大型軸承圈爐外淬火矯形裝置液壓系統的設計與仿真

杜康，王成偉，王珍

(1.大連大學機械工程學院，遼寧大連 116600;2.大連潔能重工機械有限公司，遼寧大連 116600)

大型軸承圈爐外淬火矯形裝置液壓系統的設計與仿真

杜康1，王成偉2，王珍1

(1.大連大學機械工程學院，遼寧大連 116600;2.大連潔能重工機械有限公司，遼寧大連 116600)

針對大型軸承圈爐外淬火產生的較大變形問題，設計了一種專用于大型軸承圈爐外淬火過程的新型矯形裝置。預緊液壓系統作為矯形裝置的重要組成部分，其性能的好壞不僅關系著大型軸承圈爐外淬火矯形裝置的工作效率，更關系著爐外淬火過程中大型軸承圈形變量合格率的高低。通過對爐外淬火矯形裝置預期工況分析，確定了主要液壓元件型號，設計出預緊液壓系統原理圖。通過AMESim軟件仿真分析，結果表明:該系統響應較快，能較好地完成設計要求動作，為液壓系統樣機設計提供了參考。

矯形裝置;預緊液壓系統;AMESim;系統響應

0 前言

船舶、風電電機組、水力發電機組等設備中都會用到大型軸承，而大型軸承圈的機械性能是影響軸承壽命的主要因素。為提高大型軸承圈的機械性能而對其進行爐外淬火［1］的過程中，大型軸承圈存在著變形，因此大型軸承圈爐外淬火矯形裝置的設計是軸承圈生產品質的重要保障。目前大型軸承圈爐外淬火矯形裝置在瑞典的SKF、德國的FAG等國外知名軸承企業進行相關的研究，國內相關技術發展尚不成熟。

基于正在某公司進行的大型軸承圈爐外淬火矯形系統國產化聯合研發項目，設計新型大型軸承圈爐外淬火矯形系統總裝圖如圖1所示。矯形系統包括隨行夾具、預緊液壓系統、油槽、淬火油循環系統、淬火油換熱系統、控制系統等。

圖1 大型軸承圈爐外淬火矯形系統總裝

文中重點對其預緊液壓系統進行設計，在對大型軸承圈爐外淬火過程中不同工況進行綜合分析的基礎上確定液壓系統的工作壓力，通過計算確定各個液壓元件的重要參數，初步設計出滿足工況要求的預緊液壓系統原理圖［2］，通過AMESim仿真研究論證所設計預緊液壓系統的性能［3］。為大型軸承圈爐外淬火矯形裝置預緊液壓系統樣機的研制提供重要的參考依據。

1 預緊機構組成及技術要求

預緊機構是大型軸承圈爐外淬火矯形裝置的重要組成部分，其擔負著隨行夾具出油時的推力以及大型軸承圈淬火冷縮時的收縮力。預緊機構主要包括進出油驅動裝置、隨行夾具、夾緊驅動裝置、支承臺架等，如圖2、3所示。

圖2 預緊裝置三維圖

圖3 預緊裝置示意圖

矯形裝置預緊系統首先通過隨行夾具驅動裝置作用使隨行夾具夾緊大型軸承圈，然后進臺架驅動裝置作用使上支撐臺架下降至淬火油面以下，待淬火過程結束，臺架驅動裝置再次作用驅動上支承臺架升出淬火油面，等到大型軸承圈冷卻至室溫，隨行夾具驅動裝置松開軸承圈，至此預緊系統完成整個工作循環。

2 預緊液壓系統參數確定

2.1 液壓系統設計要求

通過預緊液壓系統工況分析及相關設計要求確定預緊液壓系統的設計參數如表1所示。

表1 設計參數

2.2 主要液壓元件計算分析

2.2.1 系統工作壓力選定

分析整個預緊液壓系統受力情況，隨行夾具驅動缸鎖死時負載最大，此時由蓄能器補充驅動缸泄漏從而進行保壓，依照《液壓工程師技術手冊》初選系統工作壓力為15 MPa。

2.2.2 液壓缸參數確定

該系統液壓缸均采用雙作用單活塞缸。

(1)確定隨行夾具驅動缸活塞及活塞桿直徑。隨行夾具驅動缸鎖死時受最大負載200 kN，此時活塞桿受壓。

式中:F為隨行夾具驅動缸最大負載(N);p1為蓄能器保壓后隨行夾具驅動缸進油口壓力(MPa);p2為液壓缸背壓(MPa)，液壓缸鎖死狀態下，回油量極少，故p2≈ 0;φ為桿徑比，根據設計要求及液壓工程師手冊選為0.55。

(2)確定臺架驅動缸活塞及活塞桿直徑。隨行夾具驅動缸鎖死時受最大負載50 kN，此時活塞桿受壓，驅動缸進油口壓力p1=15 MPa，背壓p2≈0，桿徑比φ=0.4。

液壓缸直徑:

2.2.3 液壓泵參數確定

矯形裝置預緊液壓系統工作壓力:

