二通插装阀的结构_原理及其在液压机上的应用

20 09 年 第 5 期 装 备 EQUIPMENT Analysis of Lateral Thrust on Main Cylinder Rod of Hydraulic Swing Beam Shear on the Basis of Finite Element Analysis XIA Weiming，JI Kuanbin，PAN Shihong （Jiangsu Guoli Forging Machine Tool Co.，Ltd.，Yangzhou 225009，Jiangsu China） Abstract:In the text, the finite element method has been applied to solve the leakage of the hydraulic oil which is caused by the wear-out failure of the main cylinder connecting rod for some hydraulic swing beam shear.The three-dimensional problem has been simplified into a plane stress problem, which greatly increases the efficiency and accuracy of the solution. The position where the connecting rod was wrecked and changing rule of the lateral thrust have been obtained on the basis of FEM analysis. The calculation results show that the reduction of the friction coefficient of the contact surface between the ball joints and the cutter saddle oblique plate can reduce the wear and tear of the connecting rod effectively. The procedure embedded optimum design module has been used to obtain the minimum friction coefficient when the ball joint is stuck that can't be moved at the position where the cutter saddle is on the upper limit location，and it is concluded that the minimum friction coefficient is 0.17 when the ball joint is stuck. Keywords：Failure of piston rod in main cylinder；Shear machine；Finite Element Analysis 1 前言 二通插装阀是一种新型的液压控制元件，它的 推广使用，使得液压控制技术发展到一个崭新的阶 段。 与传统液压控制技术相比它具有以下的特点： 流动阻力小，通油能力强，使用范围广，特别适合于 高压大流量系统；阀芯尺寸比滑阀小，重量轻，惯性 小，故二通插装阀反应灵敏，切换速度快，可用于要 求高速切换的场合；锥面密封，密封性好，泄漏少；能 实现多机能控制，结构紧凑，集成化程度高，易于实 现化、系列化、通用化；工作可靠，使用寿命长， 抗污染能力强，适合于各种介质，性价比高。