C450型摩擦焊机液压系统改进分析

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摩擦焊接是-种优质、高效、节能的固态焊接技术l J，在国内外石油钻杆生产领域中得到了广泛的应用。中煤科工集团西安研究院率先将该技术引进了煤矿钻杆的生产中，并进行了大规模的应用。摩擦焊接式钻杆是由接头和杆体通过摩擦焊接的方式焊接在-起。首先将接头和杆体分别通过夹具固定，接头部分高速旋转(约 1500 r/min)，杆体部分轴向进给，利用接头和杆体之间相对的高速旋转运动，所产生的机械摩擦热使焊接界面附近的金属产生塑性变形，使接触面温度达到约 1200℃熔融状态，再施加轴向力保压-定时间后，将两工件可靠地焊接为-个整体。这是-种固态焊接过程，既可以避免在焊接部位产生诸如气孔等缺陷，又可以获得良好的锻造组织 J，因此焊接质量稳定，接头可靠性好，生产效率高。

C450型摩擦焊机是 2000年根据生产需求结合产品生产工艺而专门定制的机型，在钻杆生产过程中曾发挥了重要作用。随着生产任务的增加，出现液压系统发热严重，连续工作时间短的问题，影响了正常生产。本文对该焊机的液压回路进行分析，指出存在的问题并提出了改进意见，最后利用 AMESim软件对改进的方案进行对比分析。

1 C450型摩擦焊机液压系统C450型摩擦焊机液压系统为单泵开式系统 (见图 1)，拥有离合制动油缸、移动夹具-油缸、移动夹具二油缸、旋转夹具油缸、平衡油缸和主油缸等多个执行机构。由于各执行机构所需要的压力不同(见表 1)，因此泵设定的额定工作压力为各执行机构中的最高压收稿 日期 ：2013-01-25作者简介 ：许翠华(1981- )，女，湖北京山人，工程师，硕士 ，主要从事钻探机具的研制与应用推广工作。

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108 液压与气动 2013年第6期力。在焊机工作状态下，系统安全阀工作并维持设定压力 17 MPa，除移动夹具外其他执行机构为了获得需要的压力，必须在各回路上设置减压阀，存在很大的压力损失，并造成发热严重。由于该焊机在设计油缸时主要考虑了机械部分的强度和刚度，难以通过改变油缸直径的机械改造方式来统-各执行机构的额定工作压力，因此只有通过改进液压系统来减少系统发热。

图1 原 C450型摩擦焊机液压原理图表 1 各执行机构的额定压力离合制动 主油缸 平衡油缸 移动夹具 旋转夹具油缸额定压力14 14 5 17 12/MPa缸径150/70 150/70 80/80 18O/9O 120/120/m m 2 液压系统改进方案恒压变量泵如图2所示，泵的出口压力维持系统设定的压力，泵斜盘的摆角随时变化，只提供用于维持泄漏和保持设定压力的流量，具有反应速度快、节能效果好并能随时提供高压的供油状态等优点 ，可用于图2 恒压变量泵控给进液压系统优化焊机的液压系统，本文利用该泵重新设计了焊机的液压系统，如图3所示。

图3 改进后焊机液压系统考虑到焊机各执行机构的额定压力不同且数量较多，本文选用具有远程压力调节功能的恒压变量泵，并通过电磁比例溢流阀调节系统额定压力，其完整的焊接过程工序如下：(1)电磁比例溢流阀设定压力为 14 MPa，系统工作压力为 14 MPa，旋转夹具油缸先带动卡瓦夹紧待焊接的接头；(2)电磁比例溢流阀设定压力为 17 MPa，系统工作压力为 17 MPa，移动夹具-和移动夹具二油缸顺序伸出，带动卡瓦夹紧待焊接的杆体；(3)电磁比例溢流阀设定压力为 5 MPa，系统工作压力为5 MPa，离合制动油缸动作，将电机、皮带与主轴间的传动连接，电机带动主轴旋转；(4)电磁比例溢流阀逐渐加压至 14 MPa，主油缸和平衡油缸同时动作，平衡油缸主要平衡主油缸轴向力，起到保护焊机的目的。主油缸逐步加压，实现工进、顶锻等工序，完成杆体和接头间的焊接；(5)电磁比例溢流阀设定压力为 5 MPa，离合制动油缸动作，断开电机与主轴间的连接，移动夹具-、移动夹具二和旋转夹具松开焊接后的钻杆，人工把钻杆移走，主油缸运动回复到原位。

3 液压系统性能分析AMESim是于 1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，它为用户2013年第6期 液压与气动 109提供了-个时域仿真建模环境，可使用已有的模型或建立新的子模型元件，构建优化设计所需要的实际模型4 ；采用易于识别的标准 ISO图标和简单直观的多端口框图；方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例；可修改模型和仿真参数，进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，界面比较友好 ，操作 比较方便。运用该软件中的液压仿真库和机械仿真库可以充分考虑液压泵工作过程中的摩擦、泄漏和液压油的物理特性 J。笔者采用 AMESim对摩擦焊机液压系统性能进行分析。

摩擦焊机的AMESim模型如图4所示，其中左侧1部分为由定量泵、溢流阀、减压阀组成的原摩擦焊机液压系统，其中泵流量为 100 L/min，溢流阀开启压力为 17 MPa，减压阀调定压力为5 MPa。右侧2部分为改进后液压系统，恒压变量泵最大流量为 100 L/min，比例溢流阀的溢流压力为5 MPa。

图4 摩擦焊机 AMESim模型图5为传统摩擦焊机压力流量特性曲线，△为液压缸工作压力，◇为液压缸流量，为定量泵工作压力，×为定量泵流量。从图中可以看出，在 0～9 s，此时油缸工作压力连续增大，由于油缸工作压力低于减压阀调定压力，泵工作压力与油缸工作压力相同，此时油缸流量始终保持 100 L/min。在 9～10 s油缸工作压力增高至减压阀调定压力，减压阀动作 ，此时泵出口压力为溢流阀开启压力 17 MPa，溢流阀溢流。从以上分析可以看出，原摩擦焊机液压系统存在较大的溢流损失，系统发热严重，能耗大。

t/s图 5 改进前液压系统的压力流量特性图6、图7为改进后摩擦焊机的液压系统压力流量特性曲线。图6中，△为系统流量，×为系统最高工作压力，O为比例溢流发输入信号。从图中可以看出来改进后系统工作压力可以无级调节。图7中，△为油缸流量，X为油缸工作压力，0为泵压力，为泵流量曲线。从图中可以看出，在 0～9 S，此时油缸工作压力连续增大，由于油缸工作压力低于比例溢流阀的调定压力，泵工作压力与油缸工作压力相同，此时油缸流量始终保持 100 L/min。9 S以后，油缸工作压力达到比例溢流阀调定压力，此时恒压变量泵变量油缸动作，系统流量较少到最小，只维持系统泄漏。此时泵的工作压力与油缸工作压力相同。通过对比原摩擦焊机液压可以看出，系统流量自动适应系统需要，没有溢流损失，系统能耗小，发热量少。

t/s图6 改进后系统压力调节1O0r I-液压缸流量几rain"80 液压缸工作压力/bar60 -泵出口压力/bar40 L泵流量，L my 20图7 改进后液压系统的压力流量特性4 结论(1)改造后的液压系统更加简单，节能效果显著；(2)系统压力可以通过电磁比例溢流阀设定，也可通过多个电磁通断阀和定值溢流阀来设定；(3)焊机的设计中应尽量统-各执行机构的工作压力，优化系统，减少成本。