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新型电液伺服控制机构关键元件的选型

  电液伺服控制是一门新兴的科学技术,是电于技术和液压技术结合而产生的机、电、液一体化智能型液压伺服控制系统,特别适用于需要大功率、快速、**反应的控制系统。

      1 液压泵的选用

     炼油装置中常用的滑阀,正常操作时是断续小范围调节,为节省功耗、减少发热,选择液压泵排量、电机匹配功率时,只要满足正常调节时的*大用油量即可。因此选择一种适用的变量泵更有利于系统工作。可选用单作用式叶片泵或限压式变量叶片泵。

      1.1单作用式叶片泵

     单作用式叶片泵结构,主要由配油盘、轴、转子、定子、叶片、壳体等零件组成。定子具有圆柱形内表面,定子和转子间有偏心矩e,叶片安放在转子槽内,可沿槽道滑动。转子回转时,叶片靠自身的离��力贴紧定子内壁,这样,在定子、转子叶片和配油盘问就形成了若干个密封的工作空间。当转子如图逆时针回转时,右边的叶片逐渐伸出,相邻两叶片间的空间容积逐渐增大,形成局部真空,油箱中的油液在大气压力作用下,油泵的吸油口,经配油盘的配油窗口进入这些密封工作腔,这就是泵的吸油过程。左边的叶片被定子的内壁逐渐压入槽里,两相邻叶片间的密封容积逐渐减小,将油液从配油盘的配油窗口、泵的压油口排出,这是泵的压油过程。在泵的吸油腔和压油腔之间,有一段封油区,将吸油腔和压油腔分开。当转子不断回转,泵就不断地吸油、排油,泵的转予每转一周,每个工作空间只吸、压油一次,因此叫单作用式叶片泵。这种泵的缺点是作用在转子上的液压力不平衡,使轴承受很大的径向负荷,磨损大,寿命低,不宜用布高压场合。

     泵的压力流量特性曲线如图1所示,横坐标P为泵的工作压力,(纵)坐标Q为泵的输出流量。当泵的工作压力小于预先调整的压力时定子不动,仍然位于预先调定的*大偏心位置,这时。泵的输出流量Q沿AB段变化。当泵的供油压力超过预先调整压力时弹簧受到压缩,定了偏心距减小,输出流量Q亦减小;而且油压越高,弹簧压缩量越大,泵的偏心量越小,如图1线段BC所示。

图1 压力流量特性曲线

      1.2 限压式变量叶片泵

     限压式变量叶片泵适用于有快速行程和工作进给要求的间歇下作情况。例如组合机床的动力滑台有快进、丁进一快退等运动。当快进(退)时,系统的压力低,流量大,这时泵正好在图1所示特性曲线的AB段工作。工进时系统压力升高,需要的流量小,相当于在BC线段处工作,功率损耗较低。这种泵结构较复杂,相对运动的零件多,泄漏较大,因此容积效率较定量泵低。在长周期运转场合发热较严重,高温导致油液黏度降低,引起局部泄漏。故在原电液执行机构应用中,常发生油温高报警,影响正常工作。

      1.3 轴向柱塞泵

    为轴向柱塞泵由传动轴、斜盘、柱塞、缸体、配油盘等主要零件组成。斜盘和配油盘是不动的。缸体上均布着几个轴向排列的柱塞孔,柱塞可在其中自由滑动。由低压泵供给的油液经配油盘上的吸油窗口进入缸内,使柱塞的一端抵紧在斜盘上,当传动轴带动缸体回转时在低压油和斜盘的作用下,柱塞就在缸中作往复直线运动。当柱塞从缸中抽出时,缸体内密封工作容积不断增加,产生局部真空,油液经配油盘的配油窗口吸入缸体中,当柱塞被斜盘压进缸内时,密封工作容积不断减小,油液经配油盘上压油口压出。缸体每转一周,每个柱塞往复运动一次,完成一次吸抽一压油过程。传动轴带动缸体连续转,就可以不断输出压力油。改变斜盘的角度,就能改变柱塞往复行程的大小,因而改变泵的排量。
轴向柱塞泵结构紧凑,径向尺寸小,重量轻,转动惯性小,易于实现变量控制,并具有较高的容积效率,能在较高的转速和压力下工作,因此多用在中高压系统中。它的缺点是轴向尺寸较大,轴向作用力较大,结构较复杂,而且对油液污染十分敏感。这一缺点在电液伺服系统中可以完全克服。由于新型电液执行机构工作压力升级,选用这种泵发热少,效率高,尤其适合长周期运转。

