CN103047390B - 一种适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法，R₁为基圆o的半径，R₂为远休止圆弧半径，AB圆弧为凸轮轮廓线,半径为R₃，α为理论工作曲线压力角。当给定常值R₁、R₂时，可确定在不同的R₃取值下压力角α与升程h之间的关系曲线图。通过曲线图即可找到一种适合于突变重载载荷下压力角α随升程h变化所对应的最佳圆弧半径值R₃。本发明是一种凸轮开启过程中压力角在主阀芯开启阶段很小，与负载特点相匹配，减少顶杆所受的附加力的适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法。

Description

一种适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法

技术领域

本发明涉及一种适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线及设计方法。

背景技术

大型水压机提阀开启装置是利用齿轮齿条和凸轮顶杆作为传动装置，驱动提阀阀芯的启闭，从而实现水压机活动横梁位置和速度的控制。这种形式的提阀开启装置已经成功应用于我国最大的模锻水压机300MN水压机和其他大型的水压机上，其控制精度高，稳定性好。

现场应用情况表明提阀的阀芯开启驱动力具有巨大，最高达到60KN左右，且载荷具有瞬变的特点，在提阀刚开启瞬间出现一个很大瞬变载荷，然后迅速降低。在水阀开启初期，如果压力角比较大，对顶杆、导套的附加力将会很大，加剧了对顶杆、导套的磨损，甚至会造成顶杆、导套的损坏。

因此，现有的凸轮轮廓曲线不适合应用在大型水压机水阀开启凸轮顶杆装置上。针对凸轮顶杆机构中凸轮轮廓曲线改进以减少系统的开启时的附加力，减少驱动系统的能耗，提高装置的使用寿命和运行的安全性。

原有的升程曲线主要的缺陷在于升程曲线压力角变化规律为从大到小均匀变化，初始阶段凸轮在x方向对顶杆、导套的附加力比较大。凸轮升程曲线压力角变化规律与负载特性不匹配，不适合水阀开启规律下对压力角的要求，因此，现有的轮廓曲线在这种重载瞬变场合下并不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种凸轮开启过程中压力角在主阀芯开启阶段很小，与负载特性相匹配的，减少顶杆所受的附加力的适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线及设计方法，包括凸轮理论工作曲线，其特征是：圆弧AB段为凸轮轮廓曲线、半径为R₃，R₁为基圆o的半径，R₂为远休止圆弧半径，α为凸轮轮廓曲线压力角，θ₀为凸轮转角，最大升程H＝R₁-R₂,D为工作圆弧的圆心，坐标(x_D,y_D)则

x_D ²+(y_D-R₁)²＝R₃ ²   (1)

(x_D-R₂sinθ₀)²+(y_D-R₂cosθ₀)²＝R₃ ²   (2)

E为圆弧AB上一点，该点升程用h表示，DE与OE的夹角α为凸轮曲线压力角，则利用余弦定理可以得到压力角表达式为

$\cos \mathrm{\α}=\frac{{\left|\mathrm{OE}\right|}^2+{\left|\mathrm{DE}\right|}^2-{\left|\mathrm{OD}\right|}^2}{2\left|\mathrm{OE}\right|\·\left|\mathrm{DE}\right|}---\left(3\right)$

直线L为直线AB的中垂线，圆弧AB的圆心D在直线L上，设直线L的方程为

y＝kx+b   (4)

则

|OD|²＝x_D ²+y_D ²   (5)

|ED|²＝|DA|²＝x_D ²+(y_D-R₁)²   (6)

则

$\mathrm{\α}=\arccos (\frac{R_1+h}{2R_3}+\frac{{R_1}^2-2R_1{y}_D}{2R_3(R_1+h)})---\left(7\right)$

公式(7)即为压力角α与R₁、R₂、R₃、h之间一般关系式，当给定常值R₁、R₂时，可确定在不同的R₃取值下压力角α与升程h之间的关系曲线图，通过曲线图即可找到一种适合于突变重载载荷下压力角α随升程h变化所对应的圆弧半径值R₃，即能求出凸轮轮廓曲线。

采用上述适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线技术方案，通过采用圆弧工作轮廓曲线实现了在水阀开启前一阶段即主阀芯开启阶段有很小的压力角，从而保证了顶杆所受附加力比较小，改善了凸轮顶杆机构的受力情况。

本发明技术方案带来的有益效果是：压力角变化规律适合于重载突变负载开启这种场合，压力角在开始阶段具有很小的压力角，圆弧轮廓加工方便，减少了液压系统的能耗，减轻了装置的重量，提高了开启装置的使用寿命。

综上所述，本发明是一种凸轮开启过程中压力角在主阀芯开启阶段很小，与负载特性相匹配并减少顶杆所受附加力的适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法。

附图说明

图1是水路分配系统驱动负载分析图。

图2是凸轮理论廓线示意图。

图3是凸轮理论廓线及压力角分析示意图。

图4是实施例1压力角随升程变化曲线图。

图5是实施例1压力角最小曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

分配阀芯开启凸轮工作速度慢,冲击力小,但静载荷大,在满足强度要求的情况下,尽量满足压力角要求。因为当凸轮工作曲线圆弧半径、基圆半径、凸轮转角、升程选择合理时能满足曲线压力角变化规律要求,同时为便于加工测量,所以凸轮轮廓曲线选用圆弧AB,如图1所示,1是阀芯，2是阀体，3是阀杆，4是导套，5是顶杆，6是滚轮，7是凸轮。圆弧AB段为凸轮轮廓曲线、半径为R₃，R₁为基圆o的半径，R₂为远休止圆弧半径，α为凸轮轮廓曲线压力角，θ₀为凸轮转角，最大升程H＝R₁-R₂,D为工作圆弧的圆心，坐标(x_D,y_D)则

x_D ²+(y_D-R₁)²＝R₃ ²   (1)

