压力复合（共9篇）
压力复合 篇1
0 引言
液压机广泛应用于国民经济各领域, 在工业生产中已占据举足轻重的地位[1,2,3]。目前, 锻造液压机液压系统装机功率通常高达数千千瓦, 但其液压系统传动效率只能达到2%~10%[4], 所以其节能研究已成为当务之急。
目前, 对锻造液压机液压系统的节能研究尚处于起步阶段。姚静等[5]设计出采用蓄能器的快锻压机新型节能回路, 并对其快锻控制性能进行了仿真和试验研究;裴华军等[6]在HSHP-1000T液压机上配置了蓄能器, 通过对比分析得出蓄能器的引入在一定程度上降低了系统装机功率的结论;张哲[7]提出了基于变频调节的泵阀复合控制快锻液压系统, 该系统能耗仅为电液比例快锻系统的30%左右;文献[8-11]应用伺服直驱泵控技术实现了对液压机和压铸机的节能改造, 并通过仿真和实验证明了该液压机与之前相比可节能20%以上, 压铸机较改造前节能46.3%;管成[12]提出了液压机机械-液压复合式节能控制系统, 配合使用飞轮和蓄能器, 达到液压机液压系统节能的目的;Ali等[13]提出了变压力的伺服位移控制系统, 有效减小了动力源的溢流损失。
另外锻造液压机泵控系统回路中没有溢流和节流环节, 相对于阀控系统在节能上有巨大优势, 其传动效率可达40%~60%。但是该类系统投资和维护成本较高, 所以目前国内外绝大部分锻造液压机液压控制系统还是以阀控系统为主。因此, 依旧急需寻求有效的途径解决阀控比例快锻液压机能耗低的问题, 以提高系统能量利用率。
1 快锻系统原理
1.1 普通快锻系统
普通电液比例阀控系统如图1所示, 快锻过程中该系统单纯采用位移闭环控制, 通过传感器检测活动横梁位移, 反馈至位移控制器与输入信号比较, 根据位置误差的大小及正负实时控制4个比例阀的开度和动作。每个比例阀使用单独的PID控制器, 根据锻压的工艺要求对阀分别进行控制。液压源则采用定压定流量输出, 系统的输出压力和流量分别取决于各执行器中工作所需的最高压力和最大工作流量, 由此引发的功率不匹配造成了能量的严重浪费。
1.主缸2.位移传感器3.活动横梁4.回程缸5.电液比例换向阀6.位移控制器7.单向阀8.电机9.定量泵10.溢流阀
0.6MN普通电液比例阀控快锻系统加载的压力、位移实验曲线如图2所示, 图中, p1为主缸压力曲线, p2为回程缸压力曲线, ps为泵口压力曲线。从图2可知, 系统的跟随性良好, 系统位置误差约1mm, 时间滞后约0.1s。但工作腔与泵口始终存在巨大压差, 尤其是主缸压力, 大部分时间处于低压状态, 仅在压下接触锻件的极短时间内需要高压, 故泵源定压定流量输出将势必需要通过节流阀转换为低压油以供工作腔使用, 由此产生巨大的节流损失;另外, 系统单纯采用位移闭环控制, 回程缸背压腔压力较大, 直接导致排液阀节流损失增大, 系统压力随之升高, 溢流损失增大, 继续降低了系统的传动效率。因此针对上述问题, 基于液压机本身负载口独立控制的结构特点, 拟从压力位移复合控制策略入手, 通过理论分析和实验验证, 研究其节能效果。
1.2 基于压力位移复合控制的快锻系统原理
基于压力位移复合控制的快锻液压系统组成如图3所示, 该系统主要由定量泵2、电液比例溢流阀3、比例换向阀6、位移传感器10、压力传感器11、液压缸主缸7、回程缸8、活动横梁9、NI采集系统5和计算机12等组成。液压缸进出油口分别连接单独的电液比例换向阀, 打破传统液压缸进出油口单个比例换向阀节流面积耦合的束缚, 增加了系统控制的自由度, 为提出新的控制策略提供了可能。
1.电机2.液压泵3.比例溢流阀4.单向阀5.NI采集系统6.进回油路比例阀7.主缸8.回程缸9.活动横梁10.位移传感器11.压力传感器12.计算机
2 快锻液压系统建模
忽略液压阀和管道的泄漏和阻尼, 建立快锻液压系统各元件的数学模型如下。
定量泵模型为
式中, qs为液压泵的输出流量;n为电机转速;V为液压泵的排量;k为液压泵的泄漏系数;ps为泵口压力。
比例溢流阀简化模型如下。
(1) 比例放大器及电磁线圈作为一个比例环节来处理, 不考虑它的电滞后, 电磁力可表示为
式中, Ku为电压放大系数;Ki为电磁铁电流增益;R为电阻环节等效阻值;Δui为电磁铁输入电流增量;Δy为电磁铁位移增量;Kuy为位移反馈系数。
(2) 比例电磁铁衔铁部分与先导阀芯可以表示为一个二阶环节, 力平衡方程可表示为
式中, A0为先导阀芯受力面积;Δpy为先导阀芯前后压差;Ksy为包括弹簧刚度和稳态液动力刚度的等效弹簧刚度;ζm为摩擦力和电磁铁线圈反电动势的等效阻尼;wm为先导衔铁部分固有频率。
(3) 主阀的运动方程可简化为
式中, Δx为主阀芯位移增量;A′为主阀芯等效作用面积;Ksx为主阀弹簧刚度;Kfx为主阀口液动力位移系数;wxA为控制腔等效转折频率;Δp1为主阀进油口压力增量;Kqy为先导阀流量位移系数;wv为主阀运动的主导转折频率;Ax为主阀上腔作用面积。
主阀进口的流量平衡方程简化为
式中, ΔqVp为泵源输出流量;ΔqVL为系统工作所需流量;KqVx为主阀位移流量系数;KqVp为主阀压力流量系数;A为主阀芯下工作面积;V1为泵源至溢流阀油液体积;E为油液弹性模量。
根据式 (2) ~式 (5) 得到比例溢流阀总传递函数框图 (图4) 。图4中, Ky为主阀芯等效位移增益, Kpy为先导阀口压力增益, wy为先导阀等效固定频率, ζy为先导阀等效阻尼, K0为主阀等效流量增益, w0为主阀等效固定频率, ζ0为主阀等效阻尼。
电液比例方向阀模型如下:
式中, xvn为阀芯位移;in为输入电液比例换向阀的控制信号;Kv为比例环节放大系数;wvn为二阶环节固有频率;ξv为二阶环节阻尼系数。
通过主缸、回程缸油路电液比例方向阀的流量可表示为
式中, v为活动横梁速度, 向下为正;q1为主缸油路通过阀的流量;q2为回程缸油路通过阀的流量;Cd为流量系数;Wi为第i个阀的阀口面积梯度;xvi为第i个阀的阀芯位移;ρ为油液密度;Δp1、Δp2为主缸油路阀两端压差;Δp3、Δp4为回程缸油路阀两端压差。
液压缸流量连续性方程:
式中, A1为主缸工作面积;A2为回程缸工作面积;Cip为内部泄漏系数;Cep为外部泄漏系数;ps为泵口压力;p1为主缸压力;p2为回程缸压力;βe为油液压缩系数;V1为主缸油液体积;V2为回程缸油液体积。
活动横梁力平衡方程如下:
式中, M为运动部分等效质量;y为活动横梁位移;Bp为黏性阻尼系数;K为负载弹性刚度;Ff为摩擦力;FL为任意外负载力。
3 压力位移复合控制策略
本文充分利用快锻液压机负载口独立可控自由度高的优势, 从降低排液腔背压和泵口工作压力的角度出发, 在位置控制基础之上增加了回程缸背压腔的压力控制和泵口压力的负载敏感控制, 降低了系统因回程缸背压腔压力过大和泵口定压输出造成的节流损失和溢流损失, 从而有效降低了系统的装机功率, 具体控制原理见图5。
图5中, 压力位移复合控制主要由位移控制器、回程缸背压腔压力控制器和泵口压力控制器三大部分组成。为了满足快锻工艺和系统节能两方面的要求, 不同的工作状态下, 控制量也发生变化。
压下时, 位移反馈信号y与输入信号sinput比较, 经位移控制器处理后输出作为阀1的控制信号, 以保证活动横梁的控制精度。压力反馈信号p2与输入信号pb比较, 经背压腔压力控制器处理后输出作为阀4的控制信号, 控制背压腔压力保持低压pb。泵口压力控制器则首先根据位移偏差信号e判断液压机的工作状态, 确定工作腔。在工作腔反馈压力基础上增加Δp后与泵口压力比较, 调节比例溢流阀负载敏感控制。回程时, 位移误差经位移控制器处理后输出信号, 同时控制阀2和阀3, 确保锻造的精度。泵口压力调节则同压下过程相同, 仅工作腔发生变化, 由主缸变为回程缸, 实现泵口压力的负载敏感控制。
3 压力位移复合控制节能机理分析
普通比例阀控快锻液压系统为定压定流量系统, 依靠常规位置闭环进行快锻, 工作中产生大量的节流损失和溢流损失。
压下时, 根据式 (7) 主缸进液阀和回程缸排液阀流量q1、q2分别为
式中, p1、p2分别为主缸和回程缸的压力。
将式 (10) 代入式 (13) 中得泵口压力
同理, 回程时泵口压力为
将式 (10) 代入式 (15) 后得回程阶段泵口压力为
普通比例阀控快锻液压系统为定压系统, 系统的压力取决于最大工作压力, 则泵口压力ps为ps=max (ps1, ps2) 。
系统的输入功率为
相比于普通比例阀控快锻液压系统, 采用压力位移复合控制的快锻液压系统, 泵口压力恒大于工作腔压力定值Δp。由式 (10) 、式 (13) 、式 (15) 得系统压力为
系统的输入功率为
比较上述两种控制系统, 压下时两系统的输入功率之差为
式中, pb、Δp为输入变量;α、p2为系统的状态变量;qs为定量泵输入流量, 取45L/min。
由式 (20) 得出, 压下阶段系统的节能功率ΔP1与输入变量 (Δp、pb) 和状态变量 (α、p2) 有关。输入变量越大, ΔP1越小, 因此输入变量 (Δp、pb) 越小, 系统的节能效果越好。但为了保证快锻液压机能够按照输入信号正常工作, 输入变量还需满足大于阀口全开流经阀口最大流量所形成的压降, 查阅Moog伺服阀样本, 输入变量 (Δp、pb) 最小设为2MPa。以α、p2为横坐标轴, 在0.6MN快锻液压机工作范围内, 压下时节能功率ΔP的曲面图如图6所示。ΔP曲面在零平面之上, 恒为正, 即压下阶段普通比例阀控系统的输入功率高于基于压力位移控制的快锻液压系统的输入功率。
