自动去冒口装置的多执行器液压系统设计

杨松，高宏力，黄海凤，李世超，王勇

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610000)

0 前言

冒口是铸型内用以存储金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。某所在浇铸部件时需要等待浇铸液完全凝固后将冒口去掉，目前所采用的是人工用木榔头敲击冒口的上沿，通过工装的预缺陷结构设计以及在弯矩的作用下，使冒口内的浇铸液在其根部脱离，从而达到去冒口的目的。然而采用人工的方法不仅效率低而且由于敲击过程的随机性，难以保证浇铸件的质量。因此提出了一种自动去冒口装置，其控制系统采用液压控制。

1 自动去冒口装置的结构设计原理

自动去冒口装置的结构设计原理图如图1所示。

图1 自动去冒口装置示意图

整体而言由11个部件组成整个机械结构，外加一些辅助零部件。工作时2号液压缸上升到冒口总高度的2/3处;1号液压缸动作左行，推动2号液压缸及连接的扭转机械手和2号液压马达到达指定位置、1号液压缸锁紧;采用气动的方式开启扭转机械手，夹住冒口、启动2号力矩马达，在力矩马达的作用下扭断夹持的冒口，扭断后力矩马达反转归位;3号液压缸下行，气动打开抓提冒口机械手，夹紧后3号液压缸上行提走冒口;1号液压缸右行归位;2号液压缸依靠载荷自重下行归位;1号液压马达动作，1号液压马达与齿轮齿条相连接，将液压马达的圆周运动转成门架的直线运动，门架移动到指定行程位;3号液压马达动作，移走抓取冒口机械手到冒口回收处，松开机械手进行冒口的下放回收。

2 液压系统设计需求情况分析

从上述的工作原理可知对液压系统的顺序动作要求，动作流程如图2所示。

图2 液压马达、液压缸动作顺序流程图

由图2可知，整个液压控制系统最重要的是3个液压缸、3个液压马达的严格顺序动作执行，上一个执行器的动作结束严格逻辑对应这下一个执行器的开始。2号液压缸和1号液压缸可以实现调速并顺序动作完成后要求能够实现锁定，为了减小泵站的负荷，锁定后实现卸荷;3号液压缸抓提冒口的上下行过程中应当以较快的速度运行，以提高工作效率;2号力矩马达实现从开启到扭断冒口的整个过程控制在5 s左右，扭转过程中不得与装药件产生干涉，这就要求2号液压马达的执行回路能够实现调速、调压功能; 3个液压马达采用同一个调速控制回路，用电磁换向阀进行油路的切换。

3 拟定液压系统原理图

在拟定液压系统图的过程中，首先通过分析对比选择出各种合适的液压回路，然后将这些回路拼接成完整的液压系统。在选定了满足主要要求的主液压回路之后;再配上过滤、测压、控温之类的辅助回路，即可将他们组成一个完整的液压系统［1］。拟定的液压系统图如图3所示。

图3 自动去冒口装置液压系统

该系统涉及到多执行器顺序控制回路、调速回路、方向控制回路、锁紧回路、保护回路等其他回路设计。整个液压系统中2号液压缸承受的载荷最大，最大静载荷为14 700 N，因此可采用单定量泵泵供油的开式回路结构，设计压力10 MPa。

(1)顺序控制回路设计

在多执行器液压系统中，多采用换向阀并联和串联的形式来实现［2］，由于应用场合的特殊性，该系统以三位四通电磁换向阀串联为主顺序控制回路同时辅以压力控制顺序动作回路。

在液压设备中，常常采用一个液压泵驱动多个液压缸，以实现工作部件的特定功能。通常也采用顺序阀控制各元件的动作顺序，由于多缸系统回路复杂，各油路之间极易产生干扰而使压力误动作，导致系统工作顺序紊乱。因此，设计这类系统时，必须重视压力阀的合理选择与应用。按照控制方式的不同分为内控式顺序阀和外控式顺序阀，对于只进行顺序控制的液压系统，选用一般的顺序阀就可以，对于同时需要进行速度和顺序控制的液压系统，选用顺序阀时应慎重考虑其控制方式，以免造成液压缸的动作干涉［3］。

针对1号液压缸和2号液压缸同时需要进行速度和顺序控制液压系统，在此选择外控式顺序阀，避免了如果内控式顺序阀开启压力高于系统压力时顺序阀无法打开，如果其压力设定值低于系统压力时，两个液压缸无法顺序动作的情况［4］。

启动开始按钮，电磁换向阀置于右位，压力油经过液控单向阀和节流阀进入1号液压缸，压力油经单向阀回油，当一号液压缸到位后，无杆腔内压力上升，压力值达到顺序阀的设定压力值时打开2号液压缸，顺序到位后电磁阀断电中位锁紧。电磁阀置于左位时，一号液压缸的顺序阀此时没打开，压力油先进入2号液压缸，溢流阀保压，2号液压缸顺序到位后，有杆腔压力上升，只要将溢流阀的压力值设定为当2号液压缸到达原位时内部的压力值即可，同时将1号液压缸的顺序阀压力设定为溢流阀的压力值，2号液压缸归位后打开1号液压缸的顺序阀，2号液压缸有杆腔进油并打开液控单向阀，在负载自重和压力油的作用下负载下降，此时节流阀的节流口保证了负载的下降速度，使得重物平稳下降。

