PTPL喷油器试验台夹紧液压缸活塞位置补偿系统.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8 卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Fe b ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 1 7 P T P L喷油器试验台夹紧液压缸活塞位置补偿系统 曹晓光，杨永健 东北林业大学交通 学院，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 4 0 摘要P T P L 喷油器试验台夹紧液压缸活塞在受到喷油器凸轮的载荷作用下，其位置很难保持在原定处， 采用一套液压 补偿系统对其进行位置补偿 ，达到精确控制的目的，满足工作要求。 关键词夹紧液压缸活塞；液压补偿系统；位置补偿 中图分类号 T P 2 7 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 4 0 4 8 3 Po s i t i o n Co mpe ns a t i o n S y s t e m f o r Cl a mp i ng Hy dr a u l i c C y l i n d e r P i s t o n o f P T P L I n j e c t o r T e s t S t a n d C A O X i a o g u a n g ，Y A N G Y o n g j i a n T r a f f i c C o l l e g e ，N o r t h e a s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y ，H a r b i n He i l o n g j i a n g 1 5 0 0 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t U n d e r t h e a c t i o n o f i n j e c t o r c a m，i t i s h a r d t o m a i n t a i n t h e o r i g i n a l p o s i t i o n o f t h e c l a m p i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r p i s t o n 0 f P r r P L i n j e c t o r t e s t s t a n d ．A h y d r a u l i c c o m p e n s a t i o n s y s t e m w a s a d o p t e d t o c o m p e n s a t e t h e p o s i t i o n o f t h e p i s t o n ．T h e g o al o f a c c u r a t e c o n t r o l wa s a c h i e v e d a n d t h e wo r k i n g r e q u i r e me n t s w e r e me t ． Ke y wo r d s C l a mp i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r p i s t o n； Hy d r a u l i c c o mp e n s a t i o n s y s t e m； P o s i t i o n c o mp e n s a t i o n 液压传动是一种 比较理想的传动方式。它通过 管道油传递能量，容易实现各种运动形式 ，给设计 布置带来了很大的灵活性和方便性，很适合机械 中 实现复杂运动的要求。液压传动传递的功率密度大、 结构紧凑、重量轻 ，比较适合大载荷、大功率的场 合，同时它传动性能优 良，传动平稳、易防止过载、 调速简单、具有无级变速功能，使用寿命长 ，能很好 的满足传动要求。