CN108856618B - 曲柄压力机智能化节能过载保护装置及过载保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲柄压力机智能化节能过载保护装置，端盖约束着连杆球头，该球头安装在球形支座中，该支座设置于缸体中，其支座底部与弹簧上端连接，弹簧下端固定于缸体内底部；压力传感器就位于缸体外底和调整垫板之间，并通过数据线与控制器相连，调整垫板位于滑块上；缸体内沿内壁环形竖向设置有若干永磁铁，且相邻永磁体N极和S极相间设置；缸体内填充有磁流变液；缸体端盖上固定有限位端盖，限位端盖上安装有通过数据线与控制器相连的行程开关；球形支座将缸体内腔分为两部分，两部分通过支座上的节流孔连通；支座上位于节流孔内侧的线圈绕组通电产生的磁极极性和永磁铁的配置一样都是交替排布。本发明还公开了利用该装置的保护方法。

Description

曲柄压力机智能化节能过载保护装置及过载保护方法

技术领域

本发明涉及一种锻压机械技术，尤其是一种曲柄压力机智能化节能过载保护装置及过载保护方法。

背景技术

曲柄压力机在传统机械加工行业中起着非常重要的作用，可对板料、条料和卷材进行剪切、冲孔、落料、成型、弯曲、铆合等工序，尤其是对吨位比较大的曲柄压力机，通过对金属毛坯施加强大的压力使金属发生塑性变形和断裂来完成零件的加工。曲柄压力机在实际生产过程中经常会面临过载问题，从而会对曲柄压力机造成比较严重的损害，特别是对大型曲柄压力机，造成的生产损失更加严重。

面对曲柄压力机的过载问题，现有的解决办法无论是机械式还是液压式总是存在各自不同的问题。

机械式过载保护装置，由于机械式压塌块材质本身成份和金相组织的差异、加工误差，使得压塌块材料剪切强度（剪切强度往往是在一个范围的取值）和剪切面积不能精准确定，并且在压力机长时间满负荷工作时容易导致压塌块疲劳断裂，所以难以保证过载保护装置的精确性；

而液压式过载保护装置受到压力控制阀控制压力的限制，而压力控制阀的控制压力也要受到诸多因素的影响，如阀的动态性能、工作介质粘度、现场环境温度等限制，往往控制的压力是一个范围。

这些导致机械式过载保护装置和液压式过载保护装置性能不稳定、精确度和可靠性达不到设计要求，有的基本起不到精准的保护作用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种曲柄压力机智能化节能过载保护装置及过载保护方法，该装置安全高效、智能化、节能环保、成本低。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种曲柄压力机智能化节能过载保护装置，包括曲柄连杆滑块机构，所述曲柄连杆滑块机构的滑块上连接有端盖，端盖约束着连杆的连杆球头，连杆球头安装在球形支座的球形槽中，球形支座设置于缸体中，且球形支座的底部与竖向设置的弹簧上端连接，弹簧下端固定于缸体内底部；

缸体外底部有凹槽，凹槽中设有调整垫板，调整垫板上固定有压力传感器，调整垫板安装在滑块上，压力传感器通过数据线与控制器相连；

缸体内沿内壁环形竖向设置有若干永磁铁，且相邻永磁体N极和S极相间设置，即永磁铁的磁极极性是交替排布；

缸体内填充有磁流变液，并通过缸体上的缸体端盖和密封圈密封在缸体内；缸体端盖上固定有用于限制球形支座上移最高位置的限位端盖，限位端盖上安装有行程开关，行程开关通过数据线与控制器相连；

球形支座纵向断面为倒T型，用铁磁性材料制成，其水平延伸部将缸体内腔分为上下两部分，上下两部分腔体通过水平延伸部上设置的竖向节流孔连通，磁流变液经此孔能够在缸体内由球形支座分隔的上下腔体内流动，通过螺钉封堵来调整该节流孔的有效个数，控制压力机迅速从过载状态中不受剧烈冲击地脱离出来。

