带位移传感器液压缸的现状及其发展趋势.pdf

Hy dr a u l i c s Pne u ma t i c s S e a l s ／ No ． 5．201 1 带位移传感器液压缸的现状及其发展趋势 唐 雯 吴 榕 林 文祥 厦 门大学 物理 与机 电工程 学 院 ， 福 建 厦 门 3 6 1 0 0 5 摘要 随着现代生产 向着高效 、 精准 、 环保 等方 向发展 ， 一种活塞杆伸 出量可控 的液压缸在 众多领域 得到应用 ， 如轧钢 、 注塑 、 飞机系 统等。本文对现行带位置测量液压缸 的各种技术方案做了简单介 绍， 并对未来 的发展趋势进行 了探讨 。 关键词 液压缸 ； 位移检测方法 ； 自动控制 中图 分 类 号 T P 2 7 1 ．31 文 献标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 8 0 81 3 2 01 1 0 5 0 0 0 3 - 0 4 Th e Ac t u a l S t a t e a n d De v e l o p me n t Tr e n d o f Hy d r a u l i c Cy l i n d e r wi t h Po s i t o n S e n s o r T ANG We n Ro ng L I N We n- xi a n g S c h o o l o f P h y s i c s a n d Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，Xi a m e n U n i v e r s i t y ，X i a me n 3 6 1 0 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h mo d e r n p r o d u c t i o n d e v e l o p i n g t o wa r d s e f fi c i e n t ， a c c u r a t e ， a h y d r a u l i c c y l i n d e r c a n b e e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d i s u s e d i n m a n y fi e l d s ，s u c h a s r o i l i n g ，i n j e c t i o n m o l d i n g ，a i r c r a f t s y s t e ms ．T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e v a r i o u s t e c h n i c a l p r o g r a m s o n t h e c u r r e n t p o s i t i o n ． At l a s t i t s p o s s i b l e f u t u r e t r e n d s a r e d i s c u s s e d ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； l o c a t i o n d e t e c t ； a u t o ma t i c c o n t r o l O 引言 液压缸 是 将 液压 能转 换 成活 塞 往复 运 动机 械 能 的 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 2 0 作者简介 唐雯 1 9 8 6 一 ， 男 ， 在读 硕士研究生 ， 厦 门大学物理与机电工程 学院 ， 现从事流体传动与控制方 向的研究。 一 一 -一 一 -一 一 十一 一 一 一 - 一 3 合理安装溢流阀。如图 5所示 ， 在二级调压 回 路 中 ， 溢流 阀 l的调 整压力 为 P - ， 溢流 阀 2的调 整压 力 1、 2 -溢 流 3 一二 位 二 通 电 磁 阀 图 5 二级调压中溢流阀的安装位置 为P 2 ， 且 p ， p 2 ， 溢流阀 2安装在溢流阀 1和二位二通电 磁阀 3之间。