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高压氮气弹簧自动充气机压力控制

发表时间：2018-09-04 17:04浏览量：

氮气弹簧是一种具有弹性功能的部件。它将高压氮气密封在确定的容器中,外力通过柱塞杆将氮气压缩,当外力去除时靠高压氮气膨胀来获得一定的弹压力。氮气弹簧具有体积小,弹力大,寿命长,弹压力恒定等优点,广泛应用于模具、汽车、电子、仪表等工业领域。氮气弹簧技术有着其自身的特点和一定的使用范围,弹簧压力是否恒定是衡量其性能优劣的一个重要指标。一个氮气弹簧在不大的体积内,要释放几百公斤甚至几吨的力,而这个过程又要反复进行,因此,要保持其工作稳定性,首先要保证氮气弹簧制造时氮气充气压力的一致性。目前,在氮气弹簧的生产过程中,主要还是依靠传统的人工方法来控制弹簧内氮气的压力,不仅误差较大,而且生产效率低、劳动强度高。目前,针对氮气弹簧的研究主要侧重于其结构设计[1-3]、加工工艺[4]、润滑密封[5,6]、数值分析[7]、应用[8-11]等方面,而对其质量的控制,特别是涉及充气压力控制的论文几乎没有。本文将针对所设计的高压氮气弹簧自动充气机,着重分析提高其充气精度的方法与措施。1自动充气机的结构设计高压氮气弹簧自动充气机的结构设计如图1所示,该充气机由机架(见图1中10、13等)、高压氮气气源(见图1中1、31等)、密封定位体(见图1中17)、气动自锁夹紧机构(见图1中2、9、18、25、26、27、28、29、30等)、蓄能稳压装置(见图1中11、12)、压力控制器(见图1中22)、高压充气系统(见图1中1、11、12、14、15、31等)、低压控制系统(见图1中2、3、4、5、6等)、安全保护结构(见图1中7、8、19、20、23)、PLC可编程控制等构成,由于篇幅限制,详细的结构设计将在另一篇论文中详细阐述,这里不再累赘。当待充气的弹簧16放入定位密封体17并同时按下联动开关8、20后,设备开始工作。此时两位四通电磁阀6不通电,处于常态位置,气缸作伸出运动,通过齿轮齿条副26、27带动压紧螺杆29向下运动,并通过过渡压块18压紧氮气弹簧16,实现压紧和密封。充气结束后,两位四通电磁阀6通电换向,使气缸反向运动,通过齿轮齿条副26、27带动压紧螺杆29向上运动,以松开氮气弹簧。其氮气充气压力能够在2~5 MPa之间实现任意调整,充气精度可达到±0.1 MPa。2提高充气精度的关键技术由于氮气弹簧充气压力高、气腔容积小,充气过程冲击严重,如何提高氮气弹簧的充气精度将是本论文研究的重点与难点,下面将从重要零部件的选型、充气工艺的改进、控制方案的优化等方面分别进行阐述。1,5.气动三联件2.夹紧气缸3.单向节流阀4.气缸支架6.两位四通电磁阀7,19.入位传感器8,20.联动开关9.连接板10.工作平台11,14,15.两位两通电磁阀12.稳压蓄能器13.机架16.氮气弹簧17.定位密封体18.过渡压块21.绿色指示灯22.压力继电器23.急停按钮24.红色指示灯25.直线导轨26.齿条27.齿轮28.压紧螺杆支架29.压紧螺杆30.支撑板31.高压氮气储存罐▲图1氮气弹簧自动充气机结构图2.1压力继电器的选型氮气弹簧的理想充气过程较为简单:用高压氮气对弹簧进行充气,当达到某一设定的阀值时,触动压力继电器工作,切断充气回路,充气结束。因此,压力继电器的控制精度将直接影响着氮气弹簧的最终质量。常用压力继电器一般采用机械结构设计,工作压力不超过3 MPa,鉴于氮气弹簧的充气压力要达到5 MPa,充气精度要达到±0.1 MPa,很显然该种压力继电器无法满足要求。▲图2压力继电器数字式压力继电器采用先进的扩散硅感应压力技术,控制范围广,精确度高,稳定性能优越。本文采用某公司C型K-GP压力继电器C100,其压力控制范围为0~10MPa,精度为±0.5%FS,即±0.05 MPa,几乎达到设计要求的2倍,所以只要设计合理,该型压力继电器完全能够满足要求。图2为所选型的数字式压力继电器。