液压传动还具有 良好的操纵控制 性能 ，液压 是机 械 和电子 的 接 口，电液 一体 化 是机 电控制的关键技术 。正是基于这些优点，液压传 动在制造业 、钢铁工业、水利工程业、军事工业以及 船舶业等领域的应用广泛。 但液压传动也有其不足的地方，主要有 由于 流体流动的阻力和泄漏较大 ，导致传递效率较低 ； 由于工作 性 能易受 到 温度 变化 的影 响 ，不 宜在 很高 或很低的温度条件下工作 ；液压元件的制造精度要 求较高，因而价格较贵；由于液体介质的泄漏及可 压缩性 ，不能得到严格的传动比；由于采用油管传 输压力油 ，存在压力损失，故不宜远距离输送动力 ； 油液污染后，会影响系统工作的可靠性；液压系统 出故障时不易找出原因，使用和维修要求有较高的 技术水平等。 液压位置补 偿 系统是 针对 液压 传 动 系统存 在 液 压泄漏或工 作介 质 可压缩 性 等不 足 而设计 的一 种装 置。它能将被控对象保持在某一设定的位置，当被控 对象受到外界干扰时尽可能快地做 出反应，将被控 对象校正回原设定位置，是一种补偿型位置保持系 统。目前液压位置保持系统有封闭型、节流型和补偿 型 3 种工作方式 ，其 中，封闭型和节流型方式 由于 仅依靠液压缸内液体的弹性变形产生的作用力被动 平衡外部干扰载荷，平衡力的大小是随着被控对象 偏离设 定位 置距 离 的增 加而 增加 的 ，属 于有差 调节 系统，其稳定精度与液压缸 内油液的特性和外加载 荷的大小有关，它无法在外加载荷存在的情况下将 被控对象校 回到设定位置，无法满足高精度控制要 求 。补偿型方 式通 过检 测在 外 载荷 作用 下被 控对象 相对于设定 位置 的位移 量 ，通过 阀或泵控 制 系统 向 需要增压的工作缸液压腔补油，迅速产生适当的平 衡力 ，阻止被控对象进一步偏离设定位置 ，并最终将 被控对象校 回到设定位 置，可 以得到很高 的控 制 精度 。 1 P T P L喷油器试验台工作原理 如图 1 所示，P I P L喷油器试验台夹紧液压缸为 一 个复合式缸，密封缸7右部位于夹紧缸 5内，左端 收稿 日期 2 0 0 9 0 7一l 7 作者简介曹晓光，男，教授，主要从事汽车运行品质控制与生态材料技术方面的研究。电话 1 3 9 4 6 1 6 5 9 0 7 ，E ma i l 63 7 7 48 46 1 63 ．c o m。 第 4期 曹晓光 等V I P L喷油器试验台夹紧液压缸活塞位置补偿系统 4 9 部分与密封缸 7为一整体 的开放 圆形 固定装置 ，中间 有孔 ，可以固定喷油器。供油系统工作时，通过油管 A将压力为 6 8 01 0 k P a的液压油 送人 密封 腔 4 ， 推动活塞杆 6向左运动，以使喷油器 9与椎体 8之间 产生 7 5 0 N的密封力 ，这样喷油器 9的油杯就 能很好 的与椎体 8中的尼龙座紧密接触，不会产生泄漏。同 时压力为 4 8 01 0 k P a的液压 油通 过油管 C进 入 夹紧腔 1 ，推动活塞杆 6及密封缸 7总成 一起 向左 运 动，通过挺杆 1 0压缩喷油器柱塞弹簧到柱塞与油杯 紧紧接触 ，此时挺杆 1 0与喷油器 9之间产生 1 7 2 0 N 的夹紧力 ，如 图 1 所示 ，此时挺杆 1 0处 于最大升 程。 动力系统开始工作后 此时油管 C关闭 ，喷油器凸 轮随着凸 轮轴 转动 而 使挺 杆 向左 运动 ，喷油 器 柱塞 在弹簧 的作用 下返 回 ，燃 油 进入 喷 油 器 ，为 喷 油器 喷射燃油做准备，随着喷油器凸轮转动而使挺杆 1 0 往右运动到一定程度时，喷油器喷油，这样凸轮每 转一周就能使喷油器喷射一次燃油 ，凸轮正常工作 转速为 1 0 0 0 r ／ m i n ，喷油器喷射的燃油经椎体 8中的 外接管而通往测量单元进行测量。为了使测量精确， 一 般每 喷射 1 0 0次进 行 一次 测 量 ，并 且要 进 行 数次 一般为 1 0次这样的测量 ，然后求平均值 ，通过 喷射的平均燃油量来计算喷油器是否工作正常。试 验结束后压力为 6 8 01 0 k P a的液压油进人松开 腔 3 ，此时油管 A和 c处于与大气连通状态 ，松开腔 液压油推动活塞杆6向右运动 ，密封腔 4和夹紧腔 1 中的液压油便通过油管返回油箱，喷油器松开。 