电液比例控制系统的工程应用.ppt

1,第八章 电液比例控制技术的工程应用,8.1 电液比例控制技术在钢管水压试验机上的应用 8.2 飞机拦阻系统的电液比例控制系统 8.3 电液比例控制技术在CVT中的应用 8.4 管拧机浮动抱钳夹紧装置电液比例控制系统 8.5 带钢对中装置电液比例控制系统 8.6高速线材轧机上电液比例控制技术的应用,8.7 电液比例控制在连轧管设备上的应用 8.8 船舰模拟平台电液比例闭环控制系统 8.9 连铸机机械手液压系统 8.10 热轧平整定位辊电液比例控制系统设计 8.11 矫直机比例系统设计 8.12 比例技术在压铸机液压系统中应用,2,8.1 电液比例控制技术在钢管水压试验机上的应用,钢管水压试验机是制管生产线上的一台关键设备，用于试验钢管承受的压力，以使钢管满足输送石油、天然气等的要求。在进行钢管水压试验时必须给钢管两端施加与管内水压值相适应的反作用，以保证管内试验水压达到要求的值。故要求施加在管端上的力在试压过程中要随着管内水压值的变化而变化。,图8-1 机械杠杆式压力同步控制装置 1-主加压油缸；2-被试钢管；3-放气装置；4-压力同步装置；5-增压缸；6-换向阀,为了满足此要求，在钢管水压机中应设有一套压力同步控制装置。从前国内大型钢管厂的试验机都是采用传统的机械杠杆式压力同步控制装置以实现钢管试压过程中保证水压力平衡，如图8-1所示，是通过调节杠杆支点a的位置来改变油压与水压值的比例关系，这种机械杠杆式压力同步控制装置存在诸多缺点：灵敏度差且难于精确调整；只适于试管加压过程中的压力同步控制，不适用于压机卸压过程的压力同步等。对此我们考虑采用电液比例控制技术，如图8-2所示，采用电液比例溢流阀取代机械杠杆压力同步控制装置，并与比例放大器、压力传感器等组成压力反馈的闭环电液比例控制系统，其控制系统工作原理如图8-3所示。,图8-2 采用电液比例控制技术的液压原理图,图8-3 控制系统工作原理,8.2 飞机拦阻器电液比例控制系统,飞机拦阻器是飞机着陆控制的辅助措施之一，主要用于陆基飞机的应急拦阻以及舰基飞机的自由飞着陆和舰基自由飞失败后的应急拦阻。目前，国外较先进的某飞机拦阻器是纯机液系统，以拦阻网或拦阻钢缆连接在一起沿机场跑道对称布置，将被拦阻飞机本身巨大的动能转化成液压能而生成使飞机制动的摩擦力。,图8-4飞机拦阻器的简易模型,(1) 改进前液压系统 图8-5为国外某飞机拦阻器的液压系统原理图，它包括静压和动动压两部分。静压部分(由6、7、8、9、10组成)保证飞机拦阻器在不工作时处于锁紧状态；动压部分为能量转换装置，在飞机撞网带动尼龙带盘转动的同时，也带动液压泵12转动，输出压力油，产生使飞机制动的摩擦力。,图8-5 纯机液系统原理图,1-转轴；2-尼龙带盘；3-摩擦制动盘；4-摩擦片组件；5-梭阀；6-手动泵；7-单向阀1；8-安全阀1；9-压力表开关1；1O-压力表1；11-蓄能器；12-泵源；13-安全阀2；14-压力表开关2；15-压力表2；16-节流阀1(由凸轮机构调节)；17-凸轮机构；18-节流阀2(手动调节)；19-单向阀2；2O-回油过滤器,(2)纯机液拦阻器的不足 纯机液拦阻器中流入摩擦片组件的油液受节流阀17及18的控制。节流阀18为一手动针阀，通过预先调节其开口量大小来适应不同重量、不同撞网速度飞机的拦阻，拦阻过程中节流口大小不变；节流阀17与一套凸轮机构连接在一起，靠凸轮型面的变化来改变节流阀的通流能力，以控制刹车压力。