自動(dòng)去冒口裝置的多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊松，高宏力，黃海鳳，李世超，王勇

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610000)

0 前言

冒口是鑄型內(nèi)用以存儲(chǔ)金屬液的空腔，在鑄件形成時(shí)補(bǔ)給金屬，有防止縮孔、縮松、排氣和集渣的作用。某所在澆鑄部件時(shí)需要等待澆鑄液完全凝固后將冒口去掉，目前所采用的是人工用木榔頭敲擊冒口的上沿，通過(guò)工裝的預(yù)缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及在彎矩的作用下，使冒口內(nèi)的澆鑄液在其根部脫離，從而達(dá)到去冒口的目的。然而采用人工的方法不僅效率低而且由于敲擊過(guò)程的隨機(jī)性，難以保證澆鑄件的質(zhì)量。因此提出了一種自動(dòng)去冒口裝置，其控制系統(tǒng)采用液壓控制。

1 自動(dòng)去冒口裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)去冒口裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)去冒口裝置示意圖

整體而言由11個(gè)部件組成整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，外加一些輔助零部件。工作時(shí)2號(hào)液壓缸上升到冒口總高度的2/3處;1號(hào)液壓缸動(dòng)作左行，推動(dòng)2號(hào)液壓缸及連接的扭轉(zhuǎn)機(jī)械手和2號(hào)液壓馬達(dá)到達(dá)指定位置、1號(hào)液壓缸鎖緊;采用氣動(dòng)的方式開(kāi)啟扭轉(zhuǎn)機(jī)械手，夾住冒口、啟動(dòng)2號(hào)力矩馬達(dá)，在力矩馬達(dá)的作用下扭斷夾持的冒口，扭斷后力矩馬達(dá)反轉(zhuǎn)歸位;3號(hào)液壓缸下行，氣動(dòng)打開(kāi)抓提冒口機(jī)械手，夾緊后3號(hào)液壓缸上行提走冒口;1號(hào)液壓缸右行歸位;2號(hào)液壓缸依靠載荷自重下行歸位;1號(hào)液壓馬達(dá)動(dòng)作，1號(hào)液壓馬達(dá)與齒輪齒條相連接，將液壓馬達(dá)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成門(mén)架的直線運(yùn)動(dòng)，門(mén)架移動(dòng)到指定行程位;3號(hào)液壓馬達(dá)動(dòng)作，移走抓取冒口機(jī)械手到冒口回收處，松開(kāi)機(jī)械手進(jìn)行冒口的下放回收。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求情況分析

從上述的工作原理可知對(duì)液壓系統(tǒng)的順序動(dòng)作要求，動(dòng)作流程如圖2所示。

圖2 液壓馬達(dá)、液壓缸動(dòng)作順序流程圖

由圖2可知，整個(gè)液壓控制系統(tǒng)最重要的是3個(gè)液壓缸、3個(gè)液壓馬達(dá)的嚴(yán)格順序動(dòng)作執(zhí)行，上一個(gè)執(zhí)行器的動(dòng)作結(jié)束嚴(yán)格邏輯對(duì)應(yīng)這下一個(gè)執(zhí)行器的開(kāi)始。2號(hào)液壓缸和1號(hào)液壓缸可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速并順序動(dòng)作完成后要求能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定，為了減小泵站的負(fù)荷，鎖定后實(shí)現(xiàn)卸荷;3號(hào)液壓缸抓提冒口的上下行過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以較快的速度運(yùn)行，以提高工作效率;2號(hào)力矩馬達(dá)實(shí)現(xiàn)從開(kāi)啟到扭斷冒口的整個(gè)過(guò)程控制在5 s左右，扭轉(zhuǎn)過(guò)程中不得與裝藥件產(chǎn)生干涉，這就要求2號(hào)液壓馬達(dá)的執(zhí)行回路能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速、調(diào)壓功能; 3個(gè)液壓馬達(dá)采用同一個(gè)調(diào)速控制回路，用電磁換向閥進(jìn)行油路的切換。

3 擬定液壓系統(tǒng)原理圖

在擬定液壓系統(tǒng)圖的過(guò)程中，首先通過(guò)分析對(duì)比選擇出各種合適的液壓回路，然后將這些回路拼接成完整的液壓系統(tǒng)。在選定了滿(mǎn)足主要要求的主液壓回路之后;再配上過(guò)濾、測(cè)壓、控溫之類(lèi)的輔助回路，即可將他們組成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)［1］。擬定的液壓系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)去冒口裝置液壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)涉及到多執(zhí)行器順序控制回路、調(diào)速回路、方向控制回路、鎖緊回路、保護(hù)回路等其他回路設(shè)計(jì)。整個(gè)液壓系統(tǒng)中2號(hào)液壓缸承受的載荷最大，最大靜載荷為14 700 N，因此可采用單定量泵泵供油的開(kāi)式回路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力10 MPa。

