楊松，高宏力，黃海鳳，李世超，王勇

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610000)

0 前言

冒口是鑄型內(nèi)用以存儲金屬液的空腔，在鑄件形成時補給金屬，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，通過工裝的預缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計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程的隨機性，難以保證澆鑄件的質(zhì)量。因此提出了一種自動去冒口裝置，其控制系統(tǒng)采用液壓控制。

1 自動去冒口裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

自動去冒口裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1 自動去冒口裝置示意圖

整體而言由11個部件組成整個機械結(jié)構(gòu)，外加一些輔助零部件。工作時2號液壓缸上升到冒口總高度的2/3處;1號液壓缸動作左行，推動2號液壓缸及連接的扭轉(zhuǎn)機械手和2號液壓馬達到達指定位置、1號液壓缸鎖緊;采用氣動的方式開啟扭轉(zhuǎn)機械手，夾住冒口、啟動2號力矩馬達，在力矩馬達的作用下扭斷夾持的冒口，扭斷后力矩馬達反轉(zhuǎn)歸位;3號液壓缸下行，氣動打開抓提冒口機械手，夾緊后3號液壓缸上行提走冒口;1號液壓缸右行歸位;2號液壓缸依靠載荷自重下行歸位;1號液壓馬達動作，1號液壓馬達與齒輪齒條相連接，將液壓馬達的圓周運動轉(zhuǎn)成門架的直線運動，門架移動到指定行程位;3號液壓馬達動作，移走抓取冒口機械手到冒口回收處，松開機械手進行冒口的下放回收。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計需求情況分析

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

圖2 液壓馬達、液壓缸動作順序流程圖

由圖2可知，整個液壓控制系統(tǒng)最重要的是3個液壓缸、3個液壓馬達的嚴格順序動作執(zhí)行，上一個執(zhí)行器的動作結(jié)束嚴格邏輯對應這下一個執(zhí)行器的開始。2號液壓缸和1號液壓缸可以實現(xiàn)調(diào)速并順序動作完成后要求能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定，為了減小泵站的負荷，鎖定后實現(xiàn)卸荷;3號液壓缸抓提冒口的上下行過程中應當以較快的速度運行，以提高工作效率;2號力矩馬達實現(xiàn)從開啟到扭斷冒口的整個過程控制在5 s左右，扭轉(zhuǎn)過程中不得與裝藥件產(chǎn)生干涉，這就要求2號液壓馬達的執(zhí)行回路能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速、調(diào)壓功能; 3個液壓馬達采用同一個調(diào)速控制回路，用電磁換向閥進行油路的切換。

3 擬定液壓系統(tǒng)原理圖

在擬定液壓系統(tǒng)圖的過程中，首先通過分析對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)。在選定了滿足主要要求的主液壓回路之后;再配上過濾、測壓、控溫之類的輔助回路，即可將他們組成一個完整的液壓系統(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、保護回路等其他回路設(shè)計。整個液壓系統(tǒng)中2號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式回路結(jié)構(gòu)，設(shè)計壓力10 MPa。

(1)順序控制回路設(shè)計

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)的形式來實現(xiàn)［2］，由于應用場合的特殊性，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輔以壓力控制順序動作回路。

在液壓設(shè)備中，常常采用一個液壓泵驅(qū)動多個液壓缸，以實現(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作順序，由于多缸系統(tǒng)回路復雜，各油路之間極易產(chǎn)生干擾而使壓力誤動作，導致系統(tǒng)工作順序紊亂。因此，設(shè)計這類系統(tǒng)時，必須重視壓力閥的合理選擇與應用。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，對于只進行順序控制的液壓系統(tǒng)，選用一般的順序閥就可以，對于同時需要進行速度和順序控制的液壓系統(tǒng)，選用順序閥時應慎重考慮其控制方式，以免造成液壓缸的動作干涉［3］。

針對1號液壓缸和2號液壓缸同時需要進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)控式順序閥開啟壓力高于系統(tǒng)壓力時順序閥無法打開，如果其壓力設(shè)定值低于系統(tǒng)壓力時，兩個液壓缸無法順序動作的情況［4］。