      2 位移传感器的选用

     差动变压器式位移传感器控制精度较低,故障率高,长行程线性度不能满足要求。

     磁致伸缩位移传感器利用非接触技术监控活动磁铁,磁铁和传感器无直接接触,因此在易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的环境中。也能正常工作。此外,它还能承受高温、高压、高震荡的环境。它利用磁致伸缩波导管测量移动磁铁的位置,即两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号,根据脉冲传导时间,计算磁铁的准确位置,线性好,可靠性高。
这两个磁场,一个来自外面的活动磁铁,另一个则来自传感器内波导管的电流脉冲,而这个电流脉冲是传感器的I占I有电子部件——脉冲发生器产生的。脉冲发生器发出的电流脉冲经过波导管到达磁环形成的磁场处。两个磁场相交时,电磁感应波导管会发生扭转,其信号以声速沿波导管返回电子部件的感应线圈。用信号处理电路计算信号发出和返回之间的时间差,再乘以固定速度,即可求出测量距离。这是个连续过程,每当活动磁铁被移动时,新的位置马上就会被检测出来。

     磁致伸缩位移传感器采用内藏式结构。磁环置于活塞上,波导管安装在油缸后端盏上,因此提高了执行机构的整机性能。

      3 电液伺服阀的选用

     电液伺服阀是伺服控制系统的核心控制元件,它用输入的小功率信号去控制流向油缸的流量,是放大系数很高的放大元件,同时也是伺服控制系统中电气系统与液压系统之间的转换装置。在伺服阀选型时,除要确定额定电流、非线性度等性能指标外,还要确定伺服阀的额定流量和负载频率特性。

      3.1额定流量的确定

     下面举例说叫额定流量的计算方法:

     指定系统供油压力由8MPa提升为14MPa,*快速度为100mm/s,油缸内径φ=100mm。

     则*大流量Qm=Vm×A=100×π/4×1002=47.1L/min

      空载流量

     伺服阀额定流量L/min(Ps为供油压力,取*大值14MPa)

     选定伺服阀时要求流量QR在Q基础上增加10%,故QR约为45L/min

     从上述计算选定伺服阀型号为BD15AAANC15,该种伺服阀QR为57L/min,快速紧急制胜时速度优于设计指标。

     如果系统供油压10MPa,

 

     如果系统供油压为12MPa,

 

      油缸为   =125mm,则,Qm=73.6L/min

     QNL=90.4L/min,Q=99L/min

      3.2 频率特性的确定

     为得到*好的性能,伺服阀相位滞后90°时的频率应为负载共振频率的3倍以上。

     系统负载共振频率

 

     式中fn为负载共振频率,Ko为液压刚度频率,M为负载质量

式中Ey为油液容积模数,70000-140000N/cm2,AT为活塞有效面积,x1为活塞总行程,η为容积系统

     式中V1为伺服阀窗口内的活塞腔体积。

     上计算可得出系统频率.据此选定伺服阀型号。

      4 油箱的选用

     油箱是液压系统油液存储单元,伺服系统的油箱,要求清洁度高,有贮存、过滤、换热、液位、油温控制、呼吸作用,结构上要求全密封、无泄漏。原来油箱结构普遍采用焊接式,上有活动盖板,通过螺栓与箱体联接,箱体由底板和四块主板组焊而成,板厚为3mm薄板焊接,底部和顶部均有加强筋,存在焊缝多、焊接工作量大、焊后变形较难控制等不利因素。