当二位二通电磁阀断电时， 系统压力受控 于溢流 阀 l 设 定 的压力 P 。当二 位二 通 电磁 阀通 电后 ， 系统压力受控于溢流阀 2设定的压力P ， 溢流阀 2相当 执行元件 ， 在工程 、 农业 、 机床设备 、 矿山冶金 、 石油化 工、 交通运输 、 轻工等各个行业得到广泛应用。在需要 对液压缸进行精确控制的场合 ，就要使用各种位移传 感 器对 活塞 的位 置进 行测 量 ， 从而 实现 远程控 制 。测量 原理大致可分为 以下几类 电阻式 、 电感式 、 超声波式 、 涡流感测式 、 磁编码式、 磁致伸缩式等。 于一个背压阀， 当压力 P 。 到 P 下降时， 不会出现压力的 突变 ， 因此 ， 几乎不会产生液压冲击。 如果溢流阀 2与二 位二 通 电磁 阀调换 一 下位置 ， 液压 冲击就 不可 避免 。 3 结束语 液压 阀的噪声受诸多因素的影响 ．严重时干扰液 压 系统的正常工作 ， 在实际工作中 ， 从 自身结构 、 加工 制造 、 系统设计 、 安装和维护等方面考虑 ， 根据 噪声发 生的不同类型采取相应 的控制措施 ， 将噪声降到最低 。 参考 文献 [ 1 】 本书编写组． 液压传动设计手册 ． 上海 上海科学技术 出版社 ， 1 981 ． 【 2 】 张建寿l机 械和液压噪声及其控制嗍上海 上海科学技术出版社， 1 9 8 7 ． [ 3 】 程居 山， 等． 矿山机械液压 传动[ M】 ． 北京 中国矿业大 学出版 社 ． 2 0 0 3 ． 【 4 】 任玉婷． 浅析溢流阀高频噪声 的产生原因及其控制f J J ． 液压与 气动 ， 2 0 0 1 7 ． 【 5 ] 王海 兰． 液压 系统设计 中有关液压冲击吸收问题 的探讨【 J 1 ． 机 床与液压 ． 2 0 0 1 1 1 ． 3 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0l 1年 第 5期 l 位移测量原理 1 ． 1 电阻值 测量方 式 电阻值测量方式原理简单 ， 检测电路易实现。图 1 所示液压缸工作原理为 活塞杆 l 0钻有内孔 8 。 电阻支 架 9伸人 内孑 L 8中，电刷 7被顶锥 6压在测量电阻 4 上 ， 当活塞杆 l 0移动时 ， 电刷 7在电阻 4上滑动 。 1 、 2 为电极 ，用于传递 电信号 。其原理可简化为滑动变阻 器 ， 电刷滑动时改变了接入 电阻的大小 ， 根据测得的电 流量可得到电阻长度 ， 进而知道活塞杆 的伸出量。 l 、 2 一电极3 一 陶瓷 密 封 装 置4 一 测 量 电 阻5 一 支架6 一 顶锥 7 一 电刷 8 一内孔9 一 电阻支架 1 0 一 活塞杆 图 l 电阻式测量装置简图 上述方式原理简单 ， 线性度好 ， 信号处理方便 ， 在 2 0 世纪 7 0年代为主流方式。其缺点是测量精度不高． 电刷和测量 电阻之 间存在滑动摩擦 ， 测量元件易磨损 ， 通过对电阻材料的选择 、测量电路的优化以及结构方 面的改进可进行低精度的测量和控制。 1 ． 2电感值 测量 方式 图 2所 示 的 液 压 缸 用 到 的 是 差 动 变 压 器 式 L V D T 测 量装 置 。 L V D T是 基于 变压器 原理 ， 通过一 次 线 圈与二次线圈弱电磁耦合 ，使得铁芯的位移变化量 与输 出电压 电流 变化量呈精密线 性关系 ， 具有量程 大、 精度高 、 稳定性好等优点。 1 、 2 一 固定装置3 一 支架4 一 盘簧5 一 拉绳 6 一 外滚筒7 一内螺杆8 一 铁芯9 一 线圈 l 0 一 底座 图 2 L VD T测量装置 如 图 2所示 ． 测 量 装 置安装 在 缸底 内侧 ， 拉 绳 5的 一 端与活塞相连 ， 另一端绕在外滚筒 6上 ， 这种方式巧 4 妙地将活塞的直线位移转化为外滚筒的角位移 。外滚 筒切有螺旋 凹槽 ， 拉绳沿着凹槽的轨迹运动的。盘簧 4 使拉绳保持拉力 ， 内螺杆 7在外滚筒 6中， 它们通过螺 纹啮合 ， 外滚筒 6转动时使得螺杆 7朝轴线方向运动。 它的运动带动铁芯 8在线圈 9中运动 ，铁芯 8的伸出 量决定了线圈的互感系数 ，经过测量反推可知道拉绳 的位移 。 电感测量方法从 2 0世纪 9 0年代应用到液压缸测 距 装置 中 ， 现 在还在 不断 地改进 。