2.2充气工艺的改进事实上,实验发现,这种充气方式虽然原理简单,但是存在着致命的缺陷,主要表现为:(1)由于氮气弹簧气腔太小,充气压力太大,充气过程将在瞬间完成,充气过程容易产生冲击与噪声;(2)一方面,充气过程时间极短,另一方面,压力继电器又存在一定的反应时间和时滞,因此实际充气过程中,从压力继电器感应到设定阀值到继电器开始工作这段时间内,氮气弹簧被继续充入大量气体,有的时候,充气压力甚至超过设定值的2~3倍以上。以充气压力3 MPa为例,实际充气结果如表1及图3所示。表1直接充气方案的充气结果(MPa)序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16压力8.3 7.5 9.7 4.5 5.8 7.8 6.9 9.0 5.5 3.6 8.3 7.5 6.3 7.2 7.8 4.6▲图3直接充气方案的充气结果由图3可见,由于存在延时及冲击,使得:(1)充气压力全部大于设定压力;(2)最终充气压力的波动较大;(3)充气结果毫无规律性可言,随机性较大。这在产品设计时是绝对不允许出现的,为了解决上述问题,将采用如下针对性的措施。2.2.1稳压蓄能器▲图4稳压蓄能器充气原理为了减少充气过程中的冲击对氮气弹簧充气精度的影响,在氮气弹簧与高压氮气储存罐之间,加入一个容积远大于氮气弹簧气腔的稳压蓄能器,氮气不再直接由高压氮气储存罐充入氮气弹簧,而是由稳压蓄能器充入氮气弹簧,如图4所示。其充气原理为:稳压蓄能器接收高压氮气储存罐的氮气,并将压力控制在充气压力;然后接通稳压蓄能器和氮气弹簧,使稳压蓄能器中的氮气充入到氮气弹簧中。因此,只要确保在充气前稳压蓄能器中的压力达到设定的充气压力,就可确保充气过程较为平稳,充气精度容易保证。现在来分析一下这种充气方式对充气精度的影响。设充气前稳压蓄能器内的压力和体积分别为p和V蓄,充气结束后,压力降低Δp,则根据理想气体状态方程[12],在温度T不变的情况下pV守恒,得pV蓄=(p-Δp)(V蓄+V弹)(1)即,Δp=V弹V蓄+V弹p(2)根据公式(2),对于这种间接充气方式,只要V蓄V弹,Δp就趋向于0,因此,在稳压蓄能器取的足够大时,其压力损失基本可以忽略不计。该充气流程在理论上是可行的,并且能够较容易地确保氮气弹簧的充气精度。2.2.2压力继电器控制根据上述充气方案,氮气弹簧的最终充气精度取决于稳压蓄能器内的氮气压强精度,因此,氮气弹簧充气机的精度控制由氮气弹簧转化到了稳压蓄能器上。由于稳压蓄能器的容积较大,控制较为简单,具体过程如下。根据2.1小节选定的压力继电器,其量程为0~10 MPa,精度为±0.5%FS,即±0.05 MPa。该压力继电器有两个触发状态,分别为上限停止(或断开信号)和下限启动(或接通信号)。当稳压蓄能器压力达到上限时,启动断开信号,停止充气;当稳压蓄能器压力低于下限时,启动接通信号,为稳压蓄能器充电。▲图5压力继电器上下限阀值与充气精度对应关系设最终要充的氮气弹簧的充气压力为p±0.1 MPa,则必须把稳压蓄能器的压力控制在[p-0.1,p+0.1]MPa,因此,把压力继电器的下限阀值设定为(p-0.1)MPa,上限阀值设定为(p+0.1)MPa,其对应关系如图5所示。结合图2,压力继电器的调整过程如下。(1)按下ON/OFF键,使RUN指示灯熄灭;(2)按下INSTALL键,直至LOWER指示灯亮起;(3)调节上(▲)下(▼)箭头,使数值等于下限接通阀值,即(p-0.1)MPa;(4)按下INSTALL键,直至UPPER指示灯亮起;(5)调节上(▲)下(▼)箭头,使数值等于上限断开阀值,即(p+0.1)MPa;(6)按下INSTALL键,关闭设置状态;(7)按下ON/OFF键,使RUN指示灯亮起,压力继电器进入工作状态。2.2.3残余气体的排放氮气弹簧的充气压力需达到2~5 MPa,相当于最高时要达到50个标准大气压,因此,在充气结束夹紧机构松开时,由于定位密封体(见图1中零件17)内存在残余的高压气体,冲击和噪声非常大,容易引起安全隐患,因此,在夹紧机构松开前,必须先把定位密封体内的残余高压气体排出,这也是在进行高压充气回路设计时必须考虑的问题。