通过调节凸轮起始工作角来调节拦停距离。对纯机液拦阻器，当飞机撞网状况发生变化时(例如：飞机撞偏、飞机重量差异、刹车片摩擦系数变化等)，拦阻不能达到预期效果：同时若凸轮型面受损，拦停效果也会受到极大影响，控制精度不高。,(3)改进后的液压系统 改进后的电液比例拦阻系统仍包括静压和动压两部分。系统的静压部分不做改动，起到拦阻前保持拦阻器稳定状态以及飞机刚撞网时避免对系统造成冲击的作用。动压部分将凸轮调节的节流阀改成电液比例溢流阀，这样通过调节比例溢流阀的输入电信号来改变系统输出压力，从而控制使飞机制动的摩擦力。引入电信号更便于用计算机构成自动控制系统。对于不同型号、不同拦停距离的飞机，只要事先计算出拦阻期间拦停位移与系统所需要达到的压力之间的关系，当拦阻飞机到达设定位移时，通过改变电信号的输入来改变系统输出压力(即刹车力)的大小，即可实现拦阻，达到拦停要求。,8.3 电液比例控制技术在CVT中的应用,随着电子技术 随着电子技术和自动控制技术的性能速发展，车用变速器的技术也越来越完善，形式也更加多样化，在越来越多的车辆上得到应用。 车用无级变速器CVT则避免了齿轮传动比不连续和零件数量过多的缺点，能够实现真正的无级变速。具有传动比连续、传递动力平稳、操纵方便、可使汽车行驶过程中经常处于良好的性能状态，其节省燃油、改善汽车排放等特点。,金属带式无级变速器属于摩擦传动式无级变速器，它主要利用两个锥形带轮来改变传动比，从而实现无级变速。从下图可见，发动机输出的动力经输入轴传到主动轮上，主动轮锥盘通过与金属带的V型摩擦片的侧面接触产生的摩擦力向前推动摩擦片，这样就使后一个摩擦片推压前一个摩擦片，在二者之间产生推压力.该压力形成于接触弧的始端，至终端逐渐加大，这种推力经金属带的摩擦片作用在从动轮上，由摩擦片通过与从动轮锥盘的接触产生的摩擦力带动从动轮旋转，这样就将动力传到了从动轴上。,图8-6 金属带CVT原理示意图,动画,金属带的主动轮、从动轮皆由可动锥盘部分和不可动锥盘部分构成，它们的中心距是固定的。工作中，当主、从动轮的可动锥盘作轴向移动时，改变了金属传动带的工作半径，从而改变了传动比。 可动锥盘的轴向移动量是根据发动机使用要求的变速比，通过液压控制系统分别调整主、从动轮上作用油缸的压力来调节的。由于工作节圆半径可连续调节，所以可实现无级变速。 系统采用的电液比例控制系统如下图所示，速比控制和夹紧力采用同一压力源，由发动机带动泵运行。本系统主要由比例溢流阀、比例方向阀、油泵、主、从动轮油缸和电子控制块组成。液压油从泵里被打出来，由比例溢流阀根据控制系统的指令实时控制系统的压力。,液压油通过比例方向阀控制进入主动缸的流量，进一步控制主动轮可动锥盘部分前进的位移，通过金属带进一步改变从动轮可动锥盘部分的位置，从而间接的改变传动比。作为电子控制的输入信号，可以使用发动机转速传感器和转矩传感器，主动带轮的位移传感器，被动带轮的压力传感器。通过测量发动机的转速来调整速比，从而控制发动机转速满足要求。,图8-7 无级变速器控制原理图,图8-8 无级变速器外观图,8.4 管拧机浮动抱钳夹紧装置电液比例系统,1-减振油缸 2-水平传力机构 3-小箱体 4-夹紧缸 5-竖直传力机构 6-大滑台 7-水平驱动缸 8-夹爪体 9-支撑轴 10-凸轮随动轴承,图9,动画,工作机理介绍：管拧机是用于生产石油套管的关键设备，夹紧装置为其主要部件。