专用热处理设备新型施压模式的液压系统优化设计

2012年5月第40卷第10期机床与液压MACHINETOOLHYDRAULICSMAV2012VO140NO10DOI103969JISSN10013881201210022专用热处理设备新型施压模式的液压系统优化设计张剑慈，黄云峰，谢慧萍衢州学院工程实训中心，浙江衢州I324000摘要一般的淬火设备都是施压与淬火共用一套液压系统，难以满足工作要求，为了保证提高液压淬火系统的工作可靠性，保证产品质量，对表面淬火专用热处理设备的液压系统进行了优化设计。阐述了优化设计后两套独立的液压系统的工作原理，二种施压模式。实践证明采用该设备对带有中心孔的叶轮、齿轮及盘类零件进行表面淬火，其淬火性能良好。关键词淬火；热处理；液压系统；施压模式；优化设计中图分类号TH137文献标识码B文章编号100138812012100692OPTIMUMDESIGNTOHYDRAULICPRESSURESYSTEMOFNEWTYPEPRESSUREMODESOFSPECIALHEATTREATMENTEQUIPMENTSZHANGJIANEI，HUANGYUNFENG，XIEHUIPINGENGINEERINGTRAININGCENTER，QUZHOUUNIVERSITY，QUZHOUZHEJIANG324000，CHINAABSTRACTTHEGENERICQUENCHINGEQUIPMENTWASUSUALLYUSINGASAMEHYDRAULICPRESSURESYSTEMWHENPRESSINGANDQUENCHINGITWASDIFFICULTTOREACHWORKINGREQUIREMENTINORDERTOMAKESURETOIMPROVETHEWORKINGRELIABILITYOFHYDRAULICPRESSUREQUENCHINGSYSTEM，ANDTOASSURETHEQUALITYOFTHEPRODUCTS，THEHYDRAULICPRESSURESYSTEMOFSPECIALHEATTREATMENTEQUIPMENTSWITHSURFACEQUENCHINGWASDESIGNEDINOPTIMUMTHEOPERATINGPRINCIPLEANDTHETWOSETSOFPRESSUREMODESOFTHETWOHYDRAULICPRESSURESYSTEMAFTEROPTIMUMDESIGNEDWEREEXPATIATEDITHASBEENPROVEDBYPRACTICETHATBYADOPTINGTHISEQUIPMENT，WELLPERFORMANCEHASBEENPROVIDEDWITHWELLPERFORMANCEWHENSURFACEQUENCHINGTOIMPELLERS，GEARSANDDISCPARTSWITHCENTRALHOLESKEYWORDSQUENCHING；HEATTREATMENT；HYDRAULICPRESSURESYSTEM；PRESSUREMODE；OPTIMUMDESIGN一般的淬火设备都是施压与淬火共用一套液压系统，这种设备在工作时，铁皮等污物容易浸入液压系统，工作可靠性较差，难以满足工作要求。因此，需要对其液压系统进行了优化设计。作者以一台用于带有中心孔的叶轮、齿轮及盘类零件进行表面淬火的专用热处理设备为对象，对该设备的液压系统进行了优化设计。优化设计后该热处理设备由主机、两套独立的液压系统及水冷系统等部分组成。并设计了定值施压与脉动施压二种施压模式，以防止工件在淬火过程中出现变形，从而满足了不同工件的技术要求。该优化后的设备不仅克服了上述缺点，扩大了使用范围，也保证了产品的质量。