弯辊机缸筒底部破碎原因分析及解决方法

  在使用某台弯曲机几个月后，发现气缸底部断裂，气缸底部脱落，灌装阀也破裂。气缸底部如图1所示，灌装阀的损坏如图2所示。在弯曲机工作过程中，可以清楚地感受到灌装阀的冲击振动和金属敲击声。

（1）正面（2）负面

图1 - 弯曲机缸底部破损

图2 - 填充阀座断裂

  1.气缸底部强度分析

  图3显示了弯曲机的圆筒底部的结构和主要尺寸。图4显示了灌装阀的结构和主要尺寸。灌装阀安装在气缸底部的φ105H8孔内，并由盖板压紧。盖板和缸体底部通过螺钉连接，进油孔在盖板上打开。灌装阀为常开型结构，其中端口A为液体灌装孔（φ63孔），阀座外环的环形空间与油缸的液体灌装孔连通， B口通过气缸底部的孔与油缸连通。 X端口为液压控制端口，X端口压力油推动阀芯移动，使阀芯的锥面与阀座锥面配合，实现密封。由于阀芯的直径大于锥面的直径，阀芯在控制油压下关闭，其压力控制比：i = 662/622 = 1.133

图3 - 弯曲机缸底部结构和尺寸

图4 - 填充阀结构和主要尺寸

  1.1气缸底部的剪切力

  要完全去除圆柱体的底部，可以根据剪切力计算：

F =πDtRm（1）

  D ---灌装阀的灌装孔直径;

  t ---圆筒底部的厚度，

  Rm ---圆筒材料的抗拉强度，Rm≈450MPa

  所以：F≈1780KN

  因此，为了完全去除圆筒的底部，需要1780KN的力。

  根据阀芯直径计算阀芯的静载荷：

F1 = PA =Pπd2/ 4（2）

  P ---液压系统最大压力，P = 20MPa

  d ---阀门直径，d =φ66mm

  替换数据：F1 = 68kN

  也就是说，阀芯的静载荷力F1≤F不是气缸底部的主要原因。

  1.2脉冲定理

F2 *△t = M *△V（3）

  刚体之间的碰撞时间：△t = 0.01~0.1s

  阀芯质量：M = 1kg

  线轴移动速度：

V = 10 * qn / 60 /π* [（D1 / 20）2 - （d1 / 20）2]（4）

  q ---泵排量，q = 80ml / r;

  n ---电机速度，n = 1750r / min;

  D1 ---阀芯直径;

  d1 ---弹簧杆直径。

  替换数据：V = 682mm / s

  液体灌装阀的数量是2，因为灌装阀的阀体的运动阻力大，两个气缸的灌装阀的运动有一个顺序，所以一个灌装阀的泵芯按照计算泵的全流量，V = 682mm / s。

  然后根据公式（3）：

F2 = M·△V /△t≈6.8~68N

  可以知道F2≤F，即阀芯的质量不是气缸底部破裂的原因。

  1.3液压的影响

  液体推动阀芯后，关闭阀芯的液压：

F3 =PπD2/ 4（5）

  液压通过灌装阀的阀座传递到气缸底部。在阀芯关闭之后，油的活动表面是整个阀座的最大外径，并且连续推力可以等效地被认为是物体的质量M.

  因此，可以得到：M =F3≈173KN= 17300kg

  根据公式（3）脉冲定理：

F4 = 117KN~1179KN

  在苛刻的条件下，冲击力F4接近剪切力F，并且刚体之间的碰撞时间越短，液压冲击力越大。虽然力小于剪切力，但在严苛条件下安全系数较低（s = 1780/1179 = 1.5）。

因此，汽缸底部的主要原因是控制油压和阀芯运动的速度。由于阀芯的液压高速连续地撞击缸体的底部，因此缸体的底部很薄，并且孔的底部是直角结构，并且存在应力集中。由孔底部的直角处的液压冲击力产生的应力集中大于材料的断裂强度，以及圆筒底部的直角。产生裂缝直到它们完全破裂。

  从气缸底部可以看出，气缸底部在液压冲击的高速冲击下已完全变形，气缸底部的形状变为与底部相同的形状碗的底部的弯曲变形也很大。

  2.液压系统工况分析

  结合下面的液压原理进行进一步分析。泵源阀块的液压原理如图5所示.P端口为进油口，T口为回油口，P2口连接主缸阀块，E1口连接到灌装阀控制口X，F1是压力阀。将泵口的最大工作压力设​​定为20MPa，F2为比例压力阀，并通过比例电磁铁1Y1设定系统工作压力。

图5 - 泵源阀块液压原理

  在灌装阀的控制程序中，电磁铁1Y1和1Y2同时通电，F2建立高压，灌装阀的阀门关闭压力为高压。此时，电磁阀1Y2以阻尼n1（φ1.2mm）密封。通过薄壁孔计算20MPa下的阻尼流量。

  Cd ---小孔流量系数，Cd = 0.7

  A ---小孔流动区域

  ρ---液压油的密度，ρ= 900Kg / m3

△Ρ---压差，△Ρ= 20MPa

  泵流量：Q'=ηqn= 0.9×80×1.75 = 126L / min

  η---齿轮泵的容积效率

  可以知道Q> Q'，即在20MPa的高压下，齿轮泵的流量输出可以完全通过φ1.2mm的阻尼孔，并且流速高。

  因此，为了解决灌装阀对气缸底部的冲击力，需要降低灌装阀的关闭压力和流量。

  3.解决方案

  （1）修改PLC控制程序，使比例电磁阀1Y1和电磁铁1Y2同时通电，但1Y1控制比例压力阀的压力不是一次设定为20MPa，而是时间设定约5MPa约为0.4s，因此在低压下完全关闭灌装阀后，系统压力升高到高压。这将填充阀阀芯对液压缸底部的液压冲击减少了大约四倍。

  （2）降低灌装阀阀塞的移动速度，控制在v = 80mm / s，并将F4减少8.5倍。阀芯移动距离为25mm。以此速度计算，关闭时间约为0.31s。可以根据等式（6）选择反向阻尼，以选择适当的阻尼n1。

  可以获得替代数据：d'= 0.79mm。

  因此，阻尼n1的直径可以选择为φ0.8mm。

  （3）圆筒底部的厚度小，孔的底部是直角，并且有应力集中。通过静强度计算强度就足够了，但气缸的结构设计也应考虑动态冲击下的苛刻条件。因此，气缸底部的厚度应适当增加到20mm，并且填充阀安装孔的底部是圆形的，并且填充阀座是倒角的。

  4。结论

  通过上述两个措施（1）和（2），灌装阀的液压冲击力可减少约34倍。在修改控制程序后，在阻尼，气缸和灌装阀更换后关闭灌装阀的冲击振动。声音明显减少。弯曲机使用几个月后，故障部件被拆除，没有看到损坏标记和变形，并且气缸底部没有损坏。措施很小，但效果非常好。