刘军营， 唐敬东， 胡　鑫， 朱艳飞

(山东理工大学机械工程学院， 山东淄博 255049)



基于拉削平稳性的插装背压阀设计与应用

刘军营， 唐敬东， 胡鑫， 朱艳飞

(山东理工大学机械工程学院， 山东淄博 255049)

摘要：为提高拉床拉削过程平稳性，根据拉削负载特点与高频响插装阀特性，设计了一种应用在拉床上的高频响插装式背压阀.以速度信号作为反馈量，在拉削过程中发生“突跳”即拉削速度突增时迅速提高背压，以改善拉削的平稳性，且减少电耗.建立了高频响插装式背压阀仿真模型，采用AMESim软件仿真分析了先导阀频响、阀芯锥角、控制腔面积对高频响插装式背压阀与背压系统动态性能的影响，为其应用提供了理论依据.

关键词：拉床； 高频响插装式背压阀；AMESim； 动态特性

拉削加工是以拉刀为切削工具，具有高精度、高效率、高复杂度、可最终成形的机械加工方法之一[1].由于拉刀自身特点，拉削加工时易产生“突跳”现象，尤其当拉削速度及拉削负载较大时更加明显.传统液压拉床解决方案有：1.固定背压系统；2.液压平衡回路用自调背压系统；3.液压平衡回路用压差自调背压系统[2-4].其抑制效果依次提高，但传统背压阀及平衡阀的使用大大增加了拉床液压系统负担，增加电耗、发热量大、效率较低[5].现代新型拉床液压系统采用伺服直驱，变量液压泵-液压缸等容积调速方式，拉削行程中根据拉削负载自动调节容积调速回路的功率-流量，无溢流损失，效率较高[6].针对新型拉床的液压系统中，传统抑制“突跳”方式使拉床液压系统效率降低，提出了一种应用高频响插装式背压阀的解决方案，设计了一种高频响插装式背压阀，达到了提高效率、节约能源、减轻系统负担的目的.

1拉床用高频响插装式背压阀结构设计与工作原理

1.1拉床工作负载分析

如图1所示为实测圆拉刀拉削时拉削负载波形图.在拉削过程中同时工作刀齿数Z发生周期性变化，当刀齿从Z齿参加拉削突变为(Z-1)齿工作瞬间，其切削负载Q也将减少Q/Z,此时有杆腔油压力将发生突降.油液突然从高压状态转入低压状态的过程中向系统释放很大的能量，迫使滑枕快速向前移动一段距离，拉削速度突然提高，产生“突跳”现象.拉削速度是影响拉削质量的关键因素，该现象应得到抑制[7].

图1　圆拉力拉削负载波形图

1.2拉床用高频响插装式背压阀设计

为满足稳定拉削速度的目的，要求背压系统响应速度快，调速稳定，安全可靠.高频响的插装阀在大流量的调速系统中应用比较广泛,在系统动态响应要求较高的地方有其突出的优点,如响应快(一般可达到20ms以内)、过流量大等[8-9]，因此在高频响插装阀基础上根据拉削负载特点设计所需背压阀如图2所示.主阀采用高精度、带有双主动控制型快速响应和关闭时零泄漏的大规格二通插装阀，主阀阀芯为锥阀，先导级采用伺服比例阀，以拉削速度作为反馈量与期望速度比较，根据实际情况自动快速调节主阀开口量产生所需背压.

图2　高频响插装式背压阀原理图

如图2所示1,2分别为主阀上下控制腔.拉床拉削时油液从拉削缸无杆腔流出，从主阀A口流入，T口流出，通过锥阀节流作用产生背压，起平衡作用，如平衡拉削机构自重.主阀芯开通孔使主阀芯上下压力平衡，即主阀芯位移只由先导阀决定.X、Y分别是先导阀的进油口和回油口.当拉削负载突然减少时，拉削速度突变大于设定期望速度，先导伺服比例阀上端接入回路，控制油液经X口流入先导阀后从a口流出进入主阀上控制腔1，控制腔2油液经b口流回油箱.主阀芯在控制油作用下向下移动，减小阀口开度，提高背压抑制速度突变.同理当拉削速度小于期望速度，主阀芯在先导阀作用下向上移动，增大开口减小背压，当拉削速度稳定时只输出较小背压，达到节约能源减轻拉床液压系统负担的目的.

2 AMESim仿真模型建立与参数设置

2.1仿真模型建立

为了验证所设计方案使用效果，分析和研究高频响插装式背压阀主要结构参数和系统参数对阀本身及背压系统的动态特性的影响，采用AMESim仿真平台建立了高频响插装式背压阀机电液仿真模型.