式中:p為驅動缸最高工作壓力，即蓄能器保壓時壓力為15 MPa;∑Δp為預緊液壓系統管路總的壓力損失，取0.5 MPa。

分析預緊液壓系統工況，2個預緊驅動缸和3個臺架驅動缸分別單獨作用，計算得出具體流量參數如表2所示。

表2 液壓缸流量參數

2.3 液壓元件選型

該預緊液壓系統選用2臺液壓缸完成隨行夾具的行進夾緊動作，選用4臺液壓缸完成臺架的升降動作，液壓缸具體參數如表3所示。

表3 液壓缸參數

根據計算及系統工況設計分析，該系統選用RV2R12-33/6葉片雙聯泵作為動力源裝置，具體參數如表4所示。

表4 液壓泵參數

液壓閥型號如表5所示。

表5 液壓閥型號

3 液壓系統原理圖

根據以上分析計算確定預緊液壓系統原理圖［4］如圖4所示。首先葉片雙聯泵大小泵同時向預緊驅動缸無桿腔供油，預緊驅動缸驅動隨行夾具完成快進行程，然后大泵卸荷，小泵單獨供油實現預緊驅動缸帶動隨行夾具的慢進行程。蓄能器配合使用液控單向閥實現預緊液壓缸的預緊動作，此時隨行夾具漲緊大型軸承圈。配合使用系統換向閥，葉片雙聯泵向臺架驅動缸無桿腔供油，臺架驅動缸驅動臺架下降到淬火油液面以下進行大型軸承圈的爐外淬火。待淬火完成臺架驅動缸帶動臺架上升至油面上方，預緊驅動缸作用帶動隨行夾具完成快退動作，至此預緊液壓系統完成整個工作循環。

圖4 預緊液壓系統原理圖

4 AMESim仿真分析及原理樣機驗證

利用AMESim建立預緊液壓系統的仿真模型［5－6］如圖5所示。

圖5 預緊液壓系統仿真模型

(1)驅動液壓缸受力由輸入信號模擬力模型。

(2)電磁換向閥動作由放大增益模塊K放大后的信號進行控制完成特定的換向動作，為使電磁換向閥動作迅速且又不至使系統產生較大震蕩，預緊驅動回路K1取100，K2取80。

(3)壓力傳感器檢測驅動缸活塞桿處受力F1，與比較器設定恒力值F2比較，其輸出值與信號模擬值進行疊加反饋給換向電磁閥從而對其進行控制，模擬壓力繼電器的作用過程。

大型軸承圈爐外淬火矯形裝置預緊機構的工況比較復雜，為了便于仿真分析，假設仿真開始前，大型軸承圈已平置于隨行夾具托盤上，預緊驅動缸活塞桿處于初始位置，臺架驅動缸活塞桿位于200 mm處，縮短爐外淬火時間為2 s。根據設計要求計算分配各個驅動回路的仿真時間，設置仿真時間為30 s，采樣頻率為0.1 s，仿真結果如圖6—9所示。

圖6 電磁換向閥控制信號

圖7 液壓缸缸活塞桿位移

圖8 預緊液壓缸油口壓力

圖9 臺架液壓缸油口壓力

圖6給出了預緊驅動回路和臺架驅動回路電磁換向閥控制信號隨時間的變化過程。圖7為預緊驅動缸及臺架驅動缸活塞桿在一個工作循環中的位移曲線，仿真結果比較好的達到了預期設計要求。圖8、圖9分別為預緊驅動剛和臺架驅動缸進出油口處壓力，圖中壓力曲線出現的波動由電磁換向閥換向動作引起，調節驅動缸油口處液控單向閥的開啟壓力可以在一定程度上減輕壓力曲線的波動。

根據設計計算及仿真分析數據搭建預緊液壓系統原理樣機如圖10所示。

圖10 預緊液壓系統原理樣機

綜上所述，經過試驗仿真及原理樣機初步測試，表明此預緊液壓系統能比較好的滿足新型矯形裝置預緊系統復雜工況的要求。

5 結論

文中的研究基于大型軸承圈爐外淬火矯形裝置國產化研發項目設計一種預緊液壓系統，通過實際工況分析及設計計算確定液壓缸相關參數，完成液壓元件的選型。經過AMESim軟件仿真及原理樣機初步測試表明，在大型軸承圈爐外淬火矯形裝置復雜的工況下，此液壓系統能長時間平穩運行，滿足預期設計要求，為預緊液壓系統工程樣機的研制提供了重要的參考依據。

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Design and Simulation for Hydraulic System of Orthopedic Device for Quenching Large Bearing Ring outside Furnace

DU Kang1，WANG Chengwei2，WANG Zhen1
(1.College of Mechanical Engineering，Dalian University，Dalian Liaoning 116600，China;2.Dalian Clean Energy Heavy Industrial Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116600，China)

A new kind of special orthopedic devicewas designed by aimed at the large bearing ring outside the furnace quenching correction system outside for the large deformation problems of large bearing ring outside the furnace quenching.Preloaded hydraulic system as an important componentof the orthopedic device，its performancewas notonly related with thework efficiency of the orthopedic devices，but also with the qualification rate of large bearing ring in the quenching process.The type of the hydraulic components was determined，and the preloaded hydraulic principle diagram was designed through analyzing the working condition of orthopedic devices in advance.Simulation analysiswas carried out by AMESim software.The result shows that the system response is faster，and can complete the required actions by design even better，which provides reference for the design of principle prototype of hydraulic system.

Orthopedic device;Preloaded hydraulic system;AMESim;System response

TH137

A

1001－3881(2015)21－172－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.042

2014－09－02

杜康，男，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論。

王珍，E－mail:kangqiang110@sina.com。