回程时, 仅对泵口压力采用了负载敏感控制, ps≥p′s恒成立, 两系统的输入功率之差为
由式 (21) 可以得出, 系统回程阶段的节能功率恒大于零, ΔP2也与输入变量Δp有关, 随着输入变量Δp的增大而减小。
由上述分析可得, 压下、回程阶段普通比例阀控系统的输入功率均大于基于压力位移复合控制的快锻系统的输入功率。采用压力位移复合控制策略后有效降低了系统的装机功率, 且节能效果与输入变量 (Δp、pb) 密切相关。在保证控制精度的前提下, 输入变量越小, 节能效果越好。
5 实验研究
5.1 实验采集系统介绍
为了进一步检验该控制策略的节能效果, 依托现有的0.6MN中试快锻液压机实验平台进行了位移压力复合控制策略的节能研究。液压机实验平台最大设计锻造能力为0.6MN, 总共分为三级锻造压力。其本体为三梁四柱预应力结构, 液压系统为上传动, 实验平台如图7所示, 液压机及液压传动系统基本参数如表1所示。
电气控制部分采用了NI公司的CompactPIO控制采集平台, 控制采集系统使用LabVIEW图形化开发工具, 为快速开发硬件测量电路和控制操作界面, 提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径, 提高了工作效率。CompactPIO控制器与上位机连接, 相互通信完成位移、压力信号的可视化监视。活动横梁两侧安装位移传感器, 反馈电信号至位移控制器, 联合位移输入信号完成活动横梁的位置控制;主缸、回程缸、泵口处分别接有压力传感器, 检测各点的工作压力, 实时反馈压力电信号至各压力控制器, 完成回程缸背压腔的压力控制和泵口压力的负载敏感控制。同时压力传感器反馈信号记录各部分的压力变化情况, 结合液压机速度变化计算各部分的功率损耗。实验台的具体原理及控制采集系统如图8所示。
5.2 压力位移复合控制的节能实验研究
在快锻液压机液压系统中, 位移控制用来保证快锻精度要求, 是系统工作的基本前提。因此, 在此率先验证了复合控制策略在控制特性方面的可行性, 之后再展开相关的节能研究。首先, 为满足系统的最大流量需求, 根据式 (7) , 实验中泵口与工作腔的压差Δp设为2MPa, 回程缸背压腔压力pb设为2 MPa, 泵口安全阀压力设为10MPa。给定位移信号为正弦曲线, 频率为1Hz, 幅值为30mm。
图9所示分别为加载时快锻液压机压力位移复合控制系统的位移和压力曲线。图9a中sinput为给定位移曲线, y为跟随位移曲线。液压机的系统位置误差约1.5mm, 压下阶段滞后较小, 约0.1s, 回程阶段滞后增大, 约0.25s。这是由于压下阶段切换至回程阶段, 回程加速度最大, 所需的回程压力最大。而此时回程缸压力因压下阶段背压腔的压力控制, 压力处于较低状态, 建压需要一定的时间。同时, 泵口压力也因压下阶段泵口压力负载敏感调节, 处于低压状态, 建压时间较长, 导致回程位移的滞后严重。实验过程中, 通过改变PID控制器比例系数, 能够一定程度上改善上述状况, 但滞后始终存在。
实验中各压力曲线如图9b所示, 从图9b可以看出, 在压下和回程过程中, 泵口压力分别与主缸压力和回程缸压力基本保持恒定压差, 实际差基本与设定的压差2MPa一致。压下阶段, 回程缸压力基本保持2MPa左右不变, 与普通比例阀控系统相比, 回程缸背压有所降低, 在1s时主缸压力升高, 回程缸压力降低, 压力波动明显, 泵口压力紧随主缸压力变化。回程时, 泵口压力因建压时间长, 未能时刻保持高于回程缸2MPa的压力, 但压力峰值高于回程缸压力2MPa, 基本完成了回程缸背压腔的压力控制和泵口压力的负载敏感控制。
实验的各功率曲线如图10a所示, 对比图10b中传统阀控系统功率曲线, 系统输入功率PA大致呈正弦变化, 总输入远低于图10b中功率输入P′A, 溢流损失PB、主缸油路节流损失功率PC较图10b中P′B、P′C也大幅度降低, 负载敏感控制在此节能作用显著;压力位移复合控制系统中, 由于添加了回程缸背压腔的压力控制, 回程缸背压腔压力较低, 因此排液阀节流损失PD也较图10b中排液阀节流损失P′D有所减小。
经统计计算采用了压力位移复合控制系统各部分能量消耗情况如表2所示。其中溢流损失为59.13%, 主缸油路节流损失为17.45%, 回程缸油路节流损失为11.67%, 有用功所占比重为10.92%, 其他为0.85%。
与普通电液比例阀控系统相比, 两种回路的功耗对比如图11所示。受回程缸背压腔的压力控制和泵口压力负载敏感控制的影响, 在相同的输入和负载工况下, 系统的输入功率大大降低, 仅为普通比例阀控系统的52.3%, 功耗也降低为普通比例阀控系统的49.2%。采用压力位移复合控制的快锻液压系统节能效果显著。
5.3 系统节能特性影响因素研究
由式 (20) 、式 (21) 可知, 压力位移复合控制快锻系统的能耗特性与输入变量 (Δp、pb) 有关。下面分别针对以上两个参数对系统能耗展开变参研究。
5.3.1 泵口压力与工作腔压力差Δp对能耗的影响
压机工作时, 通过调节泵口电液比例溢流阀实现泵口压力的负载敏感控制, 使得系统在压下和回程过程中, 泵口压力分别与主缸压力和回程缸压力保持恒定的压差Δp。图12即为Δp不同时, 系统的输入功率和损失功率曲线。由图12可以看出, 随着Δp的增大, 进液阀的节流损失增大, 排液阀的节流损失几乎不发生变化, 如图12a、图12b所示, 即压下阶段的主缸进液阀节流损失和回程阶段的回程缸进液阀节流损失增大, 回程阶段的主缸排液阀节流损失和压下阶段的回程缸排液阀节流损失几乎不变。其主要原因为Δp为进液阀两端的压降, 直接影响进液阀的节流损失, 而与排液阀无关。同时, Δp增大导致系统的压力升高, 系统流量不变, 溢流损失增大, 造成多余的能量浪费, 如图12c、图12d所示, 与上述理论分析一致。图12c中Δp为1.5MPa时, 输入功率虽然最小, 但从其位移曲线 (图13) 中可以看出压降Δp为1.5MPa时, 其控制特性急剧变差, 未能满足式 (7) 中最大的流量需求。因此, Δp需在满足位移控制特性的前提下, 越小越好。
5.3.2 回程缸的背压pb对系统的影响
系统压下过程中, 通过对回程缸排液阀的调节, 实现背压腔压力的闭环控制, 使其始终处于低压状态, 减小排液阀节流损失。同时受回程缸背压腔压力pb的影响, 主缸工作压力随之降低, 减小了系统的输入压力, 进而降低了输入功率。图14即为不同pb值时, 系统的输入功率和损失功率曲线。从图14可以看出, pb越小, 回程缸油路排液阀的节流消耗越低, 同时输入功率和溢流消耗也减小, 提高了系统的传动效率, 回程缸背压控制节能效果明显。
6 结论
(1) 给出了普通电液比例快锻液压机能耗高的原因:一是主缸和回程缸负载特性差异大, 且恒压源不能匹配负载压力变化;二是由于没有利用负载口独立控制, 从而使主缸和回程缸两控制阀偶联, 造成回程背压很高。
(2) 提出了压力位移复合控制快锻原理, 建立了其数学模型, 给出了压力位移复合控制策略, 即在位移控制基础之上加入系统回程缸背压控制和泵口压力的负载敏感控制, 降低了节流和溢流损失。
(3) 基于0.6MN快锻液压机实验平台, 对采用压力位移复合控制的快锻系统展开了实验研究, 结果表明, 压力位移复合控制的快锻系统有用功仅占10%, 溢流损失高达59%, 但与普通电液比例快锻系统相比, 在相同的输入和负载工况下, 系统的输入功率大大降低, 仅为普通比例阀控系统的52.3%, 功耗也降低, 为普通比例阀控系统的49.2%。并对系统的节能机理进行了理论分析和实验研究, 得到Δp和pb对系统能耗的影响规律, 即在满足系统控制特性的前提下, Δp、pb越小, 系统的节能效果越明显, 相反, 节能效果越差。
摘要：针对锻造液压机普通电液比例阀控系统快锻工作过程中, 系统定压输出、回程缸背压腔压力过大, 系统传动效率低的问题, 提出了一种基于压力位移复合的控制策略, 在保证控制精度的前提下, 同时进行了回程缸背压腔压力控制和泵口压力负载敏感控制。通过建立液压机压力位移复合控制的整体数学模型, 对其节能机理进行了研究, 并分析了影响其节能效果的两个重要因素——回程缸背压腔压力pb和泵口与工作腔压力差值Δp。实验结果表明, 基于压力位移复合控制的液压机快锻系统加载时系统位置误差达到1.5mm, 与传统的电液比例阀控系统相比, 装机功率降低至传统电液比例阀控系统装机功率的52.3%, 功耗也降低为普通比例阀控系统的49.2%。
关键词：复合控制,快锻,液压机,节能
压力复合 篇2
低能量冲击对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析
碳/环氧复合材料缠绕压力容器对外界冲击非常敏感,较低能量的.冲击就有可能造成容器结构的严重损伤,进而导致爆破强度的显著降低.国外在碳/环氧复合材料缠绕压力容器低能量冲击研究方面取得了一些试验结果,在对这些试验结果进行综合分析,提炼出了影响冲击损伤效果的相关因素,并分析了这些因素对损伤效果的影响趋势进行了.另外对我国今后开展这方面的相关研究工作提出了一些建议.
