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上海圓馨能源科技有限公司
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先導式高壓氣動開關閥的設計
2021-12-10 閱讀(808)
國內外現有的常規氣動系統的開關控制閥一般只能應用于壓力低于1.OMPa的場合。所謂的高壓氣動開關控制閥也只能應用于系統壓力低于3.OMaP的氣動系統中,而且主要用于小流量控制;高于3.OMaP的大流量高壓氣動開關閥產品國內還少有應用。研制高壓氣動開關閥的目的是為氣動汽車高壓氣體動力系統容積減壓控制裝置提供一種必要的控制元件,實現高壓氣
體動力系統節能減壓。高壓氣體作為動力工作時,常規的減壓控制方法是采用節流型的壓力調節裝置仁’,2飛,這對于間歇工作、只對功能性有要求的氣動系統是合理的。但對于連續工作、動力性能要求高的氣動系統,就必須考慮能量利用的經濟性。節流控制是一種不可逆的能量變化過程,存在較大的能量損失,不利于系統的高效利用。因此高壓氣動動力系統需要采用減壓節能效果更好的容積膨脹減壓控制方式,高壓氣動開關控制閥是高壓氣體容積膨脹減壓控制系統中重要的控制元件。但由于氣體的低粘性、低潤滑性,高壓氣體的密封難度遠高于高壓液體,動密封副之間的摩擦也比較嚴重,這些都使得高壓氣動開關閥的研究與應用受到限制。針對高壓氣動動力系統容積減壓的需要,本文通過材料選擇、密封方式設計和結構設計川,開發了高壓氣動開關控制閥。
1設計指標
(l)壓力范圍:0.5一10MaP;
(2)流量范圍:90時/;h
(3)操縱電壓:直流24;V
(4)壓力損失:<0.2Mpa;
(5)開關時間:<0.55;
(6)控制方式:內控或外控。
2閥的組成與結構設計特點高壓氣動開關控制閥由電磁先導閥部分和主閥部分組成,如圖1所示。先導閥部分采用密封性好且耐高壓的電磁球閥。主閥部分包括錐閥心、閥套、聯接閥蓋、預緊彈簧和閥體等幾部分。錐閥心和閥套是高壓氣動開關控制閥進行開關控制的兩個核心零件,它們組成高壓氣動開關控制閥的動密封副。通過控制錐閥心與閥套之間的錐形密封面的接觸與分離實現主閥通道的關和開;錐閥心與閥套之間的圓周密封面構成開關閥的滑動密封副,用于保證控制腔室以及錐閥心在運動過程中的密封。飛
高壓氣動開關閥結構組成各主要零件的結構特點描述如下:錐閥心的上、下端設計成不同的有效作用面積,用以保證先導閥控制高壓氣體驅動主閥實現開和關。錐閥心的一端設計成錐面并附有硫化橡膠,橡膠與密封面接合時可以補償由于加工精度和同心度誤差造成的間隙,防止高壓氣體的穿漏和滲漏,從而保證主閥開關通道的密封;另一端設計加工成深孔便于安裝彈3一的摩擦阻力,將錐閥推到上部,密封錐面開啟,將主閥通道打開,開關閥處于打開狀態。采用外控型工作時,只需保留閥體內的密封塞,卸掉閥蓋上的絲堵并引入外部高壓控制氣體,其它連接方式和控制工作原理與采用內控方式工作時相同。
4工作參數設計計算高壓氣動開關閥的氣動回路原理和結構簡化模型分別如圖2(a)、(b)所示。結合圖2,參考有關文獻陳4一,可對高壓氣動開關閥的錐閥心進行受力分析。
