先导式高压气动开关阀的设计

国内外现有的常规气动系统的开关控制阀一般只能应用于压力低于1.OMPa的场合。所谓的高压气动开关控制阀也只能应用于系统压力低于3.OMaP的气动系统中,而且主要用于小流量控制;高于3.OMaP的大流量高压气动开关阀产品国内还少有应用。研制高压气动开关阀的目的是为气动汽车高压气体动力系统容积减压控制装置提供一种必要的控制元件,实现高压气

体动力系统节能减压。高压气体作为动力工作时,常规的减压控制方法是采用节流型的压力调节装置仁’,2飞,这对于间歇工作、只对功能性有要求的气动系统是合理的。但对于连续工作、动力性能要求高的气动系统,就必须考虑能量利用的经济性。节流控制是一种不可逆的能量变化过程,存在较大的能量损失,不利于系统的高效利用。因此高压气动动力系统需要采用减压节能效果更好的容积膨胀减压控制方式,高压气动开关控制阀是高压气体容积膨胀减压控制系统中重要的控制元件。但由于气体的低粘性、低润滑性,高压气体的密封难度远高于高压液体,动密封副之间的摩擦也比较严重,这些都使得高压气动开关阀的研究与应用受到限制。针对高压气动动力系统容积减压的需要,本文通过材料选择、密封方式设计和结构设计川,开发了高压气动开关控制阀。

1设计指标

(l)压力范围:0.5一10MaP;

(2)流量范围:90时/;h

(3)操纵电压:直流24;V

(4)压力损失:<0.2Mpa;

(5)开关时间:<0.55;

(6)控制方式:内控或外控。

2阀的组成与结构设计特点高压气动开关控制阀由电磁先导阀部分和主阀部分组成,如图1所示。先导阀部分采用密封性好且耐高压的电磁球阀。主阀部分包括锥阀心、阀套、联接阀盖、预紧弹簧和阀体等几部分。锥阀心和阀套是高压气动开关控制阀进行开关控制的两个核心零件,它们组成高压气动开关控制阀的动密封副。通过控制锥阀心与阀套之间的锥形密封面的接触与分离实现主阀通道的关和开;锥阀心与阀套之间的圆周密封面构成开关阀的滑动密封副,用于保证控制腔室以及锥阀心在运动过程中的密封。飞

高压气动开关阀结构组成各主要零件的结构特点描述如下:锥阀心的上、下端设计成不同的有效作用面积,用以保证先导阀控制高压气体驱动主阀实现开和关。锥阀心的一端设计成锥面并附有硫化橡胶,橡胶与密封面接合时可以补偿由于加工精度和同心度误差造成的间隙,防止高压气体的穿漏和渗漏,从而保证主阀开关通道的密封;另一端设计加工成深孔便于安装弹3一的摩擦阻力,将锥阀推到上部,密封锥面开启,将主阀通道打开,开关阀处于打开状态。采用外控型工作时,只需保留阀体内的密封塞,卸掉阀盖上的丝堵并引入外部高压控制气体,其它连接方式和控制工作原理与采用内控方式工作时相同。

4工作参数设计计算高压气动开关阀的气动回路原理和结构简化模型分别如图2(a)、(b)所示。结合图2,参考有关文献陈4一,可对高压气动开关阀的锥阀心进行受力分析。

。鄂蘸叭ó瓢黯训簧。锥阀心与阀套之间的圆周面动密封采用聚四氟乙烯组合密封圈,聚四氟乙烯材料作为摩擦副,可以减小摩擦阻力和磨损;橡胶0形圈的弹性变形用于提供和补偿密封面之间的接触压力,从而保证动密封效果良好、_阀套与阀盖、锥阀心之间形成高压气动开关阀的控制腔容积,从而通过先导阀控制该容积腔的充放气和容积变化来实现主阀的开和关。阀套上设有与低压连通的呼吸孔,呼吸孔的作用是消除闭死容积对锥阀心的开、关状态的影响,保证主阀按控制要求实现正常的开和关阀盖是先导阀与主阀工作部件之间的连接件,内部设计有控制气体引人通道、控制气体输出通道和控

制气体排气卸压通道。阀体上设计有进气口、出气口和卸压口,以及控制气体引出通道。阀体上还设一计有一个辅助零件一密封塞,其作用是当高压气动开关阀采用外控方式工作时,用于堵塞内部高压控制气体引出通道,以便引入外部控制气体对高压气动开关阀进行控制。如果采用内控方式工作时,必须将密封塞卸掉,保证内部控制气体引出通道畅通,使内部控制气体对高压气动开关阀进行控制。弹簧一端装人锥阀心的深孔内,另一端装人阀盖

L的弹簧座孔内;弹簧安装时带有预压缩量,用于保证锥阀心与阀套之间的锥面初始密封。组装高压气动开关控制阀时,如果保留阀盖上的丝堵,卸掉阀体内的密封塞,则高压气动开关阀为内

控型;如果保留阀体内的密封塞,卸掉阀盖上的丝堵并引人高压控制气体,则高压气动开关阀为外控型。因此,根据密封塞和丝堵在高压气动开关阀组装时的选取和搭配,高压气动开关控制阀可分为内控型和外控型。