经 历 了从 单线 圈螺 线 管到差动双线圈螺线管再到 L V D T。 测量电路从变磁阻 式到交流电桥式 ， 这些改进使得测量精度 、 抗干扰能力 得到大幅提升 ， 但其频率响应低也是一个致命 的弱点 其次 ， 盘簧和拉绳的使用寿命有限， 如果抛弃这种传动 方式 ， 进一步改进 ， 使其传动更方便 、 简洁 ， 则其应用前 景还是比较可观的。 1 ． 3超声 波测量 装置 超声波和光线一样具有束射效应 ，而且遵守几何 光学定律 ， 其反射率取决于声阻抗 p c 。 如图 3所示 ， 超声波换能器 8发射超声波束， 穿过 液压油 ， 由活塞 4反射 ， 再 由换能器 8接 收回波信号 ， 只要测出传播时间就能得到活塞位置 。 l、 7 一端 盖2 一缸 体3 一 活 塞 杆 活 萋 5 一 密封圈6 一 辅助反射装置8 一 超声波换能器9 一 电缆 图 3 超声波检测装置 在测量误差上存在三种因素 1 波速 的误差 ， 与油温有关 ， 可以实时检测缸 内 油温的变化， 也可以设置辅助反射装置， 如图 3中的 6 ， 可以帮助推算波速。 2 硬件电路的延时误差 ， 可以采取时间补偿措施。 3 随机噪声 的影 响 ， 利用取 均值的方法可 以减 小。美 国 4 5 4 3 6 4 9和 6 1 1 9 5 7 9号专利对超声波测距装 置在液压缸 中的应用作了阐述 ，将这种液压缸安装在 高速磨床上 ， 能精确控制砂轮的进给量。根据在太古的 调研 ． 有些飞机起落架上安装 了超声波测距液压缸， 这 种液压缸具有工作稳定 、 精确和反应快速等特性 ， 能保 证飞机起落架准确 、 顺利地打开 ， 对飞机的着陆缓冲姿 态和滑行都起到了重要作用。 路 、 逆转波检测电路 以及计时电路 ， 位置磁铁 7沿着外 管 8无摩擦地运动， 提供位置反馈 。只要能测得激励脉 冲发射 和收到的时间差即可知道磁铁 7的位置 。世界 上速度最快的跑车之一布加迪 威龙 ， 尾翼上就安装 了 这种液压缸 ， 因其车速达 4 2 0 k m ／ h ， 为保证行驶过程 中 有足够 的地面摩擦 ， 不至于漂浮失控 ， 往往需要调整尾 翼的仰角。在轧钢生产线上 ， 可通过这种液压缸精确控 制 辊缝 的距 离 ， 保 证钢 板 的厚度 。 1 ． 4磁编 码测 量装置 磁性编码器结构简单 ． 耐冲击性能优 良， 响应速度 达 5 0 0 ～ 7 5 0 k H z ． 避免了传感器和被测物体的直接接触 ， 延长了使用寿命。根据现行 的刻录技术 ， 磁栅的标记宽 度可精确到 1 O m级， 这足以达到精确测量的要求 。 如图 4所示是电磁编码技术运用在液压缸中的测 量装置 ， 活塞杆 3经特殊的镀层处理 ， 最外层是铬保护 层 次层 是 永磁 体 记 录 层 ， 上 面可 以标 记 二 进 制 编 码 ； 第三层是软磁体保护层 ， 可保护永磁体记录层 的磁性 ； 最内层是无铁磁特性 的基底 。其中永磁体记录层 的编 码方式多种多样 ．图 5所示的是一种二进制的编码方 式 ， 读码器只要读 出二进制编码 ， 就能知道活塞杆所处 的位 置 。 卜缸体2 一 密封 圈3、 4 一 活塞杆5 一 读码器6 一 防尘圈 图 4 磁 编码测量装置 1 2位 进 制数 图 5 永磁体记录层 轴向展开 图 磁编码测量装置的检测精度 高，其关键技术是将 磁栅编码精确地刻录到活塞杆上。磁栅的排列形式也 是值得商榷的， 哪种排列方式便于刻录、 检测也是待研 究 的问题 。 1 ． 5 磁 致伸 缩测量 装置 磁致伸缩位移传感器具有精度高、 稳定性好 、 长距 离测量 等特点 。其 原理 为 控制 电路 对波 导管 施加 电流 激励脉冲 ， 当电流沿波导管传播时， 伴随产生一个围绕 波导管的环形磁场 ，与此同时一个非接触的位置磁铁 沿着波导管 自由滑动 ，并且产生一个平行于波导管的 磁场 ， 根据磁致伸缩效应 ． 在两磁场相遇处会产生机械 扭转波 ， 该波以固定速度分别向波导管两端传播 。 我们 只要测量出传播时间即知道位置磁铁的距离。 如图 6所示 ，传感器电子头 l 包含了电流激励 电 1 一 传感器电子头2、 9 - 传感器渡导管3 一 密封螺母4 一 端盖 5 一 缸体6 一 位置磁铁保护套7 一 位置磁铁8 一 波导杆外管 l O 一 密封圈 图 6磁致伸缩测量装置 1 ． 