（机械电子工程专业论文）非能动双罐交替工作装置的试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 非能动双罐交替工作装置是一种新型的双罐交替工作装置，是曾祥炜 研究员的个人发明。装置主要是对油气的清洁、干燥和过滤等，应用于石 油、化工、天然气、机械、冶金等众多行业当中。非能动双罐交替工作装 置是以非能动控制技术为基础。装置工作时要求实现往复运动及旋转动 作。并实现自动化时序循环工作。为此，论文采用了液压控制系统及p l c 控制技术实现整个装置的往复、旋转及自动化时序循环工作。 本文首先阐述了装置的工作过程、对象、环境及实现装置过程时各元 件的动作要求；其次对研究的重点：液压控制系统和p l c 自动化控制系 统做了详细的研究和设计计算 最后，对装置应用的进一步开发研究提出 了建议。 文中通过p l c 程序自动控制电机的起动，驱动液压泵工作，电磁换 向阀换向，使液压系统中液压缸控制装置的往复运动，从而实现整个装置 的动作要求。研究内容包括液压控制系统方案的确定和优化；液压元件的 参数设计计算及液压系统温升验算；p l c 自动化时序控制系统方案的确定 和优化；p l c 软、硬件的设计与开发，并针对系统抗干扰提出了相关措施， 最后给出p l c 自动化控制程序梯形图。 关键词：非能动；双罐；交替工作；液压；p l c ：梯形图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h en o n e m o t i l ea l t e m a t e l yw o r k i n gt w o - p o td e v i c ei san e wt y p eo ft h e a l t e r n a t e l yw o r k i n go n e ，w h i c hi st h ei d i v i d u a li n v e n t so fr c s e a r c h e rz e n g x i a n g w e i t h ed “i c e 印p h e di ns om a yp l a c e s ，s u c ha sc h e m i c a li n “s 仃y ， p e t r o l e u m ，g a s ，m a c h i n e r y ；m e t a l l u r g ya n ds oo n ，i sm a i n l yu s e dt oc l e a n ，d 强 o rf i l t e rt h eo i lo rt h eg a st h e s ep l a c e s t h ed e v i c ei sd e s i g n e db a s c do nt h e n o n e m o t i l ec o n t r o lt e c l l l l o l o g y ，孤di tc a nd or c c i p r o c a t em o t i o na n d 也e r o t a t o r ym o v e m e n ta r l dc a nb ec o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yi ns c h e d u l e dr e c u r r e n t w o r k t h e r e f o r e ，t h eh y d r 叭l i cc o n t r o ls y s t e m 蛆dt h ep l ct e c h n 0 1 0 9 ya r e e m p l o y e d i nt h i s也e s i st o i m p l e m e n t t h er e c i p r o c a t or ，r o t a t i o n锄d a u t o m a t i c a l l ys c h e d u l e dr e c u r r e n tw o r k f i r s t ，t h ew o r k i n gp r o c e s s ，t a 玛e t ，e v i r o n m e n to ft h ed e v i c e ，a n dt h e m o v e m e n t so fe v e r yc o m p o n e n t 盯ec x p l a i n e d ；a n dt h e n ，t h ef o c “p o i n t s ：t h e h y d r a u l i cc o n t r 0 1 距dp l ca u t o m a t i cc o n t r o la r ed e t a i l e d l yr e s e a r c h e da n d d e s i g n e d ；f i n a l l y ，s u g g e s t i o n so nt h ef h r t h e rd e v e l o p m e n tw i t ht h er e s e a r c h a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e v i c ea r eg i v e no u t e 1 e c t r o m o t o rs t a r t i l l g ，h y d r a u l i cp u m pm n n i n g ，e