位于节流孔内侧的支座的水平延伸部上设置有线圈绕组，线圈绕组的缠绕方式是相邻线圈绕组电流异向，线圈绕组在通电的情况下根据安培右手螺旋定则，相邻电流异向的绕组产生的合磁场近似于电磁铁的N极和S极，在磁流变液工作区域的该线圈绕组所产生磁场与环形布置的永磁铁所产生磁场强度大小相等方向相反，并且线圈绕组的磁极极性和永磁铁的配置一致都是交替排布的，过载时，由于线圈绕组磁场的作用，使工作区域磁流变液失去磁场的束缚，变成容易流动的液体，球形支座相对滑块会发生相对运动而卸载，线圈绕组所在的球形支座和环形分布永磁铁之间通过防转键与键槽连接使之不能发生相对转动。

所述压力传感器通过胶粘剂粘贴在调整垫板上。

所述控制器由PLC模拟模块和逻辑控制模块组成，为现有技术，在此不再赘述。

所述球形支座与缸体内壁之间有间隙，磁流变液经此间隙能够在缸体内由球形支座分隔的上下腔体内流动。

一种利用曲柄压力机智能化节能过载保护装置的过载保护方法，包括：

1）压力传感器实时检测曲柄压力机工作状态下的工作压力，并通过自身的压电效应把压力信号转换成电信号，传送给控制器的PLC模拟量输入模块，PLC的模拟量输入模块通过A/D转换把采集的压力传感器的电信号转换成数字信号，PLC在每个扫描周期内对转换成的数字信号扫描一次，每一次扫描完成后，把扫描到的压力数字信号与预先设置的过载阈值进行比较，检测曲柄压力机是否处于过载状态；

2）当压力出现过载时，即力传感器测量出的工作压力值大于过载阈值（这个阈值一般是曲柄压力机的工程压力），压力传感器在压电效应下会产生电信号，并将该信号传送到控制器，控制器在接受到压力传感器传送的曲柄压力机过载电信号后，控制器会对线圈绕组通电，蜂鸣器报警，同时使曲柄压力机工作机构停止工作；

3）磁流变液在环形布置的永磁铁施加的磁场下其内部的磁质悬浮颗粒沿磁力线形成链层结构，当线圈绕组通电后，由于线圈绕组采用相邻绕组电流异向的缠绕方式以及环形布置的永磁铁采用N极与S极交替组合的方式，在磁流变液工作区域线圈绕组产生的感应磁场与环形布置的永磁铁产生的磁场大小相等方向相反，由于电磁线圈产生的磁场和永磁铁产生的磁场相互作用，使工作区域磁流变液失去磁场的束缚，该液体里的磁质悬浮颗粒链层解体，就成为易流动的液体，层间传力消失，磁流变液的剪切应力与曲柄压力机的过载压力相比近似于零；

4）在连杆球头和球形支座过载压力的作用下，下腔的磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的间隙进入到球形支座的上腔，球形支座和连杆球头相对滑块产生向下相对移动位移，压力机的曲柄连杆滑块机构通过了下死点，使压力机迅速从过载状态中不受剧烈冲击地脱离出来；

5）随着滑块的回程运动，此时球形支座和连杆球头在弹簧弹力和滑块重力的作用下，使上腔的磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的设计间隙进入到球形支座的下腔，进而曲柄连杆滑块机构就恢复至保护前的原有状态；

6）当球形支座恢复至原有高度后，此时球形支座会触碰到位于限位端盖上的行程开关，行程开关发出信号给控制器，控制器在接受到反馈信号后，给线圈绕组断电和曲柄压力机工作机构通电，蜂鸣器报警结束，把压力机的滑块调整到上死点，线圈绕组的感应磁场消失，使工作区的磁流变液磁质悬浮颗粒在环形布置的永磁铁产生的磁场下重新形成链层结构，曲柄压力机恢复正常工作，从而实现了对曲柄压力机的智能化节能过载保护。

