能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统及其设计方法，系统包括油箱、油泵、蓄能器和缓冲缸，所述油泵的进油口与油箱连接，所述油泵的出油口连接有压力管路，所述压力管路上设置有减压阀和单向阀，所述减压阀位于油泵和单向阀之间，所述压力管路通过第一管路与蓄能器连接，压力管路通过第二管路与缓冲缸连接，所述第二管路上设置有单向节流阀，所述压力管路上连接有第三管路，所述第三管路通过回流管路与油箱连接，所述回流管路上设置有安全溢流阀，所述第三管路上设置有与回流管路并联的旁路。本发明专利技术的缓冲系统不仅有足够的动态缓冲能力，同时能够实现快速自动复位。

Energy recovery type large manipulator's clamp buffer dynamic system and its design method

The invention discloses an energy recoverable dynamic buffer system for the clamp holder of a large-scale manipulator and a design method thereof. The system comprises an oil tank, an oil pump, an accumulator and a buffer cylinder. The oil inlet of the oil pump is connected with the oil tank, and the oil outlet of the oil pump is connected with a pressure pipeline. The pressure pipeline is provided with a pressure reducing valve and a one-way valve. The pressure reducing valve is located between the oil pump and the one-way valve. The pressure pipeline is connected with the accumulator through the first pipeline, and the pressure pipeline is connected with the buffer cylinder through the second pipeline. A one-way throttle valve is arranged on the second pipeline. The pressure pipeline is connected with the third pipeline and the oil tank through the return pipeline. A safety relief valve is arranged on the recirculation pipeline, and a bypass in parallel with the recirculation pipeline is arranged on the third pipeline. The buffer system of the invention not only has sufficient dynamic buffer capacity, but also can realize fast automatic reset.