(1)順序控制回路設(shè)計(jì)

在多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)中，多采用換向閥并聯(lián)和串聯(lián)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)［2］，由于應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，該系統(tǒng)以三位四通電磁換向閥串聯(lián)為主順序控制回路同時(shí)輔以壓力控制順序動(dòng)作回路。

在液壓設(shè)備中，常常采用一個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)液壓缸，以實(shí)現(xiàn)工作部件的特定功能。通常也采用順序閥控制各元件的動(dòng)作順序，由于多缸系統(tǒng)回路復(fù)雜，各油路之間極易產(chǎn)生干擾而使壓力誤動(dòng)作，導(dǎo)致系統(tǒng)工作順序紊亂。因此，設(shè)計(jì)這類(lèi)系統(tǒng)時(shí)，必須重視壓力閥的合理選擇與應(yīng)用。按照控制方式的不同分為內(nèi)控式順序閥和外控式順序閥，對(duì)于只進(jìn)行順序控制的液壓系統(tǒng)，選用一般的順序閥就可以，對(duì)于同時(shí)需要進(jìn)行速度和順序控制的液壓系統(tǒng)，選用順序閥時(shí)應(yīng)慎重考慮其控制方式，以免造成液壓缸的動(dòng)作干涉［3］。

針對(duì)1號(hào)液壓缸和2號(hào)液壓缸同時(shí)需要進(jìn)行速度和順序控制液壓系統(tǒng)，在此選擇外控式順序閥，避免了如果內(nèi)控式順序閥開(kāi)啟壓力高于系統(tǒng)壓力時(shí)順序閥無(wú)法打開(kāi)，如果其壓力設(shè)定值低于系統(tǒng)壓力時(shí)，兩個(gè)液壓缸無(wú)法順序動(dòng)作的情況［4］。

啟動(dòng)開(kāi)始按鈕，電磁換向閥置于右位，壓力油經(jīng)過(guò)液控單向閥和節(jié)流閥進(jìn)入1號(hào)液壓缸，壓力油經(jīng)單向閥回油，當(dāng)一號(hào)液壓缸到位后，無(wú)桿腔內(nèi)壓力上升，壓力值達(dá)到順序閥的設(shè)定壓力值時(shí)打開(kāi)2號(hào)液壓缸，順序到位后電磁閥斷電中位鎖緊。電磁閥置于左位時(shí)，一號(hào)液壓缸的順序閥此時(shí)沒(méi)打開(kāi)，壓力油先進(jìn)入2號(hào)液壓缸，溢流閥保壓，2號(hào)液壓缸順序到位后，有桿腔壓力上升，只要將溢流閥的壓力值設(shè)定為當(dāng)2號(hào)液壓缸到達(dá)原位時(shí)內(nèi)部的壓力值即可，同時(shí)將1號(hào)液壓缸的順序閥壓力設(shè)定為溢流閥的壓力值，2號(hào)液壓缸歸位后打開(kāi)1號(hào)液壓缸的順序閥，2號(hào)液壓缸有桿腔進(jìn)油并打開(kāi)液控單向閥，在負(fù)載自重和壓力油的作用下負(fù)載下降，此時(shí)節(jié)流閥的節(jié)流口保證了負(fù)載的下降速度，使得重物平穩(wěn)下降。

(2)調(diào)速回路設(shè)計(jì)

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度要求各不相同，而液壓源往往是共用的，要解決各執(zhí)行元件不同的速度要求，就要采取速度控制回路［5］。系統(tǒng)中3個(gè)液壓缸采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能獲得較大調(diào)速范圍的節(jié)流調(diào)速回路，3個(gè)液壓馬達(dá)則采用定量泵+變量雙向馬達(dá)的容積調(diào)速回路。

(3)鎖緊回路設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著人們多鎖緊回路研究的不斷深入，實(shí)現(xiàn)回路鎖緊的方法也變得多樣化。根據(jù)鎖緊原件的不同，目前常見(jiàn)的鎖緊回路有換向閥鎖緊回路、單向順序閥鎖緊回路、及液控單向閥鎖緊回路［6］。系統(tǒng)中承受最大載荷的2號(hào)液壓缸的行程262 mm，啟動(dòng)時(shí)最大載荷約為3 000 N，加速時(shí)最大載荷約為3 097.5 N，動(dòng)作過(guò)程中不存在較大的載荷波動(dòng)，因此可以采用M型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥設(shè)計(jì)成雙向鎖緊回路。由于滑閥的泄漏量大，為了系統(tǒng)的可靠性，在2號(hào)液壓缸的進(jìn)油口布置一個(gè)液控單向閥。液控單向閥的閥芯為錐形，兩個(gè)油口之間的壓差越大，閥芯和閥座之間就壓的越緊，密封效果好，泄漏量小，因此，其鎖緊保壓的效果也就越好，并能使負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確、可靠的保持在任意位置上。