在曲柄压力机过载时，本发明的传感器会把信号传递到控制器，该控制器会让曲柄压力机停止工作，蜂鸣器报警，并使线圈绕组通电，在磁流变液工作区域的线圈绕组产生感应磁场与环形布置的永磁铁产生的磁场大小相等方向相反，通过磁场间相互作用，工作区域磁流变液失去磁场的束缚在球形支座的压力下通过节流孔和设计间隙进入上腔，球形支座和连杆球头相对于滑块高度下降，使曲柄压力机脱离出过载状态，随着滑块的回程运动，当行程开关检测到球形支座在弹簧和滑块重力的作用下恢复至原有高度，线圈绕组断电，蜂鸣器报警解除，把压力机的滑块调整到上死点，曲柄压力机恢复正常状态，从而实现对曲柄压力机的过载保护。

本发明克服了传统过载保护装置不足，将精准的压力传感器性能、计算机控制系统的性能（往往是PLC）与磁流变液性能相结合，实现精准测量，控制及时、卸载迅速不受剧烈冲击、保护后及时复位。

使用环形布置的永磁铁取代线圈绕组提供磁场，节省了电能，因此实现了对曲柄压力机智能化、节能化过载保护，提高了曲柄压力机的工作效率，避免了因曲柄压力机过载造成的损失，延长了曲柄压力机的使用寿命。由于过载保护装置采用了高灵敏度的力传感器，从而保证了过载保护装置的准确性、稳定性和可靠性。

整个系统是一个节能化、智能化的过载保护系统，有检测环节、机械执行环节、控制环节、反馈环节，在确保实现曲柄压力机过载保护智能化的基础上最大程度的节省了电能，降低了加工成本，对于大型多点曲柄压力机，可以使用多个保护装置，过载后几乎不用人工参与就自动复位，不需要维修，使用成本低。

附图说明

图1为曲柄压力机智能化节能过载保护装置的剖视图；

图2是图1中去掉弹簧的B-B剖视图，环形布置的永磁铁的分布图；

图3是 图1中A-A剖视图，环形布置电磁线圈绕组的分布图；

图4为线圈绕组和环形布置的永磁铁的磁极相互作用原理图。

图中：1.连杆球头、2.限位端盖、3.球形支座、4.缸体端盖、5.密封圈、6.磁流变液、7.节流孔、8.环形分布永磁铁、9.线圈绕组、10.弹簧、11.压力传感器、12.粘结剂、13.调整垫板、14.缸体、15.行程开关、16.端盖、17.滑块、18.防转键。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例如图1-图4所示，其中图1为曲柄压力机智能化节能过载保护装置的剖视图，表示了整个装置的结构；图2是图1中去掉弹簧的B-B剖视图，表示了环形布置的永磁铁的分布；图3 是图1中A-A剖视图，表示了环形布置电磁线圈绕组的分布图；图4为线圈绕组和环形布置的永磁铁的磁极相互作用原理图。曲柄压力机智能化节能过载保护装置，包括曲柄连杆滑块机构，所述曲柄连杆滑块机构的滑块17上连接有端盖16，端盖16约束着连杆的连杆球头1，连杆球头1安装在球形支座3的球形槽中，球形支座3设置于缸体14中，且球形支座3的底部与竖向设置的弹簧10上端连接，弹簧10下端固定于缸体14内底部；

缸体14外底部有凹槽，凹槽中设有调整垫板13，调整垫板上通过粘结剂12粘结有压力传感器11，调整垫板13安装在滑块17上，压力传感器11通过数据线与控制器相连；

缸体14内沿内壁竖向设置有若干环形分布永磁铁8，且相邻永磁体N极和S极相间设置，即永磁铁的磁极极性是交替排布，具体如图2所示；

缸体14内填充有磁流变液6，并通过缸体14上的缸体端盖4和密封圈5密封在缸体14内；作为工作介质的磁流变液6所需要的磁场由环形布置的永磁铁提供，节省了电能。在球形支座3与缸体14之间所设置的磁流变液6通过球形支座将磁流变液分成了上下两个腔体。缸体端盖4上固定有用于限制球形支座3上移最高位置的限位端盖2，限位端盖2上安装有行程开关15，行程开关15通过数据线与控制器相连。

