新型電液伺服控制機(jī)構(gòu)關(guān)鍵元件的選型

      1 液壓泵的選用

     煉油裝置中常用的滑閥，正常操作時(shí)是斷續(xù)小范圍調(diào)節(jié)，為節(jié)省功耗、減少發(fā)熱，選擇液壓泵排量、電機(jī)匹配功率時(shí)，只要滿足正常調(diào)節(jié)時(shí)的*大用油量即可。因此選擇一種適用的變量泵更有利于系統(tǒng)工作?？蛇x用單作用式葉片泵或限壓式變量葉片泵。

      1.1單作用式葉片泵

     單作用式葉片泵結(jié)構(gòu)，主要由配油盤、軸、轉(zhuǎn)子、定子、葉片、殼體等零件組成。定子具有圓柱形內(nèi)表面，定子和轉(zhuǎn)子間有偏心矩e，葉片安放在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，可沿槽道滑動(dòng)。轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)時(shí)，葉片靠自身的離??力貼緊定子內(nèi)壁，這樣，在定子、轉(zhuǎn)子葉片和配油盤問就形成了若干個(gè)密封的工作空間。當(dāng)轉(zhuǎn)子如圖逆時(shí)針回轉(zhuǎn)時(shí)，右邊的葉片逐漸伸出，相鄰兩葉片間的空間容積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力作用下，油泵的吸油口，經(jīng)配油盤的配油窗口進(jìn)入這些密封工作腔，這就是泵的吸油過程。左邊的葉片被定子的內(nèi)壁逐漸壓入槽里，兩相鄰葉片間的密封容積逐漸減小，將油液從配油盤的配油窗口、泵的壓油口排出，這是泵的壓油過程。在泵的吸油腔和壓油腔之間，有一段封油區(qū)，將吸油腔和壓油腔分開。當(dāng)轉(zhuǎn)子不斷回轉(zhuǎn)，泵就不斷地吸油、排油，泵的轉(zhuǎn)予每轉(zhuǎn)一周，每個(gè)工作空間只吸、壓油一次，因此叫單作用式葉片泵。這種泵的缺點(diǎn)是作用在轉(zhuǎn)子上的液壓力不平衡，使軸承受很大的徑向負(fù)荷，磨損大，壽命低，不宜用布高壓場(chǎng)合。

     泵的壓力流量特性曲線如圖1所示，橫坐標(biāo)P為泵的工作壓力，（縱）坐標(biāo)Q為泵的輸出流量。當(dāng)泵的工作壓力小于預(yù)先調(diào)整的壓力時(shí)定子不動(dòng)，仍然位于預(yù)先調(diào)定的*大偏心位置，這時(shí)。泵的輸出流量Q沿AB段變化。當(dāng)泵的供油壓力超過預(yù)先調(diào)整壓力時(shí)彈簧受到壓縮，定了偏心距減小，輸出流量Q亦減??；而且油壓越高，彈簧壓縮量越大，泵的偏心量越小，如圖1線段BC所示。

圖1 壓力流量特性曲線

      1.2 限壓式變量葉片泵

     限壓式變量葉片泵適用于有快速行程和工作進(jìn)給要求的間歇下作情況。例如組合機(jī)床的動(dòng)力滑臺(tái)有快進(jìn)、丁進(jìn)一快退等運(yùn)動(dòng)。當(dāng)快進(jìn)（退）時(shí)，系統(tǒng)的壓力低，流量大，這時(shí)泵正好在圖1所示特性曲線的AB段工作。工進(jìn)時(shí)系統(tǒng)壓力升高，需要的流量小，相當(dāng)于在BC線段處工作，功率損耗較低。這種泵結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件多，泄漏較大，因此容積效率較定量泵低。在長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合發(fā)熱較嚴(yán)重，高溫導(dǎo)致油液黏度降低，引起局部泄漏。故在原電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，常發(fā)生油溫高報(bào)警，影響正常工作。