作 者：王小永 刘志栋 池秀芬 WANG Xiao-yong LIU Zhi-dong CHI Xiu-fen 作者单位：兰州空间技术物理研究所,兰州,730000刊 名：强度与环境 ISTIC英文刊名：STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：200734(3)分类号：V411.84 V216.55关键词：结构损伤 爆破强度 低能量冲击 碳/环氧 复合材料缠绕压力容器
压力复合 篇3
摘 要：21世纪以来，我国压力容器设计和制作取得了突破性进展，出于经济和资源效益两方面的考虑，并在综合了锆和钢双方面的优点，我国提出锆-钢复合板制压力容器的理念。从锆的性质到对锆-钢复合板的制作以及对锆-钢复合板制压力容器的结构设计做出了较为详细的思考和分析。希望能够为锆-钢复合板制压力容器的使用提供一些建设性的意见和参考。
关键词：锆；锆-钢复合板；压力容器；结构设计
中图分类号： TQ053.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-176-2
0 引言
锆作为21世纪以来发展较晚的金属，并不为许多人所熟知。但是，随着人们对锆的认知不断加深，锆的应用范围也越来越广泛。不同于碳钢、不锈钢、钛 、镍合金，锆具有强耐腐蚀性。但是，作为稀缺金属，若单纯的只使用锆作为原料，资源的消耗太大，而且，经济效益并不明显。另外，碳钢属于成本较低的金属，但是耐腐蚀性较差，并不适合制造耐蚀要求较高的压力容器。但是，通过爆炸复合技术将锆板和钢板复合而成，结合双方的优点，不仅能达到压力容器特殊的强耐腐蚀性，而且大大降低了制造成本。平均成本能够省去百分之九十以上，大概为纯锆的百分之五。使用锆-钢复合板制压力容器的结构设计也能为节约锆资源做出贡献。锆-钢复合板制压力容器作为锆和钢的复合材料，它在具备锆的耐腐蚀性外，它还具有钢的高弹性和高强度模量等优点。
1 锆-钢复合板锆-钢复合板的性质
锆-钢复合板爆炸的成型结合区一般是在基板和复板之间，存在于组织、成分和性能的过渡地带。它具有金属的塑性变形、扩散、融化和波形等显著特征。过渡地带一般在0.01～1.00毫米的范围区间，它的组织和性能与复合工艺有关，也直接影响到基板和复板之间的结合程度和实用性。
1.1 锆的特点和应用
锆作为一种比较活泼的金属很容易与其他的物质发生反应，尤其是氢、氮和氧气，对氧气的亲和力很强，1000°C氧气溶于锆中能使锆的体积发生显著的变化，在锆的表面会形成一层氧化膜，其外观具有与钢相似的光泽。锆具有耐腐蚀性，在高温时可以和很多金属或非金属发生反应，成为固溶体。另外，锆的可塑性优于其他金属，它可以被加工成板、丝等。在加热时，锆能吸收大量的氢、氧、氮等气体，可用来制作贮氢材料。锆的耐腐蚀性优于钛，接近钽和铌。
锆作为一种稀有金属，具有惊人的抗腐蚀性。而且，它熔点和硬度极高。因为这种特性它被广泛地应用于航空航天以及军工、原子能等领域。可以说，他是21世纪最有发展前途的金属。1.2 锆-钢复合板的应用
目前，爆炸复合技术是当代生产锆-钢复合板的唯一可靠技术。基于锆-钢复合板是在综合了锆和钢双方面的优点综合利用起来的，平均价格仅为纯锆材料的百分之五到百分之六之间，因此，它被作为一种较为经济实用的复合材料。对于专业制造厂而言，制造一台纯锆容器，其估价的百分之七十是出自锆材料的使用。剩下的百分百之三十才是加工费。如果容器的材料选用由纯锆改为锆-钢复合板，那么，大概可以省去一半以上的费用，容器的制造也能够更突显经济效益和资源效益。
2 锆-钢复合板制压力容器的设计
结合设计纯锆材料制压力容器的实例，用来转化说明锆-钢复合板制容器的结构设计。目前，最为普遍的是选取R60702制造化工类抗腐蚀设计，这样才能最有效的保证复合板符合标准，这种将钢和锆复合在一起的技术被称为三层复备。采用R60702制造锆-钢复合板的时候需要通过钛过渡，因为钛和锆属同族元素。在使用不同钢板为材料时会有不同的情况出现。例如：采用中强度的钢板为材料时，可以获得较为优质的金性能相似，两者在通过爆炸复合时也不会产生金属化合物，复合的质量也相对较高。但是，当钢板的强度增加时，或者厚度增加，那么，相对应的，在纯钛和钢的复合工艺尽管已经相对成熟，甚至可以保证超过10mm，复合难度也会随之增大。另外，锆-钢复合板的质量也不能得到保证。因此，高质量的锆-钢复合板通常采用在钢板之间增加一层2.60mm的钛层作为过渡层。与R60702相比，R60700具有更低的强度和更好的塑性。它可以直接与钢复合，在不需要过渡层的情况下制成复合板。
2.1 锆-钢复合板制压力容器的设计标准
目前，通常情况下锆-钢复合板制压力容器的制造与检验不仅要符合相应设备的设计图纸，技术文件要求和一般技术规定外还需要遵循一定的法规、规定、标准。至于相关的工程标准，如果存在，见于设备总装配图技术要求栏的说明。对于厚度的定义，应在图纸上表示的基层壁的最小厚度。
2.2 釜体对焊结构
如图2所示，是比较常见的两种对接接头结构，图1 a是在本例中使用的结构，也是本文比较推崇的一种结构。这种结构，可供使用的压力和温度范围广，并且结构简单易于制作。对于它的使用，它正在基板对接焊缝处采用X型坡口，另外，在与钢板对接焊缝时，需要先将在距离焊口边沿15毫米位置的锆层完全去除掉。在完成焊接后，应采用锆材料制作的垫条进行空缺部分的填充。并且，采用银钎焊将锆层与垫条焊接在一起，然后封上封条，与复层的锆焊缝在一起。其中，垫条的作用是提高贴条后的机械支撑，从而抵挡来自内部介质的压力。有时候，垫条也可以考虑使用钛板或者铜板，这样可以节省部分成本。图1 b则是一些制作单位选用的结构，这种结构设计简单，并且能够大幅度减轻工作量，但是，因为贴条需要弯曲，产生应力。温度高时还可能出现膨胀、产生裂纹的情况。从而导致容器被腐蚀。因此，这种结构通常在压力和温度不高的时候使用。
2.3 T型焊接接头
釜体纵、环焊接接头的接头处采用圆弧状转角的盖板。为了预防盖板的焊接接头出现纰漏和在进行焊接接头时，便于背面通氩气保护，每一条纵向的对接接头的垫板或者钎焊层都必须钻两个以上6毫米的检漏孔。另外，检漏口的位置应尽量接近其两端的环向焊接接口处。釜体纵、环焊接接头连接的T型焊接接头的结构如图2所示。
3 结束语
锆作为优质的金属材料，相对其他金属材料而言，价格昂贵。但是，采用可以避免纯锆当材料的大成本制作的锆-钢复合板制压力容器，可以有效地降低制造成本，大大节约锆资源。并且可以充分地利用锆和钢双方的优点。可以说，采用锆-钢复合板制造压力容器具备明显的经济效益和资源优势。由于锆和钢特殊的金属特性，它们不能直接进行熔化、焊接，而这也就决定了锆-钢复合板的制作设备的结构完全不同于不锈钢或镍合金复合板的制作设备。笔者通过一些实践和例子就锆-钢复合板制压力容器的结构设计作了分析和说明。
参 考 文 献
[1] 孙万仓，张成，贺旭明.锆钢复合板制备水解釜技术探讨[J].金属材料与冶金工程，2011（05）：56-59.
[2] 万建春，郑世平，王建，刘生海.锆钢复合板反应器的制造实践[J].中国化工装备，2011（06）：120-122.
[3] 田志安.锆钢复合板醋酸反应器制造技术的研究[J].乙醛醋酸化工，2013（10）：89-91.