1 一夹紧腔2 一活塞3 一松开腔4 一密封腔5 一夹 紧缸6 一活塞杆7 一密封缸8 一椎体9 一喷油器 1 O 一挺杆1 1 一喷油器凸轮 图 1 补偿前液压缸工作简图 2活塞位置补偿办法 2 ． 1 补偿前 系统存在问题分析 见图 1 ，在工作时，油管 c是关 闭的，也就是 说 ，夹紧腔 1 与活塞 2形成一个封闭系统，即此系统 为一个封闭位置保持系统。由于此方式仅依靠液压 缸内液体的弹性变形产生的作用力被动平衡由于凸 轮 1 1 转动而产生的外部干扰载荷，活塞 2偏离距离 的大小是 随着 外 部载 荷 的增 加 而增 加 的 ，属 于有 差 调节系统，其稳定精度与液压缸内油液 的特性和外 加载荷的大小有关 ，所以它无法在外加载荷存在的 情况下将活塞 2校回到设定位置，另外 ，由于液压缸 或多或少都存在一定的泄漏，哪怕是每一循环很少 的泄漏，在经过无数个 1 0 0 0个工作循环后 ，其 泄漏量将是一个很大的数字，如不进行相应的补偿 ， 将无法满足高精度控制要求 ，因此有必要对此系统 进行补偿 。 通 过 对 此 系统 的工 作 特点 分析 得 出，只有 在挺杆 滚 轮 与喷 油器 凸 轮处于远休止角行程时 此 时 活 塞 2无 法 向 左 运 动 ，才 能 进 行 相 应 补偿 。由于 喷油 器 凸 轮 转 速 高 达 1 0 0 0 r ／ m i n ， 图2 喷油器凸轮简图 每转一转的时间只有0 ． 0 6 S ，而凸轮远休止角为圆周 的 1 ／ 6 ，如图2 ，即远休止角转过的时间只有 0 ． 0 l s ， 即只有在 凸轮远 休 止角 行程 与挺杆 滚 轮接 触运 动 的 0 ． O 1 s 时间内对夹 紧液压缸进行补偿 ，而其他 的时间 段都不能进行补偿 ，否则无法模拟喷油器的正常工 作环境。针对以上问题 ，主要有以下难点 ①转速高达 1 0 0 0 r ／ m i n ，如果每一循环都进行补 偿 ，这 给控制 执行元 件 ，即液压阀带来 了挑战 ， 目前 还没有哪种换向阀换向频率能达到 1 0 0 0 O ／ m i n ，最 高的换向频率大概在 2 5 03 0 0 O E ／ m i n ，这就表示不 可能每一循环都进行补偿 ，考虑到液压阀的换 向频 率和精确补偿控制两方面，决定每4个循环进行一次 补偿 。 ② 由于凸轮运动周期为 0 ． 0 6 s ，而补偿 时间 只有 0 ． 0 1 s ，周期 中其 他时间都不 能进行 补偿 ，这 就要求 液压 阀导通后 停 留的时 间 必须 在 0 ． 0 1 s 之 内 ，同时 要求液压阀的换向时间和弹簧回位时间之和必须小 于 0 ． 0 6 s ，显然无 法通过单一液压 阀来实现补偿 。 2 ． 2补 偿 办法 如 图 3所示 ，在原系统 的基础上增加一套液 压补 偿系统，信号触发器 1 2安装在凸轮轴上，它与喷油 器凸轮的远休止角的上半部分对称，二位二通电磁 换 向阀 1 4 、1 5为常 闭。工 作 原理如 下 喷 油器 试验 台开始工作，喷油器凸轮和信号触发器同时随着 凸 轮轴的转动而转动，喷油器凸轮转一圈，信号接收器 l 3 便接收到一个信号波，信号波如图 4所示。当转 完 2圈后进入第 3圈时 ，在喷油器 凸轮 的远休 止角行 程与挺杆滚轮 刚开始接触的同时，信号触发器也刚 5 O 机床与液压 第 3 8卷 好开始通过信号接收器，矩形信号波产生，E C U根 据此时计数器的计数为 3 ，发出命令信号，使二位二 通电磁换向阀 l 4通电，开始换向，由于电磁换向阀 的换 向时间为 0 ． 0 6 s ，所 以它在 凸轮转到下一 圈此位 置时导通 ，即凸轮转 4圈，换向阀导通 1次，进行 1 次补偿。随着凸轮的继续转动，在凸轮远休止角行 程的中心运动到与挺杆滚轮作用时，触发器 l 2刚好 离开信号接收器 1 3 ，E C U此时发 出命令，使电磁换 向阀 l 5通电 ，同样在 0 ． 0 6 s 之后 ，电磁换 向阀 1 5导 通。凸轮继续转动，转动到第4圈凸轮远休止角行程 刚开始与挺杆滚轮接触时，换向阀 1 4导通，液压油 通过换向阀 1 4到达液控单向阀 1 7 ，使其开启，管道 c中的液压油便通过液控单向阀 1 7 、单向阀 1 6对夹 紧腔 1 进行补偿，达到对夹紧活塞 2的位置进行校正 的 目的。