啟動開始按鈕，電磁換向閥置于右位，壓力油經(jīng)過液控單向閥和節(jié)流閥進入1號液壓缸，壓力油經(jīng)單向閥回油，當一號液壓缸到位后，無桿腔內(nèi)壓力上升，壓力值達到順序閥的設(shè)定壓力值時打開2號液壓缸，順序到位后電磁閥斷電中位鎖緊。電磁閥置于左位時，一號液壓缸的順序閥此時沒打開，壓力油先進入2號液壓缸，溢流閥保壓，2號液壓缸順序到位后，有桿腔壓力上升，只要將溢流閥的壓力值設(shè)定為當2號液壓缸到達原位時內(nèi)部的壓力值即可，同時將1號液壓缸的順序閥壓力設(shè)定為溢流閥的壓力值，2號液壓缸歸位后打開1號液壓缸的順序閥，2號液壓缸有桿腔進油并打開液控單向閥，在負載自重和壓力油的作用下負載下降，此時節(jié)流閥的節(jié)流口保證了負載的下降速度，使得重物平穩(wěn)下降。

(2)調(diào)速回路設(shè)計

在液壓傳動系統(tǒng)中，各機構(gòu)的運動速度要求各不相同，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個液壓缸采用結(jié)構(gòu)簡單、能獲得較大調(diào)速范圍的節(jié)流調(diào)速回路，3個液壓馬達則采用定量泵+變量雙向馬達的容積調(diào)速回路。

(3)鎖緊回路設(shè)計

近年來，隨著人們多鎖緊回路研究的不斷深入，實現(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號液壓缸的行程262 mm，啟動時最大載荷約為3 000 N，加速時最大載荷約為3 097.5 N，動作過程中不存在較大的載荷波動，因此可以采用M型中位機能的三位四通電磁換向閥設(shè)計成雙向鎖緊回路。由于滑閥的泄漏量大，為了系統(tǒng)的可靠性，在2號液壓缸的進油口布置一個液控單向閥。液控單向閥的閥芯為錐形，兩個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，并能使負載長時間準確、可靠的保持在任意位置上。

(4)保護回路設(shè)計

在液壓泵的出口處安裝先導式電磁溢流閥來調(diào)節(jié)整個液壓系統(tǒng)的壓力，保證系統(tǒng)正常工作，實現(xiàn)液壓泵零壓啟動，使電機在空載下啟動，并能實現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障、超載時自動卸荷。在液壓泵與工作回路間加一個單向閥，使工作回路與液壓泵分開，使系統(tǒng)在工作不正常時產(chǎn)生的液壓波動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

3號液壓缸上裝有機械手，用以提走2號力矩馬達扭斷的冒口，因此需要對于其下行的位置進行控制。閥控3號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轉(zhuǎn)換為電信號與輸入信號相比較，得到偏差信號，經(jīng)伺服放大器放大，輸出控制電流控制伺服閥芯的運動，輸出電壓推動液壓缸，帶動負載運動［8-9］。

圖4 自動去冒口裝置液壓系統(tǒng)

(6)閥控力矩馬達角度位置回路設(shè)計

在很多實際場合中，也經(jīng)常需要對液壓馬達的角位移進行控制，如全自動垃圾吊，電鍍車間的工作起重機等。文中2號液壓缸上的扭轉(zhuǎn)機械手緊抓住冒口，在力矩馬達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)機械手勢必與水平成一定角度，扭斷后則需要將力矩馬達反轉(zhuǎn)一定角度后歸位，因此需要對2號力矩馬達進行角位移控制。閥控2號力矩馬達電液轉(zhuǎn)角位置伺服控制回路如圖5所示。

圖5 閥控力矩馬達電液轉(zhuǎn)角位置伺服回路

當力矩馬達轉(zhuǎn)動時便可帶動安裝在輸出軸上的編碼器一起運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中選擇絕對編碼器作為角位移測量傳感器，工控機運行采集和控制程序，通過A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)物理量的數(shù)據(jù)采集和控制［10］，將采集到的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后與伺服放大器的輸入信號進行比較，從而組成一個閉環(huán)的閥控馬達位置伺服系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)中主要的難點是多執(zhí)行器的順序控制，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，各個執(zhí)行器有著嚴格的順序控制要求，同時又包含著各自獨立回路設(shè)計。當前主要的多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)的設(shè)計大多數(shù)針對的是兩個執(zhí)行器的順序控制，因此可以采用簡單的順序閥來實現(xiàn)順序控制。該系統(tǒng)中為了實現(xiàn)多個執(zhí)行器的順序控制，加上運用場合的特殊性，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兩個液壓缸無法順序動作。在其他的設(shè)計回路中，為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用了液控單向閥及M型中位機能的換向閥實現(xiàn)雙向鎖定，壓力控制回路設(shè)計上，采用溢流閥并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，使得系統(tǒng)能夠為執(zhí)行器提供不同的系統(tǒng)壓力，滿足各個執(zhí)行器對自身壓力的需求。通過采用將各個不同的液壓回路重組成一個完整的液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，不僅保證了各個液壓回路的可靠運行，而且各個回路之間相互補充，大大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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