压力复合 篇4
在高温恒载的条件下, 蠕变裂纹的长度增长量与时间的关系曲线, 如图1所示。曲线的2和3表明了, 裂纹扩展的发生在未被观察到之前, 是有一个孕育的时期, 在这个时期内, 裂纹基本上是不扩展的, 或是有稍微的扩展。随着时间的推移, 裂纹就会不断地扩展, 直到裂纹体的断裂。载荷越低的话, 孕育的时间就会越长, 裂纹的扩展速度也会变得缓慢, 如图曲线1所示。相反, 载荷和温度足够高的话, 孕育的时间会很不明显, 如曲线3所示。高温情况下, 有缺陷的构件发生失效的情况, 多数是由蠕变裂纹的扩展而影响的。
高温条件下, 裂纹扩展的行为简单描述, 如图2所示。当蠕变的应变增大时, 裂纹的尖端塑性应变也会变得越来越大, 塑性发生变形, 裂纹就得扩展。
因为是处于高温状态下, 蠕变就变成了主要的因素, 原来在常温状态下的断裂参数K、J、δ就无法成为有效的控制参量, 在这种情况下, 我们引入C参量。C代表的是表征裂纹尖端应力应变率场的能量率积分, 它是在J积分的基础上发展起来的。
2 基层高温裂纹评定过程
2.1 对高温服役状态下的裂纹进行初步的检测
通过无损检测, 对高温服役状态下的裂纹的位置、尺寸和形状等因素予以确定。在此基础上, 弄清楚裂纹所产生的原因是什么。
2.2 对设备的高温施加的历史状态与下一步的操作要求加以明确
通过对复合钢板压力容器的操作记录, 能够知道该容器设备的温度的施加历史和载荷的施加历史。如果所记录的数据不完整的话, 可按照最恶劣工作条件, 给予初始的假设, 这种做法, 有可能得到一个过于保守的数据。如果想知道该设备未来服役寿命的话, 需要充分地考虑未来的工作情况。
2.3 缺陷表征
构件表面的缺陷从表现形式上来说具有一定的特殊性:即外形多为不规则状态。同时, 对缺陷程度的判定多是通过测量缺陷宽度、长度最大值的方式来实现的。针对存在多个缺陷的表征以及干涉效应而言, 在常态温度的基本条件下, 可实施方案是基本一致的。同时, 若对检测所得到的缺陷尺寸有所疑虑的话, 可以通过适当放大缺陷基本尺寸的方式, 对所检测缺陷尺寸的数据及结果准确性进行合理的评定。
针对裂纹所在平面与主应力平面不相重合的情况, 为了能够实现对缺陷表征的合理判定与评估, 作业人员可采取的实施方案在于:将构件表面缺陷设置主应力三个平面当中, 在各个平面中完成对所投影缺陷强度因子、以及参考应力指标的测定工作。实践工作经验证实:在三个平面当中, 所测定评估得到的应力强度因子参数、以及参考应力参数会有一个极大值, 其余两项数值是基本一致的。在有关缺陷表征参数的选取工作中, 应当以出现该极大值的平面为对象, 选取该平面当中, 构件表面缺陷投影尺寸来进行表征的评估工作。
2.4 进行缺陷评定
在断裂的评定方面, 可运用常温状态的弹塑性断裂力学的方法和初始的缺陷尺寸;对蠕变破断寿命予以确定, 可采用初始裂纹尺寸;对裂纹的扩展速率进行确定, 估算出运行期间的裂纹扩展量是多少;对作用于裂纹顶端的稳定蠕变条件进行核对, 一旦不符合要求, 需对估计的裂纹扩展速率进行修正;确定每一个阶段结束时的裂纹尺寸是多少;对于快速断裂的评定, 可采用常温状态的弹塑性方法和每个阶段结束时的裂纹尺寸予以评定;若裂纹的扩展量在合理的使用期间内, 通常不会快速的断裂, 所以不需对其修复;若无法满足对应快速断裂的寿命裕度的话, 需明白何时能保证足够的安全裕度和什么时间需要进行修理。
3 评定蠕变的裂纹
在一定的工作条件下, 把复合钢板压力容器的已服役时间和还需服役时间进行时间段的划分, 并在每一个时间段内, 设备的工作条件维持在稳定的状态下。通过对设备的运行加以记录, 来划分出构件的已服役时间。首先, 对一个时间步长予以假定, 计算出蠕变裂纹在这个时间步长下扩展量是多少。然后对裂纹扩展以后的尺寸有无收敛进行验证, 如果没有收敛的话, 对时间步长的长短重新进行设定。分析复合钢板压力容器应力, 这里所说的应力特指在无缺陷情况下, 容器结构中相应的缺陷位置附近的应力, 对于因缺陷产生的应力集中效应不予考虑。依照PD7910中的规定来对应力进行分类, 所有的内压与外载荷所引发的应力均可归结为是一次应力 (P) , 这和ASME规范中的应力分类规定不同。
4 复层高温评定
复合钢板压力容器的复层焊接上, 其蠕变裂纹对容器的抗蚀性能的影响是需重点考虑的。对复层的蠕变裂纹的安全状况加以评定时, 通常要按照制造当时无损检测的要求来予以评定。通过评定, 我们可判断出, 复层是否能够安全、可靠地使用至下个检验周期。但容器的复层一出现裂纹就要进行修复的话, 倒也没那个必要。我们可以依据“合则使用”的原则, 综合性地对容器的使用情况加以评定, 进而科学地分析, 确定容器的安全状况。
5 结束语
本文主要针对复合钢板压力容器焊缝高温裂纹的评定问题进行了深入的分析与说明, 指出了在高温荷载状态下, 对蠕变裂纹损伤的评定方法, 论证了对高温裂纹进行合理评定在确保复合钢板压力容器安全、可靠实用中的重要意义与价值。
参考文献
[1]潘家祯, 压力容器材料实用手册-碳钢及合金钢[M].北京:化学工业出版社, 2000
[2]李煜, 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变研究, 硕士学位论文[J].太原理工大学, 2010
压力复合 篇5
1 国内外研究概述
当今世界，无论是在复合钢板在结合的过程中所使用的技术，还是在复合钢板在焊接的过程中所使用的技术的研究方面都是十分的成熟的，在生产制备方面也是有了很大的进步的，这些方面的理论研究和实践经验，不仅对于复合钢板在相关技术方面的更新，以及在工业中的具体运用都具有重大的作用和影响。特别是对于美国、英国等西方发达资本主义国家而言，对于复合钢板及其相关理论研究的时间已超过了一百年了，与此相比，我国的研究要晚了许多，大概始于60年代，从技术方面而言，较一些发达国家还是比较落后的。关于复合钢板的结合技术，在我国现行相关规范标准当中，为了能够确保复合钢板基层与基层之间实现可靠与有效的复，就必然要运用到冶金结合这项技术的。在现阶段的技术条件支持下，为了实现两者之间的有效复合，所采取的方法多为爆炸焊接法、或者是爆炸、热轧结合方法，而对于冷轧复合钢板而言，此类钢板的获取多是通过外国进口的方式所实现的。对于爆炸复合法而言，主要是将两种金属板进行高速的冲撞，通过冲撞面上发生的熔融状态，进而在复合钢板的基层和复层之间形成相对较高的连接强度，使金属相互结合。这种方法是我国在制造复合钢板的过程中，最为成熟的工艺。
在高温腐蚀环境中，由于复合钢板本身所具有的较强的可设计性、较强的耐腐蚀性以及较高的性价比等方面都已经成为其参与市场竞争的优势，这些优势也使复合钢板可以在石油领域和化工领域广泛的应用。但是，在冶金、制造加工等领域，由于复合钢板压力容器在结构方面还是存在着一定的不足和缺陷，尤其是在复合钢板压力容器焊缝的部分，在焊接的过程中，出现的位错、留有空隙或者夹杂杂物等情形，如果在长时间的高温环境下作业，就会比较容易出现裂纹。如果仍然坚持作业，就会造成复合钢板压力容器在焊接处的断裂，进而给生产和安全造成重大损失。
2 复合钢板的制备
在国内外，关于复合钢板在结合的过程中所使用的技术以及在焊接过程中所使用的技术方面理论研究和相关设备的生产方面已是十分的成熟，而且这些方面的研究成果对于复合钢板技术的及时更新和在工业中的实际运用起到了重大的推动作用。在一些发达国家，关于复合钢板方面的研究已经超过了一百年，但是，我国则仅仅在20世纪60年代才开展了关于复合钢板方面的研究，与发达国家相比，是晚了许多的，因此，在理论研究和技术研究方面都是相对落后的。例如：对于复合钢板在结合过程中所使用的技术，在我国现行的标准，就是在复合钢板基层和复层之间必须通过冶金使两层相互结合，而且还要求有一定的链接强度。从这一标准来看，在我国，复合钢板的制造运用的主要技术还是爆炸焊接或爆炸-热轧，因此，广泛使用的冷轧技术制造的复合钢板基本上都是需要进口的。
3 复合钢板压力容器的焊接
在复合钢板压力容器的焊接的过程中，焊接的工艺实际上极大的影响了复合钢板压力容器焊缝高温变化。一方面复合钢板的焊缝焊接不同于单一金属的焊缝焊接，它属于在不同种类的金属之间完成焊接，由于两种金属所具有的膨胀特性是不相同的，因此主要是在焊缝的附近引起焊接热应力。另一方面，在对复合钢板进行焊接的过程中，在复合钢板的基层与复层间适当的增加过渡层，这样就可以避免基层金属对复层金属的碳稀释，具体而言，主要就是避免碳从基层转移到复层，从而使得局部地方变得薄弱。以上两个方面就是导致复合钢板压力容器在焊接后，在容器的焊缝比较容易出现问题和缺陷的主要原因。
4 焊接接头高温变化的研究方法现状
在有关焊接接头高温变化问题的研究过程当中，比较常使用的研究方法可以归纳为以下三种类型：
第一类：针对焊接接头接缝位置存在的差异性的微观组织情况，所涉及到的研究对象主要是针对焊缝区域强度、以及断裂现象而言的，主要是通过母材、焊材试样、以及热影响区的方式实现。通过此种方式，能够对母材与焊材之间的性能差别进行详细的比较。按照此种方式，还能够在温度变化的前提条件下，对焊接接头的强度参数进行合理的调整与修正。这种方案是焊接接头高温变化研究中的最基本方法，目前在ASME Code Case N-47中有关焊缝设计部分得到了较为充分与普遍的运用;
第二类：为了更加良好与有效的对焊接接头所存在的变化行为加以证实且可靠的研究，不单单需要完成对单一性材料温度变化情况及其规律的认识，同时还需要涉及到对有关焊缝试样性能的研究工作。其中，通过对焊缝试样性能进行的研究，能够对焊缝所对应的变化断裂机制以及具体的断裂区域有一个更加清晰的判定，同时可配合完成有关焊缝试样整体强度与焊材强度、以及母材强度的综合比较工作。在此基础之上，还可以通过对以上性能指标的分析，应用数值分析方法，进行有关焊缝焊接接头强度指标、断裂性能、以及使用寿命等指标的评价工作。
第三类：同第一类、第二类方法不同的是，在第三类有关焊接接头高温变化情况的分析过程当中，所采取的分析方法是建立在一个方向基础之上的单轴拉伸试验，试验过程当中对于多轴应力的影响并未加以特别关注。同时，针对高温构件的焊缝区域产生的具体的强度变化，采用以上的方法仍然无法得到真正的反映，所以对于强度变化的研究还需更加精确的方法，主要是认真地研究实际焊接的构件的具体变化情况，在对整体的强度差异进行比较的基础上，获得复合钢板焊缝部分对于复合钢板的结构产生的影响。关于这方面的研究，虽然一些专家和学者已经开始研究，也取得了一些成果，但是在实践使用中，费用都比较高，难度也比较大。
5 结论
当前，社会急需一种新型的材料来解决这一问题，而复合钢板的出现就有效地解决了这一问题。复合钢板是一种复合产物，其是在普通金属表面包覆一层具有特殊性能的材料，并通过一些工业处理复合而成，它具有单一金属材料不具备的优异性能，如高比刚度、疲劳性强、尺寸稳定、耐腐蚀和磨损等，所以对复合钢板的焊接工艺进行分析研究是很有必要的。
参考文献
[1]李冬林.焊接应力和变形的数值模拟研究.硕士学位论文,武汉理工大学,2003,3.
[2]王长利.焊接温度场和应力场的数值模拟,硕士学位论文,沈阳工业大学,2005.
[3]GB/T 2039-1997,金属拉伸蠕变及持久试验方法[S].北京:国家技术监督局,1997.