(x_D-R₂sinθ₀)²+(y_D-R₂cosθ₀)²＝R₃ ²   (2)

E为圆弧AB上一点，该点升程用h表示，DE与OE的夹角α为凸轮曲线压力角。则利用余弦定理可以得到压力角表达式为

$\cos \mathrm{\α}=\frac{{\left|\mathrm{OE}\right|}^2+{\left|\mathrm{DE}\right|}^2-{\left|\mathrm{OD}\right|}^2}{2\left|\mathrm{OE}\right|\·\left|\mathrm{DE}\right|}---\left(3\right)$

直线L为直线AB的中垂线，圆弧AB的圆心D在直线L上，设直线L的方程为

y＝kx+b   (4)

则

|OD|²＝x_D ²+y_D ²   (5)

|ED|²＝|DA|²＝x_D ²+(y_D-R₁)²   (6)

则

$\mathrm{\α}=\arccos (\frac{R_1+h}{2R_3}+\frac{{R_1}^2-2R_1{y}_D}{2R_3(R_1+h)})---\left(7\right)$

公式(7)即为压力角α与R₁、R₂、R₃、h之间一般关系式。当给定常值R₁、R₂时，可确定在不同的R₃取值下压力角α与升程h之间的关系曲线图。通过曲线图即可找到一种适合于突变重载载荷下压力角α随升程h变化所对应的圆弧半径值R₃，即能求出凸轮轮廓曲线。

实施例1：

以60MN自由锻水压机凸轮轮廓曲线设计为例，凸轮的最小半径为100mm，滚子半径为15mm。升程角为80°，远休止角为40°，顶杆和阀杆之间的间隙为3～5mm，升程为20mm，计算方法如下。凸轮理论工作曲线如图2所示。升程曲线为圆弧AB段，其中A点坐标(0,115)，B点坐标(135cos80°，135sin80°)。所以可以知道直线AB的中垂线L的表达式，即圆弧AB的圆心O’在直线L上。为满足凸轮最小半径为115mm，最大半径为135mm，所以实际上圆心在CD段移动。其中C点为OB的交点，D点为AO延长线的交点。圆心在CE段则在凸轮没有转到80°时最大升程已经超过了20mm，圆心在CD点延长线上则最小凸轮半径已经不是115mm。

取AB弧度上一点E，则分别利用余弦定理可以求得压力角的表达式，如下：

设直线L的方程为y＝kx+b

则|OO'|²＝x²+y²，|EO'|²＝|O'A|²＝x²+(y-115)²

其中k，b已知，分别取几组不同O’E对应的压力角表达式如表1.

表1 不同O’E对应的压力角表达式

因此可以画出圆弧AB的圆心在CD段时，对应同一个圆弧AB半径在不同的升程下的压力角曲线，在同一个图中画出不同的圆弧AB半径对应的压力角对升程变化的曲线图如图3所示。

由上述曲线可知，在升程为3～5mm时，即阀芯刚刚开启的时候，圆弧AB半径对应的为136mm，此时压力角最小，对导套的水平侧向力最小，曲线如图4所示。在求出凸轮理论工作曲线之后，很容易得到凸轮的工作廓线，工作廓线与理论廓线在法线方向的距离等于滚子半径15mm。

通过采用圆弧工作轮廓曲线实现了在水阀开启前一阶段即主阀芯开启阶段有很小的压力角，从而保证了顶杆所受附加力比较小，改善了凸轮顶杆机构的受力情况。

本发明技术方案带来的有益效果：

压力角与负载特性相匹配，减小了开启驱动力变小，降低液压系统的能耗，减轻了装置的重量，提高了装置的使用寿命。

Claims (1)

1.一种适用于突变重载的变压力角凸轮轮廓线的设计方法，包括凸轮轮廓曲线，其特征是：圆弧AB段为凸轮轮廓曲线、半径为R₃，R₁为基圆o的半径，R₂为远休止圆弧半径，α为凸轮轮廓曲线压力角，θ₀为凸轮转角，最大升程H＝R₁-R₂,D为圆弧AB的圆心，坐标(x_D,y_D)则

x_D ²+(y_D-R₁)²＝R₃ ²  (1)

(x_D-R₂sinθ₀)²+(y_D-R₂cosθ₀)²＝R₃ ²  (2)

E为圆弧AB上一点，该点升程用h表示，DE与OE的夹角α为凸轮曲线压力角；则利用余弦定理可以得到压力角表达式为

$\cos \mathrm{\α}=\frac{{\left|\mathrm{OE}\right|}^2+{\left|\mathrm{DE}\right|}^2-{\left|\mathrm{OD}\right|}^2}{2\left|\mathrm{OE}\right|\·\left|\mathrm{DE}\right|}---\left(3\right)$

直线L为直线AB的中垂线，圆弧AB的圆心D在直线L上，设直线L的方程为

y＝kx+b  (4)

则

|OD|²＝x_D ²+y_D ²  (5)

|ED|²＝|DA|²＝x_D ²+(y_D-R₁)²  (6)

则

$\mathrm{\α}=\arccos (\frac{R_1+h}{{2R}_3}+\frac{{R_1}^2-{2R}_1{y}_D}{{2R}_3(R_1+h)})---\left(7\right)$

公式(7)即为压力角α与R₁、R₂、R₃、h之间一般关系式；当给定常值R₁、R₂时，确定在不同的R₃取值下压力角α与升程h之间的关系曲线图，通过曲线图即可找到一种适合于突变重载载荷下压力角α随升程h变化所对应的圆弧半径值R₃，即能求出凸轮轮廓曲线。