發(fā)動機機體加工中位置控制系統(tǒng)的研究
【摘要】本文針對發(fā)動機機體加工過程中工作滑臺普遍存在的位置精度差、故障率高的現(xiàn)狀，在充分比較現(xiàn)有工作滑臺位置控制方法的基礎(chǔ)上，提出了一種經(jīng)濟實用的位置控制方法：基于插裝技ZSL大型冷礦振動篩機術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)。它通過容積調(diào)速、插裝技術(shù)、機械反饋等技術(shù)的應(yīng)用，使大功率、快速進給的工作滑臺也能獲得良好的位置精度。
電磁震動給料機 關(guān)鍵詞：插裝技術(shù) 容積調(diào)速 機械反饋 位置控制
1.發(fā)動機機體加反擊破設(shè)備工中位置控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
發(fā)動機零部件的加工主要包括精加工（磨削、精鏜及拋光）、半精加工及粗加工。在半精加工及粗加工自動線上使用了大量的機械滑臺和液壓滑臺。這些普通的機械滑臺和液壓滑臺不能精確地進行位置控制，不僅不能較好地滿足加工質(zhì)量要求，并且機械滑臺的傳動間隙，液壓滑臺停止時的巨波紋擋邊輸送機大沖擊都容易導(dǎo)致設(shè)備事故。比如大連產(chǎn)DU3747鏜床在進行康明斯B系列發(fā)動機缸孔半精鏜加工時,在完成鏜孔工藝后還需完成缸孔的倒角工藝，因而需要較為精確地控制倒角刀的位置，滑臺的機械限位因故障頻繁被取消，而由行程開關(guān)控制的液壓系統(tǒng)其位置控制精度較差。為提高發(fā)動機機體加工質(zhì)量和效率，降低加工成本迫切需要開發(fā)出在高速進給和大功率輸出狀態(tài)下充分滿足半精加工要求的經(jīng)濟型位置控制系統(tǒng),目前常見的位置控制系統(tǒng)有以下三種：
1.1交流伺服位置控制系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)由于交流異步電機相對于直流電機來說結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、無電刷磨損、維修方便獲得了廣泛的應(yīng)用。交流伺服系統(tǒng)也因此成為目前數(shù)控領(lǐng)域的研究熱點，但其控制系統(tǒng)成本較高且關(guān)鍵技術(shù)目前國內(nèi)仍無法掌握，即便是低檔數(shù)控方面也不能獲得良好的性價比。目前在發(fā)動機零部件加工中的位置控方法主要是交流伺服電機位置控制，交流伺服電機位置控制一般用于進給速度不太高的情況下，它在磨床類慢速進給加工中獲得了非常成功的應(yīng)用，但在大FYBS方型精密篩分機功率輸出及高速進給的情況下經(jīng)濟性能較差。
1.2高速進給及大功率輸出位置控制系統(tǒng)。國內(nèi)在高速進給及大功率輸出位置控制方面的研究較少，位置控制基本上通過滑臺的機械限位或者行程終端摩擦制動來完成，機械限位方式將產(chǎn)制砂機工作特點生較大的沖擊而對設(shè)備造成危害，摩擦制動方式對降低制動速度并保持制動速度和制動力矩的穩(wěn)定都有較高的要求。東風(fēng)汽車公司車身廠德國產(chǎn)DPE400開卷落料自動線送料系統(tǒng)，其送料油缸通過緩沖后實現(xiàn)機械定位，送料油缸通過雙離合器結(jié)構(gòu)驅(qū)動送料滾筒，送料系統(tǒng)的慣性由離合器的摩擦力來克服，它實現(xiàn)了快速送料、制動力矩的相對穩(wěn)定及行程終端速度的控制，但節(jié)流方式的速度控制穩(wěn)定性較差，另外其制動力矩也受到了較大的限制，因而其位置控制精度較低。