压力复合 篇6
综掘巷道液压迈步式超前支架是一种应用于综掘迎头巷道的临时支护设备, 其特点为能够在综掘巷道内自主移动, 在掘进成巷过程中及时有效地支护掘进迎头顶板, 保持顶板稳定。随着掘进机前移, 超前支架也随之迈步移动, 通过超前支架的两组支撑装置, 可以进行单组和双组交替支撑, 以保证顶板始终处于支撑状态[1]。
文献[2]针对巷道超前支架容易受到冲击地压的不利影响, 研究了一种基于改进型扰动观测器的支撑力控制策略, 研究结果表明该控制策略能够减小冲击地压对正在支护的超前支架的不利影响;文献[3]对超前支架多缸同步控制策略进行了深入研究, 研究了一种等状态交叉耦合模糊同步控制策略;文献[4]对超前支架-顶板体系建立了力学模型, 使用奇异函数法建立顶板载荷与超前支架耦合作用下顶板与超前支架挠度方程, 其对耦合体系变形规律的研究具有较高的工程应用价值;文献[5]对基于模糊PID控制算法的超前支架在支撑过程支撑力控制策略进行研究, 研究结果表明, 使用模糊PID控制算法的控制效果要优于常规PID控制算法的控制效果。以上文献主要针对超前支架控制策略进行研究, 没有针对超前支架上升过程的电液速度、压力复合控制策略进行深入研究。
为了提高超前支架的支护效率, 实际工作时, 首先使用位置控制将支架的支撑顶梁以最快速度运行到接近顶板的位置, 再通过转换控制器从位置控制平稳切换到压力控制。那么, 在何时、何种情况下切换控制器, 以及控制器采用怎样的结构, 才能够取得最优的切换效果已经成为巷道超前支架装备研究的关键问题之一。
1 超前支架组成及工作原理
超前支架主要分为主支撑组、副支撑组、前进推移机构以及侧帮支护等部件。其中, 主支撑组、副支撑组结构相似, 主要由立柱、纵梁、横梁、顶部阻尼体、平衡千斤顶等部件组成。超前支架结构组成如图1所示。
1.主支撑组2.前连杆3.副支撑组4.平衡千斤顶5.后连杆6.导向板7.立柱组8.底座9.掩护梁10.侧推千斤顶11.推移千斤顶12.侧护板13.横梁14.顶部阻尼体15.纵梁
迈步式超前支架的工作原理分为迈步行走和交互支撑两部分, 设备的支护可以分为定支护和迈步支护两种支护形式。超前支架迎头巷道支护原理如图2所示。在定支护时, 由主支撑组和副支撑组同时承担顶板的压力, 共同起到支护作用。主支撑组和副支撑组的8个支撑油缸同时升起。
在迈步支护时, 超前支架需要随着掘进机的向前推移工作以迈步的方式交替向前行走。在行走的过程中, 要求主支撑组和副支撑组交替与顶板接触, 承受顶板的全部压力, 使得顶板始终得到有效支护[6,7]。迈步向前行走时, 主支撑组首先需要保持支撑状态不变, 将副支撑组下降至主支撑组横梁上, 主支撑组立柱继续收缩, 使得主支撑组的底座抬离地面悬于空中, 此时推移油缸将副支撑组向前推移, 当推移至一个迈步距离后停止推移, 并且将副支撑组立柱伸出, 使得副支撑组的底座再次压到巷道底板以支撑整个机架, 副支撑组的纵梁被顶起, 与主支撑组共同支撑顶板, 这样一个迈步过程结束, 以此往复即可完成迈步行走。
超前支架的液压系统如图3所示。超前支架立柱油缸与顶梁相连, 通过电液伺服阀控制立柱油缸有杆腔和无杆腔内流量的变化, 可以控制顶梁升降的快慢, 当顶梁与顶板接触后, 可以控制两腔内压力差, 实现不同的压力控制。磁致伸缩位移传感器可以监测顶梁的实时位置, 安装在电液伺服阀出口的油压力传感器用于监测油缸两腔压力。
1.顶板2.超前支架顶梁3.超前支架立柱油缸4.底板5.油缸位移传感器6.油压力传感器7.电液伺服阀8.油泵
2 位置压力复合控制方法
2.1 位置、压力控制机理
由超前支架液压系统原理图 (图3) 可以得出图4、图5分别为对其液压缸位移进行控制和对其液压缸输出力进行控制的传递函数框图。图4中, Us为压力的设定值;Ue为电液比例阀放大器输入电压信号;Ur为力传感器输出电压信号;Ka为电液比例阀放大器的增益;Ksv为电液比例阀阀芯位移的增益;Gsv为电液比例阀传递函数;xv为电液比例阀阀芯位移;Kq为电液比例阀流量增益;Kce为比例阀的压力流量系数;βe为液压油综合体积弹性模量;V为液压缸容积腔总体积;Ap为液压缸等效作用面积;pL为液压缸两缸压强差;p为液压缸输出力;m为负载等效质量;BL为液压缸的阻尼系数;KF为力传感器的反馈增益;K为负载的弹性系数;xp为液压缸位移;QL为系统流量。
视电液伺服阀为理想滑阀, 通过上述分析可以得到电液伺服阀的基本流量方程、液压缸的流量连续方程和平衡方程:
式中, Ct为液压缸总泄漏系数。
由式 (1) 通过拉普拉斯变换并简化解得阀芯位移到液压缸输出力之间的传递函数:
为了简化系统动态特性, 将电液伺服阀的传递函数用二阶振荡环节近似表示, 可得其传递函数:
式中, ωsv为电液伺服阀的固有频率;ζsv为电液伺服阀的阻尼比[8]。
通过对电液伺服和压力控制的机理进行分析可以看出, 在进行位置控制时, 由于反馈信号取自位移传感器, 液压缸输出的力会随着负载力变化而变化, 力环属于开环, 负载力是系统的干扰量;在进行力控制时检测信号取自液压缸两腔压力差, 位置环属于开环, 是系统的干扰量。
可以看出这两种需求在控制上, 其控制器的结构、参数均不相同, 因此不可能用一个控制器同时进行压力和位置的控制。
2.2 并联复合控制方法分析
目前对电液位置或电液压力的单独控制已经有了非常成熟的研究, 但是对于如何将两种控制方式进行有机融合, 实现平稳的切换还有待研究。现在对于电液位置、压力的复合控制主要通过并联方式进行实现。并联方式的压力与位置控制原理如图6所示[9?11]。
所谓并联控制, 就是分别对位置和压力控制回路进行设计, 通过设定的位置转换点和转换开关将系统从位置回路转到压力控制来实现的。并联控制的优点是, 可以将现有的非常成熟的电液位置、压力控制策略应用于其单独的控制回路;缺点是由于是两种控制回路同时工作, 如果在转换点转换不当就会对系统产生较大冲击, 如果在转换点未及时完成由位置到压力控制的转换就会使超前支架系统施加很大的支撑力于被支撑的顶板, 对整个巷道的稳定性有很大的影响。
2.3 模糊切换控制方法
针对并联复合控制方法存在的问题, 设计了一种模糊切换的电液伺服位置、压力复合控制系统, 其原理如图7所示。该系统在并联切换复合控制系统基础上增加了一个模糊切换控制器, 为了便于分析和实现, 在位置闭环控制回路中采用普通PID控制器, 在压力闭环控制回路中采用模糊控制器。模糊切换控制器实际上是一个单输入单输出的一维模糊控制器, 其输入为安装于支架与被支撑顶板之间的力传感器, 其输出为切换因子α。其工作原理是, 通过力传感器检测出支架与支撑顶板的接触情况, 通过模糊控制器计算出切换因子α的值。在压力控制回路中, 将电液伺服系统输出的压力与设定值进行比较, 之后乘以切换因子α, 作为压力闭环系统的输入;在位置控制回路中, 将电液伺服系统输出的位移与设定值进行比较, 之后乘以切换因子 (1-α) , 作为位置闭环系统的输入;当传感器检测到支架与被支撑顶板之间的作用力为0时, 支架并没有运行到与顶板接触的位置, 此时切换因子α输出在0附近, 压力控制回路的输入为0, 即系统处于位置控制回路中;当传感器检测到支架与被支撑顶板之间的作用力不为0时, 支架已经与顶板接触, 此时切换因子α输出在1附近, 位置控制回路的输入为0, 系统处于压力控制回路中。这样切换因子的作用使得系统在由位置切换到压力控制过程中过度平缓, 不至于出现突然切换而引起的振荡及冲击, 能够对超前支架以及巷道顶板进行保护。对于电液伺服力和位置的模糊控制器和PID控制在文献[12-13]中已经有了非常详细的叙述, 在此不再赘述。
3 仿真分析
模糊切换控制器是一个单输入单输出的一维模糊控制器, 需要对输入的力信号p和输出的切换因子α进行模糊化与解模糊, 由于模糊切换控制器在控制系统进行位置与压力切换, 主要发生在支撑力为0和设定最大值时, 切换因子α对应为0和1时, 支撑力p在0与最大值左右时, 对模糊切换控制器作用影响较大, 因此在设定支撑力p和切换因子α的模糊论域时, 在0和1附近需要选取得相对密集, 此时, 采用均匀划分论域的常规方法就不适用。设定支撑力p变化范围为[0, 0.5]kN, 并用模糊子集CP1={NB, NM, NO, NS, O, PS, PO, PM, PB}表示真实值子集{0.5, 0.475, 0.425, 0.4, 0.25, 0.1, 0.075, 0.025, 0}。设定切换因子α变化范围为[0, 1], 用模糊子集CP2={VB, MB, B, NB, M, NS, S, MS, VS}表示{1, 0.95, 0.9, 0.85, 0.5, 0.15, 0.1, 0.05, 0}。
根据实验测量以及专家经验可以得出模糊切换控制器的规则, 然后构建p和α这两个输入输出参数的模糊规则表, 见表1[14]。
按照超前支架模型样机的实际工况对控制系统仿真模型中的各个参数进行确定, 如表2所示。独立的压力控制器采用模糊PID控制器, 其模糊PID参数分别为:KPP=0.9, KPI=1.2, KPD=0.2;独立的位置控制器采用常规PID控制器, 其PID参数分别为:KXP=0.8, KXI=0.5, KXD=4.0。
采用直接切换方式时, 设定当液压缸位移达到390mm时进行由位置控制到压力控制的切换;采用模糊切换方式时, 切换控制器通过检测顶梁与顶板接触力的大小自动进行切换, 因此不需要对位置转换点进行设定。