     新型电液执行机构建议选用专用油箱,油箱容积为原容积的1.5倍,整体式结构设计,即盖板与油箱一体,上开清洗手孔,油箱壁板由四板改为两块匚型板对焊。壁板为3mm,底板、顶板为6mm,焊接均采用氩弧焊,即减少了机加工量,又减少了焊缝数量,从而减少焊接应力变形。

     油箱结构上划分为两个区,由中隔板分隔为吸油区和回油区,油液经*大流动距离至中隔板窗口流入吸油区,吸油管布置在离窗口*远端,确保流动距离*长。这样设汁有个作用:一足油液流动过程中颗粒杂质逐渐沉淀在油箱底部,不进入吸油区,不参与二次循环污染系统;二是流动过程也足降温过程,能使吸油区较回油区低5-1O℃。油箱全封闭。通过顶压式空气滤清器进行车气交换。

      5 过滤器的选用

     电液伺服系统采用新型双联过滤器较好,过滤器安裟在集成油路板上,原过滤器简体由4xM8内六角螺钉联接方形底板,在压力*高为8MPa的系统中基本满足强度要求.新系统设计压力为14MPa,按受力面积计算,原过滤器无法满足强度要求,因此需对过滤器简体进行重新核算,结构上山方形联接改为圆筒形均匀分布联接.均布6×M12内六角圆柱头螺钉联接.以满足强度要求。过滤器选用新型材料,过滤精度高,纳污量大,过滤效率提高20%。

      6 优化油路设计

     液压油路的集成化足液压技术进步的标志,它既能简化管路,减少压力损失,又能减小整机结构尺寸,方便操作使刚。过去液压元件多为板式和管式联接.制造成本高,且增加了液压系统的结构体积。近年来插装阀、叠加阀发展较快.已形成标准化、系列化,价格低、性能好,在很多场合替代板式和管式液压元件。在新型电液执行机构中,我们大量选用了插装元件,如液控单向阀、手动换向阀、截止阀、双向液压锁、电磁换向阀等,使集成油路板结构更加紧凑。

      7 优化手动机构

     液压执行部分,在手动机械操作时,采用的是机床上使用的开合螺母结构,凸轮与开合螺母悬臂联接,配合精度较高,但使用中常有催化剂粉末塞人间隙,和凸轮销轴与滑槽间;手动操作间隔时间长,切换时常有卡阻现象,造成切换不灵活。优化方法可在开合螺母两端各增加一对齿轮.将单支撑改成了双支撑,消除了悬臂梁的不平衡力,在任何时候都切换自如。

      8 放大器和仪表接线盘的选用

     伺服放大器是电液伺服系统的控制部件,它对伺服系统的可靠性起着至关重要的作用。它将输入信号与反馈信号相比较后进行放大,再经过微分、比例、积分等环节实现对系统的各种控制。前一代放大器是插板式结构,它分为位置放大板、反馈板、报警板、电源板、控制面板等五块控制电路板,给维护和调试带来较大方便。

      8.1通过多年使用。我们发现该放大器尚存在以下问题

     (1)变压器式工作电源,发热较高,稳定性有待提高;
      (2)接触式继电器故障率较高;
      (3)调试点较多,调试繁琐;
      (4)显示面板与放大器构架联接,维护困难。

      8.2解决方案

     (1)放大器仍采用插板结构,将电源和显示_向板分离,并设计抽屉式托盘,以方便调校和维护。减小放大器的单体重量和调试的危险性。
     (2)电源安装在放大器防爆箱底部,采用高磁性的集成稳压开关电源模块。
      (3)显示面板安装在防爆筘显示窗口上,用信线与各板联接。
      (4)继电器采用进口固态继电器,减小故障率,提高可靠性。
      (5)仪表接线盒强弱电分离,减小干扰提高**性。

      9 结论

     通过对以上关键元件的选用配置,电液伺服控制系统可实现推力大、可靠性高、行程速度快的预期目的,满足装置大型化、长周期运转的要求。达到提高快速性能的研究月标。

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