l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v e s w i t c h i n ga n dh y d r a u l i cc y l i n d e rm o v i n ga r ea l lc o n t r o l l e da u t o m a t i c a n yb y p l ct os a t i s f yt h em o v 锄e n td e m a n d t h er e s e a r c h e si n c l u d ec o n f i n l l i n ga n d o p t i m i z i n g t h ec o n t r 0 1s c h e m eo ft h eh y d r a u l i c s y s t e m ， d e s i g n i n g a n d c a l c u l a t i n go ft h eh y d r a u l i cc o m p o n e n tp a r a m e t e r s姐dt h et e m p e 豫t u r e c h e c k i n go ft h eh y d r a u l i cs y s t e m t h ec o n 五m i n g 蛆do p t i m i z i n go ft l l ep l c a u t o m a t i cs c h e d u l e dc o n t r o l ，t h ed e s i g n i n go ft h ep l cs o r w a r ea n dh a r d w a 工e ， a n dt h e 龃t i - j 锄m i n go ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea l s os t u d i e d a t1 a s t ，t h e a u t o m a t i c a l l yc o n t r 0 1p r o g r 啦l a di ss h o w n k e y w o r d ：o e - m o t i l e ；t w o - p o t ；a l t e r n a t i v e l yw o r k i n g ；h y d r a u l i c ；p l c ； l a d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1机电一体化系统概述 1 1 1 机电一体化基本概念 机电一体化是以机械技术和电子技术为主体，多门技术学科相互渗 透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机 电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 的英文名称是由日本人创造的，日本人通过截 取英文机械学( m e c h 蛆i c s ) 的词头和电子学( e l e c t r o n i c s ) 的词尾组合在 一起而创造出来的一个新的英文名词。这一名词首次出现在1 9 7 1 年日本 的机械设计杂志副刊上，后来随着机电一体化的发展而被广泛引用， 目前己在世界范围内得到普遍承认和接受，已经成为一个正式的英文名 词。 机电一体化是机械技术与电子技术结合的产物。它还处在不断发展和 完善的过程中，到目前为止，国内外还没有统一的关于机电一体化这一概 念的详尽解释。不同的个人、学术团体或企业，由于各自的理解不同，出 发点或着眼点的不同，所做出的解释也不尽相同。日经产业新闻把机电一 体化称为“机械技术的机械学和电子技术的电子学组合起来的技术进步的 总称”。日本机械振兴协会经济研究所在其“关j 机械工业施政调查研究 报告”中提出：“机电一体化是指机械装置紊包子设备适当地组合起来， 构成机械新产品或机电一体与机信一体的衙趋势。”尽管众说纷纭，却都 强调了机械与电子有机结合的思想。 由日本机械振兴协会经济研究所于1 9 8 3 年3 月所做的解释被普遍接 受，即“机械一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功 能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构 成的系统的总称。” 美国机械工程师协会( a s m e ) 于1 9 8 4 年为现代机械下了如下的定义： “由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流 等动力学任务的机械和( 或) 机电部件相互联系的系统。”它与前面提及 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的关于机电一体化的定义是一致的。因此，可以说现代机械就是指机电一 体化系统，它是以机电为基础，信息为核心的系统。 由于可见，机电一体化是一种崭新的学术思想。按照机电一体化思想， 凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、 产品( 或系统) 都应属于机电一体化范畴。机电一体化是一个综合的概念， 包含了技术和产品两方面内容。首先是指机电一体化技术，其次是指机电 一体化产品。