上述特 点，在很大程度上满足了现代液压技术发展需要，因 此，自其问世以来，得到了世界各国的普遍重视，该 项技术在世界主要工业化国家迅速推广。世界主要 液压件制造商———德国 Rexroth、美国 Vickers等都 在积极从事该产品的研发工作。 我国从 20世纪 70年代由济南铸锻研究所牵头 从事二通插装阀的研发工作，完成了从 16mm～ 200mm整个系列的开发定型工作，形成了以济宁泰 丰液压设备有限公司和山东液压机械制造总公司等 为龙头的专业化的二通插装阀制造企业。目前，二通 插装阀控制技术已经广泛应用于锻压、塑料、陶瓷、 冶金等机械产品和船舶、矿山等行业，取得了良好的 文章编号：1672－0121(2009）05－0076－04 二通插装阀的 结构、原理及其在液压机上的应用 李百炼 （广东省液压机械设备工程技术研究开发中心，广东 佛山 528000） 摘要：本文分析了二通插装阀的特点、结构及其工作原理，并通过一个实例介绍其在液压机上的应用。 关键词：流体传动与控制；结构特点；二通插装阀；应用；液压机 中图分类号：TH137.5 文献标识码：B 收稿日期：2009-06-26 作者简介：李百炼（1969－），男，工程师，从事液压机的制造与开发 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 76 20 09 年 第 5 期 装 备EQUIPMENT 经济效益。 2 二通插装阀的结构 结构简图如图 1a所示，通常由插入元件 1、先 导元件 2、控制盖板 3、插装阀体 4等四部分组成。插 入元件是二通插装阀的主级或功率元件（职能符号 如图 1b），插装在插装阀体内，通过它的开启、关闭 和开启量的大小来实现对液压执行机构的方向、压 力和速度的控制。插入元件形状与单向阀相似，由阀 芯、阀套、弹簧和密封圈组成,它有两个工作腔 A、B 和一个控制腔 C,阀芯在阀套中滑动，其配合间隙很 小，以保证 B腔与 C腔间的泄漏最小。阀芯的锥面 与阀套形成可靠的线密封，从而保证了 B腔与 A腔 间零泄漏。阀套上的密封圈防止 A、B、C三腔之间沿 阀套外沿的泄漏。 先导元件是二通插装阀的控制级，一般以板式 或叠加式连接安装在控制盖板上，也有些以插入式 连接安装在控制盖板内或插装阀体内，先导元件一 般由电磁换向阀和各种先导控制阀组成。 控制盖板起固定插入元件的作用，同时，它还起 连接插入元件和先导元件的桥梁作用，同先导元件 一起构成二通插装阀的先导控制级。 插装阀体加工有插入元件和控制盖板的安装孔 和各种通道。 在这四部分中，插入元件、先导元件、控制盖板 目前已经实现标准化和系列化，在设计中根据控制 要求选择不同的标准件即可。 3 二通插装阀的工作原理 插入元件的基本结构和符号如图 1，A、B 为主 油路工作腔，C为控制腔。A、B、C三腔的工作压力及 其作用面积分别为 Pa、Pb、Pc和 Aa、Ab、Ac，F1为弹簧 作用在阀芯上的力，F2为稳态液动力，与通过的流量 和开口的大小有关，在开口较小时才起作用，作用力 方向向下。 插入元件的工作状态是由作用在阀芯上合力的 大小和方向决定的。当不计阀芯重量和阀芯与阀套 间的摩擦阻力时，阀芯所受的合力为： ∑F=PcAc-PaAa-PbAb+F1+F2 当合力为正，即∑F＞0，阀芯关闭；当合力为负， 即∑F＜0，阀芯开启；当合力为零，即∑F＝0，阀芯处 于平衡位置。 从以上分析可以看出，该插入元件具有二位二 通阀和单向阀的机能，能实现方向控制；如果设定控 制腔的压力，能实现压力控制功能；在控制腔设置行 程调节装置，控制阀芯的开口大小，又能实现流量控 制功能，这就是二通插装阀多机能的特点。 4 在液压机上的应用 液压机是一种重要的锻压机械，主要用于各种 金属的塑性成形, 现代液压机是二通插装阀控制技 术应用的一个重要领域。本文以我公司生产的 Y27- 800单动薄板拉伸液压机为例说明二通插装阀在液 压机上的应用。液压机基本工艺过程为：主缸快速下 行 →主缸慢速下行、压制工件（此时液压垫顶出缸 浮动压边）→系统保压→卸压→主缸回程→液压垫 顶出缸顶出复位。 