1热处理设备液压系统的工作原理该设备由主机、两套独立的液压系统及水冷系统等部分组成。其主机由空心底座13和横梁20等部件组成。双活塞杆套装的复合式液压缸9固定于横梁20上，带有封油圈17的动模18套装在芯轴L6上，底座上平面装有可放置加热好的待淬火工件15的定模14。其工艺过程为把加热到规定温度的工件放人定模后，液压缸的芯轴活塞杆16和压模活塞杆19以互不相同的速度下行，当芯轴活塞杆将芯轴插人工件的中心孔完成定位并使动模下平面与工件接触后，压模活塞杆的下端面通过动模给工件15施压，以防淬火过程中工件变形；与此同时，淬火液压系统通过定模内分布的喷油孔向工件喷油，开始淬火过程；当达到规定的淬火时间时，芯轴活塞杆首先带动动模上移完成开模拔销，并由压模液压缸下端面的台肩限位，此时，压模活塞杆便的芯轴活塞杆一起上行，直至到达规定位置。卸下淬火完毕的工件后，一个工作循环结束。根据工件的不同要求，淬火时有定值施压和脉动施压两种施压模式。施压液压系统的主要功能是为了防止工件在淬火过程中出现变形，而工件以定压和脉动两种方式之一加载。图1是施压液压系统原理图。双活塞杆套装的液压缸9中，直径较小的芯轴活塞杆套装在直径较大的空心的压模活塞杆内，该缸有A、B、C、D4个油收稿日期20110427基金项目浙江省公益技术项目2OL1C31SA9000060作者简介张剑慈1964一，女，教授，主要研究方向为流体传动与控制。EMAILZHJCITOMCOM。70机床与液压第40卷口，其中油口B旁通油箱。系统采用定量液压泵1供油，其压力由溢流阀12设定，两组并联的单向节流阀8和10对复合缸进行回油节流调速；H型中位机能的三位四通电磁换向阀2控制复合缸的运动方向；液控单向阀7用于闭锁复合缸与C、D油口相通的回油腔，以防止复合缸在等待期间因活塞杆及其拖动的工作机构自失重而自行下落。L一液压泵2、3、5一电磁换向阀4一小孔阻尼器具6一压力继电器具7一液控单向阀8、LO一单向节流阀9一液压缸L1一压力表L2一溢流阀13空心底座14一定模L5一工件L6一芯轴活塞杆L7一封油圈L8一动模L9一压模活塞杆2O_横粱图1液压原理图2施压液压系统的工作原理21定值施压模式当加热到规定温度的工件放入定模后，电磁铁1YA通电使换向阀2切换至左位，液压泵1通过油口A向复合缸上腔供油，同时导通液控单向阀7，使复合缸的C、D油口与油箱相通。所以芯轴活塞杆与压模活塞杆分别以不同速度开始下移，两者的下行速度分别由单向节流阀10和8中的节流阀的开度决定，当芯轴活塞杆带动动模快速将芯轴插入工件中心孑L并合模后，淬火液压系统通过定模内部开设的油孔向工件喷油，随之压模活塞杆下行到其下端面的台肩与动模的上端面接触，并通过动模向工件施压，施压最大负载取决于溢流阀12的设定值。到达规定淬火时间后，电磁铁1YA断电，2YA通电，换向阀2切换到右位，液压泵通过油口C、D向复合缸的两个下腔供油，芯轴活塞杆和压模活塞杆同时上行，动模与芯轴活塞杆下端面台肩限位，当压模活塞杆上移至旁通油口B打开时，油口C和B连通，液压泵输出的油液经C和B直接回油箱，压模活塞杆停位。人工装卸工件过程中，电磁铁1YA和2YA均断电，换向阀2复至中位，系统卸荷，以达到节能目的。22脉动施压模式复合缸的上下行动作与定压施压模式时相同，只是施压过程不同，其原理是复合缸下行时，电磁铁4YA通电使换向阀5切换至右位，当动模活塞杆的台肩与定模接触时，复合缸上腔压力开始增高，当压力达到规定值时，压力继电器6发信，电磁铁3YA在时间继电器规定的频率下交替通断电，换向阀3交替通断，从而使复合缸内获得脉动压力。脉动压力最大值由溢流阀12设定。