机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的使机电 一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指采用机电 一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品。 机电一体化是建立在机械技术、计算机和信息处理技术、自动控制技 术、传感与测试技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术群体 基础之上的一种高新技术。机电一体化技术的突出特点在于它在机械产品 中注入了过去所没有的新技术，把电子器件的信息处理和自动控制等功 能：“糅合”到机械装置中去，从而获得了过去单靠某一种技术而无法实 现的功能和效果。机电一体化技术的重要实质是应用系统工程的观点和方 法来分析和研究机电一体化产品或系统( 以下统称为机电一体化产品) ， 综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机 结合，实现产品内部各组成部分的合理和外部的整体效能最佳。 机电一体产品是具有很高技术含量的产品，其技术：十加值随机电结合 程度的加深而提高。在当代产品中单纯机械技术瞽米的产品附加值在其 总的产品附加值中所占的比重越来越少，而微电：技术带来的附加值在其 总的产品附加值中所占的比重却越来越多。e j 着时代的发展和技术的进 步，这种趋势还将增加。但这并不等于说澈电子技术可以脱离机械技术 而在机械领域获得更大的经济效益，而毛意味着，机械技术同微电子技术 相结合，传统的机械产品只有向机电一体化产品方向发展，才是机械工业 发展的唯一出路。 1 1 2机电一体化的发展概况和发展趋势 任何事物的产生和发展，都离不开科技进步和社会需求这两大前提。 科技进步是新事物产生的基础，社会需求则是其产生的诱因和发展动力。 机电一体化的产生和发展也不例外，机械技术、计算机技术、微电子技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 等的发展为机电一体化的产生奠定了良好的基础；人们对生产和生活产品 在质量和品种上的要求不断提高是机电一体化蓬勃发展的动力。与所有科 学技术一样，机电一体化也经历了长期的产生和发展过程。早在机电一体 化这一概念形成之前，世界各国的科学技术工作者已为机械与电子技术的 有机结合自觉不自觉地做了许多工作，研究和开发了不少机电一体化产 品，如电子工业领域内通信电台的自动调谐系统、雷达伺服系统，机械工 业领域内的数控机床、工业机器人等，这一切都为机电一体化这一概念的 形成奠定了基础。直到2 0 世纪7 0 年代初，日本人对机电一体化的长期实 践和最新应用成果加以系统地概括和总结，才形成一个比较完整的机电一 体化概念。此后由于大规模和超大规模集成电路技术及微型计算机和微电 子技术的迅速发展，使得机电结合的形式更加灵活，内容更加丰富，应用 更加广泛，从工业生产母机到医疗法卫生设备、家电产品，引发了一场机 械空前的技术革命。 目前，机电一体化产品已经渗透到国民经济和日常工作、生活的各个 领域。电冰箱、全自动洗衣机、录像机、照相机等家电产品，电子打字机、 复印机、传真机等自动化办公设备，脑c t 、核磁共振等成像诊断仪器， 数控机床、工业机器人、自动化物料搬运车等机械制造设备，以及由微型 控制正时点火，助力转向、燃油喷射、排气净化等的交通运输设备等，都 是典型的机电一体化产品。 科学技术的进步，尤其是机械技术和微电子挂术的进步是机电一体化 的产生和发展的基本条件，人们对社会需求的一、断增长，尤其是对产品的 种类和功能要求的不断提高是它的发展动士，机电一体化的发展又不断促 进科学技术的进步和社会需求。机电一杜汜产品的显著特点是多功能、高 效率、高智能、高可靠性，同时产品k 具有轻、薄、细、小、巧的优势。 其目的是为了不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力、省时及自动 化等方面的需要。机电一体化通过综合利用现代高新技术的优势，在提高 精度、增加功能、改善操作性和使用性、提高生产率和降低成本、节约能 源和降低消耗、减轻劳动强度和改善劳动条件、提高安全性和可靠性、简 化结构和减轻重量、增加柔性和智能化程度、降低价格等诸多方面都取得 了显著的技术经济效益和社会效益，促使社会和科技术又向前大大迈进了 一步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 机械一体化技术的发展水平是一个国家技术水平的标志，在一定程度 上反映了该国的技术经济实力。因此，工业发达国家和地区对机电一体化 技术都十分重视，从政府到企业都制定了相应的发展策略。我国对机电一 体化的研究虽起步较晚，但发展速度较快，尤其是在我国加入w t o 以后， 面对国际市场激烈竞争的新形势，已充分认识到机电一体化对我国经济发 展的重要战略意义。相关部门组织专家根据我国国情对发展机电一体化的 目标、原则、层次和途径等进行了深入而广泛的研究，制定了一系列有利 于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、 工业机器人、汽车电子化等1 5 个优先发展领域及6 项共性关键技术物研 究方和课题。 目前，机电一体化技术思想已被普遍接受和采用，机电一体化技术体 系正在不断地发展和完善。国民经济建设和发展迫切需要大量掌握机电一 体化技术的人才去改造传统产业，研究和开发新一代机电一体化产品以改 善出口产品结构，增强我国产品在国际市场上的竞争力。