球形支座3纵向断面为倒T型，用铁磁性材料制成，其水平延伸部将缸体内腔分为上下两部分，上下两部分腔体通过水平延伸部上设置的竖向节流孔7连通，磁流变液经此孔能够在缸体内由球形支座分隔的上下腔体内流动；在球形支座上所设置的节流孔为细牙螺纹孔，通过在其上是否安装螺钉来改变节流孔的数目，从而控制了单位时间内磁流变液的流量，使曲柄压力机过载时的卸载时间得到调节，让压力机迅速从过载状态中不受剧烈冲击地脱离出来。

位于节流孔7内侧的支座的水平延伸部上设置有线圈绕组9；线圈绕组9的缠绕方式是相邻线圈绕组9电流异向，线圈绕组9在通电的情况下根据安培右手螺旋定则，相邻电流异向的绕组产生的合磁场近似于电磁铁的N极和S极，具体如图3所示，在磁流变液工作区域的该线圈绕组通电所产生磁场与环形布置的永磁铁所产生磁场强度大小相等方向相反，并且线圈绕组的磁极极性和永磁铁的配置一样都是交替排布的，具体如图4所示，过载时，由于线圈绕组磁场的作用，使工作区域磁流变液失去磁场的束缚，变成容易流动的液体，球形支座3相对滑块17发生相对运动而卸载，线圈绕组所在的球形支座3和环形分布永磁铁8之间通过防转键18与键槽连接使之不能发生相对转动。

当曲柄压力机工作机构处于正常工作情况下，由于环形布置的永磁铁产生的强磁场单独作用，磁流变液内的磁质悬浮颗粒被磁化，沿磁力线排列成链层结构，由于磁质悬浮颗粒组成的链层之间存在着层间传力，使工作区的磁流变液剪切应力大大增强，此时磁流变液的最大剪切力等于曲柄压力机的工程压力（一般将这个工程压力设定为过载阈值），从而保证了曲柄压力机正常工作，满足了曲柄压力机的工作需求。安装不同磁场强度的环形布置的永磁铁可以改变磁质颗粒链层的紧密性，使链层的层间传力得到相应的改变，从而使磁流变液在剪切应力的作用下屈服强度得以改变，以满足不同吨位曲柄压力机的要求。

控制器由PLC模拟模块和逻辑控制模块组成，为现有技术，在此不再赘述。

球形支座3与缸体14内壁之间有间隙和节流孔7，磁流变液6经此间隙和节流孔7能够在缸体14内由球形支座3分隔的上下腔体内流动。

一种利用曲柄压力机智能化节能过载保护装置的过载保护方法，包括：

1）压力传感器精准地实时检测曲柄压力机工作状态下的工作压力；在曲柄压力机工作压力的作用下，压力传感器因自身的压电效应会产生相应的电信号，该电信号传送给控制器的PLC模拟量输入模块， PLC的模拟量输入模块通过A/D转换把采集的压力传感器的电信号转换成数字信号，PLC的扫描周期一般为1-100ms,每间隔一个扫描周期，PLC内部的自检系统都会把得到的数字信号与预先设置的过载阈值进行比较（一般将曲柄压力机的工程压力值设定为过载阈值），检测曲柄压力机是否处于过载状态，从而实现了对曲柄压力机工作载荷的实时监控，由于PLC的扫描周期时间极短，避免了曲柄压力机长时间处于过载状态所造成的损害。控制环节的功能主要由PLC的模拟模块、逻辑控制模块和继电器来完成；