首先，经步进梁输送过来的带有经过预拧的管箍的钢管进入抱钳位置，夹紧油缸4活塞杆伸出，带动由夹爪提8等组成的四杆机构夹紧钢管。然后，水平油缸带动整个滑台相接箍卡盘移动。到达位置后，卡盘夹紧管箍并带动其绕卡盘中心旋转，由于钢管在加紧装置加紧下固定，这样，管箍被拧紧。 在拧紧管箍过程中 ，拧箍力所产生的沿水平径向力通过竖直传力机构转化为竖直径向力传递给大滑台，竖直径向力直接传递给大滑台。这样，钢管拧箍力均转化为竖直向下的力。凸轮随动轴承10为大滑台支撑导向轮。在水平传力机构的作用下，所有的竖直力均转化为水平力传递给液压减振油缸而被液压减振系统吸收。保证在加紧钢管的同时，允许钢管存在一定的偏心。,图8-10 液压系统原理,液压站：一用一被变量柱塞泵5，电磁溢流阀6，用于泵的空载起动及工作时起安全保护作用。过滤冷却采用旁置式，模块化设计，系统不工作时仍可以单独进行过滤冷却。 1.减振支路：调节减压阀8及换向阀9，油液推动油缸13活塞杆伸出，推动水平传力机构调节滑台及钢管位置。达到理想位置后，换向阀9切换到中位。工作时，通过传力机构传递过来的力向后挤压活塞杆，无杆腔油液流向蓄能器，蓄能器内压力升高，油液的压力对活塞杆产生的推力与水平传力机构的力平衡，此刻，活塞杆停止运动。在这个过程中，外力均被蓄能器吸。,2. 夹紧支路：夹紧支路用于夹紧钢管，保证在拧箍的时候钢管不会发生打滑现象。通过调节两位四通电液换向阀来达到夹爪体松开和夹紧动作。活塞杆伸出，夹爪体夹紧钢管，夹持钢管的力通过调节比例减压阀来实现。这样，就可以根据不同规格的钢管设置不同的压力级别。避免因调定压力不变而在加工不同规格的钢管时出现夹坏钢管或出现打滑现象。 3.水平支路：在接箍拧紧过程中，换向阀19处于中位状态，此时油缸浮动。在接箍及钢管螺纹螺旋传动的作用下，钢管带动滑台向前移动，油缸被滑台驱动。,8.5 带钢对中装置电液比例控制系统,8-11 带钢对中装置电液比例控制系统原理图,工作原理为：液压马达带动导板和导辊沿水平方向左右移动，来调整带钢中心线所在位置，并由制动器保证其位置不变。导板位置调整完毕、制动器锁死之后，带钢运动的中心线即被控制在该导板纵向中心线位置。油缸9可以带动齿条齿轮机构来完成夹棍夹紧及松开带钢动作。 对中装置前端安装的检测光栅13用来实时检测带钢的实际宽度w1，作为输入信号输送给PLC。安装在油缸活塞杆上的位移变送器，测量出来的信号经过一定的转化关系转化为加紧槽宽度信号反馈给PLC。两个信号在PLC内部经计算后，输出信号给比例放大板，进而控制比例阀完成相应动作，使夹棍随带钢的宽度而改变，保证夹紧带钢而不出现翻边,8.6 高速线材轧机上电液比例控制技术的应用,在高速线材轧机在高速线材轧机的液压系统中用了大量的电液比例方向阀来控制执行机构的方向和速度。水平轧机机架横移液压原理图如右图:,8-12 机架横移液压原理图,当更换轧辊或孔型时，需将机架从轧线上移出。机架横移从受力分析看，负载一般是恒定的，但在运动过程中有速度切换，用普通的开关阀至少需三个阀，若采用比例控制系统只用一个比例方向阀即可。运卷小车托盘升降的液压原理图如下：,8-13 运卷小车托盘升降液压原理图,8.7 电液比例控制在连轧管设备上的应用,在PQF连轧机设备上有多处应用电液比例位置闭环控制技术：PQF连轧管机主传动接轴支承装置、轧机出口辊道在线高度调整装置、芯棒支承架支承辊位置控制、机架拉出及推入装置及轧机机架侧向移动装置等。在此以主传动接轴装置为例来说明。PQF连轧机主传动接轴支承装置用于PQF连轧管机更换三根传动轴进的精确定位。