。鄂蘸叭ó瓢黯訓簧。錐閥心與閥套之間的圓周面動密封采用聚四氟乙烯組合密封圈,聚四氟乙烯材料作為摩擦副,可以減小摩擦阻力和磨損;橡膠0形圈的彈性變形用于提供和補償密封面之間的接觸壓力,從而保證動密封效果良好、_閥套與閥蓋、錐閥心之間形成高壓氣動開關閥的控制腔容積,從而通過先導閥控制該容積腔的充放氣和容積變化來實現主閥的開和關。閥套上設有與低壓連通的呼吸孔,呼吸孔的作用是消除閉死容積對錐閥心的開、關狀態的影響,保證主閥按控制要求實現正常的開和關閥蓋是先導閥與主閥工作部件之間的連接件,內部設計有控制氣體引人通道、控制氣體輸出通道和控
制氣體排氣卸壓通道。閥體上設計有進氣口、出氣口和卸壓口,以及控制氣體引出通道。閥體上還設一計有一個輔助零件一密封塞,其作用是當高壓氣動開關閥采用外控方式工作時,用于堵塞內部高壓控制氣體引出通道,以便引入外部控制氣體對高壓氣動開關閥進行控制。如果采用內控方式工作時,必須將密封塞卸掉,保證內部控制氣體引出通道暢通,使內部控制氣體對高壓氣動開關閥進行控制。彈簧一端裝人錐閥心的深孔內,另一端裝人閥蓋
L的彈簧座孔內;彈簧安裝時帶有預壓縮量,用于保證錐閥心與閥套之間的錐面初始密封。組裝高壓氣動開關控制閥時,如果保留閥蓋上的絲堵,卸掉閥體內的密封塞,則高壓氣動開關閥為內
控型;如果保留閥體內的密封塞,卸掉閥蓋上的絲堵并引人高壓控制氣體,則高壓氣動開關閥為外控型。因此,根據密封塞和絲堵在高壓氣動開關閥組裝時的選取和搭配,高壓氣動開關控制閥可分為內控型和外控型。
3閥的工作原理高壓氣動開關控制閥的工作原理是:采用內控型工作時,進氣口通過接頭與氣源聯接,出氣口通過接頭和管線與容積膨脹減壓裝置聯接,卸壓口可聯接消聲器。若電磁先導閥接收到控制信號將高壓氣體控制
通道打開,錐閥上部腔室充人與錐閥下部腔室壓力相同的高壓氣體,由于錐閥上部有效作用面積大于錐閥
下部有效作用面積,則錐閥在壓力差和彈簧力的作用下克服密封副的摩擦阻力,將錐閥壓下,密封錐面保持緊密接合,將主閥通道切斷,開關閥處于關閉狀態。若電磁先導閥接收到控制信號將高壓氣體控制通道關閉,卸壓通道打開,錐閥上部腔室氣體通過卸壓口排出,錐閥下部腔室保持高壓氣體壓力,此壓力作用在錐閥下部,則錐閥在該力作用下克服彈簧力和密封副閥的氣動回路原理與結構簡化模型閥開始關閉瞬間的受力F。為F。二pIA,+`+sF一p姓2一F一F汪==aM,(])閥開始開啟瞬間的受力F。為
oF二P產:一PZA;一`一凡一F二aMZ(2)其中A,二初子4/,AZ二初圣4/,A3二7rD子4/(3)F=左F,,2(4)F卜2=L界+A幾(5)左二二(刀呂一`子)辮(6)F己=城卜Coso(7)式中:pl、p:分別為控制腔關閉和開啟過程的氣體壓力,p,為高壓腔的氣體壓力,AI、AZ、A3分別為控制腔、閥腔、高壓腔的錐閥心有效作用面積,D;、DZ、D:分別為控制腔、閥腔、高壓腔的錐閥心直徑,凡
為閥心所受的彈簧力,凡為錐閥心所受的瞬態液動力,`為閥心所受的重力,M為閥心的質量,a,、a2分別為錐閥心關閉和開啟過程的加速度;F,,2為閥心的滑動摩擦力,F為錐閥心的靜摩擦力,人為始動摩