机电一体化已经 显示出了强大的生命力，并正以空前的速度和力度冲击着传统的技术思 想、生产方式和方法及传统的机电产品和产业结构，国民经济的各个领域 都将因此而发生深刻变革。机电一体化是科学技术发展的必然趋势，并将 成为2 1 世纪的主流技术之一。 1 1 3机电一体化总体设计 机电一体化产品( 或系统) 的主要特征是自动化操作，因此，设计人 员应从其通用性、耐环境性、经济性的观点遴：j 二综合分析，如何才能使产 品充分发挥机电一体化的三大效果。产品7 、同，其设计与制造的考虑方法 也不同。例如，数控机床，其主体仍然是机械系统，只是控制系统被电子 化了；而数字与台式计算机等将已将j 日有钟表和计算机的机械传动机构电 子化了，故其设计的主体已转变为电子技术问题。虽然数字式钟表与台式 计算机之类的产品，习惯上被称作电子产品，但它们都是精密机械和精密 加工技术的结晶，因此也可以说是机电一体化产品。从机电一体化产品( 或 系统) 的基本构成来看，通常，机械系统设计承担机械本体、驱动机构、 传动机构、执行机构( 操作机构) 和检测机构的选用与设计，控制系统的 设计承担选择和设计控制器的硬件和软件，以及执行元件、传感检测元件 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 相连接的接口电路。为了获得产品的最佳性能，要求设计人员根据产品的 性能和使用要求，综合应用机械技术和电子技术，使两者密切结合、相互 协调、相互补充、充分体现出机电一体化的优越性。 机电一体化设计比单一门类的设计有更多的可选择性和设计灵活性， 因为某些功能既可以采用机械方案来实现，也可以采用电子硬件或软件来 实现，例如机械计时器可由电子计时器替代，汽车上的机械式点火机构可 由微型机控制的电子点火系统替代，步进电机的硬件环形分配器可由软件 环形分配器替代等。实际上，这些可以互相替代的机械、电子硬件或软件 方案必然在某个层次上可实现相同的功能，因而称这些方案在实现某种功 能上具有等效性，这种等效性是可以进行机电一体化设计的充分条件之 _ 6 另外，从一般的控制系统方框图中可以看出，各个组成环节的特性是 相互关联的，而且是共同影响系统性能的。控制系统的机电一体化设计不 是只改变控制装置的性能，而是把包括被控制对象在内的大部分组成环节 都作为可改变的设计内容，使设计工作比只改变控制装置有更大的灵活 性，可以优化出更合理的结构组成形式，获得更理想的产品性能。这种机、 电环节互相关联、相辅相成的互补特性，是机电一体化设计的另一充分条 件。 1 2非能动控制系统技术及发展 压力管道梭式非能动控制系统流体控制最新技术，是四川省曾祥炜研 究员的个人发明。非能动控制是指系统无需卟力，通过自身固有能量来控 制实现从而达到最终要求。通常应用在f 力管道中，其核心技术正是通过 系统本身流体的能量来操作，无需外规操作，使得整个系统更加的便捷。 其即时性、安全性、经济性等都较以往有大幅度的提高，市场前景广阔。 这种产品目前市场上已有应用，其生产设计的主体公司四川孚硌技术 有限公司，公司法人代表曾祥炜研究员经过4 0 年研究，建立起压力管道 梭式非能动控制系统，并发明了实现这个构想的基础元件。拥有专利、技 术5 6 项。获得中、美、日、德、加等多国发明专利权，2 0 0 0 年以来又有 4 项发明专利通过p c t 审查，目前处于中、美专利授权阶段。在国内外化 工、海上石油、天然气、电力、机场等行业已经拥有8 年以上可靠运行的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 经历。该公司主导产品“梭式”工业用阀门，大部分正是基于非能动控制 技术而生产制造的。 非能动控制系统技术凭借其自身的特殊优势，已在很多行业中得到了 应用，并通过实践检验，其各方面性能均能满足要求，而且效果非常好。 梭式止回阀、差流可调梭阀、梭式三通分流调节阀等，已在很多石油、化 工、核电等国家重点工业作重要的应用。这种技术更独特的优势使其更是 在人烟稀少或无人区的地方，可以得到更大的发挥。 四川孚硌技术有限公司的科研人员正致力于对非能动控制技术的研 究开发，其目前针对远程石油运输管道在沙漠等人烟稀少区域管道爆破的 保护，开发一项非能动管道爆破保护装置。目前在用的类似管道保护装置 一般都是采用卫星定位、传感器跟踪等，其价格极其昂贵。非能动管道爆 破保护装置通过系统流体自身能量的变化来实现保护操作，无需外力，成 本低。 目前非能动控制系统技术的发展并不十分成熟，但其市场前景优势明 显，只要广大科研人员付出自己的艰苦努力，有目的性做出一批以非能动 控制系统技术为主导思想的控制系统，并不断完善和成熟非能动控制技 术，使其广阔的应用前景得到更大的发挥，相信不久的将来，可以看到非 能动控制系统技术在国防工业等多领域得到重要的应用。 1 3 本实验装置研究意义及总体设计思路 1 3 1 研究意义 双罐交替工作装置在许多方面都有应用，如石油、化工、天然气、机 械、冶金、环保等工业系统，主要是实现对液气等工作流体介质的清洁、 过滤、干燥等。现行的工作系统普遍是利用每通道安装一个控制液压阀， 通过控制各个液压阀的启闭来实现双罐的交替工作，最终达到要求的每个 工位，从而实现双罐交替工作。这种系统不但结构复杂、成本高、维修困 难，而且系统的可靠性差，精度低，不易实现系统的自动化控制。改进后 系统不仅在结构上大大简化，使系统的工作性能、系统稳定性、系统精度 等都有所提高。特别是由于减少了系统元件及控制的复杂性，使得系统整 体经济性提高，实现了易于维护、操作简便等优点。