【技术实现步骤摘要】
能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统及其设计方法
本专利技术属于大型锻造操作机的缓冲系统
，具体涉及一种能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统及其设计方法。
技术介绍
我国船舶、核电、冶金等行业的高速发展，大型设备的需求量呈现上升之势。为了保证大型设备的服役安全寿命，大型锻造装备也向着高可靠、高精度的方向发展，但缺少与锻造装备相配套的高性能操作机，也会严重影响大型核心零部件的锻件质量，对机械设备的服役安全寿命带来一定的影响。操作机设计参数必须与其服务的自由锻造机相适应，一直以来，因为重压机轻操作机，使大型操作机与压机的配套比例严重失衡，反过来大型操作机研发和制造能力落后，又制约着大型锻造装备的发展。就机械结构而言，大型锻造操作机主要由车体、钳架和夹钳机构、驱动装置等部分组成。从功能上看，操作机是大型(重载)机械手，根据所配合主机工艺要求不同，主要动作有所区别，但均有钳口夹紧和松开；钳头回转、钳架平行升降、钳架倾斜(钳头上仰或下倾)、钳架回转或摆移、大车行走等几个基本动作，因此，钳架复合运动的准确性是至关重要的。并且，在生产实践中，仅仅要求动作正确是不足的，为了更加准确地实现锻造操作功能，提高生产效率，保护液压元件等机械零部件，锻造时还必须考虑解决如下问题：1)随着锻件变形，锤头或压机砧块强迫钳架向下移动，并且通过锻件传给钳杆及平行升降和倾斜机构很大冲击负载；2)钳架下降或下倾运动操作停止时，由于自重及锻件重量产生惯性冲击；3)有时锻件尚未在下砧块上放平或离下砧块还有一段距离锤头即开始锻打或加载而易导致钳架机构零部件损坏；4)钳架能自动抬起、复位以提高生产效率；5)锻造时，锻件的变形对钳架产生较大后坐力，迫使钳架向后移；6)防止钳架在大车启动或停止时受惯性力作用而前后摆动。解决这些问题的核心点在钳架的缓冲装置，钳架缓冲方式对于大型锻造操作机的工作性能有着至关重要的影响，而且缓冲装置必须具有足够的缓冲能力及快速自动复位功能。钳架缓冲装置相对于一般缓冲器，需要在平衡位置能够平衡钳架在水平垂直两个方向的机械系统分力，所以要求装置不但具备静力平衡能力，而且能够提供额外复位力。弹簧缓冲既是一种机械缓冲，又是一种蓄能式缓冲，对操作机而言，忽略它易传递高频振动、阻尼小的缺点，是符合操作机钳架运动的缓冲要求，因而从最初机械式操作机开始，便被用于操作机钳架运动机构缓冲。但是在大型操作机中，满足刚度和静态压缩量的弹簧，体积大，绕制工艺困难，因此，在小参数系统中，弹簧缓冲有一定优势，很多五吨及以下液压操作机缓冲装置继续沿用。中大型(五吨及以上)操作机中，弹簧装置已不能满足钳架大缓冲力、大缓冲行程要求。依据已有的液压理论，液压缓冲具有阻尼特性良好、柔性高、缓冲作用力大等优点，在大型操作机钳架缓冲装置设计中液压缓冲优势比较明显，常规分析只要使用缓冲的油缸有足够大行程和足够大活塞面积就可以了。但是，当压力容腔密闭状况下，缓冲初始，压力梯度大，压力迅速飞升，容腔压力会远远超过工程实践中普通液压密封件的耐压能力，飞升的高压，不能也不会得到降低或释放。因而，液压缓冲时必须有流动，亦即缓冲容腔有流量输出，液压缓冲必然需要构建为一个系统，这样才不会导致高压维持。液压缓冲系统可以有几种形式，有节流(固定节流/可变节流)缓冲，溢流(恒压)缓冲和蓄能器缓冲等。但是将缓冲能力足够和快速复位作为充分必要条件时，节流缓冲在缓冲开始时，负加速度绝对值很大，液压冲击很大，缓冲过程中加速度衰减很快，之后即使缓冲距离再长，也无助于进一步提高缓冲效果，与理想缓冲过程差别过大。溢流缓冲时，缓冲缸中压力保持恒定，因而可以实现匀减速缓冲，可以实现一种理想缓冲状态，但是，单纯使用溢流缓冲时，一方面这种缓冲方式不能满足钳架在外来冲击消失后，迅速复位的要求；另一方面它和节流缓冲类似，冲击能量转换为油液热能，属消耗式缓冲，不宜作为大型钳架缓冲主要方式。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统及其设计方法。缓冲系统采用蓄能器和缓冲缸，不仅有足够的动态缓冲能力，同时能够实现快速自动复位，当受到来自压机迫压或夹持重物负载突然加大或液压控制油路切断时，钳架原来的平衡状态被打破，无论钳架此时所受是瞬态力还是持续力，总会以一定的初速度压缩缓冲活塞运动一定行程，引起活塞腔油液压力变化，并使油液以一定流速通过管路流向蓄能器，进而压缩蓄能器中的压缩气体，使蓄能器中气体压力升高，吸收一部分能量蓄积起来，削减或消除冲击；当冲击力消失时，由于缓冲时压缩，蓄能器高于原平衡压力，压差推动油液以一定流速和压力通过管路流回缓冲缸，驱动缓冲活塞使钳架回复到原平衡位置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统，其特征在于，包括油箱、油泵、蓄能器和缓冲缸，所述油泵的进油口与油箱连接，所述油泵的出油口连接有压力管路，所述压力管路上设置有减压阀和单向阀，所述减压阀位于油泵和单向阀之间，所述压力管路通过第一管路与蓄能器连接，压力管路通过第二管路与缓冲缸连接，所述第二管路上设置有单向节流阀，所述压力管路上连接有第三管路，所述第三管路通过回流管路与油箱连接，所述回流管路上设置有安全溢流阀，所述第三管路上设置有与回流管路并联的旁路，所述旁路上设置有检修球阀。上述的能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统，其特征在于，将缓冲系统看成常规质量-弹簧-阻尼系统，所述缓冲系统的参数按以下公式计算：V0＝np0Ca；p0＝0.5ps；其中，ΔF为冲击力，单位为N；m为系统等效质量，单位为kg；v0为冲击速度，单位为m/s；fs为锻造打击频率，单位为Hz；ξ为最佳阻尼比；λ为频率比；Kx为系统等效刚度系数，单位为N/m；ωn为无阻尼自然频率，单位为Hz；Δx为有效缓冲行程，单位为m；A为缓冲缸面积，单位为m2；F0为初始作用力，即钳架含最大锻件总质量，单位为kg；ps为系统使用压力，单位为Pa；Ca为蓄能器容量，单位为m3/Pa；V0为蓄能器充气后体积，单位为m3；n为多变指数；p0为缓冲腔初始压力，单位为Pa；q为系统的缓冲流量，单位为L/min；Δp为缓冲缸压力变化量，单位为Pa。另外，本专利技术还提供了一种上述的能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、分析缓冲缸缓冲腔油液压力变化，建立平衡关系方程如下：pA-F＝ma(I)；其中，p为缓冲缸中缓冲腔的缓冲压力，单位为Pa；F为作用于缓冲活塞的外冲击力，单位为N；a为缓冲加速度，单位为m/s2；步骤二、分析蓄能器的工作过程为多变过程，即贮油时，气体压缩过程为等温过程，放油时气体膨胀为绝热过程，推导蓄能器中理想气体在缓冲过程中做功的计算公式；缓冲过程中蓄能器中理想气体受压缩时的吸收功W1计算公式为：蓄能器缓冲腔吸收功W2计算公式为：W2＝(p0+Δp)Ax(III)；其中，n为不随状态改变的常数，由氮气性质决定；ΔVx为蓄能器气体体积随缓冲行程变化量，单位为m3；Δpx为蓄能器气体压力随缓冲行程变化量，单位为Pa；x为缓冲行程，单位为m；步骤三、因为W1＝W2，ΔVx＝Ax，并且忽略管路对油液产生压降ΔPL，因些，蓄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统，其特征在于，包括油箱(8)、油泵(9)、蓄能器(3)和缓冲缸(5)，所述油泵(9)的进油口与油箱(8)连接，所述油泵(9)的出油口连接有压力管路(10)，所述压力管路(10)上设置有减压阀(1)和单向阀(2)，所述减压阀(1)位于油泵(9)和单向阀(2)之间，所述压力管路(10)通过第一管路(11)与蓄能器(3)连接，压力管路(10)通过第二管路(12)与缓冲缸(5)连接，所述第二管路(12)上设置有单向节流阀(4)，所述压力管路(10)上连接有第三管路(13)，所述第三管路(13)通过回流管路(14)与油箱(8)连接，所述回流管路(14)上设置有安全溢流阀(6)，所述第三管路(13)上设置有与回流管路(14)并联的旁路(15)，所述旁路(15)上设置有检修球阀(7)。