压力最小值基于下述原理获得设出口压力为零，则由小孔流量压力方程1得到P4盯Q号1式中P为小孔入口压力；Q为小孔流量；D为小孔直径；C为小孔流量系数；P为油液密度。由式1可知，改变D即可获得不同的P值。为此，在系统中设置了小孔阻尼器4，在系统调试时通过改变其直径以获取不同的脉动压力最小值。系统的电磁铁动作顺序见表1。表1电磁铁动作顺序表OTOTA定压施压模式B脉冲施压模式图2两种施压模式的压力P一时间T曲线图两种施压模式的压力P一时间T曲线如图2所示。3淬火液压系统及其工作原理淬火液压系统原理如图3所示，其功能是通过定模内分布的喷油孔向工件喷油，对工件进行淬火。该系统的油源为单向定量液压泵1，系统压力由先导式下转第74页74机床与液压第40卷L，KQ_KS_1FL31SS一式中为液压固有频率，RADS；为液压阻尼比；为液压弹簧刚度与阻尼系数度之比，RADS。1，KEE|8ELJMLBEL1一2LAA。2低频速度刚3233TO134K传递函数式31对于阀控缸系统具有普适性，当N1时即对应了经典的对称阀控制对称缸系统的传递函数。式31中的参数结构和物理解释与传统的对称阀控制对称缸系统的参数结构和物理解释一致对应，这就为分析和综合非对称阀控制非对称缸系统奠定了理论基础。4结论1根据阀控非对称缸系统的非对称特性，定义了修正的系统负载、负载压力和负载流量。2给出了匹配非对称阀控制非对称缸系统的最佳负载匹配准则。3研究了以1一NPA2为负载中心且系统在最小液压刚度时的匹配非对称阀控制非对称液压缸系统的动力机构特性。4匹配非对称阀控制非对称缸传递函数的参数结构和物理解释与传统理论相吻合，为分析和综合非对称阀控制非对称缸系统奠定了坚实的理论基础。参考文献【1】VIERSMATACOJANALYSIS，SYNTHESISANDDESIGNOFHYDRAULICSERVOSYSTEMSANDPIPELINESMOXFORDELSEVIERSCIENTIFICPUBLISHINGCOMPANY，19805559【2】MERRITRHEHYDRAULICCONTROLSYSTEMMNEWYORKJOHNWILEYSONS，INC，19678387，149【3】李洪人，王栋梁，李春萍非对称缸电液伺服系统的静态特性研究J机械工程学报，2003，3921822【4】袁立鹏，赵克定，李海金阀控液压缸统一流量方程的分析研究J机床与液压，200589799【5】王栋梁，李洪人，李春萍非对称阀控制非对称缸系统的静态及动态特性分析J机床与液压，20031198200【6】吴博，吴盛林，任好玲非对称阀控非对称缸系统建模和仿真研究J机床与液压，200487375【7】徐东光，吴盛林，赵克定，等阀控非对称缸位置伺服系统正反向速度特性的理论分析及试验研究J液压与气动，200563539【8】李洪人液压控制系统M北京国防工业出版社，19815869上接第70页溢流阀2调定，喷油流量通过旁路节流阀3调节，喷油的通断由二位二通电磁换向阀4控制，装卸工件时，系统可以通过二位二通电磁换向阀5卸荷，以便节能。L一液压泵2一溢流阀卜节流阀4、5电磁换向阀图3淬火液压系统原理图4结束语优化设计后的液压系统与原系统比较，具有如下优点。1将施压液压系统和淬火液压系统分割开来，避免了铁皮等污物侵入系统，在提高施压液压系统的工作可靠的同时，延长了施压液压系统油液的使用寿命。2两种液压系统均考虑了减小机床等待时间的能耗问题，分别采取了利用电磁阀中位机能、电磁阀控制溢流阀远程控制口来对系统卸荷，有利于节能。3增加了脉动施压模式，并采用压力继电器、时间继电器与电磁换向阀相配合的方式实现脉动施压，简单可靠。能使设备满足不同工件的技术要求，以防止工件在淬火过程中出现变