并且由于采用非能动 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 控制，所以技术先进，节约能源，成本低廉，易于实现装置的自动控制。 这些特点也使得非能动双罐交替工作装置非常具有实际市场开发和应用 的价值。 1 3 2 总体设计思路 采用液压控制系统：液压系统采用液压伺服控制，由液压缸、液压伺 服电磁阀、液压泵组成。由电磁阀控制流体回路来控制液压缸，由液压缸 的位置变化实现对梭式三通分流调节阀的阀芯位置和梭式四通换向阀的 角度调节控制，从而达到工作状态所需的位置。 其控制方式：外接控制设备采用p l c 可编程程控制器，实现系统的 自动时序控制，从而实现系统各阶段自动交替工作的连续工作状态控制。 改进后的系统需解决的问题在于对梭式三通分流止回调节阀阀芯定 位件的控制及梭式四通换向阀的旋转工作配合连续性。由工况要求可知， 该系统不同阶段对流体的流通面积、流量存在限制。因此，在系统设计中 阀应存在节流功能，因此梭式三通分流调节阀的阀芯要实现多于两位置的 工作状态。 整个装置都以对梭式三通分流调节阀及梭式三通换向阀的操作调节 为主体目标，包涵机械设计、液压传动与液压伺服控制系统设计、计算机 辅助与计算机控制设计为一体的机电液一体化系统控制设计，是典型的机 电液一体化系统控制模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章机械系统设计 装置的机械系统设计部分实际是针对两个梭式阀的设计。其为四川孚 硌技术有限公司的成品，因此本章机械系统设计部分主要是针对该装置在 应用当中实际所需要的梭式阀的参数进行确定，其中主要包括应用中管道 的通流面积、推杆的行程、阀芯的截面积等。 2 1 装置的总体介绍 本装置是在原有装置基础上改进的一种新型装置，因此其必须在保证 原系统应用所有功能的基础上实现其它功能的改进。原系统是通过对七个 阀分别控制实现系统中双罐的交替工作，而非能动双罐交替工作装置是对 两个梭式阍进行控制实现系统双罐的交替工作，因此，装置本身的可行性 非常重要。 2 1 1 非能动工作装置的总体构成 非能动双罐交替工作装置一般应用于石油、化工等工业系统，主要是 实现对油气等工作流体介质的清洁、过滤、干燥等。装置中通常设有a 、b 圈2 1 旧系统原理图国2 2 新方案原理图 两罐，均做清洁、过滤、干燥等用途。油气通过进气口进入装置，经由控 制阀门，油气先通过a 罐进行处理，b 罐与贫油口相通，处理后的可用油 制阀门，油气先通过a 罐进行处理，b 罐与贫油口相通，处理后的可用油 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 气通过回收口回收。一段时间后，关闭回收口，a 、b 罐相通阀门打开，a 罐中处理后的油气进入b 罐，对b 罐进行清洗，同时a 、b 罐内的压力接 近，b 罐内油气压力增加，清洗后的油气由贫油口排出。再经过一段时间 后，通过b 罐，动作重复，双罐循环交替工作。停车阶段，进气口、回收 口、贫油口均关闭，两罐的相通阀门打开。 新旧装置具体工作原理图如下表示： 旧系统的整个循环状态动作表如下： 表2 1 原系统动作表 阀名口径 停车 阶段l阶段2阶段3阶段4 a 1d n 2 0 0 vv x a 2d n 2 0 0 vv a 3d n l 5 0 vv b 1d n 2 0 0 vv b 2d n 2 0 0 vv b 3d n l 5 0 x vv cd n 5 0v v v 1 5 l o s1 5 皿1 0 s ( 注：表2 一l 中v 表示开，表示关) 非能动双罐交替工作装置结构如图2 2 所示，整个装置由a b 双罐和 两个梭式阀组成。工作过程中，通过对梭式三通分流调节阀阀芯定位件位 景的调节控制和梭式四通换向阀的旋转控制来实现系统的分流和换向，最 终达到双罐交替工作，其中梭式三通分流调节阀阀芯由系统流体自身的能 量来控制移动，而无须加外力控制。 整个系统工作控制流程如下( 梭式四通换向阀简称为h ，梭式三通分 流调节阀简称为f ，且用a b 表示a 到b 为通路) ： 非能动双罐交替工作装置循环动作表如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 表2 2 新方案动作表 阀名停车阶段l阶段2阶段3阶段4 全断( 如 h 1 一h 2h 1 一h 2h 1 一h 4 h l h 4 梭式四通左图示)h 4 一h 3h 4 一h 3h 2 一h 3h 2 一h 3 换向阀( h ) 其余断其余断其余断其余断 梭式三通 t l t 2 t 1 一t 3 t l t 3 t 2 一t 3t 2 一t 3 分流调节阀其余断其余断 t 1 一t 2 其余断 t 2 一t 1 洼 l _ 表2 2 中t 1 一t 2 衰示端口t 1 与t 2 通，其余同； 2 每个方案中除停车外的各阶段时间长度均由加工工艺确定 循环中各个阶段时梭式阀的工作状态： 停车： h 一阀芯处于中位；f 一阀芯处于中位； 阶段l ( 1 5 分钟) ： h 一阀芯顺时针旋转相对中位4 5 0 ；卜阀芯右移； 阶段2 ( 1 0 秒) ： h 一阀芯保持：f 一阀芯处于中位； 阶段3 ( 1 5 分钟) ： h 一阀芯逆时针旋转相对中位4 5 。；f 一阀芯左移： 阶段4 ( 1 0 秒) ： h 一阀芯保持；f 一阀芯处于中位； 2 1 2 梭式阀的工作原理简介 梭式阀工作状态时，主要是针对阀芯的操作。