如图3所示为在AMESim仿真平台下建立的高频响插装式背压阀仿真模型.

1.电磁换向阀 2.拉削缸 3.速度传感器 4.主阀阀口 5.主阀控制腔6.先导阀 7.主泵 8.控制油泵 9、11.溢流阀 10、12.电机图3　高频响插装式背压阀AMESim仿真模型

通过 AMESim中的机械、控制、液压应用库、HCD库中的液压元件模型块作为构建的基础，建立了带有高频响插装式节流阀的拉床液压系统AMESim仿真模型，在不影响仿真结果前提下简化了拉床液压系统模型.由于所设计研究的高频响插装式背压阀应用在新式拉床液压系统中即系统通过容积调速方式使拉削速度基本恒定，故在仿真模型中忽略主油泵容积效率随负载压力的变化，将其简化为排量不变的理想定量泵.

2.2主要参数设定

仿真模型中的主要参数参考L6120拉床设置如下:油液密度 890kg / m3，油液运动粘度 40mm2/ s，油液体积弹性模量1 000MPa;液压缸活塞直径 200mm、液压缸活塞杆直径75mm、液压缸行程 1.25m、活塞杆初始位移为 1.2m;主油泵排量 200mL/r，控制油油泵排量10mL/r、溢流阀11开启压力10MPa，溢流阀9开启压力15MPa、电动机12转速1 500r/min、电动机10转速1 000r/min、背压阀阀芯直径40mm、阀芯质量0.63kg、设计拉削速度11m/min.先导伺服阀额定流量10L/min、无阻尼自然频率80Hz、阻尼比0.6.仿真模型中包含背压阀阀内部及与之相连的各液容模块，液容参数由背压阀结构及连接管道尺寸计算确定，与背压阀连接的管道的动态效应予以忽略.

2.3负载力设定

负载力施加情况如图4所示，根据拉削负载力特点，由阶跃信号模拟产生“突跳”时负载力变化情况.其中最大同时工作刀齿数为4，最大负载200kN.1s时同时工作刀齿数变为3，拉削负载突变为150kN.

图4　负载力设定曲线

3模型仿真及结果分析

3.1AMESim模型仿真

以承载拉削工况为对象，对高频响插装式背压阀动态特性进行仿真分析.仿真时间2s，采样频率0.01s.图5为高频响插装式背压阀主阀芯位移曲线，图6为拉床液压系统背压变化曲线.当到达1s时拉削负载突然降低，主阀芯在先导阀控制下迅速下降减小主阀开度，迅速提高背压抑制速度突变.1～1.19s内，主阀芯平稳回复，系统背压逐渐回到初始值以节约能源.可以看出所设计高频响插装式背压阀能够实现设计功能.

图5　主阀芯位移曲线

图6　系统背压曲线

查阅资料知高频响插装阀动态特性主要取决于先导通流能力与频响、阀芯半锥角、控制腔面积等因素,此外还受摩擦力、稳态液动力、瞬态液动力等因素的影响.为进一步分析高频响插装式背压阀动态特性，为结构设计提供理论依据，下面对影响其动态特性最显著的三种因素：先导阀频响、阀芯半锥角、控制腔面积对抑制拉削速度波动的影响分别进行仿真分析.

3.2先导阀频响的影响

图7为先导阀频响对拉削速度影响局部放大图，其中先导伺服比例阀频响分别取80HZ、120HZ、150HZ.可以看出当先导阀频响较低时拉削峰值速度较大，增大频响，虽然速度峰值降低，但速度稳定所需时间大大延长，出现速度震荡，影响稳定性.故对先导阀响应频率要适当选取，当取120HZ时，峰值速度适中，速度恢复快速平稳，效果较好.

图7　先导阀频响对拉削速度影响局部放大图

3.3阀芯半锥角的影响

图8为主阀阀芯半锥角对拉削速度影响局部放大图，图9为相应半锥角下产生背压大小，其中主阀芯半锥角分别取20°、40°、60°.由图8、图9可以看出，当阀芯锥角减小时，峰值速度逐渐降低，但相应所产生的背压逐渐提高.对仿真数据进行分析计算，当半锥角由60°减小到40°时，拉削峰值速度由0.295m/s降低到0.278m/s，降低5.8%，相应系统背压从2bar增加到2.8bar，增加了40%.半锥角继续减小到20°时，峰值速度由0.278m/s降低到0.25m/s，降低了10%，系统背压从2.5bar增加到6bar，增加了140%.由数据分析可以看出当阀芯锥角减小时，对速度突变的抑制能力逐渐提高，但相应所造成的系统负担却大大增加.因此在选取阀芯锥角时不能太小，主阀芯半锥角取40°时比较适宜.