1.3液壓位置伺服控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)要獲得更高的位置控制精度目前一般采用位置伺服控制，工業(yè)上常用的電液伺服閥可分成兩大類:動圈式電液伺服閥和力矩馬達式電液伺服閥。動圈式電液伺服閥是用動圈式力矩馬達驅(qū)動一級閥芯，利用液阻橋路對二級閥芯進行控制，二級閥芯與閥套形成的閥口對主油路進行控制。這類閥結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、容易維護、對油液的清潔度要求低，但動靜態(tài)特性較差。力矩馬達式電液伺服閥是用力矩馬達驅(qū)動先導(dǎo)級的雙噴嘴擋板閥，利用液阻橋路對功率級四邊滑閥進行控制，功率級滑閥的位移通過反饋桿對力矩馬礦山破碎機達進行力矩反饋，從而使功率級閥芯的位移跟蹤力矩馬達的輸入電流而變化，這類電液伺服閥具有零點穩(wěn)定，靈敏度高，零漂小，頻帶寬等特點，但它要求液壓油的過濾精度高，因而限制了其進一步的發(fā)展。
德國NAGEL公司生產(chǎn)的缸孔珩磨機煤礦輸送機采用了由步進電機驅(qū)動閥芯并帶有機械反饋的液壓位置伺服系統(tǒng)，其可靠性已經(jīng)為實踐所證實，從已有的資料來看，它有以下不足：
1)它仍然采用滑閥式結(jié)構(gòu)，其零位仍有一定的泄漏，其最大流量和零位制動壓力輸煤皮帶機受到較大的限制；
2)其速度控制仍然通過節(jié)流方式來實輸送網(wǎng)帶現(xiàn)，其速度控制的穩(wěn)定性有一定的局限性；
膠帶輸送機; 3)閥芯處于隨動狀態(tài)，較難獲得穩(wěn)定的工進速度；
&nb振動電機sp;4)位置反饋環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，不適合對普通油缸進行改造；
&刮板給煤機nbsp; 5)不能實現(xiàn)差動等其它功能；
制砂破碎機;6)其位置控制精度較低；
2.新型基于插裝技術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)的礦篩網(wǎng)機研究
2.1插裝閥簡介
插裝閥是一種不同于滑閥的液壓控制閥，它的基本核心元件是一種液控型，單控制口的裝于油路主級中的兩通液阻單元，將一個或若干個插入元件進行不同的組合并配以相應(yīng)的先導(dǎo)控制
級，可以組成插裝閥的各種控制單元。插裝閥具有以下特點：內(nèi)阻小，適宜大流量工作；閥口多采用錐面密封，因而泄漏小，對于乳化液等低粘度的工作介質(zhì)也適宜；結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、標(biāo)準(zhǔn)化程度高；適宜液壓系統(tǒng)集成化，大量減少了管道連接件及由管道引起的漏油、振動、噪音等故障。插裝閥也由單純的開關(guān)元件發(fā)展到對閥芯進行位置控制的伺服單元。德國博世公司已有成熟的比例伺服插裝閥銷售，其閥芯的控制頂桿設(shè)計在插裝閥的C腔（即插裝閥的復(fù)位腔），其位置反饋轉(zhuǎn)換成電信號后變?yōu)殚g接反饋，閥的開啟和關(guān)閉均由控制頂桿來完成，它的位置反饋是由兩極伺服滑閥構(gòu)成的。
2.2新型基于插裝技術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)的基本原理
在本文中提出的基于插裝技術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)是以五個插入元件和一套位置反饋機構(gòu)為基本的構(gòu)件組成該系統(tǒng)的方向控制單元，以一個雙聯(lián)泵（大流量泵作為滑臺液壓系統(tǒng)的主泵，小流量泵作為滑臺油缸工進泵及行程終端的速度控制泵）及其控制部分構(gòu)成該系統(tǒng)的速度控制單元。通過兩個泵源的不同組合和方向控制單元六個先導(dǎo)控制閥的不同組合構(gòu)成滑臺的快進、快退（可實現(xiàn)差動）及其油缸的快速啟動，在滑臺行程末端位置控制階段，機械反饋將使插入元件3閥芯逐漸關(guān)閉，B腔壓力將迅速升高并將順序閥打開使C接通控制油源，使插入元件閥芯在設(shè)定壓力下迅速關(guān)閉，主油缸也在恒定壓力制動下停止，參見基于插裝技術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)原理圖。