在非能动控制系统中， 梭式三通分流调节阀是可以通过系统流体自身能量实现其位移的左右移 动，由于双罐交替工作装置存在双罐相通过程，故梭式三通分流调节阀的 阀芯有中位要求，因此，需做外力辅助。而梭式四通换向阀需要在不同的 时段有不同的通路，同样需要外力辅助。梭式阀的种类很多，根据实际不 同要求选择不同的阀。下面仅就本装置应用的梭式三通分流调节阀和梭式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 四通换向阀的工作原理作简单的介绍： 1 梭式三通分流调节阀： 如图2 3 所示，为梭式三通分流调节阀的原理图。 当推杆不作用时。油气从左边进气口进入时，由流体自身的能量推动 图2 3 梭式三通分流调节阀 阀芯向右移动，右边进气口即被截止，油气推开上方止回阀从排气口排出， 油气通流。当油气从右端进气口进入时，同样可推动阀芯向左移动，推开 止回阀使油气流通。阀上方止回阀有弹簧预紧力作用，处于常闭状态，油 气不会从排气口进入阀内。止回阀的弹簧预紧力可以根据实际应用情况设 置。 当推杆作用时，可根据实际应用中要求的情况移动推杆在需要的位 置。可作分流、节流和卸压等作用。 左右进气口同时可做输入输出口使用。当弹簧预紧力设计在定值，油 气从左边阀口进入时，移动右边的推杆在定位置，可实现右边阀口流出 的流体流量和流速产生变化。而当油气从右边阀口进入时，移动左边的推 杼在不一样位置时，可实现左边阀口流出的流体流量和流速产生变化。这 种情况一般应用于一些需要控制流量和流速为不同定值的场合。当流体的 压力超过弹簧紧力时，可推开止回阀从而卸压，从而保护系统的稳定和安 全。 推杆的设计可以为旋扭螺纹式，也可以设计为滑动式。并且其安装位 置为可调。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 本装置中应用的梭式三通分流调节阀为滑动式。 2 梭式四通换向阀： 如图2 4 中所示，为梭式四通换向阀的俯视原理简图。 梭式四通换向阀主要是对流体的换向作用。阀芯可以旋转，阀芯中有 通流口与阀外壁相通，通过对阀芯的旋转可实现不同的通流方向。由于阎 萨嗡 燃潮 燃刺 笏锨震 图2 4 梭式四通换向阀简图 芯具有很好的灵活性，可实现3 6 0 。旋转，因此，在应用安装时，需要对阀 芯的初始位置准确调节。同时，在阀芯旋转的过程中，角度要求很重要， 每旋转4 5 0 可实现一次换向。因此，在控制时，需设计精确，否则易通流 效果不佳的状况。 2 1 3 装置的应用环境介绍 本装置在设计过程中，主要是针对实际应用所需进行的。 其应用环境及参数是：流体为干燥空气或氮气，常温，无油，压力 1 0 m p a 。阀门动作按一定的时间和顺序，由程控器控制电磁阀动作。空气 入口压力一直保持0 。8 m p a ，两个吸附塔压力交替变化变化周期约一分钟。 氮气常用于化工厂生产中防爆保护，对氮气机的可靠性要求高。所以，配 套阀门也应有较高的可靠性和较长的维修周期，易损件更换容易。工作寿 命应大于1 0 0 万次。由于压力变化快，瞬时气流较大，阀门应承受气流冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 刷。 系统中要求梭式三通分流调节阀的通流直径为1 5 0 m m ，在阶段2 和阶 段3 时，节流效果通流直径为5 0 m m 。梭式四通换向阀的通流直径为2 0 0 跚。 2 2 非能动梭式阀的设计 非能动梭式阀设计主要是针对在应用中控制阀所需的推力及扭矩进 行计算和确定。梭式三通分流调节阀主要是针对推杆直径，阀芯截面直径， 推杆的行程进行设计，计算出在应用中o 8 m p a 的氮气所产生的推力，得 出外控液压缸的负载和液压缸的行程。梭式四通换向阀主要是确定其转动 时所需的扭矩值。 2 2 1 梭式三通分流调节阀的参数设计 由于设计要求中梭式三通分流调节阀的通流值为1 5 0 m m ，因此： 满足 三( d 1 2 一d 。2 ) 三1 5 0 2 d 1 推杆处通道通流直径 d l 一一推杆直径； 取d ，= 1 6 0 m m ，盔= 5 0 m m ，代入满足要求。 选取阀芯截面直径d ，= 1 8 0 m m 。 所以。可得推杆推动阀芯所需的外力e ，有： e = p l 4 = o 8 。詈。1 8 0 2 = 2 0 3 8 5 6 n 音2 0 4k n p l 一一为系统流体自身压力值，为o 8 m p a ； 在右边阀口需节流时，阀芯距节流右阀口的水平距离为： 加。工。= 导5 0 2 ，计算得工。= 3 9 l m m ，由于应用系统中对节流要求并不十 分严格，因此可取蕾= 4 m m 。 梭式三通分流调节阀在完全通流时，其阀芯距阀口的最小距离为： 加i x 2 = 等1 5 0 2 ，计算得工2 = 3 5 2 m m ，同样取x 2 = 3 6 m m a 因为装置应用要求，因此节流时间很短，只有1 0 秒钟，因此对推杆 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章液压系统设计 液压传动是在水力学、工程力学和机械制造技术基础上发展起来的一 门应用技术。由于控制理论的发展，油液性能的完善和液压元件结构的不 断改进，使液压传动装置在效率、可靠性等性能指标上大大提高，因此液 压传动与液压控制得到了飞速发展。液压技术开始进入各行各业，特别是 最近二、三十年以来液压技术在工业中的应用更是广泛。 