞受的合外力方向向上,活塞上升提锤200mm,速度为-4m/s.可以看出此段时刻锤头的动能为2400j.

  从70到90时刻,120到140时刻,190到200时刻,上油腔压强都为9mpa,活塞受力平衡,活塞静止,速度为0.可以看出此段时刻锤头的动能为0.

  对液压模锻锤工作原理进行研究,建立了液压缸的运动模型。通过对液压模锻锤打击过程运行状态进行仿真分析,为模锻锤设计提供了参数依据,降低了开发成本,为实际运行中设定打击能量的大小和打击次数提供理论依据;同时打击能量的精确控制能避免多余打击的能量,节能降耗,从而有望大大提高工作效率,实现能源的有效利用。

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