插装阀先导控制级集成设计研究

插装阀先导控制级集成设计研究

0插装阀的结构20世纪70年代初，基于“安装孔”的新元件开始了，该元件覆盖了压力、流量、方向和比例。插装阀具有结构紧凑、工艺性好、流动阻力小、通流能力大、响应快、抗污染能力强、效率高、工作可靠、寿命长、密封性好、适用于水基介质、具有多种机能、变型方便等优点由于插装阀技术的核心是采用先导控制方式,因此除了选择合适结构和尺寸的主级插装阀外,选择符合控制要求、结构简单的先导控制元件尤为重要根据WBacker教授所提出的“液阻理论”1制级状态分析由于插装阀的控制对象是执行元件的“受控容腔”,因此对插装阀先导控制级的状态分析是基于“受控容腔”的数量进行的。常见的执行元件主要单容腔(单作用油缸、单向马达等)和双容腔(双作用油缸、双向马达等)的形式,因此可以针对这两种不同类型的执行元件进行分析。1.1失电状态s根据“液阻理论”,单容腔的执行元件最多需要两个插装阀(“液阻”)来控制;也就是说,两个电磁铁即可实现对单容腔执行元件的控制。图1所示为基于插装阀的单容腔执行元件液压系统示意图。定义电磁铁得电状态为“1”、失电状态为“0”,则图中的两个电磁铁1YA和2YA的得失电状态可以用一个二位二进制数S(S的取值集合为{00,01,10,11})表示。(1)S电磁铁1YA和2YA均处于失电状态,此时,插装阀1和2均由于其控制腔与高压油源相连而闭合。执行元件的受控容腔A处于闭锁状态,且系统不卸荷。(2)S电磁铁1YA处于失电状态,电磁铁2YA处于得电状态,此时插装阀1由于其控制腔与高压油源相连而关闭,插装阀2由于其控制腔与油箱相连而打开。执行元件的受控容腔A与高压油源连通,执行元件处于工作状态,且系统不卸荷。(3)S电磁铁1YA处于得电状态,电磁铁2YA处于失电状态,此时插装阀1由于其控制腔与油箱相连而打开,插装阀2由于其控制腔与高压油源相连而关闭。执行元件的受控容腔A与油箱相连,执行元件由于弹簧作用而回退,且系统不卸荷。(4)S电磁铁1YA和2YA均处于得电状态,此时插装阀1和插装阀2均由于其控制腔与油箱相连而打开。执行元件的受控容腔A与高压油源和油箱同时连通,且系统卸荷。S的4种状态下,执行元件的受控容腔、油源和油箱三者的等效连接形式及其功能分析,如表1所示。1.2个插装阀控制与单容腔执行元件类似,双容腔执行元件的受控容腔最多需要4个插装阀即可实现对其的全部控制。图2所示为基于插装阀的双容腔执行元件液压系统示意图。图中电磁铁的得电状态在理论上有2根据小节1.1的分析方法可以得到,在双容腔执行元件的22插装阀与采用二元电磁阀匹配在实际液压系统中,先导控制级状态并不完全需要,往往只用到其中的几种;如果采用插装阀与二位三通电磁阀1∶1匹配的形式,则必然增加液压系统的成本和控制的复杂程度。因此,对插装阀先导控制级的集成将为液压系统的低成本和高效性增加优势。2.1控制装置结构的控制表1中的插装阀先导控制级4种状态S(1)ST=0110液压系统需要实现执行元件正常工作和回退两种状态。图2所示液压系统中,插装阀1和2的控制腔交替与油箱和油源相连,四个液压油口的连接方式可以通过一个二位四通电磁阀即可实现。(2)ST=0111液压系统的控制要求除了执行元件的正常工作和回退功能之外,还包括平稳启动或提供工作压力限制保护。图2所示液压系统中插装阀1和2的控制腔交替与油源、油箱相连外,还需要存在同时与油源相连的状态。因此可以通过一个“Y”型中位机能的三位四通电磁阀实现四个液压油口的连接形式。(3)ST=1110液压系统的控制要求除了执行元件的正常工作和回退功能之外,还包括执行元件在任意位置闭锁。图2所示液压系统中插装阀1和2的控制腔交替与油源、油箱相连外,还需要存在同时与油箱相连的状态。因此可以通过一个“P”型中位机能的三位四通电磁阀实现4个液压油口的连接形式。根据上述分析方式,可以得出实际工程应用中常见的单容腔执行元件液压系统二通插装阀先导控制级状态及其对应的集成形式,如表3所示。2.2带控制腔的采用二次进入功能与单容腔执行元件类似,双容腔执行元件的液压系统先导控制级也可以进行集成。表2中的插装阀先导控制级状态S(1)ST=044液压系统需要实现图3所示液压系统中执行元件的双向移动。此时插装阀1和3同时开闭、插装阀2和4同时开闭,且两组插装阀交替开闭。则插装阀1、3和插装阀2、4的控制腔与液压油源及油箱交替连接,只需要一个二位四通电磁阀即可实现6个油口的连接形式。(2)ST=045液压系统除了需要实现图3所示液压系统执行元件的双向作用,还要提供活塞可自由浮动的状态。此时除了插装阀1、3和插装阀2、4的控制腔与液压油源及油箱交替连接,还需要提供插装阀1、2、3和4全开的状态。分析可知,“Y”型中位机能的三位四通电磁阀可以在中位时提供4个插装阀全开的状态,满足控制要求。根据上述分析方式,可以得出实际工程应用中常见的双容腔执行元件液压系统二通插装阀先导控制级状态及其对应的集成形式,如表4所示。3插装阀液压系统原理注塑机液压系统是工程应用中较为典型的液压系统,以SZ-250A型注塑机为例,它具有合模缸、顶出缸、注塑座移动缸、注射缸和预塑液压马达5个执行元件。其中,合模缸是注塑机工作过程中最为重要的执行元件之一,图3所示为SZ-250A注塑机的合模缸插装阀液压系统原理图。注塑机的一般工作流程包括合模、注射座前进、注射、保压、冷却(预塑)、注塑座后退、开模、顶出制品、顶出缸后退等比较表5中电磁铁状态可以发现,16个工序的电磁铁状态只有3种形式,即“0101”、“1001”、“1010”,分别对应表3中的S根据图4所示液压系统,可以得出在注塑机的各个工序中合模缸液压系统先导控制级电磁铁状态,如表6所示。比较表5和表6可以发现,经过先导控制级集成后的液压系统的控制复杂程度和成本都得到了大幅度降低。4先导控制级集成形式插装阀先导控制级的集成可以实现降低液压系统成本和控制复杂程度,在未来液压技术中有着很好的发展前景。研究所有可能的插装阀先导控制级集成形式,并制作先导控制级集成形式数据库,将为液压系统智能设计工具的开发提供可