【技术特征摘要】
1.一种能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统，其特征在于，包括油箱(8)、油泵(9)、蓄能器(3)和缓冲缸(5)，所述油泵(9)的进油口与油箱(8)连接，所述油泵(9)的出油口连接有压力管路(10)，所述压力管路(10)上设置有减压阀(1)和单向阀(2)，所述减压阀(1)位于油泵(9)和单向阀(2)之间，所述压力管路(10)通过第一管路(11)与蓄能器(3)连接，压力管路(10)通过第二管路(12)与缓冲缸(5)连接，所述第二管路(12)上设置有单向节流阀(4)，所述压力管路(10)上连接有第三管路(13)，所述第三管路(13)通过回流管路(14)与油箱(8)连接，所述回流管路(14)上设置有安全溢流阀(6)，所述第三管路(13)上设置有与回流管路(14)并联的旁路(15)，所述旁路(15)上设置有检修球阀(7)。2.根据权利要求1所述的能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统，其特征在于，将缓冲系统看成常规质量-弹簧-阻尼系统，所述缓冲系统的参数按以下公式计算：V0＝np0Ca；p0＝0.5ps；其中，ΔF为冲击力，单位为N；m为系统等效质量，单位为kg；v0为冲击速度，单位为m/s；fs为锻造打击频率，单位为Hz；ξ为最佳阻尼比；λ为频率比；Kx为系统等效刚度系数，单位为N/m；ωn为无阻尼自然频率，单位为Hz；Δx为有效缓冲行程，单位为m；A为缓冲缸面积，单位为m2；F0为初始作用力，即钳架含最大锻件总质量，单位为kg；ps为系统使用压力，单位为Pa；Ca为蓄能器容量，单位为m3/Pa；V0为蓄能器充气后体积，单位为m3；n为多变指数；p0为缓冲腔初始压力，单位为Pa；q为系统的缓冲流量，单位为L/min；Δp为缓冲缸压力变化量，单位为Pa。3.一种如权利要求2所述的能量可回收式大型操作机钳架缓冲动态系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、分析缓冲缸缓冲腔油液压力变化，建立平衡关系方程如下：pA-F＝ma(I)；其中，p为缓冲缸中缓冲腔的缓冲压力，单位为Pa；F为作用于缓冲活塞的外冲击力，单位为N；a为缓冲加速度，单位为m/s2；步骤二、分析蓄能器的工作过程为多变过程，即贮油时，气体压缩过程为等温过程，放油时气体膨胀为绝热过程，推导蓄能器中理想气体在缓冲过程中做功的计算公式；...

【专利技术属性】
技术研发人员：方秀荣，刘凌岳，赵奕恒，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61