6涡流 感测 装 置 涡 流对 材 料表 面 的物理 特性 非 常 敏感 。活塞 杆 经 表面淬火后 ， 物理特性发生 了改变 ， 如在淬火阶段按照 预设 的要求进行淬火 ， 如图 7所示 ， 进一步建立涡流检 测信号与淬火层深度之间的量化关 系，也就是说在不 同的位置进行涡流感测得到不同的反馈结果 ，同时建 立一个 比照数据库 。在液压缸的使用过程中， 对传感器 施加与前期测试相 同的涡流感 测 ，将所得到的数据与 比照数据库进行 比较， 即得到精确的测定点。 l 一缸 体2 一活 塞3 一 密 封 圈4 一 导 出 电缆 5 一 涡流感测装 置6 一 端盖7 一 活塞杆淬火层 图 7利用涡流感测传感器的液压缸 2 未来 发展趋 势探讨 带位移传感器的液压缸已经在多个行业得到广泛 应用 ，为企业的生产和人们的生活带来 了高效集约和 方便快捷 ， 其广阔的前景是不容小觑 的。但是 ， 现代生 产的高效 、 精准要求我们对其进行不断改进和开发 ． 提 升检测精度 、响应能力 以及控制准确性仍是我们追求 的目标 。近十几年来微芯片技术 、 计算机通信技术的高 速发展 ， 为测量及数据处理创造了极其优越的条件。新 S 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 01 1年 第 5期 变矩器铰制孔用螺栓断裂分析及处理 陈 文 何 芳 林 义 张锡杰 陈昌尾 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 ， 上海2 0 0 0 5 1 摘 要 根据变矩器上铰制孔用螺栓的断 口观测 ， 分析其产生断裂的原因， 并提出相应 的解决方案 ， 提高产品的质量和可靠性 。 关键 词 变矩 器； 铰制孑 L 用螺栓； 断裂； 分析 中图分类号 T Hl 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 5 0 0 0 7 0 3 Ana l y s i s a n d S o l u t i o n o f t h e Br o k e n Hi n g e d Bo l t i n t h e Hy d r a u l i c To r q u e Co n v e r t e r C H E N We n H E F a n g L I N Y i Z H A N G Xi - j C H E N C h ang - w e i S h a n g h a i Ma r i n e E q u i p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ，S h a n g h a i 2 0 0 0 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e f r a c t u r e o n t h e b r o k e n h i n g e d b o l t ， t h i s p a p e r d e s c r i b e s the r e a s o n o f the b r e a k a n d p u t f o r w a r d s t h e r e l e v a n t s o l u t i o n t o i mp r o v e t h e q u a l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e p r o d u c t s ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c t o r q u e c o n v e r t e r ； h i n g e d b o l t ； b r e a k ； a n a l y s i s O 引言 根据售后服务反映的情况 ，一台某型变矩器在使 用两年之后 ， 7 2 1 7轴承端压板的两个螺栓断裂 ， 各旋转 部件发生轴向窜动 ，泵轮 、涡轮和导轮各端面严重磨 损 ， 导致油温升高 ， 机械效率降低。 