該系統(tǒng)有如下特點：
1)它充分地利用了插裝閥的封油性能。行程控制插裝閥的控制油源源于其B腔，其余插裝閥均在油缸停止后關(guān)閉，充分地保證了速度控制油源的穩(wěn)定性，從而為精確的位置控制創(chuàng)造了條件。
2)它避免了節(jié)流型速度控制系統(tǒng)的缺點，流量控制由回油控制變?yōu)檫M油控制下的容積調(diào)速，在系統(tǒng)壓力大于系統(tǒng)負載的情況下，制動起始速度基本上保持了恒定。
3)它通過機械反饋實現(xiàn)了油缸換向閥關(guān)閉，在定位行程終止閥芯關(guān)閉時頂桿控制機構(gòu)和閥芯產(chǎn)生分離，它避免了機械定位造成的剛性沖擊。
4)油缸運行的位置精度只取決于油缸換向閥關(guān)閉時回油腔達到210bar制動壓力時速度控制閥芯閥芯間隙的變化精度。
5)該系統(tǒng)所有的元件都基于25μm的過濾精度，它大大加強了該位置控制系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟性。
6)位置控制閥的步進電機控制可進行單獨設(shè)計，其余電氣控制部分基于普通的PLC邏輯控制，它和普通的液壓系統(tǒng)的電氣控制沒有分別。
7)能和普通的插裝閥一樣通過先導(dǎo)控制閥的不同組合方便地實現(xiàn)差動等中位機能。
3.新型基于插裝技術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)精度控制研究
3.1密封錐面的流量特性分析
在需要進行位置控制的油缸行程區(qū)段，閥芯關(guān)閉過程要經(jīng)歷三個階段：1）在開始階段，插入元件2控制C腔通過主油缸進油側(cè)壓力傳感器控制，進油側(cè)壓力過低，插入元件2將自動關(guān)閉，油缸速度由進油側(cè)流量控制；2）隨著閥芯的逐步關(guān)閉，插入元件3B腔壓力將逐步上升至設(shè)定壓力210bar，B腔通過溢流閥溢流，油缸進回油側(cè)油路均處于泄荷狀態(tài)，B腔壓力油打開順序閥并經(jīng)換向閥進入插入元件3的控制C腔，油缸在恒定的壓差作用下制動減速，插裝閥閥芯在210bar壓力作用下加速關(guān)閉，此時插入元件閥芯和控制機構(gòu)及油缸分離；3）主油缸經(jīng)制動而停止，插入元件2和5關(guān)閉。參見下圖：
錐面密封泄漏屬于環(huán)行縫隙中的流體流動，根據(jù)同心環(huán)行縫隙中的流體流動公式
Q=πDδ3Δp/12μl-0.5πDδV
其中閥芯運行速度V很小，故后項可忽略
D為閥芯直徑取為27mm
δ為環(huán)行間隙厚度
Δp為進出油口壓差
ν為流體的動力粘性系數(shù)取為0.2cm2/s
l為閥座錐面寬度取為2mm
主油缸以DU3747鏜床主油缸為例進行計算，其中活塞直徑D1＝200mm，活塞桿直徑d1＝140mm，取滑臺質(zhì)量M＝3000kg，油缸行程終端速度控制泵流量Q＝10L/min，油缸下腔泄荷閥調(diào)定壓力p1＝210bar，系統(tǒng)壓力p=50bar
a）在閥芯關(guān)閉的第一階段
這時速度控制泵處于不溢流的狀態(tài)下，假定滿足此狀態(tài)的插裝閥閥芯極限間隙為δ1，則
Q回=πDδ13Δp/12μl
=Q（D12-d12）/D12
其中Δp=210bar,計算得
δ1=0.282mm
也就是說這時離閥芯完全關(guān)閉還有0.564mm行程，這時油缸處于制動臨界狀態(tài)，回油腔高壓油經(jīng)順序閥進入插裝閥控制油腔。
b）插裝閥閥芯在控制油作用下迅速關(guān)閉時的響應(yīng)時間計算t
