《武汉工程大学学报》 2012年3期
70-73
出版日期：2012-03-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
金属波纹管成型机床液压系统性能研究
0引言 金属波纹管是一种带波纹的管状轴对称壳体，具有吸振、降噪、密封、热补偿、储能和介质隔离等作用，广泛用于各种工程设备中.目前，液压成型是金属波纹管常用的成型方式，在其鼓胀过程中模片承受径向张力，模片必须被锁紧，否则加工出来的波纹管表面有胀型痕迹［1-3］.现有金属波纹管成型机床液压系统多采用液压锁锁紧模片的方式，由于不同管径合模油路负载压力不同、油管的弹性、液压油的压缩性、系统泄漏的原因［4-5］，导致锁紧效果差，模片被管坯挤压张开，波纹管表面有胀型痕迹.为此提出了一种通过节流阀使合模油路保压锁紧模片的方法，该方法能够适用于不同型号的波纹管加工，并对其进行了实验验证.1 鼓胀过程合模油路所受负载分析 鼓胀示意图如图1所示，管坯外半径为r，管坯壁厚为t.鼓胀时管坯处于屈服状态，管坯内压［6］为
P=（2.5~3)tDσs(1)
式(1)中：σs为材料的屈服极限， MPa； D为波谷直径. 模片受力分析如图2所示，模片的厚度为δ，模片上任一点所受液压力为F，将F分解成Fx和Fy，Fy为模片所受张开力，通过积分得合模油路所受负载压力为：
Fz=∫0πPδrsinθdθ(2) 图1成型示意图
Fig.1Metal bellows forming diagram图2模片受力分析
Fig.2Mould plates stress analysis 将式(1)代入(2)得鼓胀时合模油路压力为
Pz=2PδrA-A1(3)
式(3)中： A为鼓胀油缸活塞面积；A1为鼓胀油缸活塞杆面积.2液压系统设计和保压原理分析2.1液压系统设计 该系统要适用多种不同管径的管坯加工，波纹管成型工艺：合模→模架前→鼓胀进→鼓胀退→成型进→成型退→分模→模架后，根据成型工艺机床液压系统设计如图3所示.图3金属波纹管成型机床液压系统图
Fig.3Metal bellows forming machine tool hydraulic system2.2保压原理分析 鼓胀过程中，由于负载压力远大于油泵的工作压力，为了满足鼓胀时所需压力，故采用增压缸来提高鼓胀压力，鼓胀增压缸进油口压力为：P进=d2D2-d2P(4)
式(4)中：D为鼓胀增压缸大活塞半径； d为鼓胀增压缸小活塞半径. 由式(3)和式(4)可知，合模油路负载压力、鼓胀增压缸进油口压力与油缸参数有关，选择合适的油缸，可使Pz＞P进，从而锁紧模片.然而对于不同型号管坯的鼓胀，随着管径的增加，合模油路负载压力增大，管坯内压降低.在对大管径管坯进行鼓胀时会出现Pz＜P进，从而导致模片锁不紧.为了解决上述问题，在鼓胀油路安装节流阀背压，如图3所示节流阀出口压力等于P进，节流阀进出油口压差ΔP［7］，合模油路保压力为P进+ΔP，鼓胀不同型号管坯时，通过调节节流阀过流面积来改变节流阀进出油口压差大小，从而使合模油路压力大于负载压力，对模片进行锁紧.第3期邹军军，等：金属波纹管成型机床液压系统性能研究
武汉工程大学学报第34卷
采用节流阀背压，由于合模压力大于负载压力，故其锁紧性能基本不受油管膨胀、液压油的压缩、系统泄漏等原因的影响.节流阀进出油口压差ΔP的大小可通过式(5)求得.
ΔP=ρq22C2dA2T(5)
式(5)中：Cd为流量系数，近似常数；ρ为油液的密度；AT为节流阀的过流面积.3实验论证3.1实验目的及设备 为了验证该方法的可行性，专门设计出一台金属波纹管成型机床的实验设备进行实验.实验设备如图4所示，主要由机架、液压系统、成型组件、电气部分、尾座组件等部分构成.图4液压系统可靠性测试设备图
Fig.4Hydraulic system reliability testing equipment3.2实验内容 实验管坯为壁厚t= 0.8 mm的201不锈钢管，屈服极限σs=540 MPa，选取6种不同管径的管坯做对比试验.鼓胀完成时间T=1 s，鼓胀增压油缸活塞行程L=40 mm，鼓胀油缸大活塞直径D=63 mm，小活塞直径d=25 mm，合模油缸活塞直径φ=50 mm，活塞杆直径φ1= 32 mm，取Cd=0.62，ρ=0.875 kg/L.根据式(1)~(5)计算出每种管坯鼓胀时Fz、Pz 、q、P进、ΔP、P进+ΔP的值，记录鼓胀时压力表的值.实验结果如表1所示.表1实验结果
Table 1Experiment results
实验参数型号/mmф50ф55ф60ф65ф70ф76Fz/N4 232.005 655.205 078.405 501.605 924.806 432.64Pz/MPa3.654.024.384.755.115.55P/MPa26.4524.0021.9720.2518.7817.51q/L·min-16.306.306.306.306.306.30AT/mm2--3.542.892.512.24P进 /MPa4.944.564.104.173.573.33ΔP/MPa--1.001.502.002.50压力表值/MPa5.164.785.345.945.826.10P进+ΔP/MPa4.944.565.105.675.575.83偏差/%4.264.604.494.554.304.433结果分析 由表1可知，ф50 mm、ф55 mm两种型号的管坯胀型时Pz>P进不需调节节流阀背压.ф60 mm、ф65 mm、ф70 mm、ф76 mm四种型号的管坯胀型时Pz<P进，调节节流阀背压后P进+ΔP>Pz，P进+ΔP与压力表值相比，压力表值均大于P进+ΔP，其主要因鼓胀时管路和液压元件存在的压力损失而形成背压所致. 在实验中加工出来的波纹管表面没有鼓胀痕迹，实验样品如图5所示.图5波纹管实验样品图
Fig.5Experimental samples of metal bellows4结语 a.采用节流阀节流背压，成功解决了鼓胀时模片受力张开，波纹管有鼓胀痕迹的问题. b. 实验表明， 该液压系统性能稳定、 结构简单，能够适用于不同型号的波纹管加工，具有较高的应用价值. 参考文献：