为分析方便，把整个工艺过程分为油源、主缸、 液压垫顶出缸控制等三部分来分析。 4.1 油源控制（图 2） 机器的油源部分采用两台 160YCY14-1B型恒 功率变量泵进行驱动，由于采用恒功率变量泵，使电 机功率显著下降。单向控制插入元件 1、2实现方向 控制，防止系统的压力干扰。插入元件 3、先导溢流 阀 6和电磁换向阀 YV1实现压力控制功能，控制口 的建压与卸荷。同理，插入元件 4、先导溢流阀 5、7 和电磁换向阀 YV2、YV3 实现压力控制功能，控制 口的建压与卸荷。与前者不同的是多了低压先导溢 流阀 5，主要用于当主缸保压后要求卸压时，YV3得 电，使该阀接入，低压油打开充液阀，系统实现低压 图 2 油源控制原理图 7 2 4 6 3 1 5 P口 T口 P1口 BP1 P2口 M1 M2 YV1 YV2 YV3 1 3 2 4 Ab Aa B腔 Ac C腔 密封圈 阀套 阀芯 弹簧 A腔 图 1 二通插装阀结构简图 C B A Pa Pc Pb 77 20 09 年 第 5 期 装 备 EQUIPMENT 卸压，以防止换向时的冲击。 4.2 主缸控制（图 3） 一般液压机的主缸通常垂直放置，因为这样可 以充分利用主缸活塞杆和活动横梁的重量，依靠其 自重实现近似自由落体的快速下行，有利于提高空 行程的速度。此时，主缸上腔形成负压，吸开充液阀， 充液箱中的油液在短时间内经充液阀进入主缸上 腔，以补充因快速下行在上腔形成的油液不足。充液 部分必须具有足够的充液能力，否则会造成转为慢 速加压时升压缓慢，这主要是充液不足，使在加压的 前阶段油液先要充满型腔，然后才能升压造成的。另 外，下腔排油必须充分，否则会在下腔形成高的背 压，阻碍主缸的快速下行，影响快速下行速度。当活 动横梁接近工件时，主缸转为慢速下行，下腔需施加 一定的背压，使速度减为慢速。要注意在快速转为慢 速时，转换过程需平稳、无冲击。有保压要求时，系统 必须可靠保压。保压完成后，需先卸压，再回程，以防 止冲击和振动。当主缸停止时，下腔必须有可靠支 撑，防止活动横梁下滑。 主缸具体工作过程如下： （1）主缸快速下行 YV5得电，插入元件 9开启，P口输出的油液经 插入元件 9、单向阀 13进入主缸上腔。此时，YV8得 电，插入元件 17开启，YV7得电，方向节流插入元 件 15开启，下腔的油液经插入元件 17、方向节流插 入元件 15流回油箱。在自重的作用下，主缸快速下 行,主缸上腔形成负压，充液阀 8阀芯吸开，充液箱 中的油液经充液阀 8快速向上腔充液。调节插入元 件 15上的节流杆，可以实现对主缸快速下行速度的 调节。 （2）主缸慢速下行、压制工件 当活动横梁接近工件撞到行程开关 SQ2 时， YV7失电，方向节流插入元件 15关闭，主缸下腔建 立由背压阀 16调定的背压。主缸上腔压力升高，充 液阀 8关闭，上腔转为由油泵供油，主缸实现慢速下 行，压制工件。先导溢流阀 11、远控溢流阀 12分别 用于调节主缸上腔的安全压力和工作压力。背压阀 16调定压力以快速转慢速时转换平稳、无冲击、活 动横梁不下溜为原则，不要过高，否则会造成较大的 压力损失。 （3）系统保压、卸压 压制完成后，为保证零件充分贴模，一般要设置 一段保压，所有电磁铁失电，单向阀 13关闭，主缸上 腔实现保压。前面所述二通插装阀的阀芯锥面与阀 套形成可靠的线密封，从而保证了 B腔与 A腔间零 泄漏，所以，该系统的保压性能是非常好的。此时，主 缸活塞处于下位，机架和上腔处于较高的容积刚度 和势能聚积，在回程前必须卸掉上腔的压力，否则会 引起较大的冲击。系统是这样实现卸压的：YV3得 电，低压溢流阀 5接入；YV4得电，油泵输出的低压 油打开充液阀 8，由于油压较低，充液阀 8的卸载阀 芯开启速度较慢，这样在卸压时液压冲击很小，实现 无冲击、平稳卸压。 （4）主缸回程 上腔卸压后，YV3失电，YV2得电，高压溢流阀 7接入；YV6得电，插入元件 14开启，系统输出的油 液经插入元件 14、17 进入主缸下腔；YV9 得电，先 导溢流阀 19接入，插入元件 18和先导溢流阀19实 现对主缸下腔回程力的控制。此时，YV4仍得电，充 液阀 8的主阀芯打开，上腔的油液经充液阀8、充液 箱、充液回油管流回油箱，从而实现主缸回程。 （5）主缸停止 所有电磁铁都失电，主缸停止动作。此时，要求 主缸下腔具有良好的支撑性能，为此设有插入元件 17, 利用 17阀芯的锥面与阀套形成可靠的线密封， 保证了两工作腔间零泄漏，实现稳定可靠的支撑。在 活动横梁下行(特别是快速下行）然后转为停止时， 活动横梁具有很大的惯量，会造成下腔压力骤然上 升，因此，在下腔设有安全溢流阀 20。 4.3 液压垫顶出缸的控制（图 4） 液压垫顶出缸在工作循环的初始阶段一般处于 上部位置，在主缸压制过程中随主缸一起下行，实现 浮动压边。下腔必须有可靠的压力保护，否则易出现 超压现象。上腔此时形成负压，必须及时补充油液， 否则在转为差动顶出上行复位时，会出现先慢后快 的现象，这主要是因上腔吸油不足，在上行时泵输出 的油液先充满型腔，然后才能上行造成的。在浮动压 边后，液压垫顶出缸必须顶出上行复位，为下一工作 循环作准备。因其复位过程不带负载，为提高工作效 率，减小所需泵的流量，其工作过程一般采用差动控 图 3 主缸控制原理图 16 9 11 13 20 10 12 A口 SP1 14 YV4 YV7 YV9 BP2 K口 B口 YV5 YV6 YV8 15 17 18 19 8 主缸 P口 T口 SQ1 SQ2 SQ3 78 20 09 年 第 5 期 装 备EQUIPMENT 制。对某些特殊工艺，要求液压垫顶出缸工作过程中 顶出作反挤压工艺。在调整时，需要液压垫顶出缸下 行。 液压垫顶出缸具体工作过程如下： （1）液压垫顶出缸浮动压边 在做浮动拉深工艺时，主缸压制过程中，液压垫 顶出缸被动压下，YV13得电，比例溢流阀 25接入， 插入元件 28和比例溢流阀 25实现压力控制，在液 压垫顶出缸下腔产生由比例溢流阀 25调定的背压， 从而实现浮动压边工艺。液压垫顶出缸上腔形成负 压，单向阀 23吸开，油液经单向阀 23进入到液压垫 顶出缸上腔以补充油液之不足。为防止系统超压故 障，设有安全溢流阀 29、30。 （2）液压垫顶出缸顶出上行复位 当压制过程完成，主缸回程到位进入下一工作 循环前，YV10得电，插入元件 27开启，系统输出的 油液经插入元件 27进入液压垫顶出缸下腔。YV14 得电，插入元件 26开启，液压垫顶出缸上腔的回油 经插入元件 26进入到下腔，从而实现差动快速顶出 上行复位。 （3）反挤压工艺 当液压垫顶出缸做反挤压工艺动作时，YV10 得电，插入元件 27开启，系统输出的油液经插入元 件 27进入下腔。YV12得电，插入元件 22开启，上 腔的回油经插入元件 22流回油箱。由于此时无差 动，故可实现带负载的反挤压工艺。 （4）液压垫顶出缸下行 在点动液压垫顶出缸下行时，YV11得电，插入 元件 21开启，系统输出的油液经插入元件 21进入 液压垫顶出缸上腔。YV15得电，插入元件 28开启， 下腔的回油经插入元件 28流回油箱，从而实现下 行。先导溢流阀 24用于调节液压垫顶出缸上腔的安 全压力。 5 结束语 二通插装阀的出现，使现代液压机液压控制技 术实现了从滑阀向二通插装阀的一次质的飞跃。特 别是近年来出现的比例插装控制技术，把比例控制 和二通插装阀控制技术有机结合，使传统的二通插 装阀控制技术从粗放控制进入高精度的比例控制新 时代，满足了液压机控制要求的高压化、大流量化、 高精度化的控制要求，使二通插装阀控制技术在液 压机上的应用更加广泛。 【参考文献】 [1] 唐英千.液压集成元件———二通插装阀.锻压机械.1991，26（1）- （5）. 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