液压传动与机械传动、电力传动、气压传动等其它传形式相比较，其 存在着自身许多优点，同样也存着一些缺点有待改进。 优点： 1 能够获得很大的力或力矩。 2 易于实现直线往复运动或摆动，以直接驱动工作装置。 3 能大很大的调速范围内实现无级变速。 4 重量轻、结构紧凑、惯性小。 5 传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。 6 操纵简单。便于实现自动化。 7 借助于设置溢流阀等，易于实现系统的过载保护。 8 与机械传动相比易于布置及安置。 9 液压元件能自行润滑，因而简化了机械的维护保养，有利于延长 元件的使用寿命。 l o 液压元件易于实现标准化、系列化、通用化，便于组织专业性大 批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本，便于推广使用。 其存在的一些缺点： 1 ) 液压油的泄漏影响运动的平稳性和正确性； 2 ) 温度变化时油的粘度发生变化，引起运动特性的变化： 3 ) 液压元件的配合制造精度要求较高，加工工艺较困难，制造成本 高； 4 ) 由于液体流动中有液压损失，故不适用于远距离传动。 本装置系统采用液压传动作为传动部分。装置液压系统设计部分主要 是针对梭式三通分流调节阀和梭式四通换向阀的外力输入通过液压系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 来实现的液压传动系统设计。主要实现的是梭式三通分流调节阀的推杆节 流时位置要求和梭式四通换向阀旋转角度要求。液压系统设计决定本装置 现场应用的效果，因此，设计过程中，液压传动部分需要对装置动作要求 完全实现。， 3 1 液压系统工况分析与总体设计 非能动双罐交替工作装置是一种实际应用产品，本试验研究的对象主 要是其应用于对氮气的干燥处理。压力为o 8 m p a 的氮气由装置进气口输 入，双罐交替循环工作进行干燥，其过程要求并不复杂。 3 1 1 液压系统设计要求 在前一章已经对梭式三通分流调节阀和梭式四通换向阀的参数进行 了计算和确定，并对装置的工作过程作了详细的讲述。这里仅就液压系统 设计部分，液压传动需要实现的功能。 停车阶段，梭式四通换向阀处于常闭阶段( 阀芯处于中位) ，阀芯与 阀壁通流口均不相通。梭式三通分流调节阀应处于节流状态，即推杆需要 将阀芯推至需要位置。需要重点说明的是，这里所指的将推杆推至需要位 置是指在开始工作，有氮气进入到装置中以后的状态，在初始状态时对阀 芯不作要求。因此，梭式三通分流调节阀在开始以后的状中，其外控设施 应存在自锁状态。 阶段l ，这个过程和阶段3 虽是两个过程，但由于装置的对称性，其 所实现的动作要求实际是一致的，或者也是对称的。在阶段l 时，梭式四 通换向阀阀芯需要在中位状态下顺时针旋转4 5 0 ，让油气进入a 罐，所需 要的扭矩值确定为1 0 n m 。此时梭式三通分流调节阀推杆收回，由流体自身 能量推动阀芯右移，油气从装置回收口排出。整个阶段l 持续1 5 分钟。 阶段2 ，梭式四通换向阀保持阶段2 状态不动。梭式三通分流调节阀 的右边阀杆需要伸出，将阀芯挡在距右边阀口4 m m 处，其推出所需外力为 2 0 4k n 。此时氮气可节流处进入b 罐，同时在压力逐渐减小的情况下继 续从回收口排出，直至系统压力小于梭式三通分流调节阀顶端止回阀的弹 簧预紧力。由于推杆的安装位置可调，因此，此处推杆行程可根据外控设 施需要进行调节。整个阶段2 持续1 0 秒钟，所以，推杆的伸出速度有要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 求，不超过1 秒钟。 阶段3 ，与阶段l 的过程对称，梭式四通换向阀阀芯需要在中位状态 下逆时针旋转4 5 0 。由于在阶段2 处于保持阶段，此时梭式四换向阀阀芯 相对阶段2 逆时针旋转了9 0 0 。梭式三通分流调节阀推杆收回，阀芯由流 体推动左移。整个阶段3 持续1 5 分钟。 阶段4 ，与阶段2 的过程对称。梭式四通换向阀保持阶段3 状态不动。 梭式三通分流调节阀的左边阀芯伸出，将阀芯挡在距左边阀口4 咖处，其 推出所需外力为2 0 4k n 。此时氮气可节流入a 罐，并同时在压力逐渐减 小的情况下继续从回收口排出，直至系统压力小于阀顶止回阀的弹簧预紧 力。推杆行程根据外控设旌需要进行调节。整个阶段4 持续1 0 秒钟，同 样要求推杆伸出时间不超过1 秒钟。 从阶段1 到阶段4 完成一个工作周期。在不停车的情况下，可循环作 业。阶段4 完成后进入阶段l ，进入下一个工作周期。此时需要注意的时， 第二个周期梭式四通换向阀阀芯的位置需要相对阶段4 顺时针旋转9 0 0 。 3 1 2 确定液压系统方案 从整个装置周期工作过程看，系统动作并不频繁，因此该液压系统的 油液循环采用开式。且在工作循环内，系统均处于稳定状态，并无突然变 力或失速等状态，因此，采用单个定量泵作为供油源。 图3 1梭式三通分流阀液控系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 对于基本回路，系统不存在负载对系统作功情况，同时不存在负载制 动过程，故不需设计平衡回路及制动回路。但必须有换向、卸荷、安全回 路等。 1 梭式三通分流调节阀的推杆在进入工作状态后，停车阶段时需要 保持一定的节流，也即推杆需要伸出。因此，在设计时，其回路中应用自 锁功能。以保持在停车时，没有外力输入的情况下仍能保持节流。