(4)保護(hù)回路設(shè)計(jì)

在液壓泵的出口處安裝先導(dǎo)式電磁溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)液壓系統(tǒng)的壓力，保證系統(tǒng)正常工作，實(shí)現(xiàn)液壓泵零壓?jiǎn)?dòng)，使電機(jī)在空載下啟動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障、超載時(shí)自動(dòng)卸荷。在液壓泵與工作回路間加一個(gè)單向閥，使工作回路與液壓泵分開(kāi)，使系統(tǒng)在工作不正常時(shí)產(chǎn)生的液壓波動(dòng)不影響液壓泵的工作，保證液壓泵向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力［7］。

(5)閥控液壓缸直線位置伺服回路設(shè)計(jì)

3號(hào)液壓缸上裝有機(jī)械手，用以提走2號(hào)力矩馬達(dá)扭斷的冒口，因此需要對(duì)于其下行的位置進(jìn)行控制。閥控3號(hào)液壓缸的電液伺服位置系統(tǒng)如圖4所示，由電液伺服閥、液壓缸、位移傳感器和放大器組成。位置傳感器將液壓缸的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)與輸入信號(hào)相比較，得到偏差信號(hào)，經(jīng)伺服放大器放大，輸出控制電流控制伺服閥芯的運(yùn)動(dòng)，輸出電壓推動(dòng)液壓缸，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)［8-9］。

圖4 自動(dòng)去冒口裝置液壓系統(tǒng)

(6)閥控力矩馬達(dá)角度位置回路設(shè)計(jì)

在很多實(shí)際場(chǎng)合中，也經(jīng)常需要對(duì)液壓馬達(dá)的角位移進(jìn)行控制，如全自動(dòng)垃圾吊，電鍍車(chē)間的工作起重機(jī)等。文中2號(hào)液壓缸上的扭轉(zhuǎn)機(jī)械手緊抓住冒口，在力矩馬達(dá)的扭矩作用下扭斷冒口，在保證扭矩力的前提下將其扭斷，扭轉(zhuǎn)機(jī)械手勢(shì)必與水平成一定角度，扭斷后則需要將力矩馬達(dá)反轉(zhuǎn)一定角度后歸位，因此需要對(duì)2號(hào)力矩馬達(dá)進(jìn)行角位移控制。閥控2號(hào)力矩馬達(dá)電液轉(zhuǎn)角位置伺服控制回路如圖5所示。

圖5 閥控力矩馬達(dá)電液轉(zhuǎn)角位置伺服回路

當(dāng)力矩馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便可帶動(dòng)安裝在輸出軸上的編碼器一起運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中選擇絕對(duì)編碼器作為角位移測(cè)量傳感器，工控機(jī)運(yùn)行采集和控制程序，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)物理量的數(shù)據(jù)采集和控制［10］，將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后與伺服放大器的輸入信號(hào)進(jìn)行比較，從而組成一個(gè)閉環(huán)的閥控馬達(dá)位置伺服系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)中主要的難點(diǎn)是多執(zhí)行器的順序控制，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，各個(gè)執(zhí)行器有著嚴(yán)格的順序控制要求，同時(shí)又包含著各自獨(dú)立回路設(shè)計(jì)。當(dāng)前主要的多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多數(shù)針對(duì)的是兩個(gè)執(zhí)行器的順序控制，因此可以采用簡(jiǎn)單的順序閥來(lái)實(shí)現(xiàn)順序控制。該系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)執(zhí)行器的順序控制，加上運(yùn)用場(chǎng)合的特殊性，于是采用換向閥的串聯(lián)為主順序控制回路，同時(shí)輔以壓力順序閥控制的順序控制回路，為防止順序閥的誤動(dòng)作，采用了外控式的壓力順序閥，避免了內(nèi)控式順序閥和溢流閥直接相連時(shí)兩個(gè)液壓缸無(wú)法順序動(dòng)作。在其他的設(shè)計(jì)回路中，為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用了液控單向閥及M型中位機(jī)能的換向閥實(shí)現(xiàn)雙向鎖定，壓力控制回路設(shè)計(jì)上，采用溢流閥并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，使得系統(tǒng)能夠?yàn)閳?zhí)行器提供不同的系統(tǒng)壓力，滿(mǎn)足各個(gè)執(zhí)行器對(duì)自身壓力的需求。通過(guò)采用將各個(gè)不同的液壓回路重組成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，不僅保證了各個(gè)液壓回路的可靠運(yùn)行，而且各個(gè)回路之間相互補(bǔ)充，大大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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