      1.3 軸向柱塞泵

    為軸向柱塞泵由傳動(dòng)軸、斜盤、柱塞、缸體、配油盤等主要零件組成。斜盤和配油盤是不動(dòng)的。缸體上均布著幾個(gè)軸向排列的柱塞孔，柱塞可在其中自由滑動(dòng)。由低壓泵供給的油液經(jīng)配油盤上的吸油窗口進(jìn)入缸內(nèi)，使柱塞的一端抵緊在斜盤上，當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體回轉(zhuǎn)時(shí)在低壓油和斜盤的作用下，柱塞就在缸中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞從缸中抽出時(shí)，缸體內(nèi)密封工作容積不斷增加，產(chǎn)生局部真空，油液經(jīng)配油盤的配油窗口吸入缸體中，當(dāng)柱塞被斜盤壓進(jìn)缸內(nèi)時(shí)，密封工作容積不斷減小，油液經(jīng)配油盤上壓油口壓出。缸體每轉(zhuǎn)一周，每個(gè)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，完成一次吸抽一壓油過程。傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體連續(xù)轉(zhuǎn)，就可以不斷輸出壓力油。改變斜盤的角度，就能改變柱塞往復(fù)行程的大小，因而改變泵的排量。
軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，易于實(shí)現(xiàn)變量控制，并具有較高的容積效率，能在較高的轉(zhuǎn)速和壓力下工作，因此多用在中高壓系統(tǒng)中。它的缺點(diǎn)是軸向尺寸較大，軸向作用力較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且對(duì)油液污染十分敏感。這一缺點(diǎn)在電液伺服系統(tǒng)中可以完全克服。由于新型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作壓力升級(jí)，選用這種泵發(fā)熱少，效率高，尤其適合長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

      2 位移傳感器的選用

     差動(dòng)變壓器式位移傳感器控制精度較低，故障率高，長(zhǎng)行程線性度不能滿足要求。

     磁致伸縮位移傳感器利用非接觸技術(shù)監(jiān)控活動(dòng)磁鐵，磁鐵和傳感器無直接接觸，因此在易受油漬、溶液、塵埃或其它污染的環(huán)境中。也能正常工作。此外，它還能承受高溫、高壓、高震蕩的環(huán)境。它利用磁致伸縮波導(dǎo)管測(cè)量移動(dòng)磁鐵的位置，即兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖傳導(dǎo)時(shí)間，計(jì)算磁鐵的準(zhǔn)確位置，線性好，可靠性高。
這兩個(gè)磁場(chǎng)，一個(gè)來自外面的活動(dòng)磁鐵，另一個(gè)則來自傳感器內(nèi)波導(dǎo)管的電流脈沖，而這個(gè)電流脈沖是傳感器的I占I有電子部件——脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的。脈沖發(fā)生器發(fā)出的電流脈沖經(jīng)過波導(dǎo)管到達(dá)磁環(huán)形成的磁場(chǎng)處。兩個(gè)磁場(chǎng)相交時(shí)，電磁感應(yīng)波導(dǎo)管會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，其信號(hào)以聲速沿波導(dǎo)管返回電子部件的感應(yīng)線圈。用信號(hào)處理電路計(jì)算信號(hào)發(fā)出和返回之間的時(shí)間差，再乘以固定速度，即可求出測(cè)量距離。這是個(gè)連續(xù)過程，每當(dāng)活動(dòng)磁鐵被移動(dòng)時(shí)，新的位置馬上就會(huì)被檢測(cè)出來。

     磁致伸縮位移傳感器采用內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)。磁環(huán)置于活塞上，波導(dǎo)管安裝在油缸后端盞上，因此提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整機(jī)性能。

      3 電液伺服閥的選用

     電液伺服閥是伺服控制系統(tǒng)的核心控制元件，它用輸入的小功率信號(hào)去控制流向油缸的流量，是放大系數(shù)很高的放大元件，同時(shí)也是伺服控制系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換裝置。在伺服閥選型時(shí)，除要確定額定電流、非線性度等性能指標(biāo)外，還要確定伺服閥的額定流量和負(fù)載頻率特性。