排气功能一般由电磁阀的通断来实现,这将在高压充气回路图中体现。2.3高压充气气路设计根据上述分析,所设计的高压充气气路如图6所示。1.压力继电器2,4,8.两位两通电磁阀3.稳压蓄能器5.气动三联件6.高压氮气储能罐7.减压阀9.氮气弹簧▲图6高压充气气路简图其工作原理为:充气前,检测蓄能器3中的氮气压力是否达到充气要求,如果达到充气要求,则电磁阀2通电,系统开始充气;当压力低于设定的最低值(p-0.1)MPa时,电磁阀2断电,并通过压力继电器1打开电磁阀4,高压氮气储能罐6向蓄能器3补充高压氮气;当压力达到预先设定的最大值(p+0.1)MPa时,压力继电器1断开电磁阀4。这一过程可以始终确保蓄能器3中的压力稳定在[p-0.1,p+0.1]MPa之间。充气结束后,电磁阀2断开,然后电磁阀8通电,将定位密封体内的残余高压气体排出。各主要零部件在充气各个阶段的具体工作状态如表2所示。表2高压充气气路各期间工作状态压力继电器1电磁阀2稳压蓄能器3电磁阀4电磁阀8氮气弹簧9初始状态---空充气前检测---空补气时检测-压力满足+补气-空充气时+充气压力满足--充满充气后--+排气注:“+”表示通电接通,“-”表示断电闭合3自动充气机的实现过程采用上述充气气路的自动充气机最终结构设计如图1所示。为了便于更好地理解本压力控制系统的控制流程,现以图1中所标序号为例,分析自动充气机在充气前、补气时、充气时以及充气后的各主要部件的工作状态,如表3所示,从而自动控制充气机的运行。表3自动充气机在不同阶段各部件的工作状态电磁阀6电磁阀11电磁阀14电磁阀15气缸夹具充气前+---收回夹紧补气时++--收回夹紧充气时+-+-收回夹紧充气后---+伸出松开注:1.上表中的高压气路中,电磁阀11是由压力继电器22控制的。当蓄能器12中的压力低于下限阀值时,则压力继电器22接通,电磁阀11通电;当蓄能器12中的压力高于上限阀值时,则压力继电器22断开,电磁阀11断电。2.“+”表示通电接通,“-”表示断电闭合结合图1,氮气弹簧充气机的自动充气过程如下:充气前:当传感器7、19检测到氮气弹簧装入定位密封体17内后,同时按下联动开关8、20,电磁阀6通电,从而气缸2收回,氮气弹簧16被夹紧,完成充气前的准备工作。补气时:上述准备结束后,高压充气回路接到开始充气的信号。此时,由压力继电器22判断蓄能器12中的氮气压力是否达到充气要求,如果达到充气要求,则开始充气;如果压力低于设定的最低值(p-0.1)MPa时,电磁阀14、15首先断电,然后压力继电器22打开电磁阀11,高压氮气储能罐31向稳压蓄能器12补充高压氮气;当压力达到预先设定的最大值(p+0.1)MPa时,压力继电器22断开电磁阀11。这一过程可以始终确保稳压蓄能器12中的压力稳定控制在[p-0.1,p+0.1]MPa内。充气时:首先判断电磁阀11是否断电,如果断电,则可以开始充气。此时,电磁阀14通电,稳压蓄能器12提供的压力稳定的高压氮气充进弹簧16。充气后:充气结束后,电磁阀14断开,并接通电磁阀15,将定位密封体17内的高压残余气体排出;然后给气动自锁夹紧机构发出信号,使电磁阀6反向接通,夹紧机构松开。单个弹簧充气过程结束。4充气结果及分析根据图1所示设备,对一组氮气弹簧进行充气,数量为32只,充气要求为4±0.1 MPa。首先对压力继电器的上下限阀值进行调整,下限为3.9 MPa,上限为4.1 MPa,其充气结果如表4及图7所示。表4氮气弹簧充气压力(MPa)序号1 2 3 4 5 6 7 8充气压力4.09 4.03 3.98 3.92 4.05 4.02 3.95 3.90序号9 10 11 12 13 14 15 16充气压力4.09 4.05 3.98 3.92 4.08 4.03 3.97 3.94序号17 18 19 20 21 22 23 24充气压力4.07 4.00 3.963.92 4.08 4.04 3.97 3.93序号25 26 27 28 29 30 31 32充气压力4.07 4.04 3.96 3.91 4.09 4.06 3.99 3.94▲图7氮气弹簧充气压力曲线通过对图7的分析,可以发现:(1)氮气弹簧的充气压力是波动的;(2)氮气弹簧的充气压力的波动呈现出一定的周期性。