采用模糊切换控制方式与采用并联复合控制方式的直接切换方法对电液伺服系统进行位置和压力复合控制仿真对比, 得到了液压缸位移与速度曲线如图8所示, 液压缸两腔的压力与输出力曲线如图9所示。分析仿真曲线可以看出, 从第6s开始下达动作指令后, 液压缸以最大速度迅速上升直至接近指定位置时, 速度迅速降低, 系统由位置控制转换为压力控制, 液压缸两腔压力迅速增大, 建立起压力, 直到满足设定压力为止, 在功能上能够满足系统需求。然而在性能上, 利用模糊切换控制的方法能够具有更好的平滑过渡的能力。由速度变化曲线可以看出, 在使用直接切换时, 在转换点位置处液压缸速度输出有明显波动, 这势必造成液压缸位置的失控, 由液压缸两腔压力与输出力曲线可以看到这一点, 输出力瞬间最大值达到7kN, 远超过设定的4kN的支撑力, 在实际应用中, 有可能造成顶板失稳等灾害[15,16,17,18]。
4 实际控制分析
4.1 实验样机组成
为了研究分析本文模糊切换控制器的实际应用效果, 在超前支架模型样机上进行实验, 并与直接切换的并联复合控制方法进行对比, 超前支架模型样机如图10所示。在实验室研制的实验平台由以下三大部分组成。
(1) 迎头顶板模拟实验框架。迎头顶板模拟实验框架可通过调节框架顶部加载液压缸组的油压, 对模拟顶板进行不同载荷的工况模拟。迎头顶板模拟实验框架的加载液压伺服系统可以实现静力学加载曲线压力值的保压调控, 也可以按照多种激励作用下的动力学加载曲线压力变化规律对模拟顶板进行加载实验。
(2) 超前支架实验样机。与原型机相同, 实验模型样机具有双组支撑、单组支撑、交替支撑以及液压迈步移动功能;利用双组交替支撑结构使超前支架在交替移动时, 模拟巷道顶板始终存在有效支撑, 并且保证顶板受力基本保持稳定。样机上安装有位移、压力、油压等传感器和电控装置。
(3) 测量基准框架。研制的模拟实验平台可以进行模拟顶板性能实验和超前支架-顶板体系的静、动力学实验。迎头顶板模拟实验框架和超前支架实验样机在实验时分别通过压力传感器、位移传感器、油压传感器等采集实验数据, 并将监测数据传输到控制系统中。
为了在进行复合控制时对液压缸的位移进行监测来实现满足控制精度的闭环控制, 选用MTS电流输出型高精度磁致伸缩位移传感器来对各个液压缸的位移进行监测, 以弥补普通液压缸没有内置位移传感器的缺憾。该传感器采用直流24V供电, 输入信号为4~20mA标准电流信号, 分辨率为0.0015%, 非线性度为满量程的±0.01%, 能够满足测量需求。选用CFBLY-5T轮辐式压力传感器来监测支架与被支撑顶板的支撑力。
4.2 实验过程及结果分析
进行实验时, 首先将超前支架调整至主支撑组支撑顶板, 副支撑组未支撑顶板状态。副支撑组降低至最低点时, 顶梁距离顶板距离为400mm, 因此在使用直接切换方法时, 设定位置转换点为390mm。当采用并联复合控制方式的直接切换方法对电液伺服系统进行位置和压力复合控制时, 副支撑组油缸在位置控制作用下以200mm/s的速度快速上升, 至390mm转换点时系统自动切换到压力控制, 副支撑组油缸继续上升直至与顶板接触。
采用模糊切换控制方式对电液伺服系统进行位置和压力复合控制时, 则不需要对位置转换点进行设置, 只需要对模糊控制器输入信号的范围进行设定, 该输入信号由顶梁与顶板之间的力传感器得到, 其变化范围为0~0.5kN。
通过实验对比, 得到液压缸位移与速度曲线如图11所示, 液压缸两腔的压力与输出力曲线如图12所示。
对比仿真曲线与实测曲线, 可以看出两者趋势基本相同, 只是由于实测曲线采样频率造成些许差别。进一步研究表明, 采用并联复合控制方式的直接切换方法对电液伺服系统进行位置和压力复合控制时, 切换步骤繁琐, 需要对压力与位置同时设定一个精确的值, 若位置设定较低, 则系统提前进入压力控制, 由于压力控制时, 若系统回路增益很低会造成液压缸运行速度极其缓慢, 如果位置设定较高, 则系统在切换过程中, 由于惯性有可能造成过冲, 使得压力猛增, 无法控制, 对顶板造成冲击, 并引起超前支架设备的较大的振动。
5 结语
压力复合 篇7
1 试验条件
主要设备包括:Φ560缸径六面顶压机合成设备、真空处理设备、数控车床刀具性能检测设备、C扫描刀具材料评测设备、刀具磨床做刀设备。主要原材料包括:cBN微粉、硬质合金、叶蜡石、堵头、钛片、钼杯、碳盐罐。
2 试验内容
将cBN及粘结剂粉料[3]混合均匀, 用真空机组将粉料活化处理, 采用金属钼杯装入粉料, 再装入碳盐管、叶蜡石块中, 复合片组装示意见图1。
合成试验以合成压力为变量, 其它条件控制不变, 研究复合片内在结合质量、外观质量。表1为合成压力实验的工艺参数, 压力用P表示, 功率用W表示, 合成时间用T表示, 压力试验600片, 生产验证数量1000片, 结果介绍在表2中。
3 实验数据及分析
3.1 压力对复合片外观缺陷质量的影响
表1压力范围内, 合成的复合片没有发现长斑和裂纹等外观缺陷, 压力、功率及时间在工艺范围内, 合成压力的变化对复合片外观长斑、裂纹没有明显影响, 当压力在P+7以下时, 都没有长金刚石, 而在合成压力达到P+8~P+9时出现有些复合片长金刚石现象, 随着压力增加复合片长金刚石几率增加, 合成压力对复合片长金刚石有明显影响, 合成腔中有钴、石墨, 当进入金刚石生长区, 合成腔就会长金刚石, 导致复合片变脆进而品质下降, 因此需匹配工艺参数避免金刚石生长。
3.2 压力变化与复合片脱层 (内在复合质量) 的关系
3.2.1 PcBN复合片脱层现象的产生过程
对不同压力下合成的复合片进行检测, 采用超声波C扫描设备, 检测复合片cBN层与合金层的结合界面, 发现压力低的复合片较容易产生界面脱层现象, 并且工艺压力越低, 复合片脱层越多, 经放置时间越长, 脱层的复合片区域及比例越大。研究发现脱层过程在一定时间范围内脱层区域是会变化的, 脱层是从无到有、脱层区域从小到大, 直到稳定。复合片脱层是一个渐变的过程, 以P+2MPa压力合成的复合片进行说明, 参见图2。初始状态该复合片没有脱层, 经不同的放置时间 (一周到五周) , 该复合片脱层, 经过五周趋于稳定。图2选择的复合片压力点相对低, 表1、图2中表明较低压力合成的复合片随时间变化产生脱层缺陷的情况:初始状况7天内均无脱层, 见图2-a, 经过14天到图2-b有明显的脱层, 经过21天到图2-c脱层增大增多, 属非稳定状况;经35天到图2-d脱层增大增多, 趋于稳定。图3对应压力高 (P+9MPa) 的复合片经35天均未发现脱层现象, 见图3的e、f、g、h。其它压力下复合片脱层的过程是相同的不多展示。
3.2.2 PcBN复合片脱层概率与压力变化、复合片放置时间变化的研究:
对不同工艺压力合成的复合片分期扫描观察, 起初经C扫描检测无脱层的复合片, 放置一段时间后再进行C扫描, 发现有一些复合片出现脱层, 放置时间不同, 出现脱层的几率有差异, 因此除了压力变化是脱层现象的主要因素外, 放置时间也是一个影响因素, 对此展开实验研究, 表1说明了不同压力下, 由于放置时间不同, 对应复合片脱层的比例变化, 脱层比例指脱层复合片数与总数的比值。
总体趋势是合成压力相对较高的复合片脱层现象减少, 复合片放置时间5周脱层现象的比例趋于稳定。结合图表说明, 从表1和图2可知, 合成后一个星期内检测各压力点均未发现脱层, 两个星期后P+1和P+2MPa两个较低压力点的复合片开始脱层, 三个星期后P+1到P+5五个较低压力点的复合片均出现脱层, 而P+7~P+9一直未出现脱层。统计数据表明, P+4MPa压力点复合片脱层比例为15%~20%, 实验及后期生产可参见表2, 趋势明显, 即压力越低脱层比例越高。且由表1可知, 脱层比例35天后趋于稳定, 分析为其内应力释放要35天左右, 应力计算模型见后文。压力的增高, cBN层与硬质合金基体的结合强度逐渐增大, 当结合强度大于内应力时脱层是不会产生的, 应力存在但不会出现脱层的现象。对应合成试验说明, 压力大于P+5MPa时, 复合片结合强度明显增强, 脱层比例大大下降甚至没有脱层, 批量生产复合片的合成压力优选是在工艺压力P+7附近, 避开复合片长金刚石、脱层等缺陷, 即总缺陷率最低, 成品率最高。参见图4。
3.2.3 优选合成压力批量验证
PcBN复合片的稳定性一直是影响国内复合片产品竞争力的重要因素, 对复合片质量稳定的影响, 材料、设备、工艺都有作用, 工艺压力与材料及配方的匹配很重要。优选复合片合成压力后, 我们进行了批量生产进行验证, 证实了工艺压力的匹配可较好地控制复合片脱层现象。表2为压力试验阶段及后期批量生产复合片脱层比例。表中数据显示, 合成压力在相对较高区域, 复合片质量可得到较好控制, 但脱层现象仍未能完全消除, 还有少量复合片脱层, 这与其它因素未能全部控制有关。
3.2.4 工艺匹配压力的稳定与复合片质量稳定的关系