      3.1額定流量的確定

     下面舉例說叫額定流量的計(jì)算方法：

     指定系統(tǒng)供油壓力由8MPa提升為14MPa，*快速度為100mm/s，油缸內(nèi)徑φ=100mm。

     則*大流量Q_m=V_m×A=100×π/4×100²=47.1L/min

      空載流量

     伺服閥額定流量L/min（P_s為供油壓力，取*大值14MPa）

     選定伺服閥時(shí)要求流量Q_R在Q基礎(chǔ)上增加10%，故Q_R約為45L/min

     從上述計(jì)算選定伺服閥型號(hào)為BD15AAANC15，該種伺服閥Q_R為57L/min，快速緊急制勝時(shí)速度優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

     如果系統(tǒng)供油壓10MPa，

     如果系統(tǒng)供油壓為12MPa，

      油缸為   =125mm，則，Q_m=73.6L/min

     Q_NL=90.4L/min，Q=99L/min

      3.2 頻率特性的確定

     為得到*好的性能，伺服閥相位滯后90°時(shí)的頻率應(yīng)為負(fù)載共振頻率的3倍以上。

     系統(tǒng)負(fù)載共振頻率

     式中f_n為負(fù)載共振頻率，K_o為液壓剛度頻率，M為負(fù)載質(zhì)量

式中Ey為油液容積模數(shù)，70000-140000N/cm²，A_T為活塞有效面積，x₁為活塞總行程，η為容積系統(tǒng)

     式中V₁為伺服閥窗口內(nèi)的活塞腔體積。

     上計(jì)算可得出系統(tǒng)頻率．據(jù)此選定伺服閥型號(hào)。

      4 油箱的選用

     油箱是液壓系統(tǒng)油液存儲(chǔ)單元，伺服系統(tǒng)的油箱，要求清潔度高，有貯存、過濾、換熱、液位、油溫控制、呼吸作用，結(jié)構(gòu)上要求全密封、無泄漏。原來油箱結(jié)構(gòu)普遍采用焊接式，上有活動(dòng)蓋板，通過螺栓與箱體聯(lián)接，箱體由底板和四塊主板組焊而成，板厚為3mm薄板焊接，底部和頂部均有加強(qiáng)筋，存在焊縫多、焊接工作量大、焊后變形較難控制等不利因素。

     新型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)建議選用專用油箱，油箱容積為原容積的1.5倍，整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即蓋板與油箱一體，上開清洗手孔，油箱壁板由四板改為兩塊匚型板對(duì)焊。壁板為3mm，底板、頂板為6mm，焊接均采用氬弧焊，即減少了機(jī)加工量，又減少了焊縫數(shù)量，從而減少焊接應(yīng)力變形。

     油箱結(jié)構(gòu)上劃分為兩個(gè)區(qū)，由中隔板分隔為吸油區(qū)和回油區(qū)，油液經(jīng)*大流動(dòng)距離至中隔板窗口流入吸油區(qū)，吸油管布置在離窗口*遠(yuǎn)端，確保流動(dòng)距離*長(zhǎng)。這樣設(shè)汁有個(gè)作用：一足油液流動(dòng)過程中顆粒雜質(zhì)逐漸沉淀在油箱底部，不進(jìn)入吸油區(qū)，不參與二次循環(huán)污染系統(tǒng)；二是流動(dòng)過程也足降溫過程，能使吸油區(qū)較回油區(qū)低5-1O℃。油箱全封閉。通過頂壓式空氣濾清器進(jìn)行車氣交換。