究其原因,实际上与继电器的触动方式有关。根据充气过程,在充气前,首先对稳压蓄能器充气,直至4.1 MPa,压力继电器被触动,停止充气;开始充气后,由于此时稳压蓄能器中的氮气压力接近上限阀值,氮气弹簧的充气压力较高;随着充气次数的增加,稳压蓄能器中的氮气慢慢变少,压力降低,氮气弹簧的充气压力也相应慢慢降低;当充气前或者充气过程中的压力低于3.9 MPa时,压力继电器被触动,充气过程停止,并对稳压蓄能器进行压力维持,直至4.1 MPa,并重复上面充气过程。根据图7可以发现,该氮气弹簧自动充气机每一次压力维持,能够充4个左右的氮气弹簧。(3)虽然有一定的波动性,但是氮气弹簧的充气压力始终控制在4±0.1 MPa的范围内,满足生产要求。5结论本文对一种高压氮气弹簧自动充气机的压力控制进行了详细的分析和研究。(1)通过稳压蓄能器的设计,减少了充气过程中的冲击和噪声,降低了充气压力的控制难度;(2)通过对压力继电器的选型及控制方式的改进,确保了充气压力的稳定性与一致性;(3)对高压充气流程进行了重新设计和优化;(4)实现了对充气压力在设计范围内任意可调。通过调节压力继电器的上下限阀值,可以在2~5 MPa之间的任意压力下对氮气弹簧进行充气,很好地满足了产品的多样性要求;(5)本设计已经申获发明专利[ZL201210144995.X]和实用新型专利[ZL201220210360.0]。高压氮气弹簧自动充气机压力控制@纪小刚$江南大学机械工程学院!江苏无锡214122 @李楠$江南大学机械工程学院!江苏无锡214122 @卞达$江南大学机械工程学院!江苏无锡214122设计了一种高压氮气弹簧自动充气机的压力控制系统。该系统针对高压充气时冲击大、精度差等问题,研究了提高充气机充气精度的关键技术,如压力继电器的选型与控制、稳压蓄能器的设计、充气工艺优化等,并在此基础上设计了高压充气回路。实验结果表明,该系统控制精度高、充气结果稳定,能够很好地满足生产要求。氮气弹簧;;充气机;;高压;;压力控制系统;;稳压蓄能器;;压力继电器[1]张勋兵.氮气弹簧的结构设计与性能分析[D].河北秦皇岛:燕山大学,2012. [2]谷晓玉,董立光.氮气弹簧快换机构设计[J].模具工业,2013,39(4):67~68. [3]尹飞鸿,干为民.氮气弹簧开发系统多软件协同的平台设计[J].机械设计,2011,28(9):76~79. [4]罗正德,余香革.氮气弹簧活塞杆的加工工艺[P].中国:200410012860.3,2004.03.18. [5]龚小涛,付传锋,谭文娟.氮气弹簧及其运动部件的润滑[J].模具制造,2005,(6):70~72. [6]彭成允,詹捷.氮气弹簧及其密封方法[J].现代制造工程,2002,(10):69~70. [7]尹飞鸿,干为民,刘翔.1500×25-F型氮气弹簧动静态特性数值分析[J].现代制造工程,2012,(12):76~79. [8]刘建军.简介模具弹性元件的新秀——氮气弹簧[J].价值工程,2010,(11):87~87. [9]肖洪波,梁士红.氮气弹簧在磁轭落料拉深模中的应用[J].锻压技术,2013,38(4):109~111,129. [10]许修路.氮气弹簧在冲压模具中的应用[J].金属加工(热加工),2012,(1):64~65. [11]胡树林.氮气弹簧在钻机液压卡盘中的设计应用[J].煤矿机械,2012,33(9):217~218. [12]华彤文,陈景祖.普通化学原理第三版[M].北京:北京大学出版社,2005.
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