凸轮继续转动，在凸轮远休止角行程的中 心与挺杆滚轮接触时 与上一圈处于此位置刚好相 差 0 ． 0 6 s ，此时间刚好 为换 向阀换 向时 间 ，换 向阀 l 5开启 ，控制回路泄压，液控单向阀 l 7关闭，补偿 结束。在凸轮转动到第 5圈的相应位置时，如图4所 示 ，换向阀 1 4 、l 5先后断电，为下一次补偿做准备。 以此类推 ，凸轮每转4圈，补偿便 自动进行 1 次，从 而达到精确控制的 目的。 图3 补偿后液压缸工作简图 电磁 Ml 4 电磁 [11 1 4 电磁 阀l 4 通 电 导 通 断 电 广‘一广’一广。一 几 n 竺 塑 - “ s 图4 控制信号波形图 3结论 喷油器试验台是一种精密测量仪器 ，它通过模 拟喷油器在发动机 内的工作环境，将喷油器喷射的 燃油进行 回收测量，为了精确计算喷油量，一般每 喷射 1 0 0次进行一次测量 ，每次试验取 1 0组测量数 据 ，然后取平均值。测量精确的前提是试验 台各个 环节尽量接近喷油器的实际工作环境，但在未补偿 的试验 台 中，由于其无 法保 持 夹紧 液压 缸活 塞 的位 置在设定处，也就意味着此试验台无法达到精确控 制的要求。作者对其工作原理进行分析，得出凸轮转 速高达 l 0 0 0 r ／ m i n ，而凸轮每转一圈都会对液压系统 产生一次影响，如不进行补偿 ，只会使误差累计而越 来越大的结论，所以此系统应该进行相应的补偿 。结 合此试验台工作 的特殊性，有针对性 的给出了一套 液压补偿系统对喷油器液压缸进行补偿 ，凸轮每转4 周便进行 1次补偿实现了修正的目的，达到了精确测 量的要求 。 参考文献 【 1 】黄宗益， 李兴华， 陈明． 液压传动的负载敏感和压力补偿 [ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 4 4 5 25 8 【 2 】刘昊． 液压位 置保持 系统控制策略的研究及其应用 [ D] ． 长沙 中南工业大学， 2 0 0 0 ． 【 3 】谭建平， 刘吴． 溢流补偿型液压位置保持系统的研究及 应用[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 4 ， 4 O 3 1 1 91 2 3 ． 上接 第4 7页 2 设备性能与特点 2 ． 1设备 性 能 气 源压力 0 ． 3～ 0 ． 8 M P a ； 排 脂压力 1 8～ 4 0 M P a ； 排脂 量 4 0 L ／ ra i n ； 压 比 6 4 1 ； 润滑脂针人度 2 6 5 ～ 3 8 5 N I G 1 分级 N o ． 0 ～ N o ． 2 。 2 ． 2设备特点 1 采用了气源作为动力， 减少了供电要求， 同时 也降低了防火等级 ； 2 设备现场可手动操作 ； 高低侧压力开关和全 厂润滑系统进行了连锁， 实现润滑系统的自动控制， 减少了工人劳动强度 ； 3 设备结构新颖紧凑， 体积小， 仅为 8 2 5 n l l n 4 4 0 I n i n 1 0 2 5 m i l 1 ， 质量小， 仅有4 0 k g ， 成本低。 3结束语 ‘ 该设备在生产现场成功运行， 其整体设计新颖紧 凑； 成本低、 运行可靠 ， 噪声低、 使用维修方便； 与 P L C 控制中心联网， 实现了自动控制， 减少了操作人员。 参考文献 【 1 】 雷 天觉 液压 工程 手册 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版 社 ． 1 9 9 0 ． 【 2 】 黄 E l 新． 工业专用阀门手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 。 1 9 9 3 ． 【 3 】 成 大先． 机械 设计 手册 [ M] ． 北 京 化学 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． ～ 热 蜥 缸 曝 腔封油做碍 开密喷傲 松 一一愕 一一 ～一 蝴 冈 一一} ．j 卜 发位向 腔 器 一一一蝉 沁持 ．I瞄 则则 悔啦