推杆伸 出距阀口的距离相当小，只有4 m m ，因此，可设计两边推杆同步动作，即 同时伸出或收回，这样在停车阶段时，无论流体从a 罐流入b 罐，还是b 罐流入a 罐，系统都能自动节流。 因此，采用如图3 1 所示控制方案。选择两个相同带活塞杆液压缸分 别控制左右推杆，通过o 型换向电磁阀控制压力油的进出油方向。 2 梭式四通换向阀的阀芯是需要通旋转来实现其工作时的截断与通 流状态。因此采用如图3 2 所示控制方案。这是一个带弹簧的齿轮液压缸， 当不通压力油或两边压力相等时，齿轮处于中位。当左边通压力油时，液 压缸活塞右移，带动齿轮逆时针转动，当右边通压力油时，齿轮顺时针转 动。弹簧预紧力需要设置，须大于外力值。液压缸也是通过电磁换向阀控 制，只是由于停车阶段梭式四通换向阀必须停在中位，因此，电磁换向阀 选择y 型。 8 7 图3 2梭式四通换向阀液控系统 由于梭式四通换向阀所需的外力并不大，其所需油压力不高。因此 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 在梭式四通换向阀液压系统中添加一个减压阀，如图3 3 。 图3 3添加减压阀 3 安全回路采用溢流阀。如图3 - 4 所示，在系统中添加一个常闭二位 二通阀，在不工作时对系统进行卸荷。 图3 4液压动力源系统 3 2 拟定系统液压原理图 由以上方案，整个非能动双罐交替工作装置液压传动系统原理图如图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 5 所示。 整个系统由单个定量泵作为油源，通过动力源交流电动机驱动。 梭式三通分流调节阀的两个外控液压缸采用的是并联回路，并在无杆 腔均添加液控单向阀，有保证在停车阶段时推杆伸出，保持自锁状态。当 装置中流体无论从哪个方向进入系统时，均可实现节流效果。 整个系统通过对电磁阀的控制实现装置系统要求的动作。 1 滤油器2 定量液压泵3 交流电动机4 常闭式二位二通电磁阀 5 - 外控溢流阀6 减压阍7 y 型三位四通电磁蠲8 带弹簧齿轮液压缸 9 0 型三位四通电磁阀1 0 渡控单向阀11 1 液控单向阀21 2 ，1 3 液压缸 圉3 5液压系统原理简图 3 3液压系统主要技术参数计算与选择设计 针对液压方案而拟定的液压原理图，对装置液压传动系统液压元件及 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 辅助件进行设计选择。在设计前，初选系统压力。由表3 1 可知 表3 一l 按载荷选择工作压力 载荷，k n 5 0 l 工作压力，m p a ( 0 8 l 1 5 2 2 5 3 3 4 4 5 5 实选系统压力值为4 m p a 。 3 3 1 液压缸的参数计算及选择设计 液压缸是系统的执行元件，实现装置的各个阶段的动作。由于液压缸 的动作不一定都存在对号产品。因此，本小节设计的液压缸计算出参数值， 不对参数对应的产品选型。 1 梭式三通分流调节阀液压缸设计 梭式三通阀只在节流阀需要液压缸伸出挡住阀芯，所以其外最大负载 大小为2 0 4 k n 。由 曩= p 2 爿= 4 d 2 式中，d 液压活塞直径； p 2 一一液压系统压力； 因此，有 d ：陋 v 印2 将牌o 4 k n 酬p a 代入公式有d = j 筹- 8 m m 圆整标准值，选取为1 0 0 蛐。 选取速比驴= 1 3 3 ，所以活塞杆直径为5 0 m m 。 由液压行程标准系列中，选择液压行程为5 0 m m 。根据伸出时间要 求，可取液压缸活塞杆伸出速度为2 5 m m ，s 。 因此，液压缸的流量经计算有： q i = v 4 代入数值计算后得液压缸流量值为1 1 7 8 l m i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 验算系统压力值有， 2 砉 4 代入数值验算后可得系统所需压力值为2 6 m p a 。 由液压系统方案，在阶段2 和阶段4 时，由于梭式四通换向阀执行液 压缸保持不动，液压泵单独向梭式三通分流调节阀执行液压缸供油，因此， 会出现在阶段2 和阶段4 时，梭式三通分流调节阀的流量增加，液压缸的 推力和推出速度相应增加，同样满足系统在推杆伸出时间不超过两秒的要 求，增加系统在节流阶段的效果。 2 梭式四通换向阀的执行液压缸设计 梭式四通换向阀所要实现是转动阀芯，其扭矩值为1 0 n m 。由于梭式 四通换向阀执行液压缸的执行外负载并不大，因此系统减压后压力值以为 0 8 m p a 。 初取齿轮液压缸的齿轮节圆半径值为5 0 m m ，因此，此液压缸所要驱 动的最小外负载值为： ，2 = l o o 0 5 = 2 0 0 = o 2 k n 由于液压缸中的弹簧初步存在预紧力，即在中位时，弹簧处于压缩状 态，输出大于或等于o 2 k n 的预紧力，考虑实际应用中存在摩擦等因素， 因此选取其预紧力值为o 2 5 k n ，以便可以在停车阶段时可以推动活塞使 得梭式四通换向阀阀芯处于中位位置。 梭式止回阀需实现的是旋转4 5 0 ，因此，液压缸的齿轮转过的角度为 兰。由此可推算出液压缸单向活塞行程值为 f ：，三 4 代入数值计算得到活塞行程值为3 9 2 5 埘m 同样要求换向时间不超过一秒，因此，选择活塞的移动速度为8 0 m m s 。 因此，对预紧弹簧进行设计： 弹簧是带弹簧齿轮液压缸中的重要零件，它为液压缸齿轮保持中位提 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 供预紧力。左右两边各一弹簧对称放置。 设计中选用圆柱螺