      5 過濾器的選用

     電液伺服系統(tǒng)采用新型雙聯(lián)過濾器較好，過濾器安裟在集成油路板上，原過濾器簡(jiǎn)體由4xM8內(nèi)六角螺釘聯(lián)接方形底板，在壓力*高為8MPa的系統(tǒng)中基本滿足強(qiáng)度要求．新系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為14MPa，按受力面積計(jì)算，原過濾器無法滿足強(qiáng)度要求，因此需對(duì)過濾器簡(jiǎn)體進(jìn)行重新核算，結(jié)構(gòu)上山方形聯(lián)接改為圓筒形均勻分布聯(lián)接．均布6×M12內(nèi)六角圓柱頭螺釘聯(lián)接．以滿足強(qiáng)度要求。過濾器選用新型材料，過濾精度高，納污量大，過濾效率提高20%。

      6 優(yōu)化油路設(shè)計(jì)

     液壓油路的集成化足液壓技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，它既能簡(jiǎn)化管路，減少壓力損失，又能減小整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，方便操作使剛。過去液壓元件多為板式和管式聯(lián)接．制造成本高，且增加了液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體積。近年來插裝閥、疊加閥發(fā)展較快．已形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，價(jià)格低、性能好，在很多場(chǎng)合替代板式和管式液壓元件。在新型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，我們大量選用了插裝元件，如液控單向閥、手動(dòng)換向閥、截止閥、雙向液壓鎖、電磁換向閥等，使集成油路板結(jié)構(gòu)更加緊湊。

      7 優(yōu)化手動(dòng)機(jī)構(gòu)

     液壓執(zhí)行部分，在手動(dòng)機(jī)械操作時(shí)，采用的是機(jī)床上使用的開合螺母結(jié)構(gòu)，凸輪與開合螺母懸臂聯(lián)接，配合精度較高，但使用中常有催化劑粉末塞人間隙，和凸輪銷軸與滑槽間；手動(dòng)操作間隔時(shí)間長(zhǎng)，切換時(shí)常有卡阻現(xiàn)象，造成切換不靈活。優(yōu)化方法可在開合螺母兩端各增加一對(duì)齒輪．將單支撐改成了雙支撐，消除了懸臂梁的不平衡力，在任何時(shí)候都切換自如。

      8 放大器和儀表接線盤的選用

     伺服放大器是電液伺服系統(tǒng)的控制部件，它對(duì)伺服系統(tǒng)的可靠性起著至關(guān)重要的作用。它將輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相比較后進(jìn)行放大，再經(jīng)過微分、比例、積分等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各種控制。前一代放大器是插板式結(jié)構(gòu)，它分為位置放大板、反饋板、報(bào)警板、電源板、控制面板等五塊控制電路板，給維護(hù)和調(diào)試帶來較大方便。

      8.1通過多年使用。我們發(fā)現(xiàn)該放大器尚存在以下問題

     （1）變壓器式工作電源，發(fā)熱較高，穩(wěn)定性有待提高；
      （2）接觸式繼電器故障率較高；
      （3）調(diào)試點(diǎn)較多，調(diào)試繁瑣；
      （4）顯示面板與放大器構(gòu)架聯(lián)接，維護(hù)困難。

      8.2解決方案

     （1）放大器仍采用插板結(jié)構(gòu)，將電源和顯示_向板分離，并設(shè)計(jì)抽屜式托盤，以方便調(diào)校和維護(hù)。減小放大器的單體重量和調(diào)試的危險(xiǎn)性。
     （2）電源安裝在放大器防爆箱底部，采用高磁性的集成穩(wěn)壓開關(guān)電源模塊。
      （3）顯示面板安裝在防爆筘顯示窗口上，用信線與各板聯(lián)接。
      （4）繼電器采用進(jìn)口固態(tài)繼電器，減小故障率，提高可靠性。
      （5）儀表接線盒強(qiáng)弱電分離，減小干擾提高**性。

      9 結(jié)論

     通過對(duì)以上關(guān)鍵元件的選用配置，電液伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)推力大、可靠性高、行程速度快的預(yù)期目的，滿足裝置大型化、長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。達(dá)到提高快速性能的研究月標(biāo)。