物相均质是复合片质量稳定的关键。而复合片质量稳定性包括:每片复合片切分成N个切削刀粒之间的稳定性 (大直径复合片每片可切成几百上千个刀粒) , 同一批复合片之间的质量稳定, 以及不同批次复合片之间的质量稳定。物相稳定决定复合片质量的稳定性, 初始物相相同, 工艺控制相同, 自然科学的结果会导致相同的物相, 相同的性能。因此, 最终的物相是否相同是复合片质量稳定的关键[5]。复合片合成过程物相相互扩散, 主要以硬质合金中的钴扩散到cBN层为主, 其它物相互有扩散量较小, 因此钴扩散钴含量[6]最大, 而钴的热膨胀系数与cBN相差最大, 钴是软质材料, 扩散过多不利于刀具切削, 因此钴对复合片质量稳定影响最大。压力P+7 (M) 合成的复合片, 检测其物相, 每片从圆心到外径选5个点测量, 取平均值, 钴含量见表3, 表中钴含量最大值wt7.77%与最小值wt6.23%, 由于复合片电镜检测实质上以定性为主, 非准确定量的检测, wt7.77%、wt6.23%的差别在检测的误差范围, 即相差很小, 可视作相同物相 (在同一点检测也会有6%的误差) , 对应的检测复合片切削寿命之间相差6.6%, 即刀具寿命相对稳定, 从而印证物相相同性能相同, 性能稳定。取一个有代表性的扫描电镜图 (图5) 。
工艺参数不同时, 或材料、配方变化, 检验的物相会有较大的差异, 检测出的物相也会有很大的差别, 产品加工性能相差较多, 会造成复合片质量的不稳定, 这是国产复合片要重视的地方。
4 复合片脱层的原因分析:
复合片结合界面及机理[7], 简言之是物质相互扩散达到材料复合, 界面脱层主要与复合片合成后残余热应力有关, cBN与硬质合金的复合在高温高压条件下, 设合成温度为T0, 在该温度下陶瓷层 (即cBN层, 由于还有其它组分称为陶瓷层) 与硬质合金处于自由应力状态, 合成后复合片处于常温常压, 合成后的温度为T1———复合前后存在的状态不同, 温度由T0下降到T1, 变化量ΔT=T1-T0, cBN与硬质合金两种材料的热膨胀系数不同, 因此这两种不同状态会导致复合材料产生内应力。cBN等材料合成过程是粉料变成密实的cBN层的过程, 产生收缩, 合成的过程cBN层会对合金产生较大的拉应力, 合成后复合片应力释放的方向, 是硬质合金回复原形的方向, 是导致复合片脱层的应力。其中应力与物相配方等有关。见图6复合片应力分析。图6中, 陶瓷和硬质合金的厚度及弹性模量分别为t1、t2和E1、E2, 线热膨胀系数分别为T1、T2。陶瓷层受到的最大总拉力为F1[8]
最大拉应力公式:
以上公式看出, 对残余应力影响最大的是应力松弛温度与常温的差值及两种材料热膨胀系数差值, 二者均与残余应力成正比, 陶瓷层和硬质合金层的厚度对残余应力也有一定影响。由于各种陶瓷和硬质合金的应力松弛温度基本相同, 对残余应力起决定因素的是二者的热膨胀系数差值。二者的热膨胀系数差较小时, 残余应力小, 复合片结合强度高, 不会出现脱层现象, 最大拉应力超过复合片的结合力时, 复合片出现脱层现象, 脱层现象持续到复合片的结合力与残余拉应力力平衡后稳定。而合成压力不同对复合片质量 (脱层) 的影响, 有两方面的因素:一是压力影响复合片的物相扩散浓度、物相分布, 复合片各区域物相分布不同的结果就造成复合片局部热膨胀系数差异, 这个差异就导致残余应力。二是压力影响复合片的结合强度, 结合强度高, 复合片残余应力小于结合力, 复合片就不会出现脱层, 而复合片残余应力的产生有时效的特点, 通过试验、工艺控制是复合片质量稳定的有效手段。
5 结论
(1) 在合成范围内, 合成压力较低时, 复合片因内应力释放产生脱层, 压力越低脱层比例越大。
(2) 复合片应力释放有一定时效性, 时效周期内时间越长脱层越多, 应力平衡后趋于稳定。
(3) 复合片在较高压力合成时, 合成腔体内元素扩散较均匀, 物相均质, 利于复合片质量控制。
摘要：PcBN复合片脱层等问题是合成过程中的常见问题, 文章采用C扫描设备对复合片脱层的过程进行了研究。虽然影响复合片质量的因素很多, 但复合片脱层会导致复合片性能下降, 文章主要比较了不同合成压力对PcBN复合片质量——特别是内部结合质量的影响。对复合片脱层的原因进行了分析, 认为实质上是不同材质结合后存在残余应力, 释放的应力过大会导致脱层现象, 匹配好工艺压力利于复合片质量稳定, 对复合片生产有一定指导意义。
关键词：PcBN,脱层,压力,质量
参考文献
[1]刘瑞平, 等.国外PcBN刀具材料及应用发展现状[J].工业金刚石, 2009 (1) :11.
[2]范文捷, 等.cBN粒度及组装方式对PcBN性能影响的研究[J].金刚石与磨料磨具工程, 2009 (2) :67.
[3]谢辉, 等.cBN-TiN-AI烧结体黏结剂组分配比研究[J].金刚石与磨料磨具工程, 2012 (1) :66.
[4]许红亮, 等.AI添加量对PcBN复合片显微结构各性能的影响[J].金刚石与磨料磨具工程, 2012 (1) :1.
[5]张太全, 陈杉杉, 等.粘结相对PCD和PcBN性能的影响[J].超硬材料工程, 2016, 28 (4) :20-23.
[6]J.Daniel Belnap, Yi Fang, Haibo Zhang.Study of the influence of cobalt content on polycrystalline diamond (PCD) mechanical properties[J].Finer points, 2011 (65) :27-30.
[7]陈石林.聚晶金刚石复合体界面及复合机理的研究[D].中南大学博士学位论文, 2004.
压力复合 篇8
传统的气动离合压力机是通过由交流异步电机、皮带、飞轮、齿轮组成的传动系统,驱动曲轴连杆机构,带动滑块,实现滑块的上下往复运动(图1)。依靠飞轮蓄能,通过控制离合器制动器的启停控制滑块运行。压力机在整个工作周期内进行工艺操作(做功)时间较短,即有负荷的工作时间较短,整个行程大部分时间为无负荷的空行程。
这种类型的压力机最大的不足之处在于滑块的运行模式单一,工作特性固定,无法调节。随着金属板材加工设备应用范围的不断扩展,对压力机要求能提供越来越复杂的加工工艺和越来越高的加工精度,使压力机能够满足于复杂形状零件的成形加工、复合成形加工、高精度成形加工,这就迫切需要压力机主机生产企业开发出智能化、柔性化、高精度、高安全性的新一代数控塑性加工母机。随着电子、计算机、伺服控制技术的不断发展,用交流伺服电机直接作为压力机的动力源和执行机构,将电机的旋转运动转变为滑块的直线运动,代表着现代压力机的发展趋势。在进入21世纪以来,欧、日等发达国家对其进行了深入研究,如日本的AIDA、KOMATSU (小松)、AMINO、ENOMOTO、AMADA、FUJI,德国的SCHULER等等。近年来,国内不少压力机生产厂家也进行了技术研究及产品开发,但鲜有商品化产品问世。江苏扬力集团在2010年南京数控机床展上展出了一台SDP-110节能数控复合型伺服压力机,机器采用的伺服电机、控制系统全部采用国际知名品牌产品,并运用先进的三维软件对机身、传动等作了有限元分析设计。通过国际化合作及产学研相结合的开发途径,实现了全数控柔性伺服压力机的研发。
2 伺服压力机的结构及特点
2.1 高刚度机身的设计
从图2中可以看出,最大变形出在前后轴承支撑孔的上部以及工作台承载面的后半部分,最大位移量为0.196mm;还可以看出应力集中主要在机身前支撑角落处、左右两侧送料窗口的圆角处、工作台板下支撑板的过渡圆角处和前后轴承孔上、下端,其中最大应力为76.1 MPa。
2.2 复合式增扭传动机构的应用
因摒弃传统压力机的飞轮、离合器装置,以大扭矩伺服电机为动力源,采用曲柄连杆结构+一级齿轮减速机构+行星齿轮减速结构组成的复合式增扭传动机构,将电机的旋转运动转变为滑块的直线运动;利用该复合式传动机构,将此轮轴端扭矩扩大4倍左右,较大程度地减小对动力源扭矩的要求,从而实现小功率交流伺服带动大吨位压力机的加工工作。
2.3 节能、环保符合低碳经济的设计理念
伺服压力机省去飞轮,节省飞轮空运行的能量耗损及离合器摩擦耗能;省去离合器、安全双联电磁阀等执行机构,滑块的起动/停止时不发生摩擦冲击及振动,大幅度降低机床故障率;动力源来自高性能大扭矩伺服电机,通过最优化控制及伺服参数整定,较普通交流电机有效功率高;压力机制动时利用能源再生系统,通过动态制动单元和电源转换单元,将拖动系统的动能反馈到直流母线电路中,并与伺服放大器的母线连接,从而提供持续的制动转矩输出,起到电源再生的作用;用户根据冲压工艺的不同可以选择各种合适的动作模式,如“拉伸”、“保压”、“钟摆”等模式,提高了工作效率。
由于伺服压力机去除了离合制动装置,在运行制动时没有了操作噪声,同时因不同冲压工艺对应不同动作模式,通过对滑块运行曲线的特性优化,大大降低了冲压噪声和机床本身的振动,较大程度地改善了现场工作环境。
2.4 开放性专用数控系统的开发及应用
利用系统的开放性,进行二次开发,开发出伺服压力机专用控制系统,该系统具有很高的柔性,系统内置有9种常用的冲压曲线,方便客户调用。能够在人机界面通过几个参数的设置,针对不同冲压工艺,调制出最优化的滑块运行轨迹和冲压曲线。针对高级用户设有高级手动编程模式,可任意分段设定凸轮曲线,任意规划滑块运行轨迹,以满足其特定冲压工艺的要求。系统设有模具库功能,能够存储100套模具参数,可根据对应的模具号自动调整凸轮曲线、机床参数等,极大地缩短了运行准备时间。能够根据机床的实际运行状况动态显示运行曲线,并存储其运行曲线,方便用户进行曲线和轨迹优化并可重复调用。
3伺服压力机关键技术及其应用
3.1 复合式增扭传动系统的设计及伺服电机功率计算与选型
传动系统是压力机的核心,它直接影响机床的工作效率、能量利用率、冲压精度和稳定性等。本项目将借助于曲柄连杆机构+一级齿轮减速机构+行星齿轮减速机构,进行复合式增扭传动系统的研究和开发。解决好冲压速度与功率消耗的矛盾、工作行程与结构尺寸的矛盾,降低冲压过程的能量消耗,提高冲压精度和冲压稳定性,实现以较低功率的伺服电机完成较大吨位压力机的冲压加工,减轻压力机工作时对电网的冲击影响。