此時閥芯的作用力F=0.93πD2p1g/4=10952.8N，取閥芯質(zhì)量M1=0.3kg，則閥芯關(guān)閉加速度a1=36509m/s2，油缸的行進起始速度V0=4Q×10-3/60πD12=5.3×10-3m/s，取閥芯截止位置速度為V，則有V=V0（D12-d12）/D12=0.119m/s
（V2-V02）/2a1+Vt=0.564×10-3，得t=4.7ms
c）油缸減速制動位移
此時油缸在下腔210bar的壓力下制動，油缸的行進起始速度V=5.3×10-3m/s，假定制動位移為s，制動減速度a2=（p1-2p）×π（D12-d12）g/4M=57.54m/s2則有
s=V2/2a2=0.49μm
3.2液壓位置控制系統(tǒng)精度控制研究
由于外界負載僅對油缸制動位移產(chǎn)生影響，制動位移s小到可以忽略不計，而外界負載又遠小于液壓制動力，故該位置控制系統(tǒng)的位置精度基本不受外界負載的影響。其位置精度僅取決于閥芯關(guān)閉的第一階段，即取決于δ1的穩(wěn)定性，根據(jù)δ1點的偏微分流量方程
αQ=（πDδ13/12μl）αΔp+（3πDδ12Δp/12μl-0.5πDV）αδ
（αQ/Q）=αΔp/210+10.717αδ
如果流量變化率（αQ/Q）控制在±10％以內(nèi)，則閥芯間隙變化
αδ≤0.01mm，位置控制系統(tǒng)的位置精度控制在±0.02mm
以上分析是在假定流體的粘度系數(shù)不變的情況下得出的，實際上粘度系數(shù)對溫度的變化比較敏感，因而在實際使用過程需要液壓系統(tǒng)獲得相對熱平衡的狀態(tài)下調(diào)整其位置精度。
3.3、主要技術(shù)指標(biāo)如下：
1.由于在進油速度控制時插入元件3的控制頂桿采取了內(nèi)置方式，避免了泄漏，其余插入元件控制油均為外部引入，油路封閉時主油路密封均為錐面密封，所以基本上沒有內(nèi)泄；
2.液壓系統(tǒng)的過濾精度≤25μm；
3.系統(tǒng)控制壓力為50bar；
4.位置控制系統(tǒng)的控制精度為±0.02mm；
4.基于插裝技術(shù)的液壓位置伺服系統(tǒng)的應(yīng)用前景
下面是以鏜床DU3747主油缸液壓系統(tǒng)為參數(shù)設(shè)計的位置控制閥結(jié)構(gòu)圖，它接于油缸的回油管路。它的油道集成在控制蓋板上
隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展及加入WTO后，中國的機械加工行業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機遇，粗加工及半精加工設(shè)備大部分是國內(nèi)制造的，這部分粗加工及半精加工設(shè)備使用的工作滑臺普遍存在著定位精度差及故障率高，在大批量生產(chǎn)過程中嚴(yán)重制約了生產(chǎn)能力的提高，在高速大功率進給設(shè)備中這一問題表現(xiàn)得尤為突出，基于插裝技術(shù)的液壓位置控制系統(tǒng)作為一種經(jīng)濟實用可靠的位置系統(tǒng)具有極高的推廣價值和市場前景，它可以在以下領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用：
1)通過增加位置控制閥單元和一套行程終端小流量容積速度單元，可對普通的滑臺液壓位置控
制系統(tǒng)進行改造，即可用較低的成本獲得較高的位置控制精度，并可大大提高設(shè)備的可靠性和勞動生產(chǎn)率。
2)對于位置精度要求不高的液壓滑臺，可取消步進電機控制和行程終端小流量容積速度單元，
假定采取工進速度進行控制（取理想控制的5倍左右），其位置精度仍然可達到±0.05mm，改造成本將有較大幅度的下降。
3)通過增加液壓緩沖腔和自動補油裝置的設(shè)計，對普通的機械滑臺也可以以較低的改造成本獲
得良好的位置精度。
參考資料
1、《機械設(shè)計手冊》5機械工業(yè)出版社1992