如下图所示，接轴的位置完全由液压缸的位置精度保证，位置误差小于1mm，否则接轴无法顺利插入。,在此处传统的开关控制和一般的开环控制液压缸已经不能满足要求，而采用液压比例闭环位置控制，采用带位移传感器的油缸作为执行元件，利用油缸上的位移传感器检测油缸的位移，作为闭环控制的反馈元件。其控制原理示意图如下：,8-14 PQF连轧管机主传动接轴位置控制原理图,8-15 PQF连轧管机主传动接轴支承装置,计算机按设定的换辊位置x给出控制电流ie，位置传感器检测出轴的实际位置，并将信号电流if返回至计算机进行比较，产生偏差电流。此偏差电流经过电气放大推动比例阀工作，使液压缸推动接轴向着消除偏差的方向运到，直至偏差为0。此时放大器输出为0使接轴停在设定的换辊位置上。 当 ，比例阀A得电；当 ，比例阀电磁铁B得电；当 ，比例阀电磁铁A、B均断电，液压缸停止。,8.8 船舰模拟平台电液比例闭环控制系统,1.主机功能结构 模拟船舰平台主要用于室内模拟船舰在强烈风 模拟船舰平台主要用于室内模拟船舰在强烈风浪下的海上环境，实验人员坐在平台上的模拟船舱内，感受模拟风浪的作用，以此来研究人的身体反应及进行抗眩研究。该平台还可以作为游戏机使用，使人享受到失重的动感刺激。 该平台为三个自由度的框架式结构。由底座、密封舱、液压缸组成及两个特殊的支架构成。其工作原理图如下:,图8-16 船舰模拟平台液压系统原理图,1-定量液压泵；2，7-溢流阀；3-二位三通电磁换向阀；4-压力表；5，8-单向阀；6-电液比例复合阀；9-液压缸；10-位移传感器；11-冷却器,2.液压系统的工作原理 平台的液压系统中，其油源为定量泵1，可同时向三个液压缸9供油，供油压力有先导式溢流阀2设定并通过压力表4显示，与阀2遥控口相连的二位二通电磁换向阀3用于控制液压泵1的升压与缷荷，单向阀5用于防止压力有倒灌。驱动平台实现三个自由度运动的三个液压缸9的油路结构完全相同，各复合阀6内的减压阀分别用于设定个液压缸的工作压力，以使个缸压力互不影响；,利用复合阀中减压阀和电液比例方向阀的特殊通道构成对主节流口的负载压力补偿，从而使三个液压缸的运动速度与负载无关，而仅受控制电流的影响，以实现三个液压缸的动作同步。工作时候，只要 给比例控制器输入预想的控制电流波形，并用它来控制比例阀，平台就能输出相应波形。两组溢流阀7与单向阀8构成交叉阀组，用于防止液压缸的双向冲击和补油。位移传感器10用于对液压缸进行位置检测，检测到的数据用来显示并反馈至计算机实现系统的闭环控制。冷却器11用于系统回油的冷却。,8.9 连铸机机械手液压系统,连铸机机械手是炼钢连珠生产线上扇形段安装和维护的重要设备。由液压驱动的机械手液压执行元件布置图如图8-17所示。 图中的摆臂升降缸驱动机械手摆臂在585的范围内运动，以便将起吊扇形段的吊钩伸到不同角度的扇形段上。在摆臂角度增大时，摆臂液压缸要克服正向载荷，在摆臂角度减小（摆臂收回）时，摆臂液压缸受到负向载荷的作用，且正载荷和负载荷的大小均随着摆臂角度的变化而变化。,8-17 机械手液压执行元件布置图,1-卷筒回转驱动马达；2-减速机；3-卷筒；4-扇形段；5-机械手摆臂；6-摆臂升降缸；7-吊钩摆动缸；8-插销缸；9-吊钩锁紧缸,8-18 机械手液压系统原理,1-恒压变量泵；2-安全阀；3-压力补偿阀；4-比例方向阀；5-FD型平衡阀；6-伸缩液压缸；7-安全阀；8-压力补偿器；9-比例方向阀；10-梭阀；11-平衡阀；12-液压马达；13-制动液压缸；14-减速机；15-卷筒,摆臂升降缸驱动回路是一个典型的 摆臂升降缸驱动回路是一个典型的正、负载荷随液压缸行程变化的液压控制回路。 