2）当压力出现过载时，即力传感器测量出的工作压力值大于过载阈值，压力传感器在压电效应下会产生电信号，并将该信号传送到控制器，控制器在接受到压力传感器传送的曲柄压力机过载电信号后，控制器会对线圈绕组通电，蜂鸣器报警，同时使曲柄压力机工作机构停止工作；

3）环形布置的永磁铁8产生强磁场，使磁流变液6内的磁质悬浮颗粒被磁化，沿磁力线方向排列，在缸体14内部沿竖直中心线方向形成空间链层结构，此时磁流变液6呈现出类固体状态，由于磁质悬浮颗粒链层之间传力的存在，使磁流变液6的剪切应力增强，大于曲柄压力机的工程压力（一般将这个工程压力值设定为过载阈值），从而对球形支座3起到足够的支撑作用，满足了曲柄压力机的正常工作要求；

曲柄压力机正常工作状态下，线圈绕组9不通电，从而节省了电能，在曲柄压力机过载时才对其通电，当线圈绕组通电后，由于线圈绕组采用相邻绕组电流异向的缠绕方式以及环形布置的永磁铁采用N极与S极交替组合的方式，在磁流变液工作区域线圈绕组产生的感应磁场与环形布置的永磁铁产生的磁场大小相等方向相反，由于电磁线圈产生的磁场和永磁铁产生的磁场相互作用，使工作区域磁流变液失去磁场的束缚，该液体里的磁质悬浮颗粒链层解体，就成为易流动的液体，层间传力消失，磁流变液的剪切应力与曲柄压力机的过载压力相比近似于零；

4）在连杆球头和球形支座过载压力的作用下，下腔的磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的间隙进入到球形支座的上腔，球形支座和连杆球头相对滑块产生向下移动的相对位移，压力机的曲柄连杆滑块机构通过了下死点，使压力机迅速从过载状态中不受剧烈冲击地脱离出来，实现对曲柄压力机的过载保护；

5）当曲柄压力机脱离出过载状态复位后，随着滑块的回程运动，此时球形支座和连杆球头在弹簧弹力和滑块重力的作用下，使上腔的磁流变液通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的设计间隙进入到球形支座的下腔，进而曲柄连杆滑块机构就恢复至保护前的原有状态；

6）当球形支座恢复至原有高度后，此时球形支座会触碰到位于限位端盖上的行程开关，行程开关发出信号给控制器，控制器在接受到反馈信号后，逻辑控制模块产生相应的逻辑控制信号，控制继电器对曲柄压力机工作机构重新通电以及对线圈绕组断电，蜂鸣器报警结束，把压力机的滑块调整到上死点，线圈绕组的感应磁场消失，使工作区的磁流变液磁质悬浮颗粒在环形布置的永磁铁产生的磁场下重新形成链层结构，曲柄压力机恢复正常工作，从而实现了对曲柄压力机的智能化节能过载保护。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种曲柄压力机智能化节能过载保护装置，其特征是，包括曲柄连杆滑块机构，所述曲柄连杆滑块机构的滑块上连接有端盖，端盖约束着连杆的连杆球头，连杆球头安装在球形支座的球形槽中，球形支座设置于缸体中，且球形支座的底部与竖向设置的弹簧上端连接，弹簧下端固定于缸体内底部；

缸体外底部有凹槽，凹槽中设有调整垫板，调整垫板上固定有压力传感器，调整垫板安装在滑块上，压力传感器通过数据线与控制器相连；所述压力传感器通过胶粘剂粘贴在调整垫板上；所述控制器由PLC模拟模块和逻辑控制模块组成；

缸体内沿内壁环形竖向设置有若干永磁铁，且相邻永磁体N极和S极相间设置，即永磁铁的磁极极性是交替排布；

缸体内填充有磁流变液，并通过缸体上的缸体端盖和密封圈密封在缸体内；缸体端盖上固定有用于限制球形支座上移最高位置的限位端盖，限位端盖上安装有行程开关，行程开关通过数据线与控制器相连；