2、《數(shù)控技術(shù)》華中科技大學(xué)出版社
3、《液壓與氣動》2000年第4期
4、《機械工藝師》1997年第7期
5、《3VS10-80Hydr./pneum.plan》德國NAGEL公司
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- 中型板式給料機
- 中型板式給料機系間歇給料機械，適用于短距離輸送給料粒度400mm以下的塊狀物料。在礦山、選廠、化工、水泥、建材等部門，廣泛用于從儲料倉往破碎、運輸?shù)葯C械作均勻間歇給料。
- 雙管螺旋給料機
- 我公司生產(chǎn)的SLW型雙螺旋給料機，是利用二根螺旋軸共同進行輸送的喂料設(shè)備。
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- 輕型板式給料機
- 輕型板式給料機系連續(xù)給料機械，適用于短距離輸送給料粒度160mm以下的塊狀物料。
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- 重型板式給料機
- 重型板式給料機是運輸機械的輔助設(shè)備，該機在大型選礦廠破碎分級車間及水泥、建材等部門，作為料倉向初級破碎機連續(xù)和均勻給料之用，也可用于短距離輸送粒度與比重較大的物料。
- 振動給料裝置
- 振動給料裝置廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、化工、建材、輕工、玻璃、食品、糧食、磨料、磨具等行業(yè)的生產(chǎn)線上作定量給料、配料、包裝。
- 板式喂料機
- 板式喂料機(板式給料機)適用范圍廣，對具有鋒利棱角的和對輸送機有強烈磨損性的物料或成件物品都可輸送，而且輸送物料塊狀(粒度)大。還適宜輸送小于400℃以下的高溫物料。
- 篩分給料機
- ZG、ZGS慣性振動篩分給料機是一種新型的給料設(shè)備，可廣泛用于礦山、冶金、建材、電力等行業(yè)中的塊狀、粒狀或粉末狀等散裝物料的給料、配料、裝載等工藝流程，例如：向輸送機、提升機、篩分設(shè)備、破碎設(shè)備、給料配料。
- 電機振動給料機
- 電機振動給料機廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、煤炭、建材、化工、電力、糧食等行業(yè)，用于把塊狀、顆粒狀及粉狀物料從貯料倉或其它貯料設(shè)備中均勻、連續(xù)或定量地給到受料設(shè)備中，適應(yīng)于自動配料、定量包裝和自動控制。
- 皮帶給料機
- 皮帶給料機采用工字形梁作為主支撐架，采用槽鋼作為支腿，整體度高，穩(wěn)定性好。主支撐架兩側(cè)設(shè)置皮帶防跑偏開關(guān)以防皮帶跑偏。
- 電磁電機振動給料機.
- 電磁電機振動給料機具有體積小、噪音低、重量輕、工作頻率高、耗電少、可用于自動控制的流程中實現(xiàn)生產(chǎn)流程自動化。 無級調(diào)節(jié)給料量，可在額定電壓、振幅條件下頻繁啟動和連續(xù)運轉(zhuǎn)，安裝維修方便。
- 電磁振動給料機
- 電磁振動給料機廣泛應(yīng)用于水泥、礦山、冶金、煤炭、化工、陶瓷、糧食，電力等工礦企業(yè)中，電磁振動給料機適合把塊狀及粉末狀物料以貯料倉或漏斗中連續(xù)均勻或定量地給到受料裝置中去與電子秤或微機配料等設(shè)備配套，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的理想設(shè)備，
最新產(chǎn)品
CZ系列倉壁振動器
- 倉壁振動器用于防止和排除各種料倉由于物料的內(nèi)摩擦、潮解、帶電、成分偏析等原因引起的“堵塞”、“塔拱”現(xiàn)象；亦可用于清除各種倉壁、管道粘結(jié)物料
防閉塞裝置(ZFB)
慣性振動器(ZG)
振動電機
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