3阀的工作原理高压气动开关控制阀的工作原理是:采用内控型工作时,进气口通过接头与气源联接,出气口通过接头和管线与容积膨胀减压装置联接,卸压口可联接消声器。若电磁先导阀接收到控制信号将高压气体控制

通道打开,锥阀上部腔室充人与锥阀下部腔室压力相同的高压气体,由于锥阀上部有效作用面积大于锥阀

下部有效作用面积,则锥阀在压力差和弹簧力的作用下克服密封副的摩擦阻力,将锥阀压下,密封锥面保持紧密接合,将主阀通道切断,开关阀处于关闭状态。若电磁先导阀接收到控制信号将高压气体控制通道关闭,卸压通道打开,锥阀上部腔室气体通过卸压口排出,锥阀下部腔室保持高压气体压力,此压力作用在锥阀下部,则锥阀在该力作用下克服弹簧力和密封副阀的气动回路原理与结构简化模型阀开始关闭瞬间的受力F。为F。二pIA,+`+sF一p姓2一F一F汪==aM,(])阀开始开启瞬间的受力F。为

oF二P产: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几(5)左二二(刀吕一`子)辫(6)F己=城卜Coso(7)式中:pl、p:分别为控制腔关闭和开启过程的气体压力,p,为高压腔的气体压力,AI、AZ、A3分别为控制腔、阀腔、高压腔的锥阀心有效作用面积,D;、DZ、D:分别为控制腔、阀腔、高压腔的锥阀心直径,凡

为阀心所受的弹簧力,凡为锥阀心所受的瞬态液动力,`为阀心所受的重力,M为阀心的质量,a,、a2分别为锥阀心关闭和开启过程的加速度;F,,2为阀心的滑动摩擦力,F为锥阀心的静摩擦力,人为始动摩

擦转换系数,L为密封接触宽度,D。为密封接触面直径,d;为密封圈内径,sT为单位宽度摩擦力,凡为单位面积摩擦力,A为密封接触面积;户为高压气体密度,Q为高压气体流量,。为气体流动速度,o为锥阀的半锥角度。根据上述计算公式,结合经验系数的确定,得出研制的先导式高压气动开关阀的基本参数为:D,=25mnr,DZ=20llun,D3=15fnnr,0=450。经过室内试验,研制的高压气体控制阀满足了设计要求。(一F转第94页)《机床与液压》以刃3.N02样本的选取对预报模型的训练至关重要,若样本

数太少,经过训练的网络性能不好,若样本数增加,势必增加样本数据采集的工作量及训练时间。由于神经网络具有较好的内插性,而外插性能较差。因此在样本中力争使样本数据包括全部模式,并考虑随机噪声的影响。样本采集前使机床停车6小时以上,然后在空载情况下使机床连续运转,每隔10分钟将四个检测量测量一次,当机床达到热稳态时,共可测量46次,将采样数据进行处理得到46组训练样本,采用Maltab神经网络工具箱中的训练函数进行训练,最后得到预报模型的参考矩阵。预报模型是预报补偿技术的基础,预报准确性决定了预报补偿的精度。由于数控机床热态过程的不确

定性,受环境、加工条件和切削液是否使用等条件的影响,为了进一步提高预报精度,对预报结果进行在线修正。在k+l时刻我们可测得机床热误差实际值S(k+l),因此k时刻的预报误差E(k+l)=S(k+l)一YB(k+l/k),其中S(k+l)为实际误差向量,由X(k+一)和y(k+l)组成,绍(无+l/k)为预报值向量油X(k+l/k)和Y(k+l/k)组成,利用E(k+l)可对模型的下一步预报YB(k十2/k+l)进行修正,修正后的预报值为YB(k+2/k+l)+hE(人+l),h为两维向量,

4结论

(l)基于无限冲激响应网络的热误差补偿使误差补偿与产生同步进行,可使被加工零件的精度得到甚至超过数控加工机床本身的精度,此项技术是提高数控加工精度的有效方法之一;2)通过延时单元把输入输出以前的状态存在延时单元中,使模型具有动态性质,较好地解决了热变形的非线性及交互作用问题;(3)采用预报值直接修正法,方法简单,可满足

热误差实测曲线与预报曲线的比较可用时间序列建模的方法辨识h中的系数。图3为立式加工中心热误差的实测与训练后的模型智能预报仿真结果,二者比较结果表明,预报结果与实际值非常接近,最大误差为6%,这说明无限冲激响应网络可以作为预报模型,并且精度较为理想。

3热误差的实时补偿经过离线训练,我们得到了一个动态神经网络预报模型,此时即可以进行实时补偿。首先用温度传感器和测微计测量机床特征点的温度及热位移值,然后将这些值输入到预报模型,神经网络便能预报出下一步相应的补偿值,并根据前一步实测误差进行修正,最后将结果反馈给数控机床的控制系统,控制系统将给定信号与预报补偿值进行综合处理,采用相应指令来补偿这一热误差,以达到提高加工精度的目的。

5结束语先导式高压气动开关阀的研制成功,为气动汽车高压气体动力系统容积减压控制装置实现高压气体动力系统节能减压提供了必要的保证。研制的先导式高压气动开关阀结构设计简单、紧凑,密封设计性能可靠,采用电子信号控制高压大流量气体,操作方便,易于实现自动控制,气体流通过程中的节流损失小,适合于高压大流量气动动力系统和气动回路的开关控制。

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