球形支座纵向断面为倒T型，其水平延伸部将缸体内腔分为上下两部分，上下两部分腔体通过水平延伸部上设置的竖向节流孔连通；

位于节流孔内侧的支座水平延伸部上设置有线圈绕组，线圈绕组通电后的磁极极性交替排布，线圈绕组的缠绕方式是相邻线圈绕组电流异向，线圈绕组在通电的情况下根据安培右手螺旋定则，相邻电流异向的绕组产生的合磁场近似于电磁铁的N极和S极，在磁流变液工作区域的该线圈绕组所产生磁场与环形布置的永磁铁所产生磁场强度大小相等方向相反。

2.如权利要求1所述的曲柄压力机智能化节能过载保护装置，其特征是，所述球形支座与缸体内壁之间有间隙，磁流变液经此间隙能够在缸体内由球形支座分隔的上下腔体内流动。

3. 如权利要求1所述的曲柄压力机智能化节能过载保护装置，其特征是， 线圈绕组所在的球形支座和环形分布永磁铁之间通过防转键与键槽连接，使球形支座和永磁铁不能发生相对转动。

4.一种利用曲柄压力机智能化节能过载保护装置的过载保护方法，其特征是：包括：

1）压力传感器实时检测曲柄压力机工作状态下的工作压力，并通过自身的压电效应把压力信号转换成电信号，传送给控制器的PLC模拟量输入模块，PLC的模拟量输入模块通过A/D转换把采集的压力传感器的电信号转换成数字信号，PLC在每个扫描周期内对转换成的数字信号扫描一次，每一次扫描完成后，把扫描到的压力数字信号与预先设置的过载阈值进行比较，检测曲柄压力机是否处于过载状态；

2）当压力出现过载时，压力传感器在压电效应下会产生电信号，并将该信号传送到控制器，控制器在接受到压力传感器传送的曲柄压力机过载电信号后，控制器会对线圈绕组通电，蜂鸣器报警，同时使曲柄压力机工作机构停止工作；

3）磁流变液在环形布置的永磁铁施加的磁场下其内部的磁质悬浮颗粒沿磁力线形成链层结构，当线圈绕组通电后，由于线圈绕组采用相邻绕组电流异向的缠绕方式以及环形布置的永磁铁采用N极与S极交替组合的方式，在磁流变液工作区域线圈绕组产生的感应磁场与环形布置的永磁铁产生的磁场大小相等方向相反，由于电磁线圈产生的磁场和永磁铁产生的磁场相互作用，使工作区域磁流变液失去磁场的束缚，该磁流变液里的磁质悬浮颗粒链层解体，就成为易流动的液体，层间传力消失，磁流变液的剪切应力与曲柄压力机的过载压力相比近似于零；

4）在连杆球头和球形支座过载压力的作用下，下腔的磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的间隙进入到球形支座的上腔，球形支座和连杆球头相对滑块产生向下相对移动位移，压力机的曲柄连杆滑块机构通过了下死点，使压力机迅速从过载状态中不受剧烈冲击地脱离出来；

5）随着滑块的回程运动，此时球形支座和连杆球头在弹簧弹力和滑块重力的作用下，使上腔的磁流变液会通过节流孔和球形支座与缸体内壁之间的设计间隙进入到球形支座的下腔，进而曲柄连杆滑块机构就恢复至保护前的原有状态；

6）当球形支座恢复至原有高度后，此时球形支座会触碰到位于限位端盖上的行程开关，行程开关发出信号给控制器，控制器在接受到反馈信号后，给线圈绕组断电和曲柄压力机工作机构通电，蜂鸣器报警结束，把压力机的滑块调整到上死点，线圈绕组的感应磁场消失，使工作区的磁流变液磁质悬浮颗粒在环形布置的永磁铁产生的磁场下重新形成链层结构，曲柄压力机恢复正常工作，从而实现了对曲柄压力机的智能化节能过载保护。