多沖碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)換向閥

多沖碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)換向閥

在冶金、化工、交通運(yùn)輸、建筑、航空航天等許多行業(yè)，許多零件在低負(fù)荷多碰撞負(fù)荷下工作，最終導(dǎo)致故障。如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排氣閥、凹凸模、鑿巖機(jī)活塞、刀具剪口等1液壓缸進(jìn)油口的關(guān)閉多沖碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)分為機(jī)械執(zhí)行部分和液壓控制部分,兩位三通換向裝置11是液壓控制部分的關(guān)鍵零件,它負(fù)責(zé)液壓系統(tǒng)進(jìn)油口P、與油箱相通的回油口T、液壓缸進(jìn)油口A三者之間的通斷。當(dāng)兩位三通換向裝置在右位時(shí),液壓系統(tǒng)進(jìn)油口P與液壓缸進(jìn)油口A接通,變量泵15將高壓液壓油注入液壓缸5,活塞桿4帶動(dòng)沖頭7上升的同時(shí)壓縮彈簧2蓄能;當(dāng)兩位三通換向裝置在左位時(shí),液壓缸進(jìn)油口A通過(guò)回油口T與油箱接通,這時(shí)由于設(shè)計(jì)的回油截面較大,液壓油可以快速流入油箱實(shí)現(xiàn)回油,同時(shí),沖頭在彈簧作用下高速碰撞試件。2兩位三向換向設(shè)備的原案例2.1口、p口、高壓油缸沖頭碰撞試件原方案中,兩位三通換向是通過(guò)旋轉(zhuǎn)換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其工作原理如圖2所示,實(shí)體外形如圖3所示。旋轉(zhuǎn)換向閥由閥座和旋轉(zhuǎn)閥芯兩部分組成,閥芯由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng),作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。閥座上開(kāi)O口和P口,O口通油箱,P口通高壓液壓油。閥芯上開(kāi)有P′口和A口,其中A口通液壓缸下腔。閥芯做勻速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中,P′口轉(zhuǎn)到與P口對(duì)應(yīng)位置時(shí),高壓液壓油通過(guò)A口進(jìn)入液壓缸,液壓缸活塞上升同時(shí)壓縮彈簧積蓄能量;當(dāng)P′口轉(zhuǎn)到與O口相通時(shí),P口關(guān)閉,液壓缸內(nèi)的液壓油在高剛度彈簧力的作用下快速流入油箱,從而實(shí)現(xiàn)沖頭碰撞試件。緊接著P′口會(huì)再次與P口接通,實(shí)現(xiàn)活塞與沖頭的上升蓄能,如此反復(fù),實(shí)現(xiàn)多沖碰撞。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)換向閥存在如下問(wèn)題:閥芯旋轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩太大,必須有大轉(zhuǎn)矩高功率的電機(jī)與之配套,同時(shí)閥芯磨損極快。2.2旋轉(zhuǎn)換向閥的力分析2.2.1簡(jiǎn)化閥芯受力分析當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)到圖4所處的位置時(shí),進(jìn)油口和閥芯內(nèi)腔同時(shí)受到高壓液壓油的壓力,考慮進(jìn)油時(shí)閥芯圓柱面的對(duì)稱性,將力簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的受力狀態(tài)如圖5所示。在不考慮閥芯壁厚和閥芯偏心的情況下,可以得出閥芯的摩擦轉(zhuǎn)矩M式(1)中:f為閥芯(40Cr)和閥座(黃銅)在有潤(rùn)滑情況下的摩擦因數(shù),取值為0.1;P為系統(tǒng)液壓油的壓強(qiáng),取最大值8MPa;B為進(jìn)油口的寬度20mm;D為閥芯直徑106mm。β-α———簡(jiǎn)化后閥芯外圓受壓角范圍,單位為rad。β′-α′———簡(jiǎn)化后閥芯內(nèi)圓受壓角范圍,單位為rad。其中:式中φ按式(1)計(jì)算:這時(shí)需要的摩擦轉(zhuǎn)矩M2.2.2簡(jiǎn)化受力狀態(tài)當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)到圖6所示的位置時(shí),閥芯與液壓缸形成一個(gè)封閉腔,此時(shí)閥芯的內(nèi)外腔仍然同時(shí)受到高壓液壓油的壓力,只是方向改變。對(duì)稱抵消一部分力后簡(jiǎn)化得到的受力狀態(tài)如圖7所示。在不考慮閥芯壁厚的情況下,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式M式(2)中:按式(2)求得驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩M封=42.7N·m。2.2.3旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化及運(yùn)動(dòng)曲線當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)到回油口位置T包括轉(zhuǎn)到進(jìn)油口P之前的一段,此時(shí)液壓油在彈簧力的作用下迅速流回油箱壓強(qiáng)降為零,閥芯內(nèi)腔不再受到高壓油壓力,如圖8所示。簡(jiǎn)化后的受力情況如圖9所示,此時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩M按式(3)求得M回=112.8N·m。從上述分析可知,驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)換向閥的閥芯需要很大的轉(zhuǎn)矩,最高時(shí)為153.5N·m。另外,轉(zhuǎn)矩的大小隨著閥芯旋轉(zhuǎn)位置的不同做周期性的變化。若不考慮閥芯由進(jìn)油口轉(zhuǎn)向回油口過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的變化,閥芯的摩擦轉(zhuǎn)矩如圖10所示。3兩種三向設(shè)備的改進(jìn)方案3.1控制電磁換向閥的換向頻率,提高碰撞載荷如圖11所示,兩位三通換向裝置改由1個(gè)電磁換向閥和2個(gè)插裝閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電磁換向閥工作在右位時(shí),高壓液壓油進(jìn)入插裝閥1右腔,壓開(kāi)閥芯進(jìn)入液壓缸,提升活塞和沖頭進(jìn)行蓄能,而插裝閥2由于右腔通入高壓液壓油,閥芯無(wú)法打開(kāi);當(dāng)電磁換向閥工作在左位時(shí),插裝閥1左右兩腔都通入高壓液壓油,閥芯無(wú)法打開(kāi)。而插裝閥2右腔通油箱,左腔通液壓缸內(nèi)的高壓油,閥芯打開(kāi),液壓缸和油箱接通,實(shí)現(xiàn)回油,活塞和沖頭在彈簧作用下實(shí)現(xiàn)與試件的碰撞。改進(jìn)方案中電磁換向閥成為控制關(guān)鍵部件。在液壓回路壓強(qiáng)和流量一定的情況下,控制電磁換向閥的換向時(shí)間可以改變液壓缸的進(jìn)油時(shí)間和回油時(shí)間,從而得到不同碰撞行程、不同頻率的碰撞載荷,在忽略插裝閥和液壓油響應(yīng)滯后的情況下,電磁換向閥的換向頻率也就是碰撞載荷頻率。因此,為了獲得不同頻率和大小的碰撞載荷,課題組專門設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠根據(jù)輸出不同波形電壓的振蕩電路,如圖12所示。利用該電路通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以得到不同的輸出電壓。3.2雙向旋轉(zhuǎn)換向閥方案為了平衡原方案中旋轉(zhuǎn)換向閥中單進(jìn)單出容易出現(xiàn)的偏載力這一問(wèn)題,改進(jìn)成雙進(jìn)雙出結(jié)構(gòu),如圖13所示。即改進(jìn)后的進(jìn)油口p4第一改進(jìn)方案的實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)原有兩位三通換向裝置———旋轉(zhuǎn)換向閥的受力分析,找出了該裝置工作不可靠的原因,并且在此基礎(chǔ)上,對(duì)第一改進(jìn)