图8　阀芯半锥角对拉削速度影响局部放大图

3.4控制腔面积的影响

图10为控制腔面积对拉削速度的影响局部放大图.其中控制腔面积分别取2.356×10-4m2、1.765×10-4m2、1.485×10-4m2.可以看出拉削速度对控制腔面积变化非常敏感.很小的控制腔面积变化就能产生较大的影响.适当减小控制腔面积能够提高背压阀抑制速度突变的能力，但当控制腔面积减小到一定程度时会引起较大的速度震荡，影响拉床性能.选取控制腔面积为1.765×10-4m2较为合适.

3.5优化结果

通过对图7～图10的分析，最终确定先导伺服比例阀频响120HZ，主阀芯半锥角40°，控制腔面积1.765×10-4m2.在AMESim平台下进行仿真并与传统背压方式进行对比，检验所设计高频响插装式背压阀抑制拉刀“突跳”的效果.

图11为高频响插装式背压阀抑制拉刀“突跳”效果对比局部放大图.与传统固定背压系统相比，速度波动幅值由0.45m/s降低为0.08m/s，速度震荡时间由0.25s缩短到0.02s左右.因此证明所设计高频响插装式背压阀能很好的抑制随拉削负载突变引起的拉削速度突变，达到很好的缓冲和背压效果.

4结束语

通过对所设计高频响插装式背压阀工作原理进行分析，并在AMESim环境下建立仿真模型进行仿真验证，证实了所设计方案能够达到根据拉刀速度调节系统背压，抑制因负载突变引起的拉削速度波动的目的，且较传统背压方式能够取得更好的抑制效果，为拉床液压系统设计中背压的控制提供了一种有效的解决方案。

参考文献:

[1] 倪敬, 邵斌, 蒙臻,等. 液压拉床双缸 IPSO-PID 伺服同步驱动控制研究[J]. 中国机械工程, 2013, 24(011): 1 494-1500.

[2] 罗静, 柳雪春, 云飞. 一种新型的节能低热耗液压调速回路[J]. 液压与气动, 2006 (11): 8-10.

[3] 沈德频. 立式拉床液压系统改造的两种插装阀主回路[J]. 流体传动与控制, 2004 (5): 38-40.

[4] 赵树忠. 立式拉床滑枕运动背压系统分析[J]. 机械制造, 1994, 32(12): 9-11.

[5] 彭熙伟, 陈建萍. 液压技术的发展动向[J]. 液压与气动, 2007 (3): 1-5.

[6] 万贤杞, 万系杰. 新型拉削机床液压系统设计研究[J]. 液压与气动, 2007 (10): 46-48.

[7] 侯波, 宋艳亮. 基于插装阀的油缸差动控制系统研究[J]. 机床与液压, 2006 (2): 143-144.

[8] 许勇, 邓华, 夏毅敏,等.利用键合图的高频响插装阀非线性建模方法研究[J]. 现代制造工程, 2009 (7): 115-11 9.

[9] 于良振, 王明琳, 方锦辉. 大流量双主动双电反馈电液比例插装式节流阀研制与开发[J]. 机床与液压, 2010 (2): 46-47.

(编辑：刘宝江)

Research on design and application of high frequency response

cartridge counterbalance valve on the broaching machine

LIU Jun-ying， TANG Jing-dong， HU Xin， ZHU Yan-fei

(School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049,China)

Abstract:In order to improve the stationarityof broaching process, we design one typeof high frequency response cartridge counterbalance valve applied in broaching machine according to the characteristic of broaching load and high frequency response cartridge valve. Firstly,we use speed signal as the feedback, and improve the backpressure quicklyonly when the broaching speed abnormality increase to improve the stationarityof broaching processand save energy. Secondly,we build a simulation model of high frequency response cartridge counterbalance valve with AMESim software, and validate its performance by simulation. Lastly,we analyze the influence of the pilot valve frequency response, valve core angle,and control cavity area to dynamic property of high frequency response cartridge counterbalance valve, and provide an experimental and theoretical basis for its application.

Key words:broaching machine; cartridge back pressure valve; AMESim software; the dynamic characteristics

中图分类号：TH137.7；TG502.32

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2015)03-0037-04

作者简介：刘军营，男，ljy58@163.com

收稿日期：2014-10-05