摆臂运动速度还需要根据生产节奏任意调节，为此，采用比例方向阀4控制液压缸的运动速度和方向。为了减少负载随摆臂角度变化对比例方向阀阀口压差的影响，保持油缸运动速度的稳定，在比例方向阀进口串联了一个进口压力补偿器3；为了克服摆臂收回时出现的负向载荷，在液压缸无杆腔安装了FD型平衡阀5；为了实现摆臂油缸在任意位置可靠停留，在油缸无杆腔设置了液控单向阀6；安全阀7用于保护无杆腔及其管路。,卷筒驱动马达控制回路用于升、降扇形段。 这是一个典型的由液压马达12驱动的卷扬机控制系统。当起吊重物时，马达克服正向负载，当放下重物时，马达承受负向负载。 为了调节重物（扇形段）的升、降运动及其速度 ，系统采用了电液比例方向阀9，且在比例方向阀进口设置了进口压力补偿器8；为了实现重物的匀速下降，在重物下降时马达回油口设置了平衡阀11，该平衡阀直接安装在马达的油口上，具有防止液压油管炸裂引起重物自由下滑的作用。因为液压管路由于高压而意外破裂时，平衡阀中的单向阀可将马达回油口可靠关闭，将重物停留在空中任意位置，避免重物成为自由落体引发事故。,吊钩摆动缸、 吊钩锁紧缸、插销缸虽然也有负向负载，但因其负载小，动作和工况简单，采用了液压传动中的回油节流调速方案。 机械手液压系统是一个包含有电液比例控制和普通液压传动的系统。 系统采用集中供油方案，大泵控制马达和摆臂缸（需要大流量），小泵控制其余三个油缸，油源均为恒压源。该系统的工况特点是执行元件均存在负向负载，操作人员根据需要控制各执行元件随机运动，各执行元件不存在同时运动的过程。,8.10 热轧平整定位辊电液比例控制系统设计,8-19 平整定位辊液压系统原理图,选用带压差补偿器的比例方向阀3.1和3.2作为主要控制元件，以达到较高的同步控制精度。比例方向阀便于设定起停斜坡时间和速度切换控制，能使辊道起动、停止、变速时运动平稳，同时在液压马达的进出口间设置双向溢流缓冲阀4.1和4.2，能避免液压马达2个油口的压力出现异常，吸收系统的冲击和振动，使设备运行更加平稳。为解决安装空间尺寸小与输出转矩大的矛盾，考虑选用带行星减速机的一体化液压马达6.1和6.2作为驱动装置，尺寸小，驱动力矩大。设计的液压系统如图8-19所示，与其他设备共用油源。,液压系统计算机仿真 根据所设计的液压系统，可以知道对于单个辊道而言，其驱动液压系统属于典型的四通滑阀控制液压双向马达，控制框图如图8-20所示。,8-20 平整定位辊液压系统控制框图,液压系统的阶跃响应和斜坡响应计算机仿真曲线如图8-21所示。从响应曲线可看出干扰力矩对系统输出影响较小，响应时间、超调量和调整时间几个指标均较为理想。调整KI可使系统输出转速满足要求。,图8-21 仿真曲线,结论 某热轧厂平整定位辊原电气驱动系统改造后，选用了上述液压系统，实践表明该设计元件选型、系统设计合理，同步精度高，起动、制动与运行平稳，调速方便，基本解决了原驱动系统的不足之处。,8.15 矫直机比例系统设计,8-22 矫直机外观图,对金属塑性加工产品的形状缺陷进行的矫正，是重要的精整工序之一。轧材在轧制过程或在以后的冷却和运输过程中经常会产生种种形状缺陷，诸如棒材、型材和管材的弯曲，板带材的弯曲、波浪、瓢曲等。通过各种矫直工序可使弯曲等缺陷在外力作用下得以消除，使产品达到合格的状态。 