(2)调速回路设计

在液压传动系统中，各机构的运动速度要求各不相同，而液压源往往是共用的，要解决各执行元件不同的速度要求，就要采取速度控制回路［5］。系统中3个液压缸采用结构简单、能获得较大调速范围的节流调速回路，3个液压马达则采用定量泵+变量双向马达的容积调速回路。

(3)锁紧回路设计

近年来，随着人们多锁紧回路研究的不断深入，实现回路锁紧的方法也变得多样化。根据锁紧原件的不同，目前常见的锁紧回路有换向阀锁紧回路、单向顺序阀锁紧回路、及液控单向阀锁紧回路［6］。系统中承受最大载荷的2号液压缸的行程262 mm，启动时最大载荷约为3 000 N，加速时最大载荷约为3 097.5 N，动作过程中不存在较大的载荷波动，因此可以采用M型中位机能的三位四通电磁换向阀设计成双向锁紧回路。由于滑阀的泄漏量大，为了系统的可靠性，在2号液压缸的进油口布置一个液控单向阀。液控单向阀的阀芯为锥形，两个油口之间的压差越大，阀芯和阀座之间就压的越紧，密封效果好，泄漏量小，因此，其锁紧保压的效果也就越好，并能使负载长时间准确、可靠的保持在任意位置上。

(4)保护回路设计

在液压泵的出口处安装先导式电磁溢流阀来调节整个液压系统的压力，保证系统正常工作，实现液压泵零压启动，使电机在空载下启动，并能实现系统出现故障、超载时自动卸荷。在液压泵与工作回路间加一个单向阀，使工作回路与液压泵分开，使系统在工作不正常时产生的液压波动不影响液压泵的工作，保证液压泵向系统提供稳定的压力［7］。

(5)阀控液压缸直线位置伺服回路设计

3号液压缸上装有机械手，用以提走2号力矩马达扭断的冒口，因此需要对于其下行的位置进行控制。阀控3号液压缸的电液伺服位置系统如图4所示，由电液伺服阀、液压缸、位移传感器和放大器组成。位置传感器将液压缸的位置信号转换为电信号与输入信号相比较，得到偏差信号，经伺服放大器放大，输出控制电流控制伺服阀芯的运动，输出电压推动液压缸，带动负载运动［8-9］。

图4 自动去冒口装置液压系统

(6)阀控力矩马达角度位置回路设计

在很多实际场合中，也经常需要对液压马达的角位移进行控制，如全自动垃圾吊，电镀车间的工作起重机等。文中2号液压缸上的扭转机械手紧抓住冒口，在力矩马达的扭矩作用下扭断冒口，在保证扭矩力的前提下将其扭断，扭转机械手势必与水平成一定角度，扭断后则需要将力矩马达反转一定角度后归位，因此需要对2号力矩马达进行角位移控制。阀控2号力矩马达电液转角位置伺服控制回路如图5所示。

图5 阀控力矩马达电液转角位置伺服回路

当力矩马达转动时便可带动安装在输出轴上的编码器一起运转，系统中选择绝对编码器作为角位移测量传感器，工控机运行采集和控制程序，通过A/D转换器和D/A转换器实现对系统相关物理量的数据采集和控制［10］，将采集到的信号经过数据处理后与伺服放大器的输入信号进行比较，从而组成一个闭环的阀控马达位置伺服系统。

4 结束语

系统中主要的难点是多执行器的顺序控制，在设计液压系统时，各个执行器有着严格的顺序控制要求，同时又包含着各自独立回路设计。当前主要的多执行器液压系统的设计大多数针对的是两个执行器的顺序控制，因此可以采用简单的顺序阀来实现顺序控制。该系统中为了实现多个执行器的顺序控制，加上运用场合的特殊性，于是采用换向阀的串联为主顺序控制回路，同时辅以压力顺序阀控制的顺序控制回路，为防止顺序阀的误动作，采用了外控式的压力顺序阀，避免了内控式顺序阀和溢流阀直接相连时两个液压缸无法顺序动作。在其他的设计回路中，为了保证系统的可靠性，采用了液控单向阀及M型中位机能的换向阀实现双向锁定，压力控制回路设计上，采用溢流阀并联的结构形式，使得系统能够为执行器提供不同的系统压力，满足各个执行器对自身压力的需求。通过采用将各个不同的液压回路重组成一个完整的液压系统的结构设计形式，不仅保证了各个液压回路的可靠运行，而且各个回路之间相互补充，大大地提高了系统的稳定性。

［1］张利平.液压站设计与使用［M］.北京:海洋出版社，2004.

［2］曹玉平，阎祥安，彭玉洁，等.多执行器液压系统分析与设计［J］.液压与气动，1999.

［3］成红梅.多缸液压系统中压力阀的应用研究［J］.煤矿机械，2007，28(7):149.

［4］胡海清，王晓钟.液压压力顺序控制回路故障分析及对策［J］.机床与液压，2010，38(20):122.

［5］成大先.机械设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2002.

［6］伍小东，杨尚平，詹磊.几种典型锁紧回路的特性分析［J］.矿山机械，2010，38(22):31-33.

［7］张新聚，牛虎力，张嘉钰，等.钢筋连接套温挤压成型机械手的液压系统设计［J］.机床与液压，2014，42(9): 55-58.

［8］赵锦荣，胡学武，盛小明.基于压力反馈的上下料机械手电液伺服位置系统［J］.液压与气动，2011(12):47.

［9］张利平.液压控制系统及设计［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［10］张磊，彭天好，钟日良，等.变转速泵控马达系统位置控制试验研究［J］.机床与液压，2014，(42)3:76-77.