伺服电机功率计算及选型是整个伺服压力机设计开发的关键和基础。根据设定的压力机主参数,通过对“一个工作循环压力机功率消耗”、“压力机作用最大扭矩”、“压力机连续有效最大负载力矩”、“电机最高转速”等参数的计算从而确定伺服电机选型:
(1)“一个工作循环压力机功率消耗”为:
A=A1+A2+A3+A4+A5+A6
式中:A1——工件变形功;
A2——用拉延垫工作时,消耗于压边所需的能量;
A3——工作行程中由于曲柄滑块机构的摩擦所消耗的能量;
A4——工作行程中压力机各受力零件弹性变形所消耗的能量;
A5——工作行程时中间传动环节的摩擦所消耗的能量;
A6——滑块空程向下和空程向上时所消耗的能量。
(2)“压力机作用最大扭矩”,其中作用于曲轴上的最大扭矩Mq为:
式中:Ml——曲轴负载转矩;
Mm——曲轴摩擦转矩。
作用于齿轮轴上的最大转矩Mc为:
式中:i1——第1级齿轮传动比。
(3)“压力机连续有效最大负载力矩”Trms为:
(4)“电机最高转速”
nmax=压力机最高行程次数×系统传动比
3.2 伺服压力机控制系统的开发
伺服压力机控制系统是伺服压力机开发的核心,伺服压力机需根据不同的冲压材料和工艺参数实现不同的加工工艺,市场上所提供的通用数控系统一般难以满足其特殊的控制功能要求,这就要求利用开放型通用数控系统所提供的二次开发功能,进行系统扩展,包括用户界面、程序通信、PLC、不同工艺压力曲线等控制功能。运用高性能运动控制器Stand-Alone (内含PLC模块)通过伺服网络SSC-NETIII连接伺服的转换和驱动单元,通过最新专用伺服设计软件及运动控制器专用设计软件进行二次开发编程,运动控制器通过扩展电缆与扩展基本进行连接,并与人机界面进行通讯连接。通过绝对值型编码器和高性能直线位移传感器对压力机滑块位移量进行实时检测和数据采集,从而实现整个主控制系统的闭环控制。装模高度的调整采用变频器+反馈传感器进行闭环控制,通过人机界面进行调整,可在人机界面上进行自由设定,并寄存多达100种模具高度调整,节约换模时间,提高工作效率,并实现了模高自动调整的视觉化效果。
3.3 实时监控信号的采集、处理与反馈控制
压力机安全可靠的工作是压力机设计的前提,需要借助于不同类型的传感元件和数控系统I/O接口,开发研制伺服压力机实时监控系统,实时采集和监控机床的工作状态,并对所采集信息及时进行处理,通过高性能人机界面HIM直观地向操作者以线图或动画形式显示机床各个工作参数和状态,对可能发生的机床故障事先予以报警,避免重大事故的发生,提高机床作业过程的安全性。
3.4 关键制造工艺及其装备
伺服压力机是一种高精度的加工设备,产品的精度将执行日本JIS标准,其关键零件的精度要高于通用的机械压力机,必须进行制造工艺优化设计和设计必要的工装、添置关键的加工机床,制定合理的工艺路线,对床身、滑块、肘杆等机械部件关键工艺组织攻关,既要保证制造精度,又要降低制造成本。
4 伺服压力机的应用场合
伺服压力机广泛适用于零件成形加工、拉深、冲孔、折弯、压印、精冲等工艺,以其高效、高精度、智能化、柔性化、高安全性开辟了一条新型加工母机的道路。典型应用有如下几种。
(1)冲孔(图3)
工件冲孔表面光滑,不会出现毛刺等现象,无需二次加工。
(2)成形(图4)
压制成形工件其公差较普通压力机压制成形工件小很多,工件加工质量明显提升,成形缺陷大幅度降低,模具寿命长,生产效率高。
(3)冲压+折弯(图5)
工件成形质量及表面质量好,模具使用寿命加长,低速成形折弯冲孔时,机床噪声低。
(4)挤压成形(图6)
模具使用寿命长,产品精度稳定性高,可以进行深拉深作业。
5 结束语
伺服压力机以其简洁的传动结构,高精度的运动部件,高刚度的机身,高智能化、柔性化的控制系统,节能环保的设计理念,在复合成形加工、高精度成形加工、精冲、顺送加工等领域得到广泛应用。我公司通过几年的研究,已完全攻关了系统的二次开发,完善了能源管理单元的应用、滑块位移检测及反馈闭环控制、复合式增扭传动系统等等关键技术,符合绿色节能环保的理念要求,对新材料新技术应用和推广提供了必要的技术保障。在国内主流厂家对大功率、低速大扭矩交流伺服电机的深入研究和开发应用环境下,对成本进行了有效控制。这为伺服压力机大规模推向市场奠定了基础。
摘要：交流伺服压力机代表着现代压力机的发展方向,其简单的传动机构、高精度高刚度的机身、柔性化的控制系统、节能环保的设计理念,将在复杂成形加工、冲裁、拉深、压印、精冲等加工工艺范围体现出较大的优越性。本文介绍了伺服压力机的特点、关键技术及其应用场合,并讨论了交流伺服压力机的发展方向。
关键词：机械制造,交流伺服压力机,性能特点,应用
参考文献
[1]何德誉.曲柄压力机(修订版).北京:机械工业出版社,1981.
[2]孙友松,周先辉,等.交流伺服压力机及其关键技术.锻压技术, 2008,(4).
[3]苏敏,王隆太.几种伺服压力机传动结构方案的分析和比较.锻压装备与制造技术,2008,43(5):35-38.
[4]赵婷婷,贾明全.开关磁阻调速式数控螺旋压力机.锻压技术, 2007.
[5]孙友松,周先辉,等.交流伺服压力机及其应用.机械工人,2008.
压力复合 篇9
1 不锈钢复合板压力容器的焊接技术
不锈钢复合板压力容器比单一材质的压力容器多了一个过渡层的焊接, 在过渡层焊接过程中, 所使用的焊条含铬量、含镍量较高, 这样可以防止碳迁移。在焊接接头的设计中, 不锈钢复合板筒体焊接坡口有以下三种形式见表1所示:
无论是基层、过渡层还是复层的焊接, 都要选择合适的焊接材料和焊接方法, 规划好焊接顺序, 选择合理的坡口位置, 在焊接完成后进行焊缝无损检测, 确保焊接质量。
2 不锈钢复合板压力容器的壁厚设计
不锈钢复合板容器厚度与普通压力容器壁厚的计算方法是一致的, 众所周知, 不锈钢复合板是基层与复层结合而成的, 而它在形成过程中, 会产生一系列变化, 例如基层与复层的负偏差会变大, 不锈钢复合板各层允许偏差范围如下表2所示:
在设计压力容器的壁厚时, 要充分考虑到各个可能影响壁厚的因素, 在决定名义厚度时可以相应的控制好余量, 以免壁厚的制造不符合标准规定。在不锈钢复合板容器是外压容器的情况下, 要将有效厚度算入到复层中, 但是要去除复合板的负偏差量。设计厚度较小的高温耐腐蚀的不锈钢复合板容器时, 复层采用高合金板;设计厚度较大的高温耐腐蚀的不锈钢复合板容器时, 复层采用堆焊。
3 不锈钢复合板压力容器的错边量控制
复合板对口错边量的合理控制可以满足复合板耐腐蚀要求, 根据规定, 错边量要低于复层厚度的一半, 并小于两毫米。
坡口尺寸设计时, 要以复层尺寸为基准, 封头切边后, 圆度公差要小于0.5%Di, 并且小于10毫米。筒体下料刨边后, 长度公差与对角线公差均不大于1毫米。
不锈钢复合板错边量的控制非常严格, 不仅要考虑复合板卷制时的伸长量, 还要考虑焊接时的对口间隙和焊缝收缩量等, 封头的内周长与筒体周长相匹配, 公式为:L=L1-△L-n C+n△C, 其中, L1为理论展开的长度, △L为周长伸长量, n为纵焊缝的数量, C为对口间隙, △C为焊缝收缩量。
4 不锈钢复合板封头的设计
通常, 检验封头厚度有两种方法, 一种是封头厚度≥名义厚度与钢板厚度的负偏差, 另一种是封头厚度≥图样标注的最小厚度, 由于实际情况的限制, 有时无法取得图样的最小厚度, 所以通常都按第一种方法进行验收。不锈钢复合板在冲压时产生的减薄量一定程度上影响验收结果, 所以在封头设计时要考虑到这一因素。现假定不锈钢复合板的内径大小为1千毫米, 基层计算厚度为10.2毫米 (复层强度不计) , 图样封头厚度为12mm+3mm, 并且标注的基层计算厚度是10.2毫米, 那么, 封头最终的厚度如表3所示:
5 无损检测
为了确保不锈钢复合板压力容器的制造质量, 还要对其进行无损检测。在进行无损检测时, 要严格按照相关文件标准规定进行检测, 还要选择合理的检测方法手段, 保证各个环节检测工作的质量和检测工作的顺利完成。作为生产者, 更要明确无损检测的标准, 在压力容器的设计制造时注意各个影响因素, 生产出符合标准的压力容器。常用的一种检测方法:首先通过射线检测法来检测焊接接头, 若检测结果符合要求, 则进行过渡层与复层的焊接;然后, 浮层表面要经过全面的渗透检测, 这样方便返修, 但是过渡层漏检会留下隐患。
6 结束语
不锈钢复合板压力容器的设计与制造要求很高的技术水准, 作为设计者, 要考虑到实际生产中可能出现的各种偏差, 制定出可行的解决对策;作为制造者, 要严格按照相关规定进行生产操作, 合理的选择焊接条件和焊接方法, 严格控制压力容器的错边量等工作;最后, 做好无损检测的验收工作。
摘要：不锈钢复合板压力容器在设计制造中涉及到很多种技术, 并且它对技术水平的要求比较高。在不锈钢复合板压力容器的制造过程中存在许多影响制造质量的因素, 要想设计制造出高质量的压力容器, 就必须完善设计标准和制造过程。本文主要介绍在设计制造不锈钢复合板压力容器时, 所应用到的技术和设计制造过程中需注意的问题, 希望对不锈钢复合板压力容器的制造有所帮助。
关键词：不锈钢复合板,压力容器,设计制造
参考文献
[1]陈盛秒.不锈钢复合板压力容器设计制造技术探讨[J].石油化工设备技术, 2010 (5) [1]陈盛秒.不锈钢复合板压力容器设计制造技术探讨[J].石油化工设备技术, 2010 (5)