矫直机是对金属棒材、管材、线材等进行矫直的设备。矫直机通过矫直辊对棒材等进行挤压使其改变直线度。一般有两排矫直辊，数量不等。也有两辊矫直机，依靠两辊（中间内凹，双曲线辊）的角度变化对不同直径的材料进行矫直。主要类型有压力矫直机、平衡滚矫直机、鞋滚矫直机、旋转反弯矫直机等等。,图8-23 矫直机机械结构图,8-24 矫直机液压系统原理图,这种矫直机的矫直过程是：辊子的位置与被矫直制品运动方向成某种角度，两个或三个大的是主动压力辊，由电动机带动作同方向旋转，另一边的若干个小辊是从动的压力辊，它们是靠着旋转着的圆棒或管材摩擦力使之旋转的。为了达到辊子对制品所要求的压缩，这些小辊可以同时或分别向前或向后调整位置，一般辊子的数目越多，矫直后制品精度越高。制品被辊子咬入之后，不断地作直线或旋转运动，因而使制品承受各方面的压缩、弯曲、压扁等变形，最后达到矫直的目的。,8.12 比例技术在压铸机液压系统中应用,8-25 卧式冷室压铸机外观图,卧式冷室压铸机，是压铸有色金属（铝、镁、锌、铜）中小型铸件的专用设备。广泛应用于航空、汽车、拖拉机、电讯电器、仪器仪表、照相机、家用电器等工业部门。 该机主要由合模、压射、液压和电气等部分组成。合型部分采用曲肘扩力机构，开合型平稳，速度快，效率高，性能可靠；压射部分采用压射、增压分控的四级压射系统，压射的各项参数可单独调节，简单可靠，特别是采用无浮动活塞的内置单向阀增压装置，使建压时间更短，增压速度更快，完全可以满足镁、铝、锌、铜等有色压铸件的工艺要求。,8-26 压铸机液压系统原理图,机器液压部分运转原理 1.压力调整：油泵输出压力油至系统各工作油缸，当机器运行过程中，系统压力低于5Mpa时，高低压泵同时向系统供油，机器则以较快的速度运动，当系统达到5Mpa时，JV2打开低压泵开始卸荷。系统最高压力为14Ma,由厂方在出厂前设定完成，不需用户自行调节。 2.机器的开合型：机器的开、合模动作由电液阀YV1a、YV1b控制。合模时，电磁阀YV1b得电，压力油进入合型油缸的无杆腔，进行合型，合型油缸的有杆腔的油回油箱。合模终止。开模时，电磁阀YV1a得电，压力油进入合型缸有杆腔，无杆腔油回油箱。完成开模过程。 3.顶出、顶回：铸件的顶出、顶回由三位四通换向阀YV4控制。YV4a得电，压力油推顶出缸活塞带动顶出板进行顶出，顶出时间由人机界面进行调整，相反，YV4b得电，实现顶回。 4.抽、插芯：本机器设两个动芯和一个静芯，抽、插芯动作由YV3、YV5、YV6控制。抽、插芯程序按工艺要求选定后，按动触摸屏上的相应按钮，机器按选定程序运转。,5.压射与压射回程： 慢压射和压射回程由三位四通电液换向阀YV7控制。按“压射”按钮，YV7a得电，压力油自油泵进入压射缸右腔，进行慢压射,同时YV13得电，快排阀开启。慢压射时由电液换向阀控制油缸供油，压射活塞杆带动接近开关触动杆，“快压启动”接近开关SQ9脱离，快压射阀YV8得电，快压射阀开启，压力油经JV11,进入压射缸，进行快压射。金属液充型，充型结束后，压射活塞停止，油腔压力上升，达到一定值后，压射腔压力继电器动作，电磁换向阀YV11得电，增压蓄能器的工作液经JV13进入增压缸，即进行增压。增压起始时间由节流阀JV13调节。按“压回”按钮，YV7b、YV10得电，压力油经单向阀进入压射有杆腔，增压缸回油阀JV14打开，增压活塞回程，打开内置单向阀，压射无杆腔接通回油，开始压射回程。,