1 宏观断 口分析 实际构件受力状态复杂， 断裂原因也多种多样 ， 因 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 1 3 作者简介 陈文 1 9 8 7 - ， 女， 工程师， 现主要从事液力变矩器的设计理论研究。 一 十一 一 十一 一 一一 一 - - - - - 一- 一 一 材料的不断涌现为感测方式开拓了更为广阔的应用领 域 ，如将近年来快速发展的微纳技术运用到传感器上 则可突破微米级达到真正意义上的纳米级 ，这将又是 一 个质 的飞跃 。 3 结束语 本文阐述 了带 位移传感器液压缸的发展历程 以及 各种 检测 原 理 和安装 方 式 ，希 望读 者能 对其 发展 和 应 用得到初步了解 ，为今后进一步的应用和研发带来些 许帮助 。 参 考 文 献 【 1 】S a m u e l A．J o h n s t o n ， H e n r y J ． R i e d m a y e r ．E l e c t r i c a l l y c o n t r o l l e d h y d r a u l i c s y s t e m a n d t r a n s d u c e r t h e r e f o r e U S ， 3 7 2 6 1 9 1 [ P ] ． Ap r ． 1 0，1 9 73 ． f 2 】 R i c h a r d 0 ． G l a s s o n ． P r e c i s i o n s e n s o r f o r a h y d r a u l i c c y l i n d e r ． 此宏观断口形貌也比较复杂。从螺栓断裂的截面分析 ， 两个螺栓断裂的截面各不相同 ，因此它们发生断裂的 工 况也 不一致 。断裂 的螺栓光 杆 如 图 l 所 示 。 图 1 断裂 的螺栓光杆 U S ， 6 6 9 4 8 6 1 [ P 1 ． F e b ． 2 4 ，2 0 0 4 ． 【 3 ] K e n n e t h 0 ． He a d ， A r t h u r E ． B o l l i n g e r ． S y s t e m f o r u l t r a s o n i c a l l y d e t e c t i n g t h e r e l a t i v e p o s i t i o n o f a mo v e a b l e d e v i c e US ， 4 5 4 3 6 4 9 [ P ] ． S e p ． 2 4 ，1 9 8 5 ． 【 4 ]T h o m a s P ． L o w ， B r u c e C l a r k ．S y s t e m s a n d me tho d s o f r e c o r d i n g po s t o n r o d p o s i t i o n i n f o r ma t i o n i n a ma g n e t i c l a y e r o n a p i s t o n r o d U S ， 6 9 8 9 6 6 9 [ P ] ． J a n ． 2 4 ，2 0 0 6 ． [ 5 】 美 国 MT S系统公 司． 磁致伸缩 位移传感 器的技术与创新[ J 】 ． 传感器世界， 1 9 9 7 1 1 ． 【 6 】 姜 镇 军 ． 磁 致 伸 缩 液 压 缸 位 移 传 感 器 【 D 】 ． 大 连 理 工 大 ， 学 ， 2 0 0 7 ． 【 7 ] G o p al S u b r a y R e v a n k a r ， K e i t h Wa y l a n d G r a y ， D a l e H．K i l l e n ． S y s t e m a n d me t h o d f o r d e t e c t i n g the a x i a l p o s i t i o n o f a s h a f t o r a m e mb e r a t t a c h e d the r e t o U S ， 7 1 1 6 o 9 7 [ P 1 ． Oc t ． 3 ，2 00 6．