擦轉換系數,L為密封接觸寬度,D。為密封接觸面直徑,d;為密封圈內徑,sT為單位寬度摩擦力,凡為單位面積摩擦力,A為密封接觸面積;戶為高壓氣體密度,Q為高壓氣體流量,。為氣體流動速度,o為錐閥的半錐角度。根據上述計算公式,結合經驗系數的確定,得出研制的先導式高壓氣動開關閥的基本參數為:D,=25mnr,DZ=20llun,D3=15fnnr,0=450。經過室內試驗,研制的高壓氣體控制閥滿足了設計要求。(一F轉第94頁)《機床與液壓》以刃3.N02樣本的選取對預報模型的訓練至關重要,若樣本
數太少,經過訓練的網絡性能不好,若樣本數增加,勢必增加樣本數據采集的工作量及訓練時間。由于神經網絡具有較好的內插性,而外插性能較差。因此在樣本中力爭使樣本數據包括全部模式,并考慮隨機噪聲的影響。樣本采集前使機床停車6小時以上,然后在空載情況下使機床連續運轉,每隔10分鐘將四個檢測量測量一次,當機床達到熱穩態時,共可測量46次,將采樣數據進行處理得到46組訓練樣本,采用Maltab神經網絡工具箱中的訓練函數進行訓練,最后得到預報模型的參考矩陣。預報模型是預報補償技術的基礎,預報準確性決定了預報補償的精度。由于數控機床熱態過程的不確
定性,受環境、加工條件和切削液是否使用等條件的影響,為了進一步提高預報精度,對預報結果進行在線修正。在k+l時刻我們可測得機床熱誤差實際值S(k+l),因此k時刻的預報誤差E(k+l)=S(k+l)一YB(k+l/k),其中S(k+l)為實際誤差向量,由X(k+一)和y(k+l)組成,紹(無+l/k)為預報值向量油X(k+l/k)和Y(k+l/k)組成,利用E(k+l)可對模型的下一步預報YB(k十2/k+l)進行修正,修正后的預報值為YB(k+2/k+l)+hE(人+l),h為兩維向量,
4結論
(l)基于無限沖激響應網絡的熱誤差補償使誤差補償與產生同步進行,可使被加工零件的精度得到甚至超過數控加工機床本身的精度,此項技術是提高數控加工精度的有效方法之一;2)通過延時單元把輸入輸出以前的狀態存在延時單元中,使模型具有動態性質,較好地解決了熱變形的非線性及交互作用問題;(3)采用預報值直接修正法,方法簡單,可滿足
熱誤差實測曲線與預報曲線的比較可用時間序列建模的方法辨識h中的系數。圖3為立式加工中心熱誤差的實測與訓練后的模型智能預報仿真結果,二者比較結果表明,預報結果與實際值非常接近,最大誤差為6%,這說明無限沖激響應網絡可以作為預報模型,并且精度較為理想。
3熱誤差的實時補償經過離線訓練,我們得到了一個動態神經網絡預報模型,此時即可以進行實時補償。首先用溫度傳感器和測微計測量機床特征點的溫度及熱位移值,然后將這些值輸入到預報模型,神經網絡便能預報出下一步相應的補償值,并根據前一步實測誤差進行修正,最后將結果反饋給數控機床的控制系統,控制系統將給定信號與預報補償值進行綜合處理,采用相應指令來補償這一熱誤差,以達到提高加工精度的目的。
5結束語先導式高壓氣動開關閥的研制成功,為氣動汽車高壓氣體動力系統容積減壓控制裝置實現高壓氣體動力系統節能減壓提供了必要的保證。研制的先導式高壓氣動開關閥結構設計簡單、緊湊,密封設計性能可靠,采用電子信號控制高壓大流量氣體,操作方便,易于實現自動控制,氣體流通過